矿物岩石地球化学通报
·研究成果·
Bu lletin of Mineralogy , Petrology and Geochemistry
Vol . 27No . 1, Jan . 2008
长江三角洲典型区农田土壤碳氮比值的
演变趋势及其环境意义
齐雁冰, 黄 标, 顾志权, 赵永存,
孙维侠, 王志刚, 杨玉峰
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1. 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, 南京210008;
2. 江苏省张家港市土壤肥料技术指导站, 张家港215600
摘 要:土壤碳氮比值(C /N ) 是衡量土壤C 、N 营养平衡状况的指标, 它的演变趋势对土壤碳、氮循环有重要影响。本文通过野外调查、采样和分析, 运用地统计学方法和G IS 技术, 分析了张家港市自1980～2004年土壤C /N 值的时空演变及其对土壤碳、氮循环的意义。结果表明, 张家港市土壤有机质和全氮总体上明显提高, 土壤C /N 值也发生了不同程度的变异, 主要表现在南部的人为土区土壤C /N 降低, 其中普通铁聚水耕人为土降低显著(p 0. 05) 。在土壤有机质和全氮提高的同时, C /N 的降低提高了微生物活性, 加快有机质和有机氮的分解矿化, 土壤固定有机碳能力降低, 并释放更多的无机氮, 氮素流失的可能性增加, 对环境产生负面影响。今后的农业生产中应注意提高土壤碳素投入和降低氮素投入, 如大力推行秸秆还田、增施有机肥、减少无机氮肥, 以保持土壤碳氮平衡及土壤的可持续利用。
关 键 词:时空演变; C /N ; 碳循环; 氮循环; 张家港市
中图分类号:S159 文献标识码:A 文章编号:1007-2802(2008) 01-0050-07
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Spatial and Temporal Variation of C /N Ratios of Agricultural Soils in Typical Area of Yangtze Delta Regio n and its Enviro nmental Significance
QI Yan -bing 1, H UANG Biao 1, G U Zhi -quan 2, ZH AO Yo ng -cun 1,
SUN Wei -xia 1, WANG Zhi -gang 1, YANG Yu -feng 1
1. S tate K ey L aboratory o f Soil and S ustainable Agriculture , Institute o f Soi l S cience , Chinese Academy o f Sciences , N anjing , 210008, China ; 2. Station f or S oil and Fertilizer Technique Service , A gricultural Bureau o f Z hangj iagang
County , J iangsu 215600, China
Abstract :T he C /N ratio of soils is an indicato r for assessing C and N nut rition balance of soils . Its variation is signif -icant in reflecting the carbon and nitrogen c y cling of soils . Based on field investigation , sample collection and analy -sis , and application of statistics and GIS technology , this study has discussed t he spatial and temporal variation of C /N ratios and its eff ect on the C and N cycling in soil samples collected from t he Zhangjiagang City f rom 1980to 2004. T he results indicated that the contents of soil organic matter (SOM ) and soil tot al ni trogen (ST N ) are signifi -cant ly increased in soils collected f rom 1980t o 2004, with a significant decrease of C /N ratios (p 0. 05) for the Cambosols in t he northern of t he city . With the increase of SOM and ST N , t he decrease of the C /N ratio resulted in the enhancing activity of t he microbes , accelerating the rate of decomposition and mineralization of the SOM and ST N , reducing t he o rganic carbon fixation capacity of soils , re -收稿日期:2007-06-30收到, 08-27改回基金项目:国家重点基础研究发展规划(973) 项目(2002C B410810) ; 中国地质科学院生态地球化学重点项目(K L05-15) 第一作者简介:齐雁冰(1976—), 男, 博士, 主要从事土壤地球化学的研究工作. 通讯作者:黄标E -mail :bhu ang @issas . ac . cn .
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leasing more inorganic N f rom soils , and influencing negatively on t he environment . It is suggest ed t hat the input of mo re C and less N into soils , such as incorporating crop residues into soil , inputting less ino rganic N fertilizers but mo re more organic fertilizers int o soils fo r f uture farming practices , could effectively maintain the balance of the SOM and ST N for sust ainable utilization of soils .
