苧麻對坡耕地土壤及團聚體固碳效應的影響

熊偉++湯滌洛++付聰++朱偉++汪紅武

摘要：在湖北省咸寧市崇陽縣坡耕地上設置種植苧麻[Boehmeria nivea（L.） Gaudich.]、自然休閑（CK1）、種植農作物（黃豆，CK2）3個處理，研究種植苧麻對地表土壤組成結構、理化性質和團聚體數(shù)量特征的影響。結果表明，從土壤結構組成來看，種植苧麻改良效果不明顯；從土壤理化性質來看，土壤有機碳、速效養(yǎng)分和全氮、全磷含量均以種植苧麻最高，其中土壤有機碳含量為8.45 g/kg，比自然休閑和種植農作物高出86.5%和53.3%；從土壤團聚體數(shù)量來看，利用苧麻進行團聚體固碳在所有坡耕地研究對象中表現(xiàn)最好，且其大團聚體數(shù)量最多，分別比自然休閑和種植農作物處理高28.7%和25.2%，且差異達顯著水平。綜上可知，在坡耕地種植苧麻可以改善土壤質量，其是通過增加土壤中大團聚體含量，同時增強大團聚體對有機碳的保護作用，達到固碳效果。

關鍵詞：苧麻[Boehmeria nivea（L.） Gaudich.]；坡耕地；土壤；團聚體；固碳效應

中圖分類號：S563.1 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）13-2434-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.13.009

Effects of Ramie on Soil and Aggregate Organic Carbon Sequestration in Sloping Farmland

XIONG Wei， TANG Di-luo， FU Cong， ZHU Wei， WANG Hong-wu

（Xianning Academy of Agricultural Sciences/Hubei Ramie Engineering Technology Center， Xianning 437100， Hubei， China）

Abstract： The soil structure，physicochemical property， and the distribution of soil aggregates was studied by selecting ramie， crops（soybean，CK1） and natural fallow（CK2） in Chongyang slope farmland. The results showed that the effects of planting ramie on improving soil were not obvious from the perspective of soil structure. From the perspective of soil physicochemical property， the content of soil surface organic carbon， available nutrient， total nitrogen and total phosphorus under planting ramie were the highest， and organic carbon reached 8.45 g/kg， 86.5% and 53.3% higher than the natural leisure and planting crops. From the perspective of soil aggregates， the treatment of planting ramie had the best performance on carbon sequestration of ramie aggregates in all of slope farmland in the research object； the quantity of soil large aggregates under planting ramie was highest， and 28.7% and 25.2% higher than natural leisure and planting crops respectively， the difference was significantly. In summary， ramie could improve the quality of the soil in the slope farmland by increasing the content of large aggregates in the soil， and enhancing the protective effect of the large aggregates on the organic carbon， so as to achieve the effect of carbon sequestration.

Key words： ramie[Boehmeria nivea（L.） Gaudich.]； sloping farmland； soil； aggregate； carbon sequestration

苧麻[Boehmeria nivea（L.） Gaudich.]是中國特有的以紡織為主要用途的農作物，中國的苧麻產量占全世界苧麻產量的90%以上。苧麻適合在南方坡耕地種植，其根系發(fā)達，固土能力強，保水效果佳，發(fā)展苧麻上山能緩解與糧爭地的矛盾，具有良好的生態(tài)、經濟、社會效益[1]。

土壤團聚體是土壤結構的基本單位，其數(shù)量的多少在一定程度上反映了土壤供儲養(yǎng)分能力的高低[2，3]，并且其數(shù)量分布和空間排列方式決定了土壤孔隙的分布和連續(xù)性，進而決定了土壤的水力性質，影響土壤生物的活動[4]。同時，水穩(wěn)性團聚體的數(shù)量和分布狀況反映了土壤結構的穩(wěn)定性、持水性、通透性和抗侵蝕的能力[5]。把>0.25 mm級別的團聚體稱為大團聚體，0.053～0.25 mm級別團聚體稱為微團聚體，<0.053 mm組分稱為黏沙粒。通常認為>0.25 mm團聚體是土壤團粒結構體，是土壤中最好的結構體，其數(shù)量與土壤肥力狀況呈正相關。

