基于CENTURY模型模擬研究次生鹽堿地枸杞林土壤有機(jī)碳的變化

孫 濤，馬全林，李銀科，張瑩花，王耀琳，3，郭春秀

(1.甘肅省治沙研究所/甘肅省荒漠化與風(fēng)沙災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室-省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，甘肅蘭州 730070；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所，北京 100091；3.甘肅省林業(yè)廳GEF項(xiàng)目執(zhí)行辦，甘肅蘭州 730030)

基于CENTURY模型模擬研究次生鹽堿地枸杞林土壤有機(jī)碳的變化

孫 濤1，2，馬全林1，李銀科1，張瑩花1，王耀琳1，3，郭春秀1

(1.甘肅省治沙研究所/甘肅省荒漠化與風(fēng)沙災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室-省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，甘肅蘭州 730070；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所，北京 100091；3.甘肅省林業(yè)廳GEF項(xiàng)目執(zhí)行辦，甘肅蘭州 730030)

以景泰紅躍村典型次生鹽堿地枸杞林為研究對(duì)象，基于CENTURY模型模擬枸杞生長過程中表層0～20 cm土壤有機(jī)碳庫的變化。結(jié)果表明，次生鹽堿地開墾種植枸杞使得土壤總有機(jī)碳發(fā)生了顯著的變化，呈先增后減的倒“V”型變化趨勢(shì)。枸杞林土壤有機(jī)碳在幼苗生長階段(1～4 a)快速增加，呈“碳匯”趨勢(shì)，在成熟階段土壤總有機(jī)碳逐漸降低，隨著枸杞生長衰老(8～12 a)，土壤有機(jī)碳降至開墾前的水平。農(nóng)田耕作措施、方法決定了土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)變化。在當(dāng)前的農(nóng)田管理措施下，枸杞林地在未來20～30 a內(nèi)極有可能轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)弱的碳排放源。因此，改變農(nóng)田管理方式、增加有機(jī)肥的投入、采用科學(xué)灌水設(shè)備、及時(shí)更新苗木等，對(duì)提高枸杞林土壤質(zhì)量、增加土壤碳儲(chǔ)量和減緩溫室效應(yīng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

次生鹽堿地；枸杞；模擬；土壤有機(jī)碳；CENTURY模型

土壤有機(jī)質(zhì)模型能夠模擬土壤有機(jī)質(zhì)的變化規(guī)律，已被廣泛用于模擬土壤有機(jī)質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化。土壤有機(jī)質(zhì)模擬已經(jīng)在當(dāng)前大量的有關(guān)氣候變化和全球碳循環(huán)研究中起到了重要的作用[1-2]，成為更好地理解和管理陸地碳循環(huán)的一個(gè)重要組成部分。CENTURY模型是應(yīng)用比較廣泛的表征土壤有機(jī)質(zhì)動(dòng)態(tài)的模型。CENTURY模型是美國科羅拉多州立大學(xué)的Parton等(1974)于20世紀(jì)80年代末建立的，起初用于模擬草地生態(tài)系統(tǒng)的C、N、P、S等元素的長期演變過程，以后加以改進(jìn)，其應(yīng)用擴(kuò)展到稀樹草原、森林、農(nóng)業(yè)等生態(tài)系統(tǒng)中。它主要基于土壤的結(jié)構(gòu)功能，從C、N、P的生物地球化學(xué)循環(huán)因子入手，結(jié)合溫度、降水等驅(qū)動(dòng)因子，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)[3-4]。國內(nèi)外眾多學(xué)者先后將CENTURY模型應(yīng)用于農(nóng)業(yè)或林業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，并對(duì)土壤有機(jī)碳進(jìn)行了模擬，其模擬值與實(shí)測(cè)值具有極高的相關(guān)性，并可用于不同的農(nóng)林業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的模擬研究中[5-9]。

引水灌溉對(duì)荒漠、半荒漠區(qū)域的農(nóng)業(yè)發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用，但是在不適當(dāng)?shù)墓喔扰潘畻l件下造成了灌區(qū)土壤次生鹽堿化等生態(tài)退化問題[10]。甘肅景泰川灌區(qū)由于多年來不合理的大水漫灌、串灌等原因，使得景泰川這個(gè)半封閉型盆地的地下水位迅速上升，導(dǎo)致土地次生鹽堿化面積逐年增大，土地退化問題尤為嚴(yán)重[11]，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活造成嚴(yán)重影響。

