梁紅霞，邢潤華，賈十軍，陳富榮，陶春軍

（安徽省地質(zhì)調(diào)查院（安徽省地質(zhì)科學研究所），安徽合肥 230001）

0 引言

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大且周轉(zhuǎn)時間最慢的碳庫，而且是最活躍的部分[1～4],因此增加農(nóng)田土壤有機碳的固定不但可以增加土壤有機質(zhì)，促進土壤肥力，提高作物生產(chǎn)力，而且對溫室氣體減排也具有舉足輕重的作用[5～6]。土壤碳含量變化不僅受到溫度、水分、土壤質(zhì)地等自然因素的影響,土地利用方式不同對土壤碳含量具有明顯的影響。一方面，土地利用方式不同，生態(tài)系統(tǒng)也不同，生態(tài)系統(tǒng)土壤碳的輸入也不同。另一方面，不同的土地利用方式下土壤的理化屬性亦不同，土壤有機碳釋放的強度也不同[7～8]。而土壤碳含量是土壤肥力的重要組成部分，因此無論從研究地球各圈層的物質(zhì)循環(huán)以及保護生態(tài)環(huán)境，還是保護珍貴的土壤資源以維護農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，都需對不同土地利用方式下土壤有機碳及全碳的分布特征及其變化趨勢進行詳細研究。

1 研究區(qū)概況

根據(jù)研究目標任務，綜合考慮研究區(qū)水稻土分布及環(huán)境特征，以代表性為前提選擇試驗點。試驗區(qū)布置在已完成多目標區(qū)域地球化學調(diào)查工作區(qū)，依當?shù)刂饕N植習慣，選擇有水稻土分布的主要農(nóng)耕區(qū)連片農(nóng)田，區(qū)域上布點均勻且選點遠離工廠等污染源。依據(jù)上述選區(qū)原則，結(jié)合區(qū)內(nèi)自然環(huán)境條件，在淮北南部及沿淮稻麥一年兩熟暖溫帶、江淮丘陵小麥雙季稻混作一年兩熟北亞熱帶、沿江雙季稻一年兩熟北亞熱帶不同農(nóng)業(yè)氣候區(qū)各選擇了1個試驗區(qū)。

1.1 合肥市肥西縣馬湖鎮(zhèn)試驗區(qū)

試驗區(qū)位于小麥雙季稻混作一年兩熟北亞熱帶、江淮丘陵平原區(qū)，土壤類型為水稻土，成土母質(zhì)為晚更新世黏土。樣地東側(cè)為大面積農(nóng)田，西鄰馬湖河，周邊無污染源。耕作地第一季農(nóng)作物為小麥，第二季為水稻。休耕地從大塊農(nóng)田分割，自然未利用地為山坡林地。

1.2 六安市壽縣安豐塘鎮(zhèn)冉村試驗區(qū)

試驗區(qū)位于淮北南部及沿淮稻麥一年兩熟暖溫帶、沿淮沖積原區(qū)，土壤類型為水稻土，成土母質(zhì)是河流沖積物母質(zhì)。樣地周邊為大面積農(nóng)田，周邊無污染源。耕作地以稻、麥輪作為主。休耕地從大塊農(nóng)田分割，自然未利用地為林地。

1.3 六安市舒城縣杭埠鎮(zhèn)官圩村試驗區(qū)

試驗區(qū)位于沿江雙季稻一年兩熟北亞熱帶、杭埠河沖積原區(qū)，土壤類型為水稻土，成土母質(zhì)為河流沖積物。樣地周邊為大面積農(nóng)田，周邊無污染源。耕作地第一季農(nóng)作物為油菜，第二季為水稻。休耕地從大塊農(nóng)田分割，自然未利用地為林地。

2 不同土地利用方式碳含量特征

2.1 不同地類土壤碳含量特征

在選定的三個試驗區(qū)分三個年度和耕地、休耕地、荒地三個地類分別采集了表層土壤樣品。三個點不同時段及地類有機碳、全碳含量平均值見表1，同一時段不同地類碳含量見圖1。

