论文（设计）基于长期试验资料对中国农田表土有机碳含量变化的估算.doc

基于长期试验资料对中国农田表土有机碳含量变化的估算吴乐知1，2，蔡祖聪11. 土壤与农业可持续发展国家重点实验室/中国科学院南京土壤研究所，江苏 南京 210008；2. 中国科学院研究生院，北京 100049摘要：分析了文献报道的我国26个长期试验站点29个长期试验的农田土壤有机碳变化情况，并据此分析了近20年来我国农田土壤表层有机碳储量的可能变化范围。收集的长期试验涉及水稻土、红壤、黑土、棕壤、潮土等15种土壤类型。选择每一长期试验的不施肥对照（0类）、有机碳含量增长最慢或下降最快（I类）、增长最快或下降最慢（II类）、纯化肥NPK平衡施肥（III类）4种处理进行分析，分别代表极端耗竭、不合理施肥、增长潜力和常见施肥情景下的土壤有机碳含量（储量）变化。结果表明，对照土壤的有机碳含量变化速率平均为-0.06 g·kg-1·a-1；I、II、III类处理情景下土壤有机碳含量变化率分别为-0.008 g·kg-1·a-1、0.29 g·kg-1·a-1和0.05 g·kg-1·a-1。据此推算，在极端耗竭情景下，过去20年全国农田表土有机碳贮量减少419 Tg；在I、II或III类处理情景下，农田表层土壤有机碳储量变化分别为下降99 Tg、增加1.56 Pg和增加208 Tg。II类和III类处理情景的有机碳储量变化量差值表明，我国农田表层土壤具有较大的固碳潜力。关键词：农田土壤有机碳；长期站点；变化；估算中图分类号：X144 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2007）06-1768-07按照UNFCCC对温室气体“汇”的定义，只要土壤碳储存量增加都可以认为起到了碳“汇”的作用。农业生态系统贮存碳是全球碳和陆地生态系统碳的重要组成部分，而且是其中最活跃的部分。相对于其它陆地生态系统，特殊的经营目的使得农田生态系统中土壤成为贮存碳的主要场所，占全球土壤碳储量的6.37%10.52%，地上生物贮存碳很少，不足陆地生态系统植物贮存碳总量的1%1,2。农田生态系统贮存碳占陆地生态系统贮存碳总量的5.29%6.71%1,3。农田土壤有机碳含量的增加一般提高土壤肥力和生产力，同时增加对大气CO2碳的固定。因此研究区域以及国家尺度下农田土壤有机碳含量的变化，估算农田土壤固碳潜力，可为通过管理达到“土壤碳贮量”的增加而使之成为大气CO2“汇”，实现农业可持续发展提供科学依据4。20世纪70年代末到80年代初，全国第二次土壤普查获得了较为详细的全国范围内的土壤性状资料，很多学者利用这些数据对我国土壤有机碳储量进行了估算，如我国1 m土壤深度的有机碳贮量估算值为70 Pg到90 Pg5-7，其中表层土壤碳库为3839 Pg，农业土壤约占5 Pg8。Wu9等估计由于自然土壤开垦后耕地土壤总有机碳库的损失为7.1 Pg，Song 8等估算耕地土壤表层有机碳库损失约为2 Pg。李长生10运用DNDC(DeNitrification and DeComposition)模型对20年来我国农田土壤有机碳变化进行了估算，结果显示中国农业土壤每年丢失碳73.8 Tg。自第二次全国土壤普查以来，国内不少学者对不同区域，特别是小尺度区域内土壤有机碳的变化进行了大量的研究，然而对于全国尺度下的农田土壤有机碳库20年来的变化却鲜有报道。黄耀等11通过调研区域农田土壤有机碳变化的文献，指出20年来中国大陆农田表土有机碳贮量总体增加了311401 Tg。本文试图通过对全国长期农田试验有机碳含量变化的文献资料的整理和分析，分析20年来我国大陆农田土壤表层土壤有机碳含量（储量）的变化及其农田土壤固碳潜力。1 资料来源本文研究的资料来源于中国期刊网以及维普科技期刊网所收录的农田长期试验土壤有机碳含量变化的文献，共计32篇。各土类耕地面积数据来源于全国土壤普查办公室编著的中国土壤12和中国土种志13-18，全国耕地面积数据来源于中国自然资源数据库农地面积资料19。2 处理情景从检索到的长期试验文献中可以看出，长期试验一般包括四大类处理：对照，单纯无机肥，单纯有机肥，无机与有机肥配合。无机肥处理还可以按照NPK肥组合以及施肥量的多少进一步细分；有机肥处理也可以按照有机肥来源（例如秸秆、厩肥等）和施用量进一步细分。由于各长期试验即使是同一处理，如NPK化肥配合施用，施用量也各不完全相同，所以，不可能按完全相同的处理进行归类。