晋南县域农田生态系统土壤碳氮时空变化特征

2013-09-15李新民杨萍果邓树元

山西农业科学 2013年2期

李新民，杨萍果，邓树元

（1.新绛县农业委员会，山西新绛043100；2.山西师范大学生命科学学院，山西临汾041000；3.襄汾县农业委员会，山西襄汾041500）

土壤是地球表层系统中最大且最活跃的碳库之一（1 550 Pg），约为大气圈和生物圈碳库的2.5倍[1-2]。欧盟和美国、加拿大、FAO自2002年纷纷出台国家级综合研究项目，分析农业土壤的固碳潜力及其实现的途径，以作为控制制定CO2排放清单及CO2减排配额的依据[3]。土壤有机碳（SOC）是土壤的重要组成部分，在土壤肥力、环境保护、农业可持续发展等方面均起着极其重要的作用。土壤有机碳库是陆地生物圈中最大的碳库，约占陆地生态系统总碳储量的2/3，其中，农田有机碳库占全球陆地碳库的8%～10%[4]。农田具有大气CO2源和库的双重潜力。由于人类过度开垦和耕种，造成土壤有机质含量大幅度下降，同时大量的碳以CO2形式排放到大气中；而免耕、提高复种指数、合理地轮作换茬等措施能够提高农田土壤有机质含量，使农田起到大气CO2汇的作用[5-9]。

农田土壤碳、氮循环是农业与陆地生态系统碳、氮循环及全球变化研究的重要科学问题之一。土壤有机碳的积累不仅可以提高土壤生产力，还能减缓大气CO2浓度的提高。在全球陆地生态系统碳库中，只有农业土壤碳库是强烈人为干扰而又可以在较短的时间尺度上调节的碳库[10]。土壤有机质是耕地地力最重要的性状之一，被认为是土壤质量和功能的核心，在全球生态系统价值评价中被认为是仅次于淡水的重要自然资源。氮素是植物的主要养分来源之一，在地球上大多数地方都是陆地植物生长的主要限制因子。本研究探讨了1980—2010年晋南农田生态系统土壤有机碳的储存与动态变化，对于正确评价农业生产对全球气候变化的影响，实现可持续的低碳农业提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

以山西南端的襄汾县为研究区域。襄汾县地处东经 111°04′～111°39′，北纬 35°42′～36°02′，土地总面积1 034 km2，耕地面积6万hm2，年均气温12.6℃，年降水量420～650 mm。汾河由北向南纵贯全境，土壤为黄土及黄土状母质，以碳酸盐褐土、山地淋溶褐土、草甸土土壤类型为主，属暖温带半干旱大陆性气候。植被以冬小麦—夏玉米轮作为主，是人类活动影响和干扰较为强烈的地区。

1.2 样品采集

考虑土壤类型、土地利用状况、样点分布均匀性等因素，2010年在小麦收割以后，用GPS记录取样点的经纬度，在研究区采集农田耕作层0～20 cm土样100个，以每个取样点为中心，在直径10 m范围内随机取8～10钻土样组成1个混合土样，带回实验室分析备用。

1.3 测定方法

土壤样品经自然风干，过0.5 mm筛，采用重铬酸钾油浴外加热法，测定土壤有机碳（SOC）含量；用半微量开氏定氮法测定土壤全氮（TN）含量。

1.4 数据分析

用SPSS13.0软件进行土壤碳、氮的描述性统计、正态分布性检验。

2 结果与分析

2.1 农田耕层土壤碳、氮统计学分析

变异系数（CV）是反映特性参数的空间变异程度，可揭示区域化变量的离散程度，一般认为，CV＜10%为弱变异性，10%≤CV≤100%为中等变异，CV≥100%为高度变异[11]。从表1可以看出，2个不同时期土壤碳、氮含量及碳氮比的范围不同，1980年研究区农田土壤SOC的最大值为21.75 g/kg，最小值为2.13 g/kg，最大值为最小值的10倍；TN的变幅为0.17～2.80 g/kg，极差为2.63 g/kg；C/N最小值为 7.77，最大值为 12.56，均值为10.19。土壤SOC，TN和C/N的变异系数分别为59.33%，51.43%和22.47%，属中等变异。2010年研究区农田耕层土壤SOC，TN和C/N的平均值分别为6.62，1.01，7.12 g/kg，变异系数分别为58.10%，41.31%和66.30%，变异系数小于100%，说明土壤有机碳、全氮、碳氮比属中等变异，在研究区内分布不太均匀。

