唐 薇，趙志忠，王軍廣，趙澤陽，吳 雯

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

【研究意義】土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫[1]，農(nóng)田土壤貯存的碳占土壤碳庫的8%～10%，是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的碳源和碳匯[2]。土壤有機(jī)碳主要來源于土壤動植物、微生物殘體以及微生物作用形成的腐殖質(zhì)，是評價土壤肥力的重要指標(biāo)[3]。目前，土地開墾和翻耕導(dǎo)致了土壤中營養(yǎng)元素的流失，土壤結(jié)構(gòu)的破壞和有機(jī)碳的消耗，部分土壤碳以CO2的形式排放到大氣中，使得溫室效應(yīng)加強(qiáng)[4]。因此，如何提高土壤碳儲量和土壤固碳能力對于土地資源可持續(xù)利用和減緩氣候變暖進(jìn)程都尤為重要，是相關(guān)學(xué)者重點(diǎn)關(guān)注的問題。水稻土是我國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其具有較高的碳密度和較強(qiáng)的固碳能力，研究認(rèn)為稻田土壤有機(jī)碳的積累與水稻生長能力提高從而導(dǎo)致的作物碳源對有機(jī)碳輸入的增加有關(guān)，且人類可以通過耕作施肥等措施改變土壤理化性質(zhì)，影響有機(jī)碳周轉(zhuǎn)[5-7]。為了更好的研究土壤有機(jī)碳累積特征，前人依據(jù)穩(wěn)定性將其分為活性、慢性和惰性有機(jī)碳庫三部分[8]，易氧化有機(jī)碳是土壤活性有機(jī)碳的重要組成部分，其具有一定溶解性，在土壤中移動較快、不穩(wěn)定、易氧化、易被土壤微生物礦化分解，對植物養(yǎng)分供應(yīng)具有直接作用，且對生產(chǎn)經(jīng)營和管理措施反應(yīng)敏感，被認(rèn)為是土壤碳庫短期變化的重要指示因子[9-10]。而針對不同土地利用類型[11-12]和不同耕作管理措施[13-14]下土壤有機(jī)碳和活性有機(jī)碳的垂直分布，也有學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，研究認(rèn)為，人為耕作管理措施的干擾是影響有機(jī)碳垂直分布的重要原因，不同土地利用方式下土壤有機(jī)碳的垂直分布特征存在差異。海南省作為中國的熱帶島嶼，其自然環(huán)境和土壤母質(zhì)都存在一定特殊性，因而對區(qū)內(nèi)土壤有機(jī)碳分布特征及變化規(guī)律進(jìn)行研究具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和理論價值?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】當(dāng)前，已有學(xué)者通過對海南省土壤有機(jī)碳時空變化規(guī)律進(jìn)行長期系統(tǒng)的研究，詳細(xì)介紹了海南省有機(jī)碳儲量和變化情況[15-16]。另外，海南省優(yōu)越的水熱條件使得當(dāng)?shù)刈魑锷L周期較長，耕作制度的選擇更加多樣，形成了獨(dú)具特色的熱帶農(nóng)業(yè)。因此，農(nóng)業(yè)土壤有機(jī)碳的研究也受到學(xué)者廣泛關(guān)注，并主要針對不同利用方式下農(nóng)田土壤有機(jī)碳的分布特征和影響因素開展了相關(guān)研究[12,17]。目前，有關(guān)不同耕作制度對海南省農(nóng)田土壤有機(jī)碳集聚特征及機(jī)制影響方面研究還相對欠缺?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】本次研究擬通過對海南省定安縣4種不同耕作制度下的稻田有機(jī)碳的累積規(guī)律及變化特征進(jìn)行研究?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究探討不同耕作制度下稻田土壤有機(jī)碳垂直分布的季節(jié)變化，確定稻田土壤有機(jī)碳的累積分布特征和影響因子，為科學(xué)可持續(xù)地利用稻田資源提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

