绿洲化过程中塔北灌区农田土壤固碳速率及潜力研究

Abstract

绿洲化作为干旱半干旱地区的一种独特生态演变机制，是人类活动与自然条件共同作用下由荒漠向绿洲转变的过程。新疆塔北灌区作为典型的绿洲农业区，伴随着绿洲化过程，其农田土壤理化性质及有机碳含量发生改变，进而影响到农田土壤碳库的变化。本研究通过对不同时期塔北灌区农田样地土壤采样及剖面分析，同时结合第二次全国土壤普查和塔北灌区相关农业资料，利用Arc GIS软件分析农田土壤有机碳密度和储量的变化，揭示绿洲化过程中塔北灌区农田土壤有机碳库的演变规律，并分析影响土壤有机碳变化的主要因素，估算塔北灌区及南疆地区的农田土壤固碳潜力。研究旨在为塔北灌区改善土壤质量、提高农作物产量提供科学指导，对新疆乃至西北地区的碳估算提供理论支撑，从而服务于国家气候谈判。本研究主要研究结果如下： （1）不同类型土壤有机碳含量差异显著 塔北灌区不同类型土壤有机碳含量（SOC）之间存在差异，从高到低依次为林灌草甸土、草甸土、潮土、盐土和风沙土，其中风沙土有机碳含量远低于该区平均水平。土壤剖面有机碳含量从上而下递减，这与长期耕作及农田管理等关系密切。塔北灌区土壤有机碳密度（SOCD）的空间分布差异显著，总体呈现出自西南向东北递减的分布格局；不同类型土壤有机碳密度（SOCD）差异显著，与SOC含量分布规律一致；对同一土壤类型而言，不同土属间有机碳密度（SOCD）差异不显著。塔北灌区的有机碳库总量约为87.64*107 kg。不同类型土壤的储碳能力从高到底依次为林灌草甸土、草甸土、潮土、盐土和风沙土；草甸土碳库是灌区最大的碳库，其有机碳储量为46.31*107 kg，所占比例高达52.85%。 （2）近30年（1981-2011年）有机碳含量呈增加趋势 30年来，塔北灌区有机碳含量及密度均呈上升趋势，西南、中南和东南部的SOCD增量明显，最高可达0.9503 kg·m-2，中北及东北部等区域则呈负增长。农田有机碳含量以不足0.01 kg·hm-2·a-1的变化速率缓慢增长，土壤固碳、丢碳、相对平衡面积分别占总面积的61%、25%和14%。 （3）土壤有机碳变化是多种因素综合作用的结果 影响农田有机碳固存的主要因素包括农田开垦年限、农田管理措施和土壤理化性质三个方面。农田开垦年限对土壤有机碳积累影响显著。以新开垦地为对照，耕作年限达30年以上的农田有机碳含量显著高于耕作年限小于30年的农田。以土壤有机碳含量为因变量（y），耕作年限为自变量（x），做回归分析，得y = 0.002x2 + 0.0737x + 1.9883，R² = 0.9014。农田管理措施是塔北灌区农田土壤有机碳固存的重要影响因子。较高的秸秆还田比例，有机肥及化肥的配施，充足的灌溉水源，均有效地提高了土壤有机碳的含量。土壤有机碳含量与容重、粉粒及黏粒含量呈显著正相关，与砂粒含量呈显著负相关；全氮、全磷、全钾及有效磷含量与土壤有机碳含量的相关性显著，pH值及速效钾对土壤有机碳含量影响不显著。土壤有机碳与养分元素相关性由高到为：全氮(TN)>全磷(TP)>有效磷(AP)>全钾(TK)>速效钾(AK)；建立土壤有机碳含量(y)与全氮(x1)、全磷(x2)、全钾(x3)和有效磷(x5)的最优回归方程，y=5.464x1+31.603x2+0.1771x3+23.552x5-3.184，R2=0. 653，P<0.001。 （4）农田土壤有机碳潜力巨大 塔北灌区不同类型土壤有机碳固碳潜力差异显著。盐土的固碳潜力为1.69 kg·m-2，远高于其他4种类型的土壤，因此要加强塔北灌区的次生盐碱化治理和盐碱土改良。塔北灌区5种土壤类型的总固碳潜力为59.32*107 kg，固碳潜力较大。总体而言，南疆地区的土壤有机碳固碳潜力巨大，为22.96*109 kg。固碳潜力最大的3种土壤类型依次为盐土（1.64 kg·m-2）、境漠盐土（1.06 kg·m-2）和灌淤土（0.98 kg·m-2），固碳潜力不足0.5 kg·m-2的为棕钙土，其他土壤类型的固碳潜力均在0.5~1.0 kg·m-2之间