黃土丘陵區(qū)坡改梯田土壤碳庫(kù)組分演變特征*

張 超,劉國(guó)彬,,薛萐,余 娜

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院,陜西 楊陵 712100;2.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所,陜西 楊陵712100;3.貴州大學(xué),貴陽(yáng) 550025）

土壤有機(jī)碳是土壤碳庫(kù)的重要組成部分,是生物圈內(nèi)有機(jī)碳的主要來(lái)源,它在陸地生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)育和運(yùn)行等方面均起著極其重要的作用[1]。土壤活性有機(jī)碳是指土壤中移動(dòng)快、穩(wěn)定性差、易氧化礦化,并對(duì)植物和土壤微生物活性較高的那部分有機(jī)態(tài)碳[2],這些有機(jī)碳只占土壤有機(jī)碳的較小部分,但它們可以在土壤全碳變化之前反映土壤微小的變化,又直接參與土壤生物化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程[3],它們也是土壤微生物活動(dòng)能源和土壤養(yǎng)分的驅(qū)動(dòng)力,它是評(píng)價(jià)土壤化學(xué)、生物化學(xué)肥力保持的重要指標(biāo)[4]。因此通過(guò)對(duì)土壤活性碳庫(kù)的研究,可以清楚地認(rèn)識(shí)該生態(tài)過(guò)程中土壤質(zhì)量的變化規(guī)律。

黃土高原丘陵區(qū)由于長(zhǎng)期不合理的耕作方式,自然植被遭到破壞,不僅造成土地表土流失,耕地減少,生存環(huán)境惡化,還導(dǎo)致土地生產(chǎn)能力下降[5]。近年來(lái)隨著生態(tài)建設(shè)和退耕還林等生態(tài)工程的開展,該區(qū)的生態(tài)環(huán)境得到了極大的改善,土壤水分、養(yǎng)分等因素都得到了顯著提高。坡耕地改造梯田作為黃土高原植被恢復(fù)與重建的重要措施之一,不僅能夠有效地控制水土流失,提高土壤質(zhì)量,還可以保持該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn),實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)的協(xié)調(diào)健康發(fā)展。目前,針對(duì)該地區(qū)坡改梯田過(guò)程中土壤因子的變化雖有一定研究,但大多都集中在土壤水分[6-7]、理化性質(zhì)[8]以及集流減沙[9]等方面,對(duì)于土壤碳庫(kù)的變化研究較少。因此本文以坡耕地改造后不同年限的梯田為研究對(duì)象,旨在從土壤碳庫(kù)方面去探討黃土高原丘陵區(qū)生態(tài)恢復(fù)過(guò)程中土壤碳庫(kù)的演變規(guī)律,從而為該地區(qū)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)和優(yōu)化管理提供科學(xué)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省安塞縣紙坊溝小流域(109°13′46″-109°16′03″E,36°46′42″-36°46′28″N),海拔1 100～1 400 m,流域面積 8 127 km2,屬黃土丘陵溝壑區(qū)第2副區(qū),暖溫帶半濕潤(rùn)氣候向半干旱氣候過(guò)渡地區(qū),年日照時(shí)間2 415.6 h,年輻射量552.7 kJ/cm2,年平均氣溫8.8℃,≥0℃積溫3 733.5℃,≥10℃積溫3 113.9℃,無(wú)霜期157～194 d。年平均降雨量505.3 mm,分布不均,7-9月份降雨量占年降雨量的61.1%,且多暴雨。該區(qū)地形破碎,溝壑縱橫,屬黃土高原丘陵溝壑地貌,植被屬于暖溫帶落葉闊葉林區(qū)向暖溫帶草原區(qū)過(guò)渡的森林草原植被。土壤類型以黃土母質(zhì)上發(fā)育而成的黃綿土為主,抗沖抗蝕能力差,其中砂粒(2.0～0.05 mm)含量占19.0%,粉粒(0.05～ 0.02 mm)含量占 65.2%,黏粒(＜0.02 mm)含量占15.8%。1938-1973年,由于毀林開荒及人類活動(dòng)的影響,地帶性植被已經(jīng)破壞殆盡,流域生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重退化[10]。

