杭州湾南岸滨海围垦区耕层土壤有机碳的变异特征及影响因素分析

杭州湾南岸滨海围垦区耕层土壤有机碳的变异特征及影响因素分析

邓勋飞1, 陈晓佳1, 麻万诸1, 王飞2, 任周桥1, 秦方锦2, 吕晓男1*

(1.浙江省农业科学院数字农业研究所,杭州310021;2.宁波市种植业管理总站,浙江 宁波315012)

摘要研究农田土壤耕层有机碳库的变异特征及影响因素,有助于理解耕层土壤碳库变化,并采取合理的种植管理方式来减少土壤碳排放,减缓全球变暖。本文通过对杭州湾南岸滨海围垦区农田土壤有机碳含量及其空间变异的研究,揭示在不同围垦年限、土壤类型演变及典型种植模式条件下,滨海围垦区土壤耕层有机碳库的变异规律。2007—2009年,共调查采集了浙江省慈溪和余姚2市北部滨海围垦区域内耕层(0～20 cm)代表土样2 353个。利用随机森林(Random forest)方法和GIS空间插值算法,分别计算各因子之间的重要性和土壤有机碳空间变异。围垦区内耕层土壤有机碳平均值9.78 g/kg,变化范围在1.04～38.22 g/kg之间,属中等强度变异。在不同种植模式或土壤类型下,土壤有机碳含量差异均有统计学意义(P<0.05).其中,种植模式“稻-稻”及土壤类型为在水稻土条件下的土壤有机碳含量较高,其平均含量分别达到了18.13 g/kg和21.42 g/kg;而在“菜-菜”“果园”种植模式与在滨海盐土、潮土条件下耕层土壤有机碳较为接近(介于8.30～9.48 g/kg之间)。在不同围垦年限下,有机碳平均含量在7.14～10.96 g/kg之间;除1724—1918年外,在其他围垦年限下耕层土壤有机碳差异均无统计学意义(P>0.05);而在相同围垦年限条件下,不同土壤类型之间有机碳差异有统计学意义(P<0.05),不同种植模式的“稻-稻”与“菜-菜”，“稻-稻”与“果园”之间有机碳差异均有统计学意义(P<0.05)。种植模式对土壤有机碳的变异具有较高解释能力(22.87%),其次是土壤类型(8.68%)和围垦年限(4.12%),并且土壤类型与围垦年限之间存在高度关联性(r=0.64,P<0.001)。研究区内耕层土壤有机碳含量在空间变异上呈现中北部较低,西北和东南部较高的特征,并与种植模式的分布差异基本一致,种植模式对耕层土壤有机碳的变异影响最大，其次是土壤类型变化,而围垦年限的影响较小。

关键词种植模式； 围垦年限; 土壤有机碳; 随机森林; 耕层

中图分类号S 153.6文献标志码A

基金项目：科技部农转基金(2013GBC220534)。

收稿日期(Received)：2014-06-20;接受日期(Accepted)：2014-10-22;网络出版日期(Published online)：2015-05-19

Variability of soil organic carbon in plough layers and its impact factors in a coastal reclamation area on south coast of Hangzhou Bay. Journal of ZhejiangUniversity(Agric. & LifeSci.), 2015,41(3)：349-357

Deng Xunfei1, Chen Xiaojia1, Ma Wanzhu1, Wang Fei2, Ren Zhouqiao1, Qin Fangjin2, Lü Xiaonan1,*(1.InstituteofDigitalAgriculture,ZhejiangAcademyofAgriculturalSciences,Hangzhou310021,China; 2.StationofPlantingIndustryManagementofNingboCity,Ningbo315012,Zhejiang,China)

SummarySoil organic carbon (SOC) has been identified as a key element in the global carbon balance. The studies on spatial distribution and variation of SOC are very helpful for soil monitoring and soil mapping. There are few reports on spatial variability of SOC concentration under different crops in plough layers in coastal reclamation areas. This study is intended to determine spatial distribution of SOC storage and its impact factors in the coastal reclamation area on south coast of Hangzhou Bay.

A total of 2 353 soil profiles in plough layer were collected from 2007 to 2009 in coastal reclamation area of Hangzhou Bay. SOC concentrations of soil samples were determined according to the dichromate oxidation method with a factor of 0.58. Geo-statistical methods were used for interpolation and spatial grids of crop fields, and random forest method was employed to estimate explanation capability and eliminate inter-correlations among impact factors.

