水稻生態(tài)系統(tǒng)碳密度空間分布及其影響因素研究

關(guān)鍵詞： 水稻生態(tài)系統(tǒng)；碳密度；空間自相關(guān)；地形因素；氮密度

中圖法分類號： S153.6；S181 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1000-2324（2024）02-0202-08

水稻生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中起著十分重要的作用［1-2］。中國作為水稻生產(chǎn)大國，播種面積和總產(chǎn)量均占世界第一位［3］，而且水稻是南方的主要種植作物和高產(chǎn)作物，水稻生態(tài)系統(tǒng)作為特殊的農(nóng)業(yè)土地利用方式，同時也是十分重要的農(nóng)作物系統(tǒng)。水稻生態(tài)系統(tǒng)固碳一方面實現(xiàn)減排、以及糧食的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平息息相關(guān)，另一方面可以提高生態(tài)服務(wù)系統(tǒng)功能［4-5］。深入探究區(qū)域水稻生態(tài)系統(tǒng)碳密度空間分布及其變化的影響因素，對提高碳密度、指導(dǎo)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。

針對水稻生態(tài)系統(tǒng)碳密度影響因素，國內(nèi)許多學(xué)者開展了研究。從研究區(qū)的范圍上看，包括全國尺度，單個省份或地理區(qū)，不同農(nóng)作區(qū)或者觀測點位的變化分析［6］。目前，學(xué)者們普遍認為，水稻土壤碳密度的影響因素主要有氣候以及人類活動［7］。Zhou［8］等的研究則表明，在華北和東北地區(qū)，碳密度地理變異的主要驅(qū)動力是土地利用類型，而氣候變化因素較為普遍，只是貢獻程度不同。若研究區(qū)為區(qū)域尺度，在氣候條件相近的情況下，碳密度分布依然會存在差異，如夏曉瑩等得出天山北坡土壤碳密度變化區(qū)間約為5 kg/m2，而影響該變化的主要因素為地形因子［9］。可見，不同研究區(qū)的碳密度影響因素會存在不同。而我國水稻田分布廣、施肥等管理措施差異較大，針對單個區(qū)域的水稻田碳密度影響因素研究相對較少。對于小尺度研究區(qū)而言，在控制了氣候因素相近的情況下，若能夠因地制宜地分析當(dāng)?shù)氐乃咎锾济芏瓤臻g分布情況，探究其影響因素，便能更高效地對該區(qū)域提出有效改善措施，也能給其他情況相似的區(qū)域提供理論以及實踐依據(jù)。

所以本文利用實地采樣法，獲取杭州市臨安區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的成熟期時水稻樣地的地上作物樣本、根系樣本以及土壤樣本，目的是通過估算出水稻生態(tài)系統(tǒng)碳密度，進而分析各鄉(xiāng)鎮(zhèn)水稻生態(tài)系統(tǒng)碳密度的空間分布差異并分析造成差異的原因，這將有助于促進稻田農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展和固碳作用的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

1 材料和方法

1.1 試驗地點概況

臨安區(qū)位于東經(jīng)118°51'至119°52'，北緯29°56'至30°23'，位于浙江省杭州市西部。臨安地處浙江省西北部、中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)南緣，屬季風(fēng)型氣候，溫暖濕潤，光照充足，雨量充沛，四季分明。年均降水量1 613.9 mm，境內(nèi)以丘陵山地為主，且地勢自西向東南傾斜，且地勢差較大。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 植物樣品的采集 臨安區(qū)水稻田基本上以大戶（集中種植33 公頃（hm2）以上）集中經(jīng)營為主，管理模式成體系，因此本文依據(jù)“典型性”原則，選取各鄉(xiāng)鎮(zhèn)典型大戶種植的水稻田為研究對象，共確定16 個大型水稻田作為采樣區(qū)域，其中島石鎮(zhèn)和錦南街道無典型大型種植水稻田，故未設(shè)置采樣點。用GPS 定位確定每處樣地的經(jīng)緯度以及記錄其地理位置，采樣點位分布圖見圖1。野外采樣時間為2022 年10 月1 日到2022 年10 月18 日，為試驗區(qū)水稻成熟收獲期。每個采樣區(qū)域設(shè)置三個1 m×1 m的采樣樣方，記錄樣方內(nèi)水稻株數(shù)、兩株水稻之間的間隔等數(shù)據(jù)，用收獲法齊地面割下水稻后立即稱鮮重并記錄，每個樣方帶回一株水稻樣品。在與帶回的水稻樣品對應(yīng)的位置挖取面積不小于0.25 m²、深度不小于30 cm的含根系的土壤，裝入編織袋做好標(biāo)記后帶回實驗室。在實驗室用清水泡開含有根系的土塊后，放在20 目的篩子中沖洗根系。處理完成后，將帶回的地上水稻樣品按穗、莖、葉分離，將分離后的各器官以及根系樣品在65 ℃下烘干至恒重，并稱取干質(zhì)量（精確至0.01 g）后記錄數(shù)據(jù)，之后將烘干后的植物樣本使用球磨儀研磨過篩，用于植物樣本的全碳、氮含量測定，共需測定樣品192個。

