碳庫管理指數對退耕還林土壤有機碳庫變化的指示作用

佟小剛,韓新輝,楊改河,馮永忠,任廣鑫,梁愛華,康 迪

(1.西北農林科技大學資源與環境學院, 農業部西北植物營養與農業環境重點實驗室, 陜西 楊凌 712100；2.西北農林科技大學農學院, 陜西 楊凌 712100)

土壤有機碳占到陸地生態系統碳庫的80%[1],不僅是土壤結構和肥力的核心物質,也被認為是緩解全球溫室效應的潛在重要碳匯[2].因此,不同土地利用方式下土壤有機碳庫的演變和轉化特征亦成當前全球變化研究的熱點[1,3].土壤有機碳是由化學性質和周轉速 率不同的組分組成的異質性的復合物,其總體累積只是一個礦化和平衡的結果[4],在如耕作[5]、造林[6]、撂荒[7]等方式影響下發生顯著變化都要至少 10a年以上.為了快速有效判斷土壤有機碳庫的變化,一些有機碳的活性組分,如輕組有機碳[8]、氧化活性有機碳[9]、微生物碳[10-11]等都被認為是比土壤總有機碳對不同土地利用方式響應更敏感的碳庫指標.但這些活性碳組分周轉快,主要是提高土壤有機碳活躍性,促進土壤養分的供應和循環,而不能揭示土壤有機碳庫的固存特征,即土壤有機碳庫的變化還需考慮惰性碳組分的長期累積.另外,有學者提出以土壤活性有機碳占總有機碳比值指示土壤碳庫質量的變化[1],但韓新輝等[12]和薛萐等[13]研究顯示該比值在黃土丘陵區長期退耕還林土壤上變化并不明顯. Sá等[14]提出以有機碳層化比作為耕作土壤有機碳固定的指示物,這主要基于農田表層土壤有機碳的富集與亞表層土壤有機碳累積較少形成明顯比例,對于林地根系深,亞表層土壤也有明顯碳累積下,運用層化比作為碳庫變化指示可能不適宜.目前,以 Blair 等[15]提出的以聯合土壤有機碳庫及其組分計算的碳庫管理指數在國內外不同土地利用方式下碳庫變化的研究中應用最廣泛[9,13,16].但這些研究多將碳庫管理指數作為土地利用方式影響有機碳庫變化的指標之一,而未深入探究其與土壤有機碳庫變化的關系.因此,本研究以不同年限退耕還林土壤為研究對象,通過不同時間序列和土層中碳庫管理指數與土壤有機碳庫及其組分變化的對比分析研究,進一步明確碳庫管指數對退耕還林土壤有機碳庫動態變化的綜合指示作用,為退耕還林生態效應評價及選擇生態固碳管理技術提供依據.

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流域(E109°13′46″～109°16′03″,N36°46′42″～36°46′28″),該區地形破碎,溝壑縱橫,屬黃土高原丘陵溝壑地貌,暖溫帶半干旱季風氣候,海拔 1 010～1 400 m,年均氣溫 8.8℃,年均降水量 505.3 mm.土壤類型以黃土母質上發育而成的黃綿土為主,有機質含量低、抗侵蝕能力差,植被類型處于暖溫帶落葉闊葉林向干草原過渡的森林草原帶.該流域生態系統自 20世紀 60～70年代開始由破壞期轉向逐漸穩定和恢復期,至20世紀90年代初進入良性生態初步形成期,這主要在于多年的水土保持綜合治理和開展林草植被和工程等建設措施,有效遏制了該流域的土壤侵蝕,成功地恢復了退化生態系統[17].目前,該區域林地面積從 1980年的不足 5%增加到 40%以上,流域生態經濟系統進入良性循環階段[13].因此,該區域也擁有長期不同灌木林、喬木林及經濟林等退耕還林類型林地,為本研究提供了良好的自然研究基礎.

1.2 樣地選取及采樣

基于時空互代法,2010年9月于研究區選擇退耕還林年限為 10,20,40a的檸條(Caragana korshinskii);沙棘(Hippophae rhamnoides);刺槐(R. pesudoacacia)共3種退耕還林地樣地,并以長期坡耕地(Slope Farmland：SF)為對照.樣地土壤類型均為黃綿土,黏粒含量為 7%～9%,各樣地其他基本特征見表 1.每種還林地都選擇 3個立地條件基本一致的重復樣地進行采樣.在每個樣地內,設置 20×20m標準采樣區.采樣時先除去地面凋落物,按照“S”型選 12 點,鉆取 0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100cm 共 5 層林下及草本植物覆蓋下土樣,以客觀代表退耕還林地土壤,每層取樣點土樣混合后作為該層待測土樣.土壤樣品自然風干后研磨過0.25mm篩備用.

