生态型土地整治工程对土壤固碳能力的影响研究

梁 颖，耿 槟，鲍海君

（1.浙江财经大学东方学院工商管理分院，浙江·嘉兴 314408；2.浙江财经大学经济和社会发展研究院，浙江·杭州 310018；3.浙江财经大学城乡规划与管理学院，浙江·杭州 310018）



生态型土地整治工程对土壤固碳能力的影响研究

梁 颖1，耿 槟2，鲍海君3*

（1.浙江财经大学东方学院工商管理分院，浙江·嘉兴 314408；2.浙江财经大学经济和社会发展研究院，浙江·杭州 310018；3.浙江财经大学城乡规划与管理学院，浙江·杭州 310018）

摘 要：针对中国农田整治存在的土壤固碳能力降低问题和生态景观工程实施要求，基于实证区土壤样点化验数据，对传统型土地整治和生态型土地整治前后有机碳含量和有机碳密度的差异进行了实证分析，围绕工程措施、结构调整措施、区域划定，提出了增强土壤固碳能力的生态型土地整治工程改革建议。

关键词：土地整治；生态工程；固碳；碳储量；碳含量；碳密度

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农田土壤有机碳（SOC）是全球土地系统极其重要的碳库，据估计农田SOC含量为植物碳含量（5.5×1017g）的3倍、大气圈碳含量（7.5×1017g）的2倍［1］。提升农田土壤固碳能力不仅是增加土壤肥力和农业综合生产能力的需要［2］，也是履行《京都议定书》、哥本哈根协议等国际公约减少温室气体以及制定应对政策的关键点［3］。

近年来，中国大范围开展的土地整治在巩固国家粮食安全的资源基础中发挥了巨大作用［4］。但是，由于缺乏生态景观理论和技术指导，传统型土地整治工程过度追求“田成方、路成网、渠相通、树成行”的标准化建设，通过推土机式的力量对土地进行过分的改造，轻视循环、共生，致使大量需生态化的沟渠路被过度硬化，多样化的小树林被砍掉，水塘被填埋，河流被拉直［5］，对农田SOC平衡造成强烈干扰，有机碳加快排放到大气中可能会加剧气候变化。通过生态型土地整治工程保护土壤碳汇能力越来越受到相关学者的关注［6～10］。从理论方面来看，土地整治既可能破坏土壤形状、质量使土壤中活性有机质、微生物数量降低，导致形成碳源，也可能通过整治改善土壤质量形成固碳。因此，研究生态型土地整治对农田SOC的影响具有理论和实践意义。

1 研究区概况和研究方法

1.1 研究区概况

2007年至今，浙江省义乌市佛堂镇将生态型土地整治引入到部分土地整治项目中，与传统型土地整治相比，在工程设计和对农田固碳能力的影响存在一定差异。因此该文选择佛堂镇作为研究区域。佛堂镇位于浙中丘陵盆地区，全镇地貌类型属于平原、岗地、低丘，年平均气温17.1℃，年平均降雨量1303毫米，年均日照时数2129.7小时，东阳江等河流流经，分布众多的水库和坑塘。土壤以水稻土和潮土为主，土壤质地以黏壤土、壤土、沙质黏壤土为主。耕作层平均厚度为13.5厘米，犁底层平均厚度为7.7厘米。

1.2 研究方法

（1）野外采样方法

由于土地整治对SOC的影响是一种持久过程，因此选择在不同时间（整治前和整治后）、同一项目区内重复采样分析。本研究第一次采样时间是2006年，为土地整治前样品采集，第二次采样时间是2012年，为土地整治后的样品采集。供选择生态型土地整治项目样点31个，以及佛堂镇内相似土质、区位利用条件等情况下传统型土地整治项目样点27个，采集样点分布见图1。利用梅花点法采样，即先确定对角线的中点作为中心抽样点，再在对角线上选择四个与中心样点距离约10m的点作为样点，取5个点深15cm的土壤各1kg进行均量混合并按四分法弃取后装入样品袋，对采样点的具体情况如土壤剖面形态特征、土地利用方式等做详细记录，采用GPS定位，记录经纬度。

