汉中盆地秸秆还田撂荒和林地对土壤碳的影响

张宝成 白艳芬 李宪碧 王平 邓忠菊 金星 丁奎婷

摘 要： 农业活动是温室气体重要的排放源，土壤碳库[土壤有机碳（SOC）和无机碳（SIC）]稍微变化会对大气CO2产生很大影响。汉中盆地是南水北调的重要水源涵养地，在该区域秸秆还田、农田撂荒和林地是目前常见土地利用方式，但缺乏不同利用方式对SIC和SOC影响的研究。该研究采集该区域典型样地土壤，用滴定法和有机碳分析仪分别测定其SIC和SOC含量，研究3种土地利用方式对土壤碳库的影响。结果表明：SOC随土层深度最为敏感的是农田，其次是撂荒地，林地最不敏感。0～140 cm土层SOC碳密度，林地最大，是撂荒田的2.26倍，农田是撂荒田的1.37倍。深土层SOC碳密度，林地是撂荒田的2.44倍，农田是撂荒田的 1.07倍。撂荒田的SIC密度最大，其次是农田，林地的SIC碳密度最低。在0～140 cm土层中，SIC密度依次为12.37、11.68和9.77 kg·m2，撂荒田的SIC碳密度是林地的1.27倍。随着我国农村发展，土地利用管理出现新的方式，今后在估算土地利用管理方式对土壤碳影响时还需要综合考虑SOC和SIC。

关键词： 土壤有机碳， 秸秆还田， 林地， 土壤无机碳， 农田撂荒

中图分类号： Q948 文献标识码： A 文章编号： 1000-3142（2018）08-1081-07

Abstract： Due to the increase of atmospheric gas concentration in greenhouse， climate warming caused great inconvenience to peoples production and living. Therefore， soil carbon pool [soil organic carbon （SOC） and soil inorganic carbon （SIC）] has attracted much attention. Straw returning farmlands and abandoned farmland changed the input carbon， which affected the SIC and SOC conversion processes and soil carbon pool. SIC has a long retention time， and SOC plays an important role in the formation of soil aggregates and the adsorption of mineral nutrients for plants. With rural population reduction， straw returning farmland， abandoned land and woodland are very common. There is lack of research on the effects of land use change on different soil carbons. The results showed that SOC is the most sensitive to the soil depth of the farmland， followed by abandoned land， the lowest sensitive forest land. The density of SOC in the topsoil of forest land was the largest， followed by farmland， and the smallest was abandoned. The SOC carbon density in woodland was 2.26 times of that in abandoned land. SOC carbon density in farmland was 1.37 times of that in abandoned land in 0-140 cm soil. The abandonment farmland SIC density was the biggest， followed by farmland， with the lowest SIC carbon density in forestlands. In the 0-140 cm soil layer， the SIC densities were 12.37， 11.68 and 9.77 kg · m-2， respectively. SIC carbon density in abandoned fields was 1.27 times that of woodland. With the development of rural areas in China， a new way of land use management has emerged， estimating the impact of land use on soil carbon needs to consider SOC and SIC.

Key words： soil organic carbon， straw returning farmland， woodland， soil inorganic carbon， abandoned land

大氣温室气体增加造成气候变暖，对我们生产生活产生诸多不便。全球SOC 1 500 Pg，SIC为1 000 Pg，土壤碳库的稍微变化对大气CO2产生很大影响。土地利用方式 （Zhang et al， 2010）是影响土壤碳库（Caspersen et al， 2000）的重要因素，因此土壤碳库倍受关注（Zhang et al， 2015；张宝成等， 2017a， 2017b）。土地利用方式改变SOC的输入和碳矿化过程 （Fang et al， 2001； Lal， 2002； Richter et al， 1999； Zhang et al， 2010）。SIC在碳库中占有重要位置，但是关于SIC的研究却比较缺乏（Mikhailova & Post， 2006）。全球SIC占土壤碳库的61.29% （Lal， 2008），但有研究者认为这低估了SIC （Díaz-Hernández， 2010）。土地利用方式可改变地表植被的覆盖、土壤物质的输入以及对土壤酸碱度（Wu et al， 2009）、影响SIC （Mikhailova & Post， 2006）。如灌溉（Denef et al， 2008）、施肥（Doney et al， 2007；Vitousek et al， 2009；曾骏等， 2008）等造成土壤酸化（Díaz-Hernández， 2010；Hicks et al， 2008）。植物凋落物能增加土壤碳库的输入，随着这些输入物的腐殖化使土壤pH降低，影响了SIC含量。农田秸秆还田增加地表输入，农田撂荒影响地表植物组成进而影响到地表凋落物的数量，因此影响到土壤碳过程。

