小麦秸秆植硅体碳增汇潜力研究

董 彬，石佳妍，杨天明，史舒琪，王泽宇，冯少娣，尉海东

(山东省水土保持与环境保育重点实验室，临沂大学 资源环境学院，山东 临沂 276000)

1 引言

在全球绿色低碳转型背景下，通过提高陆地生态系统碳封存能力可以有效缓解大气中CO2的激增。农田生态系统是陆地生态系统的重要组成部分，全球的农作物种植面积约为1.5×109hm2，农作物植硅体中封存的碳高达(5.08～18.97)×106t/a，富含植硅体的农作物碳封存效应不容忽视[1,2]。

植硅体碳(Phytolith-occluded carbon,PhytOC)是植物在形成植硅体过程中包裹一部分碳而形成的惰性有机碳，较其他土壤有机碳组分更易于保存，可稳定存在1000年以上，植物植硅体封存的碳含量为0.2%～5.8%[3,4]。PhytOC作为一个长期稳定的陆地碳库[5,6]，是生态系统中碳汇的重要组成部分，在调节全球碳循环、降低大气CO2浓度乃至缓解全球气候变暖趋势等方面具有重要作用[7～9],对提高陆地生态系统碳收支评估精度具有重要意义，成为近年来碳循环研究关注的热点。

PhytOC的研究范围逐步扩展到森林、草原、湿地和农田等多种生态系统。国内外学者已对农作物(如黍、粟、水稻、小麦、甘蔗)[10～14]、自然植被和土壤[15]开展了PhytOC封存潜力研究，对全球不同生态系统中土壤PhytOC封存量进行估算[16,17], 发现农田生态系统植硅体碳产生速率高于其他生态系统[18,19]。我国是世界小麦种植面积第二大国，2020年小麦播种面积 23.38×106hm2，小麦秸秆植硅体碳可能深刻地影响我国陆地生态系统的碳平衡[17]，进而影响我国碳达峰和碳中和的进程。

由于小麦植硅体累计和周转过程较为复杂、区域自然地理环境条件差异较大，采用1、2个通用的参数(如植硅体累计速率和周转速率)来估算全国的小麦PhytOC可能跟实际存在较大偏差。要精确估算我国小麦PhytOC封存潜力还需要在区域尺度上做更多的研究工作。因此，以临沂市种植面积大、富硅能力强的典型农作物小麦为研究对象，对其秸秆植硅体碳、植硅体碳储量及碳封存能力进行深入研究，探明小麦植硅体碳增汇潜力及其调控机制，以期为区域碳收支精确核算和评估提供基础数据。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

临沂地处山东省东南部，地势西北高东南低，山地、丘陵、平原面积占比为2∶4∶4。临沂气候属于温带大陆性季风气候，四季分明，雨热同期。年平均降水量为772.6 mm，年平均气温14.8 ℃，累计日照时间2164.6 h，无霜期200 d以上。主要种植作物有小麦、玉米、稻谷等，小麦在山地、丘陵和平原区均有种植。2020年，临沂市小麦种植面积为2.90×105hm2。土壤类型主要为褐土、棕壤和潮土，土壤基本化学性质见表1。

表1 土壤理化性质

2.2 样品采集与处理

2021年6月5～10日(小麦收割季节)赴临沂市各区县(3区9县)采样，每个县区设3个采样点，采样点间隔2 km以上，每个采样点采集小麦秸秆300～500 g，3个点样品混合后带回实验室。在每个采用点以四分法取表层土壤(0～5 cm)300 g左右带回实验室，剔除土样中的根系和砾石，用于土壤理化性质的测定。

2.3 试验方法

将小麦秸秆样品用蒸馏水反复冲洗后烘干，以75 ℃烘干至恒重。将样品用剪刀剪碎至3 cm左右，后用高速植物粉碎机将其粉碎后用100目筛子过筛，装自封袋用于植硅体提取。小麦秸秆植硅体采用微波消解法提取[20]。使用1/10000 d平称取植物样品约0.300 g，放入洁净消解管中，往消解管中加入浓硝酸(优级纯)8 mL、过氧化氢2 mL，将样品浸泡在试剂中至少15 min；将消解管放入消解炉中，按照设置好的消解程序进行消解。冷凝却至室温后将消解液转移至50 mL塑料离心管中，在高速离心机中离心7 min(3500 r/min)，吸走上清液，往离心管中加入去离子水，继续离心，离心4～6次，当上清液呈中性时离心完成，吸取上清液；将带有植硅体的离心管放入75 ℃烘箱中烘干至恒重、称重，计算植硅体质量。植硅体碳采用CN元素分析仪测定。土壤pH值采用酸度计法测定(水土比为2.5∶1.0)、有机质采用重铬酸钾外加热法测定[21]、总氮采用重铬酸钾—硫酸消化法测定[22]、碱解氮采用碱解扩散法测定[23]、速效磷采用Bary法测定、速效钾采用醋酸铵浸提-火焰光度法测定[24]、有效硅采用采用pH值为4的醋酸铵缓冲液浸提、硅钼蓝比色法测定。

