2. 土壤与农业可持续发展国家重点实验室(中国科学院南京土壤研究所),南京 210008
土壤有机碳(Soil Organic Carbon, SOC)是土壤肥力和质量的重要指标之一,是全球碳循环过程中重要的碳库,对于减缓温室气体排放、应对气候变化有重要作用[1-2]。耕地SOC是农田土壤碳库的重要组成部分,研究耕地SOC及储量的变化规律对了解耕地固碳潜力、应对气候变化具有重要意义,同时也为耕地质量管理等提供科学依据。国内外学者对耕地SOC变化做了较多的研究。如Maia等[3]采用定位实验研究了巴西亚马逊东南部不同农业耕作措施下SOC的变化。Minasny等[4]采用统计和GIS方法研究发现爪哇岛和韩国连续种稻30年土壤表层(0~15 cm)SOCD和储量大幅度增加。
国内研究主要以第二次土壤普查资料为基础,利用不同时期的耕地质量监测数据、采样数据、发表文献的数据、模型模拟的方法,研究自第二次土壤普查以来国家和区域尺度上耕地SOC及储量的变化特征。如Pan等[5]利用全国第二次土壤普查和耕地质量监测数据探讨了全国水田表层SOC储量变化和固碳潜力。黄耀和孙文娟[6]、于严严等[7]、许信旺等[8]根据发表的文献数据分析了第二次土壤普查以来全国耕地表层SOC含量变化。区域尺度上多采用统计学、GIS空间分析和地统计相结合的方法,探索耕地SOC的时空变化。如张春华等[9]分析了松嫩平原耕地SOC的变化及固碳潜力。赵明松等[10]采用地统计方法研究了江苏省表层SOC的变化及影响因素。高建峰等[11]利用定位实验分析了吴江市水田表层SOC储量的变化。王相平等[12]采用地统计方法研究了玛纳斯县农田表层和1 m土体SOCD及储量的时空变化。Wang等[13]利用Century模型模拟了我国东部旱地SOCD的动态变化。Xu等[14]利用DNDC模型模拟江苏省水稻土SOCD的动态变化。虽然许信旺等[15]、程先富和谢勇[16]利用第二次土壤普查资料讨论了安徽省SOCD空间分布及影响因素,但对于近30年来全省耕地SOCD及储量的变化及影响因素的研究较少。
安徽省是农业大省,耕地面积为7.75万km2(2010年),据第二次土壤普查,全省耕地肥力较低,约有31.1%的耕地有机质含量低于15 g kg-1[17]。因此,本文利用安徽省第二次土壤普查和2010—2011年采样数据,采用GIS空间分析方法,探讨第二次土壤普查以来全省耕地表层(0~20 cm)和1 m土体中SOCD和储量的时空变化规律及与农业管理措施的关系,为提高安徽省耕地质量、增加耕地固碳潜力等提供数据支持。
1 材料与方法 1.1 研究区概况安徽省(114°54′~119°37′E,29°41′~34°38′N)位于长江、淮河中下游,总面积为13.96万km2。全省地处亚热带与暖温带的过渡地区,年均气温14~16 ℃,年均降水量800~1 800 mm。全省地势西南高、东北低,地形地貌南北差异较大,由北至南分为淮北平原、江淮丘陵岗地、沿江平原区、皖西大别山区和皖南丘陵山区五个地理区域(图 1)。主要的耕作土壤类型为:潮土、水稻土、砂姜黑土、黄褐土、黄棕壤等。全省耕地主要分布在淮北平原、沿江平原和江淮丘陵岗地,占耕地面积的85%以上。淮河以北以小麦—玉米(大豆)轮作为主,淮河以南以油菜(小麦)—水稻轮作为主。
