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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jìn)土壤有機(jī)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(shí)需求性進(jìn)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(dòng)態(tài)聚類等數(shù)學(xué)模型集成技術(shù), 在基于1∶5萬(wàn)比例尺的區(qū)域紫云英用地適宜性評(píng)價(jià)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(jī)碳密度為指標(biāo), 遵循最適宜生長(zhǎng)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(jī)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(shì), 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(qiáng)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(diǎn)種植區(qū), 富嶺、仙陽(yáng)、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(duì)于其高效種植利用、區(qū)域耕地土壤有機(jī)質(zhì)提升計(jì)劃的科學(xué)實(shí)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(jī)碳密度; 數(shù)學(xué)模型集成; 優(yōu)化布局

土壤有機(jī)碳(SOC)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫(kù), 其微小變化可對(duì)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(dòng)的影響較為強(qiáng)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(guò)顯著增加和更新土壤有機(jī)碳[4-5], 促進(jìn)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(wèn)題, 國(guó)家農(nóng)業(yè)部和財(cái)政部于2006年啟動(dòng)了土壤有機(jī)質(zhì)提升項(xiàng)目, 鼓勵(lì)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(zhǎng)行動(dòng)方案》, 提出到2020年實(shí)現(xiàn)“一控兩減三基本”的目標(biāo), 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(xiàng)促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)提升、增加土壤固碳、減少化肥施用和保護(hù)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的有效技術(shù)措施[7]。

國(guó)內(nèi)外有關(guān)紫云英方面的研究主要聚焦于其回田對(duì)土壤有機(jī)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(kāi)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(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院1981年完成了《中國(guó)綠肥區(qū)劃》, 根據(jù)土壤肥力及自然、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等條件, 將全國(guó)綠肥種植劃為9個(gè)一級(jí)區(qū)、47個(gè)二級(jí)區(qū)[13]。肖道庸[14]基于江西省現(xiàn)實(shí)情況提出冬季綠肥布局的初步設(shè)想, 將全省劃分為4個(gè)綠肥種植區(qū)。周志明[15]考慮未來(lái)耕地、園地的消長(zhǎng), 預(yù)測(cè)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(guó)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(shí)需求性等因素, 難于為新形勢(shì)下土壤有機(jī)質(zhì)提升、化肥減量化和耕地質(zhì)量提高等“國(guó)家戰(zhàn)略”實(shí)施提供有效的基礎(chǔ)依據(jù)。為此, 本研究以我國(guó)最早的商品糧基地縣——福建省浦城縣的耕地為研究對(duì)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(wàn)比例尺耕地利用現(xiàn)狀-土壤類型數(shù)據(jù)庫(kù)、耕地地力評(píng)價(jià)和測(cè)土配方施肥等資料, 借助GIS與數(shù)學(xué)模型集成技術(shù), 開(kāi)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(duì)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(shì)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(guó)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(rùn)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(shí)數(shù)1 893.5 h, 年無(wú)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(gè)土類、7個(gè)亞類、13個(gè)土屬和32個(gè)土種, 其中以水稻土占絕對(duì)優(yōu)勢(shì), 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(lái)自福建省農(nóng)業(yè)廳2008年浦城縣耕地地力評(píng)價(jià)和測(cè)土配方施肥調(diào)查相關(guān)成果數(shù)據(jù)庫(kù), 比例尺為1︰5萬(wàn), 具體包括: ①浦城縣耕地利用現(xiàn)狀-土壤類型數(shù)據(jù)庫(kù); ②浦城縣耕地土壤有機(jī)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(kù); 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(kāi)花期(翌年3—4月)日平均溫度數(shù)據(jù)庫(kù)。

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(píng)價(jià)

根據(jù)用地適宜性評(píng)價(jià)因子選擇應(yīng)遵循的主導(dǎo)性、差異性、針對(duì)性、定量性和現(xiàn)實(shí)性等原則[16], 考慮紫云英正常生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)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(yàn)法確定紫云英用地適宜性評(píng)價(jià)因子體系及其各評(píng)價(jià)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(gè))為評(píng)價(jià)單元, 利用上述收集的相關(guān)因子屬性數(shù)據(jù)庫(kù), 建立研究區(qū)評(píng)價(jià)單元紫云英用地適宜性評(píng)價(jià)因子空間屬性數(shù)據(jù)庫(kù)。另外, 借助SPSS軟件對(duì)各評(píng)價(jià)因子的隸屬度進(jìn)行模型擬合, 建立紫云英各評(píng)價(jià)因子的隸屬函數(shù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?表1)[21], 并采用專家經(jīng)驗(yàn)法確定概念型評(píng)價(jià)因子的隸屬度經(jīng)驗(yàn)值(表2), 利用隸屬函數(shù)模型或隸屬度經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行各評(píng)價(jià)因子屬性數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化。建立紫云英用地適宜性(目標(biāo)層)、構(gòu)成要素(準(zhǔn)則層)和評(píng)價(jià)因子(指標(biāo)層)之間層次關(guān)系, 采用特爾菲法建立準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層以及指標(biāo)層對(duì)準(zhǔn)則層的比較矩陣, 借助農(nóng)業(yè)部耕地地力評(píng)價(jià)軟件的層次分析法(AHP)模塊運(yùn)算, 并通過(guò)一致性檢驗(yàn)(0≤CR≤0.02, 均小于0.1), 獲得各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重值[22]。采用修正的加權(quán)指數(shù)和模型[18]計(jì)算各評(píng)價(jià)單元的綜合質(zhì)量指數(shù)以確定其適宜性等級(jí), 計(jì)算公式為:

