楊新國, 曲文杰, 宋乃平, 陳 林, 劉秉儒

(西北土地退化與生態(tài)恢復國家重點實驗室培育基地, 銀川 750021)

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揚黃灌區(qū)開墾時間對土壤剖面有機碳含量和組分變化的影響

楊新國, 曲文杰, 宋乃平, 陳 林, 劉秉儒

(西北土地退化與生態(tài)恢復國家重點實驗室培育基地, 銀川 750021)

基于開墾時間長短和跨度大小，研究了近40 a來寧夏中部揚黃灌區(qū)土壤有機碳含量、組分及其化學穩(wěn)定性的變化規(guī)律。結果表明：代尺度上(15～35 a，10 a為最小單位)，隨開發(fā)年限的延長，依次以0—40 cm土壤活性有機碳垂直分布格局(15 a)、10—20 cm土壤活性有機碳含量(25 a)、10—40 cm土壤總有機碳含量(35 a)的顯著變化為標志，灌區(qū)土壤有機碳表現(xiàn)出一種漸進式演變格局。在此過程中，表層0—10 cm土壤有機碳含量與組成、0—40 cm分層土壤有機碳化學穩(wěn)定性維持不變。年尺度上(0～12 a，3 a為最小單位)，耕作層土壤總有機碳、活性有機碳含量在0～12 a間表現(xiàn)出先增加后下降的波動變化格局，而有機碳化學穩(wěn)定性除第3年大幅下降外，基本保持穩(wěn)定。就揚黃灌區(qū)土壤有機碳的變化格局而言，其相對快速而不穩(wěn)定的變化主要體現(xiàn)在較小的年尺度上；代尺度上土壤總有機碳和活性有機碳含量則以一種相對平緩、漸進的方式不斷推進其演變進程，直到35 a左右才開始出現(xiàn)顯著增長。而有機碳化學穩(wěn)定性則表現(xiàn)出與時間尺度無關的不變性。

土壤有機碳; 活性有機碳; 有機碳化學穩(wěn)定性; 揚黃灌區(qū); 時間尺度

土地利用變化能夠影響土壤水分和養(yǎng)分的分布和遷移,進而影響土壤的性質和質量。揚黃灌區(qū)建設是近40 a來寧夏中部干旱帶土地利用類型發(fā)生變化的典型代表。在此過程中，土壤有機碳如何演變是決定灌區(qū)農田土壤質量的關鍵因素[1]。干旱區(qū)土壤有機碳含量較低，分解活動較弱，因此初級生產力越高，植物殘體對土壤的歸還越強，土壤就能夠固定更多的有機碳[2]，這在中國西北干旱灌區(qū)得到普遍驗證[3-5]，并與旱地農田開墾的有機碳衰減效應[6-7]形成鮮明對比。但是限于灌區(qū)開發(fā)年限尚短，缺乏長期定位監(jiān)測數據，以及土壤有機碳自身變化周期屬性的約束[8]，對于土壤有機碳變化的具體過程及其時間尺度上的臨界特性等，依然不甚明了。

活性有機碳是土壤中不穩(wěn)定，易氧化、分解、礦化的，對植物和微生物有較高活性的部分土壤碳素[9]。土壤活性有機質的大小和周轉對地表覆蓋、土地利用方式和管理措施及外界環(huán)境的變化等因素較為敏感，可以作為土壤潛在生產力以及由土壤管理措施引起土壤有機質變化的早期指標；土壤水溶性有機碳占總有機碳的百分比一般被作為表征土壤生物活性有機碳庫周轉的指標。因此，活性有機碳與土壤總有機碳的相對變化關系，是決定灌區(qū)農田土壤有機碳穩(wěn)定性的一個重要指標[10]；兩者在不同時間尺度上的對應變化格局，也是深入認識土壤有機碳庫平衡過程的必要環(huán)節(jié)。但是相對土壤總有機碳，相關地區(qū)活性有機碳研究依然較少。

