李小宇, 李 勇, 于寒青, 张迎珍, 过治军
(1河南师范大学生命科学学院,新乡 453007; 2中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所,北京 100081)
退耕还林坡地土壤CO2排放的空间变化:地形的控制作用
李小宇1,2, 李 勇2*, 于寒青2, 张迎珍2, 过治军1
(1河南师范大学生命科学学院,新乡 453007; 2中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所,北京 100081)
【目的】 退耕还林还草引起地表植被盖度变化不仅能有效控制坡耕地的土壤侵蚀,而且会显著增加土壤有机碳储量。但目前关于退耕坡地人工恢复植被后土壤CO2排放的空间变化及其控制机理却较少研究,增大了定量估算退耕还林工程土壤碳循环效应的不确定性。本文以黄土丘陵典型退耕还林坡地为对象,研究了土壤CO2排放的空间变化及其控制机理,为进一步认识黄土高原有机碳库周转和估算陆地生态系统碳收支提供科学依据。【方法】为了确定人工林山坡土壤CO2排放空间变异及其影响因素,将人工林全山坡划分为峁顶、峁坡、坡上部、坡中部和坡下部5个坡位,并按照从峁顶到坡下部沿顺坡断面每间隔10 m确定一个研究小区,利用点测法测定不同植被类型盖度,利用原状根钻采集土壤剖面样品用于测定根系密度、土壤有机碳(SOC)含量和137Cs面积含量,并利用LI-8100碳通量自动测量仪原位测定土壤CO2排放速率的季节变化,同时测定土壤水分和表层土壤5cm深度的温度,利用相关回归分析法确定影响土壤CO2排放空间变化的主要因素。【结果】试验期间,不同坡位土壤CO2排放速率均表现为夏季 > 秋季 > 春季。与春季相比,人工林全山坡土壤CO2排放速率的平均值在夏、秋季分别增加了48%和9%。研究期内人工林坡地土壤CO2排放速率在春、夏、秋三个季节具有相同的空间分异特征,其平均值的大小为峁顶(参考点)[2.51±0.07 μmol/(m2·s)]> 峁坡[2.19±0.17 μmol/(m2·s)]>坡下部[1.88±0.12 μmol/(m2·s)]>坡中部[1.71±0.09 μmol/(m2·s)]> 坡上部[1.62±0.12 μmol/(m2·s)]。与峁顶参考点相比,坡上部和坡中部的137Cs面积含量分别减少了46%和29%;峁坡和坡下部的137Cs面积含量分别增加了88%和52%,这说明研究区人工林山坡的坡上部发生了严重土壤侵蚀,坡中部发生了轻度土壤侵蚀,而峁坡和坡下部则发生了土壤堆积,尤以峁坡的土壤堆积最为显著。人工林坡地土壤CO2排放的空间变化与地形坡度、137Cs面积含量(土壤侵蚀指标)均呈显著相关关系(P<0.01),与土壤水分、土壤温度和SOC储量只在夏季有显著相关(P<0.01),在其它季节无显著相关性;人工林坡地土壤CO2排放的空间变化与植被根系密度无明显相关性。【结论】地形坡度变化驱动的土壤侵蚀和堆积过程是控制黄土丘陵区人工林坡地土壤CO2排放空间分异的主要因子,应在定量评价退耕还林工程的土壤固碳效应时予以考虑。
人工林坡地;土壤CO2排放;137Cs面积含量;土壤侵蚀;地形坡度
