土壤侵蝕對黑土區(qū)農(nóng)耕地土壤碳動(dòng)態(tài)的影響

土壤侵蝕對黑土區(qū)農(nóng)耕地土壤碳動(dòng)態(tài)的影響

碳環(huán)研究的核心是認(rèn)識到的碳環(huán)無法平衡已知碳的來源，即存在一個(gè)非常不同的“未知碳”。土壤侵蝕是土壤有機(jī)碳遷移和流失的主要原因，也是土地碳環(huán)的重要?jiǎng)恿^程之一。嚴(yán)重的土壤侵蝕不僅減少了可以種植的土地資源，還減少了土壤有機(jī)碳（si）的含量，降低了土壤肥力。根據(jù)研究，土壤侵蝕和沉積物中積累的碳可能會積聚，即土壤中的土壤侵蝕損失的碳在坡底隨沉積物沉積物積累而積累，土壤固碳是應(yīng)對全球氣候變化的重要手段。因此，對土壤侵蝕對土壤有機(jī)碳儲量的影響對全球碳環(huán)的研究非常重要。然而，我國的相關(guān)研究主要集中在土壤侵蝕對土壤侵蝕、生產(chǎn)力和水質(zhì)的影響上，而對土壤侵蝕對土壤侵蝕的影響研究較少。東北黑土有機(jī)質(zhì)豐富,土壤肥力高;黑土區(qū)是我國重要的商品糧基地.然而自東北黑土區(qū)開墾以來,受人類不合理的生產(chǎn)經(jīng)營活動(dòng)及自然條件等因素的影響,土壤侵蝕嚴(yán)重,土地生產(chǎn)力下降.黑土厚度從20世紀(jì)50年代的70～100cm下降到21世紀(jì)初期的20～30cm.隨著黑土層厚度的減小,土壤有機(jī)碳含量也在降低.研究表明,黑龍江省黑土地開墾20年后有機(jī)質(zhì)含量較開墾前減少36%左右,開墾40年則減少近50%.因此,在該區(qū)開展土壤侵蝕對SOC動(dòng)態(tài)及碳循環(huán)的影響研究無疑具有十分重要的理論與實(shí)踐意義.20世紀(jì)60年代以來,國內(nèi)外利用放射性核素137Cs和210Pbex,尤其是137Cs示蹤土壤侵蝕與沉積方面得到了成功應(yīng)用.然而,雖然在我國黃土高原、長江上游流域以及世界的其他地區(qū)發(fā)現(xiàn)土壤中137Cs與SOC關(guān)系密切,且認(rèn)為它們在土壤中有著相似的移動(dòng)路徑,在東北黑土區(qū)也有人利用137Cs技術(shù)就土壤侵蝕對坡面SOC再分布的影響進(jìn)行了研究,但同時(shí)利用137Cs和210Pbex研究土壤侵蝕對土壤有機(jī)碳影響的研究不多.137Cs(半衰期30.17年)是20世紀(jì)50—70年代核試驗(yàn)的產(chǎn)物,137Cs沉降主要發(fā)生在這一時(shí)期.因此,隨著137Cs的衰變,對于137Cs含量很低或沒有137Cs的地點(diǎn),用137Cs研究土壤侵蝕對SOC的影響必然存在著一定的局限性.與137Cs相比,210Pbex(半衰期22.2年)則是自然產(chǎn)生的U系列衰變產(chǎn)物,在特定地點(diǎn)210Pbex向地表輸送量為一恒量.137Cs和210Pbex的共同特點(diǎn)在于它們隨降雨沉降到地面后隨即被表層土壤強(qiáng)烈吸附,基本不被淋溶和植物吸收,其后的運(yùn)移主要伴隨土壤或泥沙顆粒尤其是細(xì)顆粒的物理運(yùn)移.此外,運(yùn)用137Cs和210Pbex能夠分別提供過去約50年和100年時(shí)間尺度上的土壤侵蝕再分布規(guī)律.因此,直接利用137Cs和210Pbex開展侵蝕對土壤有機(jī)碳影響的研究具有非常重要的意義.然而,在我國東北黑土區(qū)還未見該方面的工作開展.因此,本文以東北典型黑土區(qū)鶴山農(nóng)場一塊28.5hm2的坡耕地為研究對象,通過野外樣品采集和室內(nèi)分析,研究137Cs、210Pbex和SOC的分布特征,探討利用137Cs和210Pbex研究景觀SOC動(dòng)態(tài)的潛力,該研究對于揭示碳“未知匯”問題具有重要的意義.1研究領(lǐng)域和方法1.1研究區(qū)地貌與自然條件研究區(qū)位于黑龍江省黑河地區(qū)南部,嫩江縣與訥河市北部邊緣交界處的九三農(nóng)墾分局鶴山農(nóng)場境內(nèi)(48.9°N,125.2°E),屬于典型黑土區(qū),處于小興安嶺西南麓向松嫩平原過渡的漫川漫崗地帶,海拔在250～383m之間.