不同耕作制度下稻田土壤有机碳垂直分布季节变化及其影响因素——以海南省定安县为例

唐 薇，赵志忠，王军广，赵泽阳，吴 雯

(海南师范大学地理与环境科学学院，海南 海口 571158)

【研究意义】土壤是陆地生态系统中最大的碳库[1]，农田土壤贮存的碳占土壤碳库的8%～10%，是陆地生态系统重要的碳源和碳汇[2]。土壤有机碳主要来源于土壤动植物、微生物残体以及微生物作用形成的腐殖质，是评价土壤肥力的重要指标[3]。目前，土地开垦和翻耕导致了土壤中营养元素的流失，土壤结构的破坏和有机碳的消耗，部分土壤碳以CO2的形式排放到大气中，使得温室效应加强[4]。因此，如何提高土壤碳储量和土壤固碳能力对于土地资源可持续利用和减缓气候变暖进程都尤为重要，是相关学者重点关注的问题。水稻土是我国农田生态系统的重要组成部分，其具有较高的碳密度和较强的固碳能力，研究认为稻田土壤有机碳的积累与水稻生长能力提高从而导致的作物碳源对有机碳输入的增加有关，且人类可以通过耕作施肥等措施改变土壤理化性质，影响有机碳周转[5-7]。为了更好的研究土壤有机碳累积特征，前人依据稳定性将其分为活性、慢性和惰性有机碳库三部分[8]，易氧化有机碳是土壤活性有机碳的重要组成部分，其具有一定溶解性，在土壤中移动较快、不稳定、易氧化、易被土壤微生物矿化分解，对植物养分供应具有直接作用，且对生产经营和管理措施反应敏感，被认为是土壤碳库短期变化的重要指示因子[9-10]。而针对不同土地利用类型[11-12]和不同耕作管理措施[13-14]下土壤有机碳和活性有机碳的垂直分布，也有学者进行了相关研究，研究认为，人为耕作管理措施的干扰是影响有机碳垂直分布的重要原因，不同土地利用方式下土壤有机碳的垂直分布特征存在差异。海南省作为中国的热带岛屿，其自然环境和土壤母质都存在一定特殊性，因而对区内土壤有机碳分布特征及变化规律进行研究具有一定的现实意义和理论价值。【前人研究进展】当前，已有学者通过对海南省土壤有机碳时空变化规律进行长期系统的研究，详细介绍了海南省有机碳储量和变化情况[15-16]。另外，海南省优越的水热条件使得当地作物生长周期较长，耕作制度的选择更加多样，形成了独具特色的热带农业。因此，农业土壤有机碳的研究也受到学者广泛关注，并主要针对不同利用方式下农田土壤有机碳的分布特征和影响因素开展了相关研究[12,17]。目前，有关不同耕作制度对海南省农田土壤有机碳集聚特征及机制影响方面研究还相对欠缺。【本研究切入点】本次研究拟通过对海南省定安县4种不同耕作制度下的稻田有机碳的累积规律及变化特征进行研究。【拟解决的关键问题】本研究探讨不同耕作制度下稻田土壤有机碳垂直分布的季节变化，确定稻田土壤有机碳的累积分布特征和影响因子，为科学可持续地利用稻田资源提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 样品采集

以海南省定安县为研究区，该地属于热带海洋性季风气候，年均气温24.7 ℃，年均降水量2007 mm，年平均日照时数为1992 h，研究区土壤以砖红壤为主，且因母质条件不同其土壤呈现不同颜色。通过历时1年的实地调查及访问，在定安县白沙镇、南曲村以及三坡仔村选择了3个海拔和坡度相近的采样区，分别命名为S1、S2和S3(图1)，在S1选择相邻的2块二熟制稻田和1块撂荒地，S2选择1块一熟制稻田和1块撂荒地，S3采样区选择2块三熟制稻田和1块撂荒地作为样地。每个样地在5 m×5 m范围内，随机设置两个取样点，在每个取样点采集一个深度为30 cm的柱状样，并将土壤剖面按10 cm间距分为3层，分别为：表层(0～10 cm)、中层(10～20 cm)、底层(20～30 cm)，将所取得的样品装入封口袋编号并带回实验室。共在2019年冬季(1月)、春季(4月)、夏季(7月)、秋季(10月)进行了4次采样(表1)。

