重慶市農(nóng)田土壤有機碳庫現(xiàn)狀、變化趨勢及固碳潛力研究.pdf

1、從20世紀(jì)末起，全球變化引起了眾多科學(xué)家對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)以及碳收支的關(guān)注。土壤碳庫儲量約是陸地生態(tài)系統(tǒng)中生物碳庫的三倍，大氣碳庫的兩倍。因此土壤有機碳庫是全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的研究熱點，也是全球變化問題研究的核心內(nèi)容之一?，F(xiàn)有的研究結(jié)果表明，全球土壤碳庫大小約為2500Pg，全球有機碳庫儲量約占全球碳庫總量的60％。中國土壤有機碳庫為80～90Pg，約占全球有機碳庫的5％。其中中國表層土壤有機碳庫大小為38～40Pg，約為中國土壤

2、有機碳庫的42.2％～47.5％。重慶地區(qū)表土和全土的土壤有機碳庫大小分別為0.27Pg和1.00Pg。但是上述土壤有機碳庫的估算數(shù)據(jù)多來源于第二次全國土壤普查時期的成果，因此其估算結(jié)果不能反映現(xiàn)時的土壤有機碳庫狀況。土壤碳庫的碳匯與碳源作用是可以相互轉(zhuǎn)化的，因此土壤碳庫在減少碳排放與緩解全球變化中具有重要作用。農(nóng)田土壤碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最活躍和最有影響力的碳庫之一，其碳儲量約占全球陸地系統(tǒng)碳儲量的1/10。具估算，中國農(nóng)田土壤有機碳

3、儲量約為全國土壤有機碳總儲量的14.4％～16.2％。由于農(nóng)田土壤有機碳庫受到人類活動的強烈影響，且其碳庫儲量在短期內(nèi)可受到人為調(diào)控。因此農(nóng)田土壤的有機碳固定是我國CO2減排壓力下碳匯的重要去向。西南地區(qū)地處大江大河上源，自然環(huán)境復(fù)雜多樣，地貌類型復(fù)雜多變，地質(zhì)歷史特殊，生物多樣性豐富。同時西南丘陵區(qū)的土壤類型和農(nóng)田管理措施也與平原地區(qū)有著極大差異。然而對于西南丘陵地區(qū)，特別是重慶地區(qū)農(nóng)田土壤碳庫的儲量和潛力研究極為缺乏。隨著全球農(nóng)田生

4、態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究的深入，為了進一步研究土壤有機碳動態(tài)變化趨勢，土壤有機碳動態(tài)模型得到了較為廣泛的應(yīng)用。在東北地區(qū)和華北地區(qū)，DNDC模型、RothC模型、CENTUR模型等有機碳動態(tài)模型得到了學(xué)者的驗證。但是在西南丘陵地區(qū)，土壤有機碳動態(tài)模型的應(yīng)用較少。適用于重慶地區(qū)紫色土和水稻土的有機碳動態(tài)模型仍未從得知。
　　 因此本文選取重慶市為研究區(qū)域，收集了重慶地區(qū)的土地利用現(xiàn)狀圖、土壤類型分布圖、2006～2011年測土配方施肥數(shù)據(jù)

5、以及第二次土壤普查數(shù)據(jù)等資料。根據(jù)不同時間點的土壤調(diào)查與分析數(shù)據(jù)，采用土壤類型法統(tǒng)計出重慶市農(nóng)田土壤的有機碳儲量，并分析了30年來重慶地區(qū)的土壤碳庫變化趨勢。同時以土屬為統(tǒng)計單元，從2006年測土配方施肥項目的土壤調(diào)查和分析數(shù)據(jù)中，篩選出同一土屬耕層有機碳含量最高值，將其作為該土屬的固碳限值，對比2006年重慶市農(nóng)田耕層土壤碳密度和碳儲量，統(tǒng)計求出重慶市農(nóng)田耕層土壤的固碳潛力。在有機碳動態(tài)模型驗證方面:利用長期定位試驗多年的監(jiān)測數(shù)據(jù)和研