研究區(qū)坡長坡緩,地形起伏小,坡耕地坡度多為1～3°,坡長1000～2000m(圖1).研究區(qū)土壤以典型黑土為主,另外還有棕色森林土和草甸土.成土母質(zhì)為第四紀(jì)湖相沖積沉積物黃黏土,坡耕地黑土厚度多在40cm以下.本區(qū)屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年平均氣溫0.4℃左右,冬夏溫差較大.年均降水534mm,6—8月降水量占全年降水量的66.8%.1.2樣品的采集和測試2010年6月底,選擇該區(qū)面積為28.5hm2的一塊坡耕地,采用斷面結(jié)合典型地貌部位的方法采集土壤樣品,采樣間距50～100m不等.利用5cm直徑的土鉆采集土壤樣品,采樣深度視黑土層厚度而定,坡面侵蝕區(qū)采集深度約40cm左右,沉積區(qū)100cm左右,共在61個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行了樣品采集.為研究137Cs、210Pbex和SOC隨土層深度變化的分布特征,根據(jù)研究經(jīng)驗(yàn),在明顯侵蝕和沉積部位各隨機(jī)選取1個(gè)采樣點(diǎn),按5cm厚度分層采集土樣.為保證土樣質(zhì)量能夠滿足儀器測試要求,在各采樣點(diǎn)分層采集土樣時(shí),按邊長為1m的三角形3個(gè)頂點(diǎn)處分層采樣,然后將同一層位的土樣混合,得到侵蝕區(qū)和沉積區(qū)不同深度的土壤樣品.所有樣品(共計(jì)89個(gè))采集后晾干、研磨,然后分成2部分,一部分過2mm篩,剔除草根和石塊等雜物,稱300g左右供核元素測試;另一部分過0.15mm篩,剔除草根和石塊等雜物后用來測試樣品中的SOC含量.137Cs與210Pbex放射性活度用美國CANBERRA公司配備的高純鍺探頭γ能譜儀(測定范圍為3～3×103keV)測定.在662keV處求算137Cs放射性活度(Bq·kg-1),在46.5keV處求算210Pb放射性活度(Bq·kg-1),226Ra不能直接測定,但可用其子體214Pb和214Bi替代,取兩子體的平均值即為226Ra的放射性活度.210Pb與226Ra的放射性活度之差即為210Pbex放射性活度.核素測定時(shí)間為80000s左右,測定誤差<8%.SOC采用濕燃燒法測定.1.3土壤樣品分析根據(jù)采集樣品質(zhì)量、土鉆取樣面積和測試得到的137Cs、210Pbex放射性活度(Bq·kg-1)以及SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)(g·kg-1),得到137Cs、210Pbex面積活度(Bq·m-2)和SOC儲量(kg·m-2).利用SPSS14.0軟件統(tǒng)計(jì)分析了土壤樣品137Cs、210Pbex面積活度和SOC儲量特征,并利用Surfer8.0軟件進(jìn)行三維空間分布制圖.137Cs、210Pbex和SOC含量相關(guān)關(guān)系采用Origin7.0軟件作圖.2結(jié)果與分析2.1上中層級碳質(zhì)細(xì)度和soc活度分布特征侵蝕區(qū)分層樣品數(shù)據(jù)顯示,137Cs放射性活度均勻分布在0～20cm,而在20cm尤其是25cm以下,137Cs放射性活度大大減少.與137Cs類似,受耕作活動(dòng)混合土層的影響,耕作侵蝕區(qū)25cm深度以上210Pbex放射性活度大且分布均勻,且210Pbex的放射性活度明顯高于25cm以下土層.SOC在侵蝕區(qū)的分布與137Cs和210Pbex表現(xiàn)出同樣的分布規(guī)律,耕作層內(nèi)0～25cmSOC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在20～25g·kg-1,而25cm以下SOC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯減小(圖2).