黃土丘陵區(qū)不同土地利用下土壤碳組分及碳庫管理指數(shù)特征

張嬌陽, 梁楚濤, 董昌平, 辛 奇, 薛 萐,

(1.西北農(nóng)林科技大學 資源環(huán)境學院, 陜西 楊凌 712100; 2.中國科學院 水利部 水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100; 3.重慶市渝北區(qū)華鎣山林場, 重慶 渝北 401120)

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黃土丘陵區(qū)不同土地利用下土壤碳組分及碳庫管理指數(shù)特征

張嬌陽1, 梁楚濤2, 董昌平3, 辛 奇1, 薛 萐1,2

(1.西北農(nóng)林科技大學 資源環(huán)境學院, 陜西 楊凌 712100; 2.中國科學院 水利部 水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100; 3.重慶市渝北區(qū)華鎣山林場, 重慶 渝北 401120)

采用野外和室內(nèi)分析相結(jié)合的方法，研究了黃土丘陵區(qū)基于坡耕地改造或演變的7種土地利用方式的土壤碳組分及碳庫各指數(shù)的變化。結(jié)果表明：與坡耕地相比，其余土地利用方式均能提高土壤碳固持能力，增加土壤碳組分含量、土壤碳庫指數(shù)(CPI)和碳庫管理指數(shù)(CPMI)，其中有機碳(TOC)、活性有機碳(LOC)及非活性有機碳(NLOC)含量分別較坡耕地增加了42%～125%，36%～136%和31%～161%，總的來說天然灌木林和人工喬木林的改善作用最強。不同土地利用方式下LOC/TOC為46.00%～57.29%，活度(A)為0.87～1.44，其中果園、天然灌木林和梯田的活度最高。土壤碳組分、碳庫管理指數(shù)和主要化學指標間具有顯著的相關(guān)性，表明不同土地利用方式對土壤碳固持能力的影響。

黃土丘陵區(qū); 土壤碳組分; 土地利用方式

土壤碳庫作為陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的有機碳庫[1]，對調(diào)節(jié)全球碳循環(huán)起著重要作用。土壤有機碳作為土壤的重要組成成分，與土壤理化及生物學性質(zhì)有直接關(guān)系，是表征土壤肥力的重要參數(shù)。根據(jù)穩(wěn)定性可將土壤有機碳分為活性、慢性和惰性幾部分。其中活性碳部分，移動快，穩(wěn)定性差，易氧化、礦化且對植物養(yǎng)分有直接供應作用[2]，盡管其占全碳的比例很小，但在調(diào)節(jié)土壤碳素轉(zhuǎn)化和養(yǎng)分流方面起著重要作用，比有機質(zhì)能更準確、更靈敏地反映土壤肥力和物理性狀的變化，是土壤碳代謝的關(guān)鍵和動力，緊密聯(lián)系著土壤肥力、土壤質(zhì)量及碳庫平衡[3]。在此基礎上，Lefroy等[4]提出的土壤碳庫管理指數(shù)的概念，包含了人為影響下土壤碳庫指標(CPI)和碳庫活度(A)兩方面的內(nèi)容，該概念不僅能說明外界對土壤有機質(zhì)數(shù)量的變化的影響，而且可以反映活性有機碳數(shù)量的變化和不同利用方式對土壤質(zhì)量影響的程度[5]。

