永州零陵区水稻土有机碳密度和储量估算研究

姚如男，周 清，张伟畅，冯 旖，吴婷华，张杨珠

（1. 湖南农业大学资源环境学院， 湖南 长沙410128； 2. 土壤肥料资源高效利用国家工程实验室， 湖南 长沙410128； 3. 零陵区人民政府， 湖南 永州425100）

随着城市化的发展，工业化水平不断提高，全球性温室效应不断加剧，人地矛盾也越来越突出，由此引发了一系列环境、社会问题。农田土壤碳储量仅占全球土壤碳储量的8%～10%，但农田固碳减排的动态变化与大气二氧化碳浓度变化息息相关[1]。据估算，中国农业土地每年以二氧化碳的形式释放到大气的碳为366×106t[2]。稻田不仅是中国粮食生产的重要基地，也是温室气体的重要来源，弄清稻田有机碳的储量和密度对于指导农业生产和保护环境具有重要意义。

稻田土壤有机碳含量是土壤重要组成部分，与土壤肥力关系密切，其含量丰缺情况是指导作物平衡施肥的重要依据。据估算我国水稻土表层有机碳储量为5.09×10-9mg，平均碳密度为37.6 t/hm2[3]，有机碳含量呈现出较明显的地带性分布规律，以东北地区、华中地区和西南地区较高，而华东地区和华南地区较低[4]。有研究表明，通过测土配方施肥，查清稻田土壤表层有机碳含量及变化规律，加大科学管理力度，如配施、秸秆还田、增施有机肥和免耕等措施均有助于减缓农田温室气体排放，提升稻田土壤有机碳储量[5-6]。水稻生产是零陵区主要的优势作物，笔者采用土壤类型法估算了零陵区水稻土表层有机碳密度和储量，对该区稻田土壤表层有机碳的含量及变化规律进行了研究，以期指导农户对农田进行科学培肥与管理。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

零陵区位于湖南省永州市，地理位置东经110°10′～111°56′，北纬25°51′～26°26′。区内四周高山环绕，中部丘岗起伏，构成山间盆地之状。境内属亚热带季风湿润气候区，热量丰富，光照充足，雨量充沛，无霜期长。年日照数1 491 h，平均气温为17.8℃，日平均气温大于10℃的积温为5 557℃。

1.2 样品采集与分析

研究数据来源于零陵区测土配方施肥项目，依据研究区内水田面积和土种类型确定采样数。采用X 法均匀随机采取水稻土表层土壤，土壤容重采用采用环刀法测定，采样点坐标采用GPS 仪定位。土样经室内风干，制样后，土壤有机质采用硫酸—重铬酸钾外加热法测定。

图件数据材料采用湖南省零陵区行政区划图（1∶10 000）、土地利用现状图（1∶10 000）、土壤类型图（1∶50 000）和地貌类型图（1∶50 000）。

1.3 数据计算

土壤有机碳密度计算公式如下：

式中，SOCD 为土壤有机碳密度（t/hm2）；SOM 为土壤有机质平均含量（g/kg）；ρ 为土壤容重（g/cm3）；H为土层厚度（cm）；0.58 为Bemmelen 换算系数；C 为土壤中大于2 mm 的粗颗粒的体积百分含量（%）。

土壤有机碳储量计算公式如下：

式中，SOCR 为土壤有机碳储量（t）；SOCDi为某块图斑有机碳密度（t/hm2）；Si为某图斑面积（hm2）。

2 结果与分析

2.1 零陵区不同类型水稻土有机碳密度和碳储量

由于地形条件、水分状况的不同以及施肥、管理等人为因素的影响，使零陵区水稻土各亚类表层土壤有机质的积累和分解速率各异，有机质含量存在明显差异，以潜育型的最高，漂白型的最低（表1）。零陵区共有水田土壤30 052.93 hm2，其中表层土壤有机质含量处于20～30 g/kg 的有3 637.63 hm2，占了水田土壤总面积的12.10%；表层土壤有机质含量处于30～40 g/kg 的有8 936.16 hm2，占29.73%；表层土壤有机质含量大于40 g/kg 的有17 361.97 hm2，占57.77%。这表明零陵区水稻土表层有机质含量处于较高的水平。

