黃泛沙地林農(nóng)間作土壤的物理性質(zhì)改良及碳固持特征

劉 超, 潘嘉琛, 董 智, 李耀斌, 張 琪, 吳其聰

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院/泰山森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站, 山東 泰安 271018; 2.山東省國有東明林場, 山東 東明 274509)

林農(nóng)間作或農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)因具有增加栽培品種的多樣性，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，增加勞動(dòng)機(jī)會(huì)等優(yōu)點(diǎn)，與單一農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相比，能夠顯著提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率與土地利用率、增加農(nóng)民收入[1-4]，滿足區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)需要，同時(shí)具有提高生物多樣性、改良小氣候、促進(jìn)土壤養(yǎng)分循環(huán)、減少土壤侵蝕等生態(tài)功能，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的長期可持續(xù)性生產(chǎn)經(jīng)營[5-9]。近年來，農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營在中國各地區(qū)得到了普遍應(yīng)用和具體實(shí)施。通過林下經(jīng)營，開展整地、施肥、除草、澆灌等人為措施，可降低撫育成本，增加土壤團(tuán)聚體粒徑、穩(wěn)定性和孔隙度，增強(qiáng)土壤滲透性、土壤水分和養(yǎng)分，改善土壤質(zhì)量，同時(shí)對(duì)農(nóng)田的水分循環(huán)產(chǎn)生良好的影響[10]，研究普遍表明間作地各項(xiàng)土壤性狀指標(biāo)均要好于純農(nóng)業(yè)用地[6-8]。目前，關(guān)于農(nóng)林間作模式對(duì)土壤理化性質(zhì)的研究方面，諸多學(xué)者的側(cè)重點(diǎn)多集中于用材林、生態(tài)防護(hù)林、綠籬等常用樹種與農(nóng)作物間作，而有關(guān)綠化樹種與農(nóng)作物間作模式對(duì)土壤改良的研究尚不多見，尤其關(guān)于碳固持的能力。

黃泛沙地主要由黃河下游泥沙沖積而成，土壤質(zhì)地為砂壤土，營養(yǎng)成分含量較低且不易保水保肥，單一種植模式產(chǎn)量低，農(nóng)作物易受風(fēng)沙侵害。東明縣總面積約為130 600 hm2，現(xiàn)有農(nóng)田約為89 600 hm2，其中黃泛沙地占農(nóng)田面積的45%左右，構(gòu)成了農(nóng)民經(jīng)濟(jì)收入的主體。如何在黃泛沙地實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量經(jīng)營是區(qū)域生態(tài)管理的關(guān)鍵。為有效地開展防風(fēng)固沙工作，黃泛沙地曾經(jīng)主要采用楊樹為主的農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營模式，在防護(hù)農(nóng)田、提高土壤肥力等方面已取得一定效果，如：以毛白楊幼林的農(nóng)林間作改善土壤水分狀況，提高土壤肥力，進(jìn)而改善林木營養(yǎng)狀況，促進(jìn)林木生長[11]。但楊樹后期需水量大，破壞了區(qū)域水文平衡。現(xiàn)階段，隨著生態(tài)建設(shè)、園林綠化的興起，加大了對(duì)綠化苗木的需求，東明縣正探索營造以白蠟、紅楓、國槐等綠化苗木進(jìn)行林農(nóng)、林藥等多種復(fù)合經(jīng)營模式。白蠟?zāi)秃?、喜濕、耐澇，也耐干旱，?duì)土壤要求不嚴(yán)，在黃泛沙地及黃河灘地具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，且隨著園林業(yè)的發(fā)展，白蠟作為景觀樹種，經(jīng)濟(jì)價(jià)值相對(duì)較高，是當(dāng)前該區(qū)域農(nóng)林間作的首選樹種，但對(duì)于其與農(nóng)作物間作后對(duì)土壤的改良效應(yīng)尚缺乏科學(xué)地評(píng)估數(shù)據(jù)，因此，開展白蠟(林農(nóng))不同間作模式對(duì)土壤理化性質(zhì)及碳固持的影響對(duì)揭示其土壤改良與碳儲(chǔ)存效應(yīng)具有重要意義?；诖?，本文選擇山東省國有東明林場典型林農(nóng)間作模式白蠟—菊花、白蠟—花生、白蠟—大豆為研究對(duì)象，定量評(píng)估3種間作模式下0—60 cm土壤物理性質(zhì)、有機(jī)碳含量、易氧化有機(jī)碳含量及碳儲(chǔ)量的差異特征，以期揭示不同間作模式對(duì)土壤理化性狀的影響，闡明其在保肥固碳及改善土壤質(zhì)量方面的差異性，為區(qū)域林農(nóng)復(fù)合經(jīng)營模式管理，生態(tài)效益及服務(wù)功能的核算提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

