雒 瓊,王玉剛,鄧彩云,牛子儒,李 彥
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不同農(nóng)業(yè)土地利用年限干旱區(qū)土壤剖面碳存儲(chǔ)動(dòng)態(tài)變化
雒 瓊1,2,3,王玉剛1,2※,鄧彩云1,2,3,牛子儒1,2,3,李 彥1,2
(1. 中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所,荒漠與綠洲生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830011; 2. 中國(guó)科學(xué)院阜康荒漠生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)站,阜康 831505;3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)
干旱區(qū)農(nóng)業(yè)土地開(kāi)發(fā)利用對(duì)土壤碳庫(kù)的源匯效應(yīng)一直存有爭(zhēng)議,為研究該過(guò)程對(duì)土壤剖面碳存儲(chǔ)作用,該文以新疆三工河流域阜北農(nóng)場(chǎng)不同土地開(kāi)發(fā)利用時(shí)段的農(nóng)田為研究對(duì)象,對(duì)比分析近50 a 0~200 cm土壤剖面有機(jī)碳和無(wú)機(jī)碳分布格局及其變化。結(jié)果表明:土壤碳含量隨利用年限增加而增大,但有機(jī)碳與無(wú)機(jī)碳變化趨勢(shì)相反;長(zhǎng)期的農(nóng)業(yè)土地利用顯著影響0~80 cm土壤碳的分布,其變異性在80~100 cm有明顯的突變現(xiàn)象,即變異系數(shù)均減小40%以上;無(wú)機(jī)碳與有機(jī)碳的比例隨土層深度和利用年限增加,變化率從荒地的0.028到50 a的0.088(<0.01),增幅達(dá)2.14倍;隨土地利用年限,有機(jī)碳和無(wú)機(jī)碳的碳儲(chǔ)效應(yīng)在土層間與時(shí)間尺度上不同,但剖面土壤碳密度為典型的碳匯進(jìn)程。研究可為干旱區(qū)農(nóng)業(yè)土地開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。
土地利用;土壤;有機(jī)碳;無(wú)機(jī)碳;碳聚積;變異性
溫室氣體排放的增加被認(rèn)為是氣候變暖的主要原因,這使得碳循環(huán)研究成為目前重要的研究方向之一[1]。土壤碳庫(kù)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫(kù),同時(shí)也是與人類(lèi)活動(dòng)聯(lián)系最緊密的一個(gè)碳庫(kù),其微小的變化都將對(duì)大氣CO2的濃度有著深刻的影響[2]。因此,增加土壤碳匯已經(jīng)被認(rèn)為是換取工業(yè)CO2減排的有效途徑之一[3-4]。隨著人類(lèi)活動(dòng)對(duì)自然資源利用的逐步加劇,土地開(kāi)發(fā)利用成為了一個(gè)顯著的事實(shí)[5],土地利用方式的改變不僅改變了地表景觀,同時(shí)也改變了物質(zhì)的匯集過(guò)程,通常這種變化通過(guò)改變生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能來(lái)影響碳循環(huán)過(guò)程,同時(shí)也隨著時(shí)間的推移不斷影響著土壤碳分布和碳儲(chǔ)格局[6-7]。
在全球碳循環(huán)研究中,干旱區(qū)農(nóng)業(yè)土地利用對(duì)土壤碳庫(kù)的源匯效應(yīng)一直存有爭(zhēng)議。在農(nóng)業(yè)土地開(kāi)發(fā)利用對(duì)土壤碳儲(chǔ)作用方面的研究,時(shí)間尺度上,由于長(zhǎng)期定點(diǎn)、定位監(jiān)測(cè)通常受制于作物類(lèi)型、種植方式和管理措施等多個(gè)要素,以往的研究多集中在年內(nèi)生長(zhǎng)季節(jié)和年際間較小的尺度[8]或更長(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)期的千年時(shí)間尺度,而對(duì)于近50 a的時(shí)序性研究相對(duì)較少;土壤剖面上,多選擇表層0~20 cm或1 m的剖面深度[9-10],并且探討的是不同土地利用類(lèi)型對(duì)土壤碳儲(chǔ)的影響,缺乏剖面層次間的特征分析。對(duì)于農(nóng)田土壤,尤其是在干旱區(qū),土壤背景具有鹽堿性,為了防止土壤鹽漬化的發(fā)生,以往農(nóng)業(yè)灌溉的潤(rùn)濕深度通常接近或超過(guò)1 m范圍。農(nóng)業(yè)灌溉作用的加強(qiáng)帶動(dòng)了碳向下層的運(yùn)輸,顯然這種作用顯著增強(qiáng)了深層土壤碳儲(chǔ)。因此,以往用1 m土層厚度來(lái)評(píng)估區(qū)域土壤剖面碳儲(chǔ)其結(jié)果具有顯著的低估作用[11-12]。由于土壤具有一定的空間異質(zhì)性,不同土地利用方式會(huì)影響生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量[13],同一土地利用類(lèi)型對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的作用也可能不同[14]。顯然,綜合考慮時(shí)間尺度和土層厚度,將有助于準(zhǔn)確評(píng)估農(nóng)業(yè)土地利用對(duì)土壤碳庫(kù)的影響。
近50 a以來(lái),西北干旱區(qū)以犧牲荒漠植被為代價(jià)所開(kāi)展的大規(guī)模土地開(kāi)發(fā),通過(guò)耕作、施肥和灌溉等措施,使原有的荒漠植被逐步被綠洲農(nóng)田所替代,這必然改變土壤剖面的碳儲(chǔ)格局。新疆位于中國(guó)西北地區(qū),是中國(guó)最大的干旱區(qū)。隨著人口和經(jīng)濟(jì)的迅猛增長(zhǎng),自20世紀(jì)60年代開(kāi)始, 新疆大面積土地被開(kāi)墾,農(nóng)田面積顯著增加[15]。本文以具有典型代表性干旱區(qū)農(nóng)業(yè)土地開(kāi)發(fā)利用過(guò)程的新疆三工河流域阜北農(nóng)場(chǎng)為研究對(duì)象,通過(guò)對(duì)荒地和不同利用年限的農(nóng)田調(diào)查取樣,分析不同土地利用年限0~2 m土壤剖面的碳分布格局和土壤理化性質(zhì),研究近50 a農(nóng)業(yè)土地開(kāi)發(fā)利用進(jìn)程中于土壤碳存儲(chǔ)的動(dòng)態(tài)變化,以期深入了解干旱區(qū)農(nóng)業(yè)土地開(kāi)發(fā)利用對(duì)碳吸收和儲(chǔ)量的影響機(jī)制,并為后備的土地開(kāi)發(fā)利用和生態(tài)建設(shè)提供理論依據(jù)。
