漢中盆地秸稈還田撂荒和林地對(duì)土壤碳的影響

張寶成 白艷芬 李憲碧 王平 鄧忠菊 金星 丁奎婷

摘 要： 農(nóng)業(yè)活動(dòng)是溫室氣體重要的排放源，土壤碳庫(kù)[土壤有機(jī)碳（SOC）和無(wú)機(jī)碳（SIC）]稍微變化會(huì)對(duì)大氣CO2產(chǎn)生很大影響。漢中盆地是南水北調(diào)的重要水源涵養(yǎng)地，在該區(qū)域秸稈還田、農(nóng)田撂荒和林地是目前常見(jiàn)土地利用方式，但缺乏不同利用方式對(duì)SIC和SOC影響的研究。該研究采集該區(qū)域典型樣地土壤，用滴定法和有機(jī)碳分析儀分別測(cè)定其SIC和SOC含量，研究3種土地利用方式對(duì)土壤碳庫(kù)的影響。結(jié)果表明：SOC隨土層深度最為敏感的是農(nóng)田，其次是撂荒地，林地最不敏感。0～140 cm土層SOC碳密度，林地最大，是撂荒田的2.26倍，農(nóng)田是撂荒田的1.37倍。深土層SOC碳密度，林地是撂荒田的2.44倍，農(nóng)田是撂荒田的 1.07倍。撂荒田的SIC密度最大，其次是農(nóng)田，林地的SIC碳密度最低。在0～140 cm土層中，SIC密度依次為12.37、11.68和9.77 kg·m2，撂荒田的SIC碳密度是林地的1.27倍。隨著我國(guó)農(nóng)村發(fā)展，土地利用管理出現(xiàn)新的方式，今后在估算土地利用管理方式對(duì)土壤碳影響時(shí)還需要綜合考慮SOC和SIC。

關(guān)鍵詞： 土壤有機(jī)碳， 秸稈還田， 林地， 土壤無(wú)機(jī)碳， 農(nóng)田撂荒

中圖分類號(hào)： Q948 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1000-3142（2018）08-1081-07

Abstract： Due to the increase of atmospheric gas concentration in greenhouse， climate warming caused great inconvenience to peoples production and living. Therefore， soil carbon pool [soil organic carbon （SOC） and soil inorganic carbon （SIC）] has attracted much attention. Straw returning farmlands and abandoned farmland changed the input carbon， which affected the SIC and SOC conversion processes and soil carbon pool. SIC has a long retention time， and SOC plays an important role in the formation of soil aggregates and the adsorption of mineral nutrients for plants. With rural population reduction， straw returning farmland， abandoned land and woodland are very common. There is lack of research on the effects of land use change on different soil carbons. The results showed that SOC is the most sensitive to the soil depth of the farmland， followed by abandoned land， the lowest sensitive forest land. The density of SOC in the topsoil of forest land was the largest， followed by farmland， and the smallest was abandoned. The SOC carbon density in woodland was 2.26 times of that in abandoned land. SOC carbon density in farmland was 1.37 times of that in abandoned land in 0-140 cm soil. The abandonment farmland SIC density was the biggest， followed by farmland， with the lowest SIC carbon density in forestlands. In the 0-140 cm soil layer， the SIC densities were 12.37， 11.68 and 9.77 kg · m-2， respectively. SIC carbon density in abandoned fields was 1.27 times that of woodland. With the development of rural areas in China， a new way of land use management has emerged， estimating the impact of land use on soil carbon needs to consider SOC and SIC.

Key words： soil organic carbon， straw returning farmland， woodland， soil inorganic carbon， abandoned land

大氣溫室氣體增加造成氣候變暖，對(duì)我們生產(chǎn)生活產(chǎn)生諸多不便。全球SOC 1 500 Pg，SIC為1 000 Pg，土壤碳庫(kù)的稍微變化對(duì)大氣CO2產(chǎn)生很大影響。土地利用方式 （Zhang et al， 2010）是影響土壤碳庫(kù)（Caspersen et al， 2000）的重要因素，因此土壤碳庫(kù)倍受關(guān)注（Zhang et al， 2015；張寶成等， 2017a， 2017b）。土地利用方式改變SOC的輸入和碳礦化過(guò)程 （Fang et al， 2001； Lal， 2002； Richter et al， 1999； Zhang et al， 2010）。SIC在碳庫(kù)中占有重要位置，但是關(guān)于SIC的研究卻比較缺乏（Mikhailova & Post， 2006）。全球SIC占土壤碳庫(kù)的61.29% （Lal， 2008），但有研究者認(rèn)為這低估了SIC （Díaz-Hernández， 2010）。土地利用方式可改變地表植被的覆蓋、土壤物質(zhì)的輸入以及對(duì)土壤酸堿度（Wu et al， 2009）、影響SIC （Mikhailova & Post， 2006）。如灌溉（Denef et al， 2008）、施肥（Doney et al， 2007；Vitousek et al， 2009；曾駿等， 2008）等造成土壤酸化（Díaz-Hernández， 2010；Hicks et al， 2008）。植物凋落物能增加土壤碳庫(kù)的輸入，隨著這些輸入物的腐殖化使土壤pH降低，影響了SIC含量。農(nóng)田秸稈還田增加地表輸入，農(nóng)田撂荒影響地表植物組成進(jìn)而影響到地表凋落物的數(shù)量，因此影響到土壤碳過(guò)程。

