中国农田耕层土壤有机碳现状及控制因素

李金全，李兆磊，江国福，程　浩，方长明

(1. 复旦大学 生命科学学院 生物多样性科学研究所，上海 200438；2. 江苏滩涂生物农业协同创新中心，盐城 224002)



中国农田耕层土壤有机碳现状及控制因素

李金全，李兆磊，江国福，程浩，方长明

(1. 复旦大学 生命科学学院 生物多样性科学研究所，上海 200438；2. 江苏滩涂生物农业协同创新中心，盐城 224002)

农田土壤有机碳库是陆地生态系统中最活跃和最重要的土壤碳库之一.研究中国农田耕层土壤有机碳的空间格局及控制因素，是评价农业土壤对国家尺度碳平衡贡献的必要部分.本文通过野外实地土壤采样，整合2004—2013年间发表的有关中国农田耕层土壤有机碳的158篇研究文献的基础上，分析了中国东北、华北、华东、华南、西南和西北6个农业区耕层土壤有机碳平均含量的变化及影响因素.结果显示：以区域平均值表示的农田耕层土壤有机碳变化范围为(7.80～17.43) g·kg-1，有机碳含量由高到低的区域顺序为华南>西南>东北>华东>华北>西北，全国总平均含量为(14.59±6.29) g·kg-1.水田耕层土壤有机碳含量(18.26±7.06g·kg-1)显著高于旱地土壤(11.63±5.65g·kg-1)(P<0.001).旱作区作物种类对土壤有机碳含量无显著影响(P=0.37).在pH<7的土壤中，有机碳含量与pH之无显著相关性；而在pH>7的条件下，土壤有机碳含量与pH呈显著负相关关系(P<0.01).年平均气温和降雨对中国农田耕层土壤有机碳含量均有显著影响，在年平均气温MAT≤10℃的区域，土壤有机碳与年平均气温表现为显著负相关关系(P<0.01)，而在MAT>10℃时表现为显著正相关关系(P<0.01)；土壤有机碳含量与年平均降雨量呈显著正相关(P<0.01)，年平均气温和年平均降雨量无交互作用(P=0.63).

农田生态系统； 土壤有机碳； 耕层； 中国

陆地生态系统碳循环是全球碳循环的重要组成部分，土壤是陆地生态系统中最大的碳库.据估计，全球土壤有机碳库约1500Pg(1Pg=1015g)，约是大气碳库的2倍，生物碳库的3倍[1].因此，土壤碳库的微小变化可能导致大气CO2浓度较大的波动，从而影响全球气候变化.尽管全球土壤碳库容量十分可观，但在全球陆地生态系统碳库中，农业土壤碳是最活跃和最重要的土壤有机碳库[2]，一方面，农田土壤对全球碳循环平衡起着重要作用，其有机碳储量约为128～165Pg[3-4]，受人为强烈干扰会产生快速变化且短时间可调节；另一方面，有机碳是土壤肥力最重要的物质基础，能够减少土壤侵蚀，稳定和改善土壤结构，对耕地生产力及其稳定性具有决定性作用[5].

中国的农业用地面积占国土面积的14%[6]，约占全球耕地面积的7%，因而中国农田固碳占世界农田固碳总量的比例不可忽视.而且，中国用占世界7%的耕地养活着世界五分之一的人口，提高农田生产力至关重要.而土壤有机碳(Soil Organic Carbon, SOC)是影响农业生产、土壤养分供应、土壤缓冲能力以及农田与大气CO2交换等的重要因子之一，所以农田土壤有机碳的研究对农业发展以及气候变化有深远影响.在自然因素和农业管理措施的作用下，农田耕层土壤碳库在不断地变化.这种变化不仅改变土壤肥力，而且影响区域乃至全球碳循环.为此，研究我国农田耕层土壤有机碳的变化情况及影响因素对研究碳循环具有重要意义.近年来，对中国农田土壤有机碳的研究主要集中在农田土壤有机碳库及变化[7-10]、有机碳释放[11-12]与固定[13-14]等，对全国性及分区的农田耕层有机碳水平及影响因素的研究较少[15].其中，许信旺等[16]、程琨等[17]和Pan等[18]认为近20～30年来中国农田耕层有机碳含量有明显增加的趋势，然而这些研究的精细化程度还不够，一方面是没有分区讨论农田耕层土壤有机碳与环境因子之间的关系.我国地域广阔，不同地区气候差异大，地形地貌复杂，再加上农田管理方式的差异等因素，导致不同地区耕层土壤有机碳含量具有显著的空间差异，精细分析不同区域土壤有机碳与环境因子之间的关系尤为重要.另一方面由于水田和旱地的自然条件尤其是水分条件的不同，有机碳含量与环境因子之间的关系可能存在差异，但之前的研究并未将水田和旱地分开处理，因此尚不能精准预测气候变化下农田耕层土壤有机碳的动态.中国农田耕层土壤有机碳的现状及控制因素，需要有新的分析和理解.在持续改善的农业经营管理和全球气候变化的双重影响下，中国农田耕层有机碳现状及其控制因素的深入探讨，是一个极具理论和应用价值的科学问题，是制定农业替代性减排的理论依据.