研究區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地南緣,毗鄰新疆博格達(dá)峰北麓,三工河流域的沖、洪積平原上,地理位置為87°49′E~88°16′E,43°50′N(xiāo)~44°22′N(xiāo)。該區(qū)氣候?qū)儆诟珊荡箨懶詺夂?,降水量少,蒸發(fā)量大,夏季炎熱干燥,冬季嚴(yán)寒。年均氣溫為6.6 ℃,最高氣溫42.3 ℃,最低氣溫-41.5 ℃,多年平均降水約為163 mm,多年平均潛在水面蒸發(fā)量約為900 mm。三工河流域地勢(shì)南高北低,由東南向西北傾斜,海拔430~710 m。其中,流域平原區(qū)面積為942 km2,綠洲區(qū)面積為700 km2。
研究區(qū)阜北農(nóng)場(chǎng)地處流域的末端(圖1),建立于1959年,面積約180 km2,至今區(qū)域土地利用已超過(guò)50 a,行政區(qū)劃屬于新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)222團(tuán)。區(qū)域內(nèi)主要有潮土、灰漠土、鹽土3種土壤類(lèi)型。在20世紀(jì)90年代以前,以小麥和玉米糧食作物為主,此后主要以小麥和棉花為主,作物結(jié)構(gòu)調(diào)整主要依據(jù)新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)區(qū)劃。土地耕作的方式為春季種植,秋季翻耕。由于地處古爾班通古特沙漠南緣,土壤相對(duì)比較貧瘠。農(nóng)田種植過(guò)程中,農(nóng)業(yè)肥料主要以施用化肥為主。由于受水源條件的限制,農(nóng)業(yè)灌溉自2012年以后,由原有的溝、漫灌方式,變?yōu)楦鼮楣?jié)水的滴灌。目前流域內(nèi)耕種面積較大的農(nóng)作物有棉花、小麥、玉米、打瓜,生長(zhǎng)季為5—10月,灌溉方式多采用滴灌,耕作為機(jī)耕。原始荒地中的植被主要為琵琶柴()、梭梭()、駱駝刺()以及眾多短命植物。
圖1 阜北農(nóng)場(chǎng)研究區(qū)位置及采樣點(diǎn)位置
研究區(qū)域土地的開(kāi)發(fā)利用均有詳細(xì)的背景記載,并且采用較為統(tǒng)一的集約化管理模式,因此農(nóng)業(yè)土地開(kāi)發(fā)利用的時(shí)間具有梯度性和可比性。研究開(kāi)始于2015年4月,期間查詢(xún)兵團(tuán)222團(tuán)部土地管理部門(mén)條田資料并進(jìn)行實(shí)地走訪(fǎng),結(jié)合20世紀(jì)70年代以來(lái)不同時(shí)段的圖片確定阜北農(nóng)場(chǎng)的土地利用歷史。通過(guò)調(diào)查篩選,采樣點(diǎn)土壤類(lèi)型相同,均為灰漠土,土地利用類(lèi)型均為農(nóng)業(yè)土地。研究選取土地利用歷史分別為1、5、15、30和50 a的代表性土地以及與樣地土壤類(lèi)型相同、位置相近、受人為干擾較少的荒地作為參照土地。
由于農(nóng)業(yè)土壤受年際耕作、施肥和管理等影響較大,為避免再次耕作帶來(lái)的誤差,土壤樣品采集在2015年農(nóng)業(yè)耕作前(4月20日)完成。分別在不同土地利用年限的農(nóng)田中隨機(jī)選取5塊樣地,設(shè)置10 m′10 m的樣方,按照“Z”型曲線(xiàn),隨機(jī)選取5個(gè)點(diǎn),利用GPS定位后,用土鉆以20 cm為間隔分層取樣,深度為200 cm。將采集好的土壤帶回實(shí)驗(yàn)室,去除雜物,放置在陰涼的通風(fēng)室自然風(fēng)干后充分研磨、過(guò)2 mm篩保存?zhèn)溆谩?/p>
分析方法:參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[16],土壤無(wú)機(jī)碳采用氣量法測(cè)定,該方法主要依據(jù)土壤中的碳酸鹽與鹽酸作用產(chǎn)生的氣候體積,根據(jù)二氧化碳在一定溫度和氣壓下的密度,計(jì)算得到二氧化碳的質(zhì)量;土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀容量法–外加熱法測(cè)定;pH值和電導(dǎo)率采用pH計(jì)(雷磁PHS-3C,上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司)和電導(dǎo)儀(雷磁DDB-303A,上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司,)分別測(cè)定5:1水土的浸提液,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[17]換算確定土壤含鹽量。土壤容重采用環(huán)刀法(100 cm3)采集,深度間隔為20 cm,置于烘箱烘干 (105 ℃,24 h)測(cè)定??偺迹╰otal carbon,TC)為有機(jī)碳(soil organic carbon ,SOC)和無(wú)機(jī)碳(soil inorganic carbon,SIC)之和。無(wú)機(jī)及有機(jī)碳密度[18-19]、鹽分分別為
式中SICD為土壤無(wú)機(jī)碳密度,kg/m2;SOCD為土壤有機(jī)碳密度,kg/m2;為土層數(shù)目;SIC為第層土壤無(wú)機(jī)碳含量,g/kg;D為第層土壤容重,g/cm3;H為第層土層厚度,cm;為土壤鹽分含量,g/kg;EC1:5為土水為1∶5的土壤浸提液電導(dǎo)率,mS/cm?;谕寥婪謱犹卣?,研究集中在表層0~20 cm及中層>20~100 cm以及深層>100~200 cm進(jìn)行土樣分析。
