休閑農(nóng)業(yè)旅游背景下浙江省水改旱土壤有機(jī)碳的時(shí)空分異

楊東偉，張建強(qiáng)，黃學(xué)彬，章明奎

（1. 海南熱帶海洋學(xué)院 海島旅游資源數(shù)據(jù)挖掘與監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)文化和旅游部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南 三亞 572000；2. 浙江大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 杭州 310027；3. 廣西大學(xué) 商學(xué)院，廣西 南寧 530004）

土壤中的有機(jī)碳既是碳匯又是碳源。全球土壤圈碳儲(chǔ)量約1 500 Gt，約是大氣圈碳儲(chǔ)量的2倍，植被碳儲(chǔ)量的3倍，每年因土地利用變化所釋放的二氧化碳(CO2)約占全球CO2釋放量的25%[1?4]。不合理的土地利用方式能夠引起土壤碳匯功能減弱[5]。一般而言，濕地由于較低的有機(jī)質(zhì)分解速率和較高的生產(chǎn)力而成為重要的碳匯[6]。有研究[7]表明：在過去近200 a中，濕地開墾后土壤碳素?fù)p失約4 Gt。水田是蘊(yùn)含人類文明的人工濕地生態(tài)系統(tǒng)，由于其巨大的碳庫(kù)儲(chǔ)存能力而逐漸受到學(xué)者的關(guān)注。近年來，隨著休閑農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，中國(guó)南方大面積水田改種花卉和果樹，水稻Oryza sativa播種面積逐漸減少。相關(guān)年鑒統(tǒng)計(jì)表明：2017年全國(guó)水稻播種面積為3 074.7萬hm2，比1978年減少了367.4萬hm2；2019年浙江省水稻播種面積為76.1萬hm2，比2012年減少7.3萬hm2，比1995年減少137.8萬hm2。水田(水耕人為土)改旱作后，土體環(huán)境由還原過程占優(yōu)勢(shì)向氧化過程為主過渡，土壤有機(jī)碳礦化速率明顯加快。目前，關(guān)于土壤碳儲(chǔ)量的研究主要集中在同一種土地利用方式碳循環(huán)影響因素、碳排放結(jié)構(gòu)特征和區(qū)域差異[8]，以及天然濕地轉(zhuǎn)化為農(nóng)田以后對(duì)碳儲(chǔ)存的影響等方面[5?7]，針對(duì)水田改旱作后土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量變化及其空間分布的研究較少。本研究通過測(cè)算水田改旱前后土壤有機(jī)碳含量的差異，分析其時(shí)空分異特征及影響因素，對(duì)提高土壤肥力和土壤固碳潛力，科學(xué)評(píng)價(jià)和保護(hù)人工濕地生態(tài)系統(tǒng)，減少碳排放有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

浙江省 (27°02′ ～31°11′N， 118°01′ ～123°10′E)處于典型亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，冬夏季風(fēng)交替明顯，四季分明，氣溫適中，雨水豐沛，日照充足，平均氣溫為15.0 ～18.1 ℃，≥10℃積溫為5 200 ～5 700 ℃，年日照總時(shí)數(shù)為1 100 ～2 200 h，歷年平均降水量為1 060 ～2 000 mm，相對(duì)濕度為75% ～80%。近年來，隨著生產(chǎn)生活方式的轉(zhuǎn)變，浙江省很多農(nóng)業(yè)用地被用來發(fā)展休閑農(nóng)業(yè)。

1.2 供試土壤

依據(jù)中國(guó)土壤系統(tǒng)分類檢索(第3版)，水耕人為土(水稻土)可分為潛育、鐵滲、鐵聚和簡(jiǎn)育水耕人為土等四大類[9]。在浙江省范圍內(nèi)，構(gòu)建4個(gè)水耕人為土改旱序列剖面，每個(gè)序列包含1個(gè)長(zhǎng)期種植水稻的土壤剖面和2個(gè)水改旱不同年限(最長(zhǎng)為15 ～20 a)的土壤剖面，共計(jì)12個(gè)采自獨(dú)立田塊的代表性土壤剖面。土壤剖面樣地信息詳見表1，所有樣地海拔為2.7 ～5.2 m，成土母質(zhì)為湖沼、湖海或河海相淤積物。

表1 土壤樣品基本信息Table 1 Basic information of soil samples

根據(jù)土壤剖面發(fā)育狀況，確定發(fā)生層及其深度，分層采集土壤樣品。田間采集的分層土樣帶回實(shí)驗(yàn)室采用常規(guī)方法風(fēng)干處理，依次過2.00和0.15 mm土篩，用于土壤有機(jī)質(zhì)測(cè)定，同時(shí)用烘干法測(cè)定含水率，矯正分析結(jié)果。

