解宪丽 孙 波 潘贤章

(中国科学院南京土壤研究所,江苏南京210008)

红壤丘陵区土壤有机碳储量模拟3

解宪丽 孙 波 潘贤章

(中国科学院南京土壤研究所,江苏南京210008)

土壤的有机碳蓄积量及其动态变化,不仅是维持农业生产可持续发展的重要因素,而且在全球变化碳循环研究中具有重要地位。本文基于GIS技术和DNDC模型,以江西省余江县为例,模拟研究了典型红壤丘陵区不同土地利用方式下的土壤有机碳储量及其变化。结果表明:余江县表层土壤有机碳储量为3.52×109kg,平均土壤有机碳密度为4.24 kg m-2。不同利用方式中,灌溉水田的土壤有机碳密度最高,其次是望天田、园地、林地和菜地,旱地的较低,草地的最低。该县土壤有机碳库的年度变化量为8.63×107kg,变化率为+2.45%。土壤有机碳密度下降的地区多位于农田区内,特别是旱地,部分灌溉水田的碳密度略有增加,林地、园地、草地的土壤有机碳密度是增加的,其中园地的增幅最大。在不考虑土壤流失的情况下,自然植被覆盖下的土壤碳截留能力强于农业植被下的土壤,但是灌溉、施肥、种植绿肥等保护性农业措施可以减少土壤碳的损失,甚至增加有机碳的储量。

土壤有机碳储量;DNDC模型;红壤丘陵区;余江县

由于大气中CO2浓度增加引起的全球气候变化,是目前国际社会普遍关注的重大环境问题。土壤有机碳的蓄积量在全球碳循环中具有重要地位,全球土壤有机碳储量0.1%的变化将导致大气中CO2浓度1.0 mgL-1的变化[1]。土壤碳库的源汇效应在很大程度上取决于土地利用变化、土地管理和生态环境的改变,不恰当的农业管理措施和土地利用方式极易引起土壤由汇到源的转变[2-3]。人口增长压力导致的土地利用和土地覆被变化直接影响到土壤生态系统的碳循环,进而对人类的生存环境和社会经济的可持续发展可能产生重要的影响[4]。由于长期对土地资源的不合理利用,我国东南红壤丘陵区的土壤退化问题极其严重[5]。探讨该地区不同土地利用方式下的土壤有机碳储量及其动态变化,不仅能为国家尺度和全球尺度的碳循环研究提供必要的区域信息,还可以为区域农业可持续发展提供决策依据。

现阶段有关东南红壤丘陵区土壤碳储量的研究并不多见,已有的研究大多基于定点采样分析[6-9]。而在区域尺度上定量预测土壤有机碳储量的时空变化,基于过程的土壤有机质模型与GIS的结合将是必需的。土壤有机质模型以气象、土壤、土地利用和农田管理为驱动条件,对土壤有机质的产生、分解和转化等过程进行数字模拟,以达到预测土壤有机碳动态的目的。目前土壤有机质循环模型已开发出多种,应用尺度也已经由点位扩展到区域。1995年在英国洛桑(Rothamsted)农业实验站举办的“应用长期观测数据评价土壤有机质模型”国际高级学术讨论会上 ,RothC、CENTURY、DAISY、CANDY、NCSOIL、DNDC等 6 个模型被评选为表现优秀的土壤有机质模型[10]。其中由New Hampshire大学李长生教授等开发的DNDC模型[11-14]以其比较精确的模拟结果和简单的参数输入被广泛应用,国内有些科学家已开始使用DNDC模型预测土壤碳储量及其变化。1995-1998年间中国和美国科学家使用DNDC模型对中国和美国农业生态系统中土壤有机碳的动态进行了全国范围的预测[15-16]。王立刚等利用中国农业大学曲周实验站的氮磷化肥配施长期定位试验和翻免耕长期定位试验数据验证DNDC模型,其模拟值与实测值之间吻合程度较好[17]。韩冰等在辽宁省农田土壤碳库分布及变化的模拟分析研究中使用了DNDC模型,对其进行验证的结果表明DNDC模型模拟的结果与野外实测结果能够较好的符合[18]。江西省余江县是我国亚热带东部典型的低丘红壤分布区。本研究以余江县为例,基于GIS工具和生物地球化学模型-DNDC模型,模拟研究典型红壤丘陵区土壤有机碳储量及其动态变化,分析影响我国丘陵红壤地区土壤有机碳储量变化的因素,为提高红壤固碳能力提供依据。

