景电灌区次生盐碱地枸杞林土壤有机碳库变化的情景模拟

孙 涛，贾志清，马全林，李银科，张莹花，王耀林,3

(1.中国林业科学研究院 荒漠化研究所，北京 100091；2.甘肃省治沙研究所/甘肃省荒漠化与风沙灾害防治重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地，甘肃 兰州 730070；3.甘肃省林业厅 GEF项目办公室，甘肃 兰州 730070)

景电灌区次生盐碱地枸杞林土壤有机碳库变化的情景模拟

孙 涛1,2，贾志清1，马全林1，李银科1，张莹花1，王耀林1,3

(1.中国林业科学研究院 荒漠化研究所，北京 100091；2.甘肃省治沙研究所/甘肃省荒漠化与风沙灾害防治重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地，甘肃 兰州 730070；3.甘肃省林业厅 GEF项目办公室，甘肃 兰州 730070)

次生盐碱地；枸杞；土壤有机碳；CENTURY模型；情景模拟

以景泰红跃村典型次生盐碱地枸杞林为研究对象，基于CENTURY模型模拟成熟枸杞林在实际田间管理条件和优化灌溉模式条件两种情景下生长过程中表层0～20 cm土壤有机碳库的变化，研究结果表明：次生盐碱地开垦种植枸杞使得土壤总有机碳发生了显著的变化。在当前的田间管理水平情景模拟条件下，成熟枸杞林地土壤总有机碳逐渐降低，随着枸杞生长年限的增加，在未来20年后土壤有机碳含量将降低到土地开垦前的水平，未来将会变成一个弱的碳排放源；而在优化灌溉模式情景模拟条件中，成熟枸杞林地土壤有机碳库呈先缓慢下降后逐渐回升的状态，在未来20年后土壤有机碳库趋于稳定，稳定状态下表层0～20 cm土壤有机碳含量相比次生盐碱地增加约7.57%。因此，改变田间管理方式、优化灌水模式对提高枸杞林土壤质量、增强碳汇能力和减缓温室效应具有重要的现实意义。

土壤有机质模型能够模拟土壤有机质的变化规律，已被广泛用于模拟土壤有机质的动态变化。土壤有机质模拟已经在当前大量的有关气候变化和全球碳循环研究中起到了重要的作用[1-2]，成为更好地理解和管理陆地碳循环的一个重要组成部分。CENTURY模型是应用比较广泛的表征土壤有机质动态的模型，是美国科罗拉多州立大学的Parton等于20世纪80年代末建立的，起初用于模拟草地生态系统的碳、氮、磷、硫等元素的长期演变过程，以后加以改进，其应用扩展到稀树草原、森林、农业等生态系统中。它主要基于土壤的结构功能，从碳、氮、磷的生物地球化学循环因子入手，结合温度、降水等驱动因子，对生态系统的生产力进行模拟和预测[3-4]。国内外众多学者先后将CENTURY模型应用于农业或林业生态系统中，并对土壤有机碳进行了模拟，其模拟值与实测值具有极高的相关性，并可用于不同的农林业生态系统的模拟研究中[5-9]。

引水灌溉对荒漠、半荒漠区域的农业发展起到了重要的推动作用，但是在不适当的灌溉排水条件下造成了灌区土壤次生盐碱化等生态退化问题[10]。甘肃景泰川灌区多年来不合理的大水漫灌、串灌等使得景泰川这个半封闭型盆地的地下水位迅速上升，导致土地次生盐碱化面积逐年增大，土地退化问题尤为严重[11]，给农业生产和人民生活造成了严重影响。

