Characteristics and influencing factors of topsoil organic carbon content changes in purple soils of the Sichuan Basin
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摘要:
根据四川盆地紫色土耕地20世纪80年代的1 087个全国第二次土壤普查数据和21世纪10年代的1 154个土壤采样数据, 采用地统计学、方差分析和回归分析方法, 探讨近40年四川盆地紫色土耕层土壤有机碳(SOC)含量变化、影响因素及其对气候变暖的响应。结果表明, 研究区SOC含量从6.97 g·kg−1上升至9.65 g·kg−1, 增幅为38.45%, 不同地貌区和不同二级流域SOC含量增长幅度不同。母质所导致的SOC空间变异性下降; SOC增量与气温呈正相关的抛物线关系; 与降水、海拔、坡度呈负相关的抛物线关系, 在干燥条件(降水<1 050 mm)下的SOC增量是潮湿条件(降水>1 050 mm)下的1.64倍; SOC增量与施肥和作物生产力相应指标呈先升高后降低的抛物线变化特征。此外, SOC增量在不同水分条件下呈相似的抛物线趋势, 但干燥条件下的SOC对于温度变化更敏感, 说明紫色土SOC对气候变暖的响应受到水分条件和土壤特性的强烈影响。研究结果为提升气候变暖背景下紫色土地区的碳汇能力和改善耕地质量提供了科学依据, 对优化四川盆地农业水分管理措施有重要指导意义。
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关键词:
- 土壤有机碳(SOC) /
- 紫色土 /
- 时空变化 /
- 气候变暖 /
- 四川盆地
Abstract:Purple soil is a unique soil type in China and is most extensively distributed in the Sichuan Basin. Climate warming significantly affects the carbon balance of agricultural ecosystems worldwide; however, dynamic changes in topsoil organic carbon (SOC) in the purple soil of this region remain poorly understood. This study analyzed SOC content changes in purple soil drylands based on 1 087 samples from the Second National Soil Survey collected in the 1980s and 1 154 soil samples collected in the 2010s. Using geostatistics, analysis of variance (ANOVA), and regression analysis, we explored the changes in SOC content over the past 40 years, influencing factors, and their response to climate warming. The results showed that the SOC content increased from 6.97 to 9.65 g∙kg−1, with a growth rate of 38.45%. The growth rates of SOC content varied among different geomorphic zones and secondary river basins. There was no significant difference in SOC among the various parent material groups in the 2010s, indicating a decrease in SOC spatial variability caused by the parent material over the past 40 years. The SOC increments demonstrated a positive parabolic relationship with temperature and a negative parabolic relationship with precipitation, altitude, and slope. Under dry conditions (precipitation <1 050 mm), the SOC increments were 1.64 times higher than those under humid conditions (>1 050 mm). The SOC increment exhibited a parabolic variation, initially increasing and then decreasing, with corresponding indicators of fertilization and crop productivity. Given the varied effects of precipitation on dynamic changes in SOC in purple soil, we further examined the relationship between SOC changes and climate warming under different average annual precipitation levels. The results revealed similar parabolic trends in SOC increments under varying moisture conditions. However, SOC under dry conditions was more sensitive to temperature changes. This indicates that, while SOC in purple soil is influenced by both temperature and precipitation, the