碳库管理指数对退耕还林土壤有机碳库变化的指示作用

佟小刚,韩新辉,杨改河,冯永忠,任广鑫,梁爱华,康 迪

(1.西北农林科技大学资源与环境学院, 农业部西北植物营养与农业环境重点实验室, 陕西 杨凌 712100；2.西北农林科技大学农学院, 陕西 杨凌 712100)

土壤有机碳占到陆地生态系统碳库的80%[1],不仅是土壤结构和肥力的核心物质,也被认为是缓解全球温室效应的潜在重要碳汇[2].因此,不同土地利用方式下土壤有机碳库的演变和转化特征亦成当前全球变化研究的热点[1,3].土壤有机碳是由化学性质和周转速 率不同的组分组成的异质性的复合物,其总体累积只是一个矿化和平衡的结果[4],在如耕作[5]、造林[6]、撂荒[7]等方式影响下发生显著变化都要至少 10a年以上.为了快速有效判断土壤有机碳库的变化,一些有机碳的活性组分,如轻组有机碳[8]、氧化活性有机碳[9]、微生物碳[10-11]等都被认为是比土壤总有机碳对不同土地利用方式响应更敏感的碳库指标.但这些活性碳组分周转快,主要是提高土壤有机碳活跃性,促进土壤养分的供应和循环,而不能揭示土壤有机碳库的固存特征,即土壤有机碳库的变化还需考虑惰性碳组分的长期累积.另外,有学者提出以土壤活性有机碳占总有机碳比值指示土壤碳库质量的变化[1],但韩新辉等[12]和薛萐等[13]研究显示该比值在黄土丘陵区长期退耕还林土壤上变化并不明显. Sá等[14]提出以有机碳层化比作为耕作土壤有机碳固定的指示物,这主要基于农田表层土壤有机碳的富集与亚表层土壤有机碳累积较少形成明显比例,对于林地根系深,亚表层土壤也有明显碳累积下,运用层化比作为碳库变化指示可能不适宜.目前,以 Blair 等[15]提出的以联合土壤有机碳库及其组分计算的碳库管理指数在国内外不同土地利用方式下碳库变化的研究中应用最广泛[9,13,16].但这些研究多将碳库管理指数作为土地利用方式影响有机碳库变化的指标之一,而未深入探究其与土壤有机碳库变化的关系.因此,本研究以不同年限退耕还林土壤为研究对象,通过不同时间序列和土层中碳库管理指数与土壤有机碳库及其组分变化的对比分析研究,进一步明确碳库管指数对退耕还林土壤有机碳库动态变化的综合指示作用,为退耕还林生态效应评价及选择生态固碳管理技术提供依据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于陕西省安塞县纸坊沟流域(E109°13′46″～109°16′03″,N36°46′42″～36°46′28″),该区地形破碎,沟壑纵横,属黄土高原丘陵沟壑地貌,暖温带半干旱季风气候,海拔 1 010～1 400 m,年均气温 8.8℃,年均降水量 505.3 mm.土壤类型以黄土母质上发育而成的黄绵土为主,有机质含量低、抗侵蚀能力差,植被类型处于暖温带落叶阔叶林向干草原过渡的森林草原带.该流域生态系统自 20世纪 60～70年代开始由破坏期转向逐渐稳定和恢复期,至20世纪90年代初进入良性生态初步形成期,这主要在于多年的水土保持综合治理和开展林草植被和工程等建设措施,有效遏制了该流域的土壤侵蚀,成功地恢复了退化生态系统[17].目前,该区域林地面积从 1980年的不足 5%增加到 40%以上,流域生态经济系统进入良性循环阶段[13].因此,该区域也拥有长期不同灌木林、乔木林及经济林等退耕还林类型林地,为本研究提供了良好的自然研究基础.

1.2 样地选取及采样

基于时空互代法,2010年9月于研究区选择退耕还林年限为 10,20,40a的柠条(Caragana korshinskii);沙棘(Hippophae rhamnoides);刺槐(R. pesudoacacia)共3种退耕还林地样地,并以长期坡耕地(Slope Farmland：SF)为对照.样地土壤类型均为黄绵土,黏粒含量为 7%～9%,各样地其他基本特征见表 1.每种还林地都选择 3个立地条件基本一致的重复样地进行采样.在每个样地内,设置 20×20m标准采样区.采样时先除去地面凋落物,按照“S”型选 12 点,钻取 0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100cm 共 5 层林下及草本植物覆盖下土样,以客观代表退耕还林地土壤,每层取样点土样混合后作为该层待测土样.土壤样品自然风干后研磨过0.25mm筛备用.

