崇明岛深层土壤有机碳空间分布及碳储存特征分析*

张翰林，宋 科，施 俭，吴 裕，郑宪清，何七勇，李双喜，张娟琴，申广荣，吕卫光**



崇明岛深层土壤有机碳空间分布及碳储存特征分析*

张翰林1，宋 科1，施 俭2，吴 裕3，郑宪清1，何七勇1，李双喜1，张娟琴1，申广荣3，吕卫光1**

（1.上海市农业科学院生态环境保护研究所，上海 201403；2.崇明县农业技术推广中心，上海 202150； 3.上海交通大学低碳农业中心，上海 200240）

对上海崇明岛开展5种不同种植类型（粮田、菜田、果园、生态林和湿地）1m深度土壤的碳普查，应用地统计方法分析其深层土壤有机碳含量的空间分布特征，研究不同种植类型对土壤有机碳分布和储存的影响，探明土壤碳循环规律。结果表明，崇明岛深层土壤平均有机碳含量为3.94g·kg-1，不同深度土壤有机碳含量在8.73～1.72g·kg-1，有机碳储量在2.30～0.47×106t，耕层土壤（0-40cm）有机碳储量占总量的65.14%。不同深度土层（0-20、20-40、40-60、60-80和80-100cm）有机碳含量空间分布图表明，各层土壤有机碳含量分布特征大致相同，仅湿地土壤有机碳含量在60cm深度以下相对其它种植类型有所提高。种植类型对深层土壤有机碳分布影响显著，土壤有机碳密度大小表现为菜田＞粮田＞果园＞湿地＞生态林，土壤有机碳储量则表现为粮田＞湿地＞生态林＞菜田＞果园。

崇明岛；1m深度土壤；空间分布图；地统计分析；种植类型

土壤有机碳库是陆地生态系统碳库的重要组成部分，其碳储量高达1400～1500Pg，是陆地植被碳库或是大气碳库的2～3倍，土壤有机碳库的小幅变化即会可对周围环境造成重大影响[1-2]。近年来，大区域土壤生态系统碳循环研究受到越来越多的关注，有机碳空间分布与有机碳储存状况也逐渐成为评价一个区域土壤环境质量的指标[3-6]。有研究表明，深层土壤有机碳占1m 深度有机碳总量的50%以上[7]。与表层相比，深层土壤有机碳稳定性更高，储存能力更强[8-9]。因此，探明深层土壤有机碳空间分布及其碳储量特征对研究区域土壤碳循环、提高土地质量、科学利用土地资源具有重要意义[10]。

上海崇明岛是全球最大的河口冲积岛，是中国第三大岛，在城市与岛屿的生态服务功能和保障农产品供给方面发挥了重要作用。本研究拟对崇明岛深层土壤（0-100cm）进行分层普查，结合地统计方法分析崇明岛深层土壤有机碳的空间变异特征，利用ArcGIS软件绘制深层土壤有机碳分布图，并研究不同种植类型对其空间分布和碳储量特征的影响，以期为深入探明崇明岛生态系统土壤碳循环提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

崇明岛地处长江口，位于121°0930-121°5400E， 31°2700-31°5115N。全岛东西长约76km，南北宽13～18km，总面积约1411km2。年平均气温15.3℃，年降水量1003.7mm，全年无霜期229d。全岛境内河道纵横，地势平坦，海拔3.5-4.5m。

1.2 样品采集

于秋季作物收获后、下一季作物施肥前（2013年11月5-10日），在崇明岛范围内的14个乡镇和8个农场，选择粮田、菜田、果园、生态林和湿地5种类型土壤进行采样。按照均匀性和代表性进行布点，选取68个采样点，针对粮田、菜田、果园、生态林和湿地5种种植类型分别采集35个、12个、7个、10个和4个样点。每个点位分5层（0-20、20-40、40-60、60-80和80-100cm）采集，共计340个样品。样点分布如图1所示。