The average contents of SOC in plough layer is 9.78 g/kg, varied from 1.04 g/kg to 38.22 g/kg, indicating a moderate degree of variability (variable coefficient=65.24%). For three different cropping patterns, including Vegetables, Rice-Rice and Orchards, the soil points were 1 858, 327 and 168, respectively. Specifically, Rice-Rice has the highest SOC content (18.13 g/kg), followed by Vegetables (8.44 g/kg) and Orchards (8.30 g/kg). Under different soil types, significant differences were observed among paddy soil, coastal saline and fluvio-aquic soil (P<0.05), SOC content in coastal saline soil was close to those in fluvio-aquic soil, and the highest SOC concentration was observed under paddy soil (21.42 g/kg). Besides, for different reclaimed ages, SOC content ranged from 7.14 g/kg to 10.96 g/kg. Except the reclaimed age of 1724—1918, no significant difference was found among other reclaimed ages (P>0.05). Additionally, under each reclaimed age, the significant differences were observed between Rice-Rice and Orchards (P<0.05), Vegetables and Rice-Rice (P<0.05), and significant differences were also detected among different soil types (P<0.05). Moreover, there were highly significant inter-correlations between soil types and reclaimed ages (r=0.64,P<0.001), and the highest individual explanation capability of cropping patterns on SOC variability was 22.84% after eliminating the inter-correlations, followed by soil types (8.68%) and reclaimed ages (4.12%) in this region. Finally, geo-statistical interpolation analysis revealed that high SOC concentration was mainly located at southeast and northwest of study area, whereas low SOC content was observed in central north. This high and low distribution of SOC concentration in this study region is consistent with the cropping patterns of Rice-Rice and Vegetables, respectively.

In conclusion, a spatial distribution of SOC concentration was achieved in the study region, and SOC content is much higher in the rice planted region and/or paddy soil than those of vegetables, orchards, coastal saline soil and fluvio-aquic soil. The cropping pattern is a more important factor on variation of SOC content than soil type and reclaimed ages in this coastal region, and this could be helpful to adopt appropriate cropping strategies to improve the soil carbon storage in the coastal reclaimed region.

Key wordscropping patterns; reclaimed ages; soil organic carbon; random forest; plough layer

土壤在全球气候变化与碳平衡中起着重要的作用,农业土壤中的碳主要以有机质的形式存在[1],其中表层(0～30 cm)土壤中有机碳积累约占土壤全剖面的一半[2]。人类生产活动,尤其是土地利用和耕作方式对土壤有机碳含量及动态平衡过程有重要的影响[3-4]。至今,有关土地利用变化对土壤有机碳的影响研究主要集中于林地、草地或农田之间一般性的比较[5-6]。不同耕作措施对土壤有机碳影响的研究,虽然可揭示农田在土壤条件下施肥、秸秆还田、常规耕作、作物轮作、保护性耕作等对农田土壤有机碳含量的不同影响,但多数这类结果主要来自较小区域范围内的田间试验[7-9]。以往对滨海围垦区土壤有机碳变异研究较少,且主要探讨不同围垦年限对土壤有机碳的影响[10-13],缺乏在较大区域范围内、不同围垦年限、土壤类型演变与农业种植模式共同作用下耕层土壤有机碳空间变异特征及影响的研究。

杭州湾南岸具有很长的海涂改造历史,是我国典型的滩涂围垦区,是农业种植等人类生产活动影响剧烈的区域之一。长期种植农作物以及对围垦土地的平整改造、培肥改良已经使该区的土壤理化特性发生了重要的变化,也对土壤有机碳含量的变化产生了显著影响[14]。本文以杭州湾南岸不同时期围垦的农业土壤为对象,研究当地典型种植模式下的耕层(0～20 cm)土壤有机碳的空间变异情况,目的是揭示滨海围垦区在不同围垦年限、土壤类型演变及典型种植模式共同作用下土壤表层有机碳库的变化规律。

1材料与方法

1.1研究区域

研究区域位于浙江省东部的杭州湾南岸,为典型的滨海堆积平原,包括慈溪和余姚2市的北部(30°02′—30°34′N,120°56′—121°36′E)。研究区属于典型的亚热带海洋性季风气候区,年均气温16 ℃,常年平均有效积温5 200 ℃左右,年均降水量1 273 mm。通过近千年的围垦与利用培肥改良,该地区自海边向内陆依次分布有滨海盐土、潮土和水稻土等3个土类[14]。研究区内耕地面积约390 km2,主要的种植模式为蔬菜-蔬菜轮作、双季水稻,近年来部分耕地已被改种为果树和苗木。

