苎麻对坡耕地土壤及团聚体固碳效应的影响

熊伟++汤涤洛++付聪++朱伟++汪红武

摘要：在湖北省咸宁市崇阳县坡耕地上设置种植苎麻[Boehmeria nivea（L.） Gaudich.]、自然休闲（CK1）、种植农作物（黄豆，CK2）3个处理，研究种植苎麻对地表土壤组成结构、理化性质和团聚体数量特征的影响。结果表明，从土壤结构组成来看，种植苎麻改良效果不明显；从土壤理化性质来看，土壤有机碳、速效养分和全氮、全磷含量均以种植苎麻最高，其中土壤有机碳含量为8.45 g/kg，比自然休闲和种植农作物高出86.5%和53.3%；从土壤团聚体数量来看，利用苎麻进行团聚体固碳在所有坡耕地研究对象中表现最好，且其大团聚体数量最多，分别比自然休闲和种植农作物处理高28.7%和25.2%，且差异达显著水平。综上可知，在坡耕地种植苎麻可以改善土壤质量，其是通过增加土壤中大团聚体含量，同时增强大团聚体对有机碳的保护作用，达到固碳效果。

关键词：苎麻[Boehmeria nivea（L.） Gaudich.]；坡耕地；土壤；团聚体；固碳效应

中图分类号：S563.1 文献标识码：A 文章编号：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.]是中国特有的以纺织为主要用途的农作物，中国的苎麻产量占全世界苎麻产量的90%以上。苎麻适合在南方坡耕地种植，其根系发达，固土能力强，保水效果佳，发展苎麻上山能缓解与粮争地的矛盾，具有良好的生态、经济、社会效益[1]。

土壤团聚体是土壤结构的基本单位，其数量的多少在一定程度上反映了土壤供储养分能力的高低[2，3]，并且其数量分布和空间排列方式决定了土壤孔隙的分布和连续性，进而决定了土壤的水力性质，影响土壤生物的活动[4]。同时，水稳性团聚体的数量和分布状况反映了土壤结构的稳定性、持水性、通透性和抗侵蚀的能力[5]。把>0.25 mm级别的团聚体称为大团聚体，0.053～0.25 mm级别团聚体称为微团聚体，<0.053 mm组分称为黏沙粒。通常认为>0.25 mm团聚体是土壤团粒结构体，是土壤中最好的结构体，其数量与土壤肥力状况呈正相关。

土壤有机碳是岩溶系统中碳转移的动力学媒介，是岩溶系统中碳流通的主要途径，常被用来选作土壤质量评价的指标，用来综合反映土壤的生产、环境和健康功能[6，7]。土壤有机碳是指在一定时空下受植物、微生物影响强烈、具有一定溶解性，且在土壤中移动较快、不稳定、易氧化、易分解、易矿化，其形态和空间位置对植物和微生物有较高活性的那部分土壤碳素[8]。本试验通过田间采样结合室内分析研究了南方红壤地区土地利用方式对团聚体有机碳分布以及大团聚体有机碳矿化动态的影响，探讨了苎麻固碳效应以及大团聚体对有机碳的保护作用，进一步阐明土壤培肥机理，为提高该区域的土壤质量提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

土壤样品采自湖北省咸宁市崇阳县白霓镇石山村红壤山坡地。崇阳县属亚热带季风气候，日照充足，温和多雨，无霜期长，四季分明。历年平均气温17.0 ℃。2015年极端最高温度37 ℃，出现在8月4日，最低气温-2 ℃，出现在1月30日。历年平均降水量1 693.2 mm。2015年出现了7场暴雨，全年雨日162 d，雪日4 d。历年平均日照时间1 350 h，光照充足。历年平均蒸发量1 584.5 mm。崇阳县四面环山，峰峦叠嶂，地处大幕山、大湖山、大药姑山之间，属低山丘陵区。土壤以山地丘陵红壤为主，含沙量大，极易产生水土流失。

1.2 试验方法

土壤采样于2015年6月在崇阳县白霓镇石山村进行。试验地为红壤坡耕地，坡度为27°，土壤为红壤。在试验地分别设置种植苎麻、自然休闲（CK1）、种植农作物（黄豆，CK2）3个处理，苎麻于2014年4月种植，黄豆于2014年起每年3月种植，1年种2次，每个处理取6个样，共采集18个样本。送江西省红壤研究所测试土壤理化性质和土壤水稳性团聚体。