从20世纪90年代中期开始，当地根据实际情况采取生物措施对次生盐碱地进行治理，引进枸杞并种植成功，现在已经在景泰川地区大面积地推广种植开来，不光产生了经济效益，也充分利用和改良了盐碱地。在枸杞种植过程中土壤性质会发生变化，对土壤质地产生一定的影响，根系生物量和微生物的增加，会提高土壤碳库活度。随着生长年限的增加和农田耕作措施的变化，土壤有机碳库也发生相应的变化。当前，枸杞种植户为了获得较高的枸杞产量和经济效益，增加灌溉次数、采用大水漫灌等粗放的管理方式在灌区非常普遍。由于景泰川地区是一个浅层半封闭型的盆地，这种粗放的农田管理方式直接导致局部地区地下水位进一步抬升，地下水不能及时排出，使得枸杞林土壤结构改变，土质下降，根腐病较为严重，病死枯死植株也较多。在当前这种灌溉方式和田间管理模式下，水盐动态被进一步打破，土壤碳库的变化特征将如何？如果改变当前不合理的灌溉方式，采用合理的管理模式，在未来的管理过程中其特征变化和演变趋势如何？是否能提高土壤的碳库效益和增加固碳能力？运用模型拟合研究在不同的情景模式下土壤碳库的变化规律，并对其变化趋势做出分析和预测是一个较好的研究方法。因此，利用CENTURY模型模拟在次生盐渍化改良过程中土壤有机碳的变化特征，设置两种不同的情景模式，研究成熟枸杞林对次生盐碱地的改良作用和土壤碳的动态变化，进而预测在不同情景模式下未来土壤碳库的演变趋势，阐明土壤碳库的变化特征和差异，可为次生盐碱地土壤质量和健康评价提供基础数据，也可为当前枸杞林地田间管理措施的科学评估提供科学依据。

1 研究地区与研究方法

1.1 自然概况

红跃村地处景泰县中部，景电一期引黄提灌灌区中心地带，位于景泰县草窝滩镇以东3 km，县城以北8 km处，是由西南向东北倾斜的微型盆地，海拔1 565 m。气候干燥、干旱少雨、风沙大，年均降水量185 mm，降水年际变化不大，雨水集中在7—9月，年蒸发量3 040 mm，年均气温8.5 ℃，雨热同期，地表水资源较为贫乏，地下水矿化度高、水质差，20世纪70—80年代建成了景电一、二期高扬程电力引黄提灌工程[12]。全村现有耕地面积330.7 hm2，约80%的耕地为次生盐碱化土地。自2000年以来，该村开始推广引种耐盐碱的经济树种枸杞，取得了良好的经济和生态效益[13]。本研究地区土壤母质类型一致，地带性土壤为荒漠灰钙土，土壤母质包括黄土、风积物和洪积物。地下水位均为1 m左右。次生盐碱地主要植被为盐爪爪〔Kalidiumfoliatum(Pall.) Moq.〕，盖度8%～15%。

1.2 研究方法与数据采集

应用模型前要经过校正与验证，调整模型参数，反复检验模拟结果，检验模拟值与观测值之间的吻合程度，使之达到最好的模拟效果。基于调试后的参数，再通过对比分析其他年份的模拟与观测结果进行模型的模拟研究与验证平衡[1,14]。

本研究于2012年7月中旬开始进行野外调查、土样采集，并对农户进行访谈式调查，了解枸杞种植和生长情况。采用空间代替时间的方法，分别选择4、7、11年的枸杞林地采集土样，选择临近的次生盐碱化土地作为对照。土壤采样深度40 cm，每10 cm分层采样，每块样地5个重复，同层次土样混合作为1个混合样，带回实验室风干后测定土壤有机质、有机碳、pH值、盐分等理化指标。同时，用环刀法取样测土壤容重，铝盒装少量新鲜土壤用于土壤水分测定。土壤粒度采用激光粒度分析仪测定，总有机碳用重铬酸钾氧化-外加热法测定，活性有机碳用高锰酸钾氧化法测定[15]，全盐量测定水土比为5 ∶1，pH值用酸度计法(水土比为2.5 ∶1)测定[16]。经测定，研究区次生盐碱裸地的土壤有机质、全氮、全磷、全钾含量分别为10.90、0.76、0.95、22.85 g/kg，速效磷、速效钾含量分别为3.04、212 mg/kg。

