亚热带丘陵区红壤不同土地利用方式下土壤有机碳的变化特征

马蓓，周萍*，童成立，肖和艾，杨友才，吴金水

（1. 湖南农业大学生物科学技术学院，湖南 长沙 410128；2. 中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态过程重点实验室，湖南 长沙 410125）

亚热带丘陵区红壤不同土地利用方式下土壤有机碳的变化特征

马蓓1,2，周萍2*，童成立2，肖和艾2，杨友才1*，吴金水2

（1. 湖南农业大学生物科学技术学院，湖南 长沙 410128；2. 中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态过程重点实验室，湖南 长沙 410125）

以位于亚热带丘陵区红壤的桃源县为例，通过对1979年第二次土壤普查资料和2011年实地采样分析的表层（0-20 cm）土壤有机碳数据进行对比，分析近32年来林地、稻田、旱地等几种不同利用方式土壤有机碳（SOC）的变化。结果表明，1979年研究区林地、稻田和旱地SOC含量平均值分别为13.10 g/kg、14.15 g/kg和11.17 g/kg，2011年分别为18.28 g/kg、18.89 g/kg和12.19 g/kg，近32年来稻田、林地和旱地土壤SOC含量分别增加了40%、33%和9%，以林地和稻田土壤的SOC增幅较大，而旱地土壤的增幅明显较小。林地、稻田和旱地土壤的平均SOC密度分别从1979年的32.82 t/hm2、33.62 t/hm2和28.99 t/hm2增加到2011年的44.39 t/hm2、43.50 t/hm2和33.53 t/hm2，增长幅度分别为35%、29%和16%，增长速率分别为0.36 t/(hm2.a)、0.31 t/(hm2.a)和0.14 t/(hm2.a)，也是以林地和稻田土壤的增长幅度相对较高，分别是旱地土壤的2.6倍和2.2倍。可见，过去32年来亚热带丘陵区红壤不同利用方式土壤均表现为“碳汇”模式，在不同程度上贡献于该地区较强的有机碳积累，其中以林地和稻田土壤的贡献能力最强。

土壤有机碳；碳密度；红壤；土地利用；区域尺度；时间尺度

土壤碳库作为陆地生态系统最大的碳库，对人类活动和环境变化的响应非常敏感。土壤是大气CO2重要的“源”或“汇”，其变化对全球气候变化影响显著[1-5]。土地利用是陆地生态系统碳收支最直接的影响因子之一，制约着土壤碳库的容量和有机碳积累水平[6-11]。合理的土地利用可以有效促进土壤有机碳（SOC）的积累，充分发挥土壤的固碳功能。

近年来，国内关于区域不同利用方式下SOC的时间变化研究开展了大量工作，研究报道了不同区域SOC固碳能力的差异明显，但是某些区域SOC的“源汇”功能尚存在不确定性，这主要与不同生态系统的复杂性和数据来源的差异性等有关[9-14]。如有研究报道川东平行岭谷区和关中地区农田表层土壤（0-20 cm）均表现为固碳现象，固碳速率约为0.07 t/(hm2.a)[9-10]，而江汉平原区和典型黑土区农田表层土壤（0-20 cm）则表现为丢碳现象，SOC下降速率分别为0.10和0.14 t/(hm2.a)[11-12]。但是也有研究报道，江汉平原区存在有机碳库增加的现象[14]。因此，充分了解区域土壤有机碳不同利用方式下的分布现状与时间变化特征对于评价区域土壤碳库的“源汇”特征及其对气候变化的影响具有重要意义。

我国亚热带地区是世界上一个重要的生态类型区，该区域水热资源丰富，森林生产力高，土地利用方式多样，土壤固碳效应与固碳潜力明显。最近，Piao等[15]在评估我国陆地碳平衡时指出，亚热带地区碳汇占到全国总碳汇的65%以上。因此，很有必要深入了解亚热带地区不同利用方式土壤有机碳的分布与变化特点，区分不同利用方式土壤固碳的能力及其对区域生态系统碳汇功能的贡献。前期对于亚热带丘陵区红壤景观单元尺度不同利用方式不同时期土壤实地采样分析的SOC结果显示，稻田土壤SOC含量明显高于林地和旱地，且在1979-2003年期间稻田土壤SOC含量稳定增加了60%，而旱地土壤基本保持不变[13,16]。由于上述研究结果是景观单元尺度上的实地采样分析结果，所选景观单元内林地覆盖度较低，植被主要为近年来人工种植的马尾松林等，并不能完全反映整个亚热带区域不同利用方式，特别是林地土壤有机碳变化的实际情况。县域是我国国家尺度土壤碳库估算的基本地域单元，很有必要基于县域尺度单元对亚热带丘陵区有机碳分布与变化情况进行进一步分析，但是现有研究大多集中于国家、省级等大区域尺度及样地尺度的定位观测，而对县域尺度单元不同利用方式土壤有机碳变化的研究相对较少[9,11]。