2.4 数据的计算和统计

植硅体含量(g/kg)=植硅体质量/秸秆样品干重

秸秆植硅体碳含量(g/kg)=植硅体碳质量/秸秆样品干重

秸秆植硅体碳储量(kgC/hm2)=秸秆植硅体碳含量×秸秆生物量×10-3

秸秆植硅体碳封存潜力( kg CO2/hm2)=秸秆植硅体碳含量×秸秆生物量×10-3×44/12[25]

秸秆植硅体碳增汇潜力( t CO2/a )=秸秆植硅体碳含量×秸秆产量×10-6×44/12

小麦秸秆生物量(t/hm2)=小麦产量/小麦种植面积×草谷比

本研究中小麦秸秆植硅体碳含量、秸秆植硅体碳储量、植硅体碳封存潜力和植硅体碳增汇潜力基于2020年小麦产量和种植面积数据计算。

1984～2020年小麦植硅体碳封存潜力和植硅体碳增汇潜力根据小麦产量、种植面积[26]、谷草比(1.1)、秸秆植硅体碳含量(基于中国小麦秸秆植硅体含量平均值1.60 g/kg)[27]进行计算。

对于所获得的数据，应用SPSS 16.0软件进行统计分析，小麦秸秆植硅体含量、植硅体碳含量与土壤理化性质的相关性采用Pearson相关分析进行检验。通过Origin Pro9.0作图。

3 结果与分析

3.1 小麦秸秆植硅体、植硅体碳含量特征

各县区小麦秸秆植硅体含量为19.86～37.78 g/kg，平均为29.73 g/kg，其中费县和兰山区小麦秸秆植硅体含量较高，蒙阴和沂南的最低。小麦秸秆PhytOC含量为1.38～1.70 g/kg，平均为1.52 g/kg，以费县最高，沂水县最低(图1)。

图1 不同县区2020年小麦秸秆植硅体含量和植硅体碳含量

3.2 小麦秸秆植硅体碳储量和碳封存潜力

各县区小麦秸秆PhytOC储量、碳封存潜力存在差异(图2)。小麦植硅体碳储量为8.30～12.18 kgC/hm2，平均10.09 kgC/hm2，其中郯城、兰陵和费县相对较高，沂水的最低。小麦秸秆植硅体碳封存潜力为31.89～44.65 kgCO2/hm2，平均36.99 kg CO2/hm2，南部平原地区植硅体碳封存潜力高于北部山地、丘陵地区。

图2 不同县区2020年小麦秸秆植硅体碳储量和碳封存潜力

3.3 小麦秸秆植硅体碳增汇潜力估算

本研究中的碳增汇指小麦秸秆植硅体对CO2的增汇和碳储量。2020年，各县区小麦秸秆植硅体碳增汇潜力为0.17～2.01 t CO2/a，总计10.94 t CO2/a。各县区分布不平衡(表2)，南部平原地区植硅体碳增汇潜力相对较高(1.10～2.01 t CO2/a)，其中郯城县的最高；中北部山地丘陵地区植硅体碳增汇潜力相对较低(0.17～0.90 t CO2/a)，蒙阴县的最低，这种差异主要与各县区小麦播种面积、小麦秸秆年产量、土壤理化条件有关。

表2 不同县区小麦秸秆植硅体碳增汇潜力

1984～2020年，临沂市小麦秸秆植硅体碳封存潜力和碳增汇潜力明显升高(图3)。小麦秸秆植硅体碳封存潜力为15.75～41.14 kg CO2/hm2，年平均30.60 kg CO2/hm2，以2016年的最高，为1984年的1.8倍。1984年以来小麦秸秆植硅体碳增汇潜力为7.05～14.43 t CO2/a，平均11.12 t CO2/a，以2013年最高，是1987年的1.24倍，36年总计可固定411.52 t CO2，小麦秸秆植硅体碳汇效应显著。

