核桃-小麦复合系统土壤碳密度动态特征

王 来，高鹏翔，仲崇高，刘 滨，侯 琳,2，张硕新,2，张远迎

(1.西北农林科技大学 林学院，陕西 杨陵 712100；2.陕西秦岭森林生态系统国家野外科学观测研究站，陕西 杨陵 712100；3.西北农林科技大学 理学院，陕西 杨陵 712100)

全球陆地生态系统中土壤碳库存量大约是植被碳库的3倍[1]，土壤碳库对全球碳平衡具有重要意义[2]。土壤碳库中最活跃的一部分土壤有机碳(SOC)的变化和分布对全球气候变化和碳循环起到至关重要的作用[3]。同时，土壤有机碳也是土壤肥力的重要影响因子[4]，较高的土壤有机碳含量往往意味着土壤较高的肥力[5]。地表植被状况及土地利用方式的不同是影响土壤有机碳的主要因子[6]。农林复合系统作为一种重要的土地利用方式[7]，其固碳潜力及对土壤碳库的影响受到众多研究的关注[8-9]。然而国内关于农林复合系统对土壤碳影响的研究还处于较低水平[8]，且以往的研究多集中在农林复合系统与单作系统对土壤碳影响的简单比较[10-12]，对农林复合系统土壤碳的动态变化过程研究很少。然而过程研究是模型建立的关键。本研究以渭北黄土区近年迅速发展起来的核桃(Juglansregia)经济林与当地主要口粮小麦(Triticumaestivum)形成的间作复合系统为研究对象，分别以核桃和小麦的单作系统为对照，讨论核桃-小麦复合系统土壤有机碳密度的动态特征。为建立农林复合系统碳循环模型、理解地球碳循环过程提供帮助。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区位于渭北黄土区的南部区域，海拔700～800 m，属于暖温带半湿润大陆性季风气候。年平均气温11.6℃，最低气温-20.6℃，最高气温41.4℃，年无霜期215 d。年平均降雨量615.0 mm，全年70%左右降水量集中在6-9月份。耕层土壤以黄土母质发育成的褐土，容重1.29 g·cm-3，碱解氮含量116 mg·kg-1，速效P含量19.8 mg·kg-1，速效K含量64.5 mg·kg-1。

1.2 试验地概况

试验地在陕西省岐山县枣林镇张家沟村(34°21′21″N，107°43′42″E)，该村以近年发展迅速的核桃-小麦间作复合系统为主。试验地位于坡中位置的梯田上，田面南高北低，宽30～45 m，坡度2°～3°，总面积约1.1 hm2。核桃-小麦间作、核桃单作和小麦单作种植面积分别约为0.5、0.4 hm2和0.2 hm2。3种土地利用方式的样地在设置为样地前均为小麦单作农田。雨养农业。试验地均为固定观测样地。

1.3 栽培方法

小麦单作：小麦品种为小偃22，每年10月5日左右施肥翻地播种，施肥(磷酸二铵150 kg/hm2，硫酸钾75 kg/hm2，农家肥37 500 kg/hm2)、翻地(耕地深度在20 cm左右)、播种(行距20 cm，基本苗210.5万株/hm2)。

核桃-小麦间作：核桃于2003(1 a)年定植，南北行向，“品”字形栽植，小冠疏层树形，株行距均为3×6 m，主栽品种为香玲。小麦在每个树行间的种植带宽度为5 m，给树行留1 m宽的树行带，施肥量及其他栽培管理方法均与小麦单作相同。

核桃单作：核桃单作栽植密度和管理方法与间作核桃相同，日常采取果园清耕管理。每年9月下旬到10月初进行1次秋季浅耕全园施肥，施肥量与间作模式相同。

1.4 研究方法

1.4.1 采样点设置 在核桃-小麦间作和单作核桃样地中，各选取3株平均样树，同时回避边缘树行。在每个样树下，垂直于树行方向上距树1、2、3 m处各设置1个采样点。在小麦单作样地内，避开样地边缘，按“品”字形布设3个采样点。

1.4.2 采样时间 从核桃树定植第1年起3种土地利用方式每隔1 a采样1次，时间为当年的11月下旬地面封冻前。

1.4.3 土壤容重 土壤容重用环刀法测定。挖100 cm深的土壤剖面，每层10 cm。在每一土层采样点位置用环刀取出原状土，每采样点取样3次。

1.4.4 土壤有机碳 在环刀取原状土的同时采土样，自然风干，研磨，过100目土壤筛，用K2Cr2O7(外源热氧化法)测定有机碳含量(mg·g-1)[13]。土壤有机碳密度计算公式：

SOCD=SBD×SOCC×(1-GC)×H×10-2

(1)

式中，SOCD为土壤有机碳密度(kg·m-2)；SBD为土壤容重(g·cm-3)；SOCC为土壤有机碳含量(mg·g-1)；GC为碎石含量(%)，H为土层厚度(cm)。

