有机和常规管理对茶园土壤固碳的影响*——以林地为对照

郑玉婷 ,黄鑫慧 ,李 浩 ,王 彪 ,李攀锋 ,崔吉晓 ,隋 鹏,高旺盛,陈源泉**

(1.中国农业大学农学院 北京 100193;2.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所 北京 100083)

云南省因其丰富的种质资源和独特的气候优势,是世界公认的茶树原产地和中国重要的茶叶生产基地[1],云南省普洱市更是被称为“世界茶源”,该地区茶树(Camellia sinensis)的种植历史极为悠久,种植面积、产量、产值均位居云南之首[2]。茶叶是普洱市支柱产业,茶园是该地区主要的土地利用类型,多由林地或荒地开垦而来。林地开垦植茶后,植被类型和耕作管理模式的不同使土壤结构、理化性质和微生物活性发生变化[3],进而引起土壤质量的改变。长期植茶后,大量化肥投入和不合理的田间管理措施会导致土壤板结、肥力下降,对土壤健康产生影响[4-6]。有机农业是可持续发展农业的典范,它在遵循自然规律和生态学原理的基础上,采取了一系列可持续发展的农业技术,恢复土壤肥力,保护自然环境,保证了农业的可持续发展和生态系统的良性循环[7]。与常规农业相比,有机农业强调不施用化肥及化学合成农药,采用有机肥、生物农药和生物防治,这必然会对土壤生态环境、土壤质量产生深刻影响[8]。

当前,国内外在林地开垦对土壤有机碳的影响方面已有诸多研究,其中部分研究的结果表明[9-10],林地的开垦行为将导致土壤结构变差,有机碳含量显著降低。但现有研究大多聚焦于林地转化为耕地后土壤有机碳的变化,对林地转化为茶园的研究相对较少。对于有机和常规种植下土壤有机碳的差异,国内外学者也开展了大量的比较研究: Gattinger 等[11]对全球范围内典型农业生产气候区有机与常规农业生产系统的74 组数据进行对比分析,发现有机系统可以增加和固定土壤有机碳;仝利红等[7]研究发现,与常规种植相比,有机种植能够显著提高土壤有机碳库容量,使土壤有机碳含量提高105.53%,活性有机碳组分含量提高109.30%～230.27%;Melero 等[12]和Fließbach 等[13]的研究同样表明与常规管理相比,有机种植使土壤有机碳各组分含量及碳储量显著增加。但是总体来看,以上研究多在农田、温室中开展,对于茶园中有机管理和常规管理对土壤有机碳的影响关注较少。茶叶既是重要的经济作物,也属于常绿木本植物,具有较强的固碳能力和潜力[14]。Pramanik 等[15]的研究表明,印度东北部茶园可以吸收和固存大气中的CO2,每公顷茶叶产量对应的温室效应减排潜力高达3.47 kg(CO2)·a−1;孙小祥等[16]在我国的研究同样表明茶园生态系统是大气碳汇,平均碳吸收量为30.40 kg(C)·hm−2·a−1;萧自位等[17]对4 种茶园组合模式及纯茶园的碳储量进行了分析,发现茶园所有碳库中土壤碳库的碳储量占比最大(91.8%～96.0%);在Phukan 等[18]的研究中,茶龄为7 年和17年时,土壤固碳量分别为27.54～27.97 kg(C)·hm−2·a−1和43.46～48.44 kg(C)·hm−2·a−1。因此,探索低碳高效的茶园管理模式,增加茶园土壤碳储量,必将对减少温室气体排放做出重大贡献。

因此,本研究通过对云南省普洱市3 种典型样地(自然林地、常规管理茶园、有机管理茶园)进行取样,测定其土壤有机碳储量以及土壤有机碳各组分含量,研究对比3 种土地利用方式对土壤固碳的影响。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区域位于中国云南省普洱市思茅区鱼塘段(22°71′N,101°06′E),海拔为1538～1542 m,属亚热带季风气候,2022年5月4日—2023年5月4日平均气温为19.5 ℃,日最高气温为33 ℃,日最低温度为6.2 ℃,年降水量约为1499 mm,降雨时间主要集中在5—10 月。该区域常年无霜,土壤类型为红壤,茶树是最主要的经济作物。本研究在野外实地调查的基础上,选择成土母质相同、地理位置集中、海拔一致、坡向坡度相似的自然林地(NF)、常规管理茶园(CM)、有机管理茶园(OM) 3 个采样地点,其基本概况见表1。

