近40年甘肃省耕层土壤有机碳时空分异及影响因素

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2022.00089

近40年甘肃省耕层土壤有机碳时空分异及影响因素

张美兰^,¹^,², 崔增团^,¹, 顿志恒¹, 贾蕊鸿¹, 张玉霞¹, 郭世乾¹, 崔倩怡³, 葛承暄¹, 蔡立群⁴, 董博⁵

1.甘肃省耕地质量建设保护总站，甘肃兰州 730020

2.中国科学院西北生态环境资源研究院，甘肃兰州 730000

3.暨南大学深圳旅游学院，广东深圳 518053

4.甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃兰州 730070

5.甘肃省农业科学院旱地农业研究所，甘肃兰州 730070

The Spatial-temporal variance characteristic of soil organic carbon in cultivited land of Gansu Province and its influencing factors in the 40 years from 1980 to 2020

Zhang Meilan^,¹^,², Cui Zengtuan^,¹, Dun Zhiheng¹, Jia Ruihong¹, Zhang Yuxia¹, Guo Shiqian¹, Cui Qianyi³, Ge Chenxuan¹, Cai Liqun⁴, Dong Bo⁵

1.General Station of Gansu Cultivited Land Quality Construction and Protection，Lanzhou 730020，China

2.Northwest Institute of Eco-Environment and Resources，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China

3.Shenzhen Campus of Jinan University，Shenzhen 518053，Guangdong，China

4.College of Resources and Environment，Gansu Agricultural University，Lanzhou 730070，China

5.Institute of Dryland Agriculture，Gansu Academy of Agricultural Sciences，Lanzhou 730070，China

通讯作者: 崔增团（E-mail： ggsggz0931@163.com）

收稿日期: 2022-01-29 修回日期: 2022-06-01

基金资助:

农业农村部耕地质量监测保护中心“耕地质量保护专项”

Received: 2022-01-29 Revised: 2022-06-01

作者简介 About authors

张美兰（1982—），女，甘肃陇南人，农艺师，博士研究生，主要从事耕地质量评价与GIS应用研究E-mail：zmlgssggz@163.com , E-mail：zmlgssggz@163.com

摘要

区域耕层土壤有机碳（Soil Organic Carbon， SOC）调查是明确全球土壤碳储量和认识土壤碳循环的重要任务。利用甘肃省1980s、2000s、2020s等3个时期的耕层土壤调查数据，通过计算耕层土壤有机碳密度（Soil Organic Carbon Density，SOCD），估算了甘肃省耕层有机碳储量。结果显示：（1）1980s、2000s、2020s甘肃省耕层SOC储量分别为97.68、109.14、123.13 Tg，近40年固碳总量约为25.45 Tg，固碳速率为0.012±0.01 kg·m^-2·a^-1，说明当前的农田管理措施有利于研究区耕地土壤长期固碳；40年间河西绿洲灌区、黄土高原区和陇南山地区耕层SOC储量呈增加趋势，甘南高原呈下降趋势。（2）从不同土壤类型来看，黄棕壤固碳速率最大，栗钙土最小。（3）近40年间甘肃省耕层SOC储量总体呈递增趋势，化肥、有机肥施用量以及秸秆还田量的持续增加，提高了作物归还量，进而增加了耕层有机物质含量，最终促进了耕层SOC的累积。