土地利用方式的改變會通過對土壤微生物以及有機質(zhì)數(shù)量與質(zhì)量的影響[6]，間接影響到土壤有機質(zhì)的累積與分解速率[7]，從而引起土壤有機碳庫發(fā)生相應的變化。有研究估測在1850—1998年，因土地利用方式和耕作方式變化排放到大氣中的碳含量估計在136±55 Pg，基本是化石燃料燃燒釋放碳含量(270±30 Pg)的一半，而土地利用方式改變釋放的碳中，有57.4%來自于土壤有機碳[8]。由此可見分析土地利用方式變化對土壤碳匯的影響具有極其重要的意義。目前不同土地利用方式對土壤碳庫影響的研究多集中在土地利用方式對土壤總有機碳的影響[9]，部分涉及了土壤碳組分及碳庫管理指數(shù)的影響，但是結(jié)論差異較大[10-14]，因此本文通過對黃土丘陵區(qū)不同土地利用方式下土壤有機碳組分差異的比較及碳庫管理指數(shù)影響因素的分析，為該區(qū)土地利用的合理性評價及土壤碳素循環(huán)提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)設在中國科學院安塞水土保持試驗站紙坊溝流域(109°13′46″—109°16′03″E，36°46′42″—36°46′28″N)，該流域位于陜西省安塞縣，這一區(qū)域地形破碎，溝壑縱橫，屬黃土丘陵溝壑區(qū)，暖溫帶半干旱季風氣候，海拔1 010～1 400 m，流域面積為8.27 km2。年均氣溫8.8℃，≥0℃的積溫3 733.5℃，干燥度1.5，無霜期157～194 d。年均降水量542.5 mm，但分布不均，7—9月三個月降雨量占年降雨量的61.1%，且多暴雨，年均蒸發(fā)量為1 463 mm。土壤類型以黃土母質(zhì)發(fā)育而成的黃綿土為主，抗沖抗蝕能力差。植被類型處于暖溫帶落葉闊葉林向干草原過渡的森林草原帶，天然林已遭破壞；喬木以刺槐和小葉楊(Populussimonii)等為主；灌叢主要有檸條和沙棘(Hippophaerhamnoides)等人工林灌叢以及封禁后形成的黃刺玫(Rosaxanthina)、狼牙刺(Sophoraviciifolia)等天然灌叢；草本植物主要為鐵桿蒿(Artemisiagmelinii)、茭蒿(Artemisiagiraldii)、長芒草(Stipabungeana)、白羊草(Bothriochloaischaemum)等。

1.2樣地選擇和樣品采集

在流域內(nèi)按照土地利用方式選擇44個研究樣地，包括坡耕地3個、梯田4個、人工草地3個、撂荒草地10個、果園7個、天然灌木地4個、人工灌木地5個和人工喬木林8個。在各試驗樣地按S 型選取6點，用土鉆法取0—20 cm混合土樣，3次重復，風干后過1 mm和0.25 mm篩后測定土壤基本理化性質(zhì)和活性有機碳[15]。全氮(TN)用半微量凱氏法測定；pH(水∶土=2.5∶1)值用pH計測定；土壤全磷用碳酸鈉熔融—鉬銻抗比色法；速效磷用Olsen法；速效鉀用乙酸銨提取——火焰光度法；總有機碳用重鉻酸鉀氧化外加熱法；活性有機碳(LOC)采用高錳酸鉀氧化法[16]；非活性有機碳含量(NLOC)為總有機碳和活性有機碳含量之差。

土壤碳庫管理指數(shù)計算方法如下，其中以坡耕地土壤為參考土壤：

碳庫指數(shù)(CPI)=樣品全碳含量(mg/g)/參考土壤全碳含量(mg/g)

碳庫活度(A)=活性碳含量/非活性碳含量

碳庫活度指數(shù)(AI)=樣品碳庫活度/參考土壤碳庫活度

碳庫管理指數(shù)(CPMI)=碳庫指數(shù)×碳庫活度指數(shù)×100=CPI×AI×100

1.3數(shù)據(jù)處理

所測數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2007和SPSS 18.0軟件進行統(tǒng)計分析，多重比較采用Duncan法。

2　結(jié)果與分析

2.1土壤碳組分含量分異特征

土壤有機碳含量是評價土壤質(zhì)量的一個重要指標，直接影響著土壤的肥力水平，不同土地利用方式下的管理措施和凋落物輸入量與特性的差異會導致土壤有機碳及其組分積累的差異性[17]。圖1說明不同土地利用方式對土壤有機碳組分影響顯著。相對于坡耕地，TOC含量呈現(xiàn)不同程度升高，增幅為42%～125%，由大到小依次為：人工喬木林>天然灌木地>人工灌木地>梯田>撂荒草地>人工草地>果園>坡耕地，其中天然灌木地和人工喬木林增幅達到顯著水平。不同土地利用方式下LOC含量為1.37～3.23 g/kg，大小依次為天然灌木地>人工灌木地>人工喬木林>梯田>果園>撂荒草地>人工草地>坡耕地，相對于坡耕地增幅達36%～136%，僅天然灌木地增幅達到顯著水平。NLOC含量變化范圍為1.26～3.27 g/kg，大小依次為人工喬木林>人工灌木地>天然灌木地>撂荒草地>梯田>人工草地>果園>坡耕地，各土地利用方式較坡耕地增加了31%～161%，僅人工喬木林地和人工灌木林增幅達到顯著水平。

