李金全，李兆磊，江國福，程　浩，方長明

(1. 復(fù)旦大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 生物多樣性科學(xué)研究所，上海 200438；2. 江蘇灘涂生物農(nóng)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，鹽城 224002)

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中國農(nóng)田耕層土壤有機碳現(xiàn)狀及控制因素

李金全，李兆磊，江國福，程浩，方長明

(1. 復(fù)旦大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 生物多樣性科學(xué)研究所，上海 200438；2. 江蘇灘涂生物農(nóng)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，鹽城 224002)

農(nóng)田土壤有機碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最活躍和最重要的土壤碳庫之一.研究中國農(nóng)田耕層土壤有機碳的空間格局及控制因素，是評價農(nóng)業(yè)土壤對國家尺度碳平衡貢獻(xiàn)的必要部分.本文通過野外實地土壤采樣，整合2004—2013年間發(fā)表的有關(guān)中國農(nóng)田耕層土壤有機碳的158篇研究文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，分析了中國東北、華北、華東、華南、西南和西北6個農(nóng)業(yè)區(qū)耕層土壤有機碳平均含量的變化及影響因素.結(jié)果顯示：以區(qū)域平均值表示的農(nóng)田耕層土壤有機碳變化范圍為(7.80～17.43) g·kg-1，有機碳含量由高到低的區(qū)域順序為華南>西南>東北>華東>華北>西北，全國總平均含量為(14.59±6.29) g·kg-1.水田耕層土壤有機碳含量(18.26±7.06g·kg-1)顯著高于旱地土壤(11.63±5.65g·kg-1)(P<0.001).旱作區(qū)作物種類對土壤有機碳含量無顯著影響(P=0.37).在pH<7的土壤中，有機碳含量與pH之無顯著相關(guān)性；而在pH>7的條件下，土壤有機碳含量與pH呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01).年平均氣溫和降雨對中國農(nóng)田耕層土壤有機碳含量均有顯著影響，在年平均氣溫MAT≤10℃的區(qū)域，土壤有機碳與年平均氣溫表現(xiàn)為顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，而在MAT>10℃時表現(xiàn)為顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；土壤有機碳含量與年平均降雨量呈顯著正相關(guān)(P<0.01)，年平均氣溫和年平均降雨量無交互作用(P=0.63).

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)； 土壤有機碳； 耕層； 中國

陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)是全球碳循環(huán)的重要組成部分，土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫.據(jù)估計，全球土壤有機碳庫約1500Pg(1Pg=1015g)，約是大氣碳庫的2倍，生物碳庫的3倍[1].因此，土壤碳庫的微小變化可能導(dǎo)致大氣CO2濃度較大的波動，從而影響全球氣候變化.盡管全球土壤碳庫容量十分可觀，但在全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫中，農(nóng)業(yè)土壤碳是最活躍和最重要的土壤有機碳庫[2]，一方面，農(nóng)田土壤對全球碳循環(huán)平衡起著重要作用，其有機碳儲量約為128～165Pg[3-4]，受人為強烈干擾會產(chǎn)生快速變化且短時間可調(diào)節(jié)；另一方面，有機碳是土壤肥力最重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，能夠減少土壤侵蝕，穩(wěn)定和改善土壤結(jié)構(gòu)，對耕地生產(chǎn)力及其穩(wěn)定性具有決定性作用[5].

