2019, Vol. 40
2. 宝鸡文理学院地理与环境学院, 陕西省灾害监测与机理模拟重点实验, 宝鸡 721013
2. Shaanxi Key Laboratory of Disaster Monitoring and Mechanism Simulation, College of Geography and Environment Engineering, Baoji University of Arts and Sciences, Baoji 721013, China
黄土高原地区地形破碎、沟壑纵横, 水土流失严重[1], 严重的水土流失导致其土壤碳库流失和土壤退化[2], 而水土流失治理可显著改善土壤理化性状和提高土壤碳储量[3, 4].而土壤碳库的恢复对维持地区的可持续发展和缓解气候变化具有重要意义[5, 6].因此, 在黄土高原地区, 研究地形和植被措施对土壤有机碳(SOC)时空变异性的影响, 对科学评价该区的土壤碳储量具有重要意义.
在地形条件复杂地区, 地形控制着地区的水土流失状况[1, 7], 支配着地区水热资源的空间分布[8, 9], 决定着地区植被群落的空间配置[10].因此, 植被措施、土壤微气候和土壤侵蚀均不同程度受到地形的制约, 从而导致有机碳储量在空间分布上的不均一[11, 12].随着植被的恢复, 不同地形部位的景观发生了巨大的改变[11, 13], 致使不同地形部位的SOC差异显著[14~16].除了地形因素以外, 植被措施/土地利用方式转化也是影响SOC的重要因素[17, 18], 且其主要通过改变进入土壤中有机物质的数量和质量影响SOC的时空变异性[19, 20].根系生物量占到陆地生态系统净初级生产力的70%以上[21], 而细根(d < 2 mm)的生物量占到总根系生物量的73%[22].此外, 大量的研究结果显示根系凋落物对土壤有机碳储量的贡献远远大于地表凋落物对土壤有机碳储量的贡献[19, 20, 23].但是, 目前大多数研究仅在相似或者单一地形条件下探讨不同植被条件下根系生物量对SOC的影响[3, 24~28], 但是同一植被措施下不同地形条件下根系生物量对SOC影响的研究很匮乏.
基于此, 本研究在黄土高原丘陵沟壑区的砖窑沟小流域内, 基于地貌类型(梁峁坡、沟坡和沟谷)和植被措施(农田、林地和草地措施)两大因素, 在流域尺度上采集土壤和根系样品, 探讨细根对土壤有机碳储量的贡献, 以期为合理估算地形复杂地区的碳储量提供数据支持和理论依据.
1 材料与方法 1.1 研究区域概况砖窑沟流域(39°11′06″~39°13′47″N, 111°12′03″~111°19′28″E)位于晋西北河曲县沙坪乡, 地势东高西低, 海拔845~1 244 m, 主沟方向为东西向, 长约14.2 km, 支沟从南北两面汇入, 南北剖面呈凹形, 分水岭与沟底高差达150~200 m, 起伏剧烈.流域(黄土丘陵沟壑区)沟壑密度为6.24 km·km-2, 沟谷切割深度一般在50~100 m之间, 有的高达200 m左右.流域总面积29.11 km2, 地貌类型由梁峁坡、沟坡和沟谷组成, 三者在流域内所占的比例分别为47.7%、47.3%、5.0%.流域内坡度在0°~15°范围之间的土地面积占整个流域面积的40.40%; 15°~25°之间占29.81%; 25°~35°之间占12.44%; >35°的占17.35%.
流域属大陆性季风气候, 年平均降水量447.5 mm, 蒸发量1 913.7 mm, 年内降雨主要集中在6~9月, 其中7﹑8月占全年降水量的52.3%, 并多为大雨和暴雨. ≥10℃的积温天数为140 d, 无霜期为156 d, 全年日照达2 856 h.多年平均大风日数87.2 d.以春季最多, 占41.64%.流域属于黄土高原典型的水蚀和风蚀交错区, 地面割裂度为55.1%, 年土壤侵蚀模数>20 000 t·km-2, 属于剧烈侵蚀.流域的土壤以栗褐土为主, 土壤层次发育不明显, 多表现出母质性状, 质地偏轻, 有机质含量一般在0.50%左右, 全N﹑全P仅0.04%和0.05%, 全K含量2.00%左右.
