澧陽(yáng)平原古水稻土有機(jī)碳礦化特征

肖彥資，周衛(wèi)軍，劉 沛，樊騰芳，陳 戀

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128）

古土壤是研究環(huán)境的基礎(chǔ)物質(zhì)之一，他蘊(yùn)含著地質(zhì)時(shí)期地區(qū)性和全球性自然變化的重要信息[1]。埋藏古水稻土是先祖遺留下來(lái)的人類活動(dòng)干預(yù)的水耕土壤，對(duì)埋藏古水稻土的研究可以為高產(chǎn)糧田培育提供依據(jù)，為生態(tài)安全和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展提供策略和思路，為古水稻土考古工作提供間接證據(jù)，對(duì)深入探討人類活動(dòng)與環(huán)境變遷有重要作用[2-5]。增加土壤有機(jī)碳含量能提高土壤肥力，同時(shí)也是減緩大氣CO2排放量的重要途徑，許多學(xué)者認(rèn)為中國(guó)農(nóng)田土壤固碳潛力較大，就水稻土有機(jī)碳固定和釋放方面有較多研究[6-7]，但對(duì)于古水稻土的研究報(bào)道很少。筆者以澧陽(yáng)平原杉龍崗古水稻土為例，研究了古水稻土有機(jī)碳的礦化過(guò)程與特征，以期為水稻土的固碳、碳排放、地力提升提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

考古發(fā)現(xiàn)澧陽(yáng)平原是世界稻作起源與傳播中心之一。杉龍崗古水稻土遺址位于澧陽(yáng)平原澧水與澹水之間，屬于長(zhǎng)江中游地區(qū)。氣候介于中亞熱帶向北亞熱帶過(guò)渡的季風(fēng)氣候區(qū)，大陸性氣候特點(diǎn)明顯，雨量豐沛，光照充足，溫暖濕潤(rùn)。年均氣溫16.5℃，年日照平均約1 770 h，年降水1 100～1 300 mm。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤樣品采集 土壤剖面樣品于2011年在湖南省文物考古研究所挖掘的考古剖面上采集，土壤層次根據(jù)顏色、結(jié)構(gòu)、新生體、松緊狀況等特征劃分，土壤剖面的理化性狀見(jiàn)表1。土壤樣品經(jīng)室內(nèi)風(fēng)干，采用四分法分為兩部分，一份原樣保存?zhèn)溆?，一份磨碎，過(guò)1 mm 和0.25 mm 篩，裝入密封袋備用。根據(jù)土壤剖面特性和年代測(cè)定結(jié)果，剖面可以分為2個(gè)典型的層次，0～39 cm 為現(xiàn)代水稻土段，39～78 cm 為距今約3 000 a 的埋藏古水稻土段。

表1 供試水稻土基本理化性質(zhì)

1.2.1 有機(jī)碳礦化測(cè)定 （1）測(cè)定方法：選擇密封性好的廣口瓶作為培養(yǎng)瓶，每個(gè)樣品稱取風(fēng)干土（通過(guò)10 目篩）50 g 的土樣，調(diào)節(jié)水分達(dá)到田間持水量的60%，置于培養(yǎng)瓶中，廣口瓶?jī)?nèi)懸盛有過(guò)量NaOH 溶液的吸收瓶，加蓋密封，恒溫25℃進(jìn)行培養(yǎng)。在培養(yǎng)后的第1、3、7、14、28、42、56、84、112、140、180 d 后收集吸收瓶溶液，記錄各溶液的消耗量計(jì)算出培養(yǎng)期內(nèi)的土壤有機(jī)碳的礦化量[8-9]。在測(cè)定樣品的同時(shí)，取兩份50 g 石英砂做空白實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程同上。（2）結(jié)果計(jì)算：培養(yǎng)過(guò)程中CO2-C 的釋放量按公式（A）計(jì)算。（3）運(yùn)用origin 7.0 軟件對(duì)不同土層深度土壤有機(jī)碳礦化量進(jìn)行擬合，采用Excel 2003 制圖。

式中,CO2-C 表示培養(yǎng)期間土壤有機(jī)碳的礦化釋放量(mg/g)，V0為空白標(biāo)定時(shí)消耗的標(biāo)準(zhǔn)鹽酸的體積(m l)，V 為樣品滴定時(shí)消耗的標(biāo)準(zhǔn)鹽酸的體積(m l)；CHCl為標(biāo)準(zhǔn)鹽酸濃度(mol/L)；44 為CO2的分子質(zhì)量；12 為C 的分子質(zhì)量；m 為試用土樣質(zhì)量(g)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機(jī)碳礦化累積量

