不同年限土地整治土壤碳分布特征

曹婷婷, 孫嬰嬰, 王歡元, 杜宜春

(1.陜西省土地工程建設集團有限責任公司, 西安 710075; 2.陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司, 西安 710075;3.自然資源部 退化及未利用土地整治工程重點實驗室, 西安 710075; 4.陜西省土地整治工程技術研究中心, 西安 710075)

土地整理項目通過一系列生物、工程或綜合措施對土地資源按照土地利用規劃進行整治，這一過程不可避免地影響該區域碳平衡[1]。農田土壤有機碳(SOC)是全球土地系統極其重要的碳庫，提升農田土壤固碳能力不僅是增加土壤肥力和農業綜合生產能力的需要，也是減小溫室氣體，控制全球溫室效應的關鍵[2]。近幾年，中國大范圍開展土地整治工程以保障我國糧食安全，隨著經濟的發展，各省份土地增減掛鉤政策實施后，土地整治的市場需求也日益加大[3-5]。為了兼顧經濟發展與全球大氣候穩定的平衡，土地整治對土壤碳庫的影響逐漸成為學者關注的熱點。土地整治通過改變土壤結構、肥力及生物特性，導致土壤碳庫的輸入、輸出特征都發生變化，從而間接對土壤碳儲量產生影響[6-8]。有研究表明，合理的土地整治措施可將土壤表層有機碳固碳量提高4%～27%[9]，但由于各地區自然條件和人類干擾活動的不同，土地利用方式及其變化對土壤碳庫的影響和作用存在較為明顯的區域差異，土壤碳庫表現出復雜的時空變化，導致已有研究結果出現較大差異[10-13]。有研究表明土地整治通過直接影響土壤的理化性質及相關生態過程，間接地對土壤有機碳含量產生影響，該影響可能為正向或負向效應[14-18]，土地利用方式的改變對土壤有機碳密度影響明顯。

沙地、鹽堿地、廢棄宅基地是土地整治對象中重要的土地利用類型，將這類低效利用或未利用土地整治為有效耕地，在對耕地的數量進行有效補充的同時，經過作物種植培育，是否會對土地質量有提升，是否會對土壤碳庫產生影響，并以點帶面對大區域內土壤的碳循環產生影響，有待于系統探索。對此，本研究以不同土地整治年限的沙地、鹽堿地、廢棄宅基地為研究對象，以土壤碳含量和碳密度為主要指標，分析不同整治年限后土壤碳固持的演變規律，進一步探析土地整治年限對不同土地整治類型碳效益影響效果。

1 材料與方法

1.1 土地整治工程概況

本研究選取陜西省境內沙地、鹽堿地、廢棄宅基地的不同整治類型項目，以分析土地整治后經不同種植年限的培育，對土壤碳固持能力的影響。所選擇的3種土地整治類型、6個項目區，都通過土地整治技術的實施，滿足了作物生長基本要求，進行了不同年限的農用地耕種(表1)。

表1 樣地概況

1.2 樣品采集與分析

1.2.1 樣品采集與測定 以空間代時間的方法，于2016年10月，分別在每個項目地域內選擇已整治和未整治的樣地各3塊，作為重復，并在每樣地沿對角線隨機選取5個點，用土鉆按照0—10，10—20，20—40，40—60，60—80，80—100 cm逐層采集土壤剖面樣品，將5個樣點的同土層樣品混合后按照四分法預留土樣約1 kg。樣品經風干研磨，通過2 mm篩孔后貯存。采用總有機碳分析儀(Multi N/C?3100)進行土壤總碳含量和和總有機碳含量的測定，其差值為無機碳含量。同時采用挖掘剖面的方法，用環刀法測定相應土層土壤容重。

1.2.2 土壤碳密度計算 土壤碳密度是指單位面積一定深度土層中土壤碳的絕對儲量，是評價和衡量不同處理土壤中碳固定量的重要指標。依據土壤碳類型，土壤碳密度分為總碳密度、總有機碳密度和總無機碳密度3個指標。以土壤有機碳密度為例，某一土層土壤有機碳的密度(SOCi，t/hm2)計算如下：

