利用方式与成土母质对金衢盆地土壤有机碳积累及其稳定性影响的研究

刘国群,章明奎

(1.浙江省衢州市柯城区土肥与农村能源技术推广站,浙江 衢州 324000;2.浙江大学 环境与资源学院,浙江 杭州 310058)

有机碳含量是评价土壤质量的重要指标,除可直接影响土壤养分的供应外,其还可对土壤的物理与化学性状产生多个方面的影响[1～4]。在我国土壤养分评级标准中,对优质耕地的土壤有机质含量也有专门的约定[5,6]。近年来,我国许多地方在开展的耕地地力提升工作中没有例外地都把土壤有机碳含量作为重要的提升目标之一。众多研究表明,农田土壤有机碳的积累深受有机物质投入水平的影响,随秸秆还田数量与还田历史、商品有机肥施用量的变化而变化,因此,采取多种途径投入有机物料被认为是提升耕地土壤有机碳含量的主要措施[7～12]。南方地区土地利用方式和经营手段复杂,利用方式的差异可在一定程度上改变农田有机物质的投入及土壤水温状况,后者可直接影响土壤中有机物质的矿化和腐殖化过程[13～14]。另一方面,一些调查也发现,土壤有机质含量可随气候条件、土壤类型和土壤矿物组成等有较大的差异[15]。土壤团聚体是土壤结构的基本单元,有机碳是团聚体形成的重要胶结物质,有机碳数量的增加可以促进团聚体的形成,提高团聚体的稳定性[16～20]。而形成良好的结构体反过来又可促进土壤有机碳含量的稳定性,维持土壤微生物的多样性。土壤中有机碳的数量还与形成水稳定性团聚体的基础物质(土壤矿物质)密切相关,而基础物质与土壤成土母质密切相关。浙江省金衢盆地是亚热带地区典型的丘陵红壤分布区,也是浙江省重要的粮、果等商品的生产基地。通过多年的培肥,这一地区内耕地质量有明显的提高；但一些区域耕地质量调查也表明,区内耕地质量存在着较大的空间异质性[21～22]。为了揭示这些差异的原因,本研究从利用方式和成土母质角度分析了金衢盆地土壤有机碳积累及其组分的变化特点,以期为科学培肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

金衢盆地位于浙江省中西部,是我国南方著名的红色盆地之一,因内有金华、衢州两市而得名。金衢盆地东起东阳市，西至衢州市,东西长逾200 km,平均宽逾20 km,是浙江省木材、粮食、柑橘、花卉、生猪生产的重要基地。金衢盆地形成于晚燕山期,边缘受断裂控制,基底为前震旦系—上古生界,盖层为白垩系河湖相沉积岩及火山岩,由山地、丘陵和河谷平原等地貌类型组成,广泛分布有第四纪红土、紫砂岩、红砂岩、花岗岩、石英砂岩和泥页岩等岩石；区内土壤类型包括红壤、黄壤、紫色土、水稻土和粗骨土等。该盆地开发历史悠久,人为活动对土壤性状有较大的影响。属于典型的亚热带季风气候,年平均温度约17.5 ℃,年均降水量为1350 mm。

1.2 样品采集

于2018年10～12月共从金衢盆地采集96个表层土壤样品和16个代表性剖面的80个分层土壤样品,表层土壤的采样深度为0～20 cm,每个样品由采样地5个点土样混合而成。剖面样品的采样深度分别为0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm。采集的土样涉及第四纪红土、变质岩、紫砂岩和红砂岩等4类成土母质,每类成土母质的表层土样各24个,剖面土样各4个;每一类成土母质的表层土样由林地、水田、旱地和果园等4类土地利用方式的6个土样组成,每一种利用方式的土壤剖面土样各1个。选择的各类土地利用样点要求保持现状利用10年以上。挖掘的土壤剖面长×宽×深为80 cm×80 cm×100 cm,按20 cm的深度间隔采集分层土壤样品。在采集分层土壤的同时,用环刀法测定每层土壤的体积质量(容重)。将采集的表层土壤样品分为2个部分,一部分沿土壤自然结构轻轻地掰碎成粒径<10 mm的小土块,自然风干,用于分离不同组分的有机碳(TOC)和测定水稳定性团聚体;另一部分样品经风干、剔除其中石块及植物残体等杂质后过0.15 mm土筛,测定土壤性质。

1.3 分析方法

采用密度分离与湿筛法分组相结合的方法分离土壤有机碳组分[23]。首先,用密度为1.85 g/cm3的NaCI溶液分离得到游离态轻组(fLF)和重组(HF);之后,向剩余重组中加入0.5%(w/v)六偏磷酸钠(HMP)溶液,振荡18 h,通过0.053 mm的筛子,分别得到颗粒有机碳(POC，粒径>0.053 mm)和矿物结合态有机碳(mSOC，粒径<0.053 mm),将各组分在40 ℃下烘干、称重,测定有机碳含量。土壤及其各组分有机碳含量采用重铬酸钾氧化法[24]进行测定。水稳定性团聚体含量用湿筛法测定。土壤剖面有机碳贮量采用以下公式计算:1 m深度有机碳贮量(kg/m3)=∑容重×有机碳含量×土层厚度。