1980年土壤数据来自全国第二次土壤普查时期,《安徽土种志》[18]中记录的163个耕地土壤剖面。2010年土壤数据为国家科技基础性工作专项“我国土系调查与《中国土系志》编制”和中国科学院战略性先导科技专项子课题“华东农田固碳潜力与速率研究”中安徽省162个耕地土壤剖面。采样时间为2010—2011年,其中土系调查94个耕地土壤剖面,均在第二次土壤普查时期的典型剖面附近采集(图 1)。“农田固碳潜力”课题中根据安徽省的农业耕作特点,从淮北平原、江淮丘陵岗地区和皖南低山丘陵区选取三个典型县区:蒙城县以旱作、麦—豆轮作为主,采集23个剖面;定远县以水旱轮作、小麦(油菜)—稻轮作为主,采集23个剖面;宣州区以水田、双季稻为主,采集22个剖面(图 1)。土壤属性数据包括SOC含量、土层厚度、容重等数据,两个时期的SOC含量采用重铬酸钾(K2Cr2O7)氧化—滴定法测定[19]。
1.2.2 空间数据与统计数据空间数据:(1)安徽省1 : 50万土壤类型图,ArcGIS矢量格式;(2)1980和2010年土地利用数据,来源于长江三角洲科学数据共享平台(http://nnu.geodata.cn),ArcGIS矢量格式;(3)安徽省地貌单元图。统计数据:《安徽省统计年鉴(2000—2011)》电子版[20]。
1.3 研究方法SOCD采用式(1)估算:
$ {\rm{SOCD = }}\sum\limits_{i = 1}^n {(1 - {\theta _i}\% ) \times {\rho _i} \times {C_i} \times {T_i}/100} $ | (1) |
式中,SOCD为一定厚度的土层的SOC密度(kg m-2),n为土层数,θi为i层中 > 2 mm砾石含量(体积百分含量),ρi为i层的土壤容重(g cm-3),Ci为i层的SOC含量(g kg-1),Ti为i层的土层厚度(cm)。第二次土壤普查时部分土层的容重缺失,用相同土属或亚类的相应土层的容重均值代替。
SOC储量采用式(2)估算:
$ C = \sum\limits_{i = 1}^n {{\rm{SOCD}} \times {S_i}/1000} $ | (2) |
式中,C表示区域内某一种土属SOC储量(t),Si表示土壤图中某一土属图斑面积(m2),n表示区域内土壤图中某一土属图斑的数量。
本研究采用基于土壤学专业知识(Pedological professional Knowledge Based,PKB)的方法,将土壤剖面与土壤类型图进行连接,该方法利用GIS技术,根据土壤类型一致与相似性、土壤成土母质相同或相近、土壤剖面点位置与同类型土壤分布区域一致或邻近等原则,将每个土壤剖面数据与空间数据库中对应的图斑单元进行连接,生成土壤属性的空间分布图[21-22]。
从安徽省1980年、2010年土地利用图中提取耕地的分布,再与数字化土壤图叠加生成两个时期全省耕地—土壤图。根据式(1)估算1980年、2010年耕地土壤的表层和1 m土体中SOCD,利用SPSS 18.0对两个时期SOCD进行描述性统计和方差分析。然后采用PKB方法在ArcGIS中将耕地土壤的SOC数据与耕地—土壤图连接,生成安徽省耕地SOCD空间分布图,根据式(2)在数字化耕地—土壤图的属性表中利用图斑面积计算SOC储量。在ArcGIS中将1980年和2010年表层和1 m土体SOCD图转换成栅格数据(100 m分辨率),运用栅格运算和区域统计功能,分析全省和各地理区域的耕地SOCD空间格局及储量变化。最后,按照Huang等[23]的方法利用作物产量估算各县市农作物根系中的有机物质总量,探讨各县市耕地的SOC储量变化与根系中有机物质总量的关系。
