土地整治工程對土壤碳固持的影響

曹婷婷，孫嬰嬰，花東文，王歡元

(1.陜西省土地工程建設(shè)集團有限責任公司, 陜西 西安 710075; 2.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責任公司, 陜西 西安 710075; 3.國土資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室, 陜西 西安 710075)

土地整治是以優(yōu)化土地資源結(jié)構(gòu)，開墾那些未利用和難利用土地為目標，對土地資源及其利用方式再組織的一項工程，在改善土地利用形式和條件的同時，對生態(tài)環(huán)境效應(yīng)也帶來了一定的正效應(yīng)[1-2]。在土地整治的研究初期人們的主要工作集中在土地整理的內(nèi)容及意義方面，學(xué)者們只是對土地整治前后土壤養(yǎng)分的變化[3-5]、新增耕地土壤養(yǎng)分演替及改善情況進行了富有成效地探討[6-8]，但對整治前后土壤碳庫的變化及土壤的碳固持能力和固碳潛力的研究報道較為鮮見。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)在陸地碳循環(huán)中具有重要地位，土地整治過程中“植入”碳和新增耕地對土壤有機碳固定能力的提升、減緩向大氣釋放CO2濃度等方面均具有重要意義[9]。有機碳作為土壤質(zhì)量的重要指標，在改善土壤團聚體狀況、增加孔隙度、提高田間持水量和飽和導(dǎo)水率[10]等方面是其他物質(zhì)無法替代的。土壤有機碳作為全球碳循環(huán)的重要組成部分，對加強人類預(yù)測和降低氣候變化所導(dǎo)致的災(zāi)難有重要作用[11]。研究不同土地整治類型條件下的新增耕地對土壤碳固持的影響無疑具有重要意義。有研究表明土地整治通過直接影響土壤的理化性質(zhì)及相關(guān)生態(tài)過程，間接地對土壤有機碳含量產(chǎn)生影響，該影響可能為正向或負向效應(yīng)[12-14]。土壤碳密度是土壤含碳量和土壤物理狀態(tài)共同決定的碳庫指標，在施行土地工程措施之后，不僅改變了作物、微生物以及動物生存的營養(yǎng)條件，也改變了它們的生存環(huán)境條件，尤其是物理狀態(tài)，為此，開展不同土地類型整治工程條件下土壤碳密度的變化顯得更為重要。本研究是以沙地、鹽堿地、廢棄宅基地等低效利用或未利用土地經(jīng)綜合整治前后的土壤為對象，以土壤碳含量和碳密度為指標，研究不同土地類型在整治前后土壤碳固持的演變規(guī)律，企圖進一步明確土地整治對土壤固碳效應(yīng)影響效果和土地整治對土壤質(zhì)量的作用情況。

1 材料與方法

1.1 土地整治工程概況

本研究主要以陜西榆林市榆陽區(qū)風沙地、定邊縣鹽堿地和渭南市澄城縣空心村整治3個不同類型項目地為例，分析不同土地整治類型對土壤碳固持能力的影響研究。

榆林市定邊縣鹽堿地土地整治項目針對定邊鹽堿地的地勢低洼、地下水位偏高、水漬和鹽漬危害較重、土層板結(jié)、生態(tài)環(huán)境極度脆弱的問題，項目實施了明溝排水工程措施和地面覆沙措施，實現(xiàn)了降低地下水位、改善耕層土壤通透性和抑制地面蒸發(fā)、防止返鹽等土壤改良工程，滿足作物生長需求。項目于2012年竣工，新增耕地667.4 hm2，土壤質(zhì)地類別屬于輕壤土，已經(jīng)4年種植玉米、牧草和糜子等作物。

榆林市榆陽區(qū)的風沙土整治項目針對風沙土結(jié)構(gòu)松散、保水保肥能力差、易漏水漏肥，難以滿足植被生長的問題，采用了將砒砂巖中膠體物質(zhì)移植到沙地中，按不同的比例與沙復(fù)配成土的技術(shù)手段，促使沙土團聚，改善了耕層物理性狀，提高了保水保肥性，滿足了作物生長的基本需求。項目于2011年竣工，新增耕地319.6 hm2，土壤質(zhì)地類別屬于緊沙土類。距本次采樣期已經(jīng)歷時5年，其間主要種植馬鈴薯和玉米，獲得了很好的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益。

