海南岛东部地区不同类型农用地土壤有机碳分布特征及影响因素

赵泽阳，赵志忠，刘玉燕，李 燕，付 博，邢瑶丽

(海南师范大学地理与环境科学学院，海南 海口 571158)

【研究意义】土壤有机碳(Soil organic carbon, SOC)在全球碳循环中所占比重较大，因此土壤中有机碳含量变化将会直接影响全球碳循环的变化[1-3]。土壤有机碳是土壤的重要组成部分，土壤的碳固存与排放会对大气中温室气体的含量以及全球气候变化产生影响[4-6]。土壤有机碳不仅是土壤肥力的基础，与土壤结构、持水性、缓冲性和作物养分的有效性高度相关，也直接影响着农田的生产力和作物的产量[7-11]，所以是土壤质量评价和土地可持续利用管理中必须考虑的重要指标[1]。因此，对不同类型农用地土壤有机碳分布特征及影响因素进行研究，不仅对于提高土壤质量和农业可持续发展具有重要意义，也对减缓温室效应有重要影响[12-14]。【前人研究进展】目前，国内外对土壤有机碳的研究主要集中在储量、稳定性、分布特征和转化迁移等方面[15-20]，但对于不同类型农用地土壤有机碳的对比研究较为缺乏，尤其对耕地抛荒后土壤有机碳的变化及其影响机理的研究更少。另外，尽管大多数学者认为土壤理化性质对有机碳具有一定影响[21-24]，但影响机制较复杂，且容易受诸多方面的影响，因此探究不同环境下土壤理化性质对有机碳的影响具有一定意义。就海南岛来说，独特的热带自然地理环境决定了其土壤有机碳聚集与其他地区存在一定的差异，因此，探讨海南岛不同类型农用地有机碳就显得尤其必要。【本研究切入点】本文以海南岛东部地区的琼海市和定安县作为主要研究区，探究土壤有机碳的分布特征及耕地类型和土壤理化性质对土壤有机碳的综合影响。【拟解决的关键问题】加深对土壤有机碳的综合性认识，为海南岛土地耕作方式、水土保持和土壤修复提供一定的理论依据。

1 研究区概况

研究区位于海南岛东部地区，主要包括琼海市和定安县(18°58′～19°44′N、110°07′～110°40′E)，总面积2899 km2，耕地面积为452.59 km2，占总面积的15.6 %。研究区地处热带季风气候区，区内阳光充足、雨量充沛，年平均气温24 ℃，年均降水1997 mm，年均日照2017 h。区内地质主要由玄武岩、岩浆岩和花岗岩等岩石构成。地势西南高东北低，地貌类别以台地、阶地和平原为主。

研究区地处热带温润地区季雨林砖红壤地带，主要土类为：水稻土、砖红壤和潮沙泥土，成土母质复杂。黄色砖红壤砂粒较细且均匀，砂泥适中。铁质砖红壤土层深厚，质地黏重，有机质含量较高。

2 材料与方法

在了解研究区农用地空间分布状况的基础上，将研究区根据土地利用功能分为抛荒地、水田和菜地，在每种类型土地中分别布设5个采样点，样方面积均为5 m×5 m，共选择研究区内15个采样点进行剖面样品采集并开展土壤有机碳分布特征研究(图1)。采用土钻法采集土样，采集距离地面深度为30 cm的土壤开展有机碳垂直分布规律研究，按照10 cm分割为3层：0～10、10～20、20～30 cm。每个采样点在样方内随机进行3次重复采样，将样品充分混合后装入密封的保鲜袋中，带回实验室进行处理。

将样品置于托盘中，先剔除动植物残体及石块等杂质，将土块压碎后在室内进行自然风干分装备用。

将备用土样进行碾磨、过尼龙网筛(60目)，采用重铬酸钾氧化法测定土壤有机碳[25]。具体操作过程为：称取0.5 g土样置于100 mL具塞消解管中，加入0.1 g硫酸汞和5 mL重铬酸钾溶液摇匀，再缓慢加入7.5 mL硫酸并摇匀。消解、冷却、定容后将试液静置1 h，取80 mL上清液进行离心分离10 min(转速为2000 r/min)，静置后取上清液测量吸光度。参照《HJ 615-2011》计算有机碳含量。

图1 研究区位置及采样点分布Fig.1 The location of study area and distribution of sampling sites

采用筛分法测定团聚体，具体操作过程为：称取100 g风干后的土样，用5 mL的超纯水缓慢浸润8 h，再通过5、2、1、0.5、0.25 mm的筛子，在纯水环境中进行筛分(振幅3 cm，频率50次/min)，分离出>5、2～5、1～2、0.5～1、0.25～0.5、<0.25 mm的团聚体。

各粒级团聚体质量百分含量=

采用马尔文激光粒度仪测定粒度[28]。具体操作过程为：称量0.5 g土壤样品置于烧杯中，加入过氧化氢和盐酸溶液以去除有机质和碳酸盐，再加入超纯水稀释，静置8 h后去除上清液，再加入10 mL浓度为0.05 mol/L的六偏磷酸钠，用超声波清洗机振荡10 min后上机测试。