inherent characteristics of purple soil may buffer against some of the fluctuations caused by climate warming and hydrological conditions. The specific mechanisms by which climate warming affects the SOC in purple soils across different geomorphic zones and basins require further investigation. Our findings provide scientific evidence for enhancing carbon sequestration capacity and improving cropland quality in the context of climate warming, offering important guidance for optimizing agricultural water management practices in the Sichuan Basin, China.
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Keywords:
- soil organic carbon (SOC) /
- purple soil /
- spatiotemporal changes /
- climate warming /
- Sichuan Basin
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紫色土是我国的一种主要土壤类型, 占土地总面积的18%, 是我国分布比重大于2%的22种土壤之一[1-2]。四川盆地是紫色土分布的最主要区域, 紫色土作为盆地内主要的耕地资源, 对当地农业生产具有重要作用[3-5]。土壤有机碳(SOC)是紫色土耕地土壤肥力的核心[6], SOC含量的增加可能有助于改善土壤结构稳定性[7], 减少土壤侵蚀和水土流失的风险[8], 对紫色土耕地的保护和农业生态系统稳定性有潜在积极影响[9]。气候变暖对全球农业生态系统碳平衡具有深刻影响[10], 深入研究四川盆地紫色土SOC含量变化及其影响因素, 有助于了解其在气候变暖过程中的固碳潜力以及为采取针对性措施提升其土壤质量提供支撑。
作物生产力导致的碳投入是耕地SOC变化的主要驱动因素[11-12]。施肥可以通过刺激作物生产力和直接增加有机碳投入的变化来影响耕地SOC的变化。自20世纪80年代以来, 随着化肥施用量的增加, 中国农地的作物生产力得到了提高, 从而提升了农地土壤的SOC含量[12-15]。沈姣等[16]的研究表明施肥会显著增加玉米(Zea mays)产量从而提高紫色土农田SOC含量。除农业实践外, 土壤特性可以通过影响通气条件和土壤理化性质来调节SOC的稳定性[17]。紫色土是一种明显表现母质状态的土壤, 其土壤特性如质地和含水量都与母质紧密相连。不同母质紫色土SOC和水稳定性团聚体稳定性差异较大[18], 因此不同的施肥措施会产生SOC含量的差异[7]。此外, 紫色土具有快速风化性和强侵蚀性, 易发生水土流失, 故地形也是影响其耕地SOC的重要因素[19-21]。
气候对SOC的影响是深刻且复杂的, 气候变化与土壤碳库之间的相互作用及耦合机制一直是学术界研究的热点与难点[15,22]。气候是重要的SOC控制因素, 在相关研究中常使用气温和降水来量化其对SOC的影响。气温会通过影响植物初级生产力和土壤微生物活动来影响SOC[23]。年平均降水量会影响作物生产力和土壤湿度[24]; 也有多个区域尺度的耕地SOC的研究认为年均降水量在控制耕地SOC变化中起到的作用要大于年均温[12,25]; 紫色土SOC也有相似的研究结果, 如曾蔓漫等[26]发现淹水条件增加了紫色土易分解碳库, 但单独温度的改变不能有效影响紫色土易分解碳库的大小, 丁长欢等[27]发现随着温度的升高, 低田间持水量下三峡水库消落带紫色土SOC矿化的温度敏感性显著下降, 而在高田间持水量下则无明显变化。由于气候变暖可能会与其他因素产生交互作用, 这使得SOC的潜在变化更加复杂, 其他土壤类型的耕地SOC在相关研究中有升高、降低或保持稳定的结果[13,28-30]。李佳珍等[31]采用5年的增温施氮试验探讨增温、施肥对华北平原小麦(Triticum aestivum)田土壤SOC的影响, 结果表明增温降低了SOC含量, 且增温施氮条件下会造成更多轻组有机碳分解。而邓旭哲等[32]的研究结果显示增温和施肥对马肝土(一种潴育水稻土) SOC含量和活性有机碳组分的影响均无显著交互作用。
相关紫色土SOC的研究多见于长期定位观测的肥力演变、紫色土土壤酸化和中小尺度紫色土区域空间分布格局及其驱动因素[33-35], 对于气候变暖及其与其他因素在大尺度上调节紫色土SOC动态变化的研究还比较少。因此, 本研究以四川盆地紫色土耕地为研究区, 利用20世纪80年代和21世纪10年代的土壤数据和环境数据, 分析紫色土耕地SOC含量的变化特征、主要影响因素及其对气候变暖的响应, 以期为合理利用紫色土耕地资源和采取有效的农田生态系统管理措施提供科学依据。
1. 数据来源与方法
1.1 研究区概况
四川盆地因紫色土分布之广又被称为紫色盆地、红层盆地(27°38′~32°54′N, 102°48′~109°16′E), 位于长江上游, 西邻青藏高原, 人口密度高, 是中国西南地区典型的粮食生产区。盆地底部平均海拔约500 m, 与盆周山地最大高差超过2 500 m; 属于亚热带季风性气候, 年均气温和年均降水量分别为14.9~18.6 ℃和700~1 700 mm, 大部分降雨发生在5—8月的雨季。盆地内紫色土由紫色沉积岩发育而成, 主要类型包括中生代白垩系灌口组泥砂岩(K2g)、夹关组泥砂岩(K1g)、侏罗系蓬莱组棕紫色砂质泥岩(J3p)、遂宁组红棕紫色泥岩(J3s)和沙溪庙组泥砂岩(J2s、J2s2)等[5]。近几十年来盆地内气候变暖趋势明显, 年降水量呈递减趋势[36-37]。由于紫色土耕地在平原内少有分布, 故本研究区域的地貌为四川盆地的川东平行岭谷区、川中丘陵区和盆周山区。紫色土耕地利用方式为旱地, 以传统种植方式油菜(Brassica napus)-玉米/红薯(Ipomoea batatas)/大豆(Glycine max)或小麦-玉米/红薯/大豆为主。
1.2 土壤数据来源及处理
