全 文 ：红壤丘陵区土地利用方式变更后土壤
有机碳动态变化的模拟 3
李忠佩　王效举　(中国科学院南京土壤研究所 ,南京 210008)
【摘要】　采用双组分模型模拟土地利用方式变更后土壤有机碳储量的变化 ,并用一些调
查和监测数据进行了初步验证. 此双组分模型将土壤有机碳分为新形成有机碳和原有有
机碳两个组分. 每个组分有机碳的形成转化用一级动力学方程描述. 本文用此模型对亚热
带土壤开垦利用为马尾松林地、湿地松林地、柑桔园和牧草地 4 种方式 10 年来土壤有机
碳储量的变化过程进行了模拟 ,初步结果表明 ,模拟值与实测值拟合较好. 可见 ,此方法适
于用来模拟不同土壤类型下土地利用系统变更初期的土壤有机碳储量动态变化过程.
关键词 　红壤丘陵区 　土地利用方式变更 　土壤有机碳 　模拟
Simulation of soil organic carbon dynamic after changing landuse pattern in hilly red soil re2
gion. Li Zhongpei and Wang Xiaoju ( Institute of Soil Science , Academia S inica , N anjing
210008) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,1998 ,9 (4) :365～370.
Double component model was used to simulate the soil organic carbon dynamics after changing
landuse pattern in hilly red soil region of subtropical China , and investigation and monitoring
data were used to evaluate it . The model distinguished soil organic carbon into two compart2
ments , i. e. newly formed organic carbon and native organic carbon. The transformation of
each kind of organic carbon was described by the first2order kinetics function , and the changing
process of soil organic carbon storage in four landuse patterns of masson pine forest , slash pine
forest , citrus orchard and pasture since natural subtropical soils being reclaimed for 10 years was
simulated. The results show that this method fits to simulate the dynamic process of soil organic
carbon storage during the early stage of changing landuse patterns with different soil types.
Key words 　Hilly red soil region , Change of landuse pattern , Soil organic carbon , Simulation.
　　3 国家自然科学基金重点资助项目 (49631010) .
　　1996 - 11 - 25 收稿 ,1997 - 04 - 08 接受.
1 　引 　　言
　　在红壤丘陵区土壤退化的防治及退化
土壤恢复重建的具体实践中 ,变更土地利
用方式是人们经常采用的一种措施. 土壤
有机质含量的变化是土壤质量与土壤持续
能力的重要表征. 由于土地利用和土壤管
理对土壤有机质含量的变化起着非常重要
的作用 ,因此 ,模拟和预测土壤有机碳含量
在不同土壤类型和不同土地利用方式下的
动态变化过程 ,对于定量控制各种管理措
施具有非常重要的实际意义.
　　土壤有机质含量的动态变化是由有机
物质输入、输出量 (形成和分解过程) 的相
对大小决定的. 土壤有机质的分解转化过
程十分复杂. 人们通过各种田间试验和模
拟试验建立了很多模型. 根据模型对土壤
有机碳组分的划分程度 ,分为 4 种类型 :单
组分模型[7 ] 、双组分模型[4 ,5 ] 、非组分分解
模型[3 ]和多组分模型[6 ,8 ,10 ,13 ,14 ] . 单组分
模型一般适用于土壤 N 变化的预测 ,在模
拟土壤有机质含量变化时有较大偏差. 多
组分模型可以较好模拟土壤有机质的动态
变化 ,但模型所需的一整套参数要求对系
应 用 生 态 学 报 　1998 年 8 月 　第 9 卷 　第 4 期 　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Aug. 1998 ,9 (4)∶365～370
统有深入研究. 我国南方热带亚热带地区
土壤性质独特 ,土地利用方式多样 ,多组分
模型的应用往往由于缺乏参数而出现困
难. 因此 ,如何通过简便的方法来预测不同
土地利用和管理方式下土壤有机质含量的
变化 ,是土壤管理和发展持续农业上所面
临的一个重要问题. 本文试图通过简便方
法 ,模拟我国红壤丘陵区变更土地利用方
式后土壤有机碳储量的变化.
