甘肃景电灌区次生盐碱地枸杞土壤有机碳库的动态模拟

孙 涛，马全林，贾志清，李银科，王耀琳，3，张晓娟，马俊梅

(1．中国林业科学研究院 荒漠化研究所，北京100091;2．甘肃省治沙研究所/甘肃省荒漠化与风沙灾害防治重点实验室－省部共建国家重点实验室培育基地，甘肃 兰州730070;3．甘肃省林业厅GEF 项目办公室，甘肃 兰州730070)

土壤有机质模型能够模拟土壤有机质的变化规律和动态特征，已被广泛用于土壤有机质的模拟研究中，且土壤有机质模拟已经在当前有关气候变化和全球碳循环研究中起到了重要作用［1-2］，成为更好地理解和管理陆地碳循环的一个重要组成部分。CENTURY 模型是应用比较广泛的表征土壤有机质动态的模型。CENTURY 模型是美国科罗拉多州立大学的Parton 等于20 世纪80 年代末建立的，起初用于模拟草地生态系统主要元素的变化，通过不断的完善和改进，其应用扩展到了对草原、森林、农业等生态系统的研究和模拟中。CENGTURY 模型主要基于土壤的结构功能，从一些主要的地球化学元素入手，如碳、氮、磷，结合温度、降水等环境驱动因子，对生态系统的生产力进行模拟和预测［3-4］。国内外众多学者先后将CENTURY 模型应用于农业或林业生态系统中，并对土壤有机碳进行了模拟，其模拟值与实测值具有极高的相关性，并可用于不同的农林业生态系统的模拟研究中［5-9］。该模型包括土壤有机质、植物产量、土壤水分和温度3 个子模型，其中根据周转期的长短将土壤有机质子模型分为3 个库，即活性库、慢性库和惰性库［1，3］，活性库包括活的微生物和微生物产物，即土壤碳、氮的活性部分，其周转时间不超过5 年;慢性库的周转期为20 ～50年，而惰性库相对稳定，周转时间数千年不等。土壤的植物残体分为代谢库和结构库。土壤有机碳的分解遵循一级反应动力学方程，有自己最大的分解速率，并受水分、温度及其他外界因子的影响。

引水灌溉对荒漠、半荒漠区域的农业发展起到了重要的推动作用，但是不适当的灌溉排水造成了灌区土壤次生盐碱化等生态退化问题［10］。由于多年来不合理的大水漫灌、串灌等原因，甘肃景泰川灌区这个半封闭型盆地的地下水位迅速上升，导致土地次生盐碱化面积逐年增大，土地退化问题尤为严重［11］，给农业生产和人民生活造成严重影响。

从20 世纪90 年代中期开始，当地根据实际情况采取生物措施对次生盐碱地进行治理，引进枸杞(Lycium barbarum)并种植成功，现在已经在景泰川地区大面积的推广种植开来，不仅产生了经济效益，也充分利用和改良了盐碱地。土壤在次生盐渍化过程中，水盐动态平衡被打破，土壤结构改变，土质下降，引起土壤生态退化。在枸杞种植过程中土壤性质会发生变化，对土壤质地产生一定的影响，根系生物量和微生物增加，引起土壤碳库活度提高。随着生长年限的增加和农田耕作措施的投入，土壤有机碳库也发生相应的变化，但是，其特征变化和演变趋势并不清楚，这种变化对次生盐碱地土壤碳库活度和碳库管理指数是否也产生了相应的改变。运用模型拟合研究并对土壤碳库变化作出分析预测是一个较好的研究方法。因此，利用CENTURY 模型模拟在次生盐渍化改良过程中土壤有机碳的变化特征，研究当前种植枸杞对次生盐碱地的改良作用和土壤碳的动态变化，进而研究在当前的农业种植措施模式下土壤碳的演变趋势，阐明土壤碳库活度、碳库质量的变化特征，可以为次生盐碱地土壤质量、健康评价，以及次生盐碱土地生态治理和改良提供科学依据。

