景電灌區次生鹽堿地枸杞林土壤有機碳庫變化的情景模擬

孫 濤，賈志清，馬全林，李銀科，張瑩花，王耀林,3

(1.中國林業科學研究院 荒漠化研究所，北京 100091；2.甘肅省治沙研究所/甘肅省荒漠化與風沙災害防治重點實驗室-省部共建國家重點實驗室培育基地，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅省林業廳 GEF項目辦公室，甘肅 蘭州 730070)

景電灌區次生鹽堿地枸杞林土壤有機碳庫變化的情景模擬

孫 濤1,2，賈志清1，馬全林1，李銀科1，張瑩花1，王耀林1,3

(1.中國林業科學研究院 荒漠化研究所，北京 100091；2.甘肅省治沙研究所/甘肅省荒漠化與風沙災害防治重點實驗室-省部共建國家重點實驗室培育基地，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅省林業廳 GEF項目辦公室，甘肅 蘭州 730070)

次生鹽堿地；枸杞；土壤有機碳；CENTURY模型；情景模擬

以景泰紅躍村典型次生鹽堿地枸杞林為研究對象，基于CENTURY模型模擬成熟枸杞林在實際田間管理條件和優化灌溉模式條件兩種情景下生長過程中表層0～20 cm土壤有機碳庫的變化，研究結果表明：次生鹽堿地開墾種植枸杞使得土壤總有機碳發生了顯著的變化。在當前的田間管理水平情景模擬條件下，成熟枸杞林地土壤總有機碳逐漸降低，隨著枸杞生長年限的增加，在未來20年后土壤有機碳含量將降低到土地開墾前的水平，未來將會變成一個弱的碳排放源；而在優化灌溉模式情景模擬條件中，成熟枸杞林地土壤有機碳庫呈先緩慢下降后逐漸回升的狀態，在未來20年后土壤有機碳庫趨于穩定，穩定狀態下表層0～20 cm土壤有機碳含量相比次生鹽堿地增加約7.57%。因此，改變田間管理方式、優化灌水模式對提高枸杞林土壤質量、增強碳匯能力和減緩溫室效應具有重要的現實意義。

土壤有機質模型能夠模擬土壤有機質的變化規律，已被廣泛用于模擬土壤有機質的動態變化。土壤有機質模擬已經在當前大量的有關氣候變化和全球碳循環研究中起到了重要的作用[1-2]，成為更好地理解和管理陸地碳循環的一個重要組成部分。CENTURY模型是應用比較廣泛的表征土壤有機質動態的模型，是美國科羅拉多州立大學的Parton等于20世紀80年代末建立的，起初用于模擬草地生態系統的碳、氮、磷、硫等元素的長期演變過程，以后加以改進，其應用擴展到稀樹草原、森林、農業等生態系統中。它主要基于土壤的結構功能，從碳、氮、磷的生物地球化學循環因子入手，結合溫度、降水等驅動因子，對生態系統的生產力進行模擬和預測[3-4]。國內外眾多學者先后將CENTURY模型應用于農業或林業生態系統中，并對土壤有機碳進行了模擬，其模擬值與實測值具有極高的相關性，并可用于不同的農林業生態系統的模擬研究中[5-9]。

引水灌溉對荒漠、半荒漠區域的農業發展起到了重要的推動作用，但是在不適當的灌溉排水條件下造成了灌區土壤次生鹽堿化等生態退化問題[10]。甘肅景泰川灌區多年來不合理的大水漫灌、串灌等使得景泰川這個半封閉型盆地的地下水位迅速上升，導致土地次生鹽堿化面積逐年增大，土地退化問題尤為嚴重[11]，給農業生產和人民生活造成了嚴重影響。