2 　模型描述
　　考虑到土地利用方式变更后土壤中有
机物质输入输出量的变化 ,将土壤有机碳
分为两个组分 :由地表植物残体新形成的
有机碳 (NC) 和土壤中原有有机碳 ( SC) .
地表植物残体有机碳的分解转化用指数方
程表示[9 ] : N C = RCe2kt ,式中 N C 是分解
t 时间后剩余的 C 量 (新形成的土壤有机
碳) , RC 是原来的植物残体有机碳量 , k
是分解系数 , t 是时间. 土壤中原有有机碳
的分解速率理论上也是时间的函数 ,随着
土壤有机碳含量的变化而异 ,但在一个较
短的时间间隔内 ,可以认为基本保持相对
稳定 ,通过田间试验测定获得土壤有机碳
年矿化率.
　　要预测田间状况下不同土地利用方式
土壤有机碳的变化量 ,首先要确定进入土
壤的有机物质数量. 农田系统中要确定每
年施入和作物残留的 C 量 ,林地系统则要
计算每年凋落物的数量. 其次要计算凋落
物和人为添加的有机物质在一段时间内转
变为 NC 的数量以及土壤有机质的分解矿
化量.
3 　土壤有机碳储量变化的模拟
　　用此模型对开垦利用为马尾松林地、
湿地松林地、柑桔园、牧草地后土壤有机碳
储量的变化进行了模拟. 在中国科学院千
烟洲试验站内选择 7 个面积 200m2 左右
的小区 ,它们分别为泥质红壤上的马尾松
和湿地松、砂质红壤上的马尾松和湿地松、
潮土和水稻土上的桔园、潮土上的牧草地.
小区内分别有 1984、1989、和 1994 年测定
的土壤有机碳含量和土壤容重数据 ,于
1994 年在与样地邻接的地方砍伐 3 棵平
均木测定其枝、叶、树干、树根的重量 ,白茅
草和牧草的地上部分生物量采用样方测
定、地下部分生物量采用壕沟法测定[1 ] ,
同时进行凋落物收集和分解试验[11 ] .
3 . 1 　针叶林地和桔园中 RC 形成量预测
　　在马尾松、湿地松林地和桔园中 ,随着
树木的生长 ,生物量不断增加 ,凋落物的数
量也随之增加. 根据对不同树龄马尾松、湿
地松和柑桔树树干生物量的测定结果 ,在
植物生长早期 ,树干生物量的增加符合指
数曲线 :
　　马尾松 : m = 0 . 1581 e0. 5175 t
　　　　　　　( r = 0 . 992 3 3 , n = 9)
　　湿地松 : m = 0 . 06893 e0. 6204 t
　　　　　　　( r = 0 . 966 3 3 , n = 9)
　　柑桔树 : m = 0 . 04498 e0. 5955 t
　　　　　　　( r = 0 . 853 3 3 , n = 9)
式中 , m 是树干生物量 (1000kg·hm - 2) , t
是时间 (年) .
　　树木生长早期 ,树枝、树皮和树叶等部
位生物量与树干生物量的比例变动较大 ,
5、6 年后则基本保持相对稳定[2 ] . 由于树
木生长早期 (0～5 年) 凋落物量仅占整个
试验期 (10 年) 凋落物量的 10 %左右 (表
1) ,因此可以假定 ,试验期内枝、叶与树干
的比例基本保持稳定 ;另外 ,实测结果表
明 ,凋落物数量与活体生物量呈显著正相
关 ,因此可以认为凋落物量与树干生物量
的比例也保持稳定. 根据 1994 年的实测结
果 ,马尾松、湿地松和柑桔树凋落物与树干
生物量的比例分别为 0. 129、0. 115 和
663 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　9 卷
0. 258. 据此 ,可以得出不同树种的凋落物
数量方程. 根据样品分析结果 ,马尾松、湿
地松和柑桔凋落物的含 C 量 (各部位凋落
物加权平均值) 分别为 485. 0、531. 9 和
467. 0g·kg - 1 . 这样就可以由它们各自的
树干生长量方程得出地表凋落物 C ( RC)
的年输入量方程 :
　　马尾松 : RC = 0 . 009890 e0. 5175 t
　　湿地松 : RC = 0 . 06893 e0. 6204 t
　　柑桔园 : RC = 0 . 04498 e0. 5955 t
式中 , RC 是凋落物 C 量 (1000kg·hm - 2) ,
t 是时间 (年) .
