甘肅景電灌區(qū)次生鹽堿地枸杞土壤有機(jī)碳庫(kù)的動(dòng)態(tài)模擬

孫 濤，馬全林，賈志清，李銀科，王耀琳，3，張曉娟，馬俊梅

(1．中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 荒漠化研究所，北京100091;2．甘肅省治沙研究所/甘肅省荒漠化與風(fēng)沙災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室－省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，甘肅 蘭州730070;3．甘肅省林業(yè)廳GEF 項(xiàng)目辦公室，甘肅 蘭州730070)

土壤有機(jī)質(zhì)模型能夠模擬土壤有機(jī)質(zhì)的變化規(guī)律和動(dòng)態(tài)特征，已被廣泛用于土壤有機(jī)質(zhì)的模擬研究中，且土壤有機(jī)質(zhì)模擬已經(jīng)在當(dāng)前有關(guān)氣候變化和全球碳循環(huán)研究中起到了重要作用［1-2］，成為更好地理解和管理陸地碳循環(huán)的一個(gè)重要組成部分。CENTURY 模型是應(yīng)用比較廣泛的表征土壤有機(jī)質(zhì)動(dòng)態(tài)的模型。CENTURY 模型是美國(guó)科羅拉多州立大學(xué)的Parton 等于20 世紀(jì)80 年代末建立的，起初用于模擬草地生態(tài)系統(tǒng)主要元素的變化，通過不斷的完善和改進(jìn)，其應(yīng)用擴(kuò)展到了對(duì)草原、森林、農(nóng)業(yè)等生態(tài)系統(tǒng)的研究和模擬中。CENGTURY 模型主要基于土壤的結(jié)構(gòu)功能，從一些主要的地球化學(xué)元素入手，如碳、氮、磷，結(jié)合溫度、降水等環(huán)境驅(qū)動(dòng)因子，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)［3-4］。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者先后將CENTURY 模型應(yīng)用于農(nóng)業(yè)或林業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，并對(duì)土壤有機(jī)碳進(jìn)行了模擬，其模擬值與實(shí)測(cè)值具有極高的相關(guān)性，并可用于不同的農(nóng)林業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的模擬研究中［5-9］。該模型包括土壤有機(jī)質(zhì)、植物產(chǎn)量、土壤水分和溫度3 個(gè)子模型，其中根據(jù)周轉(zhuǎn)期的長(zhǎng)短將土壤有機(jī)質(zhì)子模型分為3 個(gè)庫(kù)，即活性庫(kù)、慢性庫(kù)和惰性庫(kù)［1，3］，活性庫(kù)包括活的微生物和微生物產(chǎn)物，即土壤碳、氮的活性部分，其周轉(zhuǎn)時(shí)間不超過5 年;慢性庫(kù)的周轉(zhuǎn)期為20 ～50年，而惰性庫(kù)相對(duì)穩(wěn)定，周轉(zhuǎn)時(shí)間數(shù)千年不等。土壤的植物殘?bào)w分為代謝庫(kù)和結(jié)構(gòu)庫(kù)。土壤有機(jī)碳的分解遵循一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程，有自己最大的分解速率，并受水分、溫度及其他外界因子的影響。

引水灌溉對(duì)荒漠、半荒漠區(qū)域的農(nóng)業(yè)發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用，但是不適當(dāng)?shù)墓喔扰潘斐闪斯鄥^(qū)土壤次生鹽堿化等生態(tài)退化問題［10］。由于多年來不合理的大水漫灌、串灌等原因，甘肅景泰川灌區(qū)這個(gè)半封閉型盆地的地下水位迅速上升，導(dǎo)致土地次生鹽堿化面積逐年增大，土地退化問題尤為嚴(yán)重［11］，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活造成嚴(yán)重影響。