1980s (1980—1985年)的1 087个土壤数据来自全国第二次土壤普查期间四川省第二次土壤普查的系列成果(图1a)。所采集的典型土壤剖面信息收录于《四川土种志》等地方性专著, 包括土壤理化性质及人为活动信息, 如采样地点、成土母质、地形特征、作物类型等。通过搜集这些信息形成1980s的历史土壤信息数据库。2010s (2017—2019年)选取尽可能接近1980s采样地点(位于同一村庄或邻近村庄)的采样点, 保证两时期采样点具有相同的土壤类型、地形位置和作物类型。从围绕指定采样位置的半径为5 m的表层土壤(0~20 cm)中收集4~5个土壤子样品, 然后完全混合形成复合样品。记录土壤环境信息后运回室内经过风干、去杂、磨碎、过筛(2 mm和0.149 mm), 使用高温外热重铬酸钾氧化-容量法测定土壤SOC含量, 最终得到2010s土壤数据1 154个(图1b)。两时期的紫色土样点数据覆盖酸性、中性和石灰性3个紫色土亚类。1980s的母质数据依据记录资料中的不同地层母岩群组进行划分, 2010s的母质数据则根据实际采样地块情况记录的母质类型划分。为保证数据分析的可靠性, 剔除了母质群组样点数量少于30个的情况, 重点对盆地内主要紫色土成土母质进行统计处理。为直观展示紫色土耕层土壤在不同时期的有机碳含量差异, 根据全国第二次土壤普查的有机质分级标准, 将有机质含量除以1.724转换为对应的有机碳含量等级(见表1表注)。其中, 1~6级的有机碳含量逐级降低, 1级代表最高的有机碳水平。
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图 1 研究区不同地貌区及流域内样点分布Figure 1. Sampling sites distribution within geomorphological zones and river basins of the Sichuan Basin表 1 1980s—2010s研究区土壤表层有机碳(SOC)含量变化统计特征Table 1. Statistical characteristics of soil organic carbon (SOC) content changes in the study area from 1980s to 2010s分区方式
Division method分区名
Division name1980s 2010s 变化量 Change 样点数
Number均值
Mean
/(g·kg−1)置信区间
Confidence interval
/(g·kg−1)级别
Grade样点数
Number均值
Mean
/(g·kg−1)置信区间
Confidence interval
/(g·kg−1)级别
Grade均值
Mean
/(g·kg−1)置信区间
Confidence interval
/(g·kg−1)全区
Whole region四川盆地
Sichuan Basin1 087 6.97 6.75~7.21 4 1 154 9.65 9.41~9.90 4 2.68*** 2.36~3.02 地貌
Geomorphology川中丘陵区
Central Sichuan Hilly Area691 5.74b 5.54~5.95 5 823 9.11b 8.85~9.38 4 3.37*** 3.05~3.71 盆周山区
Basin Peripheral Mountain Area319 9.35a 8.85~9.88 4 257 11.46a 10.85~12.09 4 2.11*** 1.33~2.92 平行岭谷区
Parallel Ridge-Valley Area77 8.23ac 7.33~9.20 4 74 9.42b 8.46~10.46 4 1.19 0.12~2.55 流域
River basin涪江流域
Fujiang River Basin103 6.63abc 6.06~7.25 4 122 10.53a 9.90~11.16 4 3.89*** 3.02~4.75 嘉陵江流域
Jialing River Basin95 6.14bc 5.44~6.90 4 143 9.17ab 8.59~9.78 4 3.04*** 2.08~3.95 岷江流域
Minjiang River Basin250 7.87a 7.35~8.45 4 151 10.31ab 9.60~11.07 4 2.44*** 1.47~3.34 渠江流域
Qujiang River Basin189 7.43ab 6.86~8.03 4 228 9.28ab 8.74~9.85 4 1.86*** 1.03~2.67 沱江流域
Tuojiang River Basin259 5.66c 5.30~6.04 5 290 8.98b 8.58~9.40 4 3.33*** 2.77~3.91 长江干流区
Yangtze Mainstream Area191 7.73a 7.26~8.21 4 220 10.30ab 9.61~11.04 4 2.57*** 1.74~3.42 同列不同小写字母表示不同地貌区或不同流域之间SOC含量均值存在显著差异(P<0.01), ***表示极显著水平(P<0.001)。有机碳含量(g·kg−1)分级标准: 1级>23.20, 2级17.40~23.20, 3级11.60~17.40, 4级5.80~11.60, 5级3.48~5.80, 6级≤3.48。Different lowercase letters in the same column indicate significant differences in the mean SOC content among different geomorphic zones or river basins (P<0.01), and *** indicates highly significant level (P<0.001). Soil organic carbon content (g·kg−1) classification standards: grade 1 >23.20, grade 2 17.40−23.20, grade 3 11.60−17.40, grade 4 5.80−11.60, grade 5 3.48−5.80, grade 6 ≤3.48. 1.3 环境数据来源及处理
