环境科学  2015, Vol. 36 Issue (9): 3422-3428   PDF    
引用本文
王玉竹, 肖和艾, 周萍, 童成立, 葛体达, 曾冠军, 吴金水. 江汉平原农田土壤有机碳分布与变化特点:以潜江市为例[J]. 环境科学, 2015, 36(9): 3422-3428.
WANG Yu-zhu, XIAO He-ai, ZHOU Ping, TONG Cheng-li, GE Ti-da, ZENG Guan-jun, WU Jin-shui. Distribution and Dynamics of Cropland Soil Organic Carbon in Jianghan Plain: A Case Study of Qianjiang City[J]. Environmental Science, 2015, 36(9): 3422-3428.
江汉平原农田土壤有机碳分布与变化特点:以潜江市为例
王玉竹1,2, 肖和艾1, 周萍1, 童成立1, 葛体达1, 曾冠军1, 吴金水1     
1. 中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态过程重点实验室, 长沙 410125;
2. 中国科学院大学, 北京 100049
收稿日期: 2015-01-17; 修订日期: 2015-03-30.
基金项目： 中国科学院战略性先导科技专项(XDA05050505);国家自然科学基金项目(41371252,41430860);国家科技支撑计划项目(2013BAD11B02-4)
作者简介：王玉竹(1991~),女,硕士研究生,主要研究方向为农田土壤固碳,E-mail:wangyuzhu516@163.com
通讯联系人,周萍,zhouping@isa.ac.cn
摘要：以地处江汉平原腹地的潜江市农田土壤(水田、旱地)为研究对象,于2011年实地采样分析表层土壤(0~20 cm)有机碳的分布现状,并对比第二次土壤普查(1983年)资料,探讨28 a来江汉平原农田土壤有机碳的分布与变化特点. 结果表明, 2011年潜江市农田表层土壤有机碳密度为30.50 t ·hm-2,碳储量为452.82×104 t,与1983年相比有明显下降,下降速率分别为0.10 t ·(hm2 ·a)-1和1.53 t ·a-1,碳储量共损失了9%. 两个时期水田土壤有机碳密度均明显高于旱地土壤,分别是旱地土壤的1.6倍和1.3倍,但是经过28年的常规耕作管理,水田土壤有机碳密度呈下降趋势,下降速率为0.23 t ·(hm2 ·a)-1,导致的有机碳损失为52.83×104 t,损失比例达16%; 而旱地土壤有机碳则以0.05 t ·(hm2 ·a)-1的速率缓慢增长,碳储量共增加了8.57×104 t,增加比例为5%,远不能抵消水田土壤的有机碳损失. 水田土壤碳储量的损失主要来自于低产潜育型水稻土碳密度的大幅下降所致(尽管其所占面积比例较小),其碳损失量占水田碳损失量的比例达80%; 其次为占水田面积比例最大的潴育型水稻土,其碳损失量占水田碳损失量的15%. 旱地土壤碳储量增长缓慢,完全来自于面积占96%的灰潮土有机碳密度的增长. 因此,江汉平原区水田土壤有机碳的变化决定了农田土壤有机碳的整体动向,今后需着力提升有机碳下降迅速的低产水田以及面积较大的土壤类型的有机碳积累和固持能力.
关键词： 土地利用     土壤类型     土壤有机碳     碳密度     碳储量     水田     旱地    
Distribution and Dynamics of Cropland Soil Organic Carbon in Jianghan Plain: A Case Study of Qianjiang City
WANG Yu-zhu1,2, XIAO He-ai1, ZHOU Ping1 , TONG Cheng-li1, GE Ti-da1, ZENG Guan-jun1, WU Jin-shui1    
1. Key Laboratory of Agro-Ecological Processes in Subtropical Region, Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences, Changsha 410125, China;
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract: Taking an example of Qianjiang City in Jianghan Plain, the distribution and dynamics of soil organic carbon (SOC) in croplands was studied in present study. The cropland included both paddy field and dry land. SOC contents were analyzed by taking soil samples of topsoil (0-20 cm) in 2011 according to land uses and soil types, and then compared with the initial SOC conducted in the period of the second soil survey (1983). The results showed that SOC density and storage in 2011 was 30.50 t ·hm-2and 452.82×104 t, respectively. During the past 28 years, the cropland SOC density was decreased at a rate of 0.10 t ·(hm2 ·a)-1, and SOC storage was reduced by 9% with the decreasing rate of 1.53 t ·a-1. SOC density and storage in paddy field was about 1.6 and 1.3 times over that in dry land in the two selected periods. However, the dynamics of SOC in paddy field and dry land were quite the opposite. In paddy field, SOC was lost by 16% (52.83×104 t), with a decreasing rate of 0.23 t ·(hm2 ·a)-1; whereas in dry land, SOC was increased by 5% (8.57×104 t), with an increasing rate of 0.05 t ·(hm2 ·a)-1. The loss of SOC in paddy field was mainly resulted from gleyed paddy soil, which suffered a fast decrease of SOC density and accounted for 80% of SOC lost in paddy field. In addition, Hydromorphic paddy soil, accounting for 50% of the area of paddy field, tended to loss another 15% of SOC in paddy field. While in dry land, the minor SOC storage increased was dominantly attributed to grey fluvo aquic soil, which accounted for 96% of the area of dry land. Thus, the dynamics of cropland SOC in Jianghan Plain was dominantly controlled by SOC changes in paddy field. Our findings suggest that effective management should be considered to enhance the capacity of SOC accumulation and sequestration in the low-yield paddy field and the types of soils that are large in area.
Key words: land use     soil type     soil organic carbon     carbon density     carbon storage     paddy field     dry land    