1.3 研究方法

土壤含水率測(cè)定采用烘干法；土壤pH測(cè)定采用電位法；土壤有機(jī)碳(SOC)質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定采用重鉻酸鉀-硫酸外加熱法；土壤容重測(cè)定采用環(huán)刀法[10]。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

依據(jù)《中國(guó)土壤系統(tǒng)分類檢索》[9]和單正軍等[11]估算溫室氣體排放的方法，按照SOC剖面分布特征，分層計(jì)算SOC損失量，公式為C0=HBC。C0為SOC密度(kg·m?2)，H為土層厚度(m)，B為土壤容重(kg·cm?3)，C為SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)(kg·kg?1)；其中C=0.58CM，CM為測(cè)定出的土壤有機(jī)質(zhì)，0.58為轉(zhuǎn)換系數(shù)。將計(jì)算出的各土層SOC疊加，計(jì)算水耕人為土改旱(水改旱)作前后1 m土體中SOC總量，計(jì)算旱作前后土體中SOC總量的差值，測(cè)算SOC的損失量；通過計(jì)算損失量與旱作時(shí)間的比值，測(cè)算SOC年損失率。采用Excel 2003處理數(shù)據(jù)，Origin 8.0制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤地下水位和田間含水率的變化

濕地CO2釋放量與地下水位呈負(fù)相關(guān)[12?13]。從圖1可見：4類水耕人為土改旱作后地下水位均呈現(xiàn)不同程度下降，其中以潛育和鐵滲水耕人為土改旱后地下水位下降最為明顯。改旱后，土壤田間含水率明顯下降，短期旱地表層土壤田間含水率降幅為28.88% ～51.42%，長(zhǎng)期旱地表層土壤田間含水率降幅為31.41% ～56.65% (表2)。

圖1 水田和改旱土壤地下水位Figure 1 Groundwater level of paddy and upland soils

表2 土壤剖面樣品基本性質(zhì)Table 2 Basic properties of soil profile samples

2.2 土壤容重和pH的時(shí)空變化

容重大小不僅能反映土壤結(jié)構(gòu)狀況和有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的高低，還是衡量濕地土壤持水性能和蓄水性能的重要指標(biāo)之一[14]。改旱作后，各序列表層和亞表層土壤容重隨旱作時(shí)間延長(zhǎng)呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，其中表層土壤容重增加最為明顯(表2)；這與改旱后土壤翻耕減少，土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低以及進(jìn)入土壤的植物根系等殘?bào)w明顯減少有關(guān)。改旱后，各序列剖面土壤淀積層和底土層(相當(dāng)于潛育層或母質(zhì)層)土壤容重變化不明顯(表2)。

改旱后，4個(gè)改旱序列部分發(fā)生層土壤pH明顯下降(表2)，可能原因是改旱后土壤中施用大量酸性肥料促進(jìn)了土壤的酸化(表3)；其次，土壤中銨態(tài)氮在硝化細(xì)菌的作用下轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，以及土壤中錳離子(Mn2+)、鐵離子(Fe2+)等離子被氧化，都釋放出大量的質(zhì)子(H+)，加速了土壤酸化。

表3 水田及改旱土壤施肥量的差異Table 3 Differences of fertilization between paddy and upland soils

2.3 SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的時(shí)空變化

隨著旱作時(shí)間延長(zhǎng)，4個(gè)改旱序列SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)都呈現(xiàn)整體降低趨勢(shì)，并以表層和亞表層SOC降低最為明顯(圖2)。短期(7 ～12 a)改旱后，4類水耕人為土表層SOC下降幅度為22.44% ～33.03%，亞表層SOC下降幅度為17.26% ～27.61%。長(zhǎng)期(15 ～20 a)改旱后，4類水耕人為土表層SOC分別下降34.13%、42.08%、42.08%和36.96%，亞表層SOC分別下降30.58%、57.06%、42.07%和29.25%。從空間分布看，各土壤剖面表層和亞表層SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于其他發(fā)生層；同一剖面中，隨著深度增加，SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸降低。

圖2 水田和改旱土壤剖面有機(jī)碳分布Figure 2 Distribution of organic carbon in the profiles of paddy and upland soils

水田改旱作后剖面各發(fā)生層中SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低的主要原因是：改旱作后人為滯水水分狀況消失，土壤通氣性增強(qiáng)，微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的分解速率加快；同時(shí)，改旱后土壤充分暴露在空氣中，加速有機(jī)碳化學(xué)氧化；此外，改旱后植物根系、枝干等植物殘?bào)w進(jìn)入土壤的數(shù)量減少，使SOC總量下降。改旱后，表下層SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)略微降低，主要與改旱后隨黏粒淋溶并淀積到上述發(fā)生層的有機(jī)碳減少有關(guān)。

