黃土高原壩地深層土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性研究

周仕軒, 夏 彬, 郝旺林, 張佐源, 許明祥,,，梁銀麗，

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.中國(guó)科學(xué)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

土壤碳庫(kù)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳儲(chǔ)庫(kù)，其微小的變化就可能造成巨大的碳排放，土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性在很大程度上影響土壤固碳能力，改變土壤碳排放過(guò)程，進(jìn)而引起全球氣候變化。因此，理解土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性時(shí)空變化特征對(duì)于預(yù)測(cè)碳排放、優(yōu)化土壤碳庫(kù)管理、提升土壤碳匯功能有重要意義。

土壤有機(jī)碳抵抗干擾和分解的能力被稱(chēng)為有機(jī)碳的穩(wěn)定性，通常用易氧化有機(jī)碳分配比例表征有機(jī)碳的非穩(wěn)定性，易氧化有機(jī)碳占比越高，表示有機(jī)碳穩(wěn)定性越差。土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性是水分、溫度、通氣性、微生物量、有機(jī)碳組分等多因素綜合作用的結(jié)果，即有機(jī)碳的穩(wěn)定性隨土壤環(huán)境改變。商素云等研究表明，植被類(lèi)型、管理模式、耕作方式對(duì)有機(jī)碳穩(wěn)定性也有顯著影響，其中管理模式和耕作方式對(duì)有機(jī)碳穩(wěn)定性的影響不僅有直接作用，也有通過(guò)環(huán)境條件改變引起的間接作用。然而，當(dāng)前對(duì)處在沉積環(huán)境的壩地土壤，尤其是壩地深層土壤，由于其獨(dú)特的形成環(huán)境和水熱特征，該地土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性如何變化，沉積的有機(jī)碳能否長(zhǎng)期穩(wěn)定存在，其穩(wěn)定性受哪些因素控制，對(duì)于這些問(wèn)題的認(rèn)識(shí)還非常有限。

黃土高原是我國(guó)乃至全球土壤侵蝕最嚴(yán)重的地區(qū)之一，截至2015年，已建成淤地壩超過(guò)10萬(wàn)座，陜西地區(qū)約有4萬(wàn)余座。以碾莊溝流域?yàn)槔?，?jù)調(diào)查，該地過(guò)去54年間共建成192座淤地壩，累計(jì)攔蓄泥沙3 230萬(wàn)m，貯存有機(jī)碳約173 133 t，是黃土高原重要的碳儲(chǔ)庫(kù)。本研究以黃土丘陵區(qū)典型流域壩地土壤為對(duì)象，從壩地剖面土壤水熱通氣性、有機(jī)碳含量及其組分入手，研究不同利用年限、不同沉積深度下土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性時(shí)空變化特征和影響因素。該研究對(duì)于厘清侵蝕沉積作用下的碳源碳匯效應(yīng)、評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)侵蝕沉積作用下壩地土壤固碳潛力及制定壩地土壤固碳減排調(diào)控有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究在陜西省延安市安塞區(qū)的方塌溝流域(109°15′32″E，36°47′49″N)、羊圈溝流域(109°04′31″E，36°50′20″N)、趙橋流域(109°05′82″E，36°51′46″N)和董家溝流域(109°04′26″E，36°50′08″N)等多個(gè)小流域內(nèi)進(jìn)行。研究區(qū)地處黃土高原中部，地形地貌復(fù)雜，平均海拔1 371.9 m。氣候類(lèi)型屬于中溫帶半干旱季風(fēng)氣候，全年平均氣溫8.8 ℃，極端最高氣溫36.8 ℃，極端最低氣溫-23.6 ℃，晝夜溫差大，多年平均降水量505 mm，其中7—9月的降水量約占全年降水量的61%。研究地區(qū)土壤以黃綿土為主，抗侵蝕性差，加上人為活動(dòng)的長(zhǎng)期干擾，使得植被退化，水土流失嚴(yán)重。近二十年，隨著生態(tài)恢復(fù)與重建，植被蓋度已達(dá)到60%以上，水土流失顯著減少。該區(qū)常見(jiàn)的植被類(lèi)型有以刺槐為主的人工林，以檸條和沙棘等為主的人工林灌叢及封禁后形成的黃刺玫、丁香、虎棒子和狼牙刺等天然灌叢。