1.3 指标测定

土壤总有机碳(TOC)采用重铬酸钾加热法测定[18];土壤活性有机碳(LOC)的测定采用KMnO4氧化法[15],即称取含有15mg总有机碳的土样于50mL离心管中,加入333mmol/L KMnO425mL,振荡 1h,离心 5min(转速 2000r/min),取上清液用去离子水按 1﹕250稀释,然后将稀释液在565nm 比色.根据 KMnO4浓度的变化求出样品的活性有机碳含量(氧化过程中 1mmol/L KMnO4消耗9mgC),非活性有机碳为总有机碳与活性有机碳之差.

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

1.4 数据计算与分析

土壤碳库活度、碳库活度指数、碳库指数及碳库管理指数是土壤活性有机碳和总有机碳变化的综合体现,因此能够较全面和动态的指示不同土地利用措施对土壤有机碳库数量和质量的影响[16,19].不同退耕还林模式土壤碳库管理指数以坡耕地土壤为参考.计算公式如下[15,19]：

碳库指数(CPI)=样品全碳含量(g/kg)/参考土壤全碳含量(g/kg) (1)

碳库活度(A)=活性碳含量/非活性碳含量 (2)

碳库活度指数(AI)=样品碳库活度/参考土壤碳库活度 (3)

碳库管理指数(CMI)=碳库指数×碳库活度指数×100=CPI×AI×100 (4)

实验结果的统计与分析采用 Excel和SPSS16.0软件进行.不同退耕还林地及土层中有机碳含量、碳库指标等差异显著性采用邓肯法进行检验分析(P＜0.05).碳库指标随退耕年限变化及其与土壤有机碳库的含量关系采用回归相关分析.

2 结果与讨论

2.1 退耕还林过程土壤碳库的变化

表2 不同退耕还林地土壤总有机碳含量 (g/kg)Table 2 Content of soil TOC in different forest lands converted from slope land (g/kg)

多数研究表明农地转为林地后,由于植被恢复下植物碳的持续投入使得土壤有机碳库能够明显提升[2,6,20].本研究显示各还林地TOC随退耕年限延长均呈显著增加趋势(表2).但相比坡耕地,柠条、沙棘、刺槐林仅0～10cm和10～20cm表层土TOC在退耕10～40a持续显著增加,增幅平均分别在0.4～1.7倍、1.2～2.8倍、0.9～5.1倍,并且增幅显著高于其他深层土.说明退耕还林下表层土对有机碳库的提升更积极,这与表层土有丰富的植被凋落物输入密切相关[20-21].随土层加深TOC增加减缓,20～40cm土层柠条林地TOC到退耕40a时才比坡耕地增加0.6倍,而沙棘和刺槐林地TOC基本在退耕10a时即开始显著增加,退耕40a时增幅最高,分别达到 1.8倍和 3.9倍.3种林地40～100cm土层TOC在退耕10a时均未显著变化,到退耕20a时仅刺槐林TOC有显著增加,但到退耕40a时柠条、沙棘、刺槐林地TOC均比坡耕地显著增加,增幅平均分别为0.6倍、1.1倍、2.6倍.可见深层土壤在长期退耕还林下也能够提升土壤碳库,原因在于深层土壤根系逐渐恢复生长,其残体和代谢产物返回土壤后有机质腐殖合成高于矿化分解,使得碳库能够积累.王征等[22]也提出评价黄土丘陵区植被恢复的土壤碳库变化时应充分考虑深层土壤的固碳作用.

