休闲农业旅游背景下浙江省水改旱土壤有机碳的时空分异

杨东伟，张建强，黄学彬，章明奎

（1. 海南热带海洋学院 海岛旅游资源数据挖掘与监测预警技术文化和旅游部重点实验室，海南 三亚 572000；2. 浙江大学 环境与资源学院，浙江 杭州 310027；3. 广西大学 商学院，广西 南宁 530004）

土壤中的有机碳既是碳汇又是碳源。全球土壤圈碳储量约1 500 Gt，约是大气圈碳储量的2倍，植被碳储量的3倍，每年因土地利用变化所释放的二氧化碳(CO2)约占全球CO2释放量的25%[1−4]。不合理的土地利用方式能够引起土壤碳汇功能减弱[5]。一般而言，湿地由于较低的有机质分解速率和较高的生产力而成为重要的碳汇[6]。有研究[7]表明：在过去近200 a中，湿地开垦后土壤碳素损失约4 Gt。水田是蕴含人类文明的人工湿地生态系统，由于其巨大的碳库储存能力而逐渐受到学者的关注。近年来，随着休闲农业的不断发展，中国南方大面积水田改种花卉和果树，水稻Oryza sativa播种面积逐渐减少。相关年鉴统计表明：2017年全国水稻播种面积为3 074.7万hm2，比1978年减少了367.4万hm2；2019年浙江省水稻播种面积为76.1万hm2，比2012年减少7.3万hm2，比1995年减少137.8万hm2。水田(水耕人为土)改旱作后，土体环境由还原过程占优势向氧化过程为主过渡，土壤有机碳矿化速率明显加快。目前，关于土壤碳储量的研究主要集中在同一种土地利用方式碳循环影响因素、碳排放结构特征和区域差异[8]，以及天然湿地转化为农田以后对碳储存的影响等方面[5−7]，针对水田改旱作后土壤有机碳储量变化及其空间分布的研究较少。本研究通过测算水田改旱前后土壤有机碳含量的差异，分析其时空分异特征及影响因素，对提高土壤肥力和土壤固碳潜力，科学评价和保护人工湿地生态系统，减少碳排放有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

浙江省 (27°02′ ～31°11′N， 118°01′ ～123°10′E)处于典型亚热带湿润季风气候区，冬夏季风交替明显，四季分明，气温适中，雨水丰沛，日照充足，平均气温为15.0 ～18.1 ℃，≥10℃积温为5 200 ～5 700 ℃，年日照总时数为1 100 ～2 200 h，历年平均降水量为1 060 ～2 000 mm，相对湿度为75% ～80%。近年来，随着生产生活方式的转变，浙江省很多农业用地被用来发展休闲农业。

1.2 供试土壤

依据中国土壤系统分类检索(第3版)，水耕人为土(水稻土)可分为潜育、铁渗、铁聚和简育水耕人为土等四大类[9]。在浙江省范围内，构建4个水耕人为土改旱序列剖面，每个序列包含1个长期种植水稻的土壤剖面和2个水改旱不同年限(最长为15 ～20 a)的土壤剖面，共计12个采自独立田块的代表性土壤剖面。土壤剖面样地信息详见表1，所有样地海拔为2.7 ～5.2 m，成土母质为湖沼、湖海或河海相淤积物。

表1 土壤样品基本信息Table 1 Basic information of soil samples

根据土壤剖面发育状况，确定发生层及其深度，分层采集土壤样品。田间采集的分层土样带回实验室采用常规方法风干处理，依次过2.00和0.15 mm土筛，用于土壤有机质测定，同时用烘干法测定含水率，矫正分析结果。

1.3 研究方法

土壤含水率测定采用烘干法；土壤pH测定采用电位法；土壤有机碳(SOC)质量分数测定采用重铬酸钾-硫酸外加热法；土壤容重测定采用环刀法[10]。

1.4 统计分析

依据《中国土壤系统分类检索》[9]和单正军等[11]估算温室气体排放的方法，按照SOC剖面分布特征，分层计算SOC损失量，公式为C0=HBC。C0为SOC密度(kg·m−2)，H为土层厚度(m)，B为土壤容重(kg·cm−3)，C为SOC质量分数(kg·kg−1)；其中C=0.58CM，CM为测定出的土壤有机质，0.58为转换系数。将计算出的各土层SOC叠加，计算水耕人为土改旱(水改旱)作前后1 m土体中SOC总量，计算旱作前后土体中SOC总量的差值，测算SOC的损失量；通过计算损失量与旱作时间的比值，测算SOC年损失率。采用Excel 2003处理数据，Origin 8.0制图。

2 结果与分析

2.1 土壤地下水位和田间含水率的变化

湿地CO2释放量与地下水位呈负相关[12−13]。从图1可见：4类水耕人为土改旱作后地下水位均呈现不同程度下降，其中以潜育和铁渗水耕人为土改旱后地下水位下降最为明显。改旱后，土壤田间含水率明显下降，短期旱地表层土壤田间含水率降幅为28.88% ～51.42%，长期旱地表层土壤田间含水率降幅为31.41% ～56.65% (表2)。

图1 水田和改旱土壤地下水位Figure 1 Groundwater level of paddy and upland soils

表2 土壤剖面样品基本性质Table 2 Basic properties of soil profile samples

2.2 土壤容重和pH的时空变化

容重大小不仅能反映土壤结构状况和有机质质量分数的高低，还是衡量湿地土壤持水性能和蓄水性能的重要指标之一[14]。改旱作后，各序列表层和亚表层土壤容重随旱作时间延长呈现增加趋势，其中表层土壤容重增加最为明显(表2)；这与改旱后土壤翻耕减少，土壤有机质质量分数降低以及进入土壤的植物根系等残体明显减少有关。改旱后，各序列剖面土壤淀积层和底土层(相当于潜育层或母质层)土壤容重变化不明显(表2)。

