土地利用方式对紫色丘陵区土壤有机碳储藏特征的影响

郑杰炳 瞿雪梅 周珉羽

摘要 采取野外调查与室内分析相结合方法，对紫色丘陵区林地、撂荒地、水田、旱地土壤剖面有机碳储藏特征进行了研究。结果表明，有机碳含量均随土层深度的增加而逐渐减小，但林地、旱地、撂荒地的降低速度明显高于水田，说明黏土颗粒对控制土壤有机碳含量起着重要的作用。水田、林地相比撂荒地、旱地更利于有机碳的积累，林地有机碳含量和密度在0～5 cm土层表现出绝对的优势。随着土层深度的增加，与水田、撂荒地和旱地的差异逐渐减小，且水田有机碳含量和密度在大于10 cm土层达最大值，而撂荒地有机碳含量和密度在0～20 cm土层高于旱地，说明深层土壤有机碳含量和密度的增加需要一个过程，只有当表层土壤的碳含量或密度达到饱和后才能逐渐对土壤深层的碳含量有所提高。

关键词 紫色丘陵区；土地利用；有机碳；碳密度

中图分类号 S158 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）16-05058-02

土壤有机碳是微生物分解植物残体释放养分的能量资源，对于维持土壤物理特性、提供微生物基质、养分的缓冲与供给和温室气体的释放与储存具有关键作用[1-3]，因此对土壤有机碳库的研究尤为重要。土壤有机碳主要包括植物、动物及微生物的分解产物，其储量主要由植物枯枝落叶层的输入和有机碳的分解速率决定，而人为活动引起的土地利用变化能通过与生境扰动相结合影响土壤有机碳氧化速率、团聚体形成、微生物活性、排水能力与侵蚀速率，同时改变进入土壤的植物殘体数量与种类来影响土壤碳含量与转化[1，4-6]。自1850年以来的土地利用改变已导致120 Pg C释放入空气中，特别是森林向农业生态系统的转变将导致土壤有机碳储量减少20%～50%，而森林转变为草地也将导致20%土壤有机碳的减少。鉴于土地利用的改变导致的有机碳变化对全球气候变化与土壤质量变化的重要性，国内外学者对有机碳变化已开展了大量研究。但是，土地利用改变对土壤碳的影响依赖于作物类型、植被种植年限、枯枝落叶与根系输入速率和分解能力以及碳在土壤剖面中的垂直分布[6-9]，同时受气候与土壤条件的制约，因此已有研究均具有各自研究区域的特点，具有各自的局限性，且当前大多数研究都集中在土壤表层，但深层土壤特别是含有较多根系的土壤反映巨大的碳库。为此，笔者开展了对重庆典型丘陵山区紫色土不同土地利用方式剖面土壤有机碳含量与密度的研究，为区域土壤有机碳含量的变化提供理论。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况 研究地点位于重庆市荣昌县吴家镇大坝村，地理坐标位于N 29°38′50″～29°39′20″，E 105°23′37″～105°24′19″。气候属于中亚热带湿润季风气候区，年平均气温17.7 ℃，年降雨量1 117 mm，气候温和，热量丰富，雨量充沛。地貌为丘陵，土壤以遂宁组母质发育的红棕紫泥为主。目前，研究区域内的土地利用类型主要包括旱地、水田、撂荒地和林地。其中，旱地主要进行玉米-小麦轮作制度，水田作物为水稻，撂荒地为原有旱地撂荒8年以上形成，常年被白茅草覆盖，土壤中根系较多，而现有林地全部为人工林，树种为柏树，生长年限12年，地面生长有少量的白茅草。

1.2 采样方法 根据研究区域现有土地利用类型，选择旱地、水田、撂荒地和人工林4种土地利用类型。每种土地利用类型设置3块样地。在样地选择时，为了避免环境因素造成的影响，减少样地间差异，所选样地环境条件大体相似，即样地均选择在较平缓的地段，且坡向和土壤类型基本相同。每个样地挖掘3～5个剖面。采样时，先去除地面凋落物，分0～5、5～10、10～20、20～40 cm 4层采集，然后将各样地的剖面土样分层混合，去除石砾、根系和土壤动物等，用四分法采集样品，带回室内后自然风干，供土壤养分分析。

