文 伟

(中南林业科技大学， 湖南 长沙 410004)

土地利用方式变化对湘中丘陵区土壤碳氮 含量的影响

文 伟

(中南林业科技大学， 湖南 长沙 410004)

对湘中丘陵区水田、旱地、农田、撂荒地和林地5种土地利用方式下土壤碳氮含量垂直分布特征进行比较分析。结果表明：5种土地利用方式下，土壤有机碳含量的空间垂直分布基本随着土层深度的增加而降低，水田的土壤全氮、有机碳平均含量、土壤容重均值均高于旱地土壤，水田土壤全氮含量、有机碳含量、土壤容重分别为2.03%、3.89 g/kg、1.20 g/cm3；农田土壤的有机碳、全氮含量、碳氮比均高于撂荒地土壤的；水田转化为林地后，土壤全氮含量和有机碳含量分别比水田土壤低212.00%和80.80%，而土壤容重比水田的高7.69%，但林地土壤的容重高于农田；农田撂荒后，土壤的全氮含量变化规律呈现随土层深度增加而减少的趋势，最高值出现在0～5 cm土层，为0.314%，最低值出现在30～35 cm土层，为0.052%。

土地利用方式； 生物化学计量特征； 土壤碳含量； 土壤氮含量； 湘中丘陵区

土地利用是指人类根据土地的自然特点及自身属性，按照一定的自然规律、经营政策、经济社会目的，采取一系列生物、技术手段对土地进行周期性的改造活动，使其能满足一定生产、生活目的需求[1-2]。目前，土地的利用方式及其差异与转变对区域、全球生物地化循环的影响受到越来越多学着的关注，土地利用方式的改变通过影响物质循环和能量流动直接或间接地改变着土壤和植物体之间营养元素的交换状况，特别是植物体所需大量元素的交换状况，从而影响到土壤碳库的温室气体排放及全球气体循环[3-4]。土壤有机碳含量是土壤质量的决定因素，可影响土壤物理、化学性质和生物特征及其过程。土壤有机碳根据微生物可利用程度分为易分解有机碳、难分解有机碳和惰性有机碳。易分解有机碳有较高的生物利用率与损失率。难分解有机碳则有较高的残留率，一般占土壤有机质的60%～80%，且有相当多的部分参加到腐殖质的形成过程中去。土壤有机碳主要来源于植物、动物、微生物残体和根系分泌物，并处于不断分解与形成的动态过程中。因此，土壤有机碳含量在生态系统中的特定条件下处于动态平衡。已有相关研究表明，土壤的有机碳含量在很大程度上受到土地利用方式和覆盖情况的影响[5]，并且土壤有机碳含量会以反馈的形式影响地表植物水分和营养元素的吸收，进而直接影响生物量[6]。氮元素是调节陆地生态系统生物量、结构及功能的关键因子[7]，在一定条件下，可以视为群落初级生产量和次级生产量的限制因子[8]，而且由不同土地利用方式引起的土壤碳库的变化会在一定程度上影响到土壤氮元素的循环格局，从而在更大程度上对生态系统的稳定性和可持续性造成改变[9-10]。为此，国内外很多学着对不同土地利用方式下土壤碳氮特征进行了研究。Ddlcourt对皆伐后的森林和土地耕作活动进行了研究，发现土地利用活动的干扰造成的土壤碳流失量为40%[11]；Solomon将农田土壤与原始林地土壤进行了对比分析发现，农田土壤的有机碳含量远低于原始林土壤的有机碳含量[12]。湖南省地处中亚热带季风湿润气候区，土地利用方式多样，土地转化率高，局部区域土地利用方式不合理，导致土壤退化，环境可持续性差，人与环境矛盾日益尖锐[13]。鉴于此，作者对土地不同利用方式变化下湘中丘陵区土壤碳氮垂直分布特征进行分析，为探讨土地利用方式对陆地生态系统碳氮循环和生态系统化学循环以及土地管理规划与利用提供科学依据。

