• ISSN 1008-505X
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不同土地利用方式对土壤有机无机碳比例的影响

李雄 张旭博 孙楠 张崇玉 徐明岗 冯龙

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不同土地利用方式对土壤有机无机碳比例的影响

    作者简介: 李雄E-mail: lixiong107215@163.com;
    通讯作者: 张旭博, E-mail:zxbmylove1003@163.com ; 孙楠, E-mail:sunnan@caas.cn

Impact of land uses on the ratio of soil organic and inorganic carbon

    Corresponding author: ZHANG Xu-bo, E-mail:zxbmylove1003@163.com ;SUN Nan, E-mail:sunnan@caas.cn ;
  • 摘要: 【目的】 土壤有机碳 (SOC) 和无机碳 (SIC) 对全球碳循环和减缓气候变化具有重要作用,进一步明确二者之间相互转化关系,对准确估算土壤碳储量具有重要意义。现有研究对SOC和SIC相互关系缺乏系统量化,研究结果不一。因此,明确SOC和SIC之间相互关系,可为准确估算和模拟土壤碳的转化过程提供理论基础。 【方法】 本研究搜集了我国1990—2018年已发表的文献共41篇,从不同气候区、不同土地利用方式、不同土层深度探究了SOC和SIC比例的变化,进一步量化了二者之间的相互关系。 【结果】 不同气候区、不同土地利用方式下土壤SOC/SIC值在0—20 cm土层均大于20—100 cm土层。具体来说,在温带大陆性气候区,草地0—20 cm土壤SOC/SIC值最小 (0.53),林地 (0.90) 和农田 (0.80) 土壤较高,且三种土地利用方式下SOC和SIC呈极显著正相关关系;而在温带季风性气候区,0—20 cm土壤SOC/SIC值表现为草地 (0.82) ≈ 农田 (1.05) > 林地 (0.29),且SOC和SIC在林地、农田土壤中呈正相关关系,但在草地土壤中二者为负相关关系。另外,温带大陆性气候区20—100 cm以林地土壤SOC/SIC值最高,草地和农田次之,而在温带季风性气候区三种土地利用方式下无显著差异;SOC和SIC在林地和农田土壤中呈正相关关系,然而在草地土壤中为负相关关系。温带大陆性气候区SOC/SIC值总体以林地较大,农田、草地次之。温带季风性气候区,0—20 cm土层SOC/SIC值以草地较大,农田和林地分别次之。这可能是因为植被覆盖不同,导致了作物碳的归还量不一。同时,不同的植被覆盖还影响了土壤中的各种生物化学进程,改变了碳在土壤中的循环转化过程,进而影响了SOC和SIC含量,使得SOC/SIC值产生较大差异。 【结论】 SOC和SIC之间存在循环转化关系,且不同气候条件、不同土地利用方式、不同土壤类型对SOC和SIC循环转化存在显著影响。不同条件下SOC/SIC值存在显著差异,且二者呈现不同的相关性。本研究结果可为明确土壤碳的循环积累机制,准确估算土壤有机和无机碳库提供理论依据。
  • 图 1  温带大陆性气候区、温带季风性气候区0—20 cm、20—100 cm SOC/SIC频率分布

    Figure 1.  Distribution frequency of SOC/SIC in the 0−20 and 20−100 cm soil layers of the temperate continental climate zone and the temperate monsoon climate zone

    图 2  不同气候区三种土地利用方式下0—20 cm、20—100 cm土层SOC/SIC值

    Figure 2.  SOC/SIC value in the 0−20 cm and 20−100 cm soil layers of grassland, forest and cropland in different climate zones

    图 4  棕壤土、荒漠土、黑垆土农田0—20 cm、20—100 cm土层SOC/SIC值

    Figure 4.  SOC/SIC value in 0−20 cm and 20−100 cm of brown loamy soil, desert soil and dark loessial soil in cropland

    图 5  棕壤土、荒漠土、黑垆土农田0—20 cm、20—100 cm SOC和SIC的相互关系

    Figure 5.  Relationship between SOC and SIC in the 0−20 cm and 20−100 cm of brown loamy soil, desert soil and dark loessial soil in cropland

    图 3  不同气候区、土地利用方式及土层SOC和SIC相互关系

    Figure 3.  Relationship between SOC and SIC affected by climatic regions, land use and soil layers