1 材料与方法

1．1 自然概况

红跃村地处景泰县中部，景电一期引黄提灌灌区中心地带，县城以北8 km 处，位于景泰县草窝滩镇以东3 km，地势由西南向东北倾斜的微型盆地，海拔1 565 m。气候干燥、干旱少雨、风沙大，年均降水量185 mm，降水年际变化不大，雨水集中在7 －9月，年蒸发量3 040 mm，年均气温8．5 ℃，雨热同期，地表水资源较为贫乏，地下水资源矿化度高、水质差。20 世纪70 －80 年代建成的景电一、二期高扬程电力引黄提灌工程是该区主要的水资源［12］，然而特殊的地质地貌、母质、气候和不合理的灌溉等因素又造成土壤的次生盐渍化现象非常严重。全村现有耕地面积330．7 hm2，约80%的农田耕地为次生盐碱化土地。自2000 年以来，该村开始推广引种耐盐碱的经济树种枸杞，取得了良好的经济和生态效益［13］。枸杞林地块间开挖渠道，灌水洗盐，年灌水6 ～8 次，枸杞果实每年采摘6 ～8 次，年修剪两次。本研究地区土壤母质类型一致，地带性土壤为荒漠灰钙土，土壤母质包括黄土、风积物和洪积物。地下水位均为1 m 左右。次生盐碱地主要植被为盐爪爪(Kalidium foliatum)，盖度8% ～15%。

1．2 研究方法与数据采集

首先要对模型进行校正，并建立初始态，在初始状态下调整模型参数，检验模拟值与实际观测值之间的吻合程度，通过反复检验模拟结果达到最好的模拟效果，即此时模型初始态建立成功。其次，基于初始态的参数值再与实测值进行验证平衡［1，14］。

本研究于2012 年、2013 年7 月中旬进行野外枸杞林地调查采样。采用空间代替时间的方法，以次生盐碱裸地(种植枸杞年限为0 年)为对照，分别选择4、7、11 年枸杞林地为研究对象采集土样，各研究地块相互邻近，地势平坦。土壤采样深度40 cm，每10 cm 分层采样，每块样地5 个重复，同层次土样混合作为1 个混合样。同时，用环刀法测土壤容重，铝盒装少量新鲜土壤用于土壤水分测定。土样带回实验室风干后测定土壤有机质、有机碳、pH 值、盐分等理化指标。土壤粒度采用激光粒度分析仪测定。经测定研究区次生盐碱裸地的基本理化性质为:土壤有 机 质 含 量 为10． 90 g · kg－1、全 氮0． 76 g·kg－1、全磷0．95 g·kg－1、全钾22．85 g·kg－1、速效磷3．04 mg·kg－1、速效钾212 mg·kg－1。

1．3 土壤理化性质的测定及碳库管理指数的计算

总有机碳和活性有机碳的测定方法分别用重铬酸钾氧化－外加热法和高锰酸钾氧化法［15］，全盐量测定水土比为5∶ 1，pH 值的测定用酸度计法(水土比为2．5∶ 1)［16］。碳库管理指数的计算［17］:

碳库指数(CPI)=样本总有机碳含量/对照土壤总有机碳含量;

碳库活度(L)= 土壤样品中CL/对照土壤中CNL．

式中，CL 为样本中的活性有机碳，CNL 为样本中的非活性有机碳;碳库活度表示土壤碳的不稳定性。

碳损失及其稳定性的影响可用碳库活度指数(LI)表示:

LI=样本的碳库活度(L)/对照土壤的碳库活度(L);

基于以上指标可以得到碳库管理指数(CPMI):

CPMI=CPI×LI×100．

1．4 CENTURY 模型的参数化设置

运行CENTURY4．0 模型时，用户需要按照格式建立作物参数文件、管理文件、气象数据文件、土壤数据文件等。根据土壤有机质的分解速率，CENTURY 模型将土壤总有机碳(TOC)分成了3 个碳库，分别是活性、慢性和惰性土壤有机碳库［1，3］。本研究所用的是CENTURY4．0 版本，初始输入数据包括基本的气象数据、土壤质地等(表1)。

