黑土坡耕地侵蝕和沉積對土壤有機碳的影響

黑土坡耕地侵蝕和沉積對土壤有機碳的影響

土壤侵蝕，從土壤聚集體破壞到侵蝕，景觀中重新分布，最終在洼地和海洋生態(tài)系統(tǒng)中積聚，經(jīng)歷了四個階段。土壤有機碳(SOC)含量在這四個階段均發(fā)生顯著變化,并因土壤水熱狀況、有機物的質量和數(shù)量、土壤屬性的差異而不同。土壤侵蝕引起土壤水穩(wěn)性大團聚體的分散和破壞,使原先被大團聚體包裹的有機碳暴露,在微生物作用下分解礦化,加速大團聚體的周轉,最終導致SOC含量減少。并且,與不同粒級團聚體結合的有機碳對微生物分解礦化存在不同程度的響應。與此同時,侵蝕物質如土壤粘粒、顆粒態(tài)有機質(POM)、微團聚體等沿坡遷移,在低洼的沉積部位累積;加之土壤水分和營養(yǎng)元素的輸入,促進了生物量的形成和團聚體的穩(wěn)定,進而減緩SOC的礦化。但是,上述觀點都基于如下假設:沉積區(qū)粘粒和水分含量增加,形成一個難氧化環(huán)境,促進SOC累積,避免其礦化。但上述假設在田間還有待驗證。而且,當前對景觀中由土壤再分布引起的SOC損耗和截留過程與機理認識不足,尤其是對深埋作用下沉積區(qū)埋藏土壤中的有機碳動態(tài)缺乏深入的研究。本文主要研究目的是:(1)以常年處于氧化環(huán)境,土壤侵蝕和沉積明顯的東北黑土旱田坡耕地為研究對象,從土壤結構出發(fā),研究土壤侵蝕和沉積對不同粒級顆粒和團聚體結合態(tài)有機碳的影響。(2)選擇典型地形斷面(Transect),研究不同地形部位各粒級顆粒和團聚體結合態(tài)有機碳含量的深度變化特征,分析侵蝕碳的遷移及截留(Sequestration)過程。研究結果將在一定程度上解釋土壤侵蝕和沉積引起的SOC損耗和截留機理。1材料和方法1.1坡位地形及采樣點位置研究區(qū)位于東北黑土區(qū)南部沫石河小流域(北緯44°43′,東經(jīng)125°52′)。屬于半濕潤溫帶大陸性季風氣候,年均氣溫4.5℃,年均降水533.7mm。采樣區(qū)位于集水盆地北坡,地形為典型的“S”型坡,坡長為253m,坡度小于5°,最大相對高程為11.7m。沿坡選擇3個地形斷面,每個斷面相距25m,在每個斷面上劃分坡頂、坡肩、坡背、坡腳和坡趾等5個部位,各部位間的距離分別為15m、75m、95m和40m。采樣點位置分布圖參見文獻。各地形部位坡度、土壤侵蝕狀況以及部分土壤屬性如表1所示。土壤原始植被為草原化草甸,以雜草群落為主。研究區(qū)大概有200a的開墾歷史,目前的土地利用方式為農田,玉米連作一直是該區(qū)的主要種植方式,長期順向打壟和耕翻加劇了土壤沿坡面的再分布。1.2土樣中各粒級土壤顆粒研磨、活性重質體的分離和測定沿著3個地形斷面,用取土鉆(Ф=5cm)多點采集各地形部位表層0～20cm的土壤。同時,根據(jù)土壤侵蝕梯度建立一個典型斷面,斷面上各部位挖掘一個深2m左右的土坑。0～50cm范圍土層以5cm間隔進行采樣,50～100cm范圍土層以10cm間隔進行采樣,100cm以下土層以20cm間隔進行采樣。土樣在田間濕度下過7mm篩,自然風干后保存。土壤顆粒態(tài)有機碳(Particulateorganiccarbon,POC)按照Cambardella和Elliott提供的方法測定。將風干土過2mm篩,去除肉眼可見的植物根系等雜物。稱取10g預處理土樣,放入塑料瓶中,加入30ml5gL-1的六偏磷酸鈉溶液,在往復式振蕩器上振蕩15h,分散。分散液置于53μm篩上,用清水沖洗直至瀝濾液澄清。