黄土丘陵沟壑区坡地土壤有机碳变化及碳循环初步研究

自　然　资　源　学　报

JOURNALOFNATURALRESOURCES

Vol125No1　4

Apr.,2010　

黄土丘陵沟壑区坡地土壤有机碳变化及碳循环初步研究

陈　晨,梁银丽

1

1,23

,吴瑞俊,彭　强,贾文燕,黄茂林

2111

(11西北农林科技大学生命科学学院,陕西杨凌712100;21中国科学院、水利部水土保持研究所,陕西杨凌712100)

摘要:在利用长期定位试验的实测土壤有机碳(SOC)数据,验证DNDC(脱氮-分解作用)模型在黄土丘陵沟壑区应用的可行性基础上,应用DNDC模型来研究黄土丘陵沟壑区坡耕地农田土壤碳库储量动态变化及碳循环特征。结果表明:施肥可提高作物残体与根系分泌物的外源C携入量,也能提高土壤异氧呼吸对内源C的消耗,且施用有机肥后提高效果显著。总体上,单施有机肥、有机肥配施氮肥均能显著提高0～30cm土层SOC含量,40年后各处理SOC分别比初始值提高了

90129%、86146%。不施肥和单施氮肥,SOC含量总体都呈现下降趋势,40年后各处理SOC分别

比初始值降低了3152%、0138%。依据DNDC模型模拟结果,在黄土丘陵沟壑区坡地上,为保持和提高土壤肥力,增加碳库储量,以施用有机肥为主,配合施用一定量的氮肥将是非常有效的措施。关　键　词:土壤;土壤有机碳;DNDC模型;碳循环

中图分类号:S15316;Q148　　文献标志码:A　　文章编号:1000-3037(2010)04-0668-09

土壤有机碳(SOC)含量大约占陆地生物圈碳库的三分之二,而每年有约占总量4%的SOC进入土壤碳库和以CO2形式释放,因而土壤中的有机碳既是碳汇又是碳源

[1]

。全世界

土壤碳储量的增加将有助于缓和目前因人为活动而导致大气CO2浓度日益升高的问题,而土壤CO2的释放则会显著加剧大气中CO2浓度的增高

[2]

。另外,SOC含量常被认为是评

[3]

价土壤质量的一个重要指标,是一项重要的土壤性质。而土壤的长期肥力作为维持农业生态系统稳产高产和环境安全的最基本条件,却取决于土壤碳储量的多少。资料显示,为

提高土壤碳库储量,农业措施应从增加有机碳的输入量(如草田轮作、保留残茬以及施用肥

[1]料等)和减少土壤有机碳的矿化(如少耕、免耕)两方面入手。因此,有必要对能提高土壤

碳汇能力、降低碳源能力的农业管理措施做更深入的研究。

黄土高原地域辽阔,自然条件复杂多变,地势陡峭,支离破碎,现有耕地11691×10hm,其中坡耕地占71%,每年每hm流失土壤30～60t

9

2

2

[4]

7

,水土流失十分严重。资料显示,

[5]

黄河年输沙量116×10t中约50%来自坡耕地,说明坡耕地是水土流失的策源地流失土壤中,约含有机质916～211kg,相当于516～112kg有机碳

[4]

。而每t

。因此,治理水土流失,保护生态环境,改善农业生产条件十分迫切。本研究就是在验证DNDC模型(Denitrifi2cation2Decompositionmodel,脱氮-分解作用模型)在黄土丘陵沟壑区应用可行性的基础上,模拟长期定位试验土壤碳库的变化,研究黄土丘陵沟壑区坡耕地农田土壤碳库储量动态变化及碳循环特征,不仅可以为该地区农业土壤培肥提供科学依据,以提高耕作产量,更能为科学

收稿日期:2009-08-31;修订日期:2010-01-29。基金项目:中国科学院重要方向项目(KZCX22YW244323);中国科学院西部行动项目(KZCX22XB2205201);国家科技支撑项目(2006BAD09B07)。

第一作者简介:陈晨(1984-),男,陕西西安市人,硕士生,主要从事农业系统模拟与土壤碳氮循环的研究。E2mail:jianchihu01@1261com

3通信作者,E2mail:liangyl@ms1iswc1ac1cn

4期陈　晨等:黄土丘陵沟壑区坡地土壤有机碳变化及碳循环初步研究669　

减排CO2做出相应的贡献,因而具十分重要的现实意义。

1　材料与方法

111　研究区概况与试验设计

研究测定地点为中国科学院安塞水土保持综合试验站的长期定位试验场。观测场地位

于陕西省安塞县沿河湾镇寺崾岘村(109°14′E,36°44′N),海拔1070m,处于丘陵沟壑区的坡地上,坡度19°,坡向北。属暖温带半湿润季风气候,年均气温为818℃,年均降水量54112mm,有效积温(>10℃)为3114℃。该观测场代表黄土丘陵沟壑区,土壤为黄绵土,养分比较贫瘠,无灌溉条件,靠天然降水进行农业生产,属于一年一熟制地区。耕作制度为谷子[Setariaitalica(L1)Beauv1]→荞麦(FagopyrumesculentumMoench)→谷子→糜子(PanicummiliaceumL1)的轮作体系。研究在已连续多年长期定位施肥试验(1983年谷子

2

季开始)小区中进行,小区面积20m(4m×5m)。研究共设4个土壤施肥处理,3个重复,即不施肥对照(CK)、单施氮肥(N)、单施有机肥(M)、有机肥+氮肥(MN,以下简称配施)。

