揚(yáng)黃灌區(qū)開墾時(shí)間對(duì)土壤剖面有機(jī)碳含量和組分變化的影響

楊新國(guó), 曲文杰, 宋乃平, 陳 林, 劉秉儒

(西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地, 銀川 750021)

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揚(yáng)黃灌區(qū)開墾時(shí)間對(duì)土壤剖面有機(jī)碳含量和組分變化的影響

楊新國(guó), 曲文杰, 宋乃平, 陳 林, 劉秉儒

(西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地, 銀川 750021)

基于開墾時(shí)間長(zhǎng)短和跨度大小，研究了近40 a來寧夏中部揚(yáng)黃灌區(qū)土壤有機(jī)碳含量、組分及其化學(xué)穩(wěn)定性的變化規(guī)律。結(jié)果表明：代尺度上(15～35 a，10 a為最小單位)，隨開發(fā)年限的延長(zhǎng)，依次以0—40 cm土壤活性有機(jī)碳垂直分布格局(15 a)、10—20 cm土壤活性有機(jī)碳含量(25 a)、10—40 cm土壤總有機(jī)碳含量(35 a)的顯著變化為標(biāo)志，灌區(qū)土壤有機(jī)碳表現(xiàn)出一種漸進(jìn)式演變格局。在此過程中，表層0—10 cm土壤有機(jī)碳含量與組成、0—40 cm分層土壤有機(jī)碳化學(xué)穩(wěn)定性維持不變。年尺度上(0～12 a，3 a為最小單位)，耕作層土壤總有機(jī)碳、活性有機(jī)碳含量在0～12 a間表現(xiàn)出先增加后下降的波動(dòng)變化格局，而有機(jī)碳化學(xué)穩(wěn)定性除第3年大幅下降外，基本保持穩(wěn)定。就揚(yáng)黃灌區(qū)土壤有機(jī)碳的變化格局而言，其相對(duì)快速而不穩(wěn)定的變化主要體現(xiàn)在較小的年尺度上；代尺度上土壤總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳含量則以一種相對(duì)平緩、漸進(jìn)的方式不斷推進(jìn)其演變進(jìn)程，直到35 a左右才開始出現(xiàn)顯著增長(zhǎng)。而有機(jī)碳化學(xué)穩(wěn)定性則表現(xiàn)出與時(shí)間尺度無關(guān)的不變性。

土壤有機(jī)碳; 活性有機(jī)碳; 有機(jī)碳化學(xué)穩(wěn)定性; 揚(yáng)黃灌區(qū); 時(shí)間尺度

土地利用變化能夠影響土壤水分和養(yǎng)分的分布和遷移,進(jìn)而影響土壤的性質(zhì)和質(zhì)量。揚(yáng)黃灌區(qū)建設(shè)是近40 a來寧夏中部干旱帶土地利用類型發(fā)生變化的典型代表。在此過程中，土壤有機(jī)碳如何演變是決定灌區(qū)農(nóng)田土壤質(zhì)量的關(guān)鍵因素[1]。干旱區(qū)土壤有機(jī)碳含量較低，分解活動(dòng)較弱，因此初級(jí)生產(chǎn)力越高，植物殘?bào)w對(duì)土壤的歸還越強(qiáng)，土壤就能夠固定更多的有機(jī)碳[2]，這在中國(guó)西北干旱灌區(qū)得到普遍驗(yàn)證[3-5]，并與旱地農(nóng)田開墾的有機(jī)碳衰減效應(yīng)[6-7]形成鮮明對(duì)比。但是限于灌區(qū)開發(fā)年限尚短，缺乏長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以及土壤有機(jī)碳自身變化周期屬性的約束[8]，對(duì)于土壤有機(jī)碳變化的具體過程及其時(shí)間尺度上的臨界特性等，依然不甚明了。