农田土壤受人类活动(耕作、施肥等)的影响最为强烈,其有机碳库可在短期内对人为干扰作出响应,成为大气CO2的"源"或"汇"[1, 2, 3].因此,农田土壤碳储量的准确估算对于了解区域尺度农田土壤碳库的动态变化及其对气候变化的影响具有十分重要的意义[4, 5, 6, 7].近年来,我国关于区域农田土壤碳库的估算主要通过全国、地理层面的尺度对第二次土壤普查资料进行统计分析.已有研究大多认为,自第二次土壤普查以来,我国农田土壤有机碳总体上呈增长趋势,固碳效应明显,其中水稻土的有机碳增长速率明显大于旱土[8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16].尽管如此,某些地区由于人类不合理的土地利用活动有可能导致农田土壤有机碳出现减少的趋势,成为大气CO2的"源"[17, 18, 19, 20, 21, 22],从而可能影响对大尺度农田碳平衡的精确估算.因此,明确区域农田土壤有机碳的变化趋势,对于优化区域农田管理措施、促进区域土壤有机碳库的精确估算和维持区域碳平衡具有重要意义.

江汉平原区位于湖北省中南部,是由长江和汉江共同冲积而成的广阔平原,属亚热带季风气候.该区域农田土壤占全国耕地面积的2%左右,历来是湖北乃至全国重要的粮食产区和农产品生产基地.经过近30 a的农业耕作管理和土地利用方式的频繁改变,江汉平原农田土壤有机碳的现状与变化趋势究竟如何,仍然有待于深入探讨.目前该区域已有的少量关于农田土壤有机碳的研究主要集中在不同利用方式之间的差异,认为水田土壤有机碳含量明显高于旱地土壤,但有机碳稳定性却低于旱地土壤[23,24].

县域是我国国家尺度土壤碳库估算的基本地域单元.因此,本研究以位于江汉平原腹地的潜江市为例,于2011年通过"点对点"实地密集采样,基于土地利用和土壤类型分析农田土壤有机碳现状,并通过与1983年第二次土壤普查数据进行对比,估算近30 a来潜江市农田土壤有机碳的变化,探讨影响土壤有机碳变化的主要土壤成因,以期为江汉平原区农田土壤碳估算及区域碳平衡提供基础理论依据.

1 材料与方法 1.1 研究区概况

潜江市(E112°29′~113°01′,N30°04′~30°39′)位于湖北省中南部江汉平原腹地,辖区共14个管理区(农场)、1个省级经济开发区、10个镇和1个原种场,是重要的粮棉油生产基地.境内地势平坦开阔,地形西北部略高,东南部低,地面海拔为26~31 m.年平均气温16.1℃,年平均降雨量1119.7 mm,属于北亚热带湿润性季风气候.潜江市现有耕地面积223万亩,其中水田125万亩,旱地98万亩,分别占56%和44%.主要作物为棉花、小麦、油菜、水稻、豆类、花生、玉米和薯类,大多为一年二熟制.土壤类型主要为水稻土和潮土,有零星黄棕壤分布.

