全 文 ：第 34 卷第 15 期
2014年 8月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.15
Aug.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:中国科学院战略性先导科技专项(XDA05050506); 国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07104鄄003)
收稿日期:2013鄄05鄄15; 摇 摇 修订日期:2014鄄04鄄03
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: shao_ja2003@ sohu.com
DOI: 10.5846 / stxb201305151064
邵景安,惠辽辽,慈恩,谢德体.1980—2011年川东平行岭谷区农田土壤有机碳动态.生态学报,2014,34(15):4347鄄4360.
Shao J A , Hui L L, Ci E , Xie D T.Dynamics of farmland SOC in parallel ridge valley of east Sichuan during 1980—2011.Acta Ecologica Sinica,2014,34
(15):4347鄄4360.
1980—2011年川东平行岭谷区农田土壤有机碳动态
邵景安1,*,惠辽辽1,慈摇 恩2,谢德体2
(1. 重庆师范大学 地理与旅游学院, 重庆摇 400047;2. 西南大学 资源环境学院, 重庆摇 400716)
摘要:选取重庆市垫江县为川东平行岭谷的典型区,使用 1980第二次土壤普查和 2011年实测土壤数据,基于土壤类型,运用通
用 SOC密度 /储量计算法和逐步回归分析,对研究区 1980—2011 年 0—20 cm 农田 SOC 动态和动因进行分析,结果表明:(1)
1980—2011年农田 0—20 cm 土层 SOC 密度 /储量总体表现为略有增加态势,单位面积碳增量 2307. 63 kg C / hm2,碳增汇
235945.83 t,增幅为 10.74%,年均增长速率为 72.11 kg C hm-2a-1;(2)丢碳、固碳和相对平衡面积比 37.61颐49.03颐13.36,总体呈西
部、西北部高于南部、东南部,更高于东北部和西南部的格局;(3)宏观上 1980—2011年农田 0—20 cm土层 SOC密度 /储量变化
与土壤类型的分布及利用有很大关系,尤其是黄壤和紫色土在相异的质地本底和不同的扰动下,展现出相反的碳汇 /源状态;
(4)微观上 SOC密度年均变化速率影响最大的因素是 SOC密度初始值>全 N密度>C / N比,且全 N密度和 C / N 比拥有正向影
响,SOC密度初始值则相反;由结果为川东平行岭谷区借助施加适当投入和合适的耕作与管理实践,有效管理农田表层 SOC库
提供科学依据。
关键词:农田 SOC密度 /储量;年均变化速率;土壤碳源 /汇;驱动因素;川东平行岭谷区
Dynamics of farmland SOC in parallel ridge valley of east Sichuan during
1980—2011
SHAO Jing忆an1,*, HUI Liaoliao1, CI忆 En2, XIE Deti2
1 College of Geography and Tourism, Chongqing Normal University, Chongqing 400047, China
2 College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400716, China
Abstract: Global warming and corresponding serious ecological and environmental problems induced by the rising CO2
concentrations have attracted worldwide attentions. And they have become the focus of the international negotiations. As one
of the core interface of terrestrial ecosystem, farmland soil in terrestrial ecosystems is the most intense part affected by
human frequent disturbance. Management agricultural SOC is internationally recognized as one of the important strategies for
mitigating or adapting global warming. Paralleled ridge valley of East Sichuan is typically representative of the concentrated
distribution area of farmland around the Sichuan basin. It always plays an important role in the granary of East Sichuan.
Recently, the production and management investment and frequent tillage disturbance in order to pursuit food security drove
the opposite direction change of farmland SOC. Hence, it was very important to carry out the research on SOC dynamics.
And, the farmland use of this region would be promoted to the strategic height responding to global change and food security
at regional level. Taking Dianjiang County of Chongqing City is a typical area of East Sichuan parallel ridge valley, this
paper analyzed the dynamics of farmland SOC of 0—20 cm soil layer and their driving factors during 1980—2011 by the soil
type method, international general SOC density / storage calculation method and Stepwise Regression Analysis, using the
second soil survey data in 1980 and the measured data in 2011. The results showed: (1)Farmland SOC density / storage of
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0—20 cm soil layer during 1980—2011 in the study area overall presented slightly increased trend. Carbon increment per
unit area reached to 2307.63 kg C hm-2 . Total content of carbon sink enhancement was 235945.83 t, with the increasing
range of 10.74% and the average annual growth rate of 72.11 kg C hm-2 a-1 . (2)The proportion of carbon sink, loss and
relative balance area to the total area of this study area was 37.61:49.03:13.36. In general, the spatial patterns of farmland
SOC sink showed that west and northwest part is higher than that south and southeast, and more than that northeast and
southwest. ( 3 ) At macro level, the changes of farmland SOC density / storage was pronounced relationship to the
distributions of soil type and their utilization practices. Especially, yellow soil and purple soil under different texture and
different perturbations, showed the opposite carbon sink / source state. ( 4) At microcosmic level, the rank of factors
obviously influencing SOC density average annual change rate was SOC density > N >C / N. Moreover, total N density and
C / N ratio have positive effects on SOC density average annual change rate, the effects of SOC density initial value were
negative function.(5)Results of this paper could provide scientific proofs for the effective management of farmland surface
SOC carbon pool in the parallel ridge and valley area of East Sichuan, depending on appropriate inputs and suitable
cultivation and management practices.
Key Words: farmland SOC density / storage; annual mean change rate; soil carbon source / pool; driving factors; parallel
ridge valley of east sichuan
摇 摇 川东平行岭谷作为四川盆地盆周优质耕地的集
中分布区,是川东的重要粮仓。 与农田土壤碳源 /汇
相对应,在该区值得思考的是:大量的农业生产和管
理投入,如化肥、有机肥、秸秆还田、留茬等,不断向
土壤补充有机质和养分元素,是否使该区农田土壤
处于碳增汇状态? 频繁的耕作扰动,如顺坡耕作、翻
耕连作、套种平翻等,连续扰动土体(打破土壤表面
状态和耕层水热气肥间的平衡),增强土壤水蚀发生
的可能,是否又使该区农田土壤处于碳失汇过程?