1.4 数据分析

采用SPSS 19.0和Excel 2003对试验数据进行统计分析,使用Origin 8.0软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 成土母质对表层土壤有机碳积累及其组分的影响

表1结果表明,成土母质对土壤的粘粒含量、CEC和水稳定性团聚体含量有显著的影响,第四纪红土和变质岩发育的土壤粘粒含量明显高于紫砂岩和红砂岩发育的土壤;在4种母质发育的土壤中,第四纪红土发育土壤的>0.25 mm水稳定性团聚体含量最高,红砂岩发育的土壤>0.25 mm水稳定性团聚体含量最低,两者差异显著;CEC以变质岩和紫砂岩发育的土壤最高,红砂岩发育的土壤最低,它们之间的差异也达到了显著水平。

由表2可知,成土母质对土壤有机碳积累有显著的影响,第四纪红土和变质岩发育的土壤的有机碳含量明显高于红砂岩发育的土壤;同时,第四纪红土发育土壤的有机碳含量也明显高于紫砂岩发育的土壤。在4种母质发育的土壤之间游离态碳占有机碳的比例(fLF/TOC)差异不明显,但红砂岩发育土壤的颗粒有机碳占有机碳的比例(POC/TOC)明显高于其他母质发育的土壤;而第四纪红土和紫砂岩发育土壤的矿物结合态有机碳占有机碳的比例(mSOC/TOC)明显高于红砂岩发育的土壤,表明前者的有机碳稳定性明显高于后者。由于矿物结合态有机碳主要是与粘粒结合,故mSOC/粘粒的比值基本上可反映粘粒中矿物结合态有机碳的饱和度。表2的结果表明紫砂岩发育土壤的mSOC/粘粒明显高于第四纪红土发育的土壤,且红砂岩和变质岩发育土壤的mSOC/粘粒的平均值也高于第四纪红土发育的土壤。在4种母质发育的土壤之间C/N差异不显著。

表2 不同成土母质发育的表层土壤的有机碳含量及其组分构成

2.2 利用方式对表层土壤有机碳积累及其组分的影响

从表3可以看出,利用方式对土壤有机碳积累及其组分也有较大的影响。水田和林地土壤的有机碳积累明显,高于旱地;果园土壤的有机碳含量高于旱地的,前者比后者高24.94%。林地土壤具有最高的游离态碳占有机碳的比例(fLF/TOC),其明显高于其他用地的土壤;园地和水田的fLF/ TOC也明显高于旱地的。林地土壤的颗粒态碳占有机碳的比例(POC/TOC)明显高于旱地土壤的；相应地,林地土壤的矿物结合态碳占有机碳的比例(mSOC/TOC)明显低于旱地土壤的；在其他用地之间POC/TOC和mSOC/TOC均不存在显著差异。水田土壤具有明显高于其他用地的mSOC/粘粒,表明水田土壤具有较高的mSOC饱和度。林地土壤具有较高的C/N,明显高于其他用地的土壤,可能与林地缺乏肥料氮的施用有关。

表3 不同利用方式表层土壤的有机碳含量及组分构成

2.3 利用方式与成土母质对土壤剖面中有机碳贮量的影响

表4为不同成土母质和不同利用方式下16个代表性土壤在1 m深土体中有机碳的贮量及其在各土层的占比构成。从表4中可知,利用方式和成土母质对土壤有机碳贮量有一定的影响。1 m深土体中有机碳贮量表现为:变质岩>第四纪红土>紫砂岩>红砂岩,这与上述的表土有机碳含量的变化趋势一致。在不同利用方式下土壤有机碳的贮量也以水田最高,其次为林地,以旱地最低。从各土层中有机碳的占比构成可知,土壤中有机碳主要分布在表层土壤,占1 m深土体中有机碳总贮量的35%～55%,且表层土壤有机碳贮量占比最高的为旱地,说明旱地土壤有机碳存在明显的表聚特点;而表层土壤有机碳贮量占比最低的为水田,其深层土壤中有机碳贮量的占比明显高于其他用地的,表明水田深层土壤具有较高的有机碳积累潜力。果园和林地在剖面各土层的有机碳分配较为均匀。

表4 利用方式与成土母质对土壤中有机碳贮量及其在各土层中占比的影响

表5为不同成土母质和不同利用方式下16个代表性土壤剖面各土层活性有机碳(游离态和颗粒态有机碳之和)占有机碳的比例。结果表明,该比例均呈现出由表层向底层土壤逐渐下降的特点,这显然与有机碳主要来自地表有关;但该比例随剖面深度加大而下降的幅度因利用方式不同有所差别,其中旱地土壤在深度20 cm时活性有机碳比例发生了明显的下降,水田土壤在深度40 cm时比例发生了明显的下降,而林地与园地的该比例发生明显变化的深度在60 cm左右。

