基于土地適宜性和固碳需求的紫云英種植布局研究: 以福建省浦城縣為例*

曹孟錦, 周碧青, 張黎明, 邱龍霞, 陳 容, 邢世和

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基于土地適宜性和固碳需求的紫云英種植布局研究: 以福建省浦城縣為例*

曹孟錦, 周碧青, 張黎明, 邱龍霞, 陳 容, 邢世和**

(福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院/土壤生態(tài)系統(tǒng)健康與調(diào)控福建省高校重點實驗室 福州 350002)

藏碳于土是減少溫室氣體排放的重要途徑, 紫云英等綠肥回田能顯著促進土壤有機碳積累, 且培肥地力, 但至今有關(guān)其種植布局的研究極少結(jié)合用地適宜性和固碳培肥現(xiàn)實需求性進行探討。本文以福建省浦城縣為研究區(qū), 借助GIS與修正的加權(quán)指數(shù)和、動態(tài)聚類等數(shù)學(xué)模型集成技術(shù), 在基于1∶5萬比例尺的區(qū)域紫云英用地適宜性評價和耕層土壤碳密度分析的基礎(chǔ)上, 以適宜性和耕層土壤有機碳密度為指標, 遵循最適宜生長和耕層土壤碳密度較低的耕地優(yōu)先安排為種植用地的原則, 將研究區(qū)紫云英優(yōu)化種植區(qū)劃分為優(yōu)先、次優(yōu)先和一般種植區(qū)。結(jié)果表明, 研究區(qū)81.82%的耕地不同程度地適宜種植紫云英, 耕層有機碳密度介于2.50~5.74 kg×m-2, 空間差異較為明顯。經(jīng)優(yōu)化布局的研究區(qū)紫云英用地面積占耕地總面積的59.72%, 以優(yōu)先種植區(qū)和次優(yōu)先種植區(qū)占優(yōu)勢, 分別占研究區(qū)紫云英優(yōu)化布局用地總面積的25.72%和50.34%; 其中耕地土壤固碳培肥需求較為強烈的蓮塘、水北、古樓、永興和忠信等鄉(xiāng)鎮(zhèn)可作為紫云英重點種植區(qū), 富嶺、仙陽、石陂和九牧等鄉(xiāng)鎮(zhèn)可作為紫云英種植的后備種植區(qū)?；谕恋剡m宜性和固碳需求, 擇優(yōu)選取紫云英適宜種植區(qū)域, 對于其高效種植利用、區(qū)域耕地土壤有機質(zhì)提升計劃的科學(xué)實施以及耕地質(zhì)量的有效提高具有重要指導(dǎo)意義。

紫云英; 固碳; 適宜性; 土壤有機碳密度; 數(shù)學(xué)模型集成; 優(yōu)化布局

土壤有機碳(SOC)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫, 其微小變化可對大氣圈中CO2濃度產(chǎn)生巨大的影響; 另外, 其碳“源/匯”作用受耕作和施肥等人類活動的影響較為強烈, 且具有一定的可調(diào)控性。紫云英(L.)屬豆科植物, 是一種優(yōu)質(zhì)綠肥作物, 其地上部、地下部的碳蓄積量分別為 1 799.6 kg×hm-2和292.5 kg×hm-2[1]。種植紫云英翻壓回田不僅能培肥地力、提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)[2-3], 還能通過顯著增加和更新土壤有機碳[4-5], 促進土壤固碳, 減少溫室氣體排放。為解決耕地質(zhì)量和農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)下降等問題, 國家農(nóng)業(yè)部和財政部于2006年啟動了土壤有機質(zhì)提升項目, 鼓勵農(nóng)民種植紫云英等綠肥回田[6]。2015年農(nóng)業(yè)部制定《到2020年化肥使用量零增長行動方案》, 提出到2020年實現(xiàn)“一控兩減三基本”的目標, 兼顧紫云英種植的適宜性和耕地固碳的需求性, 合理規(guī)劃、種植和利用這些綠肥, 是一項促進土壤有機質(zhì)提升、增加土壤固碳、減少化肥施用和保護農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的有效技術(shù)措施[7]。

國內(nèi)外有關(guān)紫云英方面的研究主要聚焦于其回田對土壤有機質(zhì)、結(jié)構(gòu)性、氮磷鉀養(yǎng)分、微生物和酶活性以及肥力狀況等的影響[8-12], 少數(shù)學(xué)者開展了區(qū)域紫云英等綠肥種植用地宏觀區(qū)劃研究。如, 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院1981年完成了《中國綠肥區(qū)劃》, 根據(jù)土壤肥力及自然、社會經(jīng)濟等條件, 將全國綠肥種植劃為9個一級區(qū)、47個二級區(qū)[13]。肖道庸[14]基于江西省現(xiàn)實情況提出冬季綠肥布局的初步設(shè)想, 將全省劃分為4個綠肥種植區(qū)。周志明[15]考慮未來耕地、園地的消長, 預(yù)測了2020年北京平谷區(qū)僅園地引入綠肥和耕地、園地均引入綠肥2種情景下的綠肥空間分布。這些研究為我國及區(qū)域紫云英等綠肥種植的宏觀區(qū)劃提供了科學(xué)依據(jù)。但由于以往研究未考慮紫云英用地適宜性和耕地固碳培肥現(xiàn)實需求性等因素, 難于為新形勢下土壤有機質(zhì)提升、化肥減量化和耕地質(zhì)量提高等“國家戰(zhàn)略”實施提供有效的基礎(chǔ)依據(jù)。為此, 本研究以我國最早的商品糧基地縣——福建省浦城縣的耕地為研究對象, 基于適宜性和固碳需求的用地優(yōu)化布局理念, 利用1∶5萬比例尺耕地利用現(xiàn)狀-土壤類型數(shù)據(jù)庫、耕地地力評價和測土配方施肥等資料, 借助GIS與數(shù)學(xué)模型集成技術(shù), 開展區(qū)域紫云英用地優(yōu)化種植研究, 探討用地適宜性和耕地土壤碳密度對其用地優(yōu)化布局的影響, 旨在提高區(qū)域紫云英種植空間優(yōu)化布局的科學(xué)性, 以滿足新形勢下農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和農(nóng)田生態(tài)環(huán)境建設(shè)的新要求。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)浦城縣位于福建省最北端、閩浙贛三省交界處, 處于118°11′~118°49′E、27°32′~28°22′N, 是全國最早的商品糧基地縣(圖1)。浦城縣耕地總面積33 619.41 hm2, 占全縣土地總面積的9.94%。浦城縣屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū), 由于丘陵、山地和盆地兼具的復(fù)雜地形地貌, 致使縣域內(nèi)區(qū)域性小氣候差異較明顯, 全縣年均降水量1 100~2 400 mm, 年均蒸發(fā)量1 313.2 mm, 年均溫17.4 ℃, 年日照時數(shù)1 893.5 h, 年無霜期254 d。根據(jù)《福建省土壤分類系統(tǒng)》, 全縣耕地土壤分為3個土類、7個亞類、13個土屬和32個土種, 其中以水稻土占絕對優(yōu)勢, 占全縣耕地總面積的98.18%。

