陜西黃土臺塬近三十年耕地動態變化的表層土壤有機碳效應

張萌萌,劉夢云,*,常慶瑞,劉 京,劉 歡,張 杰,楊靜涵,曹潤珊

1 西北農林科技大學資源環境學院, 楊凌 712100 2 農業部西北植物營養與農業環境重點實驗室, 楊凌 712100

土壤是陸地生態系統中最大的碳庫,土壤有機碳庫是陸地碳庫的主要組成部分,全球土壤碳儲量約為2500 Pg(1 Pg=1012kg)C,其中以有機態儲存在土壤中的碳約為1550 Pg[1],土壤碳庫的微小變化將導致碳匯或碳源的大小和分布發生極大變化[2]。土地利用是碳固定和排放的重要影響因素[3-4],通過土地利用/土地覆蓋變化(Land-Use and Land-Cover Change, LUCC)影響土壤有機碳儲量及分布,來進一步影響全球碳循環,已成為當前研究熱點[5]。耕地有機碳是農田土壤碳庫的重要組成部分,研究耕地有機碳及儲量的變化規律對了解耕地固碳潛力、提高耕地管理質量有重要意義[6]。

國內外學者對耕地有機碳變化做了大量研究,張春華等[7]、任春穎等[8]研究了松嫩平原玉米帶農田土壤有機碳時空分布、碳儲量及固碳潛力。Maia等[9]研究了巴西塞拉多和亞馬遜地區不同農耕措施對有機碳的影響。目前,許多學者基于某地區某一時刻土地利用類型變化的土壤碳效應展開研究,集中在國家尺度[10]、省域尺度[11]或小區域尺度[12-13]。而關于黃土高原地區不同植被恢復階段的土地利用類型轉變后的土壤碳效應研究相對較少。因此,本文以全國第二次土壤普查數據、野外采樣數據和土地利用數據為基礎,從區域尺度上對陜西黃土臺塬1985—2015年表層土壤有機碳密度和土地利用轉變進行研究,探討近三十年研究區耕地動態變化對土壤有機碳儲量的影響,對研究半干旱半濕潤地區不同植被恢復階段的土壤碳儲量變化驅動因子具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

陜西黃土臺塬位于34°08′—35°52′N,106°20′—110°36′E之間,總面積約12887.11 km2,是中國黃土臺塬的主體,面積約占中國黃土臺塬的2/3[14],塬面比較完整平坦,多呈階梯狀地。黃土臺塬是黃土高原一個特殊的地貌單元[15]。按照市級行政區劃,可將陜西黃土臺塬劃分為渭南臺塬、銅川臺塬、西安臺塬、咸陽臺塬和寶雞臺塬(圖1)。著名的臺塬有孟塬、白鹿塬和神禾塬等。該區沿渭河南北兩側呈條帶狀東西走向分布,屬于東北季風區向西北干旱與半干旱的內陸地區過渡地帶。多年平均氣溫介于6.52—15.59 ℃,地域分異明顯,溫暖濕潤,四季分明。多年平均年降水量介于408.45—786.04 mm,季節性明顯,夏季高溫多雨,冬季寒冷干燥。境內自然條件與土壤類型復雜多樣,主要土壤類型為黃綿土、 塿土、新積土等。研究區成土母質多樣,生物資源豐富,主要植被類型有闊葉林、針葉林、灌叢、草原等。森林以喬木和灌木為主,主要分布在渭北和秦嶺北部地區,渭北地區是山地向臺塬的過渡區,地面侵蝕強烈,地形破碎。黃土臺塬區農業歷史悠久,是陜西省重要的糧食生產基地。研究區屬于黃河流域,該區水資源比較貧乏,地表水和地下水主要依靠降水補給。

圖1 陜西黃土臺塬區范圍圖 Fig.1 The diagram of the tableland of the Loess Plateau region in Shaanxi province

