試析黃土丘陵區(qū)不同土地類型表層土壤有機碳分布特征

宋啟龍 張 沖 王會敏

1.華北地質(zhì)勘查局第四地質(zhì)大隊 河北 秦皇島 066000

2.秦皇島中兵建設集團股份有限公司 河北 秦皇島 066000

引言

土壤中有機碳的分布不光是衡量土壤質(zhì)量的重要指標，同時也在全球碳循環(huán)中扮演重要角色。黃土丘陵區(qū)為典型的干旱、半干旱區(qū)域，其自然條件相對惡劣，加之地上人工活動的頻繁開展，對土壤有機碳庫及固碳速率產(chǎn)生顯著影響，為有效提高土壤資源利用率，有必要對目前的黃土丘陵區(qū)土壤有機碳分布情況進行分析。

1 有機碳分布特征調(diào)查方案設計

1.1 區(qū)位特點 本實驗研究區(qū)位于山西省北部的黃土丘陵區(qū)，該區(qū)域為溫帶半干旱大陸性季風氣候，年平均降水量較少，僅在400～460 mm，區(qū)域黃土覆蓋厚度在50～80 m。分別選取紅棗林地、農(nóng)地、5年撂荒草地和退化人工草地4種土地類型作為研究對象，分析0～100c m 淺層土壤的有機碳結構特征。

1.2 樣本采集 樣本采集采用隨機采樣法進行，在各類型土地上所及選取采樣點，并使用便攜式手持GPS設備獲取樣本點的準確位置。使用土鉆鉆取土樣，設計采樣深度為100c m。將采樣深度平均劃分為5個層級，為保證采樣代表性，在各采樣點附近再隨機選取5個采樣點，將來自各土層的樣本混合均勻并清除雜質(zhì)后，存放至專門容器中。4種土地類型的標準采樣點均為15個，共包括60個采樣點，得到土樣300份。

有機碳分布檢測同時測定土壤無機碳含量情況，因此樣本采集過程中，將各樣本平均分為兩份，其中一份經(jīng)烘干后進行無機碳含量測量，另一份則進行自然風干，過篩后測量土壤內(nèi)有機碳的含量。

1.3 實驗方法 用于無機碳含量檢測的土樣在105℃恒溫環(huán)境下連續(xù)烘干24h，待樣本質(zhì)量恒定后，使用氣量法測量其無機碳含量。選用該方法的原因主要是由于，在黃土丘陵區(qū)這類干旱和半干旱地區(qū)，無機碳主要存儲于無機鹽中，無機鹽與碳酸鹽和鹽酸反應可生成大量二氧化碳氣體，收集并測定氣體量，參考當時大氣壓即可得到無機碳的準確含量。

有機碳含量檢測樣本在室內(nèi)進行自然風干，然后過0.20 mm 篩，使用重鉻酸鉀-外加熱法進行有機碳含量測定。

實驗結束后，結合獲得數(shù)據(jù)計算不同類型土地和深度條件下土壤有機碳的含量，并找出土壤深度與有機碳含量的影響關系。計算有機碳含量均值及標準差，使用LSD法進行比較分析，得出最終的檢測結果。

2 有機碳分布特征調(diào)查結果分析

2.1 實驗結果

2.1.1 土層深度差異 在實驗研究的4中土地類型中，土壤有機碳含量均與土壤深度表現(xiàn)為負相關關系，即隨著土壤深度的增加，其含有的有機碳含量降低。計算4中土地類型下各土壤深度層級有機碳含量的平均值，(0，20)、(20，40)、(40，60)、(60，80)、(80，100)各深度區(qū)間的平均有機碳含量依次為3.42g·kg-1、2.15g·kg-1、1.89g·kg-1、1.75g·kg-1和1.56g·kg-1。從該組實驗數(shù)據(jù)還可發(fā)現(xiàn)，深度層級0～20c m 的土壤有機碳含量與其他土層之間差異顯著，而20～100c m 的土壤深度中，有機碳含量雖然仍保持下降趨勢，但不同深度層級間土壤含碳量的差距明顯縮小。這一結果與現(xiàn)有文獻研究成果保持一致。例如，有學者在研究陜北黃土丘陵區(qū)不同土地利用方式下土壤碳剖面分布特征時，選擇研究深度在0～200c m，發(fā)現(xiàn)隨著土層深度的增加，土壤有機碳含量逐漸降低，且當深度達到200c m 時，各剖面土壤有機碳含量趨于穩(wěn)定[1]。

2.1.2 土地類型差異 再觀察相同土層深度中，不同土地類型間土壤有機碳含量情況。發(fā)現(xiàn)當土層深度在0～60c m 時，有機碳含量由高到低的順序為紅棗林地、農(nóng)地、撂荒草地和退化人工草地。其當土層深度在0～20c m 時，不同土地類型中土壤有機碳含量差異顯著，而在其他土層深度中，這種差異并不明顯。

在其他學者的實驗中還發(fā)現(xiàn)，撂荒草地的撂荒年限與其土壤中有機碳的含量存在一定關聯(lián)。不同土層深度下，30年撂荒草地中土壤有機碳的含量均要高于7年撂荒草地，且當土層深度在0～20c m 時，7年撂荒草地的有機碳含量在2.59g·kg-1，而在30年撂荒草地中，這一數(shù)值提高至4.19，有機碳含量變化明顯[2]。

2.1.3 無機碳含量 在另一組實驗中發(fā)現(xiàn)，除紅棗林地之外，其他幾種類型土地中土壤無機碳含量變化幅度均較大，無機碳含量由高到低排序依次為農(nóng)地、紅棗林地、退化人工草地和撂荒草地。

2.2 理論分析 現(xiàn)有研究文獻表明，農(nóng)業(yè)用地改變利用方式后，土壤內(nèi)有機碳的含量會增加，帶來更高的碳儲量水平。在本次實驗研究中，不同類型土地的有機碳含量之間也存在一定差異，且農(nóng)地中各土層深度中土壤有機碳含量要低于紅棗林地，這一結果與現(xiàn)有文獻的結論保持一致。主要是由于，土地的農(nóng)業(yè)化使用使得土壤內(nèi)的有機碳被農(nóng)作物不斷汲取，且農(nóng)業(yè)化應用會加速土壤養(yǎng)分的流失速度。但在本文的研究中發(fā)現(xiàn)，土地中有機碳的含量要高于撂荒草地，可能是由于本文所選擇的撂荒草地撂荒年限僅為5年，在之前的農(nóng)業(yè)種植中使用了大量有機肥料，發(fā)揮了一定程度的土壤營養(yǎng)含量補充作用。

前文提到，在其他學者的研究中發(fā)現(xiàn)30年撂荒草地中有機碳的含量要高于7年撂荒草地，這可能是由于7年撂荒草地的撂荒時間過短，雖然農(nóng)業(yè)生產(chǎn)優(yōu)化了其營養(yǎng)結構，但地表植物、落葉枯萎腐敗所產(chǎn)生的有機碳貢獻程度還不明顯。

而在土壤有機碳含量與土層深度的關系上，0～20c m 深度范圍內(nèi)不同類型土地的有機碳含量之間最為顯著，這一點也與其他相關實驗的結果保持一致。

結論

綜上所述，黃土丘陵區(qū)不同類型土地中，表層土壤有機碳含量與土層深度負相關，但隨著土層深度的增加，不同類型土地間有機碳含量差異逐漸縮小，可判斷土地類型對有機碳的含量的影響僅突出表現(xiàn)在淺層土壤當中。