孟和　郭月峰　張美麗　祁偉　秦富倉　姚云峰

摘要：以內蒙古赤峰市敖漢旗黃花甸子流域梯田土壤為研究對象，選取玉米地0～20、20～40、40～60 cm土層土壤，運用描述性統(tǒng)計分析、差異性分析以及土地利用方式對比法探究樣地土壤有機碳含量狀況及其固碳潛力。研究表明：（1）黃花甸子流域梯田土壤有機碳含量從表層到底層逐漸減少，具有表聚現(xiàn)象。梯田60 cm深度土壤平均有機碳含量為6.67 g/kg，轉換為有機質是11.50 g/kg，處于中等水平。（2）梯田土壤退耕還林后，各層土壤固碳潛力由大到小表現(xiàn)為耕層>中層>底層，耕層是梯田土壤中最具固碳潛力的部分。在以后的農(nóng)作活動中，應該著重保護表層土壤，增加耕層土壤碳累積，充分發(fā)揮農(nóng)田的固碳功能。（3）土壤60 cm深度的現(xiàn)實固碳潛力為0.024 32×106 t。

關鍵詞：梯田;土壤;有機碳含量;表聚現(xiàn)象;固碳潛力

中圖分類號： S153.6? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）04-0237-05

土壤為養(yǎng)分轉化過程提供了載體[1-2]。土壤有機質是陸地生物圈生物地球化學循環(huán)過程的主要成分之一，其主要指土壤含碳有機物，可指示土壤健康狀況，是土壤的重要組成部分[3]。有機質中的有機碳能協(xié)調土壤水、氣關系，改善土壤結構及其通氣性，維持和改良土壤肥力以提高土壤生產(chǎn)力。農(nóng)田土壤有機碳含量是衡量土壤肥力和耕地地力最重要的物質基礎，是判斷土壤質量和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要指標之一[2]。土壤有機碳（SOC）庫可吸存大量CO2、CH4等溫室氣體[4]。通過增加農(nóng)田土壤固碳量，可有效減小大氣中CO2濃度，同時也能保障糧食安全[2]。因此，掌握土壤有機碳含量水平及其固碳潛力，對于明晰當?shù)剞r(nóng)田土壤肥力水平并采取科學合理的管理措施進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要作用。

梯田能有效控制中國丘陵溝壑區(qū)內流域坡耕地水土流失的狀況并提高耕地地力，其具備良好的通風透光性，利于作物生長和土壤有機物的累積，能夠實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[5-8]。流域是地面水和地下水天然匯集的區(qū)域，也是目前水土流失治理和開發(fā)，用以發(fā)揮小流域水土資源經(jīng)濟效益、社會效益的基本單元。流域環(huán)境中的土壤濕度較高，有利于有機物質腐解轉化為有機質儲存于土壤中。研究流域梯田土壤有機碳肥力狀況及其固碳潛力對流域治理及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。目前，國內外專家、學者對農(nóng)田土壤有機碳的研究成果已有很多，梯田土壤質量恢復以及有機碳時空分布、變化是梯田土壤研究的主要方面[9-15]。但以小流域梯田土壤為研究對象，探討其有機碳含量及土壤碳固定潛力的研究較少。