中國的農(nóng)業(yè)用地面積占國土面積的14%[6]，約占全球耕地面積的7%，因而中國農(nóng)田固碳占世界農(nóng)田固碳總量的比例不可忽視.而且，中國用占世界7%的耕地養(yǎng)活著世界五分之一的人口，提高農(nóng)田生產(chǎn)力至關(guān)重要.而土壤有機碳(Soil Organic Carbon, SOC)是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、土壤養(yǎng)分供應(yīng)、土壤緩沖能力以及農(nóng)田與大氣CO2交換等的重要因子之一，所以農(nóng)田土壤有機碳的研究對農(nóng)業(yè)發(fā)展以及氣候變化有深遠(yuǎn)影響.在自然因素和農(nóng)業(yè)管理措施的作用下，農(nóng)田耕層土壤碳庫在不斷地變化.這種變化不僅改變土壤肥力，而且影響區(qū)域乃至全球碳循環(huán).為此，研究我國農(nóng)田耕層土壤有機碳的變化情況及影響因素對研究碳循環(huán)具有重要意義.近年來，對中國農(nóng)田土壤有機碳的研究主要集中在農(nóng)田土壤有機碳庫及變化[7-10]、有機碳釋放[11-12]與固定[13-14]等，對全國性及分區(qū)的農(nóng)田耕層有機碳水平及影響因素的研究較少[15].其中，許信旺等[16]、程琨等[17]和Pan等[18]認(rèn)為近20～30年來中國農(nóng)田耕層有機碳含量有明顯增加的趨勢，然而這些研究的精細(xì)化程度還不夠，一方面是沒有分區(qū)討論農(nóng)田耕層土壤有機碳與環(huán)境因子之間的關(guān)系.我國地域廣闊，不同地區(qū)氣候差異大，地形地貌復(fù)雜，再加上農(nóng)田管理方式的差異等因素，導(dǎo)致不同地區(qū)耕層土壤有機碳含量具有顯著的空間差異，精細(xì)分析不同區(qū)域土壤有機碳與環(huán)境因子之間的關(guān)系尤為重要.另一方面由于水田和旱地的自然條件尤其是水分條件的不同，有機碳含量與環(huán)境因子之間的關(guān)系可能存在差異，但之前的研究并未將水田和旱地分開處理，因此尚不能精準(zhǔn)預(yù)測氣候變化下農(nóng)田耕層土壤有機碳的動態(tài).中國農(nóng)田耕層土壤有機碳的現(xiàn)狀及控制因素，需要有新的分析和理解.在持續(xù)改善的農(nóng)業(yè)經(jīng)營管理和全球氣候變化的雙重影響下，中國農(nóng)田耕層有機碳現(xiàn)狀及其控制因素的深入探討，是一個極具理論和應(yīng)用價值的科學(xué)問題，是制定農(nóng)業(yè)替代性減排的理論依據(jù).

本研究于2013年在中國6大農(nóng)業(yè)區(qū)(東北、華北、華東、華南、西南和西北)共選取80個樣點，采集耕層(0～20cm)土壤樣品，測定土壤有機碳的含量，結(jié)合2004—2013年間國內(nèi)研究文獻(xiàn)報道的農(nóng)田耕層有機碳數(shù)據(jù)，分析了近10年來中國農(nóng)田耕層土壤有機碳的現(xiàn)狀及其控制因素，以期為更準(zhǔn)確地研究中國區(qū)域碳循環(huán)及其機理提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和理論依據(jù).

1　材料與方法

1.1文獻(xiàn)數(shù)據(jù)來源

根據(jù)生態(tài)氣候帶及農(nóng)田耕作制度的差異，參考Song等[15]的方法進(jìn)行農(nóng)業(yè)區(qū)劃，其方法為目前常用的關(guān)于中國農(nóng)田土壤碳研究的分區(qū)方法[16-18].本研究將中國農(nóng)田分為6個農(nóng)業(yè)區(qū)，即東北區(qū)、華東區(qū)、華北區(qū)、華南區(qū)、西南區(qū)和西北區(qū).數(shù)據(jù)來源于中國期刊網(wǎng)和維普科技期刊網(wǎng)初步搜索出的2004—2013年公開發(fā)表的1000余篇研究中國農(nóng)田土壤有機碳和土壤有機質(zhì)及相關(guān)文獻(xiàn).根據(jù)研究目的，設(shè)定了兩條數(shù)據(jù)收集標(biāo)準(zhǔn)：(1) 文獻(xiàn)報道的樣品為農(nóng)田耕層土壤；(2) 農(nóng)田持續(xù)耕作時間不少于15年.對搜索出的文獻(xiàn)進(jìn)行篩選，以避免在數(shù)據(jù)收集過程出現(xiàn)偏漏.通過篩選，獲得符合本研究要求的文獻(xiàn)158篇，提取數(shù)據(jù)388套，每套數(shù)據(jù)包括耕層土壤有機碳含量、樣點的地理信息、年平均氣溫和年降水量等.

