碳庫(kù)管理指數(shù)對(duì)退耕還林土壤有機(jī)碳庫(kù)變化的指示作用

佟小剛,韓新輝,楊改河,馮永忠,任廣鑫,梁愛華,康 迪

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院, 農(nóng)業(yè)部西北植物營(yíng)養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 陜西 楊凌 712100)

土壤有機(jī)碳占到陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)的80%[1],不僅是土壤結(jié)構(gòu)和肥力的核心物質(zhì),也被認(rèn)為是緩解全球溫室效應(yīng)的潛在重要碳匯[2].因此,不同土地利用方式下土壤有機(jī)碳庫(kù)的演變和轉(zhuǎn)化特征亦成當(dāng)前全球變化研究的熱點(diǎn)[1,3].土壤有機(jī)碳是由化學(xué)性質(zhì)和周轉(zhuǎn)速 率不同的組分組成的異質(zhì)性的復(fù)合物,其總體累積只是一個(gè)礦化和平衡的結(jié)果[4],在如耕作[5]、造林[6]、撂荒[7]等方式影響下發(fā)生顯著變化都要至少 10a年以上.為了快速有效判斷土壤有機(jī)碳庫(kù)的變化,一些有機(jī)碳的活性組分,如輕組有機(jī)碳[8]、氧化活性有機(jī)碳[9]、微生物碳[10-11]等都被認(rèn)為是比土壤總有機(jī)碳對(duì)不同土地利用方式響應(yīng)更敏感的碳庫(kù)指標(biāo).但這些活性碳組分周轉(zhuǎn)快,主要是提高土壤有機(jī)碳活躍性,促進(jìn)土壤養(yǎng)分的供應(yīng)和循環(huán),而不能揭示土壤有機(jī)碳庫(kù)的固存特征,即土壤有機(jī)碳庫(kù)的變化還需考慮惰性碳組分的長(zhǎng)期累積.另外,有學(xué)者提出以土壤活性有機(jī)碳占總有機(jī)碳比值指示土壤碳庫(kù)質(zhì)量的變化[1],但韓新輝等[12]和薛萐等[13]研究顯示該比值在黃土丘陵區(qū)長(zhǎng)期退耕還林土壤上變化并不明顯. Sá等[14]提出以有機(jī)碳層化比作為耕作土壤有機(jī)碳固定的指示物,這主要基于農(nóng)田表層土壤有機(jī)碳的富集與亞表層土壤有機(jī)碳累積較少形成明顯比例,對(duì)于林地根系深,亞表層土壤也有明顯碳累積下,運(yùn)用層化比作為碳庫(kù)變化指示可能不適宜.目前,以 Blair 等[15]提出的以聯(lián)合土壤有機(jī)碳庫(kù)及其組分計(jì)算的碳庫(kù)管理指數(shù)在國(guó)內(nèi)外不同土地利用方式下碳庫(kù)變化的研究中應(yīng)用最廣泛[9,13,16].但這些研究多將碳庫(kù)管理指數(shù)作為土地利用方式影響有機(jī)碳庫(kù)變化的指標(biāo)之一,而未深入探究其與土壤有機(jī)碳庫(kù)變化的關(guān)系.因此,本研究以不同年限退耕還林土壤為研究對(duì)象,通過不同時(shí)間序列和土層中碳庫(kù)管理指數(shù)與土壤有機(jī)碳庫(kù)及其組分變化的對(duì)比分析研究,進(jìn)一步明確碳庫(kù)管指數(shù)對(duì)退耕還林土壤有機(jī)碳庫(kù)動(dòng)態(tài)變化的綜合指示作用,為退耕還林生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)及選擇生態(tài)固碳管理技術(shù)提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省安塞縣紙坊溝流域(E109°13′46″～109°16′03″,N36°46′42″～36°46′28″),該區(qū)地形破碎,溝壑縱橫,屬黃土高原丘陵溝壑地貌,暖溫帶半干旱季風(fēng)氣候,海拔 1 010～1 400 m,年均氣溫 8.8℃,年均降水量 505.3 mm.土壤類型以黃土母質(zhì)上發(fā)育而成的黃綿土為主,有機(jī)質(zhì)含量低、抗侵蝕能力差,植被類型處于暖溫帶落葉闊葉林向干草原過渡的森林草原帶.該流域生態(tài)系統(tǒng)自 20世紀(jì) 60～70年代開始由破壞期轉(zhuǎn)向逐漸穩(wěn)定和恢復(fù)期,至20世紀(jì)90年代初進(jìn)入良性生態(tài)初步形成期,這主要在于多年的水土保持綜合治理和開展林草植被和工程等建設(shè)措施,有效遏制了該流域的土壤侵蝕,成功地恢復(fù)了退化生態(tài)系統(tǒng)[17].目前,該區(qū)域林地面積從 1980年的不足 5%增加到 40%以上,流域生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)進(jìn)入良性循環(huán)階段[13].因此,該區(qū)域也擁有長(zhǎng)期不同灌木林、喬木林及經(jīng)濟(jì)林等退耕還林類型林地,為本研究提供了良好的自然研究基礎(chǔ).