（2）室内试验及计算

采集的土样在自然风干后，去除动植物残体，用玛瑙研钵粉碎再过1mm土壤筛装瓶。采用重铬酸钾—外加热法测定第i样点土壤有机碳含量（SOCCi，g/kg）。而土壤有机碳密度（SOCDi，t/hm2）可由下式计算。

SOCDi=SOCCi×vi×ti×（1-ki）/10

式中，vi为土壤容重（g/cm3），采用环刀法测定；ti为取土壤厚度（cm）；ki为＞2mm的石砾体积百分含量（%）。2006年土壤取样及化验数据来源于义乌市农业局。采用Excel 2010和Spss 17.0软件进行数据统计与检验分析。

图1　浙江义乌市佛堂镇传统型土地整治和生态型土地整治采样点分布图Fig.1 Distribution of soil sampling sites of traditional land renovation and ecological land renovation in Fotang town of Yiwu city， Zhejiang province

2 结果与讨论

2.1 生态型土地整治和传统型土地整治对农田SOC影响对比分析

（1）土壤有机碳含量比较分析

从表1试验结果来看，传统型土地整治实施后SOCC （7.91g/kg）小于传统型土地整治实施前（8.38g/kg），说明传统型土地整治的实施降低了农田土壤固碳能力。这可能是传统型土地整治以增加耕地数量为目的，将项目内坑塘等农田景观开发成耕地，以及为了改善生产条件，农田水利设施和交通道路过度混凝化，改变了土壤理化性状，破坏了土壤生物多样性，加快了土壤有机质分解，造成项目区表层土壤有机碳库损失明显。

而相比之下，生态型土地整治对SOCC提高效果显著性较高，实施后提高了28.41%。这主要是由于生态型土地整治采用表土剥离回填、客土培养及改良等土壤生物工程，增加了SOCC，提升了碳汇。天然林保留、农田防护林种植、秸秆还田等措施，增加项目区凋落物，促进了碳汇。此外，通过科学设计生态孔洞沟渠、涵管等农田水利、道路，保护生物多样性，有利于农田SOC吸收。

传统型土地整治实施后，SOCC标准差和变异系数有所减少，表明整治后SOCC离散程度降低，这可能与传统型土地整治实施过程中并未结合项目区土地特点进行差异化设计，而是采用坑塘填埋、土地平整等统一措施，区域范围内农田SOCC呈现趋同性。相比较之下生态型土地整治实施前后，SOCC标准差和变异系数变化不大，这可能与为保留坑塘、河流、古树等生态景观，而采用差异化生态型土地整治设计有关。

表1　生态型土地整治与传统型土地整治实施前后土壤有机碳含量（SOCC）对比Table 1 Soil organic carbon content before and after traditional land renovation and ecological land renovation

（2）土壤有机碳密度比较分析

土壤有机碳密度不仅是一项反映土壤特性的重要指标，也是统计土壤有机碳储量主要参数，本文选择土壤有机碳密度（SOCD）作为衡量生态型土地整治和传统型土地整治实施前后土壤固碳能力变化的指标。如图2所示，佛堂镇项目区传统型土地整治实施后SOCD平均值降低了6.70%，这主要是由于传统型土地整治实施过程中为了增加耕地面积，填埋了坑塘、河流等自流灌溉水利设施，但是硬化的沟渠未能满足区域内全部水田的灌溉，甚至部分项目破坏了几十年自然形成的水田土壤犁底层，农民只能放弃水田耕种改为旱地农作，土地利用方式的改变对土壤有机碳密度影响明显。生态型土地整治实施前后SOCD平均值提高了30.46%，主要是由于生态型土地整治实施过程中维持了原来水系，保持了农田耕种模式，此外自然林的保留以及防护林的栽种，林木的落叶间接的提升了土壤有机碳密度。

图2　生态型土地整治与传统型土地整治实施前后土壤有机碳密度变化Fig.2 Change of soil organic carbon density before and after traditional land renovation and ecological land renovation

