1988―2019年中國農(nóng)田表土有機(jī)碳庫密度變化及其主要影響因素

韓天富，都江雪，曲瀟琳，馬常寶，王慧穎，黃 晶，柳開樓，劉立生，謝建華，吳遠(yuǎn)帆，張會(huì)民*

（1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/耕地保護(hù)國家工程研究中心，北京 100081；2 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所祁陽農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，湖南祁陽 426182；3 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)保護(hù)中心，北京 100125；4 江西省紅壤及種質(zhì)資源研究所，江西南昌 331717；5 湖南省土壤肥料工作站，湖南長沙 410005）

近200個(gè)國家在第26屆氣候變化大會(huì)上初步達(dá)成了《格拉斯哥氣候公約》，要求各國政府基于最佳的科學(xué)知識(shí)制定有效的氣候行動(dòng)和決策，以實(shí)現(xiàn)21世紀(jì)中葉前后達(dá)到碳中和的目標(biāo)[1]。土壤有機(jī)碳(SOC)是全球碳循環(huán)關(guān)鍵的碳庫之一，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、土壤肥力和地表與大氣溫室氣體通量具有重要的調(diào)控作用[2]，而土壤中碳的固定對(duì)全球氣候變化和糧食安全至關(guān)重要[3]。單位面積內(nèi)土壤保持的有機(jī)碳量稱為土壤(有機(jī))碳密度。深入剖析SOC密度時(shí)空分布特征及其變化的影響因素，對(duì)提升SOC密度、提高土壤質(zhì)量、緩解氣候變化以及保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要意義，尤其是受人為因素干擾較大和含量相對(duì)較高的表層SOC密度變化是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[4–5]。

近幾十年來，圍繞農(nóng)田土壤碳密度變化國內(nèi)外展開了大量的研究，包括基于土壤普查數(shù)據(jù)的全國尺度估計(jì)[6–7]，單個(gè)省份或地理區(qū)[8–9]，不同農(nóng)作區(qū)[10]或觀測(cè)點(diǎn)位[11]的變化分析。從土壤背景SOC水平看，我國是SOC密度低且分布不均勻，普遍低于歐美等發(fā)達(dá)國家[6]。SOC密度的空間分布主要受氣候、植被以及人類活動(dòng)的影響，且在地帶性分布基礎(chǔ)上人類活動(dòng)加劇了SOC密度的變化幅度[7]。于嚴(yán)嚴(yán)等[12]提取了發(fā)表文獻(xiàn)中數(shù)據(jù)并與全國二次土壤普查數(shù)據(jù)作對(duì)比，判明2000年左右中國農(nóng)田土壤SOC平均密度略有增加，具體是華北的潮土和褐土區(qū)增幅較大，而東北區(qū)呈降低趨勢(shì)，西北區(qū)沒有明顯變化。Zhou等[9]的研究表明，碳密度地理變異的主要驅(qū)動(dòng)力是土地利用類型，特別是華北和東北地區(qū)，而氣候變化因素較為普遍，只是貢獻(xiàn)程度不同。根據(jù)Yu等[13]研究，中國半干旱地區(qū)SOC變化分別與溫度、降水量和pH等因素相關(guān)。此外，由于我國農(nóng)田土壤類型多、分布廣、土地利用方式不一、施肥等管理措施差異較大[14]，導(dǎo)致目前缺乏全國尺度的數(shù)據(jù)探究土壤有機(jī)碳密度的時(shí)空變化。