1.2.2 土壤樣品采集 在上述采集植物樣本設(shè)置的樣方內(nèi)，去除土壤表層雜質(zhì)后，使用土鉆法分層取0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm三種土樣，三次重復(fù)，裝入塑封袋后帶回實驗室。將土樣自然風(fēng)干后，用瑪瑙研缽研磨粉碎，過100目篩，用于測定土壤樣本全碳、氮含量。共計處理土壤樣品144個。

1.2.3 土壤容重測定 在上述采集植物樣本設(shè)置的樣方內(nèi)，去除土壤表層雜質(zhì)后，用鋤頭挖掘60 cm深度的土坑，使用環(huán)刀法分層取0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm 三個土樣，裝入塑封袋后帶回實驗室。將土樣稱量濕重記錄后，放入105 ℃烘干機中烘至恒重，稱量干重，計算含水率及容重等土壤理化性質(zhì)。共計處理土壤樣品144個。

1.2.4 樣品碳、氮測定方法 采用燃燒式元素分析儀測定植物元素碳、氮含量。由于樣品用量小，測定快速，被廣泛用于大量植物、土壤樣品中元素含量測定。本文樣品的碳氮含量均委托浙江省農(nóng)科院檢測。

1.2.5 其它數(shù)據(jù) 高程、坡度、地勢起伏數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云（https：//www.gscloud.cn/），用Arcgis 10.7軟件進行處理。

其次本研究進一步利用局部自相關(guān)分析來研究臨安區(qū)一定范圍內(nèi)的地區(qū)的空間格局變化以及尺度特征［13］，使用不顯著、高-高、高-低、低-低、低-高五個類別來區(qū)分不同空間聚集特性。

2 結(jié)果和分析

2.1 水稻生態(tài)系統(tǒng)碳密度統(tǒng)計分析

通過一般統(tǒng)計分析得出臨安區(qū)水稻生態(tài)系統(tǒng)碳密度基本特征參數(shù)（表1）。水稻碳密度變化范圍為216.66～1467.46 g C·m^?2，平均值為639.36 g C·m^?2，變異系數(shù)為0.451，屬于中等變異，偏度系數(shù)為0.856，峰度為0.99，基本符合正態(tài)分布，平均值高于中位值，說明碳密度低值數(shù)據(jù)較多。水稻地上部分碳密度變化范圍為236.51～744.67 g C·m^?2，平均值為533.56 g C·m^?2；水稻地下部分碳密度變化范圍為30.81～389.04 g C·m^?2，平均值為109.77 g C·m^?2。水稻臨安區(qū)土壤碳密度變化范圍為4.397～21.069 kg C·m^?2，平均值為9.333 kg C·m^?2，變異系數(shù)為0.308，屬于中等變異，偏度系數(shù)為2.16，呈正偏態(tài)分布，平均值高于中位值，說明碳密度低值數(shù)據(jù)較多。0～20 cm 的土壤碳密度變化范圍為1.51～7.96 kg C·m^?2，平均值為4.44 kg C·m^?2，20～40 cm 的土壤碳密度變化范圍為1.53～8.36 kg C·m^?2，平均值為2.94 kg C·m^?2，40～60 cm的土壤碳密度變化范圍為0.78～4.75 kg C·m^?2，平均值為2.01 kg C·m^?2。本研究區(qū)土壤碳密度高于浙江省全省平均值（8.28 kg C·m^?2）［14］。