然而，可以根据对土壤有机碳含量的影响，将处理归为不同的处理情景。然后，计算每一处理情景下土壤有机碳含量的变化趋势。不施肥的对照处理下，土壤有机碳处于极端耗竭状态，且几乎所有收集到的长期试验均含有不施肥对照处理，在本文中将对照处理作为0类处理情景。本文中将长期试验的施肥处理中有机碳含量增加最慢或下降最快的处理归为I类处理情景；有机碳含量增长最快或下降最慢的处理归为II类处理情景；单纯化肥的NPK平衡施肥处理归为III类处理情景，它们分别代表不合理施肥、有机碳含量最大增加速率和目前我国最为常见的施肥模式下土壤有机碳含量的变化情况。有些长期试验的供试土壤不缺NPK肥料中的某种元素，因而未设立NPK处理，只有NP、NK或PK处理。在这样的情况下，选择这一长期试验中的NP、NK、或PK处理归为单纯化肥的平衡施肥方式，即III类处理情景。3 数据处理方法土壤有机碳含量在大部分文献中以土壤有机质含量表示。由于本文关注的是土壤有机质中的碳的变化，所以将土壤有机质含量折算为土壤有机碳含量（有机碳=0.58×有机质）。文献中记录的土壤有机质（碳）含量变化资料完整性不同，只有少数给出了长期试验多年的连续数据，部分给出了试验开始第一年的数据，但均给出了试验前以及试验结束这两年的数据。考虑到这一实际情况，本文以试验前后土壤有机碳含量变化及间隔时间计算土壤有机碳含量的年均变化率（g·kg-1·a-1）。在计算时，如果文献中没有试验开始第一年有机碳含量的数据，则用试验开始前的土壤有机碳含量代替。各长期试验持续进行的时间也不同，收集到文献中，报道的长期试验超过10年的占72%，超过15年的占42%。为了在相同的时间间隔内对有机碳贮量变化进行比较，本文统一以20年计算，这样相当于以第二次土壤普查为基准。为了评估全国农田土壤有机碳储量的可能变化范围和可能的实际变化量，利用各类处理情景下计算获得的土壤有机碳含量年均变化率数据和相应土壤类型的面积，计算了该处理情景下土壤有机碳储量的变化。由于文献资料一般只给出长期试验的表层（耕层）土壤有机碳含量数据，因此，本文只考虑表层土壤的有机碳储量变化。文献报道的各长期试验表层土壤的深度也不一致，为便于比较，本文中表层土壤统一定义20 cm土层。每一处理情景下，供试土壤类型表层土壤有机碳贮量变化（DPSOC）计算公式如下8,20。 (1)式中DSOC为根据长期试验计算的某一处理情景，20年内表层（20 cm）土壤有机碳含量（g·kg-1）的平均变化量，同一类土壤同时包括多个长期试验站点时，按它们的平均值计算；S为土壤面积（hm2），g为土壤容重（g·cm-3），d2mm为大于2 mm石砾的比例。在计算时，g 和d2mm分别采用平均值1.36和0.0611。由于水稻土基本不含有石砾，取d2mm=021, 22。4 结果4.1 对照处理有机碳含量变化趋势收集的32篇长期试验文献，主要包括水稻土、红壤、黑土、棕壤、潮土等15种土壤类型，分布在六个大区的16个省份共计26个站点，均以不施任何肥料为对照。如图1所示，除了云南楚雄紫色水稻土外，其它对照处理的土壤有机碳含量均呈波动式不规律下降趋势。所有26个站点的对照处理除湖南衡阳红壤，云南楚雄水稻土，陕西杨陵塿土，新疆阜康灰漠土和陕西长武黑垆土的土壤表层有机碳呈现不同程度的增加趋势外，其它站点的土壤有机碳含量都呈下降趋势，年均下降速率的平均值为-0.06 g·kg-1·a-1。从下降程度看，土壤有机碳年平均下降速率最少为-0.004 g·kg-1（安徽濉溪砂姜黑土），最高为-0.43 g·kg-1·a-1（湖北通城水稻土，下页表1）。图1 长期试验站点对照处理土壤有机碳含量的变化Fig. 1 Change of soil organic carbon in the treatment of CK in long-term experiment sites4.2 施肥处理有机碳含量变化趋势在所有收集到的29个长期试验的施肥处理中，土壤有机碳含量大部分表现为增加趋势，少部分呈负增长趋势，湖北通城水稻土有机碳含量下降最多，达0.4 g·kg-1·a-1，云南楚雄水稻土增长最快，年平均增长速率为1.03 g·kg-1·a-1（下页表1）。分析表1结果可以看出，除不施肥对照以外的施肥处理中，I类处理情景主要是单纯施用化肥的处理（占27/29），特别是NPK中缺少一种或二种元素的施肥方式（占19/29）。