不同恢复模式对草甸草原带土壤碳积累的影响

白 龙,孙晓凯,刘 英,王晓红,韩志松

（沈阳农业大学园艺学院草业科学系,辽宁沈阳 110866）

草地生态系统是陆地上面积最大的生态系统,全球草地生态的碳储量约占陆地生态系统总碳储量的15.2%[1],草地土壤的碳储量约占草地总碳储量的89.4%[2]。可见,草地土壤碳积累特征对草地生态系统碳循环研究及大气碳浓度变化规律的掌握有很重要的意义。草地生态系统的覆盖类型主要以林地、灌丛草地、牧草地、耕地（旱田）、水田为主。林地土壤碳储量多,转化为农田或牧草地会导致土壤碳流失[3-4]。Post和Kwon[5]认为林地转变为牧草地后可导致地上部分碳储量减少,然而土壤有机碳则未必流失。Bashkin和Binkey[6]的研究表明,草地（甘蔗地）上种植桉树（Eucalyptus）11年后表层土壤有机碳虽增加但总量流失。曹吉鑫等[7]在宁夏的研究表明,油松林的土壤有机碳储量比灰榆林高3倍。石峰等[8]的研究表明,围封对山地草地的土壤有机碳的增量尤为明显。这些结果意味着土地利用与土壤碳积累方面存在很多不确定因素,需要更多试验数据的积累。

20世纪60年代初开始,辽宁省风沙地改良利用研究所采取林地、草地、林草等不同恢复模式,研究不同恢复模式对沙化草地恢复的效果。本试验以林地、栽培草地、天然草地、果-草、果-田及农田等6种恢复模式为对象,分析了不同利用模式对草地土壤碳积累的影响及分布特点,明确草甸草原区不同利用模式的碳积累特点,为掌握土地利用变化引起的土壤碳释放变化提供理论依据。

1 研究区概况与方法

1.1 研究区概况本试验在沈阳农业大学野外实验基地——辽宁省风沙地改良利用研究所章古台试验站内进行。该基地位于辽宁省阜新市彰武县章古台镇（42°43′N,122°22′E）,地处科尔沁沙地南缘,海拔226.5 m。起伏缓和的丘陵地带,土壤为风沙土。年均温6℃左右,年均降水量500 mm左右,6-9月的降水量占全年的70%以上,年均蒸发量为1 750 mm左右,属草甸草原地带。该试验站1964年建立,建立前属严重沙化的流动沙丘,经过围封保护、推平后,采取不同模式促进生态系统的恢复。在基地范围内选取以下6种土地恢复模式为研究对象:林地模式、果-草利用模式、果-田利用模式、栽培草地、天然草地、农田模式。

林地模式:1964年种植的樟子松（Pinussylvestrisvar.mongolica）防风固沙林,行距 3.0 m,株距2.8 m。

果-草利用模式:2002年之前以种植花生（Arachishypogaea）、玉米（Zea mays）等农作物,2002年开始大扁杏（Prunus armeniaca）和紫花苜蓿（Medicago sativa）、麻黄（Ephedra sinica）套作,扁杏行距为8 m,本次试验选取大扁杏-紫花苜蓿模式。

果-田利用模式:2002年之前种植花生、玉米等农作物。2002年开始大扁杏和玉米轮作,大扁杏行距为8 m,玉米施用化肥和农家肥（羊粪）。

栽培草地:2006年之前种植玉米。2006年后改成羊草（Leymus chinensis）草地。

天然草地:1964年后的原始状态,当地叫“原始圃”。差巴嘎蒿（Artemisia halodendron）、冷蒿（A.f rigida）、冰草（Agropyron cristatum）、胡枝子（Leapedeza bicolor）等灌木和草本为主的草地群落,盖度在40%左右。