1.3 CENTURY模型的参数化设置

根据土壤有机质的分解速率，CENTURY模型将土壤总有机碳(TOC)分成了3个碳库，分别是活性、缓性和惰性土壤有机碳库[1,3]。本研究所用的是CENTURY4.0版本，初始输入数据包括基本的气象数据、土壤质地等，见表1。

表1 模型初始化所需主要参数

模型所运用的气象数据由景泰县气象站提供的1955—2012年气象数据统计分析而得，由于研究区距离县城仅8 km，地势平坦，因此可以将此数据直接作为研究区的数据进行模拟运用。模型要求至少10年以上的气象数据，所需资料包括：月均降水量(PREC)、月最低温度(TMIN)、月最高温度(TMAX)。CENTURY模型在运行调试过程中首先要设定主要的植被生长参数，包括植被生长的开始月份、 衰老月份、休眠月份。本研究采用模型中自带的GRASSLAND/CROP模块，其适用于北方典型草地、低矮草原和荒漠草地。选择CROP.100文件中的CPR为模型的初始植被，4月开始生长，10月为衰老季节，11月份开始休眠，时间步长为一年，进行初始态的建立。部分参数应用模型提供的缺省值。

据调查，当地次生盐碱化土地植被以盐爪爪为主，盖度8%～15%，2000年开垦种植枸杞。枸杞在不同生长阶段田间管理措施有所不同：枸杞生长初期(相当于2000—2004年)，主要保证枸杞的正常生长和成林，没有修剪枝条，没有果实产生，因而施肥浇水次数较少，均为每年3～4次；枸杞林成熟稳产阶段(相当于2005—2013年)，最大特点是有果实产出和植被的移除，每年春季3、4月修剪枝条，近1/3枝条被移除，从6月份开始持续4～5个月采摘果实，为了获得稳定的果实产量，施肥和浇水次数增至每年5～6次。

2 结果与分析

2.1 模型参数初始化设置及稳态的建立

用CENTURY模型模拟研究土壤变化时首先要进行模型参数的初始化，在参数平衡状态下才能进行真正的模拟运算[1-2]。主要是模拟研究区在自然状态下土壤活性碳库、缓性碳库、惰性碳库和土壤总碳库(包含结构性碳库和代谢性碳库)逐渐积累到稳定平衡阶段的过程。如图1所示土壤碳库快速积累变化所需时间约为2 000 a，之后缓慢积累到2 400 a时，土壤各碳库逐步建立平衡，各碳库变化稳定，基本在土壤碳含量平均水平上下波动(图中水平虚线所示)，达到了试验区土壤碳水平，此时活性、缓性和惰性有机碳库有机碳含量分别占总有机碳库的3.28%、68.67%和28.05%。从图1中土壤有机碳含量的年际变化可看出：土壤总碳库和缓性碳库有机碳含量年际变化较大，但在一定的水平上波动；惰性有机碳库变化稳定、曲线平滑；活性有机碳库有机碳含量年际变化敏感，但是其值较小，所占比例小。研究地为次生盐碱地，其土壤有机碳含量为3 300 g/m2左右，而CENTURY模型在平衡状态下模拟的土壤总有机碳含量在3 300～3 400 g/m2间波动，两者相差很小，说明CENTURY模型正确模拟了研究区土壤有机碳的动态积累过程。

图1 CENTURY模型参数初始化过程

2.2 不同生长阶段枸杞林对次生盐渍化土壤有机碳库的影响

研究区自2000年开始开垦次生盐碱地种植枸杞，土地类型发生了变化，自然植被转变成了人工栽植的经济作物，土壤有机碳随之发生了显著的变化(图2)。从次生盐碱裸地到开垦种植枸杞，再到枸杞成熟稳产，在这过程中因为植被类型不同、生长年限逐渐增加，故所对应的措施也不同。在CENTURY模型模拟过程中，不同的生长阶段对应不同的管理措施。由于每个阶段的土地耕作方式和田间管理模式不同，因此土壤活性、缓性、惰性和土壤总碳库也随着生长年限的增加发生了显著的变化(图2)。