土壤變化是土壤性質在時間上的動態(tài)，可分為隨機性、周期性、趨勢性三種類型，不同的土壤性質其變化的時間尺度不同；土壤質量動態(tài)具有復雜的時空變異性，許多自然和人為的生態(tài)過程都會顯著影響土壤質量的演變。寧夏中部干旱帶在近40 a的時間內，陸續(xù)開發(fā)建設了固海、鹽環(huán)定、紅寺堡三大揚黃灌區(qū)，開發(fā)利用年限跨越10～40 a，為本研究提供了較為理想的研究模板，有助于克服以往研究時間跨度過小，樣本量偏少與可比較性不足等問題。據此，本研究以寧夏中部不同開發(fā)年限的揚黃灌區(qū)為對象，開展有關灌溉農田土壤有機碳變化規(guī)律方面的研究，以進一步認識旱區(qū)灌溉活動影響下農田土壤質量演變規(guī)律及其對時間尺度的依賴性，為揚黃灌區(qū)農田土壤質量維護提供依據。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)域與樣地布設

按開發(fā)時間早晚，分別選取寧夏中部干旱帶的紅寺堡灌區(qū)(1998年—)、鹽環(huán)定灌區(qū)(1988年—)、固海灌區(qū)(1978年—)，在每個灌區(qū)內選擇早期開發(fā)建設的3～5個自然村落，通過農戶訪談明確有關土地利用歷史與管理水平，在此基礎上，在每個村落內選擇墾殖年限與灌區(qū)開發(fā)年限相近、空間上鄰近、管理水平近似的灌溉玉米地(TC)3～5塊作為重復取樣樣地，構成代尺度(15～35 a，10 a為最小單位)上的樣地序列；并在每個自然村落臨近選擇一塊天然草地(CK)做未利用地對照。另外，在紅寺堡灌區(qū)光彩新村(開發(fā)前沙化較為嚴重，農田系推平沙丘后整地而來)按空間鄰近、管理相似的原則，選擇種植年限3，6，9，12 a的灌溉玉米地，每個年限選擇3～5個地塊作為重復取樣樣地，構成年尺度(0～12 a，3 a為最小單位)上的樣地序列，并臨近選擇一塊沙荒地做對照(0 a)。灌溉普遍采用小畦漫灌方式，1 a灌4水，灌溉定額900 m3/hm2，第1水3月中旬，第2水4月中旬，第3水6月中下旬，第4水8月中旬。土壤以沙化灰鈣土為主，表層0—20 cm砂粒含量偏高(砂粒平均含量80%)，下部為典型灰鈣土土質(砂粒平均含量65%)。另外，灌區(qū)養(yǎng)殖業(yè)一般不發(fā)達，農田有機肥投入量較低，主要以速效氮磷化肥施用為主。

1.2田間取樣與分析測試

取樣時間統(tǒng)一在2012年6月中旬。在每個取樣樣地內(面積300～500 m2)，按S型5點取樣法，分0—10，10—20，20—40 cm，土鉆取樣，分層混合。風干土壤樣過2 mm篩，分析測試土壤總有機碳(SOC)、易氧化有機碳(LOC)。土壤總有機碳采用提前加濃H2SO4的重鉻酸鉀容量法測定；易氧化有機碳采用333.3 mmol/L高錳酸鉀氧化法，作為活性有機碳的表征。

1.3數據處理與分析

土壤有機碳化學穩(wěn)定性(SC)用總有機碳與活性有機碳含量的比值大小表示，計算公式如下：

SC=SOC /LOC

式中：SOC——總有機碳含量；LOC——易氧化有機碳含量。

灌區(qū)間的直接比較，由于空間跨度較大，往往難以克服一些非控制性因素的干擾，為進一步提高數據的可比較性以及分析結果的可靠性，同一灌區(qū)不同利用方式下相同土層間土壤總有機碳、活性有機碳與有機碳化學穩(wěn)定性的差異顯著性(p=0.05)采用獨立樣本t檢驗方法，分析灌溉農田土壤質量的相對變化，在此基礎上再綜合分析不同灌區(qū)間的變化趨勢。其他差異顯著性(p=0.05)采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和LSD多重比較方法。所有數據分析在SPSS 17.0上完成。