1.2土壤樣品采集和有機碳含量測定

2013年，依據(jù)氣候條件、農(nóng)業(yè)分區(qū)、土壤背景、耕作方式與農(nóng)作物種類等，在全國共計80個采樣點采集農(nóng)田耕層土壤樣品.土壤樣品的采集深度為0～20cm，中國的農(nóng)田耕層大致位于15～18cm之間，本研究樣品的采集深度可確保包括了絕大多數(shù)情景下的農(nóng)田耕層.土壤樣品采集樣點需避免新開墾農(nóng)田，本研究設(shè)定以確知耕作期限大于15年為限；農(nóng)田種植以糧食作物為主，輔以少量的油料作物，排除菜地等耕作面積小且代表性不強的農(nóng)田類型；采樣點選擇大面積均一種植農(nóng)田.在每一采樣點，隨機設(shè)立5～6處取土點，取土點之間的距離不小于800m.每個取土點用土鉆采取大致等量的0～20cm層土樣，經(jīng)混合各取土點的樣品后，取足量土壤樣本封裝運回實驗室.將土壤樣品過10目(25.4mm)篩并剔除肉眼可見的根系、石礫后冷藏于4℃.

取適量干土使用pH計(PHS-3E，上海佑科儀器儀表有限公司)測定土壤pH值，水土比為2.5∶1.取適量處理后的土樣于80℃烘干，研磨過100目(150μm)篩備用.稱取約120mg制備土樣于瓷盤中，滴加1mL 1mol/L鹽酸除去土壤中碳酸鹽；用去離子水洗至中性(使用pH試紙比對)后將樣品于50℃烘干，使用TOC分析儀(HT1300，Analytikjena，德國)的固體分析模塊測定土壤有機碳含量.

1.3數(shù)據(jù)庫建立

首先對實測的土壤有機碳數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)報道的土壤有機碳數(shù)據(jù)進(jìn)行差異性檢驗，將實測的土壤有機碳含量與處于同一0.5×0.5(經(jīng)度×緯度)網(wǎng)格的文獻(xiàn)收集的土壤有機碳數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果顯示實測數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)報道的土壤有機碳數(shù)據(jù)無顯著性差異(P<0.05).根據(jù)這一結(jié)果本研究將兩個來源的數(shù)據(jù)合并分析.建立中國農(nóng)田耕層土壤有機碳含量數(shù)據(jù)庫，包括：耕層有機碳含量、經(jīng)緯度、年平均氣溫、年平均降雨量、土壤pH、土地利用及作物類型等參數(shù).所有參數(shù)的相關(guān)數(shù)據(jù)大部分可實測和從文獻(xiàn)中直接獲取，80個土壤采樣點對應(yīng)的年平均氣溫和年平均降雨量以及未提供氣溫和降雨數(shù)據(jù)的文獻(xiàn)資料，則通過相應(yīng)的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)在《中國地面國際交換站氣候資料年值數(shù)據(jù)集》(國家氣象信息中心，2005)中插值獲得.中國農(nóng)業(yè)分區(qū)及80個實測數(shù)據(jù)和388個文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的分布見圖1.

1.4數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計方法

本研究所有數(shù)據(jù)都用單位土壤干重的有機碳含量表示，文獻(xiàn)中表達(dá)為土壤有機質(zhì)的數(shù)據(jù)則通過乘以系數(shù)0.58轉(zhuǎn)換(Bemmelen轉(zhuǎn)換系數(shù)[19]，反映碳在有機質(zhì)中的質(zhì)量比)，所有數(shù)據(jù)的單位統(tǒng)一用g·kg-1表示.

數(shù)據(jù)點的空間分布圖由Arc GIS 9.3 制成(圖1)，方差分析與t檢驗采用SPSS 13.0完成，顯著性水平設(shè)為P=0.05.