Key words :spatial and temporal variation ; C /N ratio ; C cycling ; N cycling ; Zhangjiagang city
土壤有机碳和全氮既是作物生长必需营养元素的主要来源, 也是陆地土壤碳库和氮库的重要组成部分, 并在一定程度上影响着大气中温室气体的浓度和全球气候变化, 因而成为近年来全球变暖背景下最为关注的热点问题之一。
由于自然条件、农业管理措施及土地利用方式的改变, 土壤有机质和全氮在一段时间内均有一定的变异。国内外已有许多学者结合地统计学方法研究了农田土壤有机质和各种养分的时空变异, 分析了空间和时间上的变异特征, 探讨了变异的原因, 取得了丰富的研究成果[2～8]。土壤有机质和各种养分的时空变异可以很好地反映土壤质量的变化特点, 但仅考虑组分本身的变异特点对于了解土壤质量的变异是不够的, 还有必要了解各组分之间的比例关系及其时空演变, 以便全面地阐述土壤质量变化的特点。其中通过一段时间内土壤有机碳与全氮比值(C /N ) 的演变值得重视[3, 9～11], 这不仅是因为它是土壤质量的敏感指标, 而且它影响到土壤中有机碳和氮的循环[12]。农田生态系统受人为影响强烈, 管理措施、利用方式、施肥等农业措施都会改变土壤碳和氮的比例关系, 引起微生物活性变化而影响土壤质量和土壤碳、氮循环[11], 其变化状况对农田生态系统正常功能的发挥、土壤作为大气碳、氮源和汇作用等有重要的影响[13]。
张家港市地处长江三角洲, 经济高速发展, 工业、农业、养殖业活动活跃, 人类活动强烈, 造成农田土壤的高度集约利用。本研究选择该地区作为典型区, 研究近20多年来(1980～2004) 土壤C /N 时空演变趋势, 分析其演变环境意义, 为强烈人为作用下的土壤管理和农业可持续利用提供一定的决策依据。
[1]
15. 5℃,年际变化不大, 年均降水量1039mm , 主要集中在夏季, 年均蒸发量为800mm 。市内地势平坦, 起伏不大, 海拔高度在8m 以上的小丘陵主要分布在南部和西部的局部地区, 海拔高度在3～8m 的平田占据着大部分南部地区, 约占全市总面积的1/3; 分布面积最大的圩田主要分布在北部地区。
图1 张家港市土壤类型分布及地理位置图
Fig . 1 A map show ing soil types and location of the
Zhangjiagang City
土壤受成土母质影响[14], 土壤类型沿金港南部-杨舍中部-塘桥北部的东西方向一线南北分异明显(图1) , 北部沿江圩田区主要由长江冲积物母质发育而成, 属潮湿雏形土亚纲
[15]
。土壤呈碱性, 质
地为轻、中壤质, 绝大部分为水耕暗色潮湿雏形土亚
类, 占区域土壤面积的51%,主要包括常阴沙农场, 南丰、乐余、锦丰、大新4镇和塘桥、杨舍和金港3镇的北部区域, 少部分为普通暗色潮湿雏形土亚类, 零星分布在水耕暗色潮湿雏形土内部。南部平田区主要由潟湖相沉积母质经长期耕种熟化发育而成, 属水耕人为土亚纲。土壤呈中性, 质地较粘, 为重壤和轻粘土, 绝大部分为普通铁聚水耕人为土亚类, 占总面积的27%,主要包括凤凰镇全部及塘桥、杨舍和金港的南部区域, 少量漂白铁渗水耕人为土和铁渗潜育水耕人为土, 零星分布在普通贴聚水耕人为土的内部。在耕地土壤的种植结构上, 南部主要为稻麦轮作, 历史上北部主要为麦棉轮作, 近十年来已逐。
1 材料与方法
1. 1 研究区概况
张家港市位于长江三角洲冲积平原上(北纬31°43′～32°01′, 东经120°22′～120°49′) , 隶属于江苏省苏州市, 辖8个镇和一个农场(图1) 。总面积999km 2, 其中耕地面积40122hm 2(2004年底) , 人口约87. 9万。该区属北亚热带季风气候, 四季分
明,
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齐雁冰等/长江三角洲典型区农田土壤碳氮比值的演变趋势及其环境意义
1. 2 土壤样品采集与分析
1980年和2004年的采样点都均匀分布于全市的长期农化监测点。每个采样点在600m 2范围内采集6～8处耕层土壤(0～20cm ) , 混合均匀后, 缩分至1～2kg 装袋。为避免作物生长期间施肥的影响, 样品采集均在前期作物收获之后和下期作物播种前的秋季进行。2004年采样时均采用GPS 记录采样点的经纬度, 记录地理位置、土地利用历史、植被、土壤类型等信息。土壤样品风干, 捣碎, 过0. 25mm 尼龙筛后备用。土壤有机质的测定采用重铬酸钾容量法(外加热) , 全氮测定采用凯氏法
[16]
20多年来, 张家港市土壤有机质和全氮空间分
