黃土典型壩系流域碳沉積特征及其源解析

鄂馨卉,汪亞峰,王林華,祝 艷,馮 棋,陳利頂

1 中國科學院生態環境研究中心,城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085 2 中國科學院大學,北京 100049

黃土高原是世界上土壤侵蝕最為嚴重的地區之一。為緩解土壤侵蝕情況,20世紀50年代以來我國開展一系列水土保持措施,其中淤地壩工程是小流域綜合治理的一項重要措施。淤地壩截留泥沙并有效控制水土流失,截止2010年,黃土高原地區共建成10萬多個淤地壩[1- 3]。土壤碳庫是陸地生態系統中最大的有機碳庫,其中淤地壩沉積土壤的不斷積累過程是土壤有機碳庫儲存的過程[4-5],也是土壤有機碳的動態平衡過程[6-7]。研究流域80年代初開始實施退耕還林工程,2000年開展大規模實施[8]。淤地壩修建和植被恢復對流域景觀造成的巨大改變勢必會引起土壤碳侵蝕過程以及地表水文過程發生變化,因此植被恢復下的土壤沉積碳特征及碳來源問題值得探討研究。

穩定碳同位素比值分析法是評估土壤侵蝕過程中碳重新分配的有效方法,尤其在植被土地利用變化后,該示蹤技術對此有很好的分辨力[9],如Meusburger等[10]利用穩定碳同位素作為定性指標研究侵蝕沉積對土壤的擾動情況；張金[11]應用穩定碳值能夠判斷深層土壤有機碳的不同來源,并明確C3和C4植物凋落物對土壤有機碳的相對貢獻。沉積物中有機質含量、碳氮比和碳同位素均可為水土流失和土地利用變化提供重要的歷史信息[12- 14],但因穩定碳同位素在示蹤來源上具有不明確性以及重疊性,研究者多將穩定碳同位素與碳氮比相結合來研究沉積區域侵蝕物質來源,如Liu等[15]對黃土丘陵區的研究表明,喬木林地和灌木林地是表層沉積物的主要有機碳來源；McCorkle等[16]有關坡底沉積物的研究顯示,沉積有機質多來于土壤的腐殖質并且根據侵蝕過程前后的分解作用推測土壤侵蝕在該區起到大氣碳源作用；Yu等[17]研究表明,雖然沉積過程中潛在來源的土壤碳同位素及碳氮比會發生分餾及降解作用,但變化對于沉積物碳溯源的影響較小,因此穩定碳同位素及碳氮比仍可作為碳來源示蹤的有效指標。