    表 1  文献信息

    Table 1.  Information of literature

    文献试验站点
    Experiment site
    纬度
    Latitude
    经度
    Longitude
    来源文献
    Source literature
    河北平原南部 Southern Hebei plain 37°50′ 116°28′ [2]
    甘肃省临泽县 Linze, Gansu 39°09′ 100°21′ [7]
    内蒙古锡林河流域 Xilin river basin, Inner Mongolia 43°26′ 117°12′ [14]
    内蒙古武川县 Wuchuan, Inner Mongolia 40°47′ 110°30′ [15]
    内蒙古乌盟县 Wumeng, Inner Mongolia 39°37′ 109°16′ [16]
    内蒙古锡林河流域 Xilin river basin, Inner Mongolia 43°26′ 117°12′ [17]
    内蒙古腾格里 Tenggeli, Inner Mongolia 37°32′ 105°02′ [18]
    内蒙古黑岱沟 Heidai ditch, Inner Mongolia 39°47′ 110°18′ [19]
    内蒙古前郭县 Qianguo, Inner Mongolia 45°35′ 124°10′ [20]
    新疆三工河流域 Sangong river basin, Xinjiang 43°50′ 87°49′ [21]
    新疆玛瑙斯河流域 Manasi river basin, Xinjiang 45°27′ 86°32′ [22]
    新疆阜北农场 Fubei farm, Xinjiang 43°50′ 87°49′ [23]
    新疆阿拉尔垦区 Alar region, Xinjiang 40°22′ 80°30′ [24]
    新疆阜康试验站 Fukang experiment station, Xinjiang 44°17′ 87°56′ [25]
    甘肃省合水县 Heshui, Gansu 36°37′ 109°08′ [26]
    甘肃省榆中县 Yuzhong, Gansu 35°57′ 104°09′ [27]
    甘肃省张掖市 Zhangye city, Gansu 39°10′ 100°30′ [28]
    甘肃省西峰区 Xifeng area, Gansu 36°42′ 109°13′ [29]
    甘肃省平川镇 Pingchuan town, Gansu 39°21′ 100°08′ [30]
    甘肃省合水县 Heshui, Gansu 36°4′ 108°28′ [31]
    陕西省长武县 Changwu, Shaanxi 35°14′ 107°41′ [32]
    陕西省杨凌示范区 Yangling, Shaanxi 34°17′ 108°00′ [33]
    陕西省米脂县 Mizhi, Shaanxi 37°87′ 110°18′ [34]
    陕西省安塞县 Ansai, Shaanxi 36°51′ 109°19′ [35]
    陕西省安塞县 Ansai, Shaanxi 36°45′ 109°19′ [36]
    陕西省长武县 Changwu, Shaanxi 35°21′ 107°75′ [37]
    陕西省延安公路山 Yanan Gonglu mountain, Shaanxi 39°47′ 110°18′ [38]
    陕西省北部丘陵区 Hilly area of northern Shaanxi Province 38°45′ 109°40′ [39]
    陕西省杨凌市 Yangling, Shaanxi 34°28′ 108°07′ [40]
    陕西省永寿县 Yongshou, Shaanxi 34°47′ 108°05′ [41]
    吉林省长邻县 Changlin, Jilin 44°44′ 123°44′ [42]
    山东省利津县 Lijin, Shandong 37°28′ 118°10′ [43]
    山东省淄博市 Zibo, Shandong 37°35′ 110°50′ [44]
    宁夏吴忠市 Wuzhong, Ningxia 37°30′ 105°50′ [45]
    河北省曲周县 Quzhou, Hebei 36°52′ 115°01′ [46]
    陕西省安塞县 Ansai, Shaanxi 35°43′ 109°16′ [47]
    陕西省高桥县 Gaoqiao, Shaanxi 36°39′ 109°11′ [49]
    吉林省松嫩平原 Songnen, Jilin 44°43′ 123°45′ [58]
    青海省刚察县 Gangcha, Qinghai 37°21′ 100°04′ [60]
    宁夏盐池县 Yanchi, Ningxia 37°54′ 107°27′ [70]
    陕西省安塞县 Ansai, Shaanxi 36°46′ 109°16′ [71]
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    表 2  不同气候区SOC和SIC含量

