土地利用方式對紫色丘陵區土壤有機碳儲藏特征的影響

鄭杰炳 瞿雪梅 周珉羽

摘要 采取野外調查與室內分析相結合方法，對紫色丘陵區林地、撂荒地、水田、旱地土壤剖面有機碳儲藏特征進行了研究。結果表明，有機碳含量均隨土層深度的增加而逐漸減小，但林地、旱地、撂荒地的降低速度明顯高于水田，說明黏土顆粒對控制土壤有機碳含量起著重要的作用。水田、林地相比撂荒地、旱地更利于有機碳的積累，林地有機碳含量和密度在0～5 cm土層表現出絕對的優勢。隨著土層深度的增加，與水田、撂荒地和旱地的差異逐漸減小，且水田有機碳含量和密度在大于10 cm土層達最大值，而撂荒地有機碳含量和密度在0～20 cm土層高于旱地，說明深層土壤有機碳含量和密度的增加需要一個過程，只有當表層土壤的碳含量或密度達到飽和后才能逐漸對土壤深層的碳含量有所提高。

關鍵詞 紫色丘陵區；土地利用；有機碳；碳密度

中圖分類號 S158 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）16-05058-02

土壤有機碳是微生物分解植物殘體釋放養分的能量資源，對于維持土壤物理特性、提供微生物基質、養分的緩沖與供給和溫室氣體的釋放與儲存具有關鍵作用[1-3]，因此對土壤有機碳庫的研究尤為重要。土壤有機碳主要包括植物、動物及微生物的分解產物，其儲量主要由植物枯枝落葉層的輸入和有機碳的分解速率決定，而人為活動引起的土地利用變化能通過與生境擾動相結合影響土壤有機碳氧化速率、團聚體形成、微生物活性、排水能力與侵蝕速率，同時改變進入土壤的植物殘體數量與種類來影響土壤碳含量與轉化[1，4-6]。自1850年以來的土地利用改變已導致120 Pg C釋放入空氣中，特別是森林向農業生態系統的轉變將導致土壤有機碳儲量減少20%～50%，而森林轉變為草地也將導致20%土壤有機碳的減少。鑒于土地利用的改變導致的有機碳變化對全球氣候變化與土壤質量變化的重要性，國內外學者對有機碳變化已開展了大量研究。但是，土地利用改變對土壤碳的影響依賴于作物類型、植被種植年限、枯枝落葉與根系輸入速率和分解能力以及碳在土壤剖面中的垂直分布[6-9]，同時受氣候與土壤條件的制約，因此已有研究均具有各自研究區域的特點，具有各自的局限性，且當前大多數研究都集中在土壤表層，但深層土壤特別是含有較多根系的土壤反映巨大的碳庫。為此，筆者開展了對重慶典型丘陵山區紫色土不同土地利用方式剖面土壤有機碳含量與密度的研究，為區域土壤有機碳含量的變化提供理論。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況 研究地點位于重慶市榮昌縣吳家鎮大壩村，地理坐標位于N 29°38′50″～29°39′20″，E 105°23′37″～105°24′19″。氣候屬于中亞熱帶濕潤季風氣候區，年平均氣溫17.7 ℃，年降雨量1 117 mm，氣候溫和，熱量豐富，雨量充沛。地貌為丘陵，土壤以遂寧組母質發育的紅棕紫泥為主。目前，研究區域內的土地利用類型主要包括旱地、水田、撂荒地和林地。其中，旱地主要進行玉米-小麥輪作制度，水田作物為水稻，撂荒地為原有旱地撂荒8年以上形成，常年被白茅草覆蓋，土壤中根系較多，而現有林地全部為人工林，樹種為柏樹，生長年限12年，地面生長有少量的白茅草。

1.2 采樣方法 根據研究區域現有土地利用類型，選擇旱地、水田、撂荒地和人工林4種土地利用類型。每種土地利用類型設置3塊樣地。在樣地選擇時，為了避免環境因素造成的影響，減少樣地間差異，所選樣地環境條件大體相似，即樣地均選擇在較平緩的地段，且坡向和土壤類型基本相同。每個樣地挖掘3～5個剖面。采樣時，先去除地面凋落物，分0～5、5～10、10～20、20～40 cm 4層采集，然后將各樣地的剖面土樣分層混合，去除石礫、根系和土壤動物等，用四分法采集樣品，帶回室內后自然風干，供土壤養分分析。