流域植被措施多样, 主要农作物有糜子(Panicum miliaceum L.)﹑玉米(Zea mays L.)﹑谷子(Setaria italica)等; 林地包括乔木林和灌木林, 且主要为人工林, 乔木林地主要有刺槐(Robinia pseudoacacia)林、小杨树(Populus simonii Carr.)林、沙枣(Elaeagnus angustifolia L.)林等, 灌木林有柠条(Caragana korshinskii Kom)﹑沙棘(Hippophae rhamnoides L.); 草地分为人工草地和天然草地两种类型, 其中人工草地主要有苜蓿(Medicago sativa L.)、香蒲(Typha orientalis Presl)、沙打旺(Astragalus adsurgens Pall.)等, 且主要分布在梁峁坡上, 而天然草地主要有草木樨(Melilotus suaveolens Ledeb.)、冰草(Agropyron cristatum L. Gaertn.)等, 且主要分布在沟坡上.
1.2 测定项目及方法 1.2.1 土壤和根系样品的采集基于小流域内的地貌类型和植被措施两大因素, 采用“分层次采样的方法” (0~20、20~40、40~60、60~80、80~100 cm, 共5层), 采集土壤和根系样品.将地貌类型[梁峁坡(对照)﹑沟坡和沟谷]作为一级层次, 将同一地貌类型条件下的不同植被措施[农田(对照)、林地措施﹑草地措施]作为二级层次.在流域内, 以横断面思路为依据, 采集土壤和根系样品, 并充分考虑空间异质性, 在沿途进行补点采样. 3种地貌类型在野外的判别依据为：沟缘线以上为梁峁坡(包括峁顶), 沟缘线以下到坡脚线以上为沟坡, 多个坡脚线之间相对平坦的地区为沟谷.结合砖窑沟流域的实际情况于2010年9月进行采样.采样时利用GPS定位, 并记录每个采样点的海拔、经纬度、地貌类型、植被措施等信息.
在流域尺度上采集不同地貌类型、不同治理措施的土壤样本99个, 其中梁峁坡上共采集了55个土壤样本, 沟坡上共采集了32个土壤样本, 沟谷上共采集了12个土壤样本, 林地措施下共采集了19个土壤样本, 草地措施下共采集了36个土壤样本, 农田措施下共采集了44个土壤样本(图 1).每个样本3~5次重复(“S”型路线), 其中0~20 cm土层采集了60个土壤样本, 0~40 cm土层采集了20个土壤样本, 0~100 cm土层采集了19个土壤样本.共计767个土壤样品, 其中0~20 cm的土壤样品大约为60%, 20~40 cm的土壤样品大约为23%, 而40~100 cm的土壤样品大约为17%, 采样土钻直径为3 cm.
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修改自文献[29] 图 1 砖窑沟小流域地貌类型和植被措施的样本分布示意 Fig. 1 Sampling sites at the Zhuanyaogou watershed based on vegetation type and landforms |
在流域尺度上, 基于地貌类型和植被措施两大因素, 以横断面思路为依据, 采集根系样本, 每个样本5次重复, 采样根钻直径为9 cm.在林地措施下, 在距树干分别大约0.3、0.5、1、1.5和2 m处随机进行根系样品的采集, 在草地措施下, 按照对角线法进行根系样品的采集, 在农田措施下, 2个样品在植株间进行采集, 而3个样品在行间进行采集.在流域尺度上共采集根系样本17个, 其中梁峁坡上采集了8个样本, 沟坡上采集了5个样本, 沟谷上采集了4个样本, 林地措施下采集了5个样本, 草地措施下采集了5个样本, 农田措施下采集了7个样本(图 1), 共计416个根系样品.将采集好的根系样品带回实验室, 人为利用镊子挑选里面的根系, 并根据直径将其分为两类, 细根(d≤2 mm)和粗根(d≥2 mm), 并将其于烘箱中在70℃下烘72 h至恒重.
