不同耕作制度下稻田土壤有机碳分布特征分析
——以海南省中部地区为例

唐 薇，赵志忠，王军广，赵泽阳，何柳珊

（海南师范大学 地理与环境科学学院，海南 海口 571158）

土壤是陆地生态系统最大的有机碳库[1]。土壤有机碳是在一定面积范围内在土壤微生物的作用下形成的腐殖质、保留在土壤中的动植物残体和土壤微生物体内所含碳的总量，其动态平衡影响着土壤肥力和作物产量，是土壤质量评价的重要指标[2]。近年来，由于人类对自然资源的滥用及土地利用方式的改变等，土壤碳库和大气之间的碳循环平衡遭到破坏，大量土壤有机碳被氧化并以CO2的形式释放到大气中[3]。稻田土壤作为农田生态系统的重要组成部分，其形成和发育很大程度受到农业耕作的影响，其土壤碳库受到强烈的人为干扰，农户可通过不同的耕作制度使稻田土壤的有机碳外源输入、团聚体结构、微生物活性等发生变化，从而影响土壤有机碳的周转[4，5]。因此，研究不同耕作制度下稻田土壤有机碳的分布特征，对于科学可持续地利用稻田资源、减缓土壤中温室气体的排放、增加土壤碳截存、提高土壤质量具有重要的指导意义。

当前，针对不同自然条件和生产方式下稻田土壤固碳能力、有机碳累积特征、组分、含量、分布规律及影响机制等的研究较多，研究表明水稻土具有较高的碳密度和较强的固碳能力，其有机碳的累积变化与耕作施肥等土地管理措施有关，且有机碳含量与作物产值正相关[6-11]。近年来，也有不少学者开展了海南稻田土壤有机碳的相关研究，主要探讨了稻田土壤有机碳含量变化、时空分布、组分特征及其影响因素[12-16]，而针对不同耕作制度下稻田土壤有机碳分布特征的研究相对较少。海南省地处热带，具有高温多雨的气候特征，水稻具有一年三熟的优势，稻田耕作制度的选择比内陆地区多，为探求不同耕作制度下土壤有机碳的变化提供了有利条件。本研究以海南省中部地区不同耕作制度下的稻田作为研究对象，探讨其土壤有机碳分布特征，研究耕作制度及土壤理化性质对土壤有机碳分布的影响，以期为热带地区稻田土壤质量改良及土壤的可持续利用提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 样品采集

本研究选择海南中部的定安县、屯昌县以及琼中黎族苗族自治县为研究区。研究区属于热带海洋性季风气候，光热与湿度条件优越，年均气温24.7 ℃，年总降水量2007 mm左右，年平均日照时数为1992 h。研究区土壤以黄色砖红壤为主，因母质条件不同其土壤呈现黄棕、红棕等不同颜色。通过历时1 年的实地调查及访问，在研究区内选择了7个海拔和坡度相近的采样区，分别命名为S1～S7（如图1所示），并在这7个采样区选择一熟制、二熟制、三熟制稻田和撂荒地共12个样地。其中，S2、S4、S7各设1个一熟制水稻田样地，S1设2个二熟制水稻田样地，S5设1个二熟制水稻田样地，S3设2个三熟制水稻田样地，S6设1个三熟制水稻田样地，S2、S5、S7各设1个抛荒地样地。每个样地在5 m×5 m范围内随机设置两个取样点，在每个取样点采集一个深度为30 cm 的柱状样，并将土壤剖面按10 cm 间距分为三层，分别为表层（0～10 cm）、中层（10～20 cm）和底层（20～30 cm），将所取得的样品装入封口袋，编号并带回实验室。所选样地特征如下。

一熟制稻田：土壤大多呈红棕色，采用传统犁耕，灌溉依赖自然降水。六月底七月初插秧，十月中旬收割。在插秧前施加氮肥等化肥，水稻生长期再根据长势增施复合肥，施肥1～3次，秸秆不还田。