农田模式:种植玉米已有20余年,施加农家肥（羊粪）和化肥。

山谷有诗《赠嗣直弟颂十首》，如“饥渴随时用，悲欢触事真。十方无壁落，中有昔怨人”，“江南鸿雁行，人言好兄弟。无端风忽起，纵横不成字”，“往日非今日，今年似去年。九关多虎豹，聊作地行仙”，“万里唯将我，回观更有谁。初无卓锥地，今日更无锥”，从中可以窥见山谷突遭变故漂泊天涯之心境。

以上不同土地利用模式的前提均为沙地,建所之后经过推平、围封后,保护至今,有很高的可比性。

1.2 研究方法

1.2.1土样采集及土壤容重的测定 2009年7月,在6种利用模式中分别选出平坦、并具有代表性的地块后,进行土样的采集工作。

土壤容重的测定:在6种模式中分别挖出1 m深土壤剖面各一个,以20 cm为间隔划分0～20、20～ 40、40～ 60、60～ 80、80～ 100 cm 的 5层后,用100 cm3环刀在每层中间取土壤3次,带回实验室测定土壤容重。

土样的采集:果-草、果-田模式是大扁杏和紫花苜蓿,大扁杏和玉米的套作模式,大扁杏行距为8 m,植被差异较大。在以上2种模式的样地上各选择样方5个。林地、天然草地、栽培草地、农田4种模式,植被差异较小,在每种模式的样地上个选择样方3个。每个样方均匀选择3个点,按 0～20、20～40、40～60、60～ 80、80～100 cm 深度用土钻分层取样并混合后取500 g带回实验室分析。

1.2.2有机碳含量测定 土壤有机碳含量用重铬酸钾容量法-外加热法来测定[9]。在外加热的条件下（温度为180℃,沸腾5 min）用一定浓度的重铬酸钾-硫酸溶液氧化土壤有机质（碳）,剩余的重铬酸钾用硫酸亚铁来滴定,从所消耗的重铬酸钾量,计算有机碳含量。本方法测得的结果,与干烧法对比,只能氧化90%的有机碳,因此将测得的有机碳乘上校正系数1.1,以计算有机碳量。有机碳含量的计算公式:

式中,SOC为土壤有机碳含量（g/kg）,c为0.8 000 mol/L（1/6K2Cr2O7）标准溶液的浓度；5为重铬酸钾标准溶液加入的体积（mL）；V0为空白滴定用去FeSO4体积（mL）；V为样品滴定用去FeSO4体积（mL）；3.0为1/4碳原子的摩尔质量（g/mol）；10-3为将mL换算为L；1.1为氧化校正系数；m为风干土样质量（g）；k为将风干土换算成烘干土的系数。

1.2.3有机碳密度的计算 测定有机碳含量后,根据不同土层的容重,算出不同土层的有机碳密度。有机碳密度计算公式为:

式中,SOCt为1 m深土层总有机碳密度（t/hm2）；SOCi为不同土层有机碳密度（t/hm2）；Ci为i土层有机碳含量（g/kg）；Di为i土层土壤容重（g/cm3）；Ei为i土层土层厚度（cm）；Gi为i土层中大于2 mm的石砾所占的体积百分比（%）；i代表不同土层。本试验地土壤为风沙土,大于2 mm的石砾极少,因此本研究中对Gi忽略不计。