2　結果與分析

2.1代尺度上農田土壤有機碳含量、組成與化學穩(wěn)定性的變化

隨開發(fā)年限的延長，寧夏中部揚黃灌區(qū)農田耕作層(0—40 cm)土壤總有機碳和活性有機碳含量表現(xiàn)為一種相對平緩的上升趨勢，但是土壤有機碳化學穩(wěn)定性基本保持不變(表1)。15～35 a間，總有機碳和活性有機碳含量分別增加了37.2%(p<0.05)、43.2%(p<0.05)，但是15～25 a，25～35 a間并未表現(xiàn)出顯著性的增長(p>0.05)。因此，即便經歷了近40 a的開發(fā)建設，灌區(qū)農田土壤總有機碳和活性有機碳含量整體依然偏低(SOC:2.85～6.85 g/kg；LOC:0.60～1.38 g/kg)。土壤有機碳化學穩(wěn)定性在25 a前后出現(xiàn)谷值(3.90)，但是相對變化并不顯著(p>0.05)，說明土壤總有機碳和活性有機碳的變化具有較好的同步性，但在25 a前后活性有機碳的增加更為明顯。

表1　農田土壤有機碳隨灌區(qū)開發(fā)年限的變化

注：小寫字母不同，代表不同年限間差異顯著(p<0.05)。

2.2不同開發(fā)年限灌區(qū)土壤有機碳含量、組成與化學穩(wěn)定性的相對變化

如表2—4所示，首先，紅寺堡灌區(qū)(15 a)整體無顯著差異(p>0.05)，三個灌區(qū)0—10 cm土層所有有機碳指標無顯著差異(p>0.05)，三個灌區(qū)所有土層的有機碳化學穩(wěn)定性無顯著差異(p>0.05)。其次，最早的顯著性變化出現(xiàn)在鹽環(huán)定灌區(qū)(25 a)10—20 cm土壤活性有機碳含量上(p=0.000)，農田為1.14 g/kg，對照為0.69 g/kg，相對增幅達65.2%。最后，相對集中的顯著性變化發(fā)生在固海灌區(qū)(35 a)，10—20 cm和20—40 cm土壤活性有機碳和總有機碳含量都出現(xiàn)顯著(p<0.05)或極顯著(p<0.01)的增長。三大灌區(qū)中，活性有機碳含量均值最高達1.43 g/kg，總有機碳含量均值最高達7.22 g/kg，都出現(xiàn)在固海灌區(qū)農田10—20 cm土層。

表2　紅寺堡灌區(qū)(1998-2012年)土壤有機碳的相對變化

注：p值為同一土層同一指標不同處理間差異顯著性檢驗值。小寫字母不同代表同一利用方式下某一指標不同土層間差異顯著(p<0.05)，下同。

相對含量大小的變化，土壤有機碳垂直分布格局對開發(fā)年限更為敏感(表2—4)。自然土壤墾殖后0—40 cm的總有機碳和活性有機碳由表聚型向均一型轉變，但活性有機碳的變化(15 a)要早于總有機碳(25 a)。與此同時，有機碳化學穩(wěn)定性基本維持均一性垂直分布格局不變。

表3　鹽環(huán)定灌區(qū)(1988-2012年)土壤有機碳的相對變化

總體上，在15～35 a間，以10 a為單位的時間尺度上，依次以0—40 cm活性有機碳垂直分布格局(15 a)、10—20 cm活性有機碳含量(25 a)、10—40 cm總有機碳含量(35 a)的顯著變化為標志，寧夏中部揚黃灌區(qū)農田土壤有機碳呈現(xiàn)出一種漸進式演變格局。在此過程中，表層0—10 cm土壤總有機碳和活性有機碳含量、0—40 cm分層土壤有機碳化學穩(wěn)定性維持不變。這種格局基本符合土壤有機碳變化的時間尺度約束特性[8]，也符合農田生態(tài)系統(tǒng)的長期碳平衡特性[11]，反映了代尺度上土壤有機碳變化的基本特性。