　　据此计算了试验站内 10 年龄马尾松、
湿地松和柑桔树生长期间的凋落物数量
(表 1) . 结果表明 ,试验期内凋落物和有机
碳的归还量主要集中在 6、7 年之后 ,约占
整个试验期的 90 %. 第 10 年模拟值与实
测值误差仅 ±0. 6～1. 1 % ,拟合较好 ,说明
这一方程可以预测马尾松林地、湿地松林
地和柑桔园在开垦种植后头10年凋落物
表 1 　不同土地利用系统中各年份凋落物与有机碳归还量的模拟值
Table 1 Predicting amount of litter and litter carbon in different landuse systems ( ×103kg·hm - 2)
树龄
Tree age (yr) 马尾松林地Masson pine plantation
凋落物量
Litterfall
总碳量
Total C
湿地松林地
Slash pine Plantation
凋落物量
Litterfall
总碳量
Total C
柑桔园
Citrus plantation
凋落物量
Litterfall
总碳量
Total C
1 0. 0342 0. 0166 0. 01466 0. 0078 0. 0210 0. 0098
2 0. 0573 0. 0278 0. 02745 0. 0146 0. 0381 0. 0178
3 0. 0963 0. 0467 0. 05095 0. 0271 0. 0692 0. 0323
4 0. 1616 0. 0784 0. 09475 0. 0504 0. 1257 0. 0587
5 0. 2722 0. 1320 0. 1763 0. 0938 0. 2278 0. 1064
6 0. 4548 0. 2206 0. 3277 0. 1743 0. 4133 0. 1930
7 0. 7670 0. 3702 0. 6097 0. 3243 0. 7499 0. 3502
8 1. 2806 0. 6211 1. 1339 0. 6031 1. 3602 0. 6352
9 2. 1489 1. 0422 2. 1087 1. 1216 2. 4672 1. 1522
10 3. 6052 1. 7485 3. 9212 2. 0857 4. 4753 2. 0900
第 10 年实测值 3. 6258 1. 7598 3. 8945 2. 0712 4. 4266 2. 0672
Observed
及有机碳的归还量.
3 . 2 　土壤有机碳的形成及分解
　　随着有机物料的分解 ,林木凋落物 C、
草本植物残体 C 以及施用有机肥料 C (通
称为 RC) 就会逐渐转化为土壤中的有机
碳 ( N C) . 在林木的幼龄期 ,随植物的快速
生长凋落物的数量变化很大 ,因此 RC 不
是一个恒定值 ; RC 的年平均分解系数 K ,
在特定的植被、气候和土壤条件下 ,可以认
为只是时间的函数.
　　据此 ,开垦利用 n 年后 ,由凋落物所
形成的土壤有机碳总量 ( N Cn)为 :
N Cn = ∑
n
i = 1
RC ( n - i +1) e - ik
1)李忠佩、林心雄. 1995. 红壤有机质的分解、积累及其有
些因素 (未发表资料) .
　　同样 ,土壤中的有机碳也在不断分解.
假定凋落物进入土壤后 ,不影响土壤原有
有机质的分解速率. 土壤有机质的分解采
用氮素平衡法测定[12 ] ,根据南方旱地红壤
及水田土壤上的有机质年矿化率结果1) ,
土壤有机质含量与其矿化率的回归方程 :
Y (矿化率) = 1. 433 + 0. 085 X (有机质含
量) . 由不同土壤的原始有机碳含量并根据
此式计算 ,得到不同利用方式下土壤有机
质的年矿化率 ,马尾松和湿地松林地下的
泥质红壤和砂质红壤分别为 3. 08 %和
3. 05 % ,潮土开垦为牧草地和桔园后为
2. 12 % ,水稻土开垦为桔园后为 2. 70 %.
