生態(tài)型土地整治工程對(duì)土壤固碳能力的影響研究

梁 穎，耿 檳，鮑海君

（1.浙江財(cái)經(jīng)大學(xué)東方學(xué)院工商管理分院，浙江·嘉興 314408；2.浙江財(cái)經(jīng)大學(xué)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展研究院，浙江·杭州 310018；3.浙江財(cái)經(jīng)大學(xué)城鄉(xiāng)規(guī)劃與管理學(xué)院，浙江·杭州 310018）

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生態(tài)型土地整治工程對(duì)土壤固碳能力的影響研究

梁 穎1，耿 檳2，鮑海君3*

（1.浙江財(cái)經(jīng)大學(xué)東方學(xué)院工商管理分院，浙江·嘉興 314408；2.浙江財(cái)經(jīng)大學(xué)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展研究院，浙江·杭州 310018；3.浙江財(cái)經(jīng)大學(xué)城鄉(xiāng)規(guī)劃與管理學(xué)院，浙江·杭州 310018）

摘 要：針對(duì)中國(guó)農(nóng)田整治存在的土壤固碳能力降低問(wèn)題和生態(tài)景觀工程實(shí)施要求，基于實(shí)證區(qū)土壤樣點(diǎn)化驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)傳統(tǒng)型土地整治和生態(tài)型土地整治前后有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度的差異進(jìn)行了實(shí)證分析，圍繞工程措施、結(jié)構(gòu)調(diào)整措施、區(qū)域劃定，提出了增強(qiáng)土壤固碳能力的生態(tài)型土地整治工程改革建議。

關(guān)鍵詞：土地整治；生態(tài)工程；固碳；碳儲(chǔ)量；碳含量；碳密度

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農(nóng)田土壤有機(jī)碳（SOC）是全球土地系統(tǒng)極其重要的碳庫(kù)，據(jù)估計(jì)農(nóng)田SOC含量為植物碳含量（5.5×1017g）的3倍、大氣圈碳含量（7.5×1017g）的2倍［1］。提升農(nóng)田土壤固碳能力不僅是增加土壤肥力和農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力的需要［2］，也是履行《京都議定書(shū)》、哥本哈根協(xié)議等國(guó)際公約減少溫室氣體以及制定應(yīng)對(duì)政策的關(guān)鍵點(diǎn)［3］。

近年來(lái)，中國(guó)大范圍開(kāi)展的土地整治在鞏固國(guó)家糧食安全的資源基礎(chǔ)中發(fā)揮了巨大作用［4］。但是，由于缺乏生態(tài)景觀理論和技術(shù)指導(dǎo)，傳統(tǒng)型土地整治工程過(guò)度追求“田成方、路成網(wǎng)、渠相通、樹(shù)成行”的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，通過(guò)推土機(jī)式的力量對(duì)土地進(jìn)行過(guò)分的改造，輕視循環(huán)、共生，致使大量需生態(tài)化的溝渠路被過(guò)度硬化，多樣化的小樹(shù)林被砍掉，水塘被填埋，河流被拉直［5］，對(duì)農(nóng)田SOC平衡造成強(qiáng)烈干擾，有機(jī)碳加快排放到大氣中可能會(huì)加劇氣候變化。通過(guò)生態(tài)型土地整治工程保護(hù)土壤碳匯能力越來(lái)越受到相關(guān)學(xué)者的關(guān)注［6～10］。從理論方面來(lái)看，土地整治既可能破壞土壤形狀、質(zhì)量使土壤中活性有機(jī)質(zhì)、微生物數(shù)量降低，導(dǎo)致形成碳源，也可能通過(guò)整治改善土壤質(zhì)量形成固碳。因此，研究生態(tài)型土地整治對(duì)農(nóng)田SOC的影響具有理論和實(shí)踐意義。

1 研究區(qū)概況和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

2007年至今，浙江省義烏市佛堂鎮(zhèn)將生態(tài)型土地整治引入到部分土地整治項(xiàng)目中，與傳統(tǒng)型土地整治相比，在工程設(shè)計(jì)和對(duì)農(nóng)田固碳能力的影響存在一定差異。因此該文選擇佛堂鎮(zhèn)作為研究區(qū)域。佛堂鎮(zhèn)位于浙中丘陵盆地區(qū)，全鎮(zhèn)地貌類(lèi)型屬于平原、崗地、低丘，年平均氣溫17.1℃，年平均降雨量1303毫米，年均日照時(shí)數(shù)2129.7小時(shí)，東陽(yáng)江等河流流經(jīng)，分布眾多的水庫(kù)和坑塘。土壤以水稻土和潮土為主，土壤質(zhì)地以黏壤土、壤土、沙質(zhì)黏壤土為主。耕作層平均厚度為13.5厘米，犁底層平均厚度為7.7厘米。