表1 研究区各样地基本情况

研究区所选稻田都以传统犁耕为其主要耕作方式，灌溉主要依赖自然降水和抽水、引水灌溉，基肥主要为氮肥，部分农户混施有机肥，生长期根据水稻长势再增施复合肥，秸秆没有做还田处理。根据调查结果，一熟制稻田6月底7月初时插秧，10月中旬收割，一年施肥1～3次；二熟制稻田第一稻于清明前插秧，6月中旬收割，第二稻于6月底7月初时插秧，10月中旬收割，全年施肥2～5次；三熟制稻田第一稻于前一年12月底插秧，第二年3月中旬收割；第二稻于清明前插秧，6月中旬收割；第三稻于6月底7月初时插秧，10月中旬收割，全年施肥3～7次；撂荒地是水稻田被撂荒之后形成的土地类型，采样区撂荒地的撂荒时间都在3年以上，部分撂荒地因地表杂草丛生，利于积水，已形成类似于沼泽湿地的土地形态。

1.2 样品处理与分析

野外采集的土样去除石砾及动植物残体等杂质，摊开自然风干，用于测定相关指标。

土壤有机碳测定：将风干土样取50 g研磨，取10 g已研磨土样放入烘箱，温度调至105 ℃，烘干至恒重后称取已烘干土样5 g置于50 mL烧杯中，以蒸馏水和盐酸9︰1的比例配置溶液，并向烧杯中加入30 mL溶液，用磁力搅拌器搅拌至没有气泡，以去除碳酸盐。静置24 h后，加入蒸馏水离心，离心结束后更换干净蒸馏水继续，重复3～5次，直至土样呈中性，再次将土样放入烘箱，温度调至60 ℃，约24 h后取出，冷却、干燥并研磨，取处理完成的土样25 mg用锡纸包裹，使用TOC分析仪检测。

土壤易氧化有机碳测定：采用由Logninow等[18]提出的KMnO4氧化法。

土壤的粒径使用激光粒度仪(Mastersizer 2000)测定：测量范围为0.02～2000 μm。称取0.5 g过2 mm孔径筛的风干土壤样品放入小烧杯中，加入过氧化氢溶液1 mL，用玻璃棒搅拌，待土壤完全反应后将样品移至电热板加热，再加入1 mL六偏磷酸钠溶液，搅拌完全后静置过夜，最后将处理完成后的样品放入超声波清洗机振荡分散15 min，并用激光粒度仪测定土壤的粒径。

土壤的pH值主要使用梅特勒pH计测定：称取5 g的沉积物至烧杯，按水土比为5∶1的比例搅拌至其完全溶解，然后静置30 min，再用pH计测定其上清液的pH值。

数据采用Excel 2007软件进行处理，并用SPSS 21软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 不同耕作制度稻田土壤有机碳及易氧化有机碳垂直分布变化

2.1.1 土壤有机碳 由图2可知，4种耕作制度下的稻田土壤有机碳含量在0～30 cm土层都呈现从表层向深层不断下降的趋势。

对同一季节不同类型稻田各土层土壤有机碳含量进行比较分析，发现：冬季时，0～10 cm土层和20～30 cm土层稻田土壤有机碳含量都表现为三熟制>二熟制>撂荒地>一熟制的特征，而10～20 cm土层则表现为三熟制>二熟制>一熟制>撂荒地。春季时，稻田土壤有机碳含量在各土层都呈三熟制>二熟制>撂荒地>一熟制的顺序。夏季时，稻田土壤有机碳含量在各土层都呈二熟制>三熟制>撂荒地>一熟制的顺序。秋季时，除10～20 cm土层土壤有机碳含量三熟制>二熟制>撂荒地>一熟制外，其它土层都呈二熟制>三熟制>撂荒地>一熟制的特征。

对同一类型稻田各土层土壤有机碳含量在不同季节的变化进行分析，发现：一熟制稻田总体上呈1—10月不断下降的趋势，二、三熟制稻田和撂荒地各基本都在4月时出现最大值，其它季节不同耕作制度下稻田土壤各土层有机碳含量差异不大。

从方差分析结果来看，一熟制稻田各季度不同土层间有机碳含量之间差异都比较显著，而二熟制稻田1和10月时各土层有机碳含量差异较大，三熟制稻田在7和10月时差异较大，撂荒地相对于其他类型耕地来说，各季节不同土层有机碳含量的差异都较小。各耕作制度下土壤0～30 cm土层有机碳含量的季节变化都不明显。

2.1.2 土壤易氧化有机碳 由图3可以看出，各耕作制度下稻田土壤易氧化有机碳含量在0～30 cm土层也表现出从表层向深层不断降低的特征。

对同一季节不同类型稻田各土层土壤易氧化有机碳含量进行比较分析，发现：总体来说，全年二熟制和三熟制稻田在不同土层中有机碳的含量较高，而20～30 cm土层在7月和10月时撂荒地有机碳含量在4种类型土壤中最高。