表1 样地基本信息Table 1 Basic information of the sample plots

1.2 土样采集

供试土壤于2023 年5 月采集,每个样地分别设置3 个典型样方,使用体积为100 cm3的环刀分别采集0～20 cm、20～40 cm 两个土层的原状土壤,以测定土壤容重;再分别采集两个土层的土壤样品,去除石块、动植物残体后带回实验室,经自然风干、研磨、过筛后测定土壤有机碳(SOC)、易氧化有机碳(EOC)和颗粒态有机碳含量(POC)。

1.3 分析方法

风干土壤样品经研磨过0.25 mm 筛,经10%盐酸酸化后,用TOC 分析仪(Multi N/C 3100,Yena,Germany)测定SOC 含量[19]。EOC 含量采用高锰酸钾氧化法测定[20],土壤非活性有机碳(NLOC)含量为SOC 与EOC 之差。POC 含量采用六偏磷酸钠分散法测定[21]: 称取过2 mm 筛的风干土10 g,放入50 mL塑料瓶中,加入30 mL 六偏磷酸钠溶液(5 g∙L−1),手摇3 min 后用恒温振荡器振荡18 h (25 ℃,90 r∙min−1),振荡后的土壤悬液过53 μm 筛,并反复用蒸馏水冲洗至滤液无色澄清,将筛上的土壤颗粒残留物收集到铝盒中60 ℃烘干至恒重(48 h 左右),称重并计算其占全土质量的百分比。将铝盒中烘干土壤收集研磨过0.25 mm 筛,取一定重量样品测定其有机碳含量,乘以其占全土的百分比计算出POC 含量(g·kg−1),土壤矿物结合态有机碳(MOC)含量为SOC 与POC的差值。

1.4 数据计算

土壤有机碳储量计算公式[22]如下:

式中: OCs为土壤有机碳储量(t·hm−2),BDi为第i层土壤容重(g·cm−3),OCi为第i层土壤有机碳含量(g·kg−1),Di为第i层土壤厚度(cm)。

土壤有机碳组分分配比例计算公式[23]如下:

式中:Fi为土壤有机碳i组分的分配比例(%),OCi为土壤有机碳i组分含量(g·kg−1),SOC 为土壤有机碳含量(g·kg−1)。

以林地土壤为参照土壤,以EOC 为活性有机碳,根据下列公式进行土壤碳库管理指数的计算[20]:

1.5 统计分析

使用SPSS 23.0 软件进行统计分析,采用单因素方差分析(One-way ANOVA)和多重比较LSD 法分析不同样地土壤有机碳储量、土壤有机碳组分含量、土壤碳库指数之间差异的显著性(P<0.05),用Excel 2019 软件作图。

2 结果与分析

2.1 土壤总有机碳含量和储量

如图1 所示,3 个样地的SOC 含量和储量在两个土层中的分布状况一致,均表现为0～20 cm 土层高于20～40 cm 土层,在3 种土地利用类型中表现为自然林地>有机管理茶园>常规管理茶园。与自然林地相比,常规管理茶园0～20 cm 和20～40 cm 土层的SOC 含量和储量均显著下降(P<0.05),SOC 含量降低48.67%～51.94%,SOC 储量降低27.25%～35.71%;而有机管理茶园两个土层的SOC 含量和储量分别比常规管理茶园高出52.09%～62.86%和15.54%～20.26%(P<0.05)。

图1 不同样地类型不同深度土壤各组分有机碳含量和储量Fig.1 Soil organic carbon contents and storages of each component in different soil layers of different sample plot types

