黄土丘陵区坡改梯田土壤碳库组分演变特征*

张 超,刘国彬,,薛萐,余 娜

（1.西北农林科技大学 林学院,陕西 杨陵 712100;2.中国科学院 水利部 水土保持研究所,陕西 杨陵712100;3.贵州大学,贵阳 550025）

土壤有机碳是土壤碳库的重要组成部分,是生物圈内有机碳的主要来源,它在陆地生态系统的发育和运行等方面均起着极其重要的作用[1]。土壤活性有机碳是指土壤中移动快、稳定性差、易氧化矿化,并对植物和土壤微生物活性较高的那部分有机态碳[2],这些有机碳只占土壤有机碳的较小部分,但它们可以在土壤全碳变化之前反映土壤微小的变化,又直接参与土壤生物化学转化过程[3],它们也是土壤微生物活动能源和土壤养分的驱动力,它是评价土壤化学、生物化学肥力保持的重要指标[4]。因此通过对土壤活性碳库的研究,可以清楚地认识该生态过程中土壤质量的变化规律。

黄土高原丘陵区由于长期不合理的耕作方式,自然植被遭到破坏,不仅造成土地表土流失,耕地减少,生存环境恶化,还导致土地生产能力下降[5]。近年来随着生态建设和退耕还林等生态工程的开展,该区的生态环境得到了极大的改善,土壤水分、养分等因素都得到了显著提高。坡耕地改造梯田作为黄土高原植被恢复与重建的重要措施之一,不仅能够有效地控制水土流失,提高土壤质量,还可以保持该地区农业生产,实现经济与生态的协调健康发展。目前,针对该地区坡改梯田过程中土壤因子的变化虽有一定研究,但大多都集中在土壤水分[6-7]、理化性质[8]以及集流减沙[9]等方面,对于土壤碳库的变化研究较少。因此本文以坡耕地改造后不同年限的梯田为研究对象,旨在从土壤碳库方面去探讨黄土高原丘陵区生态恢复过程中土壤碳库的演变规律,从而为该地区土壤质量评价和优化管理提供科学理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于陕西省安塞县纸坊沟小流域(109°13′46″-109°16′03″E,36°46′42″-36°46′28″N),海拔1 100～1 400 m,流域面积 8 127 km2,属黄土丘陵沟壑区第2副区,暖温带半湿润气候向半干旱气候过渡地区,年日照时间2 415.6 h,年辐射量552.7 kJ/cm2,年平均气温8.8℃,≥0℃积温3 733.5℃,≥10℃积温3 113.9℃,无霜期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。该区地形破碎,沟壑纵横,属黄土高原丘陵沟壑地貌,植被属于暖温带落叶阔叶林区向暖温带草原区过渡的森林草原植被。土壤类型以黄土母质上发育而成的黄绵土为主,抗冲抗蚀能力差,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,由于毁林开荒及人类活动的影响,地带性植被已经破坏殆尽,流域生态系统严重退化[10]。

根据流域地貌特征、植被以及土地利用状况,以典型性和代表性为原则,采用时空互代法在流域内选择营造和管理方法一致,土壤与成土母质类型相同,均为黄绵土,不同年限的梯田 1 a(Te1)、8 a(Te8)、20 a(Te20)、30 a(Te30),选取坡耕地(Slope Cropland,SL)为对照样地,其基本特征及林下植被如表1。

表1 样地基本特征

1.2 样品采集及分析

在试验地各处理小区按S型选取6点,每点采集0-20 cm混合土样,重复3次。土壤全氮、全磷、碱解氮、速效磷及速效钾含量采用常规方法测定[11]。土壤重铬酸钾易氧化态碳(EOC1)采用重铬酸钾容量法-水合热法。土壤高锰酸钾易氧化态碳(EOC2)采用 333 mmol/L的高锰酸钾溶液25 ml,振荡1 h,离心5 min(转速2 000次/min),取上清液用去离子水按1∶250稀释,然后将稀释液在565 nm比色,根据高锰酸钾浓度的变化求出样品的活性有机碳。水溶液性有机碳(DOC):用蒸馏水浸提,25℃恒温震荡 1 h后,离心 l0 min,过 0.45 μ m滤膜抽滤,其滤液直接在有机碳自动分析仪(Tekmar-Dohrmann Apollo 9 000 TOC Combustion Analyzer)上测定含碳量。热水浸提有机碳(HWOC):用蒸馏水浸提,80℃恒温震荡20 h后,离心l0 min,过0.45 μ m滤膜抽滤,其滤液直接在有机碳自动分析仪上测定含碳量。土壤碳水化合物(CHO)采用Safarik和Santruckova的酚-硫酸法。K2SO4浸提有机碳(CK2SO4)采用K2SO4溶液,充分振荡30 min过滤,迅速测定滤液中含碳量,土壤微生物量碳:采用氯仿熏蒸浸提方法测定。