布格局未有较大变化, 两个时期空间分布均表现为南部人为土高于北部雏形土(表1) 。1980年时, 南部人为土有机质和全氮平均值分别为21. 38g /kg 和1. 31g /kg , 北部雏形土区分别为17. 11g /kg 和1. 09g /kg ; 2004年时, 南部人为土有机质和全氮平均值分别为25. 43g /kg 和1. 71g /kg , 北部雏形土区分别为19. 34g /kg 和1. 18g /kg 。
1980和2004的各272个土壤采集点的土壤有机质和全氮统计和不同土壤类型的属性方差分析表明(表1) , 1980～2004年土壤有机质和全氮含量较20多年前的第二次土壤普查有显著的提高, 平均值分别由18. 72g /kg 和1. 17g /kg 提高至20. 02g /kg 和1. 38g /kg 。在不同的土壤类型中, 除普通暗色潮湿雏形土外, 其它三种土壤2004年较1980年均有明显的提高(p
。
1. 3 数据统计与空间插值
空间数据处理和分析用GIS 软件A rcGIS9. 0和ArcView 3. 3等进行数字化、空间插值、空间叠置、面积统计和制图。土壤C /N 的空间插值采用普通Kring 法。对1980年和2004年的各272个样点土壤有机质和全氮用SAS 软件进行基本统计分析和方差分析。
2 结果与分析
2. 1 土壤有机质和全氮的时空变异特征
表1 不同土壤类型土壤有机质和全氮方差分析
Ta ble 1 Variance analysis of S OM and STN of vario us soil types
年代19802004F p
有机质
水耕暗色潮普通暗色潮普通铁聚水漂白铁渗水湿雏形土16. 7818. 6624. 6140. 000
湿雏形土17. 4317. 910. 2250. 637
耕人为土22. 7325. 2916. 3320. 000
耕人为土20. 0225. 5712. 0870. 001
全 氮
水耕暗色潮普通暗色潮普通铁聚水漂白铁渗水湿雏形土1. 071. 2029. 9410. 000
湿雏形土1. 111. 160. 5210. 473
耕人为土1. 391. 7344. 5590. 000
耕人为土1. 231. 6817. 5440. 000
平均18. 7220. 0228. 8520. 000
平均1. 171. 3852. 3230. 000
2. 2 土壤碳、氮比值的空间变异
土壤C /N 主要受地区的水热条件和成土作用特点的控制, 由于水田土壤有机碳通常高于旱地, 其C /N 前者高于后者。全国水田和旱地表层土壤C /N 分别为10. 8和9. 9
[11]
和南部, 其次是9. 7～10, 占总面积的13%,主要集中在最南部凤凰镇和西部的大新与杨舍的部分地区, C /N 在8. 5～8. 9和小于8. 5所占比例分别为7%和6%,主要分布在锦丰和乐余两镇靠近长江区域, 而C /N 高于10的面积很有限。2004年时(图2b ) 全市土壤C /N 各个等级分布相对分散, 并显示北部稍高, 而南部稍低; 与1980年相比, 总体明显降低, C /N 为8. 9～9. 3的土壤占总面积的32%,变化不大, 大部分分布在北部雏形土区, 其次为9. 3～9. 7, 占总面积的22%,与1980年相比所占比例降低16%,而8. 5～8. 9和小于8. 5所占的比例则明显提高, 分别提高14%和13%,主要分布在南部人为土区, 大于9. 7的区域已经很有限, 所占比例不到, 张家港市1980年和2004
年土壤C /N 分别为9. 25和8. 97, 均低于全国平均水平, 与江西余江县水田土壤C /N 比较接近
[3]
(9. 1) , 均属于肥力较高的农地。
由图2不难看出, 张家港市农田土壤C /N 空间上不但在同一年份不同区域之间有差异, 即使是同一区域在不同的年份之间也有很大差异。1980年时(图2a ) 全市土壤C /N 以南部和西部较高, 而东北部较低; C /N 以8. 9～9. 3和9. 3～9. 7为主, 分和
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图2 张家港市1980到2004年土壤C /N 分布图
Fig . 2 Distribution patterns of the C /N ratios of soils in the Zhangjiagang city in 1980and 2004
C /N 的变化在不同的土壤类型之间也具有较大差异(表2) 。1980年时, 北部的雏形土和南部的人为土的C /N 分别为9. 11和9. 47, 具显著差异(p