1.3 指標測定

土壤總有機碳(TOC)采用重鉻酸鉀加熱法測定[18];土壤活性有機碳(LOC)的測定采用KMnO4氧化法[15],即稱取含有15mg總有機碳的土樣于50mL離心管中,加入333mmol/L KMnO425mL,振蕩 1h,離心 5min(轉速 2000r/min),取上清液用去離子水按 1﹕250稀釋,然后將稀釋液在565nm 比色.根據 KMnO4濃度的變化求出樣品的活性有機碳含量(氧化過程中 1mmol/L KMnO4消耗9mgC),非活性有機碳為總有機碳與活性有機碳之差.

表1 樣地基本特征Table 1 Description of the sampling plots

1.4 數據計算與分析

土壤碳庫活度、碳庫活度指數、碳庫指數及碳庫管理指數是土壤活性有機碳和總有機碳變化的綜合體現,因此能夠較全面和動態的指示不同土地利用措施對土壤有機碳庫數量和質量的影響[16,19].不同退耕還林模式土壤碳庫管理指數以坡耕地土壤為參考.計算公式如下[15,19]：

碳庫指數(CPI)=樣品全碳含量(g/kg)/參考土壤全碳含量(g/kg) (1)

碳庫活度(A)=活性碳含量/非活性碳含量 (2)

碳庫活度指數(AI)=樣品碳庫活度/參考土壤碳庫活度 (3)

碳庫管理指數(CMI)=碳庫指數×碳庫活度指數×100=CPI×AI×100 (4)

實驗結果的統計與分析采用 Excel和SPSS16.0軟件進行.不同退耕還林地及土層中有機碳含量、碳庫指標等差異顯著性采用鄧肯法進行檢驗分析(P＜0.05).碳庫指標隨退耕年限變化及其與土壤有機碳庫的含量關系采用回歸相關分析.

2 結果與討論

2.1 退耕還林過程土壤碳庫的變化

表2 不同退耕還林地土壤總有機碳含量 (g/kg)Table 2 Content of soil TOC in different forest lands converted from slope land (g/kg)

多數研究表明農地轉為林地后,由于植被恢復下植物碳的持續投入使得土壤有機碳庫能夠明顯提升[2,6,20].本研究顯示各還林地TOC隨退耕年限延長均呈顯著增加趨勢(表2).但相比坡耕地,檸條、沙棘、刺槐林僅0～10cm和10～20cm表層土TOC在退耕10～40a持續顯著增加,增幅平均分別在0.4～1.7倍、1.2～2.8倍、0.9～5.1倍,并且增幅顯著高于其他深層土.說明退耕還林下表層土對有機碳庫的提升更積極,這與表層土有豐富的植被凋落物輸入密切相關[20-21].隨土層加深TOC增加減緩,20～40cm土層檸條林地TOC到退耕40a時才比坡耕地增加0.6倍,而沙棘和刺槐林地TOC基本在退耕10a時即開始顯著增加,退耕40a時增幅最高,分別達到 1.8倍和 3.9倍.3種林地40～100cm土層TOC在退耕10a時均未顯著變化,到退耕20a時僅刺槐林TOC有顯著增加,但到退耕40a時檸條、沙棘、刺槐林地TOC均比坡耕地顯著增加,增幅平均分別為0.6倍、1.1倍、2.6倍.可見深層土壤在長期退耕還林下也能夠提升土壤碳庫,原因在于深層土壤根系逐漸恢復生長,其殘體和代謝產物返回土壤后有機質腐殖合成高于礦化分解,使得碳庫能夠積累.王征等[22]也提出評價黃土丘陵區植被恢復的土壤碳庫變化時應充分考慮深層土壤的固碳作用.