1.2围垦年限划分

自公元5世纪,该区域范围内已开始垒土筑塘和滩涂围垦,每筑一塘,当地人民便开始开垦,使其变为农用地、海水养殖或建设用地,至今已经围垦达十二塘,十塘以北是2004年以后围垦的[13-14]。其中,慈溪北部一带围垦记录中区域跨度较大的是一塘(太沽塘,1047—1341年)、三塘(榆柳塘,1724年)、六塘(永清塘,1815—1918年)、七塘(解放塘,1945年)和九塘(1970年)[15]。本文在围垦年限划分时,以一塘为滨海围垦初始分界,一塘以内参照围垦记录依次选取三塘、六塘、七塘和九塘为分界。此外,在慈溪的东南部和余姚的北部地区,由于缺乏明确相应年代的围垦筑塘分界线记录,围垦年限分界线参照宁波土壤分布图(土种)以及王飞等[14]记录的围垦年限与土种演变关系大致推断得出。

1.3采样方法

本研究数据来自浙江省慈溪和余姚2市2007—2009年测土配方施肥项目所采集与分析的耕地地力调查数据。地力调查样点布设兼顾耕地土壤类型和种植现状等因素,将调查区域按每单元0.3～0.5 km2划分为若干个采样单元,在每个采样单元相对中心位置0.3～0.6 hm2的典型地块上采一个代表土样;并用GPS(Garmin 72, Inc., USA)定位近似中心点位置,记录该样点的采样时间、前茬作物、典型种植模式以及详细位置等内容,其中典型种植模式的确定主要是基于现状(近3年内),并兼顾5～10年内该地块典型的种植情况判断。代表土样采集遵循“随机—等量—多点混合”的原则,“S”型采样,取样深度统一为0～20 cm,每个样点由10～15个分点混合,按四分法留取总质量为1 kg的样本。采样时间一般在秋季作物收获后,设施蔬菜则在凉棚期采集,共获取耕层土壤样点2 353个,其中“菜-菜”、“稻-稻”和“果园”种植模式样点分别为1 858,327和168个,表层土壤有机碳含量测定执行NY/T 1121.6—2006,采用重铬酸钾容量法[16]。

图例中围垦分界线对应的年代标注是指围垦筑塘过程所经历的大致时间跨度 [15]。 Labels of reclamation line in legend stand for the approximated duration for reclamation activities [15]. 图1　研究区内土壤采样调查点、围垦年代和土壤类型分布图 Fig.1　Distribution map of soil observations along with reclaimed ages and soil types in study region

1.4统计分析与空间插值方法

用斯皮尔曼(Spearman)法比较土壤类型、围垦年限和种植模式3种不同情况下有机碳含量之间的差异性。本文中土壤类型、围垦年限和种植模式均视为分类变量，在计算时，预先将这3种分类变量中各原始分类值(水稻土、潮土和滨海盐土)在R软件(Version 3.03)[17]中依次转换为虚拟变量(dummy variables)[18]，将所有转换后的分类变量汇总后，用列联表分析它们之间的相关性。同时，基于随机森林方法(Random Forest)[19]，在R中应用importance函数计算围垦年限、种植模式及土壤类型对土壤有机碳变异的节点纯度(IncNodePurity)，各因素所占全部节点纯度的权重即是该因素对有机碳变异影响的重要程度(解释能力)。以上的统计分析均在R软件中完成，主要涉及的R程序包为vcd，grid 和randomForest。土壤有机碳空间分布计算在ArcGIS10.0(Version 10.0)软件下进行，以研究区域为边界范围，获取调查数据中的有机碳含量，通过GIS地统计分析的普通克里格(Ordinary Kriging)法进行点面插值计算。

2结果与分析

2.1有机碳含量描述性统计

研究共获得2 353个土壤有机碳数据,区域总体有机碳平均水平为9.78 g/kg,变异系数为65.24%,属于中等程度变异(表1)。在“稻-稻”种植模式下土壤有机碳含量与“菜-菜”“果园”相比差异均有统计学意义(P<0.05)。围垦年限位于1724—1918年之间的土壤有机碳含量与其他4个围垦时期相比差异有统计学意义(P<0.05),而其他4个围垦年限之间土壤有机碳含量相比差异无统计学意义(P>0.05)。滨海盐土、潮土和水稻土等土壤类型之间的有机碳相比差异有统计学意义(P<0.05),有机碳含量随着土壤类型的演变呈现增长趋势,水稻土平均有机碳含量达到21.42 g/kg。另外,“稻-稻”与“果园”种植模式、滨海盐土和水稻土与总体土壤有机碳均值相比差异有统计学意义(P<0.05),但不同围垦年限(除1724—1918年外)与总体土壤有机碳均值相比差异无统计学意义(P>0.05)。种植模式和土壤类型对土壤有机碳含量具有较好的“高—低”区分能力,其中在“稻-稻”模式和水稻土条件下有机碳含量高(>18.13 g/kg),而“菜-菜”“果园”滨海盐土和潮土中有机碳含量较低(<9.48 g/kg)。