    Table 2.  SOC and SIC contents in different climate zones

    气候区
    Climatic zone
    土层深度 (cm)
    Soil depth
    土地利用
    Land use
    SOC (g/kg) SIC (g/kg)
    最大值Max. 最小值Min. 平均值Mean 最大值Max. 最小值Min. 平均值Mean
    温带大陆性气候Temperate continental climate 0—20 草地Grassland 12.88 0.27 5.67 A 21.52 2.67 12.50 a
    林地Forest 24.07 0.41 6.44 A 14.14 2.69 6.57 b
    农田Cropland 18.85 2.51 6.87 A 18.95 4.83 8.86 b
    20—100 草地Grassland 12.89 2.33 6.22 A 23.96 9.80 18.31 a
    林地Forest 4.84 0.36 2.63 C 10.45 1.92 3.67 c
    农田Cropland 13.00 0.85 5.03 B 22.42 5.39 10.88 b
    温带季风性气候Temperate monsoon climate 0—20 草地Grassland 11.00 3.32 7.31 B 18.11 4.93 11.99 a
    林地Forest 5.44 2.62 3.86 C 14.98 10.82 13.08 a
    农田Cropland 4.83 14.73 9.37 A 11.10 6.20 8.94 a
    20—100 草地Grassland 5.63 1.90 3.50 A 15.22 10.94 13.33 a
    林地Forest 6.98 1.49 2.73 A 16.88 11.05 14.46 a
    农田Cropland 6.18 1.49 3.49 A 21.09 7.40 11.44 b
    注(Note):同列数据后不同大写字母表示相同气候区同一土层不同土地利用类型间 SOC 含量差异显著;同列不同小写字母表示相同气候区同一土层不同土地利用类型间 SIC 含量差异显著 Different capital letters in a column represent significantly different in SOC content among land use types for the same climatic zones and soil layers; Different lowercase letters in a column represent significantly different in SIC content among land use types for the same climatic zones and soil layers.
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-05-23
  • 刊出日期:  2018-11-01

不同土地利用方式对土壤有机无机碳比例的影响

    作者简介:李雄E-mail: lixiong107215@163.com
    通讯作者: 张旭博, zxbmylove1003@163.com
    通讯作者: 孙楠, sunnan@caas.cn
  • 1. 贵州大学农学院,贵阳 550025
  • 2. 中国科学院地理科学与资源研究所/生态网络观测与模拟重点实验室,北京 100101
  • 3. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/耕地培育技术国家工程实验室,北京 100081
  • 4. 贵州工程职业学院,德江 565200

摘要:  目的 土壤有机碳 (SOC) 和无机碳 (SIC) 对全球碳循环和减缓气候变化具有重要作用,进一步明确二者之间相互转化关系,对准确估算土壤碳储量具有重要意义。现有研究对SOC和SIC相互关系缺乏系统量化,研究结果不一。因此,明确SOC和SIC之间相互关系,可为准确估算和模拟土壤碳的转化过程提供理论基础。 方法 本研究搜集了我国1990—2018年已发表的文献共41篇,从不同气候区、不同土地利用方式、不同土层深度探究了SOC和SIC比例的变化,进一步量化了二者之间的相互关系。 结果 不同气候区、不同土地利用方式下土壤SOC/SIC值在0—20 cm土层均大于20—100 cm土层。具体来说,在温带大陆性气候区,草地0—20 cm土壤SOC/SIC值最小 (0.53),林地 (0.90) 和农田 (0.80) 土壤较高,且三种土地利用方式下SOC和SIC呈极显著正相关关系;而在温带季风性气候区,0—20 cm土壤SOC/SIC值表现为草地 (0.82) ≈ 农田 (1.05) > 林地 (0.29),且SOC和SIC在林地、农田土壤中呈正相关关系,但在草地土壤中二者为负相关关系。另外,温带大陆性气候区20—100 cm以林地土壤SOC/SIC值最高,草地和农田次之,而在温带季风性气候区三种土地利用方式下无显著差异;SOC和SIC在林地和农田土壤中呈正相关关系,然而在草地土壤中为负相关关系。温带大陆性气候区SOC/SIC值总体以林地较大,农田、草地次之。温带季风性气候区,0—20 cm土层SOC/SIC值以草地较大,农田和林地分别次之。这可能是因为植被覆盖不同,导致了作物碳的归还量不一。同时,不同的植被覆盖还影响了土壤中的各种生物化学进程,改变了碳在土壤中的循环转化过程,进而影响了SOC和SIC含量,使得SOC/SIC值产生较大差异。 结论 SOC和SIC之间存在循环转化关系,且不同气候条件、不同土地利用方式、不同土壤类型对SOC和SIC循环转化存在显著影响。不同条件下SOC/SIC值存在显著差异,且二者呈现不同的相关性。本研究结果可为明确土壤碳的循环积累机制,准确估算土壤有机和无机碳库提供理论依据。

English Abstract

  • 土壤碳库是陆地生态系统中最大且周转周期最慢的碳库,主要由土壤有机碳 (Soil organic carbon,SOC) 和无机碳 (soil inorganic carbon,SIC) 两部分组成,是继海洋碳库和地质碳库之后的第三大碳库[1]。全球0—100 cm土壤剖面SOC的储量约为1220~1576 Pg,SIC的储量约为700~1700 Pg[2]。SOC和SIC的巨大库容决定了二者在碳循环和减缓气候变化方面具有重大作用[3]