活性有機(jī)碳是土壤中不穩(wěn)定，易氧化、分解、礦化的，對(duì)植物和微生物有較高活性的部分土壤碳素[9]。土壤活性有機(jī)質(zhì)的大小和周轉(zhuǎn)對(duì)地表覆蓋、土地利用方式和管理措施及外界環(huán)境的變化等因素較為敏感，可以作為土壤潛在生產(chǎn)力以及由土壤管理措施引起土壤有機(jī)質(zhì)變化的早期指標(biāo)；土壤水溶性有機(jī)碳占總有機(jī)碳的百分比一般被作為表征土壤生物活性有機(jī)碳庫(kù)周轉(zhuǎn)的指標(biāo)。因此，活性有機(jī)碳與土壤總有機(jī)碳的相對(duì)變化關(guān)系，是決定灌區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性的一個(gè)重要指標(biāo)[10]；兩者在不同時(shí)間尺度上的對(duì)應(yīng)變化格局，也是深入認(rèn)識(shí)土壤有機(jī)碳庫(kù)平衡過程的必要環(huán)節(jié)。但是相對(duì)土壤總有機(jī)碳，相關(guān)地區(qū)活性有機(jī)碳研究依然較少。

土壤變化是土壤性質(zhì)在時(shí)間上的動(dòng)態(tài)，可分為隨機(jī)性、周期性、趨勢(shì)性三種類型，不同的土壤性質(zhì)其變化的時(shí)間尺度不同；土壤質(zhì)量動(dòng)態(tài)具有復(fù)雜的時(shí)空變異性，許多自然和人為的生態(tài)過程都會(huì)顯著影響土壤質(zhì)量的演變。寧夏中部干旱帶在近40 a的時(shí)間內(nèi)，陸續(xù)開發(fā)建設(shè)了固海、鹽環(huán)定、紅寺堡三大揚(yáng)黃灌區(qū)，開發(fā)利用年限跨越10～40 a，為本研究提供了較為理想的研究模板，有助于克服以往研究時(shí)間跨度過小，樣本量偏少與可比較性不足等問題。據(jù)此，本研究以寧夏中部不同開發(fā)年限的揚(yáng)黃灌區(qū)為對(duì)象，開展有關(guān)灌溉農(nóng)田土壤有機(jī)碳變化規(guī)律方面的研究，以進(jìn)一步認(rèn)識(shí)旱區(qū)灌溉活動(dòng)影響下農(nóng)田土壤質(zhì)量演變規(guī)律及其對(duì)時(shí)間尺度的依賴性，為揚(yáng)黃灌區(qū)農(nóng)田土壤質(zhì)量維護(hù)提供依據(jù)。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)域與樣地布設(shè)

按開發(fā)時(shí)間早晚，分別選取寧夏中部干旱帶的紅寺堡灌區(qū)(1998年—)、鹽環(huán)定灌區(qū)(1988年—)、固海灌區(qū)(1978年—)，在每個(gè)灌區(qū)內(nèi)選擇早期開發(fā)建設(shè)的3～5個(gè)自然村落，通過農(nóng)戶訪談明確有關(guān)土地利用歷史與管理水平，在此基礎(chǔ)上，在每個(gè)村落內(nèi)選擇墾殖年限與灌區(qū)開發(fā)年限相近、空間上鄰近、管理水平近似的灌溉玉米地(TC)3～5塊作為重復(fù)取樣樣地，構(gòu)成代尺度(15～35 a，10 a為最小單位)上的樣地序列；并在每個(gè)自然村落臨近選擇一塊天然草地(CK)做未利用地對(duì)照。另外，在紅寺堡灌區(qū)光彩新村(開發(fā)前沙化較為嚴(yán)重，農(nóng)田系推平沙丘后整地而來)按空間鄰近、管理相似的原則，選擇種植年限3，6，9，12 a的灌溉玉米地，每個(gè)年限選擇3～5個(gè)地塊作為重復(fù)取樣樣地，構(gòu)成年尺度(0～12 a，3 a為最小單位)上的樣地序列，并臨近選擇一塊沙荒地做對(duì)照(0 a)。灌溉普遍采用小畦漫灌方式，1 a灌4水，灌溉定額900 m3/hm2，第1水3月中旬，第2水4月中旬，第3水6月中下旬，第4水8月中旬。土壤以沙化灰鈣土為主，表層0—20 cm砂粒含量偏高(砂粒平均含量80%)，下部為典型灰鈣土土質(zhì)(砂粒平均含量65%)。另外，灌區(qū)養(yǎng)殖業(yè)一般不發(fā)達(dá)，農(nóng)田有機(jī)肥投入量較低，主要以速效氮磷化肥施用為主。