1.2 樣地選擇與樣品采集

通過(guò)走訪(fǎng)調(diào)查和查閱資料，了解安塞區(qū)淤地壩建設(shè)年限和利用情況。選擇建設(shè)年限分別為20年、30年、40年、50年和60年的淤地壩(作為農(nóng)耕地利用年限分別為0年、10年、30年、40年和50年)，以反映不同沉積年限下壩地剖面土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性演變特征。各年限選取種植作物相同(玉米)、管理模式相似、田塊面積相近、兩側(cè)坡地作物相同(刺槐、沙棘、檸條)的具有代表性的重復(fù)樣地4塊。

已有的土壤固碳研究主要針對(duì)100 cm內(nèi)的土壤展開(kāi)，但地表100 cm的土壤常受耕作擾動(dòng)和作物根系的影響，因此本研究將0—100 cm作為淺層，100 cm以下作為深層。根據(jù)壩地的走向分前、中、后，每個(gè)樣地居中選取前后2個(gè)采樣點(diǎn)，用直徑5 cm的土鉆分層采集0—600 cm土樣，其中0—100 cm每20 cm為1層，100—600 cm每50 cm為1層。同層2次重復(fù)的混合樣為1個(gè)分析樣，20塊樣地共得300份土壤樣品。取樣后除去土壤雜質(zhì)，用四分法取部分土壤，分成2份：一份直接過(guò)2 mm篩后置于4 ℃保溫箱中，用于土壤微生物量碳和水溶性碳的測(cè)定；另一份風(fēng)干后測(cè)定土壤理化性質(zhì)和有機(jī)碳組分。在采樣同時(shí)，利用溫濕度計(jì)測(cè)量每層土壤溫度(℃)和含水量(v/ν)。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

土壤有機(jī)碳(SOC)含量采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定，土壤微生物量碳(MBC)采用氯仿熏蒸浸提法測(cè)定，易氧化有機(jī)碳(EOC)采用 KMnO氧化法測(cè)定，水溶性有機(jī)碳(DOC)采用KSO浸提法測(cè)定。土壤質(zhì)地采用英國(guó)馬爾文公司的激光粒度儀(Mastersizer-2000)測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理和圖表繪制。使用SPSS 26.0統(tǒng)計(jì)軟件(IBM Corp.)對(duì)不同利用年限下各土層SOC、MBC、EOC含量以及MBC/SOC和EOC/SOC比例進(jìn)行ANOVA分析，采用一般線(xiàn)性模型(GLM)中的方差成分估計(jì)模塊來(lái)計(jì)算壩地土壤有機(jī)碳含量、土壤溫濕度、土層、顆粒組成和利用年限在易氧化碳分配比例變異(方差)中所占的百分比。

2 結(jié)果與分析

2.1 壩地剖面土壤有機(jī)碳分布特征

研究區(qū)壩地0—600 cm剖面土壤有機(jī)碳含量為1.22～8.20 g/kg。SOC含量在壩地剖面上呈現(xiàn)明顯的表聚現(xiàn)象，0—20 cm SOC含量最高(4.64 g/kg)，在20—60 cm SOC含量降幅較大，60—600 cm變化較小且含量較低(圖1)。對(duì)于淺層土壤(0—100 cm)，不同利用年限的壩地之間SOC含量無(wú)顯著差異(>0.05)；深層土壤(100—600 cm)SOC含量隨利用年限的增加呈逐漸增大趨勢(shì)，利用50年的壩地SOC含量顯著大于其他年限(<0.05)(圖2)。在利用年限不超過(guò)10年的壩地中，淺層SOC含量顯著大于深層(<0.05)，利用年限超過(guò)10年的壩地淺層與深層SOC含量差異不顯著(>0.05)。

