黃土坡面不同土地利用方式對土壤有機碳流失的影響

鄧瑞芬，王百群，，劉普靈，，劉 棟，徐 佳

（1．西北農(nóng)林科技大學(xué) 資 源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊 凌712100；2．中國科學(xué)院 水 利部 水 土保持研究所 土 壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，陜西 楊 凌712100）

土壤有機碳是全球碳循環(huán)中的重要組成部分，土地利用方式的改變對土壤有機碳的源和匯具有很大的影響［1－2］。黃土高原梁峁坡地分布廣泛，表層土壤結(jié)構(gòu)疏松易蝕，水土流失十分嚴(yán)重，導(dǎo)致土壤中有機碳大量流失［3］。國內(nèi)有學(xué)者研究了不同植被覆蓋度和坡度下土壤侵蝕對土壤有機碳流失的影響，結(jié)果表明在一定的降雨條件下，土壤有機碳流失程度與侵蝕強度呈明顯的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)0．989［4－7］。還有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)影響土壤有機碳流失的主要因素為徑流量、降雨量、降雨侵蝕力和泥沙流失量［8－9］。部分學(xué)者還從碳儲量的角度研究了植被類型對土壤有機碳積累的影響［10］。國外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)土壤有機碳庫存量與進(jìn)入土壤的植物凋落物和地上生物量呈線性正相關(guān)關(guān)系［11－12］。但系統(tǒng)地把水土流失和土壤有機碳流失結(jié)合起來的研究相對較少，本文通過野外徑流小區(qū)觀測試驗，分析不同土地利用方式對黃土高原水土流失及有機碳流失的影響，從而為黃土高原植被恢復(fù)的效應(yīng)評估提供理論依據(jù)。

1 研究方法

1．1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于延安市寶塔區(qū)柳林鎮(zhèn)的燕兒溝流域，地處109°20′－109°35′E，36°20′－36°32′N。該流域大致呈東南－西北走向，海拔986～1 425 m，主溝道長8．6 k m，溝壑密度4．8 k m／k m2，主溝縱比降為2．41‰，流域面積46．88 k m2，為典型的黃土丘陵地形地貌。流域內(nèi)多年平均降水量為536．9 mm，70%以上的降雨集中于6－9月，且多以暴雨形式出現(xiàn)。流域內(nèi)分布的植被類型有森林、灌叢和草本等。天然林主要是遼東櫟，還分布有以刺槐、油松、側(cè)柏、山桃等為代表的人工林及蘋果、梨、杏等經(jīng)濟林。灌叢植被主要有沙棘、檸條、黃刺梅等。主要草本植被群落有白羊草群落、長芒草群落和冰草群落等。流域內(nèi)土壤類型為黃綿土。土地類型主要有壩地、坡地和梯田，主要的土地利用方式有林草地、果園和農(nóng)地。

1．2 徑流小區(qū)布設(shè)

在流域內(nèi)的康家圪嶗溝布設(shè)了6個徑流觀測小區(qū)，小區(qū)位于半陽坡的中上部，坡度為20°～23°。每一小區(qū)面積均為長16 m，寬2 m，周圍用漿砌磚塊圍護(hù)，下部布設(shè)容積為1 m3的小區(qū)徑流泥沙觀測池，池壁附有標(biāo)尺，用于測量次降雨徑流小區(qū)產(chǎn)生的泥沙和徑流量。小區(qū)具體概況如下：

（1）坡耕地徑流小區(qū)。該小區(qū)為對照小區(qū)，基本保持地表無植被生長。

（2）草地徑流小區(qū)。退耕撂荒多年后形成了以賴草、豬毛蒿等為建群種的草本植被群落，其中混生阿爾泰紫菀 （Herba heteropap pi altaici）、狗尾巴草（Setaria viridis L．Beauv）、鐵 桿 蒿 （Artemisia sacror um）等。草層覆蓋度為30%，平均高度35 c m，草本植物分布較為均勻。

（3）刈割草地徑流小區(qū)。與草地徑流小區(qū)同坡面，為草地徑流小區(qū)的對照小區(qū)。小區(qū)內(nèi)植物地上部分完全刈割掉，清理掉枯落物，不作翻耕處理，保留植物根系。