1.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本研究采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來自福建省農(nóng)業(yè)廳2008年浦城縣耕地地力評價和測土配方施肥調(diào)查相關(guān)成果數(shù)據(jù)庫, 比例尺為1︰5萬, 具體包括: ①浦城縣耕地利用現(xiàn)狀-土壤類型數(shù)據(jù)庫; ②浦城縣耕地土壤有機質(zhì)、pH、有效磷、速效鉀、坡度、坡向、質(zhì)地、耕層厚度、容重、障礙層位置、排澇能力和灌溉條件數(shù)據(jù)庫; ③浦城縣紫云英發(fā)芽期(9月中旬—10月中旬)、幼苗期(10月中旬—12月中旬)、越冬期(12月—翌年2月)和開花期(翌年3—4月)日平均溫度數(shù)據(jù)庫。

圖1 研究區(qū)地理位置及鄉(xiāng)鎮(zhèn)分布示意圖

1.3 紫云英用地適宜性評價

根據(jù)用地適宜性評價因子選擇應(yīng)遵循的主導(dǎo)性、差異性、針對性、定量性和現(xiàn)實性等原則[16], 考慮紫云英正常生長發(fā)育對立地條件的一般要求[16-20], 聯(lián)系浦城縣自然條件的空間差異, 采用專家經(jīng)驗法確定紫云英用地適宜性評價因子體系及其各評價因子的理想值、上限值、下限值、極限值等(表1)。以耕地土種類型圖斑(6 368個)為評價單元, 利用上述收集的相關(guān)因子屬性數(shù)據(jù)庫, 建立研究區(qū)評價單元紫云英用地適宜性評價因子空間屬性數(shù)據(jù)庫。另外, 借助SPSS軟件對各評價因子的隸屬度進行模型擬合, 建立紫云英各評價因子的隸屬函數(shù)經(jīng)驗?zāi)Ｐ?表1)[21], 并采用專家經(jīng)驗法確定概念型評價因子的隸屬度經(jīng)驗值(表2), 利用隸屬函數(shù)模型或隸屬度經(jīng)驗值進行各評價因子屬性數(shù)據(jù)的標準化。建立紫云英用地適宜性(目標層)、構(gòu)成要素(準則層)和評價因子(指標層)之間層次關(guān)系, 采用特爾菲法建立準則層對目標層以及指標層對準則層的比較矩陣, 借助農(nóng)業(yè)部耕地地力評價軟件的層次分析法(AHP)模塊運算, 并通過一致性檢驗(0≤CR≤0.02, 均小于0.1), 獲得各評價因子的權(quán)重值[22]。采用修正的加權(quán)指數(shù)和模型[18]計算各評價單元的綜合質(zhì)量指數(shù)以確定其適宜性等級, 計算公式為:

式中:為評價單元的綜合質(zhì)量指數(shù),b為評價因子的權(quán)重,B為評價因子的隸屬度。以各評價單元的綜合質(zhì)量指數(shù)作累積頻率曲線圖, 根據(jù)累積頻率曲線的拐點將研究區(qū)紫云英用地適宜性劃分為4個等級:=0為不適宜,<0.68為一般適宜,介于0.68~0.77為中度適宜,>0.77為高度適宜。

1.4 適宜用地耕層土壤碳密度和紫云英固碳量計算

1.4.1 適宜用地耕層土壤碳密度計算

從研究區(qū)紫云英用地適宜性評價成果數(shù)據(jù)庫提取出適宜用地單元的土壤有機質(zhì)、耕層厚度、容重等空間數(shù)據(jù)庫, 采用公式(2)[23]計算適宜用地單元的耕層土壤碳密度(soil organic carbon density, SOCD, kg×m-2), 建立研究區(qū)紫云英適宜用地單元耕層土壤碳密度空間數(shù)據(jù)庫:

SOCD=0.58O′D′H/100 (2)

式中: 0.58為有機質(zhì)含量還原為有機碳含量的Bemmelen折算系數(shù);O為土壤有機質(zhì)含量(g×kg-1);D為土壤容重(g×cm-3);H為土層厚度(cm), 本研究耕地耕層土壤H統(tǒng)一取20 cm。

表1 研究區(qū)紫云英用地適宜性評價因子指標體系、隸屬函數(shù)和權(quán)重值

1)越冬期日均溫僅作為極限因子而不作為適宜程度評價因子。1) Daily average temperature in wintering period is just used as the extreme factor and not as factor to evaluate suitability degree.

