淮河流域王蚌区间土壤有机碳分布特征研究

陆寒松,高良敏

(安徽理工大学地球与环境学院,安徽 淮南 232001)

陆地生态系统碳库中,最大贮库是土壤碳库。研究提升土壤碳汇能力,对于我国在2060年之前实现碳中和目标具有十分重要的意义[1]。土壤碳汇是土壤截获大气CO2成为土壤固相碳组分的过程,是土壤对CO2固定效应的总体表现。对于土壤碳汇能力的研究,能够为中国实现双碳目标提供基础[2]。

土壤有机碳(Soil Organic Carbon,SOC)是大气CO2的潜在来源[3],在土壤碳库中占据重要地位,在全球碳循环以及全球气候变化中,发挥着难以忽视的作用[4]。文献[5]成功将碳同位素在追踪土壤有机碳来源和去向方面进行应用;文献[6]根据明显不同的有机碳同位素组成,可以很好区分碳来源和碳动态。自古以来,淮河流域农业生产活动密集,是中国重要的粮食生产地[7]。淮河流域王蚌区间中段土壤类型丰富,百姓日常生活会对生态系统碳循环产生影响[8],土地农业耕作对流域内土壤扰动作用也很大[9]。稳定碳同位素技术是研究土壤碳循环最为科学有效的方法之一[10],已在农田SOC周转[11-12]、土壤呼吸及其来源区分[12-13]等方面得到广泛应用。因此,本研究以淮河流域王蚌区间中段流域土壤和沉积物[14]为研究对象,研究有机碳的分布与来源情况,对于建立适合中国国情的固碳途径、农业的可持续发展都具有重要意义[15]。

1 材料与方法

1.1 实验土壤

本文研究区域王蚌区间位于淮河中游区,西及阜南县、东至嘉善县、北至固镇县、南抵大别山脉,跨越南北气候分界线。该区域是我国重要的农业生产基地,也是人口高密度分布的流域之一[16]。研究区土壤采样分布如图1所示,在10个采样点依据不同土壤深度采集土样共计77 个,采集的土壤类型为:农田(a)、草地(b)、林地(c)、河漫滩(d)。

图1 研究区土壤采样点分布图

农田土壤为研究区主要土壤类型。为纵向探究研究区土壤特征,对农田土壤进行有机碳含量垂直差异比较。选取具有代表性的点位(G1、G2、G3)进行分层采样。G1、G2、G3分别位于距离窑沟边50m、100m、150m的农田处。窑沟是研究区淮河主干道边的一条大沟渠。

1.2 研究方法

采用5点法进行布点采样,采样前应先将剖面整修、清理,削去最表层的浮土,然后用柱状土壤采集器按层次自上而下取样,表层土壤(0～10cm)采样33个,纵向探究(0～40cm)采样24个,每个点取2个平行样。土壤样品采集回工作室之后,立即测定各样点鲜土的理化指标(pH、总氮、有机碳、含水率)。剩余样土自然风干备用。其中有机碳根据土壤有机质换算而来。

采样过程完成后,取风干土壤进行研磨并过200目筛网后干燥保存,取研磨过后的样品约5g,放入浓度为6mol/L的盐酸20mL浸泡48h后,样品中的无机碳基本去除,将酸化后的样品进行反复冲洗直至达到pH为7,再将样品在50 ℃下烘干至恒重,置于干燥器中密封保存,后续至南京大学分析测试中心稳定同位素实验室,使用同位素质谱仪测定稳定碳同位素。分析原理:采用高分辨模式(HR),关闭aperture选项,调至分辨能(MRP)>29000,接收杯配置为L1,来接收信号,该仪器精度为0.01%,通过碳稳定同位素值(δ13C)[17]与PDB(Pee-Dee-Belennite)进行对比得出数据,用标准δ表示。

本研究使用了同位素源解析模型(SIAR)对研究区沉积物贡献率大小进行定量计算[18],该模型是由贝叶斯方程的同位素源解析模型发展而来。将从土壤样本中测量到的同位素值输入到模型中,利用贝叶斯方程计算各污染源的贡献率和后验分布特征[19]。定义有N个测量值、J种同位素、K种污染源。模型的数学原理表达式如下:

(1)

(2)

(3)

(4)

式中,Xij为混合物i同位素j的δ值;Pk为所要计算的源k的比例;Sjk为来源k同位素j的δ值,服从均值为μ方差为∞的正态分布;cjk为来源k同位素j的分馏系数,服从均值为λ方差为τ的正态分布;εij为混合样i中同位素j比值的残余误差,表示其他各个混合物间无法量化的方差[20]。