圖1 顯示，埋藏古水稻土各層有機(jī)碳礦化累積量明顯低于現(xiàn)代水稻土相對(duì)應(yīng)層次的累積量。埋藏古水稻土有機(jī)碳礦化累積量為耕作層＞犁底層、潴育層＞母質(zhì)層，各層次之間差異較小，耕作層的累積量是母質(zhì)層的1.22 倍；現(xiàn)代水稻土有機(jī)碳礦化累積量為耕作層＞犁底層＞潴育層＞母質(zhì)層，各層次之間差異較大，耕作層的累積量是母質(zhì)層的6.17 倍。埋藏古水稻土耕作層培養(yǎng)180 d 的有機(jī)碳礦化累積量為0.11 mg/g，現(xiàn)代水稻土耕作層達(dá)到0.74 mg/g，古水稻土耕作層累積量?jī)H為現(xiàn)代水稻土的14.86%。說(shuō)明古水稻土長(zhǎng)期埋藏，受外界影響較小，有機(jī)碳礦化緩慢；現(xiàn)代水稻土受人類生產(chǎn)活動(dòng)影響較大，有機(jī)碳礦化比較快。

2.2 土壤有機(jī)碳礦化速率

土壤有機(jī)碳礦化速率表示的是每天每克土釋放的碳。圖2 顯示，開(kāi)始2 周內(nèi)（1～14 d）土壤有機(jī)碳礦化速率出現(xiàn)不穩(wěn)定曲線，沒(méi)有規(guī)律性，28 d 以后的礦化速率逐漸平緩，曲線仍有微小起伏，42 d 后，除現(xiàn)代水稻土耕作層和犁底層外，其余土層的礦化速率都在0.1 mg/(kg·d)以下。埋藏古水稻土耕作層、潴育層和母質(zhì)層的礦化速率最高值出現(xiàn)在第1 d，第3 d 耕作層、犁底層和母質(zhì)層低于0.5 mg/(kg·d)，第28 d，犁底層和潴育層已經(jīng)低于0.1 mg/(kg·d)?，F(xiàn)代水稻土耕作層有機(jī)碳礦化速率1～7 d 階段大于1 mg/ (kg·d)，180 d降到0.19 mg/(kg·d)，犁底層和潴育層從14 d 開(kāi)始，礦化速率低于0.5 mg/(kg·d)，而母質(zhì)層的礦化速率只在第3 d 時(shí)超過(guò)了0.5 mg/(kg·d)。

圖2 土壤有機(jī)碳礦化速率

2.3 土壤有機(jī)碳礦化動(dòng)力

運(yùn)用origin 7.0 軟件對(duì)不同土層深度土壤有機(jī)碳礦化量進(jìn)行擬合，采用方程式為一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程式：

式中：Ct 表示培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)的礦化累積量（mg/g），C0表示土壤有機(jī)碳礦化勢(shì)（mg/g），K 表示土壤有機(jī)碳礦化速率常數(shù)，t 表示礦化培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間。

土層深度不同的土壤礦化勢(shì)（C0）不同，土壤礦化率也不同，土壤有機(jī)碳礦化率（C0/SOC）表示一段時(shí)間內(nèi)土壤有機(jī)碳礦化釋放的CO2數(shù)量占土壤有機(jī)碳含量的比例。從表2 得知，土壤有機(jī)碳的礦化勢(shì)（C0）整體呈下降走勢(shì)，且趨勢(shì)隨土層加深而減緩，現(xiàn)代水稻土耕作層C0為0.81 mg/g，埋藏古水稻土耕作層為0.11 mg/g，僅為現(xiàn)代水稻土耕作層的13.58%，埋藏古水稻土各層C0 之間差異較小。各土層總體擬合效果較好，R2值為0.85～0.97，只有埋藏古水稻土潴育層和母質(zhì)層的R2在0.90 以下，現(xiàn)代水稻土耕作層、犁底層和古水稻土耕作層，R2為0.97 左右，擬合情況最好。主剖面的有機(jī)碳礦化率（C0/SOC）變化趨勢(shì)與礦化勢(shì)一致?，F(xiàn)代水稻土的礦化率都大于2%，耕作層土壤有機(jī)碳含量高，基數(shù)較大，其礦化率有7.69%；埋藏古水稻土的在1.22%～1.70%。由此可見(jiàn)現(xiàn)代水稻土土壤有機(jī)碳礦化釋放的CO2數(shù)量占土壤有機(jī)碳含量的比例比埋藏古水稻土的高，礦化率主要與土壤有機(jī)碳含量有關(guān)。

表2 土壤有機(jī)碳礦化的一級(jí)動(dòng)力學(xué)參數(shù)及C0/SOC 值

3 結(jié)論

（1）土壤有機(jī)碳礦化累積量隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加而增加，培養(yǎng)前期增加量大，后期增加量降低。埋藏古水稻土礦化累積量明顯低于現(xiàn)代水稻土。在相同條件下培養(yǎng)180 d，埋藏古水稻土耕作層、犁底層、潴育層累積量分別為0.11、0.10、0.10、0.09 mg/g，并且各層次之間的差異較小?，F(xiàn)代耕作水稻土有機(jī)碳礦化速率較快、礦化累積量較大，耕作層、犁底層、潴育層累積量分別為0.74、0.22、0.16、0.12 mg/g，并且各層次之間的差異較大。