從20世紀90年代中期開始，當地根據實際情況采取生物措施對次生鹽堿地進行治理，引進枸杞并種植成功，現在已經在景泰川地區大面積地推廣種植開來，不光產生了經濟效益，也充分利用和改良了鹽堿地。在枸杞種植過程中土壤性質會發生變化，對土壤質地產生一定的影響，根系生物量和微生物的增加，會提高土壤碳庫活度。隨著生長年限的增加和農田耕作措施的變化，土壤有機碳庫也發生相應的變化。當前，枸杞種植戶為了獲得較高的枸杞產量和經濟效益，增加灌溉次數、采用大水漫灌等粗放的管理方式在灌區非常普遍。由于景泰川地區是一個淺層半封閉型的盆地，這種粗放的農田管理方式直接導致局部地區地下水位進一步抬升，地下水不能及時排出，使得枸杞林土壤結構改變，土質下降，根腐病較為嚴重，病死枯死植株也較多。在當前這種灌溉方式和田間管理模式下，水鹽動態被進一步打破，土壤碳庫的變化特征將如何？如果改變當前不合理的灌溉方式，采用合理的管理模式，在未來的管理過程中其特征變化和演變趨勢如何？是否能提高土壤的碳庫效益和增加固碳能力？運用模型擬合研究在不同的情景模式下土壤碳庫的變化規律，并對其變化趨勢做出分析和預測是一個較好的研究方法。因此，利用CENTURY模型模擬在次生鹽漬化改良過程中土壤有機碳的變化特征，設置兩種不同的情景模式，研究成熟枸杞林對次生鹽堿地的改良作用和土壤碳的動態變化，進而預測在不同情景模式下未來土壤碳庫的演變趨勢，闡明土壤碳庫的變化特征和差異，可為次生鹽堿地土壤質量和健康評價提供基礎數據，也可為當前枸杞林地田間管理措施的科學評估提供科學依據。

1 研究地區與研究方法

1.1 自然概況

紅躍村地處景泰縣中部，景電一期引黃提灌灌區中心地帶，位于景泰縣草窩灘鎮以東3 km，縣城以北8 km處，是由西南向東北傾斜的微型盆地，海拔1 565 m。氣候干燥、干旱少雨、風沙大，年均降水量185 mm，降水年際變化不大，雨水集中在7—9月，年蒸發量3 040 mm，年均氣溫8.5 ℃，雨熱同期，地表水資源較為貧乏，地下水礦化度高、水質差，20世紀70—80年代建成了景電一、二期高揚程電力引黃提灌工程[12]。全村現有耕地面積330.7 hm2，約80%的耕地為次生鹽堿化土地。自2000年以來，該村開始推廣引種耐鹽堿的經濟樹種枸杞，取得了良好的經濟和生態效益[13]。本研究地區土壤母質類型一致，地帶性土壤為荒漠灰鈣土，土壤母質包括黃土、風積物和洪積物。地下水位均為1 m左右。次生鹽堿地主要植被為鹽爪爪〔Kalidiumfoliatum(Pall.) Moq.〕，蓋度8%～15%。

1.2 研究方法與數據采集

應用模型前要經過校正與驗證，調整模型參數，反復檢驗模擬結果，檢驗模擬值與觀測值之間的吻合程度，使之達到最好的模擬效果。基于調試后的參數，再通過對比分析其他年份的模擬與觀測結果進行模型的模擬研究與驗證平衡[1,14]。

本研究于2012年7月中旬開始進行野外調查、土樣采集，并對農戶進行訪談式調查，了解枸杞種植和生長情況。采用空間代替時間的方法，分別選擇4、7、11年的枸杞林地采集土樣，選擇臨近的次生鹽堿化土地作為對照。土壤采樣深度40 cm，每10 cm分層采樣，每塊樣地5個重復，同層次土樣混合作為1個混合樣，帶回實驗室風干后測定土壤有機質、有機碳、pH值、鹽分等理化指標。同時，用環刀法取樣測土壤容重，鋁盒裝少量新鮮土壤用于土壤水分測定。土壤粒度采用激光粒度分析儀測定，總有機碳用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定，活性有機碳用高錳酸鉀氧化法測定[15]，全鹽量測定水土比為5 ∶1，pH值用酸度計法(水土比為2.5 ∶1)測定[16]。經測定，研究區次生鹽堿裸地的土壤有機質、全氮、全磷、全鉀含量分別為10.90、0.76、0.95、22.85 g/kg，速效磷、速效鉀含量分別為3.04、212 mg/kg。

