全 文 ：上海市不同土地利用方式下的土壤碳氮特征*
史利江1,2 摇 郑丽波3**摇 梅雪英4 摇 俞立中2 摇 贾正长2
( 1 太原师范学院城旅学院, 太原 030012; 2 华东师范学院地理系, 上海 200062; 3 浙江省地质环境监测总站, 杭州 310007;
4 暨南大学水生生物研究所, 广州 510632)
摘摇 要摇 在野外采样和试验分析的基础上,研究了上海市土地利用方式及其变化对土壤有机
碳、总氮含量及土壤有机碳密度的影响.结果表明: 上海不同土地利用方式下的土壤有机碳、
总氮含量及有机碳密度均存在显著差异. 不同土地利用方式下的土壤有机碳密度大小依次
为:水稻田(3郾 86 kg·m-2)>旱地(3郾 17 kg·m-2) >林地(3郾 15 kg·m-2) >撂荒地(2郾 73 kg·
m-2)>城市草坪(2郾 65 kg·m-2)>园地(2郾 13 kg·m-2) >滩涂(1郾 38 kg·m-2) .通过相邻样地
法,分析了水田转变为旱地、农田撂荒及水田转变为人工林地等 3 种土地利用变化对土壤有
机碳、总氮的影响.由水田转化为旱地将导致土壤有机碳、总氮含量及有机碳密度显著降低;
在水热充足、土壤肥沃、农田管理水平较高的长三角平原地区,农田撂荒并不是一种提高土壤
有机碳储量的有效方式;水田转变为人工林地 4 ~ 5 年后,林地土壤有机碳、总氮含量及有机
碳密度均低于相邻的水稻田,表明水田转变为林地并未引起土壤碳、氮的增加,从短期来看,
人工林土壤有机碳的汇集效应因植被生产力水平的限制还处于较低水平.
关键词摇 土地利用方式摇 土壤有机碳摇 上海
文章编号摇 1001-9332(2010)09-2279-09摇 中图分类号摇 P951摇 文献标识码摇 A
Characteristics of soil organic carbon and total nitrogen under different land use types in
Shanghai. SHI Li鄄jiang1,2, ZHENG Li鄄bo3, MEI Xue鄄ying4, YU Li鄄zhong2, JIA Zheng鄄chang2
( 1Department of Geography, Taiyuan Normal University, Taiyuan 030012, China; 2Department of
Geography, East China Normal University, Shanghai 200062, China; 3Zhejiang Geological Envi鄄
ronmental Monitoring Station, Hangzhou 310007, China; 4 Institute of Hydrobiology, Jinan Univer鄄
sity, Guangzhou 510632, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2010,21(9): 2279-2287.
Abstract: By the methods of field sampling and laboratory analysis, this paper studied the varia鄄
tions of soil organic carbon (SOC) and total nitrogen (TN) contents and SOC density under differ鄄
ent land use types in Shanghai. Significant differences were observed in the test parameters among
different land use types. The SOC density was the highest in paddy field (3郾 86 kg·m-2), followed
by in upland (3郾 17 kg·m-2), forestland (3郾 15 kg·m-2), abandoned land (2郾 73 kg·m-2),
urban lawn ( 2郾 65 kg·m-2), garden land (2郾 13 kg·m-2), and tidal flat (1郾 38 kg·m-2). The
assessment on the effects of three types of land use change on the test parameters showed that the
conversion of paddy field into upland resulted in a significant decrease of SOC and TN contents and
SOC density; the abandonment of farmland was not an effective way in improving SOC storage in the
Yangtze Delta region with abundant water and heat resources, high soil fertility, and high level of
field management; while the 4-5 years conversion of paddy field into artificial forestland decreased
the SOC and TN contents and SOC density, suggesting that in a short term, the soil carbon seques鄄
tration effect of the conversion from paddy field to forestland was at a low level, due to the limitation
of vegetation productivity.
Key words: land use pattern; soil organic carbon; Shanghai.
*国家自然科学基金项目(40671177)资助.
**通讯作者. E鄄mail: libozheng@ 126. com
2009鄄12鄄16 收稿,2010鄄06鄄29 接受.
应 用 生 态 学 报摇 2010 年 9 月摇 第 21 卷摇 第 9 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Sep. 2010,21(9): 2279-2287
摇 摇 土壤是一个巨大的碳库,在调控地球表层生态
系统的碳平衡和缓解温室气体效应方面具有重要的
作用[1] .土壤有机碳的分布和变化受气候、植被、土
壤等因素的影响.随着社会和经济的快速发展,人类
活动引起的土地利用 /覆被变化导致了土壤碳储量
和碳通量的变化,从而深刻影响着陆地生态系统的
碳循环过程[2] . 因此,关于土地利用方式及其变化
对土壤有机碳的影响日益成为土壤碳库研究的重点
内容.
目前,国内外学者在土地利用方式及其变化对
土壤有机碳储量和碳密度的影响方面已经开展了大
量的研究,取得了一定的成果[3-6] .但由于各地区自
然条件和人类干扰活动的不同,土地利用方式及其
变化对土壤碳库的影响和作用存在较为明显的区域
差异,同时,已有的研究中关于城市区域内部不同土
地利用方式对土壤碳库的影响研究鲜有报道[7-10] .
