崇明島深層土壤有機碳空間分布及碳儲存特征分析*

張翰林，宋 科，施 儉，吳 裕，鄭憲清，何七勇，李雙喜，張娟琴，申廣榮，呂衛(wèi)光**

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崇明島深層土壤有機碳空間分布及碳儲存特征分析*

張翰林1，宋 科1，施 儉2，吳 裕3，鄭憲清1，何七勇1，李雙喜1，張娟琴1，申廣榮3，呂衛(wèi)光1**

（1.上海市農(nóng)業(yè)科學院生態(tài)環(huán)境保護研究所，上海 201403；2.崇明縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，上海 202150； 3.上海交通大學低碳農(nóng)業(yè)中心，上海 200240）

對上海崇明島開展5種不同種植類型（糧田、菜田、果園、生態(tài)林和濕地）1m深度土壤的碳普查，應用地統(tǒng)計方法分析其深層土壤有機碳含量的空間分布特征，研究不同種植類型對土壤有機碳分布和儲存的影響，探明土壤碳循環(huán)規(guī)律。結(jié)果表明，崇明島深層土壤平均有機碳含量為3.94g·kg-1，不同深度土壤有機碳含量在8.73～1.72g·kg-1，有機碳儲量在2.30～0.47×106t，耕層土壤（0-40cm）有機碳儲量占總量的65.14%。不同深度土層（0-20、20-40、40-60、60-80和80-100cm）有機碳含量空間分布圖表明，各層土壤有機碳含量分布特征大致相同，僅濕地土壤有機碳含量在60cm深度以下相對其它種植類型有所提高。種植類型對深層土壤有機碳分布影響顯著，土壤有機碳密度大小表現(xiàn)為菜田＞糧田＞果園＞濕地＞生態(tài)林，土壤有機碳儲量則表現(xiàn)為糧田＞濕地＞生態(tài)林＞菜田＞果園。

崇明島；1m深度土壤；空間分布圖；地統(tǒng)計分析；種植類型

土壤有機碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫的重要組成部分，其碳儲量高達1400～1500Pg，是陸地植被碳庫或是大氣碳庫的2～3倍，土壤有機碳庫的小幅變化即會可對周圍環(huán)境造成重大影響[1-2]。近年來，大區(qū)域土壤生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究受到越來越多的關(guān)注，有機碳空間分布與有機碳儲存狀況也逐漸成為評價一個區(qū)域土壤環(huán)境質(zhì)量的指標[3-6]。有研究表明，深層土壤有機碳占1m 深度有機碳總量的50%以上[7]。與表層相比，深層土壤有機碳穩(wěn)定性更高，儲存能力更強[8-9]。因此，探明深層土壤有機碳空間分布及其碳儲量特征對研究區(qū)域土壤碳循環(huán)、提高土地質(zhì)量、科學利用土地資源具有重要意義[10]。

上海崇明島是全球最大的河口沖積島，是中國第三大島，在城市與島嶼的生態(tài)服務功能和保障農(nóng)產(chǎn)品供給方面發(fā)揮了重要作用。本研究擬對崇明島深層土壤（0-100cm）進行分層普查，結(jié)合地統(tǒng)計方法分析崇明島深層土壤有機碳的空間變異特征，利用ArcGIS軟件繪制深層土壤有機碳分布圖，并研究不同種植類型對其空間分布和碳儲量特征的影響，以期為深入探明崇明島生態(tài)系統(tǒng)土壤碳循環(huán)提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

崇明島地處長江口，位于121°0930-121°5400E， 31°2700-31°5115N。全島東西長約76km，南北寬13～18km，總面積約1411km2。年平均氣溫15.3℃，年降水量1003.7mm，全年無霜期229d。全島境內(nèi)河道縱橫，地勢平坦，海拔3.5-4.5m。

1.2 樣品采集

于秋季作物收獲后、下一季作物施肥前（2013年11月5-10日），在崇明島范圍內(nèi)的14個鄉(xiāng)鎮(zhèn)和8個農(nóng)場，選擇糧田、菜田、果園、生態(tài)林和濕地5種類型土壤進行采樣。按照均勻性和代表性進行布點，選取68個采樣點，針對糧田、菜田、果園、生態(tài)林和濕地5種種植類型分別采集35個、12個、7個、10個和4個樣點。每個點位分5層（0-20、20-40、40-60、60-80和80-100cm）采集，共計340個樣品。樣點分布如圖1所示。

