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(shí)際情況，以貴州省興義市為研究對(duì)象，在保證采樣點(diǎn)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(duì)樣品中有機(jī)碳分布特征進(jìn)行研究。不同耕地類型的耕作層土壤有機(jī)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(jī)碳含量為23.08g/kg，菜地的有機(jī)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(jī)碳含量的排序?yàn)椋吼ね?黏壤土>壤土>砂土。隨著耕地土壤剖面深度的增加，土壤有機(jī)碳含量隨之降低。研究結(jié)果可為興義市增加土壤有機(jī)碳固定量，減少溫室氣體排放量和實(shí)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(jī)碳;喀斯特地區(qū);耕地;土壤

中圖分類號(hào)：S153.6;Q948 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.202001

自工業(yè)革命以來(lái)，科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展，極大地改善了人們?cè)谝率匙⌒械确矫娴目陀^條件，同時(shí)也給人類生存的環(huán)境帶來(lái)了嚴(yán)重的問(wèn)題，其中影響最大、受關(guān)注度最高的問(wèn)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(gè)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(wèn)題[1-4]。2016年全球100多個(gè)國(guó)家共同簽署的《巴黎協(xié)定》，更是制定了將21世紀(jì)全球平均氣溫上升幅度控制在2℃以下的目標(biāo)。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(jī)碳具有極其重要的意義[3-4]。有機(jī)碳是地球上生物圈、土壤圈及大氣圈的重要組成元素，對(duì)動(dòng)植物生長(zhǎng)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(jī)碳的作用主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：（1）通過(guò)提高土壤肥力、改善土壤理化形狀等方式，促進(jìn)植物對(duì)土壤中其他各元素的吸收利用，以實(shí)現(xiàn)其優(yōu)質(zhì)、高效生長(zhǎng)的目標(biāo);（2）作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳庫(kù)，影響著全球碳循環(huán)的平衡[5-8]。

土壤有機(jī)碳庫(kù)在陸地上幾大系統(tǒng)碳庫(kù)中是最大的，土壤有機(jī)碳庫(kù)的積累和變化都會(huì)對(duì)全球的碳循環(huán)產(chǎn)生影響。2014年11月2日IPCC在報(bào)告中明確指出：人類的活動(dòng)對(duì)氣候變化的影響正在不斷增強(qiáng)，如果人們不采取一些措施，那么氣候變化將會(huì)對(duì)人類的生存環(huán)境產(chǎn)生巨大的影響。在此之前，該機(jī)構(gòu)也指出：農(nóng)業(yè)對(duì)緩解溫室氣體的排放具有重要的作用。國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量關(guān)于土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的研究，雖然我國(guó)在這方面的起步相對(duì)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(duì)土壤碳的影響[1-2、6、12-14]，在農(nóng)業(yè)管理措施對(duì)土壤碳積累影響方面的研究相對(duì)來(lái)說(shuō)比較少，特別是有機(jī)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(duì)象，對(duì)該區(qū)域內(nèi)的耕地土壤有機(jī)碳含量分布特征進(jìn)行研究，期望能夠?yàn)樘岣咄寥乐杏袡C(jī)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(lái)的氣候環(huán)境問(wèn)題、實(shí)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(dú)特的氣候特點(diǎn)：季風(fēng)型、高原型、多樣性，日照較長(zhǎng)、雨量充沛。境內(nèi)海拔范圍約在900～1 400m，地勢(shì)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(jì)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(gè)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(gè)點(diǎn)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(gè)土壤樣品;（3）將這幾個(gè)土壤樣品充分混合，作為一個(gè)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(gè)、剖面層次樣品1 081個(gè)。

采集好的樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，置于通風(fēng)但沒(méi)有陽(yáng)光直射的地方風(fēng)干，風(fēng)干期間可適當(dāng)翻土加快其風(fēng)干的速度，同時(shí)將土壤中的植物殘?bào)w、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(guò)100目的土篩，過(guò)篩后的樣品密封在密封袋中做好標(biāo)簽，并置于干燥器中保存，直至進(jìn)行化學(xué)測(cè)試時(shí)取出使用。

2.2 測(cè)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(cè)定土壤中有機(jī)碳的含量[14]，數(shù)據(jù)處理采用Excel軟件對(duì)土壤有機(jī)碳含量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同區(qū)域耕地土壤有機(jī)碳含量分布