再將篩上保留物分離為粗顆粒態(tài)有機質(CoarsePOM,250～2000μm)和細顆粒態(tài)有機質(FinePOM,53～250μm)。各分離組分在60℃下烘干稱重,計算其所占全土的百分比。然后,將各粒級土壤顆粒磨碎過100目篩,用元素分析儀(ThermoFinnigan,Italy)測定其碳濃度(Cgkg-1土壤顆粒),乘以各自所占土壤的百分比計算出粗、細POC的含量(Cgkg-1土)。礦質結合態(tài)有機碳(Mineral-boundorganiccarbon,MOC,<53μm)為SOC和POC之差。土壤水穩(wěn)性團聚體參考Yang和Wander提供的方法測定。稱取25g風干土樣,放入水穩(wěn)性團聚體分析儀套篩上(上下振幅為30mm,頻率為30rmin-1),浸潤10min后,濕篩2min。收集殘留在1000μm和250μm篩上的土壤顆粒,烘干稱重,分別計算出粗大團聚體(>1000μm)、細大團聚體(250～1000μm)和微團聚體(<250μm)的質量分數(shù)。其中,粗、細大團聚體統(tǒng)稱為水穩(wěn)性大團聚體(>250μm)。然后將分離的各粒級水穩(wěn)性團聚體磨碎過100目篩,用元素分析儀測定其碳含量,代表各粒級團聚體中有機碳的濃度(Cgkg-1團聚體)。而將團聚體結合態(tài)有機碳含量定義為單位質量土壤中含有某一粒級團聚體有機碳的量(Cgkg-1土),等于該粒級團聚體所占百分比與團聚體碳濃度的乘積。因本研究供試黑土不含碳酸鹽,所以總碳即為總SOC。1.3均值的比較檢驗利用SAS軟件對數(shù)據(jù)進行單因素方差分析,用Fisher最小顯著度(LSD)進行均值的比較檢驗。另外,用該軟件進行相關分析,并用Origin軟件進行繪圖。2結果與分析2.1不同地形侵蝕部位微團聚體含量變化坡頂侵蝕微弱,且沒有上坡侵蝕泥沙輸入的影響,因此可作為其他地形部位的對照點。由表2可見,坡肩SOC含量明顯低于坡頂和坡背(p<0.05),坡腳和坡趾的SOC含量也顯著低于坡頂對照點。另外,坡肩和坡背礦質結合態(tài)有機碳(MOC)含量明顯低于坡頂,但上坡三個侵蝕部位的POC含量無顯著差異(p>0.05),說明土壤侵蝕導致表層土壤MOC含量明顯降低,但對POC影響不大,三個侵蝕部位表層SOC含量的差異主要是由MOC流失所致。沉積部位(尤其是坡腳)POC含量和POC/SOC較上坡侵蝕部位低,反之MOC含量和MOC/SOC較侵蝕部位高,說明沉積區(qū)MOC相對累積,而POC發(fā)生損耗。上坡侵蝕部位大團聚體含量依次為:坡肩<坡背<坡頂,而微團聚體含量變化趨勢相反;沉積區(qū)大團聚體含量較低,而微團聚體含量相對較高(表2)。團聚體結合態(tài)有機碳與團聚體含量變化并不一致,侵蝕部位大團聚體結合態(tài)有機碳(Macro-AOC)和微團聚體結合態(tài)有機碳(Micro-AOC)均隨土壤侵蝕速率的增加而減少;沉積區(qū)大團聚體結合態(tài)有機碳含量低于坡頂,而微團聚體結合態(tài)有機碳卻高于坡肩(表2)。2.2坡腳部位碳組分含量的變化由圖1可見,上坡三個侵蝕部位粗、細POC和MOC含量隨土壤深度增加呈指數(shù)下降,并且表土中三者下降幅度依次降低,反映了表土不同粒級有機碳組分對溫度、水分及土壤侵蝕狀況有不同程度的響應,并隨粒級的增加有機碳礦化損失加劇。坡腳部位三個碳組分與SOC具有相似的深度變化特征,表現(xiàn)出明顯的土壤累積和埋藏特征,即先下降到25cm深度附近,接著迅速增加到埋藏層(70cm)達到最大值,然后隨土壤深度增加下降至剖面的最小值。