曹婷婷，孫嬰嬰，花東文，王歡元

(1.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司, 陜西 西安 710075; 2.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司, 陜西 西安 710075; 3.國(guó)土資源部退化及未利用土地整治工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710075)

土地整治是以優(yōu)化土地資源結(jié)構(gòu)，開墾那些未利用和難利用土地為目標(biāo)，對(duì)土地資源及其利用方式再組織的一項(xiàng)工程，在改善土地利用形式和條件的同時(shí)，對(duì)生態(tài)環(huán)境效應(yīng)也帶來(lái)了一定的正效應(yīng)[1-2]。在土地整治的研究初期人們的主要工作集中在土地整理的內(nèi)容及意義方面，學(xué)者們只是對(duì)土地整治前后土壤養(yǎng)分的變化[3-5]、新增耕地土壤養(yǎng)分演替及改善情況進(jìn)行了富有成效地探討[6-8]，但對(duì)整治前后土壤碳庫(kù)的變化及土壤的碳固持能力和固碳潛力的研究報(bào)道較為鮮見。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)在陸地碳循環(huán)中具有重要地位，土地整治過程中“植入”碳和新增耕地對(duì)土壤有機(jī)碳固定能力的提升、減緩向大氣釋放CO2濃度等方面均具有重要意義[9]。有機(jī)碳作為土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，在改善土壤團(tuán)聚體狀況、增加孔隙度、提高田間持水量和飽和導(dǎo)水率[10]等方面是其他物質(zhì)無(wú)法替代的。土壤有機(jī)碳作為全球碳循環(huán)的重要組成部分，對(duì)加強(qiáng)人類預(yù)測(cè)和降低氣候變化所導(dǎo)致的災(zāi)難有重要作用[11]。研究不同土地整治類型條件下的新增耕地對(duì)土壤碳固持的影響無(wú)疑具有重要意義。有研究表明土地整治通過直接影響土壤的理化性質(zhì)及相關(guān)生態(tài)過程，間接地對(duì)土壤有機(jī)碳含量產(chǎn)生影響，該影響可能為正向或負(fù)向效應(yīng)[12-14]。土壤碳密度是土壤含碳量和土壤物理狀態(tài)共同決定的碳庫(kù)指標(biāo)，在施行土地工程措施之后，不僅改變了作物、微生物以及動(dòng)物生存的營(yíng)養(yǎng)條件，也改變了它們的生存環(huán)境條件，尤其是物理狀態(tài)，為此，開展不同土地類型整治工程條件下土壤碳密度的變化顯得更為重要。本研究是以沙地、鹽堿地、廢棄宅基地等低效利用或未利用土地經(jīng)綜合整治前后的土壤為對(duì)象，以土壤碳含量和碳密度為指標(biāo)，研究不同土地類型在整治前后土壤碳固持的演變規(guī)律，企圖進(jìn)一步明確土地整治對(duì)土壤固碳效應(yīng)影響效果和土地整治對(duì)土壤質(zhì)量的作用情況。

1 材料與方法

1.1 土地整治工程概況

本研究主要以陜西榆林市榆陽(yáng)區(qū)風(fēng)沙地、定邊縣鹽堿地和渭南市澄城縣空心村整治3個(gè)不同類型項(xiàng)目地為例，分析不同土地整治類型對(duì)土壤碳固持能力的影響研究。

榆林市定邊縣鹽堿地土地整治項(xiàng)目針對(duì)定邊鹽堿地的地勢(shì)低洼、地下水位偏高、水漬和鹽漬危害較重、土層板結(jié)、生態(tài)環(huán)境極度脆弱的問題，項(xiàng)目實(shí)施了明溝排水工程措施和地面覆沙措施，實(shí)現(xiàn)了降低地下水位、改善耕層土壤通透性和抑制地面蒸發(fā)、防止返鹽等土壤改良工程，滿足作物生長(zhǎng)需求。項(xiàng)目于2012年竣工，新增耕地667.4 hm2，土壤質(zhì)地類別屬于輕壤土，已經(jīng)4年種植玉米、牧草和糜子等作物。