澄城縣的空心村廢棄宅基地土地整治項目，針對渭北黃土干旱臺塬區(qū)廢棄的土窯洞、土坯房屋等生土建筑物占地，實施了以立地整理、拆除廢棄建筑物、平整地面、土壤培肥等為主要技術(shù)手段的土地整治。項目實施后，提高了土地利用效率，使原有廢棄宅基地具備了作物生長的基本條件。項目于2009年竣工，新增耕地面積868.4 hm2，土壤質(zhì)地類別屬于中壤質(zhì)。歷時耕種小麥、玉米等糧食作物達7年時間。

各項目治理區(qū)的基本概況見表1。

表1 樣地概況

1.2 樣品采集與分析

1.2.1 樣品采集 根據(jù)研究對象及其研究任務(wù)，在風沙土、鹽堿地、廢棄宅基地土地整治3個地域內(nèi)，于2016年4月在3個項目地域內(nèi)，各選擇整治了的和未曾整治的田塊各3個塊地，作為采樣的空間重復(fù)，并在每個樣地沿對角線隨機選取5個點，用土鉆按照0～10、10～20、20～40、40～60、60～80 cm和80～100 cm逐層采集土壤剖面樣品，將5個樣點的相同土層樣品混合成，再按照四分法預(yù)留土樣約1 kg，共采集土樣108個。將采集的樣品經(jīng)過風干研磨，通過2 mm篩孔后貯存，供有機碳等分析測定。采用總有機碳分析儀(Multi N/CR3100)進行了土壤總碳含量和和總有機碳含量的測定，其差值為無機碳含量。為了研究各項目地土壤儲量，同時用挖掘剖面的方法，用環(huán)刀法采集樣品測定了相應(yīng)土層的土壤容重。

1.2.2 土壤碳密度計算 土壤碳密度是指單位面積一定深度土層中土壤碳的絕對儲量，它是評價和衡量不同處理土壤中碳固定量的重要指標。依據(jù)土壤碳類型，土壤碳密度也分為總碳密度、總有機碳密度和總無機碳密度等3個指標。以土壤有機碳密度為例，某一土層土壤有機碳的密度(SOCi，t·hm-2)由公式(1)計算：

SOCi=Ci×Di×Ei×(1-Gi)/10

(1)

若測定的土壤剖面范圍由m個土層組成(m=6)，該剖面土壤總有機碳密度(SOCi，t·hm-2)計算用式(2)：

(2)

其中，i為土層代號，Ci為i層土壤有機碳含量(g·kg-1)，Di為i層土壤容重(g·cm-3)，Ei為i土層的厚度(cm)，Gi為i層內(nèi)直徑>2 mm石礫所占的體積百分比(%)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地整治對鹽堿地土壤剖面碳庫的影響

榆林市定邊縣鹽堿地區(qū)，在施行土地整治前后土壤剖面(0～100 cm)總碳、有機碳、無機碳的含量如圖1所示，其中土壤剖面0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm各處土壤總碳含量分別增加了84.72%、111.17%、199.32%、149.62%、210.45%、87.18%，經(jīng)過差異性檢驗，0～100 cm剖面范圍內(nèi)土壤總碳含量差異均明顯；土壤剖面有機碳含量在各土層間雖然也有差異，尤其在表層0～10 cm顯得明顯，但經(jīng)差異性檢驗分析均未達到顯著差異標準；土壤剖面無機碳含量在0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm處分別顯著增高111.18%、156.88%、267.24%、186.68%、227.58%、110.51%，差異性檢驗與分析，其差異達到顯著水平。