本研究以位于亚热带丘陵区红壤的桃源县为例，于2011年根据第二次土壤普查时土壤采样点的位置描述（地理位置尽量精确到村），通过“点对点”实地密集采样，在县域尺度上分析林地、稻田、旱地等不同利用方式SOC的分布现状与差异，并与1979年第二次土壤普查数据进行对比，估算近32年来桃源县不同利用方式SOC的长期变化，以期为亚热带丘陵区红壤基于土壤固碳减排的土地利用对策的选取提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

桃源县位于湖南省西北部（28°24'-29°24' N，110°50'-111°36' E），洞庭湖西南边缘，沅水流域中下游。地势西峻东缓，南部和西北部隆起，中东部凹陷，三面环山，自南北两侧朝沅水谷底呈马鞍型逐级降低、逐步倾斜的山间丘陵盆地。气候属于中亚热带向北亚热带过渡的季风湿润气候。年平均降水量1 448 mm，年平均气温16.5 ℃。全县土地面积中林地面积26.67万hm2，占37.0%，农田面积9万hm2，以稻田为主，占农田总面积的88%，其余12%为旱地。林地主要分布在桃源县南部和西北部，植被以常绿阔叶林为主；稻田主要分布在中东部，以种植双季稻为主；旱地主要分布在南部和西北部，主要种植棉花、玉米、花生等。土壤类型主要以酸性红壤和黄壤、水稻土、紫色土和潮土为主，有少量黄棕壤分布。

1.2 土壤样点布设与样品采集

农田土壤样点的布设遵从综合性、均衡性和可对照性的原则，主要考虑土壤类型和土地利用方式的不同，采用土壤类型-土壤利用联合单元布点的方法进行，各布点单元的样点数取决于其面积所占比例的大小，面积比例较大的单元相应布设较多的样点数量，土壤样点在各类型单元中的数目及在空间分布上大致均匀。所布设的样点与第二次土壤普查资料中所记载的样点位置尽可能做到“点对点”比对，至少精确到同一个村级单位。因林地多分布于南部和西北部的山区，土壤取样难度大，仅布设少量样点。全县共布设样点231个，其中稻田样点169个，旱地样点44个，林地样点18个。

于2011年9月进行土壤样品采集，在采样地10 m×10 m范围内，按照5点法在4个顶点和中心部位采集0-20 cm土样，混合为1个土壤样品，并采用环刀（容积100 cm3）取原状土样测量土壤容重，3次重复。采样的同时记录每个样点的经纬度、海拔、地形地貌等自然环境，并调查当地田间施肥管理与产量等状况。采集的新鲜土样带回实验室，剔除可见的动植物残体，置于通风、阴凉、干燥的室内自然风干，过2 mm筛，一部分用于测定土壤pH值和土壤颗粒组成，另一部分继续过0.045 mm筛，用于测定土壤有机碳（SOC）和全氮（TN）等指标。第二次土壤普查数据来源于1979年的桃源县土壤志以及桃源县土壤肥料工作站提供的1979年土壤有机质含量测定的数据表复印件。

1.3 分析测定与计算方法

土壤有机碳含量采用重铬酸钾氧化-外加热法测定[17]。

土壤有机碳密度采用下列公式计算[13]：

式中：SOCD为土壤有机碳密度（t/hm2），SOC为土壤有机碳含量（g/kg），γ为土壤容重（g/cm3），H为土层厚度（cm，本研究取20 cm）。δ为＞2 mm颗粒所占土壤样品的百分数（%）。对于第二次土壤普查时某些样点表层土壤采样深度＜ 20 cm时，采用加权平均法换算成20 cm深度的SOC含量。对于部分样点缺失表层土壤容重时，稻田（γp）、旱地（γd）和林地（γf）土壤容重的计算方法[11,18-19]分别为：