榆林市榆陽(yáng)區(qū)的風(fēng)沙土整治項(xiàng)目針對(duì)風(fēng)沙土結(jié)構(gòu)松散、保水保肥能力差、易漏水漏肥，難以滿足植被生長(zhǎng)的問題，采用了將砒砂巖中膠體物質(zhì)移植到沙地中，按不同的比例與沙復(fù)配成土的技術(shù)手段，促使沙土團(tuán)聚，改善了耕層物理性狀，提高了保水保肥性，滿足了作物生長(zhǎng)的基本需求。項(xiàng)目于2011年竣工，新增耕地319.6 hm2，土壤質(zhì)地類別屬于緊沙土類。距本次采樣期已經(jīng)歷時(shí)5年，其間主要種植馬鈴薯和玉米，獲得了很好的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。

澄城縣的空心村廢棄宅基地土地整治項(xiàng)目，針對(duì)渭北黃土干旱臺(tái)塬區(qū)廢棄的土窯洞、土坯房屋等生土建筑物占地，實(shí)施了以立地整理、拆除廢棄建筑物、平整地面、土壤培肥等為主要技術(shù)手段的土地整治。項(xiàng)目實(shí)施后，提高了土地利用效率，使原有廢棄宅基地具備了作物生長(zhǎng)的基本條件。項(xiàng)目于2009年竣工，新增耕地面積868.4 hm2，土壤質(zhì)地類別屬于中壤質(zhì)。歷時(shí)耕種小麥、玉米等糧食作物達(dá)7年時(shí)間。

各項(xiàng)目治理區(qū)的基本概況見表1。

表1 樣地概況

1.2 樣品采集與分析

1.2.1 樣品采集 根據(jù)研究對(duì)象及其研究任務(wù)，在風(fēng)沙土、鹽堿地、廢棄宅基地土地整治3個(gè)地域內(nèi)，于2016年4月在3個(gè)項(xiàng)目地域內(nèi)，各選擇整治了的和未曾整治的田塊各3個(gè)塊地，作為采樣的空間重復(fù)，并在每個(gè)樣地沿對(duì)角線隨機(jī)選取5個(gè)點(diǎn)，用土鉆按照0～10、10～20、20～40、40～60、60～80 cm和80～100 cm逐層采集土壤剖面樣品，將5個(gè)樣點(diǎn)的相同土層樣品混合成，再按照四分法預(yù)留土樣約1 kg，共采集土樣108個(gè)。將采集的樣品經(jīng)過風(fēng)干研磨，通過2 mm篩孔后貯存，供有機(jī)碳等分析測(cè)定。采用總有機(jī)碳分析儀(Multi N/CR3100)進(jìn)行了土壤總碳含量和和總有機(jī)碳含量的測(cè)定，其差值為無(wú)機(jī)碳含量。為了研究各項(xiàng)目地土壤儲(chǔ)量，同時(shí)用挖掘剖面的方法，用環(huán)刀法采集樣品測(cè)定了相應(yīng)土層的土壤容重。

1.2.2 土壤碳密度計(jì)算 土壤碳密度是指單位面積一定深度土層中土壤碳的絕對(duì)儲(chǔ)量，它是評(píng)價(jià)和衡量不同處理土壤中碳固定量的重要指標(biāo)。依據(jù)土壤碳類型，土壤碳密度也分為總碳密度、總有機(jī)碳密度和總無(wú)機(jī)碳密度等3個(gè)指標(biāo)。以土壤有機(jī)碳密度為例，某一土層土壤有機(jī)碳的密度(SOCi，t·hm-2)由公式(1)計(jì)算：

SOCi=Ci×Di×Ei×(1-Gi)/10

(1)

若測(cè)定的土壤剖面范圍由m個(gè)土層組成(m=6)，該剖面土壤總有機(jī)碳密度(SOCi，t·hm-2)計(jì)算用式(2)：

(2)

