重庆市农田土壤有机碳库现状、变化趋势及固碳潜力研究

摘要

从20世纪末起，全球变化引起了众多科学家对陆地生态系统碳循环以及碳收支的关注。土壤碳库储量约是陆地生态系统中生物碳库的三倍，大气碳库的两倍。因此土壤有机碳库是全球陆地生态系统碳循环的研究热点，也是全球变化问题研究的核心内容之一。现有的研究结果表明，全球土壤碳库大小约为2500Pg，全球有机碳库储量约占全球碳库总量的60％。中国土壤有机碳库为80～90Pg，约占全球有机碳库的5％。其中中国表层土壤有机碳库大小为38～40Pg，约为中国土壤有机碳库的42.2％～47.5％。重庆地区表土和全土的土壤有机碳库大小分别为0.27Pg和1.00Pg。但是上述土壤有机碳库的估算数据多来源于第二次全国土壤普查时期的成果，因此其估算结果不能反映现时的土壤有机碳库状况。土壤碳库的碳汇与碳源作用是可以相互转化的，因此土壤碳库在减少碳排放与缓解全球变化中具有重要作用。农田土壤碳库是陆地生态系统中最活跃和最有影响力的碳库之一，其碳储量约占全球陆地系统碳储量的1/10。具估算，中国农田土壤有机碳储量约为全国土壤有机碳总储量的14.4％～16.2％。由于农田土壤有机碳库受到人类活动的强烈影响，且其碳库储量在短期内可受到人为调控。因此农田土壤的有机碳固定是我国CO2减排压力下碳汇的重要去向。西南地区地处大江大河上源，自然环境复杂多样，地貌类型复杂多变，地质历史特殊，生物多样性丰富。同时西南丘陵区的土壤类型和农田管理措施也与平原地区有着极大差异。然而对于西南丘陵地区，特别是重庆地区农田土壤碳库的储量和潜力研究极为缺乏。随着全球农田生态系统碳循环研究的深入，为了进一步研究土壤有机碳动态变化趋势，土壤有机碳动态模型得到了较为广泛的应用。在东北地区和华北地区，DNDC模型、RothC模型、CENTUR模型等有机碳动态模型得到了学者的验证。但是在西南丘陵地区，土壤有机碳动态模型的应用较少。适用于重庆地区紫色土和水稻土的有机碳动态模型仍未从得知。
　　 因此本文选取重庆市为研究区域，收集了重庆地区的土地利用现状图、土壤类型分布图、2006～2011年测土配方施肥数据以及第二次土壤普查数据等资料。根据不同时间点的土壤调查与分析数据，采用土壤类型法统计出重庆市农田土壤的有机碳储量，并分析了30年来重庆地区的土壤碳库变化趋势。同时以土属为统计单元，从2006年测土配方施肥项目的土壤调查和分析数据中，筛选出同一土属耕层有机碳含量最高值，将其作为该土属的固碳限值，对比2006年重庆市农田耕层土壤碳密度和碳储量，统计求出重庆市农田耕层土壤的固碳潜力。在有机碳动态模型验证方面:利用长期定位试验多年的监测数据和研究结果，对DNDC模型进行了验证。通过上述工作，本文希望能够阐明重庆市农田土壤固碳现状及其有机碳库的演变格局，预测重庆市农田土壤的固碳潜力，为土壤有机碳库演变机理研究提供理论参考，也为该区域农业可持续发展与粮食安全战略的建立和实施，以及与我国全球变化相关的国际谈判提供科学依据。
　　 具体研究结果如下:
　　 (1)在全国范围内，重庆农田表层SOCD（土壤有机碳密度）居于中等水平。不同土壤类型的SOCD0-20差异较大。重庆地区的水稻土SOCD0-20高于其他土壤类型，而紫色土SOCD0-20则显著低于其他土壤类型。紫色土和水稻土是重庆地区分布面积最大和SOCR0-20(0-20cm土层的土壤有机碳储量)最大的两种农田土壤类型，这两种土类的SOCR0-20共占到全市总储量的75.6％。由此可见，二者应是重庆地区农田SOC库的重点监控和调控对象。