土壤有机碳密度变化速率计算方法为：

式中：Dr为土壤有机碳密度变化速率（t/(hm2.a)），SOCDt为2011年采样时的土壤有机碳平均密度（t/hm2），SOCD0为第二次土壤普查时的土壤平均有机碳密度（t/hm2），t为年限（a）。

1.4 统计分析

数据采用Microsoft Excel 2003进行处理，统计分析用SPASS 13.0统计软件对不同年份与利用方式之间土壤有机碳差异进行ANOVA分析，LSD法进行差异显著性检验（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同利用方式土壤有机碳含量分布的统计特征

1979年林地、稻田和旱地土壤有机碳（SOC）含量的频率分布特征差别明显（图1）。林地土壤SOC含量主要分布在5-10 g/kg和15-20 g/kg之间，分布频率各占30%。稻田土壤SOC含量主要分布在10-15 g/kg之间，约占57%，其次为15-25 g/kg，占30%。旱地土壤SOC含量则主要分布在10-15 g/kg之间，分布频率达60%，其次为5-10 g/kg，占27%。

与1979年相比，2011年林地、稻田、旱地土壤SOC含量的分布频率变化较大，其中SOC含量在较大区间的分布频率明显增大（图1）。林地土壤15-20 g/kg区间的SOC含量分布频率较1979年相比有明显降低的趋势，但是20-30 g/kg的分布频率却增加到约35%左右，并有30-35 g/kg和40-45 g/kg的较大分布区间出现。稻田土壤2011年SOC含量的主要分布区间与1979年相同，也是以10-15 g/kg和15-20 g/kg为主，但是10-15 g/kg区间的频率大小较1979年明显降低，而15-20 g/kg的频率则较1979年明显增加。旱地土壤SOC含量的分布与1979年相似，依然以10-15 g/kg为主，分布频率达50%。

图1 1979年与2011年不同利用方式0-20 cm土壤有机碳含量的频率分布Fig. 1 The frequency distribution of soil organic carbon content with different land uses (0-20 cm) in 1979 and 2011

2.2 不同利用方式土壤有机碳含量与密度的变化

与1979年相比，2011年林地、稻田和旱地土壤SOC含量均有不同程度的增加（表1）。林地和稻田土壤SOC增长最为明显，其中林地土壤SOC从1979年的13.10 g/kg增加到2011年的18.28 g/kg，增长幅度为40%；稻田土壤SOC从1979年的14.15 g/kg增加到2011年的18.89 g/kg，增长幅度为33%。而旱地土壤SOC的增长趋势明显较弱，仅从1979年的11.17 g/kg增加到2011年的12.19 g/kg，增长幅度仅为9%（表1）。三种利用方式中以林地土壤SOC含量的变异系数明显最大，两个时期均在60%左右，而稻田土壤的变异系数最小，介于21%-28%之间。

从土壤有机碳密度来看，近32年来不同利用方式土壤有机碳密度均表现为上升趋势，且不同利用方式之间差异明显（表2）。林地土壤有机碳密度从1979年的32.82 t/hm2上升到2011年的44.39 t/hm2，增长幅度为35%，增长速率为0.36 t/(hm2.a)；稻田土壤有机碳密度从1979年的33.62 t/hm2上升到2011年的43.50 t/hm2，增长幅度为29%，增长速率为0.31 t/(hm2.a)，与林地土壤相似；而旱地土壤有机碳密度从1979年的28.99 t/hm2上升到2011年的33.55 t/hm2，增长幅度为16%，增长速率仅为0.14 t/(hm2.a)，明显低于林地和稻田土壤。经计算，林地土壤和稻田土壤有机碳密度的增长速率分别是旱地土壤的2.6倍和2.2倍。

表1 不同利用方式土壤有机碳含量的变化（g/kg）Table 1 The temporal changes of soil organic carbon content with different land uses（g/kg）

表 2 不同利用方式土壤有机碳密度的变化Table 2 The temporal changes of soil organic carbon density with different land uses