上海是中国经济最发达的城市之一.伴随着上
海经济的高速发展,城市化进程的不断加快,高强度
的人类活动引起土地利用的急剧改变,必然对上海
城市土壤碳库产生极大的影响,从而进一步加剧区
域碳循环的不平衡.同时,由于上海地处长江中下游
平原地区,地势低平,人口密集,是受未来全球变暖
及海平面上升潜在影响较为严重的区域,因此该区
域土壤有机碳的动态变化与区域的可持续发展密切
相关.本文以上海为研究区域,分析了不同土地利用
方式下的土壤有机碳含量和碳密度,揭示了土地利
用方式及其变化对土壤碳库的影响,以期为提高上
海区域土壤碳库估算的精度、制定区域碳减排和增
汇措施提供科学依据和数据支持.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
上海市位于 31毅14忆 N,121毅29忆 E,地处长江三
角洲前缘,东濒东海,南临杭州湾,西接江苏、浙江两
省,北界长江入海口,长江与东海在此连接;属北亚
热带季风性气候,四季分明,日照充分,年降水量为
1208郾 8 mm,全年 60%左右的降雨量集中在 5—9 月
的汛期,汛期有春雨、梅雨和秋雨 3 个雨期. 境内河
湖众多,水网密布. 地势总体呈现由东向西略微倾
斜,除西南部有少数丘陵山脉外,其余地区均为坦荡
低平的平原,平均海拔高度 4 m左右;主要的土壤类
型有水稻土、灰潮土、滨海盐土和黄棕壤 4 个类型.
植被组分以人工栽培作物为主,是人类影响和干扰
极为深刻的地区.
1郾 2摇 野外采样
根据上海土壤类型和各种土地利用类型的区域
分布状况,选择典型区域进行采样,采样时间为
2008 年 9—11 月,采样区域包括市区、青浦、闵行、
奉贤、南汇、浦东和崇明等区县,主要的土地利用类
型包括水田、旱地、林地、城市绿地、园地、滩涂和撂
荒地 7 种类型,其中,水田包括早稻鄄晚稻轮作的稻
田和稻麦轮作的稻田;旱地主要以种植蔬菜和玉米
为主;城市绿地以人工草坪为主,其草种类型主要包
括:百慕大、老虎皮、马尼拉、高羊茅、麦冬等;人工林
地植被以竹林和杉木类为主,植被覆盖度较好,地表
有枯枝落叶层,受人为干扰程度较低;园地主要包括
桃园、梨园和葡萄园等;滩涂样地的植被主要是芦
苇,覆盖度较低;撂荒地在撂荒之前是稻麦轮作的农
田,撂荒 4 ~ 5 年后地表生长有荒草,覆盖度较好
(图 1).采用 GPS 定位采样,采集 0 ~ 20 cm 的土壤
表层样本,共计 190 个样本,其中包括城市草坪样本
47 个,水田样本 30 个,旱地样本 24 个,林地样本 51
个,园地样本 25 个,滩涂样本 10 个,撂荒地样本 3
个.在各个采样点,采用环刀进行取样,测定土壤容
重,将所采样品放入自封袋中带回实验室分析.
为了更好地研究土地利用变化对土壤碳、氮的
影响,本文选择典型样地,利用相邻样地法,研究了
水田转变为旱地、农田撂荒、水田转变为林地 3 类土
地利用变化对土壤碳、氮的影响.
以青浦区练塘镇和小蒸镇内的水田土壤样本和
相邻样地的旱地土壤样本为研究对象,通过对比分
图 1摇 野外采集土壤样点分布
Fig. 1摇 Distribution of soil sampling sites in field.
0822 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
析二者的土壤 SOC、TN含量以及 SOC 密度,来研究
水田转化为旱地对土壤碳、氮蓄积的影响.土壤样本
共 19 个,其中水田样本为 9 个;相邻旱地样本为 10
个,主要种植的作物有茄子、西红柿、油菜等.
选取松江区叶榭镇的两块相邻地块作为样地,
一块是撂荒地,面积在 6郾 67 hm2 左右,另一块则是
相邻的农田,面积在 10 hm2 左右,作物主要以稻麦
轮作为主.通过调查表明,所选地块土壤类型相同,
所处的环境条件也基本一致,前者在撂荒之前,作物
类型、轮作方式与后者基本相同,土地撂荒时间为 4
~ 5 年. 因此,利用所选样地研究农田撂荒对土壤
碳、氮的影响具有较好的代表性.在所选的每个样地
挖取 3 ~ 5 个剖面,深度为 35 cm,分为 0 ~ 5 cm、5 ~
10 cm、10 ~ 15 cm、15 ~ 20 cm、20 ~ 25 cm、25 ~ 30
cm、30 ~ 35 cm共 7 层进行分层取样,用环刀法测定
土壤容重,然后将所采柱样的各层置于密封袋中,作
好标记,带回实验室测定.
