近30年安徽省耕地土壤有机碳变化及影响因素*

赵明松 李德成 王世航

（1 安徽理工大学测绘学院，安徽淮南 232001）

（2 土壤与农业可持续发展国家重点实验室（中国科学院南京土壤研究所），南京 210008）

土壤有机碳（Soil Organic Carbon, SOC）是土壤肥力和质量的重要指标之一，是全球碳循环过程中重要的碳库，对于减缓温室气体排放、应对气候变化有重要作用［1-2］。耕地SOC是农田土壤碳库的重要组成部分，研究耕地SOC及储量的变化规律对了解耕地固碳潜力、应对气候变化具有重要意义，同时也为耕地质量管理等提供科学依据。国内外学者对耕地SOC变化做了较多的研究。如Maia等［3］采用定位实验研究了巴西亚马逊东南部不同农业耕作措施下SOC的变化。Minasny等［4］采用统计和GIS方法研究发现爪哇岛和韩国连续种稻30年土壤表层（0～15 cm）SOCD和储量大幅度增加。

国内研究主要以第二次土壤普查资料为基础，利用不同时期的耕地质量监测数据、采样数据、发表文献的数据、模型模拟的方法，研究自第二次土壤普查以来国家和区域尺度上耕地SOC及储量的变化特征。如Pan等［5］利用全国第二次土壤普查和耕地质量监测数据探讨了全国水田表层SOC储量变化和固碳潜力。黄耀和孙文娟［6］、于严严等［7］、许信旺等［8］根据发表的文献数据分析了第二次土壤普查以来全国耕地表层SOC含量变化。区域尺度上多采用统计学、GIS空间分析和地统计相结合的方法，探索耕地SOC的时空变化。如张春华等［9］分析了松嫩平原耕地SOC的变化及固碳潜力。赵明松等［10］采用地统计方法研究了江苏省表层SOC的变化及影响因素。高建峰等［11］利用定位实验分析了吴江市水田表层SOC储量的变化。王相平等［12］采用地统计方法研究了玛纳斯县农田表层和1 m土体SOCD及储量的时空变化。Wang等［13］利用Century模型模拟了我国东部旱地SOCD的动态变化。Xu等［14］利用DNDC模型模拟江苏省水稻土SOCD的动态变化。虽然许信旺等［15］、程先富和谢勇［16］利用第二次土壤普查资料讨论了安徽省SOCD空间分布及影响因素，但对于近30年来全省耕地SOCD及储量的变化及影响因素的研究较少。

安徽省是农业大省，耕地面积为7.7 5万km2（2010年），据第二次土壤普查，全省耕地肥力较低，约有31.1%的耕地有机质含量低于15 g kg-1［17］。因此，本文利用安徽省第二次土壤普查和2010—2011年采样数据，采用GIS空间分析方法，探讨第二次土壤普查以来全省耕地表层（0～20 cm）和1 m土体中SOCD和储量的时空变化规律及与农业管理措施的关系，为提高安徽省耕地质量、增加耕地固碳潜力等提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

安徽省（1 1 4°5 4′～1 1 9°3 7′E，29°41′～34°38′N）位于长江、淮河中下游，总面积为13.96万km2。全省地处亚热带与暖温带的过渡地区，年均气温14～16 °C，年均降水量800～1 800 mm。全省地势西南高、东北低，地形地貌南北差异较大，由北至南分为淮北平原、江淮丘陵岗地、沿江平原区、皖西大别山区和皖南丘陵山区五个地理区域（图1）。主要的耕作土壤类型为：潮土、水稻土、砂姜黑土、黄褐土、黄棕壤等。全省耕地主要分布在淮北平原、沿江平原和江淮丘陵岗地，占耕地面积的85% 以上。淮河以北以小麦—玉米（大豆）轮作为主，淮河以南以油菜（小麦）—水稻轮作为主。

1.2 数据来源

图1 耕地土壤剖面分布图 （Ⅰ.淮北平原、Ⅱ.江淮丘陵岗地、Ⅲ.沿江平原、Ⅳ.皖西大别山区、Ⅴ.皖南丘陵山区）Fig. 1 Distribution maps of farmland soil profiles （Ⅰ. Huaibei Plain, Ⅱ. Jianghuai hilly downland, Ⅲ. Riverine Plain, Ⅳ.Dabieshan Mountain in West Anhui, Ⅴ. South Anhui hilly area）