数据处理基于Excel 2010和SPSS 18.0软件进行，相关的图表采用Origin 2017和CorelDRAW X4软件绘制。

3 结果与分析

3.1 不同类型农用地有机碳分布规律

如图2所示，0～10、10～20、20～30 cm深度土层中土壤有机碳含量的分布规律均为水田>抛荒地>菜地。3种类型农用地土壤有机碳含量随土层深度的变化幅度以水田最高、抛荒地居中、菜地最低。 3种类型农用地有机碳含量在垂直方向上具有的规律为：有机碳含量随土层深度的增加而减少(表1)，这与Shang等对土壤有机碳进行研究的结果一致[29]。进一步对表1进行研究还可发现，土壤有机碳含量在0～10 cm土层中最高，为(14.40±9.06)g/kg；其次为10～20 cm，为(11.21±7.14)g/kg；最小值出现在20～30 cm，其平均含量为(7.73±5.73)g/kg。3种类型农用地中，菜地土壤有机碳的变异系数最大，可达12.50 %；水田土壤有机碳的变异系数相对最小，最大为5.38 %，最小为4.99 %。

表1 不同土层深度有机碳含量统计分析

注：总样地数为36(抛荒地样地数为16个，水田为15个，菜地为5个)；土壤有机碳数据为平均值±标准误。

3.2 不同类型农用地对土壤团聚体及其有机碳的影响

通过筛分法得到水田、抛荒地、菜地3种不同类型农用地之间土壤不同粒径的团聚体含量(图4)。

图2 不同类型农用地有机碳水平分布特征Fig.2 Horizon distribution of soil organic carbon in different agriculture lands

土壤中>5 mm团聚体的含量存在一定差异：水田和抛荒地中>5 mm团聚体含量相近，分别为57.01 %和56.24 %，菜地中>5 mm团聚体含量最少，为43.89 %。从土壤剖面上看，3种类型农用地0～10 cm土层中>5 mm团聚体含量最少。不同类型农用地对土壤中2～5 mm团聚体比对>5 mm团聚体影响相对较小，水田、抛荒地和菜地2～5 mm团聚体含量分别为21.53 %、16.55 %、19.25 %。在土壤剖面上无明显变化。农用地类型对土壤1～2 mm团聚体和0.5～1 mm团聚体均无显著性影响。在土壤剖面上，这两种粒径团聚体呈现出不同趋势：抛荒地和菜地1～2 mm团聚体在土壤表层含量最高，水田中0.5～1 mm团聚体含量随土壤深度增加而降低，而抛荒地中0.5～1 mm团聚体含量随土壤深度增加而升高。水田中0.25～0.5 mm团聚体含量明显低于抛荒地和菜地，抛荒地和菜地中0.25～0.5 mm团聚体含量大约为水田中0.25～0.5 mm团聚体含量的3倍。3种类型农用地中<0.25 mm团聚体含量呈现出的趋势为：菜地(12.43 %)>抛荒地(10.15 %)>水田(6.67 %)。在土壤剖面上呈现出水田和菜地中0.25～0.5 mm团聚体和<0.25 mm团聚体含量均随土壤深度增加而减少。

图3 不同农用地土壤不同粒径的团聚体含量Fig.3 The ratio of aggregate in different size in three land uses

3.3 土壤粒度分布及其对土壤有机碳含量的影响

土壤粒度和有机碳是团聚体的基本组成要素，其含量差异将直接影响团聚体的大小、数量、分布[30]。较小粒度的土壤颗粒具有大的比表面积，有利于有机碳的吸附和累积[31]。通过马尔文激光粒度仪测量出水田、抛荒地、菜地3种不同类型农用地表层土壤中不同粒度的含量，得到土壤粒度分布(图5)。D10、D50、D90是指一个样品的累计粒度分布体积百分数达到10 %、50 %、90 %时所对应的粒径，它们的物理意义是粒度小于它们的颗粒占10 %、50 %、90 %。

根据实验结果，通过对D10、D50、D90的分析发现，不同类型农用地中平均粒度大小整体上呈现出的趋势为抛荒地>菜地>水田，D50分别为62.08、54.40、36.55，抛荒地平均粒度较大，水田平均粒度较小[30]。不同类型农用地土壤表层有机碳的分布呈现出的规律为水田>抛荒地>菜地(图2)。这与祁金虎的有关土壤粒度对有机碳影响的研究不完全一致[24]，可能是研究区气候、土地利用方式不同等原因导致的。

通过对土壤有机碳含量和D10、D50、D90进行分析(图6)，土壤有机碳含量与D10、D50、D90相关系数R分别为0.355、0.364、0.353，相关性较弱，与吴燕飞等对贵州施秉云台山典型喀斯特土壤粒度对有机碳含量的影响研究结果一致[32]。

