不同墾殖方式下茶園土壤有機碳的流失特征研究

王義祥，羅旭輝，葉 菁，應朝陽，翁伯琦

(福建省農業(yè)科學院農業(yè)生態(tài)研究所/農業(yè)部福州農業(yè)環(huán)境科學觀測實驗站，福建 福州 350013)

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不同墾殖方式下茶園土壤有機碳的流失特征研究

王義祥，羅旭輝，葉 菁，應朝陽，翁伯琦*

(福建省農業(yè)科學院農業(yè)生態(tài)研究所/農業(yè)部福州農業(yè)環(huán)境科學觀測實驗站，福建 福州 350013)

采用徑流小區(qū)觀測法研究不同茶園墾殖方式對土壤有機碳流失的影響。結果表明，不同墾殖方式下茶園土壤有機碳流失均以泥沙態(tài)損失為主，占流失總量的87.4%～98.6%，而徑流態(tài)損失僅占1.4%～12.6%。就土壤有機碳年流失量而言，梯臺植草方式下土壤有機碳流失量最小，分別比順坡清耕、順坡植草和梯臺清耕方式降低70.1%～70.7%、42.1%～57.0%和14.2%～17.8%，說明梯臺植草方式可作為減少茶園土壤有機碳流失的技術途徑。

茶園；墾殖方式；土壤有機碳；地表徑流；損失

我國南方紅壤丘陵區(qū)占全國土地總面積的11.8%，其中福建省紅壤面積占全省土地總面積的83%，是我國重要的生態(tài)類型區(qū)之一。該區(qū)域土地利用方式變化強烈，對陸地碳循環(huán)和溫室氣體排放具有重要的影響[1]。另外，該區(qū)域也是我國熱帶、亞熱帶茶葉的重要生產基地。據統(tǒng)計我國亞熱帶丘陵區(qū)茶園面積達79萬hm2，占全國總面積的70%左右，茶葉已成為該區(qū)域農民創(chuàng)收的主要途徑之一，但由于長期以來對茶園不合理的開發(fā)與利用，導致水土流失和土地退化嚴重[2]。

土壤侵蝕會引起土壤有機碳隨土壤發(fā)生遷移，導致土壤有機碳含量降低，在侵蝕過程中部分有機碳易被礦化分解而釋放到大氣中，從而對全球變化產生影響。根據IPCC(政府間氣候變化專門委員會)的估計，土壤有機碳損失對大氣CO2濃度升高的貢獻率在30%～50%，其中由土壤侵蝕造成的損失大約占50%左右[3]。盡管土壤侵蝕普遍存在，但土壤侵蝕對土壤碳循環(huán)的影響仍少見報道，土壤侵蝕對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的影響機理還缺乏深入了解[4]，生產中尤其缺乏高效穩(wěn)產的固碳減排技術，這也是我省農村節(jié)能減排和碳匯農業(yè)發(fā)展中急需解決的問題。本研究通過徑流小區(qū)觀測的方法研究不同墾殖方式下紅壤丘陵地茶園土壤有機碳隨地表徑流和泥沙流失的動態(tài)規(guī)律，探討水力侵蝕對茶園土壤有機碳流失的作用，為土壤侵蝕對茶園土壤有機碳循環(huán)影響研究提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗地位于福州市福建滿堂香茶業(yè)股份有限公司的茶葉生產基地內，海拔610 m，屬東南亞熱帶季風性濕潤氣候，年平均氣溫15.5℃，全年降水量1500 mm，年均日照1850 h，年積溫高于6500℃，無霜期312 d。

1.2 試驗設計

試驗共設計4個處理，分別為順坡清耕、順坡植草[茶行間套種百喜草(Paspalum notatum)]、梯臺清耕、梯臺植草(茶行間套種百喜草)，重復3次。各試驗小區(qū)大小為25 m×4 m，小區(qū)之間用水泥預制板隔開，小區(qū)下方布設1 m3的泥沙沉淀池和貯水池各1個。茶樹品種為梅占，2006年定植。不同墾殖方式處理茶樹的施肥管理方法一致，清耕處理采取人工方式不定期清除園面雜草。

1.3 采樣與分析方法

2013年共產流13次，產流結束后，觀測徑流池中泥水體積，同時混勻采集泥水樣測定泥沙含量。部分泥水樣過濾收集水樣，利用6 mol·L-1的H2SO4溶液調其pH到2～3后放入冰柜中保存待測。徑流和降雨水樣中總有機碳含量利用島津TOC儀測定。土壤和泥沙中總有機碳含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定[5]。

1.4 數據處理

按照公式(1)和(2)計算泥沙結合態(tài)有機碳流失量、徑流結合態(tài)有機碳流失量：

SC=∑(Si×SOCi)

