耕垦下表土有机碳库变化及水稻土有机碳的团聚体分布与结合形态

土壤有机碳的转化影响到全球碳循环和气候变化，同时表层土壤对人为干扰非常敏感，因此表层土壤有机碳含量及其转化对全球生态环境具有深远的影响。中国是一个农业生产历史悠久的国家，但耕作和施肥对中国土壤有机碳固定能力的影响及其机制研究不多。目前已认识到，水耕土壤的表土有机碳库高于相应的旱地土壤；近年来中国水稻土有机碳库呈现明显的增长。土壤团聚体颗粒组是土壤最基本的物质和功能单元，其结构和组成特点对土壤环境的物理和化学过程起关键的控制作用。因此，研究我国表层土壤有机碳库量及其耕垦下的变化，并以水稻土为例研究土壤有机碳的团聚体分布、结合形态和稳定性，分析耕作和施肥对土壤团聚体颗粒组土壤有机碳库的分配和结合形态的影响，进而探讨我国农业固碳的潜力与途径具有重要意义。因此，本文进行了两部分研究，第一部分“中国表层土壤有机碳库及耕垦下的变化”研究，第二部分“水稻土有机碳的团聚体分布与结合形态”研究。 第一部分利用1979-1982年间第二次全国土壤普查所有土种的表层(按当时记载的A层实际厚度（水稻土包括Ap和P层）)数据，根据土壤剖面记录的土地使用情况，将全国土种资料分为自然土壤和农田土壤，通过容重与土壤有机碳的不同回归关系得出缺失的容重，分别统计计算不同土类的自然土壤和农田土壤的有机碳密度和碳库量，各个土壤类型耕垦引起的有机碳库的变化由其自然土壤的有机碳密度减去其农田土壤的有机碳密度获得。由此估算了中国表层土壤有机碳库和由耕垦引起的中国表土有机碳库减少的量，并分析了其地理分布和不同土壤类型的差异。主要结果如下： 一．我国自然土壤表层有机碳密度为0.77～1489 tC hm-2，农田土壤为3.52～591 tChm-2，平均有机碳密度分别为50±47 tC hm-2和35±32 tC hm-2；耕垦后平均碳密度降低约15 tC hm-2。中国平均表层土壤有机碳密度明显比Batjes（1996）所报道的世界平均值低，可以认为中国是一个低有机碳密度的国家；相应地，中国农田土壤具有很大的固碳潜力。 二．不同地理区域碳密度、碳库及耕垦引起的碳库损失明显不同。中国东北地区自然土壤和农田土壤表层土壤平均有机碳密度最高，分别为70±104 tC hm-2和57±54tC hm-2；而华东地区自然土壤表层土壤有机碳密度最低，为38±33 tC hm-2；华北地区农田土壤表层土壤有机碳密度最低，为30±30 tC hm-2。耕垦引起碳库损失最大的是东北地区和西南地区；华南地区碳库损失最少，该地区大部分有机碳缺乏的红壤在耕垦后土壤有机碳含量增加。以上结果说明，不同地区的土壤有机碳对于耕垦的影响和全球变化的敏感性明显不同。 三．根据当时的土壤面积估计全国表层土壤有机碳库约为40 Pg，其中自然土壤有机碳库为35 Pg，农田土壤有机碳库为5 Pg，耕垦引起表层土壤有机碳库减少了2 Pg左右。这与Wu et al，（2003）报道的中国土壤1m土体自然土壤耕垦引起的总有机碳下降7 Pg明显要小。 四．比较表明，作为我国较大面积的农田土壤，水稻土表层土壤有机碳库密度明显高于全国农田土壤的平均值。结合近年来研究报道的水稻土有机碳库呈增长趋势，说明水稻土是相对固碳潜力明显的土壤，因而加强对水稻土有机碳库变化及其固定机制的研究在全球变化研究中具有重要意义。 第二部分选择我国南方三种有代表性的水稻土，采用低能量超声波分散法分离团聚体颗粒组、CNS元素分析仪测定总有机碳及不同化学提取法-TOC仪测定不同键合态（钙键，铁铝键）有机碳，研究了有机碳的团聚体颗粒组分布和结合形态，探讨了耕作和施肥处理对水稻土团聚体颗粒组土壤有机碳固定和结合形态影响的程度。