黃土丘陵區坡改梯田土壤碳庫組分演變特征*

張 超,劉國彬,,薛萐,余 娜

（1.西北農林科技大學 林學院,陜西 楊陵 712100;2.中國科學院 水利部 水土保持研究所,陜西 楊陵712100;3.貴州大學,貴陽 550025）

土壤有機碳是土壤碳庫的重要組成部分,是生物圈內有機碳的主要來源,它在陸地生態系統的發育和運行等方面均起著極其重要的作用[1]。土壤活性有機碳是指土壤中移動快、穩定性差、易氧化礦化,并對植物和土壤微生物活性較高的那部分有機態碳[2],這些有機碳只占土壤有機碳的較小部分,但它們可以在土壤全碳變化之前反映土壤微小的變化,又直接參與土壤生物化學轉化過程[3],它們也是土壤微生物活動能源和土壤養分的驅動力,它是評價土壤化學、生物化學肥力保持的重要指標[4]。因此通過對土壤活性碳庫的研究,可以清楚地認識該生態過程中土壤質量的變化規律。

黃土高原丘陵區由于長期不合理的耕作方式,自然植被遭到破壞,不僅造成土地表土流失,耕地減少,生存環境惡化,還導致土地生產能力下降[5]。近年來隨著生態建設和退耕還林等生態工程的開展,該區的生態環境得到了極大的改善,土壤水分、養分等因素都得到了顯著提高。坡耕地改造梯田作為黃土高原植被恢復與重建的重要措施之一,不僅能夠有效地控制水土流失,提高土壤質量,還可以保持該地區農業生產,實現經濟與生態的協調健康發展。目前,針對該地區坡改梯田過程中土壤因子的變化雖有一定研究,但大多都集中在土壤水分[6-7]、理化性質[8]以及集流減沙[9]等方面,對于土壤碳庫的變化研究較少。因此本文以坡耕地改造后不同年限的梯田為研究對象,旨在從土壤碳庫方面去探討黃土高原丘陵區生態恢復過程中土壤碳庫的演變規律,從而為該地區土壤質量評價和優化管理提供科學理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于陜西省安塞縣紙坊溝小流域(109°13′46″-109°16′03″E,36°46′42″-36°46′28″N),海拔1 100～1 400 m,流域面積 8 127 km2,屬黃土丘陵溝壑區第2副區,暖溫帶半濕潤氣候向半干旱氣候過渡地區,年日照時間2 415.6 h,年輻射量552.7 kJ/cm2,年平均氣溫8.8℃,≥0℃積溫3 733.5℃,≥10℃積溫3 113.9℃,無霜期157～194 d。年平均降雨量505.3 mm,分布不均,7-9月份降雨量占年降雨量的61.1%,且多暴雨。該區地形破碎,溝壑縱橫,屬黃土高原丘陵溝壑地貌,植被屬于暖溫帶落葉闊葉林區向暖溫帶草原區過渡的森林草原植被。土壤類型以黃土母質上發育而成的黃綿土為主,抗沖抗蝕能力差,其中砂粒(2.0～0.05 mm)含量占19.0%,粉粒(0.05～ 0.02 mm)含量占 65.2%,黏粒(＜0.02 mm)含量占15.8%。1938-1973年,由于毀林開荒及人類活動的影響,地帶性植被已經破壞殆盡,流域生態系統嚴重退化[10]。

根據流域地貌特征、植被以及土地利用狀況,以典型性和代表性為原則,采用時空互代法在流域內選擇營造和管理方法一致,土壤與成土母質類型相同,均為黃綿土,不同年限的梯田 1 a(Te1)、8 a(Te8)、20 a(Te20)、30 a(Te30),選取坡耕地(Slope Cropland,SL)為對照樣地,其基本特征及林下植被如表1。