遙感和GIS技術(shù)的信息開發(fā)為利用大尺度數(shù)據(jù)估測(cè)農(nóng)田土壤有機(jī)碳密度提供了技術(shù)支撐。但要精確估計(jì)投入碳密度變化，尚需區(qū)域代表性的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)支撐[15–16]和土壤容重與SOC含量間的關(guān)聯(lián)關(guān)系[17]。缺乏長期連續(xù)監(jiān)測(cè)下的土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)，也是目前我國農(nóng)田有機(jī)碳密度估計(jì)存在巨大不確定性的因素。所幸，中國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部在1988―2019的30年間，在我國典型農(nóng)田土壤類型區(qū)陸續(xù)布設(shè)了一批肥料和肥力監(jiān)測(cè)試驗(yàn)點(diǎn)，主要監(jiān)測(cè)農(nóng)民常規(guī)管理下作物產(chǎn)量、肥料投入、氣候、表層(0―20 cm)土壤理化性質(zhì)等指標(biāo)，為進(jìn)一步分析農(nóng)田土壤有機(jī)碳庫密度時(shí)空變化以及關(guān)鍵調(diào)控因素提供了條件。考慮到土地利用類型對(duì)土壤有機(jī)碳庫的影響較大[10]，本研究以旱地、水田和水旱輪作3種利用方式為切入點(diǎn)，分別從時(shí)間和空間尺度，結(jié)合差異性分析和多元分析，深入探明中國農(nóng)田表層土壤有機(jī)碳庫的變化特征及調(diào)控因素，為我國耕地地力提升和糧食安全提供理論支撐，同時(shí)為農(nóng)田土壤固碳減排和應(yīng)對(duì)氣候變化的策略提供參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

自1988年以來，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部先后在我國糧食主產(chǎn)區(qū)有代表性田塊上，陸續(xù)布設(shè)了一批肥力和肥效監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，起步探索階段有46個(gè)點(diǎn)，始于1988年，之后逐步增加了監(jiān)測(cè)點(diǎn)，包括1998年增加了121個(gè)，2004年增加了176個(gè)，2016年增加了955個(gè)，到2019年共計(jì)1298個(gè)持續(xù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地理位置、耕作制度、土壤類型、作物類型、分布面積、管理水平等均有較好的代表性，施肥、灌溉、除草等均按照當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)方式進(jìn)行[17]。監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要為：作物產(chǎn)量、氮磷鉀肥料每季用量，土壤理化指標(biāo)(土壤有機(jī)質(zhì)含量、有效磷含量、速效鉀含量、pH和容重)。根據(jù)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)提供的肥料類型、用量和養(yǎng)分含量進(jìn)行計(jì)算獲得純氮、磷和鉀養(yǎng)分投入量。年均溫和年降雨數(shù)據(jù)部分由監(jiān)測(cè)點(diǎn)直接提供，部分通過國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://data.cma.cn/data/)下載。2000年之前，所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)均不進(jìn)行秸稈還田，2000年之后，所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)陸續(xù)開展秸稈還田。

1.2 樣品采集與測(cè)試

各監(jiān)測(cè)點(diǎn)每年最后一季作物收獲后，按“隨機(jī)”、“等量”和“多點(diǎn)混合”的原則，采集5個(gè)0―20 cm土壤樣品，手動(dòng)除去肉眼可見的根茬及秸稈碎屑，混合均勻后風(fēng)干研磨過1和0.15 mm篩，送至省級(jí)土壤測(cè)試中心，按照《土壤分析技術(shù)規(guī)范》[18]進(jìn)行各指標(biāo)的測(cè)定，其中土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定，土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