1.3 数据统计分析

数据分析采用SAS 6.12统计软件,显著水平为 P＜0.05和P＜0.01。

2 结果与分析

2.1 不同年限梯田碳库组分演变特征

坡耕地改造为梯田后,土壤碳库组分变化规律不一,但总体上呈上升趋势。有机碳含量在改造第1年显著提高,30 a后的较坡耕地增加146%;活性有机碳碳库组分变化较为复杂,EOC1在改造8 a时达到显著水平,之后随改造年限逐渐升高,30 a时较坡耕地增加213%;EOC2在改造前8 a变化较为剧烈,随后逐渐上升,30 a时达到最大值,较坡耕地增加196%;水溶性有机碳在改造当年显著降低,8～20 a趋于稳定,20～30 a逐渐增加,30 a时较坡耕地增加97%;热水浸提有机碳和碳水化合物与有机碳变化规律相似,在改造当年即达到显著水平,随后随年限显著增加,30 a时达到最大值,较坡耕地分别增加246%和234%;微生物量碳在改造当年显著降低,随后逐渐增加,30 a时较坡耕地增幅达134%;K2SO4浸提有机碳在改造当年显著降低,随后呈波动式上升,30 a时较坡耕地增加240%。坡耕地改造为梯田30 a后各组分较坡耕地增幅由大到小依次为热水浸提有机碳＞K2SO4浸提有机碳＞碳水化合物＞重铬酸钾易氧化碳＞高锰酸钾易氧化碳＞总有机碳＞微生物量碳＞水溶性有机碳。

表2 不同年限梯田碳库组分演变特征

2.2 土壤碳库组分与养分相关性分析

相关性分析表明:土壤有机碳、EOC1、EOC2、水溶性有机碳、热水浸提有机碳、碳水化合物以及微生物量碳相互之间呈显著或极显著正相关(P＜0.05,P＜0.01)。有机碳、EOC1、EOC2与土壤全氮、碱解氮、速效钾呈极显著正相关,与全磷、速效磷相关性较小,未达到显著水平。水溶性有机碳、热水浸提有机碳、碳水化合物、微生物量碳与全氮呈极显著正相关,相关系数分别达0.93,0.95,0.98,0.93,与碱解氮、速效磷、速效钾呈显著正相关。硫酸钾浸提有机碳除与全磷和速效钾呈显著正相关之外,与其他养分因子相关性较弱,未达到显著水平。

可以看出,土壤碳库组分可以间接反映或预测某些营养物质的转化情况以及土壤肥力的一般状况 ,而有机碳 、EOC1、EOC2、水溶性有机碳、热水浸提有机碳、碳水化合物、微生物量碳与土壤主要肥力因子有一定的相关性,可以作为坡耕地改造梯田中评价土壤肥力的指标。

表3 不同年限梯田碳库组分与养分因子相关性分析

2.3 土壤碳库组分与坡耕地改造梯田年限的耦合关系

对不同土壤碳库组分跟改造年限进行耦合分析,结果表明:坡耕地改造梯田后,土壤有机碳与活性有机碳各组分随坡耕地改造年限呈线性显著增长,其中有机碳 、EOC1、EOC2、水溶性有机碳 、热水浸提有机碳、碳水化合物以及微生物量碳相关系数分别为0.987,0.991,0.946,0.937,0.973,0.931,0.974,具有较好的统计学意义。回归方程显示,各土壤碳库组分年增长量分别为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 讨论与结论

土壤碳库是土壤肥力保持的重要内容,其数量和质量影响土壤潜在生产力,其规律性则是能量与水分循环同外界各自然因素之间相互作用和运动的具体表现。土壤活性有机碳指在土壤中不稳定,活性较高,对土壤养分、植物生长以及微生物活动的那部分有机碳,主要包括土壤中水溶性有机碳、盐溶液有机碳、微生物量碳、热水浸提有机碳、以及其它一些在土壤中易于氧化分解的游离有机碳部分,其动态变化不但直接影响土壤养分状况和土壤中碳的转化和循环,而且反映了地表植物群落的空间分布和时间上的演替[12]。有研究表明土地利用变化后,一方面使土壤有机质数量发生变化而影响土壤有机碳和活性有机碳含量,另一方面也使土壤有机质的稳定性和质量发生变化而使土壤活性有机碳与非活性有机碳发生转变[13]。Blair[14]、Nelson[15]等的研究也发现林地变成农田后,虽然土壤活性有机碳含量下降,但由于土壤有机质稳定性和质量下降,使一部分非活性有机碳变成活性有机碳;龚伟[16]等研究表明随着时间的推移,土壤有机碳、水溶性有机碳、微生物量碳变化规律相似,总体上呈现上升趋势。本研究认为,坡耕地改造成梯田后,山坡地农业生产的基础条件得到改善,改变了原有的坡长坡度,使降雨对土壤结构的破坏作用减弱,土壤的通透性增强,使其更多的降水就地入渗,蓄存于土壤中,使土不下坡,水不下沟,改变了土壤水肥气热状况,加之农业经营活动的集约化和合理化,连年的耕作及有机和无机肥料的投入,使得土壤有机碳含量、活性有机碳组分含量增加,土壤质量不断提高。