土壤有機碳是巖溶系統(tǒng)中碳轉移的動力學媒介，是巖溶系統(tǒng)中碳流通的主要途徑，常被用來選作土壤質量評價的指標，用來綜合反映土壤的生產、環(huán)境和健康功能[6，7]。土壤有機碳是指在一定時空下受植物、微生物影響強烈、具有一定溶解性，且在土壤中移動較快、不穩(wěn)定、易氧化、易分解、易礦化，其形態(tài)和空間位置對植物和微生物有較高活性的那部分土壤碳素[8]。本試驗通過田間采樣結合室內分析研究了南方紅壤地區(qū)土地利用方式對團聚體有機碳分布以及大團聚體有機碳礦化動態(tài)的影響，探討了苧麻固碳效應以及大團聚體對有機碳的保護作用，進一步闡明土壤培肥機理，為提高該區(qū)域的土壤質量提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

土壤樣品采自湖北省咸寧市崇陽縣白霓鎮(zhèn)石山村紅壤山坡地。崇陽縣屬亞熱帶季風氣候，日照充足，溫和多雨，無霜期長，四季分明。歷年平均氣溫17.0 ℃。2015年極端最高溫度37 ℃，出現(xiàn)在8月4日，最低氣溫-2 ℃，出現(xiàn)在1月30日。歷年平均降水量1 693.2 mm。2015年出現(xiàn)了7場暴雨，全年雨日162 d，雪日4 d。歷年平均日照時間1 350 h，光照充足。歷年平均蒸發(fā)量1 584.5 mm。崇陽縣四面環(huán)山，峰巒疊嶂，地處大幕山、大湖山、大藥姑山之間，屬低山丘陵區(qū)。土壤以山地丘陵紅壤為主，含沙量大，極易產生水土流失。

1.2 試驗方法

土壤采樣于2015年6月在崇陽縣白霓鎮(zhèn)石山村進行。試驗地為紅壤坡耕地，坡度為27°，土壤為紅壤。在試驗地分別設置種植苧麻、自然休閑（CK1）、種植農作物（黃豆，CK2）3個處理，苧麻于2014年4月種植，黃豆于2014年起每年3月種植，1年種2次，每個處理取6個樣，共采集18個樣本。送江西省紅壤研究所測試土壤理化性質和土壤水穩(wěn)性團聚體。

1.3 測定方法

土壤有機質、有機碳采用重鉻酸鉀加熱法測定，田間持水量、土壤容重和孔隙度采用環(huán)刀法測定，土壤pH采用玻璃電極法測定，土壤機械組成采用虹吸法測定，水穩(wěn)性團聚體采用濕篩法測定。

1.4 數(shù)據處理

數(shù)據分析采用Excel 2003軟件和SPSS 16.0軟件，不同處理間的差異顯著性水平采用LSD法。

2 結果與分析

2.1 不同土地利用方式對土壤組成結構的影響

對土壤田間持水量進行比較，種植苧麻比自然休閑提高了0.6%，比種植農作物提高了4.9%，差異未達顯著水平；對容重進行比較，種植苧麻比自然休閑提高了0.2%，比種植農作物提高了3.2%，種植苧麻與種植農作物間土壤容重差異顯著；對總孔隙度進行比較，種植苧麻比自然休閑降低了3.0%，比種植農作物降低了0.3%，差異均不顯著；對毛管孔隙度進行比較，種植苧麻比自然休閑提高了1.0%，比種植農作物提高了8.3%，種植苧麻與種植農作物間差異顯著；對非毛管孔隙度進行比較，種植苧麻比自然休閑降低了15.6%，比種植農作物降低了59.7%，三者之間差異均達顯著水平（表1）。

2.2 不同土地利用方式對土壤理化指標的影響

通過對土壤的有機碳（表2）進行分析可知，種植苧麻土壤的有機碳極顯著高于自然休閑和種植農作物兩個對照，分別提高86.5%和53.3%。通過對土壤的pH進行分析可知，種植苧麻土壤的pH為6.25，偏中性，高于自然休閑的 5.96（偏酸性），低于種植農作物的 6.78（偏堿性）。