权衡上述两个方面,认为在川东平行岭谷区开展农
田土壤有机碳动态的研究意义重大,它不仅有助于
将该区的耕地利用提升到区域层面应对全球变化和
保障粮食安全的战略高度,而且能为未来该区制定
合适的耕地利用实践提供数据基础和依据,以实现
耕地土壤的碳增汇和粮食安全的“双赢冶。
累积文献认为,目前有关农田土壤有机碳(Soil
Organic Carbon,SOC)的研究,大多集中于耕地在扰
动胁迫或管理投入情境下,表层(0—20 cm)土壤到
底是处于增碳还是失碳所控制问题的突破上,并已
取得很好的科学认识,如中国农田土壤尚处于贫碳
状态,未来可实现的碳增汇潜力巨大[1];受气候、人
为活动的影响,中国农田碳储量呈现较强的空间异
质性[2鄄4];固碳的关键是改善土壤管理和完善农田经
营措施,且能够获得固碳稳产的双效协同[5]。 但是,
现有研究主要集中于国家、省级或大区域层面,以及
样地尺度的定位观测,以连接宏观决策与微观实践
层面且扮演“自上而下冶和“自下而上冶枢纽作用的
县级尺度为单元的研究相对较少,获得的认识在宏
观层面多是粗线条的,样地尺度的结果很难外推至
大田。
本研究选取川东典型平行岭谷县—垫江县(全
国重要商品粮基地县之一)为研究区,以 1980 年第
二次土壤普查数据和 2011 年近似样点实测数据为
基础,结合实地访谈和野外踏勘,基于土壤类型,借
助 ARCGIS 空间分析功能和 SPSS 下的逐步回归分
析,测算 1980—2011 年间农田 SOC 动态,查明影响
1980—2011年间农田 SOC 动态的主要因素及重要
性次序。 结果有助于为未来制定出川东平行岭谷区
农田固碳稳产双效协同的农田管理策略提供科学依
据,丰富人们对该区农田土壤碳库管理的理解(增汇
应对全球变化,保障区域粮食安全)。
1摇 材料与方法
1.1摇 研究区域
川东平行岭谷区位于四川盆地东部,与重庆的
中西部相交,岭谷平行的地形为农业发展提供天然
场所。 垫江县(107毅13忆—107毅38忆E,29毅38忆—30毅31忆
N)素有巴国粮仓之称,处于川东平行岭谷的核心
区,幅员面积 1518 km2(图 1)。 地质构造于四川盆
地边缘、川东弧群褶皱带黄草山、明月峡背斜之间,
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具有“三山两槽一台冶的典型格局。 地貌以平坝和浅
丘为主,山地、深丘和浅丘平坝占比 14. 13 颐 19. 53 颐
66郾 34。 气候属亚热带湿润季风气候区,年均温 17
益,年均降水量 1183 mm。 据第二次土壤普查,成土
母质以三迭系为主,土壤类型以紫色土、水稻土、黄
壤、冲积土等为主,共有 4 个土类,6 个亚类,17 个土
属,78个土种。 植被属亚热带阔叶林区,常绿阔叶林
是基带植被。
图 1摇 研究区地理位置和数字高程模型
Fig.1摇 Distribution of geographical location of this study area and its DEM
1.2摇 数据来源
1980 年第二次土壤普查数据。 1980 年第二次
土壤普查图及其与之对应的土壤属性值(细化到土
属)来源于垫江县农业局,而少部分缺少土壤属性值
的则主要依靠垫江县土种志补缺。 依据土种志对相
同土属发生地的描述,与缺乏土壤属性值的同一土
属位置相对比,位置相近或相邻的即以土种志上的
土壤属性作为缺乏属性值土属的属性值。 而且,对
缺乏属性值的土属,按照二次土壤普查的编号方式
进行编号,并参考土种志或已有记录的描述,确定第
二次土壤普查的采样发生地,以便为 2011 年实测土
壤采样提供便利。 1980 年第二次土壤普查共采集
403个土壤剖面。
2011年实测样点分析数据。 依据第二次土壤普
查的发生地,展开 2011 年土壤样品的采集。 为降低
土壤理化形状受位置的影响,提高测试分析精度,在
一个采样点周围实施多点采样制备混合样的方法施
行样品采集。 土壤采样厚度为表层(0—20 cm),每
一土属设置多于 1个采样点,共 70个(图 1和表 1)。
且为避免测试方法不同产生的结果差异,针对每一
土壤性状,采用与第二次土壤普查相同或近似的测
试方法进行样品测试,与第二次土壤普查对应,新采
土样的测试内容有容重均值、砾石体积比、土壤有机
质、全(N、K、P)、有效 P、速效 K、pH值、C / N值等。
图形数据。 1980和 2011年耕地资源分布图、行
政界线图来源于垫江县国土资源和房屋管理局。
1.3摇 数据处理
耕地图和耕地土壤图制作。 耕地覆被在 1980—
2011年间必定发生较大变化,尤其是建设占用、退耕
还林和农业结构调整造成耕地减少,以及土地整治、
居民点复垦、荒草地开发等又带来耕地增加,前者由
耕地转为非耕地,后者则相反。 然而,为体现农田土
壤本身演化对 SOC 的作用,本研究将这部分耕地给
予扣除,即不考虑耕地覆被变化对 SOC 的影响。 在
ARCGIS软件支持下,将 1980和 2011 年耕地资源分
布图相叠加,提取两期同为耕地的部分作为本研究
9434摇 15期 摇 摇 摇 邵景安摇 等:1980—2011年川东平行岭谷区农田土壤有机碳动态 摇
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表
1摇
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分析所用耕地图,再将已提取的耕地图与第二次土壤普
查图相叠加,即得到以土属为单元的耕地土壤图。
SOC动态及主要土壤理化性状的空间化。 依据
1.4部分给出的方法,计算各采样点 SOC 指数(储
量、密度和年均变化速率)和全(N、K和 P)、有效 P、
速效 K 密度,以及土壤容重、砾石体积比、质地、pH
值、C / N值等。 对于同一土属有多个采样点的,将所
有采样点中已计算出的对应值作算术平均记作该土
属最终对应值。 以此为基础,基于土壤类型,认为同
一土属拥有相同的 SOC 动态及主要土壤理化性状,
将其赋值于耕地土壤图,即得到 SOC 动态及主要土
壤理化性状的空间分布图。 将上述已生成的空间格
局图在 ARCGIS软件 Conversion Tools支持下转换为