農(nóng)田表層有機(jī)碳庫即SOC密度(t/hm2)的計(jì)算公式為[19]：

式中，BD為土壤容重(g/cm3)；SOC含量為土壤有機(jī)碳含量(g/kg)；0.2為土壤深度(m)；10為轉(zhuǎn)換系數(shù)。

為了探究農(nóng)田表層土壤有機(jī)碳庫在時(shí)間維度上的變化特征，我們基于監(jiān)測(cè)時(shí)間的跨度，同時(shí)兼顧不同階段部分點(diǎn)位的調(diào)整和增加，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)每隔10年左右進(jìn)行劃分，共分為3個(gè)階段，具體分為1988―1999 (鑒于前期數(shù)據(jù)較少，此階段包含12年的數(shù)據(jù))、2000―2009和2010―2019，這樣劃分在一定程度上可以降低因點(diǎn)位過少而導(dǎo)致的有機(jī)碳庫的調(diào)查差異。為了探究表層土壤有機(jī)碳庫在空間維度上的差異特征，我們結(jié)合監(jiān)測(cè)點(diǎn)自然地理區(qū)域和糧食主產(chǎn)區(qū)將監(jiān)測(cè)點(diǎn)劃分為：東北地區(qū)(黑龍江、吉林、遼寧、內(nèi)蒙古東北部共401個(gè))、華北地區(qū)(北京、天津、河北、河南、山東和山西共276個(gè))、西北地區(qū)(內(nèi)蒙古西北部、甘肅、寧夏、陜西、青海和新疆共134個(gè))、西南地區(qū)(重慶、四川、貴州、云南、廣西和西藏共104個(gè))、長江中游地區(qū)(湖北、湖南和江西共152個(gè))、長江下游地區(qū)(安徽、江蘇、上海和浙江共134個(gè))、華南地區(qū)(廣東、廣西、福建和海南共97個(gè))。

鑒于相同區(qū)域的氣候相對(duì)一致，加之監(jiān)測(cè)點(diǎn)在最初選定時(shí)考慮到了主要土壤類型和管理措施的代表性，進(jìn)而弱化了由于新增點(diǎn)位和外源碳的輸入量不同而造成較大的差異，能在一定程度上滿足我們探究全國及各區(qū)域SOC密度隨時(shí)間變化規(guī)律以及關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素?？紤]到氣候(年均降雨和年均溫度)、氮磷鉀養(yǎng)分年均投入量和土壤性質(zhì)不僅能夠直接或間接影響SOC的輸入，而且可間接影響SOC的分解和轉(zhuǎn)化[11]；加之提升回歸樹模型(BRT，一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)挖掘算法)能夠分析不同類型的變量和變量之間的相互作用效應(yīng)，適用于非線性關(guān)系，且能回答各自變量對(duì)同一因變量變化影響的相對(duì)重要性或貢獻(xiàn)的百分比[20]，因此，利用BRT探究上述各因素對(duì)SOC密度變化的相對(duì)重要性[21]。

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一用Excel 2016整理并制表，運(yùn)用Sigmaplot 14.0進(jìn)行方程(單直線、雙直線和二次曲線)擬合，借助SPSS 26.0進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，利用R語言(4.0.5)中的gbm包進(jìn)行BRT分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 全國尺度上土壤有機(jī)碳密度統(tǒng)計(jì)分析

1988―2019年間全國農(nóng)田表土層(0―20 cm，下同) SOC密度平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為35.13和15.91 t/hm2，其中水田、旱地和水旱輪作下的平均值分別為 46.18、30.15 和 37.65 t/hm2(表1)，標(biāo)準(zhǔn)差分別為15.16、14.37和12.33 t/hm2，水田和水旱輪作較旱地分別平均高53.2%和24.9%。近3年(2017―2019)全國農(nóng)田表土層SOC密度平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為36.88和17.07 t/hm2，其中水田、旱地和水旱輪作下的平均值分別為45.15、36.06和38.01 t/hm2，標(biāo)準(zhǔn)差分別為19.08、16.47和15.19 t/hm2，水田和水旱輪作較旱地分別平均高25.2%和5.4%。與初始階段(1988―1990)相比，近3年全國農(nóng)田表土層SOC密度的增幅為1.7%，其中水田、旱地和水旱輪作下的增幅分別為10.3%、–3.0%和0.2%。

表1 土壤有機(jī)碳密度(t/hm2 )描述性統(tǒng)計(jì)分析Table 1 Descriptive statistics of soil organic carbon (SOC) density