1.5 数据处理

试验结果的统计分析用SAS9.2软件处理，图表用OriginPro8.0软件制作。在数据初步分析的基础上，为了讨论方便，将讨论的土壤层次设定为0～20、20～40、40～60 cm和60～100 cm 4个土层。

2 结果与分析

2.1 土壤有机碳密度动态

2.1.1 动态变化 核桃-小麦间作土壤有机碳密度，除20～40 cm土层以外，其他各土层均随种植年限的增加呈现逐渐增加趋势，从第3年开始均高于小麦单作，且从第7年开始这个差异达到显著水平(P<0.05)(图1)。随着土层深度的增加这个差异更显著，特别是在60～100 cm土层从第5年开始就达到显著水平(P<0.05)(图1)。核桃-小麦间作与核桃单作相比，在0～20 cm土层，前者从第5年开始显著低于后者(P<0.05)，在其他土层前者从第5年开始均显著高于后者(P<0.05)，前者将有机碳更多的储存在深层土壤，而后者则相反(图1)。

2.1.2 动态变化的方程 核桃-小麦间作土壤有机碳密度随种植年限增加的方程，除20～40 cm土层以外，其他各土层均与三次多项式拟合度较好。公式可以表示为y=at3+bt2+ct+K，其中常数项K代表初始年份的土壤有机碳密度，a、b和c为种植年限t的系数，三者共同决定着土壤有机碳密度的大小(表1)。这里需要说明的是，这是用跨度为11 a的数据所拟合的曲线，如果超出这个年限，可能此方程就不再适用。

图1 3种土地利用方式不同土层有机碳密度的动态变化特征Fig.1 Dynamic characteristics of SOC density in different soil depths of three land use patterns

2.2 有机碳密度的积累速度

2.2.1 不同土层有机碳密度积累速度的动态变化 核桃-小麦间作有机碳密度的积累速度在0～20 cm和40～60 cm土层呈现逐渐增加的趋势，在60～100 cm土层呈现先增加而后略有回落的趋势，峰值出现在第9年左右，这3个土层在第11年时的积累速度均为正值，且离0值或核桃单作较远(图2)。这体现了有机碳密度的持续积累过程。20～40 cm土层较为特殊，核桃-小麦间作有机碳密度的积累速度在0值附近波动。核桃-小麦间作各土层有机碳密度的积累速度与核桃单作相比没有明显的峰值，而后者则有明显的峰值波动(呈倒U型曲线)(图2)。

表1 3种土地利用方式不同土层有机碳密度及其积累速度随时间变化的方程Table 1 Equations of SOC density and their accumulation rates with planting age increased in different soil depths of three land use patterns

注：WWIS：核桃-小麦间作；WAMS：核桃单作；WHMS：小麦单作；y：有机碳密度；y′：有机碳密度的积累速度；t：种植年限。表2同。

图2 3种土地利用方式不同土层有机碳密度积累速度的动态变化特征Fig.2 Accumulation rates of SOC density with planting age increase in different soil depths of three land use patterns

2.2.2 不同土层有机碳密度的平均积累速度 核桃-小麦间作有机碳密度11 a的平均积累速度随土层深度的增加呈先降低后增加的趋势，在20～40 cm土层最小，在0～20、40～60 cm和60～100 cm土层均显著高于小麦单作(P<0.05)，在40～60 cm和60～100 cm土层显著高于核桃单作(P<0.05)，但在0～20 cm土层显著低于核桃单作(P<0.05)(图3)。

2.3 土壤有机碳密度的变化特征(0～100 cm土层)

核桃-小麦间作0～100 cm土层内有机碳密度随种植年限的增加逐渐增加，从第7年开始其显著高于小麦单作(P<0.05)。核桃-小麦间作0～100 cm土层内有机碳密度在各年份均高于核桃单作，但两者间的差异均未达到显著水平(P<0.05)(图4)。3种土地利用方式0～100 cm土层内有机碳密度随种植年限增加的方程与三次多项式拟合度较好(表2)。

图3 3种土地利用方式不同土层有机碳密度11 a的平均积累速度Fig.3 Mean accumulation rates of SOC density during 11 years in different soil depths of three land use patterns

表2 3种土地利用方式0～100 cm土层内有机碳密度及其积累速度随时间变化的方程Table 2 Equations of SOC density and their accumulation rates with planting age increase in 0-100 cm soil depth of three land use patterns

图4 3种土地利用方式0～100 cm土层内有机碳密度随时间变化的特征Fig.4 Variation characteristics of SOC density with planting age increase in 0-100 cm depth soil layer of three land use patterns

2.4 土壤有机碳密度的积累速度(0～100 cm土层)

核桃-小麦间作0～100 cm土层有机碳密度的积累速度，在各年份均为正值，随种植年限的增加均呈现逐渐增加的趋势。而核桃单作0～100 cm土层有机碳密度的积累速度则呈现先增加后减少的倒U形趋势，速度最大的时间点出现在第7年左右，在第11年时接近于0值及小麦单作(图5)。

图5 3种土地利用方式0～100 cm土层有机碳密度的积累速度随时间变化的特征Fig.5 Accumulation rates of SOC density with planting age increase in 0-100 cm soil depth of three land use patterns

