淤地壩對坡地土壤有機碳分布的影響

趙 培，李曉剛，劉志鵬

(1.商洛學院 城鄉規劃與建筑工程學院，陜西 商洛 726000；2.南京農業大學 資源與環境科學學院，江蘇 南京 210095)

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淤地壩對坡地土壤有機碳分布的影響

趙 培1，李曉剛1，劉志鵬2*

(1.商洛學院 城鄉規劃與建筑工程學院，陜西 商洛 726000；2.南京農業大學 資源與環境科學學院，江蘇 南京 210095)

以六道溝流域的淤地壩為例，測定了壩內外坡地土壤有機碳含量，旨在探討淤地壩對坡地土壤有機碳分布的影響。研究結果表明：淤積達20年的淤地壩可以顯著增加10 m長坡面0～130 cm土層的土壤有機碳含量，尤其表層有機碳含量增加了2.92 g/kg，較坡外增加358.34%，差異極顯著(P<0.01)；從壩外到壩內坡地土壤有機碳基本表現出線性增大的趨勢，但極大值點出現在壩內靠近分界線處；淤地壩的存在使壩內坡地比壩外坡地相同坡位的有機碳含量均增大，上坡增加的最大，達117.36%；壩內坡地土壤有機碳含量的變異系數較壩外的大。

淤地壩；坡地；土壤有機碳；分布

0　引言

土壤碳庫是陸地生態系統中最大的碳庫，是陸地碳循環的主體，全球約有1500 Gt碳以有機質形態儲存于土壤中，主要集中在0～100 cm土層中。土壤有機碳庫儲量約是陸地植被碳儲量的3倍、大氣碳庫的2倍[1-2]。土壤有機碳含量是土壤中的植物殘體與土壤微生物分解損失兩者之間平衡的結果，受水土流失、氣候、植被、土壤理化特性以及人類活動等諸多物理、生物和人為因素的影響[3-5]。黃土高原地區是世界上水土流失最嚴重的地區之一，長期嚴重的土壤侵蝕使該地區土壤有機質含量平均不足1%，土壤有機碳密度平均為2.49 kg/m2，遠遠低于全國(10.53 kg/m2)的平均水平[6-7]。黃土高原上的水土保持措施是保持土壤不流失，一方面保持土壤碳庫不因土壤侵蝕而損失；另一方面通過工程措施和生物措施改變地表微地形和植被覆蓋狀況，這樣也影響到土壤碳庫。

淤地壩是黃土高原水土保持措施中的主要工程措施，它攔泥攔沙，淤成的壩地是黃土高原重要的碳吸收匯[8]；另一方面，淤地壩形成壩地，促進退耕還林還草也是改善生態環境，增加植被覆蓋，從而吸收CO2緩解全球變暖的重要因素。淤地壩攔泥、淤地，抬高侵蝕基準面，從而覆蓋壩內坡地，縮短坡長，而壩內坡地往往植被生長茂密，枯落物大量覆蓋，能起到防止土壤侵蝕的作用。因為坡地水土流失是導致區域土壤質量退化以及坡地生產力下降的重要原因[9]，而淤地壩的存在可能間接地改變了其兩側坡地的土壤有機碳含量和分布。關于淤地壩對坡地土壤有機碳分布影響的文章尚未見報道。本文以陜北神木六道溝流域一個典型的淤地壩為例，分析了壩內外坡地的土壤有機碳含量，探討了淤地壩對坡地有機碳分布和含量變化的影響。這對淤地壩環境影響評價和中國水土保持措施中的淤地壩建設對全球碳循環的影響研究有一定的參考價值。

