白 龍,孫曉凱,劉 英,王曉紅,韓志松

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院草業(yè)科學(xué)系,遼寧沈陽 110866）

草地生態(tài)系統(tǒng)是陸地上面積最大的生態(tài)系統(tǒng),全球草地生態(tài)的碳儲(chǔ)量約占陸地生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量的15.2%[1],草地土壤的碳儲(chǔ)量約占草地總碳儲(chǔ)量的89.4%[2]?？梢?草地土壤碳積累特征對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究及大氣碳濃度變化規(guī)律的掌握有很重要的意義。草地生態(tài)系統(tǒng)的覆蓋類型主要以林地、灌叢草地、牧草地、耕地（旱田）、水田為主。林地土壤碳儲(chǔ)量多,轉(zhuǎn)化為農(nóng)田或牧草地會(huì)導(dǎo)致土壤碳流失[3-4]。Post和Kwon[5]認(rèn)為林地轉(zhuǎn)變?yōu)槟敛莸睾罂蓪?dǎo)致地上部分碳儲(chǔ)量減少,然而土壤有機(jī)碳則未必流失。Bashkin和Binkey[6]的研究表明,草地（甘蔗地）上種植桉樹（Eucalyptus）11年后表層土壤有機(jī)碳雖增加但總量流失。曹吉鑫等[7]在寧夏的研究表明,油松林的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量比灰榆林高3倍。石峰等[8]的研究表明,圍封對(duì)山地草地的土壤有機(jī)碳的增量尤為明顯。這些結(jié)果意味著土地利用與土壤碳積累方面存在很多不確定因素,需要更多試驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累。

20世紀(jì)60年代初開始,遼寧省風(fēng)沙地改良利用研究所采取林地、草地、林草等不同恢復(fù)模式,研究不同恢復(fù)模式對(duì)沙化草地恢復(fù)的效果。本試驗(yàn)以林地、栽培草地、天然草地、果-草、果-田及農(nóng)田等6種恢復(fù)模式為對(duì)象,分析了不同利用模式對(duì)草地土壤碳積累的影響及分布特點(diǎn),明確草甸草原區(qū)不同利用模式的碳積累特點(diǎn),為掌握土地利用變化引起的土壤碳釋放變化提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況本試驗(yàn)在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)野外實(shí)驗(yàn)基地——遼寧省風(fēng)沙地改良利用研究所章古臺(tái)試驗(yàn)站內(nèi)進(jìn)行。該基地位于遼寧省阜新市彰武縣章古臺(tái)鎮(zhèn)（42°43′N,122°22′E）,地處科爾沁沙地南緣,海拔226.5 m。起伏緩和的丘陵地帶,土壤為風(fēng)沙土。年均溫6℃左右,年均降水量500 mm左右,6-9月的降水量占全年的70%以上,年均蒸發(fā)量為1 750 mm左右,屬草甸草原地帶。該試驗(yàn)站1964年建立,建立前屬嚴(yán)重沙化的流動(dòng)沙丘,經(jīng)過圍封保護(hù)、推平后,采取不同模式促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)。在基地范圍內(nèi)選取以下6種土地恢復(fù)模式為研究對(duì)象:林地模式、果-草利用模式、果-田利用模式、栽培草地、天然草地、農(nóng)田模式。

林地模式:1964年種植的樟子松（Pinussylvestrisvar.mongolica）防風(fēng)固沙林,行距 3.0 m,株距2.8 m。

果-草利用模式:2002年之前以種植花生（Arachishypogaea）、玉米（Zea mays）等農(nóng)作物,2002年開始大扁杏（Prunus armeniaca）和紫花苜蓿（Medicago sativa）、麻黃（Ephedra sinica）套作,扁杏行距為8 m,本次試驗(yàn)選取大扁杏-紫花苜蓿模式。

果-田利用模式:2002年之前種植花生、玉米等農(nóng)作物。2002年開始大扁杏和玉米輪作,大扁杏行距為8 m,玉米施用化肥和農(nóng)家肥（羊糞）。

栽培草地:2006年之前種植玉米。2006年后改成羊草（Leymus chinensis）草地。

天然草地:1964年后的原始狀態(tài),當(dāng)?shù)亟小霸计浴?。差巴嘎蒿（Artemisia halodendron）、冷蒿（A.f rigida）、冰草（Agropyron cristatum）、胡枝子（Leapedeza bicolor）等灌木和草本為主的草地群落,蓋度在40%左右。

農(nóng)田模式:種植玉米已有20余年,施加農(nóng)家肥（羊糞）和化肥。

山谷有詩《贈(zèng)嗣直弟頌十首》，如“饑渴隨時(shí)用，悲歡觸事真。十方無壁落，中有昔怨人”，“江南鴻雁行，人言好兄弟。無端風(fēng)忽起，縱橫不成字”，“往日非今日，今年似去年。九關(guān)多虎豹，聊作地行仙”，“萬里唯將我，回觀更有誰。初無卓錐地，今日更無錐”，從中可以窺見山谷突遭變故漂泊天涯之心境。