1 研究区概况

试验地位于湖南省醴陵市船湾镇，其地理位置为27°25′39.82″N、113°29′30.88″E。该区地处罗霄山脉北段，属丘陵地貌；溪河密布，以渌水、纯水较大，均汇入湘江。其气候属中亚热带季风性湿润气候，年均气温17.6 ℃，年均降水量1 432 mm。区内矿藏有铅、锌、钨、金、煤和高岭土等；物种繁多，珍贵植物有银杏(GinkgobilobaL.)、水杉(Metasequoiaglyptostroboides)、罗汉松(Podocarpusmacrophyllus)等。

2 研究方法

2.1样品采集

于醴陵市船湾镇的水田、旱地、撂荒农田、林地典型地段各设置20个土壤采集点，每个点分为0～5 cm、5～10 cm、10～15 cm、15～20 cm、20～25 cm、25～30 cm、30～35 cm共7层进行分层取样，用环刀法测定土壤容重，然后将所采柱样的各层置于密封袋中，做好标记，带回实验室内。

2.2样品分析

土壤样品带回实验室后，自然风干，将每层混合均匀，去除石砾、根系和土壤动物残体等，然后进行土壤容重、有机碳和全氮含量的测定。容重采用环刀法测定，有机碳采用重铬酸钾外加热法测定，全氮采用凯氏定氮法测定。

2.3数据分析

土壤有机碳、全氮加权平均含量的计算公式如下：

式中：X——土壤有机碳或全氮加权平均含量；

di——第i土层土壤容重；

Ci——第i土层土壤有机碳或全氮含量；

Di——第i土层深度。

运用Excel 2010对数据进行分析并制图。

3 结果与分析

3.1水田转变为旱地对土壤碳氮含量的影响

由表1可以看出：水田的土壤全氮(TN)、有机碳(SOC)平均含量、土壤容重均值分别为2.03%、3.89 g/kg、1.20 g/cm3，均高于旱地土壤的，分别高出旱地的331.91%、94.5%、3.45%。在30～35 cm深度土层，水田的碳氮比(2.02)要比旱地的碳氮比(11.91)低83.04%；水田碳氮比的最大值(1.95)要比旱地碳氮比的最大值(3.93)低50.38%；就均值而言，水田的碳氮比(1.92)要较旱地的碳氮比(4.26)低54.93%。

表1 水田转变为旱地土壤碳氮含量变化Tab1 Carbonnitrogenindexesofpaddytransformsoilsamples指标最小值最大值均值标准偏差变异系数(%)水田全氮(%)1152822030462266有机碳(g/kg)2325513890992545土壤容重(g/cm3)1031881200211749碳氮比202195192——旱地全氮(%)0110730470183830有机碳(g/kg)1312872000422100土壤容重(g/cm3)0691481160181517碳氮比1191393426——

由图1可以看出：在土壤垂直剖面上，水田土壤的全氮含量和有机碳含量均高于旱地土壤的，水田土壤的全氮含量变化趋势与旱地土壤的基本一致；全氮含量在0～5 cm土层(表土)略低，在10～15 cm土层达到最高值，随后开始逐渐下降，在30～35 cm土层达到最低。就有机碳含量而言，水田的变化较旱地的更复杂。水田有机碳含量在0～15 cm土层深度区间呈上升趋势，随后下降；15～25 cm土层变化平缓，在25～35 cm土层深度区间又呈现下降趋势；10～15 cm土层的有机碳含量最高，30～35 cm土层的最低。旱地土壤的有机碳含量变化相对简单，在5～10 cm土层达到最高值，随后逐渐下降，在30～35 cm土层达到最低值。

图1 水田与旱地土壤垂直剖面上土壤全氮、有机碳含量 变化曲线图Fig.1 The change of TN and SOC content in paddy land soil and upland land soil

3.2农田撂荒后土壤碳氮含量的变化

从图2看出：农田和撂荒地土壤有机碳含量在土壤垂直剖面的变化规律不尽相同。农田土壤的有机碳含量在0～15 cm土层深度区间呈上升趋势，在10～15 cm土层达到最高(18.632 g/kg)，随后平稳下降，在30～35 cm土层达到最低(3.782 g/kg)，表层(0～5 cm)土壤的有机碳含量(10.427 g/kg)要高于最底层(30～35cm)土壤的；撂荒地的有机碳含量在表层达到最大值(22.359 g/kg)，随后迅速下降，最低值(3.373 g/kg)出现在最底层土层，但在15～20 cm土层的土壤全氮含量已经达到较低水平(5.303 g/kg)。