关键词： 土壤有机碳密度 ; 储量 ; 时空分异 ; 甘肃省

Abstract

Regional soil organic carbon （SOC） in the cultivated layer surveys are important in building an understanding of the global soil carbon cycle. In this paper， we estimated the organic carbon storage in Gansu Province by calculating the soil organic carbon density （SOCD） cultivated layer using soil survey data from three periods： 1980s， 2000s and 2020s in Gansu Province. The results show that：（1） the SOC storage in the cultivated layer of Gansu Province in the 1980s， 2000s and 2020s were 97.68 Tg， 109.14 Tg and 123.13 Tg， respectively， with a total carbon sequestration rate of 0.012±0.01 kg·m^-2·yr^-1 for a total of about 25.45 Tg in the last 40 years， which indicates that the current farm management measures are beneficial to the cultivated soil in the study area for long-term carbon sequestration. During the 40-year period， the SOC storage in the cultivated layer in the Hexi oasis irrigation area， Loess Plateau area and Longnan Hilly area showed an increasing trend， while the Gannan Plateau showed a decreasing trend. （2） From the perspective of different soil types， the rate of carbon sequestration of yellow-brown loam is the largest and that of chestnut-calcium soil is the smallest. （3） In the past 40 years， the SOC storage in the cultivated layer of Gansu Province has generally shown an overall increasing trend. The main influencing factor is the continuous increase in the amount of fertilizer application， the application of organic fertilizer and the return of straw to the field， which has increased the amount of crop return， which in turn increases the content of soil organic matter， and eventually promotes the accumulation of SOC in the cultivated layer.

Keywords： soil organic carbon density ; carbon storage ; spatial-temporal variance characteristic ; Gausu Province

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张美兰, 崔增团, 顿志恒, 贾蕊鸿, 张玉霞, 郭世乾, 崔倩怡, 葛承暄, 蔡立群, 董博. 近40年甘肃省耕层土壤有机碳时空分异及影响因素. 中国沙漠[J], 2022, 42(6): 295-303 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2022.00089

Zhang Meilan, Cui Zengtuan, Dun Zhiheng, Jia Ruihong, Zhang Yuxia, Guo Shiqian, Cui Qianyi, Ge Chenxuan, Cai Liqun, Dong Bo. The Spatial-temporal variance characteristic of soil organic carbon in cultivited land of Gansu Province and its influencing factors in the 40 years from 1980 to 2020. Journal of Desert Research[J], 2022, 42(6): 295-303 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2022.00089

0 引言

全球气候变化问题日趋严峻紧迫，已经从未来的挑战变成正在发生的危机，迫切需要全球共同努力，构建人类命运共同体。IPCC发布了第六次评估报告，明确指出人类活动引起了全球温度升高。“碳达峰”和“碳中和”目标的提出既是为了应对气候变化，更是为了中国的可持续发展；同时也为农业发展指明了新方向，提出了新要求。土壤碳库作为陆地生态系统碳库中最大的贮库，一直是国内外学者研究的对象。土壤有机碳（Soil Organic Carbon， SOC）作为土壤中较为活跃的部分^［1-4］，其浓度变化以温室效应影响全球气候变化^［5］。早期针对SOC研究多在于其在土壤肥力中的作用，如对土壤养分、土壤结构、土壤保水保肥方面的意义^［6］。20世纪末开始关注土壤固碳及土壤碳转化和碳循环对全球气候变化的影响，潘根兴等^［7］对中国农田SOC调查研究表明，自20世纪70年代以来，中国农田土壤在优化施肥和高产管理措施下土壤有机碳呈明显增加趋势，如配方施肥、有机无机肥配施以及优化农作制度均提升了中国农田SOC含量，表现出明显的碳汇效应。

近年来，许多学者通过野外采集^［8-9］、文献整理^［10-12］和全国土壤普查数据^［13-15］等多源数据，对中国不同区域、站点尺度上的农田SOC含量、SOC密度（Soil Organic Carbon Density，SOCD）的变化特征进行了深入分析^［16-18］。程琨等^［19］研究表明1988—2007年中国农田耕层SOC呈上升趋势，种植制度是影响农田SOC增长率的主要因素；李金全等^［20］发现2004—2013年中国农田耕层SOC增长率水田大于旱地；邓祥征等^［21］研究表明土地利用及气候变化导致中国农田土壤有机碳贮量的变化具有显著的时空分异特征；于严严等^［22］研究表明中国农田耕层SOCD略有增加，合理的农作措施如轮作、施肥和灌溉面积的增加等是中国SOC上升的主要驱动力。虽然研究表明中国农田SOC含量呈增加趋势^{［19，23-24］}，但不同区域在固碳速率及空间分异等方面存在较大的差异。