圖1 同時段不同地類土壤碳含量對比圖Figure 1.Comparison of carbon content in soils of different land types in the same period

由表1可見，不同地類有機碳、全碳含量平均值顯示總體上依照耕地、休耕地、荒地有機碳、全碳含量依次升高，但具體到每個試驗區(qū)則各有差異。除杭埠鎮(zhèn)外，其他兩個試驗區(qū)休耕地有機碳、全碳含量明顯高于耕地，說明土地休耕后多數(shù)土壤會增加有機碳儲量。除馬湖試驗區(qū)外其他兩個試驗區(qū)荒地有機碳、全碳含量明顯高于休耕地及耕地，說明在自然狀態(tài)下，多數(shù)土壤碳含量具有明顯的積累。

表1 不同地類碳含量（%）Table 1.Carbon contents in different types of lands（%）

2.2 不同地類不同深度（剖面）碳量討論

2.2.1 不同地類不同深度土壤碳分布特征

本次各工作每個年度在耕地及荒地中按照0—10、10—15、15—20、20—30、30—40……的采樣間距采集了土壤剖面樣品。各試驗區(qū)土壤剖面有機碳含量分布特征見圖2，全碳分布特征見圖3。

圖2 各試驗區(qū)土壤剖面有機碳含量分布圖Figure 2.Distribution of organic carbon content in soil profile of each experimental area

圖3 各試驗區(qū)土壤剖面全碳含量分布圖Figure 3.Distribution of total carbon content in soil profile of each experimental area

由圖可見，有機碳及全碳在表層40cm以上土壤成急劇降低的趨勢，40cm以下趨于穩(wěn)定。不同地類比較，耕地土壤一般在30～40cm區(qū)段趨于穩(wěn)定，荒地則在20～30cm深度趨于穩(wěn)定，前者斜率要大于后者。說明在農(nóng)耕土壤經(jīng)耕作植物根系發(fā)育較荒地（林地）要深，影響深度達40cm左右，而林地土壤以草本植物為主未經(jīng)過翻耕，植物根系影響深度在30cm左右。

2.2.2 不同深度土壤碳儲量特征

根據(jù)剖面分層實測碳含量及實測土壤容重（表2），以樣點控制的120m2的采樣單元分層計算了剖面碳儲量。分層剖面土壤碳儲量見表2。為了進行對比研究，將各剖面均統(tǒng)一到1m深度，分別計算了20cm、1m深度土壤碳儲量（表2）。

由表2可以看出，不同地類各層土壤碳儲量相比，5～30cm深度各層土壤耕地碳儲量多數(shù)高于荒地，其他層位明顯低于荒地，說明在耕種條件下碳在-5～-30cm之間層位富集，而荒地多為林地，地面為草本，0～5cm厚度土壤含有大量腐殖質(zhì)，表層土壤荒地碳儲量大于農(nóng)田，而耕地在-5cm以下農(nóng)作物根系帶入的腐殖質(zhì)相對荒地要多，在-5～-30cm之間耕地土壤碳儲量大于荒地?；牡?m以上土壤碳儲量普遍高于農(nóng)田。各類土壤中50cm以上土壤有機碳、全碳碳儲量占1m深度土壤碳儲量的70%以上。

表2 不同地類不同年份不同深度土壤碳儲量統(tǒng)計Table 2.Statistics of soil carbon storage at different depths of soils of different land types and different years

續(xù)表2

續(xù)表2

2.3 不同時段碳含量變化特征

不同時段同地類土壤碳含量變化見圖4。由圖可見，耕地、休耕地有機碳隨著時間的推移，總體上均發(fā)生了累積，荒地除杭埠鎮(zhèn)外其他兩個地區(qū)也發(fā)生了累積，但不同年份季節(jié)有機碳含量變化較大。與初次采樣相比，除杭埠鎮(zhèn)試驗區(qū)外其他兩個區(qū)總體成上升趨勢。全碳變化較為復雜，耕地、休耕地與初次采樣相比總體呈上升態(tài)勢，而荒地杭埠鎮(zhèn)試驗區(qū)全碳有所降低，其他兩個區(qū)具有升高態(tài)勢。

