1980—2008年蘇北旱地土壤有機(jī)碳含量變化特征

路曉彤, 劉紹貴, 張黎明, 于東升, 史學(xué)正, 邢世和

(1.福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，福建 福州 350002;2.揚(yáng)州市農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測站，江蘇 揚(yáng)州 225603; 3.中國科學(xué)院南京土壤研究所土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210008)

大氣中二氧化碳(CO2)濃度持續(xù)升高引起的氣候變化給全球帶來了極大挑戰(zhàn)，如何減少溫室氣體排放和增加陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯已成為緩解氣候變化的首要任務(wù)[1].據(jù)估算，全世界土壤有機(jī)碳(soil organic carbon, SOC)庫儲量約為1 500 Pg(1 Pg=1015g)，約為大氣碳庫(750 Pg)的2倍、生物碳庫(550 Pg)的3倍，是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的有機(jī)碳庫，其微小變化將會導(dǎo)致大氣中CO2濃度發(fā)生顯著變化[2].國內(nèi)外學(xué)者認(rèn)為，目前土壤吸納與固碳技術(shù)是解決農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展與氣候變化問題的有效技術(shù)[3].我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)田面積約為1.4億hm2，其中旱地占70%以上[4].很多研究表明，由于SOC受成土因子和人類活動等多種因素的影響，在時間和空間尺度上存在較大的變異性[5].因此，明確我國不同地區(qū)旱地SOC的時空動態(tài)對于制定農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展策略和“固碳減排”政策具有重要意義.

近些年，已有不少學(xué)者基于多種制圖尺度的土壤數(shù)據(jù)庫對有機(jī)碳進(jìn)行了研究[6-14].但由于詳細(xì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料難以獲取等問題，以往大區(qū)域方面的研究多局限于中小比例尺，而缺乏大比例尺土壤數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用；另外，當(dāng)前我國大區(qū)域尺度的旱地SOC多以靜態(tài)研究為主，而基于高精度土壤數(shù)據(jù)庫和不同時期大量實(shí)測樣點(diǎn)相結(jié)合的動態(tài)研究較少.據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國旱地SOC輸入少且分解快，明確該土地利用類型SOC時空演變規(guī)律是建立最優(yōu)農(nóng)田管理措施的基礎(chǔ)[15].江蘇北部(簡稱“蘇北地區(qū)”)隸屬于黃淮海平原，該地區(qū)85%的耕地為旱地，以全國3.7%的旱地面積固定了我國旱地10.2%的SOC[16-17].另外，蘇北地區(qū)的潮土、鹽土和砂姜黑土分別占該地區(qū)旱地總面積的52.67%、24.31%和8.13%，這與黃淮海平原的主要旱地土壤類型面積比例相一致，研究成果可向我國糧食主產(chǎn)區(qū)——黃淮海平原拓展應(yīng)用[18].鑒于此，本研究以蘇北地區(qū)29個縣(市、區(qū))約393×104hm2的旱地作為研究區(qū)，利用1980年全國第2次土壤普查和2008年農(nóng)業(yè)部測土配方施肥采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)建立的1∶5萬高精度土壤數(shù)據(jù)庫，揭示該地區(qū)SOC含量的變化特征，為蘇北地區(qū)制定合理的農(nóng)業(yè)管理措施和“固碳減排”政策提供理論依據(jù).

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江蘇省北部(116°21′-120°54′E、32°43′-35°07′N)，地處黃淮平原與江淮平原的過渡地帶，東瀕黃海，西連安徽，北接山東，南與揚(yáng)州、泰州、南通接壤，是長江三角洲地區(qū)的重要組成部分.轄淮安、連云港、宿遷、徐州和鹽城5個地級市，共31個縣(市、區(qū))，土地總面積5.23×104km2，占江蘇省陸地面積的一半多，其中耕地面積約占江蘇省耕地總面積的60%[18].研究區(qū)氣候?qū)賮啛釒驕貛н^渡的季風(fēng)性氣候，兼具南、北氣候特征，春秋季短、冬夏季長，四季分明；全年日照時數(shù)2 000～2 600 h，無霜期220 d左右，光照充足；年均溫度13～16 ℃，呈緯向分布，南高北低；年降雨量800～1 200 mm，自東北向西南逐漸增多，季節(jié)變化明顯，雨熱同期.主要旱地土壤類型有潮土、鹽土、砂姜黑土、棕壤和褐土等，成土母質(zhì)多為黃泛沖積物、河海相沉積物、湖相沉積物、下蜀黃土和其他河流沖積物.