3 讨论

本文研究结果表明，1979-2011年桃源县不同利用方式土壤有机碳含量和密度均呈现不同程度的上升趋势，以林地土壤和稻田土壤有机碳含量和密度的增长幅度明显较高，其中林地土壤和稻田土壤有机碳密度的增长速率分别是旱地土壤的2.6和2.2倍。这与邵景安等[9]报道的川东平行岭谷区域土壤有机碳的变化趋势相一致。从1979年的土壤有机碳密度来看，林地土壤有机碳密度为32.82 t/hm2，稻田土壤有机碳密度为33.62 t/hm2，旱地土壤有机碳密度为28.99 t/hm2，均明显低于亚热带地区的现有水平（34.3-60.4 t/hm2）[13,16]和全国尺度的平均水平（36.7 t/hm2）[20]。而2011年不同土地利用方式土壤有机碳密度较1979年有不同程度的上升趋势，林地土壤有机碳密度增长到44.40 t/hm2，稻田土壤有机碳密度增长到42.81 t/hm2，旱地土壤有机碳密度增长到32.42 t/hm2，其中林地土壤与稻田土壤有机碳密度已经明显高于亚热带地区的现有水平和全国尺度的平均水平。

所选研究区内不同土地利用方式下林地和稻田土壤有机碳含量和密度值均相似，且两者均明显高于旱地土壤。林地土壤较高的有机碳水平可能与该研究区境内的天然林植被覆盖率较高（包括原生的常绿阔叶林和次生林地），植被生产力大，生物量与凋落物数量丰富，土壤中有机物质的归还量大，促进土壤有机碳保持较高的积累水平有关[21-23]。相比于旱地土壤，稻田的植稻历史悠久，稻草还田与施肥等改良措施促使土壤中有机物质归还量增多，且稻田土壤的长期淹水环境在一定程度上抑制了土壤有机质的分解，有利于土壤有机碳的积累[23-24]。前期关于湖南省农田（88%为稻田）有机物质投入量的研究证实，湖南省通过肥料有机物质投入、地下生物量、秸秆留茬量和秸秆还田量所产生的土壤有机物质投入量高达6.39 t/hm2[25]。但是，很多研究表明，林地土壤有机碳水平一般高于稻田和旱地土壤[23-24]，而本文中并未发现林地土壤有机碳有明显高于稻田土壤的趋势，究其原因可能跟本研究区中林地分布偏远而样品采集困难，土壤样点采集密度较低，有机碳的变异性较大有关（表1、表2）。因为合理的土壤样品采集密度是保证估算精度要求的基础，而估算县域尺度土壤有机碳的最佳样点密度为0.15个/km2[26]。显然，本文所选研究区内林地土壤的样点数可能会低估该利用方式土壤有机碳的储量。此外，刘欢瑶等[16]、唐国勇等[27]对亚热带丘陵红壤景观单元的研究认为，稻田土壤有机碳含量明显大于林地土壤，与本文研究结果不同。这可能是因为刘欢瑶等[16]、唐国勇等[27]所选的景观单元内原生林植被严重破坏，天然林覆盖率较低，主要以人工种植的马尾松林和杉木林为主，林分结构简单，植被净生产力远低于天然林甚至是稻田土壤，有机物质输入量有限，故而影响了林地土壤有机碳的积累水平。

很多研究显示，不同区域土壤有机碳库随时间变化的差异较大[8-16]。本文结果表明，所选研究区域内林地、稻田、旱地土壤有机碳含量与密度在过去32年来均表现出不同程度的增加趋势，以林地和稻田土壤有机碳的增加幅度最为显著，从而贡献于该研究区内土壤有机碳的有效积累。这与邵景安等[9]对川东平行岭谷区域的报道、张晓伟等[10]对关中地区的报道、张世熔等[28]对黄淮海冲击平原区的报道相一致。但是，王玉竹等[11]对江汉平原区农田土壤有机碳分布与变化趋势的分析表明，该区稻田土壤有机碳呈下降趋势，而旱地土壤有机碳水平却轻微上升。这与本文报道的结果并不一致。王小利等[29]研究发现黄土丘陵区旱地土壤有机碳含量与林地相似，而本研究区旱地土壤有机碳含量却远小于林地。此外，陶春军等[30]、王充等[12]关于安徽滁州地区和典型黑土区有机碳变化的研究结果也与本文研究结果相反。因此，鉴于母质、地形、质地、气候等自然和人为因素的综合影响，不同区域土壤有机碳库存在空间异质性，在对较大区域尺度或全国尺度土壤碳库进行估算时，需要充分考虑不同区域，特别是不同县域尺度土壤碳库分布与变化的差异。

4 结论

1979年与2011年所选亚热带丘陵区红壤不同利用方式（林地、稻田、旱地）之间土壤有机碳含量与密度的差异明显。两个时期林地土壤有机碳含量和密度与稻田土壤相似，但是旱地土壤有机碳含量和密度却明显低于林地和稻田土壤。