1.3 测定方法

土壤有机质、有机碳采用重铬酸钾加热法测定，田间持水量、土壤容重和孔隙度采用环刀法测定，土壤pH采用玻璃电极法测定，土壤机械组成采用虹吸法测定，水稳性团聚体采用湿筛法测定。

1.4 数据处理

数据分析采用Excel 2003软件和SPSS 16.0软件，不同处理间的差异显著性水平采用LSD法。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用方式对土壤组成结构的影响

对土壤田间持水量进行比较，种植苎麻比自然休闲提高了0.6%，比种植农作物提高了4.9%，差异未达显著水平；对容重进行比较，種植苎麻比自然休闲提高了0.2%，比种植农作物提高了3.2%，种植苎麻与种植农作物间土壤容重差异显著；对总孔隙度进行比较，种植苎麻比自然休闲降低了3.0%，比种植农作物降低了0.3%，差异均不显著；对毛管孔隙度进行比较，种植苎麻比自然休闲提高了1.0%，比种植农作物提高了8.3%，种植苎麻与种植农作物间差异显著；对非毛管孔隙度进行比较，种植苎麻比自然休闲降低了15.6%，比种植农作物降低了59.7%，三者之间差异均达显著水平（表1）。

2.2 不同土地利用方式对土壤理化指标的影响

通过对土壤的有机碳（表2）进行分析可知，种植苎麻土壤的有机碳极显著高于自然休闲和种植农作物两个对照，分别提高86.5%和53.3%。通过对土壤的pH进行分析可知，种植苎麻土壤的pH为6.25，偏中性，高于自然休闲的 5.96（偏酸性），低于种植农作物的 6.78（偏碱性）。

通过对土壤速效养分含量分析可知，种植苎麻与自然休闲、种植农作物之间的土壤速效磷含量差异均达到显著水平，从改良速效磷来看，种植苎麻的速效磷含量优于两对照，比自然休闲田提高了414.1%，比种植农作物提高了54.7%。种植苎麻的土壤速效钾含量显著高于自然休闲和种植农作物，分别提高了361.5%和22.4%。种植苎麻的土壤速效氮含量显著高于自然休闲和种植农作物，分别提高了88.6%和56.8%，改良效果优于两对照。

通过对不同处理的全氮、全磷、全钾含量进行分析可知，除种植苎麻与种植农作物间全磷含量外，其他处理间的土壤全量养分含量差异均达显著水平，改良全氮、全磷含量效果以种植苎麻处理最好，然后依次是种植农作物与自然休闲；改良全钾含量效果以自然休闲最好，其次是种植农作物，种植苎麻效果最差。

2.3 不同土地利用方式对团聚体数量特征的影响

对土壤进行湿筛法获得不同土地利用方式土壤团聚体各粒级组成，不同土地利用方式每个样本总质量200 g。从表3可以看出，>2 mm的团聚体以种植苎麻的最多，达到30.00 g，种植农作物与自然休闲的较少，分别为5.78 g和7.26 g，分别比种植苎麻降低了419.0%和313.2%，差异显著。1～2 mm的团聚体以种植苎麻的最多，达48.59 g，种植农作物和自然休闲的较少，分别为30.81 g和21.67 g，分别比种植苎麻低57.7%和124.2%，差异显著。0.5～1 mm的团聚体以种植农作物的最多，其次是自然休闲，最后是种植苎麻，分别为55.64、52.84、51.89 g，种植农作物和自然休闲分别比种植苎麻高6.7%和1.8%，其中，种植农作物与种植苎麻处理间差异达显著水平。0.25～0.5 mm团聚体以自然休闲的最多，其次是种植农作物，最后是种植苎麻，分别达35.93、28.91、21.20 g，自然休闲和种植农作物分别比种植苎麻高69.5%和36.4%，三者差异均达显著水平。0.053～0.25 mm团聚体以自然休闲最多，其次是种植农作物，最后是种植苎麻，分别为57.13、49.30、30.21 g，自然休闲和种植农作物分别比种植苎麻高89.1%和63.2%，三者之间差异均达显著水平。<0.053 mm团聚体以种植农作物最多，其次是自然休闲，最后是种植苎麻，分别为20.19、17.54、10.51 g，种植农作物和自然休闲分别比种植苎麻高92.1%和66.9%，三者之间差异均达显著水平。