1 材料和方法

1.1 研究区介绍

余江县位于江西省东北部 ,在北纬 28°04′-28°37′、东经116°41′-117°09′之间 ,属信河流域下游。全县面积931 km2,以低丘地形为主。红壤是余江县面积最大、分布最广泛的一类土壤,占全县土壤面积64.67%;水稻土是余江县面积最大、分布最广的耕作土壤,是全县土壤面积的32.28%,潮土占全县土壤面积的0.53%。余江县属亚热带湿润气候区,光热、水资源丰富,年平均气温为17.7℃,年平均降水量为1 752.1 mm,年蒸发量平均1 373.3 mm。一年间干湿期非常明显,雨季是3-6月,降水量占全年总降水量的60%。这种气候现象有利于土壤侵蚀的发展。该县植被属中亚热带常绿阔叶林带,但原生植被已破坏殆尽,现主要为人工林或荒草、灌丛次生植被,植被覆盖度较差。

1.2 DNDC模型简介

DNDC(Denitrification2Decomposition,反硝化 -分解模型)模型由两个部分组成:第一部分包含土壤气候子模型、植物生长子模型、有机质分解子模型等3个子模型,其作用是根据输入的气象、土壤、植被、土地利用和农田耕作管理数据预测植物-土壤系统中诸环境因子的动态变化;第二部分包含硝化反应子模型、脱氮反应子模型、发酵反应子模型,这部分的作用是由土壤环境因子来预测上述3个微生物参与化学反应的速率。模型的输入数据库包括两个部分:一部分储存直接与地理坐标有关的数据,如地形、气候、植被类型、土壤类型、人口、牲畜种类和密度等;另一部分储存与地理坐标没有直接关系的数据,如农作物生理特性、耕作制度、化肥种类和土壤理化性质等。当DNDC运行时,它自动读入每个模拟单元的气象、土壤、作物类型(植被类型)及田间管理数据,据此对每一个单元中的植被类型进行为期一年的模拟,由此计算出土壤中各种碳库的年度动态,由各模拟单元的汇总可计算区域土壤有机碳库的年度变化。或者也可以预测各模拟单元在某时间的初始(baseline)土壤有机碳库,从而预测区域土壤有机碳库[19]。

1.3 空间数据库

DNDC模型通常采用行政边界来划分模型模拟的单元,但行政单元内部各种驱动因子通常是不一致的。土壤有机碳的动态受气候、土质、植被和人类活动等生态驱动力的影响,这些影响因子组合上的任何变化,都会改变土壤有机碳。因此在对余江县土壤有机碳库进行模拟时,本研究采用土壤-土地利用离散单元作为模拟单位。在对土壤有机碳库进行预测时,根据每个模拟单元土壤有机质含量的最大值和最小值,分别用DNDC模型估算其土壤碳库的范围,得出平均值。

土地利用底图采用1∶5万余江县土地利用图。本研究对土地利用类型进行了合理归并,共分为9类(见表1)。土壤底图采用1∶5万余江县土壤图。由于余江县土地面积较小,鉴于同一土属的土壤属性(特别是质地)基本一致,因此本研究使用土属作为余江县土壤碳库预测时所使用的土壤类型图的基本制图单元(见表2)。

表1 余江县不同土地利用类型的土壤有机碳储量Tab11 Soil organic carbon storage under different land use types in Yujiang County