以上不同土地利用模式的前提均為沙地,建所之后經(jīng)過推平、圍封后,保護(hù)至今,有很高的可比性。

1.2 研究方法

1.2.1土樣采集及土壤容重的測(cè)定 2009年7月,在6種利用模式中分別選出平坦、并具有代表性的地塊后,進(jìn)行土樣的采集工作。

土壤容重的測(cè)定:在6種模式中分別挖出1 m深土壤剖面各一個(gè),以20 cm為間隔劃分0～20、20～ 40、40～ 60、60～ 80、80～ 100 cm 的 5層后,用100 cm3環(huán)刀在每層中間取土壤3次,帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定土壤容重。

土樣的采集:果-草、果-田模式是大扁杏和紫花苜蓿,大扁杏和玉米的套作模式,大扁杏行距為8 m,植被差異較大。在以上2種模式的樣地上各選擇樣方5個(gè)。林地、天然草地、栽培草地、農(nóng)田4種模式,植被差異較小,在每種模式的樣地上個(gè)選擇樣方3個(gè)。每個(gè)樣方均勻選擇3個(gè)點(diǎn),按 0～20、20～40、40～60、60～ 80、80～100 cm 深度用土鉆分層取樣并混合后取500 g帶回實(shí)驗(yàn)室分析。

1.2.2有機(jī)碳含量測(cè)定 土壤有機(jī)碳含量用重鉻酸鉀容量法-外加熱法來測(cè)定[9]。在外加熱的條件下（溫度為180℃,沸騰5 min）用一定濃度的重鉻酸鉀-硫酸溶液氧化土壤有機(jī)質(zhì)（碳）,剩余的重鉻酸鉀用硫酸亞鐵來滴定,從所消耗的重鉻酸鉀量,計(jì)算有機(jī)碳含量。本方法測(cè)得的結(jié)果,與干燒法對(duì)比,只能氧化90%的有機(jī)碳,因此將測(cè)得的有機(jī)碳乘上校正系數(shù)1.1,以計(jì)算有機(jī)碳量。有機(jī)碳含量的計(jì)算公式:

式中,SOC為土壤有機(jī)碳含量（g/kg）,c為0.8 000 mol/L（1/6K2Cr2O7）標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度；5為重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液加入的體積（mL）；V0為空白滴定用去FeSO4體積（mL）；V為樣品滴定用去FeSO4體積（mL）；3.0為1/4碳原子的摩爾質(zhì)量（g/mol）；10-3為將mL換算為L(zhǎng)；1.1為氧化校正系數(shù)；m為風(fēng)干土樣質(zhì)量（g）；k為將風(fēng)干土換算成烘干土的系數(shù)。

1.2.3有機(jī)碳密度的計(jì)算 測(cè)定有機(jī)碳含量后,根據(jù)不同土層的容重,算出不同土層的有機(jī)碳密度。有機(jī)碳密度計(jì)算公式為:

式中,SOCt為1 m深土層總有機(jī)碳密度（t/hm2）；SOCi為不同土層有機(jī)碳密度（t/hm2）；Ci為i土層有機(jī)碳含量（g/kg）；Di為i土層土壤容重（g/cm3）；Ei為i土層土層厚度（cm）；Gi為i土層中大于2 mm的石礫所占的體積百分比（%）；i代表不同土層。本試驗(yàn)地土壤為風(fēng)沙土,大于2 mm的石礫極少,因此本研究中對(duì)Gi忽略不計(jì)。

1.3 數(shù)據(jù)處理計(jì)算結(jié)果用DPS統(tǒng)計(jì)軟件的完全隨機(jī)設(shè)計(jì)單因素試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析Tukey法進(jìn)行方差分析[10]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同恢復(fù)模式下土壤有機(jī)碳含量變化特征果-田利用模式的變化幅度最大,為0.24%～0.84%,土層的有機(jī)碳含量從上到下明顯逐漸減少,0～20和20～40 cm土層有機(jī)碳含量極顯著高于40～60、60～80和80～100 cm 土層的有機(jī)碳含量（P＜0.01）。果-草利用模式下,有機(jī)碳含量變化幅度最小,為 0.28%～0.46%,0～20、20～40和40～60 cm土層有機(jī)碳含量顯著高于 60～80和80～100 cm土層的有機(jī)碳含量（P＜0.05）。栽培草地模式下,土層從上到下有機(jī)碳含量基本是逐漸減少,只有40～60比20～40 cm土層有機(jī)碳含量稍稍增加,但差異不顯著（P＞0.05）,0～20 cm土層有機(jī)碳含量極顯著高于其他土層（P＜0.01）。農(nóng)田模式下,有機(jī)碳含量隨土層加深逐漸減少,0～20和20～40 cm土層有機(jī)碳含量極顯著高于其他土層（P＜0.01）。林地模式下,40～60 cm土層比0～40 cm土層有機(jī)碳含量稍稍增加,但差異不顯著（P＞0.05）,0～20、20～40和40～60 cm 土層有機(jī)碳含量極顯著高于60～80和80～100 cm土層的有機(jī)碳含量（P＜0.01）。天然草地模式下,40～60 cm土層有機(jī)碳含量比20～40 cm土層稍稍減少且差異不顯著（P＞0.05）,80～100與60～80 cm土層的有機(jī)碳含量極顯著高于0～20、20～40和40～60 cm 土層的有機(jī)碳含量（P＜0.01）。