1981—2015年的气候(气温和降雨)数据来自中国气象局和四川省气象局; 同期各县粮食产量、施肥量、农田面积数据来自各县农业普查年鉴; 数字高程模型(digital elevation model, DEM)数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn)。由于气象数据具有显著的空间自相关性, 采用普通克里金插值方法, 对气象因子进行空间插值, 生成研究区的年均温、年均降雨量以及年均温变化率的空间分布栅格数据[38]。为探究近40年来四川盆地紫色土耕层SOC变化与各影响因素的关系, 对各个因素按一定间隔共分为11段(最小土壤样本数量不小于15个), 各因素分类间隔如下: 年均温为0.3 ℃、年均温增长速率为0.002 ℃·a−1、年均降雨量为50 mm·a−1、年均施肥量为60 kg·hm−2·a−1、年均施肥量增长率为4 kg·hm−2·a−1、粮食产量为300 kg·hm−2·a−1、 粮食产量增长率为0.37 kg·hm−2·a−1。数据分析过程中, 基础计算使用Excel 2019完成, 经典统计分析、方差分析、回归分析均在SPSS 27中进行, 使用Origin 2021进行制图, 采用Bootstrap法保证研究区紫色土表层有机碳变化量(ΔSOC)在不同因素影响下动态变化的稳健估计。
2. 结果与分析
2.1 紫色土耕层SOC变化总体特征
1980s—2010s四川盆地紫色土耕层有机碳(SOC)含量显著增加(P<0.001, 表1)。近40年来SOC均值从6.97 g·kg−1增加到9.65 g·kg−1, 增加38.45%; 不同地貌区的SOC变化量(ΔSOC)为川中丘陵区>盆周山区>平行岭谷区, 不同流域的ΔSOC差异为涪江流域>沱江流域>嘉陵江流域>长江干流区>岷江流域>渠江流域。除川东平行岭谷区紫色土SOC含量均值仅增加1.19 g·kg−1未达显著水平外, 其余地貌区和流域的紫色土SOC含量均显著增加(P<0.001)。根据全国第二次土壤普查的有机质分级标准, 达4级水平的样点数量明显增多, 变异系数从55.19%下降到44.24%, 空间异质性有所降低(图2)。这表明, 四川盆地紫色土SOC含量变化极明显, SOC含量增加且呈均一化趋势, 但各地区内紫色土ΔSOC存在差异。
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图 2 四川盆地不同时期紫色土采样点土壤有机碳(SOC)含量等级Figure 2. Grades of soil organic carbon (SOC) content of purple soil sampling points in 1980s and 2010s in the Sichuan Basin2.2 紫色土耕层SOC变化的主要影响因素
2.2.1 气候因素
近40年四川盆地紫色土农田土壤表层SOC变化受气温和降水的显著影响(图3)。紫色土表层ΔSOC与年均温呈正相关的抛物线关系(P<0.05, 图3a), 而随年均温增长速率的升高有先升后降的抛物线趋势(P<0.05, 图3b), 当年均温增率为0.049 ℃·a−1时, 紫色土耕层ΔSOC达最大值, 随后开始减小。这表明紫色土在四川盆地内气温较高的区域SOC积累量更多, 但SOC累积的趋势在超过温度阈值后气温的升高反而会引起SOC减少。紫色土耕层ΔSOC与年均降水量呈极显著的负相关抛物线趋势(P<0.001, 图3c), 随着降水量的增加, 紫色土ΔSOC明显减少。虽然整体上高雨量区的SOC均值高于低雨量区(P<0.05, 图3d), 但在低降雨量区紫色土ΔSOC是高降雨量区的1.64倍。这表明较干燥的土壤条件更利于紫色土有机碳的累积。
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图 3 紫色土有机碳含量变化(ΔSOC)与气温及降雨的关系图3d中不同小写字母表示同时期不同年降雨量紫色土SOC含量存在显著差异(P<0.05), 不同大写字母表示同降雨量区域不同时期紫色土SOC含量存在显著差异(P<0.05)。Different lowercase letters in Fig. 3d indicate significant differences between two precipitation regions in the same period (P<0.05), while different uppercase letters indicate significant differences among two periods with the same precipitation (P<0.05).Figure 3. Relation of purple soil organic carbon variation (ΔSOC) with temperature and precipitation2.2.2 施肥和作物生产力
近40年间施肥对紫色土耕层SOC含量变化的影响显著, ΔSOC随年均施肥量和年均施肥增长率的增加呈先增加后减少的抛物线关系(P<0.001, 图4a-b)。根据回归曲线, 年均施肥量为474.55 kg·hm−2和年均施肥增长率为11.97 kg·hm−2·a−1时, 紫色土耕层ΔSOC达最大值, 分别为3.09 g·kg−1和2.62 g·kg−1。与之相似, 紫色土表层ΔSOC随年均粮食产量和年均粮食增长率的增加呈现先升高后降低的变化趋势(P<0.001, 图4c-d)。根据拟合方程, 年均粮食产量为5 422.00 kg·hm−2和年均粮食产量增长率为2.51 kg·hm−2·a−1时, ΔSOC达最大值, 分别为3.06 g·kg−1和3.28 g·kg−1。这表明施肥或作物生产力增加对SOC积累的正向作用存在一定限度, 二者导致的外源碳输入超过限度后并不利于有机碳的累积, 甚至会导致SOC的减少。
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图 4 紫色土有机碳含量变化(ΔSOC)与施肥及粮食产量的关系Figure 4. Relation of purple soil organic carbon variation (ΔSOC) with chemical fertilization amount and crop yield2.2.3 母质
不同成土母质SOC含量变化统计结果显示(表2), 与1980s相比, 2010s四川盆地紫色土主要成土母质发育成的紫色土SOC含量均值均有显著增加, 提高34%~59%; 其中蓬莱镇组、沙溪庙组和遂宁组均值含量极显著(P<0.001)提高。这3组母质分布范围最广, 1980s其均值之间亦无显著差异。夹关组和自流井组的SOC含量升至3级水平, 二者也是SOC含量提高幅度最高的两种母质, 分别提高51%和59%。2010s各成土母质SOC含量间没有显著差异, 其原因主要是由于随机性因素的影响导致40年后成土母质这一空间结构性因素的影响下降, 这与前文的总体性统计特征结论相吻合。