1.2.1 土壤数据 1980年土壤数据来自全国第二次土壤普查时期，《安徽土种志》［18］中记录的163个耕地土壤剖面。2010年土壤数据为国家科技基础性工作专项“我国土系调查与《中国土系志》编制”和中国科学院战略性先导科技专项子课题“华东农田固碳潜力与速率研究”中安徽省162个耕地土壤剖面。采样时间为2010—2011年，其中土系调查94个耕地土壤剖面，均在第二次土壤普查时期的典型剖面附近采集（图1）。“农田固碳潜力”课题中根据安徽省的农业耕作特点，从淮北平原、江淮丘陵岗地区和皖南低山丘陵区选取三个典型县区：蒙城县以旱作、麦—豆轮作为主，采集23个剖面；定远县以水旱轮作、小麦（油菜）—稻轮作为主，采集23个剖面；宣州区以水田、双季稻为主，采集22个剖面（图1）。土壤属性数据包括SOC含量、土层厚度、容重等数据，两个时期的SOC含量采用重铬酸钾（K2Cr2O7）氧化—滴定法测定［19］。

1.2.2 空间数据与统计数据 空间数据：（1）安徽省1 : 50万土壤类型图，ArcGIS矢量格式；（2）1980和2010年土地利用数据，来源于长江三角洲科学数据共享平台（http://nnu.geodata.cn），ArcGIS矢量格式；（3）安徽省地貌单元图。统计数据：《安徽省统计年鉴（2000—2011）》电子版［20］。

1.3 研究方法

SOCD采用式（1）估算：式中，S O C D为一定厚度的土层的S O C密度（kg m-2），n为土层数，θi为i层中＞ 2 mm砾石含量（体积百分含量），ρi为i层的土壤容重（g cm-3），Ci为i层的SOC含量（g kg-1），Ti为i层的土层厚度（cm）。第二次土壤普查时部分土层的容重缺失，用相同土属或亚类的相应土层的容重均值代替。

SOC储量采用式（2）估算：

式中，C表示区域内某一种土属SOC储量（t），Si表示土壤图中某一土属图斑面积（m2），n表示区域内土壤图中某一土属图斑的数量。

本研究采用基于土壤学专业知识（Pedological professional Knowledge Based，PKB）的方法，将土壤剖面与土壤类型图进行连接，该方法利用GIS技术，根据土壤类型一致与相似性、土壤成土母质相同或相近、土壤剖面点位置与同类型土壤分布区域一致或邻近等原则，将每个土壤剖面数据与空间数据库中对应的图斑单元进行连接，生成土壤属性的空间分布图［21-22］。

从安徽省1980年、2010年土地利用图中提取耕地的分布，再与数字化土壤图叠加生成两个时期全省耕地—土壤图。根据式（1）估算1980年、2010年耕地土壤的表层和1 m土体中SOCD，利用SPSS 18.0对两个时期SOCD进行描述性统计和方差分析。然后采用PKB方法在ArcGIS中将耕地土壤的SOC数据与耕地—土壤图连接，生成安徽省耕地SOCD空间分布图，根据式（2）在数字化耕地—土壤图的属性表中利用图斑面积计算SOC储量。在ArcGIS中将1980年和2010年表层和1 m土体SOCD图转换成栅格数据（100 m分辨率），运用栅格运算和区域统计功能，分析全省和各地理区域的耕地SOCD空间格局及储量变化。最后，按照Huang等［23］的方法利用作物产量估算各县市农作物根系中的有机物质总量，探讨各县市耕地的SOC储量变化与根系中有机物质总量的关系。