果-田模式0～20 cm土層有機(jī)碳含量最大達(dá)到0.84%,林地模式80～100 cm土層有機(jī)碳含量最小,為0.14%。6種模式在100 cm土層有機(jī)碳含量均值:農(nóng)田模式（0.62%）＞果-田恢復(fù)模式（0.49%）=栽培草地模式（0.49%）=林地模式（0.49%）＞天然草地模式（0.45%）＞果-草恢復(fù)模式（0.40%）。在6種利用模式中,除了天然草地模式外,其他5種模式的有機(jī)碳含量具有隨土層深度增加逐漸減少的趨勢(shì),天然草地的有機(jī)碳含量具有隨土層深度增加逐漸增加的趨勢(shì)。

2.2 不同恢復(fù)模式下土壤有機(jī)碳密度值及變化特征有機(jī)碳密度變化特征與有機(jī)碳含量變化特征不同（表2）。果田、農(nóng)田模式的有機(jī)碳含量在不同土層之間有著明顯的差異,但有機(jī)碳密度卻不明顯。

表1 不同土地利用模式不同土層的有機(jī)碳含量

表2 不同土地利用模式不同土層的有機(jī)碳密度變化

在0～20 cm土層,果-田模式、農(nóng)田模式和栽培草地模式之間差異不顯著（P＞0.05）,且顯著高于其他3種模式的有機(jī)碳密度（P＜0.05）。在20～40 cm土層,農(nóng)田模式顯著高于其他5種模式的有機(jī)碳密度（P＜0.05）。在40～60 cm土層,農(nóng)田和林地模式之間差異不顯著（P＞0.05）,但均極顯著高于其他4種模式的有機(jī)碳密度（P＜0.01）,果-田、果-草、栽培草地和天然草地模式之間差異不顯著（P＞0.05）。在60～80 cm土層,農(nóng)田和天然草地模式極顯著高于其他4種模式的有機(jī)碳密度（P＜0.01）。在80～100 cm土層,天然草地模式極顯著高于其他模式的有機(jī)碳密度（P＜0.01）,果-田、果-草、栽培草地和農(nóng)田模式之間差異不顯著（P＞0.05）,林地模式極顯著低于其他模式的有機(jī)碳密度（P＜0.01）。

0～100 cm的5個(gè)土層,果-田模式的0～20 cm土層有機(jī)碳密度最大為26.76 t/hm2,林地模式80～100 cm土層有機(jī)碳密度最小為4.60 t/hm2,0～100 cm有機(jī)碳密度總量大小排序:農(nóng)田模式（103.76 t/hm2）＞果-田恢復(fù)模式（82.45 t/hm2）＞栽培草地模式（78.32 t/hm2）＞林地模式（77.74 t/hm2）＞天然草地模式（70.71 t/hm2）＞果-草恢復(fù)模式（66.56 t/hm2）,農(nóng)田模式極顯著高于其他模式的有機(jī)碳密度（P＜0.01）。

2.3 不同恢復(fù)模式下土壤有機(jī)碳積累特征果-田和栽培草地模式的有機(jī)碳貯量0～100 cm土層從上到下逐漸降低（圖1）。果-草、農(nóng)田和林地模式有機(jī)碳貯量在0～60 cm土層變化較小,在60～100 cm土層逐漸降低。天然草地模式的有機(jī)碳貯量在0～60 cm變化較小,在60～100 cm明顯增加。

圖1 不同利用模式下不同土層間有機(jī)碳貯量特征

圖2 不同利用模式下不同土層有機(jī)碳分布比例

在0～100 cm深土層,果-田和林地模式1/3左右的有機(jī)碳貯量分布在0～20 cm土層,60%左右的有機(jī)碳貯量分布在0～40 cm土層內(nèi),80%左右的有機(jī)碳貯量分布在60 cm以內(nèi)的土層內(nèi)（圖2）。果-草、栽培草地和農(nóng)田模式,30%左右的有機(jī)碳貯量集中分布在0～20 cm土層,50%左右的有機(jī)碳貯量分布在0～40 cm土層內(nèi),70%左右的有機(jī)碳貯量分布在60 cm以內(nèi)的土層內(nèi)。而在天然草地,40 cm以內(nèi)的有機(jī)碳貯量只占1/3左右,60 cm以內(nèi)的有機(jī)碳貯量才能達(dá)到50%左右。

