淤地壩對(duì)坡地土壤有機(jī)碳分布的影響

趙 培，李曉剛，劉志鵬

(1.商洛學(xué)院 城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院，陜西 商洛 726000；2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210095)

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淤地壩對(duì)坡地土壤有機(jī)碳分布的影響

趙 培1，李曉剛1，劉志鵬2*

(1.商洛學(xué)院 城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院，陜西 商洛 726000；2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210095)

以六道溝流域的淤地壩為例，測(cè)定了壩內(nèi)外坡地土壤有機(jī)碳含量，旨在探討淤地壩對(duì)坡地土壤有機(jī)碳分布的影響。研究結(jié)果表明：淤積達(dá)20年的淤地壩可以顯著增加10 m長(zhǎng)坡面0～130 cm土層的土壤有機(jī)碳含量，尤其表層有機(jī)碳含量增加了2.92 g/kg，較坡外增加358.34%，差異極顯著(P<0.01)；從壩外到壩內(nèi)坡地土壤有機(jī)碳基本表現(xiàn)出線性增大的趨勢(shì)，但極大值點(diǎn)出現(xiàn)在壩內(nèi)靠近分界線處；淤地壩的存在使壩內(nèi)坡地比壩外坡地相同坡位的有機(jī)碳含量均增大，上坡增加的最大，達(dá)117.36%；壩內(nèi)坡地土壤有機(jī)碳含量的變異系數(shù)較壩外的大。

淤地壩；坡地；土壤有機(jī)碳；分布

0　引言

土壤碳庫(kù)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫(kù)，是陸地碳循環(huán)的主體，全球約有1500 Gt碳以有機(jī)質(zhì)形態(tài)儲(chǔ)存于土壤中，主要集中在0～100 cm土層中。土壤有機(jī)碳庫(kù)儲(chǔ)量約是陸地植被碳儲(chǔ)量的3倍、大氣碳庫(kù)的2倍[1-2]。土壤有機(jī)碳含量是土壤中的植物殘?bào)w與土壤微生物分解損失兩者之間平衡的結(jié)果，受水土流失、氣候、植被、土壤理化特性以及人類活動(dòng)等諸多物理、生物和人為因素的影響[3-5]。黃土高原地區(qū)是世界上水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一，長(zhǎng)期嚴(yán)重的土壤侵蝕使該地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量平均不足1%，土壤有機(jī)碳密度平均為2.49 kg/m2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于全國(guó)(10.53 kg/m2)的平均水平[6-7]。黃土高原上的水土保持措施是保持土壤不流失，一方面保持土壤碳庫(kù)不因土壤侵蝕而損失；另一方面通過工程措施和生物措施改變地表微地形和植被覆蓋狀況，這樣也影響到土壤碳庫(kù)。

淤地壩是黃土高原水土保持措施中的主要工程措施，它攔泥攔沙，淤成的壩地是黃土高原重要的碳吸收匯[8]；另一方面，淤地壩形成壩地，促進(jìn)退耕還林還草也是改善生態(tài)環(huán)境，增加植被覆蓋，從而吸收CO2緩解全球變暖的重要因素。淤地壩攔泥、淤地，抬高侵蝕基準(zhǔn)面，從而覆蓋壩內(nèi)坡地，縮短坡長(zhǎng)，而壩內(nèi)坡地往往植被生長(zhǎng)茂密，枯落物大量覆蓋，能起到防止土壤侵蝕的作用。因?yàn)槠碌厮亮魇菍?dǎo)致區(qū)域土壤質(zhì)量退化以及坡地生產(chǎn)力下降的重要原因[9]，而淤地壩的存在可能間接地改變了其兩側(cè)坡地的土壤有機(jī)碳含量和分布。關(guān)于淤地壩對(duì)坡地土壤有機(jī)碳分布影響的文章尚未見報(bào)道。本文以陜北神木六道溝流域一個(gè)典型的淤地壩為例，分析了壩內(nèi)外坡地的土壤有機(jī)碳含量，探討了淤地壩對(duì)坡地有機(jī)碳分布和含量變化的影響。這對(duì)淤地壩環(huán)境影響評(píng)價(jià)和中國(guó)水土保持措施中的淤地壩建設(shè)對(duì)全球碳循環(huán)的影響研究有一定的參考價(jià)值。