2 结果 2.1 1980—2010年全省耕地SOCD的时间变化表 1为安徽省1980年和2010年耕地SOCD及变化统计结果。从耕地表层SOCD变化看,1980—2010年全省耕地SOCD平均值增加0.28 kg m-2,变异系数从57.64%降低至34.18%,表明2010年耕地SOCD的变异程度降低。不同地理区域的表层SOCD变化差异较大(表 1)。淮北平原和沿江平原耕地SOCD增加较多,均高于全省平均水平;江淮丘陵岗地有少许增加;皖南丘陵山区和皖西大别山区耕地SOCD平均减少0.29 kg m-2和0.09 kg m-2。旱地的SOCD平均增加0.69 kg m-2远高于水田的增加幅度。从耕地1 m土体中SOCD变化来看,1980年以来耕地SOCD平均值减少0.42 kg m-2,其标准差和变异系数均有较大幅度的降低。不同地理区域,淮北平原和沿江平原的耕地1 m土体中SOCD增加,其余地理区域的SOCD减少。旱地1 m土体中SOCD平均增加0.91 kg m-2,水田平均减少了0.87 kg m-2。方差分析表明,两个时期淮北地区的耕地SOCD差异显著(表层F=81.29,p < 0.05;1 m土体F=10.50,p < 0.05);旱地的表层SOCD差异显著(F=17.35,p < 0.05)。
从耕地表层SOCD分布频率(图 2a)来看,两个时期的SOCD均集中在1.5 ~ 3.0 kg m-2和3.0 ~ 4.5 kg m-2范围,30年间这两个级别的样点比例分别增加4.60%和11.88%。2010年耕地表层SOCD在 < 1.5 kg m-2和 > 6 kg m-2范围的样点比例分别减少15.31%和6.31%。从耕地1 m土体中SOCD分布(图 2b)来看,30年间SOCD在4 ~ 8 kg m-2、8 ~ 12 kg m-2和12~16 kg m-2三个级别的样点比例有不同程度的增加;其余级别的样点比例有不同程度的减少。两个时期相比,2010年全省耕地SOCD频率分布趋于正态化。
自全国第二次土壤普查以来,我国大部分地区耕地SOC有不同程度的增加[7-10]。80年代至90年代末,全国耕地表层SOCD平均增加0.17 kg m-2[7],按年变化速度来看安徽省1980—2010年耕地表层SOCD的平均增加量略高于全国平均水平。1980—2010年安徽省旱地SOCD增加量高于水田增加量,这可能与SOC的初始含量有关。在SOC含量较低的地区,人们需要投入更多的肥料来提高产量,而SOC初始值高的地区人们不重视土壤培肥,致使SOC消耗较快。安徽省旱地表层SOCD较低(2.00 ± 1.32 kg m-2),在实际生产中投入更多的肥料才能保证粮食产量;水田的SOCD初始含量较高(3.68 ± 1.52 kg m-2),在长期耕作中不注重培肥,有机物料的投入不能保证SOC的更新和累积,使得SOC增加缓慢甚至降低。这与张春华等[9]、赵明松等[10]的研究结果相似。
2.2 耕地SOCD空间变化特征图 3为两个时期安徽省耕地表层SOCD及变化空间分布图。1980年全省耕地表层SOCD总体上由北向南递增,南北差异较大(图 3a);至2010年这种空间差异减小,中部的江淮丘陵岗地和沿江平原的SOCD较高(图 3b)。1980年耕地表层SOCD较低,集中在1.5 ~ 3.0 kg m-2和 < 1.5 kg m-2两个级别,占耕地面积的42.82%和25.31%,主要分布在淮北平原和江淮丘陵岗地(图 3a)。2010年,耕地表层SOCD总体上有不同程度的增加,集中在3.0 ~ 4.5 kg m-2和1.5 ~ 3.0 kg m-2两个级别,占耕地面积的50.99%和36.63%,分布在淮北平原、江淮丘陵岗地和沿江平原。1980—2010年,耕地表层SOCD呈现北增南减的趋势,增幅总体上由北向南依次减小(图 3c),SOCD增加的面积占耕地面积的68.38%,主要分布在淮北平原、江淮丘陵岗地西部、沿江平原的北部,增幅在0 ~ 1 kg m-2和1 ~ 2 kg m-2之间(图 3c)。表层SOCD增幅最大(> 2 kg m-2)的区域在江淮丘陵岗地的西部。表层SOCD降幅集中在-1 ~ 0 kg m-2之间,占耕地面积的21.50%,主要分布在皖南丘陵山区东部、江淮丘陵岗地东部。SOCD降幅最大(< -2 kg m-2)的区域分布在皖南丘陵山区的西部。