由图3可以看出：农田土壤和撂荒地土壤的全氮含量变化趋势存在一定的差异。农田土壤的全氮含量在0～20 cm土层深度区间，随土层深度的增加，全氮含量呈上升趋势，但变化幅度不大，最高值(1.033%)出现在10～15 cm土层；在20～35 cm土层深度区间，全氮含量呈下降趋势，且幅度较大，最低值(0.059%)出现在30～35 cm土层。撂荒地土壤的全氮含量变化规律呈现随土层深度增加而减少的趋势，最高值(0.314%)出现在0～5 cm土层，最低值(0.052 %)出现在30～35 cm土层。在0～5 cm土层，农田土壤的全氮含量要比撂荒地土壤的高223.57%；在30～35 cm土层，农田土壤的全氮含量比撂荒地土壤的仅高13.46%。

图2 农田和撂荒地土壤垂直剖面上的有机碳含量变化曲线图Fig.2 The change of SOC content in cultivated land soil and abandoned land soil

图3 农田和撂荒地土壤垂直剖面上的全氮含量变化曲线图Fig.3 The change of TN content in cultivated land soil and abandoned land soil

由表2可知：在0～35 cm土层深度范围内，农田的有机碳、全氮含量、碳氮比均要高于撂荒地土壤的。在C/N方面，农田的碳氮比变化较撂荒的更为复杂，但总体表现为在一定波动范围内呈现下降的趋势；撂荒地和农田C/N的最大值分别出现在25～30 cm和20～25 cm土层，分别为9.764和15.440；最小值均出现在30～35 cm土层，大小分别为6.502和6.408；最大值和最小值之间差值分别为3.262、9.032。

表2 农田和撂荒地的土坡剖面上的碳氮比Tab2 TheC/Nratioincultivatedlandsoilandaban⁃donedlandsoil土层(cm)有机碳(g/kg)全氮(%)碳氮比农田撂荒地农田撂荒地农田撂荒地0～5104272235910160314845671255～1016172173561023022113219786210～151863293151033010714230869715～201334453031012006311667847020～25834443930523005615440790025～30427553540320005513697976430～35378233730059005264086502

3.3水田转化为林地对土壤碳氮含量的影响

综合表1和表3可知：水田转化为林地后，有机碳、全氮含量均有所下降，但林地土壤的容重要高于农田。林地土壤的全氮含量和有机碳含量分别比水田的低212.00%和80.80%，但其土壤容重比水田的高7.69%。

表3 林地碳氮指标Fig3 Carbonnitrogenindexesofforestsoilsamples指标最小值最大值均值标准偏差变异系数(%)全氮(%)0230710500163274有机碳(g/kg)2174293080882857土壤容重(g/cm3)116141126006516碳氮比943604616——

4 结论与讨论

(1)水田土壤的全氮、有机碳含量分别为2.03%、3.89 g/kg，均显著高于旱地土壤。这表明，土地利用方式在由水田转变为旱地后，土壤的有机碳含量、全氮含量会有所降低。这与已有的研究结果一致[14]。由于采样时尽量避免了其他生态因子的干扰，在土壤类型、气候、地形、施肥条件等基本一致的情况下，水田的固碳能力要高于旱地，在其他干扰因素不变的情况下，耕作方式能在很大程度上影响田地土壤全氮的含量。在当前农作条件下，农作物的秸秆大量移出土壤表面，导致船湾镇的农田土壤有机质的输入量少于输出量，土壤有机质整体呈下降趋势，且由于水田土壤的湿度要远远大于旱地土壤的湿度，能在一定程度上加速土壤微生物和酶的新陈代谢，从而直接加快有机质的分解；人为施肥后，营养元素也更容易随着土壤水分的渗透经过土壤非毛管空隙进入土壤深层，从而被植株根系吸收。