随着工业化发展，农村人口减少，我国每年撂荒的耕地近200万hm2，今后农村耕地撂荒要持续很久。农作物秸秆还田是一种重要的土地管理/利用模式，因此农田撂荒、秸秆还田和林地是常见的土地利用方式。SOC在土壤团聚体的形成具有重要作用，有机碳可吸附植物所需氮、磷、钾等营养物质。SIC在土壤中的滞留时间长，这对减缓大气温室气体具有重要作用。目前缺乏不同土地利用方式对土壤SIC和SOC的变化以及深土层之间平衡方面的研究（Gurwick et al， 2008），这制约了土地利用对土壤碳的认识。

汉中盆地水田约占全省的75%，水稻和油菜产量约是全省的80%和70%，也是南水北调项目重要的水源涵养区。在该区域，林地、农田撂荒和农田秸秆还田比较普遍，随着人口外出，这3种土地利用在变化。目前缺乏这几种方式转化后对土壤碳库变化的研究。因此，本研究以秸秆还田、农田撂荒和林地典型样地为对象，研究土地利用对土壤SIC和SOC的影响以及深土层SIC和SOC的密度变化。这为今后土地合理利用管理、综合评价人类活动对总碳库的影响以及应对全球气候变化提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区处于陕西省南郑县红旗村（106.85°E， 33.02°N），龙门—龙门大巴台缘隆褶带中的汉中盆地，海拔840～890 m。该区位于北亚热带湿润季风气候区，年均气温14.2 ℃，年均降水量970.4 mm。采样点位于该盆地典型的林地（为杨树和刺槐人工林，林龄25 a），农田和撂荒田在撂荒前农业耕作方式和施肥模式相同，土壤肥力一致。农田在研究期种植模式为水稻-油菜，在10 a试验期间水稻和油菜秸秆还田模式；农田在撂荒10 a期间无人为扰动，3种利用类型土壤为粘性壤土。

采样方法采用挖取土壤剖面。在农田、撂荒田和林地中，每种类型的样地选择典型有代表的地段挖长1.8 m，宽1 m，深1.4 m的剖面3个，与之相对的坑壁挖成阶梯状，以便操作。然后分层采取土壤样品，土壤分层参照标准0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120和120～140 cm分层取样，并用土壤环刀采集样品测定土壤容重。不同土层样品在室内风干，去除石砾和植物残体并进行土壤样品的分析测试。

1.2 分析测定及数据处理

1.2.1 有机质测定 土壤有机碳的测定，土壤去除碳酸盐后用vario EL元素分析仪测定土壤有机碳。

1.2.2 无机碳测定 土壤样品中的无机碳与盐酸作用产生CO2。用酸碱滴定法，根据化学式（1）消耗的盐酸计算出待测样品中的无机碳，具体步骤和计算参见Bashour & Sayegh（2007）。

1.2.3 樣品测定及计算 用SPSS 11.5对数据进行处理，并对其进行方差分析。用Sigmpalot 10.0软件绘制图。土壤有机碳密度的计算公式：

Cd=ni=1HiBiOini=1Hi

式中，Hi是i层土壤的厚度（cm） ， Bi是i层土壤的容重（g·cm-3） ， Oi是i层土壤的有机碳含量（%）。

2 结果与分析

2.1 土壤有机碳含量变化

由图1可知，研究区表层（0～20 cm）SOC林地的含量最高，其次是农田系统，撂荒田最小， SOC含量在1.29%～3.16%之间波动。农田、撂荒田和林地深土层SOC分别在0.21%～0.42%、0.22%～0.41%和0.64%～1.02%之间波动。0～20 cm土壤有机碳含量最高，尤其是林地高达3.16%。农田、撂荒田和林地SOC均随土壤层的增加而降低。根据其变化规律拟合线性回归方程，方程r2能够解释57%～71%。根据敏感系数（回归方程系数数值），农田最敏感，其次是撂荒地和林地。林地20～40 cm的SOC高于1%，撂荒田和农田SOC在20 cm以下剖面层的含量均低于1%。

2.2 无机碳含量分布特征

由图2可知，不同土地利用方式下表层（0～20 cm）SIC含量差异较大，总无机碳含量从大到小的顺序依次为撂荒田、农田和林地。林地SIC土壤中明显分3个层次，在60～100 cm土层中含量最高，其次分别是0～60 cm和100～140 cm。

2.3 不同土地利用对土壤碳密度的影响

由图3可知，表层土壤碳库是土壤碳的重要组成部分。农田和撂荒田表层SOC密度差异显著（P

2.4 无机碳占总碳比值特征

由表1可知，表层土壤SIC占总碳的12.59%～35.34%，平均值为22.19%。深土层（20～140 cm）SIC含量在37.85%～63.45%，平均值为54.30%，说明SIC主要储藏于土壤深层。按照土地利用方式，无机碳含量在总碳中的比例最小的只有林地，为34.24%，其余不同土地利用类型的百分比在49.75%～59.44%之间波动。说明研究的3种土地利用方式对汉中盆地SIC的影响比较明显（Mikhailova & Post， 2006）。3种不同土地利用方式下，表层与深层土壤中SIC/TC比值变化明显。深土层（100～140 cm）比值林地与耕田和撂荒田差异较大（P<0.05）；撂荒田与农田相差较小。

