不同耕作制度下稻田土壤有機(jī)碳分布特征分析
——以海南省中部地區(qū)為例

唐 薇，趙志忠，王軍廣，趙澤陽，何柳珊

（海南師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，海南 海口 571158）

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的有機(jī)碳庫[1]。土壤有機(jī)碳是在一定面積范圍內(nèi)在土壤微生物的作用下形成的腐殖質(zhì)、保留在土壤中的動(dòng)植物殘?bào)w和土壤微生物體內(nèi)所含碳的總量，其動(dòng)態(tài)平衡影響著土壤肥力和作物產(chǎn)量，是土壤質(zhì)量評價(jià)的重要指標(biāo)[2]。近年來，由于人類對自然資源的濫用及土地利用方式的改變等，土壤碳庫和大氣之間的碳循環(huán)平衡遭到破壞，大量土壤有機(jī)碳被氧化并以CO2的形式釋放到大氣中[3]。稻田土壤作為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其形成和發(fā)育很大程度受到農(nóng)業(yè)耕作的影響，其土壤碳庫受到強(qiáng)烈的人為干擾，農(nóng)戶可通過不同的耕作制度使稻田土壤的有機(jī)碳外源輸入、團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)、微生物活性等發(fā)生變化，從而影響土壤有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)[4，5]。因此，研究不同耕作制度下稻田土壤有機(jī)碳的分布特征，對于科學(xué)可持續(xù)地利用稻田資源、減緩?fù)寥乐袦厥覛怏w的排放、增加土壤碳截存、提高土壤質(zhì)量具有重要的指導(dǎo)意義。

當(dāng)前，針對不同自然條件和生產(chǎn)方式下稻田土壤固碳能力、有機(jī)碳累積特征、組分、含量、分布規(guī)律及影響機(jī)制等的研究較多，研究表明水稻土具有較高的碳密度和較強(qiáng)的固碳能力，其有機(jī)碳的累積變化與耕作施肥等土地管理措施有關(guān)，且有機(jī)碳含量與作物產(chǎn)值正相關(guān)[6-11]。近年來，也有不少學(xué)者開展了海南稻田土壤有機(jī)碳的相關(guān)研究，主要探討了稻田土壤有機(jī)碳含量變化、時(shí)空分布、組分特征及其影響因素[12-16]，而針對不同耕作制度下稻田土壤有機(jī)碳分布特征的研究相對較少。海南省地處熱帶，具有高溫多雨的氣候特征，水稻具有一年三熟的優(yōu)勢，稻田耕作制度的選擇比內(nèi)陸地區(qū)多，為探求不同耕作制度下土壤有機(jī)碳的變化提供了有利條件。本研究以海南省中部地區(qū)不同耕作制度下的稻田作為研究對象，探討其土壤有機(jī)碳分布特征，研究耕作制度及土壤理化性質(zhì)對土壤有機(jī)碳分布的影響，以期為熱帶地區(qū)稻田土壤質(zhì)量改良及土壤的可持續(xù)利用提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

本研究選擇海南中部的定安縣、屯昌縣以及瓊中黎族苗族自治縣為研究區(qū)。研究區(qū)屬于熱帶海洋性季風(fēng)氣候，光熱與濕度條件優(yōu)越，年均氣溫24.7 ℃，年總降水量2007 mm左右，年平均日照時(shí)數(shù)為1992 h。研究區(qū)土壤以黃色磚紅壤為主，因母質(zhì)條件不同其土壤呈現(xiàn)黃棕、紅棕等不同顏色。通過歷時(shí)1 年的實(shí)地調(diào)查及訪問，在研究區(qū)內(nèi)選擇了7個(gè)海拔和坡度相近的采樣區(qū)，分別命名為S1～S7（如圖1所示），并在這7個(gè)采樣區(qū)選擇一熟制、二熟制、三熟制稻田和撂荒地共12個(gè)樣地。其中，S2、S4、S7各設(shè)1個(gè)一熟制水稻田樣地，S1設(shè)2個(gè)二熟制水稻田樣地，S5設(shè)1個(gè)二熟制水稻田樣地，S3設(shè)2個(gè)三熟制水稻田樣地，S6設(shè)1個(gè)三熟制水稻田樣地，S2、S5、S7各設(shè)1個(gè)拋荒地樣地。每個(gè)樣地在5 m×5 m范圍內(nèi)隨機(jī)設(shè)置兩個(gè)取樣點(diǎn)，在每個(gè)取樣點(diǎn)采集一個(gè)深度為30 cm 的柱狀樣，并將土壤剖面按10 cm 間距分為三層，分別為表層（0～10 cm）、中層（10～20 cm）和底層（20～30 cm），將所取得的樣品裝入封口袋，編號并帶回實(shí)驗(yàn)室。所選樣地特征如下。

