杭州灣南岸濱海圍墾區(qū)耕層土壤有機(jī)碳的變異特征及影響因素分析

杭州灣南岸濱海圍墾區(qū)耕層土壤有機(jī)碳的變異特征及影響因素分析

鄧勛飛1, 陳曉佳1, 麻萬諸1, 王飛2, 任周橋1, 秦方錦2, 呂曉男1*

(1.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院數(shù)字農(nóng)業(yè)研究所,杭州310021;2.寧波市種植業(yè)管理總站,浙江 寧波315012)

摘要研究農(nóng)田土壤耕層有機(jī)碳庫的變異特征及影響因素,有助于理解耕層土壤碳庫變化,并采取合理的種植管理方式來減少土壤碳排放,減緩全球變暖。本文通過對杭州灣南岸濱海圍墾區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量及其空間變異的研究,揭示在不同圍墾年限、土壤類型演變及典型種植模式條件下,濱海圍墾區(qū)土壤耕層有機(jī)碳庫的變異規(guī)律。2007—2009年,共調(diào)查采集了浙江省慈溪和余姚2市北部濱海圍墾區(qū)域內(nèi)耕層(0～20 cm)代表土樣2 353個。利用隨機(jī)森林(Random forest)方法和GIS空間插值算法,分別計算各因子之間的重要性和土壤有機(jī)碳空間變異。圍墾區(qū)內(nèi)耕層土壤有機(jī)碳平均值9.78 g/kg,變化范圍在1.04～38.22 g/kg之間,屬中等強(qiáng)度變異。在不同種植模式或土壤類型下,土壤有機(jī)碳含量差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05).其中,種植模式“稻-稻”及土壤類型為在水稻土條件下的土壤有機(jī)碳含量較高,其平均含量分別達(dá)到了18.13 g/kg和21.42 g/kg;而在“菜-菜”“果園”種植模式與在濱海鹽土、潮土條件下耕層土壤有機(jī)碳較為接近(介于8.30～9.48 g/kg之間)。在不同圍墾年限下,有機(jī)碳平均含量在7.14～10.96 g/kg之間;除1724—1918年外,在其他圍墾年限下耕層土壤有機(jī)碳差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05);而在相同圍墾年限條件下,不同土壤類型之間有機(jī)碳差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05),不同種植模式的“稻-稻”與“菜-菜”，“稻-稻”與“果園”之間有機(jī)碳差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。種植模式對土壤有機(jī)碳的變異具有較高解釋能力(22.87%),其次是土壤類型(8.68%)和圍墾年限(4.12%),并且土壤類型與圍墾年限之間存在高度關(guān)聯(lián)性(r=0.64,P<0.001)。研究區(qū)內(nèi)耕層土壤有機(jī)碳含量在空間變異上呈現(xiàn)中北部較低,西北和東南部較高的特征,并與種植模式的分布差異基本一致,種植模式對耕層土壤有機(jī)碳的變異影響最大，其次是土壤類型變化,而圍墾年限的影響較小。

關(guān)鍵詞種植模式； 圍墾年限; 土壤有機(jī)碳; 隨機(jī)森林; 耕層

中圖分類號S 153.6文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

基金項(xiàng)目：科技部農(nóng)轉(zhuǎn)基金(2013GBC220534)。

收稿日期(Received)：2014-06-20;接受日期(Accepted)：2014-10-22;網(wǎng)絡(luò)出版日期(Published online)：2015-05-19

Variability of soil organic carbon in plough layers and its impact factors in a coastal reclamation area on south coast of Hangzhou Bay. Journal of ZhejiangUniversity(Agric. & LifeSci.), 2015,41(3)：349-357

Deng Xunfei1, Chen Xiaojia1, Ma Wanzhu1, Wang Fei2, Ren Zhouqiao1, Qin Fangjin2, Lü Xiaonan1,*(1.InstituteofDigitalAgriculture,ZhejiangAcademyofAgriculturalSciences,Hangzhou310021,China; 2.StationofPlantingIndustryManagementofNingboCity,Ningbo315012,Zhejiang,China)

SummarySoil organic carbon (SOC) has been identified as a key element in the global carbon balance. The studies on spatial distribution and variation of SOC are very helpful for soil monitoring and soil mapping. There are few reports on spatial variability of SOC concentration under different crops in plough layers in coastal reclamation areas. This study is intended to determine spatial distribution of SOC storage and its impact factors in the coastal reclamation area on south coast of Hangzhou Bay.