3 討論與結(jié)論

3.1 不同恢復(fù)模式下土壤碳積累的差異研究表明,科爾沁沙地南緣6種不同模式的表層（20 cm內(nèi)）土壤有機(jī)碳含量在0.29%～0.84%。農(nóng)田模式最高。一般情況下,同一地區(qū)農(nóng)田的有機(jī)碳含量低于草地、林地,喬有明等[11]的結(jié)論是農(nóng)田土壤有機(jī)碳貯量低于栽培草地和圍欄草地。但以往的研究也證明[12],科爾沁沙地的大多數(shù)農(nóng)田的有機(jī)質(zhì)含量高于草地。本次研究中的農(nóng)田模式的作物為玉米,種植20余年,遼寧省風(fēng)沙地改良利用研究所自養(yǎng)的200只羊的羊糞都施肥于玉米地里。有研究報(bào)告,有機(jī)物施肥有助于提高土壤有機(jī)碳含量[13],這也許導(dǎo)致農(nóng)田模式有機(jī)碳含量居高的原因。林地和草地在自然狀態(tài)下,能夠反映本地區(qū)的有機(jī)碳積累能力。表層內(nèi),林地有機(jī)碳含量為 0.68%,草地0.29%,比科爾沁沙地中部偏少。

3.2 不同恢復(fù)模式下土壤碳積累的垂直分布特點(diǎn)在6種恢復(fù)模式中,有機(jī)碳的垂直分布出現(xiàn)三大類型。其中,果-田、栽培草地模式的有機(jī)碳貯量隨土層深度逐漸減少。本結(jié)果與楊曉梅等[14]、孔玉華等[15]、李裕元等[16]在黃土高原森林草原區(qū)、遼寧北部的圍封草地、黃土高原北部草地的研究結(jié)果基本一致。

天然草地恢復(fù)模式的有機(jī)碳貯量卻有隨土層深度逐漸增加的趨勢(shì)。這個(gè)結(jié)果不符合常規(guī)。土壤碳庫是有機(jī)質(zhì)輸入量和土壤呼吸的平衡結(jié)果,當(dāng)土壤呼吸強(qiáng)度大于有機(jī)質(zhì)輸入量時(shí),會(huì)出現(xiàn)表層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量逐漸減少。也許是本研究中的草地的土壤呼吸強(qiáng)度高于有機(jī)質(zhì)輸入量導(dǎo)致的結(jié)果。另外,可能是試驗(yàn)站始建當(dāng)初平整土地時(shí),地上部分的植被及凋落物等有機(jī)物被填埋到下層,導(dǎo)致土壤深層有機(jī)碳儲(chǔ)量比表層多。

還有一類是林地和果-草恢復(fù)模式,1 m深的有機(jī)碳儲(chǔ)量在0～60 cm內(nèi)無顯著（P＞0.05）變化,60 cm以下逐漸減少。林地與草地不同,林地的土壤有機(jī)碳輸入主要以地上凋落物為主,土壤表層中（0～20 cm）形成明顯的有機(jī)質(zhì)層[17]。但是本研究結(jié)果沒出現(xiàn)表層成層現(xiàn)象。本次試驗(yàn)中的林地雖然種植年限也有40余年,但結(jié)構(gòu)較單一,除了人工種植的樟子松以外沒有其他灌木類,土壤表層的凋落物也比較少,歸還土壤的有機(jī)物量少。另外,和草地一樣,也許是表層土壤的碳釋放量過快引起的。果草模式中,牧草刈割土壤表層沒有有機(jī)物覆蓋,導(dǎo)致歸還土壤的有機(jī)物量少,這可能是沒有形成表層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量過高的原因。

在0～100 cm深土層,除了天然草地外的5個(gè)利用模式,土壤有機(jī)碳貯量的80%左右在0～60 cm,而在天然草地,40 cm以內(nèi)的有機(jī)碳貯量只占1/3左右,60 cm以內(nèi)的有機(jī)碳貯量才能達(dá)到50%左右。通常,1 m深森林土壤內(nèi),有機(jī)碳的50%分布在表層20 cm以內(nèi),而草地僅有42%[17]。但本研究中,林地土壤20 cm內(nèi)的有機(jī)碳積累量只占30%左右。林地是1964年種植的樟子松針葉林,凋落物少于闊葉林,這也許影響林地土壤表層有機(jī)碳積累量少的緣故。

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