1.2 研究方法

（1）野外采樣方法

由于土地整治對(duì)SOC的影響是一種持久過(guò)程，因此選擇在不同時(shí)間（整治前和整治后）、同一項(xiàng)目區(qū)內(nèi)重復(fù)采樣分析。本研究第一次采樣時(shí)間是2006年，為土地整治前樣品采集，第二次采樣時(shí)間是2012年，為土地整治后的樣品采集。供選擇生態(tài)型土地整治項(xiàng)目樣點(diǎn)31個(gè)，以及佛堂鎮(zhèn)內(nèi)相似土質(zhì)、區(qū)位利用條件等情況下傳統(tǒng)型土地整治項(xiàng)目樣點(diǎn)27個(gè)，采集樣點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。利用梅花點(diǎn)法采樣，即先確定對(duì)角線的中點(diǎn)作為中心抽樣點(diǎn)，再在對(duì)角線上選擇四個(gè)與中心樣點(diǎn)距離約10m的點(diǎn)作為樣點(diǎn)，取5個(gè)點(diǎn)深15cm的土壤各1kg進(jìn)行均量混合并按四分法棄取后裝入樣品袋，對(duì)采樣點(diǎn)的具體情況如土壤剖面形態(tài)特征、土地利用方式等做詳細(xì)記錄，采用GPS定位，記錄經(jīng)緯度。

（2）室內(nèi)試驗(yàn)及計(jì)算

采集的土樣在自然風(fēng)干后，去除動(dòng)植物殘?bào)w，用瑪瑙研缽粉碎再過(guò)1mm土壤篩裝瓶。采用重鉻酸鉀—外加熱法測(cè)定第i樣點(diǎn)土壤有機(jī)碳含量（SOCCi，g/kg）。而土壤有機(jī)碳密度（SOCDi，t/hm2）可由下式計(jì)算。

SOCDi=SOCCi×vi×ti×（1-ki）/10

式中，vi為土壤容重（g/cm3），采用環(huán)刀法測(cè)定；ti為取土壤厚度（cm）；ki為＞2mm的石礫體積百分含量（%）。2006年土壤取樣及化驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源于義烏市農(nóng)業(yè)局。采用Excel 2010和Spss 17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與檢驗(yàn)分析。

圖1　浙江義烏市佛堂鎮(zhèn)傳統(tǒng)型土地整治和生態(tài)型土地整治采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution of soil sampling sites of traditional land renovation and ecological land renovation in Fotang town of Yiwu city， Zhejiang province

2 結(jié)果與討論

2.1 生態(tài)型土地整治和傳統(tǒng)型土地整治對(duì)農(nóng)田SOC影響對(duì)比分析

（1）土壤有機(jī)碳含量比較分析

從表1試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，傳統(tǒng)型土地整治實(shí)施后SOCC （7.91g/kg）小于傳統(tǒng)型土地整治實(shí)施前（8.38g/kg），說(shuō)明傳統(tǒng)型土地整治的實(shí)施降低了農(nóng)田土壤固碳能力。這可能是傳統(tǒng)型土地整治以增加耕地?cái)?shù)量為目的，將項(xiàng)目?jī)?nèi)坑塘等農(nóng)田景觀開(kāi)發(fā)成耕地，以及為了改善生產(chǎn)條件，農(nóng)田水利設(shè)施和交通道路過(guò)度混凝化，改變了土壤理化性狀，破壞了土壤生物多樣性，加快了土壤有機(jī)質(zhì)分解，造成項(xiàng)目區(qū)表層土壤有機(jī)碳庫(kù)損失明顯。

而相比之下，生態(tài)型土地整治對(duì)SOCC提高效果顯著性較高，實(shí)施后提高了28.41%。這主要是由于生態(tài)型土地整治采用表土剝離回填、客土培養(yǎng)及改良等土壤生物工程，增加了SOCC，提升了碳匯。天然林保留、農(nóng)田防護(hù)林種植、秸稈還田等措施，增加項(xiàng)目區(qū)凋落物，促進(jìn)了碳匯。此外，通過(guò)科學(xué)設(shè)計(jì)生態(tài)孔洞溝渠、涵管等農(nóng)田水利、道路，保護(hù)生物多樣性，有利于農(nóng)田SOC吸收。