1.2 樣地選取及采樣

基于時(shí)空互代法,2010年9月于研究區(qū)選擇退耕還林年限為 10,20,40a的檸條(Caragana korshinskii);沙棘(Hippophae rhamnoides);刺槐(R. pesudoacacia)共3種退耕還林地樣地,并以長(zhǎng)期坡耕地(Slope Farmland：SF)為對(duì)照.樣地土壤類型均為黃綿土,黏粒含量為 7%～9%,各樣地其他基本特征見表 1.每種還林地都選擇 3個(gè)立地條件基本一致的重復(fù)樣地進(jìn)行采樣.在每個(gè)樣地內(nèi),設(shè)置 20×20m標(biāo)準(zhǔn)采樣區(qū).采樣時(shí)先除去地面凋落物,按照“S”型選 12 點(diǎn),鉆取 0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100cm 共 5 層林下及草本植物覆蓋下土樣,以客觀代表退耕還林地土壤,每層取樣點(diǎn)土樣混合后作為該層待測(cè)土樣.土壤樣品自然風(fēng)干后研磨過0.25mm篩備用.

1.3 指標(biāo)測(cè)定

土壤總有機(jī)碳(TOC)采用重鉻酸鉀加熱法測(cè)定[18];土壤活性有機(jī)碳(LOC)的測(cè)定采用KMnO4氧化法[15],即稱取含有15mg總有機(jī)碳的土樣于50mL離心管中,加入333mmol/L KMnO425mL,振蕩 1h,離心 5min(轉(zhuǎn)速 2000r/min),取上清液用去離子水按 1﹕250稀釋,然后將稀釋液在565nm 比色.根據(jù) KMnO4濃度的變化求出樣品的活性有機(jī)碳含量(氧化過程中 1mmol/L KMnO4消耗9mgC),非活性有機(jī)碳為總有機(jī)碳與活性有機(jī)碳之差.

表1 樣地基本特征Table 1 Description of the sampling plots

1.4 數(shù)據(jù)計(jì)算與分析

土壤碳庫(kù)活度、碳庫(kù)活度指數(shù)、碳庫(kù)指數(shù)及碳庫(kù)管理指數(shù)是土壤活性有機(jī)碳和總有機(jī)碳變化的綜合體現(xiàn),因此能夠較全面和動(dòng)態(tài)的指示不同土地利用措施對(duì)土壤有機(jī)碳庫(kù)數(shù)量和質(zhì)量的影響[16,19].不同退耕還林模式土壤碳庫(kù)管理指數(shù)以坡耕地土壤為參考.計(jì)算公式如下[15,19]：

碳庫(kù)指數(shù)(CPI)=樣品全碳含量(g/kg)/參考土壤全碳含量(g/kg) (1)

碳庫(kù)活度(A)=活性碳含量/非活性碳含量 (2)

碳庫(kù)活度指數(shù)(AI)=樣品碳庫(kù)活度/參考土壤碳庫(kù)活度 (3)

碳庫(kù)管理指數(shù)(CMI)=碳庫(kù)指數(shù)×碳庫(kù)活度指數(shù)×100=CPI×AI×100 (4)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)與分析采用 Excel和SPSS16.0軟件進(jìn)行.不同退耕還林地及土層中有機(jī)碳含量、碳庫(kù)指標(biāo)等差異顯著性采用鄧肯法進(jìn)行檢驗(yàn)分析(P＜0.05).碳庫(kù)指標(biāo)隨退耕年限變化及其與土壤有機(jī)碳庫(kù)的含量關(guān)系采用回歸相關(guān)分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 退耕還林過程土壤碳庫(kù)的變化

表2 不同退耕還林地土壤總有機(jī)碳含量 (g/kg)Table 2 Content of soil TOC in different forest lands converted from slope land (g/kg)

