基于坡改梯工程后的园地和耕地土壤碳库及其组分演变特征

2020-04-23耿其明杨天戈陈亚恒

河北农业大学学报 2020年1期

耿其明，王洋，闫丰，杨天戈，陈亚恒

（1.河北农业大学资源与环境科学学院，河北保定 071000；2.河北农业大学国土资源学院，河北保定 071000）

太行山低山丘陵区土壤存在土层较薄、漏水漏肥等情况，水土流失严重，作物产量低而不稳，加之人地关系紧张和不适当的土地利用及资源开发，使太行山低山丘陵区耕地资源长期处于负增长趋势，提高该区耕地数量和质量势在必行。坡改梯工程作为补充耕地和优化土地结构的重要措施之一，不仅能够控制水土流失，改善土地质量，还能有效地促进农村生产，实现经济与生态的协调健康发展［1-2］。据国家自然资源部的数据显示，河北省在太行山已完成了包括坡改梯工程在内的农村土地整治项目面积17万hm2，达全省耕地数量的2.6%。而坡改梯工程在实施后不同时期，既可通过破坏土壤物理化学结构导致形成碳源，引起土壤碳储量急剧下降；也可通过改造后的合理管理改善土壤质量形成碳汇，从而使土壤碳库得以积累和提高［3］。前人对坡改梯土壤有机碳及其组分的研究多集中在黄土丘陵区［2,4］，对太行山低山丘陵区坡改梯后土壤有机碳及碳库质量演变的研究，有利于在不同时期实施针对性管理措施，为该区有效保护坡改梯土壤碳库起到重要指导作用。

土壤有机碳是全球碳循环中的重要组成部分，约占全球陆地碳库的20%［5］。坡改梯后利用方式的变化是土壤生态系统碳循环的重要驱动力，其对土壤固碳产生举足轻重的影响［6］，且土壤有机碳不同组分对土地利用方式改变的响应和敏感度不同，因此各碳组分在土壤中的分布特征及固碳能力也不同［7］。陈高起等［8］指出在岩溶区的不同利用方式下土壤有机碳及其组分表现为，菜地＞林地＞草地＞橘园地＞弃耕地，而李奇超等［9］指出粉煤灰充填复垦后不同利用方式下有机碳表现为对照耕地＞复垦园地＞复垦林地＞复垦耕地。目前土壤有机碳及其组分受不同利用方式影响的研究结果并未达成一致，且受到区域的影响，对于坡改梯土壤在不同利用方式下的演变特征研究更是非常有限。由于不同利用方式影响着碳源的输入，以及土壤的养分、水分循环和地表径流及侵蚀程度等［10］，因此坡改梯工程实施后，利用方式的不同可对土壤碳组分及碳库质量产生较大影响。本研究旨在探明太行山低山丘陵区典型坡改梯整治工程实施后利用为耕地和园地土壤在不同时期的土壤碳库数量和质量演变特征，为太行山低山丘陵区坡改梯后土地的合理利用及农用地生态系统固碳减排的可持续发展提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于河北省太行山低山丘陵区唐县典型坡改梯整治项目区内，为暖温带大陆性季风气候，年平均气温为12.2 ℃，年平均日照时数2 578.9 h，全年≥0 ℃积温为4 747.2 ℃，年太阳辐射量为127.8 kcal/cm2，无霜期195 d，年均降水量539.2 mm。研究区土壤为潮褐土，土壤质地为壤质土（表1）。采用时空互代法，选取坡改梯工程实施后分别利用为耕地和园地2年、8年和20年的土壤作为样地，以坡改梯前（Before terracing，BT）土壤作为对照样地。坡改梯前土壤为荒草地，耕地均为多年连续种植单季夏玉米，园地作物为果树，耕作措施采用传统耕作方式，耕地和园地均施有机肥0.13 t/hm2。

表1 研究区样地基本情况Table 1 Basic situation of the sample plots in the study area

采样地Sampling place高度/cm Height 20年夏玉米自然降水 206 南中坡 70*30 180～240植被Vegetation灌溉措施Irrigation measures海拔/m Altitude坡向Slope aspect坡位Slope position间距/cm Distance园地2年苹果树自然降水 252 南中坡 200*300 300～500 8年柿子树自然降水 220 东南中坡 250*350 400～500 20年桃树自然降水 213 南中坡 340*380 300～400

1.2 样品采集与分析

于2018年5月采集土壤样品，每块样地设置3个采样点作为重复，各采样点通过S型多点混合采样法收集土壤样品。以坡改梯前的土壤作对照，利用挖剖面取样，在耕地各采样点分层取0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm的土样，在坡改梯前和园地各采样点分层取0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm的土样，各层次土样分层充分混合后用四分法取500 g土壤样品，除去砾石、根系，将采集的鲜土样于4℃ 保存，并于一周内进行土壤可溶性有机碳DOC和微生物量碳MBC的测定，另一部分土样风干保存以待土壤有机碳TOC、土壤易氧化有机碳ROC等的测定。

