熊偉++湯滌洛++付聰++朱偉++汪紅武

摘要：在湖北省咸寧市崇陽(yáng)縣坡耕地上設(shè)置種植苧麻[Boehmeria nivea（L.） Gaudich.]、自然休閑（CK1）、種植農(nóng)作物（黃豆，CK2）3個(gè)處理，研究種植苧麻對(duì)地表土壤組成結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)和團(tuán)聚體數(shù)量特征的影響。結(jié)果表明，從土壤結(jié)構(gòu)組成來(lái)看，種植苧麻改良效果不明顯；從土壤理化性質(zhì)來(lái)看，土壤有機(jī)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(jī)碳含量為8.45 g/kg，比自然休閑和種植農(nóng)作物高出86.5%和53.3%；從土壤團(tuán)聚體數(shù)量來(lái)看，利用苧麻進(jìn)行團(tuán)聚體固碳在所有坡耕地研究對(duì)象中表現(xiàn)最好，且其大團(tuán)聚體數(shù)量最多，分別比自然休閑和種植農(nóng)作物處理高28.7%和25.2%，且差異達(dá)顯著水平。綜上可知，在坡耕地種植苧麻可以改善土壤質(zhì)量，其是通過(guò)增加土壤中大團(tuán)聚體含量，同時(shí)增強(qiáng)大團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳的保護(hù)作用，達(dá)到固碳效果。

關(guān)鍵詞：苧麻[Boehmeria nivea（L.） Gaudich.]；坡耕地；土壤；團(tuán)聚體；固碳效應(yīng)

中圖分類(lèi)號(hào)：S563.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(guó)特有的以紡織為主要用途的農(nóng)作物，中國(guó)的苧麻產(chǎn)量占全世界苧麻產(chǎn)量的90%以上。苧麻適合在南方坡耕地種植，其根系發(fā)達(dá)，固土能力強(qiáng)，保水效果佳，發(fā)展苧麻上山能緩解與糧爭(zhēng)地的矛盾，具有良好的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益[1]。

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)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(chǔ)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?jīng)Q定了土壤孔隙的分布和連續(xù)性，進(jìn)而決定了土壤的水力性質(zhì)，影響土壤生物的活動(dòng)[4]。同時(shí)，水穩(wěn)性團(tuán)聚體的數(shù)量和分布狀況反映了土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、持水性、通透性和抗侵蝕的能力[5]。把>0.25 mm級(jí)別的團(tuán)聚體稱(chēng)為大團(tuán)聚體，0.053～0.25 mm級(jí)別團(tuán)聚體稱(chēng)為微團(tuán)聚體，<0.053 mm組分稱(chēng)為黏沙粒。通常認(rèn)為>0.25 mm團(tuán)聚體是土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)體，是土壤中最好的結(jié)構(gòu)體，其數(shù)量與土壤肥力狀況呈正相關(guān)。

土壤有機(jī)碳是巖溶系統(tǒng)中碳轉(zhuǎn)移的動(dòng)力學(xué)媒介，是巖溶系統(tǒng)中碳流通的主要途徑，常被用來(lái)選作土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的指標(biāo)，用來(lái)綜合反映土壤的生產(chǎn)、環(huán)境和健康功能[6，7]。土壤有機(jī)碳是指在一定時(shí)空下受植物、微生物影響強(qiáng)烈、具有一定溶解性，且在土壤中移動(dòng)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(duì)植物和微生物有較高活性的那部分土壤碳素[8]。本試驗(yàn)通過(guò)田間采樣結(jié)合室內(nèi)分析研究了南方紅壤地區(qū)土地利用方式對(duì)團(tuán)聚體有機(jī)碳分布以及大團(tuán)聚體有機(jī)碳礦化動(dòng)態(tài)的影響，探討了苧麻固碳效應(yīng)以及大團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳的保護(hù)作用，進(jìn)一步闡明土壤培肥機(jī)理，為提高該區(qū)域的土壤質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