取样时，对样点坐标进行GPS定位，同时取样收集地块中作物种植种类等相关信息。使用1m长度取土器按照蛇形取样法，在每个取样点不同深度采集5～6次混合成一个样品（总重量约1kg）。土壤容重测试样品采用环刀进行原位取样。样品混合后装入聚乙烯封口袋中，置于低温箱中带回实验室。样品在实验室自然风干，沿其固有的裂缝将大块土壤轻轻剥成直径为10～20mm的小土块，剔除石块、残根等，过100 目筛进行土壤有机碳测定。

1.3 样品测定

土壤有机碳含量（SOC，g×kg-1）采用重铬酸钾氧化-分光光度法测定。土壤pH值采用电位法测定（水土比2.5:1），EC采用电导法测定（水土比5:1）[11]。

土壤有机碳密度（Soil Organic Carbon Density, SOCD）、土壤有机碳储量（Soil Organic Carbon Storage, SOCS）计算式分别为

（2）

式中，土壤有机碳密度SOCD的单位为kg·m-2，SOC为土壤有机碳含量（g×kg-1）；BD为土壤容重（g×cm-3）；Hi为土层厚度，本文各点位均采取0-20、20-40、40-60、60-80和80-100cm共5个深度进行计算，土层厚度均为20cm，土壤有机碳储量SOCS的单位为kg，S为种植面积（m2）。

1.4 分析方法

利用ArcGIS9. 0的地统计模块对数据进行反距离加权插值分析和地统计分析，生成崇明岛农田不同深度土壤有机碳含量分布图。采用Microsoft Excel和SPSS 16.0软件对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同深度土壤有机碳空间分布

2.1.1 样品有机碳含量数据特征分析

在统计分析前，首先对相关数据进行正态性检验和偏丰度检验。将每个样点5个土层的测定数据进行平均，得到该点0-100cm土壤有机碳含量平均值，然后统计所有样点数据的分布特征，结果见图2。由图可见，崇明岛大多数样点0-100cm土壤有机碳含量分布在3.00～5.00g×kg-1范围内，数据符合标准正态分布，可进行后续统计分析。进一步分析可见（表1），0-100cm土壤有机碳含量的变化区间为1.84～7.04g×kg-1，平均3.94g×kg-1，高于全国耕地平均水平[12]（根据第二次全国土壤普查数据）。有机碳含量变异系数为31.73%，在10%～100%范围内，属中等变异。

一般在大尺度区域土壤有机碳储存研究方面，中等变异条件下的国内外报道十分常见，如Wang等[13]对黄土高原土壤有机碳储量的研究、Rossi等[14]对坦桑尼亚热带雨林有机碳储量的研究等。因此，中等变异符合本研究后续分析要求。

2.1.2 不同深度土壤有机碳的差异分析

由表1可见，崇明岛不同深度土层有机碳含量差异显著（P＜0.05），表层（0-20cm）土壤有机碳含量最高，达8.73g·kg-1，随着土层加深，土壤有机碳含量呈显著降低的趋势，至80-100cm，土壤有机碳含量仅1.72g·kg-1，仅为表层的19.7%。计算各土层的有机碳密度和碳储量，同样表现为从上至下显著降低的特点，碳密度在2.31～0.47kg·m-2，碳储量在2.30～0.47×106t，0-40cm深度（耕作土壤深度范围）有机碳储量总计占1m深度的65.14%。

2.1.3 不同深度土壤有机碳含量的空间分布

利用ArcGIS9.3软件对0-100cm各层土壤有机碳含量进行反距离加权插值，得到不同深度（0-20、20-40、40-60、60-80、80-100cm）土壤有机碳含量空间分布图（图3）。由图可见，大部分地区0-20cm土壤有机碳含量处于2.8～10.4g·kg-1，局部地区有机碳含量较高，可达10.4～17.2g·kg-1，呈点状分布。有机碳含量从南到北、从西到东均呈现由高到低的趋势，崇明岛两端土壤有机碳含量较低，尤其是东部东滩地区；20-40cm深度，大部分土壤有机碳含量处于1.7～5.5g·kg-1，两端与北部地区含量较低，仅南部少数地区和西北端含量较高；40-60、60-80和80-100 cm三层土壤之间有机碳含量分布特征差异相对较小，大致趋势与上两层相似，仅60-80cm和80-100cm土壤在东滩和西沙湿地的有机碳含量相对其它区域有所提升。