表1　在不同种植模式、围垦年限和土壤类型下土壤有机碳描述性统计

a)稻-稻即以双季稻种植为主;菜-菜：包含相同或不同蔬菜的轮作或棉-菜轮作;果园：包含一年或多年生苗木和果园。“*”表示与总体样本相比土壤有机碳含量在P<0.05水平差异有统计学意义;不同的小写字母表示各分组内部之间土壤有机碳含量在P<0.05水平差异有统计学意义。

a) Rice-Rice is mainly composed of double cropping rice; Vegetables is consisted of rotation of the same or different vegetables, and the cotton-vegetable; Orchards include annual or perennial seedlings and orchards. “*” demonstrates a significant difference of SOC content with the total samples (P<0.05), and different lowercase letters indicate a significant difference of SOC content within each category (P<0.05).

2.2种植模式、围垦年限和土壤类型之间的土壤有机碳差异比较

在相同种植模式条件下,除“稻-稻”模式外,不同土壤类型间的土壤有机碳含量均为滨海盐土<潮土<水稻土,并且在多数情况下不同土壤类型之间的土壤有机碳差异有统计学意义(P<0.05)。而不同围垦年限形成的土壤有机碳变化并不一致。在“果园”种植模式下,土壤有机碳平均含量随围垦年限增加呈逐渐升高趋势,但围垦年限之间的差异无统计学意义(P>0.05)。而在“菜-菜”“稻-稻”种植模式下,土壤有机碳均随着围垦年限增加呈先下降再升高的趋势(表2)。在相同土壤类型条件下,土壤有机碳含量均为“果园”<“菜-菜”<“稻-稻”,其中前2种模式之间差异无统计学意义(P>0.05),但它们与“稻-稻”模式之间除水稻土类型外差异有统计学意义(P<0.05)。另外,比较围垦年限对不同土壤类型有机碳含量的影响(表3)发现,随着围垦年限的增加,潮土表层土壤有机碳含量呈先降低再升高的趋势;在相同围垦年限下,不同土壤类型间的有机碳相比差异有统计学意义(P<0.05,除1918—1945年外)。

表2　在不同种植模式下围垦年限和土壤类型对土壤有机碳含量的影响

数据后不同大写字母表示在相同围垦年限或土壤类型条件下,不同种植模式之间有机碳含量在P<0.05水平差异有统计学意义;不同小写字母表示在相同种植模式下,不同围垦年限或土壤类型各分组内部之间有机碳含量在P<0.05水平差异有统计学意义。

Different uppercase letters show a significant difference of SOC content among different cropping patterns under the same reclaimed ages or soil types (P<0.05), and different lowercase letters indicate a significant difference of SOC content among reclaimed ages or soil types within the same cropping patterns (P<0.05).

表3　围垦年限对不同土壤类型中土壤有机碳含量的影响

数据后不同大写字母表示在相同围垦年限下,不同土壤类型之间有机碳含量在P<0.05水平差异有统计学意义;不同的小写字母表示在相同土壤类型下,不同围垦年限之间有机碳含量在P<0.05水平差异有统计学意义。

Different uppercase letters show a significant difference of SOC content among different soil types under the same reclaimed ages (P<0.05), and different lowercase letters indicate a significant difference of SOC content among different reclaimed ages within the same soil types (P<0.05).

2.3土壤有机碳含量变异的影响因素分析

结果(表4)表明,种植模式、围垦年限和土壤类型之间并不是相互独立的,两两之间存在一定的关联。其中,围垦年限与土壤类型存在较高相关性(r=0.64,P<0.001),而土壤类型与种植模式,围垦年限与种植模式之间相关性相对较低。此外,通过随机森林方法的计算发现,种植模式对该区域土壤表层有机碳含量变化的解释能力贡献最大(22.87%),其次是土壤类型(8.68%),围垦年限影响最小(4.12%)。

表4　种植模式、围垦年限和土壤类型之间的相关性及其对土壤有机碳含量变异的解释能力

***相关性极显著(P<0.001)。

*** indicates highly significant correlation at the 0.001 probability level.

2.4土壤有机碳空间变异

通过对有机碳的空间插值获得研究区耕层土壤有机碳空间分布图(图2)。从中可知,土壤有机碳含量较高的区域主要分布在研究区域的西部(图2之H1,H2)和东南部地区(图2之H3,H4),这些地区耕层土壤有机碳含量水平最高,基本都在12 g/kg以上;而慈溪北部大部分地区(图2之L)土壤有机碳含量总体水平较低,大多处于8 g/kg以下。