土壤樣品采自湖北省咸寧市崇陽(yáng)縣白霓鎮(zhèn)石山村紅壤山坡地。崇陽(yáng)縣屬亞熱帶季風(fēng)氣候，日照充足，溫和多雨，無(wú)霜期長(zhǎng)，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(chǎng)暴雨，全年雨日162 d，雪日4 d。歷年平均日照時(shí)間1 350 h，光照充足。歷年平均蒸發(fā)量1 584.5 mm。崇陽(yáng)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(chǎn)生水土流失。

1.2 試驗(yàn)方法

土壤采樣于2015年6月在崇陽(yáng)縣白霓鎮(zhèn)石山村進(jìn)行。試驗(yàn)地為紅壤坡耕地，坡度為27°，土壤為紅壤。在試驗(yàn)地分別設(shè)置種植苧麻、自然休閑（CK1）、種植農(nóng)作物（黃豆，CK2）3個(gè)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(gè)處理取6個(gè)樣，共采集18個(gè)樣本。送江西省紅壤研究所測(cè)試土壤理化性質(zhì)和土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體。

1.3 測(cè)定方法

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

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)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(jié)果與分析

2.1 不同土地利用方式對(duì)土壤組成結(jié)構(gòu)的影響

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

2.2 不同土地利用方式對(duì)土壤理化指標(biāo)的影響

通過(guò)對(duì)土壤的有機(jī)碳（表2）進(jìn)行分析可知，種植苧麻土壤的有機(jī)碳極顯著高于自然休閑和種植農(nóng)作物兩個(gè)對(duì)照，分別提高86.5%和53.3%。通過(guò)對(duì)土壤的pH進(jìn)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(nóng)作物的 6.78（偏堿性）。

通過(guò)對(duì)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(nóng)作物之間的土壤速效磷含量差異均達(dá)到顯著水平，從改良速效磷來(lái)看，種植苧麻的速效磷含量?jī)?yōu)于兩對(duì)照，比自然休閑田提高了414.1%，比種植農(nóng)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(nóng)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(nóng)作物，分別提高了88.6%和56.8%，改良效果優(yōu)于兩對(duì)照。

通過(guò)對(duì)不同處理的全氮、全磷、全鉀含量進(jìn)行分析可知，除種植苧麻與種植農(nóng)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(dá)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(nóng)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(nóng)作物，種植苧麻效果最差。

2.3 不同土地利用方式對(duì)團(tuán)聚體數(shù)量特征的影響

對(duì)土壤進(jìn)行濕篩法獲得不同土地利用方式土壤團(tuán)聚體各粒級(jí)組成，不同土地利用方式每個(gè)樣本總質(zhì)量200 g。從表3可以看出，>2 mm的團(tuán)聚體以種植苧麻的最多，達(dá)到30.00 g，種植農(nóng)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(tuán)聚體以種植苧麻的最多，達(dá)48.59 g，種植農(nóng)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(tuán)聚體以種植農(nóng)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(nóng)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(nóng)作物與種植苧麻處理間差異達(dá)顯著水平。0.25～0.5 mm團(tuán)聚體以自然休閑的最多，其次是種植農(nóng)作物，最后是種植苧麻，分別達(dá)35.93、28.91、21.20 g，自然休閑和種植農(nóng)作物分別比種植苧麻高69.5%和36.4%，三者差異均達(dá)顯著水平。0.053～0.25 mm團(tuán)聚體以自然休閑最多，其次是種植農(nóng)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(nóng)作物分別比種植苧麻高89.1%和63.2%，三者之間差異均達(dá)顯著水平。<0.053 mm團(tuán)聚體以種植農(nóng)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(nóng)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(dá)顯著水平。

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

3 小結(jié)與討論

3.1 小結(jié)

從土壤容重和總孔隙度方面來(lái)看，種植苧麻與種植農(nóng)作物和自然休閑未見(jiàn)明顯差異，說(shuō)明苧麻在改良土壤組成結(jié)構(gòu)方面效果不明顯。