取樣時，對樣點坐標進行GPS定位，同時取樣收集地塊中作物種植種類等相關(guān)信息。使用1m長度取土器按照蛇形取樣法，在每個取樣點不同深度采集5～6次混合成一個樣品（總重量約1kg）。土壤容重測試樣品采用環(huán)刀進行原位取樣。樣品混合后裝入聚乙烯封口袋中，置于低溫箱中帶回實驗室。樣品在實驗室自然風干，沿其固有的裂縫將大塊土壤輕輕剝成直徑為10～20mm的小土塊，剔除石塊、殘根等，過100 目篩進行土壤有機碳測定。

1.3 樣品測定

土壤有機碳含量（SOC，g×kg-1）采用重鉻酸鉀氧化-分光光度法測定。土壤pH值采用電位法測定（水土比2.5:1），EC采用電導法測定（水土比5:1）[11]。

土壤有機碳密度（Soil Organic Carbon Density, SOCD）、土壤有機碳儲量（Soil Organic Carbon Storage, SOCS）計算式分別為

（2）

式中，土壤有機碳密度SOCD的單位為kg·m-2，SOC為土壤有機碳含量（g×kg-1）；BD為土壤容重（g×cm-3）；Hi為土層厚度，本文各點位均采取0-20、20-40、40-60、60-80和80-100cm共5個深度進行計算，土層厚度均為20cm，土壤有機碳儲量SOCS的單位為kg，S為種植面積（m2）。

1.4 分析方法

利用ArcGIS9. 0的地統(tǒng)計模塊對數(shù)據(jù)進行反距離加權(quán)插值分析和地統(tǒng)計分析，生成崇明島農(nóng)田不同深度土壤有機碳含量分布圖。采用Microsoft Excel和SPSS 16.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同深度土壤有機碳空間分布

2.1.1 樣品有機碳含量數(shù)據(jù)特征分析

在統(tǒng)計分析前，首先對相關(guān)數(shù)據(jù)進行正態(tài)性檢驗和偏豐度檢驗。將每個樣點5個土層的測定數(shù)據(jù)進行平均，得到該點0-100cm土壤有機碳含量平均值，然后統(tǒng)計所有樣點數(shù)據(jù)的分布特征，結(jié)果見圖2。由圖可見，崇明島大多數(shù)樣點0-100cm土壤有機碳含量分布在3.00～5.00g×kg-1范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)符合標準正態(tài)分布，可進行后續(xù)統(tǒng)計分析。進一步分析可見（表1），0-100cm土壤有機碳含量的變化區(qū)間為1.84～7.04g×kg-1，平均3.94g×kg-1，高于全國耕地平均水平[12]（根據(jù)第二次全國土壤普查數(shù)據(jù)）。有機碳含量變異系數(shù)為31.73%，在10%～100%范圍內(nèi)，屬中等變異。

一般在大尺度區(qū)域土壤有機碳儲存研究方面，中等變異條件下的國內(nèi)外報道十分常見，如Wang等[13]對黃土高原土壤有機碳儲量的研究、Rossi等[14]對坦桑尼亞熱帶雨林有機碳儲量的研究等。因此，中等變異符合本研究后續(xù)分析要求。

2.1.2 不同深度土壤有機碳的差異分析

由表1可見，崇明島不同深度土層有機碳含量差異顯著（P＜0.05），表層（0-20cm）土壤有機碳含量最高，達8.73g·kg-1，隨著土層加深，土壤有機碳含量呈顯著降低的趨勢，至80-100cm，土壤有機碳含量僅1.72g·kg-1，僅為表層的19.7%。計算各土層的有機碳密度和碳儲量，同樣表現(xiàn)為從上至下顯著降低的特點，碳密度在2.31～0.47kg·m-2，碳儲量在2.30～0.47×106t，0-40cm深度（耕作土壤深度范圍）有機碳儲量總計占1m深度的65.14%。

