川東北農(nóng)田耕層土壤碳庫(kù)現(xiàn)狀與演變特征川東平行嶺谷區(qū)典型縣農(nóng)田土壤碳庫(kù)演變特征

川東北農(nóng)田耕層土壤碳庫(kù)現(xiàn)狀與演變特征川東平行嶺谷區(qū)典型縣農(nóng)田土壤碳庫(kù)演變特征

在世界生態(tài)系統(tǒng)中，耕地碳儲(chǔ)量是唯一受強(qiáng)烈人為干預(yù)、短期內(nèi)調(diào)節(jié)的碳儲(chǔ)量。大約占世界陸地碳總量的8%10%。進(jìn)行了土壤碳儲(chǔ)量研究，有助于全面了解土壤生態(tài)系統(tǒng)氣候變化的反應(yīng)，為固碳和排放提供了有效的調(diào)節(jié)方法。東平川位于四川盆地東部，總面積（約4.3萬公里）的94.8%以上分布在重慶，接近重慶總面積的1.2。該地區(qū)地勢(shì)優(yōu)越，土壤肥沃。是重慶耕地的重要分布區(qū)，對(duì)世界固碳和減稅的影響，以及該地區(qū)耕地的優(yōu)化管理具有重要意義。因此，本文選擇了位于四川省樊江區(qū)的松江縣作為典型研究區(qū)的緩江縣。根據(jù)第二次土壤調(diào)查數(shù)據(jù)（1980）和聯(lián)合土壤調(diào)查與施肥項(xiàng)目中的耕地土壤調(diào)查與分析數(shù)據(jù)（2007），估計(jì)了墊江縣耕地農(nóng)層的有機(jī)碳密度和儲(chǔ)量。通過對(duì)墊江區(qū)耕地土壤調(diào)查和分析數(shù)據(jù)（2007），評(píng)估了墊江區(qū)耕地土壤調(diào)查和分析的性質(zhì)。對(duì)30年來租江區(qū)耕地農(nóng)業(yè)土壤中的固碳潛力進(jìn)行了預(yù)測(cè)。結(jié)果表明，這有助于澄清沙江縣至東川縣耕地碳循環(huán)中的影響。同時(shí)，該地區(qū)其他地區(qū)耕地的碳交換效果也提供了方法和科學(xué)依據(jù)。1材料和方法1.1條件二:平行嶺谷川東平行嶺谷區(qū)位于四川盆地東部,介于方斗山與華鎣山之間,是在走向?yàn)楸北睎|的狹長(zhǎng)背斜、寬緩向斜相間排列的梳狀構(gòu)造或隔檔式構(gòu)造基礎(chǔ)上,發(fā)育成為背斜低山和向斜丘陵谷地相間有序的排列,從而構(gòu)成獨(dú)特的“平行嶺谷”地貌類型組合景觀,區(qū)域水熱條件優(yōu)越,土質(zhì)肥沃,是重要的農(nóng)業(yè)基地.重慶市墊江縣是川東平行嶺谷區(qū)的典型縣域,位于重慶市中部(見圖1),地處107°13′-107°40′E,29°38′-30°31′N,東鄰豐都縣、忠縣,南連涪陵區(qū)、長(zhǎng)壽區(qū),西靠四川省大竹縣、鄰水縣,北接壤梁平縣.全縣土壤分別由三迭系、侏羅系地質(zhì)巖層風(fēng)化物和第四系沖積物發(fā)育形成,土壤類型包括紫色土、水稻土、黃壤、沖積土等4個(gè)土類(下屬6個(gè)亞類、17個(gè)土屬、78個(gè)土種),其中分布最廣的耕地土類是紫色土和水稻土,分別占總耕地面積的53.24%和40.53%,具體見表1.1.2農(nóng)田土壤的耕層分布本文所需的農(nóng)田耕層基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要源自墊江縣第二次土壤普查數(shù)據(jù)(1980年)和墊江縣測(cè)土配方施肥項(xiàng)目的農(nóng)田調(diào)查與分析數(shù)據(jù)(2007年),表1中為墊江縣不同類型農(nóng)田土壤的耕層樣點(diǎn)分布情況;用于分析和計(jì)算的基礎(chǔ)圖件主要包括墊江縣土壤圖、土地利用現(xiàn)狀圖和行政區(qū)劃圖.