　　综合以上分析 ,可得开垦利用一定年
限后 ,土壤有机碳储量 :
Cn = ∑
n
i = 1
[ f A j (1 - r) i - 1 ] + C0 (1 - r) n
7634 期 　　　　李忠佩等 :红壤丘陵区土地利用方式变更后土壤有机碳动态变化的模拟 　　　　
式中 , Cn 是开垦利用后第 n 年的土壤有
机碳储量 ; A j 是某一年份的凋落物量 , j =
n , n - 1 , n - 2 ,. . . . . . . . . . ,3 ,2 ,1 ; f 是凋
落物的腐殖化系数 ; r 是土壤有机碳的年
矿化率 ; C0 是土壤开垦前的有机碳含量.
　　随着马尾松和湿地松的生长 ,每年由
凋落物转化形成的土壤中有机碳的数量不
断增加 ,10 年间由此形成的土壤有机碳约
为 780kg·hm - 2 . 另外 ,在马尾松和湿地松
生长的早期阶段 ,土壤有机碳的形成主要
靠林下草本植物 ,10 年间林下草本植物形
成的土壤有机碳量为 2860 ～ 3270kg ·
hm - 2 ,约是马尾松和湿地松凋落物形成土
壤有机碳量的 4 倍. 所以 ,在种植针叶林时
应注意保护地上植被.
　　柑桔园凋落物数量较大 ,10 年间由此
形成的土壤有机碳量约为 1500kg·hm - 2 ,
几乎是马尾松和湿地松的 2 倍. 10 年间 ,
桔园凋落物对土壤有机质的贡献大致相当
于每年施用 1500kg·hm - 2菜籽饼. 10 年间
由黑麦草形成的土壤有机碳量为 11390kg
·hm - 2 ,远高于林木凋落物 ,约是林木凋落
物的 8～15 倍. 可见 ,草本植物对土壤有机
质的贡献非常大.
3 . 3 　模拟结果
　　根据土壤 - 植被系统中土壤有机质的
进入量和分解量 ,参照前述公式可以计算
出不同土地利用方式下各年有机碳储量的
模拟值 ,并据此绘图 (图 1～4) . 结果表明 ,
1989 和 1994 年的模拟值和实测值拟合较
好 ,偏差为 ±0. 2～3. 5 % ;潮土的模拟值略
低于实测值 ,其它土壤的模拟值略高于实
测值. 初步说明这种模型可以模拟和预测
较短年限内不同土地利用系统中土壤有机
质储量的变化.
　　泥质红壤和砂质红壤种植马尾松和湿
地松之后 ,土壤有机碳的变化趋势基本一
致 ,前 6 年间每年有机碳储量大约减少
200～600kg·hm - 2 ,以后逐渐变慢 ;大概在
7 年之后 ,土壤有机碳储量变化趋于平稳 ,
每年减少的量不足 200kg·hm - 2 (图 1) .
图 1 　红壤开垦种植马尾松和湿地松后土壤有机碳
(SOC)的变化过程模拟
Fig. 1 Simulation of changes in soil organic carbon ( SOC)
in red soils resulting from masson pine and slash pine plant2
ing.
A. 马尾松 Masson pine ,B. 湿地松 Slash pine , Ⅰ. 泥红壤
Silt red soil , Ⅱ. 砂红壤 Sandy red soil.
●×实测值 Observed value , ◆△模拟值 Simulated val2
ue. 下同 The same below.
　　潮土和水稻土开垦为桔园以后 ,土壤
变化趋势是土壤有机质先下降 ,后上升. 潮
土由于土壤原有有机质含量较低 ,只需要
添加较少的有机质就可以保持土壤 C 素
的平衡. 种植柑桔后 ,土壤有机碳在前 4 年
基本保持稳定 ,第 5 年开始 ,凋落物和施肥
补充的有机碳超过土壤有机碳的分解量 ,
有机碳储量逐渐上升 ,到第 10 年时 ,土壤
有机碳储量比原来增加了 1400kg·hm - 2 .