根據(jù)流域地貌特征、植被以及土地利用狀況,以典型性和代表性為原則,采用時(shí)空互代法在流域內(nèi)選擇營(yíng)造和管理方法一致,土壤與成土母質(zhì)類型相同,均為黃綿土,不同年限的梯田 1 a(Te1)、8 a(Te8)、20 a(Te20)、30 a(Te30),選取坡耕地(Slope Cropland,SL)為對(duì)照樣地,其基本特征及林下植被如表1。

表1 樣地基本特征

1.2 樣品采集及分析

在試驗(yàn)地各處理小區(qū)按S型選取6點(diǎn),每點(diǎn)采集0-20 cm混合土樣,重復(fù)3次。土壤全氮、全磷、堿解氮、速效磷及速效鉀含量采用常規(guī)方法測(cè)定[11]。土壤重鉻酸鉀易氧化態(tài)碳(EOC1)采用重鉻酸鉀容量法-水合熱法。土壤高錳酸鉀易氧化態(tài)碳(EOC2)采用 333 mmol/L的高錳酸鉀溶液25 ml,振蕩1 h,離心5 min(轉(zhuǎn)速2 000次/min),取上清液用去離子水按1∶250稀釋,然后將稀釋液在565 nm比色,根據(jù)高錳酸鉀濃度的變化求出樣品的活性有機(jī)碳。水溶液性有機(jī)碳(DOC):用蒸餾水浸提,25℃恒溫震蕩 1 h后,離心 l0 min,過(guò) 0.45 μ m濾膜抽濾,其濾液直接在有機(jī)碳自動(dòng)分析儀(Tekmar-Dohrmann Apollo 9 000 TOC Combustion Analyzer)上測(cè)定含碳量。熱水浸提有機(jī)碳(HWOC):用蒸餾水浸提,80℃恒溫震蕩20 h后,離心l0 min,過(guò)0.45 μ m濾膜抽濾,其濾液直接在有機(jī)碳自動(dòng)分析儀上測(cè)定含碳量。土壤碳水化合物(CHO)采用Safarik和Santruckova的酚-硫酸法。K2SO4浸提有機(jī)碳(CK2SO4)采用K2SO4溶液,充分振蕩30 min過(guò)濾,迅速測(cè)定濾液中含碳量,土壤微生物量碳:采用氯仿熏蒸浸提方法測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)分析采用SAS 6.12統(tǒng)計(jì)軟件,顯著水平為 P＜0.05和P＜0.01。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同年限梯田碳庫(kù)組分演變特征

坡耕地改造為梯田后,土壤碳庫(kù)組分變化規(guī)律不一,但總體上呈上升趨勢(shì)。有機(jī)碳含量在改造第1年顯著提高,30 a后的較坡耕地增加146%;活性有機(jī)碳碳庫(kù)組分變化較為復(fù)雜,EOC1在改造8 a時(shí)達(dá)到顯著水平,之后隨改造年限逐漸升高,30 a時(shí)較坡耕地增加213%;EOC2在改造前8 a變化較為劇烈,隨后逐漸上升,30 a時(shí)達(dá)到最大值,較坡耕地增加196%;水溶性有機(jī)碳在改造當(dāng)年顯著降低,8～20 a趨于穩(wěn)定,20～30 a逐漸增加,30 a時(shí)較坡耕地增加97%;熱水浸提有機(jī)碳和碳水化合物與有機(jī)碳變化規(guī)律相似,在改造當(dāng)年即達(dá)到顯著水平,隨后隨年限顯著增加,30 a時(shí)達(dá)到最大值,較坡耕地分別增加246%和234%;微生物量碳在改造當(dāng)年顯著降低,隨后逐漸增加,30 a時(shí)較坡耕地增幅達(dá)134%;K2SO4浸提有機(jī)碳在改造當(dāng)年顯著降低,隨后呈波動(dòng)式上升,30 a時(shí)較坡耕地增加240%。坡耕地改造為梯田30 a后各組分較坡耕地增幅由大到小依次為熱水浸提有機(jī)碳＞K2SO4浸提有機(jī)碳＞碳水化合物＞重鉻酸鉀易氧化碳＞高錳酸鉀易氧化碳＞總有機(jī)碳＞微生物量碳＞水溶性有機(jī)碳。

