土壤環(huán)境對(duì)隴東黃土高原刺槐林土壤碳通量的影響

馬濤，賈志清，于洋，張峰，董彥麗，田晉華，陳愛華

全球每年土壤呼吸的碳通量達(dá)55 Pg，是除植被冠層以外陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支中最大的通量［1］。土壤碳通量的升高或降低，會(huì)顯著影響大氣CO2濃度的變化［2］。土壤碳通量變化不僅與生物因素(地表植被、土壤有機(jī)質(zhì)和土壤微生物)有關(guān)［3-5］，而且也受制于非生物因素(土壤溫度、土壤水分和土壤密度等)［6-8］。研究生物、非生物因子對(duì)土壤碳通量的影響及其耦合關(guān)系，對(duì)探尋不同類型生態(tài)系統(tǒng)土壤碳通量的機(jī)理，具有一定的指導(dǎo)作用，從預(yù)測(cè)氣候變化對(duì)土壤碳通量及全球碳循環(huán)的影響具有重要意義。

黃土高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，植被恢復(fù)是該地區(qū)防治水土流失的主要方式，大規(guī)模植被恢復(fù)工程的開展，改善了該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，同時(shí)也影響著黃土高原生態(tài)系統(tǒng)的碳水循環(huán)。刺槐(Robinia pseudoacacia)作為黃土高原地區(qū)主要的水土保持樹種，廣泛應(yīng)用于該地區(qū)植被恢復(fù)工程中，故在該地區(qū)人工林土壤碳儲(chǔ)量方面具有重要地位。目前，針對(duì)黃土高原刺槐林土壤碳通量的報(bào)道，主要圍繞不同林種之間或者不同土層深度土壤碳通量的對(duì)比研究，集中于土壤溫度、水分、土壤孔隙度和地表凋落物對(duì)土壤碳通量的影響［9-13］;但關(guān)于土壤溫度、水分交互作用以及土壤養(yǎng)分對(duì)不同林齡刺槐林土壤碳通量的影響，相關(guān)研究較少。

筆者以田家溝水土保持科技示范園不同林齡刺槐林為研究對(duì)象，同時(shí)輔以荒草地為對(duì)照，研究土壤養(yǎng)分、土壤溫度和水分因子對(duì)土壤碳通量的影響，探索各因子與土壤碳通量之間的關(guān)系，以期為探明刺槐人工林生態(tài)系統(tǒng)碳通量的環(huán)境控制機(jī)制提供科學(xué)依據(jù)，并對(duì)制訂科學(xué)、有效的土壤碳庫(kù)調(diào)控措施，具有重要指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省平?jīng)鍪袥艽h田家溝水土保持科技示范園(E 107°15'～107°23'，N 35°21'～35°27')，示范園位于縣城西北部3 km，海拔1 028～1 374 m。研究區(qū)屬黃土高原溝壑區(qū)，溫帶半濕潤(rùn)氣候，多年平均氣溫10.1℃，≥10℃積溫2 863℃，多年平均降水量514.5 mm，蒸發(fā)量1 237.9 mm，最大凍土深55 cm，無(wú)霜期174 d。土壤類型主要有黃綿土、灰褐土和紅膠土，總體表現(xiàn)為鉀豐富，缺氮少磷，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)少。

植被類型屬森林草原，分為天然植被和人工植被兩大類。天然植被包括豆科、禾本科、菊科等，殘存灌木如紫荊(Cercis chinensis)、狼牙刺(Sophara viciifolia)、沙 棘 (Hippophae rhamnoides Linn．)和酸棗(Ziziphus jujube var．spinosa)等;人工植被主要以用材林和經(jīng)濟(jì)林為主，如刺槐、側(cè)柏(Platycladus orientalis)、楊(Populus)、柳(Salix)、臭椿(Ailanthus altissima)、榆(Ulmus pumila)、泡桐(Paulownia)、蘋 果 (Malus pumila Mill．)、梨(Pyrus)、桃(Amygdalus)和杏(Armeniaca)等樹種?？h域內(nèi)人工林中，刺槐林分布面積最大，截至2015年末，刺槐栽植面積累計(jì)達(dá)到4.82萬(wàn)hm2;其中純林面積3.92萬(wàn)hm2，達(dá)到縣域宜林面積的60% ～70%。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