從20 世紀(jì)90 年代中期開始，當(dāng)?shù)馗鶕?jù)實(shí)際情況采取生物措施對(duì)次生鹽堿地進(jìn)行治理，引進(jìn)枸杞(Lycium barbarum)并種植成功，現(xiàn)在已經(jīng)在景泰川地區(qū)大面積的推廣種植開來，不僅產(chǎn)生了經(jīng)濟(jì)效益，也充分利用和改良了鹽堿地。土壤在次生鹽漬化過程中，水鹽動(dòng)態(tài)平衡被打破，土壤結(jié)構(gòu)改變，土質(zhì)下降，引起土壤生態(tài)退化。在枸杞種植過程中土壤性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，對(duì)土壤質(zhì)地產(chǎn)生一定的影響，根系生物量和微生物增加，引起土壤碳庫(kù)活度提高。隨著生長(zhǎng)年限的增加和農(nóng)田耕作措施的投入，土壤有機(jī)碳庫(kù)也發(fā)生相應(yīng)的變化，但是，其特征變化和演變趨勢(shì)并不清楚，這種變化對(duì)次生鹽堿地土壤碳庫(kù)活度和碳庫(kù)管理指數(shù)是否也產(chǎn)生了相應(yīng)的改變。運(yùn)用模型擬合研究并對(duì)土壤碳庫(kù)變化作出分析預(yù)測(cè)是一個(gè)較好的研究方法。因此，利用CENTURY 模型模擬在次生鹽漬化改良過程中土壤有機(jī)碳的變化特征，研究當(dāng)前種植枸杞對(duì)次生鹽堿地的改良作用和土壤碳的動(dòng)態(tài)變化，進(jìn)而研究在當(dāng)前的農(nóng)業(yè)種植措施模式下土壤碳的演變趨勢(shì)，闡明土壤碳庫(kù)活度、碳庫(kù)質(zhì)量的變化特征，可以為次生鹽堿地土壤質(zhì)量、健康評(píng)價(jià)，以及次生鹽堿土地生態(tài)治理和改良提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1．1 自然概況

紅躍村地處景泰縣中部，景電一期引黃提灌灌區(qū)中心地帶，縣城以北8 km 處，位于景泰縣草窩灘鎮(zhèn)以東3 km，地勢(shì)由西南向東北傾斜的微型盆地，海拔1 565 m。氣候干燥、干旱少雨、風(fēng)沙大，年均降水量185 mm，降水年際變化不大，雨水集中在7 －9月，年蒸發(fā)量3 040 mm，年均氣溫8．5 ℃，雨熱同期，地表水資源較為貧乏，地下水資源礦化度高、水質(zhì)差。20 世紀(jì)70 －80 年代建成的景電一、二期高揚(yáng)程電力引黃提灌工程是該區(qū)主要的水資源［12］，然而特殊的地質(zhì)地貌、母質(zhì)、氣候和不合理的灌溉等因素又造成土壤的次生鹽漬化現(xiàn)象非常嚴(yán)重。全村現(xiàn)有耕地面積330．7 hm2，約80%的農(nóng)田耕地為次生鹽堿化土地。自2000 年以來，該村開始推廣引種耐鹽堿的經(jīng)濟(jì)樹種枸杞，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益［13］。枸杞林地塊間開挖渠道，灌水洗鹽，年灌水6 ～8 次，枸杞果實(shí)每年采摘6 ～8 次，年修剪兩次。本研究地區(qū)土壤母質(zhì)類型一致，地帶性土壤為荒漠灰鈣土，土壤母質(zhì)包括黃土、風(fēng)積物和洪積物。地下水位均為1 m 左右。次生鹽堿地主要植被為鹽爪爪(Kalidium foliatum)，蓋度8% ～15%。

1．2 研究方法與數(shù)據(jù)采集

首先要對(duì)模型進(jìn)行校正，并建立初始態(tài)，在初始狀態(tài)下調(diào)整模型參數(shù)，檢驗(yàn)?zāi)M值與實(shí)際觀測(cè)值之間的吻合程度，通過反復(fù)檢驗(yàn)?zāi)M結(jié)果達(dá)到最好的模擬效果，即此時(shí)模型初始態(tài)建立成功。其次，基于初始態(tài)的參數(shù)值再與實(shí)測(cè)值進(jìn)行驗(yàn)證平衡［1，14］。

本研究于2012 年、2013 年7 月中旬進(jìn)行野外枸杞林地調(diào)查采樣。采用空間代替時(shí)間的方法，以次生鹽堿裸地(種植枸杞年限為0 年)為對(duì)照，分別選擇4、7、11 年枸杞林地為研究對(duì)象采集土樣，各研究地塊相互鄰近，地勢(shì)平坦。土壤采樣深度40 cm，每10 cm 分層采樣，每塊樣地5 個(gè)重復(fù)，同層次土樣混合作為1 個(gè)混合樣。同時(shí)，用環(huán)刀法測(cè)土壤容重，鋁盒裝少量新鮮土壤用于土壤水分測(cè)定。土樣帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干后測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)、有機(jī)碳、pH 值、鹽分等理化指標(biāo)。土壤粒度采用激光粒度分析儀測(cè)定。經(jīng)測(cè)定研究區(qū)次生鹽堿裸地的基本理化性質(zhì)為:土壤有 機(jī) 質(zhì) 含 量 為10． 90 g · kg－1、全 氮0． 76 g·kg－1、全磷0．95 g·kg－1、全鉀22．85 g·kg－1、速效磷3．04 mg·kg－1、速效鉀212 mg·kg－1。