2 材料與方法

2.1 土壤數(shù)據(jù)

蘇北地區(qū)1∶5萬空間數(shù)據(jù)庫所需的紙質(zhì)圖件來自于江蘇省連云港、鹽城、淮安、宿遷和徐州5個地級市所轄有旱地的29個縣(市、區(qū))的全國第2次土壤普查資料，在ArcGIS軟件中對所有圖件使用雙標(biāo)準(zhǔn)緯線等積圓錐投影，經(jīng)過土壤圖數(shù)字化，接邊建成.該空間數(shù)據(jù)庫采用中國土壤發(fā)生分類系統(tǒng)(genetic soil classification of China, GSCC)，基本制圖單元為土種.

土壤屬性數(shù)據(jù)包括旱地樣點(diǎn)的位置描述和理化性質(zhì)，如土壤類型、土層深度、采樣地點(diǎn),以及有機(jī)質(zhì)、全氮、全鉀和全磷等元素[19].其中，1980年表層樣點(diǎn)數(shù)據(jù)來自于《縣級土種志》、《地市級土種志》、《省級土種志》和《中國土種志》中所記錄的蘇北地區(qū)29個縣(市、區(qū))旱地剖面資料，共計(jì)983個樣點(diǎn)(圖1A)；2008年表層樣點(diǎn)數(shù)據(jù)來自于農(nóng)業(yè)部測土配方施肥項(xiàng)目，共計(jì)旱地表層樣點(diǎn)1 506個(圖1B).空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的融合采用Shi et al[20]提出的“PKB法(pedological knowledge based method)”，即根據(jù)母質(zhì)相同或相近、土壤類型一致與相似性、土壤剖面點(diǎn)位置與分布區(qū)域一致或鄰近等原則進(jìn)行連接，形成有17 024個旱地圖斑的1980和2008年兩期1∶5萬土壤數(shù)據(jù)庫.

2.2 施肥和氣象數(shù)據(jù)

施肥數(shù)據(jù)來源于《江蘇省農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》，包括1980—2008年29個縣(市、區(qū))耕地年均氮肥和農(nóng)家肥施用量[21];氣象數(shù)據(jù)來源于蘇北地區(qū)7個國家氣象站，包括1980—2008年逐日降雨量、最高和最低溫度等.施肥和氣象數(shù)據(jù)均以縣(市、區(qū))為最小統(tǒng)計(jì)單元連接到蘇北地區(qū)1∶5萬旱地土壤數(shù)據(jù)庫中.蘇北地區(qū)主要種植模式為小麥—玉米輪作，旱地種植的主要農(nóng)作物有小麥、玉米和棉花，沿海地區(qū)有甘薯、粳稻種植；另外，該地區(qū)蔬菜種植自19世紀(jì)80年代起不斷增多，成為種植面積較大的農(nóng)作物種類[22].

2.3 旱地SOC含量變化統(tǒng)計(jì)方法

1980和2008年兩期土壤數(shù)據(jù)庫中的各個土壤類型或行政單元SOC含量均采用面積加權(quán)平均值計(jì)算.

式中，SOCaw是某個土壤類型或行政單元耕層(0～20 cm)有機(jī)碳的面積加權(quán)平均值(g·kg-1)，n是屬于該土壤類型或行政單元的圖斑總數(shù)，SOCi是該土壤類型或行政單元的各個圖斑有機(jī)碳濃度(g·kg-1)，Ai是該土壤類型或行政單元的各個圖斑的面積(m2).

利用ArcGIS 10.2軟件繪制蘇北旱地SOC含量分布圖，通過Excel 2010軟件對不同旱地土壤類型和以地級市(縣)區(qū)域劃分的土壤屬性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.