本文研究流域為典型壩系流域,壩地沉積和溝道沉積為主要土壤沉積方式,溝道自然形成的沉積土壤碳及碳同位素特征同樣能夠反映一定土壤侵蝕信息。目前,已進行了大量有關淤地壩碳儲存及沉積機理方面的研究[5-6,18],但不同沉積方式下的土壤碳沉積特征、碳來源差異以及不同土地利用類型的潛在來源下的碳貢獻罕有研究。此外,沉積土壤的研究多限于土壤表層,而較早期沉積的深層碳的研究對于流域的侵蝕過程及景觀變化的研究具有重要意義。因沉積區土壤碳主要來自兩個方面,一是原位植物的凋落物及根系分泌物等；二是土壤侵蝕帶來的外部土壤碳及相關碳輸入[19]。早期沉積土壤主要因坡面土壤侵蝕導致,且隨研究流域植被的恢復,植被覆蓋的變化在沉積土壤碳同位素數值上會有相應體現,因此選擇坡面不同土地利用類型下的土壤碳同位素作為潛在來源對沉積土壤碳進行示蹤具有指示意義。本研究以黃土高原典型壩系流域為研究對象,利用穩定碳同位素技術及碳氮元素比值對沉積土壤碳來源進行分析,揭示流域尺度上淤地壩及溝道沉積土壤碳沉積特征,探討不同沉積方式下土壤碳分布及碳來源差異,以期為黃土高原植被恢復與生態建設研究提供基礎資料。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區為羊圈溝小流域(36°42′N,109°31′E),位于延安市寶塔區(圖1)。流域地處黃河中游區,為延河流域二級支溝,溝谷密度為2.74 km/km2,流域面積為2.02 km2。海拔在1050—1298 m,相對高差245 m,地形起伏較大。塬、梁和峁為基本地貌類型且屬于典型黃土丘陵溝壑區。流域土壤類型主要為黃土母質上發育的黃綿土,抗蝕性差,質地均一。流域水土流失嚴重,并因長期掠奪式耕種導致土壤營養物質匱乏,肥力較低[8]。該區域屬于半干旱大陸性季風氣候,年均氣溫為10.8℃,年平均降水量為498 mm,年際降雨變化率大,主要集中于7—9月。流域植被屬于森林草原過渡帶,流域植被受人為活動干擾較強,原有自然植被所剩無幾,多數為人工種植的次生植被。喬木主要有刺槐(Robiniapseudoacacia)、柳樹(Salixspp．)和楊樹(Poplarspp．)等,灌木主要為沙棘(Hippophaerhamnoides),草類主要有長芒草(Stipabungeana)、艾蒿(Artemisiaargyi)和鐵桿蒿(Artemisasacrorum)等[20]；果園主要種植蘋果樹、核桃樹、李子樹和杏樹。主要農作物有谷子和玉米和馬鈴薯等。

圖1 羊圈溝地理位置、土地利用方式及流域采樣點分布示意Fig.1 Sampling point distribution and different land-uses in Yangjuangou watershed

1.2 樣點布設與采集

本研究分別在流域上游和下游選擇典型淤地壩作為人工土壤沉積樣點(圖1),上游壩地類型屬于正溝壩,現有玉米種植,下游壩地為階梯壩,屬于荒地,現無莊稼種植。于2016年10月,使用荷蘭 Eijkelkamp公司生產的半圓鑿鉆式土鉆(直徑6 cm,另配4跟擴展桿,采樣深度達5 m)進行土壤樣品采集。壩地土樣采集深度達5 m,其中0—100 cm每隔10 cm進行土壤樣品采集,100—200 cm每隔20 cm采集,200—500 cm每隔30 cm采集。其次,在流域溝道中游和下游各選擇一個采樣點作為自然沉積樣點(圖1),溝道土壤樣品采集盡可能取到所有沉積土壤(判定標準為土鉆無法再進行鉆取土壤),采集深度至290 cm,土壤采集的剖面深度間隔與淤地壩土壤采集一致。

由于溝道和淤地壩沉積土壤碳的潛在來源均為坡面上的土壤碳,因此本研究采集坡面的喬木林地、灌木林地和草地(后簡稱林地、灌木和草地)三種典型土地利用類型下的表層土壤(0—10 cm)進行碳來源示蹤分析,每種土地利用類型采集6個樣點(圖1)。

1.3 樣品室內分析與數據處理

土壤樣品經自然風干后過100目篩研磨后,利用元素分析儀(德國Vario EL III)進行土壤總碳含量STC(Soil Total Carbon)和碳氮比(C/N)的測定,因元素分析儀可直接測得土壤總碳及總氮含量,進而得出碳氮比值。土壤有機碳含量SOC(Soil Organic Carbon)的測定采用重鉻酸鉀法。土壤有機碳同位素的土壤前處理方式如下：取1 g樣品加入3 mol/L鹽酸去除碳酸鹽,浸泡24 h,離心洗滌至中性,然后經60℃烘干并研磨備用,然后將預處理后的土壤樣品過穩定同位素比質譜儀(美國DELTA V ADVANTAGE)進行有機碳同位素SOC-δ13C的測定。本文數據處理、方差分析及作圖使用SPSS19.0和Origin9.0完成。

