李新民，楊萍果，鄧樹元

（1.新絳縣農(nóng)業(yè)委員會(huì)，山西新絳043100；2.山西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山西臨汾041000；3.襄汾縣農(nóng)業(yè)委員會(huì)，山西襄汾041500）

土壤是地球表層系統(tǒng)中最大且最活躍的碳庫(kù)之一（1 550 Pg），約為大氣圈和生物圈碳庫(kù)的2.5倍[1-2]。歐盟和美國(guó)、加拿大、FAO自2002年紛紛出臺(tái)國(guó)家級(jí)綜合研究項(xiàng)目，分析農(nóng)業(yè)土壤的固碳潛力及其實(shí)現(xiàn)的途徑，以作為控制制定CO2排放清單及CO2減排配額的依據(jù)[3]。土壤有機(jī)碳（SOC）是土壤的重要組成部分，在土壤肥力、環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等方面均起著極其重要的作用。土壤有機(jī)碳庫(kù)是陸地生物圈中最大的碳庫(kù)，約占陸地生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量的2/3，其中，農(nóng)田有機(jī)碳庫(kù)占全球陸地碳庫(kù)的8%～10%[4]。農(nóng)田具有大氣CO2源和庫(kù)的雙重潛力。由于人類過度開墾和耕種，造成土壤有機(jī)質(zhì)含量大幅度下降，同時(shí)大量的碳以CO2形式排放到大氣中；而免耕、提高復(fù)種指數(shù)、合理地輪作換茬等措施能夠提高農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量，使農(nóng)田起到大氣CO2匯的作用[5-9]。

農(nóng)田土壤碳、氮循環(huán)是農(nóng)業(yè)與陸地生態(tài)系統(tǒng)碳、氮循環(huán)及全球變化研究的重要科學(xué)問題之一。土壤有機(jī)碳的積累不僅可以提高土壤生產(chǎn)力，還能減緩大氣CO2濃度的提高。在全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)中，只有農(nóng)業(yè)土壤碳庫(kù)是強(qiáng)烈人為干擾而又可以在較短的時(shí)間尺度上調(diào)節(jié)的碳庫(kù)[10]。土壤有機(jī)質(zhì)是耕地地力最重要的性狀之一，被認(rèn)為是土壤質(zhì)量和功能的核心，在全球生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值評(píng)價(jià)中被認(rèn)為是僅次于淡水的重要自然資源。氮素是植物的主要養(yǎng)分來源之一，在地球上大多數(shù)地方都是陸地植物生長(zhǎng)的主要限制因子。本研究探討了1980—2010年晉南農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳的儲(chǔ)存與動(dòng)態(tài)變化，對(duì)于正確評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)全球氣候變化的影響，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的低碳農(nóng)業(yè)提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

以山西南端的襄汾縣為研究區(qū)域。襄汾縣地處東經(jīng) 111°04′～111°39′，北緯 35°42′～36°02′，土地總面積1 034 km2，耕地面積6萬(wàn)hm2，年均氣溫12.6℃，年降水量420～650 mm。汾河由北向南縱貫全境，土壤為黃土及黃土狀母質(zhì)，以碳酸鹽褐土、山地淋溶褐土、草甸土土壤類型為主，屬暖溫帶半干旱大陸性氣候。植被以冬小麥—夏玉米輪作為主，是人類活動(dòng)影響和干擾較為強(qiáng)烈的地區(qū)。

1.2 樣品采集

考慮土壤類型、土地利用狀況、樣點(diǎn)分布均勻性等因素，2010年在小麥?zhǔn)崭钜院?，用GPS記錄取樣點(diǎn)的經(jīng)緯度，在研究區(qū)采集農(nóng)田耕作層0～20 cm土樣100個(gè)，以每個(gè)取樣點(diǎn)為中心，在直徑10 m范圍內(nèi)隨機(jī)取8～10鉆土樣組成1個(gè)混合土樣，帶回實(shí)驗(yàn)室分析備用。

1.3 測(cè)定方法

土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干，過0.5 mm篩，采用重鉻酸鉀油浴外加熱法，測(cè)定土壤有機(jī)碳（SOC）含量；用半微量開氏定氮法測(cè)定土壤全氮（TN）含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用SPSS13.0軟件進(jìn)行土壤碳、氮的描述性統(tǒng)計(jì)、正態(tài)分布性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)田耕層土壤碳、氮統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

變異系數(shù)（CV）是反映特性參數(shù)的空間變異程度，可揭示區(qū)域化變量的離散程度，一般認(rèn)為，CV＜10%為弱變異性，10%≤CV≤100%為中等變異，CV≥100%為高度變異[11]。從表1可以看出，2個(gè)不同時(shí)期土壤碳、氮含量及碳氮比的范圍不同，1980年研究區(qū)農(nóng)田土壤SOC的最大值為21.75 g/kg，最小值為2.13 g/kg，最大值為最小值的10倍；TN的變幅為0.17～2.80 g/kg，極差為2.63 g/kg；C/N最小值為 7.77，最大值為 12.56，均值為10.19。土壤SOC，TN和C/N的變異系數(shù)分別為59.33%，51.43%和22.47%，屬中等變異。2010年研究區(qū)農(nóng)田耕層土壤SOC，TN和C/N的平均值分別為6.62，1.01，7.12 g/kg，變異系數(shù)分別為58.10%，41.31%和66.30%，變異系數(shù)小于100%，說明土壤有機(jī)碳、全氮、碳氮比屬中等變異，在研究區(qū)內(nèi)分布不太均勻。