近年来,上海大力推进绿化造林工程建设,对美
化城市环境、调节城市气候等方面起到了积极的作
用.由农田转变为人工林地也成为上海土地利用变
化中的一个重要表现,而以崇明岛最为典型.为研究
这种土地利用变化对城市土壤碳、氮的影响,本文在
崇明岛的港西和港东镇选择样地作为研究区域,通
过调查,样地内的林地均是由水田转变而来,水田退
耕还林时间为 4 ~ 5 年,林地样本的树种主要包括杉
木类、马尾松、女贞树等类型,树木间距较大,且地表
有枯枝落叶,受人为干扰程度较小. 采用相邻样地
法,在样区内分别采集水田样本 13 个,林地样本 16
个,采样深度为 0 ~ 20 cm,样品带回实验室分析测
定.
1郾 3摇 样品的处理和分析测定
1郾 3郾 1 土壤样品的预处理摇 将采集的样品在实验室
风干后,挑出其中的动、植物残体等非土壤物质,同
时避免灰尘和酸、碱、不洁气体等污染. 取风干样品
20 g左右,放入研钵中研磨,过 80 目筛,去除其中的
砾石和植物根系.将过筛样品置于密封袋中作好标
签,放入干燥器中保存备用.
1郾 3郾 2 测定方法 摇 土壤容重的测定采用环刀法. 土
壤有机碳(SOC)、总氮(TN)含量的测定采用碳氮元
素分析仪.用于分析土壤有机碳的每个样品在上机
测定前用盐酸进行酸化处理,以消除其中无机碳的
影响,具体方法为:称取土样 0郾 5 g 左右,分别置于
称量瓶内,用 5 ml 的移液枪向称量瓶中加入 5 ml
1 mol·L-1的盐酸,静置 8 h 后,用 Milli Q 水润洗 3
~ 4 遍,在加热板上蒸干,冷却、干燥,然后上机包
样,进行碳、氮指标的测定.
土壤有机碳密度是反映土壤固持有机碳能力的
一个重要指标,其大小与土壤容重和有机碳含量密
切相关,表层(0 ~ 20 cm)土壤碳密度的计算公式如
下:
SOC i =B iC iHi (1)
式中:SOC i 表示地类 i 的表层土壤碳密度;B i 代表
土壤容重(g·cm-3); C i 代表地类 i 的土壤有机碳
含量;Hi 表示土壤厚度,这里取 20 cm(>2 mm 砾石
的含量忽略不计).
1郾 4摇 数据处理
采用 Excel和 SPSS 13郾 0 软件对试验数据进行
处理,采用单因素方差分析(ANOVA),当 F 检验显
著时,进行均值间 LSD显著性检验.
2摇 结果与讨论
2郾 1摇 不同土地利用方式下的土壤有机碳和总氮含
量
由表 1 可知,上海不同土地利用方式下的 SOC
平均含量表现出明显差异,其中水田的 SOC 平均含
量为 14郾 47 g·kg-1,显著高于其他 6 种土地利用类
型,其变化范围在 6郾 29 ~ 31郾 51 g·kg-1;其次是林
地和旱地,SOC平均含量分别为 12郾 44 和 12郾 38 g·
kg-1,变化范围分别为 5郾 27 ~ 30郾 62 g·kg-1和 2郾 03
~ 28郾 67 g·kg-1;滩涂的 SOC 平均含量最低,仅为
5郾 30 g·kg-1,相当于水田的 36郾 63% ,其变化范围
在 2郾 59 ~ 8郾 23 g·kg-1,这是由于滩涂受潮水的影
响,地表植被的生长过程较为微弱,从而导致有机物
的输入较少,因此 SOC 含量偏低;其余 3 种土地利
用方式的 SOC平均含量大小依次为:撂荒地(11郾 10
g· kg-1 ) > 城市草坪 ( 10郾 05 g · kg-1 ) > 园地
(9郾 40 g·kg-1).在各种土地利用类型中,水田 SOC
含量最高,这是由于水田处于较长时间的淹水状态,
抑制了有机质的分解,加上外界各种肥料的输入,导
致其保持了较高的 SOC 含量. 林地由于郁闭度较
高,土壤湿度较大,且地表枯枝落叶较多,有机物的
输入量较大,土壤有机质分解速率慢,从而有利于土
壤有机质的积累.旱地土壤由于人为耕作扰动使土
壤有机质暴露,加速了其分解;同时,耕作过程能够
增加土壤中微生物的数量,增强其活性,从而提高了
有机质的降解速度,而施肥则增加了旱地 SOC 的含
量.土地在撂荒后,主要通过植被的自然演替来恢复
土壤肥力,但在短期内,由于外界有机物的输入较
18229 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 史利江等: 上海市不同土地利用方式下的土壤碳氮特征摇 摇 摇 摇 摇
少,导致其 SOC 含量相对于水田和旱地较低. 上海
由于高度城市化,人口众多,高楼林立,道路纵横,用
于建设城市绿地的土壤本身就不肥沃,且城市草坪
定期的修剪大大减少了地表有机物的输送,导致城
市草坪 SOC 含量偏低. 方海兰等[11]对上海新建的
18 块绿地 319 个土壤质量的调查分析也表明,上海
城市绿地土壤有机质含量偏低. 园地土壤的耕作更
加精细,土壤表层更加疏松,土壤有机质的分解更
快,且作物种植相对稀疏,导致 SOC 平均含量较低.
