黃土丘陵溝壑區典型小流域土壤有機碳和全氮空間分布特征

水土流失是導致土壤有機碳儲量損失和土壤侵蝕的重要因素。水土流失治理可顯著改善土壤質量,提高陸地生態系統碳積累。據Lal估計,全球水土流失治理的固碳潛力為1.47—3.04PgC/a。土壤有機碳庫的恢復不僅有助于改善土壤持水性能、提高土壤質量而且有助于維護生態系統的結構與功能。因此,了解水土流失治理條件下土壤有機碳(SOC)和總氮(TN)的變化及其影響因素,對科學評價水土流失區土壤固碳潛力和碳循環具有重要意義。黃土高原地區溝壑縱橫、地形破碎,水土流失嚴重。小流域既是黃土區產流產沙的基本單元,也是該區治理水土流失的基本單元。在水土流失嚴重的丘陵溝壑區,梁峁坡、溝坡及各類溝谷中,地形嚴重影響著小流域內水土流失狀況,支配著水、熱資源的空間分布,決定著植被群落的空間配置,從而影響水土流失治理措施的空間配置。例如,在丘陵溝壑區的燕溝流域,依據立地條件進行綜合治理,梁峁坡上建立了喬—灌—草混交植被措施,溝坡則配置了喬—灌混交以及經濟林果措施,而溝谷則建造速生用材林,水土流失治理措施的合理配置,顯著降低了流域的產沙量,提高了流域土壤生產力和土壤質量。除地形因素外,植被措施的差異也會顯著影響SOC和TN的積累。此外,即使同一植被措施條件下,也會因地形差異影響SOC和TN的積累。目前,大量的研究集中于土地利用方式的變化或單一水土流失治理措施對SOC和TN的影響[15,16,17,18,19,20,19]。但從小流域角度,研究同一治理措施在不同地形部位或同一地形部位上不同治理措施間SOC和TN積累的差異的報道不多。因此,從地形和治理措施角度研究流域內SOC和TN的變化有助于深入理解黃土區水土流失治理對陸地生態系統碳循環的影響。1材料和方法1.1流域土地、植被現狀磚窯溝流域(39°11′06″—39°13′47″N,111°12′03″—111°19′28″E)位于晉西北河曲縣沙坪鄉,地勢東高西低,海拔845—1244m,主溝方向為東西向,長約14.2km,支溝從南北兩面匯入,南北剖面呈凹形,分水嶺與溝底高差達150—200m,起伏劇烈。流域溝壑密度為6.24km/km2,溝谷切割深度一般在50—100m之間,有的高達200m左右。流域(黃土丘陵溝壑區)地貌類型由梁峁坡、溝坡和溝谷組成,三者在流域內所占的比例分別為47.7%、47.3%、5.0%。流域內坡度在0°—15°范圍之間的土地面積占整個流域面積的40.40%;15°—25°之間占29.81%;25°—35°之間占12.44%;>35°的占17.35%。流域屬大陸性季風氣候,年平均降水量447.5mm,蒸發量1913.7mm,年內降雨主要集中在6—9月份,其中7﹑8兩月份占全年降水量的52.3%,并多為大雨和暴雨。≥10℃的積溫天數為140d,無霜期為156d,全年日照達2856h。多年平均大風日數87.2d。以春季最多,占41.64%。流域土壤侵蝕以水蝕為主,“七五”初年平均水蝕模數為12000t·km-2·a-1。地面割裂度為55.1%,年土壤侵蝕模數>20000t/km2,屬于劇烈侵蝕。流域的土壤以栗褐土為主,土壤層次發育不明顯,多表現出母質性狀,質地偏輕,有機質含量一般在0.50%左右,全N﹑全P僅0.04%和0.05%,全K含量2.00%左右。流域植被類型多樣,屬溫暖帶森林草原氣候,主要農作物有糜子(Panicummiliace-umL.)﹑玉米(ZeamaysL.)﹑谷子(Setariaitalica)等;林地包括喬木林和灌木林,喬木林地主要有刺槐(Robiniapseudoaca-cia)林、小楊樹(PopulussimoniiCarr.)林、沙棗(Elaeagnusan-gustifoliaL.)林等,灌木林有檸條(CaraganaKorshinskii)﹑沙棘(Hippophaerhamnoides);草地分為人工草地和天然草地兩種類型,其中人工草地主要有苜蓿(MedicagosativaL)、香蒲(TyphaorientalisPresl)﹑沙打旺(AstragalusadsurgensPall)等,天然草地主要有草木樨(MelilotussuaveolensLedeb)、冰草(AgropyroncristatumL.Gaertn)等類型。1.2測量和方法1.2.1采樣方法及樣品采集基于小流域內的地貌類型和治理措施兩大因素,采用“分層次采樣的方法”,采集土壤樣品。將地貌類型(梁峁坡﹑溝坡和溝谷)作為一級層次,將同一地貌類型條件下的不同治理措施(坡耕地(對照)﹑水平梯田、林地措施﹑草地措施)作為二級層次。