表1 不同深度土壤有机碳指标统计结果比较

注：小写字母表示土层间在0.05水平上的差异显著性。下同。

Note：Lowercase indicate the difference significance among layers at 0.05 level. The same as below.

2.2 不同种植类型土壤有机碳空间分布

由表2可知，0-20cm深度，粮田土壤有机碳含量显著高于其它4种种植类型，说明在表层土壤中施肥对有机碳含量影响较大；20-40cm深度，菜田和果园有机碳含量显著高于粮田和生态林；40-60cm深度，湿地与果园有机碳含量显著高于粮田和生态林；在60-80cm深度，湿地有机碳含量最高，菜田与果园显著高于粮田和生态林；在80-100cm深度，湿地有机碳含量依然表现最高，其次是菜田，粮田、果园和生态林之间无显著差异。

通过对不同深度土层进行累加得到1m深度的土壤有机碳密度，结合种植面积数据得到每个种植类型的土壤有机碳储量。从表3可知，1m深度土壤有机碳密度表现为菜田＞粮田＞果园＞湿地＞生态林，土壤有机碳储量则表现为粮田＞湿地＞生态林＞菜田＞果园。说明施肥有助于提高土壤有机碳密度，0-20cm耕层中，粮田受到施肥影响最大，有机碳密度提升最大，但从0-100cm深度来看，菜田有机碳密度最高；受农业活动影响较小的类型中，湿地有机碳密度明显高于生态林，则可能与崇明岛上生态林建设成林的时间相对较短有关，有机质累积程度还不够。

表2 5种种植类型下不同深度土壤有机碳含量统计及比较

注：小写字母表示同一土层不同种植类型间在0.05水平上的差异显著性。

Note：Lowercase indicate the difference significance among different planting types in the same layer at 0.05 level.

表3 不同种植类型0-100cm土壤有机碳密度和碳储量

3 结论与讨论

崇明岛土层较浅，因此，在估算土壤有机碳储量时调查1m土壤深度是较完整和准确的。Rumpel等[7-8]对陆地生态系统土壤碳储量进行研究，发现由上而下碳储量显著降低，表层土壤（0-20cm）占据1m深度土壤有机碳储量的50%左右。本研究中，崇明岛表层土壤有机碳储量占1m深度的43.81%，与前人研究结果相仿。原因可能是农业生产的作物秸秆、有机肥的投入，使土壤表层有机质大量集聚，同时土壤表层的作物凋落物、微生物与其分泌物、动物的残体与排泄物等的数量也高于深层土壤[15]。同时也说明估算区域土壤有机碳储量时，0-20cm深度以下土壤有机碳储量占据50%以上，是无法忽略的重要组成部分。

崇明岛南部和西部地区形成时间最久，耕作时间最长，土壤类型多为水稻土（黄泥、黄夹砂和砂夹黄）；北部和东部为后期冲积而成，形成时间最短，耕作时间较短，土壤盐分相对较高，土壤类型多为灰潮土和海滨盐土。崇明岛成土时间和土壤类型分布特征与土壤有机碳含量分布相仿，说明其是影响崇明岛不同深度土壤有机碳空间分布的一个重要因素。这与申广荣等[16]对崇明岛表层不同用地类型土壤有机碳密度研究结果相似，同时本研究还进一步发现，崇明岛农田土壤1m深度中不同层次土壤有机碳分布趋势大致相同，均受成土时间与土壤类型的显著影响。

