趙 晶，郝孟婕，王清宇，劉美英

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 草原與資源環(huán)境學(xué)院 內(nèi)蒙古自治區(qū)土壤質(zhì)量與養(yǎng)分資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特010018）

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中的有機(jī)碳庫(kù)，0～100 cm土層土壤的碳儲(chǔ)量就占陸地植被碳庫(kù)的2/3[1]。土壤有機(jī)碳既是碳源，也可作碳匯，其含量和動(dòng)態(tài)變化影響著全球碳循環(huán)[2]。中國(guó)2/3的國(guó)土光照充沛，太陽(yáng)能資源豐富；太陽(yáng)能發(fā)電不產(chǎn)生任何排放和噪音，所以光伏產(chǎn)業(yè)被人們認(rèn)為是清潔、安全和可靠的能源。然而在大型太陽(yáng)能電站建造的起始階段，移除原始植被、翻動(dòng)土層、加入壓實(shí)填料等施工行為均會(huì)損害土壤結(jié)構(gòu)[3]，進(jìn)而改變土壤的養(yǎng)分和水分動(dòng)態(tài)循環(huán)及生化特征[4]，最終可能降低電站內(nèi)土壤碳形成的速度[5]。所以，土壤有機(jī)碳也被看作衡量光伏電站土壤修復(fù)程度的主要指標(biāo)之一。研究植被恢復(fù)中光伏電站土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的變化過程對(duì)探究土壤質(zhì)地及其恢復(fù)效果有重大意義。長(zhǎng)期以來，植被恢復(fù)因其與全球氣候變化、碳氮循環(huán)、土壤質(zhì)量改善和促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展相關(guān)而被廣泛關(guān)注[6?7]。目前，有關(guān)植被修復(fù)影響有機(jī)碳含量的研究頗為豐富。研究表明：植被恢復(fù)可顯著提高有機(jī)碳含量[8]，且到達(dá)一定恢復(fù)年限后有機(jī)碳含量會(huì)和恢復(fù)年限成正比[9?10]。還有研究指出：植被恢復(fù)類型極易影響土壤碳、氮和磷的儲(chǔ)量變化[11]，但關(guān)于光伏電站植被恢復(fù)對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響研究較少。因此，研究光伏電站內(nèi)植被恢復(fù)后能否產(chǎn)生與未受干擾的參考樣地相似的土壤有機(jī)碳，分析土壤主要理化性質(zhì)與土壤有機(jī)碳的相關(guān)性，進(jìn)一步探究光伏電站內(nèi)土壤質(zhì)地和土壤肥力狀況，為光伏電站內(nèi)土壤修復(fù)措施提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市土默特左旗沙爾沁鄉(xiāng)的大有光能源光伏農(nóng)林牧示范基地(40°36′N，110°47′E)。該區(qū)域?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，常年日照充足，氣候干燥。年均蒸發(fā)量為1870.0 mm，年均降水量為399.0 mm。無(wú)霜期為187.0 d，災(zāi)害性天氣常發(fā)生于春旱到春寒期間。該光伏電站于2012年投產(chǎn)使用。因開發(fā)為農(nóng)林牧示范基地，該光伏電站在2013年開展了整地工作，并在電板間人工種植了樟子松 Pinus sylvestris var. mongolica、苜蓿 Medicago sativa和黃芪 Astragalus membranaceus var.mongholicus等。光伏板陣列行間距為10 m，每年秋季為防火會(huì)修剪電板間的植被，并且在前檐下方設(shè)置2.5 m的防火隔離帶。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2019年6月中旬，在太陽(yáng)能光伏電板間采集土壤樣本，并進(jìn)行實(shí)地調(diào)查(圖1)。試驗(yàn)地中隨機(jī)設(shè)置人工種植樟子松、黃芪和苜蓿的固定樣地3塊(30 m×10 m)以及未被擾動(dòng)的天然草地 (對(duì)照)，樣地間距大于30 m，并確保樣地地形、植被及土壤等立地條件基本一致。以“S”型取樣法在每個(gè)樣地內(nèi)隨機(jī)多點(diǎn)采樣，人工挖土壤剖面，分別在0～20、20～40 cm深度取環(huán)刀土及混合土樣(將每個(gè)樣地取樣點(diǎn)土樣同層混合后采用“四分法”縮減)，用于測(cè)定土壤容重及室內(nèi)化學(xué)分析，每個(gè)樣地重復(fù)取3個(gè)平行樣。將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，自然風(fēng)干后剔除植物根系及礫石等雜物并過篩，同時(shí)測(cè)定粒徑＞2 mm的石礫含量。由于幾乎所有的土壤粒徑均小于2 mm，所以本研究中石礫含量不計(jì)入碳儲(chǔ)量分析部分。

圖1 試驗(yàn)樣地布置示意圖Figure 1 Layout of test sample site and schematic diagram of sampling point experimental plots