该类处理全部29个长期试验的土壤有机碳含量平均变化率为-0.008 g·kg-1·a-1，比对照高0.06 g·kg-1·a-1。除江西进贤旱地和水稻土上进行的长期试验外，II类处理情景下，土壤有机碳含量均呈增长趋势，平均达到0.29 g·kg-1·a-1，比对照处理情景高出0.35 g·kg-1·a-1。II类处理情景均为包含有机肥（包括秸秆和绿肥）的处理，部分是有机与无机肥结合施用的处理，一些是全部有机肥的处理（表1）。纯化肥NPK平衡施肥处理（III类处理情景）下，只有小部分（占10/29）的长期试验中，土壤有机碳含量下降，其它均增长，增长的程度不同，年均增长率平均达到0.05 g·kg-1·a-1，比I类处理情景高0.06 g·kg-1·a-1。表1 长期试验站点农田土壤表层有机碳（SOC）年均变化率Table 1 Annual average change velocity of topsoil SOC of croplands in different long-term experimental site试验站点土壤类型参比年份SOC年均变化率/(g·kg-1·a-1)施肥方式文献0类I类II类III类黑龙江黑河暗棕壤1979-1991-0.261-0.1160.097-0.068 ：低量NP肥，：中量NP肥+麦秸23黑龙江密山白浆土1992-2001-0.206-0.1380.24-0.138 ：NP肥，：牛厩肥26北京昌平潮土1991-1998-0.0990.0630.4690.063 ：NPK肥，：NPK肥+麦秸28河北辛集潮土1980-1996-0.061-0.010.085-0.010 ：NPK肥，：农家肥+NPK31河南封丘潮土1989-2001-0.054-0.0570.3260.049 ：NK肥，：麦秸+大豆+棉籽饼混合堆肥33, 34江苏徐州潮土1980-1999-0.0380.0040.2960.019 ：低量N肥，：NPK肥+厩肥37, 38甘肃张掖灌漠土1981-1996-0.116-0.1270.112-0.054 ：N肥，：N肥+厩肥54河北遵化褐土1990-1998-0.126-0.0490.109-0.049 ：NPK肥，：NPK肥+麦秸29河北昌黎褐土1990-1998-0.133-0.0590.193-0.059 ：NPK肥，：NPK肥+麦秸30陕西杨陵黑钙土1984-1990-0.0170.0510.5490.174 ：N肥，：厩肥）53陕西长武黑垆土1984-20020.0240.0270.20.059 ：N肥，：厩肥52黑龙江海伦黑土1985-2000-0.198-0.3450.080.044 ：猪圈肥，：猪圈肥+NPK+Zn24, 25江西鹰潭红壤1989-20010.0180.3390.143 ：NK肥，：绿肥41, 42江西进贤红壤1986-1996-0.232-0.179-0.084-0.174 ：有机肥，：NPK肥+猪粪肥31湖南衡阳红壤1990-20030.1230.230.5280.381 ：N肥，：NPK肥+猪粪肥44新疆阜康灰漠土1991-20030.0270.0220.1290.103 ：PK肥，：NPK肥+秸秆或猪粪肥48山西河曲栗褐土1988-2000-0.0730.0290.3380.073 ：N肥，：圈肥+NP肥32陕西杨陵塿土1990-20020.2450.151.0040.378 ：N肥，：NPK肥+牛粪肥49, 50陕西杨陵塿土1977-2000-0.0270.0450.1340.046 ：NP肥，：NP肥+厩肥51河南驻马店砂姜黑土1981-1992-0.0920.0150.0630.029 ：低量N肥，：高量NPK肥35安徽濉溪砂姜黑土1981-1996-0.0040.0330.3630.033 ：NP肥，：NPK肥+土杂肥40江苏吴江水稻土1989-1995-0.207-0.1910.133-0.191 ：NPK肥，：NPK肥+夏秋秸秆36浙江衢州水稻土1980-19950.0590.0830.4020.083 ：NPK肥，：NPK肥+猪厩肥39江西进贤水稻土1981-1996-0.12-0.112-0.014-0.112 ：NPK，：NPK肥+猪粪肥31湖南长沙水稻土1982-20030.3110.4720.311 ：NPK，：紫云英或稻草43湖南桃源水稻土1990-1998-0.084-0.0320.4120.116 ：N肥，：猪粪肥+NPK肥45湖北通城水稻土1981-2001-0.428-0.40.03-0.400 ：N肥，：猪厩肥+N肥46云南楚雄水稻土1987-19980.4690.4381.0330.601 : NK肥，:牛粪厩肥47辽宁沈阳棕壤1987-1994-0.0720.0620.2560.062 : N肥，：猪厩肥27注：和分别代表各站点土壤有机碳含量年均增长最少和增长最多的处理；表示施用NPK肥的无机肥处理（有些站点处理和处理是同一个处理，有些站点由于不缺NPK肥中的某种元素而不设置NPK处理，这两种情况下处理和处理的变化量相同）4.3 不同处理情景下农田表层土壤有机碳贮量变化表2 基于长期试验站点估算的全国主要土壤类型耕地表层土壤有机碳贮量变化Table 2 Estimation of the change of topsoil SOC store of primary soil-type croplands in China based on long-term experimental data土类耕地面积/hm2 12SOC变化（Tg）CK白浆土1666800-17.52-11.7520.43-11.75水稻土29780300-78.6620.83536.9788.63棕壤3818700-14.0212.0349.9812.03潮土21926100-70.950.01329.6933.63栗褐土1859200-6.892.7632.176.89灌漠土915100-5.43-5.945.26-2.54褐土11063200-73.28-30.4485.49-30.44黑垆土17311002.132.3517.735.19黑土4822900-48.81-85.0219.6710.73黑钙土3976000-3.3710.28111.6935.38红壤3131100-8.763.6841.7918.65灰漠土6229000.850.714.123.27塿土71973343.5920.947.81砂姜黑土3676700-8.974.4339.985.79暗棕壤1966600-26.25-11.679.72-6.8合计91676433-355.92-84.151325.63176.47基于长期试验所涉及的15种土壤类型表层有机碳含量变化趋势的数据，结合耕地面积数据，用公式（1）外推至20年耕地表层土壤有机碳贮量的变化。黑垆土，塿土和灰漠土都只收集到一个长期试验，在对照（0类）处理情景下，表层土壤有机碳含量为正值（表1），因此，这几类土壤有机碳储量的估算值为正值（表2）。个别水稻土上进行的长期试验也表明在0类处理情景下，表层土壤有机碳含量年均变化率为正值，但所有水稻土长期试验平均年变化率为负值，所以，在该类情景下，水稻土表层土壤总有机碳储量变化为负值（表2）。其余土壤类型的表层土壤有机碳贮量均不同程度地下降（表2）。0类处理情景下，15种类型表层土壤有机碳贮量共减少356 Tg。这15类土壤的耕地面积占全国总耕地总面积的85%，按此比例计算，在0类处理情景下，过去20年中，全国耕地表层土壤有机碳贮量将会减少419 Tg。在I类处理情景下，黑土耕地表层土壤有机碳含量下降最快（-0.345 g·kg-1·a-1，表1）。据此计算，20年来黑土耕地表层土壤有机碳储量下降了85 Tg。褐土、白浆土、暗棕壤和灌漠土的有机碳储量也都下降，其余10种土壤类型的有机碳储量均有不同程度的增加，水稻增长最多，达到21 Tg（表2）。15类土壤耕地表层土壤有机碳贮量总变化为负值，20年来共减少84 Tg。将此数据外推，20年来在I类施肥处理情景下，全国耕地表层土壤有机碳将减少99 Tg。在II类施肥处理情景下，15种土壤类型耕地表层土壤有机碳含量的年均变化率均为正值，由此推算15种土壤类型耕地表层土壤有机碳贮量20年共增加1.33 Pg，其中水稻土有机碳储量增加量最大，达537 Tg（表2）。据此推算，20年来全国农田表层土壤有机碳贮量将可增加1.56 Pg。在III类施肥处理情景下，15种土壤类型中，仅有白浆土、灌漠土、褐土和暗棕壤耕地表层土壤有机碳含量年均变化率为负值，有机碳储量下降，其余11种土壤类型的耕地土壤有机碳含量均增加。全部15种土壤类型耕地表层有机碳含量增加，20年共增加176 Tg（表2）。按面积推至全国，则增加208 Tg。