农田生态系统的碳、氮应维持一定的平衡, 但由于受强烈的人为活动影响, C /N 发生了不同程度的变异。1980～2004年70%土壤面积C /N 出现不同程度的降低(图3) , 平均降低0. 28个单位, 其中南部和西部的大部分面积均降低, 特别是塘桥镇降低幅度最高达3个单位, 而升高的地方主要集中在北部靠近长江的锦丰和乐余两镇的部分地区, 升高幅度一般在1～2个单位
。
1980～2004年, 张家港市农田土壤C /N 发生了明显变异。1980年时C /N 平均值为9. 25, 2004年则降低为8. 97, 两个年份具有显著差异(p
0. 01) (表2) 。1980～2004年北部的雏形土C /N 没有明显差异(p >0. 05) , 南部的土壤中普通铁聚水耕人为土C /N 明显降低, 两个年份平均值分别为9. 54
和8. 69, 平均降低0. 85, 差异极显著(p 0. 05) 。由上可见, 研究区两个年份土壤C /N 的降低在统计上达到显著水平, 普通铁聚水耕人为土C /N 的显著降低是主要原因。
表2 不同土壤类型C /N 方差分析
Ta ble 2 Variance analysis of C /N ratios of various
types of soils
年代19802004F p
平均9. 258. 977. 8470. 0078
水耕暗色潮普通暗色潮普通铁聚水漂白铁渗水湿雏形土9. 12Ab 9. 09Aa 0. 08790. 7813
湿雏形土9. 10Ab 9. 10Aa 0. 00010. 9969
耕人为土9. 54Aa 8. 69Bb 13. 83990. 0005
耕人为土9. 40Aa 8. 94Aa 1. 48560. 2560
研究区农田土壤有机质和全氮含量20多年来不断提高的同时, C /N 值也发生了不同程度的改变, 大部分土壤特别是人为土C /N 明显降低, 这表明氮素的增加速度明显高于碳素, 20多年来南部人为土全氮的增长量为26. 5%,有机碳的增长量为13. 9%,前者是后者的近两倍, 而北部雏形土区二者的增长量分别为10. 1%和9. 8%,基本无差异。
3 讨 论
3. 1 碳、氮时空变异的原因
自上世纪80年代初农地由集体种植变为家庭联产承包以来, 农户的生产积极性迅速提高, 精耕细
图3 张家港市1980到2004年土壤C /N 变化图
Fig . 3 Variation of the C /N ratio of soils in the
Zhangjiagang city from 1980to 2004
作, 有机肥料与化学肥料配合施用, 作物产量和耕地
肥力逐渐提高。90年代随着工业企业的迅速壮大,
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齐雁冰等/长江三角洲典型区农田土壤碳氮比值的演变趋势及其环境意义
逐渐降低, 有机肥料施用量逐渐降低, 化学肥料大量施用。张家港市自1980年以来, 土壤有机质和全氮均有不同程度的提高, 地力逐渐提高[17], 我们认为其原因一方面与大力推广秸秆还田有关[4, 6, 18], 尤其是20世纪90年代研究区推广实行全量机械还田技术[19], 使土壤有机质和养分逐渐提高; 另一方面与大量施用肥料, 特别是氮肥有关。自上世纪80年代以来, 张家港市农业生产中化肥的使用量不断上升, 以水稻氮肥的施用量为最高
[18]
分解矿化速度随之加快, 不仅有机碳总量下降, 而且
轻组有机碳量的减少大大超过重组碳, 使难氧化有机碳含量上升, 土壤有机质老化, 不利于有机质在土壤中的累积[12], 而可能会引起碳的净释放[23]。在张家港市272个农化点中, 2004年和1980年相比, 69个农化点的有机质出现不同程度的降低(占25%) , 但现在还是以零星分布为主, 还没有出现大面积的降低。
由于陆地生态系统中的氮储存于土壤有机质库中, 因而土壤有机碳的变化与土壤氮的变化紧密联系。大量无机氮肥的施用引起C /N 降低, 对土壤氮循环的影响也是通过对微生物活性的影响而发生的, C /N 降低为微生物提供更多的能量, 微生物的活性提高。有机质矿化时会释放更多的无机氮
[3]
, 80年代初水稻氮肥
的施用量约为150kg /ha (折纯) , 到1998年最高达到330kg /ha , 之后虽然有所下降, 但亦维持在300kg /ha 左右。
20多年来南部人为土C /N 的降低明显高于北部雏形土, 这主要与土壤质地有关:它们由潟湖相沉积母质经长期耕种熟化发育而成, 质地较粘(为重壤和轻粘土) , 而北部雏形土由长江冲积物母质发育而成, 质地为轻、中壤质(表3) 。由于土壤粘粒通过小孔隙的包被而对土壤有机物质有保护作用, 因而细质土比粗质土能固定更多的碳和氮[20]。