本研究于2013年在中国6大农业区(东北、华北、华东、华南、西南和西北)共选取80个样点，采集耕层(0～20cm)土壤样品，测定土壤有机碳的含量，结合2004—2013年间国内研究文献报道的农田耕层有机碳数据，分析了近10年来中国农田耕层土壤有机碳的现状及其控制因素，以期为更准确地研究中国区域碳循环及其机理提供数据基础和理论依据.

1　材料与方法

1.1文献数据来源

根据生态气候带及农田耕作制度的差异，参考Song等[15]的方法进行农业区划，其方法为目前常用的关于中国农田土壤碳研究的分区方法[16-18].本研究将中国农田分为6个农业区，即东北区、华东区、华北区、华南区、西南区和西北区.数据来源于中国期刊网和维普科技期刊网初步搜索出的2004—2013年公开发表的1000余篇研究中国农田土壤有机碳和土壤有机质及相关文献.根据研究目的，设定了两条数据收集标准：(1) 文献报道的样品为农田耕层土壤；(2) 农田持续耕作时间不少于15年.对搜索出的文献进行筛选，以避免在数据收集过程出现偏漏.通过筛选，获得符合本研究要求的文献158篇，提取数据388套，每套数据包括耕层土壤有机碳含量、样点的地理信息、年平均气温和年降水量等.

1.2土壤样品采集和有机碳含量测定

2013年，依据气候条件、农业分区、土壤背景、耕作方式与农作物种类等，在全国共计80个采样点采集农田耕层土壤样品.土壤样品的采集深度为0～20cm，中国的农田耕层大致位于15～18cm之间，本研究样品的采集深度可确保包括了绝大多数情景下的农田耕层.土壤样品采集样点需避免新开垦农田，本研究设定以确知耕作期限大于15年为限；农田种植以粮食作物为主，辅以少量的油料作物，排除菜地等耕作面积小且代表性不强的农田类型；采样点选择大面积均一种植农田.在每一采样点，随机设立5～6处取土点，取土点之间的距离不小于800m.每个取土点用土钻采取大致等量的0～20cm层土样，经混合各取土点的样品后，取足量土壤样本封装运回实验室.将土壤样品过10目(25.4mm)筛并剔除肉眼可见的根系、石砾后冷藏于4℃.

取适量干土使用pH计(PHS-3E，上海佑科仪器仪表有限公司)测定土壤pH值，水土比为2.5∶1.取适量处理后的土样于80℃烘干，研磨过100目(150μm)筛备用.称取约120mg制备土样于瓷盘中，滴加1mL 1mol/L盐酸除去土壤中碳酸盐；用去离子水洗至中性(使用pH试纸比对)后将样品于50℃烘干，使用TOC分析仪(HT1300，Analytikjena，德国)的固体分析模块测定土壤有机碳含量.

1.3数据库建立

首先对实测的土壤有机碳数据和文献报道的土壤有机碳数据进行差异性检验，将实测的土壤有机碳含量与处于同一0.5×0.5(经度×纬度)网格的文献收集的土壤有机碳数据进行比较，结果显示实测数据和文献报道的土壤有机碳数据无显著性差异(P<0.05).根据这一结果本研究将两个来源的数据合并分析.建立中国农田耕层土壤有机碳含量数据库，包括：耕层有机碳含量、经纬度、年平均气温、年平均降雨量、土壤pH、土地利用及作物类型等参数.所有参数的相关数据大部分可实测和从文献中直接获取，80个土壤采样点对应的年平均气温和年平均降雨量以及未提供气温和降雨数据的文献资料，则通过相应的经纬度数据在《中国地面国际交换站气候资料年值数据集》(国家气象信息中心，2005)中插值获得.中国农业分区及80个实测数据和388个文献数据的分布见图1.

1.4数据处理与统计方法

本研究所有数据都用单位土壤干重的有机碳含量表示，文献中表达为土壤有机质的数据则通过乘以系数0.58转换(Bemmelen转换系数[19]，反映碳在有机质中的质量比)，所有数据的单位统一用g·kg-1表示.

数据点的空间分布图由Arc GIS 9.3 制成(图1)，方差分析与t检验采用SPSS 13.0完成，显著性水平设为P=0.05.

2　结　果

2.1中国农田耕层土壤有机碳分布特征

2.1.1土壤有机碳空间分布特征

中国农田耕层土壤有机碳含量呈现出较明显的区域差异(表1).6大区耕层土壤有机碳平均含量变化范围为7.80～17.43g·kg-1，全国平均值为(14.59±6.29) g·kg-1，有机碳含量由高到低的区域顺序为华南>西南>东北>华东>华北>西北区.华南区耕层有机碳含量最高，与东北、华东、西南区的差异并不显著(P=0.07).西北区土壤耕层有机碳含量最低，与华北无显著差异(P=0.24).表现为湿润季风气候区(东北、华东、华南、西南区)的耕层土壤有机碳含量显著高于内陆干旱与半干旱区(华北、西北区).