1.2.2 样品分析新鲜样品混合均匀后, 在室内进行自然风干, 风干样品过0.15 mm筛后, 测定SOC (H2SO4-K2Cr2O7外加热法)含量(g·kg-1), 土壤容重的测定利用环刀法.
1.2.3 土壤有机碳密度和根系密度的估算土壤有机碳密度(SOCD)利用下列方程进行计算:
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(1) |
式中, SOCD是土壤有机碳密度(kg·m-2), SOCi是第i层的土壤有机碳含量(g·kg-1), BDi是第i层的土壤容重(g·cm-3), Di是第i层的土层厚度(m), m是土层的数量.
总土壤有机碳储量(TSOC)由下列方程计算:
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(2) |
式中, ASOCDi是第i层的土壤有机碳密度(kg·m-2), Si是第i层的面积(m2), Di是第i层的土层厚度(m), m是土层的数量.
根系密度(FRD)由下列方程计算:
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(3) |
式中, FRDi是第i层的根系密度(g·m-2), Ri是第i层的根系生物量(mg·cm-3), Di是第i层的土层厚度(m), m是土层的数量.
1.3 统计分析利用Excel软件进行数据的预处理, 利用Sigmplot软件进行有关基础图件的制作, 并用SAS软件的UNIVARIATE plot normal程序包对数据进行正态分布检验.利用SAS软件对不同地貌类型和不同植被措施条件下的SOCD和FRD进行了方差分析(GLM), 当F检验显著时再进行3种地貌类型(梁峁坡、沟坡、沟谷)和3种植被措施(农田措施、林地措施、草地措施)均值间的Duncan检验, 对同一地貌类型条件下不同植被措施以及同一植被措施条件下不同地貌类型进行方差分析(GLM), 当F检验显著时进行均值间的Duncan检验.此外, 利用SAS软件的PROC reg程序包对分析获得的SOCD (y)和FRD (x)进行回归分析(y=alnx+b), 拟合系数a值的大小可以间接反映根系-碳转化效率, 即每增加1单位的FRD其SOCD的增加量.
2 结果与分析 2.1 SOCD和FRD在流域尺度上的影响因素在砖窑沟小流域内, SOCD (0~100 cm)变化于2.79~4.95 kg·m-2之间(表 1), 其均值为3.48 kg·m-2, 且数据接近正态分布(W=0.91). FRD (0~100 cm)的变化范围为387~1 303 g·m-2, 其均值为713 g·m-2, 数据类似正态分布(W=0.87).同时, 研究结果显示, 除了地貌类型和植被措施交互作用对FRD的影响不显著以外(P>0.05), 植被措施, 地貌类型、土层厚度以及他们之间彼此的交互作用均显著地影响SOCD和FRD的空间变异性(P < 0.05).
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表 1 植被措施和土层厚度交互作用对SOCD和FRD的影响1) Table 1 Interaction of vegetation types, landforms, and soil depth with soil organic carbon density (SOCD) and fine root density (FRD) at the watershed scale |
2.2 在流域尺度上植被措施对SOCD和FRD的影响
在同一地貌类型条件下, 植被措施显著地影响SOCD和FRD的剖面分布特征, 且二者均呈现出表层(0~20 cm)大于下层(20~100 cm)的趋势(图 2).
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图 2 植被措施对SOCD和FRD的影响 Fig. 2 Effect of vegetation type on SOCD and FRD |
在梁峁坡上, 表层(0~20 cm)的SOCD呈现出林地措施(1.34 kg·m-2)>草地措施(1.09 kg·m-2)>农田(1.11 kg·m-2)的趋势(P < 0.05), 而表层农田和草地措施的SOCD差异不明显(P>0.05), 在20~100 cm土层, SOCD在农田、林地和草地措施之间的差异不显著(P>0.05);在沟坡上, 不同土层间(0~100 cm土层, 20 cm的间隔)的SOCD均呈现出林地措施(4.95 kg·m-2)>草地措施(3.04 kg·m-2)>农田(2.79 kg·m-2)的趋势; 在沟谷, 不同土层间(0~100 cm土层, 20 cm的间隔)的SOCD在农田和草地措施之间差异不显著, 但是仍呈现出农田大于草地措施的趋势(4.12 kg·m-2和3.19 kg·m-2).