零陵区水稻土表层土壤有机碳总储量为1683003.35t，平均碳密度为55.42 t/hm2。不同土壤亚类水稻土表层土壤有机碳密度介于49.70～56.01 t/hm2之间，以潴育型的碳密度最大，其次为淹育型、潜育型和漂白型。各土壤亚类的面积对碳储量估算结果有较强相关性，其中潴育型水稻土碳储量最高，为1 234 445.06 t，占总储量的73.35%，其次为潜育型和淹育型水稻土，分别占总储量的15.72%和10.88%。储量最小的为漂白型水稻土，仅占总储量的0.05%。

表1 零陵区不同类型水稻土有机碳密度和碳储量

不同土属的水稻土有机碳密度具有明显差异，以烂泥田、紫泥田、酸紫泥的有机碳密度最高，分别为72.38、65.16、60.44 t/hm2，浅红黄泥、灰泥田、中性紫泥田等土属次之，有机碳密度最低的为白散泥，仅35.41 t/hm2。不同土属的表层有机碳密度的差异性与自然环境条件有密切关系，另外，施肥和管理也是影响有机碳密度的关键因素。

2.2 零陵区不同地貌水稻土有机碳密度和碳储量

不同的地形地貌条件，母岩母质、气候、植被、生物和对水、热条件均有显著差异，从而影响稻田土壤表层有机碳。不同地貌的水稻土表层有机质含量存在明显差异，河口三角洲的水稻土表层有机质含量最高，为41.73 g/kg，其次为低山、台地和丘陵区，最低的为阶地，仅有34.34 g/kg。水稻土有机碳密度分布与地形地貌类型有密切联系，分布于排田的水稻土，排水条件好，易于通风通气，有机质分解较快；而位于冲田的水稻土，因长期渍水导致土壤透气性差，有机碳密度普遍较大。不同地形的水稻土表层土壤有机碳密度有明显的差异，最高的达到57.79 t/hm2，最低的仅47.03 t/hm2。一方面不同的地形地貌制约着水热的分布，影响着表层土壤有机碳密度；另一方面人为因素，包括施肥、灌溉和管理等也起着主要作用。由表2 可知，台地的碳储量达到893 859.29 t，占零陵区水稻土表层有机碳储量的53.11%；其次为丘陵区水稻土表层土壤碳储量占21.79%，第三为冲积平原和低山区，分别占11.80%和11.08%；阶地、中山和河口三角洲所占比例较少，分别占全区碳储量的0.99%、0.95%和0.27%。

零陵区水稻土表层有机碳密度空间分布总体上表现为东、西部地区较高，中部地区较低。不同乡镇之间水稻土表层有机碳密度相差较大，其中以菱角塘镇最大，为61.10 t/hm2，其次为凼底乡、石岩头镇和七里店街道，有机碳密度最小的为朝阳街道，仅为50.00 t/hm2。

表2 零陵区不同地貌类型水稻土地表层土壤有机碳密度和碳储量

2.3 零陵区水稻土表层有机碳密度比较

全国各地区的水稻土表层土壤有机碳密度存在较大的差异，零陵区、南县、临澧县、桃江县、华南地区、东北地区、华北地区、西南地区水稻土表层土壤有机碳平均密度分别为55.4、60.8、53.8、51.4、40.4、42.7、31.0、36.3 t/hm2[7]。零陵区水稻土多分布于河谷阶地、丘间平地和冲垅，以石灰岩风化物所生成的水稻土面积最为广阔，其表层土壤有机碳密度低于主要由近代河流冲积物发育的南县，但高于由第四纪红土发育而成的临澧县和板页岩发育而成的桃江县。通过与其他区域水稻土表层土壤有机碳密度比较，发现零陵区有机碳密度高于我国均值。