2 结 果

2.1 1980—2010年全省耕地SOCD的时间变化

表1为安徽省1980年和2010年耕地SOCD及变化统计结果。从耕地表层SOCD变化看，1980—2010年全省耕地SOCD平均值增加0.28 kg m-2，变异系数从57.64%降低至34.18%，表明2010年耕地SOCD的变异程度降低。不同地理区域的表层SOCD变化差异较大（表1）。淮北平原和沿江平原耕地SOCD增加较多，均高于全省平均水平；江淮丘陵岗地有少许增加；皖南丘陵山区和皖西大别山区耕地SOCD平均减少0.29 kg m-2和0.09 kg m-2。旱地的SOCD平均增加0.69 kg m-2远高于水田的增加幅度。从耕地1 m土体中SOCD变化来看，1980年以来耕地SOCD平均值减少0.42 kg m-2，其标准差和变异系数均有较大幅度的降低。不同地理区域，淮北平原和沿江平原的耕地1 m土体中SOCD增加，其余地理区域的SOCD减少。旱地1 m土体中SOCD平均增加0.91 kg m-2，水田平均减少了0.87 kg m-2。方差分析表明，两个时期淮北地区的耕地SOCD差异显著（表层F=81.29，p ＜ 0.05；1 m土体F=10.50，p ＜ 0.05）；旱地的表层SOCD差异显著（F=17.35，p ＜ 0.05）。

表1 1980—2010年耕地SOCD的统计值Table 1 Statistics of SOCD in farmland during year 1980 to 2010

从耕地表层SOCD分布频率（图2a）来看，两个时期的SOCD均集中在1.5 ～ 3.0 kg m-2和3.0～ 4.5 kg m-2范围，30年间这两个级别的样点比例分别增加4.60%和11.88%。2010年耕地表层SOCD在＜ 1.5 kg m-2和＞ 6 kg m-2范围的样点比例分别减少15.31%和6.31%。从耕地1 m土体中SOCD分布（图2b）来看，30年间SOCD在4 ～ 8 kg m-2、8～ 12 kg m-2和12～16 kg m-2三个级别的样点比例有不同程度的增加；其余级别的样点比例有不同程度的减少。两个时期相比，2010年全省耕地SOCD频率分布趋于正态化。

图2 耕地SOCD频率分布Fig. 2 Frequency distribution of SOCD in farmland

自全国第二次土壤普查以来，我国大部分地区耕地SOC有不同程度的增加［7-10］。80年代至90年代末，全国耕地表层SOCD平均增加0.17 kg m-2［7］，按年变化速度来看安徽省1980—2010年耕地表层SOCD的平均增加量略高于全国平均水平。1980—2010年安徽省旱地SOCD增加量高于水田增加量，这可能与SOC的初始含量有关。在SOC含量较低的地区，人们需要投入更多的肥料来提高产量，而SOC初始值高的地区人们不重视土壤培肥，致使SOC消耗较快。安徽省旱地表层SOCD较低（2.00 ± 1.32 kg m-2），在实际生产中投入更多的肥料才能保证粮食产量；水田的SOCD初始含量较高（3.68 ± 1.52 kg m-2），在长期耕作中不注重培肥，有机物料的投入不能保证SOC的更新和累积，使得SOC增加缓慢甚至降低。这与张春华等［9］、赵明松等［10］的研究结果相似。

2.2 耕地SOCD空间变化特征

图3为两个时期安徽省耕地表层SOCD及变化空间分布图。1980年全省耕地表层SOCD总体上由北向南递增，南北差异较大（图3a）；至2010年这种空间差异减小，中部的江淮丘陵岗地和沿江平原的SOCD较高（图3b）。1980年耕地表层SOCD较低，集中在1.5 ～ 3.0 kg m-2和＜ 1.5 kg m-2两个级别，占耕地面积的42.82%和25.31%，主要分布在淮北平原和江淮丘陵岗地（图3a）。2010年，耕地表层SOCD总体上有不同程度的增加，集中在3.0～ 4.5 kg m-2和1.5 ～ 3.0 kg m-2两个级别，占耕地面积的50.99%和36.63%，分布在淮北平原、江淮丘陵岗地和沿江平原。1980—2010年，耕地表层SOCD呈现北增南减的趋势，增幅总体上由北向南依次减小（图3c），SOCD增加的面积占耕地面积的68.38%，主要分布在淮北平原、江淮丘陵岗地西部、沿江平原的北部，增幅在0 ～ 1 kg m-2和1 ～ 2 kg m-2之间（图3c）。表层SOCD增幅最大（＞ 2 kg m-2）的区域在江淮丘陵岗地的西部。表层SOCD降幅集中在-1 ～ 0 kg m-2之间，占耕地面积的21.50%，主要分布在皖南丘陵山区东部、江淮丘陵岗地东部。SOCD降幅最大（＜ -2 kg m-2）的区域分布在皖南丘陵山区的西部。

图3 1980—2010年耕地表层SOCD及变化空间分布图Fig. 3 Spatial distribution and variation of SOCD in the surface layer of the farmland