90 m 分辨率的栅格图,再在 Data Management Tools
支持下将栅格图转换为. shp 格式点文件,使用
EXCEL将每一栅格中心点的上述数值导出,即得到
90 m分辨率的 SOC 动态及主要土壤理化性状的空
间属性值。
1.4摇 数据分析
0—20cm土壤剖面 SOCD及主要理化性状密度。
采用国际上通用的 SOCD 计算方法[5]和剖面权重
法,计算 SOCD。
SOCDi =移 ni = 1
C i 伊 Ti 伊 籽i 1 - 兹i( )%æ
è
ç
ö
ø
÷
100
式中, SOCD0—20 为 0—20 土层土壤有机碳密度(kg
C / m2), C i 为第 i层土壤有机碳含量(由与有机质含
量的换算所得,换算系数为 1.742)(g C / kg), 籽i为第
i层土壤容重(g / cm3), 兹i为第 i层>2mm的砾石含量
(体积百分比) (%), Ti 为第 i 层土层厚度(cm), n
为参与计算的土壤层次总数。 最后,将 SOCD 单位
换算为 kg C / hm2。 同理,算出其它主要理化性状的
密度,以便分析影响 SOCD变化的因素和作用次序。
0—20cm SOC 储量。 为土属面积与 SOCD 的
乘积
POC i =移mj = 1 S j移
n
i = 1
SOC( )ji
式中, POC为 SOC储量(kg C),S j 为每一土属的面
积( hm2),SOC ji为第 j 个土属第 i 层 SOCD( kg C /
hm2)。
0—20cm SOCD 年 均 变 化 速 率。 为 两 期
SOCD0—20之差除以研究时段。
琢 = Ti - T( )j / i - j +( )1
式中, 琢为 0—20cm SOCD 年均变化速率, Ti 为第 i
时期的 SOCD0—20, T j 为第 j 时期的 SOCD0—20, j 和 i
分别为前后时期。
影响 SOCD动态的主要因素识别。 尽管影响农
田表层 SOC 的因素涉及地形(如海拔、坡度等)、施
肥(如化肥、有机肥等)和生物因子(如留茬、秸秆还
田、产量等),但由于它们很难准确量化,且某些因子
变异范围较小(如海拔等),这样,也就很难针对每一
土属类型给出它们的具体数值。 加之,不同因子之
间存在较强的交互作用关系,它们对 SOC 的影响是
直接作用还是潜在仍不明晰。 因此,为真实地反映
关键影响因素的作用,研究将它们剔除,仅选取实测
SOCD初始值、土壤理化性状作为影响 SOCD动态的
主要因素,具体指标参考相关文献[6鄄9]细化(表 2)。
逐步回归分析。 以 SOCD1980—2011年均变化速率
为因变量,以表 2中所给指标为自变量,使用逐步回
归分析[10]建立农田 SOCD年均变化速率与影响因素
间的定量模型。 将 SOCD1980—2011年均变化速率与所
选影响因素间作逐个逐步回归,考虑显著性检验和
共线性诊断,最终得到 SOCD 年均变化速率与影响
因素间的定量模型(最优模型)。
表 2摇 影响 SOCD变化速率的主要因素
Table 2摇 Main indicators impacting the average rate of SOCD change
类别 Category 指标 Indictors 数量 Number
SOCD*初始值 X1
SOCD initial value
SOCD1980(kg C / hm2)X11 1
土壤物理性状 X2
Soil physical properties
砾石体积比(%)X21、容重(g / cm3)X22、粘粒(0—0.002 mm)含量比
(%)X23、粉粒(0. 002—0.05 mm)含量比(%) X24和砂粒( 0. 05—2
mm)含量比(%)X25
5
土壤化学性状 X3
Soil chemical properties
C / N比 X31、全 N密度(kg N / hm2)X32、全 P 密度(kg P / hm2)X33、全
K密度(kg K / hm2) X34、有效 P 密度( kg P / hm2 ) X35、速效 K 密度
(kg K / hm2)X36和 pH值 X37
7
摇 摇 *土壤有机碳密度 Soil organic carbon density,SOCD
1534摇 15期 摇 摇 摇 邵景安摇 等:1980—2011年川东平行岭谷区农田土壤有机碳动态 摇
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2摇 结果
2.1摇 1980—2011年 SOC(密度 /储量)动态格局
1980—2011年农田 0—20 cm土层 SOC密度 /储
量总体表现为略有增加态势。 SOCD 由 1980 年的
21491.05 kg C / hm2增加到 2011年的 23798.68 kg C /
hm2,单位面积碳增量为 2307.63 kg C / hm2,增幅为
10.74%(表 3)。 不同土壤类型间,增幅最大的是占
耕地面积 0. 10%的冲积土,单位面积碳增量达
17143.72 kg C / hm2,增幅为 143. 70%;其次是水稻
土,SOCD增幅为 32.27%;而增幅最低的是占耕地面
积 53.24%的紫色土,增幅为-8.01%。 与此相对应,
表 3摇 1980—2011年农田 SOC密度、储量及其动态变化
Table 3摇 The SOCD, SOC storage and their corresponding change for every one soil type during 1980—2011
土壤类型
Soil type
面积 Area /
hm2
SOCD*1980 / t T1980 / t
SOCD2011 /
(kg C / hm2)
T2011 / t
驻SOCD /
(kg C / hm2)
驻SOCD /
SOCD1980 / %
驻T / t 驻T / T1980 / %
冲积土 100.19 11929.98 1195.27 29073.70 2912.90 17143.72 143.70 1717.63 143.70
黄壤土 4079.48 36658.67 149548.45 40929.28 166970.35 4270.61 11.65 17421.90 11.65