表1　不同地理区域农田耕层有机碳含量

注：括号内数字为实测样本量；不同小写字母表示在0.05水平差异显著.

2.1.2不同土地利用方式下土壤有机碳分布特征

耕作类型对土壤有机碳会产生明显影响(图2(a)，见第250页)，水田耕层有机碳含量的全国平均值为(18.26±7.06) g·kg-1，显著高于旱地的(11.63±5.65) g·kg-1(P<0.001).在区域分布上，除东北区水田与旱地的土壤有机碳含量无显著差异外，其他各区水田耕层土壤有机碳均显著高于旱地(P<0.01).

相对于作物种类而言，种植水稻的土壤有机碳含量要显著高于种植旱作作物(P<0.01)；种植不同的旱作作物土壤有机碳含量的差异不显著(P=0.37)；按作物种类耕层土壤有机碳含量的大小排序为：水稻(18.26±7.06g·kg-1)>小麦(11.52±5.08g·kg-1)>其他经济作物(如苜蓿、油菜等，11.50±6.42g·kg-1)>玉米(10.21±6.45g·kg-1)>豆类(9.17±5.42g·kg-1)(图2(b)).

2.2中国农田耕层土壤有机碳与相关因子分析

2.2.1土壤有机碳与土壤pH

土壤pH会影响有机碳的累积，总体而言，耕层土壤有机碳与pH呈显著线性负相关关系(P<0.01)(图3(a)).在pH<7的条件下，平均有机碳含量为(17.26±7.27) g·kg-1，有机碳含量与pH无显著相关性；而在pH>7的条件下，平均有机碳含量为(10.48±5.56) g·kg-1，有机碳含量与pH呈显著线性负相关关系(P<0.01)，随pH上升有机碳含量迅速下降.

水田和旱田两种耕作模式下土壤有机碳含量与pH之间均表现为显著线性负相关关系(P<0.01)，随着pH的增大，有机碳均呈减小趋势，旱田pH与有机碳的拟合程度高于水田(图3(b)).土壤有机碳按照水田和旱地分开处理后，由于数据量的限制，本研究未将pH进行分段处理.

2.2.2土壤有机碳与年平均气温相关分析

中国农田耕层土壤有机碳含量与年平均气温(MAT)相关分析表明，在MAT≤10℃的地区，有机碳含量与MAT呈显著线性负相关关系(P<0.01，R2=0.3995)；而在MAT>10℃的地区，有机碳含量与MAT呈显著线性正相关关系(P<0.01，R2=0.0949)(图4(a)).将水田和旱地土壤耕层有机碳含量分别与MAT进行回归分析发现，总体而言水田和旱地有机碳含量与MAT的相关性不显著，将温度分段分别分析发现，在MAT≤10℃ 时，水田和旱地土壤有机碳含量与MAT呈显著线性负相关关系(P<0.01)；在MAT>10℃时，水田土壤有机碳含量与MAT无显著相关关系，而旱地土壤有机碳含量与MAT呈显著线性正相关关系(P<0.01)(图4(b)).

2.2.3土壤有机碳与年平均降雨量的相关性

总体而言，中国农田耕层土壤有机碳含量与年平均降雨量(MAP)呈显著线性正相关关系(P<0.01，R2=0.2127).将水田和旱田耕层土壤有机碳含量分别与MAP进行回归分析发现，水田土壤有机碳含量与MAP相关性不显著，而旱地土壤有机碳含量则与MAP呈显著线性正相关关系(P<0.01)，相关系数为0.1304(图5).

3　讨　论

3.1中国农田耕层土壤有机碳含量及分布格局

本研究表明，中国农田耕层土壤有机碳平均含量为(14.59±6.29) g·kg-1，略高于Pan等[18]、许信旺等[16]和程琨等[17]分别得出的(13.65±7.57)，(13.52±5.72)，(14.20±7.89) g·kg-1.由于我国地域广阔，不同地区气候差异大，地形地貌复杂，再加上农田管理方式的差异等因素，导致中国不同地区耕层土壤有机碳含量具有显著的空间分异性，表现为：华南>西南>东北>华东>华北>西北.程琨等[17]的研究也得出了类似的分布态势，虽与其他学者的研究[15-16,18]在个别地区有细微差异，但基本格局是湿润季风气候区(华南、西南、东北、华东区)的有机碳积累要明显高于干旱与半干旱区(华北、西北区).华南、西南区，气温高、降水充足，净初级生产力较大[20]，虽然微生物活性强[21]会导致腐殖质等有机物降解快[22]，但相比于土壤存量有机碳的矿化速率，新增有机碳的输入量较大[23]，故该区域平均土壤有机碳含量最高.