1　材料與方法

1.1研究地概況

研究區(qū)域?yàn)橹袊?guó)科學(xué)院教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心神木侵蝕與環(huán)境試驗(yàn)站，該區(qū)位于神木縣以西14 km處的六道溝流域，流域面積為6.9 km2，東經(jīng)110°21′～110°23′，北緯38°46′～38°51′，海拔1081～1274 m，主溝道南北走向，長(zhǎng)4.21 km，溝道平均比降26.25‰，是黃河一級(jí)支流窟野河水系的二級(jí)支溝，在主溝道兩側(cè)有8條支溝，整個(gè)流域近似菱形，北依長(zhǎng)城，地處毛烏素沙漠的邊緣，屬于黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶的強(qiáng)烈侵蝕中心，是典型的生態(tài)環(huán)境脆弱帶。六道溝流域地面梁峁起伏，切割破碎，溝壑縱橫，片片明沙點(diǎn)綴于黃土丘陵之上，形成了典型的沙蓋黃土丘陵之特殊景觀。該區(qū)屬中溫帶半干旱氣候，年平均氣溫8.4 ℃，年平均降水量437 mm，其中6～9月的降水約占全年降水的77%。植被類型為干旱草原，天然植被大部分已遭破壞，殘存的天然草場(chǎng)也已嚴(yán)重退化、沙化。地貌類型為片沙覆蓋的梁峁?fàn)铧S土丘陵，地面組成物質(zhì)以第四紀(jì)黃土沉積物為主，土壤侵蝕極為嚴(yán)重，流域平均水蝕模數(shù)可達(dá)15000 t/(km2·年)[10-12]。淤地壩是該流域最主要也是最有效的水土保持措施，共有淤地壩15座，其中蓄水壩2座，壩地面積占整個(gè)六道溝流域的1%[13]。本研究選取的建有淤地壩的坡地，淤地壩垂直于坡地，將坡地一分為二：壩內(nèi)坡地和壩外坡地，其坡向?yàn)楸逼珫|2°，坡度36°，地勢(shì)險(xiǎn)峻，人為活動(dòng)較少。該淤地壩建成有20年，庫(kù)容已滿，壩地較高，從而造成淤地壩內(nèi)外坡長(zhǎng)不同，以壩內(nèi)坡為準(zhǔn)對(duì)比研究，坡長(zhǎng)10余m。壩內(nèi)坡地植被覆蓋茂密，長(zhǎng)滿長(zhǎng)芒草，枯落物層厚達(dá)2 cm，而壩外坡地幾乎無植被覆蓋。

1.2研究方法

以淤地壩壩體走向?yàn)橹芯€，5 m×5 m網(wǎng)格布置取樣點(diǎn)，共3行6列，壩內(nèi)壩外各取9個(gè)點(diǎn)，淤地壩及其采樣坡面示意圖見圖1。以淤地壩壩體中線(圖1中豎線)對(duì)稱采樣，每個(gè)點(diǎn)的取樣深度為200 cm，從表層土壤開始，每隔10 cm取樣1次。風(fēng)干后過1 mm篩，土壤有機(jī)碳含量用濃硫酸-重鉻酸鉀高溫外加熱氧化-亞鐵滴定法(GB 9834─88)測(cè)定[11]，重復(fù)測(cè)定兩次。