圖1 不同利用年限壩地土壤有機(jī)碳含量在土壤剖面上的分布

注：圖中不同字母表示相同土層不同利用年限間差異顯著(p<0.05)。下同。

2.2 壩地剖面活性有機(jī)碳的分布特征

壩地0—600 cm剖面土壤MBC含量為4.68～186.23 mg/kg，在0—20 cm處最高，隨土層深度增加而減小，60—600 cm土壤MBC含量趨于穩(wěn)定(圖3)。土壤MBC主要集中在表層0—60 cm。無(wú)論是在淺層(0—100 cm)還是深層(100—600 cm)土壤，MBC含量隨壩地利用年限的增加并沒(méi)有明顯的變化規(guī)律(圖4)。

圖3 不同利用年限壩地土壤微生物量碳含量在土壤剖面上的分布

圖4 不同土層土壤微生物量碳含量

壩地0—600 cm剖面土壤DOC含量為5.80～55.08 mg/kg，0—20 cm土層的DOC含量顯著高于其他土層(<0.05)，60—600 cm的DOC含量相對(duì)穩(wěn)定，DOC主要集中在表層0—60 cm(圖5)。在淺層(0—100 cm)土壤中DOC含量隨壩地利用年限增加呈升高趨勢(shì)(>0.05)；深層(100—600 cm)土壤中，未耕作利用的壩地(0年)DOC含量顯著小于其他壩地(<0.05)(圖6)。

圖5 不同土地利用年限壩地土壤水溶性碳含量在土壤剖面上的分布

圖6 不同土層土壤水溶性碳含量

壩地0—600 cm剖面上EOC含量為0.02～0.90 g/kg，0—20 cm土層EOC含量顯著高于其他土層，60—600 cm土壤EOC含量相對(duì)穩(wěn)定，EOC主要集中在0—60 cm(圖7)。隨著壩地利用年限的增加，淺層土壤(0—100 cm)EOC含量無(wú)顯著變化(>0.05)，而深層土壤(100—600 cm)EOC含量呈增加趨勢(shì)，其中利用50年的壩地EOC含量顯著高于其他年限(<0.05)(圖8)。

圖7 不同土地利用年限壩地土壤易氧化有機(jī)碳含量在土壤剖面上的分布

圖8 不同土層的土壤易氧化有機(jī)碳含量

2.3 土壤活性碳與總有機(jī)碳的比例關(guān)系

淺層土壤EOC/SOC為5.33%～6.41%，高于深層EOC/SOC(4.61%～6.03%)(表1)。隨著利用年限的增加，淺層土壤EOC/SOC相對(duì)穩(wěn)定，而深層土壤EOC/SOC呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，其中利用40年的壩地顯著高于利用年限小于40年的壩地(<0.05)。淺層土壤微生物熵(微生物量碳與有機(jī)碳的比值)為1.65%～1.81%，深層土壤微生物熵為0.88%～1.68%，淺層微生物熵顯著高于深層(<0.05)。隨著利用年限的增加，淺層土壤微生物熵沒(méi)有顯著變化，而深層土壤微生物熵呈減小趨勢(shì)。

表1 不同土地利用年限下EOC/SOC和MBC/SOC比例 單位：%

2.4 壩地土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性影響因素

各因子對(duì)壩地淺層和深層土壤EOC/SOC的影響不同(表2)。在淺層土壤EOC/SOC主要受土層深度和有機(jī)碳含量的影響，可分別解釋50.4%和19.6%的變異性，黏粒含量和土壤含水量影響也較大，可解釋11.8%和10.6%的變異性，土壤溫度和利用年限影響較小。在深層土壤EOC/SOC變異的主要影響因子是有機(jī)碳含量和土壤含水量，可分別解釋38.9%和33.9%的變異性，利用年限和土壤溫度可分別解釋11.8%和8.5%的變異性，而土層和黏粒含量影響較小。

表2 不同因子在壩地淺層和深層土壤EOC/SOC變異(方差)中的貢獻(xiàn)

3 討 論

土壤侵蝕普遍存在，全球每年因土壤侵蝕而發(fā)生遷移的有機(jī)碳可達(dá)4～6 Pg。黃土高原是全球水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一，每年流失的土壤可高達(dá)16億t。我國(guó)自20世紀(jì)50年代開(kāi)始進(jìn)行淤地壩建設(shè)，截至2002年底，黃土高原淤地壩攔泥210億m，增加碳儲(chǔ)量約0.123 Gt，約為美國(guó)每年沉積泥沙有機(jī)碳儲(chǔ)量的3倍?？梢?jiàn)，黃土高原淤地壩土壤有機(jī)碳是沉積環(huán)境土壤有機(jī)碳固存的重要形式，是區(qū)域碳循環(huán)中不可忽略的一部分。