1.3 数据处理计算结果用DPS统计软件的完全随机设计单因素试验统计分析Tukey法进行方差分析[10]。

2 结果与分析

2.1 不同恢复模式下土壤有机碳含量变化特征果-田利用模式的变化幅度最大,为0.24%～0.84%,土层的有机碳含量从上到下明显逐渐减少,0～20和20～40 cm土层有机碳含量极显著高于40～60、60～80和80～100 cm 土层的有机碳含量（P＜0.01）。果-草利用模式下,有机碳含量变化幅度最小,为 0.28%～0.46%,0～20、20～40和40～60 cm土层有机碳含量显著高于 60～80和80～100 cm土层的有机碳含量（P＜0.05）。栽培草地模式下,土层从上到下有机碳含量基本是逐渐减少,只有40～60比20～40 cm土层有机碳含量稍稍增加,但差异不显著（P＞0.05）,0～20 cm土层有机碳含量极显著高于其他土层（P＜0.01）。农田模式下,有机碳含量随土层加深逐渐减少,0～20和20～40 cm土层有机碳含量极显著高于其他土层（P＜0.01）。林地模式下,40～60 cm土层比0～40 cm土层有机碳含量稍稍增加,但差异不显著（P＞0.05）,0～20、20～40和40～60 cm 土层有机碳含量极显著高于60～80和80～100 cm土层的有机碳含量（P＜0.01）。天然草地模式下,40～60 cm土层有机碳含量比20～40 cm土层稍稍减少且差异不显著（P＞0.05）,80～100与60～80 cm土层的有机碳含量极显著高于0～20、20～40和40～60 cm 土层的有机碳含量（P＜0.01）。

果-田模式0～20 cm土层有机碳含量最大达到0.84%,林地模式80～100 cm土层有机碳含量最小,为0.14%。6种模式在100 cm土层有机碳含量均值:农田模式（0.62%）＞果-田恢复模式（0.49%）=栽培草地模式（0.49%）=林地模式（0.49%）＞天然草地模式（0.45%）＞果-草恢复模式（0.40%）。在6种利用模式中,除了天然草地模式外,其他5种模式的有机碳含量具有随土层深度增加逐渐减少的趋势,天然草地的有机碳含量具有随土层深度增加逐渐增加的趋势。

2.2 不同恢复模式下土壤有机碳密度值及变化特征有机碳密度变化特征与有机碳含量变化特征不同（表2）。果田、农田模式的有机碳含量在不同土层之间有着明显的差异,但有机碳密度却不明显。

表1 不同土地利用模式不同土层的有机碳含量

表2 不同土地利用模式不同土层的有机碳密度变化

在0～20 cm土层,果-田模式、农田模式和栽培草地模式之间差异不显著（P＞0.05）,且显著高于其他3种模式的有机碳密度（P＜0.05）。在20～40 cm土层,农田模式显著高于其他5种模式的有机碳密度（P＜0.05）。在40～60 cm土层,农田和林地模式之间差异不显著（P＞0.05）,但均极显著高于其他4种模式的有机碳密度（P＜0.01）,果-田、果-草、栽培草地和天然草地模式之间差异不显著（P＞0.05）。在60～80 cm土层,农田和天然草地模式极显著高于其他4种模式的有机碳密度（P＜0.01）。在80～100 cm土层,天然草地模式极显著高于其他模式的有机碳密度（P＜0.01）,果-田、果-草、栽培草地和农田模式之间差异不显著（P＞0.05）,林地模式极显著低于其他模式的有机碳密度（P＜0.01）。

0～100 cm的5个土层,果-田模式的0～20 cm土层有机碳密度最大为26.76 t/hm2,林地模式80～100 cm土层有机碳密度最小为4.60 t/hm2,0～100 cm有机碳密度总量大小排序:农田模式（103.76 t/hm2）＞果-田恢复模式（82.45 t/hm2）＞栽培草地模式（78.32 t/hm2）＞林地模式（77.74 t/hm2）＞天然草地模式（70.71 t/hm2）＞果-草恢复模式（66.56 t/hm2）,农田模式极显著高于其他模式的有机碳密度（P＜0.01）。

2.3 不同恢复模式下土壤有机碳积累特征果-田和栽培草地模式的有机碳贮量0～100 cm土层从上到下逐渐降低（图1）。果-草、农田和林地模式有机碳贮量在0～60 cm土层变化较小,在60～100 cm土层逐渐降低。天然草地模式的有机碳贮量在0～60 cm变化较小,在60～100 cm明显增加。