從20世紀(jì)90年代中期開始，當(dāng)?shù)馗鶕?jù)實(shí)際情況采取生物措施對(duì)次生鹽堿地進(jìn)行治理，引進(jìn)枸杞并種植成功，現(xiàn)在已經(jīng)在景泰川地區(qū)大面積的推廣種植開來，不光產(chǎn)生了經(jīng)濟(jì)效益，也充分地利用和改良了鹽堿地。土壤在次生鹽漬化過程中，水鹽動(dòng)態(tài)平衡被打破，土壤結(jié)構(gòu)改變，土質(zhì)下降，引起土壤生態(tài)退化。在枸杞種植過程中土壤性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，對(duì)土壤質(zhì)地會(huì)產(chǎn)生一定的影響，進(jìn)而土壤有機(jī)碳也發(fā)生相應(yīng)的變化，但是，其特征變化和演變趨勢(shì)并不清楚，其變化趨勢(shì)對(duì)土壤質(zhì)地和區(qū)域環(huán)境的影響也不清楚，運(yùn)用模型擬合研究并對(duì)土壤碳變化作出分析預(yù)測(cè)是一個(gè)較好的研究方法。因此，利用CENTURY 模型模擬在次生鹽漬化改良過程中土壤有機(jī)碳的變化特征，研究當(dāng)前種植枸杞對(duì)次生鹽堿地的改良作用和土壤碳的動(dòng)態(tài)變化，預(yù)測(cè)在當(dāng)前的農(nóng)業(yè)種植模式下土壤碳演變趨勢(shì)，為次生鹽堿地土壤質(zhì)量、健康評(píng)價(jià)以及生態(tài)治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)自然概況紅躍村地處景泰縣中部，景電一期引黃提灌灌區(qū)中心地帶，縣城以北8 km處，位于景泰縣草窩灘鎮(zhèn)以東3 km，地勢(shì)由西南向東北傾斜的微型盆地，海拔1 565 m。氣候干燥、干旱少雨、風(fēng)沙大，年均降水量185 mm，降水年際變化不大，雨水集中在7～9月，年蒸發(fā)量3 040 mm，年均氣溫8.5 ℃，雨熱同期，地表水資源較為貧乏，地下水資源礦化度高、水質(zhì)差。20世紀(jì)70～80年代建成的景電一、二期高揚(yáng)程電力引黃提灌工程是該區(qū)主要的水資源[12]。全村現(xiàn)有耕地面積330.7 hm2，約80%的農(nóng)田耕地為次生鹽堿化土地。自2000年以來，該村開始推廣引種耐鹽堿的經(jīng)濟(jì)樹種枸杞，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益[13]。

1.2 樣品采集與分析應(yīng)用模型前要經(jīng)過校正與驗(yàn)證，調(diào)整模型參數(shù)，反復(fù)檢驗(yàn)?zāi)M結(jié)果，檢驗(yàn)?zāi)M值與觀測(cè)值之間的吻合程度，達(dá)到最好的模擬效果。基于調(diào)試后的參數(shù)，再通過對(duì)比分析其他年份的模擬與觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行模型的模擬研究與驗(yàn)證平衡[1，14]。于2012年、2013年7月中旬進(jìn)行野外枸杞林地調(diào)查采樣。采用空間代替時(shí)間的方法，分別選擇4年生、7年生、12年生枸杞林地采集土樣，選擇臨近的次生鹽堿化土地作為對(duì)照。土壤采樣深度為0～20、20～40 cm，每個(gè)地塊3次重復(fù)。同時(shí)，用環(huán)刀法取土壤容重，鋁盒裝少量新鮮土壤用于土壤水分測(cè)定。土樣帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干后測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)、有機(jī)碳、pH、鹽分等指標(biāo)。土壤粒度采用激光粒度分析儀測(cè)定。