表2 不同年限梯田碳庫(kù)組分演變特征

2.2 土壤碳庫(kù)組分與養(yǎng)分相關(guān)性分析

相關(guān)性分析表明:土壤有機(jī)碳、EOC1、EOC2、水溶性有機(jī)碳、熱水浸提有機(jī)碳、碳水化合物以及微生物量碳相互之間呈顯著或極顯著正相關(guān)(P＜0.05,P＜0.01)。有機(jī)碳、EOC1、EOC2與土壤全氮、堿解氮、速效鉀呈極顯著正相關(guān),與全磷、速效磷相關(guān)性較小,未達(dá)到顯著水平。水溶性有機(jī)碳、熱水浸提有機(jī)碳、碳水化合物、微生物量碳與全氮呈極顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別達(dá)0.93,0.95,0.98,0.93,與堿解氮、速效磷、速效鉀呈顯著正相關(guān)。硫酸鉀浸提有機(jī)碳除與全磷和速效鉀呈顯著正相關(guān)之外,與其他養(yǎng)分因子相關(guān)性較弱,未達(dá)到顯著水平。

可以看出,土壤碳庫(kù)組分可以間接反映或預(yù)測(cè)某些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化情況以及土壤肥力的一般狀況 ,而有機(jī)碳 、EOC1、EOC2、水溶性有機(jī)碳、熱水浸提有機(jī)碳、碳水化合物、微生物量碳與土壤主要肥力因子有一定的相關(guān)性,可以作為坡耕地改造梯田中評(píng)價(jià)土壤肥力的指標(biāo)。

表3 不同年限梯田碳庫(kù)組分與養(yǎng)分因子相關(guān)性分析

2.3 土壤碳庫(kù)組分與坡耕地改造梯田年限的耦合關(guān)系

對(duì)不同土壤碳庫(kù)組分跟改造年限進(jìn)行耦合分析,結(jié)果表明:坡耕地改造梯田后,土壤有機(jī)碳與活性有機(jī)碳各組分隨坡耕地改造年限呈線性顯著增長(zhǎng),其中有機(jī)碳 、EOC1、EOC2、水溶性有機(jī)碳 、熱水浸提有機(jī)碳、碳水化合物以及微生物量碳相關(guān)系數(shù)分別為0.987,0.991,0.946,0.937,0.973,0.931,0.974,具有較好的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義?；貧w方程顯示,各土壤碳庫(kù)組分年增長(zhǎng)量分別為0.117 g/kg、0.101 g/kg、0.070 g/kg 、0.310 mg/kg、5.480 mg/kg、2.551 mg/kg和4.489 4 mg/kg。