在0~100 cm土层, 在梁峁坡上林地措施的FRD (1 037 g·m-2)分别是草地措施(619 g·m-2)和农田(387 g·m-2) FRD的1.7和2.7倍; 在沟坡上的FRD呈现出林地措施(1 303 g·m-2)>草地措施(756 g·m-2)>农田(472 g·m-2)的趋势; 在沟谷上的FRD也呈现出草地措施大于农田的趋势(571 g·m-2和559 g·m-2).
2.3 在流域尺度上地貌类型对SOCD和FRD的影响在同一植被措施条件下, 地貌类型对SOCD和FRD的剖面分布特征影响显著(P < 0.05), 且二者均呈现出表层(0~20 cm)大于下层(20~100 cm)的趋势(图 3).
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图 3 地貌类型对SOCD和FRD的影响 Fig. 3 Effect of landforms on SOCD and FRD |
在农田措施中, 0~40 cm (20 cm间隔)土层, 沟谷的SOCD (2.34 kg·m-2)分别是梁峁坡(1.77 kg·m-2)和沟坡(1.59 kg·m-2)的1.3和1.5倍, 然而沟坡和梁峁坡的SOCD差异不明显(P>0.05), 在40~100 cm土层, 地貌类型对SOCD的影响不显著(P>0.05);在草地措施中, 表层(0~20 cm)的SOCD呈现出沟谷(1.34 kg·m-2)>沟坡(1.11 kg·m-2)>梁峁坡(1.09 kg·m-2)的趋势(P < 0.05), 然而梁峁坡和沟坡的SOCD没有差异(P>0.05), 同时在20~100 cm土层(20 cm间隔), 沟谷、梁峁坡和沟坡的SOCD差异不显著(P>0.05);在林地措施中, 0~60 cm土层(20 cm间隔), 沟坡的SOCD是梁峁坡的1.30倍(3.59 kg·m-2和2.76 kg·m-2), 在60~100 cm土层中, 二者的差异不明显(P>0.05).
在同一植被措施下, 地貌类型对FRD的影响显著(P < 0.05).在0~100 cm土层, 农田措施下的FRD呈现出沟谷(559 g·m-2)>沟坡(472 g·m-2)>梁峁坡(387 g·m-2)的趋势; 草地措施下沟坡(756 g·m-2)和梁峁坡(619 g·m-2)的FRD分别是沟谷(571 g·m-2)的1.3和1.1倍; 在林地措施中, 沟坡的FRD是梁峁坡的1.3倍(1 303 g·m-2和1 037 g·m-2).
2.4 在流域尺度上SOCD和FRD在剖面上的相对分布比例在小流域尺度上, SOCD和FRD在不同土层厚度间(0~100 cm, 20 cm间隔)的相对比例差异显著(P < 0.05), 且二者均呈现出上层(0~40 cm)远远大于下层(40~100 cm)的趋势(图 4).
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图 4 SOCD和FRD在剖面内的相对分布比例 Fig. 4 Distribution ratio of SOCD and FRD in the soil profile(0-100 cm) |
在农田措施下, 梁峁坡0~40 cm土层的SOCD和FRD分别占整个剖面(0~100 cm)的57%和67%, 沟坡分别占57%和63%, 沟谷依次占57%和58%;在草地措施下, 梁峁坡0~40 cm土层的SOCD和FRD分别占整个剖面(0~100 cm)的55%和74%, 沟坡分别占58%和60%, 沟谷依次占67%和53%;在林地措施下, 梁峁坡上0~40 cm土层的SOCD和FRD分别占整个剖面(0~100 cm)的61%和62%, 沟谷依次占54%和60%.
在梁峁坡上, 农田措施下0~40 cm土层的SOCD和FRD分别占整个剖面(0~100 cm)的57%和67%, 草地措施下分别为55%和74%, 林地措施下依次为61%和62%;在沟坡上, 农田措施下0~40 cm土层的SOCD和FRD分别占整个剖面(0~100 cm)的57%和63%, 草地措施下分别为58%和60%, 林地措施下依次为54%和60%;在沟谷上, 农田措施下0~40 cm土层的SOCD和FRD分别占整个剖面(0~100 cm)的57%和58%, 草地措施下分别为67%和53%.