1.3 CENTURY模型的參數(shù)化設(shè)置根據(jù)土壤有機(jī)質(zhì)的分解速率，CENTURY模型將土壤總有機(jī)碳(TOC)分成了3個(gè)碳庫，分別是活性、慢性和惰性土壤有機(jī)碳庫[1，3]。該研究采用CENTURY4.0版本，初始輸入數(shù)據(jù)包括基本的氣象數(shù)據(jù)、土壤質(zhì)地等(表1)。模型所運(yùn)用的1955～2012年氣象數(shù)據(jù)由景泰縣氣象站提供，由于研究區(qū)距離縣城10 km，地勢(shì)平坦，因此可以將此數(shù)據(jù)直接作為研究區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬運(yùn)行。CENTURY模型在運(yùn)行調(diào)試過程中需要先設(shè)定主要的植被參數(shù)，包括植物生長的開始月份、 衰老月份、休眠月份，該研究采用模型中自帶的荒漠草地的模擬情景對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定。在模型運(yùn)行中部分參數(shù)應(yīng)用模型提供的缺省值。

表1 模型初始化所需主要參數(shù)

枸杞在生長過程中所需的農(nóng)田管理措施是不同的，為了掌握枸杞林的生產(chǎn)和經(jīng)營方式，在進(jìn)行野外觀測(cè)的同時(shí)采用農(nóng)戶基線調(diào)查方法，在紅躍村隨機(jī)抽取典型農(nóng)戶30戶進(jìn)行訪談式調(diào)查，調(diào)查內(nèi)容包括枸杞種植前期土地的基本情況、不同林齡枸杞生長過程中土壤處理、施肥、灌溉等農(nóng)田管理措施，以及果實(shí)收獲、處理等近10項(xiàng)內(nèi)容。根據(jù)當(dāng)?shù)赝恋卮紊}堿化和人工種植枸杞林的情況，將模型分為A、B、C 3個(gè)階段。階段A為0～2000年，此時(shí)段為模型建立平衡狀態(tài)的過程，通過參數(shù)調(diào)整將模型調(diào)整到與次生鹽堿地相平衡的狀態(tài)；階段B、C為種植枸杞時(shí)段，其中B是1～4年生枸杞幼苗生長階段，不修剪，不產(chǎn)出果實(shí)，在模擬時(shí)不涉及到收獲，C是枸杞生長成熟時(shí)期，此階段枸杞生長穩(wěn)定，每年要進(jìn)行枝條修剪，枸杞果實(shí)量大并進(jìn)行采摘。為了維持良好的產(chǎn)果量，增加灌水次數(shù)，并施用大量的化肥。因此，這兩個(gè)時(shí)段在模擬的過程中對(duì)應(yīng)有不同的農(nóng)業(yè)管理措施(表2)。

表2 模擬枸杞生長不同階段及耕作措施

2 結(jié)果與分析

2.1 模型參數(shù)初始化設(shè)置及穩(wěn)態(tài)的建立用CENTURY模型模擬研究土壤變化時(shí)首先要進(jìn)行模型參數(shù)的初始化，在參數(shù)平衡狀態(tài)下才能進(jìn)行真正的模擬運(yùn)算[1-2]。主要是模擬研究區(qū)在自然狀態(tài)下土壤活性碳庫(SOM1C(2))、慢性碳庫(SOM2C)、惰性碳庫(SOM3C)及土壤總碳庫(SOMTC，包含結(jié)構(gòu)性C庫和代謝性C庫)逐漸積累到穩(wěn)定平衡階段。CENTURY模型模擬研究區(qū)土壤活性、慢性、惰性有機(jī)碳庫和總有機(jī)碳庫從無積累到穩(wěn)定狀態(tài)的變化所需時(shí)間約為1960 a(圖1)。當(dāng)繼續(xù)運(yùn)行到2000 a時(shí)，土壤各碳庫建立了平衡，達(dá)到了試驗(yàn)區(qū)土壤碳的水平。此時(shí)，活性、慢性和惰性有機(jī)碳庫分別占總有機(jī)碳庫的3.28%、68.67%和28.05%。從圖1中土壤有機(jī)碳的年際變化可看出，土壤總碳庫和緩性有機(jī)碳庫年際變化較大，惰性有機(jī)碳庫變化穩(wěn)定，曲線平滑，活性有機(jī)碳庫年際變化敏感，但是其值較小，所占比例小。研究地為次生鹽堿地，植被以鹽生植物鹽爪爪為主，蓋度為8%～15%。2 000 a開墾種植枸杞，未開墾的土地土壤有機(jī)碳含量為3 424.67 g/m2，而CENTURY模型在平衡狀態(tài)下模擬的土壤總有機(jī)碳含量為3 386.39 g/m2，兩者相差很小，說明CENTURY模型準(zhǔn)確模擬了研究區(qū)土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)積累過程。