在流域內,以橫斷面思路為依據,采集土壤樣品,每個采樣點3—5次重復(“S”型路線),并充分考慮空間異質性,在沿途進行補點采樣。3種地貌類型在野外的判別依據為:溝緣線以上為梁峁坡(包括峁頂),溝緣線以下到坡腳線以上為溝坡,多個坡腳線之間相對平坦的地區為溝谷(圖1)。結合磚窯溝流域的實際情況于2010年9月進行為期4d的采樣。采樣時利用GPS定位,并記錄每個采樣點的海拔、經緯度、地貌類型、治理措施等信息。在流域尺度上采集不同地貌類型、不同治理措施的土壤樣本97個,其中0—20cm土層采集了60個土壤樣本,0—40cm土層采集了20個土壤樣本,0—100cm土層采集了17個土壤樣本。每個樣本分別取0—10、10—20、20—40、40—60、60—80、80—100cm共6個層次,共計737個土壤樣品。采樣土鉆直徑為3cm。1.2.2自然干預樣品測定新鮮樣品混合均勻后,用部分樣品測土壤水分(SM)(烘干法),剩余樣品在室內進行自然風干,風干樣品過0.25mm篩后,測定SOC(H2SO4-K2Cr2O7外加熱法)含量(g/kg),TN(凱氏定氮法)含量(g/kg)(自動定氮儀BUCHI322/343)。1.3土壤有機碳回歸分析s利用Excel軟件進行數據的預處理,用Sigmplot軟件做SOC和TN以及SM相關圖,用SAS軟件的UNIVARIATEplotnormal程序包對數據進行正態分布檢驗。利用SAS軟件PROCreg程序包對分析獲得的SOC(因變量)和TN(自變量)進行回歸分析,所獲回歸方程的斜率反映了土壤C∶N的平均值。并用SAS軟件對不同地貌類型和不同治理措施條件下的SOC、TN和SM進行了方差分析(GLM),當F檢驗顯著時在進行3種地貌類型(梁峁坡、溝坡、溝谷)和3種治理措施(坡耕地(對照)、水平梯田、林地措施、草地措施)均值間的Duncan檢驗,對同一地貌類型條件下不同治理措施以及同一治理措施條件下不同地貌類型進行方差分析(GLM),當F檢驗顯著時,進行均值間的Duncan檢驗。所有方差分析α=0.1。2結果與分析2.1tn含量的變化流域表層SOC含量的變化范圍為1.05—17.60g/kg,均值為4.39g/kg,數據接近正態分布(W=0.8839);TN含量的的變化范圍為0.05—1.38g/kg,均值為0.38g/kg,近似正態分布(W=0.9150);SM的變化范圍為7.27%—19.35%,均值為12.46%,近似正態分布(W=0.9759)。治理措施、土層深度、地貌類型及其交互作用對流域土壤SOC、TN以及SM的空間分布有顯著影響(P<0.1)(表1)。2.2生物治理措施對sm空間分布的影響同一地貌類型條件下,治理措施對SOC、TN以及SM都有顯著影響(P<0.1)(圖2)。粱峁坡上,與坡耕地相比,在0—10cm土層,林地的SOC(6.43g/kg)含量提高了70%,但水平梯田、草地措施在0—10cm土層的SOC含量與其差異不顯著(P>0.1);在10—20cm土層,水平梯田的SOC(4.4g/kg)含量較坡耕地的SOC含量提高了54%,而林地措施和草地措施的SOC含量與坡耕地的SOC含量差異不顯著(P>0.1);在20—100cm土層,水平梯田、林地措施和草地措施的SOC含量均與坡耕地的SOC含量差異不顯著(P>0.1)。在0—100cm土層,TN含量與SOC含量的變化規律相似。溝坡條件下,在0—10cm土層,林地的SOC(7.57g/kg)含量較坡耕地的SOC含量提高了76%,而水平梯田、草地措施的SOC含量與坡耕地的SOC含量差異不顯著(P>0.1);在10—20cm土層,林地措施的SOC(4.11g/kg)含量較坡耕地的SOC(3.45g/kg)含量提高了19%,而水平梯田、草地措施的SOC含量與坡耕地的SOC(3.45g/kg)含量差異不顯著(P>0.1);在20—100cm土層,水平梯田、林地措施和草地措施的SOC含量與坡耕地的SOC含量差異不顯著(P>0.1)。不同措施間的TN含量在0—100cm土層與SOC含量有著近似的規律。梁峁坡上或溝坡上生物治理措施均顯著影響SM的空間分布(P<0.1)。0—100cm土層,SM呈現出水平梯田>林地或草地措施>坡耕地的趨勢(圖2)。2.3不同地貌類型學生的soc含量同一治理措施條件下,SOC、TN以及SM因地貌類型存在顯著差異(P<0.1)(圖3)。坡耕地條件下,與梁峁坡相比,在0—100cm土層,溝坡的SOC和TN的含量與其差異不顯著(P>0.1)。