式中:為評(píng)價(jià)單元的綜合質(zhì)量指數(shù),b為評(píng)價(jià)因子的權(quán)重,B為評(píng)價(jià)因子的隸屬度。以各評(píng)價(jià)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(diǎn)將研究區(qū)紫云英用地適宜性劃分為4個(gè)等級(jí):=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(jì)算

1.4.1 適宜用地耕層土壤碳密度計(jì)算

從研究區(qū)紫云英用地適宜性評(píng)價(jià)成果數(shù)據(jù)庫(kù)提取出適宜用地單元的土壤有機(jī)質(zhì)、耕層厚度、容重等空間數(shù)據(jù)庫(kù), 采用公式(2)[23]計(jì)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(kù):

SOCD=0.58O′D′H/100 (2)

式中: 0.58為有機(jī)質(zhì)含量還原為有機(jī)碳含量的Bemmelen折算系數(shù);O為土壤有機(jī)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(píng)價(jià)因子指標(biāo)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(píng)價(jià)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(píng)價(jià)因子隸屬度經(jīng)驗(yàn)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(píng)價(jià)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(gè)面積為1 m×1 m的調(diào)查樣區(qū), 于盛花期實(shí)地收獲測(cè)定植株產(chǎn)量。借助數(shù)學(xué)模型對(duì)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(jìn)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(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù), 計(jì)算并建立耕地適宜單元的紫云英產(chǎn)量數(shù)據(jù)庫(kù)。

采用烘干法和K2Cr2O7容量法[1]分析測(cè)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(kù)和式(4)計(jì)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(jī)質(zhì)提升計(jì)劃的實(shí)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(shí)現(xiàn)高產(chǎn)和盡可能多地增加土壤固碳為目標(biāo), 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(jìn)行布局。適宜性等級(jí)越高的耕地, 其立地條件越有利于紫云英生長(zhǎng)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(biāo), 遵循最適宜生長(zhǎng)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(biāo)(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(biāo)的排列組合, 參照國(guó)內(nèi)外其他研究成果[25], 采用動(dòng)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(biāo)

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(píng)價(jià)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(shuō)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(shì)。

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(kāi)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(shì)平坦, 土壤灌排條件良好, 近70%的適宜耕地分布于陽(yáng)坡、半陽(yáng)坡和平地, 為其生長(zhǎng)發(fā)育提供了良好的光、溫、水條件。紫云英生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(dá)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(dá)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(yáng)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(duì)不足, 紫云英發(fā)芽期、幼苗期和開(kāi)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(duì)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(duì)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(qiáng)的空間變異性。從不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)來(lái)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(jiàn), 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(duì)耕地土壤有機(jī)質(zhì)分解和積累作用綜合作用的結(jié)果?？傮w來(lái)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(kāi)墾利用悠久, 土壤熟化度較高, 土壤有機(jī)質(zhì)含量也豐富。楓溪、管厝和富嶺等海拔相對(duì)較高區(qū)域耕地的有機(jī)碳密度也較高, 主要是因?yàn)檫@些地區(qū)熱量條件相對(duì)較差, ≥10 ℃積溫介于4 716.81~4 916.52 ℃, 導(dǎo)致土壤微生物活動(dòng)及有機(jī)質(zhì)礦化作用較弱, 故土壤有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較高。土壤有機(jī)碳密度較低的鄉(xiāng)鎮(zhèn)地勢(shì)較為低平, 分布海拔相對(duì)較低, 熱量資源相對(duì)豐富, 易于土壤微生物活動(dòng)和有機(jī)質(zhì)的礦化作用, 有機(jī)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(jī)碳密度

