海南島東部地區不同類型農用地土壤有機碳分布特征及影響因素

趙澤陽，趙志忠，劉玉燕，李 燕，付 博，邢瑤麗

(海南師范大學地理與環境科學學院，海南 海口 571158)

【研究意義】土壤有機碳(Soil organic carbon, SOC)在全球碳循環中所占比重較大，因此土壤中有機碳含量變化將會直接影響全球碳循環的變化[1-3]。土壤有機碳是土壤的重要組成部分，土壤的碳固存與排放會對大氣中溫室氣體的含量以及全球氣候變化產生影響[4-6]。土壤有機碳不僅是土壤肥力的基礎，與土壤結構、持水性、緩沖性和作物養分的有效性高度相關，也直接影響著農田的生產力和作物的產量[7-11]，所以是土壤質量評價和土地可持續利用管理中必須考慮的重要指標[1]。因此，對不同類型農用地土壤有機碳分布特征及影響因素進行研究，不僅對于提高土壤質量和農業可持續發展具有重要意義，也對減緩溫室效應有重要影響[12-14]。【前人研究進展】目前，國內外對土壤有機碳的研究主要集中在儲量、穩定性、分布特征和轉化遷移等方面[15-20]，但對于不同類型農用地土壤有機碳的對比研究較為缺乏，尤其對耕地拋荒后土壤有機碳的變化及其影響機理的研究更少。另外，盡管大多數學者認為土壤理化性質對有機碳具有一定影響[21-24]，但影響機制較復雜，且容易受諸多方面的影響，因此探究不同環境下土壤理化性質對有機碳的影響具有一定意義。就海南島來說，獨特的熱帶自然地理環境決定了其土壤有機碳聚集與其他地區存在一定的差異，因此，探討海南島不同類型農用地有機碳就顯得尤其必要。【本研究切入點】本文以海南島東部地區的瓊海市和定安縣作為主要研究區，探究土壤有機碳的分布特征及耕地類型和土壤理化性質對土壤有機碳的綜合影響。【擬解決的關鍵問題】加深對土壤有機碳的綜合性認識，為海南島土地耕作方式、水土保持和土壤修復提供一定的理論依據。

1 研究區概況

研究區位于海南島東部地區，主要包括瓊海市和定安縣(18°58′～19°44′N、110°07′～110°40′E)，總面積2899 km2，耕地面積為452.59 km2，占總面積的15.6 %。研究區地處熱帶季風氣候區，區內陽光充足、雨量充沛，年平均氣溫24 ℃，年均降水1997 mm，年均日照2017 h。區內地質主要由玄武巖、巖漿巖和花崗巖等巖石構成。地勢西南高東北低，地貌類別以臺地、階地和平原為主。

研究區地處熱帶溫潤地區季雨林磚紅壤地帶，主要土類為：水稻土、磚紅壤和潮沙泥土，成土母質復雜。黃色磚紅壤砂粒較細且均勻，砂泥適中。鐵質磚紅壤土層深厚，質地黏重，有機質含量較高。

2 材料與方法

在了解研究區農用地空間分布狀況的基礎上，將研究區根據土地利用功能分為拋荒地、水田和菜地，在每種類型土地中分別布設5個采樣點，樣方面積均為5 m×5 m，共選擇研究區內15個采樣點進行剖面樣品采集并開展土壤有機碳分布特征研究(圖1)。采用土鉆法采集土樣，采集距離地面深度為30 cm的土壤開展有機碳垂直分布規律研究，按照10 cm分割為3層：0～10、10～20、20～30 cm。每個采樣點在樣方內隨機進行3次重復采樣，將樣品充分混合后裝入密封的保鮮袋中，帶回實驗室進行處理。

將樣品置于托盤中，先剔除動植物殘體及石塊等雜質，將土塊壓碎后在室內進行自然風干分裝備用。

將備用土樣進行碾磨、過尼龍網篩(60目)，采用重鉻酸鉀氧化法測定土壤有機碳[25]。具體操作過程為：稱取0.5 g土樣置于100 mL具塞消解管中，加入0.1 g硫酸汞和5 mL重鉻酸鉀溶液搖勻，再緩慢加入7.5 mL硫酸并搖勻。消解、冷卻、定容后將試液靜置1 h，取80 mL上清液進行離心分離10 min(轉速為2000 r/min)，靜置后取上清液測量吸光度。參照《HJ 615-2011》計算有機碳含量。

圖1 研究區位置及采樣點分布Fig.1 The location of study area and distribution of sampling sites

采用篩分法測定團聚體，具體操作過程為：稱取100 g風干后的土樣，用5 mL的超純水緩慢浸潤8 h，再通過5、2、1、0.5、0.25 mm的篩子，在純水環境中進行篩分(振幅3 cm，頻率50次/min)，分離出>5、2～5、1～2、0.5～1、0.25～0.5、<0.25 mm的團聚體。