采用Excel軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和計(jì)算,SPSS19.0和SAS 9.2進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,Origin 2016繪制圖形。
不同土地利用年限土壤TC分布如圖2所示。
由圖2可得知,TC含量在0~200 cm剖面上總體而言隨深度增加具有明顯的增加趨勢(shì),而且TC隨著土地利用年限的增加而不斷增大,TC質(zhì)量分?jǐn)?shù)由荒地的12.18 g/kg到50 a的16.58 g/kg,在剖面上最高達(dá)到22.64 g/kg。SIC含量在各剖面均顯著表現(xiàn)為上層少下層多的特征,隨著土地利用年限的增加,表層0~20 cm SIC呈現(xiàn)增加-減少的趨勢(shì),在30 a時(shí)達(dá)到最大值7.10 g/kg;深層>100~ 200 cm土壤中各土壤剖面(除5 a)上SIC質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著土壤深度的增加表現(xiàn)為逐漸增加的趨勢(shì),最大值為 20.96 g/kg。SOC在剖面上呈現(xiàn)與土壤無(wú)機(jī)碳大體相反的趨勢(shì),隨深度增加而減少,其中最大值出現(xiàn)在表層為 9.51 g/kg,最小值出現(xiàn)在深層為1.46 g/kg,并且表層SOC隨著土地利用年限的增加表現(xiàn)為逐漸增大的趨勢(shì)。
圖2 不同土地利用年限土壤碳含量分布
對(duì)剖面土壤碳含量進(jìn)行變異性分析,如圖3示。在剖面上,土壤碳含量的變異性在80~100 cm有明顯的突變,即變異系數(shù)(coefficient of variation,CV)均減小40%以上,并且有機(jī)碳CV均值大于無(wú)機(jī)碳CV,表明有機(jī)碳的變異性要強(qiáng)于無(wú)機(jī)碳。在0~60 cm范圍內(nèi)SIC、SOC和TC都出現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì),SOC在40~60 cm深度時(shí)達(dá)到最大值51%;深度在80 cm以下CV迅速下降并且呈現(xiàn)“S”型變化趨勢(shì),整體數(shù)值小于35%,屬于弱變異和中等強(qiáng)度變異(當(dāng)CV<10%為弱變異,10%≤CV<100%時(shí)為中等變異,當(dāng)CV≥100%時(shí)為強(qiáng)變異[20]),表明長(zhǎng)期的農(nóng)業(yè)土地開(kāi)發(fā)利用顯著影響0~80 cm土壤碳的剖面分布。近50 a來(lái),隨土地開(kāi)發(fā)利用時(shí)間的增加,SIC和TC的CV變化趨勢(shì)相同,而與SOC的CV變化趨勢(shì)相反,即TC和SIC變異性呈現(xiàn)減小-增加的趨勢(shì),在15 a時(shí)TC的變異系數(shù)達(dá)到最小值12%,隨后趨于增強(qiáng),而有機(jī)碳則呈現(xiàn)增加-減小特征,在30 a時(shí)達(dá)到最大值74%,隨后趨于減弱(圖3 b)
Note: *,P<0.05; **,P<0.01; Same as below.
0~100 cm剖面上SIC/SOC比值各剖面大體均表現(xiàn)為隨深度增加而增加的趨勢(shì),且增加幅度較小(圖4 a)。隨著土地利用年限的增加,SIC/SOC的比值在該區(qū)域剖面上逐漸減小,其中在1 a深度為80~100 cm時(shí)SIC/SOC值為3.78,大于50 a時(shí)相同深度為1.18,是后者的3倍以上;在>100~200 cm剖面上(除5 a),各剖面SIC/SOC均表現(xiàn)為增加趨勢(shì),并且隨著土地利用年限的增加,增加趨勢(shì)逐漸變大,其中50 a時(shí)140~160 cm土層的SIC/SOC值為11.94,幾乎是荒地相同深度的SIC/SOC比3.16的4倍。對(duì)不同土地利用年限剖面上的SIC/SOC進(jìn)行線(xiàn)性回歸得到各土地利用年限擬合曲線(xiàn)(R在[0.73~0.90]之間,<0.05)的斜率,代表剖面比值的變化率。其斜率隨土地年限的變化如圖4b所示,隨著土地利用年限增加,剖面SIC/SOC變化率在逐漸增大,從荒地的變化率0.028到50 a的0.088,增加2.14倍(<0.01),說(shuō)明近50 a的農(nóng)業(yè)土地開(kāi)發(fā)利用進(jìn)程中,隨著農(nóng)業(yè)土地利用時(shí)間的增加,無(wú)機(jī)碳比例增大,表明在干旱區(qū)長(zhǎng)期的農(nóng)業(yè)土地利用進(jìn)程中非生物過(guò)程顯著增強(qiáng)。
由表1所示,剖面上SICD隨著深度增加而不斷增大,主要集中>100~200 cm,并且隨著土地利用年限的增加,無(wú)機(jī)碳密度逐漸增加,在深層>100~200 cm中,無(wú)機(jī)碳密度從土地利用1 a的19.09 kg/m2到50 a的38.37 kg/m2,增長(zhǎng)幅度為107%(<0.05);有機(jī)碳主要儲(chǔ)存在0~100 cm的土壤表層和中層,在近50 a的研究范圍中,有機(jī)碳密度在0~20 cm范圍內(nèi)從荒地的1.35 kg/m2到30 a的2.26 kg/m2,碳密度增加了0.91 kg/m2,在深層>100~ 200 cm有機(jī)碳密度明顯下降。隨著土地利用年限的增加,0~20 cm的總碳密度比例(碳密度比指各土層總碳密度與0~200 cm土層總碳密度之百分比)出現(xiàn)增加-減小的變化,到50 a達(dá)到最小值3.86%;與之相反,>100~ 200 cm的碳密度比例呈現(xiàn)減少-增加的趨勢(shì),并且始終大于56%,在50 a時(shí)達(dá)到了81.09%。
圖4 土壤無(wú)機(jī)有機(jī)碳比值及其變化率隨土地利用年限的變化
表1 不同土地利用年限各土層土壤無(wú)機(jī)碳密度(SICD)、有機(jī)碳密度(SOCD)和總碳密度比(TCD)
注:同列不同字母表明不同土地利用年限顯著差異 (< 0.05)。
Note: Different letters show significant difference (<0.05) among land use years.
