喀斯特地區(qū)耕地土壤有機碳分布特征研究

牟桂婷 張珍明 趙倫學(xué)

[摘要]根據(jù)喀斯特地區(qū)耕地資源的實際情況，以貴州省興義市為研究對象，在保證采樣點具有典型性和代表性的基礎(chǔ)上，采集混合樣和土壤剖面樣品（0～100cm），并對樣品中有機碳分布特征進行研究。不同耕地類型的耕作層土壤有機碳含量的具有明顯差異，其中灌溉水田的含量顯著高于其他3種耕地類型，有機碳含量為23.08g/kg，菜地的有機碳含量最低，僅為15.36g/kg。不同質(zhì)地類別的耕作層土壤有機碳含量的排序為：黏土>黏壤土>壤土>砂土。隨著耕地土壤剖面深度的增加，土壤有機碳含量隨之降低。研究結(jié)果可為興義市增加土壤有機碳固定量，減少溫室氣體排放量和實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]有機碳;喀斯特地區(qū);耕地;土壤

中圖分類號：S153.6;Q948 文獻標識碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.202001

自工業(yè)革命以來，科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展，極大地改善了人們在衣食住行等方面的客觀條件，同時也給人類生存的環(huán)境帶來了嚴重的問題，其中影響最大、受關(guān)注度最高的問題之一即溫室效應(yīng)。溫室效應(yīng)與全球變暖之間的關(guān)系、與地球各個生態(tài)圈之間的關(guān)系逐漸成為世界共同關(guān)注的氣候問題[1-4]。2016年全球100多個國家共同簽署的《巴黎協(xié)定》，更是制定了將21世紀全球平均氣溫上升幅度控制在2℃以下的目標。導(dǎo)致溫室效應(yīng)的直接原因是全球碳循環(huán)不平衡，而在全球碳循環(huán)中土壤有機碳具有極其重要的意義[3-4]。有機碳是地球上生物圈、土壤圈及大氣圈的重要組成元素，對動植物生長發(fā)育、土壤肥力、大氣循環(huán)等方面具有重要作用。其中土壤有機碳的作用主要表現(xiàn)在兩個方面：（1）通過提高土壤肥力、改善土壤理化形狀等方式，促進植物對土壤中其他各元素的吸收利用，以實現(xiàn)其優(yōu)質(zhì)、高效生長的目標;（2）作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳庫，影響著全球碳循環(huán)的平衡[5-8]。

土壤有機碳庫在陸地上幾大系統(tǒng)碳庫中是最大的，土壤有機碳庫的積累和變化都會對全球的碳循環(huán)產(chǎn)生影響。2014年11月2日IPCC在報告中明確指出：人類的活動對氣候變化的影響正在不斷增強，如果人們不采取一些措施，那么氣候變化將會對人類的生存環(huán)境產(chǎn)生巨大的影響。在此之前，該機構(gòu)也指出：農(nóng)業(yè)對緩解溫室氣體的排放具有重要的作用。國內(nèi)外學(xué)者開展了大量關(guān)于土壤有機碳儲量的研究，雖然我國在這方面的起步相對較晚，但也取得了一些研究成果[9-11]，且主要還是集中于土地利用與覆被變化、不同土地利用方式以及不同陸地類型對土壤碳的影響[1-2、6、12-14]，在農(nóng)業(yè)管理措施對土壤碳積累影響方面的研究相對來說比較少，特別是有機碳在喀斯特地區(qū)耕地土壤中的相關(guān)研究，更是少之又少。因此，本文將喀斯特地貌類型下的興義市耕地土壤作為研究對象，對該區(qū)域內(nèi)的耕地土壤有機碳含量分布特征進行研究，期望能夠為提高土壤中有機碳的積累量、降低溫室氣體的排放量以緩解溫室效應(yīng)帶來的氣候環(huán)境問題、實現(xiàn)綠色循環(huán)生態(tài)等方面提供一些科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

興義市位于貴州省的西南部地區(qū)，地理位置在東經(jīng)104°51′～104°55′，北緯24°38′～25°23′之間，由于受海洋性氣候的影響，具有較為獨特的氣候特點：季風(fēng)型、高原型、多樣性，日照較長、雨量充沛。境內(nèi)海拔范圍約在900～1 400m，地勢特征為：西北部較高、東南部較低，起伏性比較大。全市耕地土壤的質(zhì)地類型主要為壤土、黏土、黏壤土、砂土，耕地土壤類型以石灰土、黃壤、水稻土為主。糧食作物中玉米、小麥和水稻的播種面積較大，主要的經(jīng)濟作物有油菜、烤煙、芭蕉芋、甘蔗等。