3 結(jié)果與分析

3.1 蘇北地區(qū)旱地SOC含量的時空變化特征

從圖2A、2B可以看出，蘇北旱地2008年SOC空間分布與1980年相比整體變化不大，但大部分地區(qū)的SOC含量呈顯著增加趨勢.進(jìn)一步通過面積加權(quán)平均值得出蘇北旱地表層土壤(0～20 cm)1980和2008年的SOC含量分別為6.00和10.30 g·kg-1.蘇北地區(qū)旱地SOC含量上升的主要驅(qū)動力是氮肥和有機(jī)肥的大量增施(圖3). 據(jù)統(tǒng)計(jì)，1980年有機(jī)肥和氮肥的施用量分別為11.7和146 kg·hm-2，而2008年二者的施用量分別為18.9和461 kg·hm-2，增幅分別達(dá)62%和216%.大量施用化肥能提高植物的生產(chǎn)力和作物秸稈還田量，進(jìn)而增加有機(jī)物質(zhì)向土壤的輸送量；而增施有機(jī)肥則能促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成，提高水穩(wěn)性團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，從而提高有機(jī)碳的含量[23].另外，SOC增加與秸稈還田量密切相關(guān).我國20 世紀(jì) 80 年代早期作物秸稈主要用于燃燒和飼料；1999 年下發(fā)的《秸稈禁燒和綜合利用管理辦法》要求，禁止田間焚燒秸稈，引導(dǎo)秸稈綜合利用，隨后，秸稈還田在全國大規(guī)模推廣[24].調(diào)查也表明，2000年之前我國水稻、小麥和玉米三大作物的秸稈還田比例均不足25%，但2010年還田比例則分別達(dá)到了 36.4%、39.7% 和 23.5%[24].這促進(jìn)了作物地上生物量轉(zhuǎn)移至土壤，增加了農(nóng)業(yè)碳匯.

從蘇北地區(qū)不同時期SOC空間分布(圖2A、2B)來看，1980年SOC含量較高(≥14 g·kg-1)的區(qū)域主要位于研究區(qū)南部(淮安)，面積僅為0.89×104hm2，這主要是因?yàn)樵摰貐^(qū)靠近湖泊，人為耕作歷史悠久，長久以來較高的氮肥施用量提高了SOC含量.1980年SOC含量較低(<5 g·kg-1)的區(qū)域面積為132.8×104hm2，多分布在研究區(qū)北部、中部及東部.這些地區(qū)北臨黃河，中部貫穿淮河，受河水沖擊影響嚴(yán)重；而東部為濱海平原，距離海岸線較近，成土母質(zhì)多為黃泛沖積物和河海相沉積物，其土壤發(fā)育過程中的有機(jī)質(zhì)不易積累.2008年SOC含量較高(≥14 g·kg-1)的區(qū)域集中在研究區(qū)中部，總面積為31.8×104hm2，中部區(qū)域氣候?yàn)榕瘻貛У絹啛釒В貏轂槠皆?，加之農(nóng)民長期施肥使得其SOC含量上升較快；2008年SOC含量較低(<5 g·kg-1)的地區(qū)主要為西北部，總面積為0.63×104hm2，這主要是因?yàn)樵搮^(qū)域年均降水量較少(<900 mm)，而溫度較高(>14.5 ℃)(圖4)，加速了有機(jī)質(zhì)的礦化，不利于SOC的積累[25].

由圖2C看出，蘇北旱地1980—2008年的SOC變化量總體趨勢為中部高、東部及北部低.其中，SOC變化量較高(>9 g·kg-1)的區(qū)域主要集中在中部，面積為25.9×104hm2，占研究區(qū)旱地總面積的6.59%.這一方面是由于該區(qū)域?qū)儆谔K北糧食主產(chǎn)區(qū)，受生物積累和人為增施肥料的影響較大；另一方面，該區(qū)域初始SOC含量較低(圖2A)，研究表明，初始SOC含量值越低，則后期積累的越多[26-27].1980—2008年SOC變化量較低(<3 g·kg-1)的區(qū)域多分布于東北部及東南沿海地帶，面積約為132.4×104hm2，占研究區(qū)旱地總面積的27.86%.這是由于東北部地區(qū)的初始SOC含量較高(圖2A)，東南沿海地區(qū)屬沖積平原，原始土壤為濱海鹽土，肥力水平低下，導(dǎo)致SOC積累緩慢[28].

3.2 蘇北地區(qū)不同土壤類型的SOC含量變化特征

由圖5可以看出，蘇北旱地1980—2008年不同土壤類型的SOC含量均表現(xiàn)增長趨勢.潮土為蘇北地區(qū)分布面積最大的旱地土壤類型，約占研究區(qū)旱地總面積的52.67%.其SOC含量增幅最大，達(dá)5.12 g·kg-1.這主要與該類土較高的肥料施用量、較低的初始有機(jī)碳含量和較少的降雨量有關(guān).據(jù)統(tǒng)計(jì)，潮土的初始有機(jī)碳含量僅為5.55 g·kg-1，年均氮肥和有機(jī)肥的施用量分別達(dá)344和16.16 kg·hm-2，年均降水量僅918 mm(表1).