（4）灌木徑流小區(qū)。經(jīng)多年撂荒，基本形成了較為明顯的灌草群落結(jié)構(gòu)。灌木層建群種為白芨梢，生長良好，高度60～80 c m，冠幅50 c m×60 c m，灌層覆蓋度35%，分布較為均勻；草本層主要植物有賴草、阿爾泰紫菀等，平均高度30 c m，覆蓋度30%。

（5）刈割灌木徑流小區(qū)。與刈割灌木小區(qū)同坡面，為灌叢徑流小區(qū)對照小區(qū)。完全刈割掉植物地上部分，取出枯落物，不作翻耕處理，保留根系。

（6）刺槐林地徑流小區(qū)。為草地、灌叢等其他徑流小區(qū)的對照小區(qū)，區(qū)內(nèi)主要植物為20 a生刺槐林，林下疏生雜草，郁閉度70%，枯落物平均厚度1 c m。

1．3 徑流觀測及樣品采集與處理

2007年天然降雨共產(chǎn)流4次，每次降雨結(jié)束后，從徑流小區(qū)觀測池壁上的標(biāo)尺讀取水位。降雨量小時稱取所有的徑流泥沙重量，靜置風(fēng)干后稱取泥沙重，降雨量大時取渾水樣，依比例計算出全部徑流泥沙重量。泥沙中的有機碳含量采用K2Cr2O7－H2SO4外加熱氧化法測定［13］，徑流中的有機碳，即可溶性有機碳的含量采用碳自動分析儀測定。

2 結(jié)果與分析

坡面土壤侵蝕引起水土流失，從而導(dǎo)致坡面土壤中的有機碳隨著泥沙及徑流的遷移而流失。為了明確坡面土壤有機碳的流失過程，通過對坡面不同土地利用方式下的產(chǎn)沙與產(chǎn)流量的分析來進(jìn)一步揭示不同覆蓋類型坡面土壤有機碳的流失特征。

2．1 土地利用方式對坡面徑流量的影響

坡面土地利用與徑流量具有密切的關(guān)系。本試驗觀測的不同土地利用方式下的累計徑流量、產(chǎn)沙量和徑流深如表1所示。

表1 2007年不同土地利用方式下小區(qū)累計徑流量、產(chǎn)沙量和累計徑流深

從表1中可以看出，累計徑流深表現(xiàn)為：坡耕地小區(qū)＞刈割草地小區(qū)＞草地小區(qū)＞刈割灌木小區(qū)＞灌木地小區(qū)＞刺槐林地小區(qū)，隨著植被覆蓋度的增加而減少。坡耕地由于沒有植被覆蓋，產(chǎn)流最多，其他小區(qū)產(chǎn)流明顯少于坡耕地。其中草地小區(qū)、灌木地小區(qū)、刺槐林地較坡耕地小區(qū)徑流深分別減少了21．41 mm、30．32 mm和37．90 mm，減少幅度分別達(dá)到了51．1%，72．4%和90．5%。草地小區(qū)產(chǎn)流約為坡耕地的一半，而經(jīng)過刈割處理的草地小區(qū)較坡耕地減少了17．35 mm，占到草地小區(qū)總減流量的81．0%，這說明經(jīng)過多年退耕撂荒的黃土丘陵區(qū)坡耕地，隨著植被的恢復(fù)，土壤已經(jīng)有了很強的入滲能力，能夠有效減少地表徑流，而在減少的這部分徑流中，80%以上是由于草本植物的枯落物攔蓄徑流及其根系增加入滲造成的，其余20%左右的減少量主要是由草本植物的地上部分有效攔截降雨所致。灌叢小區(qū)較草地小區(qū)有更為強大的攔蓄地表徑流，增加入滲的能力，而刈割灌叢小區(qū)地表徑流較坡耕地小區(qū)減少27．35 mm，占灌叢小區(qū)總減少量的90．2%。灌叢根系及其枯落物攔截徑流能力較草地有明顯增加。刺槐林地減少幅度最大，這與刺槐林的立體結(jié)構(gòu)有關(guān)，林下的草被層和厚約1 c m的枯落物層以及郁閉度達(dá)到70．0%的林冠層三重攔截，大大削減了天然降雨的作用，客觀增加了林地的入滲量。減流量較草灌小區(qū)分別增加了16．49 mm和7．58 mm，這主要是由于冠層以及枝干有效截留天然降雨的作用。