從鄉(xiāng)鎮(zhèn)內(nèi)部來(lái)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(dá)狀況差異所致的鎮(zhèn)域范圍內(nèi)熱量和有機(jī)肥投入量差異, 進(jìn)而導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)分解和積累作用差異等密切相關(guān)。南浦、萬(wàn)安、山下、九牧和管厝等鄉(xiāng)鎮(zhèn)地勢(shì)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(jī)質(zhì)分解和積累作用差異不明顯; 且境內(nèi)交通發(fā)達(dá), 便于有機(jī)肥的運(yùn)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(jī)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(dá)狀況存在明顯差異, 海拔較高區(qū)域有機(jī)肥運(yùn)輸不便, 從而影響這些區(qū)域耕地有機(jī)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(jī)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%。可見(jiàn), 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(shì)。

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(jì)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(shì)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(yáng)、石陂和永興等鄉(xiāng)鎮(zhèn)海拔200~400 m的緩坡地梯田, 合計(jì)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(zhǎng)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(yáng)、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(jì)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(duì)紫云英的適宜程度相對(duì)較低, 耕地SOCD相對(duì)較高, 均處于中水平。

3 討論

3.1 用地適宜性對(duì)紫云英優(yōu)化種植的影響

現(xiàn)代土宜理論認(rèn)為農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)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(diǎn)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件和當(dāng)前生產(chǎn)水平, 綜合考慮各個(gè)時(shí)期各項(xiàng)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(shí)施耕地土壤有機(jī)質(zhì)提升計(jì)劃的目的是盡可能增加有機(jī)碳的投入, 進(jìn)而提高土壤有機(jī)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(jìn)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(dá)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(dá)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(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量的提高, 固碳量也越高, 從而為耕地有機(jī)質(zhì)含量和地力的提升提供更多的有機(jī)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(jìn)行種植。從用地優(yōu)化布局結(jié)果來(lái)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(guò)冬種紫云英回田, 估計(jì)每年可為該區(qū)耕地有機(jī)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(guò)冬種紫云英回田, 估計(jì)每年可為該區(qū)耕地有機(jī)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(jī)碳的輸入。我國(guó)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(duì)紫云英的生長(zhǎng)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(zhǎng)習(xí)性及其對(duì)立地條件的要求, 擇優(yōu)選取適宜種植的區(qū)域, 對(duì)于紫云英的高效種植利用以及耕地土壤有機(jī)質(zhì)提升計(jì)劃的科學(xué)實(shí)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(duì)紫云英優(yōu)化種植的影響

紫云英作為純天然生物有機(jī)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(jī)質(zhì)含量或有機(jī)碳密度關(guān)系密切[4,9-10]。紫云英優(yōu)化種植的另一目標(biāo)是盡可能多地固定大氣中的CO2, 通過(guò)紫云英回田增加土壤固碳, 從而培肥地力。顯然, 有機(jī)碳匱乏、肥力低下的耕地更需要有機(jī)碳的輸入, 且具有巨大的固碳空間和潛力來(lái)增加土壤有機(jī)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(duì)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(jī)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(guó)綠肥試驗(yàn)網(wǎng)在17個(gè)省區(qū)的22個(gè)試點(diǎn)進(jìn)行定位試驗(yàn), 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(jī)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(jī)質(zhì)年均可增加1.5 g×kg-1, 土壤有機(jī)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(lái)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(jī)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(jì)算, 若要實(shí)現(xiàn)耕地土壤有機(jī)碳含量達(dá)到全縣平均水平(17.39 g×kg-1)的目標(biāo), 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?jiàn), 通過(guò)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(guò)種植紫云英實(shí)現(xiàn)耕地土壤有機(jī)碳含量的提高, 次優(yōu)先種植區(qū)次之, 而碳密度相對(duì)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(shì)。若將研究區(qū)耕地全部種植紫云英, 年鮮草總產(chǎn)量可達(dá)657 056.65 t, 年總固碳量可達(dá)29 900.74 t, 若以年壓入綠肥鮮草27.75 t×hm-2計(jì), 可為23 677.72 hm2耕地的有機(jī)質(zhì)和地力提升提供有機(jī)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(shì), 合計(jì)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。基于適宜性和固碳需求, 擇優(yōu)選取紫云英適宜種植區(qū)域, 對(duì)于其高效種植利用、區(qū)域耕地土壤有機(jī)質(zhì)提升計(jì)劃的科學(xué)實(shí)施以及耕地質(zhì)量的有效提高皆具有重要指導(dǎo)意義。

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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?yàn)橥寥郎鷳B(tài)系統(tǒng)碳氮磷循環(huán)、健康評(píng)價(jià)與調(diào)控。E-mail: fafuxsh@126.com 曹孟錦, 主要研究方向?yàn)橥寥捞佳h(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(cè)與評(píng)價(jià)項(xiàng)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(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 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