土壤呼吸(即土壤CO2排放)是全球碳循环的重要组成部分,同时也是陆地植物固定的CO2返回大气的主要途径[1]。土壤每年向大气释放的CO2为68~80Pg,将近大气中碳的10%,达到全球化石燃料燃烧CO2释放量的10倍以上[2]。因此,土壤释放量的微小变化会对大气中CO2浓度产生显著影响。退耕还林还草引起地表植被盖度变化不仅能有效控制坡耕地的土壤侵蚀,而且会显著增加土壤有机碳储量[3-4],对全球陆地生态系统的碳平衡有重要影响[5]。但目前关于退耕坡地人工恢复植被后土壤CO2排放的空间变化及其控制机理却较少研究,增大了定量估算退耕还林工程土壤碳循环效应的不确定性。
土壤CO2排放受到诸多环境因子的综合影响,如土壤温度、土壤水分、土壤孔隙度、土壤有机质等土壤理化因子[6-7];此外还受土壤微生物活性[8]、地表凋落物厚度[9]的影响。其中土壤温度和土壤水分是影响土壤CO2排放的主要因子[10-11]。现有研究结论多是基于平坦地形或同一地貌类型[12]得出的,但愈来愈多的研究表明,地形对土壤CO2排放有重要影响[13-14],地形可以通过改变土壤水热条件和土壤有机碳等土壤养分[15-16]来影响土壤CO2排放速率。
黄土高原是全球土壤侵蚀最为严重的地区,长期农业耕作是黄土高原土壤侵蚀的主要原因。已有研究表明,农业侵蚀坡地景观的土壤CO2排放在侵蚀区显著高于堆积区,土壤侵蚀引起的土壤有机碳再分布控制了土壤CO2排放的空间变化[17-18]。植被是防止土壤侵蚀,保持水土的有效手段,研究表明,农地撂荒后裸地土壤呼吸速率有所下降,但还草或者还林后土壤呼吸强度增加近2倍[19]。然而,对于黄土丘陵地区退耕还林后,土壤CO2排放的空间变化特征的研究则较少。本文以黄土丘陵典型退耕还林坡地为研究对象,研究土壤CO2排放的空间变化及其控制机理,为进一步认识黄土高原有机碳库周转和估算陆地生态系统碳收支提供科学依据。
试验区位于黄土高原北部陕西省延安市碾庄流域的羊圈沟小流域(109°31′E,36°42′N),属典型的梁峁状丘陵沟壑区。海拔1025~1250m,流域面积2.02 km2[4]。属于暖温带半干旱季风气候,年平均气温为9.9℃,年均降水量550mm,70%的降水集中在7~9月[8]。土壤类型为黄绵土,抗蚀性差,水土流失严重,植被类型为典型人工林,主要植被为刺槐(BlackLocust)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、杏树(PrunusarmeniacaL.)以及芒草(StipabungeanaTrin.)、白羊草(Bothriochloaischaemum)、苜蓿(MedicagosativaLinn)等。
2.1 人工林样地特征
在羊圈沟小流域,选择了长期监测的全山坡景观,坡长约为250m,1998年前为农地,1999年退耕变为林地。根据地形和坡度将该山坡划分为峁顶(平坦参考点)、峁坡、坡上部、坡中部和坡下部[4]。研究山坡的坡度和植被类型盖度分布特征如表1所示。
注(Note): 同列数值后不同字母表示不同坡位差异达到5%显著水平 Values followed by different letters at the different slope mean significant at 5% level.