2　結(jié)果與分析

2.1淤地壩內(nèi)外坡地土壤有機(jī)碳分布對(duì)比

為了對(duì)比壩內(nèi)外坡面土壤有機(jī)碳分布，分別將壩內(nèi)外9個(gè)采樣點(diǎn)在同一深度的土壤有機(jī)碳平均值繪于圖2。由圖2可知，總體而言，壩外坡地土壤有機(jī)碳含量沒有明顯的垂直變化，總體含量比較低，變異也比較小。這是因?yàn)閴瓮馄碌亟?jīng)過長(zhǎng)期嚴(yán)重的土壤侵蝕，包括水蝕和風(fēng)蝕，水土流失嚴(yán)重，又由于沒有植被覆蓋，缺少枯枝落葉層，而枯枝落葉層是由表面植被的未分解、半分解及已分解的死有機(jī)物組成的，所以壩外坡地土壤有機(jī)碳只有損失沒有來源；另外，壩外坡地長(zhǎng)時(shí)間缺少覆蓋，地溫較高，加速了表層土壤有機(jī)碳的分解[2]。而壩內(nèi)坡地土壤有機(jī)碳含量均高于壩內(nèi)坡地，變異也比較大，尤其表層的差異最大，表層有機(jī)碳含量為4.05 g/kg是壩外坡地的3.6倍，差異達(dá)到極顯著水平。而0～100 cm土壤有機(jī)碳平均含量較壩外坡地均有了很大提高[1]，達(dá)到1.54 g/kg，是壩外坡地的2倍。隨著深度的增加，土壤有機(jī)碳增加的趨勢(shì)也減弱，到130 cm土層深度，土壤有機(jī)碳的含量與壩外坡地基本相近。由此可見，土壤有機(jī)碳在土壤表層中增加最顯著，對(duì)表層土壤的保護(hù)對(duì)增加碳儲(chǔ)量尤為重要。

圖1　采樣分布圖

淤地壩建成以后，隨著壩地淤積，匯集坡地和溝道徑流，從而促進(jìn)壩內(nèi)坡地植被恢復(fù)生長(zhǎng)。壩內(nèi)坡地枯枝落葉的覆蓋、長(zhǎng)芒草細(xì)根的死亡、地溫相對(duì)壩外坡地較低和水土流失控制較好等都是壩內(nèi)坡地有機(jī)碳含量增加的原因。壩內(nèi)坡地植物通過光合作用吸收大氣中的CO2，碳主要以凋落物歸還給土壤，為土壤有機(jī)碳的形成提供了大量物質(zhì)來源，而死亡的根系和根系分泌物也是形成土壤有機(jī)碳的重要物質(zhì)。此外，淤地壩工程改變了壩內(nèi)坡地坡長(zhǎng)，環(huán)境因素例如風(fēng)速、光照等減少了土壤侵蝕，植被對(duì)降塵和風(fēng)吹蝕的細(xì)粒組分的截獲增加，不僅減少了表層土壤有機(jī)碳侵蝕損失，而且還截獲了更多的降塵和土壤細(xì)顆粒[2]。植被恢復(fù)以后土壤養(yǎng)分保蓄較好，加上植物郁閉，土壤溫度低，有機(jī)碳分解緩慢，所以土壤的有機(jī)碳含量較高。但土壤有機(jī)碳明顯累積于土壤表層，且隨著土壤深度的增加而迅速下降，并逐漸接近于壩外地的。由此可以看出，淤地壩的存在通過促進(jìn)坡地植被恢復(fù)，可以增加坡面0～130 cm土層的有機(jī)碳含量，表層最為明顯。壩內(nèi)坡地植物是造成土壤有機(jī)碳增加的主要原因。

圖2　淤地壩內(nèi)外坡地土壤有機(jī)碳分布

2.2沿垂直壩體方向有機(jī)碳分布

為了探明土壤有機(jī)碳沿垂直壩體方向的分布特征，將平行于壩體方向(圖1豎線)的3個(gè)取樣點(diǎn)做平均值，繪于圖3。由圖3可知，坡地土壤有機(jī)碳從壩外到壩內(nèi)基本表現(xiàn)出線性增大的趨勢(shì)，但極值點(diǎn)是壩內(nèi)坡地靠近分界線附近的采樣點(diǎn)。我們?cè)诹硪谎芯恐邪l(fā)現(xiàn)，該點(diǎn)代表的區(qū)域，通常水分條件也較好，植物不僅可以吸收壩內(nèi)坡地的水分，而且由于壩外坡地基本無植被覆蓋，因此其根系由于向水性還可以延伸到壩外坡地吸收水分，因此長(zhǎng)勢(shì)最好，新陳代謝較快。壩內(nèi)坡地土壤有機(jī)碳含量均高于壩外，壩外坡地的呈線性增加的趨勢(shì)，這與壩內(nèi)植被根系的分布和延伸的距離有關(guān)。