一熟制稻田：土壤大多呈紅棕色，采用傳統(tǒng)犁耕，灌溉依賴自然降水。六月底七月初插秧，十月中旬收割。在插秧前施加氮肥等化肥，水稻生長期再根據(jù)長勢增施復(fù)合肥，施肥1～3次，秸稈不還田。

二熟制稻田：土壤大多呈黃棕色，采用傳統(tǒng)犁耕，雨季依賴于自然降水，旱季抽水進(jìn)行灌溉。第一稻于清明前插秧，六月中旬收割。第二稻于六月底七月初插秧，十月中旬收割。在插秧前施加氮肥等化肥，水稻生長期再根據(jù)長勢增施復(fù)合肥，全年施肥2～5次，秸稈不還田。

三熟制稻田：土壤大多呈黃棕、暗棕色，采用傳統(tǒng)犁耕，雨季依賴于自然降水，旱季抽水進(jìn)行灌溉。第一稻于前一年十二月底插秧，第二年三月中旬收割。第二稻于清明前插秧，六月中旬收割。第三稻于六月底七月初插秧，十月中旬收割。在插秧前施加氮肥等化肥，水稻生長期再根據(jù)長勢增施復(fù)合肥，全年施肥3～7次，秸稈不還田。

撂荒地：土壤大多呈棕色，在撂荒前為水稻田，撂荒時(shí)間在3年以上，地表生長有雜草，利于積水，形成類似沼澤濕地的土地類型。

1.2 樣品處理與分析

去除土樣中的動(dòng)植物殘?bào)w和石礫，攤開自然風(fēng)干待測。

圖1 采樣區(qū)分布Figure 1 Distribution of sampling area

土壤有機(jī)碳測定：取剔除雜物的風(fēng)干土樣50 g研磨，取10 g已研磨土樣放入烘箱，105 ℃烘干至恒重后稱取5 g置于50 mL燒杯中，向燒杯中加入30 mL蒸餾水和鹽酸混合溶液（9∶1）去除碳酸鹽，用磁力攪拌器攪拌至沒有氣泡。靜置24 h 后，加入30 mL 蒸餾水離心3～4 次，直至土樣呈中性。將土樣放入60 ℃烘箱，約24 h后取出，冷卻后研磨，取處理完成的土樣25 mg用錫紙包裹，使用TOC分析儀檢測土壤有機(jī)碳。

土壤粒徑測定：稱取0.5 g過2 mm孔徑篩的風(fēng)干土壤樣品放入50 mL燒杯中，加入過氧化氫溶液1 mL，并用玻璃棒攪拌，待土壤樣品不再反應(yīng)時(shí)，移置電熱板上加熱，然后加入1 mL六偏磷酸鈉溶液，攪拌后靜置過夜；將處理后的樣品放入超聲波清洗機(jī)振蕩，超聲分散15 min，最后使用Mastersizer 2000激光粒度儀（測量范圍為0.02～2000.00 μm）測定沉積物粒徑。