本試驗主要以種植歷史悠久的內蒙古東部梯田為研究對象，通過實地采樣法取得土壤有機碳含量及儲量數(shù)據(jù)，運用描述性統(tǒng)計分析、差異性分析以及土地利用方式對比法，對敖漢旗黃花甸子小流域梯田土壤有機碳含量及其固碳潛力進行研究，以期為流域梯田土壤改良、精準管理及碳庫研究提供基礎數(shù)據(jù)與理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域地處內蒙古赤峰市敖漢旗西部的黃花甸子流域，其北面與老哈河中游和科爾沁沙地相鄰[16]。其地理坐標在119°36′～119°53′E、42°17′～42°33′N之間，流域土地的總面積約為32 km2。農(nóng)耕地面積為12.29 km2，占流域總面積的38.41%，屬于典型梯田區(qū)。耕地中旱地約 11.08 km2，水澆地約1.21 km2，作物平均生長層為0～40 cm，深40～60 cm的土壤是介于生長層與非生長層間的土壤。農(nóng)田平均耕作深度為20 cm，土地翻耕以機械翻耕為主，每年2次。林地、草地、建筑用地、水域、未利用地面積分別為 12.13、1.95、1.33、1.84、2.46 km2，分別占流域總面積的 37.91%、6.09%、4.16%、5.75%、7.69%。流域位于低山丘陵區(qū)，地勢起伏較小，該區(qū)屬中溫帶半干旱大陸性季風氣候區(qū)，四季分明[16]。年降雨量和蒸發(fā)量分別為400～470、2 290～2 400 mm，全年日照數(shù)2 940～3 060 h，10 ℃以上積溫為3 189 ℃[16]。該流域年平均風速在4～6 m/s之間，春季風力大且持續(xù)時間較長[16]。作為東北糧食主產(chǎn)區(qū)之一的敖漢旗，其土壤類型為栗鈣土，氣溫日差較大，降雨和高溫同步，擁有有效積溫條件，能夠產(chǎn)出高品質且營養(yǎng)豐富的雜糧。因此，敖漢有“綠色雜糧產(chǎn)地”的美譽，其曾被評為國家商品糧基地和內蒙古自治區(qū)產(chǎn)糧十強縣（旗）之一[17]。研究區(qū)的農(nóng)作物為1年1熟型，主要種植玉米、谷子等糧食作物（圖1）。

2 研究材料與方法

2.1 取樣地設置及梯田調查

研究區(qū)玉米種植面積占作物總種植面積的73%，因此，研究區(qū)所選樣地以種植玉米的旱作梯田為主。根據(jù)敖漢旗黃花甸子流域土地利用現(xiàn)狀圖及該流域梯田分布狀況，為消除作物本身生長及他因素對試驗數(shù)據(jù)的影響，筆者選擇在2015年10月下旬對該流域梯田60 cm深度土壤進行統(tǒng)一取樣，此時玉米已成熟，土壤環(huán)境基本穩(wěn)定。田內耕作方式：春季耕種后，夏季鋤雜草2次，秋季作物收獲后深耕1次，以疏松土壤、蓄水保墑。梯田面積、田塊位置信息由當?shù)剞r(nóng)業(yè)部門提供，對此筆者進行了實地測量并核實。試驗共采集該流域內梯田20塊樣地和成熟退耕林地5塊樣地的土壤。

2.2 土壤采集

采樣時，為使采樣全面、充分反映梯田特征，確定采樣點時須觀察田塊的形狀。若梯田是正方形，則采用“梅花形”設點采樣;若為長方形，則采用“S”形布點取樣。每個樣地均選取4個采樣點，用環(huán)刀自下而上分別采集40～60 cm（底層）、20～40 cm（中層）、0～20 cm（耕層）3個土層的土壤樣品，每層重復取樣3個，并記錄環(huán)刀濕土質量。同時，觀察并記載采樣點的土壤剖面特征信息，作為核查、評定、分析土壤性質的資料及參考數(shù)據(jù)。將采集的土樣混合均勻，采用四分法選取足量的土壤各2份，一份裝入鋁盒，放入105 ℃烘箱烘干，供土壤容重的測定;另一份裝入無菌袋，去除碎石等雜質并風干后，過2 mm篩，取0.5 kg干樣品供土壤有機碳含量的測定。共計選取不同層次土壤樣品300個。

2.3 土壤分析方法

土壤容重參照LY/T 1215—1999《森林土壤水分——物理性質的測定》，采用環(huán)刀法測定。土壤有機碳含量采用《土壤農(nóng)業(yè)化學常規(guī)分析方法》（參照中國土壤學會農(nóng)業(yè)化學專業(yè)委員會編）中的重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測定。按照全國第2次土壤普查結果，土壤有機質含量被分為以下等級：一級>40 g/kg;二級30～40 g/kg;三級20～30 g/kg;四級10～20 g/kg;五級6～10 g/kg;六級<6 g/kg[17]。依據(jù)此標準，本試驗分別將一、二級，三、四級，五、六級土壤有機質對應的有機碳視為高等、中等、低等水平。