黃土丘陵區(qū)地形破碎，土壤侵蝕嚴重，坡耕地由于人為耕作活動等的干擾，表土侵蝕嚴重，有機物質(zhì)礦化加劇，土壤有機碳及其各碳組分含量很低。坡耕地改造為梯田和果園后降低了坡度，減少了水土流失，促進了有機碳的積累。人工草地雖然大量的地上生物量被轉(zhuǎn)移走，但是地下生物量被保留下來，加之不像坡耕地那樣的耕作方式，有效地減少了對土壤的擾動，降低了土壤礦化速率，因此有助于土壤碳庫的積累。撂荒草地、灌木林和喬木林生態(tài)系統(tǒng)受人為耕作活動的干擾較小，并且每年有大量的枯枝落葉等返回到生態(tài)系統(tǒng)中，這些枯枝落葉不僅能攔截地表水流，防止地表水土流失，而且死地被物的積累與分解，使得碳庫輸入增加，從而提高了土壤有機碳及其組分的含量。在本研究中僅人工喬木林和天然灌木地的增幅達到顯著水平，這主要是由于本研究所選樣地在利用時間跨度上差異較大，增加了有機碳及其組分的變幅，從而降低了方差分析的靈敏性。

2.2土壤活性有機碳占總有機碳的比例

土壤活性有機碳占土壤總有機碳的比例(LOC/TOC)和碳庫活度(A)更能體現(xiàn)土壤活性碳庫的狀況，土壤有機碳中活性有機碳所占的比例越高，說明土壤碳的活性越大，穩(wěn)定性越差，有機碳越易于被微生物分解和被植物吸收利用，碳庫活度和質(zhì)量也就越高[12,18]。不同土地利用方式對土壤LOC/TOC影響顯著，LOC/TOC為46.00%～57.29%(表1)，高低順序依次為果園>天然灌木地>梯田>坡耕地>人工灌木地>人工草地>撂荒草地>人工喬木林，其中果園、天然灌木地顯著高于撂荒草地和人工喬木林。

本研究中LOC/TOC維持在一個較高的比例(46.00%～57.29%)，該值遠高于我國其他地區(qū)的研究結(jié)果[13,18-21]，據(jù)此推測該區(qū)域土壤整體有機質(zhì)含量較低，NLOC與LOC需要處于一種高速周轉(zhuǎn)的動態(tài)平衡之中來實現(xiàn)土壤TOC維持較高的活性，從而利于微生物分解和被植物吸收利用，滿足植物生長需要。與對照坡耕地相比，果園、天然灌木地及梯田土壤碳庫的活性有增大趨勢，而其余幾個土地利用方式有降低趨勢，說明除過天然灌木地外，人為干擾較少的土地利用方式有利于降低土壤碳庫活性，促進土壤碳庫的持留和貯存，而人為干擾較多的土地利用不利于土壤碳庫的持留和貯存。

圖1　不同土地利用方式下土壤碳組分含量

2.3土壤碳庫管理指數(shù)

土地利用方式對A和AI影響顯著，其中A大小依次為果園>天然灌木地>梯田>坡耕地>人工灌木地>人工草地>撂荒草地>人工喬木林，其中果園、天然灌木地和梯田顯著高于人工喬木林、人工草地和撂荒草地(表1)。天然灌木林、果園的AI最高，顯著高于其余土地利用方式，人工喬木林和撂荒草地AI最低，和坡耕地、人工灌木林和人工草地沒有顯著差異，但是顯著低于梯田(表1)。

CPI和CPMI是系統(tǒng)的、敏感的反映和監(jiān)測土壤有機碳變化的指標，可以有效地表示土壤質(zhì)量和土壤肥力狀況，被用來指示不同土地管理措施對土壤質(zhì)量，尤其是土壤碳庫的影響[5]，其值升高,表明土壤經(jīng)營和管理越合理，土壤性能向良性發(fā)展，其值降低則表明土地經(jīng)營措施不科學，土壤性質(zhì)向惡性方向發(fā)展。相對于坡耕地，不同利用方式的CPI和CPMI呈增加趨勢，增幅分別達43%～115%和42%～192%，其中CPI僅人工喬木林增幅達到顯著水平，增幅依次為人工喬木林>人工灌木地>梯田>撂荒草地>人工草地>果園>天然灌木地，CPMI僅天然灌木林增幅達到顯著水平，增幅依次為天然灌木地>梯田>果園>人工灌木地>人工草地>人工喬木林>撂荒草地(表1)。