其中，i為土層代號(hào)，Ci為i層土壤有機(jī)碳含量(g·kg-1)，Di為i層土壤容重(g·cm-3)，Ei為i土層的厚度(cm)，Gi為i層內(nèi)直徑>2 mm石礫所占的體積百分比(%)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地整治對(duì)鹽堿地土壤剖面碳庫(kù)的影響

榆林市定邊縣鹽堿地區(qū)，在施行土地整治前后土壤剖面(0～100 cm)總碳、有機(jī)碳、無(wú)機(jī)碳的含量如圖1所示，其中土壤剖面0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm各處土壤總碳含量分別增加了84.72%、111.17%、199.32%、149.62%、210.45%、87.18%，經(jīng)過差異性檢驗(yàn)，0～100 cm剖面范圍內(nèi)土壤總碳含量差異均明顯；土壤剖面有機(jī)碳含量在各土層間雖然也有差異，尤其在表層0～10 cm顯得明顯，但經(jīng)差異性檢驗(yàn)分析均未達(dá)到顯著差異標(biāo)準(zhǔn)；土壤剖面無(wú)機(jī)碳含量在0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm處分別顯著增高111.18%、156.88%、267.24%、186.68%、227.58%、110.51%，差異性檢驗(yàn)與分析，其差異達(dá)到顯著水平。

定邊地區(qū)鹽堿地土壤經(jīng)過整治并耕種4年之后，土壤剖面各層土壤總碳含量顯著提升，其主要源于土壤無(wú)機(jī)碳的提升，而不是源于有機(jī)碳的提升，這與地面覆有富含碳酸鹽的細(xì)沙量，碳酸鹽淋失有著直接關(guān)系。剖面各層土壤有機(jī)碳含量整體上有增加趨勢(shì)，只是暫未能達(dá)到顯著差異，這與植被種植時(shí)間短，有機(jī)肥投入量少有直接關(guān)系。土地整治后土壤剖面各層無(wú)機(jī)碳含量均顯著增高，且隨土層深度的遞增有明顯的增高趨勢(shì)，說明土地整理期間的表層覆細(xì)沙土措施，給土壤植入了大量無(wú)機(jī)碳，在4年耕種期內(nèi)碳酸鈣的深層淋溶過程也很明顯。

圖1榆林定邊鹽堿地土壤剖面總碳含量、有機(jī)碳含量、無(wú)機(jī)碳含量變化

Fig.1 Variation of total carbon content, organic carbon content and inorganic carbon content in soil profile of saline soil in Yulin

榆林市定邊縣的鹽堿地整治區(qū)和未整治區(qū)0～100 cm土壤剖面總碳密度、有機(jī)碳密度、無(wú)機(jī)碳密度如表2所示，從中可以看出，其土壤剖面上不同土層處土壤各類碳密度的變化規(guī)律與土壤碳含量變化特征相似，依然是整理措施明顯增加了0～100 cm各層土壤的總碳密度和無(wú)機(jī)碳密度，但對(duì)各層土壤有機(jī)碳密度的影響不夠明顯，可是，0～100 cm范圍內(nèi)土壤的總有機(jī)碳密度差異性卻已達(dá)到了顯著性水準(zhǔn)，體現(xiàn)了鹽漬化土壤在施行土地整治措施以后，土壤有機(jī)碳確有積累趨勢(shì)，只是在目前情況下其積累的程度暫時(shí)未能達(dá)到統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)而已。0～100 cm整個(gè)土層范圍內(nèi)土壤總碳密度增加了154.18%，有機(jī)碳密度增加了54.50%，無(wú)機(jī)碳密度增加了188.68%，其中無(wú)機(jī)碳密度增加最為顯著，土壤無(wú)機(jī)碳是以碳酸鈣和碳酸鎂的形式進(jìn)入土壤的，不僅增加了鹽漬化土壤碳庫(kù)的儲(chǔ)量，更重要的是給鹽漬化土壤輸入了鈣和鎂等元素，有利于抑制鹽害。鹽漬化土壤無(wú)論是整治前還是整治后，土壤無(wú)機(jī)碳含量和碳密度均高于有機(jī)碳含量和碳密度的結(jié)果，再次證實(shí)了“土壤在鹽堿化過程中能夠?qū)е峦寥罒o(wú)機(jī)碳的累積”[16]結(jié)論，也驗(yàn)證了Xie等[17]對(duì)新疆內(nèi)陸鹽堿地的研究得出的，土壤可能通過一種非生物的無(wú)機(jī)碳吸收過程固定碳，而且其規(guī)模相當(dāng)大；Wohlfahrt等[18]的研究也發(fā)現(xiàn)美國(guó)鹽堿化地區(qū)也存在較大的C吸收過程，而生物量累積過程很難對(duì)這一過程進(jìn)行解釋，很可能存在無(wú)機(jī)碳固定過程[19-20]等結(jié)論。地面覆沙和明溝排鹽等土地工程措施更加大了無(wú)機(jī)碳的累積作用，也在一定程度上增加了有機(jī)碳的累積。