表1 土壤有機(jī)碳和全氮描述性統(tǒng)計(jì) g/kg

土壤C/N是衡量土壤C，N營(yíng)養(yǎng)平衡狀況的指標(biāo)，是土壤質(zhì)量的敏感指標(biāo)之一，其演變趨勢(shì)對(duì)土壤碳、氮循環(huán)有重要影響[12-14]。土壤C/N通常被認(rèn)為是土壤氮素礦化能力的標(biāo)志，C/N低有利于微生物在有機(jī)質(zhì)分解過程中的養(yǎng)分釋放、土壤中的有效氮增加。1980—2010年，隨著時(shí)間的遞增，30 a間SOC和C/N表現(xiàn)為減少的趨勢(shì)，平均值分別減少了0.51 g/kg和3.07；而土壤全氮含量表現(xiàn)為增加的趨勢(shì)，增加了0.31 g/kg；C/N的變異系數(shù)變化最大，這主要是由于人類對(duì)土壤高強(qiáng)度集約化利用以及高化學(xué)投入下的有機(jī)碳庫(kù)損失，開發(fā)強(qiáng)度大，氣候干旱，農(nóng)業(yè)土壤有機(jī)碳相對(duì)較低，而化肥特別是氮肥的大量使用，有機(jī)肥的用量減少。

2.2 不同土壤類型農(nóng)田耕層碳氮分析

土壤類型不同，腐殖質(zhì)在土體內(nèi)積累的數(shù)量存在明顯差異。由表2可知，山地淋溶褐土有機(jī)碳含量最高，平均為19.74 g/kg；沼澤化淺色草甸土有機(jī)碳含量平均為14.94 g/kg，腐殖化過程都比較強(qiáng)烈；山地褐土、碳酸鹽褐土性土、碳酸鹽褐土耕層SOC相差不大，水稻土SOC含量平均為7.33 g/kg。土壤全氮的變化規(guī)律與SOC相似。

根據(jù)山西省第2次土壤普查省、縣級(jí)資料（表2）可知，在所有土壤類型中，有機(jī)碳和全氮含量褐土土壤最高，其次是草甸土，最低的是水稻土；而C/N卻是草甸土＞褐土＞水稻土，這是由于褐土主要發(fā)育在黃土母質(zhì)上，分布于中、低山區(qū)以及丘陵、汾河河谷階地，地勢(shì)較高，排水良好。在暖溫帶干濕季節(jié)明顯交替的半干旱季風(fēng)氣候條件下，高溫多雨季節(jié)同時(shí)出現(xiàn)在夏秋之交，此時(shí)有機(jī)質(zhì)形成最多，生物活動(dòng)旺盛，但在干旱季節(jié)中有機(jī)質(zhì)迅速轉(zhuǎn)化，積累不多。

表2 不同土壤類型的農(nóng)田耕層土壤碳、氮含量

2.3 農(nóng)田耕層土壤碳氮變化的環(huán)境意義

1980—2010年，臨汾盆地襄汾縣農(nóng)業(yè)管理措施在耕地地力和作物產(chǎn)量上均有較大幅度提高，30 a間土壤有機(jī)碳含量變化不大，略有所減少，減少了7.15%，變幅為6.62～7.13 g/kg，這與施化肥條件下東北黑土SOC含量有降低趨勢(shì)相似[15]。全氮含量顯著增加，增加了44.29%，使C，N比值從1980年的10.19下降到2010年的7.12，C/N的下降對(duì)土壤微生物的活動(dòng)能力有一定的促進(jìn)作用，使有機(jī)質(zhì)和有機(jī)氮的分解礦化速度加快，土壤固碳能力下降，有機(jī)質(zhì)含量降低，這與江西余江縣1980—2002年水稻土C/N發(fā)生明顯下降的研究結(jié)果相似[11]，對(duì)土壤環(huán)境十分不利。主要因?yàn)橐荒陜墒煨←?玉米的輪作習(xí)慣，隨著機(jī)械化作業(yè)程度的提高、耕作制度及管理水平的完善，在追求高產(chǎn)的前提下，氮肥的大量施用，而有機(jī)肥的用量減少，碳氮平衡投入是維持土壤碳氮循環(huán)平衡的關(guān)鍵。

氣候變化也是影響農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)的重要因素。水熱因子與土壤有機(jī)碳和全氮的關(guān)系密切，而且年均降水量和年均氣溫是影響土壤有機(jī)碳和氮的2個(gè)重要自然因素。一般認(rèn)為，溫度越低、年降水量越高，土壤有機(jī)碳越趨向于積累。1980年研究區(qū)的年均降雨量為422.7 mm，到2010年年均降雨量為512.9 mm；而1980，2010年的年均氣溫分別為12.2，14.1℃，30 a間氣溫和降雨量都有所增加，使土壤有機(jī)碳積累減慢。