1.3 分析方法

土壤含水量采用直接烘干法測(cè)定；土壤容重用環(huán)刀法測(cè)定；pH采用電極法測(cè)定(水土質(zhì)量比2.5∶1.0)；電導(dǎo)率采用電導(dǎo)率儀測(cè)定(水土質(zhì)量比2.5∶1.0)；土壤有機(jī)碳(SOC)質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定[12]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量計(jì)算公式如下[13]：RSOC=0.1ρSOCnBDnDn。其中：RSOC為第n層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量(t·hm?2)；ρSOCn為第n層土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù) (g·kg?1)；BDn為第n層土壤容重 (g·cm?3)；Dn為第n層土壤厚度(cm)，0.1是單位轉(zhuǎn)換系數(shù)。

不同修復(fù)模式土壤養(yǎng)分變異性被分作3級(jí)：變異系數(shù)(VC)≤0.1為弱變異；0.1＜VC≤1.0為中等變異；VC＞1.0為強(qiáng)度變異[14]。

用Excel 2007處理數(shù)據(jù)，制作圖表。用SAS 9.2進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA)和雙因素方差分析(two-way ANOVAs)，用Pearson法進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被類型下土壤有機(jī)碳分布特征

0～20 cm土層內(nèi)有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)從大到小表現(xiàn)為天然植被樣地、樟子松地、黃芪地、苜蓿地，且四者差異顯著(P＜0.05，表1)。同時(shí)，只有苜蓿樣地土壤有機(jī)碳變異系數(shù)為中等變異(0.16)，其他3種植被類型均屬于弱變異。隨著土層深度的加深(20～40 cm)，各植被類型土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均呈下降趨勢(shì)，即表層土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于底土層。20～40 cm土壤中有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布規(guī)律與0～20 cm土層一致，且4種植被類型間存在顯著差異(P＜0.05)，其中樟子松和天然植被樣地土壤有機(jī)碳變異系數(shù)為弱變異，黃芪和苜蓿樣地為中等變異。

表1 不同植被類型下不同土層土壤有機(jī)碳Table 1 Soil organic carbon contents in different soil layers under different vegetation types

2.2 不同植被類型下土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的分布特征

在0～20 cm土層中，4種植被類型的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量均有顯著差異(P＜0.05，圖2)。土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量從大到小順序?yàn)樘烊恢脖坏?(30.62 t·hm?2)、樟子松地 (23.77 t·hm?2)、黃芪地 (15.11 t·hm?2)、苜蓿地(12.15 t·hm?2)。20～40 cm土層4種植被類型的碳儲(chǔ)量與表土層的規(guī)律一致。天然植被樣地有機(jī)碳儲(chǔ)量(21.81 t·hm?2)顯著高于其他3種樣地(P＜0.05)，其中黃芪樣地和苜蓿樣地碳儲(chǔ)量差異不顯著。同時(shí)，在0～40 cm土層內(nèi)，有機(jī)碳儲(chǔ)量表現(xiàn)出隨土壤深度加深而下降的趨勢(shì)，表土層顯著高于底土層(P＜0.05)。

圖2 不同植被類型土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量Figure 2 Soil organic carbon storage under different vegetation types

2.3 土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性

分析植被類型和土壤深度的交互作用發(fā)現(xiàn)(表2)：植被類型和土壤深度對(duì)土壤容重、土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及土壤碳儲(chǔ)量有極顯著的影響(P＜0.01)，植被類型對(duì)pH有極顯著影響(P＜0.01)。兩者之間的交互作用顯著影響土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(P＜0.05)。

表2 植被類型、土壤深度、土壤理化性質(zhì)和有機(jī)碳儲(chǔ)量的雙因素方差分析Table 2 Two-way ANOVAs on the effects of vegetation types and soil depeth on soil phsico-chemical properties and organic carbon storage

不同植被類型土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和儲(chǔ)量與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性見表3?？梢钥闯觯和寥烙袡C(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤pH呈極顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.01)，與容重呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05)，與含水量和電導(dǎo)率均呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)。有機(jī)碳儲(chǔ)量與pH也呈極顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.01)，還與電導(dǎo)率呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)。

表3 土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、有機(jī)碳儲(chǔ)量與土壤主要理化性質(zhì)的相關(guān)性Table 3 Correlation between organic carbon storage and major soil physical and chemical properties

3 討論

3.1 植被恢復(fù)模式對(duì)土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

本研究發(fā)現(xiàn)：樟子松、苜蓿和黃芪等3種人工植被土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著低于天然植被樣地。這是由于天然植被樣地并未受到建造電站時(shí)土方工程的影響，而光伏陣列建造過程中對(duì)表土以及原有植被進(jìn)行了移除，破壞了土壤結(jié)構(gòu)，會(huì)影響土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。這與CHOI等[15]和LARNEY等[16]等的研究結(jié)果一致。說明研究區(qū)經(jīng)過多年的植被恢復(fù)工作，養(yǎng)分循環(huán)尚未完全恢復(fù)到和原生土壤一致的水平。這3種人工植被樣地在0～20和20～40 cm土層中有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)從大到小均表現(xiàn)為樟子松地、黃芪地、苜蓿地。這可能是由于不同的植被類型會(huì)產(chǎn)生不同的凋落物，并且植物根系生物量及分布情況存在較大差異，均會(huì)造成土壤中有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差異[17]。同時(shí)，植被類型與土壤pH呈極顯著相關(guān)。張青青等[18]的研究中提到：不同植被類型土壤pH有所不同。本研究還發(fā)現(xiàn)：土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤容重、土壤含水量和土壤電導(dǎo)率呈顯著相關(guān)。大量的研究也表明：土壤容重、土壤含水量和土壤電導(dǎo)率通過影響土壤通氣性、植被根系生長(zhǎng)、枯枝落葉的分解速率以及土壤營(yíng)養(yǎng)元素吸收和轉(zhuǎn)化，來影響有機(jī)碳的分解速率[19?21]。