2.2 臨安區(qū)水稻生態(tài)系統(tǒng)碳密度空間分析

2.2.1 水稻生態(tài)系統(tǒng)碳密度空間分布分析 由圖2A得出，臨安東部地區(qū)水稻碳密度較高，其次為西部地區(qū)，中部地區(qū)水稻碳密度最低。其中，天目山鎮(zhèn)水稻碳密度最高，為880.969 g C·m^?2，潛川鎮(zhèn)水稻碳密度最低，為267.325 g C·m^?2。水稻碳密度值由東向西大體上呈先降低后升高的趨勢，中部地區(qū)水稻碳密度值明顯低于東西部地區(qū)。由圖2B得出，西部的高山地區(qū)土壤碳密度最高，其次為東部地區(qū)，中部地區(qū)最低。臨安各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤碳密度數(shù)據(jù)中，清涼峰鎮(zhèn)土壤碳密度最高，為14.289 kg C·m^?2，太湖源鎮(zhèn)土壤碳密度最低，為7.065 kg C·m^?2。臨安區(qū)的土壤碳密度值由東向西大體呈先降低后升高趨勢，在中部偏東位置呈現(xiàn)較低的土壤碳密度值。

2.2.2 水稻生態(tài)系統(tǒng)碳密度空間相關(guān)性分析 結(jié)果顯示，水稻作物碳密度的莫蘭指數(shù)為0.376 2，z 值為2.440 1，表明有較強的空間相關(guān)性且相關(guān)性顯著；水稻土壤的莫蘭指數(shù)為0.123 9，z 值為1.153 6，表明有無顯著空間自相關(guān)性。從圖3B得出，水稻作物碳密度在太陽、湍口、潛川鎮(zhèn)呈現(xiàn)低-低類別，在太湖源、錦城街道、錦北街道以及玲瓏街道呈現(xiàn)高-高類別，其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)的類別均為不顯著相關(guān)。從圖3A得出，土壤碳密度在於潛、天目山鎮(zhèn)呈現(xiàn)低-低類別，在龍崗、錦北街道呈現(xiàn)高-高類別，其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)的類別均為不顯著相關(guān)。總體上看，低-低類別空間聚集特性都出現(xiàn)在臨安中部地區(qū)，東部地區(qū)水稻作物碳密度與水稻土壤碳密度都呈現(xiàn)高-高類別空間聚集特性，而在西部地區(qū)，僅有水稻土壤碳密度呈現(xiàn)高-高類別空間聚集特性。

2.3 臨安區(qū)水稻生態(tài)系統(tǒng)碳密度影響因素

用person 相關(guān)性分析方法分析地形對碳密度的影響。結(jié)果顯示（圖4），臨安區(qū)土壤碳密度與高程呈顯著正相關(guān)，與地形起伏及坡度呈一定正相關(guān)。臨安區(qū)水稻碳密度與高程呈正相關(guān)，與地形起伏度和坡度無顯著相關(guān)性。

研究表明，施用有機肥或者化肥均可影響土壤碳含量［15］。據(jù)調(diào)查，太陽、於潛、潛川等地曾大片種植雷竹，施用的肥料為氮磷鉀配比肥以及氮肥，其中氮磷鉀配比肥中氮的比例最高且超過50%，這些地區(qū)曾因為施肥過度導(dǎo)致土壤肥力下降，政府出臺“退竹還田”政策，改善土壤性質(zhì)，轉(zhuǎn)而種植水稻。其次，土壤容重與含水率也是影響土壤碳密度的因素，故本文就土壤樣本中測得氮元素含量、土壤容重、土壤含水率與土壤碳密度進行多元線性回歸分析，結(jié)果顯示（表2），回歸方程顯著，F(xiàn)=38.595，Plt;0.001。結(jié)果表明，氮密度顯著正向預(yù)測土壤碳密度，容重、含水率不能預(yù)測土壤碳密度（容重、含水率Pgt;0.05）。針對多元回歸分析的結(jié)果，單獨對氮密度與碳密度做線性回歸分析，結(jié)果如圖5。隨著土壤氮密度的升高，土壤碳密度呈上升趨勢，兩者相關(guān)性較為顯著。