6、究結(jié)果，對DNDC模型進行了驗證。通過上述工作，本文希望能夠闡明重慶市農(nóng)田土壤固碳現(xiàn)狀及其有機碳庫的演變格局，預(yù)測重慶市農(nóng)田土壤的固碳潛力，為土壤有機碳庫演變機理研究提供理論參考，也為該區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展與糧食安全戰(zhàn)略的建立和實施，以及與我國全球變化相關(guān)的國際談判提供科學(xué)依據(jù)。
　　 具體研究結(jié)果如下:
　　 (1)在全國范圍內(nèi)，重慶農(nóng)田表層SOCD（土壤有機碳密度）居于中等水平。不同土壤類型的SOCD0-20差異較大。

7、重慶地區(qū)的水稻土SOCD0-20高于其他土壤類型，而紫色土SOCD0-20則顯著低于其他土壤類型。紫色土和水稻土是重慶地區(qū)分布面積最大和SOCR0-20(0-20cm土層的土壤有機碳儲量)最大的兩種農(nóng)田土壤類型，這兩種土類的SOCR0-20共占到全市總儲量的75.6％。由此可見，二者應(yīng)是重慶地區(qū)農(nóng)田SOC庫的重點監(jiān)控和調(diào)控對象。
　　 重慶市農(nóng)田0-20cm土層SOCD為3.38kg/m2。不同土類的SOCD0-20高低次序依次

8、為:黃棕壤(4.25kg/m2)＞水稻土（3.89kg/m2）＞石灰?guī)r土（3.88kg/m2）＞沖積土（3.16kg/m2）＞黃壤土(2.68kg/m2)＞紫色土(2.44kg/m2)。沖積土、黃壤土和紫色土SOCD0-20均低于重慶市SOCD0-20均值。重慶地區(qū)0-20cm農(nóng)田SOCR為70.442Tg。其中水田SOCR0-20為37.773Tg，早地SOCR0-20為32.669Tg，二者分別占全市農(nóng)田SOCR0-20總量的53.

9、62％和46.38％。不同土類SOCR0-20的高低順序為:水稻土(37.773Tg)＞紫色土(15.448Tg)＞黃壤土(9.2030Tg)＞石灰?guī)r土(6.9400Tg)＞黃棕壤(0.71140Tg)＞沖積土(0.36660Tg)。在重慶地區(qū)農(nóng)田中，不同土類0-20cm的AI大小次序分別為:黃棕壤＞石灰?guī)r土＞水稻土＞黃壤土＞沖積土＞紫色土。以0-20cm耕層來說，黃棕壤SOC（土壤有機碳）存儲能力最強，其次為石灰?guī)r土，紫色土最弱。可見

10、，作為重慶地區(qū)農(nóng)田土壤中分布面積第二的土壤類型，紫色土應(yīng)該是全市農(nóng)田增碳措施實施的重點對象。
　　 (2)重慶地區(qū)不同區(qū)縣的農(nóng)田SOCD0-20和SOCR0-20均有較大差異。在不同區(qū)縣，相同土壤類型的農(nóng)田SOCD0-20差異明顯。且不同區(qū)縣中同一類型土壤的SOCR0-20占全區(qū)，全縣總SOCR0-20的百分比差異也較大。從地理區(qū)域的角度而言，渝西地區(qū)農(nóng)田SOCR0-20遠大于渝東北地區(qū)SOCR0-20。這說明重慶地區(qū)的農(nóng)田SO

11、C分布較為不均。且不同土壤類型在不同地理區(qū)域土壤有機碳庫中具有的重要性也有所不同。
　　 在重慶市的33個區(qū)縣中，水稻土SOCD0-20最高值出現(xiàn)在城口縣，紫色土SOCD0-20最高值為酉陽縣，黃壤土最大值為榮昌縣，而石灰?guī)r土和沖積土最高值則分別出現(xiàn)在綦江縣和秀山縣。五個土類（水稻土、紫色土、黃壤土、石灰?guī)r土、沖積土）SOCD0-20的最低值分別為渝北區(qū)、云陽縣、開縣、梁平縣和涪陵區(qū)。不同區(qū)縣間SOCR0-20極差高達4.081