A total of 2 353 soil profiles in plough layer were collected from 2007 to 2009 in coastal reclamation area of Hangzhou Bay. SOC concentrations of soil samples were determined according to the dichromate oxidation method with a factor of 0.58. Geo-statistical methods were used for interpolation and spatial grids of crop fields, and random forest method was employed to estimate explanation capability and eliminate inter-correlations among impact factors.

The average contents of SOC in plough layer is 9.78 g/kg, varied from 1.04 g/kg to 38.22 g/kg, indicating a moderate degree of variability (variable coefficient=65.24%). For three different cropping patterns, including Vegetables, Rice-Rice and Orchards, the soil points were 1 858, 327 and 168, respectively. Specifically, Rice-Rice has the highest SOC content (18.13 g/kg), followed by Vegetables (8.44 g/kg) and Orchards (8.30 g/kg). Under different soil types, significant differences were observed among paddy soil, coastal saline and fluvio-aquic soil (P<0.05), SOC content in coastal saline soil was close to those in fluvio-aquic soil, and the highest SOC concentration was observed under paddy soil (21.42 g/kg). Besides, for different reclaimed ages, SOC content ranged from 7.14 g/kg to 10.96 g/kg. Except the reclaimed age of 1724—1918, no significant difference was found among other reclaimed ages (P>0.05). Additionally, under each reclaimed age, the significant differences were observed between Rice-Rice and Orchards (P<0.05), Vegetables and Rice-Rice (P<0.05), and significant differences were also detected among different soil types (P<0.05). Moreover, there were highly significant inter-correlations between soil types and reclaimed ages (r=0.64,P<0.001), and the highest individual explanation capability of cropping patterns on SOC variability was 22.84% after eliminating the inter-correlations, followed by soil types (8.68%) and reclaimed ages (4.12%) in this region. Finally, geo-statistical interpolation analysis revealed that high SOC concentration was mainly located at southeast and northwest of study area, whereas low SOC content was observed in central north. This high and low distribution of SOC concentration in this study region is consistent with the cropping patterns of Rice-Rice and Vegetables, respectively.

In conclusion, a spatial distribution of SOC concentration was achieved in the study region, and SOC content is much higher in the rice planted region and/or paddy soil than those of vegetables, orchards, coastal saline soil and fluvio-aquic soil. The cropping pattern is a more important factor on variation of SOC content than soil type and reclaimed ages in this coastal region, and this could be helpful to adopt appropriate cropping strategies to improve the soil carbon storage in the coastal reclaimed region.

Key wordscropping patterns; reclaimed ages; soil organic carbon; random forest; plough layer

土壤在全球氣候變化與碳平衡中起著重要的作用,農(nóng)業(yè)土壤中的碳主要以有機(jī)質(zhì)的形式存在[1],其中表層(0～30 cm)土壤中有機(jī)碳積累約占土壤全剖面的一半[2]。人類生產(chǎn)活動,尤其是土地利用和耕作方式對土壤有機(jī)碳含量及動態(tài)平衡過程有重要的影響[3-4]。至今,有關(guān)土地利用變化對土壤有機(jī)碳的影響研究主要集中于林地、草地或農(nóng)田之間一般性的比較[5-6]。不同耕作措施對土壤有機(jī)碳影響的研究,雖然可揭示農(nóng)田在土壤條件下施肥、秸稈還田、常規(guī)耕作、作物輪作、保護(hù)性耕作等對農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量的不同影響,但多數(shù)這類結(jié)果主要來自較小區(qū)域范圍內(nèi)的田間試驗(yàn)[7-9]。以往對濱海圍墾區(qū)土壤有機(jī)碳變異研究較少,且主要探討不同圍墾年限對土壤有機(jī)碳的影響[10-13],缺乏在較大區(qū)域范圍內(nèi)、不同圍墾年限、土壤類型演變與農(nóng)業(yè)種植模式共同作用下耕層土壤有機(jī)碳空間變異特征及影響的研究。