　　 重庆市农田0-20cm土层SOCD为3.38kg/m2。不同土类的SOCD0-20高低次序依次为:黄棕壤(4.25kg/m2)＞水稻土（3.89kg/m2）＞石灰岩土（3.88kg/m2）＞冲积土（3.16kg/m2）＞黄壤土(2.68kg/m2)＞紫色土(2.44kg/m2)。冲积土、黄壤土和紫色土SOCD0-20均低于重庆市SOCD0-20均值。重庆地区0-20cm农田SOCR为70.442Tg。其中水田SOCR0-20为37.773Tg，早地SOCR0-20为32.669Tg，二者分别占全市农田SOCR0-20总量的53.62％和46.38％。不同土类SOCR0-20的高低顺序为:水稻土(37.773Tg)＞紫色土(15.448Tg)＞黄壤土(9.2030Tg)＞石灰岩土(6.9400Tg)＞黄棕壤(0.71140Tg)＞冲积土(0.36660Tg)。在重庆地区农田中，不同土类0-20cm的AI大小次序分别为:黄棕壤＞石灰岩土＞水稻土＞黄壤土＞冲积土＞紫色土。以0-20cm耕层来说，黄棕壤SOC（土壤有机碳）存储能力最强，其次为石灰岩土，紫色土最弱。可见，作为重庆地区农田土壤中分布面积第二的土壤类型，紫色土应该是全市农田增碳措施实施的重点对象。
　　 (2)重庆地区不同区县的农田SOCD0-20和SOCR0-20均有较大差异。在不同区县，相同土壤类型的农田SOCD0-20差异明显。且不同区县中同一类型土壤的SOCR0-20占全区，全县总SOCR0-20的百分比差异也较大。从地理区域的角度而言，渝西地区农田SOCR0-20远大于渝东北地区SOCR0-20。这说明重庆地区的农田SOC分布较为不均。且不同土壤类型在不同地理区域土壤有机碳库中具有的重要性也有所不同。
　　 在重庆市的33个区县中，水稻土SOCD0-20最高值出现在城口县，紫色土SOCD0-20最高值为酉阳县，黄壤土最大值为荣昌县，而石灰岩土和冲积土最高值则分别出现在綦江县和秀山县。五个土类（水稻土、紫色土、黄壤土、石灰岩土、冲积土）SOCD0-20的最低值分别为渝北区、云阳县、开县、梁平县和涪陵区。不同区县间SOCR0-20极差高达4.0810Tg。酉阳县的SOCR0-20最高，为4.5250Tg。万盛区的农田SOCR0-20最小，仅为0.44320Tg。大部分区县的SOCR0-20数值都位于1-2Tg范围内。对大部分区县而言，水稻土和紫色土农田SOCR0-20占全县总SOCR0-20的比例极大。但是在少数区县，黄壤土和石灰岩土也储存着比例较大的SOC。不同地理区域的SOCR0-20高低顺序为:渝西地区＞渝东南地区＞渝南地区＞渝东地区＞渝东北地区。不同土类SOCR0-20占渝东、渝南、渝西农田总SOCR0-20的百分比次序相同，均为水稻土＞紫色土＞黄壤土＞石灰岩土＞冲积土。而渝东北和渝东南地区的土类SOCR0-20百分比次序分别为:水稻土＞黄壤土＞石灰岩土＞紫色土＞黄棕壤＞冲积土、黄壤土＞水稻土＞石灰岩土＞紫色土＞冲积土＞红壤。
　　 (3)在重庆市平行岭谷区、盆边丘陵山地区和武陵山区中，30年来3个典型县的农田SOCD0-20均呈现上升的趋势。但是不同土壤类型的农田SOCD0-20变化趋势有所不同。重庆地区的水稻土和黄壤土SOCD0-20总体呈现上升的趋势，而紫色土、冲积土和石灰岩土的SOCD0-20则均有降低的趋势。重庆地区SOCR0-20整体仍呈上升趋势。因此在过去的30年间，重庆农田表层土壤在碳循环中表现出“增汇效应”。
　　 自1980年以来，近30年的人为扰动对重庆市不同地区的农田耕层SOC累积具有正面影响。在供试的3个典型县中，川东平行岭谷区的垫江县和武陵山区的酉阳县SOCR0-20分别增加了0.41456Tg和0.67140Tg，其上升幅度分别为26.1％和17.4％。地处盆边丘陵山地区的綦江县SOCR0-20增加值最小，为0.23149Tg，其上升幅度为9.60％。水稻土SOCR0-20的增加值分别对平行岭谷区和盆边丘陵山地区农田有机碳库增长的贡献最大，其增加的SOCR0-20分别占上述两个区域SOCR0-20总增长量的59.0％和75.8％。而武陵山区的黄壤土SOCR0-20增长量占全区总增长量的则81.4％，黄壤土对该区域有机碳库正面影响最大。紫色土耕层有机碳储量的下降对盆边丘陵山地区的农田有机碳库负面影响极大。其中綦江县紫色土SOCR0-20下降量远高于全县SOCR0-20增长量。