2 结果

2.1 不同土地类型土壤碳同位素值的贡献

不同土地利用下,土壤碳同位素受到土壤中其他因素的影响程度不同,碳同位素值的变化特征也会不同(见图2)。

图2 土壤碳同位素值变化特征

农田土壤的碳同位素组成最大值为-2.535%,最小值为-2.874%,计算得到平均值为-2.701%,从图2可以看出,碳同位素值较低的点位含水率和pH值偏高,SOC相对偏低。

如图2所示,林地土壤的碳同位素最大值和最小值均高于农田土壤和草地土壤。经过计算,林地土壤的碳同位素组成平均值为-2.627%,高于农田土壤(-2.701%)和草地土壤(-2.652%)。

河漫滩点位为研究区内典型河漫滩样点区域内的土壤,河漫滩土壤土质较为松散,含水率高。由图2可知,河漫滩土壤的碳同位素值明显偏小,经计算,河漫滩土壤中δ13C平均值较农田土壤低出约0.1%以上。

2.2 不同土壤深度土壤碳同位素的贡献

为探究研究区土壤有碳同位素值δ13C的垂直差异。选取点位(G1、G2、G3)进行分层采样,样品经测定得到碳同位素值δ13C进行比较分析。由图3可以看出,G1号点位除了30～35cm的土层深度的土壤同位素值较小,其余土层碳同位素值随着土壤深度的增加而增大的趋势较为明显。G2号点位土壤碳同位素值随着土壤深度的增加而增大的趋势较明显。G3号点位主要在0～20cm和20～40cm两部分土壤碳同位素值具有较明显的差异。

图3 G1、G2、G3点位土壤碳同位素变化特征比较

2.3 不同土地类型对沉积物土壤有机碳的贡献

研究区已采集的土壤根据土壤类型划分为4大区域,分别为农田(a)、草地(b)、林地(c)、河漫滩(d),以上4 个区域为沉积物有机碳的主要来源,利用SIAR混合模型定量计算4个区域内(SA、SB、SC、SD)沉积物的贡献率大小。SA位于淠河边的淠东干渠处,该沟渠北面为林地,南面为农田,种植有水稻;SB位于淮河边截涝渠处,该沟渠周围为林地,地表有大量落叶,靠近马路;SC位于淠河水体处,淠河为淮河的一级支流;SD位于淮河边窑沟处,窑沟为淮河边一主要沟渠,该沟渠南面为林地,靠近公路,北面为大面积的农田,西面为淮河,东连接正南洼抽排水渠。将碳同位素值δ13C数据带入SIAR模型进行计算出的结果如图4所示。

图4 4类污染源分别对沉积物SA、SB、SC、SD的贡献率

如图4所示,由SIAR模型得出沉积物土壤中对有机碳的贡献最大的是农田耕地土壤,SA、SC、SD沉积物中农田土壤对有机碳的贡献率均达到了30%以上;河漫滩土壤,对SA、SB、SC、SD四个点位沉积物土壤有机碳的贡献率分别为34%、27%、30%、28%;草地土壤对有机碳的贡献率相对最小,这说明农田耕地和河漫滩土壤是沉积物碳的主要来源。

2.4 不同土壤深度对沉积物土壤有机碳的贡献

选取研究区中3个具有代表性的点位(G1、G2、G3)进行分层采样,此3个点位均为淮河与窑沟交汇处附近的农田土壤,且距离较近,以该3个点位得到的数据进行计算可以较好反映研究区不同土壤深度下对沉积物土壤有机碳的贡献。计算原理为将该点位土壤对沉积物土壤有机碳的贡献率总量看作100%,然后将土壤分层得到的碳同位素数据再次带入SIAR混合模型计算各个土层产生的贡献率,以此来比较不同土壤所占贡献率的百分比(见图5)。

图5 土壤深度对沉积物有机碳的贡献率

G1号点位(该农田采样时未种植农作物,处于停耕期,地表植被稀少,土质较硬,左边靠近淮河)在30～35cm土层深度的土壤同位素值较小,其余土层的土壤碳同位素值随着土壤深度的增加呈现明显增大的趋势。