杭州灣南岸具有很長的海涂改造歷史,是我國典型的灘涂圍墾區(qū),是農(nóng)業(yè)種植等人類生產(chǎn)活動影響劇烈的區(qū)域之一。長期種植農(nóng)作物以及對圍墾土地的平整改造、培肥改良已經(jīng)使該區(qū)的土壤理化特性發(fā)生了重要的變化,也對土壤有機(jī)碳含量的變化產(chǎn)生了顯著影響[14]。本文以杭州灣南岸不同時期圍墾的農(nóng)業(yè)土壤為對象,研究當(dāng)?shù)氐湫头N植模式下的耕層(0～20 cm)土壤有機(jī)碳的空間變異情況,目的是揭示濱海圍墾區(qū)在不同圍墾年限、土壤類型演變及典型種植模式共同作用下土壤表層有機(jī)碳庫的變化規(guī)律。

1材料與方法

1.1研究區(qū)域

研究區(qū)域位于浙江省東部的杭州灣南岸,為典型的濱海堆積平原,包括慈溪和余姚2市的北部(30°02′—30°34′N,120°56′—121°36′E)。研究區(qū)屬于典型的亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候區(qū),年均氣溫16 ℃,常年平均有效積溫5 200 ℃左右,年均降水量1 273 mm。通過近千年的圍墾與利用培肥改良,該地區(qū)自海邊向內(nèi)陸依次分布有濱海鹽土、潮土和水稻土等3個土類[14]。研究區(qū)內(nèi)耕地面積約390 km2,主要的種植模式為蔬菜-蔬菜輪作、雙季水稻,近年來部分耕地已被改種為果樹和苗木。

1.2圍墾年限劃分

自公元5世紀(jì),該區(qū)域范圍內(nèi)已開始壘土筑塘和灘涂圍墾,每筑一塘,當(dāng)?shù)厝嗣癖汩_始開墾,使其變?yōu)檗r(nóng)用地、海水養(yǎng)殖或建設(shè)用地,至今已經(jīng)圍墾達(dá)十二塘,十塘以北是2004年以后圍墾的[13-14]。其中,慈溪北部一帶圍墾記錄中區(qū)域跨度較大的是一塘(太沽塘,1047—1341年)、三塘(榆柳塘,1724年)、六塘(永清塘,1815—1918年)、七塘(解放塘,1945年)和九塘(1970年)[15]。本文在圍墾年限劃分時,以一塘為濱海圍墾初始分界,一塘以內(nèi)參照圍墾記錄依次選取三塘、六塘、七塘和九塘為分界。此外,在慈溪的東南部和余姚的北部地區(qū),由于缺乏明確相應(yīng)年代的圍墾筑塘分界線記錄,圍墾年限分界線參照寧波土壤分布圖(土種)以及王飛等[14]記錄的圍墾年限與土種演變關(guān)系大致推斷得出。

1.3采樣方法

本研究數(shù)據(jù)來自浙江省慈溪和余姚2市2007—2009年測土配方施肥項(xiàng)目所采集與分析的耕地地力調(diào)查數(shù)據(jù)。地力調(diào)查樣點(diǎn)布設(shè)兼顧耕地土壤類型和種植現(xiàn)狀等因素,將調(diào)查區(qū)域按每單元0.3～0.5 km2劃分為若干個采樣單元,在每個采樣單元相對中心位置0.3～0.6 hm2的典型地塊上采一個代表土樣;并用GPS(Garmin 72, Inc., USA)定位近似中心點(diǎn)位置,記錄該樣點(diǎn)的采樣時間、前茬作物、典型種植模式以及詳細(xì)位置等內(nèi)容,其中典型種植模式的確定主要是基于現(xiàn)狀(近3年內(nèi)),并兼顧5～10年內(nèi)該地塊典型的種植情況判斷。代表土樣采集遵循“隨機(jī)—等量—多點(diǎn)混合”的原則,“S”型采樣,取樣深度統(tǒng)一為0～20 cm,每個樣點(diǎn)由10～15個分點(diǎn)混合,按四分法留取總質(zhì)量為1 kg的樣本。采樣時間一般在秋季作物收獲后,設(shè)施蔬菜則在涼棚期采集,共獲取耕層土壤樣點(diǎn)2 353個,其中“菜-菜”、“稻-稻”和“果園”種植模式樣點(diǎn)分別為1 858,327和168個,表層土壤有機(jī)碳含量測定執(zhí)行NY/T 1121.6—2006,采用重鉻酸鉀容量法[16]。