3 讨论

3.1 不同土地利用方式对土壤有机碳的影响

SOC主要受土壤团聚体的保护，农业耕作中容易破碎土壤团聚体，促进土壤碳排放（Rasmussen et al， 2005）导致农田SOC碳密度比林地小。与撂荒田和林地相比，汉中盆地农田为水旱轮作，大于10 ℃积温在4 320～4 700 ℃之间，持续7个多月；大于20 ℃积温在2 426～2 907 ℃之间，持续时间4个月。种植水稻后，农作物秸秆返田后在水中处于厌氧的状态有利于SOC的形成（杨翔宇等，2013）。大量还田的秸秆为农田表土层的土壤动物和微生物提供了重要的食物来源，温度较高引起土壤生物的大量繁殖，加速了还田秸秆的腐殖化转化为SOC的能力，从而增加了土壤碳 （谭羽等， 2017）。由表土层和深土层SOC密度可知，土壤表层SOC储量较大（Song et al， 2005）。秸秆还田促进了农田土壤SOC的增加（Armstrong， 2008； Lu et al， 2009； Nie et al， 2007），由于秸秆还田和汉中盆地特殊的气候环境因子促成了农田SOC高于撂荒田，低于林地。

除了林地20～40 cm的SOC高于1%外，其它撂荒田、耕田SOC在20 cm以下剖面層的含量均低于1%。虽然农作物秸秆还田，但是农业耕作层较浅，通常农业耕作小于25 cm，在深耕时犁地的深度要达到25～35 cm，撂荒农田植物为草本植物。它们与林地的林木根系相比，根系较浅作用也较小，林地地表掉落枯枝落叶相对较多（高嵩， 2010），是深层SOC的重要来源，这促进了林地20～40 cm 土层SOC含量增加。与农田撂荒相比，农业活动是增加土壤碳贮量的重要因子之一（吴乐知和蔡祖聪， 2007）。农田中肥料的投入促进了大量的生物量，汉中盆地每亩每年水稻和油菜秸秆平均输入量分别达500和300 kg，远高于撂荒田凋落物补给这促进了农田SOC碳的吸收， 因此汉中盆地农田SOC含量明显高于撂荒田。

3.2 不同土地利用管理方式对土壤无机碳的影响

不同土地利用方式影响到土壤无机碳（Wu et al， 2009）。由于林地大量根系和林木凋落物以及农田秸秆还田这些物质在腐殖质过程中形成胡敏酸和富里酸（杨翔宇等， 2013）与土壤中无机碳酸盐发生反应抑制了SIC吸收（贾宇平和段建南， 2003；杨黎芳等， 2007）。在汉中盆地由于林地和秸秆还田系统地表有机物的输入较大，这些腐殖质转化中的土壤pH降低，因此导致林地和秸秆还田系统土壤表层SIC密度小于农田撂荒。

环境温度和降水等因子是影响不同深度土层SIC含量变化的重要因素（Caspersen et al， 2000；Yang et al， 2010）。不同土地利用管理方式改变土壤水分和土壤温度，在土壤水分作用下碳转化为无机碳在土层中迁移（SOC→CO2→HCO-3→CaCO3），在合适的条件下沉淀凝结形成SIC，进而影响土层中无机碳的分布（贾宇平和段建南， 2003）和SIC含量（杨黎芳等， 2010）。土壤表层碳酸盐在淋溶作用下土壤无机碳迁移到土壤的较深剖面层，发生溶解的逆过程而重新沉淀，影响到不同土层SIC。如我国西部和北方干旱半干旱区域，农业灌溉增加农田SIC的吸收（Mi et al， 2008）。在美国大平原 （Denef et al， 2008） 和俄罗斯黑钙土农田，由于农业耕作和灌溉促进了SIC的吸收 （Mikhailova & Post， 2006） 。综上可知，这些因素是导致汉中盆地农田撂荒田SIC最高，其次是耕田，林地最低。

3.3 不同土地利用方式对土壤无机碳占总碳比值的影响

凋落物和生物残体是土壤碳的重要来源。这些物质通过土壤微生物和动物转化为SOC，在转化分解中产生的气体CO2形成土壤碳酸盐储藏于土壤中（曾骏等， 2008）。深层植物的根系通过根系分泌和根表皮死亡物质的输入，促进了深层土壤生物的活动，它们呼吸释放的CO2通过水分的作用形成碳酸根与土壤中的钙镁等物质结合沉淀在深层土壤，影响SIC。林地通过林木根系的作用增加土壤空隙，有利于表层无机碳酸盐通过雨水的淋溶进入深层土壤。土地利用时间、植物种类、气候和土层深度等因素影响到SIC/TC，导致本研究的比值低于兰州灰钙土的61.62%，内蒙古的74.69%（杨黎芳等， 2007），与我国的平均值51.82%接近（Li et al， 2007）。由于汉中的水热环境因子以及土地利用的管理模式差异，导致汉中土壤中有机碳和无机碳的特殊分配比。

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