表2 榆林定邊鹽堿地土壤剖面碳密度變化

注：不同小寫字母表示整治區(qū)和未整治區(qū)的相同指標(biāo)在P<0.05水平上差異顯著，下同。

Note：Different lowercase letters indicate significant differences between remediation area and unreserved area about the same index atP<0.05 level.The same below.

2.2 土地整治對(duì)風(fēng)沙地土壤碳庫(kù)的影響

榆林市榆陽(yáng)區(qū)風(fēng)沙地整治前后0～100 cm剖面上土壤總碳、有機(jī)碳、無(wú)機(jī)碳含量如圖2所示，其中土壤剖面0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm各處土壤總碳含量分別增加了101.86%、103.83%、115.56%、104.40%、85.89%、84.96%；土壤剖面有機(jī)碳含量在0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm處均分別增高了163.52%、146.78%、143.21%、101.89%、104.88%、102.96%；經(jīng)過差異性檢驗(yàn)0～100 cm范圍內(nèi)土地整理后，土壤總碳含量、總有機(jī)碳含量均達(dá)到顯著性水準(zhǔn)，而0～100 cm土壤無(wú)機(jī)碳含量未有顯著性差異，均變化在0～5 g·kg-1左右。

顯然，風(fēng)沙地經(jīng)過土地整治并經(jīng)僅5年時(shí)間的耕種后，其土壤總碳含量在0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm土層中有顯著增高，其中源于土壤剖面有機(jī)碳的增高。施行土地整理時(shí)雖然添加了一定比例的砒砂巖，但砒砂巖中無(wú)機(jī)碳礦物質(zhì)含量較少，不足以改變沙土無(wú)機(jī)碳庫(kù)，添加砒砂巖主要是給沙地植入欠缺的無(wú)機(jī)粘土礦物膠體。土壤總碳和有機(jī)碳含量顯著增加的事實(shí)充分證實(shí)了，沙地經(jīng)過土地整治，引入砒砂巖中無(wú)機(jī)膠體與沙復(fù)配，使之初步具備種植條件，作物根系分泌物和植物根系殘留物逐年積累，必然會(huì)促使孕育土壤微生物數(shù)量的遞增。沙地土壤有機(jī)碳的提升，就標(biāo)志著沙地從固有的母質(zhì)屬性開始了微弱的成土和成壤過程。給沙地輸入一定量的無(wú)機(jī)膠體，營(yíng)造植被生長(zhǎng)基礎(chǔ)，就能換得土壤有機(jī)膠體的積累，逐步改善土壤膠體數(shù)量和品質(zhì)，這就是沙地整理的科學(xué)依據(jù)和技術(shù)路線。