3 結(jié)論與討論

農(nóng)田土壤有機(jī)碳水平不僅影響到土壤生產(chǎn)潛力的高低，而且其動(dòng)態(tài)變化和區(qū)域差異也直接關(guān)系到土壤有機(jī)碳與大氣CO2交換的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。農(nóng)田土壤中氮素積累使土壤生物可以固定更多的碳于有機(jī)質(zhì)，經(jīng)過長(zhǎng)期耕種土地的碳、氮?jiǎng)討B(tài)變化很大程度上受耕作、輪作、施肥等農(nóng)業(yè)措施的影響。在土壤有機(jī)質(zhì)越高的地區(qū)，隨著氮素投入水平的提高，有機(jī)碳積累越困難，容易引起C/N的降低，因此，為了增強(qiáng)土壤的固碳潛力、增加土壤匯集碳、氮的能力、保持C/N的穩(wěn)定，應(yīng)大力推廣秸稈還田和增施有機(jī)肥。

土壤有機(jī)碳與溫室氣體有著密切的關(guān)系，其變化直接影響著CO2的排放量。為減緩氣候變化的不利影響，在農(nóng)田管理方面，應(yīng)通過大力推廣免耕技術(shù)，增加秸稈還田面積，合理地施用化肥和有機(jī)肥等有效的措施來固定土壤碳。從固碳潛力來看，免耕、配方施肥和秸稈還田的作用較大，能使土壤有機(jī)碳在一定的時(shí)間段內(nèi)達(dá)到較高的平衡值。增加土壤有機(jī)碳含量可以減緩溫室氣體排放和降低生產(chǎn)成本、減少過量施用化肥所造成的污染等，對(duì)于生態(tài)環(huán)境的保護(hù)具有十分重要的作用。

［1］ Schlesinger W H.Global change science[J].Trends in Ecology and Evolution，2006，21：348-351.

［ 2］ IPCC.Climate Change 2007：Synthesis Report[M].New York：Cambridge University Press，2007：6-19.

［ 3］ Marland G，Garten CT，Post WM.Studies on enhancingcarbon sequestration in soils[J].Energy，2004，26：1643-1650.

［4］劉蝴蝶，李曉萍，趙國(guó)平，等.山西主要耕作土壤肥力現(xiàn)狀及變化規(guī)律[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38（ 1）：73-77.

［5］李波，張俊飚，李海鵬.中國(guó)農(nóng)業(yè)碳排放時(shí)空特征及影響因素分解[J].中國(guó)人口資源與環(huán)境，2011，21（ 8）：80-87.

［6］許泉，芮雯奕，何航，等.不同利用方式下中國(guó)農(nóng)田土壤有機(jī)碳密度特征及區(qū)域差異 [J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2006，39（12）：2505-2510.

［7］楊景成，韓興國(guó)，黃建輝.土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)農(nóng)田管理措施的動(dòng)態(tài)響應(yīng)[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2003，23（ 4）：787-797.

［8］郭熙，謝文，胡國(guó)瑞，等.南方丘陵地區(qū)水田土壤養(yǎng)分時(shí)空變異研究[J].天津農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，16（ 6）：85-92，95.

［9］王永強(qiáng)，崔鳳娟，郭小剛.農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸文獻(xiàn)綜述[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)科技，2010（ 3）：65-67.

［10］許泉，芮雯奕，劉家龍，等.我國(guó)農(nóng)田土壤碳氮耦合特征的區(qū)域差異[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào)，2006，22（ 3）：57-60.

［11］雷志棟，楊詩(shī)秀，許志榮，等.土壤特性空間變異性初步研究[J].水利學(xué)報(bào)，1985（ 9）：10-21.

［12］賈偉，周懷平，解文艷，等.長(zhǎng)期秸稈還田秋施肥對(duì)褐土微生物碳、氮量和酶活性的影響[J].華北農(nóng)學(xué)報(bào)，2008，23（ 2）：138-142.

［13］鄧祥征，姜群鷗，林英志，等.中國(guó)農(nóng)田土壤有機(jī)碳貯量變化預(yù)測(cè)[J].地理研究，2010，29（ 1）：93-101.

［14］楊軍芳，周曉芬，孫麗敏，等.太行山前平原小麥/玉米輪作土壤養(yǎng)分狀況與農(nóng)田氮、磷、鉀平衡分析[J].華北農(nóng)學(xué)報(bào)，2011，26（ 6）：181-188.

［15］金琳，李玉娥，高清竹，等.中國(guó)農(nóng)田管理土壤碳匯估算[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，41（ 3）：734-743.

［16］李忠佩，吳大付.紅壤水稻土有機(jī)碳庫(kù)的平衡值確定及固碳潛力分析[J].土壤學(xué)報(bào)，2006，43（ 1）：46-52.