图 4为两个时期耕地1 m土体中SOCD及变化空间分布图。1980年耕地1 m土体中SOCD总体上由北向南递增(图 4a),至2010年SOCD南北差异减小(图 4b)。1980年耕地1 m土体中SOCD集中在4~8 kg m-2级别,占耕地面积的62.57%,主要分布在淮北平原、江淮丘陵岗地、沿江平原的部分区域和皖南丘陵山区的东部(图 4a)。2010年1 m土体中SOCD总体上增加,集中在4~8 kg m-2和8~12 kg m-2两个级别,占总面积的52.67%和36.63%,在各地理区域均有分布。1980—2010年,耕地1 m土体中SOCD总体上北增南减,增加的面积占耕地面积的66.89%,主要分布在淮北平原、江淮丘陵岗地和沿江平原的南部(图 4c)。SOCD增幅集中在0~3 kg m-2,占总面积的38.24%,其次为3~6 kg m-2,占总面积21.62%。增幅最大(> 6 kg m-2)的区域分布在长江沿岸。SOCD降幅集中在-3~0 kg m-2,占总面积的21.57%,主要分布在皖南丘陵山区东部、淮北平原的少部分地区(图 4c)。降幅最大(< -6 kg m-2)的区域主要分布在沿江平原、沿江平原与皖南、皖西地区的过渡地带。
表 2为1980—2010年各地理区域和土地利用的SOC储量变化统计结果。1980—2010年安徽省耕地表层SOC储量增加35.30 × 109 kg,平均固碳速率为151.8 kg hm-2 a-1;耕地1 m土体中SOC储量增加18.12 × 109 kg,平均固碳速率为77.92 kg hm-2 a-1。近30年间全省耕地SOC储量总体上增加,但不同地理区域和土地利用的SOC储量的变化差异较大,增减趋势不一。
从耕地表层SOC储量变化来看,1980—2010年淮北平原、江淮丘陵岗地和沿江平原增加,其中淮北平原增加最多,为39.19 × 109 kg;皖南丘陵山区和皖西大别山区分别减少2.69 × 109 kg和11.30 × 109 kg。旱地的表层SOC储量增加幅度远高于水田。从耕地表层的固碳速率来看,不同地理区域由北至南依次减少。淮北平原耕地平均固碳速率最大,达349.4 kg hm-2 a-1;其次是江淮丘陵岗地,为232.4 kg hm-2 a-1,均高于全省平均水平。皖南丘陵山区耕地的固碳速率最低,为-526.5 kg hm-2 a-1。与耕地表层SOC储量相比,耕地1 m土体中SOC储量变化稍有差异,仅淮北平原和江淮丘陵岗地耕地SOC储量增加,其他三个地理区域碳储量均减少。旱地的SOC储量增加,水田的碳储量减少。从耕地1 m土体中的固碳速率来看,淮北平原耕地的固碳速率高达547.5 kg hm-2 a-1,皖西大别山区为-1 797.0 kg hm-2 a-1。
3 讨论使用肥料提高粮食产量的同时,增加了作物秸秆和根系中的有机物质含量,使得更多的有机物质进入土壤中,有利于SOC的累积[5, 23-25]。Huang等[26]研究认为肥料的大量使用促进了长江三角洲地区耕地有机质累积。Pan等[25]阐述了SOC和作物产量间的相互促进关系,SOC含量较高可以增加作物产量和生物量,较高的生物量使得更多的有机物质进入土壤,促进SOC的累积。同时推行秸秆还田能够改良土壤结构,且促进SOC累积,提升土壤固碳能力[27-28]。