1.2 土壤样点布设与样品采集

土壤样点的布设遵从综合性、均衡性、可对照性的原则,主要考虑土壤类型和土地利用方式,采用土壤类型-土地利用联合单元布点法.各类型单元的样点数与面积成比例,在空间分布上大致均匀,且尽量与全国第二次土壤普查点重合,尽可能做到"点对点"比对.全市共布设样点143个,其中水田样点75个,旱地样点68个(图 1).

图 1 2011年潜江市采样点分布 Fig. 1 Soil sampling locations in Qianjiang City in 2011

于2011年9月进行土壤样品采集,在每个布设样点的田块随机5点采集0~20 cm表层土壤样品,混合为1个土壤样品.并采用环刀(容积100 cm3)取原状土测量土壤容重,3次重复.采样的同时记录每个样点的经纬度、海拔、地形地貌等自然环境,并调查当地田间施肥管理与产量等状况.采集的新鲜土样带回实验室,剔除可见的的动植物残体,置于通风、阴凉、干燥的室内自然风干,过2 mm筛,一部分用于测定土壤pH值和土壤颗粒组成,另一部分继续过0.045 mm筛,用于测定土壤有机碳(SOC)和全氮(TN)等土壤理化指标.

1.3 土壤样品分析

土壤有机碳含量采用重铬酸钾氧化-外加热法测定[25];土壤全氮含量采用硒粉-硫酸铜-硫酸消化法得到消煮液,FIAstar5000流动注射分析仪测定;土壤含水量采用烘干法测定;土壤容重采用环刀法测定;土壤pH采用pH计(土水比1:2.5)测定.

1.4 计算方法 1.4.1 土壤有机碳密度及其变化速率

采用下列公式计算农田表层土壤有机碳密度[11]:

式中,SOCD为土壤有机碳密度(t ·hm-2),SOC为有机碳含量(g ·kg-1),γ为土壤容重(g ·cm-3),H为土层厚度(cm,本研究取20 cm),δ为>2 mm颗粒所占的体积分数(%).对于第二次土壤普查时某些样点表层采样深度<20 cm时,采用加权平均法换算成20 cm深度的SOC含量.对于部分样点缺失表层土壤容重时,用下列公式计算土壤容重[11]:

土壤有机碳密度变化速率采用下式计算:

式中,Dr为土壤有机碳密度年均变化速率[t ·(hm2 ·a)-1],SOCDt为2011年采样时的土壤有机碳平均密度(t ·hm-2),SOCD0为第二次土壤普查时的土壤平均有机碳密度(t ·hm-2),t为年限(a).

1.4.2土壤有机碳库及其变化速率

土壤有机碳库计算如下:

式中,S为土壤有机碳库(t),A为某一利用方式或土壤类型土壤的面积(hm2). 土壤有机碳库变化速率采用下式计算:

式中,Sr为土壤有机碳库年均变化速率(t ·a-1),St为2011年采样时土壤有机碳储量(t),S0为第二次土壤普查时土壤有机碳储量(t),t为年限(a).

1.5 统计分析

数据处理采用Microsoft Excel 2003进行,统计分析用SPASS 13.0统计软件对不同年份与土壤类型之间土壤有机碳差异进行ANOVA分析,LSD法进行差异显著性检验.

2 结果与分析 2.1 不同利用方式农田土壤有机碳分布与变化

这里将农田土壤按照利用方式分为水田和旱地两种.由图 2和图 3可见,1983年和2011年两个时期潜江市农田表层土壤(0~20 cm)有机碳(SOC)含量的频率分布特征相似.但是,同一时期水田和旱地之间SOC的频率分布特征差别较大(图 3),其中水田土壤SOC约有65%分布在10~20 g ·kg-1之间;而旱地土壤SOC则主要分布在5~10 g ·kg-1之间,分布频率达60%.

图 2 潜江市农田表层土壤有机碳含量的频率分布 Fig. 2 Frequency distribution of topsoil SOC

图 3 潜江市水田和旱地表层土壤有机碳含量的频率分布 Fig. 3 Frequency distribution of topsoil SOC contents in paddy soils and dry lands of Qianjiang City