2.4 土壤固碳潛力的計算

通過計算土壤碳密度、碳儲量，進而得到相應田內土壤固碳潛力狀況的數(shù)據(jù)。

2.4.1 土壤有機碳密度 土壤有機碳密度被用于衡量單位面積一定深度土體中的有機碳儲量[13]。其公式如下：

式中：i為土壤層;di為各層土壤厚度，cm;pi為土壤容重，g/cm3;Oi為土壤有機碳含量，g/kg;Vi指第i層土壤中直徑大于2 mm的礫石所占的體積比，%，由于研究區(qū)梯田土壤含礫石量較少，可忽略不計，因此公式中的Vi值為0。SOCi為第i層土壤碳密度，kg/m2;本試驗的整體土層深度為 60 cm，每 20 cm 劃分為1層。

2.4.2 土壤有機碳儲量 根據(jù)黃花甸子流域梯田采樣點各層土壤有機碳密度和相應面積，算出該流域梯田土壤有機碳儲量。計算公式如下[18]：

式中：Si為各土壤所占的面積，km2;POCi為第i層土壤有機碳儲量，t。

2.4.3 土壤固碳潛力 土壤固碳潛力可指示土壤質量，碳固定潛力大且優(yōu)質的土壤對外界干擾有良好的自我修復能力。West等把一定氣候、溫度、土壤母質等環(huán)境條件下，土壤現(xiàn)存碳儲量與新的穩(wěn)定狀態(tài)下土壤碳儲量的差值定義為固碳潛力[19]。優(yōu)質農(nóng)田的土壤有機質含量達到穩(wěn)定狀態(tài)時，其有機碳含量更接近飽和水平。能夠從貧瘠轉變?yōu)閮?yōu)質的土壤具有一定固碳潛力。此外，有關研究者得出，農(nóng)田退耕還林后，土壤有機質含量和耕地地力會提高[17]?；谝陨鲜聦?，本試驗中農(nóng)田土壤固碳潛力的計算方法為土地利用方式對比差值法。本研究的固碳潛力是在當?shù)貧夂?、土壤等環(huán)境條件一定的情況下，梯田轉變?yōu)榱值卦谖磥硪欢螘r間內的固碳增加值。其計算公式如下：

式中：CSP為農(nóng)田土壤固碳潛力，t;CSr為退耕還林地的碳儲量，t;CS為農(nóng)田土壤現(xiàn)存碳儲量，t[17]。保證碳庫增加的理想狀態(tài)是將所有農(nóng)田退耕，此時的碳庫增加值為理想固碳潛力。但是，人口增加帶來的糧食短缺問題只容許把一部分農(nóng)田退耕，而另一部分則用于滿足當?shù)厝说募Z食需求。部分退耕地帶來的碳庫增加值即為梯田現(xiàn)實固碳潛力。

2.5 數(shù)據(jù)處理

本試驗數(shù)據(jù)的基礎計算及作圖采用Excel 2007，相關數(shù)據(jù)的描述性統(tǒng)計分析、方差分析等采用SAS 9.0軟件進行。

3 結果與分析

3.1 梯田土壤有機碳含量狀況

有機質是土壤中促進作物生長的重要養(yǎng)分之一，而有機質中的很大一部分是有機碳。由表1可知，研究區(qū)梯田深 60 cm 的土壤有機碳含量為0.74～11.17 g/kg，平均含量為5.49～7.58 g/kg。隨著土層深度的增加，土壤有機碳含量逐漸減少。耕層（0～20 cm）平均有機碳含量占深60 cm土層土壤有機碳含量的37.92%，土壤有機碳耕層聚集現(xiàn)象明顯。方差分析表明，在0.05水平下，黃花甸子小流域農(nóng)田耕層與中層的土壤有機碳含量差異性不顯著，這2層分別與底層的土壤有機碳含量差異性顯著。這是因為耕層具有的外源有機肥較多，且作物根系主要聚集于此，同時較好的通氣、熱條件而有利于土壤有機物被微生物分解為有機碳。然而，底層土壤長期不翻耕，缺乏與外界物質的交換，有機碳不易積累[20-21]。