水稻土 43628.11 21662.68 945101.60 28654.02 1250120.56 6991.34 32.27 305018.96 32.27
紫色土 54438.19 20234.48 1101528.51 18614.06 1013315.83 -1620.42 -8.01 -88212.68 -8.01
总计 Total 102245.98 21491.05 2197373.82 23798.68 2433319.65 2307.63 10.74 235945.83 10.74
摇 摇 *T1980、T2011分别表示 1980、2011年的 0—20 cm 土层有机碳储量( t);SOCD1980、SOCD2011分别表示 1980、2011 年的 0—20 cm 土层有机碳密度(kg C / hm2);
驻SOCD为 0—20 cm土层单位面积碳增量(kg C / hm2);驻SOCD / SOCD1980为 0—20 cm土层碳密度变化占 1980的 SOCD的比例(%);驻T为 0—20 cm 土层有机碳储
量变化(t);驻T / T1980为 0—20 cm土层有机碳储量变化占 1980碳储量的比例(%)
图 2摇 1980—2011年 SOCD变化的空间格局
Fig.2摇 The spatial patterns of SOCD during1980—2011
图 3摇 1980—2011年 SOC储量变化的空间格局
Fig.3摇 The spatial patterns of SOC storage during1980—2011
2534 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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SOC储量由 1980 年的 2197373.82 t 增加为 2011 年
的 2433319.65 t,新增固碳量 235945.83 t。 换一角
度,1980—2011年农田 SOC 的增加量(324158.50 t)
略高于损失量(88212.68 t),呈现盈余状态。 而且,
受不同土壤类型面积的影响,新增固碳量最多的不
是单位面积碳增量最大的冲积土(仅 1717.63 t),而
是处于第 2位的水稻土,新增固碳量达 305018.96 t;
其次是单位面积碳增量排第 3 位的黄壤,新增固碳
量 17421.90 t。
面积上,紫色土和水稻土分别占耕地面积的
42郾 67%和 53.24%,总体上决定农田 SOC 库的盈亏,
而 SOCD处于增加趋势的冲积土和黄壤即便增幅达
到该类土壤所能容纳有机碳的上限,也不能从总体
上控制农田 SOC库动态的基本格局,而只能在该类
土壤分布的局地对 SOC 库产生较大影响。 因此,要
使整个农田土壤处于碳增汇状态,必须从改善土壤
理化性状、外施合适管理实践提升紫色土和水稻土
SOCD的视角入手增加单位面积碳储量,进而提升农
田 SOC库。
1980—2011年农田 0—20 cm土层 SOC密度 /储
量动态空间上展现显著差异。 图 2 和图 3 可看出,
大部分区域 2011 年农田 SOC 密度 /储量值高于
1980的对应值。 SOCD 的空间动态总体呈西部、中
部(腰间)和南端升高显著,北部和南部增加较少。
展现为四级分布特征:增加值最大的是西部明月山
及其周围地区,其次是中部沿高滩河和大沙河及其
支流沿岸的串珠状河谷平坝区(小冲积坝)和南部和
鹤大台地区,再次是中部沿河除冲积坝外的缓坡地
带及三大山系(明月、南华和黄草)与中部槽谷间的
交错地带,最低的是大梨山东部与鹤大台地所夹槽
谷区段的沿高滩河和大沙河两岸的坡地区。 类似
地,SOC储量增加最明显的是西北部和东南部,中部
增加处中等水平,东南部及其它局部地区碳储量增
加较少甚至下降。 呈三级梯度特征:增加明显的是
明月山及其与南华山所夹槽谷区的北段、大沙河与
荒草山和鹤大台地所围区域(大沙河流域东南部
区),其次是大沙河流域以北的中部地区,增量较少
乃至降低的是大梨山与鹤大台地所夹槽谷区,以及
北部和东南部的零星地区。
2.2摇 1980—2011 年 SOC(密度 /储量)年均变化速
率 /丢(固)碳分布特征
1980—2011年农田 0—20 cm 土层 SOCD 年均
增长速率为 72.11 kg C hm-2 a-1,低于川中丘陵区农
田 SOCD年均上升均值(108.0 kg C hm-2a-1) [11],总
体上拥有微弱的碳增汇效应。 但是,表 4 可看出,不
同土壤类型间的年均变化速率差异显著,年均增长
速率最大的是冲积土,达 535.74 kg C hm-2a-1,展现
出显著的碳增汇效应;其次是水稻土,年均增长率
218.48 kg C hm-2a-1;而年均增长速率最低的是紫色
土,为-50.64 kg C hm-2 a-1,呈弱的碳失汇状态。 与
此对应地,SOC 储量的年均变化速率也表现为微弱
增加(7373.31 t C / a),而且,在不同土壤类型间的差
异既受 SOCD 变化的影响,也受对应土壤类型面积
的控制。 与水稻土相比,冲积土虽然 SOCD 的年均
增长速率最大(为水稻土增速的 2.45 倍),但因面积
较小使得其 SOC储量的年均增长速率仅是水稻土的
0.56%。 因此,在农田 SOC 的管理中,既要看 SOCD
提升的空间和潜力,也要考虑该土壤在面积占比上
是否主要的类型。
表 4摇 1980—2011年 SOC储量和 SOCD的年均变化速率及固碳、丢碳和相对平衡面积比
Table 4摇 The annual change rate of SOC storage and SOCD, and the proportion of carbon sink, loss and relative balance area to the total area
of every one soil type during 1980—2011
土壤类型 Soil type
面积
Area
/ hm2
驻T* /
t
驻T / t /
( t C / a)
驻SOCD /
(kg C / hm2)
驻SOCD / t /