2.2 全國尺度上土壤有機(jī)碳密度隨時(shí)間變化特征

1988―2019年間全國農(nóng)田表土層SOC密度在3個(gè)時(shí)間段呈先降低后顯著增加趨勢(shì)(圖1)，旱地和水旱輪作下3個(gè)時(shí)間段變化趨勢(shì)同全國尺度上一致，而在水田下無顯著差異。方程擬合結(jié)果表明，整體上SOC密度在2003年之前隨時(shí)間延長呈顯著下降趨勢(shì)，之后呈顯著上升趨勢(shì)，且上升速率低于下降速率(表2)；就水田而言，SOC密度在2000年之前隨時(shí)間延長呈顯著下降趨勢(shì)，之后呈顯著上升趨勢(shì)，且上升速率低于下降速率；就旱地而言，SOC密度在1998年下降到最低點(diǎn)，之后呈增加趨勢(shì)；就水旱輪作而言，SOC密度在2004年之前隨時(shí)間延長呈顯著下降趨勢(shì)，之后呈顯著上升趨勢(shì)，且上升速率低于下降速率。

表2 年均土壤有機(jī)碳密度(y)與試驗(yàn)時(shí)間(x，年)的方程擬合Table 2 The fitted equations of yearly average SOC density (y) and duration (x, year)

圖1 全國尺度下土壤有機(jī)碳密度隨時(shí)間變化特征Fig.1 Characteristic variation in SOC density with monitoring time at the national level

2.3 各區(qū)域土壤有機(jī)碳密度隨時(shí)間的變化特征

各區(qū)域SOC密度在3個(gè)時(shí)間段間的差異特征存在一定的異質(zhì)性(圖2)。就水田而言，東北地區(qū)Ⅲ階段(2010―2019) SOC密度平均值顯著高于Ⅰ階段(1988―1999)，華南地區(qū)呈相反趨勢(shì)，西南和長江中游地區(qū)Ⅱ階段(2000―2009) SOC密度平均值低于Ⅰ和Ⅲ階段，長江下游地區(qū)各時(shí)間段無顯著差異。方程擬合結(jié)果表明東北和華南SOC密度分別隨時(shí)間呈增加和降低趨勢(shì)(表3)，西南和長江中游地區(qū)呈先降低后增加趨勢(shì)。就旱地而言，除了西南和長江中游地區(qū)3個(gè)時(shí)間段無顯著差異以外，其他各區(qū)域Ⅲ階段SOC密度均顯著高于Ⅰ階段，且華北和華南地區(qū)Ⅱ階段SOC密度均顯著高于Ⅰ階段和顯著低于Ⅲ階段。方程擬合結(jié)果表明東北、長江中游和長江下游地區(qū)SOC密度隨時(shí)間呈先降低后增加趨勢(shì)，華北、華南和西北地區(qū)呈增加趨勢(shì)，而西南地區(qū)呈降低趨勢(shì)。就水旱輪作而言，西南地區(qū)Ⅱ和Ⅲ階段SOC密度均顯著高于Ⅰ階段，長江中游呈相反趨勢(shì)，長江下游Ⅰ和Ⅱ階段顯著低于Ⅲ階段。方程擬合結(jié)果表明長江中游和下游地區(qū)SOC密度隨時(shí)間呈先降低后增加趨勢(shì)。近3年的結(jié)果表明，長江中游和東北地區(qū)水田SOC密度較高；除了東北旱地SOC密度較高以外，其他區(qū)域旱地SOC密度均較低；西南地區(qū)水旱輪作SOC密度高于其他地區(qū)。

表3 各區(qū)域年均土壤有機(jī)碳密度(y)與監(jiān)測(cè)年限(x)的方程擬合Table 3 The fitted equations of yearly average SOC density (y) and duration (x) in the main regions

圖2 各區(qū)域不同時(shí)間段土壤有機(jī)碳密度隨時(shí)間的變化特征Fig.2 Characteristic variation in SOC density across the monitoring time in each region

2.4 影響土壤有機(jī)碳密度變化的因素分析

由圖3可知，SOC與全氮之間存在極顯著的線性相關(guān)關(guān)系(P<0.001)，直線斜率表明旱地C/N (9.543)高于水田(8.706)和水旱輪作(8.656)。綜合考慮碳氮較為強(qiáng)烈的耦合關(guān)系，以及在進(jìn)行SOC密度計(jì)算時(shí)已經(jīng)包含土壤容重因子，在進(jìn)一步分析各因素對(duì)SOC密度的重要性時(shí)未包含全氮和容重的影響(圖4和表4)。