以荒地剖面碳密度為對(duì)照,由各土地利用年限碳密度減去荒地剖面碳密度即為土壤碳聚集量,如圖5示。在>20~100 cm土壤碳聚集量出現(xiàn)先正后負(fù)的變化,在15 a時(shí)達(dá)到最大值7.21 kg/m2;在深層100~200 cm,碳聚集量表現(xiàn)為先負(fù)后正,從1 a的聚集量為-3.02 kg/m2逐漸增加到50 a的16.53 kg/m2,聚集量為1 a的6.5倍(<0.001)。剖面上的碳聚集量隨年限增加而增大,從1 a的0.97 kg/m2到50 a的13.95 kg/m2,表現(xiàn)出明顯的增加趨勢(shì)(圖5,<0.01)。通過(guò)0~200 cm土層不同時(shí)段碳聚積量的數(shù)值擬合,表明在40 a時(shí)碳聚集量達(dá)到最高水平14.89 kg/m2,屬于典型的農(nóng)業(yè)碳匯過(guò)程。
圖5 不同土地利用年限下剖面碳聚集量變化
隨著土地利用年限的增加,鹽分在各剖面呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì),含量均值到50 a時(shí)為1.58 g/kg,相比荒地減少了655%(0.001)。對(duì)各剖面鹽分含量均值做擬合曲線(xiàn)得到指數(shù)方程,由此得到土地利用年限與鹽分為明顯的相關(guān)性,并且隨著土地利用年限的增加,鹽分減小的幅度不斷降低(圖6 a)。通過(guò)鹽分與碳含量的線(xiàn)性擬合(圖6b~圖6d)得出,鹽分與SIC和TC呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)的關(guān)系(<0.05),而與SOC無(wú)顯著相關(guān)性(>0.05),說(shuō)明土壤鹽堿程度與SIC的含量有一定關(guān)系。
圖6 不同土地利用年限的鹽分含量及其與碳含量間的關(guān)系
3.1 農(nóng)業(yè)土地開(kāi)發(fā)利用對(duì)剖面碳含量和碳儲(chǔ)量的影響
耕作、施肥和灌溉是農(nóng)業(yè)土地開(kāi)發(fā)利用的主要方式,在一定程度上會(huì)影響碳儲(chǔ)在層次上的聚積。在該研究50 a范圍中,這3種方式在不斷改變著土壤剖面碳的分布和碳儲(chǔ)量:1)翻耕是新疆農(nóng)田土地的重要管理措施,通過(guò)翻耕可以使表層土壤避免結(jié)塊,增加有機(jī)碳的礦化速率[21]。在剖面0~60 cm范圍內(nèi),SIC和SOC的變異系數(shù)均呈現(xiàn)不斷增加的趨勢(shì),且在60~80 cm深度都達(dá)到了最大值,而在80 cm以下迅速降低至弱變異范圍,變異系數(shù)減小達(dá)40%,這說(shuō)明農(nóng)業(yè)土地利用主要引起0~80 cm土壤的碳含量變異,這與農(nóng)業(yè)耕作模式基本相同。2)施肥主要是通過(guò)提高農(nóng)作物生物產(chǎn)量,增加植物殘?jiān)透妮斎胍约坝绊懲寥牢⑸锏臄?shù)量和活性,進(jìn)而影響SOC的生物降解過(guò)程這2個(gè)方面引起SOC含量的變化[22]。在研究中,在各剖面SOC均表現(xiàn)為最大值出現(xiàn)在表層,并且隨著土地利用年限增加而增大的趨勢(shì),這表明施肥增加了土壤中有機(jī)物的含量,進(jìn)而通過(guò)耕作優(yōu)化了土壤結(jié)構(gòu)使其更好的形成土壤團(tuán)聚體,而好的土壤結(jié)構(gòu)會(huì)使得更多的SOC出現(xiàn)[23]。Li等[24]通過(guò)研究長(zhǎng)期施肥對(duì)綠洲農(nóng)田土壤SOC的影響也證實(shí)了這一結(jié)論。3)灌溉是干旱區(qū)鹽堿土改良必不可少的手段,通過(guò)這一手段將土壤中的可溶性鹽不斷向下層輸送。研究得到結(jié)論,在土地利用過(guò)程中土壤表層和部分中層SIC含量不斷下降,而深層SIC含量逐漸增加(圖2),其原因一方面是由于溶于水中的無(wú)機(jī)碳隨重力向土壤深層運(yùn)動(dòng)并且不斷積累,另一方面可能是由于灌溉水中含有大量的鈉離子,而增加鈉離子的含量會(huì)使得HCO3-和CO32-的活性不斷增加[21],因此土壤無(wú)機(jī)碳密度和土壤碳密度都隨著土地利用年限的延長(zhǎng)而不斷增加(圖5),這一結(jié)論和Wu等[25]的結(jié)論相同。
此外,土壤類(lèi)型和作物種植類(lèi)型的差異也會(huì)引起土壤碳密度的不同。陳沖等[13]對(duì)沖積平原區(qū)碳密度的研究中,證實(shí)了不同土壤類(lèi)型的碳密度存在明顯不同,并且Zhang等[26]認(rèn)為土壤質(zhì)地對(duì)土壤碳密度的影響也存在差異。另外,Zanatta等[27]通過(guò)對(duì)比不同作物類(lèi)型對(duì)土壤有機(jī)碳密度變化的影響表明,不同作物的土壤有機(jī)碳密度變化有顯著差異,這在Xu等[28]關(guān)于中國(guó)農(nóng)田耕層土壤有機(jī)碳的研究中也得到了相同結(jié)論。然而,本研究中選取的是具有相同背景土壤類(lèi)型的樣地,并且研究區(qū)為集約化農(nóng)業(yè)管理的新疆建設(shè)生產(chǎn)兵團(tuán),其農(nóng)業(yè)作物類(lèi)型為統(tǒng)一的集約化管理模式。因此,本研究工作的背景基礎(chǔ)在時(shí)間上具有梯度性,并且由此量化的剖面土壤碳密度也具有可比性。
通過(guò)以上方式的綜合作用,土壤剖面的碳儲(chǔ)效應(yīng)發(fā)生變化(圖5)。Pan等[29]通過(guò)對(duì)江蘇省表層有機(jī)碳儲(chǔ)量的研究顯示在1950—1970年表層有機(jī)碳儲(chǔ)呈現(xiàn)下降趨勢(shì),是碳流失過(guò)程,而在之后表現(xiàn)出持續(xù)上升的趨勢(shì),即碳聚積過(guò)程;而在李晨華等[30]的研究中,通過(guò)對(duì)開(kāi)墾前后碳儲(chǔ)量的比較,在表層有機(jī)碳儲(chǔ)減少了27%,而在20~250 cm儲(chǔ)量卻明顯增加。這些差異產(chǎn)生的原因就在于研究選擇年限和深度的不同,使碳源/匯作用的結(jié)果發(fā)生了改變。在近50 a的研究范圍中,有機(jī)碳密度在0~ 20 cm范圍內(nèi)從荒地的1.35 kg/m2到30 a的2.26 kg/m2,碳密度增加了0.91 kg/m2,屬于碳匯效應(yīng);而在50 a時(shí)相比于荒地表層有機(jī)碳密度卻減少了0.03 kg/m2,是碳源效應(yīng)。體現(xiàn)在深度上,50 a時(shí)0~100 cm的碳密度減少了2.44 kg/m2,是碳源效應(yīng),在100~200 cm范圍內(nèi)碳密度增加了16.52 kg/m2,屬于碳匯效應(yīng)。整體表現(xiàn)在0~200 cm剖面、50 a的時(shí)間序列內(nèi),土壤碳密度增加了13.95 kg/m2,以此換算,土壤剖面的碳儲(chǔ)平均每年的增加量為280~974 g/(m2·a),Baker等[31]的研究也說(shuō)明了在評(píng)價(jià)土壤匯源效應(yīng)時(shí)應(yīng)考慮土壤深層或整個(gè)土層。顯然,根據(jù)以上結(jié)論,在考慮足夠深度和足夠的時(shí)間序列時(shí),干旱區(qū)長(zhǎng)期的農(nóng)業(yè)土地開(kāi)發(fā)利用進(jìn)程是一個(gè)明顯的碳匯過(guò)程。
3.2 剖面SOC與SIC之間的關(guān)系