1.2 數據來源

本文采用的數據包括土地利用數據、有機碳數據、氣候數據和地形數據。其中,土地利用數據來自于1∶10萬比例尺土地利用現狀遙感監測數據庫,基于landsat 8遙感影像,通過人工目視解譯得到土地利用/土地覆被數據。參照第二次全國土地調查土地分類系統,將研究區土地利用類型分為草地、居民工礦用地、耕地、林地、水域、未利用土地和園地。本文選取1980、2005、2015年三期土地利用數據進行研究,1985年和2006年土地利用是在1980和2005年基礎上更新所得;土壤有機碳數據分別來自于全國第二次土壤普查《陜西土種志》[16],2006年前后陜西省耕地地力調查與質量評價數據,及2015年國家科技基礎性工作專項項目“陜西省土系調查與土系志編制”野外采樣實驗數據。其中,陜西省第二次土壤普查為1979—1990年,本文選取中間節點1985年進行研究;2015年野外采樣布設了175個采樣點,野外采集土壤樣品,采樣深度為0—20 cm。土壤容重、有機碳和機械組成分別采用環刀法、容量分析法和吸管法測定,結合有機碳估算模型,計算出土壤有機碳密度和儲量;氣候數據來源于國家氣象科學數據共享服務平臺,1985—2015年陜西省35個氣象站點的平均氣溫和降水量數據;地形數據來自于地理空間數據云,30 m分辨率數字高程數據。

1.3 計算方法

土壤有機碳密度(soil organic carbon density,SOCD)是指單位面積一定深度的土層土壤有機碳的儲量,是評價和衡量土壤有機碳儲量的一個重要指標[17]。土壤有機碳儲量(soil organic carbon storage,SOCS)是指區域范圍內土層包含土壤有機碳的總量,是表征土壤固碳潛力的指標。目前土壤碳儲量估計的方法有：生命帶法(模型法)、植被類型法和土壤類型法,其中土壤類型法應用最為廣泛[18]。

土壤有機碳密度(SOCD)計算公式：

SOCD=(1-θ%)ρ×0.58×C×D/100

(1)

式中,SOCD為土壤剖面有機碳密度(kg/m2);θ為表層>2 mm礫石含量(%);ρ為土壤容重(g/cm3);0.58為Bemmelen換算系數;C為土壤有機質含量(g/kg);D為土層厚度(cm)。

土壤有機碳儲量(SOCS)計算公式：

SOCS=SOCD×A

(2)

式中,SOCS為土壤有機碳儲量(kg);A為土壤的面積(km2)。

1.4 數據處理與分析

依據采樣點的經緯度坐標與研究區的空間分布坐標數據,利用ArcGIS 10.2空間分析工具進行插值運算,分別得到1985、2006、2015年研究區表層土壤耕地有機碳密度圖。此外,利用土地利用圖分別獲得1985、2006、2015年各土地利用類型的矢量圖層和面積。通過數據融合和疊置分析,做出土地利用轉移矩陣(1985—2006年、2006—2015年)。對不同年份耕地的矢量圖進行相交處理,可以得到保持不變的耕地面積;對不同年份不同土地利用類型的矢量圖進行相交處理(耕地-草地、耕地-居民工礦用地、耕地-林地、耕地-園地),可以得到耕地發生轉變的面積。將土地利用變化圖和有機碳密度變化圖進行區域統計分析,得出土地利用類型變化與表層SOCD的對應關系,繼而得到土地利用變化與表層SOCS的關系。

2 結果與分析

2.1 土地利用

近三十年陜西黃土臺塬土地利用類型發生明顯改變,尤其是在21世紀初,由于國家退耕還林政策的提出,對土地利用類型的轉變產生很大影響。通過對各種類型的面積進行統計分析(圖2)得出：陜西黃土臺塬近三十年土地利用類型的轉變主要集中在耕地、草地、水域和園地面積的相繼減少,居民工礦用地和林地面積的逐漸增多,未利用土地面積變化不大。其中,耕地面積在1985—2006年期間呈現增加趨勢,增加值為199.45 km2,增幅為2.06%;后因國家退耕還林政策的開展實施,耕地面積明顯減少,減少596.49 km2,減幅為6.41%。近三十年,草地、水域和園地面積分別減少486.58 km2、30.8 km2和21.69 km2,減幅分別為26%、38%、21%;居民工礦用地和林地面積分別增加266.67 km2和659.34 km2,增幅分別為29%和273%。這是因為2006年前,由于人口不斷增加,對糧食等作物的需求不斷加大,導致耕地快速擴張,不少草地被開墾為耕地,用以滿足人民日益增長的農產品需求;2006年后,由于國家退耕還林工程的實施,導致研究區土地利用類型發生很大變化。