1．3 土壤理化性質(zhì)的測(cè)定及碳庫(kù)管理指數(shù)的計(jì)算

總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳的測(cè)定方法分別用重鉻酸鉀氧化－外加熱法和高錳酸鉀氧化法［15］，全鹽量測(cè)定水土比為5∶ 1，pH 值的測(cè)定用酸度計(jì)法(水土比為2．5∶ 1)［16］。碳庫(kù)管理指數(shù)的計(jì)算［17］:

碳庫(kù)指數(shù)(CPI)=樣本總有機(jī)碳含量/對(duì)照土壤總有機(jī)碳含量;

碳庫(kù)活度(L)= 土壤樣品中CL/對(duì)照土壤中CNL．

式中，CL 為樣本中的活性有機(jī)碳，CNL 為樣本中的非活性有機(jī)碳;碳庫(kù)活度表示土壤碳的不穩(wěn)定性。

碳損失及其穩(wěn)定性的影響可用碳庫(kù)活度指數(shù)(LI)表示:

LI=樣本的碳庫(kù)活度(L)/對(duì)照土壤的碳庫(kù)活度(L);

基于以上指標(biāo)可以得到碳庫(kù)管理指數(shù)(CPMI):

CPMI=CPI×LI×100．

1．4 CENTURY 模型的參數(shù)化設(shè)置

運(yùn)行CENTURY4．0 模型時(shí)，用戶需要按照格式建立作物參數(shù)文件、管理文件、氣象數(shù)據(jù)文件、土壤數(shù)據(jù)文件等。根據(jù)土壤有機(jī)質(zhì)的分解速率，CENTURY 模型將土壤總有機(jī)碳(TOC)分成了3 個(gè)碳庫(kù)，分別是活性、慢性和惰性土壤有機(jī)碳庫(kù)［1，3］。本研究所用的是CENTURY4．0 版本，初始輸入數(shù)據(jù)包括基本的氣象數(shù)據(jù)、土壤質(zhì)地等(表1)。

表1 模型初始化所需主要參數(shù)Table 1 Main parameters required in CENTURY model initialization

模型所運(yùn)用的氣象數(shù)據(jù)由景泰縣氣象站提供的1956 －2012 年氣象數(shù)據(jù)，由于研究區(qū)距離縣城10 km，地勢(shì)平坦，因此，可以將此數(shù)據(jù)直接作為研究區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬運(yùn)行。模型要求至少10 年以上的氣象數(shù)據(jù)，所需資料包括月均降水量(PREC)、月最低溫度(TMIN)、月最高溫度(TMAX)。CENTURY模型在運(yùn)行調(diào)試過程中首先要設(shè)定主要的植被生長(zhǎng)參數(shù)，包括植物生長(zhǎng)的開始月份、衰老月份、休眠月份。本研究采用模型中自帶的GRASSLAND/CROP模塊，其適用于北方典型草地、低矮草原和荒漠草地，選擇CROP．100 文件中的CPR 為模型的初始植被，4 月開始生長(zhǎng)，10 月為衰老季節(jié)，11 月份開始休眠，時(shí)間步長(zhǎng)為一年進(jìn)行初始態(tài)的建立，部分參數(shù)應(yīng)用模型提供的缺省值。

枸杞在生長(zhǎng)過程中所需的農(nóng)田管理措施是不同的，為了掌握枸杞林的生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)方式，在進(jìn)行野外觀測(cè)的同時(shí)采用農(nóng)戶基線調(diào)查方法，在紅躍村隨機(jī)抽取典型農(nóng)戶30 戶進(jìn)行訪談式調(diào)查，調(diào)查內(nèi)容包括枸杞種植前期土地的基本情況、不同林齡枸杞生長(zhǎng)過程中土壤處理、施肥、灌溉等農(nóng)田管理措施，以及果實(shí)收獲、處理等近10 項(xiàng)內(nèi)容。

