董 彬，石佳妍，楊天明，史舒琪，王澤宇，馮少娣，尉海東

(山東省水土保持與環(huán)境保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，臨沂大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，山東 臨沂 276000)

1 引言

在全球綠色低碳轉(zhuǎn)型背景下，通過提高陸地生態(tài)系統(tǒng)碳封存能力可以有效緩解大氣中CO2的激增。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，全球的農(nóng)作物種植面積約為1.5×109hm2，農(nóng)作物植硅體中封存的碳高達(dá)(5.08～18.97)×106t/a，富含植硅體的農(nóng)作物碳封存效應(yīng)不容忽視[1,2]。

植硅體碳(Phytolith-occluded carbon,PhytOC)是植物在形成植硅體過程中包裹一部分碳而形成的惰性有機(jī)碳，較其他土壤有機(jī)碳組分更易于保存，可穩(wěn)定存在1000年以上，植物植硅體封存的碳含量為0.2%～5.8%[3,4]。PhytOC作為一個(gè)長期穩(wěn)定的陸地碳庫[5,6]，是生態(tài)系統(tǒng)中碳匯的重要組成部分，在調(diào)節(jié)全球碳循環(huán)、降低大氣CO2濃度乃至緩解全球氣候變暖趨勢等方面具有重要作用[7～9],對提高陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支評估精度具有重要意義，成為近年來碳循環(huán)研究關(guān)注的熱點(diǎn)。

PhytOC的研究范圍逐步擴(kuò)展到森林、草原、濕地和農(nóng)田等多種生態(tài)系統(tǒng)。國內(nèi)外學(xué)者已對農(nóng)作物(如黍、粟、水稻、小麥、甘蔗)[10～14]、自然植被和土壤[15]開展了PhytOC封存潛力研究，對全球不同生態(tài)系統(tǒng)中土壤PhytOC封存量進(jìn)行估算[16,17], 發(fā)現(xiàn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)植硅體碳產(chǎn)生速率高于其他生態(tài)系統(tǒng)[18,19]。我國是世界小麥種植面積第二大國，2020年小麥播種面積 23.38×106hm2，小麥秸稈植硅體碳可能深刻地影響我國陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡[17]，進(jìn)而影響我國碳達(dá)峰和碳中和的進(jìn)程。

由于小麥植硅體累計(jì)和周轉(zhuǎn)過程較為復(fù)雜、區(qū)域自然地理環(huán)境條件差異較大，采用1、2個(gè)通用的參數(shù)(如植硅體累計(jì)速率和周轉(zhuǎn)速率)來估算全國的小麥PhytOC可能跟實(shí)際存在較大偏差。要精確估算我國小麥PhytOC封存潛力還需要在區(qū)域尺度上做更多的研究工作。因此，以臨沂市種植面積大、富硅能力強(qiáng)的典型農(nóng)作物小麥為研究對象，對其秸稈植硅體碳、植硅體碳儲(chǔ)量及碳封存能力進(jìn)行深入研究，探明小麥植硅體碳增匯潛力及其調(diào)控機(jī)制，以期為區(qū)域碳收支精確核算和評估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

臨沂地處山東省東南部，地勢西北高東南低，山地、丘陵、平原面積占比為2∶4∶4。臨沂氣候?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，四季分明，雨熱同期。年平均降水量為772.6 mm，年平均氣溫14.8 ℃，累計(jì)日照時(shí)間2164.6 h，無霜期200 d以上。主要種植作物有小麥、玉米、稻谷等，小麥在山地、丘陵和平原區(qū)均有種植。2020年，臨沂市小麥種植面積為2.90×105hm2。土壤類型主要為褐土、棕壤和潮土，土壤基本化學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 土壤理化性質(zhì)