东北区，可能是由于该区气候相对寒冷潮湿，有机物质分解受限[24]，进行着较强的有机碳累积过程[25].我国的华北、西北区，因受水分的限制，净初级生产力较低使新源有机碳输入量少；虽然凋落物和土壤有机碳的分解也会受到干旱的限制[26]，但该区的土壤质地较粗，生长季的高温与降水的匹配，仍能维持较强的土壤有机碳矿化速率[27]，因而耕层有机碳含量最低.邓祥征等[9]运用模型对我国不同农业区农田土壤有机碳贮量的模拟与预测研究发现，受土地利用及气候变化等因素影响，不同农业区农田土壤有机碳库具有明显的空间异质性.

3.2农业土地利用方式对耕层土壤有机碳的影响

大量研究表明，农业土地利用方式对土壤有机碳有较大的影响[13,23].水田和旱作农田是农田土壤的主要利用方式，本研究发现，水田土壤较旱地具有更高的有机碳含量.大量相关研究也已证实，水作农田较旱作农田具有更强的有机碳储存能力[28-29]，主要由于：旱田土壤结构较松散，有机质暴露在团聚体表面，且与空气充分接触，更有利于有机碳的矿化[30]；水田则长期或较长期处于淹水状态，土壤通透性差，微生物活性较低，有机碳的矿化受到抑制[31-32].秸秆分解实验也证实了有机物在水田的分解速率要低于旱地[33]，使得水田更有利于新增有机碳的积累.对不同地区进行分析发现，在大多数同时具有水田和旱地分布的地区，水田与旱地耕层有机碳含量相对差异的模式大体上一致，但在东北地区本研究发现水田和旱地土壤有机碳含量并没有显著性差异，这可能是因为东北地区原始有机碳含量较高[34]，并且开垦时间相对较短，致使水田和旱田表土有机碳的损失无明显差别[35].

在旱作方式中，种植玉米、小麦、豆类等不同旱作作物，耕层土壤有机碳的含量无显著性差异，可能是由于种植不同作物，对旱作模式下的耕作管理制度、土壤通透性及水分条件，甚至微生物群落等不会造成明显差别.

3.3土壤pH对农田耕层土壤有机碳的影响

土壤pH可能是通过影响土壤微生物的生物多样性或活性来影响有机碳含量.本研究发现，中国农田耕层土壤有机碳含量与土壤pH存在显著线性负相关关系，可能是因为土壤中微生物的种类和数量在酸性条件下均较少，从而减慢了有机物质的分解[36]，土壤有机碳含量相对较高.并且在pH<7时土壤微生物以真菌为主，微生物的活性低[36]，微生物对土壤有机碳的影响可能较小，导致土壤有机碳与pH无显著相关关系；在中性和弱碱性土壤，随着pH升高，细菌和放线菌含量增加，微生物活性增强，加速了有机质的分解[37]，含量迅速降低；在碱性或强碱性土壤，低的土壤有机碳含量可能主要是因为较低的净初级生产力，而非微生物分解活性高所致.导致在pH>7的条件下有机碳含量与pH呈现显著线性负相关关系，随pH上升有机碳含量迅速下降.

水田和旱地耕层土壤有机碳的含量与pH之间关系大体相似，但旱地有机碳含量与pH的拟合程度要高于水田，这可能是由于旱地土壤中较高的碳酸钙含量影响到土壤pH值的结果[38].碳酸钙是土壤无机碳的主要成分，碳酸根离子有利于细菌和放线菌的生长，故旱田土壤中以有机碳为生活底物的微生物活性较水田强，导致有机碳对pH的拟合程度较水田高.Chouliaras等[39]认为土壤中的碳酸钙对有机物质分解有重要作用，因为碳酸钙提高了微生物的活性，促进了新鲜有机物质的分解.

3.4气候因子对农田耕层土壤有机碳的影响

气候因子在农田土壤有机碳的蓄积和输出过程中起着重要的作用[40]，尤其是温度和降水因子[41].温度对土壤有机碳的影响主要表现在：一方面温度会通过影响植被的分布类型和生产力，改变植物残体的数量和质量，进而决定着土壤有机碳的输入源；另一方面，温度是控制土壤微生物活性及有机碳分解和转化的关键因素[42].降雨量则通过改变土壤水分条件来影响土壤的通气性从而影响土壤固有有机碳的矿化分解和外源有机碳的降解，进而影响土壤持有的有机碳量[43].土壤水分较低时土壤通透性强，好气性微生物分解活动强，有利于有机碳的矿化分解，不利于土壤有机碳的积累；反之，水分充足时土壤通透性差，厌氧条件下有机碳的矿化速率和分解程度都相对较低，从而有利于有机碳的积累.气温和降雨量对土壤有机碳的影响并不是孤立的，往往是通过协同作用而影响土壤有机碳.研究发现，降雨量对土壤有机碳的影响又因土壤温度状况而异[44]，往往是两者的综合作用决定着土壤有机碳的含量[44].