图3 1985～2020年小麦秸秆植硅体碳封存潜力、碳增汇潜力

4 讨论

4.1 临沂小麦秸秆植硅体和植硅体碳含量

本研究中，小麦秸秆植硅体含量平均为29.73 g/kg。结果在已报道的小麦植硅体研究结果范围内(27～79 g/kg)[13]，低于水稻植硅体含量(29～175 g/kg)[19,28,29]和玉米植硅体含量(37～67 g/kg)[27]。本研究中小麦秸秆植硅体碳含量平均为1.52 g/kg，与前人对小麦的研究结果基本一致(0.6～6.0 g/kg)[13]。结合前人研究结果，发现小麦秸秆植硅体含量和植硅体碳含量变化范围较大，这可能与植物品种[13]、基因型[28]及土壤理化条件有关。本研究中，小麦秸秆植硅体含量与土壤pH值、有机质、速效钾、有效硅显著相关，小麦秸秆植硅体碳含量与土壤有机质含量显著相关(表3)。应雨骐[30]发现亚热带重要树种植硅体碳含量是由植硅体含量、植硅体本身的固碳能力和效率共同决定的。因此，植硅体含量并非影响秸秆植硅体碳含量的唯一因素，土壤理化条件能显著影响小麦植硅体含量，通过适当的农田管理措施如硅肥、筛选具有高植硅体固碳潜力的品种可能将有效提高小麦植硅体碳含量和小麦生物量[29]。

表3 小麦秸秆植硅体含量、秸秆植硅体碳含量与土壤理化性质的pearson 相关系数

4.2 临沂小麦秸秆植硅体碳封存和碳增汇潜力

本研究中临沂2020年小麦秸秆植硅体平均碳封存潜力为36.99 kg CO2/hm2，在前人的小麦研究结果范围内(6～246 kg CO2/hm2)[13,27]，高于中国的黍(20±10 kg CO2/hm2)、粟(23±15 kg CO2/hm2)[11]，低于稻谷(26～125 kg CO2/hm2)、玉米(44.4 kg CO2/hm2)、甘蔗(122.9～361.4 kg CO2/hm2)和竹子(81～709 kg CO2/hm2)。近36年来，临沂市小麦种植面积减少了222913.07 hm2(43.43%)，但由于小麦单产量逐渐增加，2020年每公顷较1984年增加了2.66 t (1.76倍)，小麦秸秆生物量也相应增加，使小麦秸秆碳封存潜力不但没有减少反而增加了30.68%，因此，临沂市小麦秸秆碳封存潜力逐渐增加，这可能与化肥施用增加和农业科技水平的提高有关。

农作物秸秆植硅体碳汇效应明显，我国每年通过旱作农作物植硅体可封存2.37×106t CO2[11]，其中水稻、小麦和玉米由于种植面积大、植硅体含量高，植硅体碳增汇潜力较高，Song 等[27]估算全国水稻、小麦和玉米植硅体碳增汇潜力分别为2.04×106t CO2/a、0.91×106t CO2/a、1.49×106t CO2/a。Parr & Sullivan等[13]通过对全球53种小麦的植硅体碳进行分析，估算出全球小麦植硅体碳增汇潜力为5×107t CO2/a。本研究中临沂市小麦秸秆植硅体碳增汇潜力为7.05～14.43 t CO2/a，虽然在全国占比较小，但一直呈逐渐增加的趋势，在减缓区域CO2释放过程中发挥了积极的碳汇作用。今后，可通过对小麦生态系统的科学管理调控增加植硅体碳汇，减缓全球气候变化。由于不同品种小麦PhytOC含量差别近10倍(0.06%～6%)，可以通过种植PhytOC积累速率高的小麦品种提高碳封存能力；研究发现对稻田施用额外的硅肥，如生物质炭、富含硅的有机肥、玄武岩岩粉和钢渣硅肥等，可以显著提高稻田生态系统的植硅体碳产生通量[18,19,31]，可以尝试对麦田增施硅肥、有机肥或采用间作套种等耕作方法[32]改变土壤环境，来提高小麦生态系统的碳汇潜力。

5 结论

(1)临沂小麦秸秆植硅体碳含量、碳储量和碳封存潜力、碳增汇潜力分别为1.38～1.70 g/kg、8.30～12.18 kgC/hm2、31.89～44.65 kgCO2/hm2、10.94 t CO2，空间分布不均，南部平原较北部山地丘陵地球具有更高的植硅体碳储量和碳封存潜力，与土壤理化环境条件有关。

(2)1984～2020年，临沂小麦秸秆植硅体碳封存潜力和碳增汇潜力明显升高。小麦秸秆植硅体碳增汇潜力为7.05～14.43 t CO2/a，36年总计可固定411.52 t CO2，小麦秸秆植硅体碳汇效应显著。

(3)可通过筛选PhytOC积累速率高的小麦品种、增施硅肥、有机肥等措施提高小麦生态系统的碳汇潜力。