2.2 樣品采集與處理

2021年6月5～10日(小麥?zhǔn)崭罴竟?jié))赴臨沂市各區(qū)縣(3區(qū)9縣)采樣，每個(gè)縣區(qū)設(shè)3個(gè)采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)間隔2 km以上，每個(gè)采樣點(diǎn)采集小麥秸稈300～500 g，3個(gè)點(diǎn)樣品混合后帶回實(shí)驗(yàn)室。在每個(gè)采用點(diǎn)以四分法取表層土壤(0～5 cm)300 g左右?guī)Щ貙?shí)驗(yàn)室，剔除土樣中的根系和礫石，用于土壤理化性質(zhì)的測定。

2.3 試驗(yàn)方法

將小麥秸稈樣品用蒸餾水反復(fù)沖洗后烘干，以75 ℃烘干至恒重。將樣品用剪刀剪碎至3 cm左右，后用高速植物粉碎機(jī)將其粉碎后用100目篩子過篩，裝自封袋用于植硅體提取。小麥秸稈植硅體采用微波消解法提取[20]。使用1/10000 d平稱取植物樣品約0.300 g，放入潔凈消解管中，往消解管中加入濃硝酸(優(yōu)級純)8 mL、過氧化氫2 mL，將樣品浸泡在試劑中至少15 min；將消解管放入消解爐中，按照設(shè)置好的消解程序進(jìn)行消解。冷凝卻至室溫后將消解液轉(zhuǎn)移至50 mL塑料離心管中，在高速離心機(jī)中離心7 min(3500 r/min)，吸走上清液，往離心管中加入去離子水，繼續(xù)離心，離心4～6次，當(dāng)上清液呈中性時(shí)離心完成，吸取上清液；將帶有植硅體的離心管放入75 ℃烘箱中烘干至恒重、稱重，計(jì)算植硅體質(zhì)量。植硅體碳采用CN元素分析儀測定。土壤pH值采用酸度計(jì)法測定(水土比為2.5∶1.0)、有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法測定[21]、總氮采用重鉻酸鉀—硫酸消化法測定[22]、堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測定[23]、速效磷采用Bary法測定、速效鉀采用醋酸銨浸提-火焰光度法測定[24]、有效硅采用采用pH值為4的醋酸銨緩沖液浸提、硅鉬藍(lán)比色法測定。

2.4 數(shù)據(jù)的計(jì)算和統(tǒng)計(jì)

植硅體含量(g/kg)=植硅體質(zhì)量/秸稈樣品干重

秸稈植硅體碳含量(g/kg)=植硅體碳質(zhì)量/秸稈樣品干重

秸稈植硅體碳儲(chǔ)量(kgC/hm2)=秸稈植硅體碳含量×秸稈生物量×10-3

秸稈植硅體碳封存潛力( kg CO2/hm2)=秸稈植硅體碳含量×秸稈生物量×10-3×44/12[25]

秸稈植硅體碳增匯潛力( t CO2/a )=秸稈植硅體碳含量×秸稈產(chǎn)量×10-6×44/12

小麥秸稈生物量(t/hm2)=小麥產(chǎn)量/小麥種植面積×草谷比

本研究中小麥秸稈植硅體碳含量、秸稈植硅體碳儲(chǔ)量、植硅體碳封存潛力和植硅體碳增匯潛力基于2020年小麥產(chǎn)量和種植面積數(shù)據(jù)計(jì)算。

1984～2020年小麥植硅體碳封存潛力和植硅體碳增匯潛力根據(jù)小麥產(chǎn)量、種植面積[26]、谷草比(1.1)、秸稈植硅體碳含量(基于中國小麥秸稈植硅體含量平均值1.60 g/kg)[27]進(jìn)行計(jì)算。

對于所獲得的數(shù)據(jù)，應(yīng)用SPSS 16.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，小麥秸稈植硅體含量、植硅體碳含量與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性采用Pearson相關(guān)分析進(jìn)行檢驗(yàn)。通過Origin Pro9.0作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 小麥秸稈植硅體、植硅體碳含量特征