从 SOC含量的变异系数来看,城市草坪由于受人为
干扰作用最强,所以其 SOC 含量变异系数最大,其
次是旱地、林地、水田、园地,这几种土地利用类型受
到的人为干扰作用也较大;撂荒地和滩涂的 SOC 含
量变异系数较低,一方面是由于样本数量较少,另一
方面与受到较少的人为干扰有关.
各种土地利用方式下的土壤总氮(TN)含量也
存在较为显著的差异.从 TN 的平均含量来看,水田
的 TN含量依然最高,为 1郾 78 g·kg-1;滩涂最低,只
有 0郾 74 g·kg-1,仅相当于水田的 41郾 57% ,其余几
种土地类型的 TN平均含量大小顺序依次为:旱地>
园地>撂荒地>林地>城市草坪. TN 含量的高低反映
了不同管理方式对各种土地利用类型的影响不同.
水田、旱地和园地的 TN 含量较高与农业管理中施
肥密切相关,化肥的大量施用导致这几种类型保持
了较高的 TN 含量;相对于水田、旱地和园地,林地
和城市绿地肥料的投入十分有限,滩涂由于长期受
海洋潮汐的影响,盐渍化作用导致土壤盐分含量偏
高,土体发育不明显,理化性状差,从而导致 TN 含
量水平较低.
2郾 2摇 不同土地利用方式下的土壤容重和碳氮比
土壤容重是反映土壤的一个具有较长时间变异
性的动态属性,其大小受土壤质地、结构性和松紧度
等的影响,同时也是计算土壤碳密度的一个重要指
标.由表 2 可知,不同土地利用方式下的土壤容重也
表现出较为明显的差异.从土壤容重的均值来看,各
种土地利用方式的土壤容重大小依次为:城市草坪
(1郾 36 g·cm-3) >旱地(1郾 34 g·cm-3) >滩涂(1郾 32
g·cm-3 ) >林地(1郾 31 g·cm-3 ) >水田(1郾 29 g·
cm-3) >撂荒地 (1郾 23 g·cm-3 ) >园地 (1郾 17 g·
cm-3).城市草坪的土壤容重最高,原因在于城市草
坪往往分布在城市内部人口集聚和人流量较大的地
区,和其他用地类型相比,城市草坪受到的人为干扰
表 1摇 不同土地利用方式下的土壤有机碳和总氮含量
Tab. 1摇 Content of soil organic carbon under different land use patterns (g·kg-1)
土地利用类型
Land use type
土壤有机碳含量
Soil organic carbon content (g·kg-1)
最小值
Minimum
最大值
Maximum
均值
Mean
标准方差
SD
变异系数
CV (% )
土壤总氮含量
Soil total nitrogen content (g·kg-1)
最小值
Minimum
最大值
Maximum
均值
Mean
标准方差
SD
变异系数
CV (% )
城市草坪 Lawn 2郾 52 24郾 24 10郾 05b 5郾 01 49郾 90 0郾 37 2郾 26 1郾 12b 0郾 04 37郾 18
水 田 Paddy field 6郾 29 31郾 51 14郾 47d 6郾 43 44郾 45 0郾 98 3郾 55 1郾 78d 0郾 06 34郾 21
旱 地 Upland 2郾 03 28郾 67 12郾 38c 6郾 13 49郾 47 0郾 33 2郾 75 1郾 51c 0郾 06 37郾 54
林 地 Forestland 5郾 27 30郾 62 12郾 44c 6郾 16 49郾 50 0郾 50 2郾 59 1郾 33c 0郾 04 31郾 81
园 地 Garden land 5郾 73 15郾 39 9郾 40b 3郾 83 40郾 75 1郾 10 2郾 12 1郾 54c 0郾 04 30郾 23
撂荒地 Abandoned land 7郾 25 13郾 78 11郾 10c 3郾 42 30郾 80 1郾 10 1郾 53 1郾 35c 0郾 02 16郾 47
滩 涂 Tidal flat 2郾 59 8郾 23 5郾 30a 1郾 89 35郾 65 0郾 50 1郾 05 0郾 74a 0郾 02 27郾 61
同列不同字母表示处理间差异显著(P<0郾 05) Different letters in the same column meant significant difference among treatments at 0郾 05 level. 下同
The same below.