表2　不同地理区域农田耕层有机碳含量与年平均气温和年平均降雨量回归模型

注：黑体表示有显著性差异.

目前普遍认为，土壤有机碳含量随温度的升高而降低[45-48]，随降雨量的增加而增加[49-50].本研究发现，中国农田耕层土壤有机碳的含量与年平均气温和年平均降雨量均呈显著的相关性(P<0.01).就年平均气温而言，在MAT≤10℃的区域，土壤有机碳与年平均气温表现为显著负相关关系，这与周涛等[51]的结论一致，并且在这一温度区域水田与旱田土壤有机碳含量均与MAT呈显著线性负相关关系，可能是因为MAT较低时有机碳受水分的影响较小，而受温度的影响较大，随温度的升高微生物活性增强，有机碳分解量增加，有机碳含量随温度的升高而减小；在MAT>10℃的区域，则表现为显著正相关关系，这一温度区域水田土壤有机碳含量与MAT无显著相关关系，而旱地土壤有机碳含量与MAT呈显著线性正相关关系，可能是因为在这一温度区域水田长期或较长期处于淹水状态，土壤通透性差，微生物活性受温度的影响较小，而旱地土壤通透性好，微生物活性较强，随MAT的升高有机碳的输入量与分解量的差值表现为净增加量愈大.然而，对中国6大地区农田耕层土壤有机碳含量与年平均气温分别进行回归分析却显示，只有东北区耕层有机碳含量与年平均气温呈显著线性负相关关系(P<0.01)，其他地区土壤有机碳与年平均气温没有显著的相关性.就年平均降雨量而言，华东、华南、西南区农田耕层有机碳与年平均降雨量呈显著正相关关系(P<0.05)，其他地区则不显著.由此可见，就气候因子而言，中国东北地区农田耕层土壤有机碳主要受年平均气温的影响，华东、华南、西南区耕层有机碳含量则主要受年平均降雨量的影响，而华北、西北区有机碳与气候因子的相关性不明显.我国东北地区土壤较湿润，冬季寒冷是该区的最主要特点[52]，因而温度成为农田土壤有机碳含量的主要影响因素[53].

华东、华南、西南区，一方面水田是当地农业耕作的主要模式，水田长期或较长期处于淹水状态，气温对其影响不明显，同时水田的干湿交替能显著增强有机碳的矿化量[54]；另一方面，由于该地区气温处于较高水平，因此降雨量决定了这些地区旱地凋落物的水平[55]和土壤水分的含量，从而影响新源有机碳的输入和存量有机碳的分解[56]，进而影响土壤有机碳含量.华北和西北区，气候寒冷干旱，土壤微生物的活性受到抑制，新源有机物的降解和存量有机碳的分解均受到限制[57]，因此气温对其有机碳的影响不显著；其次可能是因为该地区年平均降雨量小并且降雨集中，降雨主要以地表径流的形式流失，对土壤湿度的影响不明显，因此年平均降雨对土壤有机碳含量的影响也不显著.Parshotam等[55]通过培养试验表明，在新西兰不同气候条件的土壤中，同位素标记的黑麦草14C 更新周期与温度的关系不显著，而与降雨量和降雨日数成线性相关，说明土壤湿度是影响野外有机碳分解周转的主要因素.Epstein 等[42]通过对美国西部大平原土壤有机碳降解模式的研究，认为温度对土壤有机碳降解的影响大于降水的作用.因此，水热因子对农田土壤有机碳含量的影响因地而异.

3.5其他因素对中国农田耕层土壤有机碳的影响

农田生态系统是受人类活动影响最为显著的生态系统，除本研究涉及的土地利用方式、土壤pH、气候因子等因素外，土壤有机碳含量还会受到耕作方式与习惯[20,58]、施肥[59-60]、秸秆还田[61-62]等人为因素的强烈影响.周萍等[63]对长期不同施肥下太湖地区黄泥土有机碳含量的研究结果表明，施用有机肥可显著提高土壤有机碳含量.Westand Post[64]基于全球67个长期定点试验的研究发现，由常规耕作变为免耕之后，土壤有机碳储量平均增加(57±14) C m-2y-1，在最初的5～10y有机碳储量变化达到峰值，并在15～20 y达到一个新平衡.Liu等[65]通过对176个已发表的数据进行整合分析，结果表明秸秆还田能显著提高土壤有机碳含量12.8 %.因此，在未来农田管理方面可以通过采取免耕、配施有机肥、秸秆还田等方式增加农田土壤有机碳含量，进而对气候变暖起缓解作用.