土壤pH 值測定：稱取5 g 的沉積物置于燒杯中，按水土比2.5∶1（質(zhì)量比）攪拌溶解1 min，然后靜置30 min，再使用梅特勒pH計(jì)測定土壤pH。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2007、Origin 8、SPSS 21軟件進(jìn)行處理和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作制度下稻田土壤有機(jī)碳空間分布特征

從表1可見，研究區(qū)不同耕作制度下稻田土壤表層（0～30 cm）有機(jī)碳平均含量為5.5768～10.9453 g/kg，三熟制＞二熟制＞撂荒地＞一熟制。方差分析發(fā)現(xiàn)，二熟制、三熟制稻田土壤有機(jī)碳含量之間的差異不顯著，而均與一熟制稻田和撂荒地有顯著差異；一熟制稻田與撂荒地土壤之間土壤有機(jī)碳含量無顯著差異。

表1 不同耕作制度下稻田表層土壤有機(jī)碳空間分布Table 1 Spatial distribution of surface soil organic carbon in paddy fields under different tillage systems

研究區(qū)不同耕作制度下稻田土壤有機(jī)碳的垂直分布情況見圖2。由圖2可見，在4種類型稻田的表層土壤中，0～10 cm 土層土壤有機(jī)碳含量最高，且都具有隨深度加深土壤有機(jī)碳含量逐漸降低的趨勢，20～30 cm土層土壤有機(jī)碳含量明顯小于0～20 cm土層，有機(jī)碳分布具有明顯的表聚性。

圖2 不同耕作制度稻田土壤有機(jī)碳垂直分布Figure 2 Vertical distribution of soil organic carbon in paddy fields under different tillage systems

2.2 不同耕作制度下土壤pH值和土壤質(zhì)地組成

研究區(qū)位于熱帶，具有高溫多雨的氣候特征。水稻土是由富含鐵、鋁等元素的磚紅壤轉(zhuǎn)化而來的，這些元素水解顯酸性，且土壤中的堿元素和堿土元素因雨水淋溶易從土體中流失，使得研究區(qū)水稻土顯酸性。通過實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)0～30 cm土層土壤的pH值為5.4～6.0，且4種耕作制度下土壤的pH值由大到小的次序?yàn)橐皇熘疲緬伝牡兀救熘疲径熘?。方差分析結(jié)果表明，一熟制水稻田土壤pH值與撂荒地?zé)o顯著差異，而與二熟制、三熟制水稻田土壤pH值差異顯著。

土壤的質(zhì)地組成是重要的土壤物理性質(zhì)之一，其與不同粒度含量組成密切相關(guān)，且對土壤中的水、氣、熱、養(yǎng)分狀況以及微生物的活性具有顯著影響。本研究按照中國制（1987）土壤粒度分級分類標(biāo)準(zhǔn)（黏粒＜2 μm，粉粒2～50 μm，砂粒＞50 μm）對研究區(qū)內(nèi)稻田土壤質(zhì)地組成進(jìn)行分析（表2）。

表2 不同耕作制度下稻田表層土壤pH值和質(zhì)地組成Table 2 pH value and texture composition of surface soil in paddy field under different tillage systems

由分析結(jié)果可知，4 種耕作制度下土壤的細(xì)粒（粘粒、粉粒）含量表現(xiàn)為三熟制（53.19%）＞二熟制（49.39%）＞撂荒地（47.82%）＞一熟制（47.05%），砂粒含量表現(xiàn)為一熟制（52.95%）＞撂荒地（52.18%）＞二熟制（50.62%）＞三熟制（46.28%），二熟制、三熟制稻田和撂荒地在粘粒含量上無顯著差異，而與一熟制稻田差異顯著，4種耕作制度稻田粉粒和砂粒含量的差異都不顯著。