(kg C hm-2
a-1)
面积比 Proportion / %
丢碳
Loss
固碳
Sink
平衡
Relative balance
冲积土 100.19 1717.63 53.68 17143.72 535.74 0.00 100.00 0.00
黄壤土 4079.48 17421.9 544.43 4270.61 133.46 39.00 61.00 0.00
水稻土 43628.11 305018.96 9531.84 6991.34 218.48 17.26 82.74 0.00
紫色土 54438.19 -88212.68 -2756.65 -1620.42 -50.64 53.89 21.03 25.08
总计 Total 102245.98 235945.83 7373.31 2307.63 72.11 37.61 49.03 13.36
摇 摇 *:驻T和 驻SOCD分别见表 3,驻T / t 和 驻SOCD / t 表示 0—20 cm 土层 SOC 储量的年均变化速率( t C / a)和密度的年均变化速率(kg C hm-2
a-1),丢碳、固碳和相对平衡面积比分别为各土壤类型丢碳、固碳和相对平衡的面积该土壤类型总面积的比重(%)
3534摇 15期 摇 摇 摇 邵景安摇 等:1980—2011年川东平行岭谷区农田土壤有机碳动态 摇
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图 4摇 1980—2011年 SOCD年均变化速率的空间格局
Fig.4 摇 The spatial patterns of annual average rate of SOCD
change during1980—2011
摇 摇 以 SOCD1980—2011变化占 SOCD1980为研究区农田
SOC的变化幅度,变幅>5%时为固碳,变幅介于依5%
之间时为相对平衡,变幅<-5%时为丢碳,以此为依
据进行研究区丢碳、固碳和相对平衡面积比统计,表
4可看出,在 1980—2011年间农田 0—20 cm 土层丢
碳、固碳和相对平衡面积比分别为 37.61%、49.03%
和 13.36%,表现为微弱的碳增汇态势。 冲积土均处
于固碳状态,但因该土壤面积较小,即便全部固碳对
研究区整体碳增汇的影响仍是微弱的;水稻土固碳
面积高达 82.74%,是研究区整体表现为微弱碳增汇
的主要贡献者。 而水稻土的丢碳主要是劳动力缺乏
导致部分旱作造成的;黄壤固碳面积 61%,尽管土壤
面积不大,但因集中于两山区(明月和黄草),对该区
碳增汇贡献突出;紫色土丢碳面积达 53.89%,相对
平衡面积 25.08%,固碳面积仅占 21.03%。 但因紫色
土是研究区面积最大、分布最广的土壤类型,致使其
SOC的丢失对整个农田土壤碳汇的影响较大。 研究
区 1980—2011年间农田表层 SOC的源 /汇动态关键
取决于水稻土和紫色土间碳效应的平衡。
图 5摇 1980—2011年固碳、丢碳及相对平衡的空间格局
Fig.5 摇 The spatial patterns of carbon sink, loss and relative
balance during1980—2011
年均 SOCD变化速率和固碳、丢碳、平衡面积比
在空间分布上差异明显。 年均 SOCD 变化速率空间
上总体呈西部、西北部高于南部、东南部,更高于东
北部和西南部,体现为三级梯度展布(图 4):西部明
月山区和东南部黄草山区是变化的高值区(一级梯
度);高滩河(县城以北段)西北部、大梨山西部、大
沙河东南部 SOCD 年均变率升高显著(二级梯度);
县城以东、大沙河以北、高滩河(县城以北段)所围区
及鹤大台地与大梨山所夹槽谷区 SOCD 年均变率以
降低为主,是变化的低值区 (三级梯度。 对应地,
1980—2011年固碳、丢碳及相对平衡空间格局较为
清晰,呈明显的三分态势:固碳主要集中于西部明月
山及其下缘槽谷区、县城以西的中部区、高滩河北段
流域沿岸、鹤大台地中南部;相对平衡出现在环南华
山下缘的周围地区、黄草山紧靠下缘的以西以北地
区、高滩河(县城南段)与大梨山所夹槽谷区;丢碳基
4534 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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本发生于北部高滩河与明月山所夹槽谷区的中部、
高滩河(县城南段)与县城边缘、南华山南端、鹤大台
地中北部、黄草山下缘所围槽谷区。 但是,总体上
看,由于研究区土壤类型以紫色土和水稻土为主,且
主要交错集中分布于三山(明月、南华和黄草)所围
槽谷区,致使上述分布在空间上体现为紫色土、水稻
土的镶嵌分布格局。
3摇 讨论
3.1摇 1980—2011年 SOC(密度 /储量)动态的宏观动
因讨论
本研究获得的上述结果与土壤类型的分布及其
利用有很大关系。 山地黄壤由三迭系白云(灰质)
岩、灰黄色沙粉质母岩发育而成,主要分布在明月山
和黄草山区的内槽地带,带有粘重的质地和不良的
耕性。 但因地处山区人口密度小,且随大量青壮年
劳动力向城镇或非农产业转移迅速,黄壤区坡耕地
的人口压力较小,一年一季玉米或红薯的种植及少
耕或穴耕对耕地土壤的干扰强度较低,致使表层
(0—20 cm)SOC密度 /储量的变化表现为略微增加。
因此,黄壤区农田表层 SOC在 1980—2011 年间获得
一定程度的提升也就不难理解,这一结果与目前已
取得的结论一致[11鄄12]。
冲积土由第四系全新统河流冲积发育而成,零
星分布于高滩河、大沙河及其支流沿岸,处于靠近消
落区的地带。 地势平缓,土壤肥厚,沙粘重适度,地
下水埋藏浅,有机质输入量高,土壤水含量高降低其
分解矿化释放速率,从而驱使 SOC密度 /储量增加迅
速。 但是,这一发现与罗怀良等[11]人在川中丘陵区
(盐亭县)获得的认识相反。 比较发现,研究区的冲
积土主要分布于高滩河沿岸,土壤肥厚,以一季冬水
田或稻油、稻蔬轮作为主,有机质输入量大。 而盐亭
县冲积土主要集中于城镇周围的河流阶地上,存在
比较劣势的农作物逐渐退为经济作物,有机质输入
量降低。
水稻土由侏罗系灰棕紫泥母质发育而成,广布