表1 樣地基本特征

1.2 樣品采集及分析

在試驗地各處理小區按S型選取6點,每點采集0-20 cm混合土樣,重復3次。土壤全氮、全磷、堿解氮、速效磷及速效鉀含量采用常規方法測定[11]。土壤重鉻酸鉀易氧化態碳(EOC1)采用重鉻酸鉀容量法-水合熱法。土壤高錳酸鉀易氧化態碳(EOC2)采用 333 mmol/L的高錳酸鉀溶液25 ml,振蕩1 h,離心5 min(轉速2 000次/min),取上清液用去離子水按1∶250稀釋,然后將稀釋液在565 nm比色,根據高錳酸鉀濃度的變化求出樣品的活性有機碳。水溶液性有機碳(DOC):用蒸餾水浸提,25℃恒溫震蕩 1 h后,離心 l0 min,過 0.45 μ m濾膜抽濾,其濾液直接在有機碳自動分析儀(Tekmar-Dohrmann Apollo 9 000 TOC Combustion Analyzer)上測定含碳量。熱水浸提有機碳(HWOC):用蒸餾水浸提,80℃恒溫震蕩20 h后,離心l0 min,過0.45 μ m濾膜抽濾,其濾液直接在有機碳自動分析儀上測定含碳量。土壤碳水化合物(CHO)采用Safarik和Santruckova的酚-硫酸法。K2SO4浸提有機碳(CK2SO4)采用K2SO4溶液,充分振蕩30 min過濾,迅速測定濾液中含碳量,土壤微生物量碳:采用氯仿熏蒸浸提方法測定。

1.3 數據統計分析

數據分析采用SAS 6.12統計軟件,顯著水平為 P＜0.05和P＜0.01。

2 結果與分析

2.1 不同年限梯田碳庫組分演變特征

坡耕地改造為梯田后,土壤碳庫組分變化規律不一,但總體上呈上升趨勢。有機碳含量在改造第1年顯著提高,30 a后的較坡耕地增加146%;活性有機碳碳庫組分變化較為復雜,EOC1在改造8 a時達到顯著水平,之后隨改造年限逐漸升高,30 a時較坡耕地增加213%;EOC2在改造前8 a變化較為劇烈,隨后逐漸上升,30 a時達到最大值,較坡耕地增加196%;水溶性有機碳在改造當年顯著降低,8～20 a趨于穩定,20～30 a逐漸增加,30 a時較坡耕地增加97%;熱水浸提有機碳和碳水化合物與有機碳變化規律相似,在改造當年即達到顯著水平,隨后隨年限顯著增加,30 a時達到最大值,較坡耕地分別增加246%和234%;微生物量碳在改造當年顯著降低,隨后逐漸增加,30 a時較坡耕地增幅達134%;K2SO4浸提有機碳在改造當年顯著降低,隨后呈波動式上升,30 a時較坡耕地增加240%。坡耕地改造為梯田30 a后各組分較坡耕地增幅由大到小依次為熱水浸提有機碳＞K2SO4浸提有機碳＞碳水化合物＞重鉻酸鉀易氧化碳＞高錳酸鉀易氧化碳＞總有機碳＞微生物量碳＞水溶性有機碳。

表2 不同年限梯田碳庫組分演變特征

2.2 土壤碳庫組分與養分相關性分析

相關性分析表明:土壤有機碳、EOC1、EOC2、水溶性有機碳、熱水浸提有機碳、碳水化合物以及微生物量碳相互之間呈顯著或極顯著正相關(P＜0.05,P＜0.01)。有機碳、EOC1、EOC2與土壤全氮、堿解氮、速效鉀呈極顯著正相關,與全磷、速效磷相關性較小,未達到顯著水平。水溶性有機碳、熱水浸提有機碳、碳水化合物、微生物量碳與全氮呈極顯著正相關,相關系數分別達0.93,0.95,0.98,0.93,與堿解氮、速效磷、速效鉀呈顯著正相關。硫酸鉀浸提有機碳除與全磷和速效鉀呈顯著正相關之外,與其他養分因子相關性較弱,未達到顯著水平。

可以看出,土壤碳庫組分可以間接反映或預測某些營養物質的轉化情況以及土壤肥力的一般狀況 ,而有機碳 、EOC1、EOC2、水溶性有機碳、熱水浸提有機碳、碳水化合物、微生物量碳與土壤主要肥力因子有一定的相關性,可以作為坡耕地改造梯田中評價土壤肥力的指標。