圖例中圍墾分界線對應(yīng)的年代標(biāo)注是指圍墾筑塘過程所經(jīng)歷的大致時間跨度 [15]。 Labels of reclamation line in legend stand for the approximated duration for reclamation activities [15]. 圖1　研究區(qū)內(nèi)土壤采樣調(diào)查點(diǎn)、圍墾年代和土壤類型分布圖 Fig.1　Distribution map of soil observations along with reclaimed ages and soil types in study region

1.4統(tǒng)計分析與空間插值方法

用斯皮爾曼(Spearman)法比較土壤類型、圍墾年限和種植模式3種不同情況下有機(jī)碳含量之間的差異性。本文中土壤類型、圍墾年限和種植模式均視為分類變量，在計算時，預(yù)先將這3種分類變量中各原始分類值(水稻土、潮土和濱海鹽土)在R軟件(Version 3.03)[17]中依次轉(zhuǎn)換為虛擬變量(dummy variables)[18]，將所有轉(zhuǎn)換后的分類變量匯總后，用列聯(lián)表分析它們之間的相關(guān)性。同時，基于隨機(jī)森林方法(Random Forest)[19]，在R中應(yīng)用importance函數(shù)計算圍墾年限、種植模式及土壤類型對土壤有機(jī)碳變異的節(jié)點(diǎn)純度(IncNodePurity)，各因素所占全部節(jié)點(diǎn)純度的權(quán)重即是該因素對有機(jī)碳變異影響的重要程度(解釋能力)。以上的統(tǒng)計分析均在R軟件中完成，主要涉及的R程序包為vcd，grid 和randomForest。土壤有機(jī)碳空間分布計算在ArcGIS10.0(Version 10.0)軟件下進(jìn)行，以研究區(qū)域?yàn)檫吔绶秶?，獲取調(diào)查數(shù)據(jù)中的有機(jī)碳含量，通過GIS地統(tǒng)計分析的普通克里格(Ordinary Kriging)法進(jìn)行點(diǎn)面插值計算。

2結(jié)果與分析

2.1有機(jī)碳含量描述性統(tǒng)計

研究共獲得2 353個土壤有機(jī)碳數(shù)據(jù),區(qū)域總體有機(jī)碳平均水平為9.78 g/kg,變異系數(shù)為65.24%,屬于中等程度變異(表1)。在“稻-稻”種植模式下土壤有機(jī)碳含量與“菜-菜”“果園”相比差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。圍墾年限位于1724—1918年之間的土壤有機(jī)碳含量與其他4個圍墾時期相比差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05),而其他4個圍墾年限之間土壤有機(jī)碳含量相比差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。濱海鹽土、潮土和水稻土等土壤類型之間的有機(jī)碳相比差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05),有機(jī)碳含量隨著土壤類型的演變呈現(xiàn)增長趨勢,水稻土平均有機(jī)碳含量達(dá)到21.42 g/kg。另外,“稻-稻”與“果園”種植模式、濱海鹽土和水稻土與總體土壤有機(jī)碳均值相比差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05),但不同圍墾年限(除1724—1918年外)與總體土壤有機(jī)碳均值相比差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。種植模式和土壤類型對土壤有機(jī)碳含量具有較好的“高—低”區(qū)分能力,其中在“稻-稻”模式和水稻土條件下有機(jī)碳含量高(>18.13 g/kg),而“菜-菜”“果園”濱海鹽土和潮土中有機(jī)碳含量較低(<9.48 g/kg)。

表1　在不同種植模式、圍墾年限和土壤類型下土壤有機(jī)碳描述性統(tǒng)計

a)稻-稻即以雙季稻種植為主;菜-菜：包含相同或不同蔬菜的輪作或棉-菜輪作;果園：包含一年或多年生苗木和果園。“*”表示與總體樣本相比土壤有機(jī)碳含量在P<0.05水平差異有統(tǒng)計學(xué)意義;不同的小寫字母表示各分組內(nèi)部之間土壤有機(jī)碳含量在P<0.05水平差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

a) Rice-Rice is mainly composed of double cropping rice; Vegetables is consisted of rotation of the same or different vegetables, and the cotton-vegetable; Orchards include annual or perennial seedlings and orchards. “*” demonstrates a significant difference of SOC content with the total samples (P<0.05), and different lowercase letters indicate a significant difference of SOC content within each category (P<0.05).