表2 研究區(qū)紫云英用地適宜性概念型評價因子隸屬度經(jīng)驗值

1.4.2 適宜用地紫云英固碳量估算

以浦城縣紫云英用地適宜性評價結(jié)果為依據(jù), 分別在高度、中度和一般適宜區(qū)各設(shè)立10個面積為1 m×1 m的調(diào)查樣區(qū), 于盛花期實地收獲測定植株產(chǎn)量。借助數(shù)學(xué)模型對調(diào)查樣區(qū)紫云英產(chǎn)量(,kg×hm-2)與相應(yīng)適宜性單元的綜合質(zhì)量指數(shù)()的關(guān)系進行擬合, 確定最佳擬合模型為:

=0.237 7ln()-1.121 8 (2=0.984) (3)

利用該最佳擬合模型和研究區(qū)紫云英用地適宜性評價數(shù)據(jù)庫, 計算并建立耕地適宜單元的紫云英產(chǎn)量數(shù)據(jù)庫。

采用烘干法和K2Cr2O7容量法[1]分析測定調(diào)查樣區(qū)紫云英植株的含水率和含碳率分別為89.3%和425.3 g×kg-1, 則可利用研究區(qū)耕地適宜單元的紫云英產(chǎn)量數(shù)據(jù)庫和式(4)計算適宜用地單元的紫云英固碳量:

CF=××(100%-89.3%)×425.3/106(4)

式中:CF(carbon fixation capacity)表示各適宜單元紫云英固碳量(t),表示各適宜單元紫云英產(chǎn)量(kg×hm-2),表示各適宜單元面積(hm2)。

1.5 紫云英種植用地優(yōu)化布局

土壤有機質(zhì)提升計劃的實施旨在增加耕地土壤固碳和培肥地力, 故紫云英高效種植與利用必須以實現(xiàn)高產(chǎn)和盡可能多地增加土壤固碳為目標, 因此在區(qū)域紫云英種植用地優(yōu)化布局上應(yīng)該兼顧其用地適宜性和耕地土壤固碳培肥需求性, 按照區(qū)域耕地適宜種植的等別以及耕地SOCD的高低先后進行布局。適宜性等級越高的耕地, 其立地條件越有利于紫云英生長發(fā)育和產(chǎn)量的提高[24], 故應(yīng)將高度和中度適宜的耕地優(yōu)先布局紫云英的種植; 另外, 耕地SOCD越低, 耕地培肥的需求性越高, 耕地固碳潛力越大, 故中、低SOCD的耕地也應(yīng)優(yōu)先布局紫云英的種植。因此, 本研究基于上述適宜性和固碳需求, 以用地適宜性和耕層SOCD為紫云英優(yōu)化種植指標, 遵循最適宜生長和耕層SOCD較低的耕地優(yōu)先安排為種植用地的原則, 經(jīng)排列組合建立研究區(qū)種植用地優(yōu)化布局劃分指標(表3), 將研究區(qū)優(yōu)化種植區(qū)劃分為優(yōu)先、次優(yōu)先和一般種植區(qū)。為了便于優(yōu)化布局指標的排列組合, 參照國內(nèi)外其他研究成果[25], 采用動態(tài)聚類分析模型將研究區(qū)耕層SOCD劃分為低密度區(qū)(2.501~3.720 kg×m-2)、中密度區(qū)(3.721~4.312 kg×m-2)和高密度區(qū)(4.313~5.739 kg×m-2)。

表3 研究區(qū)紫云英種植用地優(yōu)化布局劃分指標

2 結(jié)果與分析

2.1 紫云英用地適宜性及其產(chǎn)量與固碳量分析

紫云英用地的適宜性評價結(jié)果表明(表4和圖2), 浦城縣適宜種植的耕地總面積為27 505.75 hm2, 占全縣耕地總面積的81.82%, 其中高度、中度和一般適宜種植用地面積分別占全縣適宜用地總面積的11.64%、49.72%和38.64%, 說明研究區(qū)多數(shù)耕地適宜種植紫云英但總體質(zhì)量一般, 以中度和一般適宜用地占優(yōu)勢。

全縣紫云英高度適宜用地面積3 200.73 hm2, 主要分布于西部的永興和古樓、中部的蓮塘和管厝、東南部的水北等鄉(xiāng)鎮(zhèn)。該區(qū)紫云英發(fā)芽期、幼苗期和開花期的日均氣溫分別為22.64 ℃、14.88 ℃和14.65 ℃, 均接近其相應(yīng)生育期的理想值(分別為20 ℃、15 ℃和15 ℃)[20,26]; 另外, 該區(qū)坡度均值為4.18°, 地勢平坦, 土壤灌排條件良好, 近70%的適宜耕地分布于陽坡、半陽坡和平地, 為其生長發(fā)育提供了良好的光、溫、水條件。紫云英生長發(fā)育對磷、鉀需求量大[19-21,26], 而該區(qū)土壤速效鉀和有效磷均值分別為71.41 mg×kg-1和21.37 mg×kg-1, 土壤磷、鉀素較豐富; 紫云英在疏松、肥沃的砂質(zhì)壤土至黏質(zhì)壤土生長最好[26], 而該區(qū)土壤質(zhì)地也以砂質(zhì)黏壤土和砂質(zhì)壤土為主, 耕層深厚, 厚度均值為20.92 cm, 障礙層平均埋深93.52 cm, 土壤剖面狀況理想, 為其生長發(fā)育提供理想的土壤環(huán)境條件。故該區(qū)耕地紫云英產(chǎn)量和固碳量較高, 單位面積耕地紫云英產(chǎn)量和固碳量分別介于0~71.50 t×hm-2和0~3.25 t×hm-2, 均值分別高達31.01 t×hm-2和1.41 t×hm-2。

全縣紫云英中度適宜用地面積13 675.98 hm2, 主要分布于中部的蓮塘、永興和臨江, 西南部的石陂, 東部的富嶺, 東北部的忠信等鄉(xiāng)鎮(zhèn)。該區(qū)耕地紫云英產(chǎn)量和固碳量中等, 單位面積耕地紫云英產(chǎn)量和固碳量分別介于0~42.89 t×hm-2和0~1.95 t×hm-2, 均值分別達27.83 t×hm-2和1.27 t×hm-2。