4　结　论

中国农田耕层土壤有机碳的平均含量为(14.59±6.29) g·kg-1，在空间变化格局上表现为华南>西南>东北>华东>华北>西北.水田耕层土壤有机碳含量为(18.26±7.06) g·kg-1，显著高于旱地的(11.63±5.65) g·kg-1；旱作模式下，作物种类对土壤有机碳含量的影响不显著.总体上，中国农田耕层土壤有机碳含量的变化与年平均气温和年平均降雨量均呈显著相关性，但在不同区域或不同的温度区间，土壤有机碳与气候因子的相关性有明显差异.因此，讨论气候因素对农田土壤有机碳含量的影响时，不能将区域尺度上的土壤碳变化格局简单地应用于全国尺度上的分析.

[1]BATJES N H. Total carbon and nitrogen in the soils of the world [J].EuropeanJournalofSoilScience, 1996,47(2)：151-163.

[2]赵生才.我国农田土壤碳库演变机制及发展趋势——第236次香山科学会议侧记 [J].地球科学进展,2005,20(5)：587-590.

[3]LAL R. Global potential of soil carbon sequestration to mitigate the greenhouse effect [J].CriticalReviewsinPlantSciences, 2003,22(2)：151-184.

[4]LAL R. Soil carbon sequestration impacts on global climate change and food security [J].Science, 2004,304(5677)：1623-1627.

[5]PAN G X, SMITH P, PAN W N. The role of soil organic matter in maintaining the productivity and yield stability of cereals in China [J].Agriculture,EcosystemsandEnvironment, 2009,129(S1-3)：344-348.

[6]李长生,肖向明,Frolking S,等.中国农田的温室气体排放 [J].第四纪研究,2003,23(5)：493-503.

[7]LAL R. Soil carbon sequestration in China through agricultural intensification, and restoration of degraded and desertified ecosystems [J].LandDegradation&Development, 2002,13(6)：469-478.

[8]PAN G X, Li L, Wu L,etal. Storage and sequestration potential of topsoil organic carbon in China’s paddy soils [J].GlobalChangeBiology, 2003,10(1)：79-92.

[9]邓祥征,姜群鸥,林英志,等.中国农田土壤有机碳贮量变化预测 [J].地理研究,2010,29(1)：93-101.

[10]邵月红, 潘剑君, 孙波, 等.农田土壤有机碳库大小及周转 [J].生态学杂志,2006,25(1)：19-23.

[11]李虎,邱建军,王立刚.农田土壤呼吸特征及根呼吸贡献的模拟分析 [J].农业工程学报,2008,24(4)：14-20.

[12]寇太记,苗艳芳,庞静,等.农田土壤呼吸对大气CO2浓度升高的响应 [J].生态环境,2008,17(4)：1667-1673.

[13]张国盛,黄高宝,YIN Chan.农田土壤有机碳固定潜力研究进展 [J].生态学报,2005,25(2)：351-357.

[14]魏小波,何文清,黎晓峰,等.农田土壤有机碳固定机制及其影响因子研究进展 [J].中国农业气象,2010,31(4)：487-494.

[15]SONG G H, LI L Q, PAN G X,etal. Topsoil organic carbon storage of China and its loss by cultivation [J].Biogeochemistry, 2005,74(1)：47-62.

[16]许兴旺,潘根兴,田有国,等.中国农田耕层土壤有机碳变化特征及控制因素 [J].农业环境科学学报,2009,28(12)：2476-2481.

[17]程琨,潘根兴,汪艳林,等.中国农田表土有机碳含量变化特征——基于国家耕地土壤监测数据 [J].地理研究,2009,28(3)：601-612.

[18]PAN G X, XU X W, SMITH P,etal. An increase in topsoil SOC stock of China’s croplands between 1985 and 2006 revealed by soil monitoring [J].Agriculture,EcosystemsandEnvironment, 2010,136(1/2)：133-138.

[19]HERBERT A. The carbon-organic matter factor in forest soil humus [J].SoilScience, 1931,32(1)：27-34.

[20]李小涵,郝明德,干朝辉,等.农田土壤有机碳的影响因素及其研究 [J].干早地区农业研究,2008,26(3)：177-183.

[21]肖辉林,郑习健.土壤变暖对土壤微生物活性的影响 [J].土壤与环境,2001,10(2)：138-142.

[22]宋飘,张乃莉,马克平,等.全球气候变暖对凋落物分解的影响 [J].生态学报,2014,34(6)：1327-1339.

[23]刘燕萍,唐英平,卢茜,等.温度和土地利用变化对土壤有机碳矿化的影响 [J].安徽农业科学,2011,39(7)：3920-3927.

[24]苌伟.气温与土壤湿度对祁连山北坡植物种子萌发和土壤有机质分解的影响研究[D].北京：北京林业大学,2007.

[25]高鲁鹏,梁文举,姜勇,等.利用CENTURY模型研究东北黑土有机碳的动态变化：自然状态下土壤有机碳的积累 [J].应用生态学报,2004,15(5)：772-776.

