不同作物種植對光伏坡地土壤團聚體穩定性與有機碳的影響

摘要：為探討種植不同作物對坡地土壤團聚體分布及其有機碳含量變化特征的影響，在光伏農業坡地項目區內采集玉米、大豆、南瓜片區以及未種植區土壤樣品（各處理分別記作YM、DD、NG、CK），測定不同片區的土壤機械穩定性團聚體和水穩定性團聚體的分布特征及其不同粒徑（d＞2 mm、0.25 mm≤d≤2 mm、d＜0.25 mm）團聚體的有機碳含量，計算土壤團聚體破壞率，同時對土壤團聚體分布比例及其有機碳含量進行相關性分析。結果表明：與CK相比，種植活動使土壤的機械穩定性和水穩定性大團聚體分布比例顯著降低，其破壞率顯著升高（P＜0．05）；而不同作物之間，土壤的團聚體破壞率表現為玉米，大豆，南瓜（P＜0．05），YM、DD較NG處理顯著提高了44.2%和23.1%。與CK相比，種植區土壤有機碳及水穩定大團聚體有機碳的含量顯著降低（P＜0．05）；不同作物處理之間，NG處理的有機碳含量分別顯著高于YM和DD處理19.3%和15.4%，且其不同粒級團聚體有機碳含量也顯著高于YM和DD處理（P＜0．05）。相關性分析結果顯示，水穩定性大團聚體分布比例與土壤有機碳含量呈顯著正相關（P＜0．05），與團聚體破壞率呈顯著負相關，而微團聚體情況則相反（P＜0．05）。研究表明，光伏農業坡地項目區種植作物造成土壤團聚體破壞及有機碳流失，但不同作物品種對其影響不同，其中南瓜種植對土壤擾動和有機碳流失的影響最小，是光伏農業坡地項目區的優選作物。另外，為了緩解項目區土壤團聚體破壞及有機碳流失，應補充土壤有機質，采取保護性耕作措施。

關鍵詞：光伏農業；坡地；土壤；團聚體；有機碳

中圖分類號：S153.6 文獻標志碼：A 文章編號：1672-2043（2024）07-1549-08 doi：10.1 1654/jaes.2023-0700

光伏農業是將太陽能發電、現代農業種植技術等相結合的資源高效利用農業。通過光伏產業的引入，帶動作物種植和畜禽養殖，可促進農民增收，助力國家糧食安全和鄉村振興。光伏農業選址一般在15°-25°的緩坡荒山、荒地等非耕地或劣質耕地。然而坡地水土侵蝕嚴重，土壤結構穩定性差、保肥保水難，如何在農業種植過程中保障坡地土壤結構穩定性，減少土壤養分流失是發展坡地光伏農業的關鍵。

土壤團聚體是土壤最基本的結構和功能單位，影響著土壤水分、養分保持及供應調控能力。土壤團聚體穩定性較高時，土壤水分、空氣和養分等要素可充分協調，從而為植被生長提供有利的條件。土壤有機質是土壤團聚體形成過程中重要的黏結物質，是團聚體形成的主要黏結劑，可維持團聚結構，同時，團聚體對土壤有機質也具有物理保護作用，二者相輔相成，密不可分。有研究表明，不同作物種植是影響土壤團聚體固碳的主要因素。不同作物種植或地表植被覆蓋影響著土壤粒徑結構，進而影響土壤碳氮在不同團聚體粒徑中的分布。張欽等發現不同綠肥作物在降低土壤團聚體破壞率上表現不同；王淑彬等的研究表明，不同冬作物對土壤機械穩定性團聚體分布特征影響不大，但對水穩定性團聚體分布特征及其穩定性有影響，并且可以增加團聚體有機碳含量。因此，在發展光伏農業過程中，篩選出優良作物品種對保持土壤結構穩定性及碳固存有重要意義。

目前，關于光伏農業的研究多聚焦于光伏電站的工程設計及植被恢復等方面，但對于發展光伏農業時作物種植對土壤結構以及碳固存的研究較少，且當前研究多集中于西北干旱、半干旱地區，南方濕潤地區開展的研究較少。本研究選取廣東省陽山縣光伏農業坡地項目區作為試驗地，采集不同作物種植區和未種植區土壤，探究光伏農業坡地項目區內種植不同作物對土壤團聚體穩定性和有機碳的影響，以期為華南地區乃至全國范圍內坡地發展光伏農業提供理論依據，進而實現光伏農業的可持續性發展。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