表 2摇 不同土地利用方式下的土壤容重和碳氮比
Tab. 2摇 Soil bulk under different land use patterns(g·cm-3)
土地利用类型
Land use type
土壤容重
Soil bulk (g·cm-3)
最小值
Minimum
最大值
Maximum
均值
Mean
标准方差
SD
变异系数
CV (% )
土壤碳氮比
C / N ratio
最小值
Minimum
最大值
Maximum
均值
Mean
标准方差
SD
变异系数
CV (% )
城市草坪 Lawn 0郾 96 1郾 73 1郾 36c 0郾 16 11郾 58 4郾 75 12郾 24 8郾 57b 1郾 60 18郾 67
水 田 Paddy field 0郾 99 1郾 64 1郾 29c 0郾 20 15郾 28 5郾 81 10郾 75 7郾 90b 1郾 13 14郾 34
旱 地 Upland 1郾 08 1郾 57 1郾 34c 0郾 15 11郾 13 4郾 67 10郾 80 7郾 70b 1郾 46 18郾 91
林 地 Forestland 0郾 94 1郾 50 1郾 31c 0郾 13 9郾 54 4郾 93 16郾 45 9郾 15c 2郾 69 29郾 38
园 地 Garden land 0郾 62 1郾 43 1郾 17a 0郾 33 27郾 82 5郾 46 7郾 27 6郾 41a 0郾 83 12郾 91
撂荒地 Abandoned land 1郾 19 1郾 26 1郾 23b 0郾 04 3郾 25 6郾 59 9郾 02 8郾 09b 1郾 31 16郾 21
滩 涂 Tidal flat 1郾 21 1郾 49 1郾 32c 0郾 12 8郾 85 5郾 16 9郾 82 7郾 11b 1郾 66 23郾 31
2822 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
作用(践踏和修整)更强,土壤被压实从而导致其孔
隙度减少,使土壤容重增大.由于滩涂是由潮间带沉
积物沉积形成的,其土壤母质为河流冲积海相沉积
物,由于长期受潮水的影响,潜水水位高,土壤质地
粘重,导致土壤容重也较大.
摇 摇 土壤碳氮比值(C / N)是衡量土壤 C、N 营养平
衡状况的指标,它的演变趋势对土壤碳、氮循环有重
要影响[12] .从 C / N 的均值来看,林地的 C / N 最大,
为 9郾 15,园地的 C / N 最低,仅为 6郾 41,其他几种用
地类型的 C / N大小顺序依次为:城市草坪(8郾 57) >
撂荒地(8郾 09) >水田 (7郾 90) >旱地 (7郾 70) >滩涂
(7郾 11)(表 2).土壤碳氮比的差异与不同土地利用
方式下的 SOC和 TN含量大小密切相关.
2郾 3摇 不同土地利用方式下的土壤碳密度
根据式(1)可计算各种土地利用方式下的土壤
有机碳密度.结果表明:表层 0 ~ 20 cm土层深度,水
田土壤有机碳密度为 3郾 86 kg·m-2,显著高于其他
用地类型,滩涂的 SOC 密度最低,为 1郾 38 kg·m-2,
相当于水田的 35郾 75% ;其余几种用地类型的碳密
度大小依次为: 旱地 ( 3郾 17 kg · m-2 ) > 林地
(3郾 15 kg·m-2)>撂荒地(2郾 73 kg·m-2)>城市草坪
(2郾 65 kg·m-2)>园地(2郾 13 kg·m-2)(表 3).许泉
等[13]根据全国第二次土壤普查数据分析得出,全国
水田耕层土壤有机碳密度为 3郾 21 kg·m-2,旱地为
2郾 84 kg·m-2,而新近的研究结果显示,中国水稻土
耕层土壤平均总有机碳密度为 2郾 805 kg·m-2 [14] .
本研究表明,上海水田耕层土壤碳密度高于第二次
土壤普查以及新近研究的全国水田耕层土壤平均
值;旱地耕层土壤的有机碳密度为 3郾 17 kg·m-2,也
高于全国旱地土壤的平均值,且远高于华东地区旱
地土壤的 1郾 52 kg·m-2 [13] .人工林地 SOC含量虽然
高于旱地,但由于土壤湿度较大,导致土壤容重较
小,从而使其 SOC 密度略低于旱地土壤. 城市绿地
虽然土壤容重最大,但较低的 SOC 含量影响了 SOC
密度.园地则由于耕作扰动强烈,导致 SOC 含量损
失较大,SOC含量偏低,同时土壤容重也不高,从而
使其 SOC密度较低.
2郾 4摇 土地利用变化对土壤碳、氮的影响
2郾 4郾 1 水田转变为旱地对土壤碳、氮的影响
由表 4 可知,在同种土壤类型下,水田的 TN、
SOC 含量及 SOC 密度分别为 2郾 30 g · kg-1、
19郾 64 g·kg-1和 6郾 04 kg·m-2,均显著高于旱地,其
中 SOC 含量比旱地高 40郾 09% ,TN 含量比旱地高
39郾 51% ,SOC密度比旱地高 67郾 78% ,表明水田转
变为旱地后会引起 SOC、TN 含量和 SOC 密度的降
低,这与已有的研究结果保持一致[15-17] . 同时也说
明,在土壤类型和其他因素基本一致的情况下,土地
利用方式是影响土壤碳、氮蓄积的重要原因.