1　材料與方法

1.1研究地概況

研究區域為中國科學院教育部水土保持與生態環境研究中心神木侵蝕與環境試驗站，該區位于神木縣以西14 km處的六道溝流域，流域面積為6.9 km2，東經110°21′～110°23′，北緯38°46′～38°51′，海拔1081～1274 m，主溝道南北走向，長4.21 km，溝道平均比降26.25‰，是黃河一級支流窟野河水系的二級支溝，在主溝道兩側有8條支溝，整個流域近似菱形，北依長城，地處毛烏素沙漠的邊緣，屬于黃土高原水蝕風蝕交錯帶的強烈侵蝕中心，是典型的生態環境脆弱帶。六道溝流域地面梁峁起伏，切割破碎，溝壑縱橫，片片明沙點綴于黃土丘陵之上，形成了典型的沙蓋黃土丘陵之特殊景觀。該區屬中溫帶半干旱氣候，年平均氣溫8.4 ℃，年平均降水量437 mm，其中6～9月的降水約占全年降水的77%。植被類型為干旱草原，天然植被大部分已遭破壞，殘存的天然草場也已嚴重退化、沙化。地貌類型為片沙覆蓋的梁峁狀黃土丘陵，地面組成物質以第四紀黃土沉積物為主，土壤侵蝕極為嚴重，流域平均水蝕模數可達15000 t/(km2·年)[10-12]。淤地壩是該流域最主要也是最有效的水土保持措施，共有淤地壩15座，其中蓄水壩2座，壩地面積占整個六道溝流域的1%[13]。本研究選取的建有淤地壩的坡地，淤地壩垂直于坡地，將坡地一分為二：壩內坡地和壩外坡地，其坡向為北偏東2°，坡度36°，地勢險峻，人為活動較少。該淤地壩建成有20年，庫容已滿，壩地較高，從而造成淤地壩內外坡長不同，以壩內坡為準對比研究，坡長10余m。壩內坡地植被覆蓋茂密，長滿長芒草，枯落物層厚達2 cm，而壩外坡地幾乎無植被覆蓋。

1.2研究方法

以淤地壩壩體走向為中線，5 m×5 m網格布置取樣點，共3行6列，壩內壩外各取9個點，淤地壩及其采樣坡面示意圖見圖1。以淤地壩壩體中線(圖1中豎線)對稱采樣，每個點的取樣深度為200 cm，從表層土壤開始，每隔10 cm取樣1次。風干后過1 mm篩，土壤有機碳含量用濃硫酸-重鉻酸鉀高溫外加熱氧化-亞鐵滴定法(GB 9834─88)測定[11]，重復測定兩次。

2　結果與分析

2.1淤地壩內外坡地土壤有機碳分布對比

為了對比壩內外坡面土壤有機碳分布，分別將壩內外9個采樣點在同一深度的土壤有機碳平均值繪于圖2。由圖2可知，總體而言，壩外坡地土壤有機碳含量沒有明顯的垂直變化，總體含量比較低，變異也比較小。這是因為壩外坡地經過長期嚴重的土壤侵蝕，包括水蝕和風蝕，水土流失嚴重，又由于沒有植被覆蓋，缺少枯枝落葉層，而枯枝落葉層是由表面植被的未分解、半分解及已分解的死有機物組成的，所以壩外坡地土壤有機碳只有損失沒有來源；另外，壩外坡地長時間缺少覆蓋，地溫較高，加速了表層土壤有機碳的分解[2]。而壩內坡地土壤有機碳含量均高于壩內坡地，變異也比較大，尤其表層的差異最大，表層有機碳含量為4.05 g/kg是壩外坡地的3.6倍，差異達到極顯著水平。而0～100 cm土壤有機碳平均含量較壩外坡地均有了很大提高[1]，達到1.54 g/kg，是壩外坡地的2倍。隨著深度的增加，土壤有機碳增加的趨勢也減弱，到130 cm土層深度，土壤有機碳的含量與壩外坡地基本相近。由此可見，土壤有機碳在土壤表層中增加最顯著，對表層土壤的保護對增加碳儲量尤為重要。