根據(jù)當(dāng)?shù)赝恋卮紊}堿化和人工種植枸杞林的情況，將模型分為3 個(gè)階段A、B、C，其中A 階段為模型建立平衡狀態(tài)的過程，通過參數(shù)調(diào)整將模型調(diào)整到與次生鹽堿地相平衡的狀態(tài)，本試驗(yàn)中模型運(yùn)行時(shí)間為0 －4 000 年;階段B、C 為種植枸杞時(shí)段，其中B 是1 ～4 年齡枸杞幼苗生長(zhǎng)階段，C 是枸杞林成熟穩(wěn)產(chǎn)階段，這兩個(gè)時(shí)段在模擬的過程中對(duì)應(yīng)有不同的農(nóng)業(yè)管理措施(表2)。

2 結(jié)果與分析

2．1 模型參數(shù)初始化設(shè)置及穩(wěn)態(tài)的建立

用CENTURY 模型模擬研究土壤變化時(shí)首先要進(jìn)行模型參數(shù)的初始化，在參數(shù)平衡狀態(tài)下才能進(jìn)行真正的模擬運(yùn)算［1-2］。主要是模擬研究區(qū)在自然狀態(tài)下土壤活性碳庫(kù)［SOM1C(2)］、慢性碳庫(kù)(SOM2C)、惰性碳庫(kù)(SOM3C)及土壤總碳庫(kù)［SOMTC，包含結(jié)構(gòu)性C 庫(kù)和代謝性C 庫(kù)］逐漸積累到穩(wěn)定平衡階段。輸入相關(guān)參數(shù)，氣象數(shù)據(jù)為近50年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，時(shí)間步長(zhǎng)為1 年，土壤碳庫(kù)快速積累變化所需時(shí)間約為2 000 年，之后緩慢積累到2 400年時(shí)，土壤各碳庫(kù)逐步建立平衡，各碳庫(kù)變化穩(wěn)定，基本在土壤碳含量平均水平上下波動(dòng)(圖中水平虛線表示)，達(dá)到了試驗(yàn)區(qū)土壤碳水平，表明此時(shí)間段內(nèi)各碳庫(kù)已經(jīng)穩(wěn)定平衡(圖1)。此時(shí)，活性、慢性和惰性有機(jī)碳庫(kù)分別占總有機(jī)碳庫(kù)的3．28%、68．67%和28．05%。從土壤有機(jī)碳的年際變化可看出，土壤總碳庫(kù)和緩性碳庫(kù)年際變化較大，但在一定的水平上波動(dòng)，惰性有機(jī)碳庫(kù)變化穩(wěn)定，曲線平滑，活性有機(jī)碳庫(kù)年際變化敏感，但是其值較小，所占比例小(圖1)。研究地為次生鹽堿地，植被以鹽生植物鹽爪爪為主，蓋度為8% ～15%，其土壤有機(jī)碳含量約為3 400 g·m－2左右，而CENTURY 模型在平衡狀態(tài)下模擬的土壤總有機(jī)碳含量在3 300 ～3 400 g·m－2間波動(dòng)，兩者相差很小，說明CENTURY 模型正確模擬了研究區(qū)土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)積累過程。

表2 模擬枸杞生長(zhǎng)不同階段及耕作措施Table 2 Simulation of different growth stages of wolfberry and cultivation measurements

圖1 CENTURY 模型參數(shù)初始化過程Fig．1 Initialization process of CENTURY model parameters

2．2 模型的有效性驗(yàn)證

模型的可靠性測(cè)定通常采用多種方法，每種測(cè)定方法均有其獨(dú)到之處［18］。本研究采用實(shí)測(cè)值與模型值相擬合的方法，看其變化趨勢(shì)。以0(次生鹽堿裸地)、4、7、11 年枸杞林土壤有機(jī)碳實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬值進(jìn)行擬合，結(jié)果顯示，土壤實(shí)測(cè)值與模擬值具有較好的相關(guān)性，變化趨勢(shì)一致，R2達(dá)到了0．947，統(tǒng)計(jì)分析P=0．27 ＞0．05，表明模型值與實(shí)測(cè)值之間差異不顯著(圖2)，說明運(yùn)用CENTURY 模型來模擬次生鹽漬化土地枸杞林有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)變化基本符合實(shí)際情況［17］，可用來模擬研究試驗(yàn)區(qū)的土壤動(dòng)態(tài)變化。

圖2 枸杞林土壤有機(jī)碳實(shí)測(cè)值與模擬值的關(guān)系Fig．2 The relationship between measured and simulated values of the organic carbon in the soil of wolfberry forest