鹽土是蘇北地區(qū)的第二大土類，占研究區(qū)旱地總面積的24.35%.1980—2008年鹽土的SOC含量上升了2.75 g·kg-1.這主要與該類土較高的氮肥施肥量(371 kg·hm-2)有關(guān)(表1).但是，從圖5可以看出，該類土的SOC含量升幅相對較小，這是由于過高的pH(8.3)抑制了土壤微生物的活性，從而影響表層SOC的礦化分解和周轉(zhuǎn)[29].

土壤類型面積萬hm2初始土壤屬性黏粒含量%pH氣象條件年均降雨量mm年均溫度℃年均施肥量/(kg·hm-2)氮肥有機(jī)肥SOC含量/(g·kg-1)1980年2008年潮土 207.0268.291814.734416.165.5510.67鹽土 95.7298.31 01014.537113.526.519.26棕壤 29.0186.793814.328417.744.539.44褐土 22.0368.094715.130914.055.9310.48砂姜黑土32.0417.794214.531016.038.2311.31石質(zhì)土 5.8387.31 04815.327415.429.1612.29石灰土 0.7407.11 04815.327415.429.399.40紫色土 1.1147.591214.131816.884.279.07

砂姜黑土和褐土的面積分別占蘇北地區(qū)旱地總面積的8.14%和5.60%.這兩個土壤類型的SOC含量升幅較大，分別為3.08和4.55 g·kg-1，這主要與二者較低的初始有機(jī)碳含量(8.23和5.93 g·kg-1，表1)有關(guān).棕壤占蘇北地區(qū)旱地總面積的7.38%，1980—2008年該類土的SOC變化量較大，為4.91 g·kg-1(表1).一方面是因?yàn)樵擃愅恋哪昃袡C(jī)肥施用量較高，達(dá)17.74 kg·hm-2；另一方面，其較低的初始有機(jī)碳含量(4.53 g·kg-1)和pH值(6.7)有利于后期SOC的積累.

石質(zhì)土和石灰土分別占研究區(qū)旱地總面積的1.48%和0.18%.這兩個土壤類型1980—2008年的SOC變化量相對較小，分別為3.13和0.01 g·kg-1(表1).這主要是由于它們的初始有機(jī)碳含量較高，且氮肥和有機(jī)肥施用量較低；同時，這兩個土壤類型的年均溫度和降雨量均較高(表1).紫色土占研究區(qū)旱地總面積的0.28%，1980—2008年該類土的SOC變化量相對較高，為4.80 g·kg-1(表1).這主要與該類土較低的年均溫度(14.1 ℃)和較高的年均氮肥(318 kg·hm-2)、有機(jī)肥(16.88 kg·hm-2)施用量有關(guān).但是，紫色土2008年SOC含量在所有土壤類型中為最低(9.07 g·kg-1)，主要原因是該類土的初始黏粒含量較低，僅為14%(表1)，較低的黏粒含量不利于土壤中細(xì)顆粒對有機(jī)質(zhì)的吸附和保護(hù)[30].

總體來看，不同土壤類型受土壤屬性、氣象條件和施肥量的影響程度不同，從而造成SOC變化量存在差異.

3.3 蘇北地區(qū)不同行政單元SOC含量變化特征

從表2來看，2008年蘇北地區(qū)旱地SOC的平均變異系數(shù)為8.04%，說明該區(qū)域SOC含量具有一定的空間分異；不同行政單元SOC含量的變異系數(shù)差異很大，其中以淮安市最大，連云港市最小.另外，2008年SOC的變異強(qiáng)度低于1980年(平均變異系數(shù)21.52%)，說明經(jīng)過近30年人類活動的影響，蘇北地區(qū)旱地SOC含量的波動呈減緩趨勢.

表2 蘇北地區(qū)不同地級市1980和2008年SOC含量統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics on SOC content in prefecture-level cities in northern Jiangsu

1980—2008年，蘇北地區(qū)各地級市旱地SOC變化量最大的是淮安市，為5.02 g·kg-1(表2).盡管該地區(qū)的年均溫度(14.9 ℃)和降水量(987 mm)較高，但每年大量的有機(jī)肥(15.68 kg·hm-2)和氮肥(315 kg·hm-2)施用量導(dǎo)致的“碳匯”作用遠(yuǎn)大于溫度和降雨造成的“碳源”作用.鹽城市的SOC含量增加最少，僅3.31 g·kg-1(表2).一方面，該市有機(jī)肥的年均施用量較低，為13.86 kg·hm-2；另一方面，鹽城市地處東部沿海區(qū)，年均降水量達(dá)到1 028 mm，造成有機(jī)碳積累緩慢[31].