表1 土壤有机碳和全氮描述性统计 g/kg

土壤C/N是衡量土壤C，N营养平衡状况的指标，是土壤质量的敏感指标之一，其演变趋势对土壤碳、氮循环有重要影响[12-14]。土壤C/N通常被认为是土壤氮素矿化能力的标志，C/N低有利于微生物在有机质分解过程中的养分释放、土壤中的有效氮增加。1980—2010年，随着时间的递增，30 a间SOC和C/N表现为减少的趋势，平均值分别减少了0.51 g/kg和3.07；而土壤全氮含量表现为增加的趋势，增加了0.31 g/kg；C/N的变异系数变化最大，这主要是由于人类对土壤高强度集约化利用以及高化学投入下的有机碳库损失，开发强度大，气候干旱，农业土壤有机碳相对较低，而化肥特别是氮肥的大量使用，有机肥的用量减少。

2.2 不同土壤类型农田耕层碳氮分析

土壤类型不同，腐殖质在土体内积累的数量存在明显差异。由表2可知，山地淋溶褐土有机碳含量最高，平均为19.74 g/kg；沼泽化浅色草甸土有机碳含量平均为14.94 g/kg，腐殖化过程都比较强烈；山地褐土、碳酸盐褐土性土、碳酸盐褐土耕层SOC相差不大，水稻土SOC含量平均为7.33 g/kg。土壤全氮的变化规律与SOC相似。

根据山西省第2次土壤普查省、县级资料（表2）可知，在所有土壤类型中，有机碳和全氮含量褐土土壤最高，其次是草甸土，最低的是水稻土；而C/N却是草甸土＞褐土＞水稻土，这是由于褐土主要发育在黄土母质上，分布于中、低山区以及丘陵、汾河河谷阶地，地势较高，排水良好。在暖温带干湿季节明显交替的半干旱季风气候条件下，高温多雨季节同时出现在夏秋之交，此时有机质形成最多，生物活动旺盛，但在干旱季节中有机质迅速转化，积累不多。

表2 不同土壤类型的农田耕层土壤碳、氮含量

2.3 农田耕层土壤碳氮变化的环境意义

1980—2010年，临汾盆地襄汾县农业管理措施在耕地地力和作物产量上均有较大幅度提高，30 a间土壤有机碳含量变化不大，略有所减少，减少了7.15%，变幅为6.62～7.13 g/kg，这与施化肥条件下东北黑土SOC含量有降低趋势相似[15]。全氮含量显著增加，增加了44.29%，使C，N比值从1980年的10.19下降到2010年的7.12，C/N的下降对土壤微生物的活动能力有一定的促进作用，使有机质和有机氮的分解矿化速度加快，土壤固碳能力下降，有机质含量降低，这与江西余江县1980—2002年水稻土C/N发生明显下降的研究结果相似[11]，对土壤环境十分不利。主要因为一年两熟小麦/玉米的轮作习惯，随着机械化作业程度的提高、耕作制度及管理水平的完善，在追求高产的前提下，氮肥的大量施用，而有机肥的用量减少，碳氮平衡投入是维持土壤碳氮循环平衡的关键。

气候变化也是影响农田生态系统碳氮循环的重要因素。水热因子与土壤有机碳和全氮的关系密切，而且年均降水量和年均气温是影响土壤有机碳和氮的2个重要自然因素。一般认为，温度越低、年降水量越高，土壤有机碳越趋向于积累。1980年研究区的年均降雨量为422.7 mm，到2010年年均降雨量为512.9 mm；而1980，2010年的年均气温分别为12.2，14.1℃，30 a间气温和降雨量都有所增加，使土壤有机碳积累减慢。

3 结论与讨论

农田土壤有机碳水平不仅影响到土壤生产潜力的高低，而且其动态变化和区域差异也直接关系到土壤有机碳与大气CO2交换的生态环境效应。农田土壤中氮素积累使土壤生物可以固定更多的碳于有机质，经过长期耕种土地的碳、氮动态变化很大程度上受耕作、轮作、施肥等农业措施的影响。在土壤有机质越高的地区，随着氮素投入水平的提高，有机碳积累越困难，容易引起C/N的降低，因此，为了增强土壤的固碳潜力、增加土壤汇集碳、氮的能力、保持C/N的稳定，应大力推广秸秆还田和增施有机肥。

土壤有机碳与温室气体有着密切的关系，其变化直接影响着CO2的排放量。为减缓气候变化的不利影响，在农田管理方面，应通过大力推广免耕技术，增加秸秆还田面积，合理地施用化肥和有机肥等有效的措施来固定土壤碳。从固碳潜力来看，免耕、配方施肥和秸秆还田的作用较大，能使土壤有机碳在一定的时间段内达到较高的平衡值。增加土壤有机碳含量可以减缓温室气体排放和降低生产成本、减少过量施用化肥所造成的污染等，对于生态环境的保护具有十分重要的作用。

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