選取12、14、15和18a林齡的刺槐林和荒草(冰草(Agropyron cristatum))地共5個(gè)樣地，樣地基本情況見表1。每個(gè)樣地設(shè)置5個(gè)測(cè)量環(huán)作為重復(fù)，林地中，樹干邊布置3個(gè)測(cè)量環(huán)，2株樹中間布置2個(gè)測(cè)量環(huán);荒草地測(cè)量環(huán)隨機(jī)布置，進(jìn)行土壤碳通量測(cè)定。

2.2 土壤碳通量測(cè)定

土地碳通量采用土壤碳通量測(cè)量系統(tǒng)(LI－8100，LI－COR，USA)的便攜式呼吸室(8100－103)測(cè)定。該儀器的測(cè)量原理、測(cè)量過(guò)程和主要特點(diǎn)見文獻(xiàn)［14］。同時(shí)，利用LI－8100自帶的溫度探針和土壤水分探頭，同步測(cè)定測(cè)量環(huán)附近地表溫度、土壤溫度(5 cm)和土壤含水量。

表1 試驗(yàn)樣地基本情況Tab．1 Characteristics of the sample plot

測(cè)定時(shí)每個(gè)測(cè)量環(huán)分別測(cè)量2次，取平均值記為測(cè)量時(shí)間點(diǎn)該環(huán)的土壤碳通量，5個(gè)測(cè)量環(huán)測(cè)量結(jié)果的平均值，記為測(cè)量時(shí)間點(diǎn)測(cè)量樣地的土壤碳通量。每個(gè)測(cè)定周期24 h，09:00開始，次日07:00結(jié)束。具體為09:00—17:00，每2 h測(cè)定一次，17:00—次日07:00，每3 h測(cè)定一次，共計(jì)10次。測(cè)定日期為2015年4月、2015年7月、2015年9月和2016年2月。

2.3 土壤碳通量Q10

利用以下公式，計(jì)算土壤碳通量

式中:β1為土壤碳通量的溫度指數(shù)曲線方程y=β0eβ1x中的溫度反應(yīng)系數(shù);β0為0℃時(shí)的土壤碳通量［15］。

2.4 土壤碳通量與土壤溫度和水分交互作用的計(jì)算模型

采用以下模型，描述水分和溫度對(duì)土壤碳通量變化的影響。

R=a ebtWc［16］。

式中:R為土壤碳通量;t為溫度;W為土壤含水量;a、b、c為常數(shù)。

2.5 土壤養(yǎng)分測(cè)定

每個(gè)樣地選取3處采樣點(diǎn)，清除地表植被，使用土鉆分層采集 0～5、5～10、10～30、30～60 和60～100 cm深度土樣，將3處采樣點(diǎn)相同層次土樣混合均勻后，裝入土袋，帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干、磨碎，以供養(yǎng)分測(cè)定。

土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀硫酸氧化外加熱法測(cè)定，全氮采用凱氏法(Tecator 1030全自動(dòng)定氮儀)測(cè)定，全磷采用堿熔－鉬銻抗比色法測(cè)定，全鉀采用堿熔－火焰光度法測(cè)定，堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定，有效磷采用碳酸氫鈉提取－鉬銻抗比色法測(cè)定，速效鉀采用乙酸銨浸提－火焰光度法測(cè)定。具體測(cè)定方法見文獻(xiàn)［17］。

2.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel 2007整理分析并繪圖，采用SPSS21.0完成相關(guān)性分析，并檢驗(yàn)土壤碳通量與溫度、土壤含水量之間單因素和雙因素的擬合程度。

3 結(jié)果與分析

3.1 溫度對(duì)土壤碳通量的影響

各樣地土壤碳通量與地表溫度和土壤溫度(5 cm)呈指數(shù)相關(guān)。由圖1可知，各樣地土壤碳通量與地表溫度的決定系數(shù)R2排序?yàn)?.646 4(18a)＜0.685 1(14a)＜0.747 1(12a)＜0.766 9(荒草地)＜0.927 4(15a);與土壤溫度(5 cm)的 R2分別為0.770 1(14a)＜0.787 3(荒草地)＜0.818 6(12a)＜0.888 5(18a)＜0.962 7(15a)?？梢钥闯?，各樣地地表溫度和土壤溫度(5 cm)與土壤碳通量之間均有較好的相關(guān)性，相比地表溫度，土壤溫度(5 cm)與土壤碳通量的擬合度較高;15a刺槐林與溫度的擬合程度最好。相關(guān)分析可知，土壤碳通量與地表溫度和土壤溫度(5 cm)的相關(guān)性均達(dá)到顯著(P＜0.01)。