2　結(jié)　果

2.1中國農(nóng)田耕層土壤有機碳分布特征

2.1.1土壤有機碳空間分布特征

中國農(nóng)田耕層土壤有機碳含量呈現(xiàn)出較明顯的區(qū)域差異(表1).6大區(qū)耕層土壤有機碳平均含量變化范圍為7.80～17.43g·kg-1，全國平均值為(14.59±6.29) g·kg-1，有機碳含量由高到低的區(qū)域順序為華南>西南>東北>華東>華北>西北區(qū).華南區(qū)耕層有機碳含量最高，與東北、華東、西南區(qū)的差異并不顯著(P=0.07).西北區(qū)土壤耕層有機碳含量最低，與華北無顯著差異(P=0.24).表現(xiàn)為濕潤季風(fēng)氣候區(qū)(東北、華東、華南、西南區(qū))的耕層土壤有機碳含量顯著高于內(nèi)陸干旱與半干旱區(qū)(華北、西北區(qū)).

表1　不同地理區(qū)域農(nóng)田耕層有機碳含量

注：括號內(nèi)數(shù)字為實測樣本量；不同小寫字母表示在0.05水平差異顯著.

2.1.2不同土地利用方式下土壤有機碳分布特征

耕作類型對土壤有機碳會產(chǎn)生明顯影響(圖2(a)，見第250頁)，水田耕層有機碳含量的全國平均值為(18.26±7.06) g·kg-1，顯著高于旱地的(11.63±5.65) g·kg-1(P<0.001).在區(qū)域分布上，除東北區(qū)水田與旱地的土壤有機碳含量無顯著差異外，其他各區(qū)水田耕層土壤有機碳均顯著高于旱地(P<0.01).

相對于作物種類而言，種植水稻的土壤有機碳含量要顯著高于種植旱作作物(P<0.01)；種植不同的旱作作物土壤有機碳含量的差異不顯著(P=0.37)；按作物種類耕層土壤有機碳含量的大小排序為：水稻(18.26±7.06g·kg-1)>小麥(11.52±5.08g·kg-1)>其他經(jīng)濟(jì)作物(如苜蓿、油菜等，11.50±6.42g·kg-1)>玉米(10.21±6.45g·kg-1)>豆類(9.17±5.42g·kg-1)(圖2(b)).

2.2中國農(nóng)田耕層土壤有機碳與相關(guān)因子分析

2.2.1土壤有機碳與土壤pH

土壤pH會影響有機碳的累積，總體而言，耕層土壤有機碳與pH呈顯著線性負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)(圖3(a)).在pH<7的條件下，平均有機碳含量為(17.26±7.27) g·kg-1，有機碳含量與pH無顯著相關(guān)性；而在pH>7的條件下，平均有機碳含量為(10.48±5.56) g·kg-1，有機碳含量與pH呈顯著線性負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，隨pH上升有機碳含量迅速下降.

水田和旱田兩種耕作模式下土壤有機碳含量與pH之間均表現(xiàn)為顯著線性負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，隨著pH的增大，有機碳均呈減小趨勢，旱田pH與有機碳的擬合程度高于水田(圖3(b)).土壤有機碳按照水田和旱地分開處理后，由于數(shù)據(jù)量的限制，本研究未將pH進(jìn)行分段處理.

2.2.2土壤有機碳與年平均氣溫相關(guān)分析

中國農(nóng)田耕層土壤有機碳含量與年平均氣溫(MAT)相關(guān)分析表明，在MAT≤10℃的地區(qū)，有機碳含量與MAT呈顯著線性負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01，R2=0.3995)；而在MAT>10℃的地區(qū)，有機碳含量與MAT呈顯著線性正相關(guān)關(guān)系(P<0.01，R2=0.0949)(圖4(a)).將水田和旱地土壤耕層有機碳含量分別與MAT進(jìn)行回歸分析發(fā)現(xiàn)，總體而言水田和旱地有機碳含量與MAT的相關(guān)性不顯著，將溫度分段分別分析發(fā)現(xiàn)，在MAT≤10℃ 時，水田和旱地土壤有機碳含量與MAT呈顯著線性負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；在MAT>10℃時，水田土壤有機碳含量與MAT無顯著相關(guān)關(guān)系，而旱地土壤有機碳含量與MAT呈顯著線性正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)(圖4(b)).