開發(fā)25 a前后，無論固海灌區(qū)[5]還是鹽環(huán)定灌區(qū)土壤總有機碳含量的變化相對平緩，但是鹽環(huán)定灌區(qū)10—20 cm土壤活性有機碳的含量開始出現(xiàn)顯著的增長。說明在較長時間尺度上，土壤有機碳總量發(fā)生顯著變化之前，主要是以活性有機碳相對快速的周轉利用為途徑，維持灌區(qū)農田土壤有機碳庫的平衡與可利用性[12]。但是灌區(qū)農田土壤可能由于過于頻繁的耕作擾動[1]，相對相鄰的封育草地，有機碳的固定進程被大大拉長，直到35 a左右，10—40 cm總有機碳含量才開始顯著增加，而表層0—10 cm有機碳含量依然保持穩(wěn)定。在此過程中，土壤有機碳的穩(wěn)定性保持不變，說明土壤總有機碳和活性有機碳的變化具有較好的同步性。

表4　固海灌區(qū)1978-2012年土壤有機碳相對變化

2.3農田土壤有機碳含量、組分與化學穩(wěn)定性在年尺度上的變化

年尺度上土壤有機碳表現(xiàn)出一定的波動性變化特征(表5)。以沙荒地為對照，0～3 a間土壤總有機碳含量略有增加(增幅1.4%)，但不顯著(p>0.05)，3～9 a間由1.48 g/kg(3 a)，經2.84 g/kg(6 a)，增至4.49 g/kg(9 a)，累積增幅高達203.4%，之后9～12 a間有所下降，降幅11.4%，但不顯著(p>0.05)?；钚杂袡C碳的變化略有區(qū)別，0～3 a間顯著增加(p<0.05)，3～6 a間穩(wěn)定在0.54～0.52 g/kg之間，6～9 a間快速增加至1.00 g/kg，9～12 a間又顯著下降到0.86 g/kg；而有機碳化學穩(wěn)定性在0～12 a間基本保持穩(wěn)定，只是在3 a出現(xiàn)一個顯著性的谷值(2.78，p<0.05)。

表5　不同利用年限農田耕作層0-40 cm土壤有機碳變化

年尺度上土壤有機碳的波動性變化也出現(xiàn)在西北其他灌區(qū)中。新疆荒漠區(qū)綠洲新墾殖農田土壤有機碳含量在0～5 a內幾乎呈線性快速增加，但是5 a以后總有機碳含量增長放緩(5～20 a)，在20 a的周期內活性有機碳則經歷了快速上升和緩慢下降的變化過程[5]。在寧夏揚黃灌區(qū)的有關研究中[9-10]也發(fā)現(xiàn)了早期土壤有機碳的明顯增長趨勢。本研究選取的光彩新村，開發(fā)前土壤沙化退化較為嚴重，有機碳含量很低，在有機肥料難以長期持續(xù)大量投入的前提下，在以5 a為單元的時間尺度上也存在一個相近似的快速增長至保持穩(wěn)定或緩慢下降的變化格局，但是在連續(xù)增長的時間跨度上要明顯長于荒漠區(qū)綠洲，而且總有機碳和活性有機碳的變化格局也有所區(qū)別。

3　結 論

就干旱地區(qū)灌溉農田土壤有機碳的多尺度變化格局而言，其相對快速而不穩(wěn)定的變化主要體現(xiàn)在較小的時間尺度上，墾殖5 a前后總有機碳和活性有機碳含量普遍出現(xiàn)大幅提高；5～10 a，視區(qū)域的不同，或維持相對穩(wěn)定，或持續(xù)增長，或緩慢下降，并無一般性規(guī)律存在。如果研究尺度進一步拉大，寧夏中部揚黃灌區(qū)農田土壤總有機碳和活性有機碳含量直到35 a左右才開始出現(xiàn)顯著增長，在此過程中，則以一種相對平緩、漸進的方式不斷推進其演變進程。而有機碳化學穩(wěn)定性則表現(xiàn)出與時間尺度無關的不變性。但是限于研究方法的約束，有關的演變格局和驅動機制分析，依然有待長期定位監(jiān)測數據資料的充實。

[1]張國盛,黃高寶,ChanYIN.農田土壤有機碳固定潛力研究進展[J].生態(tài)學報,2005,25(2):351-357.