表5 利用方式与成土母质对各土层活性有机碳比例的影响 %

3 讨论

土壤固碳能有效减缓气候变化,而且也可明显提高土壤肥力和作物生产力。本研究结果表明,成土母质和不同利用方式对金衢盆地土壤有机碳积累及其稳定性均有一定的影响。在4种成土母质发育的土壤中，表层有机碳含量以变质岩发育的土壤最高,其次为第四纪红土,而红砂岩发育土壤的有机碳含量最低。由于土壤中的有机碳只有与土壤团聚体紧密结合才能避免被分解，从而积累在土壤中,因此不同成土母质发育土壤中有机碳含量的差异可能与不同母质发育土壤的粘粒含量和CEC不同有关,即粘粒含量和CEC越高,越容易形成水稳定性团聚体,土壤中有机碳越稳定,越容易积累。对96个表层土壤的性状相关分析表明,土壤有机碳含量与粘粒含量、CEC、>0.25 mm水稳定性团聚体的相关系数分别为0.4830、0.7021和0.7561,均达到了显著相关的水平。粘粒含量和CEC较高的土壤有利于水稳定性团聚体的形成,可以对土壤中的有机碳起到保护作用,减免土壤中有机碳的矿化。从4种母质发育土壤的稳定有机碳(mSOC)与粘粒含量的比值(mSOC/粘粒)可知：紫砂岩发育土壤的该比值平均已达57.65 g/kg,明显高于其他成土母质发育的土壤；而第四纪红土发育土壤的mSOC/粘粒平均值只有33.15 g/kg。这表明紫砂岩发育土壤的有机碳饱和度已达到较高水平,而第四纪红土发育的土壤仍具有较大的固碳潜力。

在本研究的4种土地利用方式下，表层土壤和1 m深土体中有机碳的平均贮量表现为:水田>林地>果园>旱地。这一结果表明水田具有最大的固碳潜力,对减缓稻作系统的净温室效应具有重要作用；而旱地的固碳潜力最弱,这与有关学者报道的结果[13,25,26]一致。水田具有较强的固碳潜力与其水作环境有关,一方面长期淹水种植水稻,导致了土壤通气性明显低于旱地和园地,减弱了土壤有机碳的矿化速率,从而促进了土壤有机碳的积累;另一方面,长期淹水种植使土壤剖面中有较多的水分向下移动,促进了表层小分子有机碳(主要为腐殖质碳)向深层土壤迁移,大大增加了深层土壤有机碳的积累,而深层土壤由于通气性较差,有机碳的稳定性较高。这一结果表明,水田不仅有机碳含量较高,而且比旱地具有更强的固碳能力、更长的固碳期限和更高的固碳效率。

本研究结果还表明,土壤中活性有机碳占有机碳的比例在土壤剖面中的垂直变化也因利用方式不同而存在较大的差异。旱地、水田和林地与园地土壤活性有机碳与有机碳的比例发生明显变化的土层深度分别在20、40和60 cm左右。其中,旱地表层土壤与20 cm以下土层活性有机碳与有机碳的比例存在明显差异,这显然与旱地作物根系较浅,缺乏有机碳进入深层土壤有关。林地与园地土壤剖面中活性有机碳占有机碳的比例发生明显变化的土层深度较深(在60 cm左右),可能与这2种土地利用方式的植物根系分布较深有关,因为20～60 cm土层的活性有机碳主要来源于植物根系的分泌物。水田虽然在深层土壤中具有明显高于果园和林地土壤的有机碳贮量,但其40 cm以下土层中活性有机碳贮量并不高,这可能因为水田中下层积累的有机碳主要来源于表层腐殖酸碳向下的移动。

4 结论

对浙江省金衢盆地由第四纪红土、变质岩、紫砂岩和红砂岩等4类成土母质发育的4种不同土地利用方式下土壤有机碳及其组分的研究结果表明：成土母质和不同利用方式对金衢盆地土壤有机碳积累及其稳定性均有一定的影响；成土母质对土壤有机碳积累的影响主要与不同母质形成的土壤粘粒含量、CEC及水稳定性团聚体数量有关,这些因素会改变土壤有机碳的稳定性。4类母质发育的表土有机碳平均含量排序为:变质岩>第四纪红土>紫砂岩>红砂岩。土地利用方式对土壤有机碳含量的影响主要与不同种植条件下有机物质的输入及土壤水分状况有关。1 m深度土体内有机碳的贮量表现为:水田>林地>园地>旱地。果园与林地20～60 cm土层中活性有机碳占总有机碳的比例较高;而水田深层土壤的活性有机碳占比较低。