图1 不同利用模式下不同土层间有机碳贮量特征

图2 不同利用模式下不同土层有机碳分布比例

在0～100 cm深土层,果-田和林地模式1/3左右的有机碳贮量分布在0～20 cm土层,60%左右的有机碳贮量分布在0～40 cm土层内,80%左右的有机碳贮量分布在60 cm以内的土层内（图2）。果-草、栽培草地和农田模式,30%左右的有机碳贮量集中分布在0～20 cm土层,50%左右的有机碳贮量分布在0～40 cm土层内,70%左右的有机碳贮量分布在60 cm以内的土层内。而在天然草地,40 cm以内的有机碳贮量只占1/3左右,60 cm以内的有机碳贮量才能达到50%左右。

3 讨论与结论

3.1 不同恢复模式下土壤碳积累的差异研究表明,科尔沁沙地南缘6种不同模式的表层（20 cm内）土壤有机碳含量在0.29%～0.84%。农田模式最高。一般情况下,同一地区农田的有机碳含量低于草地、林地,乔有明等[11]的结论是农田土壤有机碳贮量低于栽培草地和围栏草地。但以往的研究也证明[12],科尔沁沙地的大多数农田的有机质含量高于草地。本次研究中的农田模式的作物为玉米,种植20余年,辽宁省风沙地改良利用研究所自养的200只羊的羊粪都施肥于玉米地里。有研究报告,有机物施肥有助于提高土壤有机碳含量[13],这也许导致农田模式有机碳含量居高的原因。林地和草地在自然状态下,能够反映本地区的有机碳积累能力。表层内,林地有机碳含量为 0.68%,草地0.29%,比科尔沁沙地中部偏少。

3.2 不同恢复模式下土壤碳积累的垂直分布特点在6种恢复模式中,有机碳的垂直分布出现三大类型。其中,果-田、栽培草地模式的有机碳贮量随土层深度逐渐减少。本结果与杨晓梅等[14]、孔玉华等[15]、李裕元等[16]在黄土高原森林草原区、辽宁北部的围封草地、黄土高原北部草地的研究结果基本一致。

天然草地恢复模式的有机碳贮量却有随土层深度逐渐增加的趋势。这个结果不符合常规。土壤碳库是有机质输入量和土壤呼吸的平衡结果,当土壤呼吸强度大于有机质输入量时,会出现表层土壤有机碳储量逐渐减少。也许是本研究中的草地的土壤呼吸强度高于有机质输入量导致的结果。另外,可能是试验站始建当初平整土地时,地上部分的植被及凋落物等有机物被填埋到下层,导致土壤深层有机碳储量比表层多。

还有一类是林地和果-草恢复模式,1 m深的有机碳储量在0～60 cm内无显著（P＞0.05）变化,60 cm以下逐渐减少。林地与草地不同,林地的土壤有机碳输入主要以地上凋落物为主,土壤表层中（0～20 cm）形成明显的有机质层[17]。但是本研究结果没出现表层成层现象。本次试验中的林地虽然种植年限也有40余年,但结构较单一,除了人工种植的樟子松以外没有其他灌木类,土壤表层的凋落物也比较少,归还土壤的有机物量少。另外,和草地一样,也许是表层土壤的碳释放量过快引起的。果草模式中,牧草刈割土壤表层没有有机物覆盖,导致归还土壤的有机物量少,这可能是没有形成表层土壤有机碳储量过高的原因。

在0～100 cm深土层,除了天然草地外的5个利用模式,土壤有机碳贮量的80%左右在0～60 cm,而在天然草地,40 cm以内的有机碳贮量只占1/3左右,60 cm以内的有机碳贮量才能达到50%左右。通常,1 m深森林土壤内,有机碳的50%分布在表层20 cm以内,而草地仅有42%[17]。但本研究中,林地土壤20 cm内的有机碳积累量只占30%左右。林地是1964年种植的樟子松针叶林,凋落物少于阔叶林,这也许影响林地土壤表层有机碳积累量少的缘故。

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