2.2 试验布设
在选定的人工林山坡,选取3个顺坡断面,每个断面之间的距离为10~15 m。沿每个顺坡断面,从峁顶到坡底(250 m)每间隔10 m建立一个研究小区(1.5 m×1.5 m),全山坡共建立78个研究小区。另外在峁顶部平坦部位建立3个研究小区作为没有侵蚀或堆积的参考点。
在建立的研究小区,首先于2012年5月进行不同植被类型盖度及其根系密度、土壤有机碳(SOC)和137Cs比活度的测定,然后在2012年5~9月和2013年3~11月期间对每个研究小区内不同季节的土壤CO2排放速率进行监测,同时测定土壤水分和表层土壤5cm深度的温度。为了确定土壤CO2排放速率的空间变异及其影响因素,将人工林全山坡划分为峁顶、峁坡、坡上部、坡中部和坡下部5个坡位(表1)。因2013年5月下旬修路穿过峁坡部位,所以本研究在该时间之前的监测包括了5个坡位,之后的监测不包括峁坡。
2.3 测定项目和方法
植被盖度的测定: 人工林山坡不同植被类型盖度的测定在上述研究小区内进行,植被盖度用点测法[20]确定。
在每个研究小区内用原状根钻(直径8 cm)采集0—30 cm土壤剖面样品,每个剖面样品切割为0—15 cm和15—30 cm两个层次,用于测定土壤137Cs、根系密度与土壤有机碳(SOC)含量。
土壤中根系密度的测定用冲洗法,其步骤为: 先将土样风干过2 mm筛,挑出土样中的根系并清洗,用游标卡尺测量根系的直径,将根系分为<1 mm、1~2 mm、2~5 mm、5~10 mm 和>10 mm 5个径级,然后烘干(105℃,16~20 h)、称重[21],计算土壤中不同径级的根系密度。
采集的土样风干,过2 mm筛后分为两部分,一部分利用HP Ge Gamma谱仪测定137Cs比活度(Bq/kg),计算土壤137Cs面积含量(Bq/m2)[3]。通过比较研究区与没有侵蚀和堆积的参考点的137Cs面积含量,定性评价土壤侵蚀的强度,如果采样区的137Cs面积含量小于参考点,说明发生了土壤侵蚀,反之则发生了土壤堆积[3]。另一部分土样利用Multi N/C3000 TOC/TN分析仪测定土壤SOC。土壤容重用环刀法测定[22]。
土壤中CO2的测定: 当完成上述土壤和植被的调查和土壤样品采集后,在每个试验小区布设PVC环,采用 Li-8100开路式土壤碳通量测量仪测定土壤CO2排放速率。其监测程序如下: 在测定的前一天, 将直径为10 cm的PVC环埋入样点较为平坦的地段,使PVC环顶端距离地面2cm,去除环内及周围地表的草本和凋落物。为了减少扰动性,放置环24h后再开始测定。在测定CO2释放的同时,测定5cm深度处的土壤温度和6 cm深度的土壤水分变化。土壤CO2排放监测时间为2012年5~9月和2013年3~11月,每月的中、下旬测定1~2次。每次监测在当天的上午9: 00~11: 00点完成,作为当日的土壤CO2排放速率均值[23]。2013年7月份因研究地区发生强暴雨事件,没有进行土壤CO2、土壤水分和温度的监测。
2.4 数据分析
土壤有机碳储量SOCi(t/hm2)的计算公式如下:
SOCi=CiDiEi/10
(1)
式中,i为研究的土层;Ci为土壤有机碳浓度(g/kg);Di为土壤容重(g/cm3);Ei为土层深度(cm);10为换算系数。若某一剖面有k层组成,那么该剖面的有机碳储量SOCstock的计算公式为:
(2)
研究山坡不同坡位的土壤CO2排放速率、植被根系和土壤参数的空间分布用平均值表示,为该坡位所有观测区获得的监测数据的算术平均值,土壤CO2排放速率、土壤水分和土壤温度的季节变化划分为春季(3~5月)、夏季(6~8月)和秋季(9~11月),其季节土壤CO2排放速率值为不同观测季节的算术平均值。
数据处理和制图在Excel 2013中完成。土壤CO2排放速率与地形坡度、137Cs面积含量、土壤有机碳储量、土壤水分、温度、植被根系参数的相关性分析及这些参数在不同坡位之间的差异性分析(ANOVA)利用SPSS19.0软件完成。
3.1 不同季节土壤CO2排放的空间分布特征
在试验期间,不同坡位的土壤CO2排放速率均表现为夏季 > 秋季 > 春季(图1)。与春季相比,人工林全山坡土壤CO2的平均值在夏、秋季分别增加了48%和9%。不同坡位的土壤CO2排放速率在不同季节的变化均为峁顶参考点[2.51±0.07 μmol/(m2·s)]>峁坡[2.19±0.17 μmol/(m2·s)]>坡下部[1.88±0.12 μmol/(m2·s)]>坡中部[1.71±0.09 μmol/(m2·s)]>坡上部[1.62±0.12 μmol/(m2·s)]。与峁顶参考点比较,不同季节土壤CO2排放的平均值在峁坡、坡上部、坡中部和坡下部分别降低了13%、36%、32%和25%。在春季和夏季,峁顶土壤CO2的排放速率显著大于峁坡、坡上部、坡中部和坡下部四个坡位,但这四个坡位之间的土壤CO2排放速率无显著差异(P>0.05)(图1)。而在秋季,与峁顶和峁坡比较,坡上部和坡中部的土壤CO2排放速率显著减小。[注(Note): 柱上不同字母表示不同坡位差异达到5%显著水平 Different letters above the bars at the different slope mean significant at 5% level.]
