黃土丘陵溝壑區(qū)坡耕地農田土壤碳庫動態(tài)及碳循環(huán)特征

黃土丘陵溝壑區(qū)坡耕地農田土壤碳庫動態(tài)及碳循環(huán)特征

土壤中的有機碳（si）含量約占土壤生物圈碳儲量的三分之二，但每年約4%的資石進入土壤碳儲量，并以co的形式釋放。因此，土壤中的有機碳不僅是碳的集合，也是碳的來源。全世界土壤碳儲量的增加將有助于緩和目前因人為活動而導致大氣CO2濃度日益升高的問題,而土壤CO2的釋放則會顯著加劇大氣中CO2濃度的增高。另外,SOC含量常被認為是評價土壤質量的一個重要指標,是一項重要的土壤性質。而土壤的長期肥力作為維持農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)產高產和環(huán)境安全的最基本條件,卻取決于土壤碳儲量的多少。資料顯示,為提高土壤碳庫儲量,農業(yè)措施應從增加有機碳的輸入量(如草田輪作、保留殘茬以及施用肥料等)和減少土壤有機碳的礦化(如少耕、免耕)兩方面入手。因此,有必要對能提高土壤碳匯能力、降低碳源能力的農業(yè)管理措施做更深入的研究。黃土高原地域遼闊,自然條件復雜多變,地勢陡峭,支離破碎,現(xiàn)有耕地1.691×107hm2,其中坡耕地占71%,每年每hm2流失土壤30～60t,水土流失十分嚴重。資料顯示,黃河年輸沙量1.6×109t中約50%來自坡耕地,說明坡耕地是水土流失的策源地。而每t流失土壤中,約含有機質9.6～2.1kg,相當于5.6～1.2kg有機碳。因此,治理水土流失,保護生態(tài)環(huán)境,改善農業(yè)生產條件十分迫切。本研究就是在驗證DNDC模型(Denitrification-Decompositionmodel,脫氮-分解作用模型)在黃土丘陵溝壑區(qū)應用可行性的基礎上,模擬長期定位試驗土壤碳庫的變化,研究黃土丘陵溝壑區(qū)坡耕地農田土壤碳庫儲量動態(tài)變化及碳循環(huán)特征,不僅可以為該地區(qū)農業(yè)土壤培肥提供科學依據(jù),以提高耕作產量,更能為科學減排CO2做出相應的貢獻,因而具十分重要的現(xiàn)實意義。1材料和方法1.1土壤肥力觀測場山地研究測定地點為中國科學院安塞水土保持綜合試驗站的長期定位試驗場。觀測場地位于陜西省安塞縣沿河灣鎮(zhèn)寺崾峴村(109°14′E,36°44′N),海拔1070m,處于丘陵溝壑區(qū)的坡地上,坡度19°,坡向北。屬暖溫帶半濕潤季風氣候,年均氣溫為8.8℃,年均降水量541.2mm,有效積溫(>10℃)為3114℃。該觀測場代表黃土丘陵溝壑區(qū),土壤為黃綿土,養(yǎng)分比較貧瘠,無灌溉條件,靠天然降水進行農業(yè)生產,屬于一年一熟制地區(qū)。耕作制度為谷子[Setariaitalica(L.)Beauv.]→蕎麥(FagopyrumesculentumMoench)→谷子→糜子(PanicummiliaceumL.)的輪作體系。研究在已連續(xù)多年長期定位施肥試驗(1983年谷子季開始)小區(qū)中進行,小區(qū)面積20m2(4m×5m)。研究共設4個土壤施肥處理,3個重復,即不施肥對照(CK)、單施氮肥(N)、單施有機肥(M)、有機肥+氮肥(MN,以下簡稱配施)。施用量:氮肥——純N52.5kg/hm2,折尿素114.15kg/hm2;有機肥——圈糞7500kg/hm2,平均約合有機碳1293.47kg/hm2,且C/N比為13。施肥種類及方式為:有機肥做種肥,條施于播種溝中,尿素以22.85kg/hm2做種肥,其余91.3kg/hm2做追肥于拔節(jié)期開溝追施。