1.3 CENTURY模型的參數化設置

根據土壤有機質的分解速率，CENTURY模型將土壤總有機碳(TOC)分成了3個碳庫，分別是活性、緩性和惰性土壤有機碳庫[1,3]。本研究所用的是CENTURY4.0版本，初始輸入數據包括基本的氣象數據、土壤質地等，見表1。

表1 模型初始化所需主要參數

模型所運用的氣象數據由景泰縣氣象站提供的1955—2012年氣象數據統計分析而得，由于研究區距離縣城僅8 km，地勢平坦，因此可以將此數據直接作為研究區的數據進行模擬運用。模型要求至少10年以上的氣象數據，所需資料包括：月均降水量(PREC)、月最低溫度(TMIN)、月最高溫度(TMAX)。CENTURY模型在運行調試過程中首先要設定主要的植被生長參數，包括植被生長的開始月份、 衰老月份、休眠月份。本研究采用模型中自帶的GRASSLAND/CROP模塊，其適用于北方典型草地、低矮草原和荒漠草地。選擇CROP.100文件中的CPR為模型的初始植被，4月開始生長，10月為衰老季節，11月份開始休眠，時間步長為一年，進行初始態的建立。部分參數應用模型提供的缺省值。

據調查，當地次生鹽堿化土地植被以鹽爪爪為主，蓋度8%～15%，2000年開墾種植枸杞。枸杞在不同生長階段田間管理措施有所不同：枸杞生長初期(相當于2000—2004年)，主要保證枸杞的正常生長和成林，沒有修剪枝條，沒有果實產生，因而施肥澆水次數較少，均為每年3～4次；枸杞林成熟穩產階段(相當于2005—2013年)，最大特點是有果實產出和植被的移除，每年春季3、4月修剪枝條，近1/3枝條被移除，從6月份開始持續4～5個月采摘果實，為了獲得穩定的果實產量，施肥和澆水次數增至每年5～6次。

2 結果與分析

2.1 模型參數初始化設置及穩態的建立

用CENTURY模型模擬研究土壤變化時首先要進行模型參數的初始化，在參數平衡狀態下才能進行真正的模擬運算[1-2]。主要是模擬研究區在自然狀態下土壤活性碳庫、緩性碳庫、惰性碳庫和土壤總碳庫(包含結構性碳庫和代謝性碳庫)逐漸積累到穩定平衡階段的過程。如圖1所示土壤碳庫快速積累變化所需時間約為2 000 a，之后緩慢積累到2 400 a時，土壤各碳庫逐步建立平衡，各碳庫變化穩定，基本在土壤碳含量平均水平上下波動(圖中水平虛線所示)，達到了試驗區土壤碳水平，此時活性、緩性和惰性有機碳庫有機碳含量分別占總有機碳庫的3.28%、68.67%和28.05%。從圖1中土壤有機碳含量的年際變化可看出：土壤總碳庫和緩性碳庫有機碳含量年際變化較大，但在一定的水平上波動；惰性有機碳庫變化穩定、曲線平滑；活性有機碳庫有機碳含量年際變化敏感，但是其值較小，所占比例小。研究地為次生鹽堿地，其土壤有機碳含量為3 300 g/m2左右，而CENTURY模型在平衡狀態下模擬的土壤總有機碳含量在3 300～3 400 g/m2間波動，兩者相差很小，說明CENTURY模型正確模擬了研究區土壤有機碳的動態積累過程。

圖1 CENTURY模型參數初始化過程

2.2 不同生長階段枸杞林對次生鹽漬化土壤有機碳庫的影響

研究區自2000年開始開墾次生鹽堿地種植枸杞，土地類型發生了變化，自然植被轉變成了人工栽植的經濟作物，土壤有機碳隨之發生了顯著的變化(圖2)。從次生鹽堿裸地到開墾種植枸杞，再到枸杞成熟穩產，在這過程中因為植被類型不同、生長年限逐漸增加，故所對應的措施也不同。在CENTURY模型模擬過程中，不同的生長階段對應不同的管理措施。由于每個階段的土地耕作方式和田間管理模式不同，因此土壤活性、緩性、惰性和土壤總碳庫也隨著生長年限的增加發生了顯著的變化(圖2)。