在沉積區(qū),137Cs、210Pbex的分布深度遠(yuǎn)大于侵蝕區(qū),受137Cs和210Pbex沉降特征及土地利用的影響,137Cs和210Pbex的放射性活度峰值分別出現(xiàn)在45cm和35cm深度上(圖3).SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布與137Cs、210Pbex分布呈現(xiàn)相似的規(guī)律,SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)在45cm深度上也達(dá)到最大值(71g·kg-1).2.2坡耕地soc儲量分布由表1可知,坡耕地137Cs、210Pbex面積活度和SOC儲量變化很大.137Cs最小值和最大值分別為582和10420Bq·m-2;210Pbex最小值和最大值分別為4537和68349Bq·m-2;137Cs和210Pbex標(biāo)準(zhǔn)差分別為1437和9674Bq·m-2.SOC儲量變化在350～4860kg·m-2,標(biāo)準(zhǔn)差為789kg·m-2.坡耕地137Cs、210Pbex面積活度和SOC儲量三維圖(圖4)顯示,受耕地土壤侵蝕、耕地防護(hù)林帶以及耕作和農(nóng)作物種植等因素的影響,耕地137Cs、210Pbex面積活度和SOC儲量空間變異很大.在耕地的邊緣、坡面上部防風(fēng)林帶附近以及耕地下部,137Cs、210Pbex面積活度和SOC儲量大,而在兩條林帶之間以及坡面下部林帶某些位置,137Cs、210Pbex面積活度和SOC儲量卻很小.值得注意的是,137Cs和210Pbex面積活度空間分布也有所差異,如在坡面下部防風(fēng)林帶以下位置137Cs面積活度相對較小,而210Pbex面積活度在相應(yīng)位置卻有所增加.這很可能與兩者的降落特征及防護(hù)林帶建設(shè)有關(guān).3土壤侵蝕和地表結(jié)構(gòu)核素成功示蹤土壤侵蝕的根本原因在于核素具有強(qiáng)烈吸附土壤顆粒的能力.此外,研究發(fā)現(xiàn)SOC主要伴隨土壤顆粒發(fā)生遷移轉(zhuǎn)化.因此,核素137Cs和210Pbex與SOC在土壤侵蝕沉積過程中很可能具有相似的物理運(yùn)移過程.坡面沉積區(qū)137Cs和210Pbex除主要來源于坡面侵蝕區(qū)的泥沙外,也有部分來源于沉積區(qū)的大氣沉降.137Cs降落主要發(fā)生在20世紀(jì)50—70年代,研究區(qū)1963年沉降量占總沉降量的比例近25%.20世紀(jì)60年代,研究區(qū)原有的林地已被開發(fā)成耕地,而防風(fēng)林帶尚未布設(shè),土壤侵蝕嚴(yán)重.因此,45cm土層處最大137Cs放射性活度為1963年富含137Cs表層土壤強(qiáng)烈侵蝕后在該處沉積所致.隨著土層厚度的減小和耕作活動(dòng)的持續(xù)進(jìn)行,耕作層以下不含137Cs的土壤混合到耕作層中,耕作層137Cs放射性活度減小,使45cm深度向上137Cs放射性活度逐漸降低.45cm處SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大值的出現(xiàn)至少有兩個(gè)原因:一是在土壤侵蝕過程中可優(yōu)先侵蝕掉富含SOC的細(xì)顆粒;另一方面,137Cs和210Pbex均能被土壤有機(jī)質(zhì)和土壤細(xì)顆粒物質(zhì)強(qiáng)烈吸附.與人工放射性核素137Cs降落不同,自然放射性核素210Pbex持續(xù)沉降到地表.假設(shè)在土地利用狀況不變的情況下,沉積剖面最表層的210Pbex放射性活度應(yīng)該最高,由于放射性衰變,向下放射性活度逐漸降低.然而,本研究剖面中210Pbex峰值處在35cm深度上,可能是由于20世紀(jì)70年代坡面防護(hù)林建設(shè)減少了坡面土壤侵蝕的緣故.