2．2 不同土地利用方式坡面產(chǎn)沙分析

從表1中可以看出坡耕地小區(qū)產(chǎn)沙量極為顯著，為197．82 kg，刈割草地小區(qū)次之，其余4個小區(qū)產(chǎn)沙量差異并不顯著。在不考慮刈割處理的草灌小區(qū)的前提下，產(chǎn)沙量表現(xiàn)為：坡耕地小區(qū)＞草地小區(qū)＞灌木地小區(qū)＞刺槐林地小區(qū)。6個徑流小區(qū)的產(chǎn)沙量表現(xiàn)趨勢基本上與產(chǎn)流量的趨勢相同，表明不同土地利用方式下坡面的產(chǎn)沙與產(chǎn)流量關(guān)系密切。較坡耕地小區(qū)，草地小區(qū)、灌木地小區(qū)、刺槐林地小區(qū)的累計產(chǎn)沙量分別減少了196．50，196．61，197．12 kg，三者之間減少量接近，差異不如徑流量顯著。草地小區(qū)與刈割草地較坡耕地小區(qū)產(chǎn)沙減少量分別為196．50，172．90 kg，表明草地小區(qū)能夠有效減少90%以上的土壤侵蝕量，而刈割草地較坡耕地仍有85%以上的減沙量，主要與地表枯落物有關(guān)，說明經(jīng)過退耕撂荒形成的草地群落，已經(jīng)有效地改善了土壤狀況，一定量的地表枯落物及地下根系已經(jīng)能夠有效保持土壤，提高土壤抗蝕性。灌木及刈割灌木小區(qū)較坡耕地產(chǎn)沙量減少比例分別為99．5%和98．8%。較草地小區(qū)，灌木表現(xiàn)出良好的減沙能力，但卻出現(xiàn)了刈割灌木比草地產(chǎn)沙量大的情況，這可能是由于刈割灌木經(jīng)撂荒后根系還沒有達(dá)到一定的抗侵蝕能力。刺槐林地的產(chǎn)沙量最小，只有坡耕地的0．4%，而前面分析中提到其徑流量相當(dāng)于坡耕地的10．0%，充分說明刺槐林地具有很強的減流減沙能力。

將草灌小區(qū)刈割處理前后產(chǎn)流和產(chǎn)沙情況對比（見表2）后發(fā)現(xiàn)，刈割處理前后草地小區(qū)和灌木小區(qū)的徑流量比例分別為1∶1．2和1∶1．3，比例差異不是很大，但產(chǎn)沙比例差異極為顯著。從表中可以看出刈割處理后的草地小區(qū)產(chǎn)沙量較大，達(dá)到24．90 kg，二者比例為1∶18．9，同樣處理的灌從小區(qū)刈割后產(chǎn)沙量僅增加1．45 g，前后比例為1∶2．6。如此大的比例差異主要與二者的植被結(jié)構(gòu)特征及其減沙機理有關(guān)。草本植物多生長在近地表層，且多為一年生植物，枯落物較少；灌叢地由于立地條件較好且地表枯落物較多，地下植物根系發(fā)達(dá)。所以經(jīng)過刈割處理后的草地，失去了地上部分的保護(hù)，產(chǎn)沙量大幅增加，而灌叢小區(qū)由于本身已經(jīng)具有較多的枯落物及發(fā)達(dá)的根系，具有較強的抗蝕抗沖性，刈割后產(chǎn)沙量增加并不明顯。結(jié)果表明，處于植被演替初級階段的近地表層草地植被減沙效益顯著，但生態(tài)功能仍然比較脆弱，是需要進(jìn)行封育保護(hù)的主要植被。