2.2種植模式、圍墾年限和土壤類型之間的土壤有機(jī)碳差異比較

在相同種植模式條件下,除“稻-稻”模式外,不同土壤類型間的土壤有機(jī)碳含量均為濱海鹽土<潮土<水稻土,并且在多數(shù)情況下不同土壤類型之間的土壤有機(jī)碳差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。而不同圍墾年限形成的土壤有機(jī)碳變化并不一致。在“果園”種植模式下,土壤有機(jī)碳平均含量隨圍墾年限增加呈逐漸升高趨勢,但圍墾年限之間的差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。而在“菜-菜”“稻-稻”種植模式下,土壤有機(jī)碳均隨著圍墾年限增加呈先下降再升高的趨勢(表2)。在相同土壤類型條件下,土壤有機(jī)碳含量均為“果園”<“菜-菜”<“稻-稻”,其中前2種模式之間差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05),但它們與“稻-稻”模式之間除水稻土類型外差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。另外,比較圍墾年限對不同土壤類型有機(jī)碳含量的影響(表3)發(fā)現(xiàn),隨著圍墾年限的增加,潮土表層土壤有機(jī)碳含量呈先降低再升高的趨勢;在相同圍墾年限下,不同土壤類型間的有機(jī)碳相比差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05,除1918—1945年外)。

表2　在不同種植模式下圍墾年限和土壤類型對土壤有機(jī)碳含量的影響

數(shù)據(jù)后不同大寫字母表示在相同圍墾年限或土壤類型條件下,不同種植模式之間有機(jī)碳含量在P<0.05水平差異有統(tǒng)計學(xué)意義;不同小寫字母表示在相同種植模式下,不同圍墾年限或土壤類型各分組內(nèi)部之間有機(jī)碳含量在P<0.05水平差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

Different uppercase letters show a significant difference of SOC content among different cropping patterns under the same reclaimed ages or soil types (P<0.05), and different lowercase letters indicate a significant difference of SOC content among reclaimed ages or soil types within the same cropping patterns (P<0.05).

表3　圍墾年限對不同土壤類型中土壤有機(jī)碳含量的影響

數(shù)據(jù)后不同大寫字母表示在相同圍墾年限下,不同土壤類型之間有機(jī)碳含量在P<0.05水平差異有統(tǒng)計學(xué)意義;不同的小寫字母表示在相同土壤類型下,不同圍墾年限之間有機(jī)碳含量在P<0.05水平差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

Different uppercase letters show a significant difference of SOC content among different soil types under the same reclaimed ages (P<0.05), and different lowercase letters indicate a significant difference of SOC content among different reclaimed ages within the same soil types (P<0.05).

2.3土壤有機(jī)碳含量變異的影響因素分析

結(jié)果(表4)表明,種植模式、圍墾年限和土壤類型之間并不是相互獨(dú)立的,兩兩之間存在一定的關(guān)聯(lián)。其中,圍墾年限與土壤類型存在較高相關(guān)性(r=0.64,P<0.001),而土壤類型與種植模式,圍墾年限與種植模式之間相關(guān)性相對較低。此外,通過隨機(jī)森林方法的計算發(fā)現(xiàn),種植模式對該區(qū)域土壤表層有機(jī)碳含量變化的解釋能力貢獻(xiàn)最大(22.87%),其次是土壤類型(8.68%),圍墾年限影響最小(4.12%)。