于河流沿岸的串珠状河谷平坝和坡沟间,呈条带状
镶嵌于槽谷区,尤以县城拓展方向和大梨山走向的
以西以北地区和东部鹤大台地区较为集中。 质地轻
至重壤,矿质养分丰富,一季冬水田或水旱轮作(稻
油或稻蔬)的利用方式,不仅使得对水稻土的耕作扰
动较少,而且利用过程中又有大量有机质输入到土
壤中,进而提升单位面积 SOC及储量。 而且,研究区
水稻土 SOCD年均增长率显著高于长江以南水稻土
SOCD的年均增长速率(145.0 kg C hm-2a-1) [6]。 这
一结果类似于王绍强等[13]人的发现,即长期淹水的
水稻田,营造出的良好还原环境有助于缓解土壤有
机质的矿化速率,积累更多的稻田 SOC,展现碳增汇
效应。
紫色土由侏罗系(红)棕紫泥母质发育而成,集
中于三山所夹槽谷的丘陵坡地区,呈浑圆状或馒头
状。 质地中壤至轻粘、重沙质,含少量石骨子,保水
肥能力差,不耐干旱,以玉米、红薯为主的旱作是主
要的利用方式,人口密度大,耕作扰动频繁,土壤易
水蚀,尽管利用过程中有机质投入较多,但因利用干
扰造成的丢碳强于输入碳增加,致使农田 SOC 密度
和储量整体处于降低状态。 阚泽忠等[7]人对成都经
济区东部丘陵区紫色土 SOC的分布和动态研究获得
了类似结果。
表 5可看出,大多研究均认为第二次土壤普查
以来,农田 SOC总体上表现为增加趋势,发挥固碳增
汇效应[6,11,13],但在单位面积 SOC 的年均变化速率
上却存在一定差异。 本研究得出的 SOCD 年均增速
均低于罗怀良等[11]人和于严严等[6]人、王绍强等[13]
人获得的结果。 造成这种差异的原因主要在于,本
研究区作为川东重要的粮油基地,农田在进行大量
有机质(秸秆还田)和养分元素(化肥)投入的同时
(SOC输入),又频繁开展以常规耕作(犁耕深翻、顺
坡耕作)为代表的人为扰动(SOC 释放和流失),这
样,输入增碳和输出丢碳间的消长,使得研究区
SOCD年均增速相对较低。 不同土壤类型上的研究
结果与现有发现不论在 SOCD 年均变化速率还是固
碳、丢碳和相对平衡方面均有很大不同[6,11,13鄄18]。 冲
积土的结果与罗怀良等[11]人的相反(前面已解释),
而与 Leifeld和 Fuhrer[16]的一致(只是 SOCD 年均变
化速率明显高于此);黄壤的结果尽管与现有的一
致,但本研究的 SOCD 年均变化速率高于罗怀良
等[11]人的而低于 West 和 Post[15]的,原因在于平行
岭谷的山地区耕地人口压力远小于低山丘陵区,亚
热带湿润区的农田土壤的扰动远小于干旱区;水稻
土的结果与现有研究一致[7,9],但 SOCD 年均变化速
率高于严严等[6]人的而低于罗怀良等[11]人和叶德
5534摇 15期 摇 摇 摇 邵景安摇 等:1980—2011年川东平行岭谷区农田土壤有机碳动态 摇
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宪等[17]人的。 这可能是由丘陵山区人们为追求更
多的收益而对仅有的水田投入较多所驱使,如养分
元素(花费)、有机质(秸秆还田)等;紫色土的结果
与于严严等[6]人的一致而与罗怀良等[11]人的相反,
但是,详细对比,罗怀良等[7]人获得的紫色土固碳仅
呈稳定少动状态(近似于平衡)。
表 5摇 本研究结果与现有研究发现间的对比
Table 5摇 Comparingthe results of this paper and these findings obtained by the existing researches
土壤类型 Soil type
SOCD年均变化速率 / %
Annual mean rate of SOCD change
本研究
This paper
现有研究
Existing researches
固碳、丢碳和平衡(kg C hm-2a-1)
Carbon sink, loss and relative balance
本研究
This paper
现有研究
Existing researches
冲积土 Alluvial soil 535.74 -330.8[11] / (100—400) [16] 固碳 丢碳[11] /固碳[16]
黄壤土 Paddy soil 133.46 84.4[11] / (570依140) [15] 固碳 固碳[11鄄12,15,18]
水稻土 Paddy soil 218.48 313.2[11] / 145[6] / 760[17] 固碳 固碳[6,11] /平衡[6]
紫色土 Purple soil -50.64 5.6[11] 丢碳 平衡[11] /丢碳[6,18]
总计 Total 72.11 108[11] / 85[15] / 180[13] 固碳 固碳[6,11, 13]
3.2摇 1980—2011年 SOC(密度 /储量)动态的微观因
素讨论
SOCD年均变化速率为因变量,表 2 所选 13 个
因素为因变量,考虑 R 方的变化(表 7)和影响因素
间的共线性诊断(表 8),逐步回归出的最优模型,表
达式为:DSOCD / t = - 739. 494 - 0. 032SOCD 初始值
(X11)+0.316 全 N 密度(X32) +75.779C / N 比(X31)。
式中,所有因素 t 值的绝对值均大于 2,即通过显著
性检验(表 6),整体拟合结果最优。 依据标准化系
数,初步认为,影响因素的贡献较为集中于 SOCD 初
始值(X11)、全 N 密度(X32)和 C / N 比(X31)三大因
素。 就影响因素的作用方向看,全 N 密度(X32)和
C / N 比 ( X31 )对 SOCD 年均变化拥有正向影响,
SOCD初始值的影响则相反。
表 6摇 1980—2011年 SOCD变化与影响因素间的逐步回归参数
Table 6摇 Stepwise regression parameters between SOCD change and its impact factors during 1980—2011
模型
Model
非标准化系数
Non鄄standardized coefficients
B 标准误差Standardized error
标准系数
Standardized
coefficients
t Sig.