甘肃省位于中国西北地区，属于生态脆弱区^［25］。从目前的研究来看，甘肃省的SOC研究多在小区域或县域，境内地貌类型复杂多样，土壤类型有37个，气候多变。耕地的土地利用类型为旱地和水浇地，旱地占总耕地面积的75.21%，水浇地占总耕地面积的24.79%。风沙、干旱、水土流失是制约甘肃省农业发展的重要原因。目前对甘肃省省域范围内耕层SOC储量的研究则较少，耕层SOC含量关系着土壤质量和耕地生产能力，进而影响到粮食安全，是制定农田管理措施的重要依据。因此本文利用1980s、2000s、2020s等3个时期的土壤调查采样数据，运用GIS普通克里格差值分析方法，估算了近40年甘肃省农田耕层（0—20 cm）SOCD及SOC储量的变化，并根据结果分析了影响其变化的因素。开展SOC储量变化趋势及幅度的研究，对于了解甘肃省耕地生产潜力和土壤环境都具有重要意义，研究结果可为合理制定中国西北干旱半干旱区耕地固碳减排策略和改善土壤质量提供理论依据。

1 材料与方法

1.1　研究区概况

甘肃省（32°11′—42°57′N，92°13′—108°46′E）位于黄河上游，分属黄河、长江、内陆河三大流域。全省土地总面积42.58万km²。省内山地、高原、平原、丘陵、沙漠、戈壁交错分布，以山地和高原为主。全省属大陆性温带季风气候，年平均气温0.3—15.1 ℃，年降水量36.6—734.9 mm，全省地域狭长，东西地貌差异较大，可分为河西平原绿洲灌区、陇中陇东黄土高原区、陇南山地区、甘南高原区4个农业种植区域。主要的耕作土壤类型有黄绵土、黑垆土、灰钙土、褐土、灰褐土、栗钙土、灌淤土、灌漠土、风沙土等。甘肃省主要粮食作物是小麦、玉米、马铃薯。

1.2　数据来源

全国第二次土壤普查数据，86个县的土壤志、第二次土壤普查报告记载的1 194个采样点数据（记为1980s）；2005—2014年7 504个甘肃省采样点数据，来自全国测土配方施肥-县域耕地资源管理信息系统建立与耕地地力评价项目，从全省20多万个调查点中综合行政区划、土壤类型、土地利用类型等因素，筛选出具有代表性的7 504个点位（记为2000s）；2020年7 260个采样点数据，来源于农业农村部“耕地质量保护专项”，甘肃省耕地质量调查点位数据（记为2020s）。土壤属性数据包括SOC含量、土层厚度、成土母质、土壤质地等数据，为了与1980s数据进行比较，2000s、2020s土壤有机质含量均采用了与全国第二次土壤普查相同的土壤检测方法，土壤有机质均采用油浴加热重铬酸钾氧化容量法检测^［26］。

空间数据。甘肃省1∶50万土壤类型图，shp格式；土地利用数据，来源于甘肃省测绘局，shp格式。统计数据，来源于国家数据^［27］。

1.3　研究方法

本研究利用ArcGIS10.8中的“Intersect”命令将甘肃省土壤类型图与土地利用类型图进行叠加，并以3个时期的图斑“交集”生成耕地-土壤图，作为评价底图来保证评价对象的可比性^［28］。利用SPSS 26.0对3个时期SOC进行描述性统计和方差分析，利用GS+软件进行地统计分析，确定空间插值的模型，然后用普通克里格插值方法对样点数据进行插值，建立1980s、2000s、2020s耕地-土壤数据库。进而生成甘肃省SOCD空间分布图。本研究采用Song等^［29］根据中国第二次土壤普查数据建立的土壤容重与有机碳含量的回归模型（Y= $1.3308 e^{- 0.006 S O C}$ ，R²=0.5965，P<0.001，n=1194）计算土壤样点中缺失的容重数据。