從蘇北地區(qū)不同縣(市、區(qū))來看，1980—2008年SOC變化量最大的是淮陰縣和金湖縣，分別為7.11和6.90 g·kg-1(表3).其中，淮陰縣的有機(jī)肥年均施用量較高，達(dá)17.53 kg·hm-2，且該縣的初始SOC含量低于其他縣，僅為4.21 g·kg-1；金湖縣氮肥的年均施用量達(dá)500 kg·hm-2[32].1980—2008年SOC含量增幅最小的是建湖縣，總變化量僅1.18 g·kg-1(表3).據(jù)統(tǒng)計(jì)，該縣初始SOC含量較高(6.0 g·kg-1)，年均氮肥(336 kg·hm-2)和有機(jī)肥(13.60 kg·hm-2)施用量較低.

表3 蘇北地區(qū)不同縣(市、區(qū))旱地1980和2008年SOC含量及其變化量Table 3 SOC content and changes at county level from 1980 to 2008 in northern Jiangsu

續(xù)表3

地級市縣名稱 面積萬hm2SOC含量/(g·kg-1)1980年2008年SOC變化總量g·kg-1SOC年均變化量g·kg-1宿遷市沭陽縣 22.566.5211.655.130.18泗洪縣 24.866.7410.503.760.13泗陽縣 14.965.2310.405.170.18宿遷縣 14.656.6211.474.850.17

值得注意的是，溫度和降雨對旱地農(nóng)田SOC含量的影響遠(yuǎn)小于肥料施用的影響，這說明人為活動是蘇北地區(qū)SOC含量明顯升高的主因.

4 討論與結(jié)論

本研究結(jié)果表明，1980—2008年蘇北地區(qū)旱地表層土壤(0～20 cm)有機(jī)碳含量整體呈明顯上升趨勢，平均增加了4.30 g·kg-1，這與很多學(xué)者的研究結(jié)果相一致.例如：Yan et al[33]利用1980年全國第2次土壤普查數(shù)據(jù)及2008年采集的1 394個全國土壤剖面點(diǎn)，得出中國耕地(0～20 cm)SOC平均含量從11.95 g·kg-1上升到12.67 g·kg-1；Liao et al[34]利用1982年662 690個和2004年24 185個土壤剖面數(shù)據(jù)，估算出江蘇省表層土壤(0～20 cm)有機(jī)碳含量從9.45 g·kg-1增加到10.90 g·kg-1.蘇北旱地SOC含量上升的主要驅(qū)動力是氮肥和有機(jī)肥的大量施用.從土壤類型來看，分布面積最廣的潮土有機(jī)碳含量上升最多，達(dá)到5.12 g·kg-1；而面積較小的石灰土有機(jī)碳增量最小，僅為0.01 g·kg-1.從行政單元來看，各地級市的SOC含量上升范圍在3.0～5.0 g·kg-1之間，其中大多數(shù)縣的有機(jī)碳上升范圍在2.4～6.0 g·kg-1之間.總體來看，不同地區(qū)的SOC累積與氣候、有機(jī)碳初始值及肥料施用狀況密切相關(guān). 因此，今后在制定蘇北旱地農(nóng)田管理措施中，一方面應(yīng)考慮各個縣(市、區(qū))的土壤屬性，另一方面應(yīng)考慮實(shí)際肥料施用量.

本研究基于1980和2008年兩期1∶5萬高精度土壤數(shù)據(jù)庫對蘇北地區(qū)旱地SOC含量的變化規(guī)律進(jìn)行了研究，但各個影響因子之間的交互作用尚不明確.今后將運(yùn)用多因素相關(guān)性分析，從人為活動和自然因素等方面綜合定量不同影響因子對SOC變化量的貢獻(xiàn)率. 此外，對土壤“碳源”以及“碳匯”的研究除了關(guān)注有機(jī)碳含量外，還應(yīng)分析基于容重計(jì)算的土壤碳儲量時空變化特征；在分析SOC含量變化的影響因素方面，還應(yīng)對蘇北地區(qū)秸稈還田方式和數(shù)量進(jìn)行量化.