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

從土壤團(tuán)聚體數(shù)量上來(lái)看，種植苧麻土壤的>2 mm和1～2 mm團(tuán)聚體含量高于自然休閑和種植農(nóng)作物。在水穩(wěn)性大團(tuán)聚體總量上，種植苧麻顯著高于種植農(nóng)作物和自然休閑，水穩(wěn)性大團(tuán)聚體為固定有機(jī)碳的優(yōu)勢(shì)團(tuán)聚體，由此說(shuō)明，苧麻在固碳效應(yīng)方面具有優(yōu)越性。

3.2 討論

土壤中穩(wěn)定性大團(tuán)聚體（>0.25 mm）的數(shù)量和穩(wěn)定性是土壤結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵指標(biāo)。大量研究[9-11]表明， 秸稈還田能增加大團(tuán)聚體含量， 并提高團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。土壤有機(jī)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(yīng)能力。同時(shí)有機(jī)物的斥水性和膠結(jié)作用可以提高團(tuán)聚體的水穩(wěn)定性[12]。本研究結(jié)果表明，種植苧麻可顯著提高土壤有機(jī)碳含量、大團(tuán)聚體比例和團(tuán)聚體穩(wěn)定性，進(jìn)一步證實(shí)了苧麻在改善紅壤性土結(jié)構(gòu)中不可替代的作用[13]。影響土壤團(tuán)聚體分布特征的主要因素包括土壤有機(jī)質(zhì)、土壤容重、土壤顆粒組成等，紅壤性土壤增加的有機(jī)碳主要累積于較大團(tuán)聚體。本研究條件下種植苧麻有利于較大粒級(jí)團(tuán)聚體的形成，而且較大粒級(jí)團(tuán)聚體決定著土壤總有機(jī)碳的穩(wěn)定。進(jìn)一步的研究表明，新進(jìn)入土壤的碳大部分集中在大團(tuán)聚體中，種植苧麻在水穩(wěn)性大團(tuán)聚體數(shù)量上具有優(yōu)勢(shì)，大部分新進(jìn)碳被固持下來(lái)。水穩(wěn)性大團(tuán)聚體固持碳的周轉(zhuǎn)時(shí)間為140年，被固定的碳在很長(zhǎng)時(shí)間發(fā)揮作用[14]。不同碳庫(kù)可能存在著飽和等級(jí)現(xiàn)象[15，16]，即團(tuán)聚體粒級(jí)越小，固碳潛力越低，會(huì)優(yōu)先達(dá)到碳飽和；土壤繼續(xù)增持的碳會(huì)結(jié)合于較大粒級(jí)團(tuán)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(dǎo)致其碳周轉(zhuǎn)速率和飽和度存在較大差異。較細(xì)尺度顆粒（黏粉粒和微團(tuán)聚體）固持的碳周轉(zhuǎn)較慢，有利于碳的固持，由于這些顆粒固碳潛力較低，易于達(dá)到碳飽和，新進(jìn)入土壤的碳主要積累于大團(tuán)聚體中[15，16]。一般認(rèn)為在有機(jī)碳含量較高、黏粒含量較低的土壤中，有機(jī)碳的作用占主導(dǎo)地位，團(tuán)聚體的形成則主要依靠有機(jī)碳的膠結(jié)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(dāng)?shù)靥厥鈿夂蛉缢亮魇У葘?duì)土壤結(jié)構(gòu)的破壞，截留土壤有機(jī)碳，提高土壤有機(jī)碳含量，減少有機(jī)碳排放，降低對(duì)溫室效益的影響。通過(guò)植被的光合作用固定大氣CO2，并使之以有機(jī)碳形式儲(chǔ)存于土壤中具有特別重要的意義。從全球碳平衡來(lái)看，地表土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量2 000 pg，植被碳儲(chǔ)量500 pg，大氣碳儲(chǔ)量785 pg，土壤中的碳通過(guò)植被的光合作用得到不斷的補(bǔ)充，每年約有10%的大氣圈碳進(jìn)入土壤，陸地植被系統(tǒng)具有強(qiáng)大的固碳功能，是一個(gè)自然的碳封存過(guò)程，在全球固碳途徑中，它是一個(gè)不需通過(guò)CO2的提純、分離、捕獲、壓縮成本的廉價(jià)措施[17]。對(duì)于團(tuán)聚體需要進(jìn)一步深入研究土壤不同粒級(jí)組分固碳潛力差異的機(jī)理。

參考文獻(xiàn)：

[1] 汪紅武，涂修亮，熊常財(cái)，等，苧麻山坡地高產(chǎn)高效種植技術(shù)及測(cè)產(chǎn)報(bào)告[J].中國(guó)麻業(yè)科學(xué)，2016，38（4）：152-155.