淤地壩土壤的形成過(guò)程和機(jī)制與原始成土過(guò)程明顯不同，主要表現(xiàn)為次降雨侵蝕泥沙沉積形成的層狀結(jié)構(gòu)土壤，淤地壩中埋藏的土壤主要從兩側(cè)的坡耕地遷移而來(lái)，其土壤有機(jī)碳含量主要與該區(qū)域氣候條件、侵蝕特征及坡地土壤肥力相關(guān)。本研究中淤地壩SOC含量均值為2.83 g/kg，有機(jī)質(zhì)均值為4.81 g/kg低于研究區(qū)內(nèi)坡耕地表層土壤有機(jī)質(zhì)含量6.15 g/kg。因?yàn)樵谕寥浪g過(guò)程中，暴雨的沖擊破壞部分土壤團(tuán)聚體及有機(jī)碳表面的聚合物，從而影響團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳的物理保護(hù)作用，約有10%～20%的侵蝕碳被礦化分解；另一部分土壤有機(jī)質(zhì)在侵蝕及其搬運(yùn)過(guò)程中可能不會(huì)發(fā)生氧化作用。在淤地壩形成過(guò)程中，當(dāng)侵蝕坡面形成細(xì)溝和淺溝時(shí)，極可能帶走5—30 cm處SOC含量較低的土壤，而后在侵蝕位移和沉積過(guò)程中與表層富含SOC的土壤混合，這也會(huì)導(dǎo)致壩地SOC含量較該區(qū)坡耕地耕層偏低。

壩地利用年限對(duì)SOC含量及活性有一定的影響。一方面耕作利用過(guò)程中，有機(jī)肥投入、農(nóng)作物根系分泌物和根系分解物影響上層土壤有機(jī)碳含量及組分；另一方面，在降雨淋溶作用下，其影響會(huì)延伸至深層。本研究中，壩地0—20 cm的SOC含量顯著高于其他土層。在淺層土壤中，不同年限SOC含量有一定降低趨勢(shì)，但并不顯著，表明耕作管理引起的碳輸入(有機(jī)肥投入、根系殘差等)與碳輸出(耕作引起的有機(jī)碳礦化、淋溶等)基本平衡。在深層土壤中，隨利用年限的增加，SOC含量呈增大趨勢(shì)，可能因?yàn)閴蔚爻０l(fā)生季節(jié)性淹水，土壤含水量較大而通氣性差，減緩了深層SOC的礦化；同時(shí)，上層SOC的淋溶作用一定程度上增加了深層SOC的積累。土壤活性有機(jī)碳是有機(jī)碳中最活躍的部分，其對(duì)環(huán)境因子變化最為敏感，可以指示有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)變化。受耕作活動(dòng)的影響，壩地土壤MBC、DOC和EOC主要集中在0—60 cm。由于淤地壩在耕作利用前長(zhǎng)期處于淹水狀態(tài)促進(jìn)活性有機(jī)碳均質(zhì)化分布，因此活性有機(jī)碳在60—600 cm土層分布比較均勻。

