土地利用方式變化對湘中丘陵區(qū)土壤碳氮 含量的影響

文 偉

(中南林業(yè)科技大學(xué)， 湖南 長沙 410004)

土地利用方式變化對湘中丘陵區(qū)土壤碳氮 含量的影響

文 偉

(中南林業(yè)科技大學(xué)， 湖南 長沙 410004)

對湘中丘陵區(qū)水田、旱地、農(nóng)田、撂荒地和林地5種土地利用方式下土壤碳氮含量垂直分布特征進(jìn)行比較分析。結(jié)果表明：5種土地利用方式下，土壤有機碳含量的空間垂直分布基本隨著土層深度的增加而降低，水田的土壤全氮、有機碳平均含量、土壤容重均值均高于旱地土壤，水田土壤全氮含量、有機碳含量、土壤容重分別為2.03%、3.89 g/kg、1.20 g/cm3；農(nóng)田土壤的有機碳、全氮含量、碳氮比均高于撂荒地土壤的；水田轉(zhuǎn)化為林地后，土壤全氮含量和有機碳含量分別比水田土壤低212.00%和80.80%，而土壤容重比水田的高7.69%，但林地土壤的容重高于農(nóng)田；農(nóng)田撂荒后，土壤的全氮含量變化規(guī)律呈現(xiàn)隨土層深度增加而減少的趨勢，最高值出現(xiàn)在0～5 cm土層，為0.314%，最低值出現(xiàn)在30～35 cm土層，為0.052%。

土地利用方式； 生物化學(xué)計量特征； 土壤碳含量； 土壤氮含量； 湘中丘陵區(qū)

土地利用是指人類根據(jù)土地的自然特點及自身屬性，按照一定的自然規(guī)律、經(jīng)營政策、經(jīng)濟社會目的，采取一系列生物、技術(shù)手段對土地進(jìn)行周期性的改造活動，使其能滿足一定生產(chǎn)、生活目的需求[1-2]。目前，土地的利用方式及其差異與轉(zhuǎn)變對區(qū)域、全球生物地化循環(huán)的影響受到越來越多學(xué)著的關(guān)注，土地利用方式的改變通過影響物質(zhì)循環(huán)和能量流動直接或間接地改變著土壤和植物體之間營養(yǎng)元素的交換狀況，特別是植物體所需大量元素的交換狀況，從而影響到土壤碳庫的溫室氣體排放及全球氣體循環(huán)[3-4]。土壤有機碳含量是土壤質(zhì)量的決定因素，可影響土壤物理、化學(xué)性質(zhì)和生物特征及其過程。土壤有機碳根據(jù)微生物可利用程度分為易分解有機碳、難分解有機碳和惰性有機碳。易分解有機碳有較高的生物利用率與損失率。難分解有機碳則有較高的殘留率，一般占土壤有機質(zhì)的60%～80%，且有相當(dāng)多的部分參加到腐殖質(zhì)的形成過程中去。土壤有機碳主要來源于植物、動物、微生物殘體和根系分泌物，并處于不斷分解與形成的動態(tài)過程中。因此，土壤有機碳含量在生態(tài)系統(tǒng)中的特定條件下處于動態(tài)平衡。已有相關(guān)研究表明，土壤的有機碳含量在很大程度上受到土地利用方式和覆蓋情況的影響[5]，并且土壤有機碳含量會以反饋的形式影響地表植物水分和營養(yǎng)元素的吸收，進(jìn)而直接影響生物量[6]。氮元素是調(diào)節(jié)陸地生態(tài)系統(tǒng)生物量、結(jié)構(gòu)及功能的關(guān)鍵因子[7]，在一定條件下，可以視為群落初級生產(chǎn)量和次級生產(chǎn)量的限制因子[8]，而且由不同土地利用方式引起的土壤碳庫的變化會在一定程度上影響到土壤氮元素的循環(huán)格局，從而在更大程度上對生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可持續(xù)性造成改變[9-10]。為此，國內(nèi)外很多學(xué)著對不同土地利用方式下土壤碳氮特征進(jìn)行了研究。Ddlcourt對皆伐后的森林和土地耕作活動進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)土地利用活動的干擾造成的土壤碳流失量為40%[11]；Solomon將農(nóng)田土壤與原始林地土壤進(jìn)行了對比分析發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田土壤的有機碳含量遠(yuǎn)低于原始林土壤的有機碳含量[12]。湖南省地處中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，土地利用方式多樣，土地轉(zhuǎn)化率高，局部區(qū)域土地利用方式不合理，導(dǎo)致土壤退化，環(huán)境可持續(xù)性差，人與環(huán)境矛盾日益尖銳[13]。鑒于此，作者對土地不同利用方式變化下湘中丘陵區(qū)土壤碳氮垂直分布特征進(jìn)行分析，為探討土地利用方式對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)化學(xué)循環(huán)以及土地管理規(guī)劃與利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗地位于湖南省醴陵市船灣鎮(zhèn)，其地理位置為27°25′39.82″N、113°29′30.88″E。該區(qū)地處羅霄山脈北段，屬丘陵地貌；溪河密布，以淥水、純水較大，均匯入湘江。其氣候?qū)僦衼啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤氣候，年均氣溫17.6 ℃，年均降水量1 432 mm。區(qū)內(nèi)礦藏有鉛、鋅、鎢、金、煤和高嶺土等；物種繁多，珍貴植物有銀杏(GinkgobilobaL.)、水杉(Metasequoiaglyptostroboides)、羅漢松(Podocarpusmacrophyllus)等。