二熟制稻田：土壤大多呈黄棕色，采用传统犁耕，雨季依赖于自然降水，旱季抽水进行灌溉。第一稻于清明前插秧，六月中旬收割。第二稻于六月底七月初插秧，十月中旬收割。在插秧前施加氮肥等化肥，水稻生长期再根据长势增施复合肥，全年施肥2～5次，秸秆不还田。

三熟制稻田：土壤大多呈黄棕、暗棕色，采用传统犁耕，雨季依赖于自然降水，旱季抽水进行灌溉。第一稻于前一年十二月底插秧，第二年三月中旬收割。第二稻于清明前插秧，六月中旬收割。第三稻于六月底七月初插秧，十月中旬收割。在插秧前施加氮肥等化肥，水稻生长期再根据长势增施复合肥，全年施肥3～7次，秸秆不还田。

撂荒地：土壤大多呈棕色，在撂荒前为水稻田，撂荒时间在3年以上，地表生长有杂草，利于积水，形成类似沼泽湿地的土地类型。

1.2 样品处理与分析

去除土样中的动植物残体和石砾，摊开自然风干待测。

图1 采样区分布Figure 1 Distribution of sampling area

土壤有机碳测定：取剔除杂物的风干土样50 g研磨，取10 g已研磨土样放入烘箱，105 ℃烘干至恒重后称取5 g置于50 mL烧杯中，向烧杯中加入30 mL蒸馏水和盐酸混合溶液（9∶1）去除碳酸盐，用磁力搅拌器搅拌至没有气泡。静置24 h 后，加入30 mL 蒸馏水离心3～4 次，直至土样呈中性。将土样放入60 ℃烘箱，约24 h后取出，冷却后研磨，取处理完成的土样25 mg用锡纸包裹，使用TOC分析仪检测土壤有机碳。

土壤粒径测定：称取0.5 g过2 mm孔径筛的风干土壤样品放入50 mL烧杯中，加入过氧化氢溶液1 mL，并用玻璃棒搅拌，待土壤样品不再反应时，移置电热板上加热，然后加入1 mL六偏磷酸钠溶液，搅拌后静置过夜；将处理后的样品放入超声波清洗机振荡，超声分散15 min，最后使用Mastersizer 2000激光粒度仪（测量范围为0.02～2000.00 μm）测定沉积物粒径。

土壤pH 值测定：称取5 g 的沉积物置于烧杯中，按水土比2.5∶1（质量比）搅拌溶解1 min，然后静置30 min，再使用梅特勒pH计测定土壤pH。

实验数据采用Excel 2007、Origin 8、SPSS 21软件进行处理和分析。

2 结果与分析

2.1 不同耕作制度下稻田土壤有机碳空间分布特征

从表1可见，研究区不同耕作制度下稻田土壤表层（0～30 cm）有机碳平均含量为5.5768～10.9453 g/kg，三熟制＞二熟制＞撂荒地＞一熟制。方差分析发现，二熟制、三熟制稻田土壤有机碳含量之间的差异不显著，而均与一熟制稻田和撂荒地有显著差异；一熟制稻田与撂荒地土壤之间土壤有机碳含量无显著差异。

表1 不同耕作制度下稻田表层土壤有机碳空间分布Table 1 Spatial distribution of surface soil organic carbon in paddy fields under different tillage systems

研究区不同耕作制度下稻田土壤有机碳的垂直分布情况见图2。由图2可见，在4种类型稻田的表层土壤中，0～10 cm 土层土壤有机碳含量最高，且都具有随深度加深土壤有机碳含量逐渐降低的趋势，20～30 cm土层土壤有机碳含量明显小于0～20 cm土层，有机碳分布具有明显的表聚性。

图2 不同耕作制度稻田土壤有机碳垂直分布Figure 2 Vertical distribution of soil organic carbon in paddy fields under different tillage systems