    有学者对我国SOC和SIC储量的研究发现,0—100 cm土壤剖面SOC储量为83.8 Pg,SIC储量为77.9 Pg,且该研究结果表明我国的SOC储量高于美国的SOC储量 (65.5 Pg)[4]。Wu等[5]对我国SIC储量的估计值为55.3 Pg,且该研究发现SIC主要分布在我国的华北、西北地区,土地利用方式对SIC的储量影响显著。Wang等[6]在新疆地区的研究发现,农田土壤中SOC和SIC的含量高于撂荒地。也有学者通过在甘肃河西走廊、宁夏云雾山等地区的研究发现,农田土壤中SIC的含量高于草地[78]。这些研究结果均表明,在干旱半干旱地区将土地转化为农田有利于SIC的积累。

    陆地生态系统中存在着“SOC—CO2—SIC”的微碳循环系统,SOC以CO2为媒介转化为SIC[9],当前对SOC和SIC相互关系的研究极其缺乏,且研究结果不一。潘根兴等[10]研究发现,在干旱地区,由石灰性母质发育的均腐土、淋溶土、干旱土和雏形土的SOC和SIC呈现负相关关系。然而,在我国新疆焉耆盆地,SOC和SIC呈现显著的正相关关系[11]。同时有学者在加拿大以及美国部分地区的研究结果也表明SOC和SIC为显著的正相关关系[1213]。因此,急需系统量化不同条件下SOC和SIC之间的相互关系,进一步明确碳在土壤中的转化过程。

    本研究旨在总结现有关于SOC和SIC研究的结果,通过数据的收集、整理、分析,量化SOC和SIC之间的相互转化关系,以期为更好地理解碳循环、更准确地模拟碳在土壤中的转化过程、更精准地估计碳储量奠定理论基础。

    • 为了系统地揭示SOC和SIC的相互关系,本研究从Web of Science、中国知网和百度学术等文献库对1990—2018年期间发表的文献进行检索。选取土壤碳库 (soil carbon pool,soil carbon stock),土壤有机碳 (soil organic carbon) 和土壤无机碳 (soil inorganic carbon) 等关键词进行文献搜集。筛选文献采用以下标准:1) 文献中数据至少含有均值、标准差SD (或标准误差SE) 和重复数 3个要素,其中重复数至少为3次;2) 文献中必须包含SOC和SIC含量或其中一个数据以及总碳 (soil total carbon, STC) 含量 (STC = SOC + SIC);3) 文献中包含明确的土地利用方式 (草地、林地、农田等)。同时,还获取了每个独立试验站点的基本信息,包括气候类型、地理位置 (经度、纬度和海拔)、土壤类型、年降雨量、年蒸发量和年均温等。

    • 本研究选用GetData Graph Digitizer 2.24软件进行数据提取,Excel2007统计整理数据,SPSS进行数据分析及Origin9.2进行作图,采用LSD法进行多重比较分析 (显著性水平P = 0.05)。

      为了进一步探讨不同气候区、不同土地利用方式及不同土壤类型SOC和SIC的比例 (相互关系),对搜集整理后的数据按照气候区、土地利用方式、土壤类型进行分类。按照各试验站点的降雨量大小,将气候区划分为温带大陆性气候区和温带季风性气候区,青海、新疆、内蒙、陕西、甘肃气候区属于温带大陆性气候区,吉林、山东、河北、宁夏为温带季风性气候区;土地利用方式包括草地、林地和农田;土壤类型包括棕壤、荒漠土和黑垆土。按照数据在土壤剖面的分布,将所得数据分为0—20 cm和20—100 cm两个土壤剖面层次。提取文献基本信息如表1所示。