活性有机碳是土壤有机碳库中最活跃的部分,他直接参与土壤养分循环和结构组成,并且比土壤总有机碳对于土地利用方式和管理措施响应更敏感[15-16],因此也作为有机碳库变化和土壤质量的一项指标[8,23].表3显示,3种林地LOC在长期退耕还林下均有显著增加.与坡耕地相比,柠条、沙棘、刺槐林仅0～10cm表层土LOC在退耕10～40a持续显著增加,增幅分别在1.3～4.0倍、1.3～4.7 倍、1.4～5.3 倍.10～20cm 和 20～40cm 土层中,退耕10～20a里沙棘和刺槐林均已有显著增加,柠条林LOC却无明显变化,而到退耕40a时,柠条、沙棘、刺槐林地LOC均比坡耕地显著增加,且增幅最高平均分别为 1.2倍、2.7倍、5.5倍.40～100cm土层LOC增加减缓,退耕10a仅刺槐林使40～60cm和80～100cm土层LOC均增加0.5倍;退耕 20a时,柠条和沙棘倾向于显著增加60～100cm深层LOC密度,刺槐则使40～100cm各土层LOC密度均有显著增加.退耕40a时,柠条、沙棘、刺槐林地40～100cm各土层LOC均显著增加,且增幅随土层加深变大,分别达到 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]对黄土区林地碳变化研究也得出土壤活性有机碳在造林中迅速增加.这可能是因为植被恢复过程中,植物作为碳素的源以凋落物、根系残体及其分泌物的形式把养分归还于土壤,而土壤作为库贮存碳素,随着植被恢复生物量增加,对作为生物生长所需速效基质的活性碳需求逐渐增大,引起活性有机碳迅速提高[8,16].

表3 不同退耕还林地土壤活性有机碳含量 (g/kg)Table 3 Content of soil LOC in different forest lands converted from slope land (g/kg)

2.2 退耕还林过程土壤碳库指标的变化

碳库管理指数能够从土壤碳组分的质和量上全面和动态地反映不同土地利用方式和管理措施对土壤碳库影响,因此相关研究提出将其作为碳库变化和更新程度的指示物[15-16,19].图 1显示,与土壤总有机碳和活性有机碳变化趋势一致,不同还林地各土层 CMI均随退耕年限延长呈增长的趋势,并且随土层加深 CMI增长减缓.在 0～10cm 和 10～20cm 表层土,3种还林地CMI均呈直线显著增加,说明表层土壤碳库变化和更新最快,薛萐等[13]在人工刺槐林表层土CMI随退耕时间序列上变化的研究也得出同样结果.20cm以下土层CMI基本以指数函数的形式发生变化,即在退耕还林 10～20a间土壤 CMI增加比较缓慢,而到退耕20～40a间土壤CMI迅速增加.这是因为退耕初期,林地植被生长也处于初期阶段,只有表层土壤能够通过凋落物返还的有机残体使得土壤快速开始累积碳,同时植物生长也需要活性有机质迅速矿化释放养分,因此碳库活性组分也同步显著快速增加,使得土壤有机碳库数量和质量都显著变化,从而引起土壤 CMI显著增加.对于深层土壤其碳源主要来自植物根系残体和分泌物[20,24],只有退耕一定年限后林地植被生长加快,根系恢复才有足够的有机残体供土壤碳的转化,才能起到累积碳的效应,因此也使得深层土 CMI基本到退耕 20a后才开始快速增加.可见 CMI 对土壤碳库及其组分变化上的直观指示作用.