如表1所示，興義市21個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地的耕作層土壤有機(jī)碳含量差異較大，其中全市耕地有機(jī)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(wàn)鄉(xiāng)，最高值為最低值的4.67倍，全市耕地有機(jī)碳含量的平均值為13.21～26.48g/kg。總體來(lái)說(shuō)，興義市耕地的耕作層土壤有機(jī)碳含量呈現(xiàn)出北高南低的趨勢(shì)，其中中部和北部區(qū)域的有機(jī)碳含量較高，均在20g/kg以上，而南部地區(qū)有機(jī)碳含量相對(duì)較低，均在20g/kg以下。該地區(qū)土壤有機(jī)碳含量差異比較顯著，這與喀斯特地區(qū)的地形特點(diǎn)具有直接的關(guān)系，喀斯特地區(qū)獨(dú)特的地形使其對(duì)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(jìn)而導(dǎo)致有機(jī)碳含量分布的差異。有機(jī)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(dá)40.73%，說(shuō)明該鎮(zhèn)有機(jī)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(lái)看，興義市耕地土壤有機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(zhǎng)時(shí)間浸泡在水中，這對(duì)有機(jī)質(zhì)的分解具有一定的抑制作用;另一方面化肥與有機(jī)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(jī)碳的含量。旱地有機(jī)碳含量次之，為20.19g/kg，變化范圍為9.55～28.76g/kg，其長(zhǎng)期的處于土壤翻耕過(guò)程中，且礦質(zhì)化作用對(duì)土壤有機(jī)碳的分解具有促進(jìn)作用，因此其有機(jī)碳含量略低于灌溉水田，但高于望天田及菜地。菜地的有機(jī)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(jī)物的分解損失較多，有機(jī)碳儲(chǔ)存較少;其有機(jī)碳含量變異系數(shù)最大，是由于受人為干擾作用最強(qiáng)?？傮w上來(lái)看，耕地類型不同是土壤碳庫(kù)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(jìn)碳平衡的循環(huán)方面有著十分重要的作用，人們的活動(dòng)可以通過(guò)改變耕地類型、耕地管理方式，調(diào)節(jié)土壤中有機(jī)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(jiàn)，通過(guò)更加科學(xué)性、統(tǒng)籌性的耕地管理辦法擴(kuò)大土壤碳庫(kù)，是現(xiàn)在和未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)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(jī)碳含量

土壤質(zhì)地類別受到自然環(huán)境、人為活動(dòng)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(dòng)的方式，是土壤基本的物理特性，對(duì)耕地土壤水熱狀況和腐殖化、礦質(zhì)化過(guò)程具有直接作用。不同質(zhì)地類別的耕作層土壤有機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(shuō)明黏土和黏壤土是影響興義市耕地土壤有機(jī)碳的固持能力的主要因子。土壤細(xì)顆粒物質(zhì)尤其是粘粒具有長(zhǎng)期固定碳的能力，通過(guò)粘粒膠體的吸附以及與土壤有機(jī)質(zhì)形成有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合體的形式，從而對(duì)土壤有機(jī)碳起到物理保護(hù)作用[18]。

3.4 耕地土壤剖面上有機(jī)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(jī)碳的含量隨之下降。0～20cm的有機(jī)碳平均含量為25.81g/kg，80～100cm的有機(jī)碳平均含量?jī)H為6.89g/kg。不同土層有機(jī)碳含量變異系數(shù)均在15%以上，說(shuō)明各土層有機(jī)碳含量變化相對(duì)較大。0～20cm的有機(jī)碳含量較高是長(zhǎng)期施用有機(jī)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(jī)碳的垂直分布，大量的死根通過(guò)老化、腐爛、分解，為土壤提供了豐富的碳來(lái)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(dòng)和土壤透氣性減弱，使得表層有機(jī)碳的向下移動(dòng)變得更加困難，從而導(dǎo)致有機(jī)碳含量在40cm以下銳減[20]。土壤剖面中有機(jī)碳含量的垂直分布特征能夠反應(yīng)耕地對(duì)有機(jī)碳的儲(chǔ)存能力，是土壤生產(chǎn)潛力和土壤質(zhì)量的一個(gè)重要體現(xiàn)。

4 結(jié) 論

興義市耕地耕作層土壤有機(jī)碳含量總體含量較高，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕作層有機(jī)碳含量具有較大差異。全市耕地有機(jī)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(wàn)鄉(xiāng)，最高值為最低值的4.67倍。中部和北部區(qū)域有機(jī)碳含量較高，南部地區(qū)有機(jī)碳含量相對(duì)較低。

興義市不同土地利用方式下的耕地土壤中有機(jī)碳含量表現(xiàn)出較為明顯的差異，其中灌溉水田的有機(jī)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(jī)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(jī)碳含量排序?yàn)椋汗喔人?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(jī)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(jī)碳含量的高低順序?yàn)椋吼ね?黏壤土>壤土>砂土。

土壤有機(jī)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(jī)碳平均含量最高為25.81g/kg，80～100cm的有機(jī)碳含量最低，含量?jī)H為6.89g/kg，土壤剖面的有機(jī)碳含量在40cm以下發(fā)生銳減。

參考文獻(xiàn)

[1] 范月君，侯向陽(yáng)，石紅霄，等.氣候變暖對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的影響[J].草業(yè)學(xué)報(bào)，2012，21（3）：294-302.