耕地-土壤图上每个图斑的耕层SOC含量的面积加权平均计算公式为：

SOC_aw=

\sum_{i = 1}^{n} S O M_{i} \times 0.58 \times A_{i} / \sum_{i = 1}^{n} A_{i}

（1）

式中：SOC_aw表示某个土壤类型的耕层SOC含量的面积加权平均值（g·kg^-1）；n是属于这个土壤类型的耕地-土壤图上的图斑总数；SOＭ_ｉ 是耕地-土壤图上属于这个土壤类型的每个图斑的土壤有机质含量（g·kg^-1）；0.58是Bemmelen换算系数；A_i 是耕地-土壤图上属于这个土壤类型的每个图斑的面积（m²）。不同农业种植区域的耕层SOC含量按照公式（1）计算。

耕地-土壤图上某个土壤类型的SOCD（kg·m^-2）加权平均值估算公式为：

SOCD=

\sum_{i = 1}^{n} S O C_{a w} \times ρ_{i} \times T_{i} / 100 \times A_{i} / \sum_{i = 1}^{n} A_{i}

（2）

式中：ρ_i 表示每个耕地-土壤图斑的容重（g·cm^-3）；Ｔ_i 表示耕层厚度（cm）。不同农业种植区域的耕层SOCD加权平均值按照公式（2）计算。

SOC碳储量采用式（3）估算：

\sum_{i = 1}^{n} S O C D_{i} \times S_{i} \times 1000

（3）

式中：C表示每个图斑SOC储量；S_i 表示耕地-土壤图斑的面积（m²）；n表示耕地-土壤图斑的数量。

2 结果与分析

2.1　甘肃省农田耕层（0—20 cm）有机碳密度（ SOCD ）时间变化特征

甘肃省1980s、2000s、2020s耕层不同SOCD的耕地面积占总耕地面积的比例见图1。1980s有77.50%的耕地SOCD含量为<1.50 kg·m^-2和1.50—2.00 kg·m^-2；2000s有53.43%的耕地SOCD含量为1.50—2.00 kg·m^-2；而2020s，46.32%的耕地SOCD含量为2.00—2.50 kg·m^-2。40年间分布在<1.50 kg·m^-2和1.50—2.00 kg·m^-2区间的耕地面积分别降低了32.53%和13.67%；分布在2.00—2.50、2.50—3.00、>3.00 kg·m^-2较高区间的耕地面积分别增加了35.64%、8.13%、2.43%，40年来甘肃省耕层SOCD显著增高。2000s和2020s的耕层SOCD频率分布趋于正态化。

图1

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图1 1980s—2020s甘肃省不同有机碳密度（SOCD）耕地面积比例

Fig.1 Frequency distribution of SOCD in topsoil cultivated land

2.2　甘肃省农田耕层（0—20 cm） SOCD 空间分布特征

图2为1980s—2020s甘肃省耕层SOCD空间分布。从空间变化上来看，3个时期的耕层SOCD均由西向东递减（图2），东西差异明显，1980s耕层SOCD空间分布格局为甘南高原区>河西平原绿洲灌区>陇中陇东黄土高原区>陇南山地区；2000s、2020s耕层SOCD空间分布格局为甘南高原区>陇南山地区>河西平原绿洲灌区>陇中陇东黄土高原区，40年来SOCD增幅最大的是陇南山地区，增加了0.91 kg·m^-2；增幅最小的是河西平原绿洲灌区，增加了0.38 kg·m^-2（表1）。

图2

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图2 1980s—2020s甘肃省耕层有机碳密度（SOCD）空间分布

Fig.2 Spatial distribution and variation of SOCD in the topsoil of the cultivitedland in Gansu Province