      文献试验站点
      Experiment site
      纬度
      Latitude
      经度
      Longitude
      来源文献
      Source literature
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      内蒙古锡林河流域 Xilin river basin, Inner Mongolia 43°26′ 117°12′ [14]
      内蒙古武川县 Wuchuan, Inner Mongolia 40°47′ 110°30′ [15]
      内蒙古乌盟县 Wumeng, Inner Mongolia 39°37′ 109°16′ [16]
      内蒙古锡林河流域 Xilin river basin, Inner Mongolia 43°26′ 117°12′ [17]
      内蒙古腾格里 Tenggeli, Inner Mongolia 37°32′ 105°02′ [18]
      内蒙古黑岱沟 Heidai ditch, Inner Mongolia 39°47′ 110°18′ [19]
      内蒙古前郭县 Qianguo, Inner Mongolia 45°35′ 124°10′ [20]
      新疆三工河流域 Sangong river basin, Xinjiang 43°50′ 87°49′ [21]
      新疆玛瑙斯河流域 Manasi river basin, Xinjiang 45°27′ 86°32′ [22]
      新疆阜北农场 Fubei farm, Xinjiang 43°50′ 87°49′ [23]
      新疆阿拉尔垦区 Alar region, Xinjiang 40°22′ 80°30′ [24]
      新疆阜康试验站 Fukang experiment station, Xinjiang 44°17′ 87°56′ [25]
      甘肃省合水县 Heshui, Gansu 36°37′ 109°08′ [26]
      甘肃省榆中县 Yuzhong, Gansu 35°57′ 104°09′ [27]
      甘肃省张掖市 Zhangye city, Gansu 39°10′ 100°30′ [28]
      甘肃省西峰区 Xifeng area, Gansu 36°42′ 109°13′ [29]
      甘肃省平川镇 Pingchuan town, Gansu 39°21′ 100°08′ [30]
      甘肃省合水县 Heshui, Gansu 36°4′ 108°28′ [31]
      陕西省长武县 Changwu, Shaanxi 35°14′ 107°41′ [32]
      陕西省杨凌示范区 Yangling, Shaanxi 34°17′ 108°00′ [33]
      陕西省米脂县 Mizhi, Shaanxi 37°87′ 110°18′ [34]
      陕西省安塞县 Ansai, Shaanxi 36°51′ 109°19′ [35]
      陕西省安塞县 Ansai, Shaanxi 36°45′ 109°19′ [36]
      陕西省长武县 Changwu, Shaanxi 35°21′ 107°75′ [37]
      陕西省延安公路山 Yanan Gonglu mountain, Shaanxi 39°47′ 110°18′ [38]
      陕西省北部丘陵区 Hilly area of northern Shaanxi Province 38°45′ 109°40′ [39]
      陕西省杨凌市 Yangling, Shaanxi 34°28′ 108°07′ [40]
      陕西省永寿县 Yongshou, Shaanxi 34°47′ 108°05′ [41]
      吉林省长邻县 Changlin, Jilin 44°44′ 123°44′ [42]
      山东省利津县 Lijin, Shandong 37°28′ 118°10′ [43]
      山东省淄博市 Zibo, Shandong 37°35′ 110°50′ [44]
      宁夏吴忠市 Wuzhong, Ningxia 37°30′ 105°50′ [45]
      河北省曲周县 Quzhou, Hebei 36°52′ 115°01′ [46]
      陕西省安塞县 Ansai, Shaanxi 35°43′ 109°16′ [47]
      陕西省高桥县 Gaoqiao, Shaanxi 36°39′ 109°11′ [49]
      吉林省松嫩平原 Songnen, Jilin 44°43′ 123°45′ [58]
      青海省刚察县 Gangcha, Qinghai 37°21′ 100°04′ [60]
      宁夏盐池县 Yanchi, Ningxia 37°54′ 107°27′ [70]
      陕西省安塞县 Ansai, Shaanxi 36°46′ 109°16′ [71]

      表 1  文献信息

      Table 1.  Information of literature

    • 温带大陆性气候区,0—20 cm土层草地、林地和农田三种土地利用方式下,SOC含量无显著差异 (P > 0.05),20—100 cm土层SOC含量草地 > 农田 > 林地,且差异显著 ( P < 0.05);0—20 cm、20—100 cm土层SIC含量草地 > 农田 > 林地,且差异显著 ( P < 0.05)。温带季风性气候区0—20 cm土层土壤中SOC含量农田显著高于其他两种土地利用方式 ( P < 0.05),林地土壤中SOC含量最低;20—100 cm土层SOC含量无显著差异,草地和林地土壤中SIC含量无显著差异,但都显著高于农田土壤的SIC含量 ( P < 0.05, 表2)。