通過對土壤速效養(yǎng)分含量分析可知，種植苧麻與自然休閑、種植農作物之間的土壤速效磷含量差異均達到顯著水平，從改良速效磷來看，種植苧麻的速效磷含量優(yōu)于兩對照，比自然休閑田提高了414.1%，比種植農作物提高了54.7%。種植苧麻的土壤速效鉀含量顯著高于自然休閑和種植農作物，分別提高了361.5%和22.4%。種植苧麻的土壤速效氮含量顯著高于自然休閑和種植農作物，分別提高了88.6%和56.8%，改良效果優(yōu)于兩對照。

通過對不同處理的全氮、全磷、全鉀含量進行分析可知，除種植苧麻與種植農作物間全磷含量外，其他處理間的土壤全量養(yǎng)分含量差異均達顯著水平，改良全氮、全磷含量效果以種植苧麻處理最好，然后依次是種植農作物與自然休閑；改良全鉀含量效果以自然休閑最好，其次是種植農作物，種植苧麻效果最差。

2.3 不同土地利用方式對團聚體數(shù)量特征的影響

對土壤進行濕篩法獲得不同土地利用方式土壤團聚體各粒級組成，不同土地利用方式每個樣本總質量200 g。從表3可以看出，>2 mm的團聚體以種植苧麻的最多，達到30.00 g，種植農作物與自然休閑的較少，分別為5.78 g和7.26 g，分別比種植苧麻降低了419.0%和313.2%，差異顯著。1～2 mm的團聚體以種植苧麻的最多，達48.59 g，種植農作物和自然休閑的較少，分別為30.81 g和21.67 g，分別比種植苧麻低57.7%和124.2%，差異顯著。0.5～1 mm的團聚體以種植農作物的最多，其次是自然休閑，最后是種植苧麻，分別為55.64、52.84、51.89 g，種植農作物和自然休閑分別比種植苧麻高6.7%和1.8%，其中，種植農作物與種植苧麻處理間差異達顯著水平。0.25～0.5 mm團聚體以自然休閑的最多，其次是種植農作物，最后是種植苧麻，分別達35.93、28.91、21.20 g，自然休閑和種植農作物分別比種植苧麻高69.5%和36.4%，三者差異均達顯著水平。0.053～0.25 mm團聚體以自然休閑最多，其次是種植農作物，最后是種植苧麻，分別為57.13、49.30、30.21 g，自然休閑和種植農作物分別比種植苧麻高89.1%和63.2%，三者之間差異均達顯著水平。<0.053 mm團聚體以種植農作物最多，其次是自然休閑，最后是種植苧麻，分別為20.19、17.54、10.51 g，種植農作物和自然休閑分別比種植苧麻高92.1%和66.9%，三者之間差異均達顯著水平。

>2 mm、1～2 mm和1～0.25 mm的團聚體為水穩(wěn)性大團聚體，0.25～0.053 mm的團聚體為水穩(wěn)性微團聚體。種植苧麻土壤的水穩(wěn)性大團聚體為151.68 g，比自然休閑和種植農作物的117.7、121.14 g高出28.7%、25.2%，達顯著差異。種植苧麻有利于紅壤旱地>0.25 mm土壤水穩(wěn)性大團聚體的增加，尤其是>1 mm的土壤水穩(wěn)團聚體；同時，也能顯著降低<0.25 mm的微小團聚體。水穩(wěn)性大團聚體為主要固定有機碳的團聚體，大部分有機碳固定在水穩(wěn)性大團聚體中，在上述分析中種植苧麻土壤的水穩(wěn)性大團聚體顯著高于自然休閑和種植農作物，由此可見，苧麻的固碳能力顯著高于自然休閑和農作物。