1.2田間取樣與分析測(cè)試

取樣時(shí)間統(tǒng)一在2012年6月中旬。在每個(gè)取樣樣地內(nèi)(面積300～500 m2)，按S型5點(diǎn)取樣法，分0—10，10—20，20—40 cm，土鉆取樣，分層混合。風(fēng)干土壤樣過2 mm篩，分析測(cè)試土壤總有機(jī)碳(SOC)、易氧化有機(jī)碳(LOC)。土壤總有機(jī)碳采用提前加濃H2SO4的重鉻酸鉀容量法測(cè)定；易氧化有機(jī)碳采用333.3 mmol/L高錳酸鉀氧化法，作為活性有機(jī)碳的表征。

1.3數(shù)據(jù)處理與分析

土壤有機(jī)碳化學(xué)穩(wěn)定性(SC)用總有機(jī)碳與活性有機(jī)碳含量的比值大小表示，計(jì)算公式如下：

SC=SOC /LOC

式中：SOC——總有機(jī)碳含量；LOC——易氧化有機(jī)碳含量。

灌區(qū)間的直接比較，由于空間跨度較大，往往難以克服一些非控制性因素的干擾，為進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)的可比較性以及分析結(jié)果的可靠性，同一灌區(qū)不同利用方式下相同土層間土壤總有機(jī)碳、活性有機(jī)碳與有機(jī)碳化學(xué)穩(wěn)定性的差異顯著性(p=0.05)采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)方法，分析灌溉農(nóng)田土壤質(zhì)量的相對(duì)變化，在此基礎(chǔ)上再綜合分析不同灌區(qū)間的變化趨勢(shì)。其他差異顯著性(p=0.05)采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和LSD多重比較方法。所有數(shù)據(jù)分析在SPSS 17.0上完成。

2　結(jié)果與分析

2.1代尺度上農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量、組成與化學(xué)穩(wěn)定性的變化

隨開發(fā)年限的延長(zhǎng)，寧夏中部揚(yáng)黃灌區(qū)農(nóng)田耕作層(0—40 cm)土壤總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳含量表現(xiàn)為一種相對(duì)平緩的上升趨勢(shì)，但是土壤有機(jī)碳化學(xué)穩(wěn)定性基本保持不變(表1)。15～35 a間，總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳含量分別增加了37.2%(p<0.05)、43.2%(p<0.05)，但是15～25 a，25～35 a間并未表現(xiàn)出顯著性的增長(zhǎng)(p>0.05)。因此，即便經(jīng)歷了近40 a的開發(fā)建設(shè)，灌區(qū)農(nóng)田土壤總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳含量整體依然偏低(SOC:2.85～6.85 g/kg；LOC:0.60～1.38 g/kg)。土壤有機(jī)碳化學(xué)穩(wěn)定性在25 a前后出現(xiàn)谷值(3.90)，但是相對(duì)變化并不顯著(p>0.05)，說明土壤總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳的變化具有較好的同步性，但在25 a前后活性有機(jī)碳的增加更為明顯。

表1　農(nóng)田土壤有機(jī)碳隨灌區(qū)開發(fā)年限的變化

注：小寫字母不同，代表不同年限間差異顯著(p<0.05)。

2.2不同開發(fā)年限灌區(qū)土壤有機(jī)碳含量、組成與化學(xué)穩(wěn)定性的相對(duì)變化

如表2—4所示，首先，紅寺堡灌區(qū)(15 a)整體無顯著差異(p>0.05)，三個(gè)灌區(qū)0—10 cm土層所有有機(jī)碳指標(biāo)無顯著差異(p>0.05)，三個(gè)灌區(qū)所有土層的有機(jī)碳化學(xué)穩(wěn)定性無顯著差異(p>0.05)。其次，最早的顯著性變化出現(xiàn)在鹽環(huán)定灌區(qū)(25 a)10—20 cm土壤活性有機(jī)碳含量上(p=0.000)，農(nóng)田為1.14 g/kg，對(duì)照為0.69 g/kg，相對(duì)增幅達(dá)65.2%。最后，相對(duì)集中的顯著性變化發(fā)生在固海灌區(qū)(35 a)，10—20 cm和20—40 cm土壤活性有機(jī)碳和總有機(jī)碳含量都出現(xiàn)顯著(p<0.05)或極顯著(p<0.01)的增長(zhǎng)。三大灌區(qū)中，活性有機(jī)碳含量均值最高達(dá)1.43 g/kg，總有機(jī)碳含量均值最高達(dá)7.22 g/kg，都出現(xiàn)在固海灌區(qū)農(nóng)田10—20 cm土層。