以海南省定安縣為研究區(qū)，該地屬于熱帶海洋性季風(fēng)氣候，年均氣溫24.7 ℃，年均降水量2007 mm，年平均日照時數(shù)為1992 h，研究區(qū)土壤以磚紅壤為主，且因母質(zhì)條件不同其土壤呈現(xiàn)不同顏色。通過歷時1年的實(shí)地調(diào)查及訪問，在定安縣白沙鎮(zhèn)、南曲村以及三坡仔村選擇了3個海拔和坡度相近的采樣區(qū)，分別命名為S1、S2和S3(圖1)，在S1選擇相鄰的2塊二熟制稻田和1塊撂荒地，S2選擇1塊一熟制稻田和1塊撂荒地，S3采樣區(qū)選擇2塊三熟制稻田和1塊撂荒地作為樣地。每個樣地在5 m×5 m范圍內(nèi)，隨機(jī)設(shè)置兩個取樣點(diǎn)，在每個取樣點(diǎn)采集一個深度為30 cm的柱狀樣，并將土壤剖面按10 cm間距分為3層，分別為：表層(0～10 cm)、中層(10～20 cm)、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。共在2019年冬季(1月)、春季(4月)、夏季(7月)、秋季(10月)進(jìn)行了4次采樣(表1)。

表1 研究區(qū)各樣地基本情況

研究區(qū)所選稻田都以傳統(tǒng)犁耕為其主要耕作方式，灌溉主要依賴自然降水和抽水、引水灌溉，基肥主要為氮肥，部分農(nóng)戶混施有機(jī)肥，生長期根據(jù)水稻長勢再增施復(fù)合肥，秸稈沒有做還田處理。根據(jù)調(diào)查結(jié)果，一熟制稻田6月底7月初時插秧，10月中旬收割，一年施肥1～3次；二熟制稻田第一稻于清明前插秧，6月中旬收割，第二稻于6月底7月初時插秧，10月中旬收割，全年施肥2～5次；三熟制稻田第一稻于前一年12月底插秧，第二年3月中旬收割；第二稻于清明前插秧，6月中旬收割；第三稻于6月底7月初時插秧，10月中旬收割，全年施肥3～7次；撂荒地是水稻田被撂荒之后形成的土地類型，采樣區(qū)撂荒地的撂荒時間都在3年以上，部分撂荒地因地表雜草叢生，利于積水，已形成類似于沼澤濕地的土地形態(tài)。

1.2 樣品處理與分析

野外采集的土樣去除石礫及動植物殘體等雜質(zhì)，攤開自然風(fēng)干，用于測定相關(guān)指標(biāo)。

土壤有機(jī)碳測定：將風(fēng)干土樣取50 g研磨，取10 g已研磨土樣放入烘箱，溫度調(diào)至105 ℃，烘干至恒重后稱取已烘干土樣5 g置于50 mL燒杯中，以蒸餾水和鹽酸9︰1的比例配置溶液，并向燒杯中加入30 mL溶液，用磁力攪拌器攪拌至沒有氣泡，以去除碳酸鹽。靜置24 h后，加入蒸餾水離心，離心結(jié)束后更換干凈蒸餾水繼續(xù)，重復(fù)3～5次，直至土樣呈中性，再次將土樣放入烘箱，溫度調(diào)至60 ℃，約24 h后取出，冷卻、干燥并研磨，取處理完成的土樣25 mg用錫紙包裹，使用TOC分析儀檢測。

土壤易氧化有機(jī)碳測定：采用由Logninow等[18]提出的KMnO4氧化法。

土壤的粒徑使用激光粒度儀(Mastersizer 2000)測定：測量范圍為0.02～2000 μm。稱取0.5 g過2 mm孔徑篩的風(fēng)干土壤樣品放入小燒杯中，加入過氧化氫溶液1 mL，用玻璃棒攪拌，待土壤完全反應(yīng)后將樣品移至電熱板加熱，再加入1 mL六偏磷酸鈉溶液，攪拌完全后靜置過夜，最后將處理完成后的樣品放入超聲波清洗機(jī)振蕩分散15 min，并用激光粒度儀測定土壤的粒徑。

土壤的pH值主要使用梅特勒pH計(jì)測定：稱取5 g的沉積物至燒杯，按水土比為5∶1的比例攪拌至其完全溶解，然后靜置30 min，再用pH計(jì)測定其上清液的pH值。

數(shù)據(jù)采用Excel 2007軟件進(jìn)行處理，并用SPSS 21軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作制度稻田土壤有機(jī)碳及易氧化有機(jī)碳垂直分布變化

2.1.1 土壤有機(jī)碳 由圖2可知，4種耕作制度下的稻田土壤有機(jī)碳含量在0～30 cm土層都呈現(xiàn)從表層向深層不斷下降的趨勢。

對同一季節(jié)不同類型稻田各土層土壤有機(jī)碳含量進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)：冬季時，0～10 cm土層和20～30 cm土層稻田土壤有機(jī)碳含量都表現(xiàn)為三熟制>二熟制>撂荒地>一熟制的特征，而10～20 cm土層則表現(xiàn)為三熟制>二熟制>一熟制>撂荒地。春季時，稻田土壤有機(jī)碳含量在各土層都呈三熟制>二熟制>撂荒地>一熟制的順序。夏季時，稻田土壤有機(jī)碳含量在各土層都呈二熟制>三熟制>撂荒地>一熟制的順序。秋季時，除10～20 cm土層土壤有機(jī)碳含量三熟制>二熟制>撂荒地>一熟制外，其它土層都呈二熟制>三熟制>撂荒地>一熟制的特征。