隨著工業(yè)化發(fā)展，農(nóng)村人口減少，我國(guó)每年撂荒的耕地近200萬(wàn)hm2，今后農(nóng)村耕地撂荒要持續(xù)很久。農(nóng)作物秸稈還田是一種重要的土地管理/利用模式，因此農(nóng)田撂荒、秸稈還田和林地是常見(jiàn)的土地利用方式。SOC在土壤團(tuán)聚體的形成具有重要作用，有機(jī)碳可吸附植物所需氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。SIC在土壤中的滯留時(shí)間長(zhǎng)，這對(duì)減緩大氣溫室氣體具有重要作用。目前缺乏不同土地利用方式對(duì)土壤SIC和SOC的變化以及深土層之間平衡方面的研究（Gurwick et al， 2008），這制約了土地利用對(duì)土壤碳的認(rèn)識(shí)。

漢中盆地水田約占全省的75%，水稻和油菜產(chǎn)量約是全省的80%和70%，也是南水北調(diào)項(xiàng)目重要的水源涵養(yǎng)區(qū)。在該區(qū)域，林地、農(nóng)田撂荒和農(nóng)田秸稈還田比較普遍，隨著人口外出，這3種土地利用在變化。目前缺乏這幾種方式轉(zhuǎn)化后對(duì)土壤碳庫(kù)變化的研究。因此，本研究以秸稈還田、農(nóng)田撂荒和林地典型樣地為對(duì)象，研究土地利用對(duì)土壤SIC和SOC的影響以及深土層SIC和SOC的密度變化。這為今后土地合理利用管理、綜合評(píng)價(jià)人類活動(dòng)對(duì)總碳庫(kù)的影響以及應(yīng)對(duì)全球氣候變化提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)處于陜西省南鄭縣紅旗村（106.85°E， 33.02°N），龍門(mén)—龍門(mén)大巴臺(tái)緣隆褶帶中的漢中盆地，海拔840～890 m。該區(qū)位于北亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫14.2 ℃，年均降水量970.4 mm。采樣點(diǎn)位于該盆地典型的林地（為楊樹(shù)和刺槐人工林，林齡25 a），農(nóng)田和撂荒田在撂荒前農(nóng)業(yè)耕作方式和施肥模式相同，土壤肥力一致。農(nóng)田在研究期種植模式為水稻-油菜，在10 a試驗(yàn)期間水稻和油菜秸稈還田模式；農(nóng)田在撂荒10 a期間無(wú)人為擾動(dòng)，3種利用類型土壤為粘性壤土。

采樣方法采用挖取土壤剖面。在農(nóng)田、撂荒田和林地中，每種類型的樣地選擇典型有代表的地段挖長(zhǎng)1.8 m，寬1 m，深1.4 m的剖面3個(gè)，與之相對(duì)的坑壁挖成階梯狀，以便操作。然后分層采取土壤樣品，土壤分層參照標(biāo)準(zhǔn)0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120和120～140 cm分層取樣，并用土壤環(huán)刀采集樣品測(cè)定土壤容重。不同土層樣品在室內(nèi)風(fēng)干，去除石礫和植物殘?bào)w并進(jìn)行土壤樣品的分析測(cè)試。

1.2 分析測(cè)定及數(shù)據(jù)處理

1.2.1 有機(jī)質(zhì)測(cè)定 土壤有機(jī)碳的測(cè)定，土壤去除碳酸鹽后用vario EL元素分析儀測(cè)定土壤有機(jī)碳。

1.2.2 無(wú)機(jī)碳測(cè)定 土壤樣品中的無(wú)機(jī)碳與鹽酸作用產(chǎn)生CO2。用酸堿滴定法，根據(jù)化學(xué)式（1）消耗的鹽酸計(jì)算出待測(cè)樣品中的無(wú)機(jī)碳，具體步驟和計(jì)算參見(jiàn)Bashour & Sayegh（2007）。