图2 枸杞生长不同阶段土壤各个碳库随时间的变化

初期的1—4年为枸杞幼苗生长期，也是各个碳库快速增加时期，如图2中B时间段。土壤活性、缓性、惰性和总有机碳库在这一时间段内均呈快速增加的态势，土壤活性碳含量增幅最大，相比次生盐碱裸地增加了137%，其次是土壤总碳、 土壤缓性碳、土壤惰性碳含量，其增幅分别为22.59%、7.69%和0.33%。4年后为枸杞林成熟稳产期，各个碳库变化逐渐稳定，如图2中C时间段。缓性碳和惰性碳在这个阶段继续积累，但是累积速率相比枸杞生长初期低，因此变化相对缓慢，有滞后效应，在枸杞生长到第9—10年(相当于2009—2010年)达到最高值；活性碳变化较为敏感，下降幅度大，2008年以后下降速度趋缓，逐渐稳定，其值低于开垦前活性碳的含量；土壤总有机碳含量随着活性有机碳含量的快速降低而逐渐减小，从开始种植时随着枸杞生长年限的增加而增加变为逐渐降低，呈倒“V”形变化。造成总有机碳逐渐降低的原因主要是春季修剪枝条，近1/3的枝条被剪除，同时枸杞果实也被大量采摘，这些生物量均从枸杞林移除，导致枯落物碳储量逐渐下降，从而也导致土壤总碳库含量的变化；另一个原因是植株衰老，更新能力减弱。

2.3 枸杞林实测值与模拟值相关性

以生长年限为0(次生盐碱裸地)、4、7、11年的枸杞林土壤有机碳实测数据与模型模拟数据进行数据拟合(结果如图3)，可知土壤实测值与模拟值具有较好的相关性，变化趋势一致，R2达到了0.947，统计分析P=0.27>0.05，表明模型值与实测值之间差异不显著，说明运用CENTURY模型来模拟次生盐渍化土地枸杞林有机碳的动态变化基本符合实际情况[17]，可用来模拟研究试验区的土壤动态变化。

图3 枸杞林土壤有机碳实测值与模拟值的关系

2.4 未来20年枸杞林土壤有机碳库情景模拟

以2010年CENTURY模型输出结果为土壤有机碳的初始值，气象参数运用模型自动统计分析1955—2012年的历史气象资料得到的气象数据，输出时间步长为月份，分析预测成熟枸杞林在不同的灌溉次数和用水量条件下土壤有机碳未来20年的模拟变化趋势。设计两种情景进行模拟：一种情景表示在当前实际田间管理方式下的土壤碳变化(曲线A50)，即为了让成熟枸杞林获得稳定产量，枸杞林地每年浇水5～6次，浇水方式为大水漫灌；另一种情景为优化灌溉模式状态下土壤碳的变化(曲线A25)，即减少灌溉次数为3次，用水量为田间持水量的25%，其他措施均不变。相应的在CENTURY模型IRRI.100文件中输入对应参数进行两种情景下的模拟，结果见图4。由图4可知，随着植株生长年限的逐渐增加，在未来15—20年间，土壤有机总碳库均趋于稳定，但其含量不同：在当前灌水条件下(A50)枸杞林的土壤有机碳库呈逐渐下降趋势，未来20年后表层0～20 cm土壤有机碳含量平均约3 200 g/m2，与枸杞种植前的次生盐碱裸地含量相当；而在A25情景模拟条件下，未来20年后土壤有机碳含量约为3 550 g/m2，相对枸杞种植前的次生盐碱地土壤有机碳含量提高了约7.57%。活性、缓性和惰性碳库均随之发生变化，活性碳库在两种情景模拟下均逐渐降低，但是在A25情景下降低速度要小于A50，而缓性和惰性碳库在当前的灌溉管理方式下均逐渐降低，在减少灌溉的优化模式下均逐渐增加。各个碳库年内变化波动小，主要是受季节性的气温、降水等变化影响，但是对整体变化趋势影响不大。