2 研究方法

2.1樣品采集

于醴陵市船灣鎮(zhèn)的水田、旱地、撂荒農(nóng)田、林地典型地段各設(shè)置20個土壤采集點，每個點分為0～5 cm、5～10 cm、10～15 cm、15～20 cm、20～25 cm、25～30 cm、30～35 cm共7層進(jìn)行分層取樣，用環(huán)刀法測定土壤容重，然后將所采柱樣的各層置于密封袋中，做好標(biāo)記，帶回實驗室內(nèi)。

2.2樣品分析

土壤樣品帶回實驗室后，自然風(fēng)干，將每層混合均勻，去除石礫、根系和土壤動物殘體等，然后進(jìn)行土壤容重、有機碳和全氮含量的測定。容重采用環(huán)刀法測定，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。

2.3數(shù)據(jù)分析

土壤有機碳、全氮加權(quán)平均含量的計算公式如下：

式中：X——土壤有機碳或全氮加權(quán)平均含量；

di——第i土層土壤容重；

Ci——第i土層土壤有機碳或全氮含量；

Di——第i土層深度。

運用Excel 2010對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并制圖。

3 結(jié)果與分析

3.1水田轉(zhuǎn)變?yōu)楹档貙ν寥捞嫉康挠绊?/p>

由表1可以看出：水田的土壤全氮(TN)、有機碳(SOC)平均含量、土壤容重均值分別為2.03%、3.89 g/kg、1.20 g/cm3，均高于旱地土壤的，分別高出旱地的331.91%、94.5%、3.45%。在30～35 cm深度土層，水田的碳氮比(2.02)要比旱地的碳氮比(11.91)低83.04%；水田碳氮比的最大值(1.95)要比旱地碳氮比的最大值(3.93)低50.38%；就均值而言，水田的碳氮比(1.92)要較旱地的碳氮比(4.26)低54.93%。

表1 水田轉(zhuǎn)變?yōu)楹档赝寥捞嫉孔兓疶ab1 Carbonnitrogenindexesofpaddytransformsoilsamples指標(biāo)最小值最大值均值標(biāo)準(zhǔn)偏差變異系數(shù)(%)水田全氮(%)1152822030462266有機碳(g/kg)2325513890992545土壤容重(g/cm3)1031881200211749碳氮比202195192——旱地全氮(%)0110730470183830有機碳(g/kg)1312872000422100土壤容重(g/cm3)0691481160181517碳氮比1191393426——