土壤有机碳含量采用重铬酸钾外加热法测定；土壤容重通过环刀法测定；土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸—K2SO4浸提法测定［11］；易氧化有机碳通过Blair等提出的KMnO4氧化比色法测定［12］；可溶性有机碳采用浸提法通过总有机碳分析仪（LiquiTOCII）测定［13］；土壤碳库管理指数（CMI），参照 Blair 等［12］提出的方法计算得出，以坡改梯前土壤为参考土壤：

碳库活度（L）=活性有机碳含量（LOC）/非活性有机碳含量（NLOC）

碳库活度指数（LI）=碳库活度（L）/参考土壤碳库活度（L参）

碳库指数（CPI）=土壤有机碳（TOC）/参考土壤有机碳（TOC参）

土壤碳库管理指数（CMI）=碳库指数（CPI）×碳库活度指数（LI）×100

土壤有机碳储量采用分层法计算［14］，具体公式为：

式中：SOCs为特定深度的土壤有机碳储量(t/hm2)；Ci为第i层土的有机碳含量(g/kg)；ρi为第i层土壤容重(g/cm3)；Ti为第i层土壤厚度(cm)；θi为第i层＞2 mm砾石含量(体积%)；n为参与计算的土壤层次总数。研究区中＞2 mm砾石含量极少，忽略不计。

此外，土壤碳排放量CO2-C来自土壤碳通量自动测量系统（LI-8100）于2017年6月至2018年5月的逐月监测数据。以测定的土壤碳排放量日平均值求得该月平均土壤碳排放量，通过下式累计得出年碳排放量。

式中：Ri表示实测土壤呼吸速率（μ/m2·s）；f(R)代表年土壤碳排放量(g/m2·a)。

1.3 数据处理

采用SPSS19.0软件进行数据统计处理，方差分析运用ANOVA，在Excel2010软件中完成数据整理及制图。

2 结果与分析

2.1 坡改梯后不同年限土壤有机碳及其组分演变特征

坡改梯后不同年限的表层（0～10 cm）土壤有机碳及其组分变化特征如图1所示。表层土壤TOC、DOC、ROC、MBC、qSMBC、CO2-C于坡改梯后2年均为研究各年限最低值，不区分园地、耕地情况下，较坡改梯前分别降低35.2%、20.0%、35.1%、61.3%、41.2%和28.9%。坡改梯后8年表层土壤TOC、DOC、ROC、MBC和CO2-C均达到坡改梯前水平甚至略高，园地与耕地平均值为11.6 g/kg、259.7 mg/kg、2.8 g/kg、340.2 mg/kg、891.5 g/m2·年。坡改梯后20年各指标呈现下降趋势，其中TOC和MBC分别显著下降17.9%和10.3%。

针对不同土层深度土壤TOC、ROC和DOC研究如图2所示，其在坡改梯后不同时期均随土层深度加深而降低。不同土层深度（10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm）与表层（0～10 cm）土壤在各年限土壤TOC、ROC和DOC变化趋势基本保持一致。仅在40～60 cm园地土壤出现与表层不同结果，其土壤TOC和DOC含量在坡改梯后2年与坡改梯前无显著差异（P＜0.5），于坡改梯后8年上升至该土层含量最大值，随后略有降低。

图1 坡改梯土壤（0～10 cm）有机碳及其组分的演变特征Fig.1 Evolution of soil(0-10 cm) organic carbon and its fractions after transformation from slope to terrace

2.2 坡改梯后不同利用方式下各土层土壤有机碳及其组分的演变特征

坡改梯后表层（0～10 cm）土壤有机碳及各组分含量整体表现为园地高于耕地（图1），TOC、DOC、ROC、MBC、qSMBC、CO2-C在园地和耕地的平均值分别为9.6和8.3 g/kg、249.2和223.0 mg/kg、2.4和 2.0 g/kg、257.9和 217.0 mg/kg、2.6和2.6 %、758.5和722.3 g/m2·年。坡改梯后利用为园地比耕地表层土壤DOC和MBC含量分别显著提高12.9%（2年）～23.3%（8年）和17.6%（8年）～20.9%（20年）。

坡改梯后利用为园地和耕地土壤在0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土层深度土壤TOC、ROC和DOC含量均表现为随土层深度加深而降低的变化趋势（图2）。坡改梯后上层（0～20 cm）比下层（20～40 cm）土壤TOC、DOC和ROC增长量在园地中比耕地分别高出17.7%、33.3%和25.5%。

图2 不同土层深度坡改梯土壤有机碳及其组分的演变特征Fig.2 Evolution of soil organic carbon and its fractions in different soil depths after transformation from slope to terrace

2.3 坡改梯对土壤有机碳储量及碳库质量的影响

坡改梯后不同年限SOCs和CPI、LI、CMI总体如表2所示，呈现为8＞BT＞20年＞2年（表2）。

表2 不同年限坡改梯土壤有机碳储量及碳库质量的变化Table 2 Changes of soil organic carbon stocks and quality of soil carbon pool in different ages after transformation from slope to terrace