2.3 土壤pH值及土壤質(zhì)地組成與土壤有機(jī)碳含量的相關(guān)性分析

土壤pH值是土壤的一個(gè)基本性質(zhì)，也是影響土壤理化性質(zhì)的重要化學(xué)指標(biāo)，直接影響著土壤中各種元素的存在形態(tài)、有效性及遷移轉(zhuǎn)化[17]。相關(guān)研究表明，當(dāng)土壤pH值被界定在一定范圍內(nèi)時(shí)，土壤有機(jī)碳含量與pH值存在一定的相關(guān)關(guān)系[18]。本研究通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)撂荒地各土層土壤的pH值與土壤有機(jī)碳含量呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，而一熟制、二熟制、三熟制稻田各土層有機(jī)碳含量與pH 值并無顯著相關(guān)性（表3）。

由表2可知，研究區(qū)土壤中粉粒、砂粒占比較大，粘粒占比較小。根據(jù)表3分析結(jié)果進(jìn)一步得出，除一熟制稻田土壤有機(jī)碳含量與土壤粉粒含量顯著正相關(guān)、與砂粒含量顯著負(fù)相關(guān)外，其它熟制稻田及撂荒地與土壤質(zhì)地組成均無顯著相關(guān)性。

表3 不同耕作制度下稻田表層土壤有機(jī)碳含量與土壤質(zhì)地組成、pH值的相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis of surface soil organic carbon and soil texture composition and pH value under different tillage systems

3 討論

土壤有機(jī)碳的儲(chǔ)量是進(jìn)入土壤的植物殘?bào)w量及其在土壤微生物作用下分解損失量二者之間平衡的結(jié)果，受氣候、大氣成分、植被、土壤理化性質(zhì)等自然因素以及外源碳庫輸入、土地利用方式、施肥灌溉等管理措施的影響[19-21]。研究表明，土壤質(zhì)地能通過影響土壤的耕性、通透性和保水保肥性能進(jìn)而影響土壤有機(jī)碳累積，土壤粒度越小越有利于有機(jī)碳的吸附[22，23]。本研究中，研究區(qū)三熟制稻田土壤有機(jī)碳含量最高，二熟制稻田次之，其次是撂荒地，一熟制稻田有機(jī)碳含量最少。總體來說，研究區(qū)土壤砂粒含量較大，因此當(dāng)?shù)赝寥赖墓烫寄芰^差，不利于有機(jī)碳存儲(chǔ)。一熟制土壤有機(jī)碳含量與土壤質(zhì)地顯著相關(guān)，撂荒地土壤有機(jī)碳含量與土壤pH值顯著相關(guān)，說明一熟制稻田和撂荒地土壤有機(jī)碳含量較大地受到了土壤自身理化性質(zhì)的影響；而二熟制、三熟制稻田土壤有機(jī)碳含量與土壤質(zhì)地和pH值相關(guān)性不顯著，可能是因?yàn)槎熘啤⑷熘频咎锸艿降娜藶楦蓴_相對較多，人類通過施肥、灌溉等措施影響土壤環(huán)境，進(jìn)一步影響到土壤有機(jī)碳的累積和貯存[24]。

研究區(qū)4種耕作制度下表層土壤（0～30 cm）的細(xì)粒（粘粒、粉粒）含量表現(xiàn)為三熟制（53.19%）＞二熟制（49.39%）＞撂荒地（47.82%）＞一熟制（47.05%），砂粒含量表現(xiàn)為一熟制（52.95%）＞撂荒地（52.18%）＞二熟制（50.62%）＞三熟制（46.28%），一熟制稻田相對其他三種耕作制度農(nóng)田來說土壤平均粒度較大，結(jié)合一熟制稻田土壤呈紅棕色、與其他類型土壤顏色有明顯差異來看，應(yīng)該是土壤母質(zhì)不同導(dǎo)致的。這一特性使得一熟制稻田土壤粘結(jié)性較低，不利于土壤中水力和肥力的保持，且對土壤有機(jī)碳的吸附作用不如顆粒較細(xì)的土壤[25-27]。綜上所述，一熟制稻田的土壤質(zhì)地不利于有機(jī)碳的積累和儲(chǔ)存，其有機(jī)碳含量在4種耕作制度的稻田中最低。