圖2 枸杞生長不同階段土壤各個碳庫隨時間的變化

初期的1—4年為枸杞幼苗生長期，也是各個碳庫快速增加時期，如圖2中B時間段。土壤活性、緩性、惰性和總有機碳庫在這一時間段內均呈快速增加的態勢，土壤活性碳含量增幅最大，相比次生鹽堿裸地增加了137%，其次是土壤總碳、 土壤緩性碳、土壤惰性碳含量，其增幅分別為22.59%、7.69%和0.33%。4年后為枸杞林成熟穩產期，各個碳庫變化逐漸穩定，如圖2中C時間段。緩性碳和惰性碳在這個階段繼續積累，但是累積速率相比枸杞生長初期低，因此變化相對緩慢，有滯后效應，在枸杞生長到第9—10年(相當于2009—2010年)達到最高值；活性碳變化較為敏感，下降幅度大，2008年以后下降速度趨緩，逐漸穩定，其值低于開墾前活性碳的含量；土壤總有機碳含量隨著活性有機碳含量的快速降低而逐漸減小，從開始種植時隨著枸杞生長年限的增加而增加變為逐漸降低，呈倒“V”形變化。造成總有機碳逐漸降低的原因主要是春季修剪枝條，近1/3的枝條被剪除，同時枸杞果實也被大量采摘，這些生物量均從枸杞林移除，導致枯落物碳儲量逐漸下降，從而也導致土壤總碳庫含量的變化；另一個原因是植株衰老，更新能力減弱。

2.3 枸杞林實測值與模擬值相關性

以生長年限為0(次生鹽堿裸地)、4、7、11年的枸杞林土壤有機碳實測數據與模型模擬數據進行數據擬合(結果如圖3)，可知土壤實測值與模擬值具有較好的相關性，變化趨勢一致，R2達到了0.947，統計分析P=0.27>0.05，表明模型值與實測值之間差異不顯著，說明運用CENTURY模型來模擬次生鹽漬化土地枸杞林有機碳的動態變化基本符合實際情況[17]，可用來模擬研究試驗區的土壤動態變化。

圖3 枸杞林土壤有機碳實測值與模擬值的關系

2.4 未來20年枸杞林土壤有機碳庫情景模擬

以2010年CENTURY模型輸出結果為土壤有機碳的初始值，氣象參數運用模型自動統計分析1955—2012年的歷史氣象資料得到的氣象數據，輸出時間步長為月份，分析預測成熟枸杞林在不同的灌溉次數和用水量條件下土壤有機碳未來20年的模擬變化趨勢。設計兩種情景進行模擬：一種情景表示在當前實際田間管理方式下的土壤碳變化(曲線A50)，即為了讓成熟枸杞林獲得穩定產量，枸杞林地每年澆水5～6次，澆水方式為大水漫灌；另一種情景為優化灌溉模式狀態下土壤碳的變化(曲線A25)，即減少灌溉次數為3次，用水量為田間持水量的25%，其他措施均不變。相應的在CENTURY模型IRRI.100文件中輸入對應參數進行兩種情景下的模擬，結果見圖4。由圖4可知，隨著植株生長年限的逐漸增加，在未來15—20年間，土壤有機總碳庫均趨于穩定，但其含量不同：在當前灌水條件下(A50)枸杞林的土壤有機碳庫呈逐漸下降趨勢，未來20年后表層0～20 cm土壤有機碳含量平均約3 200 g/m2，與枸杞種植前的次生鹽堿裸地含量相當；而在A25情景模擬條件下，未來20年后土壤有機碳含量約為3 550 g/m2，相對枸杞種植前的次生鹽堿地土壤有機碳含量提高了約7.57%。活性、緩性和惰性碳庫均隨之發生變化，活性碳庫在兩種情景模擬下均逐漸降低，但是在A25情景下降低速度要小于A50，而緩性和惰性碳庫在當前的灌溉管理方式下均逐漸降低，在減少灌溉的優化模式下均逐漸增加。各個碳庫年內變化波動小，主要是受季節性的氣溫、降水等變化影響，但是對整體變化趨勢影響不大。