由圖1可以看出：在土壤垂直剖面上，水田土壤的全氮含量和有機碳含量均高于旱地土壤的，水田土壤的全氮含量變化趨勢與旱地土壤的基本一致；全氮含量在0～5 cm土層(表土)略低，在10～15 cm土層達(dá)到最高值，隨后開始逐漸下降，在30～35 cm土層達(dá)到最低。就有機碳含量而言，水田的變化較旱地的更復(fù)雜。水田有機碳含量在0～15 cm土層深度區(qū)間呈上升趨勢，隨后下降；15～25 cm土層變化平緩，在25～35 cm土層深度區(qū)間又呈現(xiàn)下降趨勢；10～15 cm土層的有機碳含量最高，30～35 cm土層的最低。旱地土壤的有機碳含量變化相對簡單，在5～10 cm土層達(dá)到最高值，隨后逐漸下降，在30～35 cm土層達(dá)到最低值。

圖1 水田與旱地土壤垂直剖面上土壤全氮、有機碳含量 變化曲線圖Fig.1 The change of TN and SOC content in paddy land soil and upland land soil

3.2農(nóng)田撂荒后土壤碳氮含量的變化

從圖2看出：農(nóng)田和撂荒地土壤有機碳含量在土壤垂直剖面的變化規(guī)律不盡相同。農(nóng)田土壤的有機碳含量在0～15 cm土層深度區(qū)間呈上升趨勢，在10～15 cm土層達(dá)到最高(18.632 g/kg)，隨后平穩(wěn)下降，在30～35 cm土層達(dá)到最低(3.782 g/kg)，表層(0～5 cm)土壤的有機碳含量(10.427 g/kg)要高于最底層(30～35cm)土壤的；撂荒地的有機碳含量在表層達(dá)到最大值(22.359 g/kg)，隨后迅速下降，最低值(3.373 g/kg)出現(xiàn)在最底層土層，但在15～20 cm土層的土壤全氮含量已經(jīng)達(dá)到較低水平(5.303 g/kg)。

由圖3可以看出：農(nóng)田土壤和撂荒地土壤的全氮含量變化趨勢存在一定的差異。農(nóng)田土壤的全氮含量在0～20 cm土層深度區(qū)間，隨土層深度的增加，全氮含量呈上升趨勢，但變化幅度不大，最高值(1.033%)出現(xiàn)在10～15 cm土層；在20～35 cm土層深度區(qū)間，全氮含量呈下降趨勢，且幅度較大，最低值(0.059%)出現(xiàn)在30～35 cm土層。撂荒地土壤的全氮含量變化規(guī)律呈現(xiàn)隨土層深度增加而減少的趨勢，最高值(0.314%)出現(xiàn)在0～5 cm土層，最低值(0.052 %)出現(xiàn)在30～35 cm土層。在0～5 cm土層，農(nóng)田土壤的全氮含量要比撂荒地土壤的高223.57%；在30～35 cm土層，農(nóng)田土壤的全氮含量比撂荒地土壤的僅高13.46%。

圖2 農(nóng)田和撂荒地土壤垂直剖面上的有機碳含量變化曲線圖Fig.2 The change of SOC content in cultivated land soil and abandoned land soil

圖3 農(nóng)田和撂荒地土壤垂直剖面上的全氮含量變化曲線圖Fig.3 The change of TN content in cultivated land soil and abandoned land soil

由表2可知：在0～35 cm土層深度范圍內(nèi)，農(nóng)田的有機碳、全氮含量、碳氮比均要高于撂荒地土壤的。在C/N方面，農(nóng)田的碳氮比變化較撂荒的更為復(fù)雜，但總體表現(xiàn)為在一定波動范圍內(nèi)呈現(xiàn)下降的趨勢；撂荒地和農(nóng)田C/N的最大值分別出現(xiàn)在25～30 cm和20～25 cm土層，分別為9.764和15.440；最小值均出現(xiàn)在30～35 cm土層，大小分別為6.502和6.408；最大值和最小值之間差值分別為3.262、9.032。