表1 1980s—2020s甘肃省主要地貌区耕层土壤有机碳密度（ SOCD ）、碳储量和固碳率的变化

Table 1 Change of SOCD and carbon storage in different farming area in Gansu Province

区域	SOCD/(kg·m^-2)			碳储量/Tg			固碳总量/Tg 1980s—2020s	固碳率 /(kg·m^-2·a^-1)
区域	1980s	2000s	2020s	1980s	2000s	2020s	固碳总量/Tg 1980s—2020s	固碳率 /(kg·m^-2·a^-1)
河西平原绿洲灌区	2.01	2.19	2.39	22.89	24.41	26.75	3.86	0.010
陇中陇东黄土高原区	1.71	1.88	2.15	59.94	65.97	75.48	15.54	0.011
陇南山地区	1.64	2.23	2.55	11.26	15.27	17.49	6.23	0.023
甘南高原区	3.68	3.58	3.5	3.59	3.49	3.41	-0.18	-0.005

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2.3　甘肃省农田耕层（0—20 cm）SOC储量变化特征

SOC储量从1980s的97.68 Tg增加到2020s的123.13 Tg（表1），固碳总量约为25.45 Tg，固碳速率为0.012 kg·m^-2·a^-1。近40年全省耕层SOC储量总体呈增加趋势，但不同区域SOC储量变化差异较大，趋势增减不一，河西平原绿洲灌区、陇中陇东黄土高原区、陇南山地区呈显著增加趋势，增幅最大为陇南山地区，最小为河西平原绿洲灌区，增幅分别为55.33%、16.86%，表明这3个区域近年来的农田管理措施有利于耕层SOC的积累；甘南高原区略有下降，是以后制定固碳策略的重点区域。

2.4　甘肃省农田耕层（0—20 cm）不同类型土壤 SOCD 变化特征

40年间甘肃省不同土壤类型SOCD总体呈增加趋势，1980s平均值为1.81 kg·m^-2，2020s为2.27 kg·m^-2，增加了0.46 kg·m^-2，高山草甸土和亚高山草甸土略有降低，分别降低了0.01 kg·m^-2和0.34 kg·m^-2（表2）。河西平原绿洲灌区主要的土壤类型有灌漠土、风沙土、灰棕漠土、栗钙土、盐土、潮土、棕漠土、灰漠土、石质土、龟裂土，1980s耕层SOCD最大为栗钙土、最小为棕漠土，分别为2.87、1.31 kg·m^-2；2000s最大为栗钙土、最小为棕漠土，分别为2.70、1.62 kg·m^-2；2020s最大为栗钙土，最小为龟裂土，分别为2.90、1.67 kg·m^-2。40年间数据分析表明，河西平原绿洲灌区SOCD增幅最大为潮土，最小为栗钙土，分别为35.67%、1.05%。陇中陇东黄土高原区主要的土壤类型有黄绵土、黑垆土、灰钙土、褐土、灰褐土、新积土，40年间耕层SOCD增幅16.49%—67.15%，褐土增幅最大，灰钙土增幅最小。陇南山地区主要的土壤类型有褐土、灰褐土、棕壤、黑土、山地草甸土，40年间SOCD增幅最大为棕壤、最小为黑土，分别为77.33%、14.02%。甘南高原区主要的土壤类型有亚高山草甸土、黑钙土、暗棕壤、高山草甸土、草甸土、高山寒漠土。除高山草甸土和亚高山草甸土以外，其他土壤SOCD均呈增加趋势，增幅最大为草甸土、最小为高山寒漠土，分别为32.67%、10.00%（表2）。

表2 1980s—2020s甘肃省农田不同类型土壤耕层（0—20 cm）有机碳密度（ SOCD ）变化特征

Table 2 Changes in topsoil （0-20 cm） SOCD during 1980s to 2020s in each soil grop of Gansu Province