活性有機碳是土壤有機碳庫中最活躍的部分,他直接參與土壤養分循環和結構組成,并且比土壤總有機碳對于土地利用方式和管理措施響應更敏感[15-16],因此也作為有機碳庫變化和土壤質量的一項指標[8,23].表3顯示,3種林地LOC在長期退耕還林下均有顯著增加.與坡耕地相比,檸條、沙棘、刺槐林僅0～10cm表層土LOC在退耕10～40a持續顯著增加,增幅分別在1.3～4.0倍、1.3～4.7 倍、1.4～5.3 倍.10～20cm 和 20～40cm 土層中,退耕10～20a里沙棘和刺槐林均已有顯著增加,檸條林LOC卻無明顯變化,而到退耕40a時,檸條、沙棘、刺槐林地LOC均比坡耕地顯著增加,且增幅最高平均分別為 1.2倍、2.7倍、5.5倍.40～100cm土層LOC增加減緩,退耕10a僅刺槐林使40～60cm和80～100cm土層LOC均增加0.5倍;退耕 20a時,檸條和沙棘傾向于顯著增加60～100cm深層LOC密度,刺槐則使40～100cm各土層LOC密度均有顯著增加.退耕40a時,檸條、沙棘、刺槐林地40～100cm各土層LOC均顯著增加,且增幅隨土層加深變大,分別達到 1.5～3.5倍、1.4～2.0 倍及 3.7～9.5 倍.薛萐等[13]和邱莉萍等[16]對黃土區林地碳變化研究也得出土壤活性有機碳在造林中迅速增加.這可能是因為植被恢復過程中,植物作為碳素的源以凋落物、根系殘體及其分泌物的形式把養分歸還于土壤,而土壤作為庫貯存碳素,隨著植被恢復生物量增加,對作為生物生長所需速效基質的活性碳需求逐漸增大,引起活性有機碳迅速提高[8,16].

表3 不同退耕還林地土壤活性有機碳含量 (g/kg)Table 3 Content of soil LOC in different forest lands converted from slope land (g/kg)

2.2 退耕還林過程土壤碳庫指標的變化

碳庫管理指數能夠從土壤碳組分的質和量上全面和動態地反映不同土地利用方式和管理措施對土壤碳庫影響,因此相關研究提出將其作為碳庫變化和更新程度的指示物[15-16,19].圖 1顯示,與土壤總有機碳和活性有機碳變化趨勢一致,不同還林地各土層 CMI均隨退耕年限延長呈增長的趨勢,并且隨土層加深 CMI增長減緩.在 0～10cm 和 10～20cm 表層土,3種還林地CMI均呈直線顯著增加,說明表層土壤碳庫變化和更新最快,薛萐等[13]在人工刺槐林表層土CMI隨退耕時間序列上變化的研究也得出同樣結果.20cm以下土層CMI基本以指數函數的形式發生變化,即在退耕還林 10～20a間土壤 CMI增加比較緩慢,而到退耕20～40a間土壤CMI迅速增加.這是因為退耕初期,林地植被生長也處于初期階段,只有表層土壤能夠通過凋落物返還的有機殘體使得土壤快速開始累積碳,同時植物生長也需要活性有機質迅速礦化釋放養分,因此碳庫活性組分也同步顯著快速增加,使得土壤有機碳庫數量和質量都顯著變化,從而引起土壤 CMI顯著增加.對于深層土壤其碳源主要來自植物根系殘體和分泌物[20,24],只有退耕一定年限后林地植被生長加快,根系恢復才有足夠的有機殘體供土壤碳的轉化,才能起到累積碳的效應,因此也使得深層土 CMI基本到退耕 20a后才開始快速增加.可見 CMI 對土壤碳庫及其組分變化上的直觀指示作用.

土壤中活性有機碳占總有機碳比例(LOC/TOC)及其占非活性有機碳的比例(碳庫活度A)可在一定程度上可以反映土壤有機碳的質量和穩定程度,該比例越高表示有機碳越易被微生物分解礦化、周轉期較短或活性高;比例小則表示土壤有機碳較穩定,不易被生物所利用[1,8].圖2與圖3顯示,隨著退耕年限延長3種還林地的LOC/TOC和A值在0～10cm和10～20cm表層土中均為無規律的波動變化,到退耕 40a時在0～10cm土層僅檸條林LOC/TOC和A值比退耕初始分別顯著升高0.4倍和0.7倍,而10～20cm中僅沙棘林LOC/TOC和A值比退耕初始時分別顯著升高0.4倍和0.7倍.薛萐等[13]研究結果亦顯示這兩個比例在人工刺槐林表層土 40a退耕過程中并無顯著變化.在 20～100cm 的較深土壤中,除過40～60cm土層3種林地LOC/TOC和A值基本均在退耕20a后開始迅速增加,到退耕40a時檸條、沙棘、刺槐林LOC/TOC分別平均比退耕初始增加0.8倍、0.3倍、0.7倍,A值平均分別提高1.2倍、0.4倍、1.0倍.可見退耕還林顯著提升了土壤碳庫的活性和轉化過程,但圖2與圖3亦顯示同一林地在相同退耕年限下隨土層加深,兩種比例的高低變化無一致規律,到退耕 40a時檸條、沙棘、刺槐林LOC/TOC從表層土到100cm深土壤分別維持在 0.27～0.47、0.21～0.44、0.27～0.34,A 值則分別維持在 0.38～0.87、0.26～0.79、0.40～0.54.說明土壤有機碳庫必須在一定范圍內保持一定的活躍度.原因可能在于歸還土壤的有機質需要活化為植物生長提供養分,同時也將一部分有機質轉化為惰性碳庫固存下來,這樣使得這兩個比例維持在一定范圍[13].當是植物碳返回充足的表層土壤時,有機質向活性碳和總碳庫、非活性的有機碳轉化同步增加,因而 LOC/TOC和 A值波動變化.深層土壤由于本身碳量少,且返回的植物碳需要林地長期恢復生長后才可能充足,因此可能優先增加活性碳促進植物生長[15],從而使深層土LOC/TOC和A值還在提高的范圍內.