從人為因素的影響來看，研究區(qū)稻田所屬農(nóng)戶一般在插秧前施加基肥，生長期根據(jù)作物長勢適度增施肥料，主要以施加化肥為主，全年施肥次數(shù)總體呈三熟制稻田＞二熟制稻田＞一熟制稻田的特征。前人研究表明，施肥不僅能直接為土壤和作物帶來多種營養(yǎng)物質(zhì)，還能間接地通過改善土壤的物理和化學(xué)性質(zhì)增加土壤微生物的數(shù)量和活性，從而增加根茬碳的輸入量[28]。由施肥次數(shù)來看，三熟制稻田相較其他三種耕作制度農(nóng)田施肥次數(shù)最多，因此其根茬碳的輸入量也最高，從而增加了土壤有機(jī)碳外源輸入。另外，由于三熟制稻田耕作次數(shù)最多，其收割后殘留的作物根系及凋落物也相對較多，這些物質(zhì)被腐化分解后轉(zhuǎn)化為有機(jī)質(zhì)儲(chǔ)存到土壤中，也增加了土壤有機(jī)碳的含量，使得三熟制稻田土壤有機(jī)碳含量在研究區(qū)4種耕作制度農(nóng)田中最高，二熟制次之。但也有研究認(rèn)為，施肥量等人為因素對土壤碳庫存在閾值效應(yīng)[24]，應(yīng)該適量施肥，合理利用土地。

前人研究表明，在沒有外源輸入或外源輸入較少的情況下，農(nóng)田撂荒能有效增加土壤有機(jī)碳的儲(chǔ)量[29]。Feng等研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田撂荒一定年限后，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量會(huì)明顯增加[21]。由此可見，當(dāng)沒有外源輸入或外源輸入較少時(shí)，撂荒是增加土壤有機(jī)碳含量的有效途徑。本研究中，相關(guān)性研究發(fā)現(xiàn)撂荒地土壤pH值與土壤有機(jī)碳含量極顯著負(fù)相關(guān)，主要是因?yàn)榱袒牡赝寥烙袡C(jī)碳的投入僅依賴于地表植物殘留物和根茬，投入量小，土壤中有機(jī)碳分解速率的大小對土壤有機(jī)碳含量具有較大影響。土壤pH值越小，土壤酸性就越強(qiáng)，一定程度上會(huì)限制土壤中微生物的種類和活動(dòng)，進(jìn)而減緩?fù)寥烙袡C(jī)碳的分解速率，使有機(jī)碳得以累積。

土壤有機(jī)碳的垂直分布與凋落物、根系分布及耕作管理措施等密切相關(guān)。本研究結(jié)果表明不同耕作制度下土壤有機(jī)碳含量都呈現(xiàn)從表層往下逐漸降低的特征，具有明顯的表聚性，與前人的研究成果一致[30，31]。稻田和撂荒地的有機(jī)碳主要來自于地表雜草、自身凋落物以及農(nóng)戶施肥，都發(fā)生在土壤表層，因此其產(chǎn)生的有機(jī)碳首先在土壤表層累積，再通過淋溶下滲逐漸向深層輸送，在下滲過程中被不斷分解消耗，所以越往深處土壤有機(jī)碳含量越低。

4 結(jié)論

（1）在空間分布上，研究區(qū)不同耕作制度稻田表層土壤（0～30 cm)有機(jī)碳含量存在差異，大致呈三熟制＞二熟制＞撂荒地＞一熟制的規(guī)律。

（2）研究區(qū)不同耕作制度下土壤有機(jī)碳含量都在土壤表層（0～10 cm）出現(xiàn)最高值，且隨深度增加不斷降低，表聚作用明顯。

（3）研究區(qū)土壤呈酸性，pH值為5.4～6.0，撂荒地土壤有機(jī)碳含量與土壤pH值極顯著負(fù)相關(guān)，一熟制土壤有機(jī)碳含量與土壤中粉粒占比顯著正相關(guān)，與砂粒占比顯著負(fù)相關(guān)。