2．3 枸杞林對(duì)次生鹽漬化土壤有機(jī)碳變化的影響

研究區(qū)自2000 年開始種植枸杞，土地類型發(fā)生了變化，自然植被轉(zhuǎn)變成了人工栽植經(jīng)濟(jì)作物，土壤有機(jī)碳隨之發(fā)生了顯著變化(圖3)。從次生鹽堿裸地到開墾種植枸杞，再到枸杞成熟穩(wěn)產(chǎn)，在這過程中植被類型不同，所對(duì)應(yīng)的措施也不同，在CENTURY模型的模擬過程中相應(yīng)的將這個(gè)過程分為3 個(gè)時(shí)間段(Block)，分別分為A、B、C 3 個(gè)時(shí)段，每個(gè)階段的土地耕作方式和農(nóng)田管理模式均有所差異(表2)，導(dǎo)致了土壤活性、緩性、惰性和土壤總碳庫(kù)均發(fā)生了顯著的變化(圖3)。

A 階段為次生鹽堿地，也是模擬原始有機(jī)碳庫(kù)處于平衡狀態(tài)的階段。模型參數(shù)為模擬平衡階段的參數(shù)指標(biāo)不變。這一階段處于自然狀態(tài)，土壤各碳庫(kù)僅受到降雨、氣溫等自然因素的影響，變化小，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

B 階段為枸杞幼苗生長(zhǎng)期，也是各個(gè)碳庫(kù)快速增加時(shí)期。在原有次生鹽堿裸地上開墾種植枸杞，植被類型發(fā)生了變化，由荒漠草地變成了灌木林，模型參數(shù)也相應(yīng)的進(jìn)行調(diào)整。在植被文件CROP．100中輸入類型為THODR，4 月開始發(fā)芽生長(zhǎng)(TFST)，5月施入有機(jī)肥(OMAD)，10 月停止生長(zhǎng)(TLST)，11 月份休眠(SENM)。在4 年的時(shí)間里枸杞生長(zhǎng)成熟，土壤活性、緩性、惰性和總有機(jī)碳庫(kù)在這一時(shí)間段內(nèi)均呈快速增加的態(tài)勢(shì)(圖3)。土壤活性碳的含量增幅最大，增幅相對(duì)于第1 年超過130%，其次是土壤總碳＞土壤緩性碳＞土壤惰性碳，其增幅分別為15%、7%和0．3%。

圖3 枸杞生長(zhǎng)不同階段土壤各個(gè)碳庫(kù)隨時(shí)間的變化Fig．3 Variation of soil carbon pools at different growth stages of wolfberry

C 階段為枸杞成熟穩(wěn)產(chǎn)期，是各個(gè)碳庫(kù)逐漸穩(wěn)定降低階段。這一時(shí)期相比上一階段(B)農(nóng)田管理措施發(fā)生了變化。此階段有生物量移除，一是春季修剪枝條，近1/3 的枝條被剪除;二是采摘枸杞果實(shí)，從6 月開始采摘果實(shí)，持續(xù)2 ～3 個(gè)月。這些生物量均從枸杞林移除，這樣就導(dǎo)致枯落物碳儲(chǔ)量逐漸的下降。相應(yīng)的在模型EVENT．SCH 文件中輸入與實(shí)際管理相符合的參數(shù):4 月份開始生長(zhǎng)(TFST)，5 月份耕作(CULT)，6 月、7 月灌溉(IRRI)，7 月、8 月 收獲(HARV)，10 月 停 止 生 長(zhǎng)(TLST)。通過模型運(yùn)行各碳庫(kù)均發(fā)生了相應(yīng)的變化。活性碳較為敏感，下降幅度最大，2012 －2014年下降速度趨緩，逐漸穩(wěn)定，但是其值低于開墾前活性碳的含量(圖3，圖4)。緩性碳和惰性碳在這個(gè)階段繼續(xù)積累增加，累積速率相比B 階段降低，逐漸呈降低趨勢(shì)，變化相對(duì)緩慢，土壤有機(jī)碳庫(kù)含量隨著活性有機(jī)碳含量的快速降低而逐漸減小，從2005年開始一直呈下降趨勢(shì)(圖3，圖4)。