3.2 土壤温度和土壤水分的空间变化
观测期间,人工林坡地土壤温度和水分变化具有明显的季节性分布特征,土壤温度为夏季>春季>秋季(图2A),而土壤水分的变化与降水量基本一致(图3)。2012年7月份出现降水量和土壤水分发生的较大差异可能由于较大的暴雨产生径流导致土壤蓄水能力减弱,而在2013年10月、11月发生的降水量与土壤水分不一致现象,可能是由于该时段降雨量虽小,但土壤的蒸发量显著降低,从而表现为该时期的土壤含水量相对较高。
人工林坡地不同坡位土壤温度的分布特征如图2A所示。结果表明,土壤温度的空间变化表现为从峁顶沿顺坡方向到坡下部逐渐减小,这种减小的趋势在春季最为明显,夏季和秋季较小。3个季节中峁顶和峁坡均显著大于坡中部和坡下部, 而坡上部与坡中部和坡下部的差异在3个季节中则不一致。对比土壤水分的空间变化(图2B),在春季和秋季坡上部的土壤水分显著大于坡下部(P<0.05),并且在秋季峁顶、峁坡显著大于坡中部和坡下部,而夏季不同坡位的土壤水分含量则无明显差异。
[注(Note): 柱上不同字母表示不同坡位差异达到5%显著水平Different letters above the bars at the different slope mean significant at 5% level.]
3.3137Cs和土壤有机碳(SOC)储量的空间变化
研究人工林山坡不同坡位137Cs面积含量与峁顶(参考点)之间的差异可以定性评价该山坡土壤侵蚀堆积的空间变化。与峁顶参考点相比,坡上部和坡中部的137Cs面积含量分别减少了46%和29%;峁坡和坡下部的137Cs面积含量分别增加了88%和52%(表2)。说明所研究山坡的坡上部发生了严重的土壤侵蚀,坡中部发生了轻度土壤侵蚀,而峁坡和坡下部则发生了土壤堆积,尤以峁坡的土壤堆积最为显著。
与137Cs的空间变化不同,SOC储量的空间分布在不同坡位之间除坡上部外,其余坡位之间无显著差异(表2)。SOC储量在峁顶部最小,坡上部最大。与峁顶部比较,峁坡、坡上部、坡中部和坡下部的SOC储量分别增加了21%、39%、13%和7% (表2)。
注(Note): 同一列不同字母表示不同坡位差异达到5%显著差异 Values followed by different letters at the different slope mean significant at 5% level.
3.4 植被根系的空间分布特征
分析人工林植被不同径级的根系的空间变化,发现<1 mm的根系密度沿顺坡方向呈明显下降趋势(图4)。峁顶和峁坡的<1 mm根系密度最高(44.79±8.07 g/m2和39.36±1.44 g/m2),分别是坡上部、坡中部、坡下部的1.70、1.60、1.73倍和1.49、1.40、1.53倍,<1 mm的根系密度分别占峁顶、峁坡、坡上部、坡中部和坡下部全部根系密度的59%、 53%、22%、32%和33%。虽然其余四个径级的根系密度在不同坡位之间没有显著差异(P>0.05),但2~5 mm、 5~10 mm和>10 mm三个径级的粗根在坡上部相对于其它坡位所占的比重较大(图4)。
[注(Note): 柱上不同字母表示不同坡位差异达到5%显著水平 Different letters above the bars at the different slope mean significant at 5% level.]