2.2 不同耕作制度下土壤pH值和土壤质地组成

研究区位于热带，具有高温多雨的气候特征。水稻土是由富含铁、铝等元素的砖红壤转化而来的，这些元素水解显酸性，且土壤中的碱元素和碱土元素因雨水淋溶易从土体中流失，使得研究区水稻土显酸性。通过实验分析发现，研究区0～30 cm土层土壤的pH值为5.4～6.0，且4种耕作制度下土壤的pH值由大到小的次序为一熟制＞抛荒地＞三熟制＞二熟制。方差分析结果表明，一熟制水稻田土壤pH值与撂荒地无显著差异，而与二熟制、三熟制水稻田土壤pH值差异显著。

土壤的质地组成是重要的土壤物理性质之一，其与不同粒度含量组成密切相关，且对土壤中的水、气、热、养分状况以及微生物的活性具有显著影响。本研究按照中国制（1987）土壤粒度分级分类标准（黏粒＜2 μm，粉粒2～50 μm，砂粒＞50 μm）对研究区内稻田土壤质地组成进行分析（表2）。

表2 不同耕作制度下稻田表层土壤pH值和质地组成Table 2 pH value and texture composition of surface soil in paddy field under different tillage systems

由分析结果可知，4 种耕作制度下土壤的细粒（粘粒、粉粒）含量表现为三熟制（53.19%）＞二熟制（49.39%）＞撂荒地（47.82%）＞一熟制（47.05%），砂粒含量表现为一熟制（52.95%）＞撂荒地（52.18%）＞二熟制（50.62%）＞三熟制（46.28%），二熟制、三熟制稻田和撂荒地在粘粒含量上无显著差异，而与一熟制稻田差异显著，4种耕作制度稻田粉粒和砂粒含量的差异都不显著。

2.3 土壤pH值及土壤质地组成与土壤有机碳含量的相关性分析

土壤pH值是土壤的一个基本性质，也是影响土壤理化性质的重要化学指标，直接影响着土壤中各种元素的存在形态、有效性及迁移转化[17]。相关研究表明，当土壤pH值被界定在一定范围内时，土壤有机碳含量与pH值存在一定的相关关系[18]。本研究通过数据分析发现，研究区撂荒地各土层土壤的pH值与土壤有机碳含量呈现极显著负相关关系，而一熟制、二熟制、三熟制稻田各土层有机碳含量与pH 值并无显著相关性（表3）。

由表2可知，研究区土壤中粉粒、砂粒占比较大，粘粒占比较小。根据表3分析结果进一步得出，除一熟制稻田土壤有机碳含量与土壤粉粒含量显著正相关、与砂粒含量显著负相关外，其它熟制稻田及撂荒地与土壤质地组成均无显著相关性。

表3 不同耕作制度下稻田表层土壤有机碳含量与土壤质地组成、pH值的相关性分析Table 3 Correlation analysis of surface soil organic carbon and soil texture composition and pH value under different tillage systems

3 讨论

土壤有机碳的储量是进入土壤的植物残体量及其在土壤微生物作用下分解损失量二者之间平衡的结果，受气候、大气成分、植被、土壤理化性质等自然因素以及外源碳库输入、土地利用方式、施肥灌溉等管理措施的影响[19-21]。研究表明，土壤质地能通过影响土壤的耕性、通透性和保水保肥性能进而影响土壤有机碳累积，土壤粒度越小越有利于有机碳的吸附[22，23]。本研究中，研究区三熟制稻田土壤有机碳含量最高，二熟制稻田次之，其次是撂荒地，一熟制稻田有机碳含量最少。总体来说，研究区土壤砂粒含量较大，因此当地土壤的固碳能力较差，不利于有机碳存储。一熟制土壤有机碳含量与土壤质地显著相关，撂荒地土壤有机碳含量与土壤pH值显著相关，说明一熟制稻田和撂荒地土壤有机碳含量较大地受到了土壤自身理化性质的影响；而二熟制、三熟制稻田土壤有机碳含量与土壤质地和pH值相关性不显著，可能是因为二熟制、三熟制稻田受到的人为干扰相对较多，人类通过施肥、灌溉等措施影响土壤环境，进一步影响到土壤有机碳的累积和贮存[24]。