共线性统计量
Collinearity statistics
容差
Tolerance VIF
… … … … … … … … …
3 (常量) -739.494 1.175 -629.222 0.000
X11 -.032 0.000 -.808 -1566.877 0.000 0.946 1.058
X32 0.316 0.000 0.608 1145.121 0.000 0.893 1.120
X31 75.779 0.128 0.317 593.086 0.000 0.883 1.133
… … … … … … … … …
摇 摇 …为模型 3前后逐步回归结果的省略,且在模型 9及以后变量 X23、X24和 X25的 VIF>10存在共线性,合适模型只能在 3—8中选择
摇 摇 SOCD 初始值对农田表层 SOCD 变化的影响最
大且具有反方向作用关系。 SOCD初始值越高,距离
SOC库收支动态平衡的临界空间就越近,提升潜力
就越小。 于严严等[6]人和程先富等[19]人获得了类
似发现,耕层 SOCD 的年均变化速率与初始值呈负
相关关系。 农田表层 SOCD 存在一定的上限阈值
(饱和容量),SOC 的管理和为追求作物产量的投入
必须考虑这一数值。 SOCD1980初始值高的北部和西
南部区,在相同的耕作、利用和投入条件下,年均
SOCD提升的速率低于初始值相对较低的中部、南部
和东南部区,即高初始值 SOC 含量的农田土壤增加
不明显(甚至下降),而低的则相对显著。 相反地,初
始值低的中部、南部和东南部区土壤贫瘠,常常需要
更多的投入来提高产量,初始值高的北部和东南部
区土壤肥沃,当地人们往往忽视投入而较多地依靠
土壤本身的生产能力,从而驱使初始值低的 SOC 提
升的速率快于初始值高的。 SOCD 初始值与其年增
长速率间的反向关系,告诉我们:在丘陵山区少有粮
6534 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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油基地———平行岭谷区兼顾“粮油生产冶和“土壤增
碳冶,需要在 SCOD 初始低值区加大对土壤的投入,
以提高粮油产量,增加 SOC储量;在初始高值区不但
不忘增加对土壤的投入,而且要选择较为合适的耕
作和管理实践,以降低耕作对土壤表层的扰动,使得
土壤表层有机碳的分解速率达于累积程度,维持高
值区的土壤高生产力和高 SOC储量。
表 7摇 1980—2011年 SOCD变化与影响因素间的逐步回归模型汇总
Table 7摇 The summary of stepwise regression model between SOCD change and its impact factors during 1980—2011
模型
Model R R
2
调整 R2
Adjust
R square
标准估计误差
Standard
estimate error
修正统计量 Revised statistics
R2 修正
R square
correction
F修正
F correction df1 df2
Sig. F修正
Sig. F correction
… … … … … … … … … …
3 0.984c 0.968 0.968 59.4293773 0.089 351768.405 1 126223 0.000
… … … … … … … … … …
摇 摇 …见表 5,R2 在模型 3后变化不大,意味着可以靠共线性诊断在 3—8中选择最优模型
表 8摇 1980—2011年 SOCD变化影响因素间的共线性诊断
Table 8摇 Collinearity diagnosis between impact factors driving SOCD change during 1980—201
模型
Model
维数
Dimension
特征值
Proper value
条件索引
Condition index
方差比例 Variance proportion
(常量)
(Constant)
X11 X32 X31 X22 X36 X33 X23 X24 X25 X37 X35 X21
… … … … … … … … … … … … … … … … …
1 3.857 1.000 0.00 0.01 0.00 0.00
2 0.096 6.329 0.01 0.97 0.06 0.01
3 0.035 10.491 0.11 0.02 0.93 0.10
4 0.011 18.334 0.88 0.00 0.00 0.88
… … … … … … … … … … … … … … … … …
摇 摇 …见表 5,按条件指数[10, 30)弱相关、[30, 100]中等相关和>100强相关规律,一般选所有变量条件指数<30的为最优; 模型 3后中的自变量至少有一条件指
数逸30,1980—2011年 SOCD变化与影响因素间的最合适的模型只能是模型 3
摇 摇 土壤全 N密度和 C / N比对 SOCD变化的影响处
于二、三位且拥有正向作用关系。 土壤全 N 密度和
C / N比越大,SOCD的年均变化速率就越大。 段华平
等[20]人发现 SOC与全 N 含量之间存在极显著的正
效应关系,土壤全 N含量越高,SOC含量增加的速度
越快(表 9)。 而且,周莉等[21]人得出土壤中矿质态
N的有效性直接控制 SOC 的分解速率(微生物同化
1份 N需消耗 24份 C)。 齐雁冰等[8]人认为土壤 C /
N比的提升有助于降低微生物的活性,抑制 SOC 和
N的矿化分解,可以积存更多地 SOC 并减少 N 的流
失。 Brady和 Weil[9]认为特定土壤的 C / N 比基本为
一常数,SOC的含量很大程度上依靠土壤中 N 素的
含量(能同化腐殖质)。 因此,在某种意义上,土壤全
N密度和 C / N比之间有一定的相互依赖性,土壤 N
的积累往往伴随 C 的集聚。 整体上,研究区 1980—
2011年间的养分元素的输入,大大提升土壤全 N 的
含量,从而有助于 SOC积累;冲积土和水稻土土壤水
含量较多,有助于土壤全 N 的累积和 SOC 的增加;
黄壤区人为扰动较 1980年有所减轻,土壤全 N因扰
动流失造成的释放大大降低,SOC 展现为提升状态;
与黄壤相反,紫色土因处于谷地丘陵区,扰动压力较
大,雨季水蚀经常发生,致使土壤全 N有一定程度流
失,并诱发 SOC 的丢失。 当然,在土壤 C / N 比对研
究区 SOC的作用也呈与土壤全 N 类似的规律,仅仅
在作用程度上较后者低[8]。
依据现有研究,土壤物理性状(质地、砾石体积
比和容重)、化学性状(pH值、全量(速效)P 和 K)均
会对农田表层 SOC的变化产生一定影响,而且,在本
研究中这些因素尽管也已进入部分模型并通过显著
性检验,但是,涵盖有粘粒(0—0.002 mm)、粉粒(0.