(1)

WC=∑(Wi×DOCi)

(2)

式中：SC為泥沙結合態(tài)有機碳年流失量(kg·hm-2)；WC為徑流結合態(tài)有機碳年流失量(kg·hm-2)；Si為第i次產流的泥沙量(t·hm-2)；SOCi為第i次產流泥沙有機碳含量(g·kg-1)；Wi為第i次產流的徑流量(m3)；DOCi為第i次產流徑流有機碳含量(mg·L-1)；i為年產流次數。

利用Microsoft Excel2003和DPS7.05統(tǒng)計分析軟件進行數據計算處理及差異顯著性檢驗，多重比較采用LSD法。

2 結果與分析

2.1 地表徑流中有機碳的差異

由圖1可知，不同墾殖方式下茶園地表徑流中有機碳含量亦存在一定差異。順坡墾殖方式地表徑流中有機碳含量比梯臺墾殖方式高出45.5%～54.1%；生草覆蓋處理比清耕處理高出12.9%～19.6%。地表徑流中有機碳主要來自大氣降水、植被(包括活植物體和凋落物)的淋溶輸入以及土壤有機物的侵蝕。因此，在地表徑流中有機碳含量減去來自降雨中的有機碳含量可以得到來自植被淋溶以及土壤有機物的侵蝕的有機碳，從而可以分析地表徑流中不同來源有機碳的構成比例。從地表徑流中有機碳的來源來看(圖2)，順坡清耕處理地表徑流中有機碳主要源自植被淋溶輸入和土壤有機物的侵蝕，占63.34%，梯臺清耕處理地表徑流中有機碳主要源自大氣降水，占63.79%。相對清耕處理而言，生草處理地表徑流中有機碳來自大氣降水的比例有所降低，而來自植被淋溶輸入和土壤有機物侵蝕的比例增加。

圖1 地表徑流中總有機碳含量Fig.1 Organic carbon content in surface runoff

圖2 地表徑流中有機碳的來源Fig.2 Sources of organic carbon in surface runoff

2.2 侵蝕泥沙中土壤有機碳的差異

通過對泥沙和土壤中有機碳含量的對比分析表明，泥沙中有機碳具有明顯的富集現象，但其富集程度因不同開墾方式而有所差異。由表1可以看出，順坡植草處理侵蝕泥沙有機碳的富集比比順坡清耕處理高出2.61%，梯臺植草處理比梯臺清耕處理高出8.76%，主要是水力侵蝕往往首先使表層土壤發(fā)生剝離運移，而表層土壤因受植被的影響，養(yǎng)分含量較高，導致剝離運移的土壤形成的侵蝕泥沙往往會發(fā)生養(yǎng)分富集。梯臺處理侵蝕泥沙有機碳的富集比順坡處理高于0.7%～6.7%，說明富集系數的大小還會受泥沙沉積特征影響。

表1 流失泥沙的有機碳富集比

2.3 茶園土壤有機碳的徑流損失特征

就土壤有機碳的損失途徑而言(圖3)，不同墾殖方式下茶園土壤有機碳流失均以泥沙結合態(tài)損失為主，占流失總量的87.4%～98.6%，而徑流損失僅占1.4%～12.6%。但生草與清耕相比，生草處理土壤有機碳以泥沙形式的損失的比例比清耕處理降低了5.7%～12.2%，而徑流損失所占比例提高了65.3%～753.8%。梯臺清耕方式以泥沙損失的比例比順坡清耕處理提高了0.5%～6.7%，而徑流損失的比例降低了3.3%～81.3%，這可能與梯臺坍塌有關，尤其是在暴雨季節(jié)。