2.2 不同耕作方式下土壤有机碳含量比较分析

本文将采样点中土地整治前后土地利用方式不变前提下，分水田和旱地，对比分析不同土地利用方式下生态型土地整治和传统型土地整治对土壤有机碳含量（SOCC）的影响。如表2所示，传统型土地整治实施后，水田SOCC减少了18.23%，旱地减少了8.59%，这表明传统型土地整治对水田的固碳能力损坏比旱地大，这主要是由于水田对农田水系依赖度较高，且水田犁底层较为脆弱。生态型土地整治实施后，水田SOCC增加了12.69%，旱地增加了25.03%，这表明生态型土地整治对旱地的固碳能力提升效果比水田大，这主要是由于相对于水田，旱地SOCC基础含量较低，生态型土地整治在保持生物多样性、自然林、水系等条件下，增加了灌溉设施、防护林等，使得旱地SOCC易于升高。

表2　不同耕作方式下土壤有机碳含量（SOCC）比较Table 2 Effects of different tillage methods on soil organic carbon content

2.3 不同等别下土壤有机碳含量比较分析

生态型土地整治实施后等别较高（质量较差）的10等地SOCC提升38.99%，等别较低（质量较好）的7等地SOCC提升22.67%，这主要是由于等别较高的土地相对较为贫瘠，土壤有机碳初始值比较低，更注重耕地表土层保护、生态环境提升的生态型土地整治实施前后有机质进入土壤后相对增加的就多。传统型土地整治实施后等别较低（质量较好）的7等地SOCC降低9.87%，等别较高（质量较差）的10等地SOCC降低1.25%，这主要是传统型土地整治实施破坏了等别较低相对较为肥沃土地的脆弱农田生态系统，农田土壤有机碳损失较大。

表3　不同等别土壤有机碳含量（SOCC）比较Table 3 Effects of different land grade on soil organic carbon content

3 生态型土地整治的固碳措施与建议

3.1 土地整治生态工程措施

土地整治工程是土地平整工程、农田水利工程、田间道路工程、农田防护林工程等多项工程的综合，土地整治过程必然会对整治区域农田的土壤碳循环平衡带来影响。因此，为了达到不破坏乃至提高SOC含量的效果，在整治中需要特别注意生态工程措施运用。

首先，表土剥离回填和客土改良是土地整治中保护土壤固碳能力的有效物理措施。整治中如果涉及到对耕作层的破坏，应根据地形地貌特点和农业生产条件，采用表层熟土剥离与回填措施保护土壤固碳能力。此外，将其他地方的富含有机质的塘泥、草炭土、沼泽土、泥炭土及易风化物等搬运到待改良的土壤如沙土上，经过掺和，调整土壤的物理组成，从而有效改善土壤理化性状特别是土壤的结构得到改善，土壤有机质含量会明显增加。

第二，种植绿肥和秸秆还田是农用地整治中增加土壤固碳量的有效生物措施。种植绿肥可以为土壤提供养分，促进土壤中难溶性养分转化，直接改善土壤的物理化学性状，促进土壤微生物的活动，进而达到土壤固碳作用。通过秸秆还田可以有效提高土壤有机质含量，改善耕作层土壤团粒结构，提高耕作层的保水、保气、保肥、保热等能力，降低耕作层土壤体积质量和增加土壤孔隙度及通透性，从而直接改善农田土壤理化性状，加速土地养分循环，有利于土壤有机碳的固定和积累。

第三，通过多种措施保护生物多样性间接提高土壤有机碳含量。充分利用乡土植物建立集防护、生态景观及经济效益与一体的农田防护林，因地制宜地增加灌丛、树篱，为鸟类等生物提供栖息和觅食场所。此外，生态型沟渠建设过程中，应遵循河流的自然形态，保持其纵向的蜿蜒和横向形态的多样性，以提高河流水系的自我修复功能，保护好原有的灌溉体系，尽可能避免用混凝土浇筑的沟渠，以维持水中生物对水体的自净功能。还要充分利用地形地貌设计农路路线，避免大面积挖填土方，有利于土壤有机碳的积累，实现土壤固碳量的有效增加。