改旱后，4个改旱序列部分发生层土壤pH明显下降(表2)，可能原因是改旱后土壤中施用大量酸性肥料促进了土壤的酸化(表3)；其次，土壤中铵态氮在硝化细菌的作用下转化为硝态氮，以及土壤中锰离子(Mn2+)、铁离子(Fe2+)等离子被氧化，都释放出大量的质子(H+)，加速了土壤酸化。

表3 水田及改旱土壤施肥量的差异Table 3 Differences of fertilization between paddy and upland soils

2.3 SOC质量分数的时空变化

随着旱作时间延长，4个改旱序列SOC质量分数都呈现整体降低趋势，并以表层和亚表层SOC降低最为明显(图2)。短期(7 ～12 a)改旱后，4类水耕人为土表层SOC下降幅度为22.44% ～33.03%，亚表层SOC下降幅度为17.26% ～27.61%。长期(15 ～20 a)改旱后，4类水耕人为土表层SOC分别下降34.13%、42.08%、42.08%和36.96%，亚表层SOC分别下降30.58%、57.06%、42.07%和29.25%。从空间分布看，各土壤剖面表层和亚表层SOC质量分数均高于其他发生层；同一剖面中，随着深度增加，SOC质量分数逐渐降低。

图2 水田和改旱土壤剖面有机碳分布Figure 2 Distribution of organic carbon in the profiles of paddy and upland soils

水田改旱作后剖面各发生层中SOC质量分数降低的主要原因是：改旱作后人为滞水水分状况消失，土壤通气性增强，微生物对有机质的分解速率加快；同时，改旱后土壤充分暴露在空气中，加速有机碳化学氧化；此外，改旱后植物根系、枝干等植物残体进入土壤的数量减少，使SOC总量下降。改旱后，表下层SOC质量分数略微降低，主要与改旱后随黏粒淋溶并淀积到上述发生层的有机碳减少有关。

2.4 土壤剖面中有机碳密度及损失率

由表4可知：改旱作15 ～20 a后，潜育、铁渗、铁聚和简育改旱序列，1 m深度土体内SOC分别损失 13.90%、34.92%、18.93% 和 23.89%，年损失率分别为 2.06、2.92、1.14 和 1.54 t·hm−2·a−1。本研究结果与水田改玉米地后表层土壤(0 ～15 cm)有机碳损失率 (1.9 t·hm−2·a−1)的结论基本一致[15]。研究表明：水耕人为土改旱作后SOC减少与地下水位下降有关，供试SOC损失量与地下水下降深度呈极显著正相关(P＜0.01)，相关系数达0.82 (图3)。

表4 土壤剖面有机碳密度及其年损失率Table 4 Content and loss rate of soil organic carbon of profile samples

图3 土壤有机碳损失量与地下水位下降深度关系Figure 3 Relationship between the loss of organic carbon and the decline of the depth of groundwater level

3 讨论

水耕人为土(水稻土)可分为潜育、铁渗、铁聚和简育等 4 类，浙江省内4种水耕人为土均有分布，以铁聚和简育水耕人为土分布最为广泛。潜育水耕人为土多分布在低洼区，一般地下水位较高，表层土壤容易受到地下水的影响；铁渗水耕人为土由于强烈还原淋溶和氧化淀积作用，有明显的铁淋失的亚层；铁聚水耕人为土具有明显氧化还原淋溶和氧化铁淀积作用，在水耕氧化还原层的上部具有明显的铁积累亚层；简育水耕人为土是氧化还原作用引起的铁锰淋溶淀积作用较弱的一类水耕人为土。本研究发现：潜育、铁渗和简育改旱系列，旱作前期土壤有机碳损失率高于后期，这主要与改旱后人为滞水水分状况消失，土壤田间水分含量在旱作前期较后期下降更加明显等因素有关。由于潜育水耕人为土改旱系列土壤有机碳含量的绝对值较大，铁聚水耕人为土系列地下水位相对较低，改旱后潜育和铁聚水耕人为土土壤有机碳的年损失率相对较高。水耕人为土改旱序列土壤有机碳损失量与地下水位下降深度呈极显著正相关(P＜0.01)，相关性系数达0.82。

1995—2012年浙江省水田面积减少100.6万hm2，2019年比2012年水稻播种面积减少7.3万hm2，水田面积下降趋势减缓。本研究发现：1 m深度土体内4个系列土壤有机碳年损失率为1.14 ～2.92 t ·hm−2·a−1；由此推算：同1995年相比，2019年浙江省不同类型水耕人为土改旱作导致1 m深土壤有机碳储量减少了122.96万 ～314.95万t，平均减少218.96万t。与NISHIMURA等[16]发现的水改旱导致土壤碳素损失的结论是一致的。水耕人为土改旱作后，土壤碳汇功能减弱，温室气体排放增加，对区域碳平衡产生重要影响；有效控制水耕人为土改为旱地的土地面积，是减少第一产业碳排放的重要方法。

4 结论

休闲农业旅游背景下，水田改旱作后，进入土壤的植物残体减少，土壤植物碳输入减少；土壤水分含量降低，碳矿化损失增加，是导致土壤有机碳大幅下降的主要原因。水改旱后，地下水位下降导致土壤有机碳损失速率加快；改旱作后人为滞水水分状况的消失，以及较低的地下水位，不利于土壤有机碳储存。保持和提高现有水田面积，有利于土壤有机碳储存和减少农田温室气体排放。随着近年来浙江省水田改旱地面积的有效控制，水改旱引起的温室气体排放问题，有望得到缓和。