但是,埋藏層土壤粗POC含量明顯低于目前耕層(0～20cm)土壤,而埋藏層細POC和MOC含量卻顯著高于耕層土壤。坡趾除了粗POC含量無明顯的堆積和埋藏特征外,細POC和MOC含量與總SOC含量變化相似,在80cm深處的埋藏層出現(xiàn)峰值,但埋藏層土壤MOC含量僅為耕層土壤的70.6%。相關分析表明,小粒級的有機碳組分與SOC的相關系數(shù)均高大于大粒級,某種程度上說明小粒級的有機碳組分更能準確地反映SOC的侵蝕動態(tài)(表3)。2.3不同侵蝕部位土壤微團聚體結合態(tài)有機碳含量變化由圖2可見,三個侵蝕部位粗、細大團聚體碳濃度和微團聚體碳濃度隨土壤深度增加呈指數(shù)下降,并且表層土壤團聚體碳濃度下降幅度隨團聚體粒徑的減小而降低。坡腳和坡趾部位也表現(xiàn)出明顯的土壤堆積和埋藏特征,其峰值出現(xiàn)的深度與埋藏層深度相吻合,且團聚體粒級越小其累積趨勢越明顯。各粒級團聚體結合態(tài)有機碳含量明顯受該粒級團聚體所占百分比及其碳濃度的影響。由圖3a和圖3b可見,三個侵蝕部位粗、細大團聚體結合態(tài)有機碳含量在耕層(0～20cm或15cm)隨深度增加而增加,耕層以下又呈指數(shù)下降,而微團聚體結合態(tài)有機碳含量則隨土壤深度增加而增加。坡腳部位細大團聚體結合態(tài)有機碳含量隨土壤深度的增加先下降到25cm,接著迅速增加并在埋藏層處出現(xiàn)峰值(70cm),然后又迅速下降至剖面最小值。但是,坡腳和坡趾部位土壤微團聚體碳含量在埋藏層以下10～20cm處出現(xiàn)峰值。另外,各粒級團聚體碳濃度和碳含量均與SOC含量呈顯著或極顯著正相關,并且兩個粒級的POC和大團聚體碳含量之間均呈顯著或極顯著正相關(表3)。3討論3.1地形部位對生物過程的影響上坡三個侵蝕部位表土POC含量無顯著差異,而MOC含量隨土壤侵蝕速率增加而下降。長期處于沉積狀態(tài)的坡腳,POC、MOC、POC/SOC和MOC/SOC的變化表明沉積區(qū)MOC累積明顯,而POC發(fā)生損耗(表2)。Jacinthe等也發(fā)現(xiàn),盡管沉積區(qū)SOC含量高于附近林地對照點,但累積土壤中活性碳如微生物生物量碳、易礦化碳較基于總碳含量的估計值低20%～46%,這與本文的研究結果類似。POC主要來源于新鮮植物殘體的輸入,研究區(qū)整體上侵蝕并不嚴重,且具有較厚的黑土層,因此土壤侵蝕對植物生產力可能還沒有產生明顯的影響,各地形部位植物殘體年輸入的有機碳量無顯著差異。另外,POC密度較小(<1.6gcm-3),易被地表水流攜帶遷移到低洼的沉積區(qū),每年遷移損失的POC為植物殘體輸入的新碳所補充,導致上坡侵蝕部位POC含量差異不顯著。沉積區(qū)表層土壤POC沒有顯著累積,反映了POC也是微生物活動的重要基質之一,遷移和累積過程中易被微生物利用而被分解損失。實際上,POC的遷移對下游河流濕地土壤固碳作用更為明顯。許多研究者認為侵蝕區(qū)植物生長和分解周而復始地進行,為下游沉積區(qū)提供穩(wěn)定的碳源,土壤侵蝕—遷移—截留過程較純粹的土壤碳遷移影響更大。MOC是與土壤粘粒和粉粒結合、性質較穩(wěn)定的有機碳組分,易隨地表水流遷移且不易被微生物分解,在沉積區(qū)發(fā)生大量累積。沉積部位粗、細POC和MOC含量的深度變化特征反映了侵蝕物質隨時間的累積過程(圖1)。由研究區(qū)的坡形演變過程可知,1954年以前上坡搬運的土壤物質主要累積在坡腳部位,1954年以后累積的土壤逐漸向坡趾過渡,且主要集中在坡趾部位。