图2　耕层土壤有机质空间变异 Fig.2　Spatial distribution of soil organic carbon in plough layer

3讨论

3.1围垦年限对耕层土壤有机碳的影响

杭州湾南岸的滨海地区历经了近千年的围垦,长期种植、培肥改良已经对该地区的土壤理化特性产生了重要影响[14,20]。围垦后土壤熟化时间越久,有机质积累越明显,土壤有机碳含量越高[21]。然而,本文中随着围垦年限的增加,表层土壤有机碳的总体平均含量并未呈现稳定的增长趋势(表1),这与张文敏等[13]在慈溪市周巷镇揭示的农田表层土壤有机碳随围垦时间延长而增加的趋势并不一致,这种差异可能与围垦年限的跨度、划分及研究区域大小关系密切。相对于围垦了10～120年的时间跨度及较小的采样范围,围垦超过40年的土壤表层(0～20 cm)有机碳含量与围垦10年相比差异有统计学意义(P<0.05),但围垦超过40年之后增加并不明显,差异无统计学意义(P>0.05)[13]。而本研究中围垦年限的总体跨度(1047—2004年)以及各围垦年限之间的间隔都很大,大部分土壤的围垦年限已经超过50年(图1),并且研究区域覆盖了整个杭州湾南岸,种植差异性更为多样,围垦年限与种植模式的叠加效应可能弱化了有机碳含量随围垦年限增加的趋势。对于在相同土壤类型(潮土)或种植模式条件下,有机碳含量随围垦年限的增加呈先下降再升高或依次升高的趋势(表2,表3),并且在大多数情况下,各围垦年限之间,或各围垦年限与总体样本之间的有机碳差异无统计学意义(P>0.05,表1)。这在一定程度上反映了有机碳不仅受围垦年限的影响,可能还受土壤类型和种植模式的共同作用,而表4中这三者对有机碳变异的解释能力也证实耕层土壤有机碳受围垦年限的影响较小。

此外,图2所示的有机碳空间变化趋势并没有表现出如金雯晖等[11]在江苏省台东滩涂表层土壤研究中发现的有机碳含量沿海岸线向内陆呈明显的条带递增分布特征,这可能与采样点的分布和密集度有关。金雯晖研究中的采样分布相对均匀,呈明显变化趋势的主要集中在1955年之后围垦区域(由海边向内陆依次为生态演替带、抛荒地、新垦农田及稳定农田),而本文的调查数据均处于耕作农田中,且绝大部分样点都在围垦于1970年之前的区域。对于这些已有较长围垦历史的土壤,已有研究证实由于围垦前后土壤淹水状态的改变及改良措施的进行,在围垦时期超过30～50年后,土壤中有机碳储量(0～100 cm深度)趋于稳定或增加主要受不同耕作过程中有机质(含有机肥或植物残体)输入与碳输出的不平衡影响[22-24]。并且,表层土壤(0～30 cm)有机碳更容易受到如耕作方式、施肥或灌溉等人为因素的影响[7,25],引起有机碳含量的升高或降低。而本研究区域样点以旱地、水田及轮作等不同农业耕作方式分散于各围垦时期(图1),可能一定程度上弱化了农田表层土壤有机碳在各围垦年限之间的差异。

3.2典型种植模式对耕层土壤有机碳的影响

土壤有机碳含量变异通常在较大的空间尺度上受气候、成土母质等结构性差异影响较大,而对于较小的区域范围,往往受植被或耕作的影响更大[25]。一定区域范围内的典型种植模式,一般都与土地利用方式和耕作措施存在关联,可以将种植模式看作是不同土地利用方式与农田耕作措施等的综合体现。本研究中慈溪是典型的蔬菜种植区,余姚北部大部分为典型的双季稻和蔬菜种植区,从图1和图2对照可以发现,耕层土壤有机碳的“高—低”分布与不同的种植模式(“稻-稻”“菜-菜”)呈现较高的空间相似性。种植模式对有机碳变异的解释能力较强(表4),表明了当地主要农业种植模式对耕层土壤有机碳的变异产生了重要影响。杭州湾南岸滨海围垦地区“稻-稻”模式中土壤有机碳含量较高,这与Cheng等[23]在慈溪稻田研究中发现的长期水稻种植下,表层土壤(0～20 cm)有机碳含量显著高于非水稻种植的结果一致。在稻田普遍淹水(厌氧)条件下,有机物的矿化受到抑制,分解速度下降,使得有机碳易于在土壤中累积[27]。此外,当地水稻收割模式基本为机械收割,部分秸秆通过机器粉碎后以直接还田的方式返回到了土壤中,并且在该种植模式下还包括了部分蔺草等绿肥与水稻的轮作种植,这些有机物在土壤中的积累有助于维持或提升农田土壤中有机碳的水平[27]。