[2] 徐小鋒，田漢勤，萬(wàn)師強(qiáng).氣候變暖對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的影響[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2007（2）：175-188.

[3] N.H.Batje，W.G.Sombroe.Possibilities for carbon sequestration in tropical and subtropical soils[J].Global Change Biology，1997，3（2）：161-173.

[4] Dormaar J F，Willms S W D.Distribution of Nitrogen Fractions in Grazed and Ungrazed Fescue Grassland Ah Horizons[J].Journal of Range Management，1990，43（1）：6-9.

[5] 楊景成，韓興國(guó)，黃建輝，等.土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)農(nóng)田管理措施的動(dòng)態(tài)響[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2006，23（4）：787-796.

[6] 吳建國(guó)，張小全，徐德應(yīng).土地利用變化對(duì)土壤有機(jī)碳貯量的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2004，15（4）：593-599.

[7] 周莉，李保國(guó)，周廣勝.土壤有機(jī)碳的主導(dǎo)影響因子及其研究進(jìn)展[J].地球科學(xué)進(jìn)展，2005（1）：99-105.

[8] 羅梅，郭龍，張海濤，等.基于環(huán)境變量的中國(guó)土壤有機(jī)碳空間分布特征[J/OL].土壤學(xué)報(bào)：1-16[2019-12-02].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/32.1119.P.20190507.1547.002.html.

[9] 李東，王子芳，鄭杰炳，等.紫色丘陵區(qū)不同土地利用方式下土壤有機(jī)質(zhì)和全量氮磷鉀含量狀況[J].土壤通報(bào)， 2009， 40（2）：310-314.

（下轉(zhuǎn)第頁(yè)）（上接第頁(yè)）

[10] 劉濤澤，劉叢強(qiáng)，張偉，等.喀斯特地區(qū)坡地土壤有機(jī)碳的分布特征和13C值組成差異[J].水土保持學(xué)報(bào)，2008，22（5）： 115-118+124.

[11] 石福臣，李瑞利，王紹強(qiáng)，等.三江平原典型濕地土壤剖面有機(jī)碳及全氮分布與積累特征[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2007， 18（7）： 1425-1431.

[12] 唐國(guó)勇，彭佩欽，蘇以榮，等.洞庭湖區(qū)不同利用方式下農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量特征[J].長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境，2006， 15（2）： 219-222.

[13] 姜勇，張玉革，梁文舉，等.潮棕壤不同利用方式有機(jī)碳剖面分布及碳儲(chǔ)量[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2005，38（3）：544-550.

[14] 張新榮，劉林萍，方石，等.土地利用、覆被變化（LUCC）與環(huán)境變化關(guān)系研究進(jìn)展[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2014，23（12）：2013-2021.

[14] 魯如坤.土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社， 1999.

[15] 涂成龍，林昌虎，何騰兵.黔中石漠化地區(qū)生態(tài)恢復(fù)過(guò)程中土壤養(yǎng)分變異特征[J].水土保持通報(bào)，2004，24（6）：22-25.

[16] R Lal，Soil erosion and the global carbon budget[J].EnviromentInternational，2003（29）：437-450.

[17] SmithP，Carbon sequestration in croPlands：the Potential in Europe and the global context[J].European Joumal of Agronomy，2004（20）：229-236.

[18] JobbagyEG，RB.J.The vertical distribution of soil organic carbon and it's relation to climate and vegetation[J].Ecological Application，2002，10（2）：423-436.

[19] 涂成龍，何騰兵.貴州西部喀斯特石漠化地區(qū)草地土壤有機(jī)質(zhì)和氮素變異特征初步研究[J]，水土保持學(xué)報(bào)，2006，20（2）：50-53.

[20] 王萍，何騰兵.貴陽(yáng)市蔬菜基地土壤特性的區(qū)域變化規(guī)律[J].貴州農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007，35（1）：36-39.