小麥秸稈植硅體碳增匯潛力研究

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境保育重點實驗室，臨沂大學 資源環境學院，山東 臨沂 276000)

1 引言

在全球綠色低碳轉型背景下，通過提高陸地生態系統碳封存能力可以有效緩解大氣中CO2的激增。農田生態系統是陸地生態系統的重要組成部分，全球的農作物種植面積約為1.5×109hm2，農作物植硅體中封存的碳高達(5.08～18.97)×106t/a，富含植硅體的農作物碳封存效應不容忽視[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碳，較其他土壤有機碳組分更易于保存，可穩定存在1000年以上，植物植硅體封存的碳含量為0.2%～5.8%[3,4]。PhytOC作為一個長期穩定的陸地碳庫[5,6]，是生態系統中碳匯的重要組成部分，在調節全球碳循環、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],對提高陸地生態系統碳收支評估精度具有重要意義，成為近年來碳循環研究關注的熱點。

PhytOC的研究范圍逐步擴展到森林、草原、濕地和農田等多種生態系統。國內外學者已對農作物(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，對全球不同生態系統中土壤PhytOC封存量進行估算[16,17], 發現農田生態系統植硅體碳產生速率高于其他生態系統[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系統的碳平衡[17]，進而影響我國碳達峰和碳中和的進程。

由于小麥植硅體累計和周轉過程較為復雜、區域自然地理環境條件差異較大，采用1、2個通用的參數(如植硅體累計速率和周轉速率)來估算全國的小麥PhytOC可能跟實際存在較大偏差。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、富硅能力強的典型農作物小麥為研究對象，對其秸稈植硅體碳、植硅體碳儲量及碳封存能力進行深入研究，探明小麥植硅體碳增匯潛力及其調控機制，以期為區域碳收支精確核算和評估提供基礎數據。

2 材料與方法

2.1 研究區概況

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。臨沂氣候屬于溫帶大陸性季風氣候，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 ℃，累計日照時間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，土壤基本化學性質見表1。

表1 土壤理化性質

2.2 樣品采集與處理

2021年6月5～10日(小麥收割季節)赴臨沂市各區縣(3區9縣)采樣，每個縣區設3個采樣點，采樣點間隔2 km以上，每個采樣點采集小麥秸稈300～500 g，3個點樣品混合后帶回實驗室。在每個采用點以四分法取表層土壤(0～5 cm)300 g左右帶回實驗室，剔除土樣中的根系和礫石，用于土壤理化性質的測定。

2.3 試驗方法

將小麥秸稈樣品用蒸餾水反復沖洗后烘干，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，按照設置好的消解程序進行消解。冷凝卻至室溫后將消解液轉移至50 mL塑料離心管中，在高速離心機中離心7 min(3500 r/min)，吸走上清液，往離心管中加入去離子水，繼續離心，離心4～6次，當上清液呈中性時離心完成，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，計算植硅體質量。植硅體碳采用CN元素分析儀測定。土壤pH值采用酸度計法測定(水土比為2.5∶1.0)、有機質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、硅鉬藍比色法測定。

2.4 數據的計算和統計

植硅體含量(g/kg)=植硅體質量/秸稈樣品干重

秸稈植硅體碳含量(g/kg)=植硅體碳質量/秸稈樣品干重

秸稈植硅體碳儲量(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×秸稈產量×10-6×44/12

小麥秸稈生物量(t/hm2)=小麥產量/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年小麥產量和種植面積數據計算。

1984～2020年小麥植硅體碳封存潛力和植硅體碳增匯潛力根據小麥產量、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]進行計算。

對于所獲得的數據，應用SPSS 16.0軟件進行統計分析，小麥秸稈植硅體含量、植硅體碳含量與土壤理化性質的相關性采用Pearson相關分析進行檢驗。通過Origin Pro9.0作圖。

3 結果與分析

3.1 小麥秸稈植硅體、植硅體碳含量特征

各縣區小麥秸稈植硅體含量為19.86～37.78 g/kg，平均為29.73 g/kg，其中費縣和蘭山區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，以費縣最高，沂水縣最低(圖1)。

圖1 不同縣區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量和碳封存潛力

各縣區小麥秸稈PhytOC儲量、碳封存潛力存在差異(圖2)。小麥植硅體碳儲量為8.30～12.18 kgC/hm2，平均10.09 kgC/hm2，其中郯城、蘭陵和費縣相對較高，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，南部平原地區植硅體碳封存潛力高于北部山地、丘陵地區。

圖2 不同縣區2020年小麥秸稈植硅體碳儲量和碳封存潛力

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的增匯和碳儲量。2020年，各縣區小麥秸稈植硅體碳增匯潛力為0.17～2.01 t CO2/a，總計10.94 t CO2/a。各縣區分布不平衡(表2)，南部平原地區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小麥播種面積、小麥秸稈年產量、土壤理化條件有關。

表2 不同縣區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年總計可固定411.52 t CO2，小麥秸稈植硅體碳匯效應顯著。

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。結果在已報道的小麥植硅體研究結果范圍內(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果基本一致(0.6～6.0 g/kg)[13]。結合前人研究結果，發現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。本研究中，小麥秸稈植硅體含量與土壤pH值、有機質、速效鉀、有效硅顯著相關，小麥秸稈植硅體碳含量與土壤有機質含量顯著相關(表3)。應雨騏[30]發現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，通過適當的農田管理措施如硅肥、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的pearson 相關系數

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果范圍內(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業科技水平的提高有關。

農作物秸稈植硅體碳匯效應明顯，我國每年通過旱作農作物植硅體可封存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，在減緩區域CO2釋放過程中發揮了積極的碳匯作用。今后，可通過對小麥生態系統的科學管理調控增加植硅體碳匯，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；研究發現對稻田施用額外的硅肥，如生物質炭、富含硅的有機肥、玄武巖巖粉和鋼渣硅肥等，可以顯著提高稻田生態系統的植硅體碳產生通量[18,19,31]，可以嘗試對麥田增施硅肥、有機肥或采用間作套種等耕作方法[32]改變土壤環境，來提高小麥生態系統的碳匯潛力。

5 結論

(1)臨沂小麥秸稈植硅體碳含量、碳儲量和碳封存潛力、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量和碳封存潛力，與土壤理化環境條件有關。

(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年總計可固定411.52 t CO2，小麥秸稈植硅體碳匯效應顯著。

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