變異系數(shù)（CV）反映了不同深度的土層土壤有機碳含量的變異程度。當CV<10%時，為弱變異;當10%≤CV<100%時，為中等變異;當CV≥100%時，為強變異[22]。據(jù)此可知，黃花甸子流域梯田土壤不同土層有機碳含量均為中等變異水平，數(shù)據(jù)離散程度適中。其中，耕層變異系數(shù)最大，底層最小。這是因為耕層受人為活動影響劇烈，有機碳含量波動較大，而該地梯田土壤有效耕作土層平均為0～20 cm，底層土壤基本與外界隔絕，受環(huán)境及人為因子影響很小。因此，土壤底層中的有機碳含量相對穩(wěn)定。耕層和中層土壤有機碳的偏度系數(shù)為負，說明此時有機碳含量分布具有左側較長尾部，較高值相對較多。底層的偏度系數(shù)為正，說明底層有機碳含量分布右側有較長尾部，較低值相對較多。這與梯田各層土壤有機碳含量的平均值大小分布相吻合，進一步表明底層土壤有機碳含量較少，而梯田土壤有機碳含量有耕層聚集現(xiàn)象。

由圖2可得，土壤有機碳含量大多集中分布于4～<6 g/kg 范圍內。通過K-S統(tǒng)計檢驗，說明研究區(qū)樣本土壤有機碳含量符合正態(tài)分布，數(shù)據(jù)具有代表性。該小流域梯田土壤深60 cm土層土壤有機碳含量的平均值為 6.67 g/kg，根據(jù)土壤有機碳含量與有機質含量間的轉換系數(shù)1.724可將流域梯田土壤有機碳轉換為有機質，其均值約為 11.50 g/kg。以全國第2次土壤普查各級養(yǎng)分為標準，可知黃花甸子流域梯田土壤有機質含量處于中等水平，土壤肥力適中。

3.2 梯田土壤固碳潛力

流域梯田是該區(qū)水土保持的重要保障，當?shù)靥萏锿寥烙袡C碳的固定不僅可以降低大氣CO2濃度，緩解全球氣候變暖、減少霧霾等，還能增加田內土壤有機質含量，使作物生長良好，從而提升其水土保持效應?？茖W估測出梯田土壤某一時間段內土壤碳的吸存容量，可為未來梯田土壤碳庫管理及全球碳循環(huán)研究奠定基礎。

3.2.1 梯田土壤有機碳儲量現(xiàn)狀 土壤碳儲量是表征土壤固碳潛力狀況的重要評價指標。估算黃花甸子流域梯田土壤碳儲量，有利于掌握當?shù)剞r(nóng)田土壤質量狀況并根據(jù)實際情況制定相應的土壤固碳管理措施，進而起到固碳環(huán)保的效果。本試驗選取黃花甸子流域梯田0～60 cm深度土壤作為研究對象，根據(jù)黃花甸子流域土地利用現(xiàn)狀圖，對照實地調查情況，得到梯田的面積，并對2015年黃花甸子流域梯田土壤進行數(shù)據(jù)采集后，統(tǒng)計出該流域梯田土壤現(xiàn)存碳儲量狀況（表2）。

整個土壤剖面（0～60 cm）總碳儲量約為0.053 99×106 t。梯田土壤耕層（0～20 cm）是作物的主要生長層，與外界有直接的物質、能量交換，作物殘體分解后也會進入該層土壤，是作物代謝所需營養(yǎng)物質的主要來源。因此，耕層有機碳儲量將直接影響土壤性質及作物生長。然而，處在土壤圈最表層的耕層易受自然因素和人類活動的影響，有機碳儲量具有不穩(wěn)定性。黃花甸子流域梯田耕層有機碳儲量為 0.017 93×106 t，占60 cm剖面土壤有機碳儲量的33.2%。該流域梯田作物主要生長層為深0～40 cm的土層，深20～40 cm 的土層作物根系比耕層（0～20 cm）少，其土壤有機碳儲量為0.017 05×106 t。從深40～60 cm開始向下的土層中，基本沒有作物根系生長，但該層土壤有機碳儲量為 0.019 01×106 t，約是整個土壤剖面（0～60 cm）的35.2%。從表層到底層，梯田60 cm深度范圍內土壤有機碳儲量由大到小表現(xiàn)為底層>耕層>中層。底層土壤有機碳儲量最大，這是因為底層土壤受人為機械耕作的壓實作用，土壤較密實，容重大。此外，受降雨淋溶作用，土壤碳易下滲積累到底層。