圖1　采樣分布圖

淤地壩建成以后，隨著壩地淤積，匯集坡地和溝道徑流，從而促進壩內坡地植被恢復生長。壩內坡地枯枝落葉的覆蓋、長芒草細根的死亡、地溫相對壩外坡地較低和水土流失控制較好等都是壩內坡地有機碳含量增加的原因。壩內坡地植物通過光合作用吸收大氣中的CO2，碳主要以凋落物歸還給土壤，為土壤有機碳的形成提供了大量物質來源，而死亡的根系和根系分泌物也是形成土壤有機碳的重要物質。此外，淤地壩工程改變了壩內坡地坡長，環境因素例如風速、光照等減少了土壤侵蝕，植被對降塵和風吹蝕的細粒組分的截獲增加，不僅減少了表層土壤有機碳侵蝕損失，而且還截獲了更多的降塵和土壤細顆粒[2]。植被恢復以后土壤養分保蓄較好，加上植物郁閉，土壤溫度低，有機碳分解緩慢，所以土壤的有機碳含量較高。但土壤有機碳明顯累積于土壤表層，且隨著土壤深度的增加而迅速下降，并逐漸接近于壩外地的。由此可以看出，淤地壩的存在通過促進坡地植被恢復，可以增加坡面0～130 cm土層的有機碳含量，表層最為明顯。壩內坡地植物是造成土壤有機碳增加的主要原因。

圖2　淤地壩內外坡地土壤有機碳分布

2.2沿垂直壩體方向有機碳分布

為了探明土壤有機碳沿垂直壩體方向的分布特征，將平行于壩體方向(圖1豎線)的3個取樣點做平均值，繪于圖3。由圖3可知，坡地土壤有機碳從壩外到壩內基本表現出線性增大的趨勢，但極值點是壩內坡地靠近分界線附近的采樣點。我們在另一研究中發現，該點代表的區域，通常水分條件也較好，植物不僅可以吸收壩內坡地的水分，而且由于壩外坡地基本無植被覆蓋，因此其根系由于向水性還可以延伸到壩外坡地吸收水分，因此長勢最好，新陳代謝較快。壩內坡地土壤有機碳含量均高于壩外，壩外坡地的呈線性增加的趨勢，這與壩內植被根系的分布和延伸的距離有關。

圖3　從壩外到壩內坡地土壤有機碳含量變化

2.3不同坡位有機碳含量對比分析

黃土高原的淤地壩分為水庫和以水土保持為主要功效的壩體。用于水土保持的淤地壩利用攔蓄的泥沙形成壩地，在壩地抬升的過程中，縮短了壩內坡地坡長。由于壩地豐富的土壤水資源[15]，“惠及”壩內坡地，促進了植被生長，間接地使不同坡位的有機碳分布也發生了變化。為了說明不同坡位土壤有機碳分布差異，將不同坡位的3個取樣點的平均值繪于圖4。由圖4可見，壩外坡地有機碳的含量總體比較低，不同坡位的有機碳變化表現為：坡下>坡中>坡上，坡下和坡中的含量都高于坡上，坡中和坡下含量差異不大，這可能由于受到土壤侵蝕和水流沖刷后，坡中和坡下會淤積一些泥沙和枯落物，而坡上一般不會淤積；對于壩內坡地，由于植被的覆蓋其土壤有機碳含量較壩外坡地的高，尤其壩內坡上高出壩外117.36%，這是因為壩外坡上有機碳含量最低；而壩內坡中和坡下比壩外分別高出63.92%和50.69%。

坡位對土壤有機碳的分布也有著重要影響，因為坡度因素、植物因素和土壤侵蝕共同影響著坡面土壤有機碳含量和分布。坡面土壤被侵蝕時，徑流中的泥沙常含有相當數量的有機碳，而且侵蝕泥沙中有機碳含量幾乎總是高于土壤中有機碳的含量[8]。此外，徑流中也常常漂浮著很多短小、折斷的植物枯葉和干枯莖桿，也有被沖刷出來的植物細根等，而泥沙和漂浮物等跟隨徑流沿途一般就會受到植物的阻礙，坡中的植被覆蓋也較茂密，有一定的保持水土、落物的能力，而雜亂的枯落物越多其攔蓄漂浮物和泥沙的能力也就會越強，聚集的也就越多；再加上徑流在坡中坡位時，其動能并不是很大，很容易被攔截，本身的枯落物較多，同時又可以阻擋上部土壤養分的流失、自身的土壤濺蝕，這也就是坡中有機碳含量相對較高的原因，這與魏孝榮等[9]的研究結果一致。不同坡位土壤有機碳分布的差異還與土壤性質、水分條件、侵蝕強度，植物種類、年齡、蓋度，植物的水土保持效益，降雨、日照、溫度、風速、風向，以及風力的大小，沙塵暴的發生、歷時，人類、動物活動等都有一定的關系。淤地壩也是通過影響植被覆蓋從而影響坡位有機碳分布的，并且與建壩時間和工程選址等也有關系。