12、0Tg。酉陽縣的SOCR0-20最高，為4.5250Tg。萬盛區(qū)的農(nóng)田SOCR0-20最小，僅為0.44320Tg。大部分區(qū)縣的SOCR0-20數(shù)值都位于1-2Tg范圍內(nèi)。對大部分區(qū)縣而言，水稻土和紫色土農(nóng)田SOCR0-20占全縣總SOCR0-20的比例極大。但是在少數(shù)區(qū)縣，黃壤土和石灰?guī)r土也儲存著比例較大的SOC。不同地理區(qū)域的SOCR0-20高低順序為:渝西地區(qū)＞渝東南地區(qū)＞渝南地區(qū)＞渝東地區(qū)＞渝東北地區(qū)。不同土類SOCR0-20占

13、渝東、渝南、渝西農(nóng)田總SOCR0-20的百分比次序相同，均為水稻土＞紫色土＞黃壤土＞石灰?guī)r土＞沖積土。而渝東北和渝東南地區(qū)的土類SOCR0-20百分比次序分別為:水稻土＞黃壤土＞石灰?guī)r土＞紫色土＞黃棕壤＞沖積土、黃壤土＞水稻土＞石灰?guī)r土＞紫色土＞沖積土＞紅壤。
　　 (3)在重慶市平行嶺谷區(qū)、盆邊丘陵山地區(qū)和武陵山區(qū)中，30年來3個典型縣的農(nóng)田SOCD0-20均呈現(xiàn)上升的趨勢。但是不同土壤類型的農(nóng)田SOCD0-20變化趨勢有所不

14、同。重慶地區(qū)的水稻土和黃壤土SOCD0-20總體呈現(xiàn)上升的趨勢，而紫色土、沖積土和石灰?guī)r土的SOCD0-20則均有降低的趨勢。重慶地區(qū)SOCR0-20整體仍呈上升趨勢。因此在過去的30年間，重慶農(nóng)田表層土壤在碳循環(huán)中表現(xiàn)出“增匯效應(yīng)”。
　　 自1980年以來，近30年的人為擾動對重慶市不同地區(qū)的農(nóng)田耕層SOC累積具有正面影響。在供試的3個典型縣中，川東平行嶺谷區(qū)的墊江縣和武陵山區(qū)的酉陽縣SOCR0-20分別增加了0.41456

15、Tg和0.67140Tg，其上升幅度分別為26.1％和17.4％。地處盆邊丘陵山地區(qū)的綦江縣SOCR0-20增加值最小，為0.23149Tg，其上升幅度為9.60％。水稻土SOCR0-20的增加值分別對平行嶺谷區(qū)和盆邊丘陵山地區(qū)農(nóng)田有機碳庫增長的貢獻最大，其增加的SOCR0-20分別占上述兩個區(qū)域SOCR0-20總增長量的59.0％和75.8％。而武陵山區(qū)的黃壤土SOCR0-20增長量占全區(qū)總增長量的則81.4％，黃壤土對該區(qū)域有機碳庫

16、正面影響最大。紫色土耕層有機碳儲量的下降對盆邊丘陵山地區(qū)的農(nóng)田有機碳庫負(fù)面影響極大。其中綦江縣紫色土SOCR0-20下降量遠高于全縣SOCR0-20增長量。
　　 (4)重慶地區(qū)不同地形地貌的農(nóng)田耕層SOC含量高低次序為:平壩緩丘＞丘陵下部＞山麓及坡腰平緩地＞丘陵上部。而不同海拔農(nóng)田SOC含量高低順序為600-700m＞500-600m＞300-400m＞400-500m?？傮w而言，不同環(huán)境因素對重慶市農(nóng)田SOC含量的影響差異較

17、小。而耕層SOC含量與土壤全氮含量相關(guān)性極顯著，與其他土壤化學(xué)性質(zhì)無相關(guān)性。土壤物理性質(zhì)對SOC含量具有顯著影響，不同質(zhì)地和結(jié)構(gòu)的耕層SOC含量高低次序分別為:重壤＞中壤＞砂壤＞輕壤和微團粒＞團粒＞團塊＞粒狀＞塊狀。以耕作制度為代表的農(nóng)田管理措施對SOC含量影響較大。不同耕作制度下耕層SOC含量大小次序為:一年一熟＞一年兩熟＞常年生＞一年三熟。通過T檢驗發(fā)現(xiàn)，一年一熟的SOC含量與其他耕作制度的SOC含量均具有極顯著差異。
　　

