利用方式與成土母質對金衢盆地土壤有機碳積累及其穩定性影響的研究

劉國群,章明奎

(1.浙江省衢州市柯城區土肥與農村能源技術推廣站,浙江 衢州 324000;2.浙江大學 環境與資源學院,浙江 杭州 310058)

有機碳含量是評價土壤質量的重要指標,除可直接影響土壤養分的供應外,其還可對土壤的物理與化學性狀產生多個方面的影響[1～4]。在我國土壤養分評級標準中,對優質耕地的土壤有機質含量也有專門的約定[5,6]。近年來,我國許多地方在開展的耕地地力提升工作中沒有例外地都把土壤有機碳含量作為重要的提升目標之一。眾多研究表明,農田土壤有機碳的積累深受有機物質投入水平的影響,隨秸稈還田數量與還田歷史、商品有機肥施用量的變化而變化,因此,采取多種途徑投入有機物料被認為是提升耕地土壤有機碳含量的主要措施[7～12]。南方地區土地利用方式和經營手段復雜,利用方式的差異可在一定程度上改變農田有機物質的投入及土壤水溫狀況,后者可直接影響土壤中有機物質的礦化和腐殖化過程[13～14]。另一方面,一些調查也發現,土壤有機質含量可隨氣候條件、土壤類型和土壤礦物組成等有較大的差異[15]。土壤團聚體是土壤結構的基本單元,有機碳是團聚體形成的重要膠結物質,有機碳數量的增加可以促進團聚體的形成,提高團聚體的穩定性[16～20]。而形成良好的結構體反過來又可促進土壤有機碳含量的穩定性,維持土壤微生物的多樣性。土壤中有機碳的數量還與形成水穩定性團聚體的基礎物質(土壤礦物質)密切相關,而基礎物質與土壤成土母質密切相關。浙江省金衢盆地是亞熱帶地區典型的丘陵紅壤分布區,也是浙江省重要的糧、果等商品的生產基地。通過多年的培肥,這一地區內耕地質量有明顯的提高；但一些區域耕地質量調查也表明,區內耕地質量存在著較大的空間異質性[21～22]。為了揭示這些差異的原因,本研究從利用方式和成土母質角度分析了金衢盆地土壤有機碳積累及其組分的變化特點,以期為科學培肥提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

金衢盆地位于浙江省中西部,是我國南方著名的紅色盆地之一,因內有金華、衢州兩市而得名。金衢盆地東起東陽市，西至衢州市,東西長逾200 km,平均寬逾20 km,是浙江省木材、糧食、柑橘、花卉、生豬生產的重要基地。金衢盆地形成于晚燕山期,邊緣受斷裂控制,基底為前震旦系—上古生界,蓋層為白堊系河湖相沉積巖及火山巖,由山地、丘陵和河谷平原等地貌類型組成,廣泛分布有第四紀紅土、紫砂巖、紅砂巖、花崗巖、石英砂巖和泥頁巖等巖石；區內土壤類型包括紅壤、黃壤、紫色土、水稻土和粗骨土等。該盆地開發歷史悠久,人為活動對土壤性狀有較大的影響。屬于典型的亞熱帶季風氣候,年平均溫度約17.5 ℃,年均降水量為1350 mm。

1.2 樣品采集

于2018年10～12月共從金衢盆地采集96個表層土壤樣品和16個代表性剖面的80個分層土壤樣品,表層土壤的采樣深度為0～20 cm,每個樣品由采樣地5個點土樣混合而成。剖面樣品的采樣深度分別為0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm。采集的土樣涉及第四紀紅土、變質巖、紫砂巖和紅砂巖等4類成土母質,每類成土母質的表層土樣各24個,剖面土樣各4個;每一類成土母質的表層土樣由林地、水田、旱地和果園等4類土地利用方式的6個土樣組成,每一種利用方式的土壤剖面土樣各1個。選擇的各類土地利用樣點要求保持現狀利用10年以上。挖掘的土壤剖面長×寬×深為80 cm×80 cm×100 cm,按20 cm的深度間隔采集分層土壤樣品。在采集分層土壤的同時,用環刀法測定每層土壤的體積質量(容重)。將采集的表層土壤樣品分為2個部分,一部分沿土壤自然結構輕輕地掰碎成粒徑<10 mm的小土塊,自然風干,用于分離不同組分的有機碳(TOC)和測定水穩定性團聚體;另一部分樣品經風干、剔除其中石塊及植物殘體等雜質后過0.15 mm土篩,測定土壤性質。

1.3 分析方法

采用密度分離與濕篩法分組相結合的方法分離土壤有機碳組分[23]。首先,用密度為1.85 g/cm3的NaCI溶液分離得到游離態輕組(fLF)和重組(HF);之后,向剩余重組中加入0.5%(w/v)六偏磷酸鈉(HMP)溶液,振蕩18 h,通過0.053 mm的篩子,分別得到顆粒有機碳(POC，粒徑>0.053 mm)和礦物結合態有機碳(mSOC，粒徑<0.053 mm),將各組分在40 ℃下烘干、稱重,測定有機碳含量。土壤及其各組分有機碳含量采用重鉻酸鉀氧化法[24]進行測定。水穩定性團聚體含量用濕篩法測定。土壤剖面有機碳貯量采用以下公式計算:1 m深度有機碳貯量(kg/m3)=∑容重×有機碳含量×土層厚度。