對同一類型稻田各土層土壤有機(jī)碳含量在不同季節(jié)的變化進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)：一熟制稻田總體上呈1—10月不斷下降的趨勢，二、三熟制稻田和撂荒地各基本都在4月時出現(xiàn)最大值，其它季節(jié)不同耕作制度下稻田土壤各土層有機(jī)碳含量差異不大。

從方差分析結(jié)果來看，一熟制稻田各季度不同土層間有機(jī)碳含量之間差異都比較顯著，而二熟制稻田1和10月時各土層有機(jī)碳含量差異較大，三熟制稻田在7和10月時差異較大，撂荒地相對于其他類型耕地來說，各季節(jié)不同土層有機(jī)碳含量的差異都較小。各耕作制度下土壤0～30 cm土層有機(jī)碳含量的季節(jié)變化都不明顯。

2.1.2 土壤易氧化有機(jī)碳 由圖3可以看出，各耕作制度下稻田土壤易氧化有機(jī)碳含量在0～30 cm土層也表現(xiàn)出從表層向深層不斷降低的特征。

對同一季節(jié)不同類型稻田各土層土壤易氧化有機(jī)碳含量進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)：總體來說，全年二熟制和三熟制稻田在不同土層中有機(jī)碳的含量較高，而20～30 cm土層在7月和10月時撂荒地有機(jī)碳含量在4種類型土壤中最高。

對同一類型稻田各土層土壤易氧化有機(jī)碳含量在不同季節(jié)的變化進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)：各耕作制度下稻田各土層土壤易氧化有機(jī)碳含量都在春季時出現(xiàn)最大值，除一熟制0～20 cm土層，二熟制及撂荒地0～10 cm土層易氧化有機(jī)碳含量從夏季到秋季有不同幅度的上升外，其它類型稻田各土層易氧化有機(jī)碳含量都表現(xiàn)為冬季到春季增加，春季到夏季降低的特征。

根據(jù)圖3顯示方差分析結(jié)果，一熟制稻田在四個季度各土層土壤易氧化有機(jī)碳含量之間都存在明顯差異；二熟制和三熟制稻田都只有一個月各土層土壤易氧化有機(jī)碳含量都差異顯著，而撂荒地，則除了1月外，其它時間各土層易氧化土壤有機(jī)碳含量之間都沒有顯著差異。從圖4來看，除撂荒地外，春季時不同耕作制度稻田土壤易氧化有機(jī)碳含量都顯著高于其它季度，而其它不同季度之間，各耕作制度下稻田土壤易氧化有機(jī)碳含量的差異總體來說并不明顯。

2.1.3 土壤有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳相關(guān)性 對研究區(qū)稻田土壤0～30 cm土層易氧化有機(jī)碳含量和土壤總有機(jī)碳含量的相關(guān)性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)二者呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，進(jìn)一步對各土層進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)0～10 cm土層相關(guān)性不顯著，而10～20和20～30 cm土層土壤易氧化有機(jī)碳和總有機(jī)碳之間呈極顯著正相關(guān)，3個不同土層土壤有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳的相關(guān)系數(shù)分別為0.640、0.842、0.848。

2.2 土壤有機(jī)碳與土壤質(zhì)地和pH值的相關(guān)性分析

相關(guān)分析結(jié)果顯示，土壤有機(jī)碳含量和土壤砂粒占比呈顯著負(fù)相關(guān)，R2為0.151，而與細(xì)粒(粘粒和粉粒)含量則呈顯著正相關(guān)，R2為0.160。這說明研究區(qū)土壤顆粒越細(xì)，越利于有機(jī)碳的累積和存儲。土壤易氧化有機(jī)碳含量則與土壤質(zhì)地組成沒有明顯相關(guān)性。另外，土壤pH值與土壤有機(jī)碳含量和土壤易氧化有機(jī)碳含量都呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，其R2的值分別為0.662和0.438，說明土壤酸性越大，有機(jī)碳及易氧化有機(jī)碳的含量越小。

