試析黃土丘陵區(qū)不同土地類型表層土壤有機(jī)碳分布特征

宋啟龍 張 沖 王會(huì)敏

1.華北地質(zhì)勘查局第四地質(zhì)大隊(duì) 河北 秦皇島 066000

2.秦皇島中兵建設(shè)集團(tuán)股份有限公司 河北 秦皇島 066000

引言

土壤中有機(jī)碳的分布不光是衡量土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，同時(shí)也在全球碳循環(huán)中扮演重要角色。黃土丘陵區(qū)為典型的干旱、半干旱區(qū)域，其自然條件相對(duì)惡劣，加之地上人工活動(dòng)的頻繁開展，對(duì)土壤有機(jī)碳庫(kù)及固碳速率產(chǎn)生顯著影響，為有效提高土壤資源利用率，有必要對(duì)目前的黃土丘陵區(qū)土壤有機(jī)碳分布情況進(jìn)行分析。

1 有機(jī)碳分布特征調(diào)查方案設(shè)計(jì)

1.1 區(qū)位特點(diǎn) 本實(shí)驗(yàn)研究區(qū)位于山西省北部的黃土丘陵區(qū)，該區(qū)域?yàn)闇貛О敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候，年平均降水量較少，僅在400～460 mm，區(qū)域黃土覆蓋厚度在50～80 m。分別選取紅棗林地、農(nóng)地、5年撂荒草地和退化人工草地4種土地類型作為研究對(duì)象，分析0～100c m 淺層土壤的有機(jī)碳結(jié)構(gòu)特征。

1.2 樣本采集 樣本采集采用隨機(jī)采樣法進(jìn)行，在各類型土地上所及選取采樣點(diǎn)，并使用便攜式手持GPS設(shè)備獲取樣本點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。使用土鉆鉆取土樣，設(shè)計(jì)采樣深度為100c m。將采樣深度平均劃分為5個(gè)層級(jí)，為保證采樣代表性，在各采樣點(diǎn)附近再隨機(jī)選取5個(gè)采樣點(diǎn)，將來自各土層的樣本混合均勻并清除雜質(zhì)后，存放至專門容器中。4種土地類型的標(biāo)準(zhǔn)采樣點(diǎn)均為15個(gè)，共包括60個(gè)采樣點(diǎn)，得到土樣300份。

有機(jī)碳分布檢測(cè)同時(shí)測(cè)定土壤無機(jī)碳含量情況，因此樣本采集過程中，將各樣本平均分為兩份，其中一份經(jīng)烘干后進(jìn)行無機(jī)碳含量測(cè)量，另一份則進(jìn)行自然風(fēng)干，過篩后測(cè)量土壤內(nèi)有機(jī)碳的含量。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法 用于無機(jī)碳含量檢測(cè)的土樣在105℃恒溫環(huán)境下連續(xù)烘干24h，待樣本質(zhì)量恒定后，使用氣量法測(cè)量其無機(jī)碳含量。選用該方法的原因主要是由于，在黃土丘陵區(qū)這類干旱和半干旱地區(qū)，無機(jī)碳主要存儲(chǔ)于無機(jī)鹽中，無機(jī)鹽與碳酸鹽和鹽酸反應(yīng)可生成大量二氧化碳?xì)怏w，收集并測(cè)定氣體量，參考當(dāng)時(shí)大氣壓即可得到無機(jī)碳的準(zhǔn)確含量。

有機(jī)碳含量檢測(cè)樣本在室內(nèi)進(jìn)行自然風(fēng)干，然后過0.20 mm 篩，使用重鉻酸鉀-外加熱法進(jìn)行有機(jī)碳含量測(cè)定。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，結(jié)合獲得數(shù)據(jù)計(jì)算不同類型土地和深度條件下土壤有機(jī)碳的含量，并找出土壤深度與有機(jī)碳含量的影響關(guān)系。計(jì)算有機(jī)碳含量均值及標(biāo)準(zhǔn)差，使用LSD法進(jìn)行比較分析，得出最終的檢測(cè)結(jié)果。