傳統(tǒng)型土地整治實(shí)施后，SOCC標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)有所減少，表明整治后SOCC離散程度降低，這可能與傳統(tǒng)型土地整治實(shí)施過(guò)程中并未結(jié)合項(xiàng)目區(qū)土地特點(diǎn)進(jìn)行差異化設(shè)計(jì)，而是采用坑塘填埋、土地平整等統(tǒng)一措施，區(qū)域范圍內(nèi)農(nóng)田SOCC呈現(xiàn)趨同性。相比較之下生態(tài)型土地整治實(shí)施前后，SOCC標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)變化不大，這可能與為保留坑塘、河流、古樹(shù)等生態(tài)景觀，而采用差異化生態(tài)型土地整治設(shè)計(jì)有關(guān)。

表1　生態(tài)型土地整治與傳統(tǒng)型土地整治實(shí)施前后土壤有機(jī)碳含量（SOCC）對(duì)比Table 1 Soil organic carbon content before and after traditional land renovation and ecological land renovation

（2）土壤有機(jī)碳密度比較分析

土壤有機(jī)碳密度不僅是一項(xiàng)反映土壤特性的重要指標(biāo)，也是統(tǒng)計(jì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量主要參數(shù)，本文選擇土壤有機(jī)碳密度（SOCD）作為衡量生態(tài)型土地整治和傳統(tǒng)型土地整治實(shí)施前后土壤固碳能力變化的指標(biāo)。如圖2所示，佛堂鎮(zhèn)項(xiàng)目區(qū)傳統(tǒng)型土地整治實(shí)施后SOCD平均值降低了6.70%，這主要是由于傳統(tǒng)型土地整治實(shí)施過(guò)程中為了增加耕地面積，填埋了坑塘、河流等自流灌溉水利設(shè)施，但是硬化的溝渠未能滿足區(qū)域內(nèi)全部水田的灌溉，甚至部分項(xiàng)目破壞了幾十年自然形成的水田土壤犁底層，農(nóng)民只能放棄水田耕種改為旱地農(nóng)作，土地利用方式的改變對(duì)土壤有機(jī)碳密度影響明顯。生態(tài)型土地整治實(shí)施前后SOCD平均值提高了30.46%，主要是由于生態(tài)型土地整治實(shí)施過(guò)程中維持了原來(lái)水系，保持了農(nóng)田耕種模式，此外自然林的保留以及防護(hù)林的栽種，林木的落葉間接的提升了土壤有機(jī)碳密度。

圖2　生態(tài)型土地整治與傳統(tǒng)型土地整治實(shí)施前后土壤有機(jī)碳密度變化Fig.2 Change of soil organic carbon density before and after traditional land renovation and ecological land renovation

2.2 不同耕作方式下土壤有機(jī)碳含量比較分析

本文將采樣點(diǎn)中土地整治前后土地利用方式不變前提下，分水田和旱地，對(duì)比分析不同土地利用方式下生態(tài)型土地整治和傳統(tǒng)型土地整治對(duì)土壤有機(jī)碳含量（SOCC）的影響。如表2所示，傳統(tǒng)型土地整治實(shí)施后，水田SOCC減少了18.23%，旱地減少了8.59%，這表明傳統(tǒng)型土地整治對(duì)水田的固碳能力損壞比旱地大，這主要是由于水田對(duì)農(nóng)田水系依賴度較高，且水田犁底層較為脆弱。生態(tài)型土地整治實(shí)施后，水田SOCC增加了12.69%，旱地增加了25.03%，這表明生態(tài)型土地整治對(duì)旱地的固碳能力提升效果比水田大，這主要是由于相對(duì)于水田，旱地SOCC基礎(chǔ)含量較低，生態(tài)型土地整治在保持生物多樣性、自然林、水系等條件下，增加了灌溉設(shè)施、防護(hù)林等，使得旱地SOCC易于升高。

表2　不同耕作方式下土壤有機(jī)碳含量（SOCC）比較Table 2 Effects of different tillage methods on soil organic carbon content