在該研究中,隨著土壤深度的增加SIC含量呈現(xiàn)不斷增大的趨勢(shì),而SOC含量的趨勢(shì)與之相反,呈現(xiàn)不斷減小的趨勢(shì)(圖2)。隨著土壤剖面深度的增加,SIC/SOC不斷增大,并且隨著土地利用年限的增加,剖面比值的變化率也不斷增大(圖4),這表明隨著剖面深度的增加和土地利用年限的增長(zhǎng),農(nóng)業(yè)土地利用進(jìn)程中土壤無(wú)機(jī)過(guò)程即土壤非生物作用在增強(qiáng),而有機(jī)過(guò)程即生物過(guò)程則減弱[32]。由此,在剖面上SIC與SOC呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系,這與黃斌等[33]的結(jié)論相同。解懷亮等[34]通過(guò)研究灌溉淋溶對(duì)土壤無(wú)機(jī)碳和有機(jī)碳的分布影響,也得出了土壤有機(jī)碳和土壤無(wú)機(jī)碳呈顯著負(fù)相關(guān)的結(jié)論。這一現(xiàn)象出現(xiàn)的原因可能是由于在耕作、灌溉等過(guò)程中大氣中的CO2溶于水中使得土壤中CO2濃度和土壤含水率容易發(fā)生較大變化,土壤中SOC分解,而分解產(chǎn)生的一部分CO2溶于水生成重碳酸根,當(dāng)與鈣離子結(jié)合時(shí)最終轉(zhuǎn)化成沉積型碳酸鹽,這一過(guò)程形成土壤內(nèi)部的“SOC—CO2— SIC”微碳循環(huán)系統(tǒng)[2]。但是也有一部分研究的結(jié)論與上述結(jié)論相反,Wang等[35]在新疆和甘肅關(guān)于農(nóng)田土壤碳的研究表示土壤無(wú)機(jī)碳和有機(jī)碳呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系,這一點(diǎn)在Guo等[19]的結(jié)論中也得到了認(rèn)可,而這一矛盾結(jié)果出現(xiàn)的原因可能是由于不同的氣候條件和土壤性質(zhì)使碳酸鹽的形成發(fā)生逆向反應(yīng),從而影響了土壤碳的運(yùn)輸和累積過(guò)程。
3.3 鹽分與土壤碳含量的關(guān)系
鹽堿性是干旱區(qū)土地的普遍屬性,在農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)利用的過(guò)程中,通過(guò)灌溉控制土壤的鹽分是保證農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必要手段。在研究中已得到結(jié)論,在整個(gè)剖面上,隨著土地利用年限的增加,鹽分的含量相對(duì)減少(圖6 a,<0.05)。周麗等[36]通過(guò)對(duì)三工河流域不同土地利用歷史的土壤鹽分進(jìn)行研究得到了相同的結(jié)論。另外在研究中通過(guò)對(duì)鹽分與碳含量的擬合曲線(xiàn)(圖6)得到鹽分分別與TC和SIC之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系(< 0.05),而與SOC無(wú)明顯相關(guān)性(>0.05),Zhao等[37]通過(guò)研究鹽分對(duì)0~30 cm碳含量和儲(chǔ)量的影響也得到了相同的結(jié)論,這一方面可能由于鹽分含量降低對(duì)于SIC中主要成分CaCO3形成過(guò)程中的鹽離子的抑制作用減小;另一方面,Setia 等[38]在研究中得到了鹽分和有機(jī)物質(zhì)的分解速率有著明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系,這主要是由于鹽分含量降低對(duì)土壤中的植物和微生物的呼吸、消化分解等過(guò)程的鹽毒害作用減少,從而增加了土壤生物的活動(dòng),提高了土壤中有機(jī)物向無(wú)機(jī)物的轉(zhuǎn)化過(guò)程,從而使SIC含量升高。但貢璐等[39]通過(guò)對(duì)塔里木盆地南緣典型綠洲SOC和SIC的環(huán)境因子進(jìn)行冗余分析,得到了鹽分與SIC呈現(xiàn)顯著正相關(guān),就這一現(xiàn)象目前沒(méi)有明確的解釋。但有研究表明[40],干旱區(qū)土壤可能通過(guò)非生物作用固定大部分無(wú)機(jī)碳。與金雯暉等[41]通過(guò)研究0~30 cm土層得到的鹽分與SOC負(fù)相關(guān)結(jié)論不同,本文得到鹽分與SOC無(wú)顯著相關(guān)性(>0.05),這一現(xiàn)象出現(xiàn)的可能是由于研究剖面深度不同,在0~200 cm的范圍中,SOC在各層的主要影響因子都不相同,而綜合反映在整個(gè)剖面上就表現(xiàn)為鹽分與SOC無(wú)明顯相關(guān)性。
1)在干旱區(qū)長(zhǎng)期農(nóng)業(yè)土地利用進(jìn)程中,土壤碳含量隨土地利用年限的延長(zhǎng)而不斷增加。土壤無(wú)機(jī)碳含量和有機(jī)碳含量隨深度有著相反的變化趨勢(shì),最大值分別出現(xiàn)在深層的20.96 g/kg和表層的9.51 g/kg。
2)土壤碳含量的變異系數(shù)在剖面上有明顯的分層現(xiàn)象,在0~60 cm土壤碳變異系數(shù)逐漸增大至中等強(qiáng)度變異,在80 cm以下迅速降低40%以上,并且呈現(xiàn)“S”型分布,表明干旱區(qū)人類(lèi)活動(dòng)對(duì)土壤碳分布影響效果顯著,并且隨土地利用時(shí)間的延長(zhǎng),無(wú)機(jī)碳的變異性趨于增強(qiáng),而有機(jī)碳趨于減弱。
3)SIC/SOC隨剖面深度不斷增加,且隨土地利用年限的延長(zhǎng),剖面SIC/SOC變化率從荒地的0.028到50 a的0.088(<0.01),說(shuō)明干旱區(qū)SIC的比例隨深度和年限逐漸加大,無(wú)機(jī)作用即非生物作用隨年限逐漸增強(qiáng)。
4)在干旱區(qū)近50 a農(nóng)業(yè)土地開(kāi)發(fā)利用進(jìn)程中,剖面土壤碳儲(chǔ)顯著增加,土壤無(wú)機(jī)碳儲(chǔ)和有機(jī)碳儲(chǔ)主要分別集中在>100~200和0~100 cm,但在層次上不同時(shí)段的碳源/匯特征卻不同,因此不能分割層次間和時(shí)間尺度上的碳儲(chǔ)效應(yīng)。
從碳循環(huán)角度來(lái)看,干旱區(qū)長(zhǎng)期的農(nóng)業(yè)土地利用過(guò)程為明顯的碳匯過(guò)程,但是短期的農(nóng)業(yè)土地利用(小于5 a)過(guò)程卻沒(méi)有顯著的碳匯效應(yīng),因此短時(shí)間內(nèi)大面積的農(nóng)業(yè)土地開(kāi)發(fā)并不是增加農(nóng)業(yè)碳匯的最好措施。建議控制農(nóng)業(yè)土地開(kāi)發(fā)面積以及避免選擇在長(zhǎng)期農(nóng)業(yè)土地上進(jìn)行退耕還林,以期能夠在此研究基礎(chǔ)上,進(jìn)一步增大研究的時(shí)間尺度,為干旱區(qū)農(nóng)業(yè)碳匯提供指導(dǎo)。
[1] Reichstein M, Bahn M, Ciais P, et al. Climate extremes and the carbon cycle[J]. Nature, 2013, 500: 287-295.
[2] 潘根興. 中國(guó)干旱性地區(qū)土壤發(fā)生性碳酸鹽及其在陸地系統(tǒng)碳轉(zhuǎn)移上的意義[J]. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1999,22(1):51-57. Pan Genxing. Pedogenic carbonates in aridic soils of China and the significance in terrestrial carbon transfer[J]. Journal of Nanjing Agricultural University, 1999, 22(1): 51-57. (in Chinese with English abstract)