在土壤累積的初期,坡腳部位坡度較小,大部分遷移來的POC和MOC在此累積,且被地表徑流遷移損失的量較小,因此越接近埋藏層的土壤其POC和MOC含量越高。由于細顆粒土壤中有機碳相對富集,所以先累積土壤較后累積土壤的MOC含量高。隨著侵蝕的進行,上坡侵蝕部位土壤MOC含量降低,加上坡腳部位POC流失量隨時間相應地增加,導致POC和MOC含量隨之降低。另外,根據(jù)SOC的飽和理論,有機碳首先在細顆粒中累積,當粘粒含量相對較低、有機質來源豐富、與粘粒結合的有機質量達到飽和時,有機質開始轉向粗顆粒中累積,所以坡腳埋藏層土壤MOC含量要高于兩個粒級的POC(圖1)。坡趾雖然處于沉積區(qū),但位于集水盆地溝緣的出水口,在土壤累積初期(1903年)處于侵蝕狀態(tài),所以其埋藏層附近土壤POC和MOC的累積沒有坡腳明顯。3.2土壤侵蝕和微生物礦化可能引起的soc流失土壤侵蝕引起土壤團聚體的消散及破壞。相對于侵蝕微弱的坡頂,侵蝕嚴重的坡肩部位表土大團聚體含量減少,而微團聚體比例增加,但是大團聚體和微團聚體結合態(tài)有機碳含量均顯著下降(表1)。大量研究表明,大粒級水穩(wěn)性團聚體是由次一級團聚體組成,土壤侵蝕優(yōu)先使表層土壤水穩(wěn)性大團聚體遭到破壞,相應地增加微團聚體的比例。沉積區(qū)大團聚體含量較低,而微團聚體含量相對較高,說明微團聚體易被地表水流攜帶遷移,在低洼的沉積部位發(fā)生累積。由于微團聚體中的有機碳其形成年代較大團聚體中的更老,且大團聚體中的碳濃度明顯高于微團聚體,因此土壤侵蝕使富碳的大團聚體遭到破壞和貧碳的微團聚體增加,從而引起SOC的流失。土壤因大團聚體→微團聚體→粘團(粘粒微團聚體)→粘粒這一土壤消散過程導致碳釋放和被微生物礦化,侵蝕引起土壤大團聚體轉化加快,可能是造成SOC損失的首要原因。另外,侵蝕部位微團聚體結合態(tài)有機碳含量的減少可能與地表水流遷移和下層土壤稀釋作用有關。土壤侵蝕剝蝕掉富碳的表土層,亞表層貧碳土壤通過耕翻作用混合進入耕層,降低了總SOC和微團聚體結合態(tài)有機碳的含量。因此,即使微團聚體的比例有所增加,但因其濃度降低,最終導致微團聚體結合態(tài)有機碳含量下降。沉積部位埋藏層附近土壤大團聚體結合態(tài)有機碳含量較高,反映了侵蝕物質在深埋作用下發(fā)生重新團聚作用。相關分析表明,POC與大團聚體結合態(tài)有機碳含量顯著正相關,體現(xiàn)了POM是土壤大團聚體形成的核心物質和重要的膠結劑。在累積初期,坡腳部位截留了較多的上坡遷移來的POC,增加了微生物活性,而微生物可提供各種暫時性的粘合劑。這種現(xiàn)象近似等同于免耕體系下表層土壤具有較高的生物活性,包括真菌生長、根系和土壤動物的數(shù)量,促進大團聚體內部形成POM,增加其結構穩(wěn)定性。由于埋藏層土壤細顆粒(粘粒和粉粒)有機質存在飽和度,來源于上坡的侵蝕碳首先引起土壤微團聚體含量變化,當土壤粘粒和粉粒結合的有機碳達到飽和時,微團聚體高度穩(wěn)定。而后,額外的侵蝕碳主要形成與砂粒復合的POM中,進而促進了穩(wěn)定大團聚體的形成,并最終導致SOC的固定。沉積部位土壤微團聚體結合態(tài)有機碳含量在埋藏層深處沒有出現(xiàn)峰值,正好反映了微團聚體向大團聚體轉移這一過程。值得注意的是,土壤團聚體解聚-遷移-再形成不是一個簡單的物理過程,而是物理、化學以及生物化學過程的綜合體現(xiàn)。4微團聚體結合態(tài)有機碳的流失本文從土壤結構著手,研究表層和典型剖面土壤物理性有機碳的水平和垂直分布特征,探討土壤侵蝕和沉積作用對SOC的損耗和截留機理。主要得