重慶市農(nóng)田土壤有機(jī)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(jī)碳庫是全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的研究熱點(diǎn)，也是全球變化問題研究的核心內(nèi)容之一。現(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(jī)碳庫儲量約占全球碳庫總量的60％。中國土壤有機(jī)碳庫為80～90Pg，約占全球有機(jī)碳庫的5％。其中中國表層土壤有機(jī)碳庫大小為38～40Pg，約為中國土壤

2、有機(jī)碳庫的42.2％～47.5％。重慶地區(qū)表土和全土的土壤有機(jī)碳庫大小分別為0.27Pg和1.00Pg。但是上述土壤有機(jī)碳庫的估算數(shù)據(jù)多來源于第二次全國土壤普查時(shí)期的成果，因此其估算結(jié)果不能反映現(xiàn)時(shí)的土壤有機(jī)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(jī)碳

3、儲量約為全國土壤有機(jī)碳總儲量的14.4％～16.2％。由于農(nóng)田土壤有機(jī)碳庫受到人類活動的強(qiáng)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(jī)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(shí)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(jìn)一步研究土壤有機(jī)碳動態(tài)變化趨勢，土壤有機(jī)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(jī)碳動態(tài)模型得到了學(xué)者的驗(yàn)證。但是在西南丘陵地區(qū)，土壤有機(jī)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(jī)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(shí)間點(diǎn)的土壤調(diào)查與分析數(shù)據(jù)，采用土壤類型法統(tǒng)計(jì)出重慶市農(nóng)田土壤的有機(jī)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(shí)以土屬為統(tǒng)計(jì)單元，從2006年測土配方施肥項(xiàng)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(jī)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(jì)求出重慶市農(nóng)田耕層土壤的固碳潛力。在有機(jī)碳動態(tài)模型驗(yàn)證方面:利用長期定位試驗(yàn)多年的監(jiān)測數(shù)據(jù)和研

6、究結(jié)果，對DNDC模型進(jìn)行了驗(yàn)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(jī)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(jī)碳庫演變機(jī)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(shí)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(jī)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(jī)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(diǎn)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?yàn)?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(jī)碳）存儲能力最強(qiáng)，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(shí)施的重點(diǎn)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(yuǎn)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(jī)碳庫中具有的重要性也有所不同。
　　 在重慶市的33個(gè)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(gè)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(dá)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?yàn)?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(gè)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(gè)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(jī)碳庫增長的貢獻(xiàn)最大，其增加的SOCR0-20分別占上述兩個(gè)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(jī)碳庫

16、正面影響最大。紫色土耕層有機(jī)碳儲量的下降對盆邊丘陵山地區(qū)的農(nóng)田有機(jī)碳庫負(fù)面影響極大。其中綦江縣紫色土SOCR0-20下降量遠(yuǎn)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?yàn)?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?yàn)?00-700m＞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(tuán)粒＞團(tuán)粒＞團(tuán)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?yàn)?一年一熟＞一年兩熟＞常年生＞一年三熟。通過T檢驗(yàn)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(yuǎn)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(diǎn)，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(dá)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(yàn)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(yàn)的方法，對模擬值與實(shí)測

20、值之間的擬合相關(guān)性進(jìn)行了分析。從DNDC模擬值與實(shí)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(shí)固碳潛力。這可能是由于DNDC模型未考慮水稻土有機(jī)碳庫上升達(dá)到平衡的時(shí)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(jī)碳庫儲量現(xiàn)狀和時(shí)空分布，從而證明農(nóng)田耕層土壤有機(jī)碳庫在重慶地區(qū)土壤有機(jī)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(jī)碳庫現(xiàn)狀，從而為正確評價(jià)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(shí)探明了不同土壤類型在重慶農(nóng)田土壤有機(jī)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(shí)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(jìn)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(yàn)與土壤有機(jī)碳動態(tài)模型分析相結(jié)合，對有機(jī)碳動態(tài)模型在重慶地區(qū)的運(yùn)用進(jìn)行了驗(yàn)證，找出適合重慶地區(qū)的土壤有機(jī)碳模型，從而為研究重慶地區(qū)的土壤有機(jī)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(qiáng)下述研究:重慶地區(qū)土