定邊地區(qū)鹽堿地土壤經(jīng)過整治并耕種4年之后，土壤剖面各層土壤總碳含量顯著提升，其主要源于土壤無機碳的提升，而不是源于有機碳的提升，這與地面覆有富含碳酸鹽的細沙量，碳酸鹽淋失有著直接關(guān)系。剖面各層土壤有機碳含量整體上有增加趨勢，只是暫未能達到顯著差異，這與植被種植時間短，有機肥投入量少有直接關(guān)系。土地整治后土壤剖面各層無機碳含量均顯著增高，且隨土層深度的遞增有明顯的增高趨勢，說明土地整理期間的表層覆細沙土措施，給土壤植入了大量無機碳，在4年耕種期內(nèi)碳酸鈣的深層淋溶過程也很明顯。

圖1榆林定邊鹽堿地土壤剖面總碳含量、有機碳含量、無機碳含量變化

Fig.1 Variation of total carbon content, organic carbon content and inorganic carbon content in soil profile of saline soil in Yulin

榆林市定邊縣的鹽堿地整治區(qū)和未整治區(qū)0～100 cm土壤剖面總碳密度、有機碳密度、無機碳密度如表2所示，從中可以看出，其土壤剖面上不同土層處土壤各類碳密度的變化規(guī)律與土壤碳含量變化特征相似，依然是整理措施明顯增加了0～100 cm各層土壤的總碳密度和無機碳密度，但對各層土壤有機碳密度的影響不夠明顯，可是，0～100 cm范圍內(nèi)土壤的總有機碳密度差異性卻已達到了顯著性水準，體現(xiàn)了鹽漬化土壤在施行土地整治措施以后，土壤有機碳確有積累趨勢，只是在目前情況下其積累的程度暫時未能達到統(tǒng)計檢驗的標準而已。0～100 cm整個土層范圍內(nèi)土壤總碳密度增加了154.18%，有機碳密度增加了54.50%，無機碳密度增加了188.68%，其中無機碳密度增加最為顯著，土壤無機碳是以碳酸鈣和碳酸鎂的形式進入土壤的，不僅增加了鹽漬化土壤碳庫的儲量，更重要的是給鹽漬化土壤輸入了鈣和鎂等元素，有利于抑制鹽害。鹽漬化土壤無論是整治前還是整治后，土壤無機碳含量和碳密度均高于有機碳含量和碳密度的結(jié)果，再次證實了“土壤在鹽堿化過程中能夠?qū)е峦寥罒o機碳的累積”[16]結(jié)論，也驗證了Xie等[17]對新疆內(nèi)陸鹽堿地的研究得出的，土壤可能通過一種非生物的無機碳吸收過程固定碳，而且其規(guī)模相當大；Wohlfahrt等[18]的研究也發(fā)現(xiàn)美國鹽堿化地區(qū)也存在較大的C吸收過程，而生物量累積過程很難對這一過程進行解釋，很可能存在無機碳固定過程[19-20]等結(jié)論。地面覆沙和明溝排鹽等土地工程措施更加大了無機碳的累積作用，也在一定程度上增加了有機碳的累積。

表2 榆林定邊鹽堿地土壤剖面碳密度變化

注：不同小寫字母表示整治區(qū)和未整治區(qū)的相同指標在P<0.05水平上差異顯著，下同。

Note：Different lowercase letters indicate significant differences between remediation area and unreserved area about the same index atP<0.05 level.The same below.

2.2 土地整治對風沙地土壤碳庫的影響

榆林市榆陽區(qū)風沙地整治前后0～100 cm剖面上土壤總碳、有機碳、無機碳含量如圖2所示，其中土壤剖面0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm各處土壤總碳含量分別增加了101.86%、103.83%、115.56%、104.40%、85.89%、84.96%；土壤剖面有機碳含量在0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm處均分別增高了163.52%、146.78%、143.21%、101.89%、104.88%、102.96%；經(jīng)過差異性檢驗0～100 cm范圍內(nèi)土地整理后，土壤總碳含量、總有機碳含量均達到顯著性水準，而0～100 cm土壤無機碳含量未有顯著性差異，均變化在0～5 g·kg-1左右。