1980—2010年安徽省化肥用量(N/P2O5/K2O)由55万t增加至320万t,平均用量由123.5 kg hm-2增加至763.8 kg hm-2,其中氮肥、磷肥、钾肥和复合肥的用量有不同程度的增加[20](图 5)。30年间,全省复合肥和钾肥用量增加较大,分别由3.82 kg hm-2、2.86 kg hm-2增加至334.6 kg hm-2、76.05 kg hm-2;氮肥和磷肥的用量增加较平稳。在此期间,全省粮食(稻、麦、豆、薯类)产量由1 454万t增加至3 081万t,平均产量由3.27 t hm-2增加至7.37 t hm-2。参照Huang等[23]的估算方法,根据作物产量乘以草谷比、干物质比例、根冠比、根系中含碳系数等估算作物秸秆和根系中的有机物质含量。1980—2010年全省粮食作物的根系中的有机物质总量由150万t增加至319万t,平均量由338.3 kg hm-2增加至762.2 kg hm-2,全部进入土壤中。秸秆中的有机物质总量由864万t增加至1 831万t,平均量由1 931 kg hm-2增加至4 350 kg hm-2,全省积极推行秸秆还田,进入耕地土壤中的有机物质总量不断增加,促进了SOC的累积。
图 6为安徽省各县市耕地SOC储量变化与2000—2010年粮食作物根系中有机物总量的关系,二者呈显著正相关,表明全省粮食作物根系中有机物总量对耕地表层和1 m土体中SOC储量变化的独立解释能力为69%和58%。图 7显示各县市耕地SOC平均密度的相对变化率与2000—2010年粮食作物根系中有机物平均含量呈显著正相关,表明根系中有机物的平均含量对各县市表层和1 m土体中SOC平均密度相对变化率的对立解释能力为46%和31%。该结果与Liao等[29]在江苏省的研究结果相似,江苏省以农业耕作为主的行政市,表层SOC储量的增加与粮食产量的增加显著相关。这些结果均体现了SOC和作物产量间的相互关系。
1980—2010年,全省机械耕作面积由1.04 × 104 km2增加至4.06 × 104 km2,机械收割面积由0.06 × 104 km2增加至5.26 × 104 km2[20]。根据2010—2011年的秸秆还田调查,全省小麦和水稻以机械收割为主,留茬较高。小麦机械收割比例占95.2%,留茬高度平均为20.2 cm;早、中、晚稻机械收割比例为45.3%、78.1%、52.4%,留茬高度平均为18.2 cm、23.1 cm、18.5 cm;大豆机械收割比例为85.3%,留茬高度平均为7.8 cm。玉米机械收割比例为4.9%,留茬为11.3 cm。基本上高于安徽省农机作业质量标准中的15 cm留茬高度。全省积极推行秸秆还田、严禁焚烧秸秆,大部分作物留茬在机械收割中打碎还田,增加了进入土壤的有机物质含量。因此肥料的大量使用、机械耕种和收割面积增多、积极推行秸秆还田,使得进入土壤的有机物质不断增加,促进了全省耕地SOC的增加。
4 结论1980—2010年,安徽省耕地表层SOCD总体呈增加趋势,平均增加0.28 kg m-2,1 m土体中SOCD平均减少0.42 kg m-2;SOCD的变异程度大幅度降低,但仍属于中等变异强度。旱地的SOCD增加幅度高于水田。1980—2010年,全省耕地SOCD变化呈北增南减的趋势,淮北平原和沿江平原耕地SOCD增加较多;江淮丘陵岗地有少许增加;皖南丘陵山区和皖西大别山区减少。全省耕地SOCD增加的面积多于减少的面积。1980—2010年,耕地表层和1 m土体中SOC储量增加了35.30 × 109 kg和18.12 × 109 kg。SOC储量变化的空间差异较大,淮北平原和江淮丘陵岗地的耕地SOC储量增加,其余区域的SOC储量减少。各县市SOCD和储量变化与作物根系中的有机物含量呈显著正相关。使用肥料提高粮食产量的同时增加了秸秆和根系中的有机物含量,增加了进入土壤中的有机物含量,促进了SOC的累积。
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