圖2 1985、2006、2015年陜西黃土臺塬土地利用類型變化Fig.2 The varieties of land use types on the tableland of the Loess Plateau in Shaanxi in 1985, 2006 and 2015

2.2 土壤有機碳

近三十年,陜西黃土臺塬耕地表層SOCD空間分布變化差異較大(圖3)。研究區耕地表層土壤平均SOCD在1985、2006和2015年分別為1.73 kg/m2、1.87 kg/m2和2.55 kg/m2;與前一時期相比,增加值分別為0.14 kg/m2和0.68 kg/m2,增幅分別為8.09%和36.36%。研究區有機碳水平較低,這是因為研究區處于半干旱半濕潤地區,蒸發強度大,有機碳礦化劇烈,損失嚴重。作為陜西省主要糧食生產基地,為保持土壤肥力,常采用施肥等措施促進作物生長、提高作物產量,從而提高土壤有機碳。由圖3可知,1985年耕地表層SOCD主要集中在少于2.18 kg/m2范圍,占比達98%以上,其中西南地區略高于東北地區,即寶雞臺塬和咸陽臺塬SOCD相對較高;2006年SOCD集中在<2.18 kg/m2和2.18—3.02 kg/m2,占比分別為79.63%和19.02%,較1985年有所提高,但各地區變化情況有差異,其中寶雞臺塬、西安臺塬和銅川臺塬增長較多,咸陽臺塬部分地區略有減少;2015年表層SOCD主要集中在2.18—3.02 kg/m2和3.02—3.78 kg/m2,占比分別為77.51%和14.42%,和前期相比整個研究區域都有明顯增加,部分地區增加顯著,其中咸陽臺塬和渭南臺塬SOCD整體大幅度增加,寶雞臺塬東北部增加明顯。

圖3 1985、2006、2015年陜西黃土臺塬耕地表層土壤有機碳密度圖Fig.3 Surface SOCD of the cultivated land in the tableland of the Loess Plateau in Shaanxi in 1985, 2006 and 2015

2.3 耕地動態變化的表層土壤有機碳效應

由表1可知,1985—2006年,耕地保持不變和發生轉變的面積分別為9429.87 km2和272.41 km2,分別占研究區總面積的97.19%和2.81%。從SOCD來看,耕地轉為林地、草地和園地,有機碳密度多為增加,而轉為耕地和居民工礦用地,有機碳密度多為減少。耕地利用方式保持不變和發生轉變的表層SOCS變化量分別為927.93×106kg和33.80×106kg,所占比例分別為96.49%和3.51%,年增速分別為44.19×106kg和1.61×106kg。具體來看,耕地轉化為居民工礦用地、草地、園地和林地的面積分別為163.42 km2、75.38 km2、26.47 km2和7.14 km2,分別占1985年耕地總面積的1.68%、0.78%、0.27%和0.07%;表層SOCS的增加值分別為12.71×106kg、11.97×106kg、4.07×106kg和5.04×106kg,占SOCS總增加量的比例分別為1.32%、1.25%、0.42%和0.52%,年增速分別為0.61×106kg、0.57×106kg、0.19×106kg和0.24×106kg。1985—2006年耕地的土地利用轉化率為2.81%,這表明研究區耕地的轉化率較低,主要的土地利用類型仍是耕地,發生轉變的類型主要是由耕地轉變為居民工礦用地。