2.2 模型模擬值與實(shí)測(cè)值的有效性驗(yàn)證模型的可靠性測(cè)定通常采用多種方法，每種測(cè)定方法均有其獨(dú)到之處[15]。采用均差法測(cè)定模擬值與實(shí)測(cè)值的擬合程度。以0 a(次生鹽堿裸地)、4 a、7 a、12 a枸杞林土壤有機(jī)碳實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模型模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。由圖2可知，土壤實(shí)測(cè)值與模擬值具有較好的擬合性，R2達(dá)0.947，統(tǒng)計(jì)分析t=1.32，雙尾檢驗(yàn)概率P=0.27>0.05，模擬值與實(shí)測(cè)值之間差異不顯著，說明運(yùn)用CENTURY模型來模擬次生鹽漬化土地有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)變化基本符合實(shí)際情況，其精度滿足要求，可用來模擬研究試驗(yàn)區(qū)的土壤動(dòng)態(tài)變化。

2.3 枸杞林對(duì)次生鹽漬化土壤有機(jī)碳變化的影響研究區(qū)自2000年開始種植枸杞，土地類型發(fā)生了變化，自然植被轉(zhuǎn)變成人工栽植經(jīng)濟(jì)作物，土壤有機(jī)碳隨之發(fā)生了顯著的變化(圖3)。從次生鹽堿裸地到開墾種植枸杞，再到枸杞成熟穩(wěn)產(chǎn)共有3個(gè)階段，分別是A、B、C階段，每個(gè)階段的土地耕作方式和農(nóng)田管理模式均有所差異，導(dǎo)致了土壤活性、緩性、惰性和土壤總碳庫均發(fā)生了顯著的變化。A階段為次生鹽堿地，也是模擬原始有機(jī)碳庫處于平衡狀態(tài)的階段。這一階段處于自然狀態(tài)，土壤各碳庫僅受到降雨、氣溫等自然因素的影響，變化小，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。B階段為枸杞幼苗生長期，也是各個(gè)碳庫快速增加時(shí)期。從2000年開始種植枸杞，在第1年春季對(duì)次生鹽堿地進(jìn)行翻耕，施肥，栽植幼苗，之后進(jìn)行農(nóng)田管理。在4 a的時(shí)間里枸杞生長成熟，土壤活性、緩性、惰性和總有機(jī)碳庫在這一時(shí)間段內(nèi)均呈快速增加的態(tài)勢(shì)(圖3)。土壤活性碳的含量增幅最大，增幅相對(duì)于第1年超過130%，其次是土壤總碳>土壤緩性碳>土壤惰性碳，其增幅分別為15%、7%和0.3%。C階段為枸杞成熟穩(wěn)產(chǎn)期，是各個(gè)碳庫逐漸穩(wěn)定降低階段。在這一時(shí)期枸杞林產(chǎn)出枸杞，主要以經(jīng)濟(jì)效益為主。春季修剪枝條，促進(jìn)新枝發(fā)育；從6月開始采摘果實(shí)，持續(xù)4個(gè)月。這些生物量均從枸杞林移除，這樣就導(dǎo)致枯落物碳儲(chǔ)量逐漸下降?；钚蕴驾^為敏感，下降幅度最大，2012～2014年下降速度趨緩，逐漸穩(wěn)定，但是其值低于開墾前活性碳的含量。緩性碳和惰性碳在這個(gè)階段繼續(xù)積累增加后降低，但是累積速率相比B階段降低，到2009～2010年達(dá)到最高值后開始緩慢下降。土壤有機(jī)碳含量逐漸減小，由2005年開始下降，到2013年土壤有機(jī)碳含量降至與開墾前次生鹽堿地土壤有機(jī)碳含量相當(dāng)(圖3)。