多數(shù)研究表明農(nóng)地轉(zhuǎn)為林地后,由于植被恢復(fù)下植物碳的持續(xù)投入使得土壤有機(jī)碳庫(kù)能夠明顯提升[2,6,20].本研究顯示各還林地TOC隨退耕年限延長(zhǎng)均呈顯著增加趨勢(shì)(表2).但相比坡耕地,檸條、沙棘、刺槐林僅0～10cm和10～20cm表層土TOC在退耕10～40a持續(xù)顯著增加,增幅平均分別在0.4～1.7倍、1.2～2.8倍、0.9～5.1倍,并且增幅顯著高于其他深層土.說明退耕還林下表層土對(duì)有機(jī)碳庫(kù)的提升更積極,這與表層土有豐富的植被凋落物輸入密切相關(guān)[20-21].隨土層加深TOC增加減緩,20～40cm土層檸條林地TOC到退耕40a時(shí)才比坡耕地增加0.6倍,而沙棘和刺槐林地TOC基本在退耕10a時(shí)即開始顯著增加,退耕40a時(shí)增幅最高,分別達(dá)到 1.8倍和 3.9倍.3種林地40～100cm土層TOC在退耕10a時(shí)均未顯著變化,到退耕20a時(shí)僅刺槐林TOC有顯著增加,但到退耕40a時(shí)檸條、沙棘、刺槐林地TOC均比坡耕地顯著增加,增幅平均分別為0.6倍、1.1倍、2.6倍.可見深層土壤在長(zhǎng)期退耕還林下也能夠提升土壤碳庫(kù),原因在于深層土壤根系逐漸恢復(fù)生長(zhǎng),其殘?bào)w和代謝產(chǎn)物返回土壤后有機(jī)質(zhì)腐殖合成高于礦化分解,使得碳庫(kù)能夠積累.王征等[22]也提出評(píng)價(jià)黃土丘陵區(qū)植被恢復(fù)的土壤碳庫(kù)變化時(shí)應(yīng)充分考慮深層土壤的固碳作用.

活性有機(jī)碳是土壤有機(jī)碳庫(kù)中最活躍的部分,他直接參與土壤養(yǎng)分循環(huán)和結(jié)構(gòu)組成,并且比土壤總有機(jī)碳對(duì)于土地利用方式和管理措施響應(yīng)更敏感[15-16],因此也作為有機(jī)碳庫(kù)變化和土壤質(zhì)量的一項(xiàng)指標(biāo)[8,23].表3顯示,3種林地LOC在長(zhǎng)期退耕還林下均有顯著增加.與坡耕地相比,檸條、沙棘、刺槐林僅0～10cm表層土LOC在退耕10～40a持續(xù)顯著增加,增幅分別在1.3～4.0倍、1.3～4.7 倍、1.4～5.3 倍.10～20cm 和 20～40cm 土層中,退耕10～20a里沙棘和刺槐林均已有顯著增加,檸條林LOC卻無明顯變化,而到退耕40a時(shí),檸條、沙棘、刺槐林地LOC均比坡耕地顯著增加,且增幅最高平均分別為 1.2倍、2.7倍、5.5倍.40～100cm土層LOC增加減緩,退耕10a僅刺槐林使40～60cm和80～100cm土層LOC均增加0.5倍;退耕 20a時(shí),檸條和沙棘傾向于顯著增加60～100cm深層LOC密度,刺槐則使40～100cm各土層LOC密度均有顯著增加.退耕40a時(shí),檸條、沙棘、刺槐林地40～100cm各土層LOC均顯著增加,且增幅隨土層加深變大,分別達(dá)到 1.5～3.5倍、1.4～2.0 倍及 3.7～9.5 倍.薛萐等[13]和邱莉萍等[16]對(duì)黃土區(qū)林地碳變化研究也得出土壤活性有機(jī)碳在造林中迅速增加.這可能是因?yàn)橹脖换謴?fù)過程中,植物作為碳素的源以凋落物、根系殘?bào)w及其分泌物的形式把養(yǎng)分歸還于土壤,而土壤作為庫(kù)貯存碳素,隨著植被恢復(fù)生物量增加,對(duì)作為生物生長(zhǎng)所需速效基質(zhì)的活性碳需求逐漸增大,引起活性有機(jī)碳迅速提高[8,16].