2 材料與方法

2.1 樣品的采集與制備

以興義市各個鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）耕地面積的多寡、地形類型、地貌特征、土壤肥力及類型、作物種類等為參考，在盡量確?？臻g的均勻分布情況下，采樣單元為3～10hm2，且保證每個點都具有典型性特征。采樣步驟：（1）選擇比較能夠代表該區(qū)域的一塊耕地;（2）以S型的路線，采集5～8個土壤樣品;（3）將這幾個土壤樣品充分混合，作為一個混合樣品;（4）在具有典型性的區(qū)域內(nèi)，按照每20cm為一層（共5層：0～20cm，20～40cm，40～60cm，60～80cm，80～100cm）挖土壤剖面。其中一共采集到耕層混合樣品4 486個、剖面層次樣品1 081個。

采集好的樣品帶回實驗室，置于通風(fēng)但沒有陽光直射的地方風(fēng)干，風(fēng)干期間可適當翻土加快其風(fēng)干的速度，同時將土壤中的植物殘體、石塊等剔出，保證風(fēng)干位置的清潔，避免灰塵等其他物質(zhì)污染土壤。風(fēng)干后的土壤用研磨并過100目的土篩，過篩后的樣品密封在密封袋中做好標簽，并置于干燥器中保存，直至進行化學(xué)測試時取出使用。

2.2 測試方法與數(shù)據(jù)處理

本研究中采用外加熱重鉻酸鉀氧化法測定土壤中有機碳的含量[14]，數(shù)據(jù)處理采用Excel軟件對土壤有機碳含量的數(shù)據(jù)進行處理。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同區(qū)域耕地土壤有機碳含量分布

如表1所示，興義市21個鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地的耕作層土壤有機碳含量差異較大，其中全市耕地有機碳含量最高值為29.01g/kg，變化范圍為18.77～29.01g/kg，分布在敬南鎮(zhèn)，最低值為6.21g/kg，變化范圍為6.21～18.59g/kg，位于洛萬鄉(xiāng)，最高值為最低值的4.67倍，全市耕地有機碳含量的平均值為13.21～26.48g/kg?？傮w來說，興義市耕地的耕作層土壤有機碳含量呈現(xiàn)出北高南低的趨勢，其中中部和北部區(qū)域的有機碳含量較高，均在20g/kg以上，而南部地區(qū)有機碳含量相對較低，均在20g/kg以下。該地區(qū)土壤有機碳含量差異比較顯著，這與喀斯特地區(qū)的地形特點具有直接的關(guān)系，喀斯特地區(qū)獨特的地形使其對土壤發(fā)生、土壤養(yǎng)分累積的作用具有較大的差異性[15]，進而導(dǎo)致有機碳含量分布的差異。有機碳含量的變異系數(shù)在6.40%～40.73%，其中巴結(jié)鎮(zhèn)變異系數(shù)最大，達40.73%，說明該鎮(zhèn)有機碳含量分布差異較大，七舍鎮(zhèn)的變異系數(shù)最小。從整體來看，興義市耕地土壤有機碳含量總體是較高的，平均含量為20.19g/kg。

3.2 不同耕地類型的土壤有機碳含量

如表1所示，興義市不同的耕地類型耕作層的土壤有機碳含量均值差異比較顯著，表現(xiàn)為：灌溉水田>旱地>望天田>菜地，灌溉水田有機碳含量較高，為23.08g/kg，變化范圍為9.55～28.76g/kg，這是由于一方面灌溉水田中的土壤長時間浸泡在水中，這對有機質(zhì)的分解具有一定的抑制作用;另一方面化肥與有機肥料的投入及其作物固定作用更大限度地保存了土壤中有機碳的含量。旱地有機碳含量次之，為20.19g/kg，變化范圍為9.55～28.76g/kg，其長期的處于土壤翻耕過程中，且礦質(zhì)化作用對土壤有機碳的分解具有促進作用，因此其有機碳含量略低于灌溉水田，但高于望天田及菜地。菜地的有機碳平均含量最低，為15.36g/kg，變化范圍為6.21～27.01g/kg，這是由于菜地的人為耕翻頻繁，導(dǎo)致有機物的分解損失較多，有機碳儲存較少;其有機碳含量變異系數(shù)最大，是由于受人為干擾作用最強?？傮w上來看，耕地類型不同是土壤碳庫和碳循環(huán)最直接的影響因子。氣候條件和土壤理化性質(zhì)在促進碳平衡的循環(huán)方面有著十分重要的作用，人們的活動可以通過改變耕地類型、耕地管理方式，調(diào)節(jié)土壤中有機碳分解的快慢程度，最終調(diào)控農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)[16-17]。由此可見，通過更加科學(xué)性、統(tǒng)籌性的耕地管理辦法擴大土壤碳庫，是現(xiàn)在和未來相當長的一段時間內(nèi)有效調(diào)節(jié)溫室效應(yīng)的方法之一。