002—0.05 mm)和砂粒(0.05—2 mm)三变量的模拟
结果 VIF 值>10,说明它们之间存在较强的共线性
(表 6)。 同时,依靠共线性诊断中条件指数的统计
学意义(10—30之间弱相关、30—100 之间中等相关
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和大于 100 强相关),砾石体积比、容重、pH、全量
(速效)P 和 K的条件指数均大于 30,有的甚至伴随
因素的引入在 200 以上(表 9)。 另外,这部分因素
的影响相对较小,除土壤质地外标准系数绝对值在
0.003—0.028之间。
表 9摇 主要影响因素的作用方向与现有研究间的对比
Table 9摇 Comparingthe function direction of the influence factors between this paper and the existing researches
因素类别
Factor categories
与现有研究比较
Compared with the existing research
本研究
This paper
现有研究
Existing
researches
因素类别
Factor
categories
与现有研究比较
Compared with the existing research
本研究
This paper
现有研究
Existing
researches
SOCD初始值 SOCD initial value - -[6]
土壤物理性状
Soil physical
properties
砾石体积比
Gravel volume
- -[7]
土壤化学性状
Soil chemical
properties
C / N比
C / N rate
+ +[8,19] 粘粒 Clay(0—0.002mm)
- +[22鄄23]
全 N密度
Total N density
+ +[20]
粉粒 Silt
(0.002—
0.05mm)
- +[22鄄23]
pH值
pH value
- -或+[23]
砂粒 Sand
(0.05—2mm)
- -[20]
摇 摇 土壤质地对农田表层 SOC的影响均是负向作用
的,且标准化系数间未展现显著差异。 这一结果与
目前已取得的粘粉粒土壤中较砂质能储存更多的
SOC相矛盾,粘粉包被(有机无机复合体)对 SOC 起
到明显的保护作用,不受微生物的侵袭诱发矿化分
解[22鄄23]。 然而, 分析发现, 研究区土壤质地在
1980—2011年间发生较大变化,粘粒和粉粒的比重
分别由 1980年的 27.23%和 60.51%,下降为 2011 年
的 21. 20%和 24. 65%,而砂粒的比重则相反,由
12郾 26%上升为 55.15%。 据此,研究区农田表层 SOC
理应处于丢碳状态,但为什么 SOC 在 1980—2011 年
间总体上仍体现为微弱的碳增汇呢? 这可能因 SOC
和质地的空间数据受诸多其它与土壤质地交互因素
作用的影响所导致。
表层土砾石体积比越大,SOC 储量越小[7]。 但
是,本研究结果与目前研究一致,仅仅是作用程度较
小,标准化系数仅为-0.003。 分析发现,研究区砾石
体积比>1.0%的土壤主要是分布于三山区的黄壤,0.
6%—1.0%的土壤大多是分布于谷地丘陵区的紫色
土,而综合黄壤区碳增汇效应明显和紫色土区碳失
汇显著,也就出现研究区砾石体积比对 SOC 变化的
负向作用但不显著。
pH值过高或过低都会抑制土壤微生物的活性,
影响表层 SOC 的矿化分解和周转[22]。 研究区土壤
pH值 5.0—8.6,且 1980—2011年间变化较小,当然,
pH值对 SOC 变化的影响也较小。 研究区土壤 pH
值>7.0区集中出现在北部的中部区和东南部,而这
些区域又是明显丢碳区(图 5),从而出现 pH 值对
SOC变化的影响为负向作用。 在施肥和生物因子
上,尤其是有机肥施用、作物留茬、秸秆还田、作物产
量等直接向土壤输入有机质,化肥施用直接向土壤
输入养分元素,特别是 N素,前者有助于积累更多的
SOC,后者通过调节 C、N 循环增加 SOC 集聚[5]。 但
是,除作物留茬外,本研究获得的有机肥、化肥、秸秆
还田、作物产量对 SOC 变化的影响结果与现有研究
相反,且作用程度均较低。 产生这一差异原因,是由
本研究以乡(镇)为单元进行施肥和生物因子统计所
造成的,未考虑乡(镇)范围内不同海拔、不同土壤类
型间的差异,而且,本研究对 SOC的分析又使用的是
土壤类型法,致使不同土壤类型对应相同的施肥和
生物因子,这样,使用施肥和生物因子为自变量的逐
步回归分析,必然会出现施肥和生物因子对 SOC 变
化的影响较弱甚至反方向作用。
8534 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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4摇 结论
(1)研究区 1980—2011 年农田 0—20 cm 土层
SOC密度 /储量总体表现为略有增加态势,单位面积
碳增量 2307.63 kg C / hm2,碳增汇 235945.83 t,增幅
为 10.74%。 其中,对研究区 SOC碳库盈亏有决定性
调控意义的水稻土和紫色土,SOC 密度 /储量增幅分
别为 32.27%和-8.01%。 而且,研究区 SOCD 呈西
部、中部(腰间)和南端升高显著,北部和南部增加较
少。 SOC储量增加最明显的是西北部和东南部,中
部增加处中等水平,东南部及其它局部地区碳储量
增加较少甚至下降。
(2)研究区 1980—2011 年农田 0—20 cm 土层
SOCD 年均增长速率为 72.11 kg C hm-2a-1,总体上拥
有微弱的碳增汇效应。 其中,水稻土 SOCD 年均增
长率 218. 48 kg C hm-2 a-1,紫色土为 - 50. 64 kg C
hm-2a-1。 而且,以依5%为界限,研究区丢碳、固碳和
相对平衡面积比分别为 37.61%、49.03%和 13.36%。
决定研究区 SOC源 /汇动态的水稻土和紫色土的固、
丢碳面积比分别为 82.74%和 53.89%。 在空间分布
的差异上,总体呈西部、西北部高于南部、东南部,更
高于东北部和西南部的格局。
(3)宏观上研究区 1980—2011年农田 0—20 cm
土层 SOC密度 /储量变化与土壤类型的分布及利用
有很大关系。 黄壤粘重和不良的耕性使得 SOC 密
度 /储量常处于降低态势,但人口压力的减轻和人为
扰动的减弱,驱使 SOC 的积累速率大于矿化分解速
度。 紫色土尽管处于三山谷地丘区,质地中壤至轻
粘、重沙质,但人口压力大,耕作扰动频繁,SOC 的积
累速率低于分解速率。
(4)微观上研究区对 SOCD 年均变化速率影响
最大的因素是 SOCD初始值>全 N密度>C / N比。 而
且,全 N密度和 C / N比拥有正向影响,SOCD初始值
则相反。 特别是 SOCD 初始值对 SOCD 年均变化速
度的作用,说明在平行岭谷区管理农田土壤碳库,不
但要对 SOCD 低值区的中低产田增加投入,而且要
对 SOCD高值区施加适当投入和合适的耕作与管理
实践,以增加 SOC储量。
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