如圖1所示，研究區域位于清遠市陽山縣太平鎮（24°14＇N，112°33＇E）光伏農業坡地項目區，平均海拔200 m，屬南亞熱帶向中亞熱帶過渡的季風氣候區，2022年7-11月平均降雨量為135.54 mm，年均溫為21.7℃，主要為緩坡地，土壤類型為石灰巖發育而成的山地紅壤，pH 6.96、有機質含量13.47 g·kg-1、全氮含量1.84 g·kg-1、黏粒含量41.41%。研究區內光伏板行與行間隙為2m，板間種植作物，種植方式為點播，人為擾動較大。研究區原為荒廢的坡耕地，2021年底建成光伏農業項目區，實施“光伏-作物”種植模式，整體分為一個未種植樣地以及玉米、大豆和南瓜3個種植樣地，每個樣地約為1 hm2，總研究區面積約為4 hm2，于2022年7月同時播種，施用復合肥，用量根據當地施用化肥習慣用量確定，定期進行人為翻土，除草，采用傳統耕作方式進行土壤管理，未種植樣地與其他作物種植樣地田間管理保持一致，且4個樣地位于同一片坡度約15°的相對平整緩坡地，成土條件一致。

1.2 樣地設置與采樣

研究區共設置4個樣地，分別為：未種植作物（CK）、玉米作物種植（YM）、大豆作物種植（DD）、南瓜作物種植（NG）。

每個樣地于2022年1 1月作物收獲期在其光伏板間隨機選擇3個25 mx25 m的小區，按照S型采樣法采集小區內0-20 cm土層土壤樣品，采樣時在土不粘鍬、經接觸不變形時采樣，避免土塊受擠壓，以保持土壤原始的結構狀態。剝去土塊外面直接與不銹鋼鍬接觸而變形的土壤，均勻地取內部未變形的土壤樣品，將多個樣點采集的原狀土壤樣品置于硬質塑料盒內，混合合并成一份土樣。每個樣地各取得土樣3份，共采集混合土壤樣品12份。土壤樣品自然風干后備用。

1.3 實驗分析與測定方法

土壤機械穩定性團聚體采用干篩法獲得，土壤水穩定性團聚體采用沙維諾夫濕篩法獲得。根據形成團聚體的有機膠結劑類型，將團聚體分為d＞2mm的大團聚體（A1）、0．25 mm≤d≤2 mm的小團聚體（A2）及d＜0.25 mm的微團聚體（M）。

選擇土壤團聚體破壞率（PAD）來表示土壤團聚體穩定性，PAD的值越大，說明團聚體的穩定性越差。PAD的計算公式如下：

PAD= （DR0.25-WR0.25/DR0.25）×100%

式中：DR0.25表示≥0.25 mm機械穩定性團聚體所占百分比，%；WR0.25表示≥0.25 mm水穩性團聚體所占百分比，%。

pH采用（水土比為2.5：1）玻璃電極法測定；土壤有機碳采用重鉻酸鉀-外加熱法測定；全氮采用凱氏定氮法測定；土壤的黏粒含量采用吸管法測定。

1.4 數據分析與統計

采用Excel 2003進行數據整理，采用SPSS 26.0統計軟件中的單因素方差分析（One-way-ANOVA）檢驗不同處理間的差異顯著性；采用Duncan＇s法進行多重比較（P＜0.05），文中數據以平均值±標準差表示，n=3。采用SPSS 26.0統計軟件對土壤團聚體分布特征、PAD值與土壤有機碳、土壤團聚體有機碳之間的相關性進行分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理對土壤機械穩定性團聚體分布特征的影響

由表1可知，種植作物使d＞2 mm粒級的機械穩定性大團聚體含量顯著下降（P＜0．05），0.25 mm≤d≤2mm粒級的機械穩定性小團聚體含量顯著增加（P＜0.05）。而不同作物品種對機械穩定性微團聚體形成的影響表現為大豆＞南瓜＞玉米，且DD處理較NG、YM處理顯著提高了47.1%、123 .9%。

2.2 不同處理對土壤水穩定性團聚體分布特征的影響

由表2可知，種植作物顯著降低了水穩定性大團聚體的含量（P＜0．05），但顯著增加了水穩定性小團聚體的含量（P＜0．05）。而種植作物對水穩定性微團聚體形成的影響表現為玉米＞大豆＞南瓜，且YM、DD處理較NG處理分別顯著提高了35.4%和25.3%（P＜0.05）。