3.5 影响土壤CO2排放空间变化的因素
为了确定影响人工林坡地土壤CO2排放速率的空间变化因素,分析了其与土壤水温条件、土壤有机碳(SOC)储量、植被根系参数、坡度、侵蚀等参数的相关性(表3)。发现在同一坡位,不同季节土壤CO2排放速率随土壤温度的增加呈指数函数增加(P<0.01),与土壤水分呈显著线性正相关(P<0.05)。但土壤CO2排放速率的空间变化仅在夏季与土壤温度呈极显著正相关(P<0.01),与土壤水分呈极显著负相关(P<0.01),而在春、秋季与土壤温度和土壤水分无显著相关性(表3);SOC储量的空间变异对土壤CO2排放速率的影响与土壤水分的作用类似,即在夏季与土壤CO2排放速率呈显著负相关(P<0.05),在春、秋季无显著相关性。植被根系密度的空间变化与土壤CO2排放速率的空间变化无明显相关性。
与土壤水温条件、土壤SOC储量和植被根系参数不同,人工林坡地形态和侵蚀参数的空间变化与土壤CO2排放速率的空间变异在试验期间均呈极显著相关性,即与坡度呈负相关(P<0.01),与137Cs面积含量呈正相关(P<0.01)。
本研究发现人工林坡地土壤CO2的季节性排放速率具有明显的空间分异特征,均为峁顶(参考点) > 峁坡 > 坡下部 > 坡中部 > 坡上部。人工林坡地土壤CO2排放速率在不同坡位的空间变化与地形坡度和侵蚀参数的量值大小呈极显著相关性(P<0.01),坡上部到坡中部侵蚀区土壤CO2排放速率小于堆积区(峁坡、坡下部),这一结果与Li等[17]在黄土丘陵区侵蚀坡耕地和Fiener等[18]研究德国农业小流域的研究结果相一致。这进一步证明,土壤CO2排放速率与坡度、土壤侵蚀程度呈负相关关系[14, 24],土壤侵蚀会显著导致土壤CO2排放减小,土壤堆积导致土壤CO2排放增大。但是本研究发现,在无侵蚀无堆积的峁顶部的土壤CO2排放速率显著大于堆积区,这是因为峁顶草类植被<1mm径级的细根密度显著大于堆积区,另外在该部位接受日光照射强度明显大于人工林覆盖的堆积区,土壤温度较高,促进了土壤的呼吸强度。
注(Note): *,**分别表示在0.05和0.01水平上差异显著Indicate significantly different at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively.
周正朝等[6]认为,人工林地土壤CO2排放速率与土壤有机碳(SOC)含量呈正相关关系,但本研究结果表明,土壤CO2排放速率与0—30 cm 的SOC储量无明显相关性,二者结果不一致。这可能是因为黄土陡坡地形,尽管坡上部和坡中部SOC储量大于坡下部,但由于水蚀(面蚀)过程的分选作用导致土壤表层细颗粒物质(活性有机质)流失,降低了土壤呼吸作用,而来自于上部侵蚀区的细颗粒物质堆积在坡下部,对该区“土壤呼吸” 产生激发效应,因而堆积区土壤CO2排放速率增大。Daniel等[13]通过对法国热带雨林的土壤CO2排放速率与植被根系相关性的研究指出,二者呈显著正相关关系,这与峁顶部土壤植被细根密度与土壤CO2排放速率呈正相关关系的研究结果相一致。但从全山坡景观看,土壤呼吸排放速率的空间变化并不与植被根系密度的变化相一致。一般认为,土壤温度和土壤水分是影响CO2排放季节变化的重要因素,土壤温度与CO2排放呈显著的指数关系,土壤水分与CO2排放呈线性正相关[6, 11],这与本研究的土壤CO2排放与温度、水分的季节性变化显著相关是一致的。但是,本研究揭示的人工林坡地土壤CO2排放与土壤水分和温度没有明显的空间相关性。例如,人工林全山坡土壤CO2排放的空间变异只在夏季与水分和温度的空间变异呈显著相关,而在其他季节无显著相关性。
显然,退耕还林植被的土壤CO2排放速率的空间变异不仅仅取决于植被对土壤水温条件的作用过程,而更为重要的是受地形坡度变化驱动的土壤侵蚀再分布过程的影响,是土壤水文生态过程与坡面侵蚀生态过程共同作用的结果。例如,本研究显示,虽然土壤温度和土壤水分变化对土壤CO2的季节排放有重要影响,但土壤CO2排放的空间差异则主要受地形坡度及其驱动的土壤侵蚀和堆积过程的控制。
本研究结果表明,人工林坡地土壤CO2的季节性排放速率具有明显的空间变异特征,均为峁顶参考点 > 峁坡 > 坡下部 > 坡中部 > 坡上部。土壤CO2排放速率在不同坡位的大小与人工林坡地地形和侵蚀参数的量值大小在不同季节中均呈现极显著相关性(P<0.01);与土壤有机碳储量、土壤水分和土壤温度只在夏季有显著相关(P<0.01),在其他季节无显著相关性;与植被根系密度无明显相关性。综上,黄土丘陵人工林坡地土壤CO2排放速率的空间分布主要受地形坡度和土壤侵蚀再分布过程的控制。