表1 模型初始化所需主要参数Table 1 Main parameters required in CENTURY model initialization

模型所运用的气象数据由景泰县气象站提供的1956 －2012 年气象数据，由于研究区距离县城10 km，地势平坦，因此，可以将此数据直接作为研究区的数据进行模拟运行。模型要求至少10 年以上的气象数据，所需资料包括月均降水量(PREC)、月最低温度(TMIN)、月最高温度(TMAX)。CENTURY模型在运行调试过程中首先要设定主要的植被生长参数，包括植物生长的开始月份、衰老月份、休眠月份。本研究采用模型中自带的GRASSLAND/CROP模块，其适用于北方典型草地、低矮草原和荒漠草地，选择CROP．100 文件中的CPR 为模型的初始植被，4 月开始生长，10 月为衰老季节，11 月份开始休眠，时间步长为一年进行初始态的建立，部分参数应用模型提供的缺省值。

枸杞在生长过程中所需的农田管理措施是不同的，为了掌握枸杞林的生产和经营方式，在进行野外观测的同时采用农户基线调查方法，在红跃村随机抽取典型农户30 户进行访谈式调查，调查内容包括枸杞种植前期土地的基本情况、不同林龄枸杞生长过程中土壤处理、施肥、灌溉等农田管理措施，以及果实收获、处理等近10 项内容。

根据当地土地次生盐碱化和人工种植枸杞林的情况，将模型分为3 个阶段A、B、C，其中A 阶段为模型建立平衡状态的过程，通过参数调整将模型调整到与次生盐碱地相平衡的状态，本试验中模型运行时间为0 －4 000 年;阶段B、C 为种植枸杞时段，其中B 是1 ～4 年龄枸杞幼苗生长阶段，C 是枸杞林成熟稳产阶段，这两个时段在模拟的过程中对应有不同的农业管理措施(表2)。

2 结果与分析

2．1 模型参数初始化设置及稳态的建立

用CENTURY 模型模拟研究土壤变化时首先要进行模型参数的初始化，在参数平衡状态下才能进行真正的模拟运算［1-2］。主要是模拟研究区在自然状态下土壤活性碳库［SOM1C(2)］、慢性碳库(SOM2C)、惰性碳库(SOM3C)及土壤总碳库［SOMTC，包含结构性C 库和代谢性C 库］逐渐积累到稳定平衡阶段。输入相关参数，气象数据为近50年的统计数据，时间步长为1 年，土壤碳库快速积累变化所需时间约为2 000 年，之后缓慢积累到2 400年时，土壤各碳库逐步建立平衡，各碳库变化稳定，基本在土壤碳含量平均水平上下波动(图中水平虚线表示)，达到了试验区土壤碳水平，表明此时间段内各碳库已经稳定平衡(图1)。此时，活性、慢性和惰性有机碳库分别占总有机碳库的3．28%、68．67%和28．05%。从土壤有机碳的年际变化可看出，土壤总碳库和缓性碳库年际变化较大，但在一定的水平上波动，惰性有机碳库变化稳定，曲线平滑，活性有机碳库年际变化敏感，但是其值较小，所占比例小(图1)。研究地为次生盐碱地，植被以盐生植物盐爪爪为主，盖度为8% ～15%，其土壤有机碳含量约为3 400 g·m－2左右，而CENTURY 模型在平衡状态下模拟的土壤总有机碳含量在3 300 ～3 400 g·m－2间波动，两者相差很小，说明CENTURY 模型正确模拟了研究区土壤有机碳的动态积累过程。

表2 模拟枸杞生长不同阶段及耕作措施Table 2 Simulation of different growth stages of wolfberry and cultivation measurements

图1 CENTURY 模型参数初始化过程Fig．1 Initialization process of CENTURY model parameters

2．2 模型的有效性验证

模型的可靠性测定通常采用多种方法，每种测定方法均有其独到之处［18］。本研究采用实测值与模型值相拟合的方法，看其变化趋势。以0(次生盐碱裸地)、4、7、11 年枸杞林土壤有机碳实测数据与模拟值进行拟合，结果显示，土壤实测值与模拟值具有较好的相关性，变化趋势一致，R2达到了0．947，统计分析P=0．27 ＞0．05，表明模型值与实测值之间差异不显著(图2)，说明运用CENTURY 模型来模拟次生盐渍化土地枸杞林有机碳的动态变化基本符合实际情况［17］，可用来模拟研究试验区的土壤动态变化。

图2 枸杞林土壤有机碳实测值与模拟值的关系Fig．2 The relationship between measured and simulated values of the organic carbon in the soil of wolfberry forest