图4为两个时期耕地1 m土体中SOCD及变化空间分布图。1980年耕地1 m土体中SOCD总体上由北向南递增（图4a），至2010年SOCD南北差异减小（图4b）。1980年耕地1 m土体中SOCD集中在4～8 kg m-2级别，占耕地面积的62.57%，主要分布在淮北平原、江淮丘陵岗地、沿江平原的部分区域和皖南丘陵山区的东部（图4a）。2010年1 m土体中SOCD总体上增加，集中在4～8 kg m-2和8～12 kg m-2两个级别，占总面积的52.67%和36.63%，在各地理区域均有分布。1980—2010年，耕地1 m土体中SOCD总体上北增南减，增加的面积占耕地面积的66.89%，主要分布在淮北平原、江淮丘陵岗地和沿江平原的南部（图4c）。SOCD增幅集中在0～3 kg m-2，占总面积的38.24%，其次为3～6 kg m-2，占总面积21.62%。增幅最大（＞ 6 kg m-2）的区域分布在长江沿岸。SOCD降幅集中在-3～0 kg m-2，占总面积的21.57%，主要分布在皖南丘陵山区东部、淮北平原的少部分地区（图4c）。降幅最大（＜ -6 kg m-2）的区域主要分布在沿江平原、沿江平原与皖南、皖西地区的过渡地带。

图4 1980—2010年耕地1 m土体中SOCD及变化空间分布图Fig. 4 Spatial distribution and variation of SOCD in the 0 ～ 100 cm soil layer of the farmland

2.3 1980—2010年耕地碳储量的变化

表2为1980—2010年各地理区域和土地利用的SOC储量变化统计结果。1980—2010年安徽省耕地表层SOC储量增加35.30 × 109kg，平均固碳速率为151.8 kg hm-2a-1；耕地1 m土体中SOC储量增加18.12 × 109kg，平均固碳速率为77.92 kg hm-2a-1。近30年间全省耕地SOC储量总体上增加，但不同地理区域和土地利用的SOC储量的变化差异较大，增减趋势不一。

从耕地表层SOC储量变化来看，1980—2010年淮北平原、江淮丘陵岗地和沿江平原增加，其中淮北平原增加最多，为39.19 × 109kg；皖南丘陵山区和皖西大别山区分别减少2.69 × 109kg和11.30 × 109kg。旱地的表层SOC储量增加幅度远高于水田。从耕地表层的固碳速率来看，不同地理区域由北至南依次减少。淮北平原耕地平均固碳速率最大，达349.4 kg hm-2a-1；其次是江淮丘陵岗地，为232.4 kg hm-2a-1，均高于全省平均水平。皖南丘陵山区耕地的固碳速率最低，为-526.5 kg hm-2a-1。与耕地表层SOC储量相比，耕地1 m土体中SOC储量变化稍有差异，仅淮北平原和江淮丘陵岗地耕地SOC储量增加，其他三个地理区域碳储量均减少。旱地的SOC储量增加，水田的碳储量减少。从耕地1 m土体中的固碳速率来看，淮北平原耕地的固碳速率高达547.5 kg hm-2a-1，皖西大别山区为-1 797.0 kg hm-2a-1。

表2 1980—2010年安徽省耕地SOC储量变化Table 2 Variation of SOC storage in the farmland of Anhui Province from 1980 to 2010

3 讨 论

使用肥料提高粮食产量的同时，增加了作物秸秆和根系中的有机物质含量，使得更多的有机物质进入土壤中，有利于SOC的累积［5,23-25］。Huang等［26］研究认为肥料的大量使用促进了长江三角洲地区耕地有机质累积。Pan等［25］阐述了SOC和作物产量间的相互促进关系，SOC含量较高可以增加作物产量和生物量，较高的生物量使得更多的有机物质进入土壤，促进SOC的累积。同时推行秸秆还田能够改良土壤结构，且促进SOC累积，提升土壤固碳能力［27-28］。