[1] Schlesinger W H, Andrews J A. Soil respiration and the global carbon cycle[J]. Biogeochemistry, 2000, 48(1): 7-20.
[2] Raich J W, Tufekcioglu A. Vegetation and soil respiration: Corr- elations and controls[J]. Biogeochemistry, 2000, 48(1): 71-90.
[3] Li Y, Poesen J, Yang J Cetal. Evaluating gully erosion using137Cs and210Pb/137Cs ratio in a reservoir catchment[J]. Soil & Tillage Research, 2003, 69: 107-115.
[4] Li Y, Lindstrom M J. Evaluating soil quality-soil redistribution relationship on terraces and steep hillslope[J]. Soil Science, 2001, 65(5): 1500-1508.
[5] Deng L, Liu G B, Shangguan Z P. Land-use conversion and chan- ging soil carbon stocks in China’s ‘Grain-for-Green’ program: A synthesis[J]. Global Change Biology, 2014, 20(11): 3544-3556.
[6] 周正朝, 上官周平. 黄土高原人工刺槐林土壤呼吸及其与土壤因子的关系[J]. 生态环境学报, 2009, 18(1): 280-285. Zhou Z C, Shangguan Z P. Soil respiration of plantationRobiniapseudoacaciaL forest and its relationship with soil factors in the Loess Plateau[J]. Ecology and Environmental Sciences, 2009, 18(1): 280-285.
[7] Franzluebbers K, Franzluebbers A J, Jawson M D. Environmental controls on soil and whole-ecosystem respiration from a tallgrass prairie[J]. Soil Science Society, 2001, 66(1): 254-262.
[8] 胡婵娟, 刘国华, 傅伯杰, 等. 黄土丘陵沟壑区典型人工林土壤CO2释放规律及其影响因子[J]. 生态学报, 2009, 29(9): 4700-4709. Hu C J, Liu G H, Fu B Jetal. Soil CO2emission and the driving factors of typical artificial woodlands in the hilly area of the Loess Plateau[J]. Acta Ecologica Sinica, 2009, 29(9): 4700-4709.
[9] 周小刚, 郭胜利, 车升国, 等. 黄土高原刺槐人工林地表凋落物对土壤呼吸的贡献[J]. 生态学报, 2012, 32(7): 2150-2157. Zhou X G, Guo S L, Che S Getal. Aboveground litter contribution to soil respiration in a black locust plantation in the Loess Plateau[J]. Acta Ecologica Sinica, 2012, 32(7): 2150-2157.
[10] 陈全胜, 李凌浩, 韩兴国, 等. 水热条件对锡林河流域典型草原退化群落土壤呼吸的影响[J]. 植物生态学报, 2003, 27(2): 202-209. Chen Q S, Li L H, Han X Getal. Influence of temperature and soil moisture on soil respiration of a degraded steppe community in the Xilin river basin of Inner Mongolia[J]. Acta Phytoecologica Sinica, 2003, 27(2): 202-209.