3 討論與結論

侵蝕作用下，表層土壤在外營力作用下發(fā)生破壞、剝蝕和遷移，從而引起富含有機碳的表層土壤隨地表徑流而流失，導致侵蝕區(qū)土壤肥力下降，植物可利用養(yǎng)分缺失，從而威脅糧食安全和生態(tài)可持續(xù)性[6]。水蝕作為土壤侵蝕的主要形式之一，其對坡面土壤有機碳的遷移和再分布的影響是一個復雜的物理化學過程，同時受氣候、土壤、地形、土地利用方式等許多因素的影響[7]。水力侵蝕作用下土壤有機碳以泥沙結合態(tài)和徑流溶解態(tài)2種形式流失。有的研究發(fā)現以泥沙結合態(tài)和徑流溶解態(tài)流失的有機碳相當[8]，但也有研究認為泥沙結合態(tài)是土壤有機碳流失的主要形式，甚至有的高達95%以上[9]，出現以上不同研究結果原因主要與不同侵蝕條件下土壤有機碳隨水沙遷移的復雜性有密切關系[10]。本研究結果表明，泥沙結合態(tài)是不同墾殖方式下茶園土壤有機碳的主要流失形式，其中泥沙結合態(tài)占到土壤總有機碳流失量的87.4%以上，這與聶小東等的研究結果相一致[10]。王文欣等研究表明，土壤覆蓋度越低，土壤有機碳流失量越高[11]。本研究結果表明，茶園生草處理土壤有機碳以泥沙形式的損失的比例比清耕處理降低了5.7%～12.2%。通常，覆蓋植被涵養(yǎng)水源是生態(tài)系統(tǒng)重要的服務功能之一。植被覆蓋度越高，涵養(yǎng)水源能力越強，其截留有機碳的能力也就越強[12]。梯臺清耕方式徑流損失的比例比順坡清耕降低了3.3%～81.3%，這主要是因為相對順坡墾殖方式，梯臺方式將坡面分割成若干梯面，改變了地表微地形，增加徑流入滲，減弱了徑流對茶園土壤的沖刷作用，從而有效地攔蓄并減少了徑流所攜帶的有機碳[13]。由此可以認為，茶園土壤有機碳流失主要以泥沙為承載體被帶走，梯臺加生草覆蓋能夠提高茶園地表覆蓋度，增強土壤沖刷能力，可作為減少茶園土壤有機碳流失的重要技術措施。

圖 3 茶園土壤有機碳的損失構成Fig.3 Components in loss of soil organic carbon at tea plantations

泥沙是土壤有機碳流失的重要載體，不同土地利用方式下泥沙結合態(tài)有機碳隨泥沙遷移特征的變化而變化。Jackson和Massey研究認為泥沙結合態(tài)有機碳的富集是土壤有機碳選擇性遷移的表現形式，在徑流的運移作用下，質量較輕、有機碳含量較高的土壤顆粒優(yōu)先被遷移[14]。一些研究表明，黏粒等小粒級是土壤有機碳流失的主要載體[15]，有機碳在泥沙中表現富集現象。富集比是指侵蝕泥沙中某種組分含量與原地土壤中該組分含量的比值[16]。許多研究也認為，土地管理方式和植被條件以及土壤類型等與有機碳富集比也有密切關系[17]。賈松偉等研究表明，土壤有機碳的流失主要以泥沙為載體遷移出系統(tǒng)，被徑流攜帶遷出的只有很少一部分；水力侵蝕造成了有機碳在泥沙中的富集，且富集比大于1[9]。本研究結果表明，順坡植草處理侵蝕泥沙有機碳的富集比比順坡清耕處理高出2.61%，梯臺植草處理比梯臺清耕處理高出8.76%，這可能是因為地表覆蓋影響了茶園表層土壤有機碳的富集，從而影響到土壤受到沖刷作用后的泥沙中有機碳的富集特征。

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Losses of Soil Organic Carbon in Tea Plantations under Varied Reclamation Methods

WANG Yi-xiang, LUO Xu-hui, YE Jing, YING Zhao-yang, WENG Bo-qi*

(Institute of Agricultural Ecology, Fujian Academy of Agricultural Sciences/Fuzhou Scientific observing and Experimental Station of Agro-Environment, Ministry of Agriculture, P.R. China,Fuzhou, Fujian 350013, China)

Effect of erosion on the loss of organic carbon in the soil of tea plantations was studied on runoff plots under different methods of reclamation. It was found that the sediment-bonded organic carbon constituted the major form of the loss, accounting for 87.4%, and up to 98.6%, of the total. Whereas, the runoff loss was merely 1.4%～12.6% of the total. The method of reclamation by landings herbage inter-planting resulted in the lowest annual organic carbon loss, which was 70.1%～70.7% lower than by longitudinal clean tillage, 42.1%～57.0% lower than by longitudinal herbage inter-planting, and 14.2%～17.8% lower than by landings clean tillage. Thus, it was recommended that the landings herbage inter-planting method be applied for the reduction of organic carbon loss in soil at tea plantations.

tea plantation; reclamation methods; soil organic carbon; runoff; loss

2016-07-11 初稿；2016-08-12 修改稿

福建省科技計劃項目(2014R1017-3、2014Y0048)；國家科技支撐計劃課題(2012BAD14B03)。

王義祥(1978-)，男，博士，副研究員，主要從事恢復生態(tài)與紅壤保育研究。E-mail: sd_wolong@163.com

*通訊作者：翁伯琦(1957-)，男，博士，研究員，主要從事生態(tài)農業(yè)技術與農業(yè)生態(tài)經濟研究。E-mail: wengboqi@163.com

S571.1；S153.62

A

2096-0220(2016)03-0129-04