表2 農(nóng)田和撂荒地的土坡剖面上的碳氮比Tab2 TheC/Nratioincultivatedlandsoilandaban?donedlandsoil土層(cm)有機碳(g/kg)全氮(%)碳氮比農(nóng)田撂荒地農(nóng)田撂荒地農(nóng)田撂荒地0～5104272235910160314845671255～1016172173561023022113219786210～151863293151033010714230869715～201334453031012006311667847020～25834443930523005615440790025～30427553540320005513697976430～35378233730059005264086502

3.3水田轉(zhuǎn)化為林地對土壤碳氮含量的影響

綜合表1和表3可知：水田轉(zhuǎn)化為林地后，有機碳、全氮含量均有所下降，但林地土壤的容重要高于農(nóng)田。林地土壤的全氮含量和有機碳含量分別比水田的低212.00%和80.80%，但其土壤容重比水田的高7.69%。

表3 林地碳氮指標(biāo)Fig3 Carbonnitrogenindexesofforestsoilsamples指標(biāo)最小值最大值均值標(biāo)準(zhǔn)偏差變異系數(shù)(%)全氮(%)0230710500163274有機碳(g/kg)2174293080882857土壤容重(g/cm3)116141126006516碳氮比943604616——

4 結(jié)論與討論

(1)水田土壤的全氮、有機碳含量分別為2.03%、3.89 g/kg，均顯著高于旱地土壤。這表明，土地利用方式在由水田轉(zhuǎn)變?yōu)楹档睾螅寥赖挠袡C碳含量、全氮含量會有所降低。這與已有的研究結(jié)果一致[14]。由于采樣時盡量避免了其他生態(tài)因子的干擾，在土壤類型、氣候、地形、施肥條件等基本一致的情況下，水田的固碳能力要高于旱地，在其他干擾因素不變的情況下，耕作方式能在很大程度上影響田地土壤全氮的含量。在當(dāng)前農(nóng)作條件下，農(nóng)作物的秸稈大量移出土壤表面，導(dǎo)致船灣鎮(zhèn)的農(nóng)田土壤有機質(zhì)的輸入量少于輸出量，土壤有機質(zhì)整體呈下降趨勢，且由于水田土壤的濕度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于旱地土壤的濕度，能在一定程度上加速土壤微生物和酶的新陳代謝，從而直接加快有機質(zhì)的分解；人為施肥后，營養(yǎng)元素也更容易隨著土壤水分的滲透經(jīng)過土壤非毛管空隙進(jìn)入土壤深層，從而被植株根系吸收。

(2)在垂直分布范圍內(nèi)，撂荒地土壤的有機碳含量、全氮含量基本都低于農(nóng)田，農(nóng)田的有機碳含量、全氮含量和C/N分別比撂荒地高11.15%、474.42%和47.58%。這表明農(nóng)田撂荒后，土壤碳庫的儲量會減少，大量儲存在土壤中的碳元素會隨著耕作活動的停止而排放到大氣中，進(jìn)入大氣循環(huán)，不利于提高土壤的碳蓄積能力。本研究結(jié)論與已有部分研究結(jié)果一致，如周莉[15]通過研究，農(nóng)田棄耕之后，碳儲量會減少，撂荒地通過自然恢復(fù)能在一定程度上提高土壤的有機碳含量；張平良[16]通過對高寒農(nóng)牧交錯帶地區(qū)的種植地和撂荒地植被恢復(fù)措施進(jìn)行研究，土壤通過一定時間的恢復(fù)，其有機碳含量和全氮含量顯著提高。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，從短期來看，農(nóng)田撂荒后會導(dǎo)致有機碳含量、全氮含量顯著下降。土壤的理化性質(zhì)與耕作方式、耕作習(xí)慣和農(nóng)業(yè)管理水平顯著相關(guān)，但土地利用變化對于土壤碳氮的影響機制較為復(fù)雜，目前也有一部分研究表明農(nóng)田撂荒后1～2年內(nèi)土壤的碳氮水平會有所上升[17]，故地被覆蓋情況對土壤碳氮分布特征的影響仍存在一定的不確定性，土壤碳氮特征可能受到土壤水熱條件、耕作前階段地表覆蓋情況、季節(jié)性氣候變化等因素的影響，具體的影響機理有待后續(xù)進(jìn)一步研究。