表 2 1980s—2010s紫色土主要成土母质土壤有机碳(SOC)含量变化统计特征Table 2. Statistical characteristics of soil organic carbon (SOC) content changes in the parent material of purple soil from 1980s to 2010s母质类型
Parent material1980s 2010s 变化量 Change 样点数
Number均值
Mean
/(g·kg−1)置信区间
Confidence interval
/(g·kg−1)级别
Grade样点数
Number均值
Mean
/(g·kg−1)置信区间
Confidence interval
/(g·kg−1)级别
Grade均值
Mean
/(g·kg−1)置信区间
Confidence interval
/(g·kg−1)白龙组
Bailong group30 7.1ab 5.96~8.51 4 32 9.78a 8.56~11.01 4 2.68** 0.93~4.37 灌口组
Guankou group32 7.23ab 6.13~8.39 4 16 10.86a 9.16~12.51 4 3.63** 1.56~5.46 夹关组
Jiaguan group31 8.07a 6.75~9.50 4 14 12.17a 10.32~14.29 3 4.10** 1.72~6.47 蓬莱镇组
Penglaizhen group304 6.27b 5.91~6.65 4 304 9.26a 8.85~9.68 4 2.99*** 2.43~3.53 沙溪庙组
Shaximiao group262 6.43b 6.06~6.80 4 372 8.85a 8.49~9.25 4 2.43*** 1.89~2.95 遂宁组
Suining group160 6.44b 5.89~7.09 4 153 9.39a 8.82~9.98 4 2.96*** 2.10~3.76 窝头山组
Wotoushan group38 6.94ab 5.92~7.96 4 34 9.29a 8.25~10.40 4 2.36** 0.91~3.85 自流井组
Ziliujing group50 8.29a 7.08~9.52 4 28 13.16a 10.72~15.94 3 4.87** 2.18~8.01 不同小写字母表示不同母质类型间差异显著(P<0.05), **和***分别表示显著水平(P<0.01)和极显著水平(P<0.001)。有机碳含量(g·kg−1)分级标准: 1级>23.20, 2级17.40~23.20, 3级11.60~17.40, 4级5.80~11.60, 5级3.48~5.80, 6级≤3.48。Different lowercase letters indicate significant differences among different parent materials (P<0.05). ** and *** denote significant (P<0.01) and highly significant (P<0.001) levels, respectively. Soil organic carbon content (g·kg−1) classification standards: grade 1 >23.20, grade 2 17.40~23.20, grade 3 11.60~17.40, grade 4 5.80~11.60, grade 5 3.48~5.80, grade 6 ≤3.48. 2.2.4 海拔和坡度
近40年间, 四川盆地紫色土耕层SOC增量与海拔和坡度的关系呈一般性的下降趋势, 但在局部范围内存在差异(图5)。研究发现, 随着海拔的增加, ΔSOC呈现先升高后降低的趋势(P<0.001, 图5a)。根据回归模型的结果, 当海拔为451.04 m时, ΔSOC达最大值, 为2.94 g·kg−1; 另外, 随着坡度的增加, ΔSOC呈现相对缓和的下降趋势(P<0.05, 图5b)。这表明, 在整体趋势上紫色土SOC增量随着海拔和坡度的增加而减少, 但在特定海拔和坡度条件下可能会出现局部的峰值或变化。
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图 5 紫色土有机碳含量变化(ΔSOC)与海拔及坡度的关系Figure 5. Relation of purple soil organic carbon variation (ΔSOC) with elevation and slope2.3 不同水分条件下紫色土SOC变化与年均温增长率的关系
由于不同的降雨量对紫色土SOC动态变化的影响有差异, 本文基于不同年均降水量水平进一步研究了SOC变化和气候变暖之间的关系。结果表明, 不同水分条件下紫色土ΔSOC随年均温增长速率变化呈相似的抛物线关系, 随年均温增长率的增加呈先升高后降低的趋势。根据回归模型, 在干燥水分条件下(年均降雨量<1 050 mm), 年均温增长率范围在0.031~0.058 ℃·a−1, 紫色土ΔSOC变化范围为2.48~3.69 g·kg−1; 年均温增长率为0.043 ℃·a−1时, 紫色土ΔSOC达最大值(P<0.05, 图6a)。潮湿的水分条件下(年均降雨量>1 050 mm), 年均温增长率的范围在0.024~0.041 ℃·a−1, 紫色土ΔSOC变化范围为0.81~2.15 g·kg−1; 年均温增长率为0.035 ℃·a−1时, 紫色土ΔSOC达最大值(P<0.05, 图6b)。干燥条件下紫色土ΔSOC最大值是潮湿条件下的1.72倍, 相应的年均温增长速率变化范围更广, 年均温增长速率的阈值(SOC增量随变暖而从增加到减少的点)更大。以上结果表明, 气候变暖对紫色土耕地SOC的影响在相对干旱的情况下表现更加明显, 其抛物线关系的模型随水分条件变化而存在差异。
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图 6 不同水分条件下紫色土有机碳变化量(ΔSOC)与年均温增长率的关系Figure 6. Relation between purple soil organic carbon variation (ΔSOC) and the change rate of annual temperature (CRAT) under different mean annual precipitation levels (MAPL)3. 讨论
