安徽江淮地區(qū)不同耕作方式下水稻土碳含量變化特征研究

梁紅霞，邢潤華，賈十軍，陳富榮，陶春軍

（安徽省地質(zhì)調(diào)查院（安徽省地質(zhì)科學(xué)研究所），安徽合肥 230001）

0 引言

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大且周轉(zhuǎn)時(shí)間最慢的碳庫，而且是最活躍的部分[1～4],因此增加農(nóng)田土壤有機(jī)碳的固定不但可以增加土壤有機(jī)質(zhì)，促進(jìn)土壤肥力，提高作物生產(chǎn)力，而且對(duì)溫室氣體減排也具有舉足輕重的作用[5～6]。土壤碳含量變化不僅受到溫度、水分、土壤質(zhì)地等自然因素的影響,土地利用方式不同對(duì)土壤碳含量具有明顯的影響。一方面，土地利用方式不同，生態(tài)系統(tǒng)也不同，生態(tài)系統(tǒng)土壤碳的輸入也不同。另一方面，不同的土地利用方式下土壤的理化屬性亦不同，土壤有機(jī)碳釋放的強(qiáng)度也不同[7～8]。而土壤碳含量是土壤肥力的重要組成部分，因此無論從研究地球各圈層的物質(zhì)循環(huán)以及保護(hù)生態(tài)環(huán)境，還是保護(hù)珍貴的土壤資源以維護(hù)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，都需對(duì)不同土地利用方式下土壤有機(jī)碳及全碳的分布特征及其變化趨勢(shì)進(jìn)行詳細(xì)研究。

1 研究區(qū)概況

根據(jù)研究目標(biāo)任務(wù)，綜合考慮研究區(qū)水稻土分布及環(huán)境特征，以代表性為前提選擇試驗(yàn)點(diǎn)。試驗(yàn)區(qū)布置在已完成多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查工作區(qū)，依當(dāng)?shù)刂饕N植習(xí)慣，選擇有水稻土分布的主要農(nóng)耕區(qū)連片農(nóng)田，區(qū)域上布點(diǎn)均勻且選點(diǎn)遠(yuǎn)離工廠等污染源。依據(jù)上述選區(qū)原則，結(jié)合區(qū)內(nèi)自然環(huán)境條件，在淮北南部及沿淮稻麥一年兩熟暖溫帶、江淮丘陵小麥雙季稻混作一年兩熟北亞熱帶、沿江雙季稻一年兩熟北亞熱帶不同農(nóng)業(yè)氣候區(qū)各選擇了1個(gè)試驗(yàn)區(qū)。

1.1 合肥市肥西縣馬湖鎮(zhèn)試驗(yàn)區(qū)

試驗(yàn)區(qū)位于小麥雙季稻混作一年兩熟北亞熱帶、江淮丘陵平原區(qū)，土壤類型為水稻土，成土母質(zhì)為晚更新世黏土。樣地東側(cè)為大面積農(nóng)田，西鄰馬湖河，周邊無污染源。耕作地第一季農(nóng)作物為小麥，第二季為水稻。休耕地從大塊農(nóng)田分割，自然未利用地為山坡林地。

1.2 六安市壽縣安豐塘鎮(zhèn)冉村試驗(yàn)區(qū)

試驗(yàn)區(qū)位于淮北南部及沿淮稻麥一年兩熟暖溫帶、沿淮沖積原區(qū)，土壤類型為水稻土，成土母質(zhì)是河流沖積物母質(zhì)。樣地周邊為大面積農(nóng)田，周邊無污染源。耕作地以稻、麥輪作為主。休耕地從大塊農(nóng)田分割，自然未利用地為林地。

1.3 六安市舒城縣杭埠鎮(zhèn)官圩村試驗(yàn)區(qū)

試驗(yàn)區(qū)位于沿江雙季稻一年兩熟北亞熱帶、杭埠河沖積原區(qū)，土壤類型為水稻土，成土母質(zhì)為河流沖積物。樣地周邊為大面積農(nóng)田，周邊無污染源。耕作地第一季農(nóng)作物為油菜，第二季為水稻。休耕地從大塊農(nóng)田分割，自然未利用地為林地。

2 不同土地利用方式碳含量特征

2.1 不同地類土壤碳含量特征

在選定的三個(gè)試驗(yàn)區(qū)分三個(gè)年度和耕地、休耕地、荒地三個(gè)地類分別采集了表層土壤樣品。三個(gè)點(diǎn)不同時(shí)段及地類有機(jī)碳、全碳含量平均值見表1，同一時(shí)段不同地類碳含量見圖1。