試驗選用1995年秋開始至2003年秋的數(shù)據(jù),1995年秋土壤養(yǎng)分含量如表1所示。1.2dndc模型DNDC模型由兩部分組成:第一部分包含土壤氣候、植物生長和有機質分解等3個子模型,其作用是根據(jù)輸入的氣象、土壤、植被、土地利用和管理等數(shù)據(jù)來預測植物-土壤系統(tǒng)的諸環(huán)境因子的動態(tài)變化;第二部分包含硝化、反硝化和發(fā)酵等3個子模型,這部分的作用是由土壤環(huán)境因子來預測微生物對C和N的各種轉化速率。這6個子模型以日或小時為時間步長,互相傳遞信息,以模擬真實世界中環(huán)境條件-植物生長-土壤化學變化間的相互作用。DNDC包含了在陸地生態(tài)系統(tǒng)中起主導作用的物理、化學及生物過程,雖然每一具體的反應方程式都是簡單的,但數(shù)百個方程式交互反饋,使整個模型得以再現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)中種種非線性過程。有關該模型的詳細結構、方程和輸入?yún)?shù)見文獻說明。DNDC模型自1992年問世以來,已在世界許多地區(qū)得到驗證并開展了應用研究,在我國也有驗證和相關方面的應用研究[3,12,13,14,15,16,17],結果顯示,DNDC模型適用于中國某些試驗地的具體情況,并能應用于進一步的研究中。但是,黃土丘陵區(qū)DNDC模型的適用及應用情況仍少見報道,而本文對區(qū)內坡耕地的研究報道則尚屬首次,因而有必要進行驗證。本文利用安塞試驗站長期定位試驗0～30cm土體中的實際測定結果,從模型模擬SOC動態(tài)變化方面進一步驗證DNDC模型的適用性。1.3作物及田間數(shù)據(jù)氣象數(shù)據(jù):主要包括每天的最低、最高氣溫與日降水量。土壤數(shù)據(jù):主要包括容重、質地和粘粒含量、土壤有機質、全氮及pH值等數(shù)據(jù)。作物及田間管理數(shù)據(jù):主要包括土地利用類型、作物產量、作物物候(播種期和收獲期)、肥料使用量(無機肥為尿素;有機肥區(qū)別不同的碳氮含量及碳氮比)、施肥時間(種肥和追肥)、耕地(時間和方式)、秸稈還田比例和除草(時間和方式)等。以上數(shù)據(jù)均由中國科學院安塞水土保持綜合試驗站提供。數(shù)據(jù)采用Excel2003錄入及繪圖,采用SPSS15.0進行相關性分析,并用LSD法進行多重比較。1.4氣候變化預壓變量大部分土壤有機質組分在土壤中轉化較為漫長,因此,有必要研究不同施肥管理措施下SOC的長期變化。寺崾峴坡地長期定位試驗場在1983年布設近半世紀后,即至本世紀30年代,不同處理對SOC含量又會產生何種長期影響,有必要進行模擬研究。而此次長期模擬從1996年開始,至本世紀30年代將歷時40年。本研究利用《氣候變化2007:綜合報告》中對未來氣候變化的預估,即在一系列SRES排放情景下,未來20年將以每10年增加大約0.2℃的速率變暖。報告中同時指出,在過去的10年(1995—2005年)中,全球大氣中CO2的體積分數(shù)年增長率為1.9×10-6。因為是長期定位試驗,未來40年仍可保持目前的耕作管理水平;而假設未來氣候在近8年氣候重復的基礎上,氣溫維持預估的增長率,即以平均每年增加大約0.02℃的速率變暖;大氣中CO2的體積分數(shù)維持過去10年的增長率,即以360×10-6作為1995年的本底值,并以每年大約1.9×10-6的速率升高,以期能模擬未來40年氣候的動態(tài)變化。