该区域中的“菜-菜”模式,主要为瓜类、叶菜类、茄果类,榨菜、茭白等蔬菜种植以及少量的“棉-菜”轮种,除茭白外,其余蔬菜均以旱作为主。相对于水稻,蔬菜等旱地耕作中土壤有机碳含量往往较低[28-29]。蔬菜种植地块中翻耕、培土、起垄等耕作措施较为频繁,造成了土壤团聚体破碎,使得表层(0～20 cm)土壤结构没有水稻田中那么紧实稳定,更容易形成疏松孔隙包容氧气,促进土壤有机碳的分解[29]。另外,绝大多数蔬菜的生物量,即可食用部分,都不可能再回到原土壤中,只有不甚发达的根系(与水稻相比)残留在土壤中,这又使得表层土壤的输入有机碳减少,这些因素共同加速了耕层中土壤有机碳的流失。从表1还发现,虽然“菜-菜”模式总体有机碳水平较低,但其变异系数较高,不同蔬菜类型的施肥、轮作或灌溉差异可能造成土壤中有机碳的不平衡[21]。如余姚北部地区为主要的榨菜种植区(图2之H1),随着近年来榨菜测土配方施肥的推广,农户施用有机肥显著增加[14];还有一些地区是近年来由传统的水稻耕作区转为“菜-菜”种植,原有较好的水肥条件使得该地区的土壤有机碳并没有快速下降到较低水平;而在图2之L部分的一些地块以蔬菜间作为主,有机碳含量明显偏低。

以果树苗木等为主的“果园”种植模式相对于“菜-菜”种植模式,两者之间差异并不显著(表1,表2),本文“果园”中有机碳含量与张容娟等[12]在崇明岛滩涂地区苗圃和果园中发现的表层土壤有机碳含量接近。在“果园”模式下人为翻耕明显减少,施肥仍以化肥为主,有机肥使用较少。土壤中有机碳积累主要依靠地表杂草以及植株的凋落物,逐步回归到土壤,而果树苗木种植多为近十年发展起来的,较小的植株造成凋落物总量偏少。而这些凋落物往往残留在0～5 cm的土壤表层,深度5 cm以下有机碳显著下降[12],由于该区域地处亚热带,较高的温度和适宜的干湿条件,有利于地表有机物分解[30],使得一部分有机碳并未进入土壤表层以下,从而使得“果园”中表层有机碳含量偏低。

3.3土壤类型差异对耕层土壤有机碳的影响

土壤有机碳的空间异质性往往受地形、成土母质与气候等结构性因素影响[23],本研究区域内地形地貌、温度和降雨等空间结构性条件基本一致,主要的空间结构性差异为围垦区的土壤类型变异。王飞等[14]的研究揭示了该滨海围垦区域随着年代的推移,土壤类型已经逐步从滨海盐土向潮土和水稻土转变。统计结果(表1,表2)表明，耕层土壤中有机碳含量随着土壤类型的演变逐渐增加,并且8.68%的解释能力也显示土壤类型确实对该地区的土壤有机碳含量变异产生了一定的影响(表4)。结合图1中土壤类型的演变情况,对照图2的表层土壤有机碳的差异分布,在不少区域(图2之H1,H2,L)有机碳的变化与土壤类型演变并不一致,这印证了其对该研究区域土壤有机碳变异的解释能力不高。造成这种情况的原因可能是本研究关注的耕地土壤(包括少量园地田块)不同于一般自然土壤,它往往受到农业生产活动的影响[7-8]。而该地区在不同土壤类型条件下,兼有蔬菜、水稻和果园等多种农业种植方式,不同的种植模式所带来的土壤管理方式的差异可以引起相应的土壤有机碳含量差异[21],从而在一定程度上削弱了土壤类型的变化对表层土壤有机碳变异的影响。

4结论

杭州湾南岸滨海围垦区的耕层土壤有机碳含量平均为9.78 g/kg,变化范围为1.04～38.22 g/kg,属中等强度变异;从空间分布上看,有机碳在研究区中北部多数地区偏低,而在研究区域西面和东南面较高,与种植模式的空间分布基本一致。在“稻-稻”种植模式下的有机碳含量明显高于“菜-菜”和“果园”种植模式;水稻土中的有机碳含量也分别高于潮土和滨海盐土;不同围垦年限之间的土壤有机碳差异并不明显。这3种因素对该地区农田耕层土壤有机碳影响大小依次为种植模式>土壤类型>围垦年限。

参考文献(References)：

[1]Guo L P, Lin E D. Carbon sink in cropland soils and the emission of greenhouse gases from paddy soils: A review of work in China.Chemosphere-GlobalChangeScience, 2001,3:413-418.