3 討 論

3.1 稻田土壤有機(jī)碳垂直分布季節(jié)變化特征及影響因素分析

稻田土壤有機(jī)碳主要來源于原始植被殘留、作物根系、自身凋落物以及人為施加有機(jī)肥料，這使得外源有機(jī)碳輸入首先在地表累積起來，再經(jīng)過淋溶下滲向深層土壤輸送，在輸送過程中有機(jī)碳不斷被分解吸收，使得能進(jìn)入到底層土壤中的有機(jī)碳含量少。因此，稻田土壤有機(jī)碳在垂直分布上存在從表層向深層不斷遞減的趨勢[19-20]。從本次研究結(jié)果來看，4種耕作制度下的稻田土壤有機(jī)碳含量在0～30 cm土層都表現(xiàn)為從表層向深層不斷下降，這與前人研究成果一致。在全年4個季度，4種不同耕作制度下的稻田土壤有機(jī)碳含量在0～30 cm各土層中的分布都表現(xiàn)為二熟制和三熟制稻田較高，一熟制和撂荒地較低。原因可能是因?yàn)槎熘频咎锿寥纏H值相比一熟制和撂荒地要小，研究認(rèn)為，土壤酸性越強(qiáng)，土壤微生物的活動就會受到限制，使得土壤有機(jī)碳的分解速率下降，有機(jī)碳得以累積，本次研究結(jié)果也表明土壤pH值和土壤有機(jī)碳含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，因而土壤pH值是影響土壤有機(jī)碳分布的原因之一[22]。而且二熟制和三熟制稻田一年內(nèi)耕作次數(shù)較多，水稻收割后留下的根茬經(jīng)過腐解進(jìn)入土壤中，成為土壤有機(jī)碳的重要來源，另外，二三熟制稻田施肥次數(shù)較多，由于施肥能有效改善土壤理化性質(zhì)并增加作物生物量，因此其對增加土壤有機(jī)碳含量和提高固碳能力具有促進(jìn)作用[21-23]。

對比不同季度不同耕作制度下稻田各土層有機(jī)碳含量發(fā)現(xiàn)，一熟制稻田垂直方向上有機(jī)碳含量的差異顯著，這可能和一熟制稻田土壤粒度最大有關(guān)系。根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，研究區(qū)稻田土壤有機(jī)碳含量與細(xì)粒占比呈顯著正相關(guān)，與砂粒占比呈顯著負(fù)相關(guān)，這與前人研究成果一致[20]。土壤粒度越大，比表面積越小，對有機(jī)碳的吸附作用小，不利于有機(jī)碳的累積固定[24]，因而一熟制稻田土壤有機(jī)碳分解消耗速度較快，下層土壤有機(jī)碳難以補(bǔ)充，加劇了與表層之間的含量差異。二熟制稻田土壤有機(jī)碳冬季和秋季時各土層土壤有機(jī)碳含量差異顯著，春季和夏季時差異較小，這可能是因?yàn)榇杭竞拖募静蓸訒r正處于水稻生長初期，剛剛經(jīng)過了翻耕施肥灌溉等措施，施肥和灌溉對于改善土壤理化環(huán)境，提高土壤固碳能力具有一定的積極作用[25-26]，翻耕則混合了表層和較深層的土壤，因此土壤有機(jī)碳在0～30 cm土層中分布較均勻，各土層差異不明顯。三熟制和撂荒地全年有機(jī)碳含量垂直分布的差異相對較小，這可能是因?yàn)槿熘频咎镩L期處于被利用的狀態(tài)，使得有機(jī)碳的外源輸入充足，且0～30 cm各土層之間土壤質(zhì)地分布相對均勻，利于有機(jī)碳的滲入。而撂荒地由于受人為影響小，土壤有機(jī)碳主要來源于地表凋落物及植物根系，因此其產(chǎn)生的外源輸入較小，所以大部分時間表層與深層土壤有機(jī)碳含量差異不大。夏季和秋季時，三熟制稻田和撂荒地20～30 cm土層有機(jī)碳含量都顯著低于上層土壤，其原因可能是由于此時正處于當(dāng)?shù)赜昙荆隉嵬诘臍夂虼龠M(jìn)了地表植物的生長，使得根茬碳的輸入量增加，表層土壤產(chǎn)生的有機(jī)碳外源輸入增加，加大了土壤有機(jī)碳垂直分布的差異。