进一步计算土壤有机碳密度和储量,可以看出,潜江市农田土壤有机碳密度和碳储量总体表现为下降趋势.农田土壤碳密度由1983年的33.39 t ·hm-2下降到2011年的30.50 t ·hm-2,变化量为-2.89 t ·hm-2,变化速率为-0.10 t ·(hm2 ·a)-1(表 1);土壤碳储量由1983年的495.73×104 t减少到2011年的452.82×104 t,变化量为-42.91×104 t,变化速率为-1.53×104 t ·a-1.1983和2011年水田土壤碳密度均明显高于旱地土壤,两者之间有机碳密度和碳储量的变化也存在明显差异.与1983年相比,水田土壤有机碳密度和碳储量呈现下降趋势,分别减少了6.36 t ·hm-2和52.83×104 t,变化速率分别为-0.23 t ·(hm2 ·a)-1和-1.89×104 t ·a-1.相反,旱地土壤有机碳密度和碳储量表现为增加趋势,分别增加了1.31 t ·hm-2和8.57×104 t,变化速率分别为0.05 t ·(hm2 ·a)-1和0.31×104 t ·a-1(表 1).

表 1 潜江市不同利用方式农田土壤碳密度/储量的分布与变化1) Table 1 Distribution and change of soil organic carbon density/storage in cropland with different land uses in Qianjiang City
2.2 不同土壤类型农田土壤有机碳分布与变化

潜江市农田土壤主要包含3个土类,8个亚类,17个土属.以潮土土类的灰潮土亚类为主,占农田土壤面积的43%,其次为水稻土土类的潴育型水稻土亚类,占28%.因浅潮土田、浅黄棕壤性第四纪黏土泥田、黄棕壤性侧渗泥田、砂土型潮土、黏土型潮土、砂土型灰潮土、黏土型灰潮土、第四纪黏土黄棕壤等8个土属和黄棕壤1个土类的面积极少,分别仅占农田面积的比例不足0.5%,其有机碳变化总体上并不能影响农田土壤碳库的变化,故在此不予阐述.

水稻土土类以潴育型水稻和淹育型水稻土为主,分别占水稻土面积的50%和33%,潜育型水稻土和沼泽型水稻土分别占15%和2%左右.1983~2011年间,水稻土中仅淹育型水稻土的有机碳密度略有增加,增量为2.48 t ·hm-2,因其所占水稻土的面积比例较高,所增加的碳储量达到6.49×104 t.其余3种水稻土亚类的有机碳密度和碳储量均呈下降趋势(表 2).尽管潜育型水稻土占水稻土面积的比例较小,但其土壤碳密度降低最快,导致水稻土的碳储量损失也为最大(42.27×104 t),占水稻土碳损失量的比例为80%.潴育型水稻土共损失了13.24×104 t有机碳,占水稻土碳损失量的比例约为15%.沼泽型水稻土碳损失量为2.26×104 t,占水稻土碳损失量的比例约为4%.

潮土土类的2个亚类均表现为土壤固碳趋势,有机碳密度的变化幅度相似(表 2).但因灰潮土亚类在潮土土类中的面积比例(97%)占有绝对优势,其增加的土壤碳储量(8.14×104 t)约是潮土亚类(0.35×104 t)的23倍,占整个潮土土类碳增量的比例高达95%.

表 2 潜江市不同土壤类型农田土壤有机碳密度/储量的分布与变化1) Table 2 Distribution and change of soil organic carbon density/storage in cropland with different soil types in Qianjiang City
3 讨论

本研究结果表明,潜江市第二次土壤普查(1983年)时的农田表层土壤有机碳密度为33.39 t ·hm-2,这一结果与Song等[26]、许泉等[27]报道的第二次土壤普查时我国农田表层土壤有机碳密度(32~35 t ·hm-2)相接近.2011年潜江市农田耕层土壤碳密度为30.50 t ·hm-2,明显低于亚热带地区的现有水平(34.3~60.4 t ·hm-2)[13,19]和全国尺度的平均水平(36.7 t ·hm-2)[28].与第二次土壤普查相比,潜江市农田土壤有机碳密度有所下降,导致的土壤碳库损失量达42.91×104 t,这与国内大部分研究[11, 13, 29, 30]认为的自第二次土壤普查以来我国农田土壤普遍出现明显的固碳效应相反,也与奚小环等[31]关于江汉平原区自第二次土壤普查至2004年期间农田土壤碳密度明显增加的结论不一致.这是否跟近10年来潜江市农田土壤碳库的急剧损失有关,还需要进一步分析.近30年来潜江市水田和旱地土壤有机碳库的变化截然相反,旱地土壤有机碳密度和储量略有增加,与邰继承等[23]对江汉平原区旱地土壤有机碳库变化的认识相一致;而水田土壤有机碳密度和储量均呈减少趋势,其减少量分别为旱地土壤增量的5倍和6倍,直接导致了潜江市整个农田土壤碳密度和储量的降低.也就是说,潜江市水田土壤有机碳的变化趋势直接决定了潜江市农田土壤碳库的整体动向.潜江市水田土壤的这种碳损失现状与我国绝大多数关于水田土壤普遍呈固碳趋势,且固碳速率快于旱地的认识并不一致[8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15].此外,同一利用方式不同类型农田土壤有机碳储量的变化亦存在较大差异,这种差异既受到土壤有机碳密度变化的控制,也受到土壤类型面积的影响[32].比如潜育型水稻土的面积不足潴育型水稻土的1/3,鉴于其碳密度的下降速度是后者最大值的3倍之多,导致的碳损失量是后者的3倍.另外,灰潮土亚类的有机碳密度水平及其增量与潮土亚类相似,但因其所占潮土土类的面积最大,其碳增量在潮土土类碳增量中的份量占绝对主导地位.