根據(jù)收集的相關(guān)數(shù)據(jù)和圖件資料,采用土壤類型(土種)法,以縣級(jí)行政區(qū)域?yàn)榫C合分析單元,將土壤有機(jī)碳密度等屬性數(shù)據(jù)連接到具有相同土壤名稱的圖斑上,把土壤屬性數(shù)據(jù)與土壤圖的空間單元連接起來,建立土壤信息數(shù)據(jù)庫(kù),利用ArcGIS軟件的空間統(tǒng)計(jì)功能計(jì)算獲得墊江縣農(nóng)田各類型土壤的面積和有機(jī)碳密度分布,進(jìn)而統(tǒng)計(jì)出墊江縣農(nóng)田土壤的有機(jī)碳儲(chǔ)量.1.3耕地層土壤有機(jī)碳含量的計(jì)算土壤有機(jī)碳密度通常是指單位面積土體中所含土壤有機(jī)碳的質(zhì)量.本文計(jì)算的耕層土壤有機(jī)碳密度是指單位面積0~20cm深度土體中所含土壤有機(jī)碳的質(zhì)量,單位為kg/m2,其計(jì)算公式如下:式中:D為耕層土壤有機(jī)碳密度(kg/m2),θ為耕層>2mm礫石含量(%),ρ為耕層土壤體積質(zhì)量(g/cm3),C為耕層土壤有機(jī)碳含量(g/kg),T為耕層厚度(cm).2結(jié)果與分析2.1土類t0-20的訴訟順序依據(jù)墊江縣測(cè)土配方施肥項(xiàng)目的農(nóng)田調(diào)查與分析數(shù)據(jù)(2007年),對(duì)全縣農(nóng)田耕層土壤有機(jī)碳密度和儲(chǔ)量進(jìn)行了估算,結(jié)果表明(表2),全縣農(nóng)田D0-20和T0-20分別為2.44kg/m2和2494.57×106kg,其中不同農(nóng)田土類D0-20的高低順序?yàn)?黃壤(D0-20=3.03kg/m2),水稻土(D0-20=2.57kg/m2),沖積土(D0-20=2.51kg/m2),紫色土(D0-20=2.29kg/m2);由于受土類分布面積的影響,不同土類T0-20的高低順序?yàn)?紫色土(T0-20=1247.34×106kg),水稻土(T0-20=1121.19×106kg),黃壤(T0-20=123.53×106kg),沖積土(T0-20=2.51×106kg);可見紫色土和水稻土是墊江縣最重要的農(nóng)田耕層碳庫(kù),分別占耕層碳庫(kù)總儲(chǔ)量的50.00%和44.95%,其他土類僅占了5.05%.由表2可知,墊江縣境內(nèi)不同農(nóng)田土屬中,D0-20的最高值和最低值分別出現(xiàn)紫色沖積水稻土和老沖積黃泥土中,表明紫色沖積水稻土耕層的固碳能力較強(qiáng),而老沖積黃泥土則相對(duì)較弱.另外,結(jié)合表1、表2可知,紅棕紫泥土、灰棕紫泥土、紅棕紫色水稻土和灰棕紫色水稻土是墊江縣境內(nèi)分布面積最廣和耕層有機(jī)碳儲(chǔ)量最高的4個(gè)土屬,其耕層有機(jī)碳儲(chǔ)量之和占全縣耕層土壤有機(jī)碳總儲(chǔ)量的68.34%.農(nóng)田利用方式是影響耕層土壤有機(jī)碳累積的重要因素.表3中,列出了墊江縣境內(nèi)8對(duì)同源農(nóng)田土壤,每對(duì)同源農(nóng)田土壤分屬于水田土壤和旱地土壤,利用方式截然不同,但兩者均發(fā)育于相同的土壤類型(即前身土壤相同).通過對(duì)比表3中同源的旱地和水田土壤之間耕層有機(jī)碳累積的差異,可以看出不同土地利用方式(旱作和稻作)對(duì)耕層土壤碳固定的影響.