3.2 稻田土壤易氧化有機(jī)碳垂直分布季節(jié)變化特征及影響因素分析

從研究結(jié)果可知，研究區(qū)稻田土壤易氧化有機(jī)碳在0～30 cm土層的垂直分布也表現(xiàn)為從表層向深層遞減的特征，且不同耕作制度稻田的易氧化有機(jī)碳含量總體也呈二、三熟制稻田大于一熟制稻田和撂荒地，與土壤總有機(jī)碳的分布一致。這說明研究區(qū)稻田土壤易氧化有機(jī)碳的含量與土壤總有機(jī)碳含量呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系，與前人研究成果一致[27]。研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，0～10 cm土層土壤有機(jī)碳含量與易氧化有機(jī)碳含量相關(guān)性不顯著，而10～20和20～30 cm土層呈極顯著相關(guān)性，這可能是因?yàn)?～10 cm土層受生產(chǎn)經(jīng)營和管理措施的影響較大，土壤易氧化有機(jī)碳對其反應(yīng)敏感，因此其含量變化很大程度受到這些措施的影響，使得其與總有機(jī)碳含量的相關(guān)性不及更深層的土壤。

從季節(jié)變化來看，研究區(qū)4種耕作制度下的稻田各土層土壤易氧化有機(jī)碳含量都在春季時最大，且此時一熟制和二熟制稻田各土層土壤易氧化有機(jī)碳含量都顯著高于其它季節(jié)，這可能是由于春季屬于研究區(qū)的旱季，且此時氣溫回升，氣候在一年內(nèi)相對比較干熱，這一氣候特征使得土壤含水量少，這一土壤環(huán)境促進(jìn)了微生物活動，從而加速了凋落物分解，增加了土壤易氧化有機(jī)碳含量[28]。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，一熟制稻田10～20 cm土層土壤易氧化有機(jī)碳含量在秋季時明顯高于冬季和夏季，這可能是由于秋季時一熟制稻田正處于收割期，收割后殘留的植物根茬被腐解，耕層土壤易氧化有機(jī)碳的外源輸入隨之增加。一熟制和三熟制稻田20～30 cm土層表現(xiàn)為秋季時含量顯著低于夏季，這可能是因?yàn)橄那锛竟?jié)正處當(dāng)?shù)赜昙?，土壤處于淹水環(huán)境，前人研究認(rèn)為，在適宜的土壤環(huán)境中，淹水土壤有機(jī)碳分解速率較高[29]，這使得有機(jī)碳含量降低，因而易氧化有機(jī)碳的含量隨之減少。三熟制稻田0～10 cm土層各季節(jié)之間易氧化有機(jī)碳含量都存在顯著差異，其原因可能是這類稻田常年受人為的耕作管理措施影響，易氧化有機(jī)碳含量也隨之發(fā)生變化。撂荒地基本不受到人為耕作措施的影響，且地表雜草覆蓋，有利于積水，這使得其土壤狀態(tài)在一年內(nèi)不同季節(jié)變化較小，因而其易氧化有機(jī)碳含量沒有明顯變化。

4 結(jié) 論

研究區(qū)4種類型稻田土壤有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳含量在不同季節(jié)0～30 cm土層都呈現(xiàn)由表層向深層逐漸下降的分布特征，其垂直分布變化受到氣候、土壤理化性質(zhì)以及人為耕作管理措施等方面的影響。

(1)由于稻田土壤有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳的垂直分布受人為耕作管理措施影響較大，施肥灌溉等農(nóng)田管理措施能有效提高土壤有機(jī)碳含量，使得研究區(qū)不同類型稻田0～30 cm各土層土壤有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳含量在全年4個季度都表現(xiàn)為二三熟制稻田含量高，一熟制稻田和撂荒地含量低。

(2)研究區(qū)稻田土壤有機(jī)碳的垂直分布與土壤pH值和土壤質(zhì)地有關(guān)，土壤有機(jī)碳含量與土壤pH值呈極顯著負(fù)相關(guān)，與砂粒含量呈顯著負(fù)相關(guān)，與細(xì)粒含量呈顯著正相關(guān)，土壤質(zhì)地越細(xì)越有利于有機(jī)碳的固存。一熟制稻田土壤砂粒含量高，pH值較大，這導(dǎo)致其有機(jī)碳含量，且垂直方向上差異顯著。

(3)不同類型稻田0～30 cm各土層土壤有機(jī)碳及易氧化有機(jī)碳的含量在不同季節(jié)存在一定差異，易氧化有機(jī)碳的差異相對明顯。旱季干熱的氣候有利于表層土壤易氧化有機(jī)碳的累積，且利于有機(jī)質(zhì)向下層輸送，雨季土壤處于淹水環(huán)境，加快了有機(jī)碳分解速率，土壤有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳含量也隨之下降。