对同一类型稻田各土层土壤易氧化有机碳含量在不同季节的变化进行分析，发现：各耕作制度下稻田各土层土壤易氧化有机碳含量都在春季时出现最大值，除一熟制0～20 cm土层，二熟制及撂荒地0～10 cm土层易氧化有机碳含量从夏季到秋季有不同幅度的上升外，其它类型稻田各土层易氧化有机碳含量都表现为冬季到春季增加，春季到夏季降低的特征。

根据图3显示方差分析结果，一熟制稻田在四个季度各土层土壤易氧化有机碳含量之间都存在明显差异；二熟制和三熟制稻田都只有一个月各土层土壤易氧化有机碳含量都差异显著，而撂荒地，则除了1月外，其它时间各土层易氧化土壤有机碳含量之间都没有显著差异。从图4来看，除撂荒地外，春季时不同耕作制度稻田土壤易氧化有机碳含量都显著高于其它季度，而其它不同季度之间，各耕作制度下稻田土壤易氧化有机碳含量的差异总体来说并不明显。

2.1.3 土壤有机碳和易氧化有机碳相关性 对研究区稻田土壤0～30 cm土层易氧化有机碳含量和土壤总有机碳含量的相关性进行分析，发现二者呈极显著正相关关系，进一步对各土层进行分析，发现0～10 cm土层相关性不显著，而10～20和20～30 cm土层土壤易氧化有机碳和总有机碳之间呈极显著正相关，3个不同土层土壤有机碳和易氧化有机碳的相关系数分别为0.640、0.842、0.848。

2.2 土壤有机碳与土壤质地和pH值的相关性分析

相关分析结果显示，土壤有机碳含量和土壤砂粒占比呈显著负相关，R2为0.151，而与细粒(粘粒和粉粒)含量则呈显著正相关，R2为0.160。这说明研究区土壤颗粒越细，越利于有机碳的累积和存储。土壤易氧化有机碳含量则与土壤质地组成没有明显相关性。另外，土壤pH值与土壤有机碳含量和土壤易氧化有机碳含量都呈极显著负相关关系，其R2的值分别为0.662和0.438，说明土壤酸性越大，有机碳及易氧化有机碳的含量越小。

3 讨 论

3.1 稻田土壤有机碳垂直分布季节变化特征及影响因素分析

稻田土壤有机碳主要来源于原始植被残留、作物根系、自身凋落物以及人为施加有机肥料，这使得外源有机碳输入首先在地表累积起来，再经过淋溶下渗向深层土壤输送，在输送过程中有机碳不断被分解吸收，使得能进入到底层土壤中的有机碳含量少。因此，稻田土壤有机碳在垂直分布上存在从表层向深层不断递减的趋势[19-20]。从本次研究结果来看，4种耕作制度下的稻田土壤有机碳含量在0～30 cm土层都表现为从表层向深层不断下降，这与前人研究成果一致。在全年4个季度，4种不同耕作制度下的稻田土壤有机碳含量在0～30 cm各土层中的分布都表现为二熟制和三熟制稻田较高，一熟制和撂荒地较低。原因可能是因为二三熟制稻田土壤pH值相比一熟制和撂荒地要小，研究认为，土壤酸性越强，土壤微生物的活动就会受到限制，使得土壤有机碳的分解速率下降，有机碳得以累积，本次研究结果也表明土壤pH值和土壤有机碳含量呈极显著负相关，因而土壤pH值是影响土壤有机碳分布的原因之一[22]。而且二熟制和三熟制稻田一年内耕作次数较多，水稻收割后留下的根茬经过腐解进入土壤中，成为土壤有机碳的重要来源，另外，二三熟制稻田施肥次数较多，由于施肥能有效改善土壤理化性质并增加作物生物量，因此其对增加土壤有机碳含量和提高固碳能力具有促进作用[21-23]。

对比不同季度不同耕作制度下稻田各土层有机碳含量发现，一熟制稻田垂直方向上有机碳含量的差异显著，这可能和一熟制稻田土壤粒度最大有关系。根据数据分析结果，研究区稻田土壤有机碳含量与细粒占比呈显著正相关，与砂粒占比呈显著负相关，这与前人研究成果一致[20]。土壤粒度越大，比表面积越小，对有机碳的吸附作用小，不利于有机碳的累积固定[24]，因而一熟制稻田土壤有机碳分解消耗速度较快，下层土壤有机碳难以补充，加剧了与表层之间的含量差异。二熟制稻田土壤有机碳冬季和秋季时各土层土壤有机碳含量差异显著，春季和夏季时差异较小，这可能是因为春季和夏季采样时正处于水稻生长初期，刚刚经过了翻耕施肥灌溉等措施，施肥和灌溉对于改善土壤理化环境，提高土壤固碳能力具有一定的积极作用[25-26]，翻耕则混合了表层和较深层的土壤，因此土壤有机碳在0～30 cm土层中分布较均匀，各土层差异不明显。三熟制和撂荒地全年有机碳含量垂直分布的差异相对较小，这可能是因为三熟制稻田长期处于被利用的状态，使得有机碳的外源输入充足，且0～30 cm各土层之间土壤质地分布相对均匀，利于有机碳的渗入。而撂荒地由于受人为影响小，土壤有机碳主要来源于地表凋落物及植物根系，因此其产生的外源输入较小，所以大部分时间表层与深层土壤有机碳含量差异不大。夏季和秋季时，三熟制稻田和撂荒地20～30 cm土层有机碳含量都显著低于上层土壤，其原因可能是由于此时正处于当地雨季，雨热同期的气候促进了地表植物的生长，使得根茬碳的输入量增加，表层土壤产生的有机碳外源输入增加，加大了土壤有机碳垂直分布的差异。