研究區(qū)位于山東省國有東明林場(115°5′—115°7′E，35°9′—35°14′N)，地處淮河流域黃泛平原風(fēng)沙區(qū)。林場始建于1960年，場部坐落于東明集鎮(zhèn)，總面積446 hm2，林地面積366.7 hm2，主要以楊樹、白蠟、泡桐、國槐、紅楓等樹種為主。研究區(qū)地貌屬于黃河沖積平原，為黃河多次決口形成的決口扇形地，地勢較為平坦，以緩平坡地為主。土壤成土母質(zhì)為黃河沖積物，主要為風(fēng)沙土，土壤質(zhì)地為砂壤土。研究區(qū)屬暖溫帶季風(fēng)性半濕潤氣候，多年平均氣溫15.5 ℃，多年平均降水量為609.3 mm，多集中在6—9月，雨熱同季，無霜期215 d。春夏季盛行南風(fēng)，秋冬季盛行北風(fēng)，年均風(fēng)速3 m/s，春季最大風(fēng)速達(dá)15 m/s。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在研究區(qū)選擇立地條件基本一致的白蠟人工林林斑，樹齡3 a。3種間作模式集中分布于林場3個(gè)林斑6個(gè)小斑，其中每個(gè)小斑面積為6.6 hm2。設(shè)計(jì)了白蠟—菊花、白蠟—花生、白蠟—大豆3種林農(nóng)間作模式。以白蠟純林為對(duì)照(CK)，間作時(shí)間為1 a。在不同間作模式小斑內(nèi)分別選擇3塊調(diào)查樣地，每塊樣地1 hm2。各樣地白蠟株行距為4 m×5 m，平均樹高為3.75±0.26 m，平均胸徑為5.42±0.14 cm，平均冠幅為2.2 m×2.3 m。白蠟行間種植菊花、花生、大豆，其中，菊花與大豆為行植，菊花株行距為30 cm×30 cm，大豆株行距為40 cm×15 cm；花生為雙行壟作，壟上株行距為40 cm×15 cm，壟距為60 cm。采收時(shí)，菊花僅采集花朵，對(duì)土壤擾動(dòng)??；為避免大豆與花生采收對(duì)土壤的擾動(dòng)，提前告知農(nóng)民，在每塊試驗(yàn)地采收時(shí)，隨機(jī)在地塊內(nèi)留1～2 m暫時(shí)不采收的地段10處，取樣時(shí)在行間、壟、壟間土壤均未擾動(dòng)的地段取樣。為消除各樣地因施肥不同而造成的對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響，種植期間均采用統(tǒng)一的經(jīng)營管理方式。

1.3 土壤樣品的采集與測定

2020年10月，在菊花采收，花生、大豆等農(nóng)作物收獲后，采用35 mm土鉆按照S型取樣法，取0—20(耕層)，20—40，40—60 cm層土樣，每個(gè)樣地取3種重復(fù)，并用環(huán)刀、鋁盒取樣，進(jìn)行土壤物理性質(zhì)測定，其中土壤孔隙度測定采用環(huán)刀浸水法，容重、土壤含水量采用烘干法[12]；土樣經(jīng)風(fēng)干后研磨過篩，采用外加熱重鉻酸鉀氧化—容量法測定土壤的有機(jī)碳含量，并計(jì)算土壤碳儲(chǔ)量[13]；采用高錳酸鉀氧化比色法測定土壤易氧化有機(jī)碳(ROOC)含量[14]，計(jì)算0—20 cm層土壤碳庫活度(L)。

土壤碳儲(chǔ)量的計(jì)算公式為：

(1)

式中：SOCi為土壤層碳儲(chǔ)量(t/hm2);γi為第i層土壤容重(g/cm3);Di為第i層土層厚度(cm);Ci為第i層土壤有機(jī)碳含量(g/kg)。

碳庫活度(L)=土壤易氧化碳含量/土壤非活性有機(jī)碳含量

(2)

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用IBM SPSS Statistics 26軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、方差分析和多重比較；采用Origin 2021 b進(jìn)行圖像繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同間作模式土壤物理性質(zhì)差異