3.3 不同質(zhì)地的耕作層土壤有機碳含量

土壤質(zhì)地類別受到自然環(huán)境、人為活動的影響，不同的區(qū)域形成特定土壤質(zhì)地類別，具有典型的空間差異，它也能反作用于自然及人類活動的方式，是土壤基本的物理特性，對耕地土壤水熱狀況和腐殖化、礦質(zhì)化過程具有直接作用。不同質(zhì)地類別的耕作層土壤有機碳含量特征表現(xiàn)：黏土（22.03g/kg）>黏壤土（21.68g/kg）>壤土（19.39g/kg）>砂土（14.73g/kg）;各種土壤機碳含量變化范圍分別為黏土9.83～28.99g/kg;黏壤土10.09～29.01g/kg;壤土10.11～28.95g/kg;砂土6.21～27.76g/kg，四種土壤質(zhì)地的耕作層有機碳含量變化范圍都比較大。不同質(zhì)地類別的耕作層土壤有機碳變異系數(shù)特征表現(xiàn)：砂土>黏土>黏壤土>壤土;其中，黏土和黏壤土變異性在四種土壤質(zhì)地的中間，分別為19.88、19.28，屬于中等變異;砂土的變異性最大，為29.12，屬于中高變異;壤土的變異性最小，為17.33。具體如表2、圖1所示。說明黏土和黏壤土是影響興義市耕地土壤有機碳的固持能力的主要因子。土壤細顆粒物質(zhì)尤其是粘粒具有長期固定碳的能力，通過粘粒膠體的吸附以及與土壤有機質(zhì)形成有機無機復(fù)合體的形式，從而對土壤有機碳起到物理保護作用[18]。

3.4 耕地土壤剖面上有機碳含量的分布特征

如表3所示，隨耕地土壤剖面深度的增加，土壤有機碳的含量隨之下降。0～20cm的有機碳平均含量為25.81g/kg，80～100cm的有機碳平均含量僅為6.89g/kg。不同土層有機碳含量變異系數(shù)均在15%以上，說明各土層有機碳含量變化相對較大。0～20cm的有機碳含量較高是長期施用有機肥料和秸稈還田等培肥地力的結(jié)果。植物根系的分布直接影響到土壤有機碳的垂直分布，大量的死根通過老化、腐爛、分解，為土壤提供了豐富的碳來源[19]，而耕地作物根系主要集中在0～40cm的上部土層中，并且隨著剖面深度增加而減少;加上隨著剖面深度的增加，人為耕作擾動和土壤透氣性減弱，使得表層有機碳的向下移動變得更加困難，從而導(dǎo)致有機碳含量在40cm以下銳減[20]。土壤剖面中有機碳含量的垂直分布特征能夠反應(yīng)耕地對有機碳的儲存能力，是土壤生產(chǎn)潛力和土壤質(zhì)量的一個重要體現(xiàn)。

4 結(jié) 論

興義市耕地耕作層土壤有機碳含量總體含量較高，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕作層有機碳含量具有較大差異。全市耕地有機碳含量最高值為29.01g/kg，分布在敬南鎮(zhèn);最低值為6.21g/kg，位于洛萬鄉(xiāng)，最高值為最低值的4.67倍。中部和北部區(qū)域有機碳含量較高，南部地區(qū)有機碳含量相對較低。

興義市不同土地利用方式下的耕地土壤中有機碳含量表現(xiàn)出較為明顯的差異，其中灌溉水田的有機碳含量為23.08g/kg，顯著高于其他3種土地利用類型，菜地的有機碳平均含量最低，僅為15.36g/kg。不同土地利用方式下的耕地土壤中有機碳含量排序為：灌溉水田>旱地>望天田>菜地。

黏土和黏壤土是影響興義市耕地土壤有機碳的固持能力的主要因子。興義市不同質(zhì)地類別的土壤有機碳含量的高低順序為：黏土>黏壤土>壤土>砂土。

土壤有機碳的含量隨耕地土壤剖面深度的增加而下降。興義市耕地土壤剖面0～20cm的有機碳平均含量最高為25.81g/kg，80～100cm的有機碳含量最低，含量僅為6.89g/kg，土壤剖面的有機碳含量在40cm以下發(fā)生銳減。

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