2 結果與分析

2.1 淤地壩和溝道沉積土壤碳變化特征

淤地壩STC含量的變化范圍為12.80—14.76 g/kg,均值為13.98 g/kg,變異系數為8.57%(圖2)。STC含量最低值和最高值分別出現在470—500 cm和30—40 cm層土壤。0—100 cm段STC含量波動較小,其中0—30 cm層,STC含量隨著表層土壤隨深度增加而降低。100—350 cm層STC波動范圍最大,含量隨土壤深度的增加呈現降低趨勢。350—500 cm層土壤STC含量變化平緩。淤地壩SOC含量變化范圍為1.34—3.53 g/kg,均值為2.06 g/kg,變異系數為30.04%(圖2)。SOC含量最低值和最高值分別出現于290—320 cm 和0—10 cm層土壤。在0—30 cm層,SOC含量隨土壤深度增加而明顯下降,在30—100 cm層,SOC含量基本在2.28 g/kg左右反復波動,在350—500 cm層,SOC含量在2.05 g/kg左右波動。SOC整體變化規律與STC不同,從10 cm表層土壤開始就有很明顯的變化,即隨深度的加深而降低,從350 cm層至500 cm深層土壤則無明顯變化。

圖2 淤地壩剖面土壤碳含量變化特征Fig.2 The variation characteristics of soil total carbon and organic carbon in different depth at check-dam site

溝道沉積STC含量變化范圍為13.61—17.86 g/kg,均值為16.00 g/kg,變異系數為10.51%(圖3)。STC含量最高值和最低值分別出現于10—20 cm和140—160 cm層土壤。在0—100 cm,STC含量表現出隨深度加深而降低的趨勢,而100—290 cm層表現出增加趨勢。溝道SOC整體上隨著土壤深度增加呈現降低趨勢,SOC含量變化范圍為1.52—5.04 g/kg,均值為2.86 g/kg,變異系數為45.60%,其中最低值位于260—290 cm層,最高值位于10—20 cm層(圖3)。

圖3 流域溝道土壤剖面碳含量變化特征Fig.3 The variation characteristics of the Profile of gully′s soil carbon content

2.2 沉積土壤碳同位素及碳氮比分布特征

淤地壩碳氮比變化范圍為28.70—49.33,均值為41.36,變異系數為10.69%(圖4)。最大值和最小值分別出現在290—320 cm和0—10 cm層土壤。在0—30 cm層,壩地碳氮比隨土壤深度的增加而增加,在30—500 cm層,變化趨近緩和,碳氮比在42.29左右波動。壩地有機碳同位素范圍為-23.96%—-22.09%,均值為-22.93%,變異系數為3.11%(圖4),整體上呈現表層土數值偏正,隨深度增加有偏負的趨勢。分段來看,0—100 cm層,有機碳同位素隨深度增加呈現偏正趨勢,100—350 cm層,呈現偏負趨勢,而到350 cm至更深層土壤則呈現偏正趨勢。

圖4 淤地壩及溝道土壤有機碳同位素及碳氮比分布特征Fig.4 The distribution characteristics of the organic carbon isotope and the C/N of check-dam and gully′s soil

溝道沉積土壤碳氮比變化范圍為33.77—63.12,均值為43.94,變異系數為24.23%(圖4)。最大值和最小值分別出現在0—10 cm和260—290 cm層土壤。表層土隨深度增加,碳氮比隨土壤深度增加呈現增加趨勢,100—160 cm層碳氮比隨土壤深度加深而呈現降低趨勢,160 cm至最深層土壤碳氮比呈現增加趨勢。溝道沉積土壤有機碳同位素變化范圍為-27.04‰—-24.58‰,均值為-25.56‰,變異系數為3.93%。最大值和最小值分別出現于10—20 cm和40—50 cm層土壤。其中,0—100 cm層土壤碳同位素變化較強烈,深層變化較為平穩。整體上呈現有機碳同位素隨土壤深度增加而偏正的變化趨勢。