3.2 稻田土壤易氧化有机碳垂直分布季节变化特征及影响因素分析

从研究结果可知，研究区稻田土壤易氧化有机碳在0～30 cm土层的垂直分布也表现为从表层向深层递减的特征，且不同耕作制度稻田的易氧化有机碳含量总体也呈二、三熟制稻田大于一熟制稻田和撂荒地，与土壤总有机碳的分布一致。这说明研究区稻田土壤易氧化有机碳的含量与土壤总有机碳含量呈极显著的正相关关系，与前人研究成果一致[27]。研究进一步发现，0～10 cm土层土壤有机碳含量与易氧化有机碳含量相关性不显著，而10～20和20～30 cm土层呈极显著相关性，这可能是因为0～10 cm土层受生产经营和管理措施的影响较大，土壤易氧化有机碳对其反应敏感，因此其含量变化很大程度受到这些措施的影响，使得其与总有机碳含量的相关性不及更深层的土壤。

从季节变化来看，研究区4种耕作制度下的稻田各土层土壤易氧化有机碳含量都在春季时最大，且此时一熟制和二熟制稻田各土层土壤易氧化有机碳含量都显著高于其它季节，这可能是由于春季属于研究区的旱季，且此时气温回升，气候在一年内相对比较干热，这一气候特征使得土壤含水量少，这一土壤环境促进了微生物活动，从而加速了凋落物分解，增加了土壤易氧化有机碳含量[28]。进一步分析发现，一熟制稻田10～20 cm土层土壤易氧化有机碳含量在秋季时明显高于冬季和夏季，这可能是由于秋季时一熟制稻田正处于收割期，收割后残留的植物根茬被腐解，耕层土壤易氧化有机碳的外源输入随之增加。一熟制和三熟制稻田20～30 cm土层表现为秋季时含量显著低于夏季，这可能是因为夏秋季节正处当地雨季，土壤处于淹水环境，前人研究认为，在适宜的土壤环境中，淹水土壤有机碳分解速率较高[29]，这使得有机碳含量降低，因而易氧化有机碳的含量随之减少。三熟制稻田0～10 cm土层各季节之间易氧化有机碳含量都存在显著差异，其原因可能是这类稻田常年受人为的耕作管理措施影响，易氧化有机碳含量也随之发生变化。撂荒地基本不受到人为耕作措施的影响，且地表杂草覆盖，有利于积水，这使得其土壤状态在一年内不同季节变化较小，因而其易氧化有机碳含量没有明显变化。

4 结 论

研究区4种类型稻田土壤有机碳和易氧化有机碳含量在不同季节0～30 cm土层都呈现由表层向深层逐渐下降的分布特征，其垂直分布变化受到气候、土壤理化性质以及人为耕作管理措施等方面的影响。

(1)由于稻田土壤有机碳和易氧化有机碳的垂直分布受人为耕作管理措施影响较大，施肥灌溉等农田管理措施能有效提高土壤有机碳含量，使得研究区不同类型稻田0～30 cm各土层土壤有机碳和易氧化有机碳含量在全年4个季度都表现为二三熟制稻田含量高，一熟制稻田和撂荒地含量低。

(2)研究区稻田土壤有机碳的垂直分布与土壤pH值和土壤质地有关，土壤有机碳含量与土壤pH值呈极显著负相关，与砂粒含量呈显著负相关，与细粒含量呈显著正相关，土壤质地越细越有利于有机碳的固存。一熟制稻田土壤砂粒含量高，pH值较大，这导致其有机碳含量，且垂直方向上差异显著。

(3)不同类型稻田0～30 cm各土层土壤有机碳及易氧化有机碳的含量在不同季节存在一定差异，易氧化有机碳的差异相对明显。旱季干热的气候有利于表层土壤易氧化有机碳的累积，且利于有机质向下层输送，雨季土壤处于淹水环境，加快了有机碳分解速率，土壤有机碳和易氧化有机碳含量也随之下降。