导致不同类型水稻土有机碳密度与变化存在差异的因素比较复杂,可能跟土壤理化性状、初始有机碳水平以及管理措施等的交互作用有关[33].潜江市水稻土有机碳密度下降最多的是潜育型水稻土,其造成的碳储量损失占整个水稻土碳损失量的比例高达80%.这与文雅等[34]对粤北山区潜育型水稻土有机碳随时间变化的趋势相一致.潜育型水稻土是南方稻区广泛分布的低产水稻土,多分布在沟谷等排水条件差的低洼部位,具有还原性物质多、通气性差、供肥缓慢等障碍特点,直接影响水稻的根系发育并导致水稻的低产和减产[35].水稻残体的还田量是影响稻田土壤有机碳的主要因素[13,36].虽然潜育型水稻土有机质的矿化程度较低,初始有机碳密度较高,但长期耕作带来耕层土壤的不断人为扰动,可能会加速耕层土壤有机质的矿化损失,加之低产水稻生产下通过作物根系分泌和残茬等进入土壤的有机物质归还量较少,不能有效补充水稻收获从土壤中移走的有机物质,从而导致该类型水稻土有机碳密度的大幅下降.淹育型水稻土的有机碳密度略有增加,与许信旺等[37]在安徽省贵池区淹育型水稻土有机碳随时间变化的趋势相同.这可能跟淹育型水稻土淹水时间不长,属幼年型水稻土,且土壤有机碳密度的初始水平在水稻土中属最低有关.前人已有关于SOCD初始值对SOCD年均变化具有反方向作用的报道,也即高有机碳初始值的农田土壤SOCD降低速率反而更大[32,38].由于淹育型水稻土初始有机碳密度最低,而且淹育型水稻土所占水稻土的面积比例仅次于潴育型水稻土,若经过合理耕作管理等措施的改良,进一步提升土壤有机碳水平,对于潜江市水田土壤有机碳水平的提升具有重要作用.潴育型水稻土的植稻历史悠久,土壤熟化程度高,通常为高产田,植物残体归还量大,而且长期水耕熟化作用下有利于土壤有机碳的积累,土壤碳储量水平也相对较高[39,40].但是经过28 a的常规耕作后,潴育型水稻土部分土属的土壤有机碳密度有轻微的下降趋势,这可能是因为潴育型水稻土的水分含量更适宜微生物的活动,同时干湿交替以及频繁地人为扰动(翻耕、水改旱等)提高了土壤呼吸强度,促进了有机碳的分解和转化,从而可能导致潴育型水稻土有机碳的损失[41].

4 结论

1983~2011年潜江市农田表层土壤有机碳储量共损失了9%,呈现"碳源"效应.这主要源于水田土壤有机碳的大量损失所致(52.83×104 t),损失幅度为16%.相反,旱地土壤碳储量却呈轻微的"碳汇"效应,有机碳共增加了8.57×104 t,增幅为5%,远不足以抵消水田土壤的碳损失.水田土壤有机碳的损失主要来自于低产潜育型水稻土碳密度的大幅下降以及面积比例最大的潴育型水稻土碳密度的轻微降低导致的碳储量损失,两者碳损失量占水田土壤碳损失的比例分别为80%和15%.今后需加强对潜江市低产水田进行改良,避免进一步的碳损失,并力保面积比例占据优势的土壤类型的有机质稳定与提升.

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