1.4 數據分析

采用SPSS 19.0和Excel 2003對試驗數據進行統計分析,使用Origin 8.0軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 成土母質對表層土壤有機碳積累及其組分的影響

表1結果表明,成土母質對土壤的粘粒含量、CEC和水穩定性團聚體含量有顯著的影響,第四紀紅土和變質巖發育的土壤粘粒含量明顯高于紫砂巖和紅砂巖發育的土壤;在4種母質發育的土壤中,第四紀紅土發育土壤的>0.25 mm水穩定性團聚體含量最高,紅砂巖發育的土壤>0.25 mm水穩定性團聚體含量最低,兩者差異顯著;CEC以變質巖和紫砂巖發育的土壤最高,紅砂巖發育的土壤最低,它們之間的差異也達到了顯著水平。

由表2可知,成土母質對土壤有機碳積累有顯著的影響,第四紀紅土和變質巖發育的土壤的有機碳含量明顯高于紅砂巖發育的土壤;同時,第四紀紅土發育土壤的有機碳含量也明顯高于紫砂巖發育的土壤。在4種母質發育的土壤之間游離態碳占有機碳的比例(fLF/TOC)差異不明顯,但紅砂巖發育土壤的顆粒有機碳占有機碳的比例(POC/TOC)明顯高于其他母質發育的土壤;而第四紀紅土和紫砂巖發育土壤的礦物結合態有機碳占有機碳的比例(mSOC/TOC)明顯高于紅砂巖發育的土壤,表明前者的有機碳穩定性明顯高于后者。由于礦物結合態有機碳主要是與粘粒結合,故mSOC/粘粒的比值基本上可反映粘粒中礦物結合態有機碳的飽和度。表2的結果表明紫砂巖發育土壤的mSOC/粘粒明顯高于第四紀紅土發育的土壤,且紅砂巖和變質巖發育土壤的mSOC/粘粒的平均值也高于第四紀紅土發育的土壤。在4種母質發育的土壤之間C/N差異不顯著。

表2 不同成土母質發育的表層土壤的有機碳含量及其組分構成

2.2 利用方式對表層土壤有機碳積累及其組分的影響

從表3可以看出,利用方式對土壤有機碳積累及其組分也有較大的影響。水田和林地土壤的有機碳積累明顯,高于旱地;果園土壤的有機碳含量高于旱地的,前者比后者高24.94%。林地土壤具有最高的游離態碳占有機碳的比例(fLF/TOC),其明顯高于其他用地的土壤;園地和水田的fLF/ TOC也明顯高于旱地的。林地土壤的顆粒態碳占有機碳的比例(POC/TOC)明顯高于旱地土壤的；相應地,林地土壤的礦物結合態碳占有機碳的比例(mSOC/TOC)明顯低于旱地土壤的；在其他用地之間POC/TOC和mSOC/TOC均不存在顯著差異。水田土壤具有明顯高于其他用地的mSOC/粘粒,表明水田土壤具有較高的mSOC飽和度。林地土壤具有較高的C/N,明顯高于其他用地的土壤,可能與林地缺乏肥料氮的施用有關。

表3 不同利用方式表層土壤的有機碳含量及組分構成

2.3 利用方式與成土母質對土壤剖面中有機碳貯量的影響

表4為不同成土母質和不同利用方式下16個代表性土壤在1 m深土體中有機碳的貯量及其在各土層的占比構成。從表4中可知,利用方式和成土母質對土壤有機碳貯量有一定的影響。1 m深土體中有機碳貯量表現為:變質巖>第四紀紅土>紫砂巖>紅砂巖,這與上述的表土有機碳含量的變化趨勢一致。在不同利用方式下土壤有機碳的貯量也以水田最高,其次為林地,以旱地最低。從各土層中有機碳的占比構成可知,土壤中有機碳主要分布在表層土壤,占1 m深土體中有機碳總貯量的35%～55%,且表層土壤有機碳貯量占比最高的為旱地,說明旱地土壤有機碳存在明顯的表聚特點;而表層土壤有機碳貯量占比最低的為水田,其深層土壤中有機碳貯量的占比明顯高于其他用地的,表明水田深層土壤具有較高的有機碳積累潛力。果園和林地在剖面各土層的有機碳分配較為均勻。

表4 利用方式與成土母質對土壤中有機碳貯量及其在各土層中占比的影響

表5為不同成土母質和不同利用方式下16個代表性土壤剖面各土層活性有機碳(游離態和顆粒態有機碳之和)占有機碳的比例。結果表明,該比例均呈現出由表層向底層土壤逐漸下降的特點,這顯然與有機碳主要來自地表有關;但該比例隨剖面深度加大而下降的幅度因利用方式不同有所差別,其中旱地土壤在深度20 cm時活性有機碳比例發生了明顯的下降,水田土壤在深度40 cm時比例發生了明顯的下降,而林地與園地的該比例發生明顯變化的深度在60 cm左右。