圖1 溫度對(duì)土壤碳通量的影響Fig．1 Effects of temperature on soil carbon flux

Q10通常是被用來(lái)表示土壤碳通量對(duì)溫度變化敏感程度的一個(gè)重要指標(biāo)［18］。Q10可以用來(lái)理解全球氣候變化條件下，生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的動(dòng)態(tài)變化，較大的Q10值意味著在給定升高溫度時(shí)，全球或區(qū)域范圍內(nèi)，土壤碳通量的較大增加［19］。結(jié)果顯示，各樣地對(duì)地表溫度的Q10分別為2.17(荒草地)＜2.19(14a)＜2.48(12a)＜2.49(18a)＜3.19(15a);對(duì)土壤溫度(5 cm)的Q10為2.21(荒草地)＜2.60(14a)＜2.87(12a)＜3.56(15a)＜4.36(18a)?？梢钥闯?，土壤碳通量對(duì)土壤溫度(5 cm)的Q10值＞地表溫度Q10值，說(shuō)明土壤碳通量對(duì)土壤溫度(5 cm)的變化更為敏感。各樣地中，15和18a刺槐林Q10值較大，荒草地Q10值最小。

3.2 土壤含水量對(duì)土壤碳通量的影響

土壤水分是影響陸地生態(tài)系統(tǒng)CO2通量的重要環(huán)境要素，對(duì)植被的生長(zhǎng)、根系分布和微生物活性等與土壤碳通量密切相關(guān)的生物因子起控制作用［20］。一般認(rèn)為，在一定含水量范圍內(nèi)，土壤碳通量隨含水量的增大而增大，當(dāng)含水量接近土壤田間持水量時(shí)，土壤碳通量最高。對(duì)土壤碳通量與土壤含水量的相關(guān)性分析結(jié)果顯示，土壤碳通量與土壤含水量線性相關(guān)顯著(P＜0.01)，但擬合度較低。由圖2可知，土壤含水量?jī)H可以解釋土壤碳通量變化的19.57%(15a)＜19.89%(荒草地)＜25.31%(14a)＜34.43%(18a)＜36.70%(12a)。

3.3 土壤溫度、水分交互作用對(duì)土壤碳通量的影響

土壤溫度總是和土壤水分一起對(duì)土壤碳通量的變化產(chǎn)生影響，兩者之間存在明顯的交互作用。有研究表明，土壤碳通量變異中，至少有60%來(lái)自于土壤溫度和水分的共同作用［21］。利用土壤溫度(5 cm)和土壤含水量與土壤碳通量建立雙變量關(guān)系見表2。結(jié)果表明，各樣地土壤碳通量與土壤溫度(5 cm)、土壤含水量的交互作用，具有很好的相關(guān)性，均達(dá)到顯著水平(P＜0.01)。土壤溫度(5 cm)和土壤含水量的多元回歸模型，可共同解釋土壤碳通量變異的73.50%、75.50%、93.70%、74.40%和78.60%。

圖2 土壤含水量對(duì)土壤碳通量的影響Fig．2 Effects of soil water content on soil carbon flux

表2 土壤溫度、水分與土壤碳通量的回歸模型Tab．2 Regression models on soil carbon flux and soil temperature as well soil water content

3.4 土壤養(yǎng)分分布及與土壤碳通量的關(guān)系

各樣地土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布見圖3。由圖3可知，各樣地土壤全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)基本一致，隨土層深度的增加而降低，在土壤表層(0～10 cm)表現(xiàn)出較高的水平，之后逐漸降低，在60～100 cm土層各養(yǎng)分指標(biāo)最低，而土壤全磷、全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)在不同深度沒有顯示出一致的規(guī)律性。經(jīng)方差分析，各樣地間土壤全氮、全磷、堿解氮和有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異不顯著(P＞0.05)，而土壤全鉀、有效磷和速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異顯著(P＜0.05)。