圖1 同時(shí)段不同地類土壤碳含量對(duì)比圖Figure 1.Comparison of carbon content in soils of different land types in the same period

由表1可見，不同地類有機(jī)碳、全碳含量平均值顯示總體上依照耕地、休耕地、荒地有機(jī)碳、全碳含量依次升高，但具體到每個(gè)試驗(yàn)區(qū)則各有差異。除杭埠鎮(zhèn)外，其他兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)休耕地有機(jī)碳、全碳含量明顯高于耕地，說明土地休耕后多數(shù)土壤會(huì)增加有機(jī)碳儲(chǔ)量。除馬湖試驗(yàn)區(qū)外其他兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)荒地有機(jī)碳、全碳含量明顯高于休耕地及耕地，說明在自然狀態(tài)下，多數(shù)土壤碳含量具有明顯的積累。

表1 不同地類碳含量（%）Table 1.Carbon contents in different types of lands（%）

2.2 不同地類不同深度（剖面）碳量討論

2.2.1 不同地類不同深度土壤碳分布特征

本次各工作每個(gè)年度在耕地及荒地中按照0—10、10—15、15—20、20—30、30—40……的采樣間距采集了土壤剖面樣品。各試驗(yàn)區(qū)土壤剖面有機(jī)碳含量分布特征見圖2，全碳分布特征見圖3。

圖2 各試驗(yàn)區(qū)土壤剖面有機(jī)碳含量分布圖Figure 2.Distribution of organic carbon content in soil profile of each experimental area

圖3 各試驗(yàn)區(qū)土壤剖面全碳含量分布圖Figure 3.Distribution of total carbon content in soil profile of each experimental area

由圖可見，有機(jī)碳及全碳在表層40cm以上土壤成急劇降低的趨勢(shì)，40cm以下趨于穩(wěn)定。不同地類比較，耕地土壤一般在30～40cm區(qū)段趨于穩(wěn)定，荒地則在20～30cm深度趨于穩(wěn)定，前者斜率要大于后者。說明在農(nóng)耕土壤經(jīng)耕作植物根系發(fā)育較荒地（林地）要深，影響深度達(dá)40cm左右，而林地土壤以草本植物為主未經(jīng)過翻耕，植物根系影響深度在30cm左右。

2.2.2 不同深度土壤碳儲(chǔ)量特征

根據(jù)剖面分層實(shí)測(cè)碳含量及實(shí)測(cè)土壤容重（表2），以樣點(diǎn)控制的120m2的采樣單元分層計(jì)算了剖面碳儲(chǔ)量。分層剖面土壤碳儲(chǔ)量見表2。為了進(jìn)行對(duì)比研究，將各剖面均統(tǒng)一到1m深度，分別計(jì)算了20cm、1m深度土壤碳儲(chǔ)量（表2）。

由表2可以看出，不同地類各層土壤碳儲(chǔ)量相比，5～30cm深度各層土壤耕地碳儲(chǔ)量多數(shù)高于荒地，其他層位明顯低于荒地，說明在耕種條件下碳在-5～-30cm之間層位富集，而荒地多為林地，地面為草本，0～5cm厚度土壤含有大量腐殖質(zhì)，表層土壤荒地碳儲(chǔ)量大于農(nóng)田，而耕地在-5cm以下農(nóng)作物根系帶入的腐殖質(zhì)相對(duì)荒地要多，在-5～-30cm之間耕地土壤碳儲(chǔ)量大于荒地?；牡?m以上土壤碳儲(chǔ)量普遍高于農(nóng)田。各類土壤中50cm以上土壤有機(jī)碳、全碳碳儲(chǔ)量占1m深度土壤碳儲(chǔ)量的70%以上。

表2 不同地類不同年份不同深度土壤碳儲(chǔ)量統(tǒng)計(jì)Table 2.Statistics of soil carbon storage at different depths of soils of different land types and different years

續(xù)表2

續(xù)表2

2.3 不同時(shí)段碳含量變化特征

不同時(shí)段同地類土壤碳含量變化見圖4。由圖可見，耕地、休耕地有機(jī)碳隨著時(shí)間的推移，總體上均發(fā)生了累積，荒地除杭埠鎮(zhèn)外其他兩個(gè)地區(qū)也發(fā)生了累積，但不同年份季節(jié)有機(jī)碳含量變化較大。與初次采樣相比，除杭埠鎮(zhèn)試驗(yàn)區(qū)外其他兩個(gè)區(qū)總體成上升趨勢(shì)。全碳變化較為復(fù)雜，耕地、休耕地與初次采樣相比總體呈上升態(tài)勢(shì)，而荒地杭埠鎮(zhèn)試驗(yàn)區(qū)全碳有所降低，其他兩個(gè)區(qū)具有升高態(tài)勢(shì)。