表1 1985—2006年耕地轉變的土壤有機碳密度和儲量變化

表2顯示,2006—2015年,耕地保持不變和發生轉變的面積分別為8119.04 km2和1768.47 km2,占總面積比例分別為82.11%和17.89%。表層SOCS變化量分別為3132.79×106kg和1198.99×106kg,占總變化量比例分別為72.32%和27.68%,年增速分別為348.09×106kg和133.22×106kg。具體來看,耕地轉化為居民工礦用地、草地、林地和園地的面積分別為651.83 km2、531.16 km2、527.84 km2和57.64 km2,占2006年耕地總面積的比例分別為6.59%、5.37%、5.34%和0.58%;表層SOCS增加值分別為402.03×106kg、368.62×106kg、391.46×106kg和36.87×106kg,占總增加量比例分別為9.28%、8.51%、9.04%和0.85%,年增速分別為44.67×106kg、40.96×106kg、43.50×106kg和4.10×106kg。2006—2015年研究區耕地轉化率為17.89%,和1985—2006年相比,轉化率增加,說明耕地保持不變的面積在減少,耕地向其他地類的轉化增加明顯,尤其是耕地-林地,與1985—2006年相比,發生轉變的面積增加520.71 km2,是變化最大的土地利用類型轉換。

表2 2006—2015年耕地轉變的土壤有機碳密度和儲量變化

圖4 1985—2015年陜西黃土臺塬區轉變和保持土地利用類型表層土壤有機碳密度變化比較Fig.4 Comparison of SOCD between changed and maintained land use types from 1985 to 2015圖中字母a代表1985—2006年,b代表2006—2015年;數字編碼代表土地利用類型,分別為：1表示草地;2表示居民工礦用地;3表示耕地;4表示林地;5表示園地;具體為：3-1代表耕地轉變為草地；3-2代表耕地轉變為居民工礦用地；3-4代表耕地轉變為林地；3-5代表耕地轉變為園地

將陜西黃土臺塬1985—2006年和2006—2015年耕地保持不變和發生轉變的表層土壤SOCD的變化值進行對比分析,發現大多數土地利用類型發生轉變時表層SOCD增加值高于耕地類型保持不變時(圖4),說明這些地類的轉變有利于表層SOCS的增加,即有利于表層土壤碳匯的形成[11]。通過對表1、表2和圖4的對比分析得出,近三十年耕地保持不變的面積在降低,發生轉變的面積在增加。1985—2006年,耕地類型保持不變的面積是發生轉變面積的34.62倍,增加的碳儲量是其27.46倍;2006—2015年,耕地類型保持不變的面積是發生轉變面積的4.59倍,增加的碳儲量是其2.61倍。這進一步反映出耕地保持不變的面積比重在降低,發生轉變的面積比重在增加,并且土地利用類型發生轉變時的碳儲量增加值所占比重在不斷增大。對保持用地類型而言,后一階段(2006—2015年)的地類面積是前一階段(1985—2006年)面積的0.86倍,而后一階段的碳儲量是前一階段的3.38倍;對轉變用地類型而言,后一階段的面積是前一階段的6.49倍,而后一階段的碳儲量是前一階段的35.48倍。這表明研究區土壤質量在不斷改善,尤其在退耕還林政策實施后,土地利用類型的轉變更加劇烈,植被明顯恢復,并且碳儲量極大增加,說明大部分土地利用類型的轉變有助于碳儲量的增加,是朝著碳匯方向進行。

3 討論

3.1土地利用與表層土壤碳密度

研究區陜西黃土臺塬近三十年土地利用類型變化明顯,這是因為研究區位于關中平原地區,地形平坦,耕地所占面積比例達70%以上,是分布最廣泛的土地利用類型。國家退耕還林政策實施后,用地類型轉換更加劇烈,也更有方向性。耕地面積的減少伴隨著林地面積的增加,且耕地和草地造林效果明顯,林地覆蓋率顯著提升,在一定程度上對研究區生態恢復起到積極作用,這與劉紀遠等[19]人在20世紀80年代關于中國土地利用變化的研究結果相同。類似地,周德成等[20]、周書貴等[21]對黃土高原地區LUCC的研究,也表明退耕還林可顯著改變研究區的LUCC,耕地大幅減少,林草地增加,這些與本文研究結果一致。此外,劉紀遠等[22]對近年(2010—2015年)中國土地利用變化的時空格局進行分析時發現,西部黃土高原地區耕地有一定數量的減少,這與本文研究結論相同,但目前已有的研究表明我們面臨著對中西部地區相關土地利用類型實現有效保護的嚴峻挑戰,由于國家農產品主產區和重點生態功能區主要分布在中西部地區,如何保護及監管,成為政府部門、專家學者等應重點思考的一個問題。