1.4 属性数据库

(1)土壤理化性质。2001年在余江县根据地形、土地利用方式和土壤类型采集了80个土壤表层(0-20 cm)样品,分析了土壤理化性质。模型模拟中使用的土壤参数包括:有机碳含量、粘粒含量、pH和容重。对于面积很小的没有采样的土属,使用第二次土壤普查《余江县土壤》①江西省余江县土壤普查办公室,余江县土壤,1986。中相应土属的典型土种数据替代。

(2)植被类型生理参数。DNDC模型在早期主要是针对农田生态系统开发的,所以其数据库中强调了农作物类型和农田管理措施等参数,在对非农田土壤进行模拟时,本研究在其参数数据库中增加与自然植被有关的参数。有关林地、灌木林地及园地的生物量和净生产量参考方精云等[20]发表的文章中有关江西省的数据。

(3)田间管理数据。研究区的各种耕作管理措施,包括耕作制度、产量、播种期和收获期等,相关数据主要参考黄国勤等[21-22]的有关中国南方耕作制度的文献。

(4)人口、牲畜、化肥等统计数据。本研究采用土壤-土地利用离散单元作为模拟单元。由于目前的人口和社会经济数据只按照行政单元统计,需要对其进行从行政单元到模拟单元的转换,本研究采用密度内插法获得各模拟单元的人口、牲畜、化肥等统计数据。具体作法如下:根据余江县2000年统计年鉴②,查找出各乡的人口、牲畜数量,然后根据各乡的面积进行平均,绘制出余江县的人口、牲畜的种类和密度图,再与土壤图和土地利用图叠加,得到各模拟单元的人口、牲畜的种类和密度。

表2 余江县不同土属的有机碳储量Tab12 Organic carbon storage of different soil types in Yujiang County

(5)气象数据。采用余江县气象站1990年的逐日气象数据,包括日最高、最低气温和日降水量③。

2 结果和讨论

2.1 不同土地利用方式下的土壤有机碳储量

根据DNDC模型模拟,余江县土壤有机碳库(0-20 cm)总量为3.52×109kg,平均土壤有机碳密度为4.24 kg m-2。表1中列出了不同土地利用类型下各模拟图斑的土壤有机碳密度最小值、最大值以及面积加权平均值,采用面积加权平均值代表不同土地利用类型下的土壤有机碳密度。由于篇幅所限,本文略去余江县土壤有机碳储量的空间分布图。从不同土地利用方式的土壤有机碳储量分布上看,有较明显差异。其中灌溉水田的碳储量最多(2.20×109kg),占总量的62.6%,远远高于其面积百分比43.7%。其次是林地(0.88×109kg),占总量的24.9%,但低于其面积百分比30.5%。不同土地利用方式下土壤有机碳密度的大小顺序是:灌溉水田>望天田>园地(经济林)>林地(包括灌木林)>菜地>旱地>草地。不同土地利用方式下土壤有机碳储量的差别与农田耕种施肥制度和生态环境条件决定的土壤有机碳输入和输出之间的平衡有关。

余江县灌溉水田的有机碳密度最高,这与其耕作制度有关。首先,水耕熟化作用使农田中的土壤有机碳得到稳定和提高,根据我国第二次土壤普查资料的统计,全国水田土壤有机碳含量普遍高于旱地土壤[23]。红壤荒地开垦作为水稻田后,在前30年中其有机碳含量随着水耕熟化过程而不断增加,到30年后趋于稳定,余江县的高度熟化的水稻土表层有机碳含量达到19.0(±1.20)g kg-1[9]。其次,余江县的灌溉水田通常实行肥-稻-稻三熟制,一般在9月下旬至10月初,二季晚稻齐穗灌浆初期,将紫云英(绿肥)散播于稻田中。紫云英一般亩产1 500-2 000 kg,高的可达2 500-3 000 kg,甚至高达5 000 kg[22]。绿肥生长迅速、茎叶繁茂、株丛密集、根系发达,能有效减少水土流失、改善土壤结构、提高土壤肥力,为农作物提供多种有效养分,并是牲畜的好饲料,畜牧业的发展能为农作物提供大量的优质有机肥[22-24]。种植绿肥还可以减少耕作干扰,降低土壤有机碳矿化速率,而且绿肥的生长季长,蒸腾速率高,导致土壤含水量降低,影响土壤微生物活性,使土壤呼吸降低[25]。因此,绿肥作为有机培肥作用的重要方式,可以通过影响土壤理化特性、作物根系生长以及残茬数量和质量、土壤微生物数量和活性等方面,维持和提高土壤碳含量水平。已有研究表明,粮草轮作以及在轮作中增加有较高生物量产出和较高秸秆C/N比的作物的种植,结合秸秆还田可以有效地降低传统种植制度对土壤有机碳储量的衰减效应。合理的轮作可以加速农田土壤碳的汇集,在轮作中加入长绿牧草可以增加土壤碳含量[26]。