全縣紫云英一般適宜用地面積10 629.03 hm2, 主要分布于中部的仙陽和蓮塘、西南部的石陂、東部的富嶺、東北部的忠信等鄉(xiāng)鎮(zhèn), 該區(qū)熱量相對不足, 紫云英發(fā)芽期、幼苗期和開花期的日均溫僅分別為19.94 ℃、13.94 ℃和13.99 ℃, 坡度較大(均值為10.04°), 耕地土壤有效鉀、磷含量相對不足, 均值僅分別為53.21 mg×kg-1和11.98 mg×kg-1, 耕層稍薄(均值僅15.53 cm), 灌溉條件較差。故該區(qū)耕地紫云英產(chǎn)量和固碳量相對較低, 單位面積耕地紫云英產(chǎn)量和固碳量分別介于0~29.32 t×hm-2和0~1.33 t×hm-2, 均值僅分別為18.50 t×hm-2和0.84 t×hm-2。

表4 研究區(qū)不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)紫云英用地適宜性面積、紫云英鮮草產(chǎn)量及固碳量

圖2 研究區(qū)紫云英適宜用地分布

2.2 紫云英適宜用地土壤碳密度分析

表5和圖3結(jié)果表明, 浦城縣紫云英適宜用地耕層SOCD變化于2.50~5.74 kg×m-2, SOCD面積加權(quán)平均值為4.02 kg×m-2, 呈現(xiàn)出較強的空間變異性。從不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)來看, 耕層SOCD面積加權(quán)平均值較高的主要有山下、石陂、管厝、楓溪、臨江和富嶺等鄉(xiāng)鎮(zhèn), 其SOCD均值介于4.13~4.44 kg×m-2, 為全縣耕層SOCD均值的102.10%~109.85%; 盤亭、河濱、古樓、官路、濠村和蓮塘等鄉(xiāng)鎮(zhèn)的SOCD較低, 均值介于3.46~3.70 kg×m-2, 僅為全縣SOCD均值的85.64%~91.56%。可見, 研究區(qū)紫云英適宜用地耕層SOCD呈現(xiàn)西南和東部高, 西北部、東南部和中間低的空間變化規(guī)律, 究其原因主要是由于區(qū)域地形地貌海拔差異所致的熱量條件、人為耕作利用及培肥等差異對耕地土壤有機質(zhì)分解和積累作用綜合作用的結(jié)果?？傮w來看, 研究區(qū)西南部、中部、中北部SOCD較高的耕地主要分布在海拔200~450 m的河谷盆地和河谷兩側(cè), 多數(shù)土壤為潴育型水稻土, 土壤較肥沃, 且距離村莊越近的土壤, 開墾利用悠久, 土壤熟化度較高, 土壤有機質(zhì)含量也豐富。楓溪、管厝和富嶺等海拔相對較高區(qū)域耕地的有機碳密度也較高, 主要是因為這些地區(qū)熱量條件相對較差, ≥10 ℃積溫介于4 716.81~4 916.52 ℃, 導(dǎo)致土壤微生物活動及有機質(zhì)礦化作用較弱, 故土壤有機質(zhì)含量相對較高。土壤有機碳密度較低的鄉(xiāng)鎮(zhèn)地勢較為低平, 分布海拔相對較低, 熱量資源相對豐富, 易于土壤微生物活動和有機質(zhì)的礦化作用, 有機質(zhì)含量較低。

表5 研究區(qū)不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)紫云英適宜用地土壤有機碳密度

從鄉(xiāng)鎮(zhèn)內(nèi)部來看, 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地耕層SOCD空間分布變幅差異也較大, 這主要與不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)的地形起伏和交通通達狀況差異所致的鎮(zhèn)域范圍內(nèi)熱量和有機肥投入量差異, 進而導(dǎo)致土壤有機質(zhì)分解和積累作用差異等密切相關(guān)。南浦、萬安、山下、九牧和管厝等鄉(xiāng)鎮(zhèn)地勢較平坦, 海拔空間差異不大, 鎮(zhèn)域范圍內(nèi)熱量空間分布較均勻, 導(dǎo)致其境內(nèi)耕地土壤有機質(zhì)分解和積累作用差異不明顯; 且境內(nèi)交通發(fā)達, 便于有機肥的運輸和投入, 故這些鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地SOCD的空間變異較小(CV均小于8%); 石陂、蓮塘、永興、水北和官路等鄉(xiāng)鎮(zhèn)海拔變化較大, 鎮(zhèn)域范圍內(nèi)熱量垂直分布存在較明顯差異, 從而導(dǎo)致其境內(nèi)土壤有機質(zhì)分解和積累作用差異較明顯; 此外, 鎮(zhèn)域范圍內(nèi)區(qū)域間交通通達狀況存在明顯差異, 海拔較高區(qū)域有機肥運輸不便, 從而影響這些區(qū)域耕地有機肥的投入量, 致使境內(nèi)耕地SOCD空間變異較大(CV均大于10%)。

圖3 研究區(qū)紫云英適宜用地土壤有機碳密度分布

2.3 紫云英用地優(yōu)化布局分析

經(jīng)優(yōu)化布局的研究區(qū)紫云英用地總面積為20 079.06 hm2(表6和圖4), 其中優(yōu)先種植區(qū)、次優(yōu)先種植區(qū)和一般種植區(qū)面積分別為5 165.23 hm2、10 108.38 hm2和4 805.45 hm2, 分別占優(yōu)化布局用地總面積的25.72%、50.34%和23.93%?？梢? 浦城縣紫云英優(yōu)化布局用地類型區(qū)以優(yōu)先和次優(yōu)先種植區(qū)占優(yōu)勢。