　　 (4)重庆地区不同地形地貌的农田耕层SOC含量高低次序为:平坝缓丘＞丘陵下部＞山麓及坡腰平缓地＞丘陵上部。而不同海拔农田SOC含量高低顺序为600-700m＞500-600m＞300-400m＞400-500m。总体而言，不同环境因素对重庆市农田SOC含量的影响差异较小。而耕层SOC含量与土壤全氮含量相关性极显著，与其他土壤化学性质无相关性。土壤物理性质对SOC含量具有显著影响，不同质地和结构的耕层SOC含量高低次序分别为:重壤＞中壤＞砂壤＞轻壤和微团粒＞团粒＞团块＞粒状＞块状。以耕作制度为代表的农田管理措施对SOC含量影响较大。不同耕作制度下耕层SOC含量大小次序为:一年一熟＞一年两熟＞常年生＞一年三熟。通过T检验发现，一年一熟的SOC含量与其他耕作制度的SOC含量均具有极显著差异。
　　 (5)重庆地区的农田表层土壤具有极大的固碳潜力。但是固碳潜力的区域差异和土壤类型差异也较为明显。渝西地区是固碳潜力最大的地理区域。水稻土和紫色土的固碳潜力则远高于其他土壤类型。利用DNDC模型可以极好地模拟重庆地区SOC动态变化趋势，从而为重庆地区SOC演变趋势研究和固碳潜力研究提供了新的研究方法。
　　 若以2006年SOCD0-20和SOCR0-20为基点，保持现有耕地面积不变，重庆地区农田SOCD0-20和SOCR020的增加潜力分别为6.69kg/m2和227.23Tg，二者增幅分别达到198％和322％。这表明重庆地区农田耕层具有巨大的固碳潜力。其中，水稻土和紫色土固碳潜力为137.09Tg和68.714Tg，分别占全市总固碳潜力60.3％、30.2％。由此可见耕层增碳潜力主要存在于紫色土和水稻土中。利用紫色水稻土不同耕作制度下的长期定位试验数据，本文结合DNDC模型来探讨长期不同耕作措施下SOC变化趋势。采用RMSE模型检验的方法，对模拟值与实测值之间的拟合相关性进行了分析。从DNDC模拟值与实测值的RMSE值看出:DNDC模拟可以较好地模拟重庆市紫色水稻土的SOC动态变化。模拟结果表明，4种耕作制度配合秸秆还田处理的SOC含量都呈现增长的趋势。通过DNDC模型，本文模拟了北碚区未来100年水稻土耕层SOC固定潜力。该模拟值高于北碚区现实固碳潜力。这可能是由于DNDC模型未考虑水稻土有机碳库上升达到平衡的时间期限和固碳限值的原因。
　　 综上所述，根据重庆地区最新的土壤调查资料和分析结果，本文估算了重庆地区耕层土壤有机碳库储量现状和时空分布，从而证明农田耕层土壤有机碳库在重庆地区土壤有机碳库中占有重要地位。较前人使用第二次土壤普查数据所估算的结果，该研究成果更能反映重庆地区有机碳库现状，从而为正确评价重庆地区农田碳库在全国碳库中的地位提供数据支持。同时探明了不同土壤类型在重庆农田土壤有机碳库中的重要地位，为重庆区域农田管理措施和土壤碳库调控政策提供了参考依据;通过研究估算出重庆地区耕层土壤的固碳潜力，同时对不同土壤类型的农田固碳潜力和土壤固碳潜力的空间分布也进行了估算。上述结果为重庆地区农业固碳的战略制定与技术选择提供了理论参考，并为与重庆地区甚至全国的全球变化相关的国际谈判提供了科学依据;通过将长期定位试验与土壤有机碳动态模型分析相结合，对有机碳动态模型在重庆地区的运用进行了验证，找出适合重庆地区的土壤有机碳模型，从而为研究重庆地区的土壤有机碳变化趋势和固碳潜力提供了新的研究思路与方法。在今后的工作中，可以加强下述研究:重庆地区土壤剖面有机碳密度及储量的研究;重庆地区不同农田土壤固碳技术对固碳潜力的影响研究;为了更好地运用DNDC模型进行模拟，对重庆地区不同类型的农田固碳持续时间和固碳能力进行研究。