[2]Noponen M R A, Healey J R, Soto Getal. Sink or source： The potential of coffee agroforestry systems to sequester atmospheric CO2into soil organic carbon.Agriculture,Ecosystems&Environment, 2013,175:60-68.

[3]Zhang W T, Huang B, Luo D. Effects of land use and transportation on carbon sources and carbon sinks: A case study in Shenzhen, China.LandscapeandUrbanPlanning, 2014,122:175-185.

[4]陈朝,吕昌河,范兰,等.土地利用变化对土壤有机碳的影响研究进展.生态学报,2011,31(18):5358-5371.

Chen Z, Lü C H, Fan L,etal. Effects of land use change on soil organic carbon: A review.ActaEcologicaSinica, 2011,31(18):5358-5371. (in Chinese with English abstract)

[5]王阳,章明奎.不同类型林地土壤颗粒态有机碳和黑碳的分布特征.浙江大学学报:农业与生命科学版,2011,37(2):193-202.

Wang Y, Zhang M K. Distribution characters of particulate organic carbon and black carbon in soils under different forestry vegetations.JournalofZhejiangUniversity:AgricultureandLifeSciences, 2011,37(2):193-202. (in Chinese with English abstract)

[6]Fang X, Xue Z J, Li B C，etal. Soil organic carbon distribution in relation to land use and its storage in a small watershed of the Loess Plateau, China.Catena, 2012,88:6-13.

[7]吕瑞珍,熊瑛,李友军,等.保护性耕作对农田土壤碳库特性的影响.水土保持学报,2014,28(4):206-209,217.

Lü R Z, Xiong Y, Li Y J,etal. Effects of conservation tillage on soil carbon pool in farmland.JournalofSoilandWaterConservation, 2014,28(4):206-209,217. (in Chinese with English abstract)

[8]杨敏芳,朱利群,韩新忠,等.不同土壤耕作措施与秸秆还田对稻麦两熟制农田土壤活性有机碳组分的短期影响.应用生态学报,2013,24(5):1387-1393.

Yang M F, Zhu L Q, Han X Z,etal. Short-term effects of different tillage modes combined with straw-returning on soil labile organic carbon components in a farmland with rice-wheat double cropping.ChineseJournalofAppliedEcology, 2013,24(5):1387-1393. (in Chinese with English abstract)

[9]Awale R, Chatterjee A, Franzen D. Tillage and N-fertilizer influences on selected organic carbon fractions in a North Dakota silty clay soil.SoilandTillageResearch,2013,134:213-222.

[10]Dodla S K, Wang J J, de Laune R D. Characterization of labile organic carbon in coastal wetland soils of the Mississippi River deltaic plain: Relationships to carbon functionalities.ScienceoftheTotalEnvironment, 2012,435/436:151-158.

[11]金雯晖,杨劲松,王相平.滩涂土壤有机碳空间分布与围垦年限相关性分析.农业工程学报,2013,29(5):89-94.

Jin W H, Yang J S, Wang X P. Spatial distribution of organic carbon in coastal saline soil and its correlation with reclamation age.TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering, 2013,29(5):89-94. (in Chinese with English abstract)

[12]张容娟,布乃顺,崔军,等.土地利用对崇明岛围垦区土壤有机碳库和土壤呼吸的影响.生态学报,2010,30(24):6698-6706.

Zhang R J, Bu N S, Cui J,etal. Effects of land use on soil organic carbon and soil respiration in soils reclaimed from wet land in the Chongming Island.ActaEcologicaSinica, 2010,30(24):6698-6706. (in Chinese with English abstract)

[13]张文敏,吴明,邵学新,等.杭州湾南岸不同围垦年限农田土壤有机碳及其活性组分变化.水土保持学报,2014,28(2):226-231.

Zhang W M, Wu M, Shao X X,etal. Changes in soil organic carbon and its active fractions during different reclamation period on south coast of Hangzhou Bay.JournalofSoilandWaterConservation, 2014,28(2):226-231. (in Chinese with English abstract)

[14]王飞,周志峰.宁波市耕地地力评价及培肥改良.杭州:浙江大学出版社.2011:4-10,15-17,168-169.