SOCi=Ci×Di×Ei×(1-Gi)/10

(1)

若測定的土壤剖面范圍由m個土層組成(m=6)，該剖面土壤總有機碳密度(SOCi，t/hm2)計算公式如下：

(2)

式中：i為土層代號；Ci為i層土壤有機碳含量(g/kg)；Di為i層土壤容重(g/cm3)；Ei為i土層的厚度(cm)；Gi為i層內直徑>2 mm石礫所占的體積百分比(%)。

1.3 數據統計分析與繪圖

采用SPSS 16.0進行數據處理，并進行顯著性差異分析，用Origin 9.0進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 沙地土地整治后土壤剖面碳庫分布特征

經過分析榆林市不同年限風沙地整治前后0—100 cm剖面上土壤總碳、有機碳、無機碳含量(圖1)，可知：與整治前相比，沙地整治2 a后在0—100 cm剖面上土壤總碳、有機碳、無機碳含量均無顯著差異，其中0—10，10—20 cm有機碳分別降低16%，21%，而10—20 cm無機碳增高了103%。與整治2 a的土壤碳固持數據相比，整治6 a后沙地總碳含量則顯著增高，其中以在0—10，10—20，20—40，40—60 cm處趨勢最為顯著，分別增高了124%，163%，135%，107%；各土層有機碳均呈顯著增高趨勢，增幅為50%～70%，且增幅隨土層加深無明顯規律；無機碳與有機碳趨勢相似，但各層增幅達到4倍以上，其中40—60 cm土層增幅更是高達898%。

根據不同年限風沙地整治前后0—100 cm剖面上土壤總碳密度、有機碳密度、無機碳密度數據結果(表2)：與整治前相比，沙地整治2 a后土壤表層0—20 cm總碳密度、總有機碳密度顯著降低，無機碳密度在土壤剖面各層有增有減，其中0—10，10—20 cm處總碳密度分別降低31%，17%，有機碳密度分別降低31%，29%；整治后6 a，風沙地總碳、有機碳、無機碳密度則比整治前和整治2 a后都呈顯著上升趨勢，各土層增幅都在30%以上，其中無機碳密度在0—10，10—20，20—40，40—60，60—80，80—100 cm處分別增高427%，996%，789%，402%，653%，635%，增幅最為顯著(p<0.05)。從0—100 cm深度內碳的總密度上看，與整治前相比，風沙地在整治2 a后碳儲量不升反降，但整治6 a后碳儲量則顯著增高。

圖1 榆林風沙地土壤剖面總碳、有機碳、無機碳含量變化

2.2 廢棄宅基地土地整治后土壤剖面碳庫分布特征

不同年限廢棄宅基地整治前后0—100 cm剖面上土壤總碳、有機碳、無機碳含量如圖2所示，經分析：與整治前相比，廢棄宅基地整治3 a后在0—100 cm剖面上土壤總碳含量無顯著差異(p<0.05)；有機碳在10—20，20—40，40—60，60—80 cm各層內都有小幅度提升，分別增高了16%，31%，38%，28%；無機碳在0—100 cm剖面上各層均有所降低但差異不顯著。與整治前和整治3 a后相比，廢棄宅基地整治7 a后總碳含量在0—100 cm剖面上土壤總碳含量無顯著差異；有機碳在0—10，10—20，20—40 cm處比整治后3 a分別提升了34%，15%，8%；無機碳含量在20—40 cm處降低18%，其余各層無機碳含量均有小幅降低。

表2 榆林市榆陽區風沙地土壤剖面碳密度變化 t/hm2

注：不同小寫字母表示同一土層深度的相同指標在不同整治年限間p<0.05水平上差異顯著，下表同。

圖2 渭南澄縣廢棄宅基地土壤剖面總碳、有機碳、無機碳含量變化

根據不同年限廢棄宅基地整治前后0—100 cm剖面上土壤總碳密度、有機碳密度、無機碳密度數據(表3)，整治3 a后土壤總碳密度的變化與土壤碳含量的變化規律一致。與整治前相比，廢棄宅基地整治3 a后土壤總碳密度無顯著差異(p<0.05)，有機碳密度總體呈上升趨勢，在10—20，20—40，40—60，60—80 cm處分別增高17%，31%，38%，28%，無機碳密度在各層均有降低但差異不顯著(p<0.05)；整治7 a后總碳密度較整治3 a后均有進一步提升，總碳密度在0—10，10—20 cm處分別增高40%，34%；有機碳密度在0—10，10—20 cm處分別增高83%，53%；無機碳密度在各層增減不一，均無顯著差異。