水平梯田措施條件下,與梁峁坡相比,在0—10cm土層,溝谷的SOC(6.54g/kg)含量提高了46%,而溝坡的SOC(4.43g/kg)含量與梁峁坡的SOC(4.47g/kg)含量差異不顯著(P>0.1);在10—20cm土層,溝坡的SOC(3.23g/kg)含量較梁峁坡的SOC(4.4g/kg)含量減少了27%,而溝谷的SOC(4.28g/kg)含量與梁峁坡的SOC(4.4g/kg)含量差異不顯著(P>0.1);在20—40cm土層,溝谷和溝坡的SOC含量都均與梁峁坡的SOC含量差異不顯著(P>0.1);在40—60cm土層,溝谷的SOC(2.63g/kg)含量較梁峁坡的SOC(1.91g/kg)含量提高了38%,而溝坡的SOC(1.87g/kg)含量與梁峁坡的SOC(1.91g/kg)含量差異不顯著(P>0.1);在60—80cm土層,溝谷的SOC(2.63g/kg)較梁峁坡的SOC(1.91g/kg)含量提高了38%,而溝坡的SOC(1.22g/kg)的含量較梁峁坡的SOC(1.91g/kg)含量減少了36%;在80—100cm土層,溝谷的SOC(2.37g/kg)較梁峁坡的SOC(1.86g/kg)提高了27%,而溝坡的SOC(1.09g/kg)的含量較梁峁坡的SOC(1.86g/kg)含量減少了41%。在0—40cm土層,地貌類型間的TN含量與SOC含量的變化規律類似,但地貌類型間的TN含量的變化規律在40—100cm土層與SOC變化不一致。林地措施條件下,與梁峁坡相比,在0—10cm和20—40cm土層,溝坡的SOC含量與其差異不顯著(P>0.1);但在10—20cm土層,溝坡的SOC(4.11g/kg)含量較梁峁坡的SOC(3.04g/kg)含量提高了35%。在0—40cm土層,TN含量與SOC的變化規律一致。草地措施條件下,與梁峁坡相比,在0—10cm土層,溝坡的SOC(5.38g/kg)含量較梁峁坡的SOC(4.73g/kg)含量提高了14%;在10—20cm土層,溝坡的SOC(3.66g/kg)含量較梁峁坡的SOC(3.15g/kg)含量提高了16%;在20—40cm土層,溝坡的SOC(2.56g/kg)含量較梁峁坡的SOC(2.12g/kg)含量提高了21%;在40—100cm土層,溝坡的SOC含量與梁峁坡的SOC含量差異不顯著(P>0.1)。TN在0—100cm土層與SOC的變化規律一致。地貌類型也顯著影響流域SM的空間分布(P<0.1)(圖3)。0—100cm土層,坡耕地、林地以及草地治理措施條件下,SM均呈現出溝坡>峁坡的趨勢;在水平梯田條件下,SM則呈現出溝谷>溝坡>峁坡的趨勢。3不同治理措施流域下土壤水碳、氮的含量及其流域的SOC和TN含量因治理措施而不同(圖2)。無論梁峁坡還是溝坡,與坡耕地相比較而言,水平梯田、林地措施和草地措施均提高了SOC和TN的含量。這一結果與已有報道基本一致[15,16,17,19,20,19]。在水土流失區,治理措施的減沙、減流可能是導致SOC和TN改善的重要原因,同時植被的性狀對SOC和TN影響也不容忽視[23,24,25,26,24,25]。據本流域野外觀測資料顯示(1988—1989年),3次特大暴雨的裸露溝坡和治理溝坡平均產沙量分別為1252t/km2和1.8t/km2,產流量分別為10910m3/km2和109m3/km2;在坡度、坡長、小區面積近似的條件下,水平梯田和林地措施以及坡耕地的土壤侵蝕模數分別為0、21、1147t/km2。林地措施或草地措施的SOC和TN含量高于坡耕地的SOC和TN含量,可能與不同措施間歸還到土壤中的有機物的輸入量、性質的差異有關:(1)林地和草地的有機物輸入量高于農田,例如,林地總輸入量為242.5t/hm2;草地總輸入量為為28.0t/hm2;農田總輸入量為20.1t/hm2。(2)林地、草地條件下輸入土壤的有機物降解性要難于坡耕地,例如黃土高原丘陵溝壑區,林地、草地、農田的C∶N分別為11.46、10.26和9.78。(3)不同種類有機物質的生化特征不同。同一治理措施在不同地貌類型間的作用存在著差異(圖3)。流域尺度上,由于峁坡、溝坡以及溝谷的不同坡度導致了水分及其水土流失的分異。例如,同一林草措施條件下,在0—40cm土層,溝坡的SM為12.4%而峁坡的SM為10.6%(圖3);在干旱半干旱的黃土高原地區,水分的差異通過影響植物的生長狀況,從而進一步影響有機物向土壤中的歸還量和SOC(TN)的積累。研究認為25°是黃土高原地區梁峁坡和溝坡的分界線,也是該地區發生土壤侵蝕的臨界坡度,因此,溝坡承接了來自梁峁坡上流失的水、土,從而使溝坡的水土流失量卻低于梁峁坡,繼而造成梁峁坡和溝坡上SOC和TN的積累不同