目录

声明

论文说明

摘要

第1章 文献综述

1．1 全球变化与碳循环

1．2 农田土壤碳循环研究

1．2．1 农田土壤碳循环与全球变化

1．2．2 农田土壤有机碳固存与损失

1．2．3 农田土壤有机碳影响因素

1．3 农田土壤有机碳模型研究进展

1．3．1 土壤有机碳模型研究历史

1．3．2 常用土壤有机碳模型简介

1．4 问题与展望

第2章 绪论

2．1 选题背景及依据

2．2 研究目标

2．3 研究内容

2．4 技术路线

第3章 材料与方法

3．1 研究区概况

3．2 研究方法

3．2．1 资料收集与处理

3．2．2 土壤采样点的处理

3．2．3 理化指标分析

3．2．4 土壤有机碳密度计算

3．2．5 土壤有机碳丰度指数计算

3．2．6 土壤有机碳库储量的估算

3．2．7 土壤有机碳库变化趋势研究

3．2．8 土壤有机碳库固碳潜力的估算

3．2．9 有机碳动态模型验证研究

第4章 重庆市农田耕层土壤有机碳库现状

4．1 农田耕层土壤有机碳分布特征

4．1．1 农田耕层土壤有机碳含量

4．1．2 农田耕层土壤有机碳密度及储量

4．1．3 农田耕层有机碳库空间分布特征

4．2 农田剖面土壤有机碳分布特征

4．2．1 典型农田水稻土剖面有机碳含量

4．2．2 典型农田紫色土剖面有机碳含量

4．2．3 不同土地利用方式下农田剖面有机碳含量

4．4 小结

第5章 重庆市典型县农田土壤有机碳库变化趋势

5．1 平行岭谷区典型县农田耕层土壤有机碳库变化趋势

5．1．1 研究区概况

5．1．2 1980年农田耕层土壤有机碳库现状

5．1．3 2006年农田耕层土壤有机碳库现状

5．1．4 农田耕层有机碳库变化趋势

5．2 盆边丘陵山地区典型县农田耕层土壤有机碳库变化趋势

5．2．1 研究区概况

5．2．2 1980年农田耕层土壤有机碳库现状

5．2．3 2006年农田耕层土壤有机碳库现状

5．2．4 农田耕层土壤有机碳变化趋势

5．3 武陵山区典型县农田耕层土壤有机碳库变化趋势

5．3．1 研究区概况

5．3．2 1980年农田耕层土壤有机碳库现状

5．3．3 2006年农田耕层土壤有机碳库现状

5．3．4 农田耕层有机碳库变化趋势

5．4 农田剖面有机碳含量及密度变化趋势

5．4．1 水稻土农田剖面有机碳变化趋势

5．4．2 紫色土农田剖面有机碳变化趋势

5．5 小结

第6章 重庆市农田耕层土壤碳库影响因素——以重庆市垫江县为例

6．1 环境因素

6．1．1 海拔对土壤有机碳的影响

6．1．2 地形地貌对土壤有机碳的影响

6．2 土壤理化性质

6．2．1 土壤pH与有机碳相关性

6．2．2 土壤养分含量与有机碳相关性

6．2．3 土壤物理性质对有机碳的影响

6．3 农田管理措施

6．3．1 耕作制度对耕层土壤有机碳的影响

6．3．2 施肥管理对耕层土壤有机碳的影响

6．4 小结

第7章 重庆市农田耕层土壤固碳潜力预测

7．1 重庆市农田耕层土壤现实固碳潜力预测

7．2 重庆市农田耕层土壤固碳潜力的模型预测

7．2．1 农田土壤有机碳模型预测的材料与方法

7．2．2 农田土壤有机碳模型预测结果与分析

7．3 小结

第8章 结论与研究展望

8．1 主要结论

8．2 研究创新点

8．3 研究不足

8．4 研究展望

参考文献

发表论文及参加课题

致谢