(3)由水田轉(zhuǎn)變而來的人工林地的土壤有機碳、全氮含量均低于水田，僅有土壤容重比水田高，其中全氮含量、有機碳含量分別比水田低212.00%、80.80%，而土壤容重比水田高7.69%。本文的研究表明，水田在轉(zhuǎn)變?yōu)榱值睾?，林地的土壤碳氮含量明顯低于相鄰的水田。因此，從固碳效果來看，土地利用方式為水田的土壤要優(yōu)于被林地覆蓋的土壤。李忠佩[18]分析了不同利用方式下土壤有機碳庫的密度及其變異，發(fā)現(xiàn)亞熱帶人工林土壤有機碳和營養(yǎng)元素含量一般要低于臨近的農(nóng)田土壤。由此可見，土地利用變化對于土壤碳氮含量變化的影響因氣候、土壤、生物以及耕作管理水平的不同而存在差異，導(dǎo)致不同土地利用方式之間土壤碳氮含量差異的根本原因在于系統(tǒng)有機物輸入和輸出量的相對大小。本文研究區(qū)域?qū)儆陂L江中下游平原地區(qū)，耕作歷史悠久，在耕作其間，通過人為長期對農(nóng)田輸入大量有機物，導(dǎo)致土壤營養(yǎng)元素特征發(fā)生極大改變，農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樯趾?，雖然植被覆蓋顯著提高，生物量增加，但由于森林生長年限較長，且外界人為輸入營養(yǎng)元素的活動少，有機質(zhì)在土壤內(nèi)部難以在短時間內(nèi)累積，從而造成了林地土壤的有機碳含量和含氮量要低于臨近農(nóng)田土壤的現(xiàn)象。

[1] 劉紀(jì)遠(yuǎn)，匡文慧，張增祥，等.20世紀(jì)80年代末以來中國土地利用變化的基本特征與空間格局[J].地理學(xué)報，2014，69(1)：3-14.

[2] 李屹峰，羅躍初，劉綱，等.土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的影響——以密云水庫流域為例[J].生態(tài)學(xué)報，2013，33(3)：726-736.

[3] 孫赫，梁紅梅，常學(xué)禮，等.中國土地利用碳排放及其空間關(guān)聯(lián)[J].經(jīng)濟地理，2015，35(3)：154-162.

[4] 張梅，賴力，黃賢金，等.中國區(qū)域土地利用類型轉(zhuǎn)變的碳排放強度研究[J].資源科學(xué)，2013，35(4)：792-799.

[5] Arrouays D，Deslais W，Badeau V.The carbon content of topsoil and its geographical distribution in France [J].Land Use and Management，2001，17(1)：7-11.

[6] Priess JA ，G H J deKoning，A Veldkamp.Assessment of interactions between land use change and carbon and nutrient fluxes in Ecuador[J].Agriculture Ecosystem and Environment，2001，85：269-279.

[7] 曹叢叢，齊玉春，董云社，等.氮沉降對陸地生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵有機碳組分的影響[J].草業(yè)學(xué)報，2014，23(2)：323-332.

[8] 任書杰，曹明奎，陶波，等.陸地生態(tài)系統(tǒng)氮狀態(tài)對碳循環(huán)的限制作用研究進(jìn)展[J].地理科學(xué)進(jìn)展，2006，25(4)：58-67.