2.3 碳庫指標對土壤有機碳庫變化的敏感性

圖4顯示退耕40a時整體100cm深土壤中TOC和LOC含量與CMI均呈極顯著線性正相關性,但與LOC/TOC及A值無線性相關性.同時,表4顯示3種林地LOC和TOC含量均比坡耕地顯著增加,并且增幅均表現為：刺槐＞沙棘＞檸條,這是不同林地植被覆蓋不同,歸還土壤有機殘體量、組成及在土壤中的分解速度不同,活性有機質與非活性有機質的轉化速度亦不同造成[13,16,25].但與3種林地LOC和TOC變化差異相同的僅有CMI,即CMI相比坡耕地增幅亦表現為刺槐(6.3倍)＞沙棘(2.8倍)＞檸條(2.0倍).而LOC/TOC、A值、碳庫活度指數AI值變化在3種林地間表現為檸條＞沙棘,刺槐.這些分析進一步說明CMI對土壤碳庫及其組分的變化敏感于其他碳庫指標.

圖1 不同退耕還林土壤各土層碳庫管理指數隨退耕時間的變化Fig.1 Temporal evolution of CMI with time of returning farmland in each soil layer of different forest lands converted from slope land

圖2 不同退耕還林土壤各土層活性有機碳占總有機碳比值隨退耕時間的變化Fig.2 Temporal evolution of ratio for LOC to TOC with time of returning farmland in each soil layer of different forest lands converted from slope land

圖3 不同退耕還林土壤各土層碳庫活度隨退耕時間的變化Fig.3 Temporal evolution of A with time of returning farmland in each soil layer of different forest lands converted from slope land

表4 退耕40a時不同退耕還林地100cm深土壤有機碳庫指標對比Table 4 Comparison of soil carbon pool indicators in 100 cm depth soil among different forest lands converted from slope land

圖4 退耕還林100cm深土層有機碳庫與碳庫管理指數、碳庫活度及活性有機碳占總有機碳比值回歸分析Fig.4 Regression analysis of between soil organic carbon pools with CMI, A and ratio of LOC to TOC in 100cm depth soil

3 結論

3.1 長期退耕還林顯著提升了100cm土壤總有機碳及其活性組分含量,且增幅為刺槐＞沙棘＞檸條林地.不同土層以 0～40cm 淺層土壤碳庫對退耕還林較敏感,其基本在退耕 10a時即開始顯著增加;而 40～100cm 深層土壤碳庫到退耕還林20～40a間才有顯著增加.可見黃土丘陵區退耕還林土壤碳庫變化還需考慮深層土壤的固碳作用.

3.2 長期退耕還林下3種林地100cm土壤活性有機碳占總有機碳及非活性有機碳的比例顯著提高,加快了土壤碳庫活化與養分供應.但該比例在表層土高碳量時并無持續增加,而在深層土壤低碳量下增加明顯,表明土壤碳庫活化度維持在一定范圍內,且不隨碳庫持續增加而不斷提高,因此該比例只對土壤碳庫性質的變化起指示作用.

3.3 長期不同退耕還林地僅碳庫管理指數與土壤總有機碳及其活性組分變化的趨勢和差異保持一致,并與有機碳庫含量變化呈現極顯著的線性正相關關系.說明碳庫管理指數相對于活性有機碳占總有機碳比例、碳庫活度、碳庫活度指數對土壤有機碳庫變化更敏感,可以良好指示退耕還林土壤有機碳庫的變化.

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