1.2.3 樣品測(cè)定及計(jì)算 用SPSS 11.5對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并對(duì)其進(jìn)行方差分析。用Sigmpalot 10.0軟件繪制圖。土壤有機(jī)碳密度的計(jì)算公式：

Cd=ni=1HiBiOini=1Hi

式中，Hi是i層土壤的厚度（cm） ， Bi是i層土壤的容重（g·cm-3） ， Oi是i層土壤的有機(jī)碳含量（%）。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機(jī)碳含量變化

由圖1可知，研究區(qū)表層（0～20 cm）SOC林地的含量最高，其次是農(nóng)田系統(tǒng)，撂荒田最小， SOC含量在1.29%～3.16%之間波動(dòng)。農(nóng)田、撂荒田和林地深土層SOC分別在0.21%～0.42%、0.22%～0.41%和0.64%～1.02%之間波動(dòng)。0～20 cm土壤有機(jī)碳含量最高，尤其是林地高達(dá)3.16%。農(nóng)田、撂荒田和林地SOC均隨土壤層的增加而降低。根據(jù)其變化規(guī)律擬合線性回歸方程，方程r2能夠解釋57%～71%。根據(jù)敏感系數(shù)（回歸方程系數(shù)數(shù)值），農(nóng)田最敏感，其次是撂荒地和林地。林地20～40 cm的SOC高于1%，撂荒田和農(nóng)田SOC在20 cm以下剖面層的含量均低于1%。

2.2 無(wú)機(jī)碳含量分布特征

由圖2可知，不同土地利用方式下表層（0～20 cm）SIC含量差異較大，總無(wú)機(jī)碳含量從大到小的順序依次為撂荒田、農(nóng)田和林地。林地SIC土壤中明顯分3個(gè)層次，在60～100 cm土層中含量最高，其次分別是0～60 cm和100～140 cm。

2.3 不同土地利用對(duì)土壤碳密度的影響

由圖3可知，表層土壤碳庫(kù)是土壤碳的重要組成部分。農(nóng)田和撂荒田表層SOC密度差異顯著（P

2.4 無(wú)機(jī)碳占總碳比值特征

由表1可知，表層土壤SIC占總碳的12.59%～35.34%，平均值為22.19%。深土層（20～140 cm）SIC含量在37.85%～63.45%，平均值為54.30%，說(shuō)明SIC主要儲(chǔ)藏于土壤深層。按照土地利用方式，無(wú)機(jī)碳含量在總碳中的比例最小的只有林地，為34.24%，其余不同土地利用類型的百分比在49.75%～59.44%之間波動(dòng)。說(shuō)明研究的3種土地利用方式對(duì)漢中盆地SIC的影響比較明顯（Mikhailova & Post， 2006）。3種不同土地利用方式下，表層與深層土壤中SIC/TC比值變化明顯。深土層（100～140 cm）比值林地與耕田和撂荒田差異較大（P<0.05）；撂荒田與農(nóng)田相差較小。

3 討論

3.1 不同土地利用方式對(duì)土壤有機(jī)碳的影響

SOC主要受土壤團(tuán)聚體的保護(hù)，農(nóng)業(yè)耕作中容易破碎土壤團(tuán)聚體，促進(jìn)土壤碳排放（Rasmussen et al， 2005）導(dǎo)致農(nóng)田SOC碳密度比林地小。與撂荒田和林地相比，漢中盆地農(nóng)田為水旱輪作，大于10 ℃積溫在4 320～4 700 ℃之間，持續(xù)7個(gè)多月；大于20 ℃積溫在2 426～2 907 ℃之間，持續(xù)時(shí)間4個(gè)月。種植水稻后，農(nóng)作物秸稈返田后在水中處于厭氧的狀態(tài)有利于SOC的形成（楊翔宇等，2013）。大量還田的秸稈為農(nóng)田表土層的土壤動(dòng)物和微生物提供了重要的食物來(lái)源，溫度較高引起土壤生物的大量繁殖，加速了還田秸稈的腐殖化轉(zhuǎn)化為SOC的能力，從而增加了土壤碳 （譚羽等， 2017）。由表土層和深土層SOC密度可知，土壤表層SOC儲(chǔ)量較大（Song et al， 2005）。秸稈還田促進(jìn)了農(nóng)田土壤SOC的增加（Armstrong， 2008； Lu et al， 2009； Nie et al， 2007），由于秸稈還田和漢中盆地特殊的氣候環(huán)境因子促成了農(nóng)田SOC高于撂荒田，低于林地。