3.1 四川盆地紫色土耕层SOC含量总体特征
在过去40年, 四川盆地紫色土耕层SOC含量总体显著增加, 表明紫色土耕层土壤在这一时期内呈现出“碳汇”作用。这一结论与之前一些研究在四川盆地水稻土[39-40]、四川盆地耕地[41]以及川中丘陵地区紫色土[42]方面的研究结论一致。王齐齐等[33]的研究发现, 西部地区紫色土近30年来有机质含量增加不显著。但这与本研究结果并不矛盾, 这种差异主要源于地理尺度和观测方法的不同。他们的研究位于四川盆地内的7个长期定位监测点, 分布在南充市、德阳市及重庆市等地。在本研究中这些区域的样点有机碳含量增加也不显著, 如重庆市的川东平行岭谷区SOC增量不显著。然而, 从不同地理尺度来看, 南充所在的嘉陵江流域、德阳所处的沱江及涪江流域、重庆市所在的长江干流流域的SOC含量增加都是极显著的(P<0.001)。
近40年四川盆地紫色土ΔSOC (2.68 g·kg−1)与四川盆地水稻土(2.63 g·kg−1)相比略高[38], 但目前紫色土的SOC均值仍远低于水稻土。这种差异的主要因素有土地利用方式、土壤类型、施肥等。与水稻土相比, 紫色土的土地利用方式为旱地, 施肥投入较少, 不存在干湿交替的土壤环境, 具有石质初育土的典型特征, 通气排水条件更好, 初始养分低且易于损失。按照全国第二次土壤普查养分分级标准, 紫色土仍处于4级水平, 其有机碳养分低于全国及成都平原平均水平[42]。
3.2 四川盆地紫色土耕层SOC变化的主要影响因素
3.2.1 气温和降水
本研究通过分析两时期紫色土ΔSOC随年均温、年均温增长率和降水等气候因素的变化趋势来反映现实田间条件下气候因素对SOC动态的影响。研究发现, 紫色土ΔSOC随年均温增长速率呈抛物线关系, 并不会随着气温升高而持续升高。气温升高2 ℃时气候变暖会导致有机碳损失[43], 但四川盆地在1981年到2015年间的气温变化幅度远小于2 ℃, 且拟合结果显示SOC并不会随气温升高而持续增加, 而是趋于平缓, 这表明SOC增加存在一个温度阈值, 当超过此阈值时SOC将会减少。
降水是紫色土ΔSOC减少的关键因素。有研究通过同步观测试验发现, 壤中流可溶性有机碳损失是紫色土SOC径流损失的主要方式, 气态损失是紫色土SOC损失的主要途径[8,16]。紫色土发育程度低, 耕地利用方式以坡耕地为主, 在相同地形地貌和降雨条件下更易被侵蚀, 降雨量高时壤中流更活跃易造成有机碳损失。相对湿润条件下的紫色土区域SOC增量较低, 表明紫色土SOC变化与水分条件有关, 此结论与四川盆地整体及四川盆地水稻土SOC动态变化的研究结论一致[39,41]。
3.2.2 施肥和作物生产力
SOC含量变化取决于碳输入和碳输出的动态平衡过程, 近40年紫色土SOC处于增加状态, 也就是输入量超过分解量, 引起这种平衡过程的一个重要原因是外源有机物质对原有土壤有机质的激发效应。随着施肥量和粮食产量及其年均增长率的增加, 紫色土表层ΔSOC呈先增加后减少的抛物线特征。
本研究中ΔSOC与粮食产量增长率间的趋势拟合判决系数相比ΔSOC与粮食产量的更高, 表明SOC的增加更加依赖于作物增产的提高。也有多项基于不同尺度农田SOC研究表明作物生产力是SOC增加的主导因素[11-12,15,38], 但SOC的储存和释放会首先受到土壤特性(如土壤质地、土壤化学稳定性)与气温、降水等环境条件的交互影响[44-46], 所以SOC增量会随着作物产量及其年均增长率呈先升后降的抛物线变化。
虽然施肥量的增加有助于提高作物生产力, 但四川盆地的作物增产率不会随着施肥量的增加而持续升高[38], 过量投入化肥会加重土壤酸化, 从而减少根系产量[47]。其次, 研究区所使用的肥料仍以化肥为主, 更易被微生物分解利用, 对SOC矿化激发的影响更剧烈[48]。而且四川盆地主要紫色土分布区土壤碳氮比高[42], 若继续大量投入氮肥对增加土壤碳存储意义甚微, 并容易因施氮过量而引发一系列生态环境问题。施加化肥、有机肥与秸秆还田均可有效缓解紫色土的泥沙侵蚀, 其中施用秸秆对缓解泥沙侵蚀的效果最佳[16,49-50], 且秸秆中的纤维素、木质素及蜡质等结构相对复杂的外源有机物需要较长的时间被降解, 激发效应较缓慢持久[51], 也有利于SOC的积累。
3.2.3 母质和地形
本研究发现, 研究期间尽管不同紫色土母质发育的土壤有机碳均值均显著增加, 但不同母质发育的紫色土之间SOC含量均值差异并不显著, 尤其是2010s各母质发育的土壤SOC含量均值间没有显著差异。这表明40年间母质对四川盆地紫色土SOC含量的影响有所下降。成土母质通过控制土壤胶体的数量和性质, 影响了土壤团聚体及SOC对外源有机物质输入的响应, 从而影响了SOC的积累和稳定[52]。然而, 本研究区紫色土的母岩主要是侏罗系、白垩系紫红色砂、泥岩, 周围山地则以三叠系紫色岩为主, 不同岩组主要由砂岩和泥(页)岩组成, 因此紫色土母质胶体特性和颗粒组成相近[2-3]。由于研究区土壤母质对紫色土形成过程中的矿物组成和化学组成的影响差异不大, 加上40年间紫色土SOC含量总体变异系数降低, 母质作为结构性因素的影响力降低, 所以在本研究中母质对研究区紫色土SOC含量变化的贡献有限。
地形在成土过程中主要作用在于对土壤水分、热量和母质的再分配[53]。坡度一般对SOC含量有负向的影响[20]; 海拔高度影响气温、植被和土壤热量状况, 从而影响紫色土风化程度, 对SOC的影响较复杂。紫色土耕地集中分布在四川盆地丘陵区和海拔800 m以下的低山区[3], 在海拔200~450 m的区域为盆底, 坡度相对平缓, 随着海拔升高, 气温降低并不明显, 气候温暖湿润, 植被丰富度增加, 植物残体和所施肥料等碳源物质分解速度更快, 土壤有机碳库增加。而在海拔较高、降水量较大的边缘山地, 坡度较大, 水力侵蚀导致SOC的流失[19,21], 加之土壤酸性较强[54], 不利于SOC的积累。
3.3 紫色土耕层SOC变化对气候变暖的响应
对于中地理尺度下的紫色土耕地, 尽管其耕层SOC含量变化与降水、施肥、作物生产力、母质和地形显著相关, 气候变暖仍然是其变化的重要因素, 但其对于气候变暖的响应具有自身特点。在较大尺度地理环境下, 气候变暖对耕地SOC变化的影响首先取决于温度增幅(本文中将此量化为年均温增率)[38]。有许多基于模型的有机碳预测结果也获得了相似的耕地SOC抛物线变化。如基于DCNC (DeNitrification-DeComposition)模型的新疆焉耆盆地的预测结果表明, 模拟的SOC储量会从2018年到2035年增加, 但在2035—2086年减少[55], 其减少可归因于温度的持续升高[56]。有研究表明当温度升高超过阈值时, 气候变暖将导致有机碳的纯损失[57]。