2．3 枸杞林对次生盐渍化土壤有机碳变化的影响

研究区自2000 年开始种植枸杞，土地类型发生了变化，自然植被转变成了人工栽植经济作物，土壤有机碳随之发生了显著变化(图3)。从次生盐碱裸地到开垦种植枸杞，再到枸杞成熟稳产，在这过程中植被类型不同，所对应的措施也不同，在CENTURY模型的模拟过程中相应的将这个过程分为3 个时间段(Block)，分别分为A、B、C 3 个时段，每个阶段的土地耕作方式和农田管理模式均有所差异(表2)，导致了土壤活性、缓性、惰性和土壤总碳库均发生了显著的变化(图3)。

A 阶段为次生盐碱地，也是模拟原始有机碳库处于平衡状态的阶段。模型参数为模拟平衡阶段的参数指标不变。这一阶段处于自然状态，土壤各碳库仅受到降雨、气温等自然因素的影响，变化小，基本处于稳定状态。

B 阶段为枸杞幼苗生长期，也是各个碳库快速增加时期。在原有次生盐碱裸地上开垦种植枸杞，植被类型发生了变化，由荒漠草地变成了灌木林，模型参数也相应的进行调整。在植被文件CROP．100中输入类型为THODR，4 月开始发芽生长(TFST)，5月施入有机肥(OMAD)，10 月停止生长(TLST)，11 月份休眠(SENM)。在4 年的时间里枸杞生长成熟，土壤活性、缓性、惰性和总有机碳库在这一时间段内均呈快速增加的态势(图3)。土壤活性碳的含量增幅最大，增幅相对于第1 年超过130%，其次是土壤总碳＞土壤缓性碳＞土壤惰性碳，其增幅分别为15%、7%和0．3%。

图3 枸杞生长不同阶段土壤各个碳库随时间的变化Fig．3 Variation of soil carbon pools at different growth stages of wolfberry

C 阶段为枸杞成熟稳产期，是各个碳库逐渐稳定降低阶段。这一时期相比上一阶段(B)农田管理措施发生了变化。此阶段有生物量移除，一是春季修剪枝条，近1/3 的枝条被剪除;二是采摘枸杞果实，从6 月开始采摘果实，持续2 ～3 个月。这些生物量均从枸杞林移除，这样就导致枯落物碳储量逐渐的下降。相应的在模型EVENT．SCH 文件中输入与实际管理相符合的参数:4 月份开始生长(TFST)，5 月份耕作(CULT)，6 月、7 月灌溉(IRRI)，7 月、8 月 收获(HARV)，10 月 停 止 生 长(TLST)。通过模型运行各碳库均发生了相应的变化。活性碳较为敏感，下降幅度最大，2012 －2014年下降速度趋缓，逐渐稳定，但是其值低于开垦前活性碳的含量(图3，图4)。缓性碳和惰性碳在这个阶段继续积累增加，累积速率相比B 阶段降低，逐渐呈降低趋势，变化相对缓慢，土壤有机碳库含量随着活性有机碳含量的快速降低而逐渐减小，从2005年开始一直呈下降趋势(图3，图4)。

2．4 成熟枸杞林未来土壤碳变化趋势的情景模拟

以2010 年CENTURY 模型输出结果为土壤有机碳的初始值，分析预测在当前的农田管理措施条件下枸杞林土壤有机碳近20 ～30 年的动态变化趋势。运用1956 －2012 年的历史气象统计数据逐月最高、最低气温和月降水量，时间步长为6 个月，输出时间为7 月进行数据模拟，并根据当前成熟枸杞林的农田管理措施(表2)，在模型EVENT100 模块中输入相对应的主要参数:5 月施入有机肥(OMAD)，中耕松土(CULT);6、7、8、9 月灌溉(IGGI)，灌溉水量为田间持水量的50%(A50)来模拟实际的大水漫灌;5 月、7 月施肥(FERT);7、8 月收获(HARV)，模拟未来20 ～30 年间枸杞林的土壤有机碳库变化趋势。结果显示，各碳库呈逐渐下降趋势，在未来30 年后土壤有机碳库基本趋于稳定，稳定状态下0 －20 cm 土壤有机碳含量平均约3 200 g·m－2，相对2010年土壤有机碳含量降低了1．6%，相对枸杞种植前的次生盐碱地土壤有机碳含量降低了约5%;活性、缓性和惰性碳库均随之降低(图4)。各个碳库年内变化波动小，主要是受季节性的气温、降雨等变化影响，但是对整体变化趋势影响不大。由此可见，农田措施对土壤碳库的影响较大，在当前的农田管理措施下枸杞林地极有可能从当前的有机碳库逐渐的转变为一个弱的碳排放源。