圖3 土壤有機(jī)碳和全氮含量之間的關(guān)系Fig.3 The relationship between SOC and total nitrogen contents

提升回歸樹分析結(jié)果(圖4)表明，pH是水田SOC密度下降階段差異的最重要的解釋變量，且隨pH增加SOC密度呈先增加后降低的趨勢(shì)(P<0.01)(僅分析重要性排名前5的相應(yīng)指標(biāo)與有機(jī)碳密度之間的相關(guān)性)，其次是年均降雨和速效鉀；速效鉀是SOC密度上升階段差異最重要的解釋變量，且二者呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，其次是年均溫度和全鉀。年均溫度是解釋旱地SOC密度下降階段差異的最重要的變量，且二者呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，其次是全磷和有效磷；年均降雨是SOC密度上升階段差異的最重要的解釋變量，且二者呈顯著正相關(guān)關(guān)系 (P<0.05)，其次是有效磷和pH。磷肥是解釋水旱輪作SOC密度下降階段差異的最重要變量，且隨磷肥增加SOC密度呈先增加后降低的趨勢(shì)(P<0.01)，其次是氮肥和年均降雨；有效磷是SOC密度上升階段差異最重要的解釋變量，且二者呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，其次是年均降雨和年均溫度。

圖4 各因素對(duì)土壤有機(jī)碳密度的重要性分析Fig.4 Analysis of the relative importance of each index to SOC density

就不同區(qū)域而言，年均溫度是東北、西南和華南地區(qū)水田SOC密度上升階段差異的最重要的解釋變量(表4)；鉀肥是西南和長江中游SOC密度下降階段最重要的解釋變量；速效鉀是長江中游SOC密度上升階段差異最重要的解釋變量。有效磷和年均降雨分別是東北旱地SOC密度下降和上升階段差異最重要的解釋變量；年均溫度是西南地區(qū)SOC密度差異的最重要解釋變量；年均降雨為華北和華南，氮肥是長江中游和下游SOC密度上升階段差異最重要的解釋變量，西北地區(qū)在前期和后期上升階段最重要的解釋變量分別是有效磷和年均溫度。年均降雨和年均溫度分別是西南和長江中游地區(qū)水旱輪作SOC密度轉(zhuǎn)折點(diǎn)分別為2012和2001年之前差異最重要的解釋變量，轉(zhuǎn)折點(diǎn)之后均為有效磷；長江下游地區(qū)在轉(zhuǎn)折點(diǎn)(2013年)之前和之后SOC密度差異最重要的解釋變量分別是年均降雨和氮肥。

表4 各因素對(duì)不同區(qū)域土壤有機(jī)碳密度的重要性(%)分析Table 4 The relative importance (%) of each index to SOC density in the main regions

3 討論

3.1 中國農(nóng)田表層土壤有機(jī)碳密度現(xiàn)狀

本研究通過對(duì)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)深入分析，全面了解了中國主要農(nóng)田有機(jī)碳密度的時(shí)空變化特征。研究結(jié)果顯示全國農(nóng)田有機(jī)碳密度在近30年和近3年的平均值分別為35.13和36.88 t/hm2，而Tang等[22]通過采樣調(diào)查分析了2011―2015年全國58個(gè)典型縣域農(nóng)田有機(jī)碳密度分布特征，發(fā)現(xiàn)表層0―20 cm有機(jī)碳密度的平均值(32.76 t/hm2)低于本研究結(jié)果，He等[23]通過分析1991―2012年IPNI(International Plant Nutrition Institute)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)，得出的結(jié)果也低于本研究結(jié)果，主要原因可能是本研究在計(jì)算有機(jī)碳密度時(shí)忽略了土壤中的礫石占比；其次是本研究所選監(jiān)測(cè)點(diǎn)位管理措施均相對(duì)較完善，土壤肥力水平均相對(duì)較高；此外，IPNI項(xiàng)目主要是根據(jù)經(jīng)緯度網(wǎng)格化采樣獲得的數(shù)據(jù)，土壤肥力差異較大，最終致使本研究結(jié)果相對(duì)偏高；此外，部分點(diǎn)位的容重是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算獲取的，在一定程度上影響有機(jī)碳密度的統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)確性。