2．4 成熟枸杞林未來土壤碳變化趨勢(shì)的情景模擬

以2010 年CENTURY 模型輸出結(jié)果為土壤有機(jī)碳的初始值，分析預(yù)測(cè)在當(dāng)前的農(nóng)田管理措施條件下枸杞林土壤有機(jī)碳近20 ～30 年的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)。運(yùn)用1956 －2012 年的歷史氣象統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)逐月最高、最低氣溫和月降水量，時(shí)間步長(zhǎng)為6 個(gè)月，輸出時(shí)間為7 月進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬，并根據(jù)當(dāng)前成熟枸杞林的農(nóng)田管理措施(表2)，在模型EVENT100 模塊中輸入相對(duì)應(yīng)的主要參數(shù):5 月施入有機(jī)肥(OMAD)，中耕松土(CULT);6、7、8、9 月灌溉(IGGI)，灌溉水量為田間持水量的50%(A50)來模擬實(shí)際的大水漫灌;5 月、7 月施肥(FERT);7、8 月收獲(HARV)，模擬未來20 ～30 年間枸杞林的土壤有機(jī)碳庫(kù)變化趨勢(shì)。結(jié)果顯示，各碳庫(kù)呈逐漸下降趨勢(shì)，在未來30 年后土壤有機(jī)碳庫(kù)基本趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定狀態(tài)下0 －20 cm 土壤有機(jī)碳含量平均約3 200 g·m－2，相對(duì)2010年土壤有機(jī)碳含量降低了1．6%，相對(duì)枸杞種植前的次生鹽堿地土壤有機(jī)碳含量降低了約5%;活性、緩性和惰性碳庫(kù)均隨之降低(圖4)。各個(gè)碳庫(kù)年內(nèi)變化波動(dòng)小，主要是受季節(jié)性的氣溫、降雨等變化影響，但是對(duì)整體變化趨勢(shì)影響不大。由此可見，農(nóng)田措施對(duì)土壤碳庫(kù)的影響較大，在當(dāng)前的農(nóng)田管理措施下枸杞林地極有可能從當(dāng)前的有機(jī)碳庫(kù)逐漸的轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)弱的碳排放源。

圖4 成熟枸杞林未來土壤各碳庫(kù)變化趨勢(shì)Fig．4 The change trend of future soil carbon pools during mature stage

2．5 不同年限枸杞林對(duì)土壤碳庫(kù)活度、土壤碳庫(kù)管理指數(shù)的影響

土壤碳庫(kù)活度和碳庫(kù)活度指數(shù)都可以用來反映土壤碳素的活躍程度，活度越大，表示有機(jī)碳越易被微生物分解，質(zhì)量越高［19］，而轉(zhuǎn)化時(shí)間也越短。碳庫(kù)活度和碳庫(kù)活度指數(shù)在枸杞種植后有所增加，4年枸杞達(dá)到最大，之后逐漸降低，表明次生鹽漬土地開墾種植枸杞會(huì)使土壤碳活性有所增加，在枸杞生長(zhǎng)的初期幾年內(nèi)土壤碳質(zhì)量得到提高(圖5)。碳庫(kù)管理指數(shù)可以用來反映土壤經(jīng)營(yíng)管理的科學(xué)性，即表明該措施是否科學(xué)［20-21］，其值升高與降低可以反映外部的經(jīng)營(yíng)方式對(duì)土壤質(zhì)量的影響向良性或惡性方向發(fā)展。不同年限枸杞林碳庫(kù)指數(shù)和碳庫(kù)管理指數(shù)與土壤有機(jī)碳模擬變化的過程相似，也呈倒“V”型變化。在枸杞生長(zhǎng)初期碳庫(kù)活度、碳庫(kù)指數(shù)和碳庫(kù)管理指數(shù)逐年增加，4 年達(dá)到最高，5 －11 年逐年降低，生長(zhǎng)14 年時(shí)碳庫(kù)活度(L)和碳庫(kù)活度指數(shù)(LI)基本與對(duì)照相近，碳庫(kù)指數(shù)(CPI)和碳庫(kù)管理指數(shù)(CPMI)雖高于對(duì)照，但是整體上仍呈下降趨勢(shì)(圖5)。運(yùn)用模型模擬生長(zhǎng)20 年枸杞林土壤碳的變化，此時(shí)土壤碳庫(kù)基本已經(jīng)穩(wěn)定(圖4)，土壤碳庫(kù)活度和管理指數(shù)相比生長(zhǎng)11 年的枸杞林仍表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，與次生鹽堿裸地相比碳庫(kù)指數(shù)基本相近。上述變化表明該區(qū)域次生鹽漬化土地種植枸杞后的最初幾年土壤質(zhì)量得到明顯改善，但隨著枸杞種植年限的增加土壤碳庫(kù)質(zhì)量逐漸下降，這主要是由枸杞林的不合理的經(jīng)營(yíng)管理措施所造成的。