不同間作模式的土壤物理改良差異見表1。差異主要集中于0—20 cm。0—20 cm土層白蠟—大豆間作模式能夠顯著降低土壤容重(白蠟純林>白蠟—花生間作>白蠟—菊花間作>白蠟—大豆間作，p<0.05)，增強(qiáng)土壤毛管孔隙度，但土壤總孔隙度無顯著差異(p>0.05)，白蠟—大豆間作和白蠟—菊花間作模式在土壤透水、透氣性的改良效果明顯優(yōu)于白蠟—花生間作模式，促進(jìn)土壤入滲。在20—60 cm土層，不同林農(nóng)間作模式與白蠟純林相比，土壤容重、總孔隙度、非毛管孔隙度雖然大小不同，但總體無顯著性差異(p>0.05)。在20—40 cm土層毛管孔隙度白蠟—菊花間作與白蠟—花生兩種間作模式間存在顯著差異(p<0.05)，在40—60 cm土層各指標(biāo)均無顯著差異，表明耕作層以下的40—60 cm土壤，間作作物對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響并不明顯?？傮w上，白蠟—大豆間作模式的物理性狀優(yōu)于白蠟—菊花和白蠟—花生兩種間作模式。

表1 不同間作模式的土壤物理性質(zhì)

2.2 不同間作模式土壤碳儲(chǔ)量特征

不同林農(nóng)間作模式下0—60 cm土壤總碳儲(chǔ)量具有差異性，其中白蠟—大豆間作模式碳儲(chǔ)量最高，達(dá)46.66 t/hm2，顯著高于其余兩種間作模式，白蠟—花生和白蠟—菊花間作兩種間作模式碳儲(chǔ)量均低于白蠟純林，但其差異較小，基本維持在27.6～31.3 t/hm2。由圖1可知，各間作模式在不同土層碳儲(chǔ)量含量具有明顯的差異性和層級(jí)性，在0—40 cm土壤各層碳儲(chǔ)量存在顯著差異(p<0.05)，其中0—20 cm土壤白蠟—花生間作(21.56 t/hm2)>白蠟—大豆間作(17.95 t/hm2)>白蠟—菊花間作(15.29 t/hm2)>白蠟純林(15.23 t/hm2)，20—40 cm土壤碳儲(chǔ)量大小為白蠟—大豆間作(15.53 t/hm2)>白蠟—菊花間作(8.81 t/hm2)>白蠟純林(8.57 t/hm2)>白蠟—花生間作(6.57 t/hm2)。隨著土層深度的增加，白蠟—花生間作模式土壤碳儲(chǔ)量降低最大，達(dá)到14.99 t/hm2，僅為表層碳儲(chǔ)量的30.47%，白蠟—菊花和白蠟—大豆間作模式土壤碳儲(chǔ)量降低較小，集中于2.4～6.5 t/hm2范圍。白蠟—大豆間作模式土壤碳儲(chǔ)量降低最少，在20—40 cm層固碳能力略強(qiáng)于白蠟—菊花和白蠟—花生兩種間作模式。在40—60 cm層，白蠟—大豆間作模式對(duì)土壤碳儲(chǔ)量影響效益持續(xù)增大，顯著高于白蠟—菊花和白蠟—花生兩種間作模式(p<0.05)，土壤碳儲(chǔ)量大小表現(xiàn)為：白蠟—大豆間作(13.18 t/hm2)>白蠟純林(8.32 t/hm2)>白蠟—菊花間作(3.52 t/hm2)>白蠟—花生間作(3.18 t/hm2)。白蠟—花生間作模式與白蠟純林相比0—20 cm表層土壤碳儲(chǔ)量雖然增加6.33 t/hm2，但深層土壤碳儲(chǔ)量明顯降低(5.14 t/hm2)，白蠟—大豆間作模式土壤碳儲(chǔ)量在20—60 cm明顯高于其余兩種間作模式，造成總量上白蠟—大豆間作模式高于白蠟—菊花和白蠟—花生間作。

