安徽江淮地区不同耕作方式下水稻土碳含量变化特征研究

梁红霞，邢润华，贾十军，陈富荣，陶春军

（安徽省地质调查院（安徽省地质科学研究所），安徽合肥 230001）

0 引言

土壤是陆地生态系统中最大且周转时间最慢的碳库，而且是最活跃的部分[1～4],因此增加农田土壤有机碳的固定不但可以增加土壤有机质，促进土壤肥力，提高作物生产力，而且对温室气体减排也具有举足轻重的作用[5～6]。土壤碳含量变化不仅受到温度、水分、土壤质地等自然因素的影响,土地利用方式不同对土壤碳含量具有明显的影响。一方面，土地利用方式不同，生态系统也不同，生态系统土壤碳的输入也不同。另一方面，不同的土地利用方式下土壤的理化属性亦不同，土壤有机碳释放的强度也不同[7～8]。而土壤碳含量是土壤肥力的重要组成部分，因此无论从研究地球各圈层的物质循环以及保护生态环境，还是保护珍贵的土壤资源以维护农业经济的可持续发展，都需对不同土地利用方式下土壤有机碳及全碳的分布特征及其变化趋势进行详细研究。

1 研究区概况

根据研究目标任务，综合考虑研究区水稻土分布及环境特征，以代表性为前提选择试验点。试验区布置在已完成多目标区域地球化学调查工作区，依当地主要种植习惯，选择有水稻土分布的主要农耕区连片农田，区域上布点均匀且选点远离工厂等污染源。依据上述选区原则，结合区内自然环境条件，在淮北南部及沿淮稻麦一年两熟暖温带、江淮丘陵小麦双季稻混作一年两熟北亚热带、沿江双季稻一年两熟北亚热带不同农业气候区各选择了1个试验区。

1.1 合肥市肥西县马湖镇试验区

试验区位于小麦双季稻混作一年两熟北亚热带、江淮丘陵平原区，土壤类型为水稻土，成土母质为晚更新世黏土。样地东侧为大面积农田，西邻马湖河，周边无污染源。耕作地第一季农作物为小麦，第二季为水稻。休耕地从大块农田分割，自然未利用地为山坡林地。

1.2 六安市寿县安丰塘镇冉村试验区

试验区位于淮北南部及沿淮稻麦一年两熟暖温带、沿淮冲积原区，土壤类型为水稻土，成土母质是河流冲积物母质。样地周边为大面积农田，周边无污染源。耕作地以稻、麦轮作为主。休耕地从大块农田分割，自然未利用地为林地。

1.3 六安市舒城县杭埠镇官圩村试验区

试验区位于沿江双季稻一年两熟北亚热带、杭埠河冲积原区，土壤类型为水稻土，成土母质为河流冲积物。样地周边为大面积农田，周边无污染源。耕作地第一季农作物为油菜，第二季为水稻。休耕地从大块农田分割，自然未利用地为林地。

2 不同土地利用方式碳含量特征

2.1 不同地类土壤碳含量特征

在选定的三个试验区分三个年度和耕地、休耕地、荒地三个地类分别采集了表层土壤样品。三个点不同时段及地类有机碳、全碳含量平均值见表1，同一时段不同地类碳含量见图1。

图1 同时段不同地类土壤碳含量对比图Figure 1.Comparison of carbon content in soils of different land types in the same period

由表1可见，不同地类有机碳、全碳含量平均值显示总体上依照耕地、休耕地、荒地有机碳、全碳含量依次升高，但具体到每个试验区则各有差异。除杭埠镇外，其他两个试验区休耕地有机碳、全碳含量明显高于耕地，说明土地休耕后多数土壤会增加有机碳储量。除马湖试验区外其他两个试验区荒地有机碳、全碳含量明显高于休耕地及耕地，说明在自然状态下，多数土壤碳含量具有明显的积累。

表1 不同地类碳含量（%）Table 1.Carbon contents in different types of lands（%）

2.2 不同地类不同深度（剖面）碳量讨论

2.2.1 不同地类不同深度土壤碳分布特征

本次各工作每个年度在耕地及荒地中按照0—10、10—15、15—20、20—30、30—40……的采样间距采集了土壤剖面样品。各试验区土壤剖面有机碳含量分布特征见图2，全碳分布特征见图3。

图2 各试验区土壤剖面有机碳含量分布图Figure 2.Distribution of organic carbon content in soil profile of each experimental area

图3 各试验区土壤剖面全碳含量分布图Figure 3.Distribution of total carbon content in soil profile of each experimental area

由图可见，有机碳及全碳在表层40cm以上土壤成急剧降低的趋势，40cm以下趋于稳定。不同地类比较，耕地土壤一般在30～40cm区段趋于稳定，荒地则在20～30cm深度趋于稳定，前者斜率要大于后者。说明在农耕土壤经耕作植物根系发育较荒地（林地）要深，影响深度达40cm左右，而林地土壤以草本植物为主未经过翻耕，植物根系影响深度在30cm左右。