[2] 蔡立群，齊 鵬，張仁陸，等.保護(hù)性耕作對(duì)麥-豆輪作條件下土壤團(tuán)聚體組成及有機(jī)碳含量的影響[J].水土保持學(xué)報(bào)，2008， 22（2）：141-145.

[3] 陳恩鳳，周禮愷，武冠云，等.微團(tuán)聚體的保肥供肥性能及其組成比例在評(píng)判土壤肥力水平中的意義[J].土壤學(xué)報(bào)，1994，31（1）：18-25.

[4] DEXTER A R.Advances in characterization of soil structure[J]. Soil & Tillage Research，1988，11（3/4）：199-238.

[5] YODER R E. A direct method of aggregate analysis of soils and a study of the physical nature of erosion losses[J].Journal of the American Society of Agronomy，1936，28（5）：337-351.

[6] PEN G X，CAO J H. Karstification in epikarst zone： The earth surface ecosystem processes taking soil as a medium-case of the Yaji karst experiment site，Guilin[J].Carsologica Sinica，1999， 18（4）：287-296.

[7] WANG Q K，WANG S L，F(xiàn)ENG Z W，et al. Active soil organic matter and its relationship with soil quality[J].Acta Ecologica Sinica，2005，25（3）：513-519.

[8] SHEN H，CAO Z H，HU Z Y.Characteristics and ecological effects of the active organic carbon in soil[J].Chinese Journal of Ecology，1999，18（3）：32-38.

[9] YANG C M，YANG L Z，OUYANG Z. Organic carbon and its fractions in paddy soil as affected by different nutrient and water regimes[J]. Geoderma，2005，124（1/2）：133-142.

[10] AOYAMA M，ANGERS D A，NDAYEGAMIYE A. Particulate and mineral-associated organic matter in water-stable aggregates as affected by mineral fertilizer and manure applications[J].Canadian Journal of Soil Science，1999，79（2）：295-302.

[11] RASOOL R，KUKAL S S，HIRA G S. Soil organic carbon and physical properties as affected by long-term application of FYM and inorganic fertilizers in maize-wheat system[J]. Soil & Tillage Research，2008，101：31-36.

[12] ZHOU H，PENG X，PETH S，et al.Effects of vegetation restoration on soil aggregate microstructure quantified with synchrotron-based micro-computed tomography[J]. Soil & Tillage Research，2012，124：17-23.

[13] 邸佳穎，劉小粉，杜章留，等.長(zhǎng)期施肥對(duì)紅壤性水稻土團(tuán)聚體穩(wěn)定性及固碳特征的影響[J].中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2014，22（10）：1129-1138.

[14] JASTROW J D，BOUTTON T W，MILLER R M. Carbon dynamics of aggregate-associated organic matter estimated by 13C natural abundance[J]. Soil Science Society of America Journal，1996，60（4）：801-807.

[15] KOOL D M，CHUNG H，TATE K R，et al. Hierarchical saturation of soil carbon pools near a natural CO2 spring[J]. Global Change Biology，2007，13（6）：1282-1293.

[16] GULDE S，CHUNG H，AMELUNG W，et al. Soil carbon saturation controls labile and stable carbon pool dynamics[J]. Soil Science Society of America Journal，2008，72（3）：605-612.

[17] 顧 偉，李志安，鄒 碧，等.華南熱帶人工林土壤有機(jī)碳含量及其穩(wěn)定性特征[J].熱帶亞熱帶植物學(xué)報(bào)，2007，15（5）：369- 376.