2.2.3土壤有機碳與年平均降雨量的相關(guān)性

總體而言，中國農(nóng)田耕層土壤有機碳含量與年平均降雨量(MAP)呈顯著線性正相關(guān)關(guān)系(P<0.01，R2=0.2127).將水田和旱田耕層土壤有機碳含量分別與MAP進(jìn)行回歸分析發(fā)現(xiàn)，水田土壤有機碳含量與MAP相關(guān)性不顯著，而旱地土壤有機碳含量則與MAP呈顯著線性正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)為0.1304(圖5).

3　討　論

3.1中國農(nóng)田耕層土壤有機碳含量及分布格局

本研究表明，中國農(nóng)田耕層土壤有機碳平均含量為(14.59±6.29) g·kg-1，略高于Pan等[18]、許信旺等[16]和程琨等[17]分別得出的(13.65±7.57)，(13.52±5.72)，(14.20±7.89) g·kg-1.由于我國地域廣闊，不同地區(qū)氣候差異大，地形地貌復(fù)雜，再加上農(nóng)田管理方式的差異等因素，導(dǎo)致中國不同地區(qū)耕層土壤有機碳含量具有顯著的空間分異性，表現(xiàn)為：華南>西南>東北>華東>華北>西北.程琨等[17]的研究也得出了類似的分布態(tài)勢，雖與其他學(xué)者的研究[15-16,18]在個別地區(qū)有細(xì)微差異，但基本格局是濕潤季風(fēng)氣候區(qū)(華南、西南、東北、華東區(qū))的有機碳積累要明顯高于干旱與半干旱區(qū)(華北、西北區(qū)).華南、西南區(qū)，氣溫高、降水充足，凈初級生產(chǎn)力較大[20]，雖然微生物活性強[21]會導(dǎo)致腐殖質(zhì)等有機物降解快[22]，但相比于土壤存量有機碳的礦化速率，新增有機碳的輸入量較大[23]，故該區(qū)域平均土壤有機碳含量最高.

東北區(qū)，可能是由于該區(qū)氣候相對寒冷潮濕，有機物質(zhì)分解受限[24]，進(jìn)行著較強的有機碳累積過程[25].我國的華北、西北區(qū)，因受水分的限制，凈初級生產(chǎn)力較低使新源有機碳輸入量少；雖然凋落物和土壤有機碳的分解也會受到干旱的限制[26]，但該區(qū)的土壤質(zhì)地較粗，生長季的高溫與降水的匹配，仍能維持較強的土壤有機碳礦化速率[27]，因而耕層有機碳含量最低.鄧祥征等[9]運用模型對我國不同農(nóng)業(yè)區(qū)農(nóng)田土壤有機碳貯量的模擬與預(yù)測研究發(fā)現(xiàn)，受土地利用及氣候變化等因素影響，不同農(nóng)業(yè)區(qū)農(nóng)田土壤有機碳庫具有明顯的空間異質(zhì)性.

3.2農(nóng)業(yè)土地利用方式對耕層土壤有機碳的影響

大量研究表明，農(nóng)業(yè)土地利用方式對土壤有機碳有較大的影響[13,23].水田和旱作農(nóng)田是農(nóng)田土壤的主要利用方式，本研究發(fā)現(xiàn)，水田土壤較旱地具有更高的有機碳含量.大量相關(guān)研究也已證實，水作農(nóng)田較旱作農(nóng)田具有更強的有機碳儲存能力[28-29]，主要由于：旱田土壤結(jié)構(gòu)較松散，有機質(zhì)暴露在團(tuán)聚體表面，且與空氣充分接觸，更有利于有機碳的礦化[30]；水田則長期或較長期處于淹水狀態(tài)，土壤通透性差，微生物活性較低，有機碳的礦化受到抑制[31-32].秸稈分解實驗也證實了有機物在水田的分解速率要低于旱地[33]，使得水田更有利于新增有機碳的積累.對不同地區(qū)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在大多數(shù)同時具有水田和旱地分布的地區(qū)，水田與旱地耕層有機碳含量相對差異的模式大體上一致，但在東北地區(qū)本研究發(fā)現(xiàn)水田和旱地土壤有機碳含量并沒有顯著性差異，這可能是因為東北地區(qū)原始有機碳含量較高[34]，并且開墾時間相對較短，致使水田和旱田表土有機碳的損失無明顯差別[35].