2.4 土壤剖面中有機(jī)碳密度及損失率

由表4可知：改旱作15 ～20 a后，潛育、鐵滲、鐵聚和簡(jiǎn)育改旱序列，1 m深度土體內(nèi)SOC分別損失 13.90%、34.92%、18.93% 和 23.89%，年損失率分別為 2.06、2.92、1.14 和 1.54 t·hm?2·a?1。本研究結(jié)果與水田改玉米地后表層土壤(0 ～15 cm)有機(jī)碳損失率 (1.9 t·hm?2·a?1)的結(jié)論基本一致[15]。研究表明：水耕人為土改旱作后SOC減少與地下水位下降有關(guān)，供試SOC損失量與地下水下降深度呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.82 (圖3)。

表4 土壤剖面有機(jī)碳密度及其年損失率Table 4 Content and loss rate of soil organic carbon of profile samples

圖3 土壤有機(jī)碳損失量與地下水位下降深度關(guān)系Figure 3 Relationship between the loss of organic carbon and the decline of the depth of groundwater level

3 討論

水耕人為土(水稻土)可分為潛育、鐵滲、鐵聚和簡(jiǎn)育等 4 類，浙江省內(nèi)4種水耕人為土均有分布，以鐵聚和簡(jiǎn)育水耕人為土分布最為廣泛。潛育水耕人為土多分布在低洼區(qū)，一般地下水位較高，表層土壤容易受到地下水的影響；鐵滲水耕人為土由于強(qiáng)烈還原淋溶和氧化淀積作用，有明顯的鐵淋失的亞層；鐵聚水耕人為土具有明顯氧化還原淋溶和氧化鐵淀積作用，在水耕氧化還原層的上部具有明顯的鐵積累亞層；簡(jiǎn)育水耕人為土是氧化還原作用引起的鐵錳淋溶淀積作用較弱的一類水耕人為土。本研究發(fā)現(xiàn)：潛育、鐵滲和簡(jiǎn)育改旱系列，旱作前期土壤有機(jī)碳損失率高于后期，這主要與改旱后人為滯水水分狀況消失，土壤田間水分含量在旱作前期較后期下降更加明顯等因素有關(guān)。由于潛育水耕人為土改旱系列土壤有機(jī)碳含量的絕對(duì)值較大，鐵聚水耕人為土系列地下水位相對(duì)較低，改旱后潛育和鐵聚水耕人為土土壤有機(jī)碳的年損失率相對(duì)較高。水耕人為土改旱序列土壤有機(jī)碳損失量與地下水位下降深度呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)，相關(guān)性系數(shù)達(dá)0.82。

1995—2012年浙江省水田面積減少100.6萬hm2，2019年比2012年水稻播種面積減少7.3萬hm2，水田面積下降趨勢(shì)減緩。本研究發(fā)現(xiàn)：1 m深度土體內(nèi)4個(gè)系列土壤有機(jī)碳年損失率為1.14 ～2.92 t ·hm?2·a?1；由此推算：同1995年相比，2019年浙江省不同類型水耕人為土改旱作導(dǎo)致1 m深土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量減少了122.96萬 ～314.95萬t，平均減少218.96萬t。與NISHIMURA等[16]發(fā)現(xiàn)的水改旱導(dǎo)致土壤碳素?fù)p失的結(jié)論是一致的。水耕人為土改旱作后，土壤碳匯功能減弱，溫室氣體排放增加，對(duì)區(qū)域碳平衡產(chǎn)生重要影響；有效控制水耕人為土改為旱地的土地面積，是減少第一產(chǎn)業(yè)碳排放的重要方法。

4 結(jié)論

休閑農(nóng)業(yè)旅游背景下，水田改旱作后，進(jìn)入土壤的植物殘?bào)w減少，土壤植物碳輸入減少；土壤水分含量降低，碳礦化損失增加，是導(dǎo)致土壤有機(jī)碳大幅下降的主要原因。水改旱后，地下水位下降導(dǎo)致土壤有機(jī)碳損失速率加快；改旱作后人為滯水水分狀況的消失，以及較低的地下水位，不利于土壤有機(jī)碳儲(chǔ)存。保持和提高現(xiàn)有水田面積，有利于土壤有機(jī)碳儲(chǔ)存和減少農(nóng)田溫室氣體排放。隨著近年來浙江省水田改旱地面積的有效控制，水改旱引起的溫室氣體排放問題，有望得到緩和。