由表3可知,除冷沙黃泥水稻土和冷沙黃泥土外,其他各同源土屬中水田土屬的D0-20均高于旱地土屬的D0-20,這表明,對(duì)于墊江縣絕大部分農(nóng)田土屬來說,水耕稻作在促進(jìn)其耕層土壤碳累積方面要明顯優(yōu)于旱作,類似現(xiàn)象在我國(guó)其他農(nóng)區(qū)也有存在.由此可見,要想增強(qiáng)墊江縣乃至川東平行嶺谷區(qū)農(nóng)田耕層的碳匯功能,合理調(diào)整和選擇農(nóng)田利用方式是一個(gè)重要的調(diào)控思路.2.2墊江縣農(nóng)田耕層有機(jī)碳儲(chǔ)量的變化趨勢(shì)墊江縣是川東平行嶺谷區(qū)典型縣域,土壤資源特色鮮明,其農(nóng)田管理活動(dòng)和土地利用等方面既具有我國(guó)農(nóng)業(yè)利用與管理的共同特點(diǎn),也具有川東平行嶺谷區(qū)農(nóng)業(yè)的自身特色,明確該區(qū)域農(nóng)田土壤碳庫(kù)演變趨勢(shì),能為川東平行嶺谷區(qū)乃至重慶地區(qū)糧食安全保障、農(nóng)業(yè)固碳的戰(zhàn)略制定與技術(shù)選擇提供重要的科學(xué)依據(jù).本文依據(jù)第二次土壤普查數(shù)據(jù)(1980年),對(duì)上世紀(jì)80年代初墊江縣農(nóng)田0~20cm耕層土壤有機(jī)碳密度和儲(chǔ)量進(jìn)行估算可知(表4),80年代初全縣耕層土壤有機(jī)碳密度為2.22kg/m2,總有機(jī)碳儲(chǔ)量為2269.69×106kg,結(jié)合表2可知,1980-2007年全縣農(nóng)田耕層的有機(jī)碳密度和總儲(chǔ)量均有所增加,分別增加了0.220kg/m2和224.88×106kg(表4),總體增幅為9.91%.由此可見,1980-2007年期間,近30年的人為擾動(dòng)對(duì)墊江縣農(nóng)田耕層有機(jī)碳累積的影響是正面的,全縣農(nóng)田土壤碳庫(kù)一直發(fā)揮著“匯”效應(yīng).由表2、表4可知,不同土類耕層有機(jī)碳儲(chǔ)量的變化量(⊿T)大小依次為:紫色土(⊿T=194.30×106kg),水稻土(⊿T=44.26×106kg),沖積土(⊿T=1.31×106kg),黃壤(⊿T=-14.99×106kg);其變幅VD則依次為:沖積土(VD=108.87%),紫色土(VD=18.45%),水稻土(VD=4.11%),黃壤(VD=-10.82%).可見,墊江縣1980-2007年期間農(nóng)田耕層有機(jī)碳儲(chǔ)量的增加主要得益于紫色土耕層有機(jī)碳儲(chǔ)量的提高.另外,由表4可知,1980-2007年期間,墊江縣17個(gè)農(nóng)田土屬中,有11個(gè)土屬的D0-20呈增加趨勢(shì),且其分布面積占總耕地面積的70.23%;D0-20的最大增幅和減幅分別出現(xiàn)在紫色沖積水稻土和黃色沖積水稻土中;⊿T的最大值和最小值則分別出現(xiàn)在紅棕紫泥土(91.48×106kg)和灰棕紫色水稻土(-44.01×106kg)中,由表4還可知,墊江縣耕層土壤有機(jī)碳虧損主要出現(xiàn)在灰棕紫色水稻土中,其虧損量占總虧損量的65.87%,表明有效降低灰棕紫色水稻土的耕層有機(jī)碳虧損是提高墊江縣農(nóng)田耕層碳儲(chǔ)量的一個(gè)重要切入點(diǎn).