在旱作方式中，種植玉米、小麥、豆類等不同旱作作物，耕層土壤有機碳的含量無顯著性差異，可能是由于種植不同作物，對旱作模式下的耕作管理制度、土壤通透性及水分條件，甚至微生物群落等不會造成明顯差別.

3.3土壤pH對農(nóng)田耕層土壤有機碳的影響

土壤pH可能是通過影響土壤微生物的生物多樣性或活性來影響有機碳含量.本研究發(fā)現(xiàn)，中國農(nóng)田耕層土壤有機碳含量與土壤pH存在顯著線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，可能是因為土壤中微生物的種類和數(shù)量在酸性條件下均較少，從而減慢了有機物質(zhì)的分解[36]，土壤有機碳含量相對較高.并且在pH<7時土壤微生物以真菌為主，微生物的活性低[36]，微生物對土壤有機碳的影響可能較小，導(dǎo)致土壤有機碳與pH無顯著相關(guān)關(guān)系；在中性和弱堿性土壤，隨著pH升高，細(xì)菌和放線菌含量增加，微生物活性增強，加速了有機質(zhì)的分解[37]，含量迅速降低；在堿性或強堿性土壤，低的土壤有機碳含量可能主要是因為較低的凈初級生產(chǎn)力，而非微生物分解活性高所致.導(dǎo)致在pH>7的條件下有機碳含量與pH呈現(xiàn)顯著線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨pH上升有機碳含量迅速下降.

水田和旱地耕層土壤有機碳的含量與pH之間關(guān)系大體相似，但旱地有機碳含量與pH的擬合程度要高于水田，這可能是由于旱地土壤中較高的碳酸鈣含量影響到土壤pH值的結(jié)果[38].碳酸鈣是土壤無機碳的主要成分，碳酸根離子有利于細(xì)菌和放線菌的生長，故旱田土壤中以有機碳為生活底物的微生物活性較水田強，導(dǎo)致有機碳對pH的擬合程度較水田高.Chouliaras等[39]認(rèn)為土壤中的碳酸鈣對有機物質(zhì)分解有重要作用，因為碳酸鈣提高了微生物的活性，促進(jìn)了新鮮有機物質(zhì)的分解.

3.4氣候因子對農(nóng)田耕層土壤有機碳的影響

氣候因子在農(nóng)田土壤有機碳的蓄積和輸出過程中起著重要的作用[40]，尤其是溫度和降水因子[41].溫度對土壤有機碳的影響主要表現(xiàn)在：一方面溫度會通過影響植被的分布類型和生產(chǎn)力，改變植物殘體的數(shù)量和質(zhì)量，進(jìn)而決定著土壤有機碳的輸入源；另一方面，溫度是控制土壤微生物活性及有機碳分解和轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵因素[42].降雨量則通過改變土壤水分條件來影響土壤的通氣性從而影響土壤固有有機碳的礦化分解和外源有機碳的降解，進(jìn)而影響土壤持有的有機碳量[43].土壤水分較低時土壤通透性強，好氣性微生物分解活動強，有利于有機碳的礦化分解，不利于土壤有機碳的積累；反之，水分充足時土壤通透性差，厭氧條件下有機碳的礦化速率和分解程度都相對較低，從而有利于有機碳的積累.氣溫和降雨量對土壤有機碳的影響并不是孤立的，往往是通過協(xié)同作用而影響土壤有機碳.研究發(fā)現(xiàn)，降雨量對土壤有機碳的影響又因土壤溫度狀況而異[44]，往往是兩者的綜合作用決定著土壤有機碳的含量[44].

表2　不同地理區(qū)域農(nóng)田耕層有機碳含量與年平均氣溫和年平均降雨量回歸模型

注：黑體表示有顯著性差異.