顯然，風沙地經(jīng)過土地整治并經(jīng)僅5年時間的耕種后，其土壤總碳含量在0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm土層中有顯著增高，其中源于土壤剖面有機碳的增高。施行土地整理時雖然添加了一定比例的砒砂巖，但砒砂巖中無機碳礦物質(zhì)含量較少，不足以改變沙土無機碳庫，添加砒砂巖主要是給沙地植入欠缺的無機粘土礦物膠體。土壤總碳和有機碳含量顯著增加的事實充分證實了，沙地經(jīng)過土地整治，引入砒砂巖中無機膠體與沙復(fù)配，使之初步具備種植條件，作物根系分泌物和植物根系殘留物逐年積累，必然會促使孕育土壤微生物數(shù)量的遞增。沙地土壤有機碳的提升，就標志著沙地從固有的母質(zhì)屬性開始了微弱的成土和成壤過程。給沙地輸入一定量的無機膠體，營造植被生長基礎(chǔ)，就能換得土壤有機膠體的積累，逐步改善土壤膠體數(shù)量和品質(zhì)，這就是沙地整理的科學(xué)依據(jù)和技術(shù)路線。

榆林市榆陽區(qū)風沙地在整治前后土壤剖面(0～100 cm)總碳密度、有機碳密度、無機碳密度如表3所示，其中0～100 cm各土層處總碳密度增高了83.27%、96.30%、113.40%、104.89%、91.03%、83.71%；在0～100 cm各土層處土壤有機碳密度增高139.25%、137.67%、140.79%、102.39%、110.54%、101.61%；0～100 cm各處土壤無機碳密度有增也有減，但沒有達到顯著水準。各層土壤有機碳密度的增幅明顯高于總碳密度的增幅，是無機碳密度在部分土層中有所遞減的緣故，尤其在0～20 cm耕作土層內(nèi)，伴隨著土壤有機碳的累積，存在無機碳的遞減。0～100 cm整個土層范圍內(nèi)土壤總碳密度、有機碳密度均成倍地遞增，無機碳密度雖也有增加，但未能達到顯著水準。在砒沙巖與沙復(fù)配的土層厚度只有0～30 cm的情況下，卻換來了0～100 cm土壤有機碳含量和碳密度的顯著增加，結(jié)果清楚地彰顯著沙地整治的質(zhì)量效益，也體現(xiàn)著作物根系在沙地延伸較深的基本特征。

2.3 土地整治對黃土旱地廢棄宅基地土壤碳庫的影響

位于黃土渭北旱原的澄城縣廢棄宅基地，在土地整治前后0～100 cm土壤剖面總碳、有機碳、無機碳含量如圖3所示，其中僅在0～10、40～60、60～80、80～100 cm各處土壤總碳含量分別顯著增高21.64%、11.56%、7.24%、11.20%，其它土層增幅不明顯；土壤有機碳含量僅在0～10、10～20、40～60、60～80、80～100 cm處分別顯著增高79.11%、77.89%、39.20%、89.07%、99.71%，其它土層增幅不明顯；土壤剖面無機碳含量僅在0～10 cm處顯著增高12.05%、在10～20 cm處顯著降低11.56%，其它土層變化不明顯。土壤剖面總碳、有機碳、無機碳的變化不一致，體現(xiàn)了土地整理的填埋痕跡。

圖2 榆林榆陽區(qū)風沙地土壤剖面總碳含量、有機碳含量、無機碳含量變化

圖3渭南澄縣廢棄宅基地土壤剖面總碳含量、有機碳含量、機碳含量變化

Fig.3 Variation of total carbon content, organic carbon content and inorganic carbon content in soil profile of abandoned house soil in Weinan