2.1.3 不同深度土壤有機碳含量的空間分布

利用ArcGIS9.3軟件對0-100cm各層土壤有機碳含量進行反距離加權(quán)插值，得到不同深度（0-20、20-40、40-60、60-80、80-100cm）土壤有機碳含量空間分布圖（圖3）。由圖可見，大部分地區(qū)0-20cm土壤有機碳含量處于2.8～10.4g·kg-1，局部地區(qū)有機碳含量較高，可達10.4～17.2g·kg-1，呈點狀分布。有機碳含量從南到北、從西到東均呈現(xiàn)由高到低的趨勢，崇明島兩端土壤有機碳含量較低，尤其是東部東灘地區(qū)；20-40cm深度，大部分土壤有機碳含量處于1.7～5.5g·kg-1，兩端與北部地區(qū)含量較低，僅南部少數(shù)地區(qū)和西北端含量較高；40-60、60-80和80-100 cm三層土壤之間有機碳含量分布特征差異相對較小，大致趨勢與上兩層相似，僅60-80cm和80-100cm土壤在東灘和西沙濕地的有機碳含量相對其它區(qū)域有所提升。

表1 不同深度土壤有機碳指標統(tǒng)計結(jié)果比較

注：小寫字母表示土層間在0.05水平上的差異顯著性。下同。

Note：Lowercase indicate the difference significance among layers at 0.05 level. The same as below.

2.2 不同種植類型土壤有機碳空間分布

由表2可知，0-20cm深度，糧田土壤有機碳含量顯著高于其它4種種植類型，說明在表層土壤中施肥對有機碳含量影響較大；20-40cm深度，菜田和果園有機碳含量顯著高于糧田和生態(tài)林；40-60cm深度，濕地與果園有機碳含量顯著高于糧田和生態(tài)林；在60-80cm深度，濕地有機碳含量最高，菜田與果園顯著高于糧田和生態(tài)林；在80-100cm深度，濕地有機碳含量依然表現(xiàn)最高，其次是菜田，糧田、果園和生態(tài)林之間無顯著差異。

通過對不同深度土層進行累加得到1m深度的土壤有機碳密度，結(jié)合種植面積數(shù)據(jù)得到每個種植類型的土壤有機碳儲量。從表3可知，1m深度土壤有機碳密度表現(xiàn)為菜田＞糧田＞果園＞濕地＞生態(tài)林，土壤有機碳儲量則表現(xiàn)為糧田＞濕地＞生態(tài)林＞菜田＞果園。說明施肥有助于提高土壤有機碳密度，0-20cm耕層中，糧田受到施肥影響最大，有機碳密度提升最大，但從0-100cm深度來看，菜田有機碳密度最高；受農(nóng)業(yè)活動影響較小的類型中，濕地有機碳密度明顯高于生態(tài)林，則可能與崇明島上生態(tài)林建設成林的時間相對較短有關(guān)，有機質(zhì)累積程度還不夠。

表2 5種種植類型下不同深度土壤有機碳含量統(tǒng)計及比較

注：小寫字母表示同一土層不同種植類型間在0.05水平上的差異顯著性。

Note：Lowercase indicate the difference significance among different planting types in the same layer at 0.05 level.

表3 不同種植類型0-100cm土壤有機碳密度和碳儲量

3 結(jié)論與討論

崇明島土層較淺，因此，在估算土壤有機碳儲量時調(diào)查1m土壤深度是較完整和準確的。Rumpel等[7-8]對陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤碳儲量進行研究，發(fā)現(xiàn)由上而下碳儲量顯著降低，表層土壤（0-20cm）占據(jù)1m深度土壤有機碳儲量的50%左右。本研究中，崇明島表層土壤有機碳儲量占1m深度的43.81%，與前人研究結(jié)果相仿。原因可能是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的作物秸稈、有機肥的投入，使土壤表層有機質(zhì)大量集聚，同時土壤表層的作物凋落物、微生物與其分泌物、動物的殘體與排泄物等的數(shù)量也高于深層土壤[15]。同時也說明估算區(qū)域土壤有機碳儲量時，0-20cm深度以下土壤有機碳儲量占據(jù)50%以上，是無法忽略的重要組成部分。

崇明島南部和西部地區(qū)形成時間最久，耕作時間最長，土壤類型多為水稻土（黃泥、黃夾砂和砂夾黃）；北部和東部為后期沖積而成，形成時間最短，耕作時間較短，土壤鹽分相對較高，土壤類型多為灰潮土和海濱鹽土。崇明島成土時間和土壤類型分布特征與土壤有機碳含量分布相仿，說明其是影響崇明島不同深度土壤有機碳空間分布的一個重要因素。這與申廣榮等[16]對崇明島表層不同用地類型土壤有機碳密度研究結(jié)果相似，同時本研究還進一步發(fā)現(xiàn)，崇明島農(nóng)田土壤1m深度中不同層次土壤有機碳分布趨勢大致相同，均受成土時間與土壤類型的顯著影響。

