不同垦殖方式下茶园土壤有机碳的流失特征研究

王义祥，罗旭辉，叶 菁，应朝阳，翁伯琦

(福建省农业科学院农业生态研究所/农业部福州农业环境科学观测实验站，福建 福州 350013)



不同垦殖方式下茶园土壤有机碳的流失特征研究

王义祥，罗旭辉，叶 菁，应朝阳，翁伯琦*

(福建省农业科学院农业生态研究所/农业部福州农业环境科学观测实验站，福建 福州 350013)

采用径流小区观测法研究不同茶园垦殖方式对土壤有机碳流失的影响。结果表明，不同垦殖方式下茶园土壤有机碳流失均以泥沙态损失为主，占流失总量的87.4%～98.6%，而径流态损失仅占1.4%～12.6%。就土壤有机碳年流失量而言，梯台植草方式下土壤有机碳流失量最小，分别比顺坡清耕、顺坡植草和梯台清耕方式降低70.1%～70.7%、42.1%～57.0%和14.2%～17.8%，说明梯台植草方式可作为减少茶园土壤有机碳流失的技术途径。

茶园；垦殖方式；土壤有机碳；地表径流；损失

我国南方红壤丘陵区占全国土地总面积的11.8%，其中福建省红壤面积占全省土地总面积的83%，是我国重要的生态类型区之一。该区域土地利用方式变化强烈，对陆地碳循环和温室气体排放具有重要的影响[1]。另外，该区域也是我国热带、亚热带茶叶的重要生产基地。据统计我国亚热带丘陵区茶园面积达79万hm2，占全国总面积的70%左右，茶叶已成为该区域农民创收的主要途径之一，但由于长期以来对茶园不合理的开发与利用，导致水土流失和土地退化严重[2]。

土壤侵蚀会引起土壤有机碳随土壤发生迁移，导致土壤有机碳含量降低，在侵蚀过程中部分有机碳易被矿化分解而释放到大气中，从而对全球变化产生影响。根据IPCC(政府间气候变化专门委员会)的估计，土壤有机碳损失对大气CO2浓度升高的贡献率在30%～50%，其中由土壤侵蚀造成的损失大约占50%左右[3]。尽管土壤侵蚀普遍存在，但土壤侵蚀对土壤碳循环的影响仍少见报道，土壤侵蚀对陆地生态系统碳循环的影响机理还缺乏深入了解[4]，生产中尤其缺乏高效稳产的固碳减排技术，这也是我省农村节能减排和碳汇农业发展中急需解决的问题。本研究通过径流小区观测的方法研究不同垦殖方式下红壤丘陵地茶园土壤有机碳随地表径流和泥沙流失的动态规律，探讨水力侵蚀对茶园土壤有机碳流失的作用，为土壤侵蚀对茶园土壤有机碳循环影响研究提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地位于福州市福建满堂香茶业股份有限公司的茶叶生产基地内，海拔610 m，属东南亚热带季风性湿润气候，年平均气温15.5℃，全年降水量1500 mm，年均日照1850 h，年积温高于6500℃，无霜期312 d。

1.2 试验设计

试验共设计4个处理，分别为顺坡清耕、顺坡植草[茶行间套种百喜草(Paspalum notatum)]、梯台清耕、梯台植草(茶行间套种百喜草)，重复3次。各试验小区大小为25 m×4 m，小区之间用水泥预制板隔开，小区下方布设1 m3的泥沙沉淀池和贮水池各1个。茶树品种为梅占，2006年定植。不同垦殖方式处理茶树的施肥管理方法一致，清耕处理采取人工方式不定期清除园面杂草。

1.3 采样与分析方法

2013年共产流13次，产流结束后，观测径流池中泥水体积，同时混匀采集泥水样测定泥沙含量。部分泥水样过滤收集水样，利用6 mol·L-1的H2SO4溶液调其pH到2～3后放入冰柜中保存待测。径流和降雨水样中总有机碳含量利用岛津TOC仪测定。土壤和泥沙中总有机碳含量采用重铬酸钾外加热法测定[5]。

1.4 数据处理

按照公式(1)和(2)计算泥沙结合态有机碳流失量、径流结合态有机碳流失量：

SC=∑(Si×SOCi)

(1)

WC=∑(Wi×DOCi)

(2)

式中：SC为泥沙结合态有机碳年流失量(kg·hm-2)；WC为径流结合态有机碳年流失量(kg·hm-2)；Si为第i次产流的泥沙量(t·hm-2)；SOCi为第i次产流泥沙有机碳含量(g·kg-1)；Wi为第i次产流的径流量(m3)；DOCi为第i次产流径流有机碳含量(mg·L-1)；i为年产流次数。