在有关中国耕地的早期研究中, 作物生产力的提高也是SOC增加的主要因素[11-12,15]。虽然气候变暖可以提高作物生产力, 但其对作物产量增加的影响有限, 当变暖的范围超过2 ℃, 玉米和小麦的总产量会降低[58]。温度的持续升高会进一步提高土温和增强土壤呼吸, 从而加速SOC分解速率, 这种现象在表土层中表现得尤为明显[23,43]。增加施肥量有助于提高作物生产力, 但增温施氮的交互作用会加快紫色土中微生物的呼吸作用从而加快有机质的分解[16], 但如果有机肥施用量高, SOC总量会提高[59]。这表明, 紫色土在气候变暖的持续增温过程中, 长期单施化肥虽然会增加植物碳对土壤的输入, 但也会增加土壤异养呼吸速率, SOC分解速率将逐渐快于碳输入的增加速率, 从而导致SOC增量降低, 使紫色土耕层SOC增量与年均温增长速率之间呈先升后降的抛物线关系。
无论是自然土壤还是人为扰动形成的耕地, 降雨量所引起的水分条件差异都是区域及全球尺度下SOC对气候变暖响应的关键因素[12,25,60-61]。温度对SOC的调节只有在控制降水的影响[62]或者跨越了较宽温度梯度区域才变得显著[63]。本研究表明，降水是SOC增量的关键驱动因素, 高水分条件下的耕地SOC增量相对较低。同时, 研究揭示了紫色土在不同水分条件下对气候变暖的独特响应特征，并推测紫色土作为一种独特的土壤类型，其土壤性质可能在降水和气温的共同作用下对SOC变化发挥显著调控作用。降水一般通过控制农业系统内的作物生产力和土壤呼吸来抵消气候变暖对SOC的影响。较高的降水或土壤湿度不仅会降低作物产量[64], 还会导致气温和土壤温度的变化幅度都降低[65-67]。近几十年来, 四川盆地年降水量较低地区的年均温和0 cm土壤温度的上升速率较高, 总体上盆地内农田SOC在相对潮湿环境下对气候变暖的敏感性降低[38]。但有研究表明, 温度对碳储存的影响受到土壤稳定能力的控制, 如土壤质地通过影响团聚体动态从而影响物理保护, 质地较粗的土壤更易受到温度的影响而释放碳[46]。紫色土是一种由紫红色砂、泥岩发育成的初育土, 它含有大量的沙粒和粉粒[34-35], 含水量、黏粒含量低, 排水性好, 即使在较高降水量下也很少出现土壤水饱和或者缺水的情况[24]。本研究中, 在干燥条件下紫色土ΔSOC的峰值更高, 峰值处自变量的阈值更大, 但潮湿条件下紫色土ΔSOC随年均温增长速率的增长仍呈现出前者相似的抛物线变化。即降水量低的紫色土区域的SOC积累量更高, 年均温增长更快; 但可能由于紫色土本身排水性好, 使得降雨量高的紫色土区域虽然不及低降水区域, 仍有一定的SOC积累。总体上紫色土SOC仍会受到气温和降雨的影响, 但紫色土本身的土壤特性会抵消部分气候变暖和水文状况引起的SOC波动, 因此呈现出与盆地内水稻土、黄壤等其他耕地土壤不同的研究结果[38-39]。
此外, 区域尺度下的SOC变化往往受地形、水文、地质条件及人为因素的综合影响。四川盆地可划分为四大地貌区: 盆周山区、平行岭谷区、川中丘陵区和成都平原区。由于紫色土旱耕地在成都平原区分布较少, 本研究将成都平原区的采样点合并至川中丘陵区, 共分为三大地貌区。地形、植被、土壤类型等因素导致的局部小气候差异, 以及不同流域水文状况的差异, 可能是造成各地貌区和流域紫色土SOC增量不同的原因。研究表明, 近40年四川盆地各地貌区和流域的紫色土SOC含量显著增加, 但增量存在一定差异。尽管紫色土是一种非地带性土壤, 但由于气候变暖对温度和水分的强烈影响, 其对不同地貌和流域的紫色土SOC的具体影响机制还有待进一步分析。
4. 结论
1) SOC增量趋势及差异: 近40年来, 四川盆地紫色土耕层SOC含量显著上升, 呈现碳汇效应, 但整体水平仍低于全国平均水平, 固碳潜力较大。不同地貌区和流域SOC含量变化量存在差异。
2) SOC与多因素关系: 紫色土耕层SOC增量与年均气温、年均气温增长率呈正相关抛物线关系; 与年均降雨量、海拔、坡度呈负相关抛物线关系; 与施肥量和粮食产量及其增长率呈先升后降的抛物线关系。相对干燥的环境更有利于SOC积累, 且不同母质的土壤的有机碳含量显著增加, 但母质引起的空间变异性减弱。
3) SOC对气候变暖与水分的响应: 紫色土耕层SOC在不同水分条件下与年均温增长率呈相似的抛物线关系, 表现为先增后减。由于紫色土特殊的土壤性质, 其SOC对气候变暖和水分的依赖性相对减弱。因此, 应采用适应紫色土特性的管理措施, 如增施有机肥、秸秆还田和合理水分管理等以促进固碳。
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图 1 研究区不同地貌区及流域内样点分布
Figure 1. Sampling sites distribution within geomorphological zones and river basins of the Sichuan Basin
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图 2 四川盆地不同时期紫色土采样点土壤有机碳(SOC)含量等级
Figure 2. Grades of soil organic carbon (SOC) content of purple soil sampling points in 1980s and 2010s in the Sichuan Basin
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图 3 紫色土有机碳含量变化(ΔSOC)与气温及降雨的关系
图3d中不同小写字母表示同时期不同年降雨量紫色土SOC含量存在显著差异(P<0.05), 不同大写字母表示同降雨量区域不同时期紫色土SOC含量存在显著差异(P<0.05)。Different lowercase letters in Fig. 3d indicate significant differences between two precipitation regions in the same period (P<0.05), while different uppercase letters indicate significant differences among two periods with the same precipitation (P<0.05).