18、 (5)重慶地區(qū)的農(nóng)田表層土壤具有極大的固碳潛力。但是固碳潛力的區(qū)域差異和土壤類型差異也較為明顯。渝西地區(qū)是固碳潛力最大的地理區(qū)域。水稻土和紫色土的固碳潛力則遠高于其他土壤類型。利用DNDC模型可以極好地模擬重慶地區(qū)SOC動態(tài)變化趨勢，從而為重慶地區(qū)SOC演變趨勢研究和固碳潛力研究提供了新的研究方法。
　　 若以2006年SOCD0-20和SOCR0-20為基點，保持現(xiàn)有耕地面積不變，重慶地區(qū)農(nóng)田SOCD0-20和SOCR020

19、的增加潛力分別為6.69kg/m2和227.23Tg，二者增幅分別達到198％和322％。這表明重慶地區(qū)農(nóng)田耕層具有巨大的固碳潛力。其中，水稻土和紫色土固碳潛力為137.09Tg和68.714Tg，分別占全市總固碳潛力60.3％、30.2％。由此可見耕層增碳潛力主要存在于紫色土和水稻土中。利用紫色水稻土不同耕作制度下的長期定位試驗數(shù)據(jù)，本文結(jié)合DNDC模型來探討長期不同耕作措施下SOC變化趨勢。采用RMSE模型檢驗的方法，對模擬值與實測

20、值之間的擬合相關(guān)性進行了分析。從DNDC模擬值與實測值的RMSE值看出:DNDC模擬可以較好地模擬重慶市紫色水稻土的SOC動態(tài)變化。模擬結(jié)果表明，4種耕作制度配合秸稈還田處理的SOC含量都呈現(xiàn)增長的趨勢。通過DNDC模型，本文模擬了北碚區(qū)未來100年水稻土耕層SOC固定潛力。該模擬值高于北碚區(qū)現(xiàn)實固碳潛力。這可能是由于DNDC模型未考慮水稻土有機碳庫上升達到平衡的時間期限和固碳限值的原因。
　　 綜上所述，根據(jù)重慶地區(qū)最新的土壤

21、調(diào)查資料和分析結(jié)果，本文估算了重慶地區(qū)耕層土壤有機碳庫儲量現(xiàn)狀和時空分布，從而證明農(nóng)田耕層土壤有機碳庫在重慶地區(qū)土壤有機碳庫中占有重要地位。較前人使用第二次土壤普查數(shù)據(jù)所估算的結(jié)果，該研究成果更能反映重慶地區(qū)有機碳庫現(xiàn)狀，從而為正確評價重慶地區(qū)農(nóng)田碳庫在全國碳庫中的地位提供數(shù)據(jù)支持。同時探明了不同土壤類型在重慶農(nóng)田土壤有機碳庫中的重要地位，為重慶區(qū)域農(nóng)田管理措施和土壤碳庫調(diào)控政策提供了參考依據(jù);通過研究估算出重慶地區(qū)耕層土壤的固碳潛力，

22、同時對不同土壤類型的農(nóng)田固碳潛力和土壤固碳潛力的空間分布也進行了估算。上述結(jié)果為重慶地區(qū)農(nóng)業(yè)固碳的戰(zhàn)略制定與技術(shù)選擇提供了理論參考，并為與重慶地區(qū)甚至全國的全球變化相關(guān)的國際談判提供了科學(xué)依據(jù);通過將長期定位試驗與土壤有機碳動態(tài)模型分析相結(jié)合，對有機碳動態(tài)模型在重慶地區(qū)的運用進行了驗證，找出適合重慶地區(qū)的土壤有機碳模型，從而為研究重慶地區(qū)的土壤有機碳變化趨勢和固碳潛力提供了新的研究思路與方法。在今后的工作中，可以加強下述研究:重慶地區(qū)土