2.2 土壤不同组分有机碳分布特征

土壤各组分有机碳的含量和储量如图1 所示,基本呈现自然林地>有机管理茶园>常规管理茶园。在0～20 cm 土层,常规管理茶园的EOC、NLOC、POC和MOC 含量分别比自然林地低41.25%、51.00%、66.59%和33.86%,NLOC 和POC 储量分别比自然林地低30.55%和52.64%,且差异显著(P<0.05)。有机管理茶园的EOC、NLOC、POC、MOC 含量和NLOC储量均显著高于常规管理茶园,分别高46.39%、54.24%、80.87%、40.07%和17.17% (P<0.05)。在20～40 cm 土层,常规管理茶园的EOC、NLOC、POC、MOC 含量和储量均显著低于自然林地(P<0.05),含量降低幅度为30.52%～70.58%,储量降低幅度为7.06%～60.65%。有机管理茶园的EOC、NLOC、POC、MOC 含量和EOC、NLOC、POC 储量分别比常规管理茶园高57.89%、66.15%、121.01%、46.28%和16.59%、22.69%、63.20% (P<0.05)。

2.3 土壤不同组分有机碳分配比例

由图2 可知,3 个样地的EOC/SOC、MOC/SOC在两个土层中的分布状况表现为0～20 cm 土层低于20～40 cm 土层,NLOC/SOC 和POC/SOC 表现为0～20 cm 土层高于20～40 cm 土层。在0～20 cm 土层中,自然林地、常规管理茶园、有机管理茶园的EOC/SOC、NLOC/SOC 差异不显著;在20～40 cm 土层中,自然林地的EOC/SOC 显著低于常规管理茶园(30.83%)和有机管理茶园(28.67%) (P<0.05),自然林地的NLOC/SOC 分别比常规管理茶园和有机管理茶园高20.44%和18.06%,且达显著差异水平(P<0.05)。POC/SOC、MOC/SOC 在两个土层中的分布状况一致,POC/SOC 表现为自然林地>有机管理茶园>常规管理茶园,MOC/SOC 表现为常规管理茶园>有机管理茶园>自然林地。

图2 不同样地类型不同深度土壤各组分有机碳分配比例Fig.2 Proportion of different soil carbon fractions in different soil layers from different sample plot types

2.4 土壤碳库管理指数

如表2 所示,3 个样地的CPA 和CPAI 在两个土层中均表现为常规管理茶园>有机管理茶园>自然林地。在0～20 cm 土层,各样地间没有显著差异,但在20～40 cm 土层中,自然林地的CPA、CPAI 显著低于其他两个茶园,说明自然林地的土壤碳库活度显著低于茶园。

表2 不同样地类型的土壤碳库管理指数Table 2 Soil carbon pool management index in different sample plot types

在0～20 cm 土层中,常规管理茶园的CPI 和CPMI分别比自然林地低49.00%和46.12% (P<0.05),有机管理茶园的CPI 和CPMI 分别比常规管理茶园高72.55%和100.33% (P<0.05)。在20～40 cm 土层,常规管理茶园的CPI 和CPMI 分别比自然林地低53.00%和24.53% (P<0.05),有机管理茶园的CPI 和CPMI 分别比常规管理茶园高63.83%和67.88% (P<0.05)。说明自然林地和有机管理茶园的土壤碳库质量明显高于常规管理茶园。

3 讨论

3.1 不同土地利用方式土壤固碳能力的变化

土壤有机碳库是陆地表面最大的有机碳库,土壤有机碳的固定及其人为管理对调节全球气候变化和农田生产力具有极为重要的意义[24]。土壤有机碳固持与自身化学性质、土壤微生物代谢、土壤团聚体的保护作用有关。张帅[25]研究表明,天然乔木林转变为农田导致浅层土壤有机碳储量减少2%～48%,深层土壤有机碳储量减少12%～22%,与本研究结果相似。常规管理茶园0～40 cm 土层土壤有机碳储量比自然林地低27.25%～35.71%,一方面,与自然林地相比,茶园土壤中源于植物凋落物的有机物质输入量较低;另一方面,茶园长期的耕作和人为扰动破坏了土壤结构,使水稳性团聚体尤其是大团聚体含量急剧减少,有机碳保护层消失,加速了土壤有机质的矿化作用[3]。