2.3 潛在碳來源的土壤碳同位素及碳氮比分布特征

坡面的主要土地利用類型為草地、林地、灌木,均為沉積土壤碳的主要潛在來源,因此為研究沉積土壤碳來源,選取坡面典型土地利用類型的表層土壤(0—10 cm)進行碳穩定同位素測試。如圖5所示依次為草地、林地、灌木地的碳氮比數值及有機碳同位素的箱式圖。

圖5-a為坡面不同土地利用方式下表層土壤碳氮比數值的分布情況,林地、灌木和草地表層土壤碳氮比分別為37.95±9.89(范圍26.82—52.42)、35.23±7.56(范圍22.66—47.32)和26.37±4.77(范圍21.39—36.18)。單因素方差分析結果表明林地及灌木的碳氮比數值顯著高于草地,而草地與灌木間無顯著性(df=2,F=4.819,P<0.05)。

圖5-b為坡面土壤有機碳同位素的分布圖,灌木土壤有機碳同位素的變化范圍較小(-25.23‰—-23.98‰),且呈現偏正的趨勢,而草地(-27.58‰—-24.95‰)和林地(-26.51‰—-24.87‰)中土壤有機碳同位素的變化范圍較大。林地、灌木林地和草地土壤有機碳同位素分別為-26.02‰±1.13‰、-24.57‰±0.61‰和26.47‰±1.02‰。方差分析結果表明灌木有機碳同位素值顯著高于林地及草地,其他兩者間未為出現顯著差異(df=2,F=4.905,P<0.05)。

圖5 沉積土壤潛在碳來源碳同位素及碳氮比分布特征Fig.5 The distribution characteristics of the C isotope and C/N of the potential carbon source

3 討論

3.1 流域沉積土壤碳變化情況的影響因素

土壤碳沉積是碳與生物圈連接緊密的活性庫進入更加穩定的惰性碳庫的過程[21]。受人類活動的影響,淤地壩土壤的形成過程與自然土壤不同,土壤性質在不同深度土層上的變化亦有所差異,其土壤碳變化具體原因與壩地區域的氣候狀況、壩地土壤的成土過程、淤地壩地形特征相關[5]。由圖2所示STC的整體波動情況,可將淤地壩剖面碳變化特征整體劃分為三個階段依次為0—100 cm、100—350 cm、350—500 cm：第一階段,壩地波動范圍較小,0—50 cm層隨土壤深度加深而STC降低,因為隨著距地表距離增加土壤越貧瘠,無植物腐殖質及根部提供有機質；50—100 cm無明顯波動,主要因為該土壤層碳還未進行分解；第二階段100—350 cm壩地碳含量波動情況最大,此處碳在進行一系列的復雜變化如土壤碳的淋溶、化學、生物等作用；第三階段350—500 cm沉積碳波動穩定且波動范圍最小,可能由于土壤碳已經歷過上述復雜過程后在該層趨于穩定平衡。土壤有機碳含量較高的土壤層含有大量植物碎屑,表明該層發生了有機殘體的腐爛降解,這導致該層土壤有機碳含量和儲量增大,該現象多發生于土壤表層。此外,對于壩地深層沉積碳而言,因壩地存在土壤壓實作用,進而通過限制土壤有機碳活性和限制異養微生物對碳的消耗,從而減小土壤有機碳的礦化速率[22- 24]。此外壩地由于其透氣性差,外源有機殘體在水分作用下易于腐爛降解成有機物質,土壤有機碳含量隨深度變化無明顯下降趨勢,有利于底層SOC含量波動較為穩定,進而表明壩地先前大量埋藏的土壤有機碳沒有完全礦化[25-26]。壩地及溝道表層沉積土壤隨深度加深有機碳含量減少的幅度比總碳含量增加的幅度快速,主要因為土壤碳空間變化主要受土壤母質碳含量影響,該流域土壤母質是相對均質的黃土母質,母質中碳酸鹽碳含量明顯高于有機碳,進而有機碳的波動對總碳含量不會造成太大影響[27]。