垂直方向上，3種植被類型有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均隨著土層的加深而顯著降低，說明表層土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)富集現(xiàn)象較為明顯。這與王玉婷等[22]和李若南等[23]的研究結(jié)論一致。一方面可能是人工建植促進(jìn)了植被覆蓋度和表層凋落物增多，增加外源有機(jī)質(zhì)輸入的同時(shí)，也促進(jìn)了土壤中微生物的分解轉(zhuǎn)化作用，幫助土壤積累有機(jī)碳[24]。另一方面，根系多盤踞在淺土層，分泌的碳水化合物、有機(jī)酸類等物質(zhì)[17]以及植物死根會(huì)促進(jìn)土壤固持有機(jī)碳。深層土壤中有機(jī)碳主要源于雨水淋溶和利用擁有較長(zhǎng)根系的灌木或喬木等來固定碳[25]，這也是20～40 cm土層內(nèi)樟子松樣地有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于黃芪和苜蓿樣地的原因。本研究中，植被類型和土壤深度及其交互作用均對(duì)土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)有極顯著的影響，表明植被類型和土壤深度是決定土壤有機(jī)碳分布的關(guān)鍵因素。

3.2 植被恢復(fù)模式對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響

本研究發(fā)現(xiàn)：天然植被的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量最高。3種植被恢復(fù)模式下的土壤固碳能力遠(yuǎn)沒有達(dá)到和原生土壤一致的水平，但是樟子松樣地的土壤碳儲(chǔ)量最高，說明喬木的碳匯能力遠(yuǎn)高于草地。韓魯艷等[26]的研究也證明：?jiǎn)棠灸墚a(chǎn)生遠(yuǎn)高于草地的凋落物歸還量，提高土壤固碳能力。草地根系相對(duì)較淺，其生物量和凋落物歸還量較少[27]。同時(shí)，樟子松作為一種常綠喬木，可以起到長(zhǎng)期有效的遮陰作用，降低林下溫度，減緩有機(jī)碳的礦化速率[28]。有研究顯示：常綠樹種較為發(fā)達(dá)的細(xì)根系統(tǒng)可以幫助其將更多光合產(chǎn)物固定到根部，達(dá)到有效固持土壤有機(jī)碳的效果[29]。

有機(jī)碳儲(chǔ)量隨土壤深度的加深而顯著降低，這與多數(shù)研究結(jié)果一致[30?31]。另外，土壤通氣狀況也會(huì)影響深層土壤中有機(jī)碳分解能力[32]，深層土壤空隙水分含量較低，通氣狀況適中，有機(jī)碳更易被分解[33]，不利于深層土壤儲(chǔ)存有機(jī)碳。整體上，植被類型和土壤深度均對(duì)有機(jī)碳儲(chǔ)量有極顯著的影響。GAO等[34]的研究表明：植被主要利用自身歸還凋落物、根系分泌物以及土壤微生物分解能力來影響土壤碳含量和儲(chǔ)量。許多研究[35?38]也證明了土壤深度是影響土壤碳含量和儲(chǔ)量的主要因素之一。土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和儲(chǔ)量與土壤pH呈極顯著負(fù)相關(guān)。原因是土壤中pH呈弱堿性時(shí)，會(huì)降低土壤微生物的活性[39]，從而降低有機(jī)質(zhì)的分解速率，不利于土壤有機(jī)碳的儲(chǔ)存。

本研究分析表明：該電站內(nèi)，即使樟子松樣地是3種植被恢復(fù)類型中有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和儲(chǔ)量最高的，但仍然遠(yuǎn)低于原生土壤的天然植被樣地，所以植被恢復(fù)作為一項(xiàng)持續(xù)任務(wù)，需要看更長(zhǎng)久的結(jié)果。后期要加大對(duì)該區(qū)域的研究力度，提高光伏電站生態(tài)修復(fù)科技支撐水平，促進(jìn)該區(qū)域生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)論

研究區(qū)內(nèi)的樟子松、黃芪和苜蓿樣地有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和儲(chǔ)量經(jīng)過8 a的恢復(fù)，仍然低于天然植被樣地。但在這3種植被類型中，樟子松樣地的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和儲(chǔ)量要顯著高于黃芪和苜蓿樣地。有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和儲(chǔ)量均隨土層深度的加深而顯著降低。植被類型和土壤深度及其交互作用顯著影響土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。此外，土壤pH和電導(dǎo)率也是影響土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和儲(chǔ)量的重要指標(biāo)。