2.3 不同處理對土壤團聚體破壞率的影響

由圖2可知，種植作物顯著提高了土壤水穩定性團聚體破壞率（P＜0．05），穩定性變差。不同的作物品種之間團聚體破壞率具有顯著差異（P＜0．05），表現為玉米＞大豆＞南瓜，且YM處理較DD、NG處理顯著提高了17.1%、44.2%（P＜0.05），DD處理較NG處理顯著提高了23.1%（P＜0.05）。

2.4 不同處理對土壤及不同團聚體有機碳含量的影響

2.4.1 不同處理對土壤有機碳的影響

由圖3可知，種植作物處理均降低了土壤有機碳的含量。不同作物品種間的土壤有機碳含量表現為南瓜＞大豆＞玉米，其中NG處理較DD、YM處理分別顯著提高了15.4%和19.6%（P＜0.05）。

2.4.2 不同處理對土壤機械穩定性團聚體有機碳含量的影響

由表3可知，各處理之間機械穩定性團聚體有機碳含量分布均表現為微團聚體有機碳含量＞大團聚體有機碳含量。不同作物品種對各粒級團聚體有機碳含量存在顯著影響（P＜0．05），表現為南瓜＞大豆＞玉米，NG處理較DD、YM處理分別顯著提高了25.5%和31.6%的大團聚體有機碳含量。NC處理較YM處理顯著提高了44.9%的小團聚體有機碳含量、30.7%的微團聚體有機碳含量，NG處理較DD處理顯著提高了19.6%的小團聚體有機碳含量、30.6%的微團聚體有機碳含量。

2.4.3 不同處理對土壤水穩定性團聚體有機碳含量的影響

由表4可知，各處理之間水穩定性團聚體有機碳含量分布基本表現為大團聚體有機碳含量＞微團聚體有機碳含量。不同作物品種之間水穩定性大團聚體、小團聚體、微團聚體的有機碳含量存在顯著差異（P＜0.05），總體表現為南瓜＞大豆＞玉米。NG處理較YM處理顯著提高了36.9%的大團聚體有機碳含量、14.9%的小團聚體有機碳含量；NG處理較DD處理顯著提高了7.5%的小團聚體有機碳含量、11.9%的微團聚體有機碳含量。

2.5 不同處理對土壤水穩定性團聚體分布特征及穩定性與有機碳含量的相關性

由圖4可知，水穩定性大團聚體質量分數與土壤有機碳含量、水穩定性大團聚體有機碳含量呈顯著正相關（P＜0．01），與PAD呈顯著負相關（P＜0．01）；微團聚體則相反，其質量分數與土壤有機碳含量呈顯著負相關（P＜0.001），與PAD呈顯著正相關（P＜0.001）；小團聚體與微團聚體情況相同，但皆相關性不顯著（P＞0.05）；土壤有機碳含量與PAD呈顯著負相關（P＜0.001）。大團聚體的質量分數越多，團聚體穩定性越好，土壤有機碳含量越多。

3 討論

3.1 種植活動對土壤團聚體分布特征及其穩定性的影響

本研究顯示種植作物顯著降低了大團聚體的比例，這與酒鵑鵑等的研究結果相似。人為管理土壤和種植作物可能造成作物豐富的根系在脆弱的大團聚體中生長，使其破碎，因此土壤大團聚含量降低；同時，在大團聚體內固定的微團聚體被釋放出來，微團聚體的比例增加。前人研究顯示土壤大團聚體是維持土壤結構穩定的基礎，其含量越高，穩定性越好。因此本研究結果證實在坡地實施農光互補對土壤結構穩定有降低的作用。

另外，本研究結果也顯示種植南瓜的土壤團聚體穩定性最高，而種植玉米后土壤穩定性最低。南瓜為藤蔓植物，在坡地種植時多數匍匐于地面生長，植物莖葉占地面積大，遮蓋地表土壤，為其形成天然保護屏障，因此可以避免土壤大團聚體受雨滴打擊從而破碎成細小顆粒，降低團聚體的穩定性；且南瓜根部較發達，其根系能產生較多的膠結物質（多糖等），從而將微團聚體膠結為大團聚體，增加大團聚體的比例，使團聚體穩定性更強。而玉米和大豆均為淺根作物，玉米植株與大豆植株相比冠層稀薄，對地面的遮蓋程度更小，土壤更易遭到雨水的沖刷。且玉米為須根系作物，其須根粗細均勻，更易穿插、切割土壤，造成大團聚體的破壞；大豆為直根系作物，其主根發育旺盛，側根不發達并向外擴張，對土壤團聚體的破壞作用不大。