表4 土壤碳库组分与坡耕地改造梯田年限的耦合关系

土壤活性有机碳的氧化稳定性和抗生物降解能力是反映土壤碳库的重要指标,对评价土壤有机质和土壤肥力状况有重要意义。土壤活性有机碳组分占总有机碳含量的比例总体上不高,但对维持土壤肥力及土壤碳贮量变化方面具有重要的作用。姜培坤[17]、龚伟[16]等研究表明不同林分下的土壤水溶性有机碳、微生物量碳以及易氧化碳含量与土壤全氮、水解氮、有效磷和速效钾含量之间呈极显著正相关。本研究也发现土壤活性有机碳组分中,EOC1、EOC2、溶性有机碳、热水浸提有机碳以及微生物量碳与土壤主要肥力因子相关性显著,这证实了土壤活性有机碳对土壤肥力状况具有一定的指示作用,同时也说明了坡耕地改造梯田后土壤总有机碳和活性有机碳组分含量增加,是引起土壤肥力改善的重要原因。

综上所述,黄土丘陵区坡耕地改造梯田后,土壤碳库组分含量变化显著,并随改造年限呈线性增加,30 a后,土壤有机碳(TOC)、重铬酸钾易氧化态碳(EOC1)、高锰酸钾易氧化态碳(EOC2)、水溶液性有机碳(DOC)、热水浸提有机碳(HWOC)、K2SO4浸提有机碳(CK2SO4)、碳水化合物以及微生物量碳(MBC)碳较坡耕增幅分别达146%、213%、196%、97%、246%、240%、234%和134%。相关性分析表明:有机碳、EOC1、EOC2、水溶性有机碳、热水浸提有机碳、微生物量碳与土壤养分相关性显著,可以作为坡耕地改造梯田中评价土壤肥力的指标。从以上结果可以看出,侵蚀环境下的坡耕地由于受到人为活动的干扰,土壤碳库含量较低,而实施坡耕地改造成梯田可以提高土壤碳库组分含量,改善土壤肥力状况。

[1]王清奎,汪思龙,冯宗炜,等.土壤活性有机质及其与土壤质量的关系[J].生态学报,2005,25(3):513-519.

[2]沈宏,曹志洪,胡正义.土壤活性有机碳的表征及其生态效应[J].生态学杂志,1999,18(3):32-38.

[3]Blair G J,Lefroy R D B,Lisle L.Soil carbon fractions based on their degree of oxidation and the development of a carbon management index for agricultural systems[J].Australian Journal of Agricultural Research,1995,46(7):1459-1466.

[4]姜培坤.不同林分下土壤活性有机碳库研究[J].林业科学,2005,41(1):10-13.

[5]程积民,万惠娥,王静.黄土丘陵区山桃灌木林地土壤水分过耗与调控恢复[J].土壤学报,2003,40(5):691-696.

[6]蔡进军,张源润,火勇,等.宁南山区梯田土壤水分及养分特征时空变异性研究[J].干旱地区农业研究,2005,23(5):83-87.

[7]余峰,董立国,赵庆丰,等.宁夏半干旱地区梯田土壤水分动态变化规律研究[J].水土保持研究,2007,14(1):288-291.

[8]张源润,蔡进军,董立国,等.半干旱退化山区坡改梯地土壤养分变异特征研究[J].干旱区资源与环境,2001,21(3):121-124.

[9]焦菊英,王万中.黄土高原水平梯田质量及水土保持效果的分析[J].农业工程学报,1999,15(2):59-63.

[10]卢宗凡,梁一民,刘国彬.黄土高原生态农业[M].西安:陕西科学技术出版社,1997.

[11]鲁如坤.土壤农业化学分析方法[M].北京:中国农业科技出版社,1999.

[12]王晶,解宏图,朱平,等.土壤活性有机质(碳)的内涵和现代分析方法概述[J].生态学杂志,2003,22(6):109-112.

[13]Six J,Contant R T,Paul E A,et al.Stabilization mechanisms of soil organic matter:implications for C-saturation of soils[J].Plant and Soil,2002,241:155-176.

[14]Blair G J,Crocker G J.Crop rotation effects on soilcarbon and physical fertility of two Australian soils[J].Australian Journal of Soil Research,2000,38:71-84.

[15]Nelson P N,Baldock J A,Oades J M.Change in dispersible clay content,organic carbon contents and electrolyte composition following incubation of sodic soil[J].Australian Journal of Soil Research,1998,36:883-897.

[16]龚伟,胡庭兴,王景燕,等.川南天然常绿阔叶林人工更新后土壤碳库与肥力的变化[J].生态学报,2008,28(6):2536-2545.

[17]姜培坤,周国模,徐秋芳.雷竹高效栽培措施对土壤碳库的影响[J].林业科学,2002,38(6):6-11.