從紫云英用地優(yōu)化布局類型區(qū)分析, 優(yōu)先種植區(qū)主要分布于蓮塘、水北、古樓、永興和忠信等鄉(xiāng)鎮(zhèn)的盆地區(qū), 合計面積2 752.58 hm2, 分別占全縣優(yōu)化布局用地總面積和優(yōu)先種植區(qū)用地總面積的13.71%和53.29%, 該種植區(qū)地勢平坦, 交通便利, 耕地綜合質(zhì)量指數(shù)均值為0.757, 立地條件高度適宜于紫云英種植, SOCD處于低水平和中水平的耕地面積分別占該類型區(qū)耕地總面積的69.86%和30.14%, 土壤固碳潛力高。紫云英次優(yōu)先種植區(qū)主要分布于蓮塘、富嶺、忠信、仙陽、石陂和永興等鄉(xiāng)鎮(zhèn)海拔200~400 m的緩坡地梯田, 合計面積5 812.20 hm2, 分別占全縣優(yōu)化布局用地總面積和次優(yōu)先種植區(qū)用地總面積的28.95%和57.50%, 該種植區(qū)耕地綜合質(zhì)量指數(shù)均值0.696, 氣候、地形條件和土壤理化性質(zhì)較適宜于紫云英生長發(fā)育, SOCD處于低、中水平的耕地面積分別占該類型區(qū)耕地總面積的34.78%和65.22%, 土壤固碳潛力較高。紫云英一般種植區(qū)主要分布于仙陽、富嶺、九牧、忠信、石陂和蓮塘等鄉(xiāng)鎮(zhèn)海拔250~800 m的坡地梯田, 合計面積2 673.24 hm2, 分別占全縣優(yōu)化布局用地總面積和一般種植區(qū)用地總面積的13.31%和55.63%, 該種植區(qū)耕地分布零星, 海拔起伏較大, 交通條件較差, 耕地綜合質(zhì)量指數(shù)均值僅0.628, 自然環(huán)境對紫云英的適宜程度相對較低, 耕地SOCD相對較高, 均處于中水平。

3 討論

3.1 用地適宜性對紫云英優(yōu)化種植的影響

現(xiàn)代土宜理論認為農(nóng)作物生長發(fā)育對土地生態(tài)條件的要求因作物類型而異, 不同區(qū)域耕地的生態(tài)條件不同, 適宜種植的農(nóng)作物類型也各異[24]。作物優(yōu)化種植的目的是根據(jù)不同區(qū)域的自然特點、社會經(jīng)濟條件和當(dāng)前生產(chǎn)水平, 綜合考慮各個時期各項耗地作物和養(yǎng)地作物的發(fā)展需要, 將其配置到最適宜的種植區(qū)域、種植季節(jié)和耕作制度中, 以充分發(fā)揮耕地用養(yǎng)結(jié)合的增產(chǎn)潛力[27]。實施耕地土壤有機質(zhì)提升計劃的目的是盡可能增加有機碳的投入, 進而提高土壤有機質(zhì)含量和提升地力, 為此, 必須盡可能地提高紫云英產(chǎn)量。大量研究表明, 區(qū)域立地條件的不同, 直接影響紫云英產(chǎn)量[16-20], 進而影響其固碳量和種植利用的綜合效益。本研究結(jié)果表明(表4), 研究區(qū)紫云英產(chǎn)量和固碳量與用地適宜性密切相關(guān), 高度、中度和一般適宜用地的單位面積產(chǎn)量均值分別達31.01 t×hm-2、27.83 t×hm-2和18.50 t×hm-2, 單位面積固碳量均值分別達1.41 t×hm-2、1.27 t×hm-2和0.84 t×hm-2, 表明用地適宜性越高的耕地, 越有利于其生長發(fā)育和產(chǎn)量的提高, 固碳量也越高, 從而為耕地有機質(zhì)含量和地力的提升提供更多的有機碳輸入。因此, 用地適宜性程度的高低必然成為區(qū)域紫云英種植用地優(yōu)化布局的關(guān)鍵影響因素之一,在用地優(yōu)化布局上應(yīng)優(yōu)先安排適宜性高的耕地進行種植。從用地優(yōu)化布局結(jié)果來看, 研究區(qū)紫云英優(yōu)先種植區(qū)中高度和中度適宜的耕地面積分別占該區(qū)總面積的40.17%和59.83%, 通過冬種紫云英回田, 估計每年可為該區(qū)耕地有機質(zhì)含量和地力的提升分別提供97 939.17 t和115 250.40 t的紫云英鮮草, 4 456.93 t和5 244.71 t的固碳量; 紫云英次優(yōu)先種植區(qū)中度適宜的耕地面積占該區(qū)總面積的65.22%, 通過冬種紫云英回田, 估計每年可為該區(qū)耕地有機質(zhì)含量和地力提升分別提供245 636.71 t的紫云英鮮草和 11 178.21 t的固碳量, 從而顯著增加研究區(qū)耕地有機碳的輸入。我國幅員遼闊, 耕地資源分布廣泛, 區(qū)域之間耕地資源的立地條件差異極其明顯, 必然對紫云英的生長發(fā)育及其產(chǎn)量高低產(chǎn)生顯著影響, 因此, 根據(jù)其生長習(xí)性及其對立地條件的要求, 擇優(yōu)選取適宜種植的區(qū)域, 對于紫云英的高效種植利用以及耕地土壤有機質(zhì)提升計劃的科學(xué)實施具有積極的指導(dǎo)意義。

表6 研究區(qū)不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)紫云英用地優(yōu)化布局面積

圖4 研究區(qū)紫云英用地優(yōu)化布局

3.2 土壤碳密度對紫云英優(yōu)化種植的影響

紫云英作為純天然生物有機肥料, 能有效改善土壤理化性狀, 特別是在肥力低下的土壤上利用效果顯著[28]。大量研究表明, 耕地土壤肥力高低與土壤有機質(zhì)含量或有機碳密度關(guān)系密切[4,9-10]。紫云英優(yōu)化種植的另一目標是盡可能多地固定大氣中的CO2, 通過紫云英回田增加土壤固碳, 從而培肥地力。顯然, 有機碳匱乏、肥力低下的耕地更需要有機碳的輸入, 且具有巨大的固碳空間和潛力來增加土壤有機碳含量。因此, 以固碳培肥為目的的紫云英種植應(yīng)優(yōu)先針對區(qū)域SOCD較低的耕地, 即SOCD的高低必然成為影響紫云英用地優(yōu)化布局的另一關(guān)鍵影響因素。