Figure 3. Relation of purple soil organic carbon variation (ΔSOC) with temperature and precipitation
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图 4 紫色土有机碳含量变化(ΔSOC)与施肥及粮食产量的关系
Figure 4. Relation of purple soil organic carbon variation (ΔSOC) with chemical fertilization amount and crop yield
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图 5 紫色土有机碳含量变化(ΔSOC)与海拔及坡度的关系
Figure 5. Relation of purple soil organic carbon variation (ΔSOC) with elevation and slope
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图 6 不同水分条件下紫色土有机碳变化量(ΔSOC)与年均温增长率的关系
Figure 6. Relation between purple soil organic carbon variation (ΔSOC) and the change rate of annual temperature (CRAT) under different mean annual precipitation levels (MAPL)
表 1 1980s—2010s研究区土壤表层有机碳(SOC)含量变化统计特征
Table 1 Statistical characteristics of soil organic carbon (SOC) content changes in the study area from 1980s to 2010s
分区方式
Division method分区名
Division name1980s 2010s 变化量 Change 样点数
Number均值
Mean
/(g·kg−1)置信区间
Confidence interval
/(g·kg−1)级别
Grade样点数
Number均值
Mean
/(g·kg−1)置信区间
Confidence interval
/(g·kg−1)级别
Grade均值
Mean
/(g·kg−1)置信区间
Confidence interval
/(g·kg−1)全区
Whole region四川盆地
Sichuan Basin1 087 6.97 6.75~7.21 4 1 154 9.65 9.41~9.90 4 2.68*** 2.36~3.02 地貌
Geomorphology川中丘陵区
Central Sichuan Hilly Area691 5.74b 5.54~5.95 5 823 9.11b 8.85~9.38 4 3.37*** 3.05~3.71 盆周山区
Basin Peripheral Mountain Area319 9.35a 8.85~9.88 4 257 11.46a 10.85~12.09 4 2.11*** 1.33~2.92 平行岭谷区
Parallel Ridge-Valley Area77 8.23ac 7.33~9.20 4 74 9.42b 8.46~10.46 4 1.19 0.12~2.55 流域
River basin涪江流域
Fujiang River Basin103 6.63abc 6.06~7.25 4 122 10.53a 9.90~11.16 4 3.89*** 3.02~4.75 嘉陵江流域
Jialing River Basin95 6.14bc 5.44~6.90 4 143 9.17ab 8.59~9.78 4 3.04*** 2.08~3.95 岷江流域
Minjiang River Basin250 7.87a 7.35~8.45 4 151 10.31ab 9.60~11.07 4 2.44*** 1.47~3.34 渠江流域
Qujiang River Basin189 7.43ab 6.86~8.03 4 228 9.28ab 8.74~9.85 4 1.86*** 1.03~2.67 沱江流域
Tuojiang River Basin259 5.66c 5.30~6.04 5 290 8.98b 8.58~9.40 4 3.33*** 2.77~3.91 长江干流区
Yangtze Mainstream Area191 7.73a 7.26~8.21 4 220 10.30ab 9.61~11.04 4 2.57*** 1.74~3.42 同列不同小写字母表示不同地貌区或不同流域之间SOC含量均值存在显著差异(P<0.01), ***表示极显著水平(P<0.001)。有机碳含量(g·kg−1)分级标准: 1级>23.20, 2级17.40~23.20, 3级11.60~17.40, 4级5.80~11.60, 5级3.48~5.80, 6级≤3.48。Different lowercase letters in the same column indicate significant differences in the mean SOC content among different geomorphic zones or river basins (P<0.01), and *** indicates highly significant level (P<0.001). Soil organic carbon content (g·kg−1) classification standards: grade 1 >23.20, grade 2 17.40−23.20, grade 3 11.60−17.40, grade 4 5.80−11.60, grade 5 3.48−5.80, grade 6 ≤3.48. 
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表 2 1980s—2010s紫色土主要成土母质土壤有机碳(SOC)含量变化统计特征
Table 2 Statistical characteristics of soil organic carbon (SOC) content changes in the parent material of purple soil from 1980s to 2010s
母质类型
Parent material1980s 2010s 变化量 Change 样点数
Number均值
Mean
/(g·kg−1)置信区间
Confidence interval
/(g·kg−1)级别
Grade样点数
Number均值
Mean
/(g·kg−1)置信区间
Confidence interval
/(g·kg−1)级别
Grade均值
Mean
/(g·kg−1)置信区间
Confidence interval
/(g·kg−1)白龙组
Bailong group30 7.1ab 5.96~8.51 4 32 9.78a 8.56~11.01 4 2.68** 0.93~4.37 灌口组
Guankou group32 7.23ab 6.13~8.39 4 16 10.86a 9.16~12.51 4 3.63** 1.56~5.46 夹关组
Jiaguan group31 8.07a 6.75~9.50 4 14 12.17a 10.32~14.29 3 4.10** 1.72~6.47 蓬莱镇组
Penglaizhen group304 6.27b 5.91~6.65 4 304 9.26a 8.85~9.68 4 2.99*** 2.43~3.53 沙溪庙组
Shaximiao group262 6.43b 6.06~6.80 4 372 8.85a 8.49~9.25 4 2.43*** 1.89~2.95 遂宁组
Suining group160 6.44b 5.89~7.09 4 153 9.39a 8.82~9.98 4 2.96*** 2.10~3.76 窝头山组
Wotoushan group38 6.94ab 5.92~7.96 4 34 9.29a 8.25~10.40 4 2.36** 0.91~3.85 自流井组
Ziliujing group50 8.29a 7.08~9.52 4 28 13.16a 10.72~15.94 3 4.87** 2.18~8.01 不同小写字母表示不同母质类型间差异显著(P<0.05), **和***分别表示显著水平(P<0.01)和极显著水平(P<0.001)。有机碳含量(g·kg−1)分级标准: 1级>23.20, 2级17.40~23.20, 3级11.60~17.40, 4级5.80~11.60, 5级3.48~5.80, 6级≤3.48。Different lowercase letters indicate significant differences among different parent materials (P<0.05). ** and *** denote significant (P<0.01) and highly significant (P<0.001) levels, respectively. Soil organic carbon content (g·kg−1) classification standards: grade 1 >23.20, grade 2 17.40~23.20, grade 3 11.60~17.40, grade 4 5.80~11.60, grade 5 3.48~5.80, grade 6 ≤3.48.
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