表2　紅寺堡灌區(qū)(1998-2012年)土壤有機(jī)碳的相對(duì)變化

注：p值為同一土層同一指標(biāo)不同處理間差異顯著性檢驗(yàn)值。小寫字母不同代表同一利用方式下某一指標(biāo)不同土層間差異顯著(p<0.05)，下同。

相對(duì)含量大小的變化，土壤有機(jī)碳垂直分布格局對(duì)開發(fā)年限更為敏感(表2—4)。自然土壤墾殖后0—40 cm的總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳由表聚型向均一型轉(zhuǎn)變，但活性有機(jī)碳的變化(15 a)要早于總有機(jī)碳(25 a)。與此同時(shí)，有機(jī)碳化學(xué)穩(wěn)定性基本維持均一性垂直分布格局不變。

表3　鹽環(huán)定灌區(qū)(1988-2012年)土壤有機(jī)碳的相對(duì)變化

總體上，在15～35 a間，以10 a為單位的時(shí)間尺度上，依次以0—40 cm活性有機(jī)碳垂直分布格局(15 a)、10—20 cm活性有機(jī)碳含量(25 a)、10—40 cm總有機(jī)碳含量(35 a)的顯著變化為標(biāo)志，寧夏中部揚(yáng)黃灌區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)碳呈現(xiàn)出一種漸進(jìn)式演變格局。在此過程中，表層0—10 cm土壤總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳含量、0—40 cm分層土壤有機(jī)碳化學(xué)穩(wěn)定性維持不變。這種格局基本符合土壤有機(jī)碳變化的時(shí)間尺度約束特性[8]，也符合農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)期碳平衡特性[11]，反映了代尺度上土壤有機(jī)碳變化的基本特性。

開發(fā)25 a前后，無論固海灌區(qū)[5]還是鹽環(huán)定灌區(qū)土壤總有機(jī)碳含量的變化相對(duì)平緩，但是鹽環(huán)定灌區(qū)10—20 cm土壤活性有機(jī)碳的含量開始出現(xiàn)顯著的增長(zhǎng)。說明在較長(zhǎng)時(shí)間尺度上，土壤有機(jī)碳總量發(fā)生顯著變化之前，主要是以活性有機(jī)碳相對(duì)快速的周轉(zhuǎn)利用為途徑，維持灌區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)碳庫(kù)的平衡與可利用性[12]。但是灌區(qū)農(nóng)田土壤可能由于過于頻繁的耕作擾動(dòng)[1]，相對(duì)相鄰的封育草地，有機(jī)碳的固定進(jìn)程被大大拉長(zhǎng)，直到35 a左右，10—40 cm總有機(jī)碳含量才開始顯著增加，而表層0—10 cm有機(jī)碳含量依然保持穩(wěn)定。在此過程中，土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性保持不變，說明土壤總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳的變化具有較好的同步性。

表4　固海灌區(qū)1978-2012年土壤有機(jī)碳相對(duì)變化

2.3農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量、組分與化學(xué)穩(wěn)定性在年尺度上的變化

年尺度上土壤有機(jī)碳表現(xiàn)出一定的波動(dòng)性變化特征(表5)。以沙荒地為對(duì)照，0～3 a間土壤總有機(jī)碳含量略有增加(增幅1.4%)，但不顯著(p>0.05)，3～9 a間由1.48 g/kg(3 a)，經(jīng)2.84 g/kg(6 a)，增至4.49 g/kg(9 a)，累積增幅高達(dá)203.4%，之后9～12 a間有所下降，降幅11.4%，但不顯著(p>0.05)?；钚杂袡C(jī)碳的變化略有區(qū)別，0～3 a間顯著增加(p<0.05)，3～6 a間穩(wěn)定在0.54～0.52 g/kg之間，6～9 a間快速增加至1.00 g/kg，9～12 a間又顯著下降到0.86 g/kg；而有機(jī)碳化學(xué)穩(wěn)定性在0～12 a間基本保持穩(wěn)定，只是在3 a出現(xiàn)一個(gè)顯著性的谷值(2.78，p<0.05)。