榆林市榆陽(yáng)區(qū)風(fēng)沙地在整治前后土壤剖面(0～100 cm)總碳密度、有機(jī)碳密度、無(wú)機(jī)碳密度如表3所示，其中0～100 cm各土層處總碳密度增高了83.27%、96.30%、113.40%、104.89%、91.03%、83.71%；在0～100 cm各土層處土壤有機(jī)碳密度增高139.25%、137.67%、140.79%、102.39%、110.54%、101.61%；0～100 cm各處土壤無(wú)機(jī)碳密度有增也有減，但沒有達(dá)到顯著水準(zhǔn)。各層土壤有機(jī)碳密度的增幅明顯高于總碳密度的增幅，是無(wú)機(jī)碳密度在部分土層中有所遞減的緣故，尤其在0～20 cm耕作土層內(nèi)，伴隨著土壤有機(jī)碳的累積，存在無(wú)機(jī)碳的遞減。0～100 cm整個(gè)土層范圍內(nèi)土壤總碳密度、有機(jī)碳密度均成倍地遞增，無(wú)機(jī)碳密度雖也有增加，但未能達(dá)到顯著水準(zhǔn)。在砒沙巖與沙復(fù)配的土層厚度只有0～30 cm的情況下，卻換來(lái)了0～100 cm土壤有機(jī)碳含量和碳密度的顯著增加，結(jié)果清楚地彰顯著沙地整治的質(zhì)量效益，也體現(xiàn)著作物根系在沙地延伸較深的基本特征。

2.3 土地整治對(duì)黃土旱地廢棄宅基地土壤碳庫(kù)的影響

位于黃土渭北旱原的澄城縣廢棄宅基地，在土地整治前后0～100 cm土壤剖面總碳、有機(jī)碳、無(wú)機(jī)碳含量如圖3所示，其中僅在0～10、40～60、60～80、80～100 cm各處土壤總碳含量分別顯著增高21.64%、11.56%、7.24%、11.20%，其它土層增幅不明顯；土壤有機(jī)碳含量?jī)H在0～10、10～20、40～60、60～80、80～100 cm處分別顯著增高79.11%、77.89%、39.20%、89.07%、99.71%，其它土層增幅不明顯；土壤剖面無(wú)機(jī)碳含量?jī)H在0～10 cm處顯著增高12.05%、在10～20 cm處顯著降低11.56%，其它土層變化不明顯。土壤剖面總碳、有機(jī)碳、無(wú)機(jī)碳的變化不一致，體現(xiàn)了土地整理的填埋痕跡。

圖2 榆林榆陽(yáng)區(qū)風(fēng)沙地土壤剖面總碳含量、有機(jī)碳含量、無(wú)機(jī)碳含量變化

圖3渭南澄縣廢棄宅基地土壤剖面總碳含量、有機(jī)碳含量、機(jī)碳含量變化

Fig.3 Variation of total carbon content, organic carbon content and inorganic carbon content in soil profile of abandoned house soil in Weinan

廢棄宅基地整治類型土壤在經(jīng)過7年耕作后，其剖面土壤總碳含量?jī)H在0～10 cm和40～100 cm處顯著增高，其中0～10 cm處土壤總碳含量提升是有機(jī)碳和無(wú)機(jī)碳共同遞增結(jié)果，而在10～20 cm處雖然有機(jī)碳含量有明顯遞增，但因?yàn)樵诤翟貐^(qū)該土層屬于土壤濕度相對(duì)穩(wěn)定土層，成為作物根系主要分布土層，作物根系呼吸積累，土壤空氣中積累了高濃度的CO2，它促使難溶性無(wú)機(jī)碳酸轉(zhuǎn)變?yōu)橐兹苄缘?、可遷移的碳酸鹽，該層土壤無(wú)機(jī)碳酸鹽隨水分蒸發(fā)移動(dòng)到表層使表層0～10 cm無(wú)機(jī)碳遞增，也有可能隨水分入滲向深層移動(dòng)，結(jié)果該層無(wú)機(jī)碳含量明顯遞減。這些過程都是土壤正常的生物地球化學(xué)過程，盡管只有7年的耕種時(shí)間，說明經(jīng)過土地整治以后，土壤在植被作用下已經(jīng)啟動(dòng)了固有的生物地球化學(xué)演化與發(fā)育過程。在30 cm以下各土層處土壤總碳含量的變化完全依附于有機(jī)碳的含量，所呈現(xiàn)的無(wú)規(guī)律性變化特征是廢棄舊村莊復(fù)墾期間土地整理工程的歷史痕跡。