土类名称	耕层SOCD/（kg·m^-2）			变化 /（kg·m^-2）	固碳率 /(kg·m^-2·a^-1)
土类名称	1980s	2000s	2020s	变化 /（kg·m^-2）	固碳率 /(kg·m^-2·a^-1)
平均	1.81±0.57^c	2.02±0.55^b	2.27±0.49^a	0.46	0.012
黄棕壤	1.17±0.18^c	1.91±0.23^b	2.37±0.27^a	1.20	0.030
棕壤	1.50±0.37^c	2.11±0.44^b	2.66±0.53^a	1.16	0.029
暗棕壤	2.71±0.88^c	3.24±0.78^b	3.29±0.67^a	0.58	0.015
褐土	1.37±0.31^c	1.89±0.32^b	2.29±0.38^a	0.92	0.023
灰褐土	2.07±0.73^c	2.49±0.72^b	2.65±0.50^a	0.58	0.015
黑土	2.64±0.56^c	3.23±0.80a	3.01±0.51^b	0.37	0.009
黑钙土	2.77±0.77^b	3.01±0.59^a	3.13±0.66^a	0.36	0.009
栗钙土	2.87±0.68^a	2.70±0.66^a	2.90±0.71^a	0.03	0.001
黑垆土	1.82±0.39^c	2.01±0.47^b	2.22±0.35^a	0.40	0.010
棕钙土	2.18±0.29^b	2.21±0.44^b	2.59±0.39^a	0.41	0.010
灰钙土	1.88±0.43^b	1.89±0.37^b	2.19±0.39^a	0.31	0.008
灰漠土	1.76±0.34^c	1.92±0.36^b	2.33±0.24^a	0.57	0.014
灰棕漠土	1.77±0.33^c	2.15±0.45^b	2.24±0.36^a	0.47	0.012
棕漠土	1.31±0.21^c	1.62±0.35^b	1.71±0.15^a	0.40	0.010
黄绵土	1.58±0.22^c	1.72±0.31^b	2.03±0.25^a	0.45	0.011
红黏土	1.66±0.50^c	2.06±0.44^b	2.22±0.34^a	0.56	0.014
新积土	1.60±0.36^c	1.84±0.37^b	2.11±0.29^a	0.51	0.013
龟裂土	1.40±0.19^c	1.90±0.25^a	1.67±0.05^b	0.27	0.007
风沙土	1.50±0.17^c	1.71±0.35^b	1.98±0.26^a	0.48	0.012
石质土	1.81±0.37^c	2.08±0.42^b	2.34±0.33^a	0.53	0.013
粗骨土	1.31±0.24^c	1.96±0.14^b	2.22±0.16^a	0.91	0.023
草甸土	1.50±0.23^c	1.71±0.42^b	1.99±0.30^a	0.49	0.012
山地草甸土	2.54±0.82^c	2.90±0.79^b	3.41±0.68^a	0.87	0.022
林灌草甸土	1.67±0.29^c	2.06±0.39^b	2.31±0.44^a	0.64	0.016
潮土	1.57±0.33^c	1.93±0.^51b	2.13±0.38^a	0.56	0.014
沼泽土	1.86±1.26^b	2.33±0.54^a	1.99±0.90^b	0.13	0.003
盐土	1.47±0.23^c	1.71±0.43^b	1.93±0.32^a	0.46	0.012
水稻土	1.47±0.20^c	1.90±0.41^b	2.19±0.29^a	0.72	0.018
灌淤土	1.62±0.32^c	1.78±0.29^b	2.08±0.26^a	0.46	0.012
灌漠土	2.00±0.62^c	2.22±0.51^b	2.40±0.47^a	0.40	0.010
高山草甸土	3.88±0.77^a	3.58±0.61^b	3.87±0.57^a	-0.01	0.000
亚高山草甸土	3.95±0.96^a	3.49±0.55^b	3.61±0.57^b	-0.34	-0.009
高山草原土	2.08±0.09^b	1.99±0.08^b	2.41±0.14^a	0.33	0.008
高山寒漠土	2.70±0.99^a	2.67±1.01^a	2.97±0.88^a	0.27	0.007

