生草栽培下果园土壤固碳潜力研究

生草栽培下果园土壤固碳潜力研究
翁伯琦;王义祥;黄毅斌;王成己;叶菁
【摘要】果园是我国南方红壤丘陵区重要的土地利用类型之一，但目前丘陵区果
园中存在一些不合理开发、传统粗放式的经营、水土保持技术缺乏等因素，导致水土流失严重，土壤退化严重。

寻求合理的土壤管理措施，减少果园水土流失，增加红壤的碳汇功能一直是学术界和生产实践面临的重要问题。

本研究以福建尤溪长期定位试验为研究平台，研究顺坡开垦＋清耕、梯台开垦＋清耕、梯台开垦＋套种平托花生Arachis pintoi这3种垦殖方式对红壤果园有机C含量的影响，并利用Jenny模型对不同处理的土壤有机碳动态进行模拟。

结果表明，经过14年的垦殖，清耕模式导致土壤容重增大，而梯台生草处理土壤容重比开垦前降低了1.8%；生草栽培不但提高了果园土壤有机碳含量，且生草栽培处理的土壤有机碳储量比清耕处理提高了13.9%～34.7%，其与清耕处理间的差异达到显著性水平；本试验条
件下果园土壤有机碳平衡值为16.607~25.608 g/kg，并以此估算得到生草栽培处理0~20 cm土层有机碳储量平衡值为54.801 t/hm2，其固碳潜力为24.6951
t/hm2，分别是顺坡清耕和梯台清耕处理的4.2倍和1.5倍。

因此可以认为生草栽培有利于提高土壤的碳汇功能。

%Orchard is one important land-use type in red soil hilly region in southern China. But there still exist some serious soil erosion and land degradation problems in hilly orchards due to many factors, such as some irrational development, traditional extensive management, the lack of soil and water conservation techniques. Thus, exploring reasonable soil management measures, reducing soil erosion in orchard and increasing red soil carbon sink function, have been important issues facing by academia and production practices. So long-term
experiment in red soil at in Youxi country, Fujian province was utilized to study effect of longitudinal clean tillage orchard, landings clean tillage orchard and orchard with Arachis pintoi mulch on soil organic carbon, and simple Jenny model was used to simulate dynamics of organic carbon. The results showed that after 14 years of cultivation, clean tillage treatments lead to an increase in soil bulk density, while soil bulk density in the orchard with living mulch decreased by 1.8%than the initial value before reclamation. Living mulch in orchard not only improved soil organic carbon content, and its soil organic carbon storage increased by 13.9% ~ 34.7% than those of clean tillage treatments, being significantly different from clean tillage treatments. The results also showed that the equilibrium value of soil organic carbon was 16.607~25.608 g/kg under the experimental conditions, taking the use of Jenny model to predict, and according the value, estimate the equilibrium value of soil organic carbon in the surface layer with grass cultivation is 54.801 t/hm2, its carbon sequestration potential was 24.695 1 t/hm2, which was 4.2 and 1.5 times bigger than those of the longitudinal and landings clean tillage orchard, respectively. Thus sod cultivation practices would intensify soil function as carbon sink.
【期刊名称】《生态环境学报》
【年(卷),期】2013(000)006
【总页数】4页(P931-934)
【关键词】生草栽培;果园;Jenny模型;固碳潜力
【作者】翁伯琦;王义祥;黄毅斌;王成己;叶菁
【作者单位】福建省农业科学院农业生态研究所，福建福州 350013;福建省农业
科学院农业生态研究所，福建福州 350013;福建省农业科学院农业生态研究所，
福建福州 350013;福建省农业科学院农业生态研究所，福建福州 350013;福建省农业科学院农业生态研究所，福建福州 350013
【正文语种】中文
【中图分类】X144
许多研究认为，人为活动是导致土壤有机碳丢失的最直接和重要因素，土壤管理是决定土壤是有机碳源还是汇的关键。

由于土地利用变化20世纪 80年代全球平均
每年释放约(1.6±0.7)×109 t碳素[1]，1850－1998 年，已有(136±55)×106 t碳通过土地利用变化从陆地生态系统中(包括土壤和植被)排放到大气中，占目前大气中已增加的CO2数量的33%[2]。

虽然土壤有机碳的增加是一个相对缓慢的过程，但是其对温室气体减排的贡献潜力是不可忽视的。

另外，近期的一些研究表明，通过良好的人为土壤管理可以在较短时间内提高土壤耕层的有机碳含量[3-5]。

因此，世界各国通过积极研究和改进土壤管理，以提高土壤有机碳吸收和固定[6]。

果园生草作为一项实用、高效的土壤管理方法，在欧美、日本等国已实施多年，目前欧美及日本实施果园生草面积占果园总面积的55%～70%以上，尤其是在防止
和减少水土流失方面效果十分明显[7-8]。