2 有機(jī)碳分布特征調(diào)查結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 土層深度差異 在實(shí)驗(yàn)研究的4中土地類型中，土壤有機(jī)碳含量均與土壤深度表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系，即隨著土壤深度的增加，其含有的有機(jī)碳含量降低。計(jì)算4中土地類型下各土壤深度層級(jí)有機(jī)碳含量的平均值，(0，20)、(20，40)、(40，60)、(60，80)、(80，100)各深度區(qū)間的平均有機(jī)碳含量依次為3.42g·kg-1、2.15g·kg-1、1.89g·kg-1、1.75g·kg-1和1.56g·kg-1。從該組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還可發(fā)現(xiàn)，深度層級(jí)0～20c m 的土壤有機(jī)碳含量與其他土層之間差異顯著，而20～100c m 的土壤深度中，有機(jī)碳含量雖然仍保持下降趨勢(shì)，但不同深度層級(jí)間土壤含碳量的差距明顯縮小。這一結(jié)果與現(xiàn)有文獻(xiàn)研究成果保持一致。例如，有學(xué)者在研究陜北黃土丘陵區(qū)不同土地利用方式下土壤碳剖面分布特征時(shí)，選擇研究深度在0～200c m，發(fā)現(xiàn)隨著土層深度的增加，土壤有機(jī)碳含量逐漸降低，且當(dāng)深度達(dá)到200c m 時(shí)，各剖面土壤有機(jī)碳含量趨于穩(wěn)定[1]。

2.1.2 土地類型差異 再觀察相同土層深度中，不同土地類型間土壤有機(jī)碳含量情況。發(fā)現(xiàn)當(dāng)土層深度在0～60c m 時(shí)，有機(jī)碳含量由高到低的順序?yàn)榧t棗林地、農(nóng)地、撂荒草地和退化人工草地。其當(dāng)土層深度在0～20c m 時(shí)，不同土地類型中土壤有機(jī)碳含量差異顯著，而在其他土層深度中，這種差異并不明顯。

在其他學(xué)者的實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，撂荒草地的撂荒年限與其土壤中有機(jī)碳的含量存在一定關(guān)聯(lián)。不同土層深度下，30年撂荒草地中土壤有機(jī)碳的含量均要高于7年撂荒草地，且當(dāng)土層深度在0～20c m 時(shí)，7年撂荒草地的有機(jī)碳含量在2.59g·kg-1，而在30年撂荒草地中，這一數(shù)值提高至4.19，有機(jī)碳含量變化明顯[2]。

2.1.3 無機(jī)碳含量 在另一組實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，除紅棗林地之外，其他幾種類型土地中土壤無機(jī)碳含量變化幅度均較大，無機(jī)碳含量由高到低排序依次為農(nóng)地、紅棗林地、退化人工草地和撂荒草地。

2.2 理論分析 現(xiàn)有研究文獻(xiàn)表明，農(nóng)業(yè)用地改變利用方式后，土壤內(nèi)有機(jī)碳的含量會(huì)增加，帶來更高的碳儲(chǔ)量水平。在本次實(shí)驗(yàn)研究中，不同類型土地的有機(jī)碳含量之間也存在一定差異，且農(nóng)地中各土層深度中土壤有機(jī)碳含量要低于紅棗林地，這一結(jié)果與現(xiàn)有文獻(xiàn)的結(jié)論保持一致。主要是由于，土地的農(nóng)業(yè)化使用使得土壤內(nèi)的有機(jī)碳被農(nóng)作物不斷汲取，且農(nóng)業(yè)化應(yīng)用會(huì)加速土壤養(yǎng)分的流失速度。但在本文的研究中發(fā)現(xiàn)，土地中有機(jī)碳的含量要高于撂荒草地，可能是由于本文所選擇的撂荒草地撂荒年限僅為5年，在之前的農(nóng)業(yè)種植中使用了大量有機(jī)肥料，發(fā)揮了一定程度的土壤營(yíng)養(yǎng)含量補(bǔ)充作用。

前文提到，在其他學(xué)者的研究中發(fā)現(xiàn)30年撂荒草地中有機(jī)碳的含量要高于7年撂荒草地，這可能是由于7年撂荒草地的撂荒時(shí)間過短，雖然農(nóng)業(yè)生產(chǎn)優(yōu)化了其營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)，但地表植物、落葉枯萎腐敗所產(chǎn)生的有機(jī)碳貢獻(xiàn)程度還不明顯。

而在土壤有機(jī)碳含量與土層深度的關(guān)系上，0～20c m 深度范圍內(nèi)不同類型土地的有機(jī)碳含量之間最為顯著，這一點(diǎn)也與其他相關(guān)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果保持一致。

結(jié)論

綜上所述，黃土丘陵區(qū)不同類型土地中，表層土壤有機(jī)碳含量與土層深度負(fù)相關(guān)，但隨著土層深度的增加，不同類型土地間有機(jī)碳含量差異逐漸縮小，可判斷土地類型對(duì)有機(jī)碳的含量的影響僅突出表現(xiàn)在淺層土壤當(dāng)中。