利用Microsoft Excel2003和DPS7.05统计分析软件进行数据计算处理及差异显著性检验，多重比较采用LSD法。

2 结果与分析

2.1 地表径流中有机碳的差异

由图1可知，不同垦殖方式下茶园地表径流中有机碳含量亦存在一定差异。顺坡垦殖方式地表径流中有机碳含量比梯台垦殖方式高出45.5%～54.1%；生草覆盖处理比清耕处理高出12.9%～19.6%。地表径流中有机碳主要来自大气降水、植被(包括活植物体和凋落物)的淋溶输入以及土壤有机物的侵蚀。因此，在地表径流中有机碳含量减去来自降雨中的有机碳含量可以得到来自植被淋溶以及土壤有机物的侵蚀的有机碳，从而可以分析地表径流中不同来源有机碳的构成比例。从地表径流中有机碳的来源来看(图2)，顺坡清耕处理地表径流中有机碳主要源自植被淋溶输入和土壤有机物的侵蚀，占63.34%，梯台清耕处理地表径流中有机碳主要源自大气降水，占63.79%。相对清耕处理而言，生草处理地表径流中有机碳来自大气降水的比例有所降低，而来自植被淋溶输入和土壤有机物侵蚀的比例增加。

图1 地表径流中总有机碳含量Fig.1 Organic carbon content in surface runoff

图2 地表径流中有机碳的来源Fig.2 Sources of organic carbon in surface runoff

2.2 侵蚀泥沙中土壤有机碳的差异

通过对泥沙和土壤中有机碳含量的对比分析表明，泥沙中有机碳具有明显的富集现象，但其富集程度因不同开垦方式而有所差异。由表1可以看出，顺坡植草处理侵蚀泥沙有机碳的富集比比顺坡清耕处理高出2.61%，梯台植草处理比梯台清耕处理高出8.76%，主要是水力侵蚀往往首先使表层土壤发生剥离运移，而表层土壤因受植被的影响，养分含量较高，导致剥离运移的土壤形成的侵蚀泥沙往往会发生养分富集。梯台处理侵蚀泥沙有机碳的富集比顺坡处理高于0.7%～6.7%，说明富集系数的大小还会受泥沙沉积特征影响。

表1 流失泥沙的有机碳富集比

2.3 茶园土壤有机碳的径流损失特征

就土壤有机碳的损失途径而言(图3)，不同垦殖方式下茶园土壤有机碳流失均以泥沙结合态损失为主，占流失总量的87.4%～98.6%，而径流损失仅占1.4%～12.6%。但生草与清耕相比，生草处理土壤有机碳以泥沙形式的损失的比例比清耕处理降低了5.7%～12.2%，而径流损失所占比例提高了65.3%～753.8%。梯台清耕方式以泥沙损失的比例比顺坡清耕处理提高了0.5%～6.7%，而径流损失的比例降低了3.3%～81.3%，这可能与梯台坍塌有关，尤其是在暴雨季节。

3 讨论与结论

侵蚀作用下，表层土壤在外营力作用下发生破坏、剥蚀和迁移，从而引起富含有机碳的表层土壤随地表径流而流失，导致侵蚀区土壤肥力下降，植物可利用养分缺失，从而威胁粮食安全和生态可持续性[6]。水蚀作为土壤侵蚀的主要形式之一，其对坡面土壤有机碳的迁移和再分布的影响是一个复杂的物理化学过程，同时受气候、土壤、地形、土地利用方式等许多因素的影响[7]。水力侵蚀作用下土壤有机碳以泥沙结合态和径流溶解态2种形式流失。有的研究发现以泥沙结合态和径流溶解态流失的有机碳相当[8]，但也有研究认为泥沙结合态是土壤有机碳流失的主要形式，甚至有的高达95%以上[9]，出现以上不同研究结果原因主要与不同侵蚀条件下土壤有机碳随水沙迁移的复杂性有密切关系[10]。本研究结果表明，泥沙结合态是不同垦殖方式下茶园土壤有机碳的主要流失形式，其中泥沙结合态占到土壤总有机碳流失量的87.4%以上，这与聂小东等的研究结果相一致[10]。王文欣等研究表明，土壤覆盖度越低，土壤有机碳流失量越高[11]。本研究结果表明，茶园生草处理土壤有机碳以泥沙形式的损失的比例比清耕处理降低了5.7%～12.2%。通常，覆盖植被涵养水源是生态系统重要的服务功能之一。植被覆盖度越高，涵养水源能力越强，其截留有机碳的能力也就越强[12]。梯台清耕方式径流损失的比例比顺坡清耕降低了3.3%～81.3%，这主要是因为相对顺坡垦殖方式，梯台方式将坡面分割成若干梯面，改变了地表微地形，增加径流入渗，减弱了径流对茶园土壤的冲刷作用，从而有效地拦蓄并减少了径流所携带的有机碳[13]。由此可以认为，茶园土壤有机碳流失主要以泥沙为承载体被带走，梯台加生草覆盖能够提高茶园地表覆盖度，增强土壤冲刷能力，可作为减少茶园土壤有机碳流失的重要技术措施。