G2号点位(该农田采样时未种植农作物,同样处于停耕期,但是不同于G1号点位的土壤,本点位土壤在经过长时期的静置后已将有少量野草生长情况)趋势与G1号点相同。

G3号点位大部分土层的土壤碳同位素值随着土壤深度的增加呈现明显增大的趋势,但是由图5可知,随着土壤深度的增加,土层对于SA、SB、SC、SD 4处的土壤有机碳贡献率整体上均呈现下降的趋势:0～5cm的土壤拥有最高的贡献率;在5～10cm处贡献率明显减小,后又增大,然后逐渐降低;在30～35cm处再一次出现增大的情况。

3 讨论

3.1 不同土地类型土壤同位素变化特征

有机δ13C能够区分C4和C3植物。有机δ13C值越高,表明C4植物丰度可能越高。农田土壤点位在采样期间处于停耕期,土壤被狗尾草、荠菜等适应能力较强的C4植物覆盖,符合前文所述特征。

草地土壤结合最大值与最小值的比较,表明草地点位的碳同位素值普遍大于农田土壤。原因是草地土壤植物生长茂盛,根系固碳能力强,相应地土壤有机碳含量升高。

林地土壤不仅有植物,还有大量的落叶和微生物。林地土壤植物生长茂盛,根系固碳能力强,植物组织和有机物质在土壤表面的残留积累,外加微生物的分解作用,使得林地土壤具有最高的有机碳含量。

河漫滩土壤植被稀少,随着雨季的到来常被河流、沟渠水体冲刷,溶解的有机碳容易被带走,土壤质地稀疏。由植物根系进行固碳行为,相应地河漫滩土壤具有最低的有机碳含量。

3.2 不同土壤深度土壤碳同位素变化特征

根据前文所述,G1号点位除30～35cm的土层深度的土壤同位素值较小,其他的均有较为明显的随着深度增加而同位素值增大的趋势,与文献[21]由于微生物分解过程研究一致。

G2号点位土壤在经过长时期的静置后已有少量野草生长情况。由图3可以看出,不同深度土层的土壤碳同位素值随着土壤深度的增加而增大的趋势较明显。

G3号点位长有大量的野草,土壤松软。由图3可以看出,在0～20cm和20～40cm部分,土壤碳同位素值具有较明显的差异。文献[22]表明,免耕或少耕的农田表层土壤(0～10cm)的有机碳含量显著高于传统耕作,该变化趋势相对合理。

3.3 不同土地类型对沉积物土壤有机碳特征影响

SA有机碳来源中,农田和河漫滩所占比例相加高达77%,SB、SC、SD 3个区域沉积物有机碳各个来源贡献比例差距较小。农田土壤在降雨时期由于地表径流和农业耕作时期人类活动,对沟渠有着较大影响。SB、SC、SD 3个区域周围多伴有农田和林地,距离远近不同,对比文献[23]的研究,验证淮河流域王蚌区间沟渠沉积物有机碳多来源于附近农田。

3.4 不同土壤深度对沉积物土壤有机碳特征影响

由图5可知,G1采样点周围植被稀少且翻耕不频繁,土壤结构较为稳定,整体上随着深度增加而减小。

G2采样点0～5cm的土壤拥有最高的贡献率,其余土层变化幅度不大;10～15cm处有小幅度上升,整体有下降的趋势,结合该点位土壤状况,翻耕后的地表土经过长时间的沉淀和雨水的冲刷,对沉积物的影响已经超越其余土层,此结论符合实际情况。贡献率整体与G1相同。

G3采样点在30～35cm处再一次有增大的情况出现。考虑到该点距离沟渠较远,雨水径流对地表土壤有机碳影响较小,翻耕前土壤有机碳的贡献率大于翻耕后的贡献率,结合文献[24]的研究,故深层30～35cm处土壤所发生突然升高的变化是合理的。

4 结论

对研究区不同深度的农田土壤进行分析,研究区分层采样3个点位中,G1号点SOC含量随着土壤深度的增加没有出现明显上升或者下降的趋势;G2号点位SOC含量随着土壤深度变化先是明显地减小,后迅速有增加的趋势,而后迅速减少并随着土壤深度的增加逐渐趋于稳定;G3号点位SOC含量在土壤深度0～10cm处有一定的增加,从10cm左右时开始呈现明显减小的趋势,表面耕作扰动对土壤有机碳含量产生影响。

对不同土地利用类型和不同深度下碳同位素分布进行分析,结果显示,不同土地利用类型对沉积物有机碳贡献率大小,表明农业活动对土壤碳库有较大影响;土壤对沉积物有机碳的贡献率基本上随着土壤深度的增加而减少,表明土壤易随着地表径流流动到附近水体对沉积物产生影响。