圖4 成熟枸杞林未來土壤各碳庫變化趨勢

3 討論與結論

研究區枸杞林種植前是以鹽爪爪為主的次生鹽堿地，經過大規模的開墾、施肥、排鹽等措施建成了枸杞林地，種植枸杞在產生經濟效益的同時又能改良土壤，起到固碳的作用。枸杞林對土壤有機碳的影響有兩個階段，即幼苗生長階段和成熟穩定階段。開墾導致土壤溫度和濕度的改變，將極大地促進土壤的呼吸作用，加速表層土壤有機質的分解[18-19]，因此在枸杞生長初期(前1—4年)土壤活性、緩性、惰性碳含量均呈快速增加的態勢。隨著枸杞幼苗地上和地下生物量逐漸增加，土壤碳的累積速率也在栽植4—5年間達到最大，并超過自然狀態下的總碳庫，2004年枸杞林土壤總碳庫的碳含量比開墾前增加了22.59%，表明這段時間枸杞林地土壤碳總體呈碳匯趨勢。但是在成熟枸杞林內田間管理措施發生了變化，因而土壤碳庫也發生了變化。地上生物量的剪除和采摘果實使返回地表的枯落物減少、腐殖質含量降低，活性碳庫隨之減小[20]。灌水次數的增加和水量的無序利用，使得土壤結構和性狀被逐漸改變，土壤緩性碳和惰性碳在緩慢積累之后迅速降低，土壤總碳庫隨之降低，土壤的碳匯功能也被大大降低或被逆轉[21-22]。

對成熟枸杞林土壤有機碳含量的變化進行預測分析表明，在當前的農田管理措施下枸杞林地土壤總有機碳含量逐漸地降低(圖4)，其含量約為3 200 g/m2，與次生鹽堿裸地含量相當，這表明土壤有機碳庫在未來20年內極有可能逐漸轉變為一個弱的碳排放源。研究區地形為一個半封閉的小盆地，大量灌溉用水滲入地下不能及時排出，使水位上升，同時，在實際調查中發現附近的排堿渠年久失修，功能喪失，未能發揮排鹽排堿的功能，導致該區域次生鹽堿化現象進一步加重，地下水位在0.8～1 m間，反鹽現象明顯，灌溉水不能快速下滲，土壤結構和性狀發生變化，土壤菌類數量及微生物總量顯著降低[23]。在這種土壤狀態下植被自然生長不好，土壤有機碳含量減少，土壤質量呈惡化的趨勢[24]，這與情景模擬A50狀態下土壤有機碳含量逐漸降低的變化趨勢相似。這表明當前對枸杞林采取的田間管理措施是不合理的，這種耕作方式導致了土壤肥力下降，土壤質量退化，進而決定了土壤有機碳含量逐漸降低；而轉變灌溉方式，減少灌溉次數，提高用水利用率可以增加土壤的有機碳含量，提高固碳效益，增強碳匯能力。因此，改變田間管理方式、采用科學灌水設備、及時更新苗木等對提高枸杞林土壤質量、增加土壤碳儲量和減緩溫室效應具有重要的現實意義。

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(責任編輯 徐素霞)

“十二五”農村領域國家科技計劃項目(2012BAD16B0102)；國家自然科學基金項目(31300595)；甘肅省青年科學基金項目(1208RJYA093，1208RJYA067)；全球環境基金項目(GEF/UNEP)；碳效益研究項目(GEF/53-4280)

S157

A

1000-0941(2015)09-0059-05

孫濤(1978—)，男，甘肅永昌縣人，助理研究員，博士研究生，主要從事荒漠生態、荒漠植被恢復及荒漠化防治研究工作；通信作者賈志清(1968—)，女，北京市人，研究員，博士生導師，博士，主要從事荒漠化防治與水土保持研究。

2015-02-15