廢棄宅基地整治類型土壤在經(jīng)過7年耕作后，其剖面土壤總碳含量僅在0～10 cm和40～100 cm處顯著增高，其中0～10 cm處土壤總碳含量提升是有機碳和無機碳共同遞增結(jié)果，而在10～20 cm處雖然有機碳含量有明顯遞增，但因為在旱原地區(qū)該土層屬于土壤濕度相對穩(wěn)定土層，成為作物根系主要分布土層，作物根系呼吸積累，土壤空氣中積累了高濃度的CO2，它促使難溶性無機碳酸轉(zhuǎn)變?yōu)橐兹苄缘?、可遷移的碳酸鹽，該層土壤無機碳酸鹽隨水分蒸發(fā)移動到表層使表層0～10 cm無機碳遞增，也有可能隨水分入滲向深層移動，結(jié)果該層無機碳含量明顯遞減。這些過程都是土壤正常的生物地球化學(xué)過程，盡管只有7年的耕種時間，說明經(jīng)過土地整治以后，土壤在植被作用下已經(jīng)啟動了固有的生物地球化學(xué)演化與發(fā)育過程。在30 cm以下各土層處土壤總碳含量的變化完全依附于有機碳的含量，所呈現(xiàn)的無規(guī)律性變化特征是廢棄舊村莊復(fù)墾期間土地整理工程的歷史痕跡。

澄縣廢棄宅基地在整治前后0～100 cm土壤剖面上總碳密度、有機碳密度、無機碳密度如表4所示。從中可以看出，經(jīng)過整治后土壤剖面總碳密度在不同土層深度處的變化方向不一致，尤其是在0～20 cm分別有17.91%、24.27%的遞減幅度；土壤有機碳密度在0～100 cm剖面均有所增加，增幅變化在30.78%～96.75%，無機碳密度在0～20 cm范圍內(nèi)遞減，其20 cm以下土層絕大部分有所增加。0～100 cm整個土層總碳密度、無機碳碳密度分別遞減2.14%和7.01%、土壤總有機碳的密度遞增了48.98%。

同時結(jié)合圖3可以看出，在土壤總碳含量、有機碳含量有所遞增的情況下，有的土層碳密度卻有所遞減，顯然是小幅度遞增的有機碳，使得土壤容重極為顯著地減小的結(jié)果所致。

3 結(jié) 論

1) 定邊鹽堿地整治類型整治區(qū)和未整治區(qū)土壤剖面在0～100 cm各層總碳含量均顯著增高，增幅在84.72%～210.45%之間，土壤剖面有機碳含量在各層均未有顯著差異；土壤剖面無機碳含量在0～100 cm各層均顯著增高，增幅在111.18%～267.24%之間。榆陽區(qū)風沙地整治類型整治區(qū)和未整治區(qū)土壤剖面0～100 cm各層總碳、有機碳含量均顯著增加，增幅分別在84.96%～115.56%、102.96%～163.52%之間；無機碳含量在各層未有顯著差異。澄縣廢棄宅基地整治類型整治區(qū)和未整治區(qū)總碳、有機碳含量在0～100 cm顯著增加，增加量分別在7.24%～21.64%、39.20%～94.21%之間，土壤無機碳含量在0～10 cm處顯著增高12.05%、在10～20 cm顯著降低11.56%。

表4 渭南澄縣廢棄宅基地土壤剖面碳密度變化

2) 定邊鹽堿地整治類型總碳密度在20～100 cm各層顯著增高，增幅在97.28%～219.76%，土壤剖面無機碳密度在0～100 cm各層分別顯著增加，增幅在121.87%～292.32%之間。榆陽區(qū)風沙地整治類型土壤剖面總碳密度在0～100 cm各層顯著增高，增幅在83.27%～113.40%之間；土壤剖面有機碳密度在在0～100 cm各層顯著增高，增幅在101.61%～140.79%之間；土壤剖面各層無機碳密度無顯著變化。澄縣廢棄宅基地整治類型土壤剖面總碳密度在0～10、10～20 cm分別顯著降低17.91%、24.27%；20～40、40～60 cm處增高了11.06%、10.96%；在60～80 cm處降低了12.54%，80～100 cm處顯著增高8.99%，土壤剖面有機碳密度在0～10、20～100 cm均顯著增高,增幅在30.78%～96.75%之間。

3) 綜合對比分析可知，風沙地、廢棄宅基地整治類型，有機碳密度的變化顯著影響土壤剖面的總碳密度。鹽堿地整治類型，無機碳密度的變化顯著影響土壤剖面總碳密度。其原因應(yīng)是作物種植與工程措施實施兩方面的綜合效應(yīng)。

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