研究区4种耕作制度下表层土壤（0～30 cm）的细粒（粘粒、粉粒）含量表现为三熟制（53.19%）＞二熟制（49.39%）＞撂荒地（47.82%）＞一熟制（47.05%），砂粒含量表现为一熟制（52.95%）＞撂荒地（52.18%）＞二熟制（50.62%）＞三熟制（46.28%），一熟制稻田相对其他三种耕作制度农田来说土壤平均粒度较大，结合一熟制稻田土壤呈红棕色、与其他类型土壤颜色有明显差异来看，应该是土壤母质不同导致的。这一特性使得一熟制稻田土壤粘结性较低，不利于土壤中水力和肥力的保持，且对土壤有机碳的吸附作用不如颗粒较细的土壤[25-27]。综上所述，一熟制稻田的土壤质地不利于有机碳的积累和储存，其有机碳含量在4种耕作制度的稻田中最低。

从人为因素的影响来看，研究区稻田所属农户一般在插秧前施加基肥，生长期根据作物长势适度增施肥料，主要以施加化肥为主，全年施肥次数总体呈三熟制稻田＞二熟制稻田＞一熟制稻田的特征。前人研究表明，施肥不仅能直接为土壤和作物带来多种营养物质，还能间接地通过改善土壤的物理和化学性质增加土壤微生物的数量和活性，从而增加根茬碳的输入量[28]。由施肥次数来看，三熟制稻田相较其他三种耕作制度农田施肥次数最多，因此其根茬碳的输入量也最高，从而增加了土壤有机碳外源输入。另外，由于三熟制稻田耕作次数最多，其收割后残留的作物根系及凋落物也相对较多，这些物质被腐化分解后转化为有机质储存到土壤中，也增加了土壤有机碳的含量，使得三熟制稻田土壤有机碳含量在研究区4种耕作制度农田中最高，二熟制次之。但也有研究认为，施肥量等人为因素对土壤碳库存在阈值效应[24]，应该适量施肥，合理利用土地。

前人研究表明，在没有外源输入或外源输入较少的情况下，农田撂荒能有效增加土壤有机碳的储量[29]。Feng等研究发现，农田撂荒一定年限后，土壤有机碳储量会明显增加[21]。由此可见，当没有外源输入或外源输入较少时，撂荒是增加土壤有机碳含量的有效途径。本研究中，相关性研究发现撂荒地土壤pH值与土壤有机碳含量极显著负相关，主要是因为撂荒地土壤有机碳的投入仅依赖于地表植物残留物和根茬，投入量小，土壤中有机碳分解速率的大小对土壤有机碳含量具有较大影响。土壤pH值越小，土壤酸性就越强，一定程度上会限制土壤中微生物的种类和活动，进而减缓土壤有机碳的分解速率，使有机碳得以累积。

土壤有机碳的垂直分布与凋落物、根系分布及耕作管理措施等密切相关。本研究结果表明不同耕作制度下土壤有机碳含量都呈现从表层往下逐渐降低的特征，具有明显的表聚性，与前人的研究成果一致[30，31]。稻田和撂荒地的有机碳主要来自于地表杂草、自身凋落物以及农户施肥，都发生在土壤表层，因此其产生的有机碳首先在土壤表层累积，再通过淋溶下渗逐渐向深层输送，在下渗过程中被不断分解消耗，所以越往深处土壤有机碳含量越低。

4 结论

（1）在空间分布上，研究区不同耕作制度稻田表层土壤（0～30 cm)有机碳含量存在差异，大致呈三熟制＞二熟制＞撂荒地＞一熟制的规律。

（2）研究区不同耕作制度下土壤有机碳含量都在土壤表层（0～10 cm）出现最高值，且随深度增加不断降低，表聚作用明显。

（3）研究区土壤呈酸性，pH值为5.4～6.0，撂荒地土壤有机碳含量与土壤pH值极显著负相关，一熟制土壤有机碳含量与土壤中粉粒占比显著正相关，与砂粒占比显著负相关。