有機碳的投入量高低顯著影響土壤碳平衡, 大量研究表明紫云英適宜壓青量為22.5~30.0 t×hm-2[4,26]。全國綠肥試驗網(wǎng)在17個省區(qū)的22個試點進行定位試驗, 結(jié)果表明一般平均每年壓入綠肥鮮草22.5~30.0 t×hm-2, 土壤有機質(zhì)比不壓綠肥的休閑地增加1~2 g×kg-1[26], 據(jù)此推算, 假設(shè)研究區(qū)平均每年壓入綠肥鮮草27.75 t×hm-2, 則土壤有機質(zhì)年均可增加1.5 g×kg-1, 土壤有機碳年均增加0.87 g×kg-1。從本研究的用地優(yōu)化布局結(jié)果來看, 浦城縣紫云英優(yōu)先、次優(yōu)先和一般種植區(qū)耕地耕層SOCD均值分別為3.59 kg×m-2、3.79 kg×m-2和3.99 kg×m-2, 有機碳平均含量分別為15.42 g×kg-1、16.34 g×kg-1和17.19 g×kg-1, SOCD處于中、低水平的耕地分別占優(yōu)先種植區(qū)總面積的30.14%和69.86%, 次優(yōu)先種植區(qū)總面積的65.22%和34.78%, 表明耕地SOCD水平越低, 越應(yīng)優(yōu)先布局種植紫云英, 土壤固碳效應(yīng)也越明顯。若將全縣優(yōu)化布局區(qū)的耕地全部種植紫云英, 并全部用于還田, 按年均0.87 g×kg-1的增加幅度計算, 若要實現(xiàn)耕地土壤有機碳含量達到全縣平均水平(17.39 g×kg-1)的目標, 優(yōu)先、次優(yōu)先和一般種植區(qū)分別需種植并壓青紫云英2~3 a(2.27 a)、1~2 a(1.20 a)和1 a(0.23 a)?？梢? 通過冬種紫云英回田, 碳密度最低的優(yōu)先種植區(qū)耕地土壤固碳作用最大, 能最大程度上通過種植紫云英實現(xiàn)耕地土壤有機碳含量的提高, 次優(yōu)先種植區(qū)次之, 而碳密度相對較高的一般種植區(qū)耕地土壤固碳作用不太明顯。

4 結(jié)論

浦城縣多數(shù)耕地均適宜于種植紫云英, 適宜用地面積占耕地總面積的81.82%, 但總體適宜程度一般, 以中度和一般適宜用地占優(yōu)勢。若將研究區(qū)耕地全部種植紫云英, 年鮮草總產(chǎn)量可達657 056.65 t, 年總固碳量可達29 900.74 t, 若以年壓入綠肥鮮草27.75 t×hm-2計, 可為23 677.72 hm2耕地的有機質(zhì)和地力提升提供有機碳源, 固碳效應(yīng)較為顯著。研究區(qū)耕地耕層SOCD變化于2.50~5.74 kg×m-2, 全縣范圍內(nèi)耕地耕層SOCD的空間變異性較為明顯。研究區(qū)紫云英用地優(yōu)化布局以優(yōu)先種植區(qū)和次優(yōu)先種植區(qū)占優(yōu)勢, 合計占紫云英優(yōu)化布局總用地面積的76.07%, 其中優(yōu)先種植區(qū)主要分布于盆地區(qū), 次優(yōu)先種植區(qū)主要分布于海拔200~400 m的緩坡地梯田, 一般種植區(qū)主要分布于海拔250~800 m的坡地梯田?；谶m宜性和固碳需求, 擇優(yōu)選取紫云英適宜種植區(qū)域, 對于其高效種植利用、區(qū)域耕地土壤有機質(zhì)提升計劃的科學(xué)實施以及耕地質(zhì)量的有效提高皆具有重要指導(dǎo)意義。

[1] 王麗宏, 胡躍高, 楊光立, 等. 南方冬季覆蓋作物的碳蓄積及其對水稻產(chǎn)量的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境, 2006, 15(3): 616–619 WANG L H, HU Y G, YANG G L, et al. Carbon fixation by winter cover crops in South China and the effects of WCC on rice yields[J]. Ecology and Environment, 2006, 15(3): 616–619

[2] 顏志雷, 方宇, 陳濟琛, 等. 連年翻壓紫云英對稻田土壤養(yǎng)分和微生物學(xué)特性的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2014, 20(5): 1150–1160 YAN Z L, FANG Y, CHEN J C, et al. Effect of turning over Chinese milk vetch (L.) on soil nutrients and microbial properties in paddy fields[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2014, 20(5): 1150–1160

[3] 劉春增, 常單娜, 李本銀, 等. 種植翻壓紫云英配施化肥對稻田土壤活性有機碳氮的影響[J]. 土壤學(xué)報, 2016, 54(3): 657–669 LIU C Z, CHANG D N, LI B Y, et al. Effects of planting and incorporation of Chinese milk vetch coupled with application of chemical fertilizer on active organic carbon and nitrogen in paddy soil[J]. Acta Pedologica Sinica, 2016, 54(3): 657–669

[4] 張達斌, 姚鵬偉, 李婧, 等. 豆科綠肥及施氮量對旱地麥田土壤主要肥力性狀的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報, 2013, 33(7): 2272–2281 ZHANG D B, YAO P W, LI J, et al. Effects of two years’ incorporation of leguminous green manure on soil properties of a wheat field in dryland conditions[J]. Acta Ecologica Sinica, 2013, 33(7): 2272–2281