[2]沈宏,曹志洪,胡正義.土壤活性有機碳的表征及其生態(tài)效應[J].生態(tài)學雜志,1999,18(3):32-38.

[3]徐萬里,唐光木,盛建東,等.墾殖對新疆綠洲農田土壤有機碳組分及團聚體穩(wěn)定性的影響[J].生態(tài)學報,2010,30(7):1773-1779.

[4]陳留美.新墾淡灰鈣土土壤肥力質量演變及磷素形態(tài)轉化的研究[D].陜西楊凌:西北農林科技大學,2006.

[5]虞江萍,文云朝,汪一鳴,等.寧夏揚黃灌溉對土壤環(huán)境的影響[J].地理科學進展,2000,19(3):279-284.

[6]李順江,胡霞,劉連友.開墾對退化沙質草地土壤機械組成及有機碳分布的影響[J].水土保持研究,2011,18(4):150-152.

[7]劉夢云,安韶山,常慶瑞.寧南山區(qū)不同土地利用方式土壤有機碳特征研究[J].水土保持研究,2005,12(3):47-49.

[8]張鳳榮,安萍莉,王軍艷,等.耕地分等中的土壤質量指標體系與分等方法[J].資源科學,2002,24(2):71-75.

[9]Bastida F, Barberá G G, García C, et al. Influence of orientation, vegetation and season on soil microbial and biochemical characteristics under semiarid conditions[J]. Applied Soil Ecology, 2008,38(1):62-70.

[10]Laganiere J, Angers D A, Pare D. Carbon accumulation in agricultural soils after afforestation: A meta-analysis[J]. Global Change Biology, 2010,16(1):439-453.

[11]Campbell C A, Zentner R P, Liang B C, et al. Organic C accumulation in soil over 30 years in semiarid southwestern Saskatchewan-Effect of crop rotations and fertilizers[J]. Canadian Journal of Soil Science, 2000,80(1):179-192.

[12]王勝佳,陳義.多熟制稻田土壤有機質平衡的定位研究[J].土壤學報,2002,39(1):9-15.

Soil Organic Carbon and Its Component Dynamics Following the Development Years of the Pumping-Yellow River Irrigation Area in Ningxia

YANG Xinguo, QU Wenjie, SONG Naiping, CHEN Lin, LIU Bingru

(State key Laboratory Breeding Base of Land Degradation and Ecological Restoration in Northwestern China, Yinchuan 750021, China)

We investigated the dynamics on two time scales of soil organic carbon content, components and chemical stability in middle Ningxia Yellow River irrigation area over the past 40 years. The results showed that soil organic carbon in this area showed a progressive evolution with the years of development on the decade scale(15～35 years，10 years as an interval), marked by a significant change of the distribution of soil labile organic carbon in 0—40 cm layer(15 years), soil labile organic carbon content in 10—20 cm layer (25 years), and soil organic carbon content in 10—40 cm layer(35 years). During this process, surface soil organic carbon content and composition in 0—10 cm layer, chemical stability of soil organic carbon in 0—40 cm layer remained unchanged. On the year scale (0～12 years, 3 years as an invertal), total organic carbon and soil labile organic carbon contents of the plow layer (0—40 cm) increased firstly and then decreased. While the chemical stability of organic carbon kept stable in addition to the first three years of sharp decline. For the changes at the multi-scale of soil organic carbon in middle Ningxia Yellow River irrigation area, the quick and unstable changes occurred on the smaller time scale. But on the larger time scales, the contents of total soil organic carbon and labile soil organic carbon kept the gentle and gradual change, and increased significantly at last until 35 years. while organic carbon stability exhibited the stability across all the scales.

soil organic carbon; labile organic carbon; chemical stability of soil organic carbon; pumping-Yellow River irrigation area; time scales

2014-08-17

2014-08-25

國家青年科學基金“荒漠草原綠洲化過程中不同時間尺度土壤質量演變規(guī)律及發(fā)生機制”(41101301)

楊新國(1976—),男,山東肥城人,博士,副研究員,研究方向為農業(yè)生態(tài)與生態(tài)恢復工程。E-mail：xinguoyang1976@163.com

S152.3

A

1005-3409(2015)04-0127-05