[9] 王衛(wèi)霞，史作民，羅達(dá)，等.我國南亞熱帶幾種人工林生態(tài)系統(tǒng)碳氮儲量[J].生態(tài)學(xué)報，2013，33(3)：925-933.

[10] 尹飛虎，李曉蘭，董云社，等.干旱半干旱區(qū)CO2濃度升高對生態(tài)系統(tǒng)的影響及碳氮耦合研究進(jìn)展[J].地球科學(xué)進(jìn)展，2011，26(2)：235-244.

[11] Delcourt H R，Harris W F.Carbon budget of the south-eastern U.S.Biota：Analysis of historical change in trend from source to sink[J].Science，1980，210：321-323.

[12] Solomon D，Lehman J，Zech W.Land use effects on soil organic matter properties of chromic lavishly in semi-arid northern Tanzania：carbon，nitrogen，lignin and carbohydrates[J].Agriculture，Ecosystems and Environment，2000，78：203-213.

[13] 宋淼.岳陽市土地利用規(guī)劃環(huán)境影響評價[J].湖南林業(yè)科技，2013，40(1)：45-49+60.

[14] 張仕吉.湘中丘陵區(qū)不同土地利用方式土壤養(yǎng)分及碳庫特征研究[D].長沙：中南林業(yè)科技大學(xué)，2015.

[15] 周莉，李保國，周廣勝.土壤有機碳的主導(dǎo)影響因子及其研究進(jìn)展[J].地球科學(xué)進(jìn)展，2005，20(1)：99-105.

[16] 張平良.高寒農(nóng)牧交錯帶植被恢復(fù)對土壤有機碳庫和土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響[D].蘭州：甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，2007.

[17] 范凱，何永濤，孫維，等.不同管理措施對西藏河谷農(nóng)田土壤微生物量碳的影響[J].中國土壤與肥料，2013(1)：20-24.

[18] 李忠佩.低丘紅壤有機碳庫的密度及變異[J].土壤，2004，36(3)：292-297.

SoilcarbonandnitrogenconcentrationunderdifferentlandutilizationmethodincentralhillyareaofHunanProvince

WEN Wei

(Central South University of Forestry and Technology， Changsha 410004， China)

A comparative study was made of the vertical distribution characteristics of soil carbon and nitrogen contents of five kinds of land utilization types of paddy，upland，cultivated land abandoned land，and forest soil in the central hilly area of Hunan Province.The results show that the soil organic carbon content decreased gradually with the increase of soil depth on 5 kinds of land utilization types and according to the variation coefficient，TN，SOC content and soil bulk density mean value of paddy soil are higher than those in upland soil，the value is 2.03%、3.89 g/kg、1.20 g/cm3respectioely；Cultivated land TN，SOC content and soil bulk density mean value are higher than abandoned land soil.After paddy field convert into forest，TN content and SOC content respectively 212.00% and 80.80% lower than the paddy field，the soil bulk density is higher than paddy of 7.69%，but forest soil bulk density is higher than paddy soil；the soil TN of abandoned land reduce with the increase of soil thickness，peak value is found in 0～5 cm soil layer，is 0.314%，and the lowest value is found in 30～35 cm soil layer，is 0.052%.

land utilization method； ecological stoichiometry characteristics； soil carbon content； soil nitrogen content； central hilly area of Hunan Province

2015-12-17

中南林業(yè)科技大學(xué)研究生創(chuàng)新基金“間伐對馬尾松人工林群落特征及火行為影響”(CX2015A03)。

文 偉(1988-)，男，湖南省醴陵市人，碩士研究生，主要從事生態(tài)學(xué)研究。

S 154.1

A

1003 — 5710(2016)02 — 0071 — 05

10. 3969/j. issn. 1003 — 5710. 2016. 02. 013

(文字編校：唐效蓉)