图4 成熟枸杞林未来土壤各碳库变化趋势

3 讨论与结论

研究区枸杞林种植前是以盐爪爪为主的次生盐碱地，经过大规模的开垦、施肥、排盐等措施建成了枸杞林地，种植枸杞在产生经济效益的同时又能改良土壤，起到固碳的作用。枸杞林对土壤有机碳的影响有两个阶段，即幼苗生长阶段和成熟稳定阶段。开垦导致土壤温度和湿度的改变，将极大地促进土壤的呼吸作用，加速表层土壤有机质的分解[18-19]，因此在枸杞生长初期(前1—4年)土壤活性、缓性、惰性碳含量均呈快速增加的态势。随着枸杞幼苗地上和地下生物量逐渐增加，土壤碳的累积速率也在栽植4—5年间达到最大，并超过自然状态下的总碳库，2004年枸杞林土壤总碳库的碳含量比开垦前增加了22.59%，表明这段时间枸杞林地土壤碳总体呈碳汇趋势。但是在成熟枸杞林内田间管理措施发生了变化，因而土壤碳库也发生了变化。地上生物量的剪除和采摘果实使返回地表的枯落物减少、腐殖质含量降低，活性碳库随之减小[20]。灌水次数的增加和水量的无序利用，使得土壤结构和性状被逐渐改变，土壤缓性碳和惰性碳在缓慢积累之后迅速降低，土壤总碳库随之降低，土壤的碳汇功能也被大大降低或被逆转[21-22]。

对成熟枸杞林土壤有机碳含量的变化进行预测分析表明，在当前的农田管理措施下枸杞林地土壤总有机碳含量逐渐地降低(图4)，其含量约为3 200 g/m2，与次生盐碱裸地含量相当，这表明土壤有机碳库在未来20年内极有可能逐渐转变为一个弱的碳排放源。研究区地形为一个半封闭的小盆地，大量灌溉用水渗入地下不能及时排出，使水位上升，同时，在实际调查中发现附近的排碱渠年久失修，功能丧失，未能发挥排盐排碱的功能，导致该区域次生盐碱化现象进一步加重，地下水位在0.8～1 m间，反盐现象明显，灌溉水不能快速下渗，土壤结构和性状发生变化，土壤菌类数量及微生物总量显著降低[23]。在这种土壤状态下植被自然生长不好，土壤有机碳含量减少，土壤质量呈恶化的趋势[24]，这与情景模拟A50状态下土壤有机碳含量逐渐降低的变化趋势相似。这表明当前对枸杞林采取的田间管理措施是不合理的，这种耕作方式导致了土壤肥力下降，土壤质量退化，进而决定了土壤有机碳含量逐渐降低；而转变灌溉方式，减少灌溉次数，提高用水利用率可以增加土壤的有机碳含量，提高固碳效益，增强碳汇能力。因此，改变田间管理方式、采用科学灌水设备、及时更新苗木等对提高枸杞林土壤质量、增加土壤碳储量和减缓温室效应具有重要的现实意义。

[1] 高鲁鹏,梁文举,姜勇,等.利用CENTURY模型研究东北黑土有机碳的动态变化Ⅰ.自然状态下土壤有机碳的积累[J].应用生态学报,2004,15(5):772-775.

[2] Paustian K.Modelling soil organic matter dynamics-global challenges[G]//Rees R M,Ball B C,Campbell C D,et al.Sustainable Management of Soil Organic Matter.Wallingford,Oxon,UK:CAB International,2001:43-53.

[3] Parton W J,McKeown B,Kirchner V,et al.CENTURY User’s Manual[M].Fort Collins:Natural Resource Ecology Laboratory,Colorado State University,1992：10-50.

[4] Parton W J,Schimel D S,Ojima D S.Observation and modeling of biomass and soil organic matter dynamics for the grassland biome worldwide[J] .Global Biogeochemical Cycles,1993,7(4):785-809.

[5] 吕新苗,郑度.气候变化对长江源地区高寒草甸生态系统的影响[J].长江流域资源与环境,2006,15(5):603-607.

[6] 李东.基于CENTURY模型的高寒草甸土壤有机碳动态模拟研究[D].南京:南京农业大学,2011：20-30.