小写字母表示不同年份、同一类型土壤间土壤SOCD在P<0.05水平上差异显著。

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2.5　施肥与秸秆还田对耕层 SOC 的影响

甘肃省1980s化肥施用量173.6万t，2000s、2020s农田化肥施用量分别较1980s提高234.3%和327.6%（P<0.01，图3）；近10年甘肃省农田秸秆还田量显著增加（P<0.01）；1980s有机肥施用量21.04万t^［30］，据调查2000s和2020s有机肥施用量分别较1980s提高38.3%和607.2%；根据甘肃省2010年和2020年调查采样数据，耕层SOC含量显著增高。化肥、有机肥的投入量、秸秆还田量等持续增加，提高了作物的归还量，最终促使了SOC的积累。

图3

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图3 甘肃省化肥施用量、秸秆还田量、有机肥施用量和耕层SOC含量

Fig.3 Changes in chemical fertilizer application、the return of straw to the field、the application of organic fertilizer and the SOC content in Gansu Province

3 讨论

1980s—2020s，甘肃农田耕层SOCD大于2.00 kg·m^-2的耕地面积有所增加（图1），表明甘肃耕层土壤肥力得到有效提升，这与第二次土壤普查

以来，中国大部分地区耕层SOC有不同程度增加的变化趋势一致^［31-32］。白重九^［33］发现1980—2010年中国西北区域旱地农田土壤有机碳含量上升了3.5%。黄耀等^［34］发现，全国超过50%的耕地土壤有机碳含量表现为增加趋势，其中西北和华北区域的土壤有机碳含量增长明显，东北区域升高不明显。相较其他区域，甘肃省耕层SOC显著增加，然而省内地形地貌复杂多样，对不同地貌区农田SOC变化需进一步分析。

1980s甘南高原区、河西平原绿洲灌区、陇中陇东黄土高原区、陇南山地区耕层SOCD依次降低；2000s、2020s甘南高原区、陇南山地区、河西平原绿洲灌区、陇中陇东黄土高原区耕层SOCD依次降低（图2，表1）。耕层SOCD取决于SOC含量和区域面积两个因素，40年来农田耕层SOC储量在陇中陇东黄土高原区、河西绿洲灌区、陇南山地区、甘南高原区依次降低；固碳速率在陇南山地区、陇中陇东黄土高原区、河西平原绿洲灌区依次降低，甘南高原区SOC储量以0.005 kg·m^-2·a^-1速率在降低（表1）。于严严等^［22］发现华北和西北旱地农田区域的SOC含量有所上升，而东北区域SOC变化则相反。然而Yu等^［35］估算在与本研究相同的时间段内，华北和西北地区SOC储量有所增加，而东北地区则下降了15—89 Tg。另外，姜蓝齐等^［36］研究表明1980—2015年北方松嫩平原耕层土壤有机碳储量减少了约32 Tg，认为该变化主要与东北地区的主要土壤类型黑土与黑钙土的SOCD下降有所关联（与本研究结果相关性不大）。纵观全国各省耕层SOC储量变化，位于中国长江三角洲的安徽省1980—2010年耕地表层SOC固碳总量为35.3 Tg，固碳速率为0.015 kg·m^-2·a^-1［37］；位于中国东南沿海的福建省1980—2009年农田耕层SOC固碳总量为7.37 Tg，固碳速率为0.019 kg·m^-2·a^-1［38］。