表3 不同年限梯田碳庫組分與養分因子相關性分析

2.3 土壤碳庫組分與坡耕地改造梯田年限的耦合關系

對不同土壤碳庫組分跟改造年限進行耦合分析,結果表明:坡耕地改造梯田后,土壤有機碳與活性有機碳各組分隨坡耕地改造年限呈線性顯著增長,其中有機碳 、EOC1、EOC2、水溶性有機碳 、熱水浸提有機碳、碳水化合物以及微生物量碳相關系數分別為0.987,0.991,0.946,0.937,0.973,0.931,0.974,具有較好的統計學意義。回歸方程顯示,各土壤碳庫組分年增長量分別為0.117 g/kg、0.101 g/kg、0.070 g/kg 、0.310 mg/kg、5.480 mg/kg、2.551 mg/kg和4.489 4 mg/kg。

3 討論與結論

土壤碳庫是土壤肥力保持的重要內容,其數量和質量影響土壤潛在生產力,其規律性則是能量與水分循環同外界各自然因素之間相互作用和運動的具體表現。土壤活性有機碳指在土壤中不穩定,活性較高,對土壤養分、植物生長以及微生物活動的那部分有機碳,主要包括土壤中水溶性有機碳、鹽溶液有機碳、微生物量碳、熱水浸提有機碳、以及其它一些在土壤中易于氧化分解的游離有機碳部分,其動態變化不但直接影響土壤養分狀況和土壤中碳的轉化和循環,而且反映了地表植物群落的空間分布和時間上的演替[12]。有研究表明土地利用變化后,一方面使土壤有機質數量發生變化而影響土壤有機碳和活性有機碳含量,另一方面也使土壤有機質的穩定性和質量發生變化而使土壤活性有機碳與非活性有機碳發生轉變[13]。Blair[14]、Nelson[15]等的研究也發現林地變成農田后,雖然土壤活性有機碳含量下降,但由于土壤有機質穩定性和質量下降,使一部分非活性有機碳變成活性有機碳;龔偉[16]等研究表明隨著時間的推移,土壤有機碳、水溶性有機碳、微生物量碳變化規律相似,總體上呈現上升趨勢。本研究認為,坡耕地改造成梯田后,山坡地農業生產的基礎條件得到改善,改變了原有的坡長坡度,使降雨對土壤結構的破壞作用減弱,土壤的通透性增強,使其更多的降水就地入滲,蓄存于土壤中,使土不下坡,水不下溝,改變了土壤水肥氣熱狀況,加之農業經營活動的集約化和合理化,連年的耕作及有機和無機肥料的投入,使得土壤有機碳含量、活性有機碳組分含量增加,土壤質量不斷提高。

表4 土壤碳庫組分與坡耕地改造梯田年限的耦合關系

土壤活性有機碳的氧化穩定性和抗生物降解能力是反映土壤碳庫的重要指標,對評價土壤有機質和土壤肥力狀況有重要意義。土壤活性有機碳組分占總有機碳含量的比例總體上不高,但對維持土壤肥力及土壤碳貯量變化方面具有重要的作用。姜培坤[17]、龔偉[16]等研究表明不同林分下的土壤水溶性有機碳、微生物量碳以及易氧化碳含量與土壤全氮、水解氮、有效磷和速效鉀含量之間呈極顯著正相關。本研究也發現土壤活性有機碳組分中,EOC1、EOC2、溶性有機碳、熱水浸提有機碳以及微生物量碳與土壤主要肥力因子相關性顯著,這證實了土壤活性有機碳對土壤肥力狀況具有一定的指示作用,同時也說明了坡耕地改造梯田后土壤總有機碳和活性有機碳組分含量增加,是引起土壤肥力改善的重要原因。

綜上所述,黃土丘陵區坡耕地改造梯田后,土壤碳庫組分含量變化顯著,并隨改造年限呈線性增加,30 a后,土壤有機碳(TOC)、重鉻酸鉀易氧化態碳(EOC1)、高錳酸鉀易氧化態碳(EOC2)、水溶液性有機碳(DOC)、熱水浸提有機碳(HWOC)、K2SO4浸提有機碳(CK2SO4)、碳水化合物以及微生物量碳(MBC)碳較坡耕增幅分別達146%、213%、196%、97%、246%、240%、234%和134%。相關性分析表明:有機碳、EOC1、EOC2、水溶性有機碳、熱水浸提有機碳、微生物量碳與土壤養分相關性顯著,可以作為坡耕地改造梯田中評價土壤肥力的指標。從以上結果可以看出,侵蝕環境下的坡耕地由于受到人為活動的干擾,土壤碳庫含量較低,而實施坡耕地改造成梯田可以提高土壤碳庫組分含量,改善土壤肥力狀況。

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