不同地区的农田其有机碳密度也存在较大差别,主要与施肥量的差异有关。由图1、2可以看出,农田和经济园林土壤的有机碳储量与施用氮肥量之间呈现较高的相关性。化肥的施用可以显著提高农作物生物产量,从而增加土壤中作物残茬和根等有机质的输入来改变土壤有机碳储量。此外,据采样分析测算,高肥力旱地土壤的有机碳密度比低肥力旱地土壤高2.2 kg m-2(0-20 cm),高肥力水田土壤的有机碳密度比低肥力水田土壤高1.5 kg m-2(0-20 cm)[8]。

图1 农田模拟单元土壤碳储量(106kg)与所施氮肥量(ton)的散点图Fig.1 Relationship between nitrogenous fertilizer and soil organic carbon storage of farmlands

图2 园地模拟单元土壤碳储量(106kg)与所施氮肥量(ton)的散点图Fig.2 Relationship between nitrogenous fertilizer and soil organic carbon storage of economic forests

余江县林地、草地等自然植被覆盖下的土壤有机碳密度较低,主要原因在于乱砍乱伐以及不合理土地利用导致了该县自然植被覆盖度较差、土壤侵蚀严重、养分贫瘠,导致不仅进入土壤中的有机质较少,土壤截留碳的能力也较低。

余江县不同土地利用方式下土壤有机碳储量的差异与地形也有一定的关系。林地等自然植被主要位于丘陵上坡度较高的位置,因此土壤养分的流失也较为严重,而灌溉水田则主要位于河流两岸平原和坡底部位,土壤养分流失不严重还可以接受坡顶物质的部分沉积,因此其土壤碳储量水平较高。

2.2 不同土壤类型的有机碳储量

根据模拟结果汇总得到的余江县各土属的表层土壤碳储量(见表2)。水稻土的碳储量为2.20×109kg,约占总量的63%,远高于其面积百分比44%;红壤的碳储量为1.29×109kg,约占总量的37%,明显低于其面积百分比46%;潮土的面积很少(0.53%),其有机碳储量也很少,仅占总量的0.49%。该县水稻土的平均有机碳密度为5.51 kg m-2,红壤的为3.05 kg m-2。

水稻土的有机碳储量水平通常与土壤的养分含量水平相关,因为肥力高的耕作土壤其生产作物的根系和残茬的数量和质量较高,因而有机质的输入较多,土壤碳密度较高。潴育水稻土的面积最大,占全县土壤总面积的38%,占水稻土总面积的87%,集中分布于河流两岸平原及山丘沟谷中地形较为开阔平坦的部位,是在地面水与毛管水共同作用下形成的,属形成发育良好的一类土壤,土体中水气肥协调,通常为高产田,土壤养分含量水平较高,因而其土壤碳储量水平较高。淹育水稻土的面积少而零星,主要分布在低中丘地区高平地段的沟谷排田及丘陵地块,属地表水型水稻土,多为天然水灌溉的“望天田”,淹水时间不长,氧化还原程度较弱,属初期发育阶段的水稻土,余江县的淹育水稻土一般距村庄较远,耕作管理粗放,施肥量也较少,一年只种一季,通常属低产田。余江县的潜育水稻土约占水稻土总面积的10%,多分布在丘陵沟谷等排水差的低洼地位,土壤的全量养分含量水平高,潜力大,但由于长期处于渍水还原状况,有机质的矿化程度及生物吸收量低,还原性物质多,同时土粒分散,结构性差,其有效肥力较低。