河西平原绿洲灌区、陇中陇东黄土高原区、陇南山地区、甘南高原区不同土壤类型随着年份的变化，其SOCD大小和固碳率变化差异较大（表2）。甘肃省主要耕种土壤类型SOCD由高到低依次为栗钙土、棕壤、灰褐土、灌漠土、黄棕壤、褐土、灰钙土、灌淤土、黄绵土、风沙土、棕漠土；固碳速率由高到低依次为黄棕壤、棕壤、褐土、灰褐土、风沙土、灌淤土、黄绵土、棕漠土、灌漠土、栗钙土、灰钙土。于严严等^［22］通过对比1980年与2000年的平均SOCD，发现略有增加，华北的潮土和褐土区SOCD增幅达14%，而东北黑土、黑钙土区则有所损失，西北地区的部分SOCD没有明显变化。黎英华等^［39］研究发现褐土、栗钙土、棕壤、草甸土、风沙土的SOCD依次降低。尹云锋等^［40］发现不同土壤类型pH、黏粒和粉粒的含量显著影响了黑土、潮土和红壤的固碳速率。史学军等^［41］通过室内培养沼泽土、草甸土、棕色石灰土、黄棕壤，发现SOC分解速率依次降低。以上结果与本研究基本一致，且都说明不同的土壤类型可能会对SOC储量产生一定影响。总之，甘肃地形地貌复杂、土壤类型差别较大，导致其SOCD时间和空间差异大。

土壤有机碳变化的制约因素从来都不是单一的，而是气候、土壤环境、人类活动等因素的综合影响。推广秸秆还田可改良土壤结构，进而促进SOC累积，提升土壤固碳能力^［42-43］。黄少辉等^［44］通过22年的长期定位试验发现平衡施肥+秸秆还田最有利于有机碳的固存。华北区域在过去的30年里土壤有机碳含量和储量有所上升，王国成等^［45］认为这种变化得益于过去外部碳投入的增加。本文统计得到1980s和2000s甘肃农田化肥施用量高于其他碳施入形式，2020s甘肃农田有机肥施用量、秸秆还田量显著增加（图3）。本研究区主要粮食作物是小麦和玉米，其籽实和根茬产量的比例分别为1∶0.40和1∶0.35^［46］。本文中采用小麦和玉米的籽实和根茬产量的比例平均值（1∶0.375），计算得出根茬生物量的年增加率为27.07 kg·hm^-2·a^-1，1980s甘肃省的根茬归还量为628 kg·hm^-2，2020s增加到1 709 kg·hm^-2，增加了170%。作物归还量的增加直接促使农田耕层SOC含量增加^［47-48］，40年来，甘肃省的肥料管理趋于科学化，肥料施用经历了纯有机肥—有机肥与氮肥配施—有机肥与氮磷钾配施—有机肥、氮、磷和钾肥配施—有机肥氮、磷、钾以及微肥配施几个阶段^［49］，合理地施用化肥、持续增加有机肥投入比例，加大秸秆还田技术推广力度，是甘肃省土壤固碳的重要措施，可为实现“双碳”目标提供科学技术支撑。

4 结论

1980s—2020s甘肃省耕层SOC储量总体呈增加趋势，近40年固碳总量约为25.45 Tg，固碳速率为0.012 kg·m^-2·a^-1，说明甘肃省目前的农田管理措施有利于耕地土壤固碳，应继续保持。甘南高原区SOC储量呈下降趋势，是该区域主要土壤类型SOCD降低所致，是以后制定农田管理措施的重点区域。甘肃省地形地貌复杂、土壤类型多样，是其SOCD时间和空间差异大的重要影响因素。近40年间甘肃省化肥、有机肥施用量以及秸秆还田量的持续增加，提高了耕层碳投入，进而增加了耕层有机物质含量，最终促进了耕层SOC的累积。本研究对于克服因区域差异导致的精确估算全球土壤碳库量的困难，改善通过集合区域估计而获得全球土壤有机碳储量估算也是有益的探索。

参考文献

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被引期刊影响因子

[1]

Martin

.The Global Carbon Cycle［M］.Heidelberg，Germany：Springer，1993：15-38.