2結果與分析2.1模擬結果與實測值對比從表2中可以看出,不施肥(CK)不利于SOC的積累,DNDC模型模擬結果始終下降,而相應的實測值雖在2001年左右表現(xiàn)出明顯的波動,但總體上始終保持下降的趨勢,兩組數(shù)值相比較r=0.905(P<0.01),表現(xiàn)出極強的一致性。單施氮肥(N)處理的模擬結果處于階梯型的增長狀態(tài),而相應的實測值卻也在波動中有所提高,相比較r=0.945(P<0.01),表現(xiàn)出極好的一致性。從表2中可以看出,單施有機肥(M)與配施氮肥(MN)均能顯著提高SOC含量,模擬結果與實測值總體上均表現(xiàn)出明顯的上升趨勢,且實測值圍繞著SOC模擬含量上下波動,M與MN處理的r值分別為0.901、0.892(P<0.01),表現(xiàn)出了極強的擬合性。以上驗證可以說明DNDC模型可用來模擬和預測該地區(qū)土壤有機碳的變化。2.2不同處理的c-斜坡耕地的c循環(huán)特征2.2.1dndc模型法土壤耕作層的碳主要以有機物形式存在,農作物收割后,根和枯枝敗葉回歸土壤,并被微生物分解和同化,同時釋放出CO2,這些土壤微生物死亡后,轉為多種組分的腐殖質,其中活性部分的腐殖質可進一步被微生物利用和分解,釋放出CO2,直至最后變成比較穩(wěn)定的惰性腐殖質,進而增加土壤有機碳的儲量(SOCstorage)。其儲量盈虧變化取決于外源碳的進入量和內源碳礦化分解量的相對大小。而DNDC模型也是基于上述原理建立起來的。圍繞1m深度土層中土壤碳庫儲量,每年有各種形式的C輸入與輸出,這樣就使碳庫處于不斷積累和分解的動態(tài)變化過程中。模型涉及到的C輸入源包括施用的肥料(Fertilizer,分為無機氮肥與有機糞肥)、作物殘體(Cropresidues,由枯落物與根茬組成)和作物根系分泌物(Rootexudate),而土壤微生物對有機質(土壤有機質、農作物枯枝落葉及死根)的分解(即異氧呼吸,heterotrophicrespiration,RH)釋放的CO2為此次模擬中僅有的C輸出項。2.2.2對根系混合物的影響表3顯示,較不施肥,M與MN兩處理下,作物殘體產量增產極顯著,8年間平均增產均為1285.01%,而N處理下則增產顯著,平均增產948.26%。另外,根系分泌物僅在M與MN兩處理下,增產顯著,8年間平均增產均為1419.36%。總之,單施或配施有機肥均能顯著提高作物殘體的C攜入量,即提高土壤的“碳匯”能力。在兩外源輸入項中,M與MN兩處理的C攜入量完全相同,這有很多不確定性,將在討論中詳細說明。2.2.3施肥對土壤異氧呼吸的影響農田生態(tài)系統(tǒng)中土壤呼吸排放的CO2主要來自土壤微生物對有機質的分解(即異氧呼吸,RH)以及農田作物根系呼吸(即有氧呼吸,aerobicrespiration,RA),而在此次模擬中土壤排放的CO2僅來自于異氧呼吸。表3顯示,較不施肥,M與MN處理下土壤異氧呼吸增產極顯著,8年分別平均增產2194.09%和2197.18%,而N處理下增產不顯著。這表明,單施或配施有機肥均能極顯著促進土壤異氧呼吸,提高土壤的“碳源”能力。張福申和沈宏等認為,長期施用有機肥能顯著提高土壤活性有機碳含量,為土壤微生物提供了可供腐殖化作用的活躍底物,有利于微生物的繁育生長。同時,配施氮肥CO2排放要較單施M肥8年平均增產3.09%,可能多配施的N肥促進土壤有機質的礦化分解,即產生了激發(fā)效應(起爆效應)。2.2.4碳庫及其分配圖1顯示,不同處理間SOC儲量總體上差異較大,且表現(xiàn)出MN>M>CK>N的順序。然而不同處理8年間SOC儲量的盈虧狀況,卻表現(xiàn)出M>MN>N>CK的順序。