4 讨 论

抛荒能够显著提高土壤有机碳含量，具有明显的固碳效应[33]。但本文研究得出水田>抛荒地>菜地的规律，是由海南独特的气候条件、耕作与抛荒的年限较短和人类活动等原因导致的。水田有机碳含量高于抛荒地，是由于施用有机肥料等人类活动使水田土壤有机碳不断得到补充，这有利于有机碳的积累。另外，水作为保护层，抑制了水田土壤有机碳的释放。抛荒时间较短的土壤中有机碳含量不但没有增加，反而有所下降，主要是由于抛荒时间较短，有机碳累积较少；而且海南岛温度较高、日照充足、生物作用强烈，独特的气候条件加速了有机碳的分解与释放；此外，海南岛土壤主要为砂土，粘土含量较少，土壤孔隙度大，此类土壤质地有利于有机碳的释放。菜地虽然和水田一样，有人类施肥等活动的影响，但没有水作为保护层抑制有机碳分解，因此分解的有机碳含量远大于补充的含量。虽然菜地和抛荒地都暴露在空气中，但菜地长期处于耕作状态，不断翻耕导致土壤团聚体颗粒变小，不利于有机碳的积累。

图4 不同农用地土壤粒度分布特征Fig.4 The distribution of soil particle fractions in three land uses

土壤有机碳是形成土壤团聚体的重要胶结物质，对于团聚体的形成具有重要的作用[34-35]。一般认为，土壤中>0.25 mm团聚体是土壤中最好的结构体，具有维持土壤稳定性的优点[36]。土壤中>0.25 mm团聚体含量越高，土壤稳定性越强[6]。实验数据表明，水田、抛荒地和菜地土壤中>0.25 mm团聚体含量分别为93.33 %、89.85 %、87.57 %，说明海南岛东部地区农用地土壤结构较稳定。菜地中<0.25 mm团聚体含量较高，可能与耕种行为有关。不合理的耕种行为会导致团聚体破碎化，造成>0.25 mm团聚体含量减少，其有机碳含量也会下降[6,37-38]。将耕地抛荒后有利于<0.25 mm团聚体黏合成粒径更大的团聚体，有机碳含量增加，土壤稳定性增强。3种类型农用地土壤中较大粒径团聚体含量在土壤剖面上表现为深层>表层，而较小粒径团聚体含量表现为表层>深层，表明人类活动会影响土壤中有机碳含量，进而影响土壤稳定性。水田和菜地由于常年翻耕，使得粒径较大的团聚体破碎，所以粒径较大的团聚体主要集中在深层，而且表层土壤松软，容易水土流失，导致土壤中有机碳含量降低。另外翻耕加强土壤通透性，导致土壤有机碳矿化严重，不利于有机碳积累[39]。抛荒地与水田和菜地一样，也呈现出表层粒径较小的团聚体含量高，深层粒径较大的团聚体含量低的趋势。本次取样中，抛荒地的抛荒年限均为5年以内，说明短期抛荒对不同粒径团聚体含量的组成以及有机碳含量的影响较小，需要更长时间才能恢复有机碳含量。

图5 土壤粒度与有机碳的相关性Fig.5 Correlations between particle fractions and soil organic carbon

同一农用地不同深度土壤粒度变化情况均为表层粒度最大，水田和菜地的粒度随土壤深度增加而变小，抛荒地粒度的变化规律与水田和菜地的变化规律不一致。农用地表层土壤粒度较大可能是因为土壤细颗粒组分随着降水入渗向下迁移，也可能是因为随着地表径流流失，导致下层土壤中D10、D50、D90比上层土壤中D10、D50、D90低[40]。这与海南岛东部地区降水充沛，年均降水量大和人类的干扰活动有关。不同剖面土壤中有机碳的含量随着土壤深度的增加而降低。

5 结 论

(1)在空间分布上，农用地表层有机碳含量呈现的规律为：水田>抛荒地>菜地，这主要由海南省独特的气候条件、抛荒年限和土壤质地所导致。

(2)在垂直分布上，有机碳含量随着土壤深度的增加而降低。有机碳的积累主要与动植物残体归还土壤的数量、植物根系的分布特征、土壤微生物种群类型及数量等因素密切相关，同时，不合理的耕作方式也会阻碍有机碳的积累。

(3)水田、抛荒地和菜地土壤均以>2 mm的大团聚体为主。>0.25 mm团聚体含量分别为93.33 %、89.85 %、87.57 %，说明海南岛东部地区农用地土壤结构较稳定。不合理的耕种行为会导致团聚体破碎化，造成>0.25 mm团聚体含量减少，其有机碳含量也会下降。将耕地抛荒后有利于<0.25 mm团聚体黏合成粒径更大的团聚体，有机碳含量增加，土壤稳定性增强。

(4)土壤有机碳与粒度之间相关性较弱，粒度对有机碳含量的影响较复杂。