研究區近三十年耕地表層SOCD逐漸增加,尤其是在后一時期增加明顯,這可能是因為研究區主要土地利用類型為耕地,由于耕地土壤中自然植被已不存在,有機質主要來自作物根的分泌物、根茬及枯枝落葉等,所以SOC較少。退耕還林政策實施后,耕地轉變為林地,植被覆蓋率變高,林下凋落物變多,增大了根系分泌物和凋落物輸入,因而SOCD增大。劉憲鋒等[23]研究表明陜西表層SOCD平均值為3.886 kg/m2。本文研究結果與之相比偏小,這可能是因為土壤有機碳主要來源于動植物和微生物殘體及土壤腐殖質,秦巴山區等地植被覆蓋度高,因而有利于有機碳的積累,而關中地區多為耕地,因而有機碳密度較低。此外,王紹強等[18]研究發現中國土壤平均碳密度為10.53 kg/m2,本文研究結果為中國SOCD的16%,兩者相差較大,究其原因,中國土壤分布廣泛,地域差異性較大,因此用局部小地區和全國大范圍相比,不可避免存在一定誤差。類似地,解憲麗等[17]研究發現中國20 cm的SOCD在0.27—53.46 kg/m2,空間分布很不均勻,青藏高原區、云貴高原等地SOCD最高,黃土高原地區碳密度變化幅度較大,這在一定程度上為本文提供了支持和參考。

3.2 耕地動態變化的表層土壤有機碳效應

土地利用是影響土壤有機碳含量變化的重要因素[24-25],其變化對碳循環的影響是當前研究的一個重點。研究區是陜西省主要糧食產區,是全省耕地質量最高的地區[26]。本文主要研究耕地保持不變及其轉變為林地、草地、園地等土地利用類型時的有機碳密度和儲量特征。研究表明,2006—2015年和1985—2006年兩個時期,耕地保持不變的面積減少1310.83 km2,有機碳儲量增加2204.86×106kg,年增速增大7.88倍。耕地不變情況下有機碳儲量增加是因為在自然狀態下,耕地土壤的栽培作物每年殘留下來的有機物形成的土壤有機質,不足以償還因礦化而消耗掉的有機質,導致土壤肥力逐年下降,尤其是近年來隨著耕地面積的逐漸減少和人口的不斷增加,人地矛盾更加尖銳,為了滿足人們日益增長的農產品需求,也為了更好的協調人地關系,人們通過推行秸稈還田等改良土壤結構,促進SOC累積,同時也采用施入有機肥料(綠肥、堆肥和漚肥等)等措施來提高土壤肥力,提升土壤固碳潛力。孫文義等[27]研究表明：耕地處于有機碳含量低值區,林地處于高值區,研究結果與本文相似。此外,揣小偉等[11]研究發現江蘇省1985到2005年耕地類型保持不變時的表層土壤有機碳密度增加,同時文雯等[28]對黃土高原羊圈溝流域的研究也得出這一結論,研究還發現耕地是一種易形成碳源的土地利用方式。原因在于耕作會破壞土壤團聚體結構,使土壤透氣性、溫度、水分條件得到改善,微生物呼吸加強,加速SOC分解,導致SOC大量釋放;同時,收獲作物使地上部分被大量移走,減少了植被對土壤碳的歸還量。