[3] Lal R S. Carbon sequestration impacts on global climate exchange and food security[J]. Science, 2004, 304(5677): 1623-1627.
[4] Lal R. World cropland soils as a source or sink for atmospheric carbon[J]. Advances in Agronomy, 2001, 71: 145-191.
[5] Conti G, Pérez-Harguindeguy N, Quètier F, et al. Large changes in carbon storage under different land-use regimes in subtropical seasonally dry forests of southern South America[J]. Agriculture Ecosystems & Environment, 2014, 197: 68-76.
[6] Shevliakova E, Pacala S W, Malyshev S, et al. Carbon cycling under 300 years of land use change: Importance of the secondary vegetation sink[J]. Global Biogeochemical Cycles, 2009, 23(2): 91-100.
[7] Wang Yugang, Li Yan, Ye Xuehua, et al. Profile storage of organic/inorganic carbon in soil: From forest to desert[J]. Science of the Total Environment, 2010, 408(8): 1925-1931.
[8] 張新厚,范志平,孫學(xué)凱,等. 半干旱區(qū)土地利用方式變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的影響[J]. 生態(tài)學(xué)雜志,2009,28(12):2424-2430. Zhang Xinhou, Fan Zhiping, Sun Xuekai, et al. Effects of land use change on ecosystem carbon stock in semi-arid region[J]. Chinese Journal of Ecology, 2009, 28(12): 2424-2430. (in Chinese with English abstract)
[9] Wang Yugang, Wang Zhongyuan, Li Yan. Storage/turnover rate of inorganic carbon and its dissolvable part in the profile of saline/alkaline soils[J]. Plos One, 2013, 8(11): e82029.
[10] Novelli L E, Caviglia O P, Pi?eiro G. Increased cropping intensity improves crop residue inputs to the soil and aggregate- associated soil organic carbon stocks[J]. Soil & Tillage Research, 2017, 165: 128-136.
[11] 李晨華,唐立松. 長(zhǎng)期施肥對(duì)綠洲農(nóng)田土壤剖面有機(jī)碳及其組分的影響[J]. 干旱區(qū)地理,2013,36(4):637-644. Li Chenhua, Tang Lisong. Long-term effect of fertilization application on soil organic carbon and its fractions in soil profiles of an oasis farmland[J]. Arid Land Geography, 2013, 36(4): 637-644. (in Chinese with English abstract)
[12] 張明園,魏燕華,孔凡磊,等. 耕作方式對(duì)華北農(nóng)田土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量及溫室氣體排放的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(6):203-209. Zhang Mingyuan, Wei Yanhua, Kong Fanlei, et al. Effects of tillage practices on soil carbon storage and greenhouse gas emission of farmland in North China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(6): 203-209. (in Chinese with English abstract)
[13] 陳沖,胡克林,張玲娥,等. 沖積平原區(qū)土壤碳密度估算及其空間分布[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2014,30(7):64-71. Chen Chong, Hu Kelin, Zhang Ling′e, et al. Estimation and spatial distribution of soil organic carbon density in alluvial plain area[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(7): 64-71. (in Chinese with English abstract)
[14] Li Chaofan, Zhang Chi, Luo Geping, et al. Carbon stock and its responses to climate change in Central Asia[J]. Global Change Biology, 2015, 21: 1951-1967.
[15] 周宏飛,吳波,王玉剛,等. 新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)墾生態(tài)建設(shè)的成就、問(wèn)題及對(duì)策芻議[J]. 中國(guó)科學(xué)院院刊,2017,22(1):55-63. Zhou Hongfei, Wu Bo, Wang Yugang, et al. Ecological achievement of Xinjiang production and construction corps and its problems and countermeasures[J]. Bulletin of Chinese Academy of Sciences, 2017, 22(1): 55-63. (in Chinese with English abstract)
[16] 魯如坤. 土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M]. 北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)科技出版社,1999:1-324.