表3 不同退耕還林地土壤活性有機(jī)碳含量 (g/kg)Table 3 Content of soil LOC in different forest lands converted from slope land (g/kg)

2.2 退耕還林過程土壤碳庫(kù)指標(biāo)的變化

碳庫(kù)管理指數(shù)能夠從土壤碳組分的質(zhì)和量上全面和動(dòng)態(tài)地反映不同土地利用方式和管理措施對(duì)土壤碳庫(kù)影響,因此相關(guān)研究提出將其作為碳庫(kù)變化和更新程度的指示物[15-16,19].圖 1顯示,與土壤總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳變化趨勢(shì)一致,不同還林地各土層 CMI均隨退耕年限延長(zhǎng)呈增長(zhǎng)的趨勢(shì),并且隨土層加深 CMI增長(zhǎng)減緩.在 0～10cm 和 10～20cm 表層土,3種還林地CMI均呈直線顯著增加,說明表層土壤碳庫(kù)變化和更新最快,薛萐等[13]在人工刺槐林表層土CMI隨退耕時(shí)間序列上變化的研究也得出同樣結(jié)果.20cm以下土層CMI基本以指數(shù)函數(shù)的形式發(fā)生變化,即在退耕還林 10～20a間土壤 CMI增加比較緩慢,而到退耕20～40a間土壤CMI迅速增加.這是因?yàn)橥烁跗?林地植被生長(zhǎng)也處于初期階段,只有表層土壤能夠通過凋落物返還的有機(jī)殘?bào)w使得土壤快速開始累積碳,同時(shí)植物生長(zhǎng)也需要活性有機(jī)質(zhì)迅速礦化釋放養(yǎng)分,因此碳庫(kù)活性組分也同步顯著快速增加,使得土壤有機(jī)碳庫(kù)數(shù)量和質(zhì)量都顯著變化,從而引起土壤 CMI顯著增加.對(duì)于深層土壤其碳源主要來自植物根系殘?bào)w和分泌物[20,24],只有退耕一定年限后林地植被生長(zhǎng)加快,根系恢復(fù)才有足夠的有機(jī)殘?bào)w供土壤碳的轉(zhuǎn)化,才能起到累積碳的效應(yīng),因此也使得深層土 CMI基本到退耕 20a后才開始快速增加.可見 CMI 對(duì)土壤碳庫(kù)及其組分變化上的直觀指示作用.

土壤中活性有機(jī)碳占總有機(jī)碳比例(LOC/TOC)及其占非活性有機(jī)碳的比例(碳庫(kù)活度A)可在一定程度上可以反映土壤有機(jī)碳的質(zhì)量和穩(wěn)定程度,該比例越高表示有機(jī)碳越易被微生物分解礦化、周轉(zhuǎn)期較短或活性高;比例小則表示土壤有機(jī)碳較穩(wěn)定,不易被生物所利用[1,8].圖2與圖3顯示,隨著退耕年限延長(zhǎng)3種還林地的LOC/TOC和A值在0～10cm和10～20cm表層土中均為無規(guī)律的波動(dòng)變化,到退耕 40a時(shí)在0～10cm土層僅檸條林LOC/TOC和A值比退耕初始分別顯著升高0.4倍和0.7倍,而10～20cm中僅沙棘林LOC/TOC和A值比退耕初始時(shí)分別顯著升高0.4倍和0.7倍.薛萐等[13]研究結(jié)果亦顯示這兩個(gè)比例在人工刺槐林表層土 40a退耕過程中并無顯著變化.在 20～100cm 的較深土壤中,除過40～60cm土層3種林地LOC/TOC和A值基本均在退耕20a后開始迅速增加,到退耕40a時(shí)檸條、沙棘、刺槐林LOC/TOC分別平均比退耕初始增加0.8倍、0.3倍、0.7倍,A值平均分別提高1.2倍、0.4倍、1.0倍.可見退耕還林顯著提升了土壤碳庫(kù)的活性和轉(zhuǎn)化過程,但圖2與圖3亦顯示同一林地在相同退耕年限下隨土層加深,兩種比例的高低變化無一致規(guī)律,到退耕 40a時(shí)檸條、沙棘、刺槐林LOC/TOC從表層土到100cm深土壤分別維持在 0.27～0.47、0.21～0.44、0.27～0.34,A 值則分別維持在 0.38～0.87、0.26～0.79、0.40～0.54.說明土壤有機(jī)碳庫(kù)必須在一定范圍內(nèi)保持一定的活躍度.原因可能在于歸還土壤的有機(jī)質(zhì)需要活化為植物生長(zhǎng)提供養(yǎng)分,同時(shí)也將一部分有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為惰性碳庫(kù)固存下來,這樣使得這兩個(gè)比例維持在一定范圍[13].當(dāng)是植物碳返回充足的表層土壤時(shí),有機(jī)質(zhì)向活性碳和總碳庫(kù)、非活性的有機(jī)碳轉(zhuǎn)化同步增加,因而 LOC/TOC和 A值波動(dòng)變化.深層土壤由于本身碳量少,且返回的植物碳需要林地長(zhǎng)期恢復(fù)生長(zhǎng)后才可能充足,因此可能優(yōu)先增加活性碳促進(jìn)植物生長(zhǎng)[15],從而使深層土LOC/TOC和A值還在提高的范圍內(nèi).