种植类型对土壤有机碳影响较大，主要是因为土壤有机投入品和水旱状态的不同。本研究中，0-20cm深度粮田土壤有机碳含量最高，与张荣娟等[17]对崇明岛围垦区土壤有机碳库的研究结果一致。原因是粮田为水旱轮作系统，水旱交替使土壤有机碳的分解速率显著降低，同时秸秆和有机肥的投入也有效提升了有机碳的积累；20-40cm深度为作物根系的主要存在区域，且崇明岛果园大多数为柑橘林和梨园，其中种植面积最大的柑橘树根系深度主要在20-50cm，因此根系发达的果园和种植季数较多的菜田土壤有机碳显著高于其它种植类型，王义祥等[18-19]对植物根系的研究也证实了根系及其分泌物均为土壤有机碳的稳定来源；40-100cm深度中，湿地土壤有机碳均表现为最高。其原因可能是湿地深层土壤因长期处于淹水状态，导致有机碳矿化速度降低，有机碳得到积累[20]。张荣娟等[17]发现湿地围垦后撂荒地深层土壤（40-100cm）的有机碳含量高于农田、林地等利用类型，也与本研究结果相似。

随着崇明生态岛建设的推进，岛内生态农业、林业的发展对深层土壤有机碳也将产生深远影响。以不同种植类型深层土壤有机碳含量分布和碳储存特征研究为基础，未来应深入探索深层土壤固碳机制，制定有益于土壤固碳的生态策略，进一步增强崇明生态岛的碳汇功能。

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Spatial Distribution and Storage Feature of Deep Soil Organic Carbon in Chongming Island

ZHANG Han-lin1, SONG Ke1, SHI Jian2, WU Yu3, ZHENG Xian-qing1, HE Qi-yong1, LI Shuang-xi1, ZHANG Juan-qin1, SHEN Guang-rong3, LV Wei-guang1

(1.Eco-environmental Protection Institute of Shanghai Academy of Agricultural Science, Shanghai 201403, China; 2.Agro-Technology Extension Center of Chongming, Shanghai 202150; 3.Low Carbon Agriculture Research Center, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240)

In order to further clarify the law of soil carbon cycling in Chongming Island, 1m depth soil organic carbon survey of 5 planting types (cropland, vegetable field, orchard, forest and wetland) was conducted. Based on geostatistics methods, the spatial distribution feature of deep soil organic carbon content in Chongming Island were investigated, and the effects of different planting types on the soil organic carbon distribution and storage were also studied. The results showed that the average deep soil organic carbon content of Chongming Island was 3.94g·kg-1. The range of soil organic carbon content in different depths was 8.73-1.72g·kg-1, and the range of soil organic carbon storage was 2.30-0.47×106t. The soil organic carbon storage of plough layer (0-40cm) accounted for 65.14% of the total amount. The maps of soil organic carbon content distribution of different depths (0-20, 20-40, 40-60, 60-80 and 80-100cm) were drawn. The feature of organic carbon content distribution in different soil depths were similar with each other, except that under the depth of 60cm, soil organic carbon content in the wetland was higher than the other planting types. There were significant effects of different planting types on the soil organic carbon distribution. The sequence of soil organic carbon density was vegetable field＞cropland＞orchard＞forest＞wetland, and the sequence of soil organic carbon storage was cropland＞ wetland＞forest＞vegetable field＞orchard.

Chongming Island; 1m depth soil; Map of spatial distribution; Geo-statistics analysis; Planting types

2017-01-20

国家自然科学基金项目（41501259）；上海市科委基础研究领域项目(13JC1404800)

张翰林（1985-），博士，副研究员，主要从事农田土壤生态研究。E-mail：zhanghanlinchick@163.com

10.3969/j.issn.1000-6362.2017.09.004

**通讯作者。E-mail：lwei1217@sina.com

张翰林,宋科,施俭,等.崇明岛深层土壤有机碳空间分布及碳储存特征分析[J].中国农业气象,2017,38(9):567-573