2郾 4郾 2 农田撂荒对土壤碳、氮的影响 摇 从图 2 可以
看出,农田和撂荒地在 0 ~ 35 cm的土壤剖面上 SOC
含量表现出不同的变化趋势,其中农田 SOC 含量随
深度的增加先上升后下降,在 10 ~ 15 cm 达到最大
值,而后随深度的增加而下降,在 30 cm以下逐步趋
于平稳;撂荒地的 SOC含量则随深度的增加而持续
下降,在 20 cm以下逐步趋于平稳,其最大值出现在
0 ~ 5 cm.总体来看,农田和撂荒地的表层SOC含量
表 3摇 不同土地利用方式下的土壤碳密度
Tab. 3摇 Density of soil organic carbon under different land use patterns (kg·m-2)
土地利用类型
Land use type
最小值
Minimum
最大值
Maximum
均值
Mean
标准方差
SD
变异系数
CV(% )
城市草坪 Lawn 0郾 80 6郾 16 2郾 65b 1郾 20 45郾 45
水 田 Paddy field 1郾 36 10郾 02 3郾 86d 2郾 23 57郾 68
旱 地 Upland 0郾 63 7郾 25 3郾 17c 1郾 54 48郾 67
林 地 Forestland 1郾 55 7郾 17 3郾 15c 1郾 29 41郾 05
园 地 Garden land 1郾 91 2郾 47 2郾 13b 0郾 25 11郾 73
撂荒地 Abandoned land 1郾 82 3郾 27 2郾 73b 0郾 79 28郾 92
滩 涂 Tidal flat 0郾 77 2郾 13 1郾 38a 0郾 46 33郾 14
表 4摇 青浦区水稻田土壤碳、氮指标
Tab. 4摇 Soil organic carbon and total nitrogen in paddy field and upland in Qingpu region
土地利用类型
Land use type
土壤有机碳含量
SOC content
(g·kg-1)
土壤有机碳密度
SOC density
(kg·m-2)
土壤容重
Soil bulk density
(g·cm-3)
总氮含量
TN content
(g·kg-1)
C / N 样本数
Sample No.
水 田 Paddy field 19郾 64 6郾 04 1郾 50 2郾 26 8郾 52 9
旱 地 Upland 14郾 02 3郾 60 1郾 31 1郾 62 8郾 32 10
38229 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 史利江等: 上海市不同土地利用方式下的土壤碳氮特征摇 摇 摇 摇 摇
图 2摇 撂荒地(玉)和农田(域)土壤垂直剖面上 0 ~ 35 cm 土
壤有机碳、总氮含量和碳氮比的变化
Fig. 2摇 Variations of content of SOC, TN and C / N in 0-35 cm
depth of soil profile in abandoned land (玉) and farmland
(域).
均显著高于深层土壤,其 SOC 含量的最高值与最低
值之间的差值分别为 13郾 24和 17郾 15 g·kg-1 .从垂直
剖面各层的 SOC 含量来看,在 0 ~ 5 cm 和 5 ~ 10 cm
土层,撂荒地的 SOC 含量均高于农田,其中 0 ~ 5 cm
和 5 ~10 cm 的 SOC 含量分别比农田高 105郾 39%和
10郾 27%;10 ~25 cm之间,撂荒地的 SOC含量均低于
农田,其中在 10 ~ 15 cm、15 ~ 20 cm和 20 ~ 25 cm各
层,撂荒地的 SOC 含量比农田分别低 44郾 64%、
68郾 56%和 47郾 38%;在 25 cm以下,撂荒地的 SOC含
量比农田略高,但二者已经非常接近.
摇 摇 农田 SOC含量的最大值并不出现在最表层,而
是出现在 10 ~ 15 cm. 产生这一结果的原因:一方
面,耕作扰动可能对农田的土层结构产生一定的影
响;另一方面由于耕作扰动虽然破坏了表层土壤的
团聚体,使得受到团聚体保护的土壤有机质暴露,加
速了其分解,造成表层 SOC 的损失,但耕作过程同
时改变了土壤的孔隙度,提高了表层土壤有机物和
养分的向下输送,因此导致了 SOC 在 10 ~ 15 cm 土
层的积累.撂荒地 0 ~ 5 cm的表层 SOC 含量高于农
田,但其 SOC 随土层深度递减速率要明显高于农
田,这表明农田撂荒后,土壤表层温度降低,土壤含
水量提高,减缓了表层 SOC 的分解,增加了 SOC 的
稳定性,同时可获得较多有机残留物而使表层 SOC
含量剧增,但由于缺少了外界肥料的投入,表层 SOC
含量难以饱和而向下输送,同时缺少了人为的耕作
扰动,土壤透气性较差,使得表层有机碳的向下输送
变得更加困难,从而导致撂荒地的 SOC 含量随深度
的增加而快速减少. 而农田则由于翻耕以及施肥等
措施,使下层土壤有机碳得到一定的补充,因此农田
SOC随深度而递减的趋势要比撂荒地缓和.
摇 摇 农田和撂荒地的 TN含量随深度的变化趋势与
SOC基本一致,其中农田 TN 最高值为 2郾 04 g·
kg-1,出现在 10 ~ 15 cm 土层,最低值为 0郾 58 g·
kg-1,出现在 30 ~ 35 cm 土层,二者相差 1郾 46 g·
kg-1,变幅为 71郾 57% .撂荒地表层 0 ~ 5cm 的 TN 含
量最大,为 2郾 17 g·kg-1,最低值出现在 30 ~ 35 cm
土层,为0郾 61 g·kg-1,两者相差 1郾 56 g·kg-1,变幅
为 71郾 89% .撂荒地在 0 ~ 5 cm 和 5 ~ 10 cm 土层的
TN含量比农田分别高 76郾 42%和 4郾 57% ;而在 10 ~
15 cm、15 ~ 20 cm和 20 ~ 25 cm土层,撂荒地则分别
比农田低 39郾 71% 、62郾 15%和 37郾 84% ,在 25 cm 以
下,撂荒地与农田的 TN含量基本接近.