1980—2010年安徽省化肥用量（N/P2O5/K2O）由55万t增加至320万t，平均用量由123.5 kg hm-2增加至763.8 kg hm-2，其中氮肥、磷肥、钾肥和复合肥的用量有不同程度的增加［20］（图5）。30年间，全省复合肥和钾肥用量增加较大，分别由3.82 kg hm-2、2.86 kg hm-2增加至334.6 kg hm-2、76.05 kg hm-2；氮肥和磷肥的用量增加较平稳。在此期间，全省粮食（稻、麦、豆、薯类）产量由1 454万t增加至3 081万t，平均产量由3.27 t hm-2增加至7.37 t hm-2。参照Huang等［23］的估算方法，根据作物产量乘以草谷比、干物质比例、根冠比、根系中含碳系数等估算作物秸秆和根系中的有机物质含量。1980—2010年全省粮食作物的根系中的有机物质总量由150万t增加至319万t，平均量由338.3 kg hm-2增加至762.2 kg hm-2，全部进入土壤中。秸秆中的有机物质总量由864万t增加至1 831万t，平均量由1 931 kg hm-2增加至4 350 kg hm-2，全省积极推行秸秆还田，进入耕地土壤中的有机物质总量不断增加，促进了SOC的累积。

图5 1980—2010年肥料使用总量（a）和平均量（b）Fig. 5 Total（a） and average（b） amount of chemical fertilizers applied during the period from Year 1980 to 2010

图6为安徽省各县市耕地SOC储量变化与2000—2010年粮食作物根系中有机物总量的关系，二者呈显著正相关，表明全省粮食作物根系中有机物总量对耕地表层和1 m土体中SOC储量变化的独立解释能力为69%和58%。图7显示各县市耕地SOC平均密度的相对变化率与2000—2010年粮食作物根系中有机物平均含量呈显著正相关，表明根系中有机物的平均含量对各县市表层和1 m土体中SOC平均密度相对变化率的对立解释能力为46%和31%。该结果与Liao等［29］在江苏省的研究结果相似，江苏省以农业耕作为主的行政市，表层SOC储量的增加与粮食产量的增加显著相关。这些结果均体现了SOC和作物产量间的相互关系。

1980—2010年，全省机械耕作面积由1.04 ×104km2增加至4.06 × 104km2，机械收割面积由0.06 × 104km2增加至5.26 × 104km2［20］。根据2010—2011年的秸秆还田调查，全省小麦和水稻以机械收割为主，留茬较高。小麦机械收割比例占95.2%，留茬高度平均为20.2 cm；早、中、晚稻机械收割比例为45.3%、78.1%、52.4%，留茬高度平均为18.2 cm、23.1 cm、18.5 cm；大豆机械收割比例为85.3%，留茬高度平均为7.8 cm。玉米机械收割比例为4.9%，留茬为11.3 cm。基本上高于安徽省农机作业质量标准中的15 cm留茬高度。全省积极推行秸秆还田、严禁焚烧秸秆，大部分作物留茬在机械收割中打碎还田，增加了进入土壤的有机物质含量。因此肥料的大量使用、机械耕种和收割面积增多、积极推行秸秆还田，使得进入土壤的有机物质不断增加，促进了全省耕地SOC的增加。

图6 各县市SOC储量变化与作物根系中有机物总量的关系Fig. 6 Relationship between changes in SOC storage and total organic matter content in crop roots relative to county

图7 各县市SOCD相对变化率与作物根系中有机物平均含量的关系Fig. 7 Relationship between relative variation rate of SOCD and mean organic matter content in crop roots relative to county

4 结 论

1980—2010年，安徽省耕地表层SOCD总体呈增加趋势，平均增加0.28 kg m-2，1 m土体中SOCD平均减少0.42 kg m-2；SOCD的变异程度大幅度降低，但仍属于中等变异强度。旱地的SOCD增加幅度高于水田。1980—2010年，全省耕地SOCD变化呈北增南减的趋势，淮北平原和沿江平原耕地SOCD增加较多；江淮丘陵岗地有少许增加；皖南丘陵山区和皖西大别山区减少。全省耕地SOCD增加的面积多于减少的面积。1980—2010年，耕地表层和1 m土体中SOC储量增加了35.30× 109kg和18.12 × 109kg。SOC储量变化的空间差异较大，淮北平原和江淮丘陵岗地的耕地SOC储量增加，其余区域的SOC储量减少。各县市SOCD和储量变化与作物根系中的有机物含量呈显著正相关。使用肥料提高粮食产量的同时增加了秸秆和根系中的有机物含量，增加了进入土壤中的有机物含量，促进了SOC的累积。

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