各粒級團聚體質量百分含量=

采用馬爾文激光粒度儀測定粒度[28]。具體操作過程為：稱量0.5 g土壤樣品置于燒杯中，加入過氧化氫和鹽酸溶液以去除有機質和碳酸鹽，再加入超純水稀釋，靜置8 h后去除上清液，再加入10 mL濃度為0.05 mol/L的六偏磷酸鈉，用超聲波清洗機振蕩10 min后上機測試。

數據處理基于Excel 2010和SPSS 18.0軟件進行，相關的圖表采用Origin 2017和CorelDRAW X4軟件繪制。

3 結果與分析

3.1 不同類型農用地有機碳分布規律

如圖2所示，0～10、10～20、20～30 cm深度土層中土壤有機碳含量的分布規律均為水田>拋荒地>菜地。3種類型農用地土壤有機碳含量隨土層深度的變化幅度以水田最高、拋荒地居中、菜地最低。 3種類型農用地有機碳含量在垂直方向上具有的規律為：有機碳含量隨土層深度的增加而減少(表1)，這與Shang等對土壤有機碳進行研究的結果一致[29]。進一步對表1進行研究還可發現，土壤有機碳含量在0～10 cm土層中最高，為(14.40±9.06)g/kg；其次為10～20 cm，為(11.21±7.14)g/kg；最小值出現在20～30 cm，其平均含量為(7.73±5.73)g/kg。3種類型農用地中，菜地土壤有機碳的變異系數最大，可達12.50 %；水田土壤有機碳的變異系數相對最小，最大為5.38 %，最小為4.99 %。

表1 不同土層深度有機碳含量統計分析

注：總樣地數為36(拋荒地樣地數為16個，水田為15個，菜地為5個)；土壤有機碳數據為平均值±標準誤。

3.2 不同類型農用地對土壤團聚體及其有機碳的影響

通過篩分法得到水田、拋荒地、菜地3種不同類型農用地之間土壤不同粒徑的團聚體含量(圖4)。

圖2 不同類型農用地有機碳水平分布特征Fig.2 Horizon distribution of soil organic carbon in different agriculture lands

土壤中>5 mm團聚體的含量存在一定差異：水田和拋荒地中>5 mm團聚體含量相近，分別為57.01 %和56.24 %，菜地中>5 mm團聚體含量最少，為43.89 %。從土壤剖面上看，3種類型農用地0～10 cm土層中>5 mm團聚體含量最少。不同類型農用地對土壤中2～5 mm團聚體比對>5 mm團聚體影響相對較小，水田、拋荒地和菜地2～5 mm團聚體含量分別為21.53 %、16.55 %、19.25 %。在土壤剖面上無明顯變化。農用地類型對土壤1～2 mm團聚體和0.5～1 mm團聚體均無顯著性影響。在土壤剖面上，這兩種粒徑團聚體呈現出不同趨勢：拋荒地和菜地1～2 mm團聚體在土壤表層含量最高，水田中0.5～1 mm團聚體含量隨土壤深度增加而降低，而拋荒地中0.5～1 mm團聚體含量隨土壤深度增加而升高。水田中0.25～0.5 mm團聚體含量明顯低于拋荒地和菜地，拋荒地和菜地中0.25～0.5 mm團聚體含量大約為水田中0.25～0.5 mm團聚體含量的3倍。3種類型農用地中<0.25 mm團聚體含量呈現出的趨勢為：菜地(12.43 %)>拋荒地(10.15 %)>水田(6.67 %)。在土壤剖面上呈現出水田和菜地中0.25～0.5 mm團聚體和<0.25 mm團聚體含量均隨土壤深度增加而減少。

圖3 不同農用地土壤不同粒徑的團聚體含量Fig.3 The ratio of aggregate in different size in three land uses

3.3 土壤粒度分布及其對土壤有機碳含量的影響

土壤粒度和有機碳是團聚體的基本組成要素，其含量差異將直接影響團聚體的大小、數量、分布[30]。較小粒度的土壤顆粒具有大的比表面積，有利于有機碳的吸附和累積[31]。通過馬爾文激光粒度儀測量出水田、拋荒地、菜地3種不同類型農用地表層土壤中不同粒度的含量，得到土壤粒度分布(圖5)。D10、D50、D90是指一個樣品的累計粒度分布體積百分數達到10 %、50 %、90 %時所對應的粒徑，它們的物理意義是粒度小于它們的顆粒占10 %、50 %、90 %。

根據實驗結果，通過對D10、D50、D90的分析發現，不同類型農用地中平均粒度大小整體上呈現出的趨勢為拋荒地>菜地>水田，D50分別為62.08、54.40、36.55，拋荒地平均粒度較大，水田平均粒度較小[30]。不同類型農用地土壤表層有機碳的分布呈現出的規律為水田>拋荒地>菜地(圖2)。這與祁金虎的有關土壤粒度對有機碳影響的研究不完全一致[24]，可能是研究區氣候、土地利用方式不同等原因導致的。

通過對土壤有機碳含量和D10、D50、D90進行分析(圖6)，土壤有機碳含量與D10、D50、D90相關系數R分別為0.355、0.364、0.353，相關性較弱，與吳燕飛等對貴州施秉云臺山典型喀斯特土壤粒度對有機碳含量的影響研究結果一致[32]。