注：每層不同小寫字母表示相同土層不同間作模式條件下差異顯著(p<0.05)，下同。

2.3 不同間作模式土壤有機(jī)碳含量

土壤有機(jī)碳表征土壤質(zhì)地與土壤肥力，不同間作模式土壤有機(jī)碳含量隨土層深度增加其變化趨勢相同，均隨土層深度增加而降低，而其中白蠟—大豆間作模式降低較少，其余兩種間作模式降低較多。由圖2可知，在0—20 cm土層，3種間作模式與白蠟純林之間均無明顯差異。其中白蠟—花生間作模式土壤有機(jī)碳含量最高，其次為白蠟—大豆間作和白蠟—花生間作。白蠟—大豆間作模式較白蠟—菊花間作模式高33.3%和26.7%。種植豆科的花生與大豆均可有效地提高表層土壤有機(jī)碳。在20—60 cm層土壤有機(jī)碳含量均為白蠟—大豆間作>白蠟純林>白蠟—菊花間作>白蠟—花生間作。白蠟—大豆間作模式均顯著提升土壤有機(jī)碳含量，尤其在40—60 cm土層。隨著土層深度的增加，土壤有機(jī)碳含量均降低，但白蠟—大豆間作模式降低最少，僅降低了37.90%，白蠟—菊花間作模式土壤有機(jī)碳含量隨土層深度的增加下降最為明顯，降低率高達(dá)85.38%。在20—40 cm土層，白蠟—大豆間作模式較白蠟—菊花間作，白蠟—花生間作模式分別提高25.6%，38.2%；在40—60 cm層土壤白蠟—大豆間作模式比白蠟—菊花間作模式的土壤有機(jī)碳含量高55.2%，比白蠟—花生間作模式的土壤有機(jī)碳含量高60%，且白蠟—花生和白蠟—菊花兩種間作模式的土壤有機(jī)碳含量均低于白蠟純林。這說明在20—60 cm土層，白蠟—大豆間作模式能更好地提高土壤有機(jī)碳含量。

圖2 黃泛沙地白蠟林不同間作模式各土層土壤有機(jī)碳與易氧化有機(jī)碳含量特征

土壤表層土壤碳庫活度如下：白蠟—菊花間作模式0.264，白蠟—花生間作模式0.204，白蠟—大豆間作模式0.223。3種模式間土壤表層碳活度相差不大，且均無顯著差異。在0—60 cm層土壤易氧化有機(jī)碳含量表現(xiàn)為白蠟—大豆間作(4.31 g/kg)高于白蠟—菊花間作(4.09 g/kg)和白蠟—花生間作(4.02 g/kg)，且均高于白蠟純林(4.01 g/kg)。不同間作模式下土壤易氧化有機(jī)碳含量均隨土層的加深呈現(xiàn)下降的趨勢，下降趨勢與土壤有機(jī)碳量隨土層深度的下降趨勢一致，且白蠟—大豆間作模式的土壤易氧化有機(jī)碳含量高于白蠟—花生和白蠟—菊花間作模式的含量，表明土壤易氧化有機(jī)碳作為土壤有機(jī)碳的重要組成部分，其含量垂直變化隨土壤有機(jī)碳含量垂直變而變化，且變化趨勢相同，但變化程度較小，范圍集中在0.04～0.06 g/kg。在0—60 cm土層，白蠟—大豆間作模式土壤易氧化有機(jī)碳均最高，且在0—40 cm層均與白蠟—菊花間作、白蠟—花生間作、白蠟純林模式的土壤易氧化有機(jī)碳含量存在顯著差異，40—60 cm土層無顯著差異。白蠟—大豆間作模式較白蠟—菊花和白蠟—花生間作模式能夠顯著提升土壤易氧化有機(jī)碳含量，但對(duì)深層土壤易氧化有機(jī)碳的含量影響較小。

3 討 論

3.1 不同白蠟間作模式對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響機(jī)制

土壤容重、土壤孔隙是土壤重要的基本物理性質(zhì)，對(duì)土壤的透氣性、入滲性、持水性、溶質(zhì)遷移以及土壤抗蝕能力等特性有著重要影響[15-17]。與白蠟純林相比，間作林地對(duì)林下土壤利用充分，通過耕作可達(dá)到以耕代撫的作用，因而可較好地改良土壤物理特性。通過白蠟林農(nóng)間作，本研究得出3種間作模式0—20 cm土層土壤容重較純林降低了0.6%～13.2%，以白蠟—大豆間作降低幅度最大；3種間作模式的土壤總孔隙度較純林有所增大，白蠟林農(nóng)間作模式適合黃泛沙地土壤改良，增強(qiáng)抗風(fēng)蝕性，提高保水性。本研究進(jìn)一步定量分析表明，在土壤表層(0—20 cm)，白蠟大豆間作模式較其他兩種間作模式能顯著降低土壤容重，降低幅度為6.0%～12.6%，改良土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤透水、透氣性能，而在深層土壤(20—60 cm)層，白蠟大豆間作模式的土壤容重比其他兩種復(fù)合模式的土壤容重要大，這主要是由于植物根系和枝葉枯落物影響[18]。黃泛沙地采取間作措施后，白蠟和間作作物根系及白蠟枯落物對(duì)表層土壤具有直接作用，通過根系擠壓土壤，造成表層土壤疏松，降低了土壤容重，深層土壤受到上層土壤的擠壓，土壤變得緊實(shí)，土壤容重增大；而林下間作大豆，其根系較其他作物豐富，具有更好地改善土壤物理性狀的作用。董智等[19]在研究黃泛平原風(fēng)沙化土地上種植豆科和禾本科牧草的土壤改良效果時(shí)指出，在黃泛平原風(fēng)沙化土地種植牧草能夠明顯改善土壤物理性狀，提高土壤肥力，而由于豆科植物根系中根瘤菌具有固氮作用，豆科牧草對(duì)土壤的改良效果優(yōu)于禾本科牧草。但本研究表明，花生、大豆雖同屬豆科植物，但在短期種植時(shí)間內(nèi)，大豆對(duì)土壤的改良表現(xiàn)出更好的效果。