有机管理茶园的土壤总有机碳储量显著高于常规管理茶园,0～20 cm 土层有机碳储量较常规管理茶园显著提高7.28 t·hm−2,20～40 cm 土层的有机碳储量显著提高5.18 t·hm−2。一方面,有机管理茶园利用有机肥代替化肥,增加了土壤有机物料输入。同时,有机茶园不使用化学农药和除草剂,从而提高了土壤酶活性[7]和微生物活性[26],使其较快地将土壤中输入的有机物料转化为土壤有机质。另一方面,有机管理模式还能增加土壤微团聚体占比[27],有效减少土壤中有机碳的分解途径[28],使土壤储存的有机碳更多且更稳定。

3.2 不同土地利用方式对SOC 及其组分含量、分配比例的影响

SOC 是土壤系统的基础物质,参与了土壤的多种物理化学和生物过程,是控制土壤养分供应能力的重要因子,其含量及组分的变化是土壤质量演变的重要标志[29-30]。常规管理茶园的SOC 总含量和各组分含量均显著低于自然林地,其中POC 含量的变化幅度最大,MOC 含量的变化幅度最小。章明奎等[31]的研究也发现,POC 对土地利用变化极为敏感,在林地开垦为桔园和蔬菜地后,POC 的下降幅度明显高于非颗粒态有机碳。这是因为POC 主要来源于植物生物量和根系分泌物[20],与自然林地相比,常规管理茶园减少了新鲜植物残体的输入,此外POC 属于土壤有机碳库中相对易降解、生物活性较高的组分,在耕作过程中易被分解[32],而MOC 是由小分子有机碳与土壤矿物质结合而形成的,因受到与矿物相关的化学键的保护较难分解[33],周转时间较长,对土地利用方式的变化不如POC 敏感。有机管理茶园的SOC、EOC、NLOC、POC 和MOC 含量显著高于常规管理茶园,POC/SOC 的值也高于常规管理茶园,说明有机管理可以显著提高土壤有机碳含量,并且能够加快活性有机碳组分的转化[34],这与梁尧[35]的研究结果一致。

3.3 不同土地利用方式对土壤碳库管理指数的影响

土壤碳库管理指数(CPMI)综合了人为影响下的土壤碳库和碳库活度两方面的指标,可有效反映外界条件对土壤中总有机碳和活性有机碳的影响,进而反映土壤质量的更新或下降程度[36],其值越大表示土壤碳库质量越高。已有学者以封育林为对照,计算种植玉米、种植牧草、火烧等处理方式的CPMI,发现受人为干扰越大则CPMI 越低[37],本研究也得到了相似结果,即与几乎没有人为干扰的自然林地相比,常规管理茶园的CPMI 显著降低。吴崇书等[38]研究结果同样表明,林地开垦改为旱作会引起CPMI的明显下降。同时,有机管理茶园的CPMI 显著高于常规管理茶园,说明有机管理有助于提高土壤碳库管理指数,改善土壤碳库质量,这与仝利红等[7]、黄鸿翔等[34]的研究结果一致。本研究还发现,在20～40 cm 土层,自然林地的CPAI 显著低于两个茶园,说明自然林地的碳库较为稳定,具有较高的碳固存能力,有机管理茶园的CPAI 略低于常规管理茶园,说明有机管理模式可以在一定程度上提高土壤碳库的稳定性。

4 结论

与自然林地相比,常规方式管理的茶园土壤固碳能力显著降低,土壤总有机碳和各组分有机碳含量显著减少,土壤碳库质量和稳定性显著下降。实行有机管理方式可以弥补常规土地利用方式的不足,在一定程度上增加茶园土壤的有机碳含量,提高土壤碳库的稳定性,改善土壤碳库质量,促进茶园生态系统可持续发展。