[26]AERTS R. Climate, leaf litter chemistry and leaf litter decomposition in terrestrial ecosystems：A triangular relationship [J].Oikos, 1997,79(3)：439-449.

[27]孙中林,吴金水,葛体达,等.土壤质地和水分对水稻土有机碳矿化的影响 [J].环境科学,2009,30(1)：214-220.

[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 [J].农业环境科学学报,2009,28(3)：606-611.

[29]唐国勇,黄道友,黄敏,等.红壤丘陵景观表层土壤有机碳空间变异特点及其影响因子 [J].土壤学报,2010,47(4)：753-759.

[30]IQBAL J, HU R G, LIN S,etal. Carbon dioxide emissions from Ultisol under different and uses in mid-subtropical China [J].Geoderma, 2009,152：63-73.

[31]STEVENSON F J. Cycles of soil carbon, nitrogen, phosphorus, sulfur, micronutrients [J].JohnWiley&Sons, 1986: 1-44.

[32]郝瑞军,李忠佩,车玉萍.水分状况对水稻土有机碳矿化动态的影响 [J].土壤,2006,38(6)：750-754.

[33]李玲,肖和艾,吴金水.红壤旱地和稻田土壤中有机底物的分解与转化研究 [J].土壤学报,2007,44(4)：669-674.

[34]汪景宽,王铁宇,张旭东,等.黑土土壤质量演变初探Ⅰ——不同开垦年限黑土主要质量指标演变规律 [J].沈阳农业大学学报,2002,33(1)：43-47.

[35]辛刚,颜丽,汪景宽,等.不同开垦年限黑土有机质变化的研究 [J].土壤通报,2002,33(5)：332-335.

[36]李忠,孙波,林心雄.我国东部土壤有机碳的密度及转化的控制因素 [J].地理科学,2001,21(4)：301-307.

[37]唐琨,朱伟文,周文新,等.土壤pH对植物生长发育影响的研究进展 [J].作物研究,2013,27(2)：207-212.

[38]WU H B, TAO S,GUO Z T,etal. Distribution of soil inorganic carbon storage and its changes due to agricultural land use activity in China [J].Agriculture,EcosystemsandEnvironment, 2009,129(4)：413-421.

[39]CHOULIARAS N, JACQUIN F. Transformation of organic matter in a rendzina and in an acid mull untreated, or treated with CaCO3[J].BulletinIndustriesAlimentaires, 1976,18：71-78.

[40]张庆利,史学正,潘贤章,等.江苏省金坛市土壤肥力的时空变化特征 [J].土壤学报,2004,41(2)：315-319.

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

[42]EPSTEIN H E, BURKE I C, LAUENROTH W K. Regional patterns of decomposition and primary production rates in the U.S. Great Plains [J].Ecology, 2002,83(2)：320-327.

[43]唐建.耕层土壤有机碳含量影响因素及碳库估测分析[D].泰安：山东农业大学, 2012.

[44]SINGH J S, GUPTA S R. Plant decomposition and soil respiration in terrestrial ecosystems [J].BotRev, 1977,43(4)：449-528.

[45]杨昕,王明星,黄耀.地—气间碳通量气候响应的模拟——近百年来气候变化 [J].生态学报,2002,22(2)：270-277.

[46]MIKO U F K. The temperature dependence of SOM decomposition and the effect of global warming on soil organic C storage [J].SoilBiologyandBiochemistry, 1995,27(6)：753-760.

[47]黄耀,刘世梁,沈其荣,等.农田土壤有机碳动态模拟模型的建立 [J].中国农业科学,2001,34(5)：532-536.

[48]吴金水,童成立,刘守龙.亚热带和黄土高原区耕作土壤有机碳对全球气候变化的影响 [J].地球科学进展,2004,19(1)：131-137.

[49]姜勇,庄秋丽,梁文举.农田生态系统土壤有机碳库及其影响因子 [J].生态学杂志,2007,26(2)：278-285.

[50]王蓓,孙庚,罗鹏,等.模拟升温和放牧对高寒草甸土壤有机碳氮组分和微生物生物呈的影响 [J].生态学报,2011,31(6)：1506-1514.

[51]周涛,史培军,王绍强.气候变化及人类活动对中国土壤有机碳储足的影响 [J].地理学报,2003,58(5)：727-734.

[52]XU S P, TAO S, CAO J. Spatial structure pattern of soil pH, clay and organic matter contents in the inner Mongolia area [J].ChineseJournalofSoilScience, 2001,10(4)：276-284.

[53]曹宏杰,汪景宽,李双异,等.水热梯度变化及不同施肥措施对东北地区土壤有机碳、氮影响 [J].水土保持学报,2007,21(4)：122-125.

[54]王苑,宋新山,王君,等.干湿交替对土壤碳库和有机碳矿化的影响 [J].土壤学报,2014,51(2)：342-350.