续表：

坡改梯后2年为研究各年限的最低值，分别比BT显著降低了24.0%和46.3%、29.8%、30.0%。坡改梯后8年略高于坡改梯前水平；坡改梯后20年与8年相比分别下降16.5%、8.7%、23.9%和23.9%。仅L在坡改梯后不同年限均未表现出显著差异。

坡改梯后，SOCs和L在利用为耕地和园地两种方式下并未表现出显著差异（P＜0.05），而利用为园地的CMI、CPI和LI则均显著高于利用为耕地土壤，分别高出31.2%、19.3%、12.3%。

3 讨论

3.1 坡改梯后不同年限对土壤有机碳及各组分、土壤碳库质量的影响

在本研究中，坡改梯后不同年限的土壤有机碳及各组分含量、SOCs、CPI、LI和CMI均于坡改梯后2年下降至最低值（表2）。坡改梯工程中表土剥离、大型机械的压实等人为造成对土壤剧烈扰动，地表原生植被破坏，加之水土流失可能是造成土壤碳储量和碳库质量迅速降低的重要原因，这与王百群等［15］、吴乐知和蔡祖聪［16］指出土地整治中的开发平整会造成土壤有机碳及各组分下降的结果相一致。而坡改梯后8年土壤有机碳及各组分基本恢复至坡改梯前水平，并且SOCs、CPI、LI和CMI在园地达到略高于坡改梯前水平，其原因应是经过耕作管理，增施有机肥等措施，植被及根系的大量生长，尤其在园地地表覆盖大量枯枝落叶，碳源更充足，通过新输入植物残体分解补充土壤碳库，促使TOC及各组分得以有效积累，增加了土壤碳库储量和质量，从而达到甚至超过坡改梯前的水平［17-18］。坡改梯后TOC、ROC、MBC和CO2-C，以及CPI、LI、CMI和SOCs在长期耕作（20年）均逐渐下降，甚至低于坡改梯后8年水平；主要原因则是由于坡改梯后经过长期耕作的损耗［19］，且项目区位于低山丘陵区，当地村民常把玉米秸秆作为牛羊等动物饲料，耕地秸秆不还田或还田力度不够，园地多为经济果园，果实大量摘取，以及砍杂、修枝、清理树下植物和地表枯死木等管理方式的影响，会造成地上生物量减少从而引起土壤有机碳组分和碳库质量的下降。甘卓亭等［20］研究同样发现，尽管5～15年果园早期的TOC及各组分有所增加，但15～20年土壤碳组分含量逐渐减小与本文结果相似，而年限之间的差异可能与气候、地域环境的不同有关。

坡改梯后不同土层深度TOC、ROC和DOC，均呈现随土层加深而显著降低趋势，由于表层覆盖有大量的植被和枯枝落叶使土壤有机碳及其组分在表层得到积累，通过分解转化向下层土体运移，但向下转移时含量逐渐减少［8］。

3.2 坡改梯后不同利用方式对土壤有机碳及各组分和碳库质量的影响

坡改梯后植被物种的组成，土地利用类型以及管理措施等都会影响到土壤有机碳的质量、数量和周转，对土壤碳库产生影响［21-22］。本研究表明坡改梯后表层（0～10 cm）土壤有机碳组分整体呈现园地高于耕地，且坡改梯后2年的DOC、坡改梯后20年的TOC和MBC，以及CMI、CPI、LI均表现为园地较耕地其分别显著高出31.2%、19.3%、12.3%，是由于园地为多年生植物，根系分布比耕地的农作物更深，地表植被及枯枝落物较多，土壤碳源更加丰富，增加了土壤有机碳来源和输入量，产生的养分及作物死亡后形成腐殖质产生更大的“碳汇”作用，提高了土壤碳库储量和质量，李鉴霖等［23］研究园地较耕地更好的改善了土壤有机碳状况和土壤碳库质量的结果一致。研究中表土DOC、MBC较ROC对不同利用方式的响应更加敏感，可作为土地利用变化后 TOC 变化的敏感指标。这可能与不同利用方式和管理措施等的综合影响有关，ROC对土地利用变化响应不敏感，可能与ROC中含有较大比例的土壤缓性、钝性有机碳组分有关；这与盛浩等［24］、邬建红等［25］的研究指出POC和ROC对土地利用变化响应的敏感度均不高的结果相似。

坡改梯后上层（0～20 cm）与下层（20～40 cm）土壤TOC、DOC和ROC含量相比，园地较耕地分别高出17.7%、33.3%和25.5%，上层土壤受土地利用方式的响应更加敏感。因为研究区域采用传统耕作方式，耕地翻耕后对不同土层TOC、DOC、ROC含量的影响更大，而果园深层土壤翻动较少使有机碳及其组分得到物理保护，且园地表层的有机碳组分更多的积累，而深层受干扰程度较弱；李奇超和李新举［9］、张帅等［26］的研究也发现在0～20 cm土层有机质组分含量较丰富，深层受干扰较弱。