表5　不同利用年限農(nóng)田耕作層0-40 cm土壤有機(jī)碳變化

年尺度上土壤有機(jī)碳的波動(dòng)性變化也出現(xiàn)在西北其他灌區(qū)中。新疆荒漠區(qū)綠洲新墾殖農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量在0～5 a內(nèi)幾乎呈線性快速增加，但是5 a以后總有機(jī)碳含量增長(zhǎng)放緩(5～20 a)，在20 a的周期內(nèi)活性有機(jī)碳則經(jīng)歷了快速上升和緩慢下降的變化過程[5]。在寧夏揚(yáng)黃灌區(qū)的有關(guān)研究中[9-10]也發(fā)現(xiàn)了早期土壤有機(jī)碳的明顯增長(zhǎng)趨勢(shì)。本研究選取的光彩新村，開發(fā)前土壤沙化退化較為嚴(yán)重，有機(jī)碳含量很低，在有機(jī)肥料難以長(zhǎng)期持續(xù)大量投入的前提下，在以5 a為單元的時(shí)間尺度上也存在一個(gè)相近似的快速增長(zhǎng)至保持穩(wěn)定或緩慢下降的變化格局，但是在連續(xù)增長(zhǎng)的時(shí)間跨度上要明顯長(zhǎng)于荒漠區(qū)綠洲，而且總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳的變化格局也有所區(qū)別。

3　結(jié) 論

就干旱地區(qū)灌溉農(nóng)田土壤有機(jī)碳的多尺度變化格局而言，其相對(duì)快速而不穩(wěn)定的變化主要體現(xiàn)在較小的時(shí)間尺度上，墾殖5 a前后總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳含量普遍出現(xiàn)大幅提高；5～10 a，視區(qū)域的不同，或維持相對(duì)穩(wěn)定，或持續(xù)增長(zhǎng)，或緩慢下降，并無一般性規(guī)律存在。如果研究尺度進(jìn)一步拉大，寧夏中部揚(yáng)黃灌區(qū)農(nóng)田土壤總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳含量直到35 a左右才開始出現(xiàn)顯著增長(zhǎng)，在此過程中，則以一種相對(duì)平緩、漸進(jìn)的方式不斷推進(jìn)其演變進(jìn)程。而有機(jī)碳化學(xué)穩(wěn)定性則表現(xiàn)出與時(shí)間尺度無關(guān)的不變性。但是限于研究方法的約束，有關(guān)的演變格局和驅(qū)動(dòng)機(jī)制分析，依然有待長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資料的充實(shí)。

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Soil Organic Carbon and Its Component Dynamics Following the Development Years of the Pumping-Yellow River Irrigation Area in Ningxia

YANG Xinguo, QU Wenjie, SONG Naiping, CHEN Lin, LIU Bingru

(State key Laboratory Breeding Base of Land Degradation and Ecological Restoration in Northwestern China, Yinchuan 750021, China)

We investigated the dynamics on two time scales of soil organic carbon content, components and chemical stability in middle Ningxia Yellow River irrigation area over the past 40 years. The results showed that soil organic carbon in this area showed a progressive evolution with the years of development on the decade scale(15～35 years，10 years as an interval), marked by a significant change of the distribution of soil labile organic carbon in 0—40 cm layer(15 years), soil labile organic carbon content in 10—20 cm layer (25 years), and soil organic carbon content in 10—40 cm layer(35 years). During this process, surface soil organic carbon content and composition in 0—10 cm layer, chemical stability of soil organic carbon in 0—40 cm layer remained unchanged. On the year scale (0～12 years, 3 years as an invertal), total organic carbon and soil labile organic carbon contents of the plow layer (0—40 cm) increased firstly and then decreased. While the chemical stability of organic carbon kept stable in addition to the first three years of sharp decline. For the changes at the multi-scale of soil organic carbon in middle Ningxia Yellow River irrigation area, the quick and unstable changes occurred on the smaller time scale. But on the larger time scales, the contents of total soil organic carbon and labile soil organic carbon kept the gentle and gradual change, and increased significantly at last until 35 years. while organic carbon stability exhibited the stability across all the scales.

soil organic carbon; labile organic carbon; chemical stability of soil organic carbon; pumping-Yellow River irrigation area; time scales

2014-08-17

2014-08-25

國(guó)家青年科學(xué)基金“荒漠草原綠洲化過程中不同時(shí)間尺度土壤質(zhì)量演變規(guī)律及發(fā)生機(jī)制”(41101301)

楊新國(guó)(1976—),男,山東肥城人,博士,副研究員,研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)生態(tài)與生態(tài)恢復(fù)工程。E-mail：xinguoyang1976@163.com

S152.3

A

1005-3409(2015)04-0127-05