已有研究认为，农业土壤停止耕作转变
成多年生植被后土壤有机碳的积累速率与恢复植被的生产力、土壤的物理和生物条件以及土壤有机碳的输入和物理干扰的以往历史有关[6，9-10]。

为此，本研究在
长期定位实验站数据基础上，研究果园生草对土壤有机碳累积的影响，并以此估算生草栽培下土壤的固碳潜力，旨为我国农业土壤固碳潜力和碳管理提供科学依据。

1 材料与方法
1.1 试验处理与取样方法
试验地位于福建省尤溪县西城镇玉池村，北纬26°25′，东经117°57′，属中亚热
带季风性湿润气候，夏季暖热，冬季温凉，春夏多雨，降水丰富；年平均气温19.2 ℃，1月份气温最低，月平均气温 8.0～12.0 ℃，7月份最高，月平均气温26.6～28.9 ℃。

光照资源比较丰富，全年光照时数为4422.8 h；年平均降雨量1620.6 mm，年均蒸发量1346.4 mm；年内降水分布不均匀，10月至次年1月
是少雨季,合计雨量仅占年雨量的13%左右；2—6月为春雨、梅雨季，大雨暴雨
较多,合计雨量约占年雨量的62%。

1.2 试验处理
果园试验地坡向为东南方向，坡度15°；成土母质为花岗岩残积坡积物，土壤类型为红壤，供试果树为种植年限15年的油桃树Prunus persica var.nectarina Maxim，试验地初始土壤基础理化性状见表1。

试验采用裂区设计，共3个处理，分别为顺坡开垦＋清耕（T1）、梯台开垦＋清耕（T2）、梯台开垦＋套种平托花
生Arachis pintoi（T3），牧草套种方式为带状，每个处理3个重复，每个处理
小区面积为100 m2，随机排列。

所有小区果树的施肥管理相同，每年施肥2～3次，肥料为复合肥，每年施肥量根据果树长势和产果量而定，不施用有机肥。

施肥点在每株油桃树冠滴水线附近，挖条形沟（宽15 cm，深10 cm），均匀撒入肥
料后即覆土。

1.3 土壤取样与测定方法
分别在每个小区内按S形布设5个采样点，利用取土钻采集0～20 cm和20～40 cm土样。

每个样品均为多点采集混合而成，去除石砾和根系，风干后过2 mm筛
备用。

采用环刀法测定土壤容重，土壤有机碳的测定采用重铬酸钾外加热法。

表1 果园试验地初始土壤基本理化性状Table 1 Basic physical and chemical properties of experimental orchard soil基本理化性状土层深度/cm 0～20 20～40物理性砂粒/% 45.05 42.01物理性粘粒/% 54.95 58.00 pH 4.35 4.39
w(有机质)/（g/kg） 23.10 20.30 b(CEC)/（cmol/kg） 7.35 6.09 w(全氮)/
（g/kg） 0.96 0.79 w(全磷)/（g/kg） 0.23 0.23 w(碱解氮)/（mg/kg） 100.85 92.35 w(速效钾)/（mg/kg） 31.60 19.55
1.4 Jenny模型简介
长期定位试验条件下土壤有机碳的动态利用Jenny模型进行预测[11-12]:
式中C为t时间后土壤有机C含量（单位为g/kg）；Co为试验初土壤有机C含量（单位为g/kg）；t为时间（单位为a）；Ce为达到平衡状态时的有机C含量（单位为g/kg）。

2 结果分析
2.1 生草栽培对土壤容重和有机碳含量的影响
经过长期定位试验，不同垦殖模式下的果园土壤有机碳含量见表2。

同1995年相比，2009年果园土壤有机碳含量均有明显提高，其中T3和T2处理分别提高了52.79%和29.33%。

与T2处理相比，生草模式（T3）土壤有机碳含量提高了18.14%。

方差分析表明，T3与T2处理间土壤有机碳含量存在显著性差异。

土壤容重是土壤的重要物理特性指标，也是土壤有机碳储量精确估算的关键。

定位试验表明，与实验前相比，清耕模式导致土壤容重增大，而T3处理土壤容重降低了1.8%。

表2 不同处理果园0～20 cm土壤有机碳含量Table 2 Organic carbon contents of 0～20 cm soils in the orchards with different treatments项目土壤容重
/(g·cm-3) 土壤有机碳含量/(g·kg-1)初始值(1995年) 1.09 13.81 T1（2009 年）
1.12 14.96 T2（2009 年） 1.1 17.86 T3（2009 年） 1.07 21.1
2.2 生草栽培对土壤有机碳平衡的影响
利用定位试验的历史数据，采用Jenny模型对有机C含量随时间的变化进行拟合，拟合方程的相关系数均达到极显著水平（p<0.01），并计算得出不同垦殖方式桃
园土壤有机碳的平衡含量见表3。