圖4　淤地壩內外坡地不同坡位有機碳含量對比

2.4土壤剖面有機碳分布特征

為了比較壩內外坡地土壤剖面有機碳的分布特征，將其統計特征值歸納于表1。由表1可知，壩外坡地土壤有機碳整體水平非常低，其變化范圍是0.69～1.13 g/kg，變異系數在0.21～0.60之間，而壩內坡地的土壤有機碳在0.86～4.05 g/kg范圍內變化，變異系數為0.21～0.71，比壩外坡地表現出更大的變異性，尤其是0～60 cm土層，這主要與植物的根系分布有關。土壤有機碳增加在土壤表層最為明顯，增加了358.34%，200 cm土層只增加2.16%。

草本植物光合作用所同化的有機產物中有90%以上分布在地下，尤其是一年生草本植物,每年均有大量的死亡根系作為碳源進入土壤碳循環過程[16-18]。根系在土壤剖面上的垂直分布則主要受植被類型的影響，草本植物是須根系植物，根系的垂直分布主要集中在土壤表層，隨著土層的加深其根系量也逐漸減少，而且隨土層深度的加深微生物的數量和活力降低，其分解活動也減弱，導致土壤有機碳含量隨土層濃度的加大而降低[2,19]。因此坡地土壤剖面有機碳的分布主要受植被根系分布的影響。此外，土壤有機碳的增加也有利于水分的入滲，有利于壩內坡地植被的生長。淤地壩的存在使壩內坡地也成為一個碳匯。

表1　淤地壩內外坡地土壤有機碳統計特征值

3　小結

通過對淤地壩內外坡地土壤有機碳含量的研究可知，該淤地壩工程攔泥攔沙20年，通過促進坡地植被生長，間接增加壩內10 m坡地0～130 cm土層土壤有機碳含量，較坡外達到顯著水平(P<0.05)，平均增加了0.76 g/kg。沿垂直壩體方向，坡地土壤有機碳分布從壩外到壩內基本表現出線性增大關系，但極大值出現在壩內毗鄰分界線區域。壩內坡地不同坡位的有機碳含量表現為坡中>坡下>坡上，而壩外是坡下>坡中>坡上，對于植被覆蓋的坡地，坡中成為一個重要碳匯。淤地壩間接增加了壩內坡地土壤剖面的有機碳含量，其增加幅度呈遞減趨勢，越深含量越低，差異亦越小，表層增加了358.34%，差異極顯著，深層(140～200 cm)變化不大。

[1] Smith S V, Sleezer R O, Renwick W H, et al. Fates of eroded soil organic carbon: Mississippi basin case study[J]. Ecological Applications, 2005, 15(6): 1929-1940.

[2] 周莉,李保國,周廣勝.土壤有機碳的主導影響因子及其研究進展[J].地球科學進展,2005,20(1):99-105.

[3] 宋華萍,覃德文,吳慶標.麻櫟人工林生態系統碳儲量分配格局[J].南方農業學報,2014,45(12):2220-2224.

[4] Post W M, King A M, Wullschleger S D. Soil organic matter models and global estimates of soil organic carbon [C]//Powlson D S. Evaluation of soil organic matter models. Ber lin, Heidelberg: Springer-Verlag, 1996: 201-224.

[5] 張偉暢,周清,謝紅霞,等.湘西山區農田耕層土壤有機碳儲量及分布特性:以洪江市為例[J].南方農業學報,2015,46(7):1200-1205.