余江县红壤有机碳储量水平较低,原因主要有两个。首先,红壤是亚热带生物气候条件下形成的一种地带性土壤,土壤养分含量低是红壤的重要农化特性。在亚热带生物气候条件下,土壤有机质虽有一定量的积累,但矿化分解也很快,其活性腐殖质约占有机质总量的31.1%,说明在红壤有机质总量中有1/3易于矿化分解,腐殖质组成以富里酸为主,表明土壤有机质腐殖化程度低[27]。其次,余江县土壤的区域分布主要是水稻土和红壤之间的枝形土壤组合,而该县的土壤侵蚀主要发生在红壤上。第二次土壤普查表明,红壤侵蚀面积已占总面积的45.3%,在侵蚀红壤中,中度和强度侵蚀红壤又占其侵蚀面积的40%[28]。红壤侵蚀的过程常常伴随着养分的流失,造成土壤中的有机质含量较低。

2.3 土壤有机碳储量的年度变化

经过模拟,余江县土壤有机碳库的年度变化量为8.63×107kg,变化率为+2.45%。表3中列出了不同土地利用类型下各模拟图斑土壤有机碳密度变化量的最小值、最大值以及面积加权平均值,采用面积加权平均值代表不同土地利用类型下的土壤有机碳密度年度变化量。由于篇幅所限,本文略去余江县土壤有机碳密度年度变化量的空间分布图。对比余江县土地利用图和有机碳密度年度变化量分布图(图略)可以发现,有机碳储量下降的地区全部位于农田区内,特别是旱地,但是大部分灌溉水田的碳储量是增加的。林地、园地、草地等区域的碳储量是增加的,特别是园地的增幅最大。

不同利用方式下土壤有机碳变化的模拟结果与孙波等的研究[29-30]一致。孙波等分析表明,在传统耕作方式下的旱坡地土壤有机碳的年均侵蚀损失量为16.4 g m-2,有机碳的年均形成量为23.5 g m-2,年均矿化量为31.3 g m-2,盈亏为-24.2 g m-2;低产水稻田的有机碳年均形成量为52.5 g m-2,年均矿化量为65.6 g m-2,盈亏为-13.1 g m-2,但高产水稻田由于秸秆还田量大,有机碳循环处于盈余状态,因此土壤有机质增加。李忠佩和吴大富[9]的研究表明,与1980年相比,余江县水稻土表层有机碳储量在1980-2002年间增加了1.12×108kg,年变化率为0.87%;在调查的5种水稻土中,潮砂泥田表层有机碳平均含量从18.8 g kg-1下降到16.8g kg-1,乌洪砂泥田不变,其他3种水稻土增加了2.89-5.52%。对于园地,由于具有施肥、灌水等措施,增加土壤中枯枝落叶等有机质的输入,因此其土壤碳储量的增幅最高。

余江县土壤碳储量的年度变化模拟结果表明,人类耕种活动会造成土壤有机碳储量减少,但是灌溉、施肥、种植绿肥等措施可以减少农业土壤碳储量的损失,甚至增加有机碳储量。自然植被覆盖下的土壤在没有人类干扰的情况下其土壤有机碳储量应是增加的。本研究在模拟时并没有考虑土壤侵蚀对余江县土壤有机碳库年度变化量的影响。根据已有研究[29-30],红壤丘陵区马尾松林和针阔混交林的年均凋落量分别为1.01和0.86 kg m-2,土壤有机碳年均形成量分别为50.9和39.2 g m-2,土壤侵蚀引起的土壤有机碳年损失量分别为20.4和13.5 g m-2,土壤有机碳年均矿化量分别为40.2和27.8 g m-2,盈亏分别为-96.7和-21.3 g m-2。这说明是土壤侵蚀导致了红壤丘陵区林地土壤有机碳储量的减少,而在没有土壤侵蚀发生的情况下,林地下的土壤有机碳储量应该是增加的。侵蚀是造成红壤地区有机碳含量下降的主要原因,防治土壤侵蚀、种植林草、发展人工林及林粮林果间作,均是提高土壤有机碳不可忽视的环节[31]。