1.3 样品测定 土壤有机碳采用K2Cr2O7外加热法测定。土壤容重（BD）采用环刀法，105 ℃烘干测定。

1.4 数据处理 数据分析采用SPSS13.0软件，方差分析采用LSD法；图表用sigmaplot10.0制作。有机碳密度（SOCi）计算公式为：

2 结果与分析

2.1 土壤剖面有机碳含量 图1表明，4种土地利用方式下土壤有机碳平均含量在3.59～7.44 g/kg间，但水田和林地相比旱地、撂荒地更利于有机碳的积累，其有机碳含量高达45%～52%。结合有机碳在不同土地利用方式土层分布情况，可知林地有机碳含量在 0～5 cm土层达最大值，为13.16 g/kg，比水田、撂荒地、旱地有机碳含量高60%～170%，但是随着土层深度的增加，林地有机碳含量急剧递减，与撂荒地、旱地间差异不明显。水田有机碳含量在0～5 cm土层明显小于林地，与旱地、撂荒地差异较小，土层厚度增加到10 cm后水田有机碳含量表现出最大值，相比林地、旱地、撂荒地高50%～190%，差异达到0.05显著水平，说明随着土层厚度的增加，林地、旱地、撂荒地有机碳含量的降低速度明显高于水田。撂荒地、旱地有机碳含量在整个剖面中均小于水田、林地，其中又以旱地有机碳含量最小。

图1还表明，有机碳含量总体表现出随着土层深度的增加而逐渐减小的趋势，林地、撂荒地有机碳含量受土层深度变化的影响较大。相比0～5 cm土层，20～40 cm土层有机碳含量分别下降了78%和73%，远远高于水田、旱地有机碳的递减幅度（33%和53%）。

2.2 土地剖面有机碳密度 表1表明，土壤有机碳密度在 注：不同小写、大写字母表示在相同利用方式下不同深度差异分别达0.05、0.01显著水平。

土壤有机碳含量不同土地利用方式间存在较大的差异。水田、林地碳密度在整个土壤剖面中达到33～36 t/hm2，而撂荒地和旱地碳密度相比水田、林地减少约50%，可见水田、林地比撂荒地、旱地更利于土壤有机碳的积累。从土层分布来看，0～5 cm土层林地有机碳密度分别比水田、撂荒地、旱地高96%、110%和160%，但是随着土层深度的增加，林地有机碳密度与撂荒地、旱地间差异逐渐减小，仅为37%～79%。水田0～10 cm土层有机碳密度与撂荒地、旱地差异不大，但土层深度大于10 cm后水田碳密度表现出最大值，特别是20～40 cm土层碳密度分别比林地、撂荒地和旱地高83%、228%、152%。与旱地相比，撂荒地土壤表层（0～20 cm）能有效地吸收碳，但是当土层深度增加后，旱地对碳的蓄积能力强于撂荒地。

3 讨论

研究表明，作物残留物的输入将导致土壤具有更多的有机碳[10]。研究中，除生长柏树，林地地面还生长有大量的白茅杂草，土壤获得生物量较多，因此土壤表层有机碳含量远远高于其他3种土地利用方式，而撂荒也是提高土壤肥力的一個重要途径。研究表明，撂荒地储藏土壤有机碳能力高于旱地，但限于0～20 cm土层。水田有机碳含量高于撂荒地，特别是土层20 cm以下高于林地。一方面是由于水田本身的残茬还田作用对有机碳的储存作用较大；另一方面是水田黏土颗粒含量较高，对控制土壤有机碳含量起着重要作用[11]，并且碳浓度随着黏土含量的增加而增加[12]。

有机碳含量在不同土层深度中表现出较大的差异性。吴建国等[13]研究表明，次生林、人工林、农田与草地有机碳含量都随着土层的加深而减少，但是天然次生林与人工林的递减幅度较大。该研究结果与上述研究结果相似，即4种土地利用方式有机碳含量均随着土层深度的增加而递减，但林地、撂荒地随土层深度的增加而递减的速率明显高于水田与旱地。这说明林地、撂荒地土壤表层虽然获得较多有机残留物而使得有机碳含量剧增，但并没有达到饱和而使下层土壤有机碳含量增加，同时林地、撂荒地虽含有较多根系，但分解速度比农田慢[14]，因此并没有显著提高深层土壤的有机碳含量，从而使得下层土壤有机碳含量与表层相比表现出剧减趋势。

虽然该研究没有研究有机碳含量与密度的相关关系，但是研究表明，林地、水田易于有机碳的蓄积，林地有机碳密度主要在表层表现出优势，水田有机碳密度则在大于10 cm土层表现出极大值，而撂荒地有机碳密度与旱地相比，也仅在表层（0～20 cm）表现出相对较大值。这些结果与有机碳含量变化趋势相似。这也说明耕地还林能够显著地提高土壤

表层有机碳的蓄积。但是，对于整个剖面特别是深层土壤，有机碳含量和密度的增加需要一个过程，只有当表层土壤的碳含量或密度达到饱和后才能逐渐提高土壤深层碳含量。

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责任编辑 刘月娟 责任校对 李岩