通過(guò)分析0～5、5～10、10～30、30～60和60～100 cm土層土壤各養(yǎng)分指標(biāo)，在5～30 cm土層各指標(biāo)值是平均值的0.89～1.11倍，基本可以表征100 cm土層內(nèi)土壤各指標(biāo)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的平均水平。在0～100 cm土層，土壤全氮、堿解氮和有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)14a刺槐林最高;土壤全鉀、速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)15a刺槐林最高;荒草地中土壤全磷和有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，而有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，僅為6.26 g/kg?？梢钥闯?，12a到14 a、15a刺槐林土壤養(yǎng)分增量明顯，有效改善土壤環(huán)境質(zhì)量。

通過(guò)土壤碳通量的測(cè)定可知，各樣地年均土壤碳通量大小為18 a(3.33μmol/(m2·s))＞荒草地(2.03 μmol/(m2·s)) ＞15 a(1.96 μmol/(m2·s)) ＞14 a(1.60 μmol/(m2·s)) ＞ 12 a(1.52 μmol/(m2·s))，可以看出隨著林齡增加，14 a和15 a刺槐林土壤碳通量＞12 a刺槐林，與14 a、15 a刺槐林土壤氮、鉀、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較豐富表現(xiàn)一致。

圖3 土壤養(yǎng)分分布Fig．3 Distribution of soil nutrients

4 討論

溫度是調(diào)節(jié)和控制許多生態(tài)學(xué)過(guò)程的關(guān)鍵因素，同時(shí)也是影響土壤碳通量的決定性因子之一［22］。大氣溫度的變化會(huì)引起地表和土壤溫度變化，對(duì)植物根系生長(zhǎng)、土壤微生物活性、凋落物和土壤有機(jī)質(zhì)分解等都會(huì)產(chǎn)生影響。研究結(jié)果顯示，各樣地土壤碳通量與地表溫度和土壤溫度(5 cm)的相關(guān)性均達(dá)到顯著(P＜0.01)，相比地表溫度，土壤溫度(5 cm)與土壤碳通量的擬合度較高，擬合程度提高2.04%～24.21%。研究結(jié)果與陜西省王東溝小流域［10］、楊凌地區(qū)［11］和羊圈溝小流域［12］，以及黃土高原永壽、子午嶺、安塞和米脂地區(qū)［13］刺槐林的相關(guān)報(bào)道一致。各樣地中15 a刺槐林與溫度的擬合程度最好。

本研究各樣地土壤碳通量對(duì)土壤溫度(5 cm)的Q10值大于其對(duì)地表溫度的Q10值，說(shuō)明土壤碳通量對(duì)土壤溫度的變化更為敏感，且隨著土壤溫度的升高，增加的數(shù)值更大。結(jié)果顯示各樣地土壤溫度Q10值在2.21～4.36范圍內(nèi)，其中，15和18 a刺槐林Q10值較大，荒草地Q10值最小。說(shuō)明研究區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)在向林地生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，隨著時(shí)間的推移，土壤碳通量對(duì)溫度的敏感性提升。在當(dāng)今全球氣候變化的背景下，植被恢復(fù)工程應(yīng)建立合理的立體結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)土壤環(huán)境的變化，以有效控制土壤溫室氣體的排放。周正朝等［13］計(jì)算刺槐林土壤呼吸對(duì)土壤溫度(5 cm)的Q10值為2.63;胡嬋娟等［12］通過(guò)研究得出，高原典型丘陵溝壑區(qū)人工刺槐林土壤溫度(5 cm)Q10值為1.91;周小剛等［10］設(shè)置凋落物，計(jì)算刺槐林土壤溫度(5 cm)Q10值在1.92～2.31之間;筆者研究結(jié)果Q10值略高，原因可能為地域不同，引起的環(huán)境和土壤因子的差異。陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤碳通量Q10值變化在1.3～5.6之間，這取決于生態(tài)系統(tǒng)的類型及其地理分布［23］，筆者研究結(jié)果在此范圍內(nèi)。

土壤碳通量與土壤含水量關(guān)系的研究結(jié)果表明，各樣地土壤碳通量與土壤含水量線性相關(guān)顯著(P＜0.01)，但擬合度較低，這也與周正朝和上官周平［13］的研究結(jié)果一致。相比溫度和水分單因子模型可知，研究區(qū)土壤溫度是人工刺槐林土壤碳通量變化的主導(dǎo)因子，研究結(jié)果與秦娟等［11］、胡嬋娟等［12］研究結(jié)果一致。

