试析黄土丘陵区不同土地类型表层土壤有机碳分布特征

宋启龙 张 冲 王会敏

1.华北地质勘查局第四地质大队 河北 秦皇岛 066000

2.秦皇岛中兵建设集团股份有限公司 河北 秦皇岛 066000

引言

土壤中有机碳的分布不光是衡量土壤质量的重要指标，同时也在全球碳循环中扮演重要角色。黄土丘陵区为典型的干旱、半干旱区域，其自然条件相对恶劣，加之地上人工活动的频繁开展，对土壤有机碳库及固碳速率产生显著影响，为有效提高土壤资源利用率，有必要对目前的黄土丘陵区土壤有机碳分布情况进行分析。

1 有机碳分布特征调查方案设计

1.1 区位特点 本实验研究区位于山西省北部的黄土丘陵区，该区域为温带半干旱大陆性季风气候，年平均降水量较少，仅在400～460 mm，区域黄土覆盖厚度在50～80 m。分别选取红枣林地、农地、5年撂荒草地和退化人工草地4种土地类型作为研究对象，分析0～100c m 浅层土壤的有机碳结构特征。

1.2 样本采集 样本采集采用随机采样法进行，在各类型土地上所及选取采样点，并使用便携式手持GPS设备获取样本点的准确位置。使用土钻钻取土样，设计采样深度为100c m。将采样深度平均划分为5个层级，为保证采样代表性，在各采样点附近再随机选取5个采样点，将来自各土层的样本混合均匀并清除杂质后，存放至专门容器中。4种土地类型的标准采样点均为15个，共包括60个采样点，得到土样300份。

有机碳分布检测同时测定土壤无机碳含量情况，因此样本采集过程中，将各样本平均分为两份，其中一份经烘干后进行无机碳含量测量，另一份则进行自然风干，过筛后测量土壤内有机碳的含量。

1.3 实验方法 用于无机碳含量检测的土样在105℃恒温环境下连续烘干24h，待样本质量恒定后，使用气量法测量其无机碳含量。选用该方法的原因主要是由于，在黄土丘陵区这类干旱和半干旱地区，无机碳主要存储于无机盐中，无机盐与碳酸盐和盐酸反应可生成大量二氧化碳气体，收集并测定气体量，参考当时大气压即可得到无机碳的准确含量。

有机碳含量检测样本在室内进行自然风干，然后过0.20 mm 筛，使用重铬酸钾-外加热法进行有机碳含量测定。

实验结束后，结合获得数据计算不同类型土地和深度条件下土壤有机碳的含量，并找出土壤深度与有机碳含量的影响关系。计算有机碳含量均值及标准差，使用LSD法进行比较分析，得出最终的检测结果。

2 有机碳分布特征调查结果分析

2.1 实验结果

2.1.1 土层深度差异 在实验研究的4中土地类型中，土壤有机碳含量均与土壤深度表现为负相关关系，即随着土壤深度的增加，其含有的有机碳含量降低。计算4中土地类型下各土壤深度层级有机碳含量的平均值，(0，20)、(20，40)、(40，60)、(60，80)、(80，100)各深度区间的平均有机碳含量依次为3.42g·kg-1、2.15g·kg-1、1.89g·kg-1、1.75g·kg-1和1.56g·kg-1。从该组实验数据还可发现，深度层级0～20c m 的土壤有机碳含量与其他土层之间差异显著，而20～100c m 的土壤深度中，有机碳含量虽然仍保持下降趋势，但不同深度层级间土壤含碳量的差距明显缩小。这一结果与现有文献研究成果保持一致。例如，有学者在研究陕北黄土丘陵区不同土地利用方式下土壤碳剖面分布特征时，选择研究深度在0～200c m，发现随着土层深度的增加，土壤有机碳含量逐渐降低，且当深度达到200c m 时，各剖面土壤有机碳含量趋于稳定[1]。

2.1.2 土地类型差异 再观察相同土层深度中，不同土地类型间土壤有机碳含量情况。发现当土层深度在0～60c m 时，有机碳含量由高到低的顺序为红枣林地、农地、撂荒草地和退化人工草地。其当土层深度在0～20c m 时，不同土地类型中土壤有机碳含量差异显著，而在其他土层深度中，这种差异并不明显。

在其他学者的实验中还发现，撂荒草地的撂荒年限与其土壤中有机碳的含量存在一定关联。不同土层深度下，30年撂荒草地中土壤有机碳的含量均要高于7年撂荒草地，且当土层深度在0～20c m 时，7年撂荒草地的有机碳含量在2.59g·kg-1，而在30年撂荒草地中，这一数值提高至4.19，有机碳含量变化明显[2]。

2.1.3 无机碳含量 在另一组实验中发现，除红枣林地之外，其他几种类型土地中土壤无机碳含量变化幅度均较大，无机碳含量由高到低排序依次为农地、红枣林地、退化人工草地和撂荒草地。

2.2 理论分析 现有研究文献表明，农业用地改变利用方式后，土壤内有机碳的含量会增加，带来更高的碳储量水平。在本次实验研究中，不同类型土地的有机碳含量之间也存在一定差异，且农地中各土层深度中土壤有机碳含量要低于红枣林地，这一结果与现有文献的结论保持一致。主要是由于，土地的农业化使用使得土壤内的有机碳被农作物不断汲取，且农业化应用会加速土壤养分的流失速度。但在本文的研究中发现，土地中有机碳的含量要高于撂荒草地，可能是由于本文所选择的撂荒草地撂荒年限仅为5年，在之前的农业种植中使用了大量有机肥料，发挥了一定程度的土壤营养含量补充作用。

前文提到，在其他学者的研究中发现30年撂荒草地中有机碳的含量要高于7年撂荒草地，这可能是由于7年撂荒草地的撂荒时间过短，虽然农业生产优化了其营养结构，但地表植物、落叶枯萎腐败所产生的有机碳贡献程度还不明显。

而在土壤有机碳含量与土层深度的关系上，0～20c m 深度范围内不同类型土地的有机碳含量之间最为显著，这一点也与其他相关实验的结果保持一致。

结论

综上所述，黄土丘陵区不同类型土地中，表层土壤有机碳含量与土层深度负相关，但随着土层深度的增加，不同类型土地间有机碳含量差异逐渐缩小，可判断土地类型对有机碳的含量的影响仅突出表现在浅层土壤当中。