研究還得出耕地發生轉變的面積增加1496.06 km2,有機碳儲量增加1165.19×106kg,年增速增大82.75倍。對比可以看出耕地發生轉變的有機碳儲量年增速顯著快于耕地保持不變時的有機碳儲量年增速。同時還發現耕地轉變為林草地等,有機碳密度多為增加,并且碳儲量增加明顯。這是因為退耕還林的實施,增加了植物凋落物以及根系土壤碳歸還量,能夠起到土壤碳匯作用,利于生態系統碳轉化以及碳貯蓄[13]。同時,退耕還林、退耕還草等生態建設可以增強環境抗干擾能力,有助于增加有機碳儲量[29],有利于生態系統的可持續發展。林地植被覆蓋度高,林下的凋落物較厚,攔蓄水土、阻擋表層土壤養分功能較強,且根系分泌物和凋落物輸入較大[30],從而使其表層SOC的密度高于其他用地。對于草地而言,植被覆蓋相對較高,有效減少了土壤侵蝕和水土流失。揣小偉等[11]、文雯等[28]的研究發現轉變用地類型碳密度增加值高于保持用地時,有利于碳匯形成,反之則造成了碳排放,這一結論為本文提供了支持。同時,劉憲鋒等[23]對陜西土壤有機碳研究顯示,耕地SOCD明顯低于林地和草地,不同用地類型轉換會導致土壤有機碳變化,影響陸地生態系統碳循環。此外,李鑒霖等[31]對縉云山研究結果表明林地及撂荒地SOC及各組分碳含量都顯著高于果園和坡耕地,坡耕地撂荒有利于碳恢復和截存,這些與本文研究結果相一致。

本文研究了在植被恢復前、恢復初期以及恢復15年后三個不同階段表層有機碳的變化。韓新輝等[32]研究表明退耕還林(草)的新建植被10年左右能形成較穩定的群落,環境條件得到改善,SOCS也隨之增加。孫彩麗等[33]研究表明黃土高原地區退耕還林(草)的土壤固碳效應在短期內不顯著,但長期固碳效應(>35年)相當可觀。這兩個結論在一定程度上為本文研究提供了依據。退耕還林(草)的早期新建植被不能產生大量枯落物進入土壤形成有機質,植物根系又必須從土壤中吸入大量營養物質維持自身的新陳代謝,土壤有機質在較強的同化作用下大量消耗,這很好解釋了退耕還林在短期內固碳效應不顯著的原因,Groenendijk[34]、Rumpel等[35]的研究證明了這一說法。因此土壤的固碳效應是一個長期過程。

本文中由于存在采樣過程中不可避免的誤差、環境影響、實驗結果不夠精確、以及人為干擾等不確定性因素的影響,因此結果難免存在差異。文章僅對研究區近三十年耕地轉變的碳效應進行了研究,尚未對不同用地類型轉變對碳儲量的影響進行研究,也缺少對固碳潛力方面的研究,這將是今后主要的研究方向。

4 結論

(1)退耕還林政策對陜西黃土臺塬用地類型轉變產生很大影響。1985—2006年耕地的土地利用轉化率為2.81%,2006—2015年為17.89%,說明退耕還林政策明顯加快了用地類型轉變速度。耕地轉變為林草地,有利于表層土壤有機碳儲量的增加。

(2)研究區近30年不同年份耕地表層SOCD變化差異較大,1985年耕地表層平均SOCD為1.73 kg/m2,2006年為1.87 kg/m2,2015年為2.50 kg/m2,增幅分別為8.09%和36.36%。1985—2006年,研究區東北和西南地區以增加為主,而中部地區以減少為主;2006—2015年,研究區中部、南部和西南地區以增加為主,而東北地區以減少為主。

(3)近30年耕地保持不變的面積減少,發生轉變的面積增加。1985—2006年植被恢復前至恢復初期,耕地保持不變和發生改變的面積分別為9429.87 km2和272.41 km2,碳儲量分別增加927.93×106kg和33.80×106kg。2006—2015年植被恢復十多年,耕地保持不變和發生改變的面積分別為8119.04 km2和1768.47 km2,碳儲量分別增加3132.79×106kg和1198.99×106kg。這表明退耕還林有利于生態系統碳固定,植被恢復越久SOCS增加越明顯。