各縣區(qū)小麥秸稈植硅體含量為19.86～37.78 g/kg，平均為29.73 g/kg，其中費(fèi)縣和蘭山區(qū)小麥秸稈植硅體含量較高，蒙陰和沂南的最低。小麥秸稈PhytOC含量為1.38～1.70 g/kg，平均為1.52 g/kg，以費(fèi)縣最高，沂水縣最低(圖1)。

圖1 不同縣區(qū)2020年小麥秸稈植硅體含量和植硅體碳含量

3.2 小麥秸稈植硅體碳儲(chǔ)量和碳封存潛力

各縣區(qū)小麥秸稈PhytOC儲(chǔ)量、碳封存潛力存在差異(圖2)。小麥植硅體碳儲(chǔ)量為8.30～12.18 kgC/hm2，平均10.09 kgC/hm2，其中郯城、蘭陵和費(fèi)縣相對較高，沂水的最低。小麥秸稈植硅體碳封存潛力為31.89～44.65 kgCO2/hm2，平均36.99 kg CO2/hm2，南部平原地區(qū)植硅體碳封存潛力高于北部山地、丘陵地區(qū)。

圖2 不同縣區(qū)2020年小麥秸稈植硅體碳儲(chǔ)量和碳封存潛力

3.3 小麥秸稈植硅體碳增匯潛力估算

本研究中的碳增匯指小麥秸稈植硅體對CO2的增匯和碳儲(chǔ)量。2020年，各縣區(qū)小麥秸稈植硅體碳增匯潛力為0.17～2.01 t CO2/a，總計(jì)10.94 t CO2/a。各縣區(qū)分布不平衡(表2)，南部平原地區(qū)植硅體碳增匯潛力相對較高(1.10～2.01 t CO2/a)，其中郯城縣的最高；中北部山地丘陵地區(qū)植硅體碳增匯潛力相對較低(0.17～0.90 t CO2/a)，蒙陰縣的最低，這種差異主要與各縣區(qū)小麥播種面積、小麥秸稈年產(chǎn)量、土壤理化條件有關(guān)。

表2 不同縣區(qū)小麥秸稈植硅體碳增匯潛力

1984～2020年，臨沂市小麥秸稈植硅體碳封存潛力和碳增匯潛力明顯升高(圖3)。小麥秸稈植硅體碳封存潛力為15.75～41.14 kg CO2/hm2，年平均30.60 kg CO2/hm2，以2016年的最高，為1984年的1.8倍。1984年以來小麥秸稈植硅體碳增匯潛力為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年總計(jì)可固定411.52 t CO2，小麥秸稈植硅體碳匯效應(yīng)顯著。

圖3 1985～2020年小麥秸稈植硅體碳封存潛力、碳增匯潛力

4 討論

4.1 臨沂小麥秸稈植硅體和植硅體碳含量

本研究中，小麥秸稈植硅體含量平均為29.73 g/kg。結(jié)果在已報(bào)道的小麥植硅體研究結(jié)果范圍內(nèi)(27～79 g/kg)[13]，低于水稻植硅體含量(29～175 g/kg)[19,28,29]和玉米植硅體含量(37～67 g/kg)[27]。本研究中小麥秸稈植硅體碳含量平均為1.52 g/kg，與前人對小麥的研究結(jié)果基本一致(0.6～6.0 g/kg)[13]。結(jié)合前人研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)小麥秸稈植硅體含量和植硅體碳含量變化范圍較大，這可能與植物品種[13]、基因型[28]及土壤理化條件有關(guān)。本研究中，小麥秸稈植硅體含量與土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、速效鉀、有效硅顯著相關(guān)，小麥秸稈植硅體碳含量與土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著相關(guān)(表3)。應(yīng)雨騏[30]發(fā)現(xiàn)亞熱帶重要樹種植硅體碳含量是由植硅體含量、植硅體本身的固碳能力和效率共同決定的。因此，植硅體含量并非影響秸稈植硅體碳含量的唯一因素，土壤理化條件能顯著影響小麥植硅體含量，通過適當(dāng)?shù)霓r(nóng)田管理措施如硅肥、篩選具有高植硅體固碳潛力的品種可能將有效提高小麥植硅體碳含量和小麥生物量[29]。