溝道沉積土壤從不同層的碳變化上來看與壩地的碳含量有很大不同。溝道與壩地相比較,總碳、有機碳含量高于壩地沉積土壤,因溝道位于流域下游并且附近植物生長茂盛,有較高比例未分解的有機質,地表凋落物和輸入土層凋落物較壩地多[28-29]。壩地沉積土壤來源于隨徑流攜帶土壤,土壤遷移中碳會發生流失及礦化,并且壩地土壤沉積過程中還會受施肥、陽光暴曬等影響,導致其沉積土壤碳含量及其分布形式與一般土地的土壤有很大差異[12]。而溝道土壤沉積過程中,因受周圍植物及水流的影響,會攜帶較多凋落物在下游進行堆積,因此在相同深度下,溝道沉積總碳含量及有機碳含量高于壩地沉積碳含量。此外,土地利用類型對于碳氮比含量有較大影響[30],壩地因農作物的種植而存在施肥的影響,是其表層土壤碳氮比低于溝道土壤碳氮比值的主要因素。壩地200 cm至更深層的土壤碳氮比較溝道碳氮比值要低,原因其一在于深層壩地土壤的沉積發生較為早期,植被還未進行大規模恢復,進而無法提供一定的碳含量；其二在于溝道所處地理位置及周圍植被的生長情況,與溝道碳含量高于壩地原因相同。

3.2 沉積土壤同位素碳來源解析

壩地與溝道表層土壤碳同位素呈現隨深度增加而呈現偏正的趨勢,這與McCorkle等對沉積土壤同位素的研究及李龍波等對于黃壤土的同位素研究一致,可能由于微生物的分解過程中優先分解12C造成13C富集,并且難降解物質會富集13C,因此隨土層深度增加而增加[16,31]。但是以上研究土壤深度限于100 cm左右。本研究深度達500 cm的深層土壤,在淤地壩100—350 cm層有機碳同位素出現偏負的變化趨勢,與其特殊的沉積過程及較長沉積時間而發生的一些列變化相關。溝道與壩地相較而言,因溝道受雨季水流、降雨沖刷徑流等影響也會使得沉積土壤的碳氮比及同位素的分布情況隨土壤深度的波動較大。C3、C4植物具有顯著不同且互不重疊的碳同位素分布區間,依次為-22‰—-30‰、-10‰—-14‰[32-33],本研究中壩地有玉米C4植物種植,但溝道、坡面植被主要為C3植物,印證了壩地土壤碳同位素較溝道碳同位素值偏正的原因。而壩地表層較深層碳同位素值偏負,除上述12C分解及13C富集作用外,早年壩地還未淤滿時附近土壤生長植物已C3為主,而淤滿后因莊稼種植的更替變化從而導致土壤碳同位素值隨深度增加。

壩地及溝道沉積土壤潛在來源均為坡面土壤的攔截及堆積,因碳氮比及穩定碳同位素可共同判定土壤碳來源,進而依據研究地區典型草地、林地、灌木土地利用方式的碳氮比及穩定碳同位素范圍評估壩地、溝道侵蝕沉積土壤碳來源。如圖6所示,羊圈溝淤地壩表層土壤有機碳來源多來自于灌木,而深層有機碳難以示蹤其來源。溝道表層土壤有機碳多來自于林地及灌木,溝道的碳來源較為復雜,這與溝道附近植被分布格局復雜關系密切。雖然溝道在較為深層的200—290 cm土壤層依舊難以溯源,但是溝道沉積土壤相較于淤地壩更易追溯其碳來源,因為自然沉積過程對于潛在來源的SOC破壞較少,并且水流、地勢等原因使其更易發生遷移作用[28]。利用穩定性同位素分析軟件IsoSource對壩地及溝道土壤有機碳來源百分比進行分析,如圖7所示,計算得到林地、灌木、草地對壩地0—20 cm表層土壤有機碳的貢獻依次為2.05%、96.80%和1.15%；對溝道沉積土壤進行分析,0—20 cm土壤表層土壤有機碳來自灌木62.05%、草地32.4%和林地5.55%,從整體上分析,灌木貢獻最多為58.72%,草地、林地貢獻依次為22.41%、18.87%。