3 討論

本研究通過分析測算的臨安水稻碳密度數(shù)據(jù)，全面了解了臨安區(qū)水稻碳密度的空間變化特征。研究結(jié)果表明，水稻土壤碳密度由東向西大體呈先降低后升高趨勢，在中部偏東位置呈現(xiàn)較低的土壤碳密度值，西部地區(qū)土壤碳密度高于東部地區(qū)；水稻作物碳密度值由東向西大體上呈先降低后升高的趨勢，中部地區(qū)水稻碳密度值明顯低于東西部地區(qū)，東部地區(qū)水稻作物碳密度值高于西部地區(qū)。

究其原因，臨安地勢特殊，自西北向東南傾斜，全區(qū)高程差異較大，且東西地區(qū)地勢起伏度差異較大。臨安西部地區(qū)呈現(xiàn)土壤碳密度值高-高空間自相關(guān)類別，結(jié)果表明，海拔與土壤碳密度值呈顯著正相關(guān)，也有相關(guān)研究證實了這一點［16-17］。TASHI S等對喜馬拉雅東部森林土壤有機碳分析表明，有機碳密度與海拔呈顯著正相關(guān)［18］，這與高海拔地區(qū)溫度降低和濕度增加有關(guān)，溫度降低會降低土壤中的微生物和生物酶的活性，進而影響土壤中有機碳礦化和土壤呼吸等活動［19］。隨著溫度降低，土壤有機碳的分解速率減緩，導(dǎo)致有機碳積累。DUAN X等的研究也說明了土壤有機碳對海拔的敏感性［20］。因此，在區(qū)域尺度上，海拔可能是影響土壤碳密度的一個重要因子，但作物碳密度在高海拔地區(qū)并沒有表現(xiàn)較高的碳密度值。同時，在臨安，坡度和地勢起伏這兩個地形因子也與土壤碳密度有一定的正相關(guān)性，這與徐彩仙［21］、程金［22］等人的研究結(jié)果保持一致。因為臨安東部地區(qū)多平原，地勢起伏平緩，適合大面積進行水稻種植，故水稻作物及土壤碳密度在臨安東部地區(qū)呈聚集性特征。

臨安中部地區(qū)的水稻作物以及土壤碳密度值偏低且呈現(xiàn)聚集性。雖然，結(jié)果表明土壤碳密度與土壤氮密度呈正相關(guān)關(guān)系，適量的氮添加能夠促進植物的呼吸作用和光合作用，從而增加土壤碳儲量［23］，且也有研究表明，土壤氮含量與碳含量呈顯著正相關(guān)，但當(dāng)生物體對氮素的需求達到自身飽和度后，將會損傷自身器官組織或者間接改變土壤理化性質(zhì)［24-27］。文中的潛川鎮(zhèn)等地正因為種植雷竹過程中施氮肥過度使土壤氮含量偏高［28］，“退竹還田”后土壤性質(zhì)沒有得到有效改善，從而導(dǎo)致這些鄉(xiāng)鎮(zhèn)的土壤碳密度值偏低。另一方面，氮肥的過度施用會導(dǎo)致土壤pH 值降低［29］。pH值降低會導(dǎo)致土壤有機碳的溶解性降低，土壤中毒性陽離子的數(shù)量和活性增加，進而抑制土壤微生物的活性，影響土壤有機碳的礦化作用［30］。此外，劉書田［31］、戴萬宏［32］、王冰鑫［33］等的研究也表明土壤有機碳含量與pH值呈負相關(guān)關(guān)系。此外，土壤有機碳與土壤肥力密切相關(guān)［34］，水稻作物碳密度與水稻土壤碳密度在臨安中部地區(qū)皆呈現(xiàn)較低值，表明土壤碳密度一定程度上影響作物碳密度。因此，過度施氮肥導(dǎo)致的土壤理化性質(zhì)破壞可能是導(dǎo)致潛川等地碳密度值偏低的原因。

綜上，由于地形因子的影響，選擇水稻種植區(qū)域時應(yīng)遵循“因地制宜”原則，結(jié)合高程和地勢起伏等地形因子，選擇它們組合最優(yōu)的區(qū)域。同時，水稻種植過程中，施肥量是一個較為關(guān)鍵的因素，應(yīng)該適量而非過量。其次，在土地利用需發(fā)生變化時，應(yīng)盡量提前考察土壤性質(zhì)，再進行種植規(guī)劃，不然容易出現(xiàn)如臨安區(qū)部分地區(qū)“退竹還田”后，水稻固碳水平偏低的情況。