      气候区
      Climatic zone
      土层深度 (cm)
      Soil depth
      土地利用
      Land use
      SOC (g/kg) SIC (g/kg)
      最大值Max. 最小值Min. 平均值Mean 最大值Max. 最小值Min. 平均值Mean
      温带大陆性气候Temperate continental climate 0—20 草地Grassland 12.88 0.27 5.67 A 21.52 2.67 12.50 a
      林地Forest 24.07 0.41 6.44 A 14.14 2.69 6.57 b
      农田Cropland 18.85 2.51 6.87 A 18.95 4.83 8.86 b
      20—100 草地Grassland 12.89 2.33 6.22 A 23.96 9.80 18.31 a
      林地Forest 4.84 0.36 2.63 C 10.45 1.92 3.67 c
      农田Cropland 13.00 0.85 5.03 B 22.42 5.39 10.88 b
      温带季风性气候Temperate monsoon climate 0—20 草地Grassland 11.00 3.32 7.31 B 18.11 4.93 11.99 a
      林地Forest 5.44 2.62 3.86 C 14.98 10.82 13.08 a
      农田Cropland 4.83 14.73 9.37 A 11.10 6.20 8.94 a
      20—100 草地Grassland 5.63 1.90 3.50 A 15.22 10.94 13.33 a
      林地Forest 6.98 1.49 2.73 A 16.88 11.05 14.46 a
      农田Cropland 6.18 1.49 3.49 A 21.09 7.40 11.44 b
      注(Note):同列数据后不同大写字母表示相同气候区同一土层不同土地利用类型间 SOC 含量差异显著;同列不同小写字母表示相同气候区同一土层不同土地利用类型间 SIC 含量差异显著 Different capital letters in a column represent significantly different in SOC content among land use types for the same climatic zones and soil layers; Different lowercase letters in a column represent significantly different in SIC content among land use types for the same climatic zones and soil layers.

      表 2  不同气候区SOC和SIC含量

      Table 2.  SOC and SIC contents in different climate zones

    • 温带大陆性气候区,0—20 cm、20—100 cm土层SOC/SIC均值 (标准差) 分别为0.70 (0.34)、0.50 (0.24)(图1a图1c)。温带季风性气候区0—20 cm、20—100 cm土层SOC/SIC值分别为1.06 ± 0.05、0.31 ± 0.08 (图1b图1d)。且两个气候区SOC/SIC符合正态分布 (P < 0.05)。

      图  1  温带大陆性气候区、温带季风性气候区0—20 cm、20—100 cm SOC/SIC频率分布

      Figure 1.  Distribution frequency of SOC/SIC in the 0−20 and 20−100 cm soil layers of the temperate continental climate zone and the temperate monsoon climate zone

    • 温带大陆性气候区0—20 cm土层,草地、林地和农田土壤中SOC/SIC值变化范围 (均值) 分别为0.10~1.54 (0.53)、0.15~1.95 (0.90)、0.32~1.46 (0.80),林地和农田土壤中SOC/SIC值无明显差异,但都显著高于草地 (P < 0.05)。20—100 cm土层,SOC/SIC值变化范围 (均值)0.10~0.86 (0.38)、0.12~1.07 (0.68)、0.13~1.04 (0.49),林地土壤中SOC/SIC值显著高于草地 ( P < 0.05),农田和其他两种土地利用方式无显著差异 ( P > 0.05)。相同土地利用方式下,林地、农田土壤0—20 cm土层中SOC/SIC值显著高于20—100 cm土层 ( P < 0.05, 图2a)。

      图  2  不同气候区三种土地利用方式下0—20 cm、20—100 cm土层SOC/SIC值

      Figure 2.  SOC/SIC value in the 0−20 cm and 20−100 cm soil layers of grassland, forest and cropland in different climate zones

      温带季风性气候区0—20 cm土层,草地、林地和农田三种土地利用方式下SOC/SIC值变化范围 (均值) 分别为0.18~2.23 (0.82)、0.22~0.36 (0.29)、0.55~1.4 (1.05),农田土壤中SOC/SIC值显著高于其他两种土地利用方式,且草地显著高于林地 (P < 0.05)。20—100 cm土层SOC/SIC值变化范围 (均值) 分别为0.14~0.46 (0.27)、0.13~0.44 (0.18)、0.17~0.59 (0.31),三种土地利用方式下SOC/SIC值无显著差异 ( P > 0.05)。同一土地利用方式下,草地和农田土壤0—20 cm土层显著高于 20—100 cm土层 ( P < 0.05, 图2b)。

    • 温带大陆性气候区,草地、林地和农田三种土地利用方式下总的SOC和SIC在0—20 cm、20—100 cm两个土层呈极显著正相关关系 (图3a)。温带季风性气候区,0—20 cm土层二者呈显著负相关关系,20—100 cm土层则呈显著正相关关系 (图3b)。

      温带大陆性气候区,草地、林地和农田0—20 cm土层中SOC和SIC均呈现极显著正相关关系 (图3c);林地和农田20—100 cm土层中,SOC和SIC呈极显著正相关关系。然而,草地土壤20—100 cm土层二者则呈现显著负相关关系 (图3e)。温带季风性气候区,林地和农田0—20 cm、20—100 cm土层中SOC和SIC均为显著的正相关关系,而在草地中则为显著的负相关关系 (图3d图3f)。