2.2.2 不同深度土壤碳储量特征

根据剖面分层实测碳含量及实测土壤容重（表2），以样点控制的120m2的采样单元分层计算了剖面碳储量。分层剖面土壤碳储量见表2。为了进行对比研究，将各剖面均统一到1m深度，分别计算了20cm、1m深度土壤碳储量（表2）。

由表2可以看出，不同地类各层土壤碳储量相比，5～30cm深度各层土壤耕地碳储量多数高于荒地，其他层位明显低于荒地，说明在耕种条件下碳在-5～-30cm之间层位富集，而荒地多为林地，地面为草本，0～5cm厚度土壤含有大量腐殖质，表层土壤荒地碳储量大于农田，而耕地在-5cm以下农作物根系带入的腐殖质相对荒地要多，在-5～-30cm之间耕地土壤碳储量大于荒地。荒地1m以上土壤碳储量普遍高于农田。各类土壤中50cm以上土壤有机碳、全碳碳储量占1m深度土壤碳储量的70%以上。

表2 不同地类不同年份不同深度土壤碳储量统计Table 2.Statistics of soil carbon storage at different depths of soils of different land types and different years

续表2

续表2

2.3 不同时段碳含量变化特征

不同时段同地类土壤碳含量变化见图4。由图可见，耕地、休耕地有机碳随着时间的推移，总体上均发生了累积，荒地除杭埠镇外其他两个地区也发生了累积，但不同年份季节有机碳含量变化较大。与初次采样相比，除杭埠镇试验区外其他两个区总体成上升趋势。全碳变化较为复杂，耕地、休耕地与初次采样相比总体呈上升态势，而荒地杭埠镇试验区全碳有所降低，其他两个区具有升高态势。

图4 不同年份不同地类土壤碳含量对比图Figure 4.Comparison of carbon content in soils of different land types and different years

表3反映了最后采样时段与初始土壤碳含量变化情况。由表可见碳含量增加的比例有机碳明显高于全碳，有机碳在休耕地中增加的比例明显高于其他地类，全碳则在荒地中增加比例最大。

表3 不同试验区及不同地类碳含量累积量统计Table 3.Statistics of carbon content accumulation in different experimental areas and different land types

3 影响因素分析

不同类别土壤有机碳、全碳与其他指标相关系数见表4。由表可见，有机碳与全碳相关性显著，相关系数达0.80，有机碳、全碳与N、Na2O、P、K2O、Cd、Hg、Pb、S、Zn、CaO、Al2O3、MgO呈正相关，与SiO2、As、Cr、Cu、Mn、Ni、TFe2O3、pH呈负相关。根据相关性，对土壤有机碳、全碳影响较大的元素为N、Na2O、P、K2O、SiO2。说明增加土壤肥力可以增加土壤碳含量，在质地较粗（SiO2含量较高）的土壤中碳含量较低。

表4 有机碳、全碳与其他指标相关系数Table 4.Correlation coefficients between organic carbon,total carbon and other indicators

土壤剖面与表层土壤SiO2/Al2O3比值与有机碳、全碳相关性见图5。土壤SiO2/Al2O3比值与土壤中不同颗粒含量（土壤质地）相关性见图6。

图5 土壤剖面与表层土壤SiO2/Al2O3比值与有机碳、全碳相关性图Figure 5.Correlation of SiO2/Al2O3 ratio vs organic carbon or total carbon for soil profile or topsoil

图5显示，土壤剖面表层以下土壤以砂粒级、黏粒级质地物质为主，二者占60%以上。表层土壤由于风化作用，硅质淋滤，土壤SiO2/Al2O3比值高于深层土壤，土壤碳含量随深度增加含量降低，表现出碳含量与土壤SiO2/Al2O3比值呈正相关性。而表层土壤以粉粒级物质为主，多在总量的50%以上，随着SiO2/Al2O3比值的增加粉粒物质含量增加，该类土壤疏松程度较好，利于植物生长，土壤碳含量亦随之增加。

由图6可见，土壤剖面及表层土壤砂粒级、黏粒级含量与SiO2/Al2O3比值呈明显的负相关，与粉粒级含量呈正相关。而土壤剖面及表层土壤SiO2/Al2O3比值与有机碳、全碳含量呈相反特征，剖面为正相关，表层土壤为负相关。

图6 土壤剖面及表层土壤SiO2/Al2O3比值与各粒级土壤相关性图Figure 6.Correlation of SiO2/Al2O3 ratio vs soil of each particle size for soil profile or topsoil

4 结论

（1）通过水稻土实验样地连续监测表明，耕地、休耕地有机碳随着时间的推移，总体上均发生了累积，荒地两个地区也发生了累积，但不同年份季节有机碳含量变化较大。

（2）与初次采样相比，除杭埠试验区外其他两个区总体成上升趋势。全碳变化较为复杂，耕地、休耕地与初次采样相比总体成上升态势，而荒地杭埠试验区全碳有所降低，其他两个区具有升高态势。

（3）最后采样时段与初始土壤碳含量变化情况表明，碳含量增加的比例有机碳明显高于全碳，有机碳在休耕地中增加的比例明显高于其他地类，全碳则在荒地中增加比例最大。