2.5 在流域尺度上FRD对SOCD的影响在流域尺度上, FRD是影响SOCD的重要因素(表 2), 本研究结果显示SOCD (y)随着FRD (x)增加呈现出对数增加的趋势(y=a lnx+b), 且拟合系数a可以指示根系-碳转化效率, 即每增加1单位的FRD其SOCD的增加量.
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表 2 不同植被类型和地形条件下的SOCD与FRD的对数回归分析 Table 2 Logarithmic regression analysis of SOCD and FRD for different landforms and vegetation types |
在同一植被措施下, 不同地貌类型间的根系-碳转化效率差异显著(P < 0.05).在农田措施下, 其根系-碳转化效率呈现出沟谷(0.87)>沟坡(0.43)=梁峁坡(0.43)的趋势; 在草地措施下, 其根系-碳转化效率呈现出沟坡(0.57)>沟谷(0.45)>梁峁坡(0.27)的趋势; 在林地措施下, 其根系-碳转化效率呈现出梁峁坡(0.56)>沟坡(0.44)的趋势.
在同一地貌类型下, 根系-碳转化效率因不同植被措施差异显著(P < 0.05).在梁峁坡上, 其根系-碳转化效率呈现出林地(0.56)>农田(0.43)>草地(0.27)的趋势, 在沟坡上, 其根系-碳转化效率呈现出草地(0.57)>林地(0.44)>农田(0.43)的趋势, 在沟谷上, 其根系-碳转化效率呈现农田(0.87)>草地(0.45)的趋势.
3 讨论在砖窑沟小流域的剖面中(0~100 cm), 其TSOC为3.48 kg·m-2, 这显著低于中国热带和亚热带东部的平均TSOC (21.4 kg·m-2)[30]、中国西南山区的平均TSOC (14.43 kg·m-2)[31]、整个中国的平均TSOC (9.6 kg·m-2)[32]、甚至也远远低于整个黄土高原地区的平均TSOC (7.7 kg·m-2)[33].砖窑沟小流域内其较低的TSOC可能归咎于严重的水土流失以及较少的降雨[1, 3, 4].但是, 砖窑沟小流域的TSOC却远远大于纸坊沟小流域的TSOC (3.48 kg·m-2和2.63 kg·m-2)[34], 这可能取决于地形条件, 因为在纸坊沟小流域内并没有考虑地形因素对SOC分布的影响, 而已有的研究结果显示地形显著地影响SOC的空间分布[33, 35].在本研究中, 植被措施和地貌类型对SOCD的影响显著(P < 0.05), 同一地貌类型条件下的SOCD呈现出林地措施>草地措施>农田措施的趋势, 其主要通过影响输入到土壤中有机物质(地上凋落物和地下根系)的数量和质量影响SOCD的时空变异性[19, 20].同一植被措施下的SOCD基本呈现出沟谷>沟坡>梁峁坡的趋势, 其主要通过侵蚀影响SOC的迁移与掩埋[2, 7, 36, 37]和控制土壤水分平衡, 从而间接影响SOCD的时空变异性[8, 38].