3.2 種植活動對土壤有機碳含量及分布特征的影響

種植活動對土壤有機碳含量存在顯著影響。本研究中，種植作物使得坡地土壤有機碳含量明顯下降。種植活動會引起土壤擾動以及干濕交替過程的加劇，使土壤團聚體破碎，減弱了其對有機碳的物理保護作用，因此有機碳更易被微生物和酶等分解從而造成損失。另外，不同作物對土壤有機碳含量的影響不同，種植南瓜的土壤有機碳損失量明顯低于玉米和大豆，而種植玉米的土壤有機碳損失最為嚴重。一方面是由于南瓜葉片的遮擋降低了雨水對土壤的沖刷，這種遮擋避免了土壤水分入滲攜帶一部分可溶性有機碳，而玉米由于其冠層稀薄，易受雨水沖刷的影響，從而導致有機碳的淋失。另一方面，南瓜適應性強，生長需要吸收的土壤養分含量整體低于玉米和大豆，且南瓜的氣生根可以在吸收土壤養分的同時分泌一些有助于改善土壤肥力的物質；有研究表明，須根系植物的根系微生物含量明顯大于主根系植物的根系微生物含量，因此種植玉米的土壤有機碳更易被微生物分解而造成損失。

種植活動對機械穩定性和水穩性團聚體有機碳分布有顯著影響。首先，在機械穩定性團聚體內不同粒級的有機碳分布表現為大團聚體＜小團聚體＜微團聚體，這一結果與李輝信等對潴育型水稻土不同粒徑團聚體有機碳儲量的研究結果有所不同。這可能是因為不同土壤類型對土壤團聚體的固碳能力有所差異。通常，機械穩定性微團聚體通過化學保護固存有機碳，同時其內部的黏粒較多，有機碳可以吸附到這些黏粒上形成相對穩定的復合體。其次，本研究顯示水穩定性團聚體內不同粒級的有機碳分布呈現微團聚體＜大團聚體的特征，這一結果與張藝等的研究結果一致，水穩定性大團聚體的固碳能力高于微團聚體，且植物的根系及菌絲可以通過纏繞作用直接形成大團聚體，增加其中的有機碳含量。

3.3 種植活動中土壤團聚體穩定性與有機碳的關系

土壤有機碳是影響土壤團聚結構的最重要因素之一，土壤團聚體穩定性取決于土壤特性，特別是土壤有機碳的含量。本研究表明，種植玉米、大豆、南瓜作物的土壤有機碳含量表現為南瓜＞大豆＞玉米，皆小于未種植區土壤有機碳含量，這一結果和土壤團聚體穩定性的變化規律一致。其中，水穩定性大團聚體在不同粒級團聚體有機碳含量中貢獻較高，并且土壤有機碳含量、水穩定性大團聚體有機碳含量與水穩定性大團聚體質量分數呈顯著正相關，Six等認為大團聚體內有機碳含量更高是因為微團聚體可以在多糖和植物根系分泌物等不同膠結劑的作用下形成大量臨時性大團聚體。種植活動會引起土壤物理性質、水熱條件等發生變化，從而影響有機碳在團聚體中的含量與分布；有機碳作為一種膠結物質與大團聚體內部的微團聚體結合，從而促進大團聚體的形成。同時，大團聚體形成的保護性環境又避免了微生物及固存的有機碳與外界接觸，從而促進了有機碳的進一步富集。本研究還發現水穩定性大團聚體質量分數與團聚體破壞率呈顯著負相關，微團聚體則與之相反。而多級團聚理論也提出，水穩定性微團聚體越少，團聚體穩定性越好，因此本研究結果說明大團聚體中固存有機碳更有利于土壤結構的穩定。

4 結論

（1）種植活動造成了光伏農業坡地項目區土壤團聚體穩定性變差，且加快了項目區內土壤及團聚體中有機碳的損失。

（2）與玉米和大豆相比，種植南瓜造成的對土壤擾動和有機碳流失的影響更小。

（3）在發展光伏農業時應合理耕作，適當施用有機肥，規避因項目區土壤結構破壞及水肥流失造成的生態風險；此外，南瓜可作為光伏農業坡地項目區的優選作物。

致謝：十分感謝陽山縣晶合新能源發展有限公司李睿、李建民、李祖強等人在實驗布置、樣品采集過程中給予的大力協助；感謝法國奧爾良大學賈麗在數據分析及寫作中提出的良好建議。

（責任編輯：李丹）

基金項目：廣東省農業科技發展及資源環境保護管理項目（2022KJ161）；廣東省自然科學基金項目（2021A1515011543）