由表4中的⊿R值可知,雖然近30年的人為擾動(dòng)使得不同土屬有機(jī)碳累積狀況均發(fā)生了不同程度的改變,但各土屬耕層碳庫(kù)在農(nóng)田耕層總碳庫(kù)中所占比重(R)變化不大.2.3農(nóng)田耕層土壤有機(jī)碳密度和儲(chǔ)量的增加潛力任何農(nóng)作系統(tǒng)下的耕層土壤必定存在一個(gè)固碳限值,即存在一個(gè)碳飽和點(diǎn).為此,本文以農(nóng)田土種為統(tǒng)計(jì)單元,從1980年和2007年兩個(gè)時(shí)期的墊江縣農(nóng)田土壤監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中,篩選出相同土種監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)中耕層有機(jī)碳密度的最高值,將其作為該土種的保守固碳限值,依此方法,估算墊江縣農(nóng)田耕層土壤的最高碳儲(chǔ)量,進(jìn)而求出墊江縣農(nóng)田耕層土壤的固碳潛力,具體見表5.由表5可知,若以2007年墊江縣農(nóng)田耕層D0-20和T0-20為基準(zhǔn)點(diǎn),保持現(xiàn)有旱地和水田面積不變,全縣農(nóng)田耕層土壤有機(jī)碳密度和儲(chǔ)量的增加潛力分別為2.59kg/m2和2648.74×106kg,增幅VD可達(dá)到106.18%,表明墊江縣農(nóng)田耕層仍具有巨大的固碳空間.另外,統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,不同農(nóng)田土類耕層QD,QT和VD的高低順序依次為:水稻土(QD=2.63kg/m2),紫色土(QD=2.61kg/m2),黃壤(QD=2.02kg/m2),沖積土(QD=0.46kg/m2);紫色土(QT=1420.63×106kg),水稻土(QT=1145.59×106kg),黃壤(QT=82.06×106kg),沖積土(QT=0.46×106kg);紫色土(VD=113.89%),水稻土(VD=102.18%),黃壤(VD=66.43%),沖積土(VD=18.28%).可見,紫色土和水稻土有著較高的QD,且在墊江縣農(nóng)田中的面積比重較高(表1),使得墊江縣農(nóng)田耕層的增碳潛力主要存在于紫色土和水稻土中,兩者的QT分別占總QT的53.63%和43.25%.另外,從土屬來看(表5),灰棕紫泥土、紅棕紫泥土、灰棕紫色水稻土、紅棕紫色水稻土等4個(gè)土屬的耕層增碳潛力較高,VD均超過100%.因此,墊江縣農(nóng)田耕層管理調(diào)查與增碳策略實(shí)施的重點(diǎn)應(yīng)放在紫色土和水稻土上,尤其是灰棕紫泥土、紅棕紫泥土、灰棕紫色水稻土、紅棕紫色水稻土等土屬.3長(zhǎng)期人工干預(yù)擾動(dòng)對(duì)農(nóng)田土壤碳累積的影響1)墊江縣境內(nèi),紫色土和水稻土是最重要的農(nóng)田耕層碳庫(kù),其中,紫色土土屬紅棕紫泥土和灰棕紫泥土、水稻土土屬紅棕紫色水稻土和灰棕紫色水稻土是面積分布最廣、耕層碳儲(chǔ)量最高的4個(gè)土屬,其耕層碳儲(chǔ)量之和占全縣耕層有機(jī)碳總儲(chǔ)量的68.34%;另外,對(duì)于墊江縣絕大部分農(nóng)田土屬來說,水耕稻作在促進(jìn)其耕層土壤碳累積方面要明顯優(yōu)于旱作.2)1980-2007年期間,長(zhǎng)期人為擾動(dòng)對(duì)墊江縣農(nóng)田耕層有機(jī)碳累積的影響是正面的,全縣農(nóng)田耕層土壤一直發(fā)揮著“碳匯”效應(yīng),其中,占總耕地面積70.23%的農(nóng)田土屬D0-20呈增加趨勢(shì);近30年來,全縣農(nóng)田耕層碳儲(chǔ)量的增加主要