隨監(jiān)測(cè)年限的延長，SOC密度整體上呈先降低后增加的趨勢(shì)，這與國內(nèi)部分研究結(jié)果存在微弱的差異。如于嚴(yán)嚴(yán)等[12]提取了發(fā)表文獻(xiàn)中數(shù)據(jù)并與全國二次土壤普查數(shù)據(jù)作對(duì)比，判明2000年左右中國農(nóng)田土壤SOC平均密度略有增加；鄧祥征等[24]基于遙感反演的1988年與2000年土壤數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)年農(nóng)田土壤有機(jī)碳庫在1988―2000年呈增加趨勢(shì)，而在2000―2012年呈降低趨勢(shì)。主要原因是前人研究農(nóng)田SOC密度時(shí)間變化規(guī)律主要以第二次土壤普查數(shù)據(jù)(1980年左右)為參照，而本研究的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)始于二次土壤普查10年后，期間隨著作物產(chǎn)量的持續(xù)提升[25]，根茬和秸稈還田的有機(jī)物質(zhì)也相應(yīng)增加，在一定程度上提高了本研究的基礎(chǔ)參照標(biāo)準(zhǔn)。此外，在1988―1999年，化肥用量顯著增加，而有機(jī)物料投入的比例總體呈減小趨勢(shì)[26]，進(jìn)而導(dǎo)致土壤環(huán)境不斷惡化，尤其是造成土壤酸化[27]，最終影響不同碳庫之間的轉(zhuǎn)換和土壤固碳能力[28]，圖4結(jié)果也顯示土壤pH在水田SOC密度下降過程中有重要的調(diào)控作用。在2000―2009年，隨著高產(chǎn)品種的持續(xù)推廣[29]、測(cè)土配方施肥技術(shù)[30]和秸稈還田進(jìn)一步推進(jìn)[31]，保證我國糧食產(chǎn)量整體呈逐年增加趨勢(shì)[29]，在一定程度上增加了凋落物、根茬及根系分泌物等，進(jìn)而為增加我國農(nóng)田表層SOC密度提供了重要保障，這也是我國農(nóng)田表層SOC密度在2000―2009年中后期整體上增加的主要因素。圖4結(jié)果也顯示土壤鉀素在水田SOC密度上升過程中有重要的調(diào)控作用，這也進(jìn)一步證明持續(xù)推進(jìn)秸稈還田的重要性，我國水稻土整體鉀含量相對(duì)較低且呈虧缺狀態(tài)，隨著氮、磷肥的大量施用和農(nóng)民忽視鉀肥的施用[32]，致使秸稈還田在緩解水田鉀素缺乏[33]和保證水稻穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)方面的作用尤為重要。

3.2 驅(qū)動(dòng)各區(qū)域表層土壤有機(jī)碳密度變化的因素分析

SOC密度變化主要受其輸入和輸出的調(diào)控，輸入主要來源于地上部凋落物、根茬及根系分泌物，而輸出包括根系和微生物消耗及自身礦化作用[34]。這些過程均會(huì)受到作物耕作制度、施肥、灌溉、氣候(溫度和降雨)及其它土壤環(huán)境等因素影響[35]。大尺度SOC密度的時(shí)空分布主要受氣候因素控制；而在相對(duì)小的尺度上，土地利用及管理措施等人為因素的作用強(qiáng)度往往超過氣候因素[14]。如SOC密度在東北地區(qū)相對(duì)較高、西北地區(qū)最低(表3)，這與對(duì)應(yīng)區(qū)域氣候特點(diǎn)密切相關(guān)[36]。土地利用方式能夠通過影響生態(tài)系統(tǒng)的分布與結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響碳循環(huán)和不同碳庫之間的轉(zhuǎn)換[37]。本研究結(jié)果顯示，水田和水旱輪作下SOC密度比旱地平均高53.2%和24.9%，主要原因如下：與旱地相比，外源碳(如秸稈、殘茬、凋落物等)投入到水田時(shí)能夠更容易轉(zhuǎn)化成SOC[38]；水田特殊的厭氧環(huán)境能夠抑制微生物活性，進(jìn)而阻礙土壤固有的有機(jī)質(zhì)分解和促進(jìn)SOC含量的穩(wěn)定和提高[39]；此外，有機(jī)質(zhì)中各組分的穩(wěn)定性和物理化學(xué)保護(hù)機(jī)制的差異，導(dǎo)致其分解、礦化難易程度對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)也存在較大不同[40]。