除了林地20～40 cm的SOC高于1%外，其它撂荒田、耕田SOC在20 cm以下剖面層的含量均低于1%。雖然農(nóng)作物秸稈還田，但是農(nóng)業(yè)耕作層較淺，通常農(nóng)業(yè)耕作小于25 cm，在深耕時(shí)犁地的深度要達(dá)到25～35 cm，撂荒農(nóng)田植物為草本植物。它們與林地的林木根系相比，根系較淺作用也較小，林地地表掉落枯枝落葉相對(duì)較多（高嵩， 2010），是深層SOC的重要來(lái)源，這促進(jìn)了林地20～40 cm 土層SOC含量增加。與農(nóng)田撂荒相比，農(nóng)業(yè)活動(dòng)是增加土壤碳貯量的重要因子之一（吳樂(lè)知和蔡祖聰， 2007）。農(nóng)田中肥料的投入促進(jìn)了大量的生物量，漢中盆地每畝每年水稻和油菜秸稈平均輸入量分別達(dá)500和300 kg，遠(yuǎn)高于撂荒田凋落物補(bǔ)給這促進(jìn)了農(nóng)田SOC碳的吸收， 因此漢中盆地農(nóng)田SOC含量明顯高于撂荒田。

3.2 不同土地利用管理方式對(duì)土壤無(wú)機(jī)碳的影響

不同土地利用方式影響到土壤無(wú)機(jī)碳（Wu et al， 2009）。由于林地大量根系和林木凋落物以及農(nóng)田秸稈還田這些物質(zhì)在腐殖質(zhì)過(guò)程中形成胡敏酸和富里酸（楊翔宇等， 2013）與土壤中無(wú)機(jī)碳酸鹽發(fā)生反應(yīng)抑制了SIC吸收（賈宇平和段建南， 2003；楊黎芳等， 2007）。在漢中盆地由于林地和秸稈還田系統(tǒng)地表有機(jī)物的輸入較大，這些腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化中的土壤pH降低，因此導(dǎo)致林地和秸稈還田系統(tǒng)土壤表層SIC密度小于農(nóng)田撂荒。

環(huán)境溫度和降水等因子是影響不同深度土層SIC含量變化的重要因素（Caspersen et al， 2000；Yang et al， 2010）。不同土地利用管理方式改變土壤水分和土壤溫度，在土壤水分作用下碳轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)碳在土層中遷移（SOC→CO2→HCO-3→CaCO3），在合適的條件下沉淀凝結(jié)形成SIC，進(jìn)而影響土層中無(wú)機(jī)碳的分布（賈宇平和段建南， 2003）和SIC含量（楊黎芳等， 2010）。土壤表層碳酸鹽在淋溶作用下土壤無(wú)機(jī)碳遷移到土壤的較深剖面層，發(fā)生溶解的逆過(guò)程而重新沉淀，影響到不同土層SIC。如我國(guó)西部和北方干旱半干旱區(qū)域，農(nóng)業(yè)灌溉增加農(nóng)田SIC的吸收（Mi et al， 2008）。在美國(guó)大平原 （Denef et al， 2008） 和俄羅斯黑鈣土農(nóng)田，由于農(nóng)業(yè)耕作和灌溉促進(jìn)了SIC的吸收 （Mikhailova & Post， 2006） 。綜上可知，這些因素是導(dǎo)致漢中盆地農(nóng)田撂荒田SIC最高，其次是耕田，林地最低。

3.3 不同土地利用方式對(duì)土壤無(wú)機(jī)碳占總碳比值的影響

凋落物和生物殘?bào)w是土壤碳的重要來(lái)源。這些物質(zhì)通過(guò)土壤微生物和動(dòng)物轉(zhuǎn)化為SOC，在轉(zhuǎn)化分解中產(chǎn)生的氣體CO2形成土壤碳酸鹽儲(chǔ)藏于土壤中（曾駿等， 2008）。深層植物的根系通過(guò)根系分泌和根表皮死亡物質(zhì)的輸入，促進(jìn)了深層土壤生物的活動(dòng)，它們呼吸釋放的CO2通過(guò)水分的作用形成碳酸根與土壤中的鈣鎂等物質(zhì)結(jié)合沉淀在深層土壤，影響SIC。林地通過(guò)林木根系的作用增加土壤空隙，有利于表層無(wú)機(jī)碳酸鹽通過(guò)雨水的淋溶進(jìn)入深層土壤。土地利用時(shí)間、植物種類、氣候和土層深度等因素影響到SIC/TC，導(dǎo)致本研究的比值低于蘭州灰鈣土的61.62%，內(nèi)蒙古的74.69%（楊黎芳等， 2007），與我國(guó)的平均值51.82%接近（Li et al， 2007）。由于漢中的水熱環(huán)境因子以及土地利用的管理模式差異，導(dǎo)致漢中土壤中有機(jī)碳和無(wú)機(jī)碳的特殊分配比。

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