表4　種植模式、圍墾年限和土壤類型之間的相關(guān)性及其對土壤有機(jī)碳含量變異的解釋能力

***相關(guān)性極顯著(P<0.001)。

*** indicates highly significant correlation at the 0.001 probability level.

2.4土壤有機(jī)碳空間變異

通過對有機(jī)碳的空間插值獲得研究區(qū)耕層土壤有機(jī)碳空間分布圖(圖2)。從中可知,土壤有機(jī)碳含量較高的區(qū)域主要分布在研究區(qū)域的西部(圖2之H1,H2)和東南部地區(qū)(圖2之H3,H4),這些地區(qū)耕層土壤有機(jī)碳含量水平最高,基本都在12 g/kg以上;而慈溪北部大部分地區(qū)(圖2之L)土壤有機(jī)碳含量總體水平較低,大多處于8 g/kg以下。

圖2　耕層土壤有機(jī)質(zhì)空間變異 Fig.2　Spatial distribution of soil organic carbon in plough layer

3討論

3.1圍墾年限對耕層土壤有機(jī)碳的影響

杭州灣南岸的濱海地區(qū)歷經(jīng)了近千年的圍墾,長期種植、培肥改良已經(jīng)對該地區(qū)的土壤理化特性產(chǎn)生了重要影響[14,20]。圍墾后土壤熟化時間越久,有機(jī)質(zhì)積累越明顯,土壤有機(jī)碳含量越高[21]。然而,本文中隨著圍墾年限的增加,表層土壤有機(jī)碳的總體平均含量并未呈現(xiàn)穩(wěn)定的增長趨勢(表1),這與張文敏等[13]在慈溪市周巷鎮(zhèn)揭示的農(nóng)田表層土壤有機(jī)碳隨圍墾時間延長而增加的趨勢并不一致,這種差異可能與圍墾年限的跨度、劃分及研究區(qū)域大小關(guān)系密切。相對于圍墾了10～120年的時間跨度及較小的采樣范圍,圍墾超過40年的土壤表層(0～20 cm)有機(jī)碳含量與圍墾10年相比差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05),但圍墾超過40年之后增加并不明顯,差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)[13]。而本研究中圍墾年限的總體跨度(1047—2004年)以及各圍墾年限之間的間隔都很大,大部分土壤的圍墾年限已經(jīng)超過50年(圖1),并且研究區(qū)域覆蓋了整個杭州灣南岸,種植差異性更為多樣,圍墾年限與種植模式的疊加效應(yīng)可能弱化了有機(jī)碳含量隨圍墾年限增加的趨勢。對于在相同土壤類型(潮土)或種植模式條件下,有機(jī)碳含量隨圍墾年限的增加呈先下降再升高或依次升高的趨勢(表2,表3),并且在大多數(shù)情況下,各圍墾年限之間,或各圍墾年限與總體樣本之間的有機(jī)碳差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05,表1)。這在一定程度上反映了有機(jī)碳不僅受圍墾年限的影響,可能還受土壤類型和種植模式的共同作用,而表4中這三者對有機(jī)碳變異的解釋能力也證實(shí)耕層土壤有機(jī)碳受圍墾年限的影響較小。

此外,圖2所示的有機(jī)碳空間變化趨勢并沒有表現(xiàn)出如金雯暉等[11]在江蘇省臺東灘涂表層土壤研究中發(fā)現(xiàn)的有機(jī)碳含量沿海岸線向內(nèi)陸呈明顯的條帶遞增分布特征,這可能與采樣點(diǎn)的分布和密集度有關(guān)。金雯暉研究中的采樣分布相對均勻,呈明顯變化趨勢的主要集中在1955年之后圍墾區(qū)域(由海邊向內(nèi)陸依次為生態(tài)演替帶、拋荒地、新墾農(nóng)田及穩(wěn)定農(nóng)田),而本文的調(diào)查數(shù)據(jù)均處于耕作農(nóng)田中,且絕大部分樣點(diǎn)都在圍墾于1970年之前的區(qū)域。對于這些已有較長圍墾歷史的土壤,已有研究證實(shí)由于圍墾前后土壤淹水狀態(tài)的改變及改良措施的進(jìn)行,在圍墾時期超過30～50年后,土壤中有機(jī)碳儲量(0～100 cm深度)趨于穩(wěn)定或增加主要受不同耕作過程中有機(jī)質(zhì)(含有機(jī)肥或植物殘體)輸入與碳輸出的不平衡影響[22-24]。并且,表層土壤(0～30 cm)有機(jī)碳更容易受到如耕作方式、施肥或灌溉等人為因素的影響[7,25],引起有機(jī)碳含量的升高或降低。而本研究區(qū)域樣點(diǎn)以旱地、水田及輪作等不同農(nóng)業(yè)耕作方式分散于各圍墾時期(圖1),可能一定程度上弱化了農(nóng)田表層土壤有機(jī)碳在各圍墾年限之間的差異。