圖4 不同年份不同地類土壤碳含量對(duì)比圖Figure 4.Comparison of carbon content in soils of different land types and different years

表3反映了最后采樣時(shí)段與初始土壤碳含量變化情況。由表可見碳含量增加的比例有機(jī)碳明顯高于全碳，有機(jī)碳在休耕地中增加的比例明顯高于其他地類，全碳則在荒地中增加比例最大。

表3 不同試驗(yàn)區(qū)及不同地類碳含量累積量統(tǒng)計(jì)Table 3.Statistics of carbon content accumulation in different experimental areas and different land types

3 影響因素分析

不同類別土壤有機(jī)碳、全碳與其他指標(biāo)相關(guān)系數(shù)見表4。由表可見，有機(jī)碳與全碳相關(guān)性顯著，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.80，有機(jī)碳、全碳與N、Na2O、P、K2O、Cd、Hg、Pb、S、Zn、CaO、Al2O3、MgO呈正相關(guān)，與SiO2、As、Cr、Cu、Mn、Ni、TFe2O3、pH呈負(fù)相關(guān)。根據(jù)相關(guān)性，對(duì)土壤有機(jī)碳、全碳影響較大的元素為N、Na2O、P、K2O、SiO2。說明增加土壤肥力可以增加土壤碳含量，在質(zhì)地較粗（SiO2含量較高）的土壤中碳含量較低。

表4 有機(jī)碳、全碳與其他指標(biāo)相關(guān)系數(shù)Table 4.Correlation coefficients between organic carbon,total carbon and other indicators

土壤剖面與表層土壤SiO2/Al2O3比值與有機(jī)碳、全碳相關(guān)性見圖5。土壤SiO2/Al2O3比值與土壤中不同顆粒含量（土壤質(zhì)地）相關(guān)性見圖6。

圖5 土壤剖面與表層土壤SiO2/Al2O3比值與有機(jī)碳、全碳相關(guān)性圖Figure 5.Correlation of SiO2/Al2O3 ratio vs organic carbon or total carbon for soil profile or topsoil

圖5顯示，土壤剖面表層以下土壤以砂粒級(jí)、黏粒級(jí)質(zhì)地物質(zhì)為主，二者占60%以上。表層土壤由于風(fēng)化作用，硅質(zhì)淋濾，土壤SiO2/Al2O3比值高于深層土壤，土壤碳含量隨深度增加含量降低，表現(xiàn)出碳含量與土壤SiO2/Al2O3比值呈正相關(guān)性。而表層土壤以粉粒級(jí)物質(zhì)為主，多在總量的50%以上，隨著SiO2/Al2O3比值的增加粉粒物質(zhì)含量增加，該類土壤疏松程度較好，利于植物生長(zhǎng)，土壤碳含量亦隨之增加。

由圖6可見，土壤剖面及表層土壤砂粒級(jí)、黏粒級(jí)含量與SiO2/Al2O3比值呈明顯的負(fù)相關(guān)，與粉粒級(jí)含量呈正相關(guān)。而土壤剖面及表層土壤SiO2/Al2O3比值與有機(jī)碳、全碳含量呈相反特征，剖面為正相關(guān)，表層土壤為負(fù)相關(guān)。

圖6 土壤剖面及表層土壤SiO2/Al2O3比值與各粒級(jí)土壤相關(guān)性圖Figure 6.Correlation of SiO2/Al2O3 ratio vs soil of each particle size for soil profile or topsoil

4 結(jié)論

（1）通過水稻土實(shí)驗(yàn)樣地連續(xù)監(jiān)測(cè)表明，耕地、休耕地有機(jī)碳隨著時(shí)間的推移，總體上均發(fā)生了累積，荒地兩個(gè)地區(qū)也發(fā)生了累積，但不同年份季節(jié)有機(jī)碳含量變化較大。

（2）與初次采樣相比，除杭埠試驗(yàn)區(qū)外其他兩個(gè)區(qū)總體成上升趨勢(shì)。全碳變化較為復(fù)雜，耕地、休耕地與初次采樣相比總體成上升態(tài)勢(shì)，而荒地杭埠試驗(yàn)區(qū)全碳有所降低，其他兩個(gè)區(qū)具有升高態(tài)勢(shì)。

（3）最后采樣時(shí)段與初始土壤碳含量變化情況表明，碳含量增加的比例有機(jī)碳明顯高于全碳，有機(jī)碳在休耕地中增加的比例明顯高于其他地類，全碳則在荒地中增加比例最大。