表3 张家港市土壤质地
Table 3 Co mponents of Soils in the Zhangjiagang City
土壤类型人为土雏形土
砂 粒560. 2662. 2
粉 粒260. 4232. 4
粘 粒178. 8122. 9
质 地重 壤中、轻壤
,
虽然可以促进作物的吸收利用, 但由于无机氮在土
壤中很难累积, 引起氮素通过淋溶和反硝化过程而损失[24～26], 从而污染地下水和河流。
4 结 论
1980～2004年张家港市通过作物秸秆全量机械还田技术和大量化学肥料的施用, 土壤有机质和全氮显著提高, 但过量施用氮肥造成C /N 的变异, 大部分土壤特别是人为土C /N 降低, 加快了有机物质的分解矿化速度, 不利于有机物质的积累, 加速氮素的流失。
在追求高产的前提下维持土壤碳氮耦合平衡的途径是碳氮的平衡投入。有机质越高的地区, 随氮素投入水平的提高, 有机碳的累积越困难, 更容易引起C /N 的降低, 因此南部人为土区在提高氮素投入水平的同时, 应注重碳素的归还水平, 大力推广秸秆还田和增施有机肥是合理的途径。北部雏形土虽然C /N 值没有较大变化, 但在许多区域也有降低的趋势, 应在维持现有碳、氮投入水平的同时, 注意有机肥的施用。
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注:砂粒粒径∶10～250μm , 粉粒粒径∶1～10μm , 粘粒粒径
3. 2 C /N 降低的环境意义
长江三角洲自改革开放以来的农业管理措施虽然在耕地地力和作物产量上均有较大幅度的提高, 但在一些高肥力土壤中却出现C /N 的降低, 这与李
忠佩等[3]的研究结果一致。1980～2002年江西余江县高产水稻土有机质和全氮均有提高, 但C /N 却发生明显的降低, 从1980年的10. 7降到2002年的9. 1。随着稻田利用时间的延长, C /N 的降低对土壤碳、氮循环均有不同程度的影响, 这对生态环境是十分不利的。
土壤中有机碳的分解受土壤微生物的碳氮平衡的影响
[21]
。因此土壤的C /N 在很大程度上影响其
分解速率。高肥力土壤C /N 的降低, 微生物的活性提高, 土壤中有足够量的氮供微生物消耗, 微生物同化同重量的氮需要消耗更多的碳, 矿化有机碳/矿化有机氮之比降低
[22]
, 而微生物在充足的氮素影响
下, 需要加入更多的碳才能维持活性, 因而会加速土,
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·学会之声·
深部地质过程、地球排气与油气资源学术研讨会通知
(第一号)
中国地球物理学会、中国石油学会、中国地震学会、中国矿物岩石地球化学学会拟定于2008年7月10～12日在大庆油田会议中心共同主办“深部地质过程、地球排气与油气资源学术研讨会”。
以新的科学理论和技术去寻找油气资源是地球科学家面临的新问题。地球深部流体、固体地幔、地壳、海底和大气圈等各个圈层是地球演化过程中最活跃的因素之一, 不仅有重要的地球动力学作用, 直接形成金属矿产和天然气, 还会引发多种自然灾害, 因而地球排气和地幔流体的研究具有重要的现实和理论意义。
会议主要内容:1) 地球排气与油气资源; 2) 地幔流体地球化学; 3) 天然气水合物; 4) 大洋热液与深部生物圈; 5) 地震、火山、气体突出; 6) 深部流体与金属、非金属矿产; 7) 中地壳油气藏、特殊天然气藏的形成机制与勘探策略; 8) 岩石圈精细结构; 9) 深部地质过程与含油气盆地的形成与演化; 10) 地学新理论和新方法。
征文:论文请寄至会议秘书处(deg asing2008@163. com ) , 再由秘书处转交各专题召集人。会议拟编辑论文摘要集, 会前由石油工业出版社出版。论文电子文件要求用w or d 格式, A 4纸2～3页, 可以包括图、表和参考文献。排版格式同《中国科学》D 辑。论文征集日期为2007年12月10日至2008年5月30日。
会议注册费、住宿费:会议注册费600元/人, 学生代表(不含博士后) 300元/人, 代表随行人员300元/人。退休老专家免收会议费。会务组统一安排住宿, 费用自理。
会议联系方式:
通讯地址:黑龙江省大庆市让胡路区西苑路18号大庆油田勘探开发研究院, 邮编:163712联系人:张晶晶, 贾琪, 崔坤宁。电话:0459-5508163、0459-5236863电子邮件:degasing2008@163. com , jiaqi @petro china . com . cn