根系尤其是细根(d≤2 mm), 对土壤有机碳库的贡献高达25%~80%[39], 且根系在剖面内的分布状态影响着土壤剖面中碳的位置和数量[40].虽然根系凋落物是影响土壤有机碳储量的重要因素, 但是大多数研究仅在相似或者单一地形条件下探讨不同植被条件下根系生物量对SOC的影响[3, 25, 41], 但是同一植被措施下不同地形条件下根系生物量对SOC影响的研究很匮乏.本研究结果显示, SOCD和FRD具有较强的相关性(P < 0.05, 图 4和表 2), 且均呈现出上层(0~40 cm)大于下层(40~100 cm)的趋势(图 4).在梁峁坡和沟坡中, 有57%的SOCD分布在上层, 然而却有超过64%的FRD分布在上层, 即植被的根系分布比SOC的分布浅, 这与已有的研究结果相类似[40, 42].但是, 在沟谷中, 有超过62%的SOCD分布在上层, 然而仅有56%的FRD分布在上层, 这可能因为遭受侵蚀且富含有机碳的表土在沟谷进行沉积所造成的[11, 36].进一步的研究结果显示, SOCD随着FRD的增加呈现出对数增加的趋势(表 2), 而在中国不同景观类型下的研究发现SOCD随着FRD的增加呈现出线性增加的趋势[41].除了地下根系凋落物以外, 土壤温度、土壤水分、地上凋落物、地形以及土壤微生物的群落结构等因素均影响SOCD的空间分布[7, 23, 43, 44], 因此对数关系模型更能客观公正地反映FRD对SOCD的贡献, 且拟合系数a值的大小, 能间接地反映根系-碳转化效率, 即每增加单位FRD时SOCD的增加量.
同一地貌类型条件下的根系-碳转化效率的差异与有机物质的数量和性质关系密切, 这与已有的研究结果基本吻合[3, 25, 41].但是, 同一植被措施下, 不同地形条件下根系-碳转化效率的差异可能是地形、人类活动、根系凋落物归还量以及土壤侵蚀综合作用的结果[4, 7, 50, 51].在农田措施下, 其根系-碳转化效率呈现出沟谷(0.87)>沟坡(0.43)=梁峁坡(0.43), 其可能是土壤侵蚀和人类活动综合作用的结果, 一方面随侵蚀迁移和搬运的泥沙和径流分别在沟谷和沟坡进行沉积, 造成该部位的有机碳的富集[4, 45], 另一方面由于沟谷地形平坦, 人类活动(耕作、施肥、灌溉)的加剧间接导致农田措施下的FRD呈现出沟谷(559 g·m-2)>沟坡(472 g·m-2)>梁峁坡(387 g·m-2)的趋势, 进而影响根系-碳转化效率; 在草地措施下, 其根系-碳转化效率呈现出沟坡(0.57)>沟谷(0.45)>梁峁坡(0.27)的趋势, 其可能与植被措施类型有关, 沟坡由于其较大的坡度不利于人类活动, 导致沟坡上的草地以自然恢复的草地为主(本土植被), 而本土植被对环境具有较强的适应性以及抵抗外界干扰的能力[46, 47], 可能不同程度地增加了其根系-碳转化效率; 在林地措施下, 其根系-碳转化效率呈现出梁峁坡(0.56)>沟坡(0.44)的趋势, 这可能与地形限制人类活动和人类对植被措施的选择等因素有关, 而植被措施和人类活动反过来通过影响土壤的物理、化学和生物属性而间接影响SOC的空间分布和储量[33], 进而影响根系-碳转化效率.因此, 从增加根系-碳转化效率的角度而言, 根据对数关系模型结果的进一步分析得到：梁峁坡是恢复林地措施的最佳地形部位, 沟坡是恢复草地措施的最佳地形部位, 而沟谷是农作物生长的最佳地形部位(平坦的地形条件和较高的水分以及SOC储量).
4 结论在地形条件复杂的地区, 量化根系对SOC的贡献对科学评价水土流失区的土壤碳储量具有重要意义.地形、植被措施和土层厚度及其交互作用显著地影响SOCD和FRD在流域内的空间分布.在流域尺度上, FRD对SOCD的影响显著(P < 0.05), 且SOCD (y)随着FRD (x)增加呈现出对数增加的趋势(y=a lnx+b).在农田措施下, 其根系-碳转化效率呈现出沟谷>沟坡=梁峁坡的趋势; 在草地措施下, 其根系-碳转化效率呈现出沟坡>沟谷>梁峁坡的趋势; 在林地措施下, 其根系-碳转化效率呈现出梁峁坡>沟坡的趋势.因此, 在砖窑沟小流域内, 从增加根系-碳的转化效率角度而言, 沟谷适合进行农业生产, 沟坡适宜进行退耕还草, 而梁峁坡适合进行退耕还林.
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