圖5 土壤碳庫(kù)活度、碳庫(kù)指數(shù)等隨枸杞生長(zhǎng)年限的變化Fig．5 Changes of soil carbon pool activity and carbon pool indexduring different growth years of wolfberry

3 討論

土壤有機(jī)碳的來源主要是植物凋落物的輸入，其大小取決于凋落物輸入量和土壤有機(jī)質(zhì)的分解量［22］。在自然狀態(tài)下植被土壤有機(jī)碳的積累不受人為因素的干擾，初期積累較為快速，但是經(jīng)過一段時(shí)間后，積累速率逐漸減小，最終達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。次生鹽堿化土壤有機(jī)碳在模型運(yùn)行2 400 年左右時(shí)基本達(dá)到或接近穩(wěn)定(圖1)，雖然有波動(dòng)，但是這種波動(dòng)是植被系統(tǒng)在氣候環(huán)境因素正?！安▌?dòng)”條件下的一種穩(wěn)定狀態(tài)［6］，這種趨勢(shì)在更長(zhǎng)的時(shí)間尺度上將會(huì)表現(xiàn)的更明顯。因此，CENTURY 模型在次生鹽堿化土地有機(jī)碳模擬中相應(yīng)參數(shù)值能夠達(dá)到平衡狀態(tài)，可以運(yùn)用模擬其碳庫(kù)的變化過程。

研究區(qū)枸杞林種植前是以鹽爪爪為主的次生鹽堿地，經(jīng)過大規(guī)模的開墾、施肥、排鹽等措施建成了枸杞林地。枸杞林對(duì)土壤有機(jī)碳的影響有兩個(gè)階段，即幼苗生長(zhǎng)階段和成熟穩(wěn)定階段(圖3，圖4)，從圖中看出土壤活性炭和土壤總碳庫(kù)變化曲線呈倒“V”型變化，而土壤緩性和惰性碳庫(kù)增加趨勢(shì)呈“S”型變化。對(duì)土地的開墾不僅會(huì)改變生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳的輸出和輸入，同時(shí)，開墾導(dǎo)致的土壤溫度和濕度的改善，也將極大地促進(jìn)土壤的呼吸作用，加速表層土壤有機(jī)質(zhì)的分解［6，23］，因此，導(dǎo)致在枸杞生長(zhǎng)B 階段土壤活性、緩性、惰性碳含量均呈快速增加的態(tài)勢(shì)。土壤的碳庫(kù)活度指數(shù)、碳庫(kù)管理指數(shù)均在這一時(shí)期最大，枸杞幼苗地上和地下生物量逐漸增加，土壤碳的累積速率也在栽植4 ～5 年間達(dá)到最大，超過自然狀態(tài)下的總碳庫(kù)，表明該時(shí)期土壤碳庫(kù)較為敏感，農(nóng)田經(jīng)營(yíng)方式對(duì)土壤有培肥作用，土壤質(zhì)量向良性發(fā)展［20-21］。2004 年枸杞林土壤總碳庫(kù)比開墾前的含量增加了22%，表明這段時(shí)間枸杞林地土壤碳總體呈“碳匯”趨勢(shì)。