[7] Mikhailova E A,Bryant R B,DeGloria S D,et al.Modeling soil organic matter dynamics after conversion of native grassland to long-term continuous fallow using the CENTURY model[J].Ecological Modeling,2000,132(3):247-257.

[8] Miko U F K,Keryn I P.Modelling C and N dynamics in forest soils with a modified version of the CENTURY model[J].Soil Biology and Biochemistry,2002,34(3):341-354.

[9] Burker I C,Youker C M,Parton W J.Texture,climate,and cultivation effects on soil organic matter content in US grassland soils[J].Soil Society of America Journal,1989,53(3):800-805.

[10] 邢大韦.西北地区灌溉的生态环境及对策研究[J].生态农业研究,1996,4(3):22-26.

[11] 高志海.引黄灌区农田盐碱化与沙漠化治理的综合途径——以甘肃省景泰川为例[J].农业环境与发展,2008,25(5):9-12.

[12] 徐向宏,王婷婷,雷文文.景电灌区绿洲综合生态系统管理耦合技术评价分析[J].草业科学,2010,27(6):38-44.

[13] 孙涛,王耀琳,马全林,等.景电灌区次生盐碱地枸杞林经济效益分析[J].草业科学,2013,30(9):1454-1458.

[14] 高崇升,杨国亭,王建国,等.CENTURY模型在农田生态系统中的应用及其参数确定[J].农业系统科学与综合研究,2006,22(1):50-52.

[15] 蔡太义,黄耀威,黄会娟,等.不同年限免耕秸秆覆盖对土壤活性有机碳和碳库管理指数的影响[J].生态学杂志,2011,30(9):1962-1968.

[16] 王勇辉,马蓓,海米提·依米提.艾比湖主要补给河流下游河岸带土壤盐分特征[J].干旱区研究,2013,30(2):196-202.

[17] 高崇升,杨国亭,王建国,等.移耕农业制度下黑土农田土壤有机碳的演变[J].农业系统科学与综合研究,2008,24(1):88-92.

[18] 戴全厚,刘国彬,薛萐,等.侵蚀环境退耕撂荒地土壤活性有机碳与碳库管理指数演变[J].西北林学院学报,2008,23 (6):24-28.

[19] John B,Yamashita T,Ludwig B,et al.Storage of organic carbon in aggregate and density fractions of silty soils under different types of land use[J].Geoderma,2005,128(1-2):63-79.

[20] 许文强,陈曦,罗格平,等.基于CENTURY模型研究干旱区人工绿洲开发与管理模式变化对土壤碳动态的影响[J].生态学报,2010,30(14):3707-3716.

[21] 李月梅,曹广民,徐仁海.土地利用方式对高寒草甸土壤有机碳及其组分的影响[J].安徽农业科学,2008,36(14):5951-5953.

[22] 李月梅,曹广民,王跃思.开垦对海北高寒草甸土壤有机碳的影响[J].生态学杂志,2006,25(8):911-914.

[23] 李凤霞,王学琴,郭永忠,等.宁夏不同类型盐渍化土壤微生物区系及多样性[J].水土保持学报,2011,25(5):107-111.

[24] 陈辰,王靖,潘学标,等.CENTURY模型在内蒙古草地生态系统的适用性评价[J].草地学报,2012,20(6):1012-1019.

(责任编辑 徐素霞)

“十二五”农村领域国家科技计划项目(2012BAD16B0102)；国家自然科学基金项目(31300595)；甘肃省青年科学基金项目(1208RJYA093，1208RJYA067)；全球环境基金项目(GEF/UNEP)；碳效益研究项目(GEF/53-4280)

S157

A

1000-0941(2015)09-0059-05

孙涛(1978—)，男，甘肃永昌县人，助理研究员，博士研究生，主要从事荒漠生态、荒漠植被恢复及荒漠化防治研究工作；通信作者贾志清(1968—)，女，北京市人，研究员，博士生导师，博士，主要从事荒漠化防治与水土保持研究。

2015-02-15