表3 余江县不同土地利用方式的土壤有机碳密度年度变化量Tab13 Annual changes of soil organic carbon storage of different land use types in Yujiang County

3 结 论

应用DNDC模型模拟余江县表层土壤有机碳总储量为3.52×109kg,其中灌溉水田有机碳储量占总量的62.6%,林地占总量的24.9%,平均土壤有机碳密度为4.24 kg m-2。灌溉水田的土壤有机碳密度最高,其次是望天田、园地、林地和菜地,旱地和草地较低。这种差异主要是由耕作施肥和生态环境条件决定的,施用绿肥和化肥能增加耕作土壤的有机碳储量。模拟结果表明,在没有土壤侵蚀发生的情况下,余江县土壤有机碳库年度变化量为8.63×107kg,变化率为2.45%。有机碳储量下降的地区大多位于农田区内,特别是旱地,但是部分灌溉水田的碳储量是有所增加的。林地、园地、草地等区域的碳储量是增加的,特别是园地的增幅最大。

通过本研究可以看出,土地利用方式和土壤管理措施对土壤有机碳的截留起着非常重要的作用。对于农田生态系统,土壤有机碳库的源汇效应与其耕作和施肥方式有关。合理的保护性农田管理措施,例如施用有机肥、秸秆还田等,可以减少农田生态系统的碳损失,稳定甚至增加土壤中的有机碳。对于自然生态系统,采取减少砍伐、增加覆盖度等保护性管理措施,可以增加土壤有机物质的输入、减少土壤养分的流失,从而减少陆地生态系统向大气的CO2净排放、增加陆地生态系统对大气中碳的汇集。

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Simulating Soil Organic Carbon Storage and Its Dynamic Changes in a Typical Red Soil Hilly Region

XIE Xian2li SUN Bo PAN Xian2zhang
(Institute of Soil Science,Chinese Academy of Sciences,NanjingJiangsu 210008,China)

Soil organic carbon(SOC)storage and its dynamic change are not only important factors to maintain agricultural sustainable development,but also play an important role in global carbon cycle.Based on geographical information system(GIS)and soil organic carbon model—denitrification2decomposition model(DNDC),the SOC storage under different land use types and its annual change in a typical red soil hilly area,Yujiang County in Jiangxi Province,was simulated and analyzed.According to the simulation,the SOC storage in the surface soil horizons of Yujiang County were estimated to be 3.52×109kg,and the average SOC density was 4.24 kg m-2.The sequence of the SOC densities of different land use types is:irrigated paddy2rice>upland2rice>orchard>forests>vegetable land>cropland>grassland.The annual variation of the SOC storage of Yujiang County was+8.63×107kg with an increase of 2.45%without consideration of soil erosion.On the average cropland and vegetable land lost 0.04 kg m-2and 0.01 kg m-2respectively,whereas orchard,grassland and forests gained 0.54 kg m-2,0.21 kg m-2,and 0.17 kg m-2respectively.Land use types and soil management have important influence on soil carbon sequestration.Our results demonstrated that the performance of soil carbon sequestration under natural vegetation is generally higher than that under agricultural vegetation despite soil erosion.For farmland,the source/sink effect of SOC is highly related to the agronomic practices.Conservation managements,such as irrigation,fertilization,and green manure planting,can maintain the storage of SOC.

soil organic carbon storage;denitrification2decomposition model;red soil hilly region;Yujiang County

S153.6

A

1002-2104(2010)09-0146-07

10.3969/j.issn.1002-2104.2010.09.025

2010-04-01

解宪丽,博士,助研,主要研究方向为土壤质量演变、遥感及GIS应用。

3国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(No.2005CB121108)和国家自然科学基金项目(No.40801081)资助。

(编辑:王爱萍)