4 討 論

拋荒能夠顯著提高土壤有機碳含量，具有明顯的固碳效應[33]。但本文研究得出水田>拋荒地>菜地的規律，是由海南獨特的氣候條件、耕作與拋荒的年限較短和人類活動等原因導致的。水田有機碳含量高于拋荒地，是由于施用有機肥料等人類活動使水田土壤有機碳不斷得到補充，這有利于有機碳的積累。另外，水作為保護層，抑制了水田土壤有機碳的釋放。拋荒時間較短的土壤中有機碳含量不但沒有增加，反而有所下降，主要是由于拋荒時間較短，有機碳累積較少；而且海南島溫度較高、日照充足、生物作用強烈，獨特的氣候條件加速了有機碳的分解與釋放；此外，海南島土壤主要為砂土，粘土含量較少，土壤孔隙度大，此類土壤質地有利于有機碳的釋放。菜地雖然和水田一樣，有人類施肥等活動的影響，但沒有水作為保護層抑制有機碳分解，因此分解的有機碳含量遠大于補充的含量。雖然菜地和拋荒地都暴露在空氣中，但菜地長期處于耕作狀態，不斷翻耕導致土壤團聚體顆粒變小，不利于有機碳的積累。

圖4 不同農用地土壤粒度分布特征Fig.4 The distribution of soil particle fractions in three land uses

土壤有機碳是形成土壤團聚體的重要膠結物質，對于團聚體的形成具有重要的作用[34-35]。一般認為，土壤中>0.25 mm團聚體是土壤中最好的結構體，具有維持土壤穩定性的優點[36]。土壤中>0.25 mm團聚體含量越高，土壤穩定性越強[6]。實驗數據表明，水田、拋荒地和菜地土壤中>0.25 mm團聚體含量分別為93.33 %、89.85 %、87.57 %，說明海南島東部地區農用地土壤結構較穩定。菜地中<0.25 mm團聚體含量較高，可能與耕種行為有關。不合理的耕種行為會導致團聚體破碎化，造成>0.25 mm團聚體含量減少，其有機碳含量也會下降[6,37-38]。將耕地拋荒后有利于<0.25 mm團聚體黏合成粒徑更大的團聚體，有機碳含量增加，土壤穩定性增強。3種類型農用地土壤中較大粒徑團聚體含量在土壤剖面上表現為深層>表層，而較小粒徑團聚體含量表現為表層>深層，表明人類活動會影響土壤中有機碳含量，進而影響土壤穩定性。水田和菜地由于常年翻耕，使得粒徑較大的團聚體破碎，所以粒徑較大的團聚體主要集中在深層，而且表層土壤松軟，容易水土流失，導致土壤中有機碳含量降低。另外翻耕加強土壤通透性，導致土壤有機碳礦化嚴重，不利于有機碳積累[39]。拋荒地與水田和菜地一樣，也呈現出表層粒徑較小的團聚體含量高，深層粒徑較大的團聚體含量低的趨勢。本次取樣中，拋荒地的拋荒年限均為5年以內，說明短期拋荒對不同粒徑團聚體含量的組成以及有機碳含量的影響較小，需要更長時間才能恢復有機碳含量。

圖5 土壤粒度與有機碳的相關性Fig.5 Correlations between particle fractions and soil organic carbon

同一農用地不同深度土壤粒度變化情況均為表層粒度最大，水田和菜地的粒度隨土壤深度增加而變小，拋荒地粒度的變化規律與水田和菜地的變化規律不一致。農用地表層土壤粒度較大可能是因為土壤細顆粒組分隨著降水入滲向下遷移，也可能是因為隨著地表徑流流失，導致下層土壤中D10、D50、D90比上層土壤中D10、D50、D90低[40]。這與海南島東部地區降水充沛，年均降水量大和人類的干擾活動有關。不同剖面土壤中有機碳的含量隨著土壤深度的增加而降低。

5 結 論

(1)在空間分布上，農用地表層有機碳含量呈現的規律為：水田>拋荒地>菜地，這主要由海南省獨特的氣候條件、拋荒年限和土壤質地所導致。

(2)在垂直分布上，有機碳含量隨著土壤深度的增加而降低。有機碳的積累主要與動植物殘體歸還土壤的數量、植物根系的分布特征、土壤微生物種群類型及數量等因素密切相關，同時，不合理的耕作方式也會阻礙有機碳的積累。

(3)水田、拋荒地和菜地土壤均以>2 mm的大團聚體為主。>0.25 mm團聚體含量分別為93.33 %、89.85 %、87.57 %，說明海南島東部地區農用地土壤結構較穩定。不合理的耕種行為會導致團聚體破碎化，造成>0.25 mm團聚體含量減少，其有機碳含量也會下降。將耕地拋荒后有利于<0.25 mm團聚體黏合成粒徑更大的團聚體，有機碳含量增加，土壤穩定性增強。

(4)土壤有機碳與粒度之間相關性較弱，粒度對有機碳含量的影響較復雜。