    • 农田土地利用方式下,0—20 cm土层,棕壤土、荒漠土和黑垆土三种土壤类型中SOC/SIC值变化范围 (均值) 分别为0.84~1.27 (1.10)、0.33~1.96 (1.00)、0.17~0.72 (0.45),棕壤土和荒漠土SOC/SIC无显著差异 (P > 0.05),但均显著高于黑垆土 ( P < 0.05)。20—100 cm土层,三种土壤类型二者比例 (均值) 分别为0.18~0.53 (0.35)、0.19~1.15 (0.58),0.13~0.59 (0.28),荒漠土显著高于其他两种土壤 ( P < 0.05),其他两种土壤类型间无显著差异 ( P > 0.05)。同一土壤类型,0—20 cm土层SOC/SIC值均显著高于20—100 cm土层 ( P < 0.05, 图4)。

      图  4  棕壤土、荒漠土、黑垆土农田0—20 cm、20—100 cm土层SOC/SIC值

      Figure 4.  SOC/SIC value in 0−20 cm and 20−100 cm of brown loamy soil, desert soil and dark loessial soil in cropland

      三种土壤类型中SOC和SIC在0—20 cm、20—100 cm土层均呈现正相关关系,且棕壤土和荒漠土中二者极显著正相关 (P < 0.01, 图5)。

      图  5  棕壤土、荒漠土、黑垆土农田0—20 cm、20—100 cm SOC和SIC的相互关系

      Figure 5.  Relationship between SOC and SIC in the 0−20 cm and 20−100 cm of brown loamy soil, desert soil and dark loessial soil in cropland

    • 温带大陆性气候区,0—20 cm土层草地、林地、农田土壤中SOC含量无显著差异。其原因可能是本研究搜集的数据中,草地和林地部分的数据为人工管理措施下的植被恢复,植被地上、地下生物量较丰富,作物碳回归量大,SOC含量无显著差异[4748]。SIC含量为草地 > 农田 > 林地,草地土壤中植物根系较浅,根系分泌物对SIC的影响较小,而林地土壤中植物根系发达,根呼吸、根系分泌物会形成酸性环境,易造成SIC的溶解 [49]。因此,在林地土壤中SIC含量最低 (表2)。

      温带季风性气候区,0—20 cm土层农田土壤中SOC含量最高,其原因可能是施肥、灌溉等农田管理措施促进了作物的生长,作物碳归还量较高,且秸秆还田、有机无机配施等管理措施进一步提高了SOC的含量[5051]。草地、林地土壤中SIC含量显著高于农田土壤中SIC含量。该气候区降雨量丰富,土壤水分含量较高,不利于SIC的形成,农田土壤中集中式的灌溉措施会引起SIC的溶解,易淋失至更深层土壤[5253],导致SIC含量低于其他两种土地利用方式 (表2)。

    • 温带大陆性气候区,SOC/SIC为林地 > 农田 > 草地。一方面,林地土壤中植物根系发达,分泌物较多,土壤腐殖层较厚,腐殖质含量高,且微生物活动旺盛,促进了有机质的分解,提高了SOC的累积 [5457]。农田土壤中施肥和灌溉等农田管理措施促进了作物的生长,作物根系发达,有益于SOC的累积,但对土壤的翻耕等会加速SOC的矿化,且作物成熟后被收割,减少了碳素向土壤的输入,一定程度上降低了SOC的含量[5859]。该气候区草地多为荒漠草原,地上生物量相对少,投入土壤中的碳素较少,所以草地SOC相对最低[6061]。另一方面,SOC分解会释放更多的CO2,与土壤水作用后形成酸性环境,而且根系分泌物产生有机酸,导致土壤pH降低,促进了SIC的溶解[60, 62],因此,根系相对发达的林地土壤中SIC含量较低,SOC/SIC值较大 (图2a)。

      相同土地利用方式,草地土壤不同土层中SOC/SIC无显著差异,因为该气候区草地土壤中SOC含量较低,导致在两个土层其比例较低。林地和农田土壤中0—20 cm土层SOC和SIC比例显著高于20—100 cm (图2a)。这与SOC、SIC含量随土壤深度的变化有关:SOC含量随土壤深度的增加而降低,SIC含量则随土壤深度的增加而增加[6, 63],因此,SOC/SIC值随之降低。

      温带季风性气候区0—20 cm土层中,SOC/SIC表现为草地 > 农田 > 林地 ( 图2b)。该气候区草地土壤中常伴生灌木,植物种类复杂多样,回归土壤枯枝落叶量大,微生物活动频繁,促进了SOC的累积[6465];农田管理措施促进了作物的生长,作物根系发达,分泌物增多,但作物成熟后地上部分被移除,降低了SOC含量[58]。本研究搜集的文献中林地大多为乔木林,群落结构较简单,且植物自身消耗也多,土壤碳归还较少,导致SOC含量低,SOC/SIC值较低。