目前普遍認(rèn)為，土壤有機碳含量隨溫度的升高而降低[45-48]，隨降雨量的增加而增加[49-50].本研究發(fā)現(xiàn)，中國農(nóng)田耕層土壤有機碳的含量與年平均氣溫和年平均降雨量均呈顯著的相關(guān)性(P<0.01).就年平均氣溫而言，在MAT≤10℃的區(qū)域，土壤有機碳與年平均氣溫表現(xiàn)為顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，這與周濤等[51]的結(jié)論一致，并且在這一溫度區(qū)域水田與旱田土壤有機碳含量均與MAT呈顯著線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，可能是因為MAT較低時有機碳受水分的影響較小，而受溫度的影響較大，隨溫度的升高微生物活性增強，有機碳分解量增加，有機碳含量隨溫度的升高而減小；在MAT>10℃的區(qū)域，則表現(xiàn)為顯著正相關(guān)關(guān)系，這一溫度區(qū)域水田土壤有機碳含量與MAT無顯著相關(guān)關(guān)系，而旱地土壤有機碳含量與MAT呈顯著線性正相關(guān)關(guān)系，可能是因為在這一溫度區(qū)域水田長期或較長期處于淹水狀態(tài)，土壤通透性差，微生物活性受溫度的影響較小，而旱地土壤通透性好，微生物活性較強，隨MAT的升高有機碳的輸入量與分解量的差值表現(xiàn)為凈增加量愈大.然而，對中國6大地區(qū)農(nóng)田耕層土壤有機碳含量與年平均氣溫分別進(jìn)行回歸分析卻顯示，只有東北區(qū)耕層有機碳含量與年平均氣溫呈顯著線性負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，其他地區(qū)土壤有機碳與年平均氣溫沒有顯著的相關(guān)性.就年平均降雨量而言，華東、華南、西南區(qū)農(nóng)田耕層有機碳與年平均降雨量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，其他地區(qū)則不顯著.由此可見，就氣候因子而言，中國東北地區(qū)農(nóng)田耕層土壤有機碳主要受年平均氣溫的影響，華東、華南、西南區(qū)耕層有機碳含量則主要受年平均降雨量的影響，而華北、西北區(qū)有機碳與氣候因子的相關(guān)性不明顯.我國東北地區(qū)土壤較濕潤，冬季寒冷是該區(qū)的最主要特點[52]，因而溫度成為農(nóng)田土壤有機碳含量的主要影響因素[53].

華東、華南、西南區(qū)，一方面水田是當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)耕作的主要模式，水田長期或較長期處于淹水狀態(tài)，氣溫對其影響不明顯，同時水田的干濕交替能顯著增強有機碳的礦化量[54]；另一方面，由于該地區(qū)氣溫處于較高水平，因此降雨量決定了這些地區(qū)旱地凋落物的水平[55]和土壤水分的含量，從而影響新源有機碳的輸入和存量有機碳的分解[56]，進(jìn)而影響土壤有機碳含量.華北和西北區(qū)，氣候寒冷干旱，土壤微生物的活性受到抑制，新源有機物的降解和存量有機碳的分解均受到限制[57]，因此氣溫對其有機碳的影響不顯著；其次可能是因為該地區(qū)年平均降雨量小并且降雨集中，降雨主要以地表徑流的形式流失，對土壤濕度的影響不明顯，因此年平均降雨對土壤有機碳含量的影響也不顯著.Parshotam等[55]通過培養(yǎng)試驗表明，在新西蘭不同氣候條件的土壤中，同位素標(biāo)記的黑麥草14C 更新周期與溫度的關(guān)系不顯著，而與降雨量和降雨日數(shù)成線性相關(guān)，說明土壤濕度是影響野外有機碳分解周轉(zhuǎn)的主要因素.Epstein 等[42]通過對美國西部大平原土壤有機碳降解模式的研究，認(rèn)為溫度對土壤有機碳降解的影響大于降水的作用.因此，水熱因子對農(nóng)田土壤有機碳含量的影響因地而異.