東北水田SOC密度呈逐年增加趨勢(shì)，這與該地區(qū)水稻土類型和水稻生產(chǎn)特點(diǎn)密切相關(guān)，研究表明，在1980―2000年，黑龍江小麥種植區(qū)逐漸被水稻取代而水稻成為該區(qū)主要作物類型[41]，且種植水稻對(duì)土壤的碳匯效果高于小麥[42]；隨著機(jī)械化、秸稈還田的推廣和產(chǎn)量的持續(xù)增加[26,43]，在一定程度上促進(jìn)了碳的開源和節(jié)流。此外，隨著氣候變暖，更加有利于水稻的生產(chǎn)和秸稈、殘茬、凋落物等外源碳的輸入[44–45]，有利于SOC密度的持續(xù)增加。而東北旱地在2008年之前SOC密度呈降低趨勢(shì)，這與前人研究結(jié)果[46]一致，這可能與該區(qū)土壤過度墾殖而造成養(yǎng)分耗竭、水土流失加劇和外源養(yǎng)分的投入不足密切相關(guān)[47]，加之東北地區(qū)土壤初始SOC含量較高和氣候快速變暖，進(jìn)而促進(jìn)碳的分解[48]和SOC密度逐年降低。而隨著國家的不斷重視和持續(xù)投入，如加大科研投入力度、獎(jiǎng)勵(lì)農(nóng)民秸稈還田和興修水利等，在一定程度抑制了東北地區(qū)SOC密度的下降[49]。

華北地區(qū)和華南地區(qū)旱地SOC密度分別呈逐年增加和降低趨勢(shì)，且受年均降雨量影響較大(圖4和表4)。盡管華北地區(qū)灌溉措施相對(duì)較完善，但是隨著地下水位的不斷下降致使作物生產(chǎn)對(duì)降雨的需求不斷增加[50]，加之華北地區(qū)主要的種植制度是小麥玉米輪作，高度集約化的生產(chǎn)增加了對(duì)土壤的擾動(dòng)和削弱對(duì)碳的保護(hù)，嚴(yán)重阻礙土壤有機(jī)碳的提升；而華南地區(qū)的旱地主要以紅壤為主，肥力貧瘠，降雨充沛，過多的降雨將加速養(yǎng)分的淋失(尤其是鉀素)、造成土壤酸化等，不利于作物的生長和有機(jī)碳的固存，且相對(duì)較高的溫度在一定程度上促進(jìn)了土壤中有機(jī)碳的分解[51]。研究表明，溫度和降雨還能通過調(diào)控土壤pH進(jìn)而間接影響(相關(guān)系數(shù)?0.35～?0.27)土壤有機(jī)碳的儲(chǔ)存[52]。另外，華南地區(qū)隨著雙季或三季稻種植面積的不斷縮減[53]，在一定程度上導(dǎo)致隨作物殘茬和秸稈輸入[54]碳的量在減少。此外，華南地區(qū)的潛育化稻田分布較多，隨著國家高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)的不斷推進(jìn)，使南方丘陵區(qū)一些長期淹水的冷浸田得到有效改善[55]，在一定程度上削弱水田的碳匯功能，進(jìn)而導(dǎo)致SOC密度呈降低趨勢(shì)。