2.3 鹽堿地土地整治后土壤剖面碳庫分布特征

不同年限鹽堿地整治前后0—100 cm剖面上土壤總碳、有機碳、無機碳含量如圖3所示，與整治前相比，鹽堿地整治2 a后土壤剖面總碳含量呈表層降低、中深層上升趨勢，在0—10，10—20 cm降幅分別達到63%，47%；有機碳含量呈表層和深層降低，中層增高趨勢，其中10—20，20—40，40—60 cm處分別增加了41%，42%，35%；無機碳含量同樣呈表層降低、中深層增高趨勢。鹽堿地整治4 a后，土壤剖面總碳、有機碳、無機碳含量整體趨勢與整治2 a后趨勢較為一致，但其表層總碳、有機碳和無機碳含量有一定幅度的回升，其中0—10，10—20 cm的總碳含量較整治2 a后分別增加了104%，39%，0—10 cm有機碳含量增加了4%，0—10，10—20 cm無機碳含量則分別增加了178%，79%。

根據不同年限鹽堿地整治前后0—100 cm剖面上土壤總碳密度、有機碳密度、無機碳密度(表4)，鹽堿地整治后2，4 a碳密度的變化趨勢與碳含量的變化趨勢基本一致。隨整治年限增加，總碳、無機碳在剖面上均呈表層先降后升趨勢，在深層則有持續增高趨勢。其中，鹽堿地整治2 a后，總碳密度在0—10，10—20 cm分別降低61%，46%，而整治4 a后，總碳密度在這兩層內較整治2 a分別回升130%，40%。有機碳密度在0—10，10—20 cm分別增高17%、降低12%，而整治4 a后，無機碳密度在這兩層內較整治2 a后分別回升214%，80%。

表3 渭南澄縣廢棄宅基地土壤剖面碳密度變化 t/hm2

圖3 鹽堿地土壤剖面總碳、有機碳、無機碳含量變化

3 討 論

3.1 土地整治對沙地土壤剖面碳庫的影響分析

風沙地的整治能有效增加土壤碳含量。風沙地整治前土壤屬砂質土，整治后屬砂壤土，土壤容重變化不大，因此土壤剖面碳密度與碳含量的變化趨勢較為一致。整治初期引入砒砂巖，利用其中的無機膠體與沙復配，使之初步具備種植條件[19]。在實施土地整治工程2 a后，因為施工中工程措施的擾動，風沙地表層土壤碳庫中的有機碳會降低，而表層無機碳則會因為工程措施及作物收獲需求帶入而增高。但其主栽作物馬鈴薯產量低、根系縱向生長不明顯，這是無機碳在20 cm以下土層變化不顯著的原因之一[20]。整治6 a后作物根系延伸的緩慢作用下，根系分泌物和根系殘留物逐年積累，促使土壤微生物數量遞增[21-24]，因而促使了沙地土壤有機碳的持續提升。盡管砒砂巖與沙復配的土層厚度僅為30 cm，但由于作物根系的延伸作用，實現了0—100 cm土壤碳含量和碳密度的顯著增加。這一過程體現了沙地從固有的母質屬性向微弱的成土和成壤過程轉變[25]。