3.2典型種植模式對耕層土壤有機(jī)碳的影響

土壤有機(jī)碳含量變異通常在較大的空間尺度上受氣候、成土母質(zhì)等結(jié)構(gòu)性差異影響較大,而對于較小的區(qū)域范圍,往往受植被或耕作的影響更大[25]。一定區(qū)域范圍內(nèi)的典型種植模式,一般都與土地利用方式和耕作措施存在關(guān)聯(lián),可以將種植模式看作是不同土地利用方式與農(nóng)田耕作措施等的綜合體現(xiàn)。本研究中慈溪是典型的蔬菜種植區(qū),余姚北部大部分為典型的雙季稻和蔬菜種植區(qū),從圖1和圖2對照可以發(fā)現(xiàn),耕層土壤有機(jī)碳的“高—低”分布與不同的種植模式(“稻-稻”“菜-菜”)呈現(xiàn)較高的空間相似性。種植模式對有機(jī)碳變異的解釋能力較強(qiáng)(表4),表明了當(dāng)?shù)刂饕r(nóng)業(yè)種植模式對耕層土壤有機(jī)碳的變異產(chǎn)生了重要影響。杭州灣南岸濱海圍墾地區(qū)“稻-稻”模式中土壤有機(jī)碳含量較高,這與Cheng等[23]在慈溪稻田研究中發(fā)現(xiàn)的長期水稻種植下,表層土壤(0～20 cm)有機(jī)碳含量顯著高于非水稻種植的結(jié)果一致。在稻田普遍淹水(厭氧)條件下,有機(jī)物的礦化受到抑制,分解速度下降,使得有機(jī)碳易于在土壤中累積[27]。此外,當(dāng)?shù)厮臼崭钅Ｊ交緸闄C(jī)械收割,部分秸稈通過機(jī)器粉碎后以直接還田的方式返回到了土壤中,并且在該種植模式下還包括了部分藺草等綠肥與水稻的輪作種植,這些有機(jī)物在土壤中的積累有助于維持或提升農(nóng)田土壤中有機(jī)碳的水平[27]。

該區(qū)域中的“菜-菜”模式,主要為瓜類、葉菜類、茄果類,榨菜、茭白等蔬菜種植以及少量的“棉-菜”輪種,除茭白外,其余蔬菜均以旱作為主。相對于水稻,蔬菜等旱地耕作中土壤有機(jī)碳含量往往較低[28-29]。蔬菜種植地塊中翻耕、培土、起壟等耕作措施較為頻繁,造成了土壤團(tuán)聚體破碎,使得表層(0～20 cm)土壤結(jié)構(gòu)沒有水稻田中那么緊實(shí)穩(wěn)定,更容易形成疏松孔隙包容氧氣,促進(jìn)土壤有機(jī)碳的分解[29]。另外,絕大多數(shù)蔬菜的生物量,即可食用部分,都不可能再回到原土壤中,只有不甚發(fā)達(dá)的根系(與水稻相比)殘留在土壤中,這又使得表層土壤的輸入有機(jī)碳減少,這些因素共同加速了耕層中土壤有機(jī)碳的流失。從表1還發(fā)現(xiàn),雖然“菜-菜”模式總體有機(jī)碳水平較低,但其變異系數(shù)較高,不同蔬菜類型的施肥、輪作或灌溉差異可能造成土壤中有機(jī)碳的不平衡[21]。如余姚北部地區(qū)為主要的榨菜種植區(qū)(圖2之H1),隨著近年來榨菜測土配方施肥的推廣,農(nóng)戶施用有機(jī)肥顯著增加[14];還有一些地區(qū)是近年來由傳統(tǒng)的水稻耕作區(qū)轉(zhuǎn)為“菜-菜”種植,原有較好的水肥條件使得該地區(qū)的土壤有機(jī)碳并沒有快速下降到較低水平;而在圖2之L部分的一些地塊以蔬菜間作為主,有機(jī)碳含量明顯偏低。