3 小結與討論

3.1 小結

從土壤容重和總孔隙度方面來看，種植苧麻與種植農作物和自然休閑未見明顯差異，說明苧麻在改良土壤組成結構方面效果不明顯。

從土壤有機碳來看，種植苧麻土壤有機碳含量顯著高于自然休閑和種植農作物；從土壤pH來看，種植苧麻土壤中性，優(yōu)于自然休閑（偏酸性）和種植農作物（偏堿性）；從速效養(yǎng)分含量來看，種植苧麻土壤的各速效養(yǎng)分含量均顯著高于種植農作物和自然休閑。從全量養(yǎng)分來看，種植苧麻土壤的全氮和全磷含量高于種植農作物和自然休閑，土壤全鉀含量低于種植農作物和自然休閑，不具優(yōu)勢。由此可知，苧麻在改良土壤有機碳、pH、速效養(yǎng)分和全量養(yǎng)分含量方面有明顯優(yōu)勢，固碳效果明顯。

從土壤團聚體數(shù)量上來看，種植苧麻土壤的>2 mm和1～2 mm團聚體含量高于自然休閑和種植農作物。在水穩(wěn)性大團聚體總量上，種植苧麻顯著高于種植農作物和自然休閑，水穩(wěn)性大團聚體為固定有機碳的優(yōu)勢團聚體，由此說明，苧麻在固碳效應方面具有優(yōu)越性。

3.2 討論

土壤中穩(wěn)定性大團聚體（>0.25 mm）的數(shù)量和穩(wěn)定性是土壤結構的關鍵指標。大量研究[9-11]表明， 秸稈還田能增加大團聚體含量， 并提高團聚體的穩(wěn)定性。土壤有機碳含量高可以增加大孔隙的數(shù)量和連接性，提高水肥供應能力。同時有機物的斥水性和膠結作用可以提高團聚體的水穩(wěn)定性[12]。本研究結果表明，種植苧麻可顯著提高土壤有機碳含量、大團聚體比例和團聚體穩(wěn)定性，進一步證實了苧麻在改善紅壤性土結構中不可替代的作用[13]。影響土壤團聚體分布特征的主要因素包括土壤有機質、土壤容重、土壤顆粒組成等，紅壤性土壤增加的有機碳主要累積于較大團聚體。本研究條件下種植苧麻有利于較大粒級團聚體的形成，而且較大粒級團聚體決定著土壤總有機碳的穩(wěn)定。進一步的研究表明，新進入土壤的碳大部分集中在大團聚體中，種植苧麻在水穩(wěn)性大團聚體數(shù)量上具有優(yōu)勢，大部分新進碳被固持下來。水穩(wěn)性大團聚體固持碳的周轉時間為140年，被固定的碳在很長時間發(fā)揮作用[14]。不同碳庫可能存在著飽和等級現(xiàn)象[15，16]，即團聚體粒級越小，固碳潛力越低，會優(yōu)先達到碳飽和；土壤繼續(xù)增持的碳會結合于較大粒級團聚體中。因此，不同尺度土壤顆粒所固持碳的穩(wěn)定性不同，從而導致其碳周轉速率和飽和度存在較大差異。較細尺度顆粒（黏粉粒和微團聚體）固持的碳周轉較慢，有利于碳的固持，由于這些顆粒固碳潛力較低，易于達到碳飽和，新進入土壤的碳主要積累于大團聚體中[15，16]。一般認為在有機碳含量較高、黏粒含量較低的土壤中，有機碳的作用占主導地位，團聚體的形成則主要依靠有機碳的膠結作用。在紅壤山坡地種植苧麻提高了植被覆蓋率，改善了土壤微環(huán)境，緩減了當?shù)靥厥鈿夂蛉缢亮魇У葘ν寥澜Y構的破壞，截留土壤有機碳，提高土壤有機碳含量，減少有機碳排放，降低對溫室效益的影響。通過植被的光合作用固定大氣CO2，并使之以有機碳形式儲存于土壤中具有特別重要的意義。從全球碳平衡來看，地表土壤有機碳儲量2 000 pg，植被碳儲量500 pg，大氣碳儲量785 pg，土壤中的碳通過植被的光合作用得到不斷的補充，每年約有10%的大氣圈碳進入土壤，陸地植被系統(tǒng)具有強大的固碳功能，是一個自然的碳封存過程，在全球固碳途徑中，它是一個不需通過CO2的提純、分離、捕獲、壓縮成本的廉價措施[17]。對于團聚體需要進一步深入研究土壤不同粒級組分固碳潛力差異的機理。

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