磷是西南地區(qū)水田和水旱輪作SOC密度變化最重要的解釋變量(圖4和表4)，研究表明西南地區(qū)有效磷含量(<12 mg/kg)顯著低于其他區(qū)域，難以保證作物正常的磷素需求[56]，應(yīng)當(dāng)重視磷肥的施用。西北地區(qū)SOC密度同樣受土壤磷素影響較大，這與該區(qū)土壤中較高鈣鎂含量密切相關(guān)，大量的鈣鎂易固定土壤和肥料中磷[57]，阻礙磷素的有效性和作物產(chǎn)量的提升，而隨著科學(xué)施肥(尤其是肥料類型)不斷深入和秸稈還田持續(xù)推進(jìn)[31]，促使該地區(qū)磷素的有效性呈逐漸增高趨勢(shì)[56]。而長江中游地區(qū)由于風(fēng)化程度高而導(dǎo)致土壤中鐵鋁氧化物含量較高[58]，易吸附土壤和肥料中的磷而降低其有效性，進(jìn)而凸顯磷肥投入對(duì)抑制SOC密度下降的重要作用。隨著高產(chǎn)品種的大力推廣，氮磷肥施用量逐漸增加和鉀肥的施用易被忽視，加之該區(qū)域土壤鉀素的本底值因主要含高嶺石粘土礦物而較低，促使對(duì)外源鉀素的需求不斷增加[32]，導(dǎo)致缺鉀成為該區(qū)域稻田產(chǎn)能提升的關(guān)鍵限制因素，進(jìn)而造成土壤速效鉀成為水田SOC密度上升階段主要的驅(qū)動(dòng)因素。然而土壤速效鉀對(duì)水旱輪作下SOC密度變化的影響減弱，主要是因?yàn)樗递喿飨碌母蓾窠惶婺艽龠M(jìn)土壤礦物鉀的釋放[59]，進(jìn)而弱化外源鉀的重要性。與水田不同，該地區(qū)旱地SOC密度下降階段分別受土壤速效鉀和pH的影響較大，該區(qū)域除了缺鉀以外，旱地土壤pH顯著低于其他區(qū)域[60]，嚴(yán)重阻礙作物正常生長，進(jìn)而阻礙碳的輸入和有機(jī)碳的提升。而氮肥對(duì)長江中下游地區(qū)旱地SOC密度下降階段影響較大(表4)，因?yàn)殚L江中下游地區(qū)的旱地主要是一年兩、三熟或者兩年三熟，對(duì)養(yǎng)分的需求量大，足量氮肥能夠在保證作物產(chǎn)量的同時(shí)增加作物殘茬、根系和根際碳沉淀的輸入[15,61]。此外，本研究缺少碳投入方面的詳細(xì)數(shù)據(jù)，對(duì)研究SOC密度變化的影響因素有一定的影響，希望在以后的監(jiān)測(cè)指標(biāo)中盡量收集碳投入指標(biāo)(如有機(jī)物料類型和投入量等)的數(shù)據(jù)，以便今后更準(zhǔn)確的探究我國農(nóng)田SOC密度變化特征。

4 結(jié)論

全國農(nóng)田表層土壤有機(jī)碳平均密度為35.13 t/hm2，以水田>水旱輪作>旱地。總體而言，水田、旱地和水旱輪作土壤有機(jī)碳密度分別在2000、1998和2004年之前呈下降趨勢(shì)，之后呈上升趨勢(shì)。東北水田和西北、華北和華南旱地SOC密度呈逐年增加趨勢(shì)，西南、長江中游水田和東北、長江中下游旱地呈先降低后增加趨勢(shì)，華南水田SOC密度呈逐年降低趨勢(shì)。

影響各區(qū)域農(nóng)田表層SOC密度提升的主要因素：東北和西南地區(qū)的水田和旱地均為年均溫；長江中、下游地區(qū)的水田分別為鉀肥投入和土壤速效鉀含量，旱地均為氮肥的投入；華南地區(qū)的水田和旱地分別為年均溫和年均降雨；華北和西北地區(qū)的旱地分別為年均降雨和土壤有效磷含量；西南和長江中游水旱輪作區(qū)均為土壤有效磷含量，而長江下游為土壤速效鉀含量。