因此，相對于坡耕地，不同土地利用方式CPMI和CPI明顯增大，表明在水土流失嚴重的黃土丘陵區(qū)，坡耕地由于人為干擾和自然干擾(如水土流失)使其土壤性能向惡性發(fā)展，土壤經(jīng)營和管理不合理，而改變?yōu)槠渌恋乩梅绞胶螅环矫嬖黾恿送寥捞驾斎氲膩碓?，另一方面減少了侵蝕導致的碳源流失，從而促進了土壤碳的固存，使土壤性能向良性發(fā)展，與前人研究結(jié)果相似。

2.4土壤碳組分及碳庫管理指數(shù)與土壤化學的相關(guān)性分析

對土壤碳組分、碳庫管理指數(shù)與土壤主要化學因子進行相關(guān)性分析，結(jié)果表明(表2)，土壤有機碳組分間均存在極顯著正相關(guān)，與除速效P外的其他指標，均存在顯著或極顯著關(guān)系。A與AI都能和LOC達到顯著性水平，但與土壤其他指標間的相關(guān)性未達到顯著水平。CPI與土壤碳不同組分、主要化學指標都達到了顯著或極顯著性水平，CPMI和除全P、速效P外的其他指標相關(guān)性顯著。

表1　不同土地利用方式土壤碳組分含量及碳庫各指數(shù)

注:表中數(shù)值均為均值±標準差SD，同一列不同字母表示差異顯著水平(p<0.05)。

表2　不同土地利用方式土壤碳組分、碳庫各管理指數(shù)與土壤肥力指標相關(guān)性分析

注:表中*表示相關(guān)性達顯著水平(p<0.05),**表示達極顯著水平(p<0.01)。

3　結(jié) 論

黃土丘陵區(qū)不同土地利用方式對土壤有機碳及其組分影響顯著，土壤LOC/TOC為46.00%～57.29%，坡耕地由于不合理的土地經(jīng)營管理導致土壤碳固持能力較弱，其他土地利用方式能夠增加土壤碳固持能力，提升土壤有機碳含量及其組分含量，促進土壤性能向著良性發(fā)展，但是不同土地利用方式的改善作用不同，總體來說天然灌木地和人工喬木林改善作用最強。

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Characteristics of Soil Carbon Components and Carbon Pool Management Indices in Different Land Uses in Loess Hilly Region

ZHANG Jiaoyang1, LIANG Chutao2, DONG Changping3, XIN Qi1, XUE Sha1,2

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentNorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi, 712100,China; 2.StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingontheLoessPlateau,InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China; 3.HuayingshanForestFarminYubeiDistrictofChongqing,Chongqing401120,China)

By means of field and indoor analysis, the change of soil carbon components and carbon pool indices of 7 kinds of land use patterns in the loess hilly region were studied. The results show that the rest of the land use patterns can improve soil carbon sequestration capacity, increase the contents of soil carbon components and soil carbon pool index (CPI) and carbon pool management index (CPMI) compared with sloping farmland; the content of total organic carbon (TOC), labile organic carbon (LOC) and non-active organic carbon (NLOC) increased by 42%～125%, 36%～136% and 31%～161%, respectively, compared with the sloping cropland. In general, the improvement of natural shrubs and artificial trees is the best. The ratios of LOC to TOC in different land use patterns range from 46.00% to 57.29%, and activity (A) is between 0.87 and 1.44. The orchard, natural shrub forest and terrace have the highest A. There is the significant correlation between soil carbon, carbon pool management indices and main chemical indices, which can reflect the influence of different land uses on soil carbon sequestration capacity.

loess hilly region; soil carbon component; land use type

2015-11-25

2015-12-04

科技基礎性工作專項“(黃土高原生態(tài)系統(tǒng)與環(huán)境變化考察”(2014FY210100);國家科技支撐計劃“黃土丘陵區(qū)退化生態(tài)修復技術(shù)研發(fā)與示范—陜北水蝕區(qū)植被功能調(diào)控技術(shù)與示范”(2015BAC01B03);中科院西部青年學者項目(XAB2015A05);陜西省科學技術(shù)研究發(fā)展計劃(2011KJXX36)

張嬌陽(1989—),女,河南駐馬店人,碩士,研究方向:微生物生態(tài)。E-mail:zhangjiaoyang@nwsuaf.edu.cn

薛萐(1978—),男,陜西西安人,博士,副研究員,研究方向:微生物生態(tài)。E-mail:xuesha100@163.com

S153.6

A

1005-3409(2016)04-0066-04