圖6 沉積土壤的有機碳來源Fig.6 The SOC source of the sedimentary soil

圖7 溝道沉積土壤有機碳來源百分比Fig.7 Percentage of gully-deposited soil organic carbon sources

沉積土壤碳的變化及來源與不同類型植被覆蓋的土壤固定情況及周圍土地利用方式極為相關,沉積不同深度的土壤代表了不同階段下不同土地利用條件的侵蝕情況[34]。土壤深度越深,代表淤積土壤侵蝕發生于早期,隨著退耕還林工程推進,土地利用發生著變化,進而淤積土壤的來源也相應發生改變。黃土高原不同恢復植被下的減流、減沙效應依次為灌木地、草地、喬木林地[35]。本研究的淤地壩及溝道表層沉積碳來源中,灌木均占最大比例,并且在溝道深層沉積碳中,灌木貢獻所占百分比依舊最高。進而印證了在流域現階段及植被恢復期間灌木為流域主要植被類型,并且其植被恢復前期屬于幼年灌木,其生長還未達一定防御密度,因此受土壤侵蝕影響較為嚴重[8]。

降雨徑流是淤地壩沉積土壤來源的動力,土壤碳在遷移沉積后會經歷暴曬、雨水浸泡的反復過程,進而發生一系列復雜的變化,如礦化、淋溶、分解等,并且因淤地壩建設年代較久,深層土壤碳受同位素分餾影響也較為嚴重[28]。降雨事件的發生、土壤碳搬運、沉積及儲存過程均為相互聯系、相互制約,具有時間和空間變異性,這些過程的綜合作用導致深層土壤碳同位素偏離初始值,經多年沉積后難以示蹤其碳來源[36]。此外,由于淤地壩和溝道深層土壤淤積時間較早,至少為退耕之前,因此深層沉積土壤還可能來源于坡耕地碳,而本文的研究主要針對不同恢復植被類型碳來源的解析。盡管深層土壤中有機碳的來源存在不確定性,但因表層土可表征近期沉積情況,穩定碳同位素碳和C/N的示蹤技術仍然是短期內追溯沉積有機碳來源的有效手段。

4 結論

(1)淤地壩STC含量的變化范圍為12.80—14.76 g/kg,其中土壤層0—100 cm、350—500 cm,STC波動較為平緩,中間100—350 cm波動較大；溝道變化范圍為13.61—17.86 g/kg,其中0—200 cm土壤層沉積總碳變化較大,200—390 cm土層變化平緩。壩地及溝道SOC變化范圍分別為1.34—3.53 g/kg和1.52—5.04 g/kg,壩地及溝道土壤有機碳隨深度增加呈現降低趨勢,此外壩地沉積在相同深度下碳含量要低于溝道沉積碳含量。

(2)淤地壩有機碳同位素變化范圍為-23.96‰—-22.09‰,其中0—100 cm土層的有機碳同位素存在偏正趨勢,但隨深度加深呈現偏負趨勢。溝道沉積土壤有機碳同位素隨著深度增加呈現偏正的趨勢,波動范圍為-27.04‰—-24.58‰。

(3)羊圈溝壩地表層土壤有機碳來源多來自于灌木(占96.80%),溝道表層土壤有機碳則多來自于灌木及草地(分別占62.05%、32.4%)。壩地深層沉積土壤碳難以示蹤其源,而溝道沉積碳較易追溯其來源。在溝道整體沉積土壤碳來源中,灌木占58.72%,草地、林地依次占22.41%、18.87%。