第四，对于由酸化、污染退化、肥力退化和生物学退化而导致的固碳能力较弱的土壤，应将土地整治作为契机，在整治工程实施中运用物理、化学、生物和工程等技术，修复土壤呼吸、二氧化碳固定、微生物多样性，通过一系列生态型土地整治的土壤修复措施，提升土地固碳能力。

3.2 生态工程土地整治结构调整措施

从分析结果可知，水田和旱地不同的土地利用方式对土壤有机碳的积累有不同的效果。水田的有机碳含量显著大于旱地，但经过生态工程土地整治后，旱地的有机碳含量提高幅度更明显，说明旱地有机碳基础含量低，但具有更高的固碳潜力。据文献统计，浙江省水耕土壤的表层有机碳库含量都高于相应的旱地土壤［11，12］。因此，在生态工程土地整治过程中，要注意土地利用结构的调整，避免过度崇尚田成方和规模经营而破坏水田，应保护水耕土壤，尽可能多的将旱地转化为水田，同时也要注意土地利用的适宜性，选取适宜的农作物和适宜的耕作制度进行耕作，以期通过生态工程土地整治提高土壤有机碳的积累。

3.3 生态型土地整治实施区域划定

根据研究结果可知，生态型土地整治实施后不同质量等别耕地土壤固碳能力提升效果不同，等别低的耕地比等别高的耕地有机碳含量高，但经过生态型土地整治后，等别高的耕地固碳能力提高幅度更明显。说明等别高质量差的耕地生态涵养能力脆弱，例如低丘缓坡上新补充的耕地往往位置偏远、水土不匹配、自然条件较差，如果土地整治过程中不注重生态保护与提升，土壤固碳能力可能被破坏。因此，应根据耕地质量监测成果，基于评价单元利用等指数开展生态型土地整治实施分区工作，对于等别较低质量好的土地，特别是划入高标准基本农田建设的土地，设为生态型土地整治重点优化区域，在生态型土地整治实施应重点注意区域生态条件保护，不要为了过度追求田块连片、大型机械应用而填埋坑塘，破坏河流，对于等别较高质量较差的拟开发土地划为生态型土地整治重点建设区域，在生态型土地整治实施应重点注意表土剥离、培肥、生态景观保护等措施。

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A study on the impacts of ecological land reclamation engineering on soil carbon sequestration ability

LIANG Ying1， GENG Bin2， BAO Hai-Jun3
（1.Dongfang College， Zhejiang University of Finance and Economics， Zhejiang Jiaxing 314408， China；2.Institute of Economic and Social Development， Zhejiang University of Finance and Economics， Zhejiang Hangzhou 310018， China；3.College of Urban and Rural Planning & Management， Zhejiang University of Finance & Economics， Zhejiang Hangzhou 310018， China）

Abstract:This paper focuses on the problem of declining soil carbon storage and the implementing requirements for ecological engineering of farmland landscape through land renovation.Based on the chemical test data from the soil sampling point， we carried out an empirical analysis on soil organic carbon content and organic carbon density before and after a traditional land renovation project and an ecological land renovation project.The reform proposal promoting soil carbon storage through an ecological land renovation project was presented surrounding topics of project measures，structure adjustment， and regional assignment.

Key words:traditional land renovation； ecological land renovation； carbon storage； carbon content； carbon density

中图分类号：F301.2

文献标志码：A

文章编号：2095-1329（2016）02-0005-04

doi:10.3969/j.issn.2095-1329.2016.02.002

收稿日期:2015-11-12

修订日期:2015-12-18

作者简介:梁颖（1986-），女，硕士，助教，主要从事土地管理与土地政策研究.

基金项目:国家自然科学基金项目（41401624）；浙江省自然科学基金项目（LQ14D0100014）

*通讯作者:鲍海君（博士/教授/副院长）:baohaijun@zufe.edu.cn