澄縣廢棄宅基地在整治前后0～100 cm土壤剖面上總碳密度、有機(jī)碳密度、無(wú)機(jī)碳密度如表4所示。從中可以看出，經(jīng)過整治后土壤剖面總碳密度在不同土層深度處的變化方向不一致，尤其是在0～20 cm分別有17.91%、24.27%的遞減幅度；土壤有機(jī)碳密度在0～100 cm剖面均有所增加，增幅變化在30.78%～96.75%，無(wú)機(jī)碳密度在0～20 cm范圍內(nèi)遞減，其20 cm以下土層絕大部分有所增加。0～100 cm整個(gè)土層總碳密度、無(wú)機(jī)碳碳密度分別遞減2.14%和7.01%、土壤總有機(jī)碳的密度遞增了48.98%。

同時(shí)結(jié)合圖3可以看出，在土壤總碳含量、有機(jī)碳含量有所遞增的情況下，有的土層碳密度卻有所遞減，顯然是小幅度遞增的有機(jī)碳，使得土壤容重極為顯著地減小的結(jié)果所致。

3 結(jié) 論

1) 定邊鹽堿地整治類型整治區(qū)和未整治區(qū)土壤剖面在0～100 cm各層總碳含量均顯著增高，增幅在84.72%～210.45%之間，土壤剖面有機(jī)碳含量在各層均未有顯著差異；土壤剖面無(wú)機(jī)碳含量在0～100 cm各層均顯著增高，增幅在111.18%～267.24%之間。榆陽(yáng)區(qū)風(fēng)沙地整治類型整治區(qū)和未整治區(qū)土壤剖面0～100 cm各層總碳、有機(jī)碳含量均顯著增加，增幅分別在84.96%～115.56%、102.96%～163.52%之間；無(wú)機(jī)碳含量在各層未有顯著差異。澄縣廢棄宅基地整治類型整治區(qū)和未整治區(qū)總碳、有機(jī)碳含量在0～100 cm顯著增加，增加量分別在7.24%～21.64%、39.20%～94.21%之間，土壤無(wú)機(jī)碳含量在0～10 cm處顯著增高12.05%、在10～20 cm顯著降低11.56%。

表4 渭南澄縣廢棄宅基地土壤剖面碳密度變化

2) 定邊鹽堿地整治類型總碳密度在20～100 cm各層顯著增高，增幅在97.28%～219.76%，土壤剖面無(wú)機(jī)碳密度在0～100 cm各層分別顯著增加，增幅在121.87%～292.32%之間。榆陽(yáng)區(qū)風(fēng)沙地整治類型土壤剖面總碳密度在0～100 cm各層顯著增高，增幅在83.27%～113.40%之間；土壤剖面有機(jī)碳密度在在0～100 cm各層顯著增高，增幅在101.61%～140.79%之間；土壤剖面各層無(wú)機(jī)碳密度無(wú)顯著變化。澄縣廢棄宅基地整治類型土壤剖面總碳密度在0～10、10～20 cm分別顯著降低17.91%、24.27%；20～40、40～60 cm處增高了11.06%、10.96%；在60～80 cm處降低了12.54%，80～100 cm處顯著增高8.99%，土壤剖面有機(jī)碳密度在0～10、20～100 cm均顯著增高,增幅在30.78%～96.75%之間。

3) 綜合對(duì)比分析可知，風(fēng)沙地、廢棄宅基地整治類型，有機(jī)碳密度的變化顯著影響土壤剖面的總碳密度。鹽堿地整治類型，無(wú)機(jī)碳密度的變化顯著影響土壤剖面總碳密度。其原因應(yīng)是作物種植與工程措施實(shí)施兩方面的綜合效應(yīng)。

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