2.4 成熟枸杞林未來土壤碳變化趨勢(shì)的情景模擬假設(shè)當(dāng)前的枸杞林農(nóng)田管理措施不變，運(yùn)用1956～2012年的氣象統(tǒng)計(jì)資料，輸入相關(guān)參數(shù)對(duì)未來30 a枸杞林土壤碳的變化進(jìn)行模擬。以2010年CENTURY模型輸出結(jié)果為土壤有機(jī)碳的初始值，分析預(yù)測(cè)在當(dāng)前的農(nóng)田管理措施條件下枸杞林土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)。由圖4可知，在未來15～20 a枸杞林的土壤有機(jī)碳庫呈逐漸下降趨勢(shì)，在未來30 a后土壤有機(jī)碳庫已經(jīng)趨于穩(wěn)定。穩(wěn)定狀態(tài)下0～20 cm土壤有機(jī)碳含量平均約3 200 g/m2，相對(duì)2010年土壤有機(jī)碳含量降低了1.6%，相對(duì)枸杞種植前的次生鹽堿地土壤有機(jī)碳含量降低了約5%?；钚?、緩性和惰性碳庫均隨之降低(圖4)。各個(gè)碳庫年內(nèi)變化波動(dòng)小，主要是受季節(jié)性的氣溫、降雨等變化影響，但是對(duì)整體變化趨勢(shì)影響不大。由此可見，在當(dāng)前的農(nóng)田管理措施下枸杞林地極有可能從當(dāng)前的有機(jī)碳庫逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)弱的碳排放源。

3 討論

土壤有機(jī)碳的來源主要是植物凋落物的輸入，其大小取決于凋落物輸入量和土壤有機(jī)質(zhì)的分解量[16]。在自然狀態(tài)下植被土壤有機(jī)碳的積累不受人為因素的干擾，其初期積累較為快速，但是經(jīng)過一段時(shí)間后，積累速率逐漸趨于緩和，最終達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。從圖1的模擬結(jié)果來看，次生鹽堿化土壤有機(jī)碳在模型運(yùn)行1 600 a左右時(shí)基本達(dá)到或接近穩(wěn)定，雖然有波動(dòng)，但是這種波動(dòng)是植被系統(tǒng)在氣候環(huán)境因素正?！安▌?dòng)”條件下的一種穩(wěn)定狀態(tài)[6]，這種趨勢(shì)在更長的時(shí)間尺度上將會(huì)表現(xiàn)的更明顯。因此CENTURY模型在次生鹽堿化土地有機(jī)碳模擬中相應(yīng)參數(shù)值能夠達(dá)到平衡狀態(tài)，可以運(yùn)用模擬其碳庫的變化過程。

研究區(qū)枸杞林種植前是以鹽爪爪為主的次生鹽堿地，經(jīng)過大規(guī)模的開墾、施肥、排鹽等措施建成了枸杞林地，隨著市場(chǎng)價(jià)格的逐漸升高，枸杞面積也逐年擴(kuò)大。種植枸杞在產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)又能改良土壤，起到固碳的作用。枸杞林對(duì)土壤有機(jī)碳的影響有兩個(gè)階段，即幼苗生長階段和成熟穩(wěn)定階段(圖3)，從圖中看出土壤活性炭和土壤總碳庫變化曲線呈倒“V”型變化，而土壤緩性和惰性碳庫增加趨勢(shì)呈“S”型變化。對(duì)土地的開墾不僅會(huì)改變生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳的輸出和輸入，同時(shí)開墾導(dǎo)致的土壤溫度和濕度的改善，也將極大地促進(jìn)土壤的呼吸作用，加速表層土壤有機(jī)質(zhì)的分解[6，17]。因此在枸杞生長B階段土壤活性碳、緩性碳、惰性碳含量均呈快速增加的態(tài)勢(shì)。植物生物量逐漸增加，土壤碳的累積速率也在不斷增加。土壤總碳庫在栽植4～5 a達(dá)到最大，超過自然狀態(tài)下的總碳庫，2004年枸杞林土壤總碳庫比開墾前的含量增加了22%，表明這段時(shí)間枸杞林地土壤碳總體呈“碳匯”趨勢(shì)。