表5 利用方式與成土母質對各土層活性有機碳比例的影響 %

3 討論

土壤固碳能有效減緩氣候變化,而且也可明顯提高土壤肥力和作物生產力。本研究結果表明,成土母質和不同利用方式對金衢盆地土壤有機碳積累及其穩定性均有一定的影響。在4種成土母質發育的土壤中，表層有機碳含量以變質巖發育的土壤最高,其次為第四紀紅土,而紅砂巖發育土壤的有機碳含量最低。由于土壤中的有機碳只有與土壤團聚體緊密結合才能避免被分解，從而積累在土壤中,因此不同成土母質發育土壤中有機碳含量的差異可能與不同母質發育土壤的粘粒含量和CEC不同有關,即粘粒含量和CEC越高,越容易形成水穩定性團聚體,土壤中有機碳越穩定,越容易積累。對96個表層土壤的性狀相關分析表明,土壤有機碳含量與粘粒含量、CEC、>0.25 mm水穩定性團聚體的相關系數分別為0.4830、0.7021和0.7561,均達到了顯著相關的水平。粘粒含量和CEC較高的土壤有利于水穩定性團聚體的形成,可以對土壤中的有機碳起到保護作用,減免土壤中有機碳的礦化。從4種母質發育土壤的穩定有機碳(mSOC)與粘粒含量的比值(mSOC/粘粒)可知：紫砂巖發育土壤的該比值平均已達57.65 g/kg,明顯高于其他成土母質發育的土壤；而第四紀紅土發育土壤的mSOC/粘粒平均值只有33.15 g/kg。這表明紫砂巖發育土壤的有機碳飽和度已達到較高水平,而第四紀紅土發育的土壤仍具有較大的固碳潛力。

在本研究的4種土地利用方式下，表層土壤和1 m深土體中有機碳的平均貯量表現為:水田>林地>果園>旱地。這一結果表明水田具有最大的固碳潛力,對減緩稻作系統的凈溫室效應具有重要作用；而旱地的固碳潛力最弱,這與有關學者報道的結果[13,25,26]一致。水田具有較強的固碳潛力與其水作環境有關,一方面長期淹水種植水稻,導致了土壤通氣性明顯低于旱地和園地,減弱了土壤有機碳的礦化速率,從而促進了土壤有機碳的積累;另一方面,長期淹水種植使土壤剖面中有較多的水分向下移動,促進了表層小分子有機碳(主要為腐殖質碳)向深層土壤遷移,大大增加了深層土壤有機碳的積累,而深層土壤由于通氣性較差,有機碳的穩定性較高。這一結果表明,水田不僅有機碳含量較高,而且比旱地具有更強的固碳能力、更長的固碳期限和更高的固碳效率。

本研究結果還表明,土壤中活性有機碳占有機碳的比例在土壤剖面中的垂直變化也因利用方式不同而存在較大的差異。旱地、水田和林地與園地土壤活性有機碳與有機碳的比例發生明顯變化的土層深度分別在20、40和60 cm左右。其中,旱地表層土壤與20 cm以下土層活性有機碳與有機碳的比例存在明顯差異,這顯然與旱地作物根系較淺,缺乏有機碳進入深層土壤有關。林地與園地土壤剖面中活性有機碳占有機碳的比例發生明顯變化的土層深度較深(在60 cm左右),可能與這2種土地利用方式的植物根系分布較深有關,因為20～60 cm土層的活性有機碳主要來源于植物根系的分泌物。水田雖然在深層土壤中具有明顯高于果園和林地土壤的有機碳貯量,但其40 cm以下土層中活性有機碳貯量并不高,這可能因為水田中下層積累的有機碳主要來源于表層腐殖酸碳向下的移動。

4 結論

對浙江省金衢盆地由第四紀紅土、變質巖、紫砂巖和紅砂巖等4類成土母質發育的4種不同土地利用方式下土壤有機碳及其組分的研究結果表明：成土母質和不同利用方式對金衢盆地土壤有機碳積累及其穩定性均有一定的影響；成土母質對土壤有機碳積累的影響主要與不同母質形成的土壤粘粒含量、CEC及水穩定性團聚體數量有關,這些因素會改變土壤有機碳的穩定性。4類母質發育的表土有機碳平均含量排序為:變質巖>第四紀紅土>紫砂巖>紅砂巖。土地利用方式對土壤有機碳含量的影響主要與不同種植條件下有機物質的輸入及土壤水分狀況有關。1 m深度土體內有機碳的貯量表現為:水田>林地>園地>旱地。果園與林地20～60 cm土層中活性有機碳占總有機碳的比例較高;而水田深層土壤的活性有機碳占比較低。