[6] 徐香蘭,張科利,徐憲麗,等.黃土高原地區土壤有機碳估算及其分布規律分析[J].水土保持學報,2003,17(3):13-15.

[7] 劉守贊,郭勝利,王小利,等.植被對黃土高原溝壑區坡地土壤有機碳的影響[J].自然資源學報,2005,20(4):529-535.

[8] 李勇,白玲玉.黃土高原淤地壩對陸地碳儲存的貢獻[J].水土保持學報,2003,17(2):1-4.

[9] 魏孝榮,邵明安.黃土高原溝壑區小流域坡地土壤養分分布特征[J].生態學報,2007,27(2):603-612.

[10] 唐克麗,侯慶春,王斌科,等.黃土高原水蝕風蝕交錯帶和神木試區的環境背景及整治方向[C]//中國科學院水利部西北水土保持研究所.神木水蝕風蝕交錯帶生態環境整治技術及試驗示范研究論文集.楊凌:中科院西北水土保持研究所,1993:2-15.

[11] 胡偉,邵明安,王全九.黃土高原退耕坡地土壤水分空間變異性研究[J].水科學進展,2006,17(1):74-81.

[12] 楊慧,張春來,黃芬,等.利用多元統計方法評價兩種不同土壤有機碳組分和團聚體穩定性特征[J].南方農業學報,2015,46(6):971-977.

[13] 張麗萍,張登榮,張銳波,等.小流域土壤侵蝕預測預報基本生態單元生成和模型設計[J].水土保持學報,2005,19(1):101-104.

[14] 鮑士旦.土壤農化分析[M].北京:中國農業出版社,2000.

[15] 李占斌,張平倉.水土流失與江河泥沙災害及其防治對策[M].鄭州:黃河水利出版社,2004.

[16] Berger T W, Neubauer C, Glatzel G. Factors controlling soil carbon and nitrogen stores in pure stands of Norway spruce (Piceaabies) and mixed species stands in Austria[J]. Forest Ecology and Management, 2002, 159(1/2): 3-14.

[17] 李東,高明.土壤有機碳循環研究進展[J].江西農業學報,2008,20(2):60-63.

[18] 謝國雄,王道澤,吳耀生,等.物質炭對退化蔬菜地土壤的改良效果[J].南方農業學報,2014,45(1):67-71.

[19] Jackson R B, Canadell J, Ehleringer J R. A global analysis of root distribution for terrestrial biomes[J]. Oecologia, 1996, 108(3): 389-411.

(責任編輯：許晶晶)

Effect of Check-dam on Distribution of Soil Organic Carbon in Slope Land

ZHAO Pei1, LI Xiao-gang1, LIU Zhi-peng2*

(1. College of Urban, Rural Planning and Architectural Engineering, Shangluo University, Shangluo 726000, China;2. College of Resources and Environmental Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China)

In order to explore the effect of check-dam on the distribution of soil organic carbon (SOC) in slope land, the author tested the SOC content in the slope land inside and outside check-dam of the Liudaogou basin. The results showed that the check-dam, which was built 20 years ago, could significantly increase the content of SOC in 0～130-cm-deep soil layer of 10-m-long inside slope land, especially the SOC content in surface soil layer was increased by 2.92 g/kg or 358.34%, which was very significantly different from that in surface soil layer of outside slope land (P<0.01). Basically, the SOC content in slope land exhibited a linear increasing trend from the outside to inside of check-dam, but the maximum value appeared near the boundary of inside dam. The existence of check-dam caused that the inside slope land had more SOC content than the outside one in the same slope position, and the biggest increase rate (117.36%) of SOC content was found in upslope position. The variation coefficient of SOC content in inside slope land was higher than that in outside one.

Check-dam; Slope land; Soil organic carbon; Distribution

2016-05-07

商洛學院博士團隊服務地方科技創新與經濟社會發展能力提升專項(SK2014-01-18)；商洛學院博士啟動基金(14SKY031)。

趙培(1982─)，男，吉林磐石人，博士，主要從事流域環境研究。*通訊作者：劉志鵬。

S153.6

A

1001-8581(2016)09-0050-04