種植類型對土壤有機碳影響較大，主要是因為土壤有機投入品和水旱狀態(tài)的不同。本研究中，0-20cm深度糧田土壤有機碳含量最高，與張榮娟等[17]對崇明島圍墾區(qū)土壤有機碳庫的研究結(jié)果一致。原因是糧田為水旱輪作系統(tǒng)，水旱交替使土壤有機碳的分解速率顯著降低，同時秸稈和有機肥的投入也有效提升了有機碳的積累；20-40cm深度為作物根系的主要存在區(qū)域，且崇明島果園大多數(shù)為柑橘林和梨園，其中種植面積最大的柑橘樹根系深度主要在20-50cm，因此根系發(fā)達的果園和種植季數(shù)較多的菜田土壤有機碳顯著高于其它種植類型，王義祥等[18-19]對植物根系的研究也證實了根系及其分泌物均為土壤有機碳的穩(wěn)定來源；40-100cm深度中，濕地土壤有機碳均表現(xiàn)為最高。其原因可能是濕地深層土壤因長期處于淹水狀態(tài)，導致有機碳礦化速度降低，有機碳得到積累[20]。張榮娟等[17]發(fā)現(xiàn)濕地圍墾后撂荒地深層土壤（40-100cm）的有機碳含量高于農(nóng)田、林地等利用類型，也與本研究結(jié)果相似。

隨著崇明生態(tài)島建設的推進，島內(nèi)生態(tài)農(nóng)業(yè)、林業(yè)的發(fā)展對深層土壤有機碳也將產(chǎn)生深遠影響。以不同種植類型深層土壤有機碳含量分布和碳儲存特征研究為基礎，未來應深入探索深層土壤固碳機制，制定有益于土壤固碳的生態(tài)策略，進一步增強崇明生態(tài)島的碳匯功能。

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Spatial Distribution and Storage Feature of Deep Soil Organic Carbon in Chongming Island

ZHANG Han-lin1, SONG Ke1, SHI Jian2, WU Yu3, ZHENG Xian-qing1, HE Qi-yong1, LI Shuang-xi1, ZHANG Juan-qin1, SHEN Guang-rong3, LV Wei-guang1

(1.Eco-environmental Protection Institute of Shanghai Academy of Agricultural Science, Shanghai 201403, China; 2.Agro-Technology Extension Center of Chongming, Shanghai 202150; 3.Low Carbon Agriculture Research Center, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240)

In order to further clarify the law of soil carbon cycling in Chongming Island, 1m depth soil organic carbon survey of 5 planting types (cropland, vegetable field, orchard, forest and wetland) was conducted. Based on geostatistics methods, the spatial distribution feature of deep soil organic carbon content in Chongming Island were investigated, and the effects of different planting types on the soil organic carbon distribution and storage were also studied. The results showed that the average deep soil organic carbon content of Chongming Island was 3.94g·kg-1. The range of soil organic carbon content in different depths was 8.73-1.72g·kg-1, and the range of soil organic carbon storage was 2.30-0.47×106t. The soil organic carbon storage of plough layer (0-40cm) accounted for 65.14% of the total amount. The maps of soil organic carbon content distribution of different depths (0-20, 20-40, 40-60, 60-80 and 80-100cm) were drawn. The feature of organic carbon content distribution in different soil depths were similar with each other, except that under the depth of 60cm, soil organic carbon content in the wetland was higher than the other planting types. There were significant effects of different planting types on the soil organic carbon distribution. The sequence of soil organic carbon density was vegetable field＞cropland＞orchard＞forest＞wetland, and the sequence of soil organic carbon storage was cropland＞ wetland＞forest＞vegetable field＞orchard.

Chongming Island; 1m depth soil; Map of spatial distribution; Geo-statistics analysis; Planting types

2017-01-20

國家自然科學基金項目（41501259）；上海市科委基礎研究領域項目(13JC1404800)

張翰林（1985-），博士，副研究員，主要從事農(nóng)田土壤生態(tài)研究。E-mail：zhanghanlinchick@163.com

10.3969/j.issn.1000-6362.2017.09.004

**通訊作者。E-mail：lwei1217@sina.com

張翰林,宋科,施儉,等.崇明島深層土壤有機碳空間分布及碳儲存特征分析[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2017,38(9):567-573