核桃-小麦间作0～100 cm土层有机碳密度11年的平均积累速度为0.071 1 kg·m-2·a-1，分别是小麦单作和核桃单作的4.90和1.06倍，显著高于小麦单作(P<0.05)，但与核桃单作的差异未达到显著水平(P>0.05)(图3)。

3 讨论

本研究对核桃-小麦间作复合系统土壤有机碳密度的动态变化，采用固定样地观测的方法，进行了11 a的连续观测。核桃-小麦复合系统中有机碳密度在浅层土壤(0～20 cm)和较深土层(40～60、60～100 cm)均可以获得显著的提高，但在20～40 cm土层则没有显著变化。F.Montagnini[14]指出农林核桃-小麦间作可以把更多的碳储存在树木上和土壤中，这个结论支持本研究的结果。S.G.Haile[15]指出与单纯的牧场相比林牧牧场可以在较深土层储存更多的碳，与本研究结果相同。农林复合系统比单一农田有更高的系统多样性，随着多样性的增加就有细根超产现象[16-18]，在细根周转的过程中就有更多的碳被积累在土壤中，同时树的凋落物也会增加土壤碳的汇入。这可能是单一农田向农林复合系统转变的过程中有机碳密度获得显著提高的主要原因。M.Oelbermann[19]等，P.K.Nair[20-21]等和A.Albrecht[22]等提出农林复合系统固碳潜力巨大，并且进行了简单的估算，这与本研究结果类似，但他们没有对不同土层深度的固碳特征进行讨论。

由于农林复合系统的树木增加了深层土壤的根密度[23-25]，也就是增加了深层土壤碳的输入。在较深土层由于空气流动少，土壤微生物的活动较弱，土壤呼吸作用较弱，经根系活动输入的有机物质，大部分都转化为土壤有机碳，很少被释放出去。这也是核桃-小麦间作在40～100 cm土层有机碳密度获得提高最为显著的原因。核桃-小麦间作与核桃单作比较，由于上层土壤农作物根系的强烈竞争[26]，让间作林木的根系向更深土层发展，这可以更多的增加深层土壤的根密度[27-28]。这可能是除0～20 cm土层外，其他各土层的有机碳密度前者均高于后者的原因。0～20 cm土层较为特别，虽然核桃-小麦间作比单作系统有更高的根密度及更多凋落物的输入[25]，但是核桃-小麦间作的有机碳密度从第5年开始显著小于核桃单作。原因可能是，核桃单作缺乏耕作，致使表层土壤板结容重增加，导致土壤呼吸作用降低[29]，且下层土壤呼吸释放的碳在表层积累的缘故。总之，核桃-小麦复合系统是将更多的碳积累在较深土层，而核桃单作系统则是向浅层土壤积累了更多的碳。

核桃-小麦间作与核桃单作0～100 cm土层的有机碳密度在第11年均显著高于小麦单作，但前两者间的差异不显著。这说明核桃-小麦间作和单作的核桃经济林均可以提高土壤有机碳的密度。但当我们分层讨论有机碳密度时，发现核桃单作在浅层土壤(0～20 cm)从第5年开始显著高于核桃-小麦间作；但在较深土层(40～60、60～100 cm)核桃-小麦间作从第7年开始显著高于核桃单作。这一对比更加明确核桃-小麦复合系统是通过向深层土壤积累更多的碳来实现0～100 cm土层的有机碳密度的增加，而核桃单作系统则是向浅层土壤积累了更多的碳来实现这一过程。

另外，研究发现20～40 cm土层比较特殊，核桃-小麦间作和核桃单作对本土层有机碳均没有显著的影响，而且二者的平均积累速度上较其他土层也均最低。我们推测：因为本层刚好是犁底层存在的土层，犁底层较高的土壤容重[30]限制了细根的生长，所以在本层获得生物碳的输入较少；而且树木凋落物对土壤有机碳的影响又主要在表层[31]，就造成了上述现象。所以犁底层对土壤碳积累的影响也是一个值得研究的问题。

4 结论

核桃-小麦复合系统中有机碳密度，除20～40 cm土层外，其他土层随种植年限的增加均呈现逐渐增加的趋势，在浅层土壤(0～20 cm)复合系统从第3年开始显著低于核桃单作，从第7年开始显著高于小麦单作；在较深土层(40～60、60～100 cm)复合系统从第5年和7年开始分别显著高于核桃和小麦两单作系统。0～100 cm土层的有机碳密度核桃-小麦复合系统第11年时显著高于小麦单作，但与核桃单作差异不显著。0～100 cm土层，11 a观测期内复合系统的平均积累速度为0.0711 kg·m-2·a-1，分别是小麦单作和核桃单作的4.90倍和1.06倍。

核桃-小麦复合系统与两单作系统相比均有较高的固碳潜力，且最大优势是将碳积累在较深土层。这对增加土壤碳汇具有重要意义，同时为农林复合系统、陆地生态系统及全球碳循环模型的建立提供参考。