相比于第二次土壤普查数据，零陵区水稻土有机碳总体呈现上升趋势。第二次土壤普查时，零陵区水稻土表层土壤有机碳平均密度为36.28 t/hm2，全区水稻土有机碳含量也仅为适宜水平[8-9]。三十多年里，随着农业科学技术的发展，零陵区稻田系统生产力的逐步提高，水稻秸秆还田量和有机物施用量的增加，土壤有机碳的积累得到了促进。不同土属的表层有机碳密度有增有减，其中以烂泥田增加量最大，由27.55 t/hm2增至72.38 t/hm2，而青泥田的减少量最大，由59.68 t/hm2减小到40.98 t/hm2。随着城市化水平的提高，建设用地的增加等，零陵区水田面积呈递减趋势，从而加速了水稻土有机碳储量的减少。

3 讨论与结论

通过多源信息，如零陵区土地利用现状图、土壤类型图、地貌类型图和行政区划图等，系统性地对县域级尺度水稻土有机碳储量进行了估算，研究结果表明：（1）零陵区水稻土有机碳储库约为1 683 003.35 t，平均有机碳密度为55.42 t/hm2，有机碳密度高于我国水稻土表层有机碳密度均值。相比第二次土壤普查数据，水稻土有机碳密度总体呈现为上升趋势。（2）零陵区水稻土有机碳密度具有高度的空间变异性，空间分布上，总体表现为东、西部地区土壤有机碳储量较高，中部地区较低。不同土壤亚类的表层土壤有机碳密度介于49.70～56.01 t/hm2之间。不同地形的水稻土表层土壤有机碳密度有明显的差异，最高的达到57.79 t/hm2，最低的仅47.03 t/hm2。

稻田土壤有机碳含量是土壤肥力的重要组成部分，其含量丰缺情况是指导作物平衡施肥的重要依据。研究零陵区稻田土壤表层有机碳含量及变化规律，估算稻田土壤碳储库，对因地制宜地进行科学管理，总结培肥改土措施，科学指导该地区农户平衡施肥，减缓农业生产的二氧化碳排放和保护地区生态环境等具有重要意义。此外，近年来化肥施用量逐年增加，而有机肥施用量却相对地减少，且随着经济社会的发展，农业生产过程中对土壤的过度利用导致土壤耕性明显变差，保水保肥能力大幅下降。如何以精准农业技术推动传统农业转型，通过保障水稻种植面积的稳定性，大力引进优质高产品种，增加种稻的科技含量，提高科技普及率等有效措施，提升水稻单位面积产量，增加水稻总产量将是以后农田管理的方向；同时结合当地实际生产情况，逐步加大有机肥的施用量，通过堆沤农家肥，秸秆沤肥、种植绿肥等方式，增加有机肥投入量，以保持全区土壤有机质含量的动态平衡也是今后的工作重点。

[1]唐海明，汤文光，肖小平，等.中国农田固碳减排发展现状及其战略对策[J].生态环境学报，2010，19（7）：1755-1759.

[2]李长生.土壤碳储量减少：中国农业之隐患——中美农业生态系统碳循环对比研究[J].第四纪研究，2000，20（4）：345-349.

[3]刘庆花，史学正，于东升，等.中国水稻土有机和无机碳的空间分布特征[J].生态环境，2006，15（4）：659-664.

[4]余 涛，杨忠芳，侯青叶，等.我国主要农耕区水稻土有机碳含量分布及影响因素研究[J].地学前缘，2011，18（6）：11-19.

[5]金 琳，李玉娥，高清竹，等.中国农田管理土壤碳汇估算[J].中国农业科学，2008，41（3）：734-743.

[6]李长江，温晓霞，眭彦伟，等.陕西关中农田温室气体减排潜力分析[J].西北农业学报，2013，22（8）：174-180.

[7]刘守龙，童成立，张文菊，等.湖南省稻田表层土壤固碳潜力模拟研究[J].自然资源学报，2006，21（1）：118-125.

[8]湖南省永州冷水滩市地方志联合编纂委员会.零陵县湖南省志[M].北京：中国社会出版社，1992.

[9]湖南省农业厅.湖南土壤[M].北京：农业出版社，1989.