[55]PARSHOTAM A, SAGGAR S, SEARLE P L,etal. Carbon residence times obtained from labeled ryegrass decomposition in soils under contrasting environmental conditions [J].SoilBiology&Biochemistry, 2000,32(1)：75-83.

[56]VITOUSEK P M. Beyond global warming：Ecology and global change [J].Ecology, 1994,75(7)：1861-1876.

[57]DAVIDSON E A, TRUMBORE S E, AMUNDSON R. Biogeochemistry—soil warming and organic carbon content [J].Nature, 2000,408(6814)：789-790.

[58]GHIMIRE R, ADHIKARI K R, CHEN Z S,etal. Soil organic carbon sequestration as affected by tillage,crop residue, and nitrogen application in rice-wheat rotation system [J].PaddyWaterEnvironment, 2012,10(2)：95-102.

[59]LEMKE R L, VANDENBYGAART A J, CAMPBELL C A,etal. Crop residue removal and fertilizer N：Effects on soil organic carbon in a long-term crop rotation experiment on a Udic Boroll [J].AgricultureEcosystems&Environment, 2010,135：42-51.

[60]潘根兴,周萍,张旭辉,等.不同施肥对水稻土作物碳同化与土壤碳固定的影响——以太湖地区黄泥土肥料长期试验为例 [J].生态学报,2006,26(11)：3704-3710.

[61]吴荣美,王永鹏,李凤民.秸秆还田与全膜双垄集雨沟播耦合对半干旱黄土高原玉米产量和土壤有机碳库的影响 [J].生态学报,2012,32(9)：2855-2862.

[62]WHITBREAD A, BLAIR G,YOTHIN K. Managing crop residues, fertilizers and leaf litters to improve soil C, nutrient balances, and the grain yield of rice and wheat cropping systems in Thailand and Australia [J].AgricultureEcosystems&Environment, 2003,100：521-263.

[63]周萍,潘根兴.长期不同施肥对黄泥土水稳性团聚体颗粒态有机碳的影响 [J].土壤通报,2007,38(2)：256-261.

[64]WEST T O, POST W M. Soil organic carbon sequestration rates by tillage and crop rotation：A global data analysis [J].SoilScienceSocietyofAmericaJournal, 2002,66(6)：1930-1946.

[65]LIU C, LU M, CUI J,etal. Effects of straw carbon input on carbon dynamics in agricultural soils：A meta-analysis [J].GlobalChangeBiology, 2014, 20(5)：1366-1381.

A Study on Soil Organic Carbon in PloughLayerofChina’sArableLand

LI Jinquan, LI Zhaolei, JIANG Guofu, CHENG Hao, FANG Changming

(1. Institute of Biodiversity Science, School of Life Sciences, Fudan University, Shanghai 200438, China;2. Jiangsu Coastal Biological Agriculture Synthetic Innovation Center, Yancheng 224002, China)

Soilorganiccarboninarablesoilisthemostactivesoilcarbonpoolinterrestrialecosystems.Itiscriticaltounderstandthetemp-spatialpatternsandcontrollingfactorsofsoilorganiccarboninploughlayerofarablesoilinChina.Inthisstudy,soilorganiccarbon(SOC)contentinploughlayer(0-20cm)ofchina’sarablesoilindifferentregions(Northeast,North,East,South,SouthwestandNorthwestofChina)wasanalyzed.SOCdatawerecollectedthroughfieldsoilsamplingandfromliteraturepublishedduringtheperiodof2004to2013.TheresultsshowedthatSOCcontentoftopsoilinChina’sarablelandvariedfrom7.80to17.43g·kg-1,withameanvalueof(14.59±6.29)g·kg-1.SOCofploughlayerindifferentagriculturalregionswereintheorderSouth>Southwest>Northeast>East>North>Northwest.SOCinpaddyfield, (18.26±7.06)g·kg-1,wassignificantlyhigherthanthatindry-farmingsoil(11.63±5.65g·kg-1).Dry-farmingcropshadnosignificanteffectonSOCcontent.TherewasnosignificantcorrelationbetweenSOCandpHinacidicsoils(pH<7),butSOCwassignificantlyandnegativelycorrelatedsoilpHvalueinalkalinesoils.Theannualmeantemperature(MAT)andprecipitationbothhadsignificanteffectsonSOCinChina’sarabsoils.InregionsofMAT≤10 ℃,SOCwassignificantlyandnegativelycorrelatedtoMAT.OnthecontrarySOCinploughlayerwassignificantlyandpositivelycorrelatedtoMATinregionswhereMAT>10 ℃.Acrossallagriculturalregions,SOCwassignificantlyandpositivelycorrelatedwiththemeanannualprecipitation.

farmlandecosystem;soilorganiccarbon;topsoil;China

0427-7104(2016)02-0247-10

2015-04-17

李金全(1989—)，男，硕士研究生；方长明，男，教授，通讯联系人，E-mail：cmfang@fudan.edu.cn.

Q 148

A