影響土壤碳通量的因素不僅包括溫度、水分等環(huán)境因素，還包括土壤有機(jī)質(zhì)、微生物和根系等生物因素，它們不僅單獨(dú)對(duì)土壤碳通量產(chǎn)生影響，而且各因子之間也發(fā)生交互作用，使得它們與土壤碳通量之間的關(guān)系變的復(fù)雜。楊玉盛等［24］對(duì)某一森林生態(tài)系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，土壤碳通量變異的80% ～96%，可以用土壤溫度與水分共同解釋，且土壤溫度和水分與土壤碳通量之間的相關(guān)性達(dá)到極顯著水平。筆者研究結(jié)果表明，各樣地土壤碳通量與土壤溫度(5 cm)、土壤含水量的交互作用具有很好的相關(guān)性，且都達(dá)到了顯著水平(P＜0.01)，多元回歸模型可共同解釋土壤碳通量變異的73.50%～93.70%。

土壤養(yǎng)分反映了土壤為植物生長(zhǎng)供應(yīng)和協(xié)調(diào)營(yíng)養(yǎng)條件，以及環(huán)境條件的能力，土壤肥力狀況可以揭示已有土地的利用效果，并且對(duì)植被的生長(zhǎng)起到重要作用［25］。有研究表明，土壤碳通量與土壤有機(jī)質(zhì)組分密切相關(guān)，不同成分的土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤呼吸的貢獻(xiàn)率有顯著差異［22］。筆者研究結(jié)果顯示，12a到14 a、5a刺槐林土壤養(yǎng)分增量明顯，表現(xiàn)出改善土壤環(huán)境質(zhì)量的作用，與李靖等［25］研究結(jié)果一致。許明祥等［26］研究黃土丘陵溝壑區(qū)人工刺槐林土壤養(yǎng)分狀況及其演變規(guī)律，得出該區(qū)林地土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮及養(yǎng)分指數(shù)約需50a，速效鉀約需30a，可達(dá)到中上等養(yǎng)分水平。筆者研究刺槐林樹齡最大為18a，顯示出土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加趨勢(shì)，但未表明養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)提升，并趨于穩(wěn)定的林齡范圍，在后期研究中，應(yīng)增加林齡序列，揭示出研究區(qū)人工刺槐林土壤質(zhì)量達(dá)到中上等水平的樹齡范圍。

土壤碳通量作為反映土壤質(zhì)量的指標(biāo)，反映土壤活性水平。土壤碳通量作為一個(gè)復(fù)雜的生物學(xué)過(guò)程，受到多種因素的綜合調(diào)控，這使土壤碳通量一方面具有某種規(guī)律性，另一方面又表現(xiàn)出不規(guī)則性的變化，顯示出相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性［27］。筆者研究結(jié)果表明，隨著林齡的增長(zhǎng)，土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)處于積累過(guò)程，14 a和15a刺槐林土壤氮、鉀、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較12a刺槐林豐富，表現(xiàn)出年均土壤碳通量亦大于12a刺槐林，表現(xiàn)出土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的高低，影響土壤碳通量的釋放速度。18a刺槐林年均土壤碳通量在各樣地中最大，但土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)并沒有表現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)，可能與其他因子的作用有關(guān)。

5 結(jié)論

1)土壤碳通量與地表溫度和土壤溫度(5 cm)的相關(guān)性均達(dá)到顯著(P＜0.01)。相比地表溫度，土壤溫度(5 cm)與土壤碳通量擬合度較高，各樣地中，15a刺槐林與溫度的擬合程度最好。土壤碳通量對(duì)土壤溫度(5 cm)的 Q10值 ＞地表溫度Q10值，15a和18a刺槐林Q10值較大，荒草地Q10值最小。

2)土壤碳通量與土壤體積含水量線性相關(guān)顯著(P＜0.01)，但擬合度較低，僅可以解釋土壤碳通量變化的19.57%～36.70%。

3)各樣地間土壤全氮、全磷、堿解氮和土壤有機(jī)質(zhì)差異不顯著(P＞0.05);土壤全鉀、有效磷和速效鉀差異顯著(P＜0.05)。5～30 cm土層各養(yǎng)分指標(biāo)值，基本可以表征100 cm土層內(nèi)的土壤各指標(biāo)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的平均水平。

4)土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的高低，影響土壤碳通量的釋放速度。12a到14 a、15a刺槐林土壤養(yǎng)分增量明顯，表現(xiàn)出改善土壤環(huán)境質(zhì)量的作用。

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