1.3 樣品測定 土壤有機碳采用K2Cr2O7外加熱法測定。土壤容重（BD）采用環刀法，105 ℃烘干測定。

1.4 數據處理 數據分析采用SPSS13.0軟件，方差分析采用LSD法；圖表用sigmaplot10.0制作。有機碳密度（SOCi）計算公式為：

2 結果與分析

2.1 土壤剖面有機碳含量 圖1表明，4種土地利用方式下土壤有機碳平均含量在3.59～7.44 g/kg間，但水田和林地相比旱地、撂荒地更利于有機碳的積累，其有機碳含量高達45%～52%。結合有機碳在不同土地利用方式土層分布情況，可知林地有機碳含量在 0～5 cm土層達最大值，為13.16 g/kg，比水田、撂荒地、旱地有機碳含量高60%～170%，但是隨著土層深度的增加，林地有機碳含量急劇遞減，與撂荒地、旱地間差異不明顯。水田有機碳含量在0～5 cm土層明顯小于林地，與旱地、撂荒地差異較小，土層厚度增加到10 cm后水田有機碳含量表現出最大值，相比林地、旱地、撂荒地高50%～190%，差異達到0.05顯著水平，說明隨著土層厚度的增加，林地、旱地、撂荒地有機碳含量的降低速度明顯高于水田。撂荒地、旱地有機碳含量在整個剖面中均小于水田、林地，其中又以旱地有機碳含量最小。

圖1還表明，有機碳含量總體表現出隨著土層深度的增加而逐漸減小的趨勢，林地、撂荒地有機碳含量受土層深度變化的影響較大。相比0～5 cm土層，20～40 cm土層有機碳含量分別下降了78%和73%，遠遠高于水田、旱地有機碳的遞減幅度（33%和53%）。

2.2 土地剖面有機碳密度 表1表明，土壤有機碳密度在 注：不同小寫、大寫字母表示在相同利用方式下不同深度差異分別達0.05、0.01顯著水平。

土壤有機碳含量不同土地利用方式間存在較大的差異。水田、林地碳密度在整個土壤剖面中達到33～36 t/hm2，而撂荒地和旱地碳密度相比水田、林地減少約50%，可見水田、林地比撂荒地、旱地更利于土壤有機碳的積累。從土層分布來看，0～5 cm土層林地有機碳密度分別比水田、撂荒地、旱地高96%、110%和160%，但是隨著土層深度的增加，林地有機碳密度與撂荒地、旱地間差異逐漸減小，僅為37%～79%。水田0～10 cm土層有機碳密度與撂荒地、旱地差異不大，但土層深度大于10 cm后水田碳密度表現出最大值，特別是20～40 cm土層碳密度分別比林地、撂荒地和旱地高83%、228%、152%。與旱地相比，撂荒地土壤表層（0～20 cm）能有效地吸收碳，但是當土層深度增加后，旱地對碳的蓄積能力強于撂荒地。

3 討論

研究表明，作物殘留物的輸入將導致土壤具有更多的有機碳[10]。研究中，除生長柏樹，林地地面還生長有大量的白茅雜草，土壤獲得生物量較多，因此土壤表層有機碳含量遠遠高于其他3種土地利用方式，而撂荒也是提高土壤肥力的一個重要途徑。研究表明，撂荒地儲藏土壤有機碳能力高于旱地，但限于0～20 cm土層。水田有機碳含量高于撂荒地，特別是土層20 cm以下高于林地。一方面是由于水田本身的殘茬還田作用對有機碳的儲存作用較大；另一方面是水田黏土顆粒含量較高，對控制土壤有機碳含量起著重要作用[11]，并且碳濃度隨著黏土含量的增加而增加[12]。

有機碳含量在不同土層深度中表現出較大的差異性。吳建國等[13]研究表明，次生林、人工林、農田與草地有機碳含量都隨著土層的加深而減少，但是天然次生林與人工林的遞減幅度較大。該研究結果與上述研究結果相似，即4種土地利用方式有機碳含量均隨著土層深度的增加而遞減，但林地、撂荒地隨土層深度的增加而遞減的速率明顯高于水田與旱地。這說明林地、撂荒地土壤表層雖然獲得較多有機殘留物而使得有機碳含量劇增，但并沒有達到飽和而使下層土壤有機碳含量增加，同時林地、撂荒地雖含有較多根系，但分解速度比農田慢[14]，因此并沒有顯著提高深層土壤的有機碳含量，從而使得下層土壤有機碳含量與表層相比表現出劇減趨勢。

雖然該研究沒有研究有機碳含量與密度的相關關系，但是研究表明，林地、水田易于有機碳的蓄積，林地有機碳密度主要在表層表現出優勢，水田有機碳密度則在大于10 cm土層表現出極大值，而撂荒地有機碳密度與旱地相比，也僅在表層（0～20 cm）表現出相對較大值。這些結果與有機碳含量變化趨勢相似。這也說明耕地還林能夠顯著地提高土壤

表層有機碳的蓄積。但是，對于整個剖面特別是深層土壤，有機碳含量和密度的增加需要一個過程，只有當表層土壤的碳含量或密度達到飽和后才能逐漸提高土壤深層碳含量。

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責任編輯 劉月娟 責任校對 李巖