近32年来林地、稻田和旱地土壤有机碳含量和密度均呈现不同程度的上升趋势，表现为明显的“碳汇”模式。林地、稻田和旱地土壤有机碳含量分别增加了40%、33%和9%，有机碳密度分别增加了35%、29%和16%，其中以林地和稻田土壤的有机碳积累最为明显，对亚热带丘陵区红壤“碳汇”效应的贡献最大，而旱地土壤对该地区碳汇的贡献相对较弱。

致谢：感谢湖南省土壤肥料工作站、桃源县土壤肥料工作站、桃源县农业局在土壤采样过程中给予的大力支持；感谢中国科学院亚热带农业生态研究所公共技术服务中心王久荣主任对本研究工作的帮助。

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（责任编辑：童成立）

Change in soil organic carbon with different land uses in subtropical hilly red soil region

MA Bei1,2, ZHOU Ping2, TONG Cheng-li2, XIAO He-ai2, YANG You-cai1, WU Jin-shui2
（1. College of Biology and Technology, Hunan Agricultural University, Changsha, Hunan 410128, China; 2. Key Laboratory of Agro-Ecological Processes in Subtropical Region, Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences, Changsha, Hunan 410125, China）

In this study, Taoyuan County was chosen to represent the subtropical hilly red soil region, and the topsoils (0-20 cm) were sampled and soil organic carbon (SOC) analyzed with different land uses (forest, paddy, and upland) in 2011. The SOC data were compared with those collected in the second soil survey period (1979). The purpose was to analyze the temporal changes in soil organic carbon (SOC) with different land uses during the last 32 years (1979-2011). Results showed that the average SOC content in forest soil, paddy soil, and upland soil was 13.10 g/kg, 14.15 g/ kg, and 11.17 g/kg, respectively in 1979, and was 18.28 g/kg, 18.89 g/kg, and 12.19 g/kg, separately in 2011. During the last 32 years, SOC content was increased by 40% in forest soil, 33% in paddy soil, and 9% in upland soil, with the larger increment in forest and paddy soils but smaller one in upland soil. In addition, the average SOC density in the forest soil, paddy soil, and upland soil was increased from 32.82 t/hm2, 33.62 t/hm2, and 28.99 t/hm2in 1979 to 44.39 t/hm2, 43.50 t/hm2, and 33.53 t/hm2in 2011, with the increased rate of 35% (0.36 t/(hm2.a)), 29% (0.31 t/(hm2.a)), and 16% (0.14 t/(hm2.a)), respectively. The increased rate of SOC density in the forest soil and the paddy soil was 2.6 and 2.2 times of that in the upland soil, respectively. Thus, soils with different land uses were all “carbon sink” in the subtropical hilly red soil region during the last 32 years, of which forest soil and paddy soil conveyed stronger SOC sequestration capacity than upland soil. The soil carbon sequestration capacity contributes to the larger SOC accumulation in the subtropical hilly red soil region.

soil organic carbon; carbon density; red soil; land use; regional scale; time scale

ZHOU Ping, E-mail: zhouping@isa.ac.cn; YANG You-cai, E-mail: yangyc163@163.com.

X144

A

1000-0275（2017）01-0176-06

10.13872/j.1000-0275.2016.0130

马蓓, 周萍, 童成立, 肖和艾, 杨友才, 吴金水. 亚热带丘陵区红壤不同土地利用方式下土壤有机碳的变化特征[J]. 农业现代化研究, 2017, 38(1): 176-181.

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国家自然科学基金项目 (41371252、41371304、41671242)；国家重点研发计划项目（2016YFD0300902）。

马蓓（1992-），女，湖南株洲人，硕士生，主要从事土壤生态学研究，E-mail: 284391948@qq.com；通讯作者：周萍（1982-），女，江苏滨海人，博士，副研究员，主要从事土壤碳循环研究，E-mail: zhouping@isa.ac.cn；杨友才（1969-），男，湖南岳阳人，教授，主要从事土壤生态学研究，E-mail: yangyc163@163.com。

2016-09-07，接受日期：2016-10-25

Foundation item: National Natural Science Foundation of China (41371252, 41371304, 41671242); National Key Basic Research Program of China (2016YFD0300902).

Received 7 September, 2016;Accepted 25 October, 2016