[17] 王玉剛,鄭新軍,李彥. 干旱區(qū)不同景觀單元土壤鹽分的變化特征[J]. 生態(tài)學(xué)雜志,2009,28(11):2293-2298. Wang Yugang, Zheng Xinjun, Li Yan. Change characteristics of soil salt content in different landscape units in arid region [J]. Chinese Journal of Ecology, 2009, 28(11): 2293-2298. (in Chinese with English abstract)
[18] Wang Yuhui, Zhou Gangsheng, Jia Bingrui. Modeling SOC and NPP responses of meadow steppe to different grazing intensities in Northeast China[J]. Ecological Modelling, 2008, 217(1/2): 72-78.
[19] Guo Yang, Wang Xiujun, Li Xianglan, et al. Dynamics of soil organic and inorganic carbon in the cropland of upper Yellow River Delta, China[J]. Scientific Reports, 2016, 6: 36105.
[20] 胡偉,邵明安,王全九. 黃土高原退耕坡地土壤水分空間變異的尺度性研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2005,21(8):11-16. Hu Wei, Shao Mingan, Wang Quanjiu. Scale-dependency of spatial variability of soil moisture on a degraded slope-land on the Loess Plateau[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2005, 21(8): 11-16. (in Chinese with English abstract)
[21] Wong V N L, Greene R S B, Dalal R C, et al. Soil carbon dynamics in saline and sodic soils: A review[J]. Soil Use & Management, 2010, 26(1): 2-11.
[22] 張煜,張琳,吳文良,等. 內(nèi)蒙農(nóng)牧交錯(cuò)帶地區(qū)土地利用方式和施肥對(duì)土壤碳庫(kù)的影響[J]. 土壤學(xué)報(bào),2016,53(4):930-941. Zhang Yu, Zhang Lin, Wu Wenliang, et al. Impact of land use and fertilization measures on soil C stock in farming- grazing interlacing zone of Inner Mongolia[J]. Acta Pedologica Sinica, 2016, 53(4): 930-941. (in Chinese with English abstract)
[23] 孫志強(qiáng),王宗勝,鮑國(guó)軍,等. 施肥對(duì)黃土高原旱地冬小麥根系生長(zhǎng)的影響[J]. 水土保持研究,2003,10(1):141-143. Sun Zhiqiang, Wang Zongsheng, Bao Guojun, et al. Effect of fertilization on the growth of winter wheat roots in dryland in Loses Plateau[J]. Research of Soil & Water Conservation, 2003, 10(1): 141-143. (in Chinese with English abstract)
[24] Li Chenhua, Li Yan, Tang Lisong. The effects of long-term fertilization on the accumulation of organic carbon in the deep soil profile of an oasis farmland[J]. Plant and Soil, 2013, 369(1): 645-656.
[25] Wu Habing, Guo Zhengtang, Gao Qiong, et al. Distribution of soil inorganic carbon storage and its changes due to agricultural land use activity in China[J]. Agriculture Ecosystems & Environment, 2009, 129(4): 413-421.
[26] Zhang Shiwen, Huang Yanfang, Shen Chongyang, et al. Spatial prediction of soil organic matter using terrain indices and categorical variables as auxiliary information[J]. Geoderma, 2012, 171: 35-43.
[27] Zanatta J A, Bayer C, Dieckow J, et al. Soil organic carbon accumulation and carbon costs related to tillage, cropping systems and nitrogen fertilization in a subtropical Acrisol[J]. Soil & Tillage Research, 2007, 94(2): 510-519.
[28] Xu Xinwang, Pan Genxing, Wang Yanlin, et al. Research of changing characteristics and control factors of farmland topsoil organic carbon in China[J]. Journal of Natural Resources, 2009, 28(1): 92-95.
[29] Pan Genxing, Li Lianqing, Zhang Qi, et al. Organic carbon stock in topsoil of Jiangsu Province, China, and the recent trend of carbon sequestration[J]. Journal of Environmental Sciences, 2005, 17(1): 1-7.
[30] 李晨華,李彥,唐立松,等. 鹽化灰漠土開(kāi)墾前后碳存貯與碳釋放的分層特征[J]. 干旱區(qū)研究,2010,27(3):385-391. Li Chenhua, Li Yan, Tang Lisong, et al. Layered characters of organic carbon storage and release in salinized gray desert soil before and after reclamation[J]. Arid Zone Research, 2010, 27(3): 385-391. (in Chinese with English abstract)
[31] Baker J M, Ochsner T E, Venterea R T, et al. Tillage and soil carbon sequestration: What do we really know?[J]. Agriculture Ecosystems & Environment, 2007, 118(1/2/34): 1-5.
[32] Monger H C, Gallegos R A. Biotic and Abiotic Processes and Rates of Pedogenic Carbonate Accumulation in the Southwestern United States—Relationship to Atmospheric CO2Sequestration[M]//Global Climate Change and Pedogenic Carbonates. New York: Lewis Publishers, 2000: 273-289.
[33] 黃斌,王敬國(guó),金紅巖,等. 長(zhǎng)期施肥對(duì)我國(guó)北方潮土碳儲(chǔ)量的影響[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2006,25(1):161-164. Huang Bin, Wang Jingguo, Jin Hongyan, et al. Effects of long-term application fertilizer on carbon storage in calcareous meadow soil[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2006, 25(1):161-164. (in Chinese with English abstract)
[34] 解懷亮,王玉剛,李彥,等. 灌溉淋溶對(duì)土壤有機(jī)碳和無(wú)機(jī)碳及理化性質(zhì)的影響[J]. 水土保持學(xué)報(bào),2014,28(4):188-193. Xie Huailiang, Wang Yugang, Li Yan, et al. Impact of irrigation process on soil organic/inorganic carbon and physicochemical properties[J]. Journal of Soil & Water Conservation, 2014, 28(4): 188-193. (in Chinese with English abstract)
[35] Wang Xiujun, Xu Minggang, Wang Jiaping, et al. Fertilization enhancing carbon sequestration as carbonate in arid cropland: Assessments of long-term experiments in northern China[J]. Plant and Soil, 2014, 380(1): 89-100.