3.2 土地整治對廢棄宅基地土壤剖面碳庫的影響分析

廢棄宅基地取樣地位于旱塬地區，該地廢棄宅基地舊址選址范圍廣，早期人類根據傳統經驗選擇土壤質量優良的區域定居[26-28]，這也導致土地整治前，廢棄宅基地的土壤質量相對較好，野生植被較多，因此整治前后土壤碳含量差異較小。但由于容重變化程度大于碳含量變化程度，所以整治7 a后碳含量盡管無顯著增加，但碳儲量有上升趨勢。同時，10—40 cm土層作為作物根系主要分布土層，根系分泌物和殘留物的累積，可能是該深度內有機碳隨整治年限增加而增加的主要原因。但旱塬地區降雨量相對較高，土壤中淋溶作用更為明顯，加之根系呼吸作用導致該層土壤空氣中積累了高濃度的CO2，促使難溶性無機碳酸轉變為易溶性的碳酸鹽而極易遷移，這導致土壤剖面無機碳含量出現不同程度減少的現象，且整治后年限越長、耕作作用越明顯，無機碳含量下降幅度越大[29]。此外，隨著整治年限的增加，容重變化程度大于碳含量變化程度，因此廢棄宅基地剖面碳含量較為穩定，但碳儲量卻隨整治年限增加有一定增加趨勢。

表4 鹽堿地土壤剖面碳密度變化 t/hm2

3.3 土地整治對鹽堿地土壤剖面碳庫的影響分析

鹽堿地整治能有效增加深層土層的碳含量，但表層碳含量則可能出現降低現象。由于本研究中鹽堿地整治中地面覆有一定富含碳酸鹽的細沙量，受灌溉等措施影響，碳酸鹽向深層淋溶，因此深層碳含量尤其是無機碳含量有增加趨勢，且隨著整治年限延長增幅更加顯著，而表層碳含量則在整治后耕種初期呈現下降趨勢。隨著整治后耕種年限增加，鹽堿地土壤逐步熟化，植物根系與土壤共同營造的土壤生態環境質量得到一定提升，覆沙向下運移作用減弱，土壤剖面總碳和無機碳的碳儲量增幅增加，整治初期表層下降的碳儲量也隨之回升[31]。耕地在促進有機礦物質形成的同時，還會影響土壤有機碳在土壤不同深度的重新分配[32]。因此鹽堿地整治對土壤碳庫的影響在初期會因為工程措施擾動使得土壤碳儲量降低或者無顯著變化，但經多年種植后，整治后項目區對土壤碳庫有顯著貢獻。

4 結 論

土地整治工程作為能有效優化土地利用的重要手段，其實施對于土壤碳固持的定性、定量影響都有待系統分析。本研究結果表明，因土壤基本性質和工程實施技術的差異，不同類型土地整治對于土壤碳固持特征的影響不盡相同，隨土地整治年限的增加，土壤碳固持的變化趨勢也各不相同。整體而言，風沙地、廢棄宅基地、鹽堿地整治對于土壤碳固持能力都有一定改善作用，且這種作用在作物種植與工程措施實施兩方面的綜合效應下，會隨著整治年限的延長，而更加明顯。

(1) 由于砒砂巖中黏粒等膠結性物質對于風沙土團聚能力的有效改善，加上土壤剖面上作物根系分泌物和殘留物逐年積累，使得復配土碳固持能力顯著提升，因此砒砂巖與沙復配成土技術有效提升了風沙土中碳含量和碳密度，增強風沙地的碳匯功能，且碳儲量增幅隨整治后種植年限增加而增加。而且由于干旱地區作物根系較深，促使這種固碳效應深入到了0—100 cm深度的風沙地中、深層土層，實現了良好的生態效益。

(2) 廢棄宅基地整治前土壤基本條件相對較好，因此隨整治年限增加，土壤整體碳固持能力尤其是碳含量差異不明顯。但由于旱塬地區0—40 cm土層濕度相對穩定，整治后作為作物根系主要分布土層，作物根系呼吸使該層土壤空氣中積累高濃度的CO2，因此隨著整治年限的增加能適量增加表層有機碳含量。此外，隨著整治年限的增加，容重變化程度大于碳含量變化程度，因此廢棄宅基地剖面碳含量較為穩定，但碳儲量卻隨整治年限增加有一定增加趨勢。

(3) 鹽堿地整治過程中，因為表層覆沙作用促進無機碳向下運移，因此整治初期土壤表層無機碳降低，深層無機碳增加。但隨著整治年限的持續增加，土壤持續改良，表層無機碳有所回升，剖面無機碳儲量顯著增加，總儲量顯著增高。