2.3 不同等別下土壤有機(jī)碳含量比較分析

生態(tài)型土地整治實(shí)施后等別較高（質(zhì)量較差）的10等地SOCC提升38.99%，等別較低（質(zhì)量較好）的7等地SOCC提升22.67%，這主要是由于等別較高的土地相對(duì)較為貧瘠，土壤有機(jī)碳初始值比較低，更注重耕地表土層保護(hù)、生態(tài)環(huán)境提升的生態(tài)型土地整治實(shí)施前后有機(jī)質(zhì)進(jìn)入土壤后相對(duì)增加的就多。傳統(tǒng)型土地整治實(shí)施后等別較低（質(zhì)量較好）的7等地SOCC降低9.87%，等別較高（質(zhì)量較差）的10等地SOCC降低1.25%，這主要是傳統(tǒng)型土地整治實(shí)施破壞了等別較低相對(duì)較為肥沃土地的脆弱農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，農(nóng)田土壤有機(jī)碳損失較大。

表3　不同等別土壤有機(jī)碳含量（SOCC）比較Table 3 Effects of different land grade on soil organic carbon content

3 生態(tài)型土地整治的固碳措施與建議

3.1 土地整治生態(tài)工程措施

土地整治工程是土地平整工程、農(nóng)田水利工程、田間道路工程、農(nóng)田防護(hù)林工程等多項(xiàng)工程的綜合，土地整治過(guò)程必然會(huì)對(duì)整治區(qū)域農(nóng)田的土壤碳循環(huán)平衡帶來(lái)影響。因此，為了達(dá)到不破壞乃至提高SOC含量的效果，在整治中需要特別注意生態(tài)工程措施運(yùn)用。

首先，表土剝離回填和客土改良是土地整治中保護(hù)土壤固碳能力的有效物理措施。整治中如果涉及到對(duì)耕作層的破壞，應(yīng)根據(jù)地形地貌特點(diǎn)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，采用表層熟土剝離與回填措施保護(hù)土壤固碳能力。此外，將其他地方的富含有機(jī)質(zhì)的塘泥、草炭土、沼澤土、泥炭土及易風(fēng)化物等搬運(yùn)到待改良的土壤如沙土上，經(jīng)過(guò)摻和，調(diào)整土壤的物理組成，從而有效改善土壤理化性狀特別是土壤的結(jié)構(gòu)得到改善，土壤有機(jī)質(zhì)含量會(huì)明顯增加。

第二，種植綠肥和秸稈還田是農(nóng)用地整治中增加土壤固碳量的有效生物措施。種植綠肥可以為土壤提供養(yǎng)分，促進(jìn)土壤中難溶性養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，直接改善土壤的物理化學(xué)性狀，促進(jìn)土壤微生物的活動(dòng)，進(jìn)而達(dá)到土壤固碳作用。通過(guò)秸稈還田可以有效提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善耕作層土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，提高耕作層的保水、保氣、保肥、保熱等能力，降低耕作層土壤體積質(zhì)量和增加土壤孔隙度及通透性，從而直接改善農(nóng)田土壤理化性狀，加速土地養(yǎng)分循環(huán)，有利于土壤有機(jī)碳的固定和積累。

第三，通過(guò)多種措施保護(hù)生物多樣性間接提高土壤有機(jī)碳含量。充分利用鄉(xiāng)土植物建立集防護(hù)、生態(tài)景觀及經(jīng)濟(jì)效益與一體的農(nóng)田防護(hù)林，因地制宜地增加灌叢、樹(shù)籬，為鳥(niǎo)類(lèi)等生物提供棲息和覓食場(chǎng)所。此外，生態(tài)型溝渠建設(shè)過(guò)程中，應(yīng)遵循河流的自然形態(tài)，保持其縱向的蜿蜒和橫向形態(tài)的多樣性，以提高河流水系的自我修復(fù)功能，保護(hù)好原有的灌溉體系，盡可能避免用混凝土澆筑的溝渠，以維持水中生物對(duì)水體的自凈功能。還要充分利用地形地貌設(shè)計(jì)農(nóng)路路線，避免大面積挖填土方，有利于土壤有機(jī)碳的積累，實(shí)現(xiàn)土壤固碳量的有效增加。

第四，對(duì)于由酸化、污染退化、肥力退化和生物學(xué)退化而導(dǎo)致的固碳能力較弱的土壤，應(yīng)將土地整治作為契機(jī)，在整治工程實(shí)施中運(yùn)用物理、化學(xué)、生物和工程等技術(shù)，修復(fù)土壤呼吸、二氧化碳固定、微生物多樣性，通過(guò)一系列生態(tài)型土地整治的土壤修復(fù)措施，提升土地固碳能力。