在 C / N 方面,由于受到土壤剖面上各层土壤
碳、氮含量变化的影响,撂荒地和农田 C / N 随深度
的变化趋势略微复杂,但总体表现为在波动中下降
的趋势. 撂荒地和农田 C / N 的最大值分别出现在
0 ~ 5 cm和 5 ~ 10 cm 土层,分别为 9郾 73 和 8郾 79,最
小值分别出现在 20 ~ 25 cm 和 25 ~ 30 cm 土层,分
别为 6郾 33 和 6郾 54,最大值和最小值之间的差值分
别为 3郾 29 和 2郾 25,变幅分别为 34郾 94%和 25郾 60% ,
与 SOC 和 TN 含量在剖面上的变化幅度相比,二者
的 C / N 变化都相对较小,且二者之间的差异也不
大,表明 C / N作为衡量土壤养分均衡性的一个相对
稳定和重要的指标,与土壤的碳、氮含量相比,土地
利用变化对其影响相对较弱.
摇 摇 总体来看,在 0 ~ 35 cm 深度范围内,撂荒地的
SOC、TN含量和 SOC密度均低于农田,农田的 SOC、
TN 含量、 C / N 和 SOC 密度分别比撂荒地高
13郾 73% 、16郾 39% 、2郾 21%和 13郾 79% (表 5).这表明
4822 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
表 5摇 农田和撂荒地 0 ~ 35 cm土层土壤碳、氮指标
Tab. 5摇 Soil organic carbon and total nitrogen in 0-35 cm
depth of soil in farmland and abandoned land
土地利用类型
Land use
type
土壤有机碳
含量
SOC content
(g·kg-1)
总氮含量
TN content
(g·kg-1)
C / N 土壤有机碳
密度
SOC density
(kg·m-2)
农 田
Farmland
10郾 52 0郾 32 7郾 78 4郾 53
撂荒地
Abandoned land
9郾 25 0郾 13 7郾 61 3郾 98
通过农田撂荒的方式并不利于提高土壤的碳、氮蓄
积能力.一些研究表明,弃耕农田撂荒后通过恢复为
自然植被能提高 SOC 含量,如 Schiffman 等[18]研究
表明,农田撂荒后可使土壤有机碳储量增加 35% .
张平良等[19]研究结果表明,在高寒农牧交错带地
区,种植老芒麦或者撂荒植被恢复措施,对提高土壤
有机质和 TN 含量、恢复土壤质量具有非常显著的
效果.宇万太等[20]对潮棕壤不同土地利用方式下土
壤有机碳的分布和储量的研究结果表明,耕地撂荒
可显著提高耕层土壤有机碳含量. 而本研究结果表
明,农田撂荒 4 ~ 5 年后,并没有引起 SOC、TN 含量
和 SOC密度的显著提高,相反,与耕作农田相比,撂
荒地的 SOC、TN 含量和 SOC 密度存在较明显的下
降,这与前面一些研究者的结论并不一致. 由此表
明,农田撂荒对土壤碳、氮蓄积的影响和作用与区域
自然环境、土壤的理化性质、作物类型、种植方式和
农业耕作管理水平密切相关.在土壤水分、养分条件
较好、耕作管理水平较高、耕作历史悠久的长江中下
游平原地区,从短期来看,农田撂荒并不是一种增加
土壤碳、氮蓄积的有效方式,从而也表明土地利用变
化对土壤碳、氮动态变化的影响过程和机制较为复
杂,需要考虑一个时间尺度的问题.