图4 成熟枸杞林未来土壤各碳库变化趋势Fig．4 The change trend of future soil carbon pools during mature stage

2．5 不同年限枸杞林对土壤碳库活度、土壤碳库管理指数的影响

土壤碳库活度和碳库活度指数都可以用来反映土壤碳素的活跃程度，活度越大，表示有机碳越易被微生物分解，质量越高［19］，而转化时间也越短。碳库活度和碳库活度指数在枸杞种植后有所增加，4年枸杞达到最大，之后逐渐降低，表明次生盐渍土地开垦种植枸杞会使土壤碳活性有所增加，在枸杞生长的初期几年内土壤碳质量得到提高(图5)。碳库管理指数可以用来反映土壤经营管理的科学性，即表明该措施是否科学［20-21］，其值升高与降低可以反映外部的经营方式对土壤质量的影响向良性或恶性方向发展。不同年限枸杞林碳库指数和碳库管理指数与土壤有机碳模拟变化的过程相似，也呈倒“V”型变化。在枸杞生长初期碳库活度、碳库指数和碳库管理指数逐年增加，4 年达到最高，5 －11 年逐年降低，生长14 年时碳库活度(L)和碳库活度指数(LI)基本与对照相近，碳库指数(CPI)和碳库管理指数(CPMI)虽高于对照，但是整体上仍呈下降趋势(图5)。运用模型模拟生长20 年枸杞林土壤碳的变化，此时土壤碳库基本已经稳定(图4)，土壤碳库活度和管理指数相比生长11 年的枸杞林仍表现为下降趋势，与次生盐碱裸地相比碳库指数基本相近。上述变化表明该区域次生盐渍化土地种植枸杞后的最初几年土壤质量得到明显改善，但随着枸杞种植年限的增加土壤碳库质量逐渐下降，这主要是由枸杞林的不合理的经营管理措施所造成的。

图5 土壤碳库活度、碳库指数等随枸杞生长年限的变化Fig．5 Changes of soil carbon pool activity and carbon pool indexduring different growth years of wolfberry

3 讨论

土壤有机碳的来源主要是植物凋落物的输入，其大小取决于凋落物输入量和土壤有机质的分解量［22］。在自然状态下植被土壤有机碳的积累不受人为因素的干扰，初期积累较为快速，但是经过一段时间后，积累速率逐渐减小，最终达到一个相对稳定的状态。次生盐碱化土壤有机碳在模型运行2 400 年左右时基本达到或接近稳定(图1)，虽然有波动，但是这种波动是植被系统在气候环境因素正常“波动”条件下的一种稳定状态［6］，这种趋势在更长的时间尺度上将会表现的更明显。因此，CENTURY 模型在次生盐碱化土地有机碳模拟中相应参数值能够达到平衡状态，可以运用模拟其碳库的变化过程。

研究区枸杞林种植前是以盐爪爪为主的次生盐碱地，经过大规模的开垦、施肥、排盐等措施建成了枸杞林地。枸杞林对土壤有机碳的影响有两个阶段，即幼苗生长阶段和成熟稳定阶段(图3，图4)，从图中看出土壤活性炭和土壤总碳库变化曲线呈倒“V”型变化，而土壤缓性和惰性碳库增加趋势呈“S”型变化。对土地的开垦不仅会改变生态系统土壤有机碳的输出和输入，同时，开垦导致的土壤温度和湿度的改善，也将极大地促进土壤的呼吸作用，加速表层土壤有机质的分解［6，23］，因此，导致在枸杞生长B 阶段土壤活性、缓性、惰性碳含量均呈快速增加的态势。土壤的碳库活度指数、碳库管理指数均在这一时期最大，枸杞幼苗地上和地下生物量逐渐增加，土壤碳的累积速率也在栽植4 ～5 年间达到最大，超过自然状态下的总碳库，表明该时期土壤碳库较为敏感，农田经营方式对土壤有培肥作用，土壤质量向良性发展［20-21］。2004 年枸杞林土壤总碳库比开垦前的含量增加了22%，表明这段时间枸杞林地土壤碳总体呈“碳汇”趋势。