[36] 周麗,王玉剛,李彥,等. 鹽堿荒地土地利用年限對(duì)表層土壤鹽分的影響[J]. 干旱區(qū)地理,2013,36(2):285-291. Zhou Li, Wang Yugang, Li Yan, et al. Effects of cultivation on soil salinity in upper soil profiles of the saline-alkali land [J]. Arid Land Geography, 2013, 36(2): 285-291. (in Chinese with English abstract)
[37] Zhao Qingqing, Bai Junhong, Lu Qiongqiong, et al. Effects of salinity on dynamics of soil carbon in degraded coastal wetlands: Implications on wetland restoration[J]. Physics & Chemistry of the Earth Parts A/b/c, 2016: 1-7. http://dx.doi.org/10.1016/j.pce.2016.08.008
[38] Setia R, Marschner P, Baldock J, et al. Salinity effects on carbon mineralization in soils of varying texture[J]. Soil Biology & Biochemistry, 2011, 43(9): 1908-1916.
[39] 貢璐,朱美玲,劉曾媛,等. 塔里木盆地南緣典型綠洲土壤有機(jī)碳、無(wú)機(jī)碳與環(huán)境因子的相關(guān)性[J]. 環(huán)境科學(xué),2016,37(4):1516-1522. Gong Lu, Zhu Meiling, Liu Zengyuan, et al. Correlation among soil organic carbon, soil inorganic carbon and the environmental factors in a typical oasis in the southern edge of the Tarim Basin[J]. Environmental Science, 2016, 37(4): 1516-1522. (in Chinese with English abstract)
[40] Xie Jingxia, Li Yan, Zhai Cuixia, et al. CO2absorption by alkaline soils and its implication to the global carbon cycle[J]. Environmental Geology, 2009, 56(5):953-961.
[41] 金雯暉,楊勁松,王相平. 灘涂土壤有機(jī)碳空間分布與圍墾年限相關(guān)性分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2013,29(5):89-94. Jin Wenhui, Yang Jingsong, Wang Xiangping. Spatial distribution of organic carbon in coastal saline soil and its correlation with reclamation age[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(5): 89-94. (in Chinese with English abstract)
雒 瓊,王玉剛,鄧彩云,牛子儒,李 彥. 不同農(nóng)業(yè)土地利用年限干旱區(qū)土壤剖面碳存儲(chǔ)動(dòng)態(tài)變化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2017,33(19):287-294. doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2017.19.037 http://www.tcsae.org
Luo Qiong, Wang Yugang, Deng Caiyun, Niu Ziru, Li Yan. Dynamics of soil carbon storage under different land use years in arid agriculture[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(19): 287-294. (in Chinese with English abstract) doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2017.19.037 http://www.tcsae.org
Dynamics of soil carbon storage under different land use years in arid agriculture
Luo Qiong1,2,3, Wang Yugang1,2※, Deng Caiyun1,2,3, Niu Ziru1,2,3, Li Yan1,2
(1.830011,;2.831505,;3.100049,)
The impact of agricultural land use on soil carbon storage is one of the international scientific focuses in climate-change mitigation. Aimed to understand the effect of agricultural land development and utilization on soil carbon storage, a study was conducted in different period of farmland at the Fubei Farm of Sangong River Basin in Xinjiang, northwest of China (87°49¢-88°16¢E, 43°50¢-44°22¢N). The agricultural lands were selected within different land use years such as 1, 5, 15, 30 and 50 a in the studied area, and the wasteland with little disturbance was selected as a reference land in the same soil type and near position of cropland. Soil samples from these sites were obtained by handy soil auger at 20 cm intervals in a depth of 200 cm and analyzed in the laboratory. Samples were air-dried and crushed to pass through a 2-mm mesh. The patterns of soil carbon storage and its dynamic change were analyzed and compared with the depth of 0-200 cm in recent 50 years, including soil organic carbon, soil inorganic carbon and soil salinity. The results revealed the following: 1) Soil carbon content generally increased with land use years. Soil inorganic carbon content changed by soil depth, with a maximum value of 20.96 g/kg at 180-200 cm. Soil organic carbon presented an opposite trend with the maximum value of 9.51 g/kg at 0-20 cm; 2) In the soil profile, The coefficients of variation of soil carbon content (including organic carbon and inorganic carbon) was gradually increased to moderate intensity variation in 0-80 cm, and then rapidly reduced by more than 40% underneath 80 cm, indicating that the long-term agricultural land development and utilization in arid area had a significant impact on the distribution of soil carbon at 0-80 cm. The variability of soil inorganic carbon and soil total carbon tended to be enhanced with the land use years, while the organic carbon tended to weaken in recent 50 years; 3) The ratio of SIC to SOC increased with the depths of soil layer, and it changed from 0.028 in wasteland to 0.08 in 50 years of cropland (<0.01). It suggested that the proportion of soil inorganic carbon increased with soil depth and land use years, indicating the role of soil inorganic carbon was enhanced in the long-term agricultural land use process in arid area; 4) During the development and utilization of agricultural land in the past 50 years, the soil carbon storage increased significantly at 0-200 cm depth of soil profile, which was a typical process of carbon sequestration in the studied area. The increased soil inorganic carbon storage and organic carbon storage were mainly showed in 100-200 cm and 0-100 cm respectively. But the amounts of carbon source/sink were different in the soil layer and land use years; 5) Soil salinity showed a decreasing trend along with land use years. Compared to value in wasteland, soil salinity decreased by 655% in land use of 50 a (<0.001). The linear fitting of salinity and carbon content showed that there was a significant negative correlation between salinity and soil inorganic carbon and total carbon (<0.10), while no significant correlation with the soil organic carbon (>0.05). The results showed that the agricultural use leads to an obvious C sink in the soil only in the long term.
land use; soils; organic carbon; inorganic carbon; carbon accumulation; variation
10.11975/j.issn.1002-6819.2017.19.037
S153.6
A
1002-6819(2017)-19-0287-08
2017-03-23
2017-08-10
新疆自治區(qū)杰出青年科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)項(xiàng)目(2014711009);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41371200、41671114);西部之光項(xiàng)目(2015-XBQN- A-06)。
雒 瓊,新疆烏魯木齊人,主要從事土壤生態(tài)研究。 Email:luoqiong15@mails.ucas.ac.cn。
※通信作者:王玉剛,新疆石河子人,副研究員,博士,主要從事干旱區(qū)景觀地理與土壤碳循環(huán)方面研究。Email:wangyg@ms.xjb.ac.cn。