2.3 碳庫(kù)指標(biāo)對(duì)土壤有機(jī)碳庫(kù)變化的敏感性

圖4顯示退耕40a時(shí)整體100cm深土壤中TOC和LOC含量與CMI均呈極顯著線性正相關(guān)性,但與LOC/TOC及A值無線性相關(guān)性.同時(shí),表4顯示3種林地LOC和TOC含量均比坡耕地顯著增加,并且增幅均表現(xiàn)為：刺槐＞沙棘＞檸條,這是不同林地植被覆蓋不同,歸還土壤有機(jī)殘?bào)w量、組成及在土壤中的分解速度不同,活性有機(jī)質(zhì)與非活性有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化速度亦不同造成[13,16,25].但與3種林地LOC和TOC變化差異相同的僅有CMI,即CMI相比坡耕地增幅亦表現(xiàn)為刺槐(6.3倍)＞沙棘(2.8倍)＞檸條(2.0倍).而LOC/TOC、A值、碳庫(kù)活度指數(shù)AI值變化在3種林地間表現(xiàn)為檸條＞沙棘,刺槐.這些分析進(jìn)一步說明CMI對(duì)土壤碳庫(kù)及其組分的變化敏感于其他碳庫(kù)指標(biāo).

圖1 不同退耕還林土壤各土層碳庫(kù)管理指數(shù)隨退耕時(shí)間的變化Fig.1 Temporal evolution of CMI with time of returning farmland in each soil layer of different forest lands converted from slope land

圖2 不同退耕還林土壤各土層活性有機(jī)碳占總有機(jī)碳比值隨退耕時(shí)間的變化Fig.2 Temporal evolution of ratio for LOC to TOC with time of returning farmland in each soil layer of different forest lands converted from slope land

圖3 不同退耕還林土壤各土層碳庫(kù)活度隨退耕時(shí)間的變化Fig.3 Temporal evolution of A with time of returning farmland in each soil layer of different forest lands converted from slope land

表4 退耕40a時(shí)不同退耕還林地100cm深土壤有機(jī)碳庫(kù)指標(biāo)對(duì)比Table 4 Comparison of soil carbon pool indicators in 100 cm depth soil among different forest lands converted from slope land

圖4 退耕還林100cm深土層有機(jī)碳庫(kù)與碳庫(kù)管理指數(shù)、碳庫(kù)活度及活性有機(jī)碳占總有機(jī)碳比值回歸分析Fig.4 Regression analysis of between soil organic carbon pools with CMI, A and ratio of LOC to TOC in 100cm depth soil

3 結(jié)論

3.1 長(zhǎng)期退耕還林顯著提升了100cm土壤總有機(jī)碳及其活性組分含量,且增幅為刺槐＞沙棘＞檸條林地.不同土層以 0～40cm 淺層土壤碳庫(kù)對(duì)退耕還林較敏感,其基本在退耕 10a時(shí)即開始顯著增加;而 40～100cm 深層土壤碳庫(kù)到退耕還林20～40a間才有顯著增加.可見黃土丘陵區(qū)退耕還林土壤碳庫(kù)變化還需考慮深層土壤的固碳作用.

3.2 長(zhǎng)期退耕還林下3種林地100cm土壤活性有機(jī)碳占總有機(jī)碳及非活性有機(jī)碳的比例顯著提高,加快了土壤碳庫(kù)活化與養(yǎng)分供應(yīng).但該比例在表層土高碳量時(shí)并無持續(xù)增加,而在深層土壤低碳量下增加明顯,表明土壤碳庫(kù)活化度維持在一定范圍內(nèi),且不隨碳庫(kù)持續(xù)增加而不斷提高,因此該比例只對(duì)土壤碳庫(kù)性質(zhì)的變化起指示作用.

3.3 長(zhǎng)期不同退耕還林地僅碳庫(kù)管理指數(shù)與土壤總有機(jī)碳及其活性組分變化的趨勢(shì)和差異保持一致,并與有機(jī)碳庫(kù)含量變化呈現(xiàn)極顯著的線性正相關(guān)關(guān)系.說明碳庫(kù)管理指數(shù)相對(duì)于活性有機(jī)碳占總有機(jī)碳比例、碳庫(kù)活度、碳庫(kù)活度指數(shù)對(duì)土壤有機(jī)碳庫(kù)變化更敏感,可以良好指示退耕還林土壤有機(jī)碳庫(kù)的變化.

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