    • SIC主要为碳酸盐类,包括岩生性碳酸盐、发生性碳酸盐。岩生性碳酸盐主要由母岩发育形成,在较短时期内不会发生改变。发生性碳酸盐在风化成土过程中形成,以碳酸钙为例,其形成过程包括以下两个化学过程[41, 54, 66]

      通常情况下,SOC含量增加能提高土壤中CO2的浓度,此时,反应 (1) 向右移动,HCO3和H+含量提高,在土壤中形成酸性环境,易造成碳酸钙的溶解,即SIC的含量下降,SOC、SIC呈现负相关关系[6768]。当土壤中钙镁离子含量较高时,高的HCO3则使反应 (2) 向右移动,利于碳酸钙的形成,即SIC含量增加,二者呈现正相关关系[11, 69]

      本研究结果表明在温带大陆性气候区,林地和农田0—20 cm、20—100 cm土层SOC和SIC皆为正相关关系,和前人研究结果一致[2, 70]。该气候区土壤类型大多为碱性土,土壤pH > 7.5,具备一定的酸碱缓冲能力,而额外的钙镁离子则促进了碳酸盐类物质的形成,SOC含量越高,分解产生的CO 2越多,更有利于碳酸盐的形成。因此,SOC、SIC呈现正相关关系 (图3a图3c图3e)。然而,草地0—20 cm土层中二者呈正相关关系,20—200 cm土层呈负相关关系 (图3c图3e),0—20 cm土层,植物枯枝落叶较多,SOC含量较高,分解产生CO2,有利于SIC的形成,20—100 cm土层SIC含量明显增加,而SOC含量由于受到作物碳归还的限制,其含量急剧减少[54, 66],二者呈负相关关系。

      温带季风性气候区0—20 cm、20—100 cm土层草地中SOC和SIC呈现负相关关系,与Li等[60]和Zhao等[71]研究结果一致。该气候区气候湿润,植被覆盖较好,植被根系和凋落物丰富,产生了大量的有机酸,降低了土壤pH[63, 71],且SOC分解产生CO2,土壤中CO2分压增强,促使反应 (1) 向右移动,产生更多的H+,易造成碳酸盐的溶解。因此,SOC和SIC呈显著的负相关关系。农田土壤中施肥、灌溉等农田管理措施促进了作物生长,提高了生物量的投入,增加了作物碳的归还,SOC含量提高[7273],同时施肥、灌溉等农田管理措施向土壤提供额外的钙镁离子,促使反应 (2) 向右移动,促进SIC的形成[7475],田土壤中二者为正相关关系。林地土壤中二者相互关系与Zhao等[71]的研究结果不一致,其机制需要进一步探究明确 (图3b图3d图3f)。

      图  3  不同气候区、土地利用方式及土层SOC和SIC相互关系

      Figure 3.  Relationship between SOC and SIC affected by climatic regions, land use and soil layers

    • 农田土地利用方式下,20—100 cm土层荒漠土SOC/SIC高于棕壤土和黑垆土 (P < 0.05, 图4)。荒漠土未开垦为农田时,植物类型大多为荒漠草原,有机质和养分含量极低,且植物残渣年归还量低,SOC含量低。开垦为农田后,灌溉和施肥等增加了有机胶结物质的输入,持续的农业利用提高了作物地上、地下部生物量,增加了土壤碳的输入,SOC含量提高[72]。因此,荒漠土开垦为农田提高了SOC含量,SOC和SIC比例随之提高。同时农田管理措施还提供了额外的钙镁离子[74],所以在提高SOC含量的同时,存在SOC向SIC的转化,三种土壤类型中SOC和SIC均呈现正相关关系 (图5)。

    • 不同土地利用方式、不同土壤剖面深度对SOC和SIC比例影响显著,SOC和SIC在温带大陆性气候区0—20 cm土层为显著的正相关关系,20—100土层林地和农田中SOC、SIC呈正相关关系,但草地呈负相关关系。温带季风性气候区0—20 cm、20—100 cm土层林地和农田中SOC、SIC呈正相关关系,但在草地中呈负相关关系。这表明碳在土壤中存在着显著的转化循环,SOC可能最终转化为SIC储存,也可能溶解SIC,导致土壤碳的流失,这种相关性与土地利用方式密切相关。就目前的研究现状来看,我国对土壤碳库的大部分研究只关注SOC,忽略了对SIC的研究,对土壤碳储量估计值偏低,未来的研究应该侧重于不同气候条件、不同土地利用类型、不同土壤类型及农田管理措施下SOC和SIC的相互关系,明确土壤碳的循环积累机制,精确地估算土壤碳储量。

参考文献 (75)

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