圖3　從壩外到壩內(nèi)坡地土壤有機(jī)碳含量變化

2.3不同坡位有機(jī)碳含量對(duì)比分析

黃土高原的淤地壩分為水庫(kù)和以水土保持為主要功效的壩體。用于水土保持的淤地壩利用攔蓄的泥沙形成壩地，在壩地抬升的過程中，縮短了壩內(nèi)坡地坡長(zhǎng)。由于壩地豐富的土壤水資源[15]，“惠及”壩內(nèi)坡地，促進(jìn)了植被生長(zhǎng)，間接地使不同坡位的有機(jī)碳分布也發(fā)生了變化。為了說明不同坡位土壤有機(jī)碳分布差異，將不同坡位的3個(gè)取樣點(diǎn)的平均值繪于圖4。由圖4可見，壩外坡地有機(jī)碳的含量總體比較低，不同坡位的有機(jī)碳變化表現(xiàn)為：坡下>坡中>坡上，坡下和坡中的含量都高于坡上，坡中和坡下含量差異不大，這可能由于受到土壤侵蝕和水流沖刷后，坡中和坡下會(huì)淤積一些泥沙和枯落物，而坡上一般不會(huì)淤積；對(duì)于壩內(nèi)坡地，由于植被的覆蓋其土壤有機(jī)碳含量較壩外坡地的高，尤其壩內(nèi)坡上高出壩外117.36%，這是因?yàn)閴瓮馄律嫌袡C(jī)碳含量最低；而壩內(nèi)坡中和坡下比壩外分別高出63.92%和50.69%。

坡位對(duì)土壤有機(jī)碳的分布也有著重要影響，因?yàn)槠露纫蛩?、植物因素和土壤侵蝕共同影響著坡面土壤有機(jī)碳含量和分布。坡面土壤被侵蝕時(shí)，徑流中的泥沙常含有相當(dāng)數(shù)量的有機(jī)碳，而且侵蝕泥沙中有機(jī)碳含量幾乎總是高于土壤中有機(jī)碳的含量[8]。此外，徑流中也常常漂浮著很多短小、折斷的植物枯葉和干枯莖桿，也有被沖刷出來的植物細(xì)根等，而泥沙和漂浮物等跟隨徑流沿途一般就會(huì)受到植物的阻礙，坡中的植被覆蓋也較茂密，有一定的保持水土、落物的能力，而雜亂的枯落物越多其攔蓄漂浮物和泥沙的能力也就會(huì)越強(qiáng)，聚集的也就越多；再加上徑流在坡中坡位時(shí)，其動(dòng)能并不是很大，很容易被攔截，本身的枯落物較多，同時(shí)又可以阻擋上部土壤養(yǎng)分的流失、自身的土壤濺蝕，這也就是坡中有機(jī)碳含量相對(duì)較高的原因，這與魏孝榮等[9]的研究結(jié)果一致。不同坡位土壤有機(jī)碳分布的差異還與土壤性質(zhì)、水分條件、侵蝕強(qiáng)度，植物種類、年齡、蓋度，植物的水土保持效益，降雨、日照、溫度、風(fēng)速、風(fēng)向，以及風(fēng)力的大小，沙塵暴的發(fā)生、歷時(shí)，人類、動(dòng)物活動(dòng)等都有一定的關(guān)系。淤地壩也是通過影響植被覆蓋從而影響坡位有機(jī)碳分布的，并且與建壩時(shí)間和工程選址等也有關(guān)系。

圖4　淤地壩內(nèi)外坡地不同坡位有機(jī)碳含量對(duì)比

2.4土壤剖面有機(jī)碳分布特征

為了比較壩內(nèi)外坡地土壤剖面有機(jī)碳的分布特征，將其統(tǒng)計(jì)特征值歸納于表1。由表1可知，壩外坡地土壤有機(jī)碳整體水平非常低，其變化范圍是0.69～1.13 g/kg，變異系數(shù)在0.21～0.60之間，而壩內(nèi)坡地的土壤有機(jī)碳在0.86～4.05 g/kg范圍內(nèi)變化，變異系數(shù)為0.21～0.71，比壩外坡地表現(xiàn)出更大的變異性，尤其是0～60 cm土層，這主要與植物的根系分布有關(guān)。土壤有機(jī)碳增加在土壤表層最為明顯，增加了358.34%，200 cm土層只增加2.16%。