土壤中活性有机碳占总有机碳比例(LOC/TOC)及其占非活性有机碳的比例(碳库活度A)可在一定程度上可以反映土壤有机碳的质量和稳定程度,该比例越高表示有机碳越易被微生物分解矿化、周转期较短或活性高;比例小则表示土壤有机碳较稳定,不易被生物所利用[1,8].图2与图3显示,随着退耕年限延长3种还林地的LOC/TOC和A值在0～10cm和10～20cm表层土中均为无规律的波动变化,到退耕 40a时在0～10cm土层仅柠条林LOC/TOC和A值比退耕初始分别显著升高0.4倍和0.7倍,而10～20cm中仅沙棘林LOC/TOC和A值比退耕初始时分别显著升高0.4倍和0.7倍.薛萐等[13]研究结果亦显示这两个比例在人工刺槐林表层土 40a退耕过程中并无显著变化.在 20～100cm 的较深土壤中,除过40～60cm土层3种林地LOC/TOC和A值基本均在退耕20a后开始迅速增加,到退耕40a时柠条、沙棘、刺槐林LOC/TOC分别平均比退耕初始增加0.8倍、0.3倍、0.7倍,A值平均分别提高1.2倍、0.4倍、1.0倍.可见退耕还林显著提升了土壤碳库的活性和转化过程,但图2与图3亦显示同一林地在相同退耕年限下随土层加深,两种比例的高低变化无一致规律,到退耕 40a时柠条、沙棘、刺槐林LOC/TOC从表层土到100cm深土壤分别维持在 0.27～0.47、0.21～0.44、0.27～0.34,A 值则分别维持在 0.38～0.87、0.26～0.79、0.40～0.54.说明土壤有机碳库必须在一定范围内保持一定的活跃度.原因可能在于归还土壤的有机质需要活化为植物生长提供养分,同时也将一部分有机质转化为惰性碳库固存下来,这样使得这两个比例维持在一定范围[13].当是植物碳返回充足的表层土壤时,有机质向活性碳和总碳库、非活性的有机碳转化同步增加,因而 LOC/TOC和 A值波动变化.深层土壤由于本身碳量少,且返回的植物碳需要林地长期恢复生长后才可能充足,因此可能优先增加活性碳促进植物生长[15],从而使深层土LOC/TOC和A值还在提高的范围内.

2.3 碳库指标对土壤有机碳库变化的敏感性

图4显示退耕40a时整体100cm深土壤中TOC和LOC含量与CMI均呈极显著线性正相关性,但与LOC/TOC及A值无线性相关性.同时,表4显示3种林地LOC和TOC含量均比坡耕地显著增加,并且增幅均表现为：刺槐＞沙棘＞柠条,这是不同林地植被覆盖不同,归还土壤有机残体量、组成及在土壤中的分解速度不同,活性有机质与非活性有机质的转化速度亦不同造成[13,16,25].但与3种林地LOC和TOC变化差异相同的仅有CMI,即CMI相比坡耕地增幅亦表现为刺槐(6.3倍)＞沙棘(2.8倍)＞柠条(2.0倍).而LOC/TOC、A值、碳库活度指数AI值变化在3种林地间表现为柠条＞沙棘,刺槐.这些分析进一步说明CMI对土壤碳库及其组分的变化敏感于其他碳库指标.

图1 不同退耕还林土壤各土层碳库管理指数随退耕时间的变化Fig.1 Temporal evolution of CMI with time of returning farmland in each soil layer of different forest lands converted from slope land

图2 不同退耕还林土壤各土层活性有机碳占总有机碳比值随退耕时间的变化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

图3 不同退耕还林土壤各土层碳库活度随退耕时间的变化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时不同退耕还林地100cm深土壤有机碳库指标对比Table 4 Comparison of soil carbon pool indicators in 100 cm depth soil among different forest lands converted from slope land

图4 退耕还林100cm深土层有机碳库与碳库管理指数、碳库活度及活性有机碳占总有机碳比值回归分析Fig.4 Regression analysis of between soil organic carbon pools with CMI, A and ratio of LOC to TOC in 100cm depth soil

3 结论

3.1 长期退耕还林显著提升了100cm土壤总有机碳及其活性组分含量,且增幅为刺槐＞沙棘＞柠条林地.不同土层以 0～40cm 浅层土壤碳库对退耕还林较敏感,其基本在退耕 10a时即开始显著增加;而 40～100cm 深层土壤碳库到退耕还林20～40a间才有显著增加.可见黄土丘陵区退耕还林土壤碳库变化还需考虑深层土壤的固碳作用.

3.2 长期退耕还林下3种林地100cm土壤活性有机碳占总有机碳及非活性有机碳的比例显著提高,加快了土壤碳库活化与养分供应.但该比例在表层土高碳量时并无持续增加,而在深层土壤低碳量下增加明显,表明土壤碳库活化度维持在一定范围内,且不随碳库持续增加而不断提高,因此该比例只对土壤碳库性质的变化起指示作用.

3.3 长期不同退耕还林地仅碳库管理指数与土壤总有机碳及其活性组分变化的趋势和差异保持一致,并与有机碳库含量变化呈现极显著的线性正相关关系.说明碳库管理指数相对于活性有机碳占总有机碳比例、碳库活度、碳库活度指数对土壤有机碳库变化更敏感,可以良好指示退耕还林土壤有机碳库的变化.

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