3.5其他因素對中國農(nóng)田耕層土壤有機碳的影響

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是受人類活動影響最為顯著的生態(tài)系統(tǒng)，除本研究涉及的土地利用方式、土壤pH、氣候因子等因素外，土壤有機碳含量還會受到耕作方式與習(xí)慣[20,58]、施肥[59-60]、秸稈還田[61-62]等人為因素的強烈影響.周萍等[63]對長期不同施肥下太湖地區(qū)黃泥土有機碳含量的研究結(jié)果表明，施用有機肥可顯著提高土壤有機碳含量.Westand Post[64]基于全球67個長期定點試驗的研究發(fā)現(xiàn)，由常規(guī)耕作變?yōu)槊飧?，土壤有機碳儲量平均增加(57±14) C m-2y-1，在最初的5～10y有機碳儲量變化達(dá)到峰值，并在15～20 y達(dá)到一個新平衡.Liu等[65]通過對176個已發(fā)表的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，結(jié)果表明秸稈還田能顯著提高土壤有機碳含量12.8 %.因此，在未來農(nóng)田管理方面可以通過采取免耕、配施有機肥、秸稈還田等方式增加農(nóng)田土壤有機碳含量，進(jìn)而對氣候變暖起緩解作用.

4　結(jié)　論

中國農(nóng)田耕層土壤有機碳的平均含量為(14.59±6.29) g·kg-1，在空間變化格局上表現(xiàn)為華南>西南>東北>華東>華北>西北.水田耕層土壤有機碳含量為(18.26±7.06) g·kg-1，顯著高于旱地的(11.63±5.65) g·kg-1；旱作模式下，作物種類對土壤有機碳含量的影響不顯著.總體上，中國農(nóng)田耕層土壤有機碳含量的變化與年平均氣溫和年平均降雨量均呈顯著相關(guān)性，但在不同區(qū)域或不同的溫度區(qū)間，土壤有機碳與氣候因子的相關(guān)性有明顯差異.因此，討論氣候因素對農(nóng)田土壤有機碳含量的影響時，不能將區(qū)域尺度上的土壤碳變化格局簡單地應(yīng)用于全國尺度上的分析.

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A Study on Soil Organic Carbon in PloughLayerofChina’sArableLand

LI Jinquan, LI Zhaolei, JIANG Guofu, CHENG Hao, FANG Changming

(1. Institute of Biodiversity Science, School of Life Sciences, Fudan University, Shanghai 200438, China;2. Jiangsu Coastal Biological Agriculture Synthetic Innovation Center, Yancheng 224002, China)

Soilorganiccarboninarablesoilisthemostactivesoilcarbonpoolinterrestrialecosystems.Itiscriticaltounderstandthetemp-spatialpatternsandcontrollingfactorsofsoilorganiccarboninploughlayerofarablesoilinChina.Inthisstudy,soilorganiccarbon(SOC)contentinploughlayer(0-20cm)ofchina’sarablesoilindifferentregions(Northeast,North,East,South,SouthwestandNorthwestofChina)wasanalyzed.SOCdatawerecollectedthroughfieldsoilsamplingandfromliteraturepublishedduringtheperiodof2004to2013.TheresultsshowedthatSOCcontentoftopsoilinChina’sarablelandvariedfrom7.80to17.43g·kg-1,withameanvalueof(14.59±6.29)g·kg-1.SOCofploughlayerindifferentagriculturalregionswereintheorderSouth>Southwest>Northeast>East>North>Northwest.SOCinpaddyfield, (18.26±7.06)g·kg-1,wassignificantlyhigherthanthatindry-farmingsoil(11.63±5.65g·kg-1).Dry-farmingcropshadnosignificanteffectonSOCcontent.TherewasnosignificantcorrelationbetweenSOCandpHinacidicsoils(pH<7),butSOCwassignificantlyandnegativelycorrelatedsoilpHvalueinalkalinesoils.Theannualmeantemperature(MAT)andprecipitationbothhadsignificanteffectsonSOCinChina’sarabsoils.InregionsofMAT≤10 ℃,SOCwassignificantlyandnegativelycorrelatedtoMAT.OnthecontrarySOCinploughlayerwassignificantlyandpositivelycorrelatedtoMATinregionswhereMAT>10 ℃.Acrossallagriculturalregions,SOCwassignificantlyandpositivelycorrelatedwiththemeanannualprecipitation.

farmlandecosystem;soilorganiccarbon;topsoil;China

0427-7104(2016)02-0247-10

2015-04-17

李金全(1989—)，男，碩士研究生；方長明，男，教授，通訊聯(lián)系人，E-mail：cmfang@fudan.edu.cn.

Q 148

A