草本植物光合作用所同化的有機(jī)產(chǎn)物中有90%以上分布在地下，尤其是一年生草本植物,每年均有大量的死亡根系作為碳源進(jìn)入土壤碳循環(huán)過程[16-18]。根系在土壤剖面上的垂直分布則主要受植被類型的影響，草本植物是須根系植物，根系的垂直分布主要集中在土壤表層，隨著土層的加深其根系量也逐漸減少，而且隨土層深度的加深微生物的數(shù)量和活力降低，其分解活動(dòng)也減弱，導(dǎo)致土壤有機(jī)碳含量隨土層濃度的加大而降低[2,19]。因此坡地土壤剖面有機(jī)碳的分布主要受植被根系分布的影響。此外，土壤有機(jī)碳的增加也有利于水分的入滲，有利于壩內(nèi)坡地植被的生長(zhǎng)。淤地壩的存在使壩內(nèi)坡地也成為一個(gè)碳匯。

表1　淤地壩內(nèi)外坡地土壤有機(jī)碳統(tǒng)計(jì)特征值

3　小結(jié)

通過對(duì)淤地壩內(nèi)外坡地土壤有機(jī)碳含量的研究可知，該淤地壩工程攔泥攔沙20年，通過促進(jìn)坡地植被生長(zhǎng)，間接增加壩內(nèi)10 m坡地0～130 cm土層土壤有機(jī)碳含量，較坡外達(dá)到顯著水平(P<0.05)，平均增加了0.76 g/kg。沿垂直壩體方向，坡地土壤有機(jī)碳分布從壩外到壩內(nèi)基本表現(xiàn)出線性增大關(guān)系，但極大值出現(xiàn)在壩內(nèi)毗鄰分界線區(qū)域。壩內(nèi)坡地不同坡位的有機(jī)碳含量表現(xiàn)為坡中>坡下>坡上，而壩外是坡下>坡中>坡上，對(duì)于植被覆蓋的坡地，坡中成為一個(gè)重要碳匯。淤地壩間接增加了壩內(nèi)坡地土壤剖面的有機(jī)碳含量，其增加幅度呈遞減趨勢(shì)，越深含量越低，差異亦越小，表層增加了358.34%，差異極顯著，深層(140～200 cm)變化不大。

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(責(zé)任編輯：許晶晶)

Effect of Check-dam on Distribution of Soil Organic Carbon in Slope Land

ZHAO Pei1, LI Xiao-gang1, LIU Zhi-peng2*

(1. College of Urban, Rural Planning and Architectural Engineering, Shangluo University, Shangluo 726000, China;2. College of Resources and Environmental Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China)

In order to explore the effect of check-dam on the distribution of soil organic carbon (SOC) in slope land, the author tested the SOC content in the slope land inside and outside check-dam of the Liudaogou basin. The results showed that the check-dam, which was built 20 years ago, could significantly increase the content of SOC in 0～130-cm-deep soil layer of 10-m-long inside slope land, especially the SOC content in surface soil layer was increased by 2.92 g/kg or 358.34%, which was very significantly different from that in surface soil layer of outside slope land (P<0.01). Basically, the SOC content in slope land exhibited a linear increasing trend from the outside to inside of check-dam, but the maximum value appeared near the boundary of inside dam. The existence of check-dam caused that the inside slope land had more SOC content than the outside one in the same slope position, and the biggest increase rate (117.36%) of SOC content was found in upslope position. The variation coefficient of SOC content in inside slope land was higher than that in outside one.

Check-dam; Slope land; Soil organic carbon; Distribution

2016-05-07

商洛學(xué)院博士團(tuán)隊(duì)服務(wù)地方科技創(chuàng)新與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展能力提升專項(xiàng)(SK2014-01-18)；商洛學(xué)院博士啟動(dòng)基金(14SKY031)。

趙培(1982─)，男，吉林磐石人，博士，主要從事流域環(huán)境研究。*通訊作者：劉志鵬。

S153.6

A

1001-8581(2016)09-0050-04