主要结果如下： 一．水稻土各团聚体颗粒组土壤有机碳总量的分布因其土壤类型不同而不同。红壤性水稻土土壤有机碳主要存在于2000～20μm和200～20μm团聚体颗粒组中；紫色土性水稻土土壤有机碳主要存在于200～20μm和20～2μm团聚体颗粒组中；黄泥土土壤有机碳则主要存在于2000～200μm和20～2μm团聚体颗粒组中。 二．水稻土表层土壤中较大粒径的团聚体颗粒组是土壤有机碳新碳的主要载体，且其受外界影响变化最大。易氧化态碳占总有机碳的比例在较大粒径的团聚体颗粒组中高，在小粒径中低。易氧化态碳含量不能衡量土壤碳库的稳定性，建议用易氧化态碳占总有机碳的比例衡量土壤碳库的稳定性。 三．水稻土钙键结合的有机碳和铁铝键结合的有机碳占总有机碳的比例依水稻土土壤类型而异。钙键结合的有机碳在紫色土性水稻土中最高，红壤性水稻土中最低；铁铝键结合的有机碳含量在红壤性水稻土中最高，紫色土性水稻土中最低。同时，水稻土钙键结合的有机碳主要向有机碳不稳定的大团聚体颗粒组中富集；铁铝键结合的有机碳则向有机碳稳定性强的较小粒径颗粒组中富集。水稻土钙键结合的有机碳占总有机碳的比例增加，土壤有机碳的可氧化性增强；水稻土铁铝键结合的有机碳占总有机碳的比例增加，土壤有机碳的可氧化性降低，土壤有机碳趋于稳定。水稻土中氧化铁铝结合态有机碳的增加可能是南方水稻土中有机碳快速积累和稳定的主要原因。 四．水稻土络合态铁铝含量、游离氧化铁铝含量和非晶质氧化铁铝含量在＜2μm颗粒组中最多，与铁铝键结合的有机碳向较小的粒径富集这一趋势一致。在较大粒径团聚体颗粒组中，水稻土络合态铁铝含量、游离氧化铁铝含量和非晶质氧化铁铝含量高时，其土壤有机碳含量高，同时土壤有机碳稳定性也高。 五．不同的耕作方式影响紫色土性水稻土有机碳的团聚体分布和有机碳的稳定性。垄作免耕耕作方式明显增加紫色土性水稻土的2000～200μm团聚体颗粒组含量，稻油轮作平作明显减少紫色土性水稻土200～20μm团聚体颗粒组含量。垄作免耕耕作措施能明显提高紫色土性水稻土的大团聚体颗粒组土壤有机碳含量并能增加其稳定性，而稻油轮作平作则相反。 六．施肥尤其是有机无机肥配合施用能明显提高2000～200μm和200～20μm团聚体颗粒组的含量，减少＜2μm颗粒组含量。同时，施肥提高了水稻土总有机碳的含量，有机无机肥配合施用明显提高各团聚体颗粒组有机碳的含量，且不会降低土壤有机碳库的稳定性。单施化肥仅提高2000～200μm和200～20μm较大粒径团聚体颗粒组的土壤有机碳含量，但导致这些团聚体颗粒组土壤有机碳库的不稳定性增加。不同的施肥处理对小粒径团聚体颗粒组的土壤有机碳稳定性没有影响。施肥对土壤有机碳库的影响主要来自大粒径团聚体颗粒组。 七．水稻土的土壤蔗糖酶活性在较小粒径团聚体颗粒组中较高，过氧化物酶和多酚氧化酶活性在大粒径团聚体颗粒组中较高。垄作免耕耕作方式明显提高了蔗糖酶活性。施肥可提高土壤蔗糖酶活性，尤其是有机无机肥配合施用效果更为明显。大粒径团聚体颗粒组的土壤蔗糖酶、过氧化物酶和多酚氧化酶活性最易受到影响。水稻土大粒径团聚体颗粒组的土壤有机碳含量高，其土壤蔗糖酶活性高。水稻土大粒径团聚体颗粒组的土壤多酚氧化酶活性低时，其土壤有机碳库稳定。 八．单施化肥主要增加较大粒径团聚体颗粒组钙键结合的有机碳，有机肥和有机无机肥配合施用则主要增加其铁铝键结合的有机碳。在紫色土性水稻土中，垄作免耕主要增加较大粒径团聚体颗粒组铁铝键结合的有机碳，稻油轮作平作则主要增加其钙 键结合的有机碳。由此看来，垄作免耕耕作措施、有机肥尤其是有机无机肥配合施用， 通过增加铁铝键结合的有机碳含量而使土壤有机碳积累和增长。