表3 小麥秸稈植硅體含量、秸稈植硅體碳含量與土壤理化性質(zhì)的pearson 相關(guān)系數(shù)

4.2 臨沂小麥秸稈植硅體碳封存和碳增匯潛力

本研究中臨沂2020年小麥秸稈植硅體平均碳封存潛力為36.99 kg CO2/hm2，在前人的小麥研究結(jié)果范圍內(nèi)(6～246 kg CO2/hm2)[13,27]，高于中國的黍(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年來，臨沂市小麥種植面積減少了222913.07 hm2(43.43%)，但由于小麥單產(chǎn)量逐漸增加，2020年每公頃較1984年增加了2.66 t (1.76倍)，小麥秸稈生物量也相應(yīng)增加，使小麥秸稈碳封存潛力不但沒有減少反而增加了30.68%，因此，臨沂市小麥秸稈碳封存潛力逐漸增加，這可能與化肥施用增加和農(nóng)業(yè)科技水平的提高有關(guān)。

農(nóng)作物秸稈植硅體碳匯效應(yīng)明顯，我國每年通過旱作農(nóng)作物植硅體可封存2.37×106t CO2[11]，其中水稻、小麥和玉米由于種植面積大、植硅體含量高，植硅體碳增匯潛力較高，Song 等[27]估算全國水稻、小麥和玉米植硅體碳增匯潛力分別為2.04×106t CO2/a、0.91×106t CO2/a、1.49×106t CO2/a。Parr & Sullivan等[13]通過對全球53種小麥的植硅體碳進(jìn)行分析，估算出全球小麥植硅體碳增匯潛力為5×107t CO2/a。本研究中臨沂市小麥秸稈植硅體碳增匯潛力為7.05～14.43 t CO2/a，雖然在全國占比較小，但一直呈逐漸增加的趨勢，在減緩區(qū)域CO2釋放過程中發(fā)揮了積極的碳匯作用。今后，可通過對小麥生態(tài)系統(tǒng)的科學(xué)管理調(diào)控增加植硅體碳匯，減緩全球氣候變化。由于不同品種小麥PhytOC含量差別近10倍(0.06%～6%)，可以通過種植PhytOC積累速率高的小麥品種提高碳封存能力；研究發(fā)現(xiàn)對稻田施用額外的硅肥，如生物質(zhì)炭、富含硅的有機(jī)肥、玄武巖巖粉和鋼渣硅肥等，可以顯著提高稻田生態(tài)系統(tǒng)的植硅體碳產(chǎn)生通量[18,19,31]，可以嘗試對麥田增施硅肥、有機(jī)肥或采用間作套種等耕作方法[32]改變土壤環(huán)境，來提高小麥生態(tài)系統(tǒng)的碳匯潛力。

5 結(jié)論

(1)臨沂小麥秸稈植硅體碳含量、碳儲(chǔ)量和碳封存潛力、碳增匯潛力分別為1.38～1.70 g/kg、8.30～12.18 kgC/hm2、31.89～44.65 kgCO2/hm2、10.94 t CO2，空間分布不均，南部平原較北部山地丘陵地球具有更高的植硅體碳儲(chǔ)量和碳封存潛力，與土壤理化環(huán)境條件有關(guān)。

(2)1984～2020年，臨沂小麥秸稈植硅體碳封存潛力和碳增匯潛力明顯升高。小麥秸稈植硅體碳增匯潛力為7.05～14.43 t CO2/a，36年總計(jì)可固定411.52 t CO2，小麥秸稈植硅體碳匯效應(yīng)顯著。

(3)可通過篩選PhytOC積累速率高的小麥品種、增施硅肥、有機(jī)肥等措施提高小麥生態(tài)系統(tǒng)的碳匯潛力。