在C階段農(nóng)田管理措施發(fā)生了變化。春季修剪枝條，除雜草，將一些長勢(shì)弱的枸杞拔除，調(diào)整間距為2 m，地上生物量相應(yīng)的減少。從6月份開始采摘果實(shí)，這樣將一部分生物量移除，返回地表的枯落物減少，導(dǎo)致腐殖質(zhì)含量降低，活性碳庫隨之減小[18]。為了保持甚至增加枸杞的產(chǎn)量，施用更多的化肥，平均施肥次數(shù)增至6～7次，同時(shí)灌水次數(shù)也由初期的3～4次增至6～7次(表2)?；实拇罅渴褂门c有機(jī)肥料的缺乏，再加上腐殖質(zhì)的減少，使得土壤結(jié)構(gòu)和性狀被逐漸的改變，土壤緩性碳和惰性碳在緩慢的積累之后迅速降低，土壤總碳庫隨之降低，土壤的碳匯功能也被大大降低或被逆轉(zhuǎn)[19-20]。因此，CENTURY模型模擬結(jié)果表明在這一階段土壤有機(jī)碳含量逐年降低，2013年土壤總碳庫含量與開墾前土壤碳庫含量相當(dāng)。這與高寒草甸開墾并種植燕麥草地1～3 a土壤有機(jī)碳出現(xiàn)一個(gè)快速增加又降低的趨勢(shì)相似[6]，也與在干旱區(qū)綠洲人工開發(fā)下種植小麥、玉米等作物土壤碳含量變化趨勢(shì)相似[18]。

對(duì)成熟枸杞林土壤有機(jī)碳含量的變化進(jìn)行預(yù)測(cè)分析表明，在當(dāng)前的農(nóng)田管理措施下，枸杞林地極有可能從有機(jī)碳庫逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)弱的碳排放源。這種變化趨勢(shì)與C階段的變化是相一致的，這主要與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民為了使枸杞保持穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)，達(dá)到較好的經(jīng)濟(jì)效益所采取的一些不當(dāng)?shù)霓r(nóng)田管理措施有關(guān)。一是為了增加枸杞的產(chǎn)果量大量使用化肥，導(dǎo)致土壤板結(jié)，生物活性降低，土壤中的活性有機(jī)碳持續(xù)下降。二是采用大水漫灌，年均灌溉次數(shù)6～7次，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)和性狀發(fā)生變化。由于研究區(qū)地形為一淺層盆地，排水不暢，大量灌溉用水不能及時(shí)排出，導(dǎo)致該地區(qū)地下水位上升，反鹽現(xiàn)象嚴(yán)重，造成土壤通透性降低，枸杞病蟲害增加，根腐病明顯，隨著鹽堿化程度的加重，土壤菌類數(shù)量及微生物總量呈現(xiàn)顯著降低的趨勢(shì)[21]，微生物活性也隨之降低[22]。三是枝條修剪和果實(shí)采摘都是從地里移除生物量，導(dǎo)致了進(jìn)入土壤中的腐殖質(zhì)含量進(jìn)一步減少，加重了土壤板結(jié)的程度。四是植株衰老枯死現(xiàn)象嚴(yán)重。種植8～10 a的枸杞已處于衰老階段，根系病害多，導(dǎo)致土壤亞表層10～20 cm植物有機(jī)物質(zhì)含量減少，植株枯死現(xiàn)象明顯。這些原因均導(dǎo)致土壤有機(jī)碳含量持續(xù)減少，引起土壤有機(jī)碳庫的下降。當(dāng)前對(duì)枸杞林的農(nóng)田措施和一些不合理的耕作方式?jīng)Q定了土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)變化。