[11] 张宏, 黄懿梅, 祁金花, 等. 温度和水分对黄土丘陵区3种典型土地利用方式下土壤释放CO2潜力的影响[J]. 中国生态农业学报, 2011, 19(4): 731-737. Zhang H, Huang Y M, Qi J Hetal. Effects of temperature and moisture on soil CO2release potential under three typical land use types in the hill-gully area of the Loess Plateau[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2011, 19(4): 731-737.
[12] Zhang Y J, Guo S L, Li Q F. Responses of soil respiration to land use conversions in degraded ecosystem of the semi-arid Loess Plateau[J]. Ecological Engineering, 2014,74: 196-225.
[13] Daniel E, Alexandre B, Damien Betal. Spatial variation of soil respiration across a topographic gradient in a tropical rain forest in French Guiana[J]. Journal of Tropical Ecology, 2006, 22: 565-574.
[14] 李志刚, 侯扶江. 管理方式与地形对黄土高原丘陵沟壑区草地土壤呼吸的影响[J]. 土壤通报, 2009, 40(4): 721-724. Li Z G, Hou F J. Effects of management and topography on soil respiration of grassland in gullied-hilly area of the Loess Plateau[J].Chinese Journal of Soil Science, 2009, 40(4): 721-724.
[15] Jia X X, Shao M G, Wei X R. Richness and composition of herbaceous species in restored shrubland and grassland ecosystems in the northern Loess Plateau of China[J]. Biodiversity and Conservation, 2011, 20(14): 3435-3452.
[16] Bennie J, Mark O H, Baxter Retal. Influence of slope and aspect on long-term vegetation change in British chalk grasslands[J]. Journal of Ecology, 2006, 94: 355-368.
[17] Li Y, Quine T A, Yu H Qetal. Sustained magnitude erosional forcing generates an organic carbon sink: Test and implications in the Loess Plateau, China[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2015, 411: 281-289.
[18] Fiener P, Dlugo V, Korres Wetal. Spatial variability of soil respiration in a small agricultural watershed-Are patterns of soil redistribution important[J]. Fuel and Energy Abstracts, 2012, 94: 3-16.
[19] 高宇, 樊军, 米美霞, 等. 水蚀风蚀交错区土壤呼吸影响因素及其对土地利用方式变化的响应[J]. 植物营养与肥料学报, 2013, 19(5): 1207-1217. Gao Y, Fan J, Mi M Xetal. Influencing factors of soil respiration and their response to different land use types in the water-wind erosion crisscross region[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2013, 19(5): 1207-1217.
[20] 普查曼SB. 植物生态学的方法[M]. 北京: 科学出版社,1980. Chapman S B. The method of plant ecology[M]. Beijing: Science Press,1980.
[21] 舒乔生, 谢立亚. 沙棘林退化对林木根系和土壤抗冲性的影响[J]. 浙江农林大学学报, 2014, 31(3): 380-385. Shu Q S, Xie L Y. Root system distribution and soil anti-scouring capability withHippophaerhamnoidesdegradation[J].Journal of Zhejiang Agriculture and Forestry University, 2014,31(3): 380-385.
[22] 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. Lu R K. Soil agricultural chemistry analysis method[M]. Beijing: Chinese Agriculture Science and Technology Press, 1999. [23] Molinillo M, Lasanta T, Garcia-Ruiz J M. Managing mountaino- us degraded landscapes after farmland abandonment in the central Spanish Pyrenees[J]. Environmental Management, 1997, 21(4): 587-598.
[24] 裴会敏, 许明祥, 脱登峰. 黄土丘陵区坡地侵蚀对土壤呼吸的影响[J]. 水土保持通报, 2012, 32(4): 1-4. Pei H M, Xu M X, Tuo D F. Effects of erosion on soil respiration on slopeland in loess hilly region[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2012, 32(4): 1-4.