這表明外源C、N施入后,一方面可直接充盈土壤碳庫,另一方面可通過提高作物產量,增強作物對SOC的回饋強度來間接提高碳儲量。與初始狀態(tài)相比,8年間M與MN處理分別提高了25.55%和24.43%,MN處理累積較不顯著,可能為多配施的N肥產生了激發(fā)效應(起爆效應),提高了土壤的“碳源”功能。同時,在不施肥,即無外源C、N施入時,土壤有機質得不到補充,只能靠消耗土壤碳庫儲量來維持有限的作物產量,土壤肥力狀況不斷惡化,與初始狀態(tài)比,CK處理8年間降低了1.24%。但在單施氮肥時,作物產量的提高使得回饋量相應提高,土壤碳庫儲量8年間緩慢提高了0.50%。2.3初始soc含量的變化40年長期模擬表明(圖2):CK與N處理[圖2(a)],0～30cm土壤有機碳含量總體都呈現(xiàn)下降趨勢,且CK處理的下降幅度更趨顯著。而N處理下,SOC含量始終處于波動狀態(tài),但總體上呈現(xiàn)先升后降的趨勢。與初始SOC含量相比,CK處理40年后下降了3.52%,平均每年減少6.25kgC/hm2,而N處理的下降率則有0.38%,平均每年降低0.725kgC/hm2。M與MN[圖2(b)]兩處理SOC含量均呈上升趨勢,尤以M處理提高效果顯著,可能為多配施的N肥促進土壤有機質的礦化分解,即產生了激發(fā)效應(起爆效應)。40年后M與MN處理SOC含量分別比初始值增加了90.29%、86.46%,每年分別平均提高176.15、175.125kgC/hm2。3討論3.1土壤有機碳的減少擬合的結果較為理想,但仍存在不足。李長生指出模型理想化了實際環(huán)境,其結果僅代表SOC變化的一個估計,并不涉及由物理侵蝕造成的SOC損失。資料顯示,在黃土丘陵溝壑區(qū)的坡地上,由水力、風力等外營力造成的土壤流失和風蝕也是農田土壤有機碳的損失原因,且水土流失尤為嚴重。除此以外,林心雄等發(fā)現(xiàn),黃土高原土壤質地為砂性,pH值在中性偏堿性范圍內,適宜有機物料的分解轉化,不利于有機物料積累。再加上模擬年限較短、試驗樣地類型單一、試驗小區(qū)面積小等因素,DNDC模型的驗證及應用工作有待深入。3.2模擬結果與soc變遷資料顯示,長期處于同一耕作制度下的土壤,其有機質含量可認為已達到穩(wěn)定態(tài)。輪作和耕作措施的改變,將使有機質含量增加或減少,一般需要十幾年、幾十年甚至更長的時間才能達到新的平衡點。且一般認為與新的平衡值相比,SOC初始含量較低時,SOC含量呈高速增長趨勢;當初始值達到平衡值時,年增長率為零,此時達到一個動態(tài)平衡,即在一定條件下SOC達到了飽和狀態(tài);當初始值高出平衡值時,SOC出現(xiàn)負增長。長期定位施肥試驗于1983年谷子季開始,原有的輪作和耕作措施改變,并使原先的土壤有機質穩(wěn)態(tài)改變,現(xiàn)今的實測數(shù)據(jù)表明改變仍在繼續(xù)。此次40年模擬結果切實反映了SOC的變遷:在除植物源外,CK[圖2(a)]沒有外源C、N的輸入,無以維持原先的土壤有機質含量,不斷下降,并表現(xiàn)出降低日趨緩和的趨勢。N處理的SOC含量對唯一的植物源碳依賴較高,表現(xiàn)出近乎4年一輪作期為一周期的波動,而整體上有先升后降的趨勢。M與MN[圖2(b)]兩處理SOC含量因為有機肥的不斷施入,每年作物生產利用量、土壤微生物礦化降解量無法平衡,使得有機肥碳不斷積累,但積累日趨緩和,并將達到新的平衡點。3.3化肥的攜帶入量在兩外源輸入項中,M與MN兩處理的C攜入量完全相同,對其原因,存在很多不確定性。尿素純N攜入量較少是一方面,有機肥平均每年能攜入約9