成熟枸杞林地的農(nóng)田耕作措施以提高枸杞產(chǎn)量，增加經(jīng)濟(jì)效益為主，因此，當(dāng)?shù)毓r(nóng)對(duì)成熟枸杞林地的農(nóng)田投入也相應(yīng)的增加，澆水、施肥的次數(shù)和量均增加，但是其用量和次數(shù)均較大，平均澆水和施肥次數(shù)為6 ～8 次(表2)，每次澆水均為大水漫灌。化肥的大量使用與多次的大水漫灌，對(duì)土壤質(zhì)地產(chǎn)生了嚴(yán)重的損害，加上從6 月份開始采摘果實(shí)，這樣將一部分生物量移除，枯落物減少導(dǎo)致腐殖質(zhì)含量降低，活性碳庫(kù)隨之減?。?4］，土壤結(jié)構(gòu)和性狀被逐漸的改變，土壤緩性碳和惰性碳在緩慢的積累之后迅速降低，土壤總碳庫(kù)隨之降低，土壤碳匯功能也被大大降低或被逆轉(zhuǎn)［25-26］。這種變化與當(dāng)?shù)氐牡匦翁卣骱蛯?shí)地調(diào)查的情景相符合。研究區(qū)地形為一個(gè)半封閉的小盆地，大量灌溉用水滲入地下不能及時(shí)排出，使水位上升，同時(shí)，在實(shí)際調(diào)查中發(fā)現(xiàn)附近的排堿渠年久失修，功能喪失，未能起到排鹽排堿的功能，導(dǎo)致該區(qū)域次生鹽堿化現(xiàn)象進(jìn)一步加重，地下水位在0．8 ～1．0 m，泛鹽現(xiàn)象明顯，土壤結(jié)構(gòu)和性狀發(fā)生了變化，土壤菌類數(shù)量及微生物總量呈現(xiàn)顯著降低的趨勢(shì)［27］，微生物活性也隨之降低［20-21，28］，枸杞根腐病嚴(yán)重，枯死植株較多，土壤碳庫(kù)活度及活度指數(shù)相應(yīng)的降低。因此，CENTURY 模型模擬結(jié)果表明，在這一階段土壤有機(jī)碳含量逐年降低，土壤碳庫(kù)活度和管理指數(shù)相應(yīng)的降低其變化趨勢(shì)與土壤碳活度、碳管理指數(shù)相一致。這與高寒草甸開墾并種植燕麥(Avena sativa)草地1 ～3 年土壤有機(jī)碳出現(xiàn)一個(gè)快速增加又降低的趨勢(shì)相似［6］，也與在干旱區(qū)綠洲人工開發(fā)下種植小麥(Triticum aestivum)、玉米(Zea mays)等作物土壤碳含量變化趨勢(shì)相似［24］。

對(duì)成熟枸杞林土壤有機(jī)碳含量的變化進(jìn)行預(yù)測(cè)分析表明，在當(dāng)前的農(nóng)田管理措施下枸杞林地極有可能從有機(jī)碳庫(kù)逐漸的轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)弱的碳排放源，土壤碳庫(kù)管理指數(shù)下降表明土地經(jīng)營(yíng)措施使土壤肥力下降，土壤性質(zhì)呈惡化的趨勢(shì)，即表明在這一階段對(duì)農(nóng)田地采取的措施是不科學(xué)的，降低了土壤質(zhì)量［20-21］，導(dǎo)致土壤有機(jī)碳含量持續(xù)減少，引起土壤有機(jī)碳庫(kù)的下降和土壤碳庫(kù)管理指數(shù)的下降。在未來30 年后土壤有機(jī)碳庫(kù)將低于開墾前的次生鹽堿地，其有機(jī)碳碳含量將降低3% ～5%。因此，改變農(nóng)田管理方式、增加有機(jī)肥的投入、采用科學(xué)灌水設(shè)備、及時(shí)更新苗木等對(duì)提高枸杞林土壤質(zhì)量、增加土壤碳儲(chǔ)量和減緩溫室效應(yīng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

4 結(jié)論

CENTURY 模型模擬結(jié)果顯示，1)CENTURY 模型適用于對(duì)次生鹽堿地土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)過程的模擬，模擬精度滿足要求;2)次生鹽堿地開墾種植枸杞后，土壤總有機(jī)碳經(jīng)歷了急速上升、快速下降和逐漸平穩(wěn)的變化，土壤總有機(jī)碳呈先增后減的倒“V”型變化趨勢(shì)。枸杞林土壤總有機(jī)碳在幼苗生長(zhǎng)階段呈“碳匯”趨勢(shì)，在成熟階段土壤總有機(jī)碳逐漸降低，在未來20 ～30 年內(nèi)極有可能逐漸的轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)弱的碳排放源。3)枸杞林地的農(nóng)田耕作措施和管理方法決定了土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)變化。土壤碳庫(kù)活度和碳庫(kù)管理指數(shù)呈先上升后逐漸降低的趨勢(shì)，表明枸杞林在生長(zhǎng)后期土壤肥力逐漸的下降，土壤性質(zhì)呈惡化的趨勢(shì)。

致謝:本項(xiàng)目在執(zhí)行期間得到了美國(guó)科羅拉多州立大學(xué)(Colorado State Univerisity，USA)碳效益研究項(xiàng)目組(GEF/UNEP，Carbo Benefits project:Modelling，Measurement and Monitoring)專家Eleanor Milne，Mark Easter，Keith Paustian，Au Yong Hoi Wen 等的指導(dǎo)和幫助，在模型的使用過程中得到了Yao Zhang博士的指導(dǎo)，在此表示感謝。

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