表2 刈割處理前后草灌小區(qū)產(chǎn)流和產(chǎn)沙情況比較

2．3 土地利用方式對坡面土壤有機碳流失的影響

土壤侵蝕是造成土壤中有機碳遷移和流失的主要原因，也是陸地碳循環(huán)的重要動力過程之一。分析黃土丘陵區(qū)不同土地利用方式對土壤有機碳流失的影響，對于防止土壤有機碳的大量流失具有重要作用。土壤有機碳流失可以以泥沙為承載體被帶走，也可以隨徑流被帶走。本試驗在觀測分析產(chǎn)流產(chǎn)沙的同時，對不同土地利用方式下隨徑流和泥沙流失的有機碳量進(jìn)行了重點分析，結(jié)果見表3。

表3 不同土地利用方式下坡面土壤有機碳的累計流失量和可溶性有機碳的累計流失量

從表3中可以看出，坡面不同土地利用方式下隨徑流而流失的可溶性有機碳量表現(xiàn)為：坡耕地小區(qū)＞刈割草地小區(qū)＞草地小區(qū)＞刈割灌木小區(qū)＞灌木地小區(qū)＞刺槐林地小區(qū)，這與不同覆蓋條件下徑流量的變化趨勢一致。草地和刈割草地較坡耕地分別減少了1．74 g／h m2和1．17 g／h m2，減少幅度為59．2%和39．8%，草地較刈割草地減少了0．57 g／h m2，減少幅度為32．1%；與坡耕地比較，刈割灌木和灌木分別減少了2．05 g／h m2和2．26 g／h m2，減少幅度達(dá)到了69．8%和76．8%；刺槐林地中可溶性有機碳最少，為0．47 g／h m2?？梢?，徑流量在可溶性有機碳的流失中起著決定性的作用。而徑流的流失又隨著植被覆蓋度的增加而減少，說明可溶性有機碳也與植被覆蓋度呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系。

隨泥沙流失的有機碳總體上表現(xiàn)為，坡耕地最多，草地次之，灌木較少，刺槐林地最少。與產(chǎn)沙量的變化趨勢相同。其中坡耕地小區(qū)中產(chǎn)生的有機碳量為162．30 kg／h m2，草地小區(qū)、灌木小區(qū)、刺槐林地小區(qū)較其分別減少了156．60，158．79，159．50 kg／h m2，減少幅度分別達(dá)到了96．5%，97．8%，98．3%。刈割草地小區(qū)的有機碳含量僅次于坡耕地小區(qū)，為56．59 kg／h m2，比草地小區(qū)多了50．89 kg／h m2，說明退耕撂荒多年后的草地小區(qū)已經(jīng)具備了一定的減少有機碳流失的能力。較灌木小區(qū)，經(jīng)過刈割處理過的刈割灌木小區(qū)泥沙中的有機碳含量增加了11．30 kg／h m2，增加幅度為76．3%。刈割灌木小區(qū)的有機碳含量大于草地小區(qū)，這是因為刈割灌木小區(qū)的產(chǎn)沙量大于草地小區(qū)的產(chǎn)沙量所致。刺槐林地小區(qū)中的有機碳含量最少，這是因為刺槐林地的產(chǎn)沙量最少。

從表3中還可以看出，隨泥沙流失的有機碳要大于隨徑流流失的有機碳，說明土壤有機碳流失主要以泥沙為承載體被帶走，隨徑流被帶走的只是很少的一部分。

3 結(jié) 論

（1）不同土地利用方式下產(chǎn)流大小關(guān)系為：坡耕地＞刈割草地＞草地＞刈割灌木＞灌木＞刺槐林地。說明產(chǎn)流量與植被覆蓋度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

（2）不同土地利用方式下的產(chǎn)沙大小關(guān)系為：坡耕地＞草地＞灌木＞刺槐林地，其中經(jīng)過刈割處理前后的草灌徑流小區(qū)產(chǎn)沙比例差異極為顯著，說明處于植被演替初級階段的近地表層草地植被減沙效益顯著，但生態(tài)功能仍然比較脆弱，是需要進(jìn)行封育保護(hù)的主要植被。

（3）不同土地利用方式下土壤有機碳含量表現(xiàn)趨勢與產(chǎn)沙量趨勢相同，并且不論哪種土地利用方式下，泥沙中的有機碳含量大于徑流中有機碳的含量，說明土壤有機碳流失主要以泥沙為承載體被帶走，隨徑流被帶走的只是很少的一部分。

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