>2 mm、1～2 mm和1～0.25 mm的团聚体为水稳性大团聚体，0.25～0.053 mm的团聚体为水稳性微团聚体。种植苎麻土壤的水稳性大团聚体为151.68 g，比自然休闲和种植农作物的117.7、121.14 g高出28.7%、25.2%，达显著差异。种植苎麻有利于红壤旱地>0.25 mm土壤水稳性大团聚体的增加，尤其是>1 mm的土壤水稳团聚体；同时，也能显著降低<0.25 mm的微小团聚体。水稳性大团聚体为主要固定有机碳的团聚体，大部分有机碳固定在水稳性大团聚体中，在上述分析中种植苎麻土壤的水稳性大团聚体显著高于自然休闲和种植农作物，由此可见，苎麻的固碳能力显著高于自然休闲和农作物。

3 小结与讨论

3.1 小结

从土壤容重和总孔隙度方面来看，种植苎麻与种植农作物和自然休闲未见明显差异，说明苎麻在改良土壤组成结构方面效果不明显。

从土壤有机碳来看，种植苎麻土壤有机碳含量显著高于自然休闲和种植农作物；从土壤pH来看，种植苎麻土壤中性，优于自然休闲（偏酸性）和种植农作物（偏碱性）；从速效养分含量来看，种植苎麻土壤的各速效养分含量均显著高于种植农作物和自然休闲。从全量养分来看，种植苎麻土壤的全氮和全磷含量高于种植农作物和自然休闲，土壤全钾含量低于种植农作物和自然休闲，不具优势。由此可知，苎麻在改良土壤有机碳、pH、速效养分和全量养分含量方面有明显优势，固碳效果明显。

从土壤团聚体数量上来看，种植苎麻土壤的>2 mm和1～2 mm团聚體含量高于自然休闲和种植农作物。在水稳性大团聚体总量上，种植苎麻显著高于种植农作物和自然休闲，水稳性大团聚体为固定有机碳的优势团聚体，由此说明，苎麻在固碳效应方面具有优越性。

3.2 讨论

土壤中稳定性大团聚体（>0.25 mm）的数量和稳定性是土壤结构的关键指标。大量研究[9-11]表明， 秸秆还田能增加大团聚体含量， 并提高团聚体的稳定性。土壤有机碳含量高可以增加大孔隙的数量和连接性，提高水肥供应能力。同时有机物的斥水性和胶结作用可以提高团聚体的水稳定性[12]。本研究结果表明，种植苎麻可显著提高土壤有机碳含量、大团聚体比例和团聚体稳定性，进一步证实了苎麻在改善红壤性土结构中不可替代的作用[13]。影响土壤团聚体分布特征的主要因素包括土壤有机质、土壤容重、土壤颗粒组成等，红壤性土壤增加的有机碳主要累积于较大团聚体。本研究条件下种植苎麻有利于较大粒级团聚体的形成，而且较大粒级团聚体决定着土壤总有机碳的稳定。进一步的研究表明，新进入土壤的碳大部分集中在大团聚体中，种植苎麻在水稳性大团聚体数量上具有优势，大部分新进碳被固持下来。水稳性大团聚体固持碳的周转时间为140年，被固定的碳在很长时间发挥作用[14]。不同碳库可能存在着饱和等级现象[15，16]，即团聚体粒级越小，固碳潜力越低，会优先达到碳饱和；土壤继续增持的碳会结合于较大粒级团聚体中。因此，不同尺度土壤颗粒所固持碳的稳定性不同，从而导致其碳周转速率和饱和度存在较大差异。较细尺度颗粒（黏粉粒和微团聚体）固持的碳周转较慢，有利于碳的固持，由于这些颗粒固碳潜力较低，易于达到碳饱和，新进入土壤的碳主要积累于大团聚体中[15，16]。一般认为在有机碳含量较高、黏粒含量较低的土壤中，有机碳的作用占主导地位，团聚体的形成则主要依靠有机碳的胶结作用。在红壤山坡地种植苎麻提高了植被覆盖率，改善了土壤微环境，缓减了当地特殊气候如水土流失等对土壤结构的破坏，截留土壤有机碳，提高土壤有机碳含量，减少有机碳排放，降低对温室效益的影响。通过植被的光合作用固定大气CO2，并使之以有机碳形式储存于土壤中具有特别重要的意义。从全球碳平衡来看，地表土壤有机碳储量2 000 pg，植被碳储量500 pg，大气碳储量785 pg，土壤中的碳通过植被的光合作用得到不断的补充，每年约有10%的大气圈碳进入土壤，陆地植被系统具有强大的固碳功能，是一个自然的碳封存过程，在全球固碳途径中，它是一个不需通过CO2的提纯、分离、捕获、压缩成本的廉价措施[17]。对于团聚体需要进一步深入研究土壤不同粒级组分固碳潜力差异的机理。

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