3.2.2 梯田土壤固碳潛力預測 在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，農(nóng)田被認為是碳吸收量大且能有效降低大氣CO2的場所。當環(huán)境條件一定時，土壤在一段時間內的碳容納量是衡量土壤固碳潛力的指標。本試驗選擇該流域梯田和退耕還林地80個樣點土壤作為研究對象，將梯田土壤現(xiàn)存碳量與退耕后達到新的穩(wěn)定狀態(tài)時的碳儲量作差，得到土壤固碳潛力。分析梯田土壤固碳容量，可為科學合理地管理土地資源提供參考依據(jù)。

通過調查采樣并進行室內試驗，得到黃花甸子流域梯田的耕層、中層、底層土壤退耕為林地后的有機碳密度分別 3.37、2.12、2.04 kg/m2;如果該流域梯田退耕還林后，其土壤固碳潛力如表3所示。

如表3所示，梯田耕層土壤現(xiàn)存碳量與退耕還林穩(wěn)定狀態(tài)的碳儲量各占剖面土壤的33.20%、44.75%。說明農(nóng)田退耕還林后，耕層土壤有機碳積累量有所增加。相對于現(xiàn)有碳儲量，梯田土壤退耕還林后碳儲量達到穩(wěn)定狀態(tài)時，各層土壤的固碳潛力大小表現(xiàn)為耕層>中層>底層。耕層和剖面土壤理想固碳潛力大小分別是0.018 90×106、0.028 31×106 t，其中土壤耕層固碳潛力占剖面土壤的66.76%，說明梯田土壤的耕層最具固碳潛力。

林地土壤碳容納量大于農(nóng)田，農(nóng)田退耕還林地過程具有較大固碳潛力。然而，退耕還林帶來的土壤碳庫增加是以放棄大量農(nóng)田為代價的，農(nóng)田的減少使當?shù)丶Z食無法滿足人們的基本需求，這樣的固碳方式顯然不可行。本試驗研究的固碳潛力是在保證當?shù)厝思Z食需求的前提下，有多少農(nóng)田可實現(xiàn)退耕，從而估測部分農(nóng)田退耕后土壤的現(xiàn)實固碳潛力。敖漢旗黃花甸子流域梯田須滿足約1 900人的糧食需求，按照每人日均需糧0.75 kg估算，則糧食的人均年需量為 273.75 kg，每年所需糧食共計5.2×105 kg。按照平均單產(chǎn)為3 375 kg/hm2計算，則至少須要保留154 hm2耕地。由表3可以看出，耕層土壤現(xiàn)實固碳潛力是0.016 24×106 t，土壤剖面的現(xiàn)實固碳潛力為0.024 32×106 t，耕層固碳潛力約占 60 cm 深度土壤的66.78%?？梢?，耕層土壤在梯田碳固定方面起關鍵作用，是農(nóng)田碳儲量的重要組成部分。同時，由于耕層因與外界直接接觸，其耕作條件能受人為因素控制;因此，保護耕層能夠更好地發(fā)揮農(nóng)田固碳能力，起到優(yōu)化土壤與緩解大氣溫室效應的雙重作用。