成熟枸杞林地的农田耕作措施以提高枸杞产量，增加经济效益为主，因此，当地果农对成熟枸杞林地的农田投入也相应的增加，浇水、施肥的次数和量均增加，但是其用量和次数均较大，平均浇水和施肥次数为6 ～8 次(表2)，每次浇水均为大水漫灌。化肥的大量使用与多次的大水漫灌，对土壤质地产生了严重的损害，加上从6 月份开始采摘果实，这样将一部分生物量移除，枯落物减少导致腐殖质含量降低，活性碳库随之减小［24］，土壤结构和性状被逐渐的改变，土壤缓性碳和惰性碳在缓慢的积累之后迅速降低，土壤总碳库随之降低，土壤碳汇功能也被大大降低或被逆转［25-26］。这种变化与当地的地形特征和实地调查的情景相符合。研究区地形为一个半封闭的小盆地，大量灌溉用水渗入地下不能及时排出，使水位上升，同时，在实际调查中发现附近的排碱渠年久失修，功能丧失，未能起到排盐排碱的功能，导致该区域次生盐碱化现象进一步加重，地下水位在0．8 ～1．0 m，泛盐现象明显，土壤结构和性状发生了变化，土壤菌类数量及微生物总量呈现显著降低的趋势［27］，微生物活性也随之降低［20-21，28］，枸杞根腐病严重，枯死植株较多，土壤碳库活度及活度指数相应的降低。因此，CENTURY 模型模拟结果表明，在这一阶段土壤有机碳含量逐年降低，土壤碳库活度和管理指数相应的降低其变化趋势与土壤碳活度、碳管理指数相一致。这与高寒草甸开垦并种植燕麦(Avena sativa)草地1 ～3 年土壤有机碳出现一个快速增加又降低的趋势相似［6］，也与在干旱区绿洲人工开发下种植小麦(Triticum aestivum)、玉米(Zea mays)等作物土壤碳含量变化趋势相似［24］。

对成熟枸杞林土壤有机碳含量的变化进行预测分析表明，在当前的农田管理措施下枸杞林地极有可能从有机碳库逐渐的转变为一个弱的碳排放源，土壤碳库管理指数下降表明土地经营措施使土壤肥力下降，土壤性质呈恶化的趋势，即表明在这一阶段对农田地采取的措施是不科学的，降低了土壤质量［20-21］，导致土壤有机碳含量持续减少，引起土壤有机碳库的下降和土壤碳库管理指数的下降。在未来30 年后土壤有机碳库将低于开垦前的次生盐碱地，其有机碳碳含量将降低3% ～5%。因此，改变农田管理方式、增加有机肥的投入、采用科学灌水设备、及时更新苗木等对提高枸杞林土壤质量、增加土壤碳储量和减缓温室效应具有重要的现实意义。

4 结论

CENTURY 模型模拟结果显示，1)CENTURY 模型适用于对次生盐碱地土壤有机碳动态过程的模拟，模拟精度满足要求;2)次生盐碱地开垦种植枸杞后，土壤总有机碳经历了急速上升、快速下降和逐渐平稳的变化，土壤总有机碳呈先增后减的倒“V”型变化趋势。枸杞林土壤总有机碳在幼苗生长阶段呈“碳汇”趋势，在成熟阶段土壤总有机碳逐渐降低，在未来20 ～30 年内极有可能逐渐的转变为一个弱的碳排放源。3)枸杞林地的农田耕作措施和管理方法决定了土壤有机碳的动态变化。土壤碳库活度和碳库管理指数呈先上升后逐渐降低的趋势，表明枸杞林在生长后期土壤肥力逐渐的下降，土壤性质呈恶化的趋势。

致谢:本项目在执行期间得到了美国科罗拉多州立大学(Colorado State Univerisity，USA)碳效益研究项目组(GEF/UNEP，Carbo Benefits project:Modelling，Measurement and Monitoring)专家Eleanor Milne，Mark Easter，Keith Paustian，Au Yong Hoi Wen 等的指导和帮助，在模型的使用过程中得到了Yao Zhang博士的指导，在此表示感谢。

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