3.2 不同白蠟間作模式對(duì)土壤碳固持的影響機(jī)制

農(nóng)業(yè)是碳固持的重要手段，通過農(nóng)作物種植及收獲，可顯著增加土壤碳含量，尤其提高了土壤生物所需要的營養(yǎng)性有機(jī)碳，對(duì)全球碳循環(huán)至關(guān)重要[20]。林農(nóng)間作模式下，林木凋落物固持的碳一部分被植物根系吸收后重新利用，一部分會(huì)固定在土壤團(tuán)聚體中，增加土壤肥力[20]。通過白蠟林農(nóng)間作，本研究得出菊花、花生、大豆3種農(nóng)作物短期農(nóng)林間作僅白蠟—大豆間作顯著提升土壤碳庫含量。這可能是因?yàn)椋c花生和菊花相比，大豆的根系呈鐘罩狀，根系較深，橫向擴(kuò)展可達(dá)35—45 cm，根系殘留較多，根系的殘留是其土壤有機(jī)碳的一個(gè)重要來源。為了探究間作模式差異的原因，進(jìn)一步分析土壤易氧化有機(jī)碳，其在反映土壤質(zhì)量和肥力變化時(shí)比總有機(jī)碳更靈敏，能夠比較早地揭示土壤肥力變化情況，被視為土壤管理措施變化引起土壤有機(jī)質(zhì)變化和土壤潛在生產(chǎn)力的早期指標(biāo)[21-23]。本研究中，3種不同農(nóng)林復(fù)合模式有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳含量整體呈隨著土層深度下降趨勢，白蠟大豆間作模式相對(duì)下降較少，更有益于提高土壤有機(jī)碳含量，這是因?yàn)橄啾扔诰栈ǎㄉ痛蠖咕哂幸欢ǖ墓痰芰?，氮含量的增加可以促進(jìn)土壤中腐殖質(zhì)加快轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳，從而增加土壤有機(jī)碳的含量。而經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，白蠟大豆間作模式比白蠟花生間作模式土壤中含有更多作物根系及枯落物，表明白蠟大豆表層土壤的碳儲(chǔ)存能力較強(qiáng)，加大了土壤穩(wěn)定作用，隨即改善了土壤的物理及生物性質(zhì)，使得土壤肥力明顯提升[21]。但仍需注意的是本研究區(qū)土壤固碳能力較弱，有機(jī)碳含量、土壤碳儲(chǔ)量均隨土層深度的增加而降低，這主要與黃泛沙地土壤特性有關(guān)，黃泛沙地土壤貧瘠，尤其深層土壤碳含量較低，土壤供給性較差[24]。

4 結(jié) 論

黃泛沙地土壤固碳能力較弱，碳儲(chǔ)量較低，土壤肥力相對(duì)較弱，通過短期3種白蠟林農(nóng)間作模式可顯著改良0—20 cm土層土壤結(jié)構(gòu)，提升土壤碳固持能力。其中白蠟大豆間作模式更能明顯改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤透水、透氣性，增強(qiáng)土壤固碳能力，同時(shí)加強(qiáng)深層土壤固碳能力。因此，在提高土壤肥力，發(fā)揮土地生產(chǎn)潛能及提升黃泛沙地在涵養(yǎng)水源、保土固碳、改善土壤質(zhì)量等方面，白蠟大豆是優(yōu)先選擇的林農(nóng)間作模式。

因此，在黃泛平原地區(qū)積極引進(jìn)、推廣農(nóng)林間作模式，注重經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，應(yīng)關(guān)注純林、短期農(nóng)林間作、長期農(nóng)林間作對(duì)土壤質(zhì)量及生態(tài)效益的影響，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、研究、推廣、生產(chǎn)一體化，為可持續(xù)發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)可行的科學(xué)依據(jù)。