3 討論與結(jié)論

土壤碳庫(kù)是土壤肥力保持的重要內(nèi)容,其數(shù)量和質(zhì)量影響土壤潛在生產(chǎn)力,其規(guī)律性則是能量與水分循環(huán)同外界各自然因素之間相互作用和運(yùn)動(dòng)的具體表現(xiàn)。土壤活性有機(jī)碳指在土壤中不穩(wěn)定,活性較高,對(duì)土壤養(yǎng)分、植物生長(zhǎng)以及微生物活動(dòng)的那部分有機(jī)碳,主要包括土壤中水溶性有機(jī)碳、鹽溶液有機(jī)碳、微生物量碳、熱水浸提有機(jī)碳、以及其它一些在土壤中易于氧化分解的游離有機(jī)碳部分,其動(dòng)態(tài)變化不但直接影響土壤養(yǎng)分狀況和土壤中碳的轉(zhuǎn)化和循環(huán),而且反映了地表植物群落的空間分布和時(shí)間上的演替[12]。有研究表明土地利用變化后,一方面使土壤有機(jī)質(zhì)數(shù)量發(fā)生變化而影響土壤有機(jī)碳和活性有機(jī)碳含量,另一方面也使土壤有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定性和質(zhì)量發(fā)生變化而使土壤活性有機(jī)碳與非活性有機(jī)碳發(fā)生轉(zhuǎn)變[13]。Blair[14]、Nelson[15]等的研究也發(fā)現(xiàn)林地變成農(nóng)田后,雖然土壤活性有機(jī)碳含量下降,但由于土壤有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定性和質(zhì)量下降,使一部分非活性有機(jī)碳變成活性有機(jī)碳;龔偉[16]等研究表明隨著時(shí)間的推移,土壤有機(jī)碳、水溶性有機(jī)碳、微生物量碳變化規(guī)律相似,總體上呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。本研究認(rèn)為,坡耕地改造成梯田后,山坡地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)條件得到改善,改變了原有的坡長(zhǎng)坡度,使降雨對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的破壞作用減弱,土壤的通透性增強(qiáng),使其更多的降水就地入滲,蓄存于土壤中,使土不下坡,水不下溝,改變了土壤水肥氣熱狀況,加之農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)的集約化和合理化,連年的耕作及有機(jī)和無(wú)機(jī)肥料的投入,使得土壤有機(jī)碳含量、活性有機(jī)碳組分含量增加,土壤質(zhì)量不斷提高。

表4 土壤碳庫(kù)組分與坡耕地改造梯田年限的耦合關(guān)系

土壤活性有機(jī)碳的氧化穩(wěn)定性和抗生物降解能力是反映土壤碳庫(kù)的重要指標(biāo),對(duì)評(píng)價(jià)土壤有機(jī)質(zhì)和土壤肥力狀況有重要意義。土壤活性有機(jī)碳組分占總有機(jī)碳含量的比例總體上不高,但對(duì)維持土壤肥力及土壤碳貯量變化方面具有重要的作用。姜培坤[17]、龔偉[16]等研究表明不同林分下的土壤水溶性有機(jī)碳、微生物量碳以及易氧化碳含量與土壤全氮、水解氮、有效磷和速效鉀含量之間呈極顯著正相關(guān)。本研究也發(fā)現(xiàn)土壤活性有機(jī)碳組分中,EOC1、EOC2、溶性有機(jī)碳、熱水浸提有機(jī)碳以及微生物量碳與土壤主要肥力因子相關(guān)性顯著,這證實(shí)了土壤活性有機(jī)碳對(duì)土壤肥力狀況具有一定的指示作用,同時(shí)也說(shuō)明了坡耕地改造梯田后土壤總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳組分含量增加,是引起土壤肥力改善的重要原因。

綜上所述,黃土丘陵區(qū)坡耕地改造梯田后,土壤碳庫(kù)組分含量變化顯著,并隨改造年限呈線性增加,30 a后,土壤有機(jī)碳(TOC)、重鉻酸鉀易氧化態(tài)碳(EOC1)、高錳酸鉀易氧化態(tài)碳(EOC2)、水溶液性有機(jī)碳(DOC)、熱水浸提有機(jī)碳(HWOC)、K2SO4浸提有機(jī)碳(CK2SO4)、碳水化合物以及微生物量碳(MBC)碳較坡耕增幅分別達(dá)146%、213%、196%、97%、246%、240%、234%和134%。相關(guān)性分析表明:有機(jī)碳、EOC1、EOC2、水溶性有機(jī)碳、熱水浸提有機(jī)碳、微生物量碳與土壤養(yǎng)分相關(guān)性顯著,可以作為坡耕地改造梯田中評(píng)價(jià)土壤肥力的指標(biāo)。從以上結(jié)果可以看出,侵蝕環(huán)境下的坡耕地由于受到人為活動(dòng)的干擾,土壤碳庫(kù)含量較低,而實(shí)施坡耕地改造成梯田可以提高土壤碳庫(kù)組分含量,改善土壤肥力狀況。

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