5 讨论从农田土壤对照处理有机碳含量的变化来看，没有任何外源肥料的施入情况下进行农作物种植，仅仅依靠作物转移给土壤的碳是远远不能保持土壤有机碳平衡的；同时，作物产量与土壤有机碳含量水平也是紧密相关的，二者具有较好的相关性（如图2所示），这是因为碳含量水平的高低也直接反映了土壤肥力的高低，并且作为养分以供作物的生长发育。因此农业生产中肥料的投入使用不仅促进作物产量，而且对土壤碳库水平的保持与增加同等重要。从农业粮食生产追求产量的角度出发，不会出现对照处理中种植农作物而不施肥的情况，因此自全国第二次土壤普查20年以来，中国农田土壤有机碳库也不会按对照处理的速率而减少356 Tg。从对照处理（0）和施用化肥NPK处理（）的土壤有机碳含量年均变化率对比情况来看，后者对于土壤有机碳含量的增加要远远好于前者。这是因为化肥的投入首先促进了作物生长发育以及产量的增加，并通过作物根系的分泌，以及根茬和秸秆还田等措施使得大量有机物分解于土壤中，从而也促进了土壤有机碳贮量的增加。中国农田肥料的施用量是逐年增加的，根据国家统计局的资料（http:/www.stats.gov.vn/tjsj/ndsj/2001c/l1208c.htm），光是化肥施用量就从1980年的1269.4×104 t上升至2000年的4146.4×104 t，增加了227%；而农作物总产量也从1980年的32055.5×104 t上升至46217.5×104 t。因此对于中国这样的农业生产大国来说，NPK化肥施用量的增加对于保持和增加土壤有机碳贮量具有重要的意义。图2 北京昌平褐潮土试验地不同处理多年平均有机碳与作物产量的关系Fig. 2 Relationship between perennial average SOC content and crop yield at different treatment in Beijing brown Chao soil图3 黑龙江海伦站黑土不同处理土壤有机碳的每年变化量Fig. 3 Annual change of SOC content at different treatment of black soil in Hailun experimental site in Heilongjiang不同的施肥处理带来的土壤有机碳含量的变化不同，从表1的长期试验站点文献中可以看出，土壤有机碳含量呈现负增长趋势的施肥处理往往是单施某种无机化肥或施低量无机肥料，而在常规的NPK肥和有机肥配施情况下，都能保证土壤有机碳含量的稳定增长。在处理（）中，黑土、暗棕壤、白浆土等仍然出现耕地土壤有机碳含量的负增长，是由于上世纪5080年代初东北和西北地区这些A层富有机碳的土壤被开垦为耕地后，在外界很少投入肥源的情况下也能获得较好的粮食产量，因此土壤有机碳库被大量消耗；而从80年代至今，虽然施用肥料量在不断上升，因此常规的施肥方式也只是在逐步降低这些土壤有机碳含量的下降速率。如图3所示黑龙江海伦站黑土不同施肥处理下有机碳含量每年的变化量，可以看出，自1989年以后所有处理的土壤有机碳含量每年都呈负增长方式变化；只是随着连续施肥的年数增加，其每年的降低量在逐步下降。因此对于这些类耕地土壤，只能随着连续施肥的年数增加以及施肥方式的改变，逐步扼制其降低趋势，最终有望达到有机碳含量的正增长。从各站点处理（）和（）中土壤有机碳年均增长速率的对比情况可以看出，在施用化肥NPK的处理（）中仍然是表现为负增长的，在处理（）中往往都会转变成相应的正增长，其原因主要是在施用化肥NPK的处理（）基础上配合施用有机肥，主要包括各种牲畜厩肥等的施用以及秸秆还田措施的采用。因此对于土壤有机碳呈剧烈减少的农业土壤，更多的要考虑有机肥的施用。综上所述，从长期试验站点的有机碳变化速率可以推知，过去20年来，中国农田表层土壤有机碳贮量是有所增加而不是降低。按照仅施化肥NPK的处理（）结果推算，过去20年全国农田土壤碳贮量增加了208 Tg，这与黄耀11得出的总体增加311401 Tg的结果比较符合。而根据每个站点土壤有机碳含量最高的施肥处理（）推算得知过去20年中国农田表层土壤有机碳贮量可以增加1.6 Pg，可见未来中国农田土壤的固碳潜力十分巨大，特别是对于黑土、白浆土和褐土等土壤有机碳下降速率较高的耕地土壤来说，它们的土壤有机碳含量提高潜力更大，更需要考虑施肥与管理方式来增加这些耕地的土壤有机碳贮量。参考文献：1 ATJAY G L, KETNER P, DUVIGNEAUD P. 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