Spatial changes in soil CO2emission from re-forested hillslopes on the Loess Plateau: a geomorphic control
LI Xiao-yu1,2, LI Yong2*, YU Han-qing2, ZHANG Ying-zhen2, GUO Zhi-jun1
(1CollegeofLifeSciences,HenanNormalUniversity,Xinxiang453007,China; 2InstituteofEnvironmentandSustainableDevelopmentinAgriculture,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Beijing100081,China)
【Objectives】Changes in vegetation as a result of converting cultivated land into forested areas are known to effectively prevent the soil erosion as well as significantly increase the soil organic carbon storage in these regions. However, the spatial change of soil CO2emission and its control mechanism are poorly understood and can thus lead to further uncertainties in the quantitative estimations of soil carbon sequestration in these reforested areas. A typical re-forested hillslope was selected in order to investigate the spatial variation of soil CO2emissions and its control mechanism in the Loess Plateau. This study aims to provide a scientific basis for further understanding the Loess Plateau organic carbon turnover and improve methods for estimating the carbon balance of terrestrial ecosystems.【Methods】In order to determine tempo-spatial dynamics of soil CO2emission of sloping cultivated land and its influencing factors, the re-forested hillslope(250 m total length)was divided into 5 sections-hilltop, shoulder, upper, middle and lower slope-and each section analyzed. The point method was used to estimate the vegetation coverage of all study plots selected at intervals of 10 meters along the entire slope. Soil samples were collected by drill and root density, soil organic carbon(SOC)content and137Cs inventory were analyzed.Insitusoil CO2emission was monitored by LI-8100 carbon flux automatic systems on a monthly basis, and soil water content and soil temperature(at a depth of 5cm)were also measured. Correlation and regression analysis was applied to determine the main factors that affect spatial soil CO2emissions.【Results】 The results show that the temporal dynamics of soil CO2emission rates at different slope positions during the data collection period was highest in the summer, followed by autumn, with spring having the lowest observed soil CO2emission rates. When calculating the average value of soil CO2emission rates across the whole hillslope, emission rates for summer and autumn were found to be higher by 48% and 9%, respectively, when compared to spring. The spatial patterns of soil CO2emission rates were found to be similar across spring, summer and autumn and the average emission rate of the three seasons was found to decrease as follows across the slope: hilltop(reference)[2.51±0.07 μmol/(m2·s)]> shoulder[2.19±0.17 μmol/(m2·s)]> lower[1.88±0.12 μmol/(m2·s)]> middle[1.71±0.09 μmol/(m2·s)]> upper[1.62±0.12 μmol/(m2·s)]. Using the hilltop as a reference, the137Cs inventory in the upper and middle hillslope was lower by 46% and 29%, respectively; however137Cs inventory calculated at the shoulder and lower region of the hillslope was 88% and 52% higher than the reference. These results indicate that there was serious soil erosion at the upper section of the hillslope with lighter soil erosion at the middle section. Furthermore, soil accumulation occurred at both the shoulder and lower sections, with more significant accumulation occurring at the shoulder. We found that soil CO2emission rates significantly correlated with the slope gradient(P<0.01)and137Cs inventory(P<0.01)during the data collection period. Interestingly, only in summer did the soil CO2emission rates have significant correlation with soil moisture, soil temperature and SOC stock(P<0.01). No significant relationship was found between soil CO2emission and root density.【Conclusions】These results suggested that soil erosion and deposition processes induced by the change of topographic slope are the main factors controlling the spatial variation of soil CO2emission rate on the Loess plateau ecological forest slopes. These factors should thus be taken into consideration in the quantitative evaluation of the effectiveness of soil carbon sequestration by the Grain to Green Project.
ecological forest hillslope; soil CO2emission;137Cs inventory; soil erosion; topographic slope.
2014-12-30 接受日期: 2015-04-27 网络出版日期: 2015-05-26
国家自然科学基金项目(41171231)资助。
李小宇(1990—),女,河南永城人,硕士研究生,主要从事土壤侵蚀与碳循环研究。E-mail: yu_ping2012@yeah.net *通信作者E-mail: liyong@caas.cn
S157;S153.6+.1
A
1008-505X(2015)05-1217-08