圖4 不同年份不同地類土壤碳含量對比圖Figure 4.Comparison of carbon content in soils of different land types and different years

表3反映了最后采樣時段與初始土壤碳含量變化情況。由表可見碳含量增加的比例有機碳明顯高于全碳，有機碳在休耕地中增加的比例明顯高于其他地類，全碳則在荒地中增加比例最大。

表3 不同試驗區(qū)及不同地類碳含量累積量統(tǒng)計Table 3.Statistics of carbon content accumulation in different experimental areas and different land types

3 影響因素分析

不同類別土壤有機碳、全碳與其他指標相關(guān)系數(shù)見表4。由表可見，有機碳與全碳相關(guān)性顯著，相關(guān)系數(shù)達0.80，有機碳、全碳與N、Na2O、P、K2O、Cd、Hg、Pb、S、Zn、CaO、Al2O3、MgO呈正相關(guān)，與SiO2、As、Cr、Cu、Mn、Ni、TFe2O3、pH呈負相關(guān)。根據(jù)相關(guān)性，對土壤有機碳、全碳影響較大的元素為N、Na2O、P、K2O、SiO2。說明增加土壤肥力可以增加土壤碳含量，在質(zhì)地較粗（SiO2含量較高）的土壤中碳含量較低。

表4 有機碳、全碳與其他指標相關(guān)系數(shù)Table 4.Correlation coefficients between organic carbon,total carbon and other indicators

土壤剖面與表層土壤SiO2/Al2O3比值與有機碳、全碳相關(guān)性見圖5。土壤SiO2/Al2O3比值與土壤中不同顆粒含量（土壤質(zhì)地）相關(guān)性見圖6。

圖5 土壤剖面與表層土壤SiO2/Al2O3比值與有機碳、全碳相關(guān)性圖Figure 5.Correlation of SiO2/Al2O3 ratio vs organic carbon or total carbon for soil profile or topsoil

圖5顯示，土壤剖面表層以下土壤以砂粒級、黏粒級質(zhì)地物質(zhì)為主，二者占60%以上。表層土壤由于風化作用，硅質(zhì)淋濾，土壤SiO2/Al2O3比值高于深層土壤，土壤碳含量隨深度增加含量降低，表現(xiàn)出碳含量與土壤SiO2/Al2O3比值呈正相關(guān)性。而表層土壤以粉粒級物質(zhì)為主，多在總量的50%以上，隨著SiO2/Al2O3比值的增加粉粒物質(zhì)含量增加，該類土壤疏松程度較好，利于植物生長，土壤碳含量亦隨之增加。

由圖6可見，土壤剖面及表層土壤砂粒級、黏粒級含量與SiO2/Al2O3比值呈明顯的負相關(guān)，與粉粒級含量呈正相關(guān)。而土壤剖面及表層土壤SiO2/Al2O3比值與有機碳、全碳含量呈相反特征，剖面為正相關(guān)，表層土壤為負相關(guān)。

圖6 土壤剖面及表層土壤SiO2/Al2O3比值與各粒級土壤相關(guān)性圖Figure 6.Correlation of SiO2/Al2O3 ratio vs soil of each particle size for soil profile or topsoil

4 結(jié)論

（1）通過水稻土實驗樣地連續(xù)監(jiān)測表明，耕地、休耕地有機碳隨著時間的推移，總體上均發(fā)生了累積，荒地兩個地區(qū)也發(fā)生了累積，但不同年份季節(jié)有機碳含量變化較大。

（2）與初次采樣相比，除杭埠試驗區(qū)外其他兩個區(qū)總體成上升趨勢。全碳變化較為復雜，耕地、休耕地與初次采樣相比總體成上升態(tài)勢，而荒地杭埠試驗區(qū)全碳有所降低，其他兩個區(qū)具有升高態(tài)勢。

（3）最后采樣時段與初始土壤碳含量變化情況表明，碳含量增加的比例有機碳明顯高于全碳，有機碳在休耕地中增加的比例明顯高于其他地類，全碳則在荒地中增加比例最大。