T3处理土壤有机碳平衡值分别比T1和T2处理高59.4%和22.9%。

2.3 生草栽培对土壤固碳潜力的影响
由表4可以看出，T3处理0～20 cm土层有机碳储量分别比 T1和 T2处理提高了34.7%和13.9%，说明生草栽培更利于土壤有机碳的积累。

假定桃园土壤有机碳
达到平衡时的土壤容重与2009年相同，以此估算了平衡时的土壤有机碳储量，并通过平衡时的有机碳储量与试验初有机碳储量的差值，计算出不同垦殖方式桃园土壤的固碳潜力。

结果表明，生草栽培处理0～20 cm土层有机碳储量平衡值为54.801 t/hm2，其固碳潜力为24.695 t/hm2，分别是T1和T2处理的4.2倍和1.5倍。

表3 不同施肥措施下的土壤有机C平衡值和分解速率Table 3 Equilibrium values and decomposition rates of SOC under different treatments**表示相关性达极显著水平处理有机碳平衡含量/(g·kg-1) 分解常数相关系数T1 16.067 0.049 0.867**T2 20.838 0.063 0.904**T3 25.608 0.067 0.963**
3 讨论
土壤有机碳含量的增加不但提高土壤肥力和植物生产力，而且增加对大气CO2的固定，因此，加速土壤有机碳的积累，增强农业土壤的碳汇功能，对土壤生产力的可持续性和全球碳循环都有重要的意义[13-14]。

本研究结果表明，T3处理土层有机碳储量分别比 T1和 T2处理提高了 34.7%和13.9%，T3处理 0～20 cm土层
土壤饱和固碳量为54.801 t/hm2，其固碳潜力为24.6951 t/hm2，说明生草栽培促进了土壤有机碳的固定。

但已有研究认为，经营管理措施下土壤有机碳储量的增加存在着一个上限，即土壤对碳的固定存在着一个饱和容量，并且这种饱和限取决于采用的管理措施、土壤类型和气候条件[15-17]。

尹云锋等[11]研究表明，NPK、1/2OM和OM施肥处理的有机C平衡值分别为7.19、7.75和9.37 g/kg，不同
施肥措施可影响潮土有机碳的平衡水平。

穆琳等[18]研究也表明，相对裸地而言，地膜覆盖也可以提高土壤有机碳的平衡值。

本研究的结果表明，生草栽培处理土壤有机碳的平衡值较顺坡清耕和梯台清耕处理均有不同程度的增加，土壤的固碳潜力提高，这可能归因于外源碳输入和土壤组成成分的保护和稳定作用[19]。

表4 不同处理0～20 cm土壤有机C储量和固C潜力Table 4 Effects of different fertilization on storage of SOC and capacity of soil stabilizing organic carbon处理 0～20 cm土壤有机碳储量/(t·hm‾2) 固碳潜力
/(t·hm‾2)2009年平衡时T1 33.510 35.990 5.884 T2 39.649 46.260 16.155 T3 45.154 54.801 24.695
土壤碳循环模型是研究耕作制度、施肥、利用方式改变等对土壤有机碳的影响一个重要工具，而 Jenny数学模型因其简便，涉及参数少而被许多研究者应用。

但该
模型作为一个简单的土壤有机碳周转模型，其是建立在土壤有机碳年分解速率和每年归还土壤中的有机碳量保持不变、土壤有机碳是单一组分且以指数形式分解等假设条件上的，所以具有一定的局限性。

韩冰等[20]利用DNDC模型预测我国农田
生态系统土壤碳平衡值为4.8～51.4 g/kg，其中福建省的平均值为14.8 g/kg。

穆琳等[18]利用Jenny模型预测不同措施下黄土性母质上发育的壤质棕壤的有机
碳平衡值为7.58～30.62 g/kg。

本研究预测的果园土壤有机碳平衡值为 16.607～25.60 8g/kg，介于韩冰和穆琳等预测值范围内，但高于福建省的平均值，这可能与管理措施、土壤类型和气候条件有关。

另外，由于本研究的资料有限，选用的模
型亦存在一定的局限性，所预测的结果也只能作为一个初步的了解，有关生草栽培对土壤有机碳平衡的影响还有待进一步研究。

4 结论
生草栽培不但提高了果园土壤有机碳含量，而且也增加了土壤碳储量，且生草栽培处理的效果要显著高于清耕处理。

在现有生草栽培模式不变的情况下，当各生草栽培处理的土壤有机碳达到平衡状态时，果园土壤将会增加碳储量 24.695 t/hm2，分别是顺坡清耕和梯台清耕处理的 4.2倍和 1.5倍，说明生草栽培垦殖方式可作为提高果园土壤碳储量的重要措施。

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