有機(jī)碳穩(wěn)定性主要是由有機(jī)碳的組分構(gòu)成及其與土壤環(huán)境的相互作用決定的。耕作利用改變壩地土壤剖面易氧化有機(jī)碳的分配比例，進(jìn)而可能在一定程度上改變壩地土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性。隨著利用年限增加，淺層土壤EOC/SOC沒(méi)有顯著變化，深層土壤EOC/SOC整體呈增加趨勢(shì)，且淺層EOC/SOC顯著高于深層，表明壩地深層土壤有機(jī)碳比淺層土壤具有更高的穩(wěn)定性?？赡苁且?yàn)閴蔚氐母鞴芾碓黾油庑院屯鈦?lái)碳源輸入，淺層土壤中活性碳組分增多，且增強(qiáng)SOC的淋溶作用使小分子易溶解的碳組分向深層土壤遷移并積累。隨著利用年限的增加，利用超過(guò)30年的壩地深層土壤EOC/SOC顯著升高(表1)，這可能與上層土壤活性有機(jī)碳淋溶作用的累積效應(yīng)有關(guān)，這與張帥等和張宏等的研究相比，壩地淺層和深層土壤EOC/SOC比林地和草地低，表明壩地淺層和深層SOC相對(duì)研究區(qū)內(nèi)的草地和林地具有更高的穩(wěn)定性。黨亞愛(ài)等研究表明，黃土高原同一土壤類(lèi)型MBC/SOC均隨土層深度增加呈下降趨勢(shì)，且達(dá)一定深度后趨于穩(wěn)定。與本研究結(jié)果相同，壩地土壤淺層微生物熵均比深層大，因?yàn)槲⑸镏饕性诒韺油寥溃已仄拭孀兓缺扔袡C(jī)碳大。

影響土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性的因素主要分為自然因素和人為因素。壩地土壤因其獨(dú)特的成土過(guò)程和所處的環(huán)境條件，剖面淺層和深層SOC穩(wěn)定性的影響因素表現(xiàn)出明顯差異。不同利用方式的土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性的影響因素也有差異，如廖丹等研究發(fā)現(xiàn)，水稻土有機(jī)碳穩(wěn)定性主要受顆粒組成、全氮、pH影響；高雨等研究表明，對(duì)于森林土壤，有機(jī)碳穩(wěn)定性主要受pH、黏粒含量、有機(jī)碳含量的影響；吳旭東研究發(fā)現(xiàn)，荒漠土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性主要受黏粒和粉粒成分影響；霍莉莉研究發(fā)現(xiàn)，沼澤濕地有機(jī)碳穩(wěn)定性主要受土壤含水量、土地利用方式和土壤溫度影響。本研究中，壩地淺層SOC穩(wěn)定性的主要影響因素是土層深度和有機(jī)碳含量。土壤表層經(jīng)常受到耕作的影響，0—20 cm處通氣性好，有豐富的植物殘?bào)w，活性有機(jī)碳較多，但是隨著土層深度的增加，土壤通氣性變差，水分增大，受耕作影響減小，活性有機(jī)碳較少，更有利于有機(jī)碳的穩(wěn)定。深層SOC穩(wěn)定性的主要影響因素與淺層有所不同，分別為土壤濕度、有機(jī)碳含量和利用年限。深層土壤受到的擾動(dòng)較小，隨著利用年限及土壤濕度的增加，土壤淋溶作用引起碳組分的向下遷移積蓄一定量的活性有機(jī)碳，土壤壓實(shí)作用導(dǎo)致通氣性差，一定程度上能夠影響微生物的活性，同時(shí)黏粒的顆粒結(jié)構(gòu)能夠吸附更多的有機(jī)碳聚集，一定程度上黏粒含量的增加增大EOC的含量。

4 結(jié) 論

(1)壩地深層土壤有機(jī)碳含量低于該區(qū)坡耕地表層土壤有機(jī)碳含量，并未呈現(xiàn)明顯的有機(jī)碳富集現(xiàn)象。隨著利用年限的增加，壩地SOC含量呈增加趨勢(shì)。

(2)不同利用年限壩地的SOC、EOC、MBC、DOC含量均呈現(xiàn)出明顯的表聚現(xiàn)象，MBC、DOC和EOC含量在土壤0—60 cm內(nèi)較高。

(3)相較于壩地淺層土壤而言，壩地深層土壤有機(jī)碳具有較高的穩(wěn)定性，長(zhǎng)期耕作會(huì)降低壩地深層土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性。

(4)壩地淺層和深層土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性變化的主導(dǎo)因素不同。淺層土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性主要受土層深度、有機(jī)碳含量和黏粒含量的影響，可分別解釋其變異的50.4%，19.6%和11.8%；深層土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性主要受有機(jī)碳含量、土壤含水量和利用年限的影響，可分別解釋其變異的38.9%，33.9%和11.8%。