[5] HIMMELBAUER M L, VATEVA V, LOZANOVA L, et al. Site effects on root characteristics and soil protection capability of two cover crops grown in South Bulgaria[J]. Journal of Hydrology and Hydromechanics, 2013, 61(1): 30–38

[6] 朱立志, 邱君, 微賽. 我國土壤有機質(zhì)提升的現(xiàn)狀分析與對策建議[J]. 中國人口·資源與環(huán)境, 2013, 23(S1): 159–162 ZHU L Z, QIU J, WEI S. Analysis and suggestions on present situation of soil organic matter improvement in China[J]. China Population, Resources and Environment, 2013, 23(S1): 159–162

[7] 李忠義, 唐紅琴, 何鐵光, 等. 綠肥作物紫云英研究進展[J]. 熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué), 2016, 36(11): 27–32 LI Z Y, TANG H Q, HE T G, et al. Research progress of Chinese milk vetch ()[J]. Chinese Journal of Tropical Agriculture, 2016, 36(11): 27–32

[8] 林新堅, 王飛, 何春梅. 紫云英理論與實踐[M]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)科技出版社, 2014: 38–39 LIN X J, WANG F, HE C M. Theory and Practice of Chinese Milk Vetch[M]. Beijing: China Agriculture Technology Press, 2014: 38–39

[9] 宋莉, 韓上, 魯劍巍, 等. 油菜秸稈、紫云英綠肥及其不同比例配施還田的腐解及養(yǎng)分釋放規(guī)律研究[J]. 中國土壤與肥料, 2015, (3): 100–104 SONG L, HAN S, LU J W, et al. Study on characteristics of decomposing and nutrients releasing of different proportional mixture of rape straw and Chinese milk vetch in rice field[J]. Soil and Fertilizer Sciences in China, 2015, (3): 100–104

[10] 劉春增, 劉小粉, 李本銀, 等. 紫云英配施不同用量化肥對土壤養(yǎng)分、團聚性及水稻產(chǎn)量的影響[J]. 土壤通報, 2013, 44(2): 409–413 LIU C Z, LIU X F, LI B Y, et al. Effects of applying Chinese milk vetch with different amounts of chemical fertilizer on soil nutrients, aggregation and rice yield[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2013, 44(2): 409–413

[11] PEOPLES M B, BROCKWELL J, HERRIDGE D F, et al. The contributions of nitrogen-fixing crop legumes to the productivity of agricultural systems[J]. Symbiosis, 2009, 48(1/3): 1–17

[12] KOLAWOLE G O. Effects of leguminous plant residues and NPK fertilizer application on the performance of yam (‘c.v.’ewuru) in south-western Nigeria[J]. Archives of Agronomy and Soil Science, 2013, 59(3): 423–434

[13] 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院. 全國種植業(yè)區(qū)劃系列成果[J]. 農(nóng)業(yè)區(qū)劃, 1985, (6): 21–22 Chinese Academy of Agricultural Sciences. Series of results of nationwide division of planting industry[J]. Chinese Journal of Agricultural Resources and Regional Planning, 1985, (6): 21–22

[14] 肖道庸. 江西冬綠肥的合理布局和高產(chǎn)栽培[J]. 江西農(nóng)業(yè)科技, 1981, (9): 7–9 XIAO D Y. Reasonable distribution and high-yielding cultivation of winter green manure in Jiangxi[J]. Jiangxi Agricultural Science & Technology, 1981, (9): 7–9

[15] 周志明. 綠肥種植利用效益評價和空間發(fā)展預(yù)測研究[D]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)大學(xué), 2016 ZHOU Z M. Benefit assessment and spatial prediction of green manuring[D]. Beijing: China Agricultural University, 2016

[16] 邢世和. 土地資源與利用規(guī)劃[M]. 廈門: 廈門大學(xué)出版社, 2000: 77–106 XING S H. Land Resources and Utilization Planning[M]. Xiamen: Xiamen University Press, 2000: 77–106

[17] 王飛, 邢世和. GIS支持下的福建省烤煙適宜地綜合評價及其利用對策[J]. 土壤, 2008, 40(2): 299–305WANG F, XING S H. GIS-based integrated suitability evaluation and utilization strategies of land resources for flue-cured tobacco production in Fujian[J]. Soils, 2008, 40(2): 299–305

[18] 邢世和. 福建耕地資源[M]. 廈門: 廈門大學(xué)出版社, 2003: 1–19 XING S H. Cropland Resources in Fujian[M]. Xiamen: Xiamen University Press, 2003: 1–19

[19] 江蘇省蘇州地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所. 紫云英[M]. 北京: 農(nóng)業(yè)出版社, 1979: 7–41 Institute of Agricultural Sciences in Suzhou, Jiangsu Province. Chinese Milk Vetch[M]. Beijing: Agriculture Press, 1979: 7–41

[20] 焦彬. 綠肥[M]. 北京: 農(nóng)業(yè)出版社, 1985: 60 JIAO B. Green Manure[M]. Beijing: Agriculture Press, 1985: 60

[21] AHAMED T R N, RAO K G, MURTHY J S P. GIS based fuzzy membership model for crop-land suitability analysis[J]. Agricultural Systems, 2000, 63(2): 75–95

[22] 高蓓, 衛(wèi)海燕, 郭彥龍, 等. 基于層次分析法和GIS的秦嶺地區(qū)魔芋潛在分布研究[J]. 生態(tài)學(xué)報, 2015, 35(21): 7108–7116 GAO B, WEI H Y, GUO Y L, et al. Potential distribution ofin the Qinling Mountains based on analytic hierarchy process and geographic information system[J]. Acta Ecologica Sinica, 2015, 35(21): 7108–7116

[23] KIRSCHBAUM M U F. Will changes in soil organic carbon act as a positive or negative feedback on global warming?[J]. Biogeochemistry, 2000, 48(1): 21–51

[24] 林培, 孫丹峰. 試論現(xiàn)代土宜科學(xué)與地區(qū)名優(yōu)農(nóng)產(chǎn)品開發(fā)[J]. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2002, 17(1): 33–39 LIN P, SUN D F. On land suitability science and development of native agro-specialities[J]. Journal of China Agricultural University, 2002, 17(1): 33–39