（2）土壤有機(jī)碳礦化速率呈不穩(wěn)定曲線，隨著時(shí)間的推移，礦化速率逐漸平緩，埋藏古水稻土的礦化速率7 d 后低于0.5 mg/(kg·d)，現(xiàn)代水稻土礦化速率除母質(zhì)層外都高于埋藏古水稻土。

（3）古水稻土經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的埋藏依然有一定的礦化潛力，其礦化勢(shì)在0.08～0.11 mg/g，礦化量相對(duì)比較平穩(wěn)，低于現(xiàn)代水稻土。

4 討論

古水稻土由于長(zhǎng)期埋藏現(xiàn)代水稻土之下，并且有3 000 a 的歷史，各土層有機(jī)碳基本趨于平衡，在相同條件下，培養(yǎng)180 d 的有機(jī)碳礦化速率緩慢、礦化累積量小，并且各層次之間的差異較小?，F(xiàn)代耕作水稻土由于受人類生產(chǎn)活動(dòng)的頻繁影響，特別是耕作層經(jīng)過(guò)不斷培肥，土壤有機(jī)碳含量高，在相同條件下，培養(yǎng)180 d 的有機(jī)碳礦化速率較快、礦化累積量較大，并且各層次之間的差異較大。

現(xiàn)代耕作水稻土耕作層土壤有機(jī)碳礦化累積量明顯高于犁底層、潴育層、母質(zhì)層和古水稻土各層土壤，這與土壤有機(jī)碳含量有關(guān)，整個(gè)剖面從現(xiàn)代水稻土到埋藏古水稻土從上至下土壤有機(jī)碳含量都呈下降趨勢(shì)，并且古水稻土各層次之間差異較小，這與楊繼松等人的研究結(jié)果相近[10-11]，可能是由于有機(jī)碳礦化受土壤剖面性質(zhì)、土壤有機(jī)碳含量和有機(jī)碳組成成分的差異所致。

本研究是在濕度、溫度相同的條件下對(duì)古水稻土土壤有機(jī)碳礦化進(jìn)行測(cè)定的，外界環(huán)境對(duì)古水稻土的影響方面涉及較少。因此，不同溫度、濕度、灌溉方式、施肥方式與水平等環(huán)境因素對(duì)古水稻土土壤碳礦化動(dòng)態(tài)的影響方面還需要進(jìn)一步研究。

[1]楊用釗.江蘇昆山綽墩遺址古土壤特征及其形成環(huán)境[M].南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2006.

[2]盧 佳，胡正義，曹志洪，等.長(zhǎng)江三角洲綽墩遺址埋藏古水稻土肥力特征研究[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2006，39(1):109-117.

[3]李久海，董元華，曹志洪，等.古水稻土中多環(huán)芳烴的分布特征及其來(lái)源判定[J].環(huán)境科學(xué)，2006，27(6):1235-1239.

[4]胡君利，林先貴，褚海燕，等.古水稻土與現(xiàn)代水稻土的供氮差異及其氮肥效應(yīng)[J].土壤學(xué)報(bào)，2007，44(3):556-560.

[5]申衛(wèi)收，尹 睿，林先貴，等.綽墩山遺址古水稻土的一些微生物學(xué)特性研究[J].土壤學(xué)報(bào)，2006，43(5):814-820.

[6]張甘霖.人為土壤有機(jī)碳的分布特征及其固定意義[J].第四紀(jì)研究，2004，24(2):149-159.

[7]潘根興，周 萍，李戀卿，等.固碳土壤學(xué)的核心科學(xué)問(wèn)題與研究進(jìn)展[J].土壤學(xué)報(bào)，2007，44(2):327-337.

[8]胡海清，陸 昕，孫龍.土壤活性有機(jī)碳分組及測(cè)定方法[J].森林工程，2012，28(5):18-22.

[9]孫中林，吳金水，葛體達(dá)，等.土壤質(zhì)地和水分對(duì)水稻土有機(jī)碳礦化的影響[J].環(huán)境科學(xué)，2009，30(1):214-220.

[10]楊繼松，劉景雙，孫麗娜.溫度、水分對(duì)濕地土壤有機(jī)碳礦化的影響[J].生態(tài)學(xué)雜志，2008，27(1):38-42.

[11]劉徳燕，宋長(zhǎng)春，王 麗，等.外源氮輸入對(duì)濕地土壤有機(jī)碳礦化及可溶性有機(jī)碳的影響[J].環(huán)境科學(xué)，2008，29(12):3525-3530.