水稻土由于原来有机质含量较高 ,土壤有
机碳的分解量较大 ,土壤有机碳储量从第
863 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　9 卷
9 年才开始上升 (图 2) .
图 2 　潮土和水稻土开垦为桔园后土壤有机碳的变化过
程模拟
Fig. 2 Simulation of changes in soil organic carbon in Chao
soils and paddy soils resulting from citrus growing.
A. 潮土 Chao soil ,B. 水稻土 Paddy soil.
　　潮土开垦为牧草地后 ,由于牧草每年
有机碳的形成量和转化量较大 ,从第一年
开始 ,有机碳的进入量就超过了潮土有机
碳的分解量 ,所以土壤有机碳储量没有降
低过程 ,从种植牧草开始 ,就逐渐增加 (图
3) .
图 3 　潮土开垦为黑麦草用地后土壤有机碳的变化
Fig. 3 Changes in soil organic carbon in Chao soils resulting
from forage grass planting.
　　由此可见 ,土壤开垦为人工林和桔园
后 ,在人为施用有机肥料不多或没有施用
时 ,最初土壤有机碳储量呈降低趋势 ,但随
着林木的生长 ,凋落物的数量不断增加 ,土
壤有机碳储量变化趋于稳定 ,之后土壤有
机碳储量又会逐渐上升 ,直至达到新的平
衡. 但是 ,在土壤有机碳储量从下降到平稳
再到上升的这一过程中 ,不同阶段时间的
长短 ,取决于开垦时土壤有机碳的含量及
矿化速率、土壤性质以及种植植被的种类
和人为添加有机物质的数量和质量. 土壤
有机质含量越高 ,矿化量越大 ,种植植被凋
落物和人为添加有机物质数量越少 ,土壤
有机碳降低和平稳的过程就越长. 如果土
壤中有机物质的进入量很少甚至没有 ,则
土壤有机碳含量就会持续下降 ,但有机碳
每年减少的数量会逐渐降低 (图 4) . 如果
从一开始有机碳输入量就大于土壤有机碳
损失量 ,则土壤有机碳就直接进入增加阶
段 ,象潮土开垦为牧草地那样 (图 3) .
图 4 　有机碳输入量很少或没有的情况下土壤有机碳的
变化过程
Fig. 4 Changes of organic carbon storage in soil surposing
no organic carbon input .
Ⅰ. 泥红壤 Silt red soil , Ⅱ. 砂红壤 Sand red soil , Ⅲ. 水稻
土 Paddy soil , Ⅳ. 潮土 Chao soil.
4 　结 　　语
　　经初步验证 ,双组分模型可以较好地
模拟和预测我国红壤丘陵区不同利用和管
理方式下 10 年左右土壤有机碳的变化程
度和过程. 与其它模型相比 ,此模型较为简
便. 但由于缺乏自然土壤开垦后土壤有机
质分解速率方面的资料 ,模拟和预测的范
围和精度受到限制 ,希望将来弥补这方面
的研究.
　　土地利用和土壤类型对土壤有机碳储
9634 期 　　　　李忠佩等 :红壤丘陵区土地利用方式变更后土壤有机碳动态变化的模拟 　　　　
量的变化有重要影响. 土壤开垦为人工林
和桔园后 ,在施用有机肥料不多或没有施
用时 ,土壤有机碳储量不断降低. 年降低量
为 200～600kg·hm - 2 . 随着林木的生长 ,
凋落物的数量不断增加 ,土壤有机碳每年
的减少量也逐渐降低 ,之后趋于稳定.
　　在马尾松和湿地松生长的早期阶段 ,
土壤中有机碳的形成主要靠林下草本植
物. 10 年间由林下草本植物形成的土壤有
机碳量是马尾松和湿地松凋落物的 4 倍以
上. 所以 ,在种植针叶林时应注意保护地上
植被. 牧草地不仅可以产出较多的饲料 ,而
且对土壤肥力提高具有重要作用.
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