Wang F, Zhou Z F.EvaluationofSoilFertilityinArableLandandSoilImprovementinNingboCity. Hangzhou: Zhejiang University Press, 2011:4-10,15-17,168-169. (in Chinese)

[15]浙江省土壤普查办公室.浙江土壤.杭州:浙江科学技术出版社,1994:44-48,231-265.

Soil Survey Office of Zhejiang Province.ZhejiangSoil. Hangzhou: Zhejiang Science and Technology Press, 1994:44-48,231-265. (in Chinese)

[16]中华人民共和国农业部.NY/T1121.6—2006,土壤检测第6部分:土壤有机质测定.2006

Ministry of Agriculture of the People’s Public of China. NY/T 1121.6—2006, Soil Testing Part 6: Method for Determination of Soil Organic Matter. 2006。 (in Chinese)

[17]薛毅,陈立萍.统计建模与R软件.北京:清华大学出版社,2006:297-321,402-415.

Xue Y, Chen L P.StatisticalModellingandR. Beijing: Tsinghua University Press, 2006:297-321,402-415. (in Chinese)

[18]李丽霞,郜艳晖,张瑛.哑变量在统计分析中的应用.数理医学杂志,2006,19(1):51-53.

Li L X, Gao Y H, Zhang Y. The application of dummy variable in statistics analysis.JournalofMathematicalMedicine, 2006,19(1):51-53. (in Chinese with English abstract)

[19]Breiman L. Random Forests.Machinelearning, 2001,45(1):5-32.

[20]Fu Q L, Ding N F, Liu C,etal. Soil development under different cropping systems in a reclaimed coastal soil chronosequence.Geoderma, 2014,230/231:50-57.

[21]Li J G, Pu L J, Zhu M,etal. Evolution of soil properties following reclamation in coastal areas: A review.Geoderma, 2014,226/227:130-139.

[22]Cui J, Liu C, Li, Z L,etal. Long-term changes in topsoil chemical properties under centuries of cultivation after reclamation of coastal wetlands in the Yangtze Estuary, China.SoilTillageResearch, 2012,123:50-60.

[23]Cheng Y Q, Yang L Z, Cao Z H,etal. Chronosequential changes of selected pedogenic properties in paddy soils as compared with non-paddy soils.Geoderma, 2009,151:31-41.

[24]Iost S, Landgraf D, Makeschin F. Chemical soil properties of reclaimed marsh soil from Zhejiang Province P.R. China.Geoderma, 2007,142(3/4):245-250.

[25]周莉,李保国,周广胜.土壤有机碳的主导影响因子及其研究进展.地球科学进展,2005,20(1):99-105.

Zhou L, Li B G, Zhou G S. Advances in controlling factors of soil organic carbon.AdvancesinEarthScience, 2005,20(1):99-105. (in Chinese with English abstract)

[26]Harrison-Kirk T, Beare M H, Meenken E D,etal. Soil organic matter and texture affect responses to dry/wet cycles: Changes in soil organic matter fractions and relationships with C and N mineralisation.SoilBiologyandBiochemistry, 2014,74:50-60.

[27]兰延,黄国勤,杨滨娟,等.稻田绿肥轮作提高土壤养分增加有机碳库.农业工程学报,2014,30(13):146-152.

Lan Y, Huang G Q, Yang B J,etal. Effect of green manure rotation on soil fertility and organic carbon pool.TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering, 2014,30(13):146-152. (in Chinese with English abstract)

[28]李昌新,黄山,彭现宪,等.南方红壤稻田与旱地土壤有机碳及其组分的特征差异.农业环境科学学报,2009,28(3):606-611.

Li C X, Huang S, Peng X X,etal. Differences in soil organic carbon fractions between paddy field and upland field in red soil region of south China.JournalofAgro-EnvironmentScience, 2009,28(3):606-611. (in Chinese with English abstract)

[29]Wang H, Guan D S, Zhang R D,etal. Soil aggregates and organic carbon affected by the land use change from rice paddy to vegetable field.EcologicalEngineering, 2014,70:206-211.

[30]王新源,赵学勇,李玉霖,等.环境因素对干旱半干旱区凋落物分解的影响研究进展.应用生态学报,2013,24(11):3300-3310.

Wang X Y, Zhao X Y, Li Y L,etal. Effects of environmental factors on litter decomposition in arid and semi-arid regions: A review.ChineseJournalofAppliedEcology, 2013,24(11):3300-3310. (in Chinese with English abstract)

*通信作者(Corresponding author)：叶均安,Tel:+86-571-88982965;E-mail:yja@zju.edu.cn

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