3.2 生態(tài)工程土地整治結(jié)構(gòu)調(diào)整措施

從分析結(jié)果可知，水田和旱地不同的土地利用方式對(duì)土壤有機(jī)碳的積累有不同的效果。水田的有機(jī)碳含量顯著大于旱地，但經(jīng)過(guò)生態(tài)工程土地整治后，旱地的有機(jī)碳含量提高幅度更明顯，說(shuō)明旱地有機(jī)碳基礎(chǔ)含量低，但具有更高的固碳潛力。據(jù)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)，浙江省水耕土壤的表層有機(jī)碳庫(kù)含量都高于相應(yīng)的旱地土壤［11，12］。因此，在生態(tài)工程土地整治過(guò)程中，要注意土地利用結(jié)構(gòu)的調(diào)整，避免過(guò)度崇尚田成方和規(guī)模經(jīng)營(yíng)而破壞水田，應(yīng)保護(hù)水耕土壤，盡可能多的將旱地轉(zhuǎn)化為水田，同時(shí)也要注意土地利用的適宜性，選取適宜的農(nóng)作物和適宜的耕作制度進(jìn)行耕作，以期通過(guò)生態(tài)工程土地整治提高土壤有機(jī)碳的積累。

3.3 生態(tài)型土地整治實(shí)施區(qū)域劃定

根據(jù)研究結(jié)果可知，生態(tài)型土地整治實(shí)施后不同質(zhì)量等別耕地土壤固碳能力提升效果不同，等別低的耕地比等別高的耕地有機(jī)碳含量高，但經(jīng)過(guò)生態(tài)型土地整治后，等別高的耕地固碳能力提高幅度更明顯。說(shuō)明等別高質(zhì)量差的耕地生態(tài)涵養(yǎng)能力脆弱，例如低丘緩坡上新補(bǔ)充的耕地往往位置偏遠(yuǎn)、水土不匹配、自然條件較差，如果土地整治過(guò)程中不注重生態(tài)保護(hù)與提升，土壤固碳能力可能被破壞。因此，應(yīng)根據(jù)耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)成果，基于評(píng)價(jià)單元利用等指數(shù)開(kāi)展生態(tài)型土地整治實(shí)施分區(qū)工作，對(duì)于等別較低質(zhì)量好的土地，特別是劃入高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田建設(shè)的土地，設(shè)為生態(tài)型土地整治重點(diǎn)優(yōu)化區(qū)域，在生態(tài)型土地整治實(shí)施應(yīng)重點(diǎn)注意區(qū)域生態(tài)條件保護(hù)，不要為了過(guò)度追求田塊連片、大型機(jī)械應(yīng)用而填埋坑塘，破壞河流，對(duì)于等別較高質(zhì)量較差的擬開(kāi)發(fā)土地劃為生態(tài)型土地整治重點(diǎn)建設(shè)區(qū)域，在生態(tài)型土地整治實(shí)施應(yīng)重點(diǎn)注意表土剝離、培肥、生態(tài)景觀保護(hù)等措施。

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A study on the impacts of ecological land reclamation engineering on soil carbon sequestration ability

LIANG Ying1， GENG Bin2， BAO Hai-Jun3
（1.Dongfang College， Zhejiang University of Finance and Economics， Zhejiang Jiaxing 314408， China；2.Institute of Economic and Social Development， Zhejiang University of Finance and Economics， Zhejiang Hangzhou 310018， China；3.College of Urban and Rural Planning & Management， Zhejiang University of Finance & Economics， Zhejiang Hangzhou 310018， China）

Abstract:This paper focuses on the problem of declining soil carbon storage and the implementing requirements for ecological engineering of farmland landscape through land renovation.Based on the chemical test data from the soil sampling point， we carried out an empirical analysis on soil organic carbon content and organic carbon density before and after a traditional land renovation project and an ecological land renovation project.The reform proposal promoting soil carbon storage through an ecological land renovation project was presented surrounding topics of project measures，structure adjustment， and regional assignment.

Key words:traditional land renovation； ecological land renovation； carbon storage； carbon content； carbon density

中圖分類(lèi)號(hào)：F301.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-1329（2016）02-0005-04

doi:10.3969/j.issn.2095-1329.2016.02.002

收稿日期:2015-11-12

修訂日期:2015-12-18

作者簡(jiǎn)介:梁穎（1986-），女，碩士，助教，主要從事土地管理與土地政策研究.

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41401624）；浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（LQ14D0100014）

*通訊作者:鮑海君（博士/教授/副院長(zhǎng)）:baohaijun@zufe.edu.cn