图 3 茶园土壤有机碳的损失构成Fig.3 Components in loss of soil organic carbon at tea plantations

泥沙是土壤有机碳流失的重要载体，不同土地利用方式下泥沙结合态有机碳随泥沙迁移特征的变化而变化。Jackson和Massey研究认为泥沙结合态有机碳的富集是土壤有机碳选择性迁移的表现形式，在径流的运移作用下，质量较轻、有机碳含量较高的土壤颗粒优先被迁移[14]。一些研究表明，黏粒等小粒级是土壤有机碳流失的主要载体[15]，有机碳在泥沙中表现富集现象。富集比是指侵蚀泥沙中某种组分含量与原地土壤中该组分含量的比值[16]。许多研究也认为，土地管理方式和植被条件以及土壤类型等与有机碳富集比也有密切关系[17]。贾松伟等研究表明，土壤有机碳的流失主要以泥沙为载体迁移出系统，被径流携带迁出的只有很少一部分；水力侵蚀造成了有机碳在泥沙中的富集，且富集比大于1[9]。本研究结果表明，顺坡植草处理侵蚀泥沙有机碳的富集比比顺坡清耕处理高出2.61%，梯台植草处理比梯台清耕处理高出8.76%，这可能是因为地表覆盖影响了茶园表层土壤有机碳的富集，从而影响到土壤受到冲刷作用后的泥沙中有机碳的富集特征。

[1]赵其国.红壤物质循环及其调控[M].北京:科学出版社,2002.

[2]陈文祥,游文芝,陈明华,等.福建省茶园水土流失现状及防治对策[J].亚热带水土保持,2006,18(4):22-23.

[3]IPCC report．Climate Change[M]. London: Cambridge Univ. Press, U.K．1995.

[4]张春霞,谢佰承,贾松伟.土壤侵蚀对土壤有机碳库去向的影响[J].安徽农业科学,2008,36(31):13735-13736.

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[14]Jackson M，Massey H．Selective erosion of soil fertility constituents[J]．Soil Science Society of America Journal，1952,16(4):353-356.

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Losses of Soil Organic Carbon in Tea Plantations under Varied Reclamation Methods

WANG Yi-xiang, LUO Xu-hui, YE Jing, YING Zhao-yang, WENG Bo-qi*

(Institute of Agricultural Ecology, Fujian Academy of Agricultural Sciences/Fuzhou Scientific observing and Experimental Station of Agro-Environment, Ministry of Agriculture, P.R. China,Fuzhou, Fujian 350013, China)

Effect of erosion on the loss of organic carbon in the soil of tea plantations was studied on runoff plots under different methods of reclamation. It was found that the sediment-bonded organic carbon constituted the major form of the loss, accounting for 87.4%, and up to 98.6%, of the total. Whereas, the runoff loss was merely 1.4%～12.6% of the total. The method of reclamation by landings herbage inter-planting resulted in the lowest annual organic carbon loss, which was 70.1%～70.7% lower than by longitudinal clean tillage, 42.1%～57.0% lower than by longitudinal herbage inter-planting, and 14.2%～17.8% lower than by landings clean tillage. Thus, it was recommended that the landings herbage inter-planting method be applied for the reduction of organic carbon loss in soil at tea plantations.

tea plantation; reclamation methods; soil organic carbon; runoff; loss

2016-07-11 初稿；2016-08-12 修改稿

福建省科技计划项目(2014R1017-3、2014Y0048)；国家科技支撑计划课题(2012BAD14B03)。

王义祥(1978-)，男，博士，副研究员，主要从事恢复生态与红壤保育研究。E-mail: sd_wolong@163.com

*通讯作者：翁伯琦(1957-)，男，博士，研究员，主要从事生态农业技术与农业生态经济研究。E-mail: wengboqi@163.com

S571.1；S153.62

A

2096-0220(2016)03-0129-04