在未來10～20 a枸杞林的土壤有機(jī)碳庫呈逐漸下降趨勢(shì)，在未來30 a后土壤有機(jī)碳庫將低于開墾前的次生鹽堿地，其有機(jī)碳碳含量將降低約3%～5%。由此可見，在當(dāng)前的農(nóng)田管理措施下枸杞林地在未來30 a內(nèi)極有可能從當(dāng)前的有機(jī)碳庫逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)弱的碳排放源。因此，改變農(nóng)田管理方式、增加有機(jī)肥的投入、采用科學(xué)灌水設(shè)備、及時(shí)更新苗木等，對(duì)提高枸杞林土壤質(zhì)量、增加土壤碳儲(chǔ)量和減緩溫室效應(yīng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

4 結(jié)論

CENTURY 模型模擬結(jié)果顯示，CENTURY模型適用于次生鹽堿地土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)過程的模擬，模擬精度滿足要求；次生鹽堿地開墾種植枸杞后，土壤總有機(jī)碳經(jīng)歷了急速上升、快速下降和逐漸平穩(wěn)的變化，土壤總有機(jī)碳呈先增后減的倒“V”型變化趨勢(shì)。枸杞林土壤總有機(jī)碳在幼苗生長階段呈“碳匯”趨勢(shì)，在成熟階段土壤總有機(jī)碳逐漸降低，當(dāng)枸杞生長到12 a左右時(shí)，土壤總有機(jī)碳與開墾前相近。枸杞林地的農(nóng)田耕作措施和管理方法決定了土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)變化，在當(dāng)前的農(nóng)田管理措施下枸杞林地在未來20～30 a內(nèi)極有可能逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)弱的碳排放源。該研究為次生鹽堿地的開發(fā)、利用和科學(xué)管理提供了現(xiàn)實(shí)的科學(xué)依據(jù)，具有重要的指導(dǎo)意義。

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Simulation and Analysis on the Dynamics of Soil Organic Carbon of Wolfberry Forest in Secondary Saline-alkali Land Based on the CENTURY Model

SUN Tao1,2, MA Quan-lin1, LI Yin-ke1et al

(1.Gansu Desert Control and Research Institute /State Key laboratory Breeding Base of Desertification and Aeolian Sand Disaster Combating, Lanzhou, Gansu 730070; 2. Institute of Desertification, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091)

Wolfberry forest, which grows in typical secondary saline-alkali land in Hongyue village, Jingtai, was selected as the representative area to analyze dynamics of soil carbon in the top layer of 0～20cm soil during period of wolfberry growth. Based on the simulation of CENTURY model, the results showed that reclamation secondary saline-alkali land to plant wolfberry made a significant change in total soil organic. It increased at first and decreased secondly, just like the inverted “V.” The soil organic carbon of wolfberry forest increased rapidly in seeding growth stage(1-4 years) after secondary saline-alkali land reclamation. It showed as a trend of carbon sink and then declined gradually to the level of land before reclamation during mature stage(8-12 years). The measurements of farmland, the method for cultivation played a key role in change of soil organic carbon. The wolfberry forest is likely to be a weak source of carbon emissions in the next 20 to 30 years under the current farmland conditions. Therefore, it is practically significant to change farmland management, increase organic fertilizer input, adopt scientific irrigation equipments, and replace the old seedlings,etc. Thus, it will improve the quality of wolfberry forest soil, increase soil carbon reservation, and reduce the greenhouse effects.

Secondary saline-alkali land; Wolfberry forest; Simulation; Soil organic carbon; CENTURY model

國家自然科學(xué)基金(31300595)；甘肅省青年科技基金(1208RJYA093，1208RJYA067)；全球環(huán)境基金(GEF/UNEP)碳效益研究項(xiàng)目(GEF/ 53-4280)。

孫濤(1978- )，男，甘肅永昌人，助理研究員，在讀博士，研究方向：荒漠生態(tài)、荒漠植被恢復(fù)及荒漠化防治。

2015-03-25

S 156.4

A

0517-6611(2015)13-202-05

鳴 謝感謝美國科羅拉多州立大學(xué)(Colorado State University,USA)專家Eleanor Milne, Mark Easter, Keith Paustian, Au Yong Hoi Wen等和Yao Zhang博士的指導(dǎo)、幫助和培訓(xùn)。