[25] 許信旺, 潘根興, 汪艷林, 等. 中國農(nóng)田耕層土壤有機碳變化特征及控制因素[J]. 地理研究, 2009, 28(3): 601–612 XU X W, PAN G X, WANG Y L, et al. Research of changing characteristics and control factors of farmland topsoil organic carbon in China[J]. Geographical Research, 2009, 28(3): 601–612

[26] 林多胡, 顧榮申. 中國紫云英[M]. 福州: 福建科學(xué)技術(shù)出版社, 2000: 21–306 LIN D H, GU R S. Milk Vetch in China[M]. Fuzhou: Fujian Science and Technology Publishing House, 2000: 21–306

[27] 黃不凡, 梅方權(quán). 黃淮海地區(qū)豆科作物合理布局與經(jīng)濟效益初步分析[J]. 農(nóng)業(yè)技術(shù)經(jīng)濟, 1983, (8): 15–18 HUANG B F, MEI F Q. Analysis of reasonable distribution and economic benefit leguminous crops in Huang-Huai-Hai region[J]. Journal of Agrotechnical Economics, 1983, (8): 15–18

[28] SAMARAJEEWA K B D P, TAKATSUGU H, SHINYA O. Effect of Chinese milk vetch (L.) as a cover crop on weed control, growth and yield of wheat under different tillage systems[J]. Plant Production Science, 2005, 8(1): 79–85

Optimal arrangement of milk vetch plantation based on land suitability and carbon sequestration in croplands: A case study of Pucheng County, Fujian Province*

CAO Mengjin, ZHOU Biqing, ZHANG Liming, QIU Longxia, CHEN Rong, XING Shihe**

(College of Resources and Environment, Fujian Agriculture and Forestry University / University Key Lab of Soil Ecosystem Health and Regulation in Fujian, Fuzhou 350002, China)

Soil carbon sequestration is an important way to reduce greenhouse gas emissions. Milk vetch and other green manures importantly impact annual variations of CO2concentration in the atmosphere by promoting soil organic carbon accumulation and improving cropland soil fertility. However, research on the optimal arrangement of milk vetch plantation had to-date been hardly integrated with the suitability croplands for milk vetch plantation and realistic need for soil carbon sequestration. This study aimed to arrange milk vetch in the most suitable areas and fix as much CO2as possible. Thus the suitability of milk vetch plantations in croplands was evaluated by analyzing soil organic carbon density (SOCD) in croplands based on the 1:50 000 scale database of land use / soil pattern in Pucheng County, Fujian Province. The optimal arrangement of milk vetch plantations in Pucheng was done using an integrative method in GIS environment. Then the modificatory weighted index sum method and dynamic clustering analysis were used for both land suitability and SOCD by dividing the index based on the principle of land suitability for milk vetch plantation and carbon sequestration needs of croplands. The priority, sub-priority and general plantation areas of milk vetch in Pucheng were optimally arranged based on the principles of preferential arrangement of croplands with low topsoil SOCD and high suitability for milk vetch growth. The results showed that 81.82% of the croplands in the study area had various suitability of milk vetch plantation. If milk vetch was planted in all the cultivated lands in the study area, the annual total yield of fresh milk vetch and application rate of green manure were 657 056.65 t and 27.75 t×hm-2, respectively; the annual carbon sequestration and the cultivated land area for which milk vetch provided organic carbon sources would be 29 900.74 t and 23 677.72 hm2,respectively. The range of SOCD in the study area was 2.50–5.74 kg×m-2, differing sharply in space. On the basis of total cropland in Pucheng County, optimal area arrangement for milk vetch plantation was 59.72%, of which priority and sub-priority regions dominantly accounted for 25.72% and 50.34%, respectively. Priority region was mainly distributed in the basin area, sub-priority region distributed in the 200-400 m altitude range with gentle slope terraces, while general region was located in 250-800 m altitude range on slope terraces. The towns (including Liantang, Shuibei, Gulou, Yongxing and Zhongxin), which most needed soil carbon sequestration, were planned as the key developing areas. Then towns (e.g., Fuling, Xianyang, Shipi and Jiumu) were planned as the reserve areas for milk vetch plantation. The study provided the guide for the efficient planting and utilization of milk vetch. This showed the need to increase scientific implementation of soil organic matter programs and the continuous improvement of farmland quality by preferentially selecting suitable areas for milk vetch planting based on land suitability and carbon sequestration needs of croplands.

Milk vetch; Carbon sequestration; Suitability; Soil organic carbon density; Integration of mathematic models; Optimal arrangement

Corresponding author, E-mail: fafuxsh@126.com

Aug. 18, 2017; accepted Oct. 29, 2017

10.13930/j.cnki.cjea.170751

S315

A

1671-3990(2018)01-0125-11

通信作者:邢世和, 主要研究方向為土壤生態(tài)系統(tǒng)碳氮磷循環(huán)、健康評價與調(diào)控。E-mail: fafuxsh@126.com 曹孟錦, 主要研究方向為土壤碳循環(huán)與GIS應(yīng)用。E-mail: caomj93@163.com

2017-08-18

2017-10-29

*This study was supported by the Project of Cropland Quality Monitoring and Evaluation of National Agriculture Ministry of China (2016FA0016).

*農(nóng)業(yè)部耕地質(zhì)量監(jiān)測與評價項目(2016FA0016)資助

曹孟錦, 周碧青, 張黎明, 邱龍霞, 陳容, 邢世和. 基于土地適宜性和固碳需求的紫云英種植布局研究: 以福建省浦城縣為例[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2018, 26(1): 125-135

CAO M J, ZHOU B Q, ZHANG L M, QIU L X, CHEN R, XING S H. Optimal arrangement of milk vetch plantation based on land suitability and carbon sequestration in croplands: A case study of Pucheng County, Fujian Province[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(1): 125-135