4 討論

梯田具有均勻而平整的特點，能減少地表徑流，從而有效緩解坡耕地的水土流失現(xiàn)象，固持土壤有機碳含量，進而提高土壤保肥蓄水能力，保障糧食安全[8]。丘陵區(qū)中土壤結構性差、養(yǎng)分含量低且生產(chǎn)力低的母質土壤經(jīng)過耕作熟化后逐漸發(fā)育為梯田[23]。在此條件下，土壤有機質含量逐年增加，有機質有利于土壤形成團聚體，土壤結構性會因此提高[12]。因此，探究提高梯田土壤肥力的方法是有必要的。土壤有機質含量的提高是土壤肥力提升的表現(xiàn)[24]。本試驗得出，梯田土壤有機碳量隨土層深度的加深而減少，這與南雅芳等對綠洲農(nóng)田、梯田土壤有機碳分布研究結論[20，25]一致。此外，大多數(shù)林地土壤有機碳含量隨土層深度的變化也表現(xiàn)出相同的變化趨勢[16，26]。黃花甸子流域梯田土壤有機質的均值約為 11.50 g/kg，高于我國栗鈣土土壤有機質均值10.45 g/kg[27]，其土壤有機質處于中等水平。這與劉思涵對梯田土壤有機質質量的研究結論[12]一致。

關于梯田固碳潛力，West理論認為，農(nóng)田土壤中有機碳含量會受外界環(huán)境及人為因子等的影響而處于動態(tài)變化中，但當SOC輸入量和輸出量達到平衡，固碳量飽和時，土壤固碳潛力最大[19]。韓新輝等對農(nóng)田退耕還林后12年的土壤有機碳進行測定對比得出，退耕后有機碳含量明顯增加，這說明農(nóng)田有較大固碳潛力[28]。因此，本試驗將梯田退耕還林時的土壤碳庫量作為土壤飽和碳儲量。退耕后帶來的增加的固碳能力即為農(nóng)田土壤固碳潛力。但本試驗是在敖漢旗黃花甸子流域的氣候等因素不變的情況下對固碳潛力進行測算的;然而，實際上隨著氣候等環(huán)境因素的變化，固碳潛力狀況就會受到影響。也就是說，農(nóng)田固碳潛力具有動態(tài)變化性，要想更精確地統(tǒng)計出梯田一段時間內的固碳潛力，須要進一步研究。

梯田土壤固碳潛力的提升對于農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、固碳減排和環(huán)境保護具有重要意義。達到穩(wěn)定狀態(tài)的碳儲量可采用連續(xù)測量法得到其不變狀態(tài)時的值，其值越大，固碳潛力越大。提高土壤固碳潛力的方法主要有：增施有機糞肥;提倡秸稈還田;糧肥作物輪作、間作，農(nóng)地用養(yǎng)結合;種植綠肥;增加土壤的耕作層厚度[27]。農(nóng)田土壤固碳潛力的增大不僅會使土壤肥力提高，還可以降低空氣中的溫室氣體以優(yōu)化環(huán)境質量[17，29-30]。關于土壤固碳潛力，雖然現(xiàn)在很多學者已對部分地區(qū)進行了研究，但仍缺乏農(nóng)田方面的研究，而且對于土壤固碳潛力大小的評判沒有綜合標準，相關研究有待進一步深入。

5 結論

本試驗以內蒙古赤峰市敖漢旗黃花甸子流域梯田土壤為研究對象，對其60 cm深度土壤有機碳含量和土壤固碳潛力進行研究，得到該流域梯田土壤質量及其固碳能力：（1）黃花甸子流域梯田土壤有機碳含量隨土層深度的加深而減少，具有表聚現(xiàn)象。梯田60 cm深度土壤有機碳含量的均值為 667 g/kg，轉為有機質是11.50 g/kg，以全國第2次土壤普查養(yǎng)分分級為標準，其有機質含量處于中等水平。（2）梯田土壤退耕還林后，各層土壤固碳潛力由大到小均表現(xiàn)為耕層>中層>底層。耕層理想和現(xiàn)實固碳潛力分別為：0.018 90×106、0.016 24×106 t。土壤耕層固碳潛力占剖面土壤的固碳潛力較大，在梯田土壤中耕層最具固碳潛力。在農(nóng)作活動中，應該著重保護耕層土壤，增加其碳累積量，充分發(fā)揮農(nóng)田的固碳功能。（3）土壤60 cm深度的理想固碳潛力約是 0.028 31×106 t，在滿足當?shù)厝丝诩Z食需求量的情況下，可退耕的農(nóng)田面積約為9.39 km2，因此現(xiàn)實固碳潛力為0.024 32×106 t。

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