試析黃土丘陵區不同土地類型表層土壤有機碳分布特征

宋啟龍 張 沖 王會敏

1.華北地質勘查局第四地質大隊 河北 秦皇島 066000

2.秦皇島中兵建設集團股份有限公司 河北 秦皇島 066000

引言

土壤中有機碳的分布不光是衡量土壤質量的重要指標，同時也在全球碳循環中扮演重要角色。黃土丘陵區為典型的干旱、半干旱區域，其自然條件相對惡劣，加之地上人工活動的頻繁開展，對土壤有機碳庫及固碳速率產生顯著影響，為有效提高土壤資源利用率，有必要對目前的黃土丘陵區土壤有機碳分布情況進行分析。

1 有機碳分布特征調查方案設計

1.1 區位特點 本實驗研究區位于山西省北部的黃土丘陵區，該區域為溫帶半干旱大陸性季風氣候，年平均降水量較少，僅在400～460 mm，區域黃土覆蓋厚度在50～80 m。分別選取紅棗林地、農地、5年撂荒草地和退化人工草地4種土地類型作為研究對象，分析0～100c m 淺層土壤的有機碳結構特征。

1.2 樣本采集 樣本采集采用隨機采樣法進行，在各類型土地上所及選取采樣點，并使用便攜式手持GPS設備獲取樣本點的準確位置。使用土鉆鉆取土樣，設計采樣深度為100c m。將采樣深度平均劃分為5個層級，為保證采樣代表性，在各采樣點附近再隨機選取5個采樣點，將來自各土層的樣本混合均勻并清除雜質后，存放至專門容器中。4種土地類型的標準采樣點均為15個，共包括60個采樣點，得到土樣300份。

有機碳分布檢測同時測定土壤無機碳含量情況，因此樣本采集過程中，將各樣本平均分為兩份，其中一份經烘干后進行無機碳含量測量，另一份則進行自然風干，過篩后測量土壤內有機碳的含量。

1.3 實驗方法 用于無機碳含量檢測的土樣在105℃恒溫環境下連續烘干24h，待樣本質量恒定后，使用氣量法測量其無機碳含量。選用該方法的原因主要是由于，在黃土丘陵區這類干旱和半干旱地區，無機碳主要存儲于無機鹽中，無機鹽與碳酸鹽和鹽酸反應可生成大量二氧化碳氣體，收集并測定氣體量，參考當時大氣壓即可得到無機碳的準確含量。

有機碳含量檢測樣本在室內進行自然風干，然后過0.20 mm 篩，使用重鉻酸鉀-外加熱法進行有機碳含量測定。

實驗結束后，結合獲得數據計算不同類型土地和深度條件下土壤有機碳的含量，并找出土壤深度與有機碳含量的影響關系。計算有機碳含量均值及標準差，使用LSD法進行比較分析，得出最終的檢測結果。

2 有機碳分布特征調查結果分析

2.1 實驗結果

2.1.1 土層深度差異 在實驗研究的4中土地類型中，土壤有機碳含量均與土壤深度表現為負相關關系，即隨著土壤深度的增加，其含有的有機碳含量降低。計算4中土地類型下各土壤深度層級有機碳含量的平均值，(0，20)、(20，40)、(40，60)、(60，80)、(80，100)各深度區間的平均有機碳含量依次為3.42g·kg-1、2.15g·kg-1、1.89g·kg-1、1.75g·kg-1和1.56g·kg-1。從該組實驗數據還可發現，深度層級0～20c m 的土壤有機碳含量與其他土層之間差異顯著，而20～100c m 的土壤深度中，有機碳含量雖然仍保持下降趨勢，但不同深度層級間土壤含碳量的差距明顯縮小。這一結果與現有文獻研究成果保持一致。例如，有學者在研究陜北黃土丘陵區不同土地利用方式下土壤碳剖面分布特征時，選擇研究深度在0～200c m，發現隨著土層深度的增加，土壤有機碳含量逐漸降低，且當深度達到200c m 時，各剖面土壤有機碳含量趨于穩定[1]。

2.1.2 土地類型差異 再觀察相同土層深度中，不同土地類型間土壤有機碳含量情況。發現當土層深度在0～60c m 時，有機碳含量由高到低的順序為紅棗林地、農地、撂荒草地和退化人工草地。其當土層深度在0～20c m 時，不同土地類型中土壤有機碳含量差異顯著，而在其他土層深度中，這種差異并不明顯。

在其他學者的實驗中還發現，撂荒草地的撂荒年限與其土壤中有機碳的含量存在一定關聯。不同土層深度下，30年撂荒草地中土壤有機碳的含量均要高于7年撂荒草地，且當土層深度在0～20c m 時，7年撂荒草地的有機碳含量在2.59g·kg-1，而在30年撂荒草地中，這一數值提高至4.19，有機碳含量變化明顯[2]。

2.1.3 無機碳含量 在另一組實驗中發現，除紅棗林地之外，其他幾種類型土地中土壤無機碳含量變化幅度均較大，無機碳含量由高到低排序依次為農地、紅棗林地、退化人工草地和撂荒草地。

2.2 理論分析 現有研究文獻表明，農業用地改變利用方式后，土壤內有機碳的含量會增加，帶來更高的碳儲量水平。在本次實驗研究中，不同類型土地的有機碳含量之間也存在一定差異，且農地中各土層深度中土壤有機碳含量要低于紅棗林地，這一結果與現有文獻的結論保持一致。主要是由于，土地的農業化使用使得土壤內的有機碳被農作物不斷汲取，且農業化應用會加速土壤養分的流失速度。但在本文的研究中發現，土地中有機碳的含量要高于撂荒草地，可能是由于本文所選擇的撂荒草地撂荒年限僅為5年，在之前的農業種植中使用了大量有機肥料，發揮了一定程度的土壤營養含量補充作用。

前文提到，在其他學者的研究中發現30年撂荒草地中有機碳的含量要高于7年撂荒草地，這可能是由于7年撂荒草地的撂荒時間過短，雖然農業生產優化了其營養結構，但地表植物、落葉枯萎腐敗所產生的有機碳貢獻程度還不明顯。

而在土壤有機碳含量與土層深度的關系上，0～20c m 深度范圍內不同類型土地的有機碳含量之間最為顯著，這一點也與其他相關實驗的結果保持一致。

結論

綜上所述，黃土丘陵區不同類型土地中，表層土壤有機碳含量與土層深度負相關，但隨著土層深度的增加，不同類型土地間有機碳含量差異逐漸縮小，可判斷土地類型對有機碳的含量的影響僅突出表現在淺層土壤當中。