以果樹苗木等為主的“果園”種植模式相對于“菜-菜”種植模式,兩者之間差異并不顯著(表1,表2),本文“果園”中有機(jī)碳含量與張容娟等[12]在崇明島灘涂地區(qū)苗圃和果園中發(fā)現(xiàn)的表層土壤有機(jī)碳含量接近。在“果園”模式下人為翻耕明顯減少,施肥仍以化肥為主,有機(jī)肥使用較少。土壤中有機(jī)碳積累主要依靠地表雜草以及植株的凋落物,逐步回歸到土壤,而果樹苗木種植多為近十年發(fā)展起來的,較小的植株造成凋落物總量偏少。而這些凋落物往往殘留在0～5 cm的土壤表層,深度5 cm以下有機(jī)碳顯著下降[12],由于該區(qū)域地處亞熱帶,較高的溫度和適宜的干濕條件,有利于地表有機(jī)物分解[30],使得一部分有機(jī)碳并未進(jìn)入土壤表層以下,從而使得“果園”中表層有機(jī)碳含量偏低。

3.3土壤類型差異對耕層土壤有機(jī)碳的影響

土壤有機(jī)碳的空間異質(zhì)性往往受地形、成土母質(zhì)與氣候等結(jié)構(gòu)性因素影響[23],本研究區(qū)域內(nèi)地形地貌、溫度和降雨等空間結(jié)構(gòu)性條件基本一致,主要的空間結(jié)構(gòu)性差異為圍墾區(qū)的土壤類型變異。王飛等[14]的研究揭示了該濱海圍墾區(qū)域隨著年代的推移,土壤類型已經(jīng)逐步從濱海鹽土向潮土和水稻土轉(zhuǎn)變。統(tǒng)計結(jié)果(表1,表2)表明，耕層土壤中有機(jī)碳含量隨著土壤類型的演變逐漸增加,并且8.68%的解釋能力也顯示土壤類型確實(shí)對該地區(qū)的土壤有機(jī)碳含量變異產(chǎn)生了一定的影響(表4)。結(jié)合圖1中土壤類型的演變情況,對照圖2的表層土壤有機(jī)碳的差異分布,在不少區(qū)域(圖2之H1,H2,L)有機(jī)碳的變化與土壤類型演變并不一致,這印證了其對該研究區(qū)域土壤有機(jī)碳變異的解釋能力不高。造成這種情況的原因可能是本研究關(guān)注的耕地土壤(包括少量園地田塊)不同于一般自然土壤,它往往受到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的影響[7-8]。而該地區(qū)在不同土壤類型條件下,兼有蔬菜、水稻和果園等多種農(nóng)業(yè)種植方式,不同的種植模式所帶來的土壤管理方式的差異可以引起相應(yīng)的土壤有機(jī)碳含量差異[21],從而在一定程度上削弱了土壤類型的變化對表層土壤有機(jī)碳變異的影響。

4結(jié)論

杭州灣南岸濱海圍墾區(qū)的耕層土壤有機(jī)碳含量平均為9.78 g/kg,變化范圍為1.04～38.22 g/kg,屬中等強(qiáng)度變異;從空間分布上看,有機(jī)碳在研究區(qū)中北部多數(shù)地區(qū)偏低,而在研究區(qū)域西面和東南面較高,與種植模式的空間分布基本一致。在“稻-稻”種植模式下的有機(jī)碳含量明顯高于“菜-菜”和“果園”種植模式;水稻土中的有機(jī)碳含量也分別高于潮土和濱海鹽土;不同圍墾年限之間的土壤有機(jī)碳差異并不明顯。這3種因素對該地區(qū)農(nóng)田耕層土壤有機(jī)碳影響大小依次為種植模式>土壤類型>圍墾年限。

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*通信作者(Corresponding author)：葉均安,Tel:+86-571-88982965;E-mail:yja@zju.edu.cn

第一作者聯(lián)系方式：焦陽,E-mail:jy909920129@163.com

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