2郾 4郾 3 水田转化为林地对土壤碳、氮的影响摇 由表 6
可知,由水田转变而来的人工林地的 SOC、TN 含量
和 SOC密度均低于水田,仅土壤容重比水田高,其
中 SOC、 TN 含量和 SOC 密度分别比水田低
33郾 08% 、23郾 64%和 20郾 71% ,而土壤容重比水田高
19郾 21% .以往的一些研究表明,农田转变为林地往
往会导致土壤有机碳的增加,如 Guo等[21]采用 meta
分析对伴随土地利用变化产生的土壤碳库变化进行
研究,结果表明,由农田转变成人工林和次生林后土
壤有机碳分别增加 18%和 53% .吴建国等[7]采用相
邻样地比较法研究了六盘水地区不同土地利用方式
的土壤碳、氮特征,结果表明,农田造林后土壤有机
碳含量和密度(主要是 0 ~ 30 cm 土层)增加. 而本
研究表明,水田在转变为林地 4 ~ 5 年后,并未引起
土壤有机碳、氮含量的增加;相反,林地的土壤碳、氮
含量明显低于相邻的水田. 因此,从固碳效果来看,
水田是比人工林地更为有效的土地利用方式.可见,
土地利用变化对土壤碳、氮含量变化的影响,因气
候、土壤、生物以及耕作管理水平的不同而存在差
异,导致不同土地利用方式之间土壤碳、氮含量差异
的根本原因在于系统有机物输入和输出量的相对大
小.本研究区域地处长江中下游平原地区,耕作历史
悠久,土壤肥沃,管理水平较高,通过施肥、秸秆及根
茬还田措施为水稻田土壤输入了大量的有机物. 而
水田转变为人工林地后,虽然地表植被覆盖度提高,
但由于植被生长年限较短,其生产力和地表枯落物
有限,而且缺少了人为的耕作扰动,植物的根系尚不
发达,土壤透气性较差,分解缓慢的枯落物主要在地
表积聚,难以向下输送,而且容易流失,因此导致人
工林地的土壤碳、氮含量和碳密度比水稻田低.值得
强调的是,本研究的人工林地由水田转变的时间仅
有 4 ~ 5 年,时间年限较短,从长期来看,随着林地植
被生产力的逐步提高,所形成的地上和地下生物量
都将大大丰富,向土壤输入的有机物数量也将逐步
增加,同时森林郁闭度的提高,有利于土壤湿度和水
分的保持,从而降低了 SOC 的分解速率,促进了土
壤碳、氮的积累,因此可能使林地土壤碳、氮水平高
于水稻田.但要达到这一状态需要多长时间,需要进
行长期的定位观测才能确定.总体来看,衡量土地利
用方式转变引起的土壤碳、氮的变化不仅需要考虑
区域的差异性,同时还涉及到一个时间尺度问题,区
域差异性较大,观测时间尺度不同,往往就会得出不
同的结论,因此笼统地认为农田转变为林地会引起
土壤碳储量的增加这一结论存在较大的不确定性.
表 6摇 崇明水田和林地土壤碳、氮指标
Tab. 6摇 Soil organic carbon and total nitrogen in paddy field and forestland in Chongming Island
土地利用类型
Land use type
土壤有机碳含量
SOC content
(g·kg-1)
土壤有机碳密度
SOC density
(kg·m-2)
土壤容重
Soil bulk density
(g·cm-3)
总氮含量
TN content
(g·kg-1)
C / N 样本数
Sample No.
水 田 Paddy field 13郾 15 3郾 00 1郾 15 1郾 65 7郾 87 13
林 地 Forestland 8郾 80 2郾 38 1郾 37 1郾 26 6郾 82 16
58229 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 史利江等: 上海市不同土地利用方式下的土壤碳氮特征摇 摇 摇 摇 摇
3摇 结摇 摇 语
本文在野外采样和试验分析的基础上,研究分
析了上海市不同土地利用方式下 SOC、TN 含量及
SOC密度.结果表明,不同土地利用方式下 SOC、TN
含量及 SOC密度存在显著差异,而人为活动的干扰
是造成这种差异的主要原因. 在不同的土地利用方
式下,水田的 SOC和 TN含量以及 SOC 密度均显著
高于其他用地类型,滩涂最低.这是由于盐渍化作用
导致滩涂土壤盐分含量偏高、土体发育不明显、理化
性状差、肥力水平低下,土壤固碳能力有限. 其他几
种土地利用方式的 SOC 密度大小依次为:旱地>林
地>撂荒地>城市草坪>园地.
SOC 是陆地生态系统最大的碳库,而大量的研
究表明,土地利用变化是引起 SOC 变化的主要原
因.因此,本文通过相邻样地法,选择典型样区,着重
分析了 3 种土地利用变化,包括水田转变为旱地、农
田撂荒以及水田转变为人工林地对土壤碳库的影
响,结果表明,1)由水田转化而来的旱地土壤 SOC
和 TN 含量以及 SOC 密度均显著低于相邻水稻田,
表明水田转化成旱地容易造成土壤碳库的损失,与
旱地相比,水田是一种更为有效的固碳方式. 2)农
田撂荒后,除 0 ~ 10 cm 的表层土壤碳、氮水平高于
相邻农田外,10 ~ 25 cm之间各层土壤碳、氮水平均
低于相邻农田,25 ~ 35 cm 之间二者的土壤碳、氮水
平则非常接近.从整体来看,在 0 ~ 35 cm 的土壤深
度范围内,撂荒地的 SOC、TN 含量以及 SOC 密度均
低于相邻农田土壤,表明在水热充足、土壤肥沃、农
田管理水平较高的长三角平原地区,撂荒并不是一
种有效提高土壤有机碳储量的方式,农田撂荒对土
壤有机碳库的影响具有区域差异性. 3)水田转变为
人工林地 4 ~ 5 年,林地的 SOC、TN 含量和 SOC 密
度均低于相邻的水稻田,表明水田转变为林地并未
引起 SOC的增加,从短期来看,人工林地的 SOC 汇
集效应因植被生产力水平的限制还处于较低水平.
因此,研究土地利用方式变化引起的土壤碳、氮变化
不仅需要考虑区域因素,还需要长时间序列的定位
观测和深入研究,才能得出一个全面而科学的结论.
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作者简介摇 史利江,男,1978 年生,博士.主要从事城市生态
与 GIS研究. E鄄mail: slj19972@ 126. com
责任编辑摇 张凤丽
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