在耕作侵蝕區(qū),受耕作混合的影響,耕作層137Cs、210Pbex放射性活度和SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)大,而耕作層以下變小.坡緩坡長是研究區(qū)的重要地形特點(diǎn),20世紀(jì)70年代構(gòu)建的農(nóng)田防護(hù)林帶將深刻影響137Cs、210Pbex和SOC的空間分布特征.防風(fēng)林帶將長坡面切割成短坡面,使上坡來水量減少,流速和徑流侵蝕能力降低,加之林帶的阻擋作用,坡面上部侵蝕的泥沙在林帶附近沉積,使得林帶附近樣品137Cs、210Pbex面積活度和SOC儲量較大(圖4).防風(fēng)林帶某些部位較低的137Cs、210Pbex面積活度和SOC儲量,則與低洼處水流穿過防風(fēng)林帶,形成股狀水流加劇土壤侵蝕有關(guān),野外考察對此現(xiàn)象也已證實(shí).137Cs和210Pbex面積活度空間分布特征的差異,則與它們的沉降特征及1970年左右防風(fēng)林帶的建設(shè)密切相關(guān).137Cs和210Pbex是兩種不同的核元素,研究表明,137Cs對于20世紀(jì)50—70年代的土壤侵蝕敏感,而210Pbex則對近幾十年來的土壤侵蝕敏感性較強(qiáng).研究區(qū)防風(fēng)林帶建設(shè)在1970年左右,坡面下部137Cs面積活度較小與防護(hù)林帶建設(shè)之前嚴(yán)重的土壤侵蝕有關(guān),而210Pbex面積活度較高是防風(fēng)林帶能夠在一定程度上阻止土壤侵蝕的結(jié)果.SOC、137Cs和210Pbex的平面分布除受侵蝕影響外,還與不同位置處SOC的同化速率及生物化學(xué)氧化過程有關(guān).雖然137Cs、210Pbex與SOC在垂直剖面和橫向分布上有差異,但它們有相似的分布規(guī)律(圖2～4).所有樣品137Cs、210Pbex和SOC含量的相關(guān)關(guān)系表明(圖5和表2),137Cs、210Pbex和SOC之間呈線性顯著正相關(guān),決定系數(shù)r2(相關(guān)系數(shù)r的平方)均在0.37以上.為深入探索137Cs、210Pbex與SOC的線性關(guān)系,將數(shù)據(jù)分成3組,分別為137Cs<10Bq·kg-1(或210Pbex<55Bq·kg-1)、137Cs或210Pbex>0Bq·kg-1、10Bq·kg-1>137Cs>0Bq·kg-1(或55Bq·kg-1>210Pbex>0Bq·kg-1).137Cs、210Pbex與SOC在不同分組下均顯著相關(guān)(P<0.005),且不同分組下210Pbex與SOC的線性關(guān)系變化不大(圖5和表2).值得注意的是,當(dāng)剔除137Cs放射性活度為0Bq·kg-1的樣品后,137Cs對SOC的決定系數(shù)從0.37增加到0.55,表明在137Cs含量低的地區(qū),用137Cs研究SOC動(dòng)態(tài)存在著一定的局限性.在我國黃土高原地區(qū)、密云水庫及世界上的其他地區(qū),也發(fā)現(xiàn)137Cs、210Pbex與SOC有很好的相關(guān)性,表明137Cs、210Pbex與SOC在土壤中很可能有著相似的物理移動(dòng)過程.由圖5和表2可知,210Pbex與SOC的線性關(guān)系較穩(wěn)定,其不確定度SD也多小于137Cs與SOC線性關(guān)系的不確定度.這很可能與兩種核素的沉降特征及它們與SOC的吸附能力有關(guān).137Cs是與核爆炸有關(guān)的核素,其沉降主要發(fā)生在20世紀(jì)50—70年代,而特定地點(diǎn)的210Pbex沉降則為一恒值.與210Pbex相似,自然生態(tài)系統(tǒng)中SOC能夠從枯枝落葉中得到一定的補(bǔ)充.相比之下,除137Cs的主要沉降年外,其他時(shí)間的沉降很少.此外,研究發(fā)現(xiàn),土壤侵蝕過程中210Pbex吸附