(2)在垂直分布范围内，撂荒地土壤的有机碳含量、全氮含量基本都低于农田，农田的有机碳含量、全氮含量和C/N分别比撂荒地高11.15%、474.42%和47.58%。这表明农田撂荒后，土壤碳库的储量会减少，大量储存在土壤中的碳元素会随着耕作活动的停止而排放到大气中，进入大气循环，不利于提高土壤的碳蓄积能力。本研究结论与已有部分研究结果一致，如周莉[15]通过研究，农田弃耕之后，碳储量会减少，撂荒地通过自然恢复能在一定程度上提高土壤的有机碳含量；张平良[16]通过对高寒农牧交错带地区的种植地和撂荒地植被恢复措施进行研究，土壤通过一定时间的恢复，其有机碳含量和全氮含量显著提高。本研究结果发现，从短期来看，农田撂荒后会导致有机碳含量、全氮含量显著下降。土壤的理化性质与耕作方式、耕作习惯和农业管理水平显著相关，但土地利用变化对于土壤碳氮的影响机制较为复杂，目前也有一部分研究表明农田撂荒后1～2年内土壤的碳氮水平会有所上升[17]，故地被覆盖情况对土壤碳氮分布特征的影响仍存在一定的不确定性，土壤碳氮特征可能受到土壤水热条件、耕作前阶段地表覆盖情况、季节性气候变化等因素的影响，具体的影响机理有待后续进一步研究。

(3)由水田转变而来的人工林地的土壤有机碳、全氮含量均低于水田，仅有土壤容重比水田高，其中全氮含量、有机碳含量分别比水田低212.00%、80.80%，而土壤容重比水田高7.69%。本文的研究表明，水田在转变为林地后，林地的土壤碳氮含量明显低于相邻的水田。因此，从固碳效果来看，土地利用方式为水田的土壤要优于被林地覆盖的土壤。李忠佩[18]分析了不同利用方式下土壤有机碳库的密度及其变异，发现亚热带人工林土壤有机碳和营养元素含量一般要低于临近的农田土壤。由此可见，土地利用变化对于土壤碳氮含量变化的影响因气候、土壤、生物以及耕作管理水平的不同而存在差异，导致不同土地利用方式之间土壤碳氮含量差异的根本原因在于系统有机物输入和输出量的相对大小。本文研究区域属于长江中下游平原地区，耕作历史悠久，在耕作其间，通过人为长期对农田输入大量有机物，导致土壤营养元素特征发生极大改变，农田转变为森林后，虽然植被覆盖显著提高，生物量增加，但由于森林生长年限较长，且外界人为输入营养元素的活动少，有机质在土壤内部难以在短时间内累积，从而造成了林地土壤的有机碳含量和含氮量要低于临近农田土壤的现象。

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SoilcarbonandnitrogenconcentrationunderdifferentlandutilizationmethodincentralhillyareaofHunanProvince

WEN Wei

(Central South University of Forestry and Technology， Changsha 410004， China)

A comparative study was made of the vertical distribution characteristics of soil carbon and nitrogen contents of five kinds of land utilization types of paddy，upland，cultivated land abandoned land，and forest soil in the central hilly area of Hunan Province.The results show that the soil organic carbon content decreased gradually with the increase of soil depth on 5 kinds of land utilization types and according to the variation coefficient，TN，SOC content and soil bulk density mean value of paddy soil are higher than those in upland soil，the value is 2.03%、3.89 g/kg、1.20 g/cm3respectioely；Cultivated land TN，SOC content and soil bulk density mean value are higher than abandoned land soil.After paddy field convert into forest，TN content and SOC content respectively 212.00% and 80.80% lower than the paddy field，the soil bulk density is higher than paddy of 7.69%，but forest soil bulk density is higher than paddy soil；the soil TN of abandoned land reduce with the increase of soil thickness，peak value is found in 0～5 cm soil layer，is 0.314%，and the lowest value is found in 30～35 cm soil layer，is 0.052%.

land utilization method； ecological stoichiometry characteristics； soil carbon content； soil nitrogen content； central hilly area of Hunan Province

2015-12-17

中南林业科技大学研究生创新基金“间伐对马尾松人工林群落特征及火行为影响”(CX2015A03)。

文 伟(1988-)，男，湖南省醴陵市人，硕士研究生，主要从事生态学研究。

S 154.1

A

1003 — 5710(2016)02 — 0071 — 05

10. 3969/j. issn. 1003 — 5710. 2016. 02. 013

(文字编校：唐效蓉)