施用量:氮肥———纯N5215kg/hm,折尿素114115kg/hm;有机肥———圈粪7500kg/hm,平均约合有机碳1293147kg/hm,且C/N比为13。施肥种类及方式为:有机肥做种肥,条施于播种沟中,尿素以22185kg/hm做种肥,其余9113kg/hm做追肥于拔节期开沟追施。试验选用1995年秋开始至2003年秋的数据,1995年秋土壤养分含量如表1所示。

表1　1995年秋各处理试验小区土壤(0～15cm)养分含量

Table1　Thesoil(0-15cm)nutrientcontentofeachexperimentalplotintheautumnof1995

SOC含量/(g/kg)

2146215131303106

2

2

2

222

处理

CKNMMN

全氮含量/(g/kg)

0134013501430142

pH值8159815481608155

112　DNDC模型简介

DNDC模型由两部分组成:第一部分包含土壤气候、植物生长和有机质分解等3个子模

型,其作用是根据输入的气象、土壤、植被、土地利用和管理等数据来预测植物-土壤系统的诸环境因子的动态变化;第二部分包含硝化、反硝化和发酵等3个子模型,这部分的作用是由土壤环境因子来预测微生物对C和N的各种转化速率。这6个子模型以日或小时为时间步长,互相传递信息,以模拟真实世界中环境条件-植物生长-土壤化学变化间的相互作用。DNDC包含了在陆地生态系统中起主导作用的物理、化学及生物过程,虽然每一具体的反应方程式都是简单的,但数百个方程式交互反馈,使整个模型得以再现生态系统中种种非线性过程。有关该模型的详细结构、方程和输入参数见文献[628]说明。

DNDC模型自1992年问世以来,已在世界许多地区得到验证并开展了应用研究

[9211]

,

在我国也有验证和相关方面的应用研究情况仍少见报道

[12213,15]

[3,12217]

,结果显示,DNDC模型适用于中国某些试验

地的具体情况,并能应用于进一步的研究中。但是,黄土丘陵区DNDC模型的适用及应用

,而本文对区内坡耕地的研究报道则尚属首次,因而有必要进行验

证。本文利用安塞试验站长期定位试验0～30cm土体中的实际测定结果,从模型模拟SOC动态变化方面进一步验证DNDC模型的适用性。

670　自　然　资　源　学　报25卷

113　基本参数的获取与设置

气象数据:主要包括每天的最低、最高气温与日降水量。土壤数据:主要包括容重、质地和粘粒含量、土壤有机质、全氮及pH值等数据。作物及田间管理数据:主要包括土地利用类型、作物产量、作物物候(播种期和收获期)、肥料使用量(无机肥为尿素;有机肥区别不同的碳氮含量及碳氮比)、施肥时间(种肥和追肥)、耕地(时间和方式)、秸秆还田比例和除草(时间和方式)等。以上数据均由中国科学院安塞水土保持综合试验站提供。数据采用Ex2cel2003录入及绘图,采用SPSS1510进行相关性分析,并用LSD法进行多重比较。114　长期模拟的参数设置大部分土壤有机质组分在土壤中转化较为漫长,因此,有必要研究不同施肥管理措施下SOC的长期变化。寺崾岘坡地长期定位试验场在1983年布设近半世纪后,即至本世纪30年代,不同处理对SOC含量又会产生何种长期影响,有必要进行模拟研究。而此次长期模拟从1996年开始,至本世纪30年代将历时40年。本研究利用《气候变化2007:综合报告》中对未来气候变化的预估,即在一系列SRES排放情景下,未来20年将以每10年增加大约012℃的速率变暖。报告中同时指出,在过去的10年(1995—2005年)中,全球大气中CO2的体积分数年增长率为119×10。因为是长期定位试验,未来40年仍可保持目前的耕作管理水平;而假设未来气候在近8年气候重复的基础上,气温维持预估的增长率,即以平均每年增加大约0102

-6

℃的速率变暖;大气中CO2的体积分数维持过去10年的增长率,即以360×10作为1995年的本底值,并以每年大约119×10的速率升高,以期能模拟未来40年气候的动态变化。

-6

-6

2　结果与分析

211　模型的验证

从表2中可以看出,不施肥(CK)不利于SOC的积累,DNDC模型模拟结果始终下降,而相应的实测值虽在2001年左右表现出明显的波动,但总体上始终保持下降的趋势,两组数值相比较r=01905(P<0101),表现出极强的一致性。单施氮肥(N)处理的模拟结果处于阶梯型的增长状态,而相应的实测值却也在波动中有所提高,相比较r=01945(P<0101),表现出极好的一致性。从表2中可以看出,单施有机肥(M)与配施氮肥(MN)均能显著提高SOC含量,模拟结果与实测值总体上均表现出明显的上升趋势,且实测值围绕着SOC模拟含量上下波动,M与MN处理的r值分别为01901、012(P<0101),表现出了极强的拟合性。以上验证可以说明DNDC模型可用来模拟和预测该地区土壤有机碳的变化。

表2　不同施肥条件下SOC实测值与模拟值的比较(gC/kg)

Table2　SOCvaluessimulatedwithDNDCmodelandobservedfromdifferenttreatments

CK

N

M

MN

年份

1996

1997199819992000200120022003

平均相关系数r

模拟值213721352135213421342134213421332134实测值215821442136213421202107213521102131模拟值213821372140213921372137214121402139实测值213421312143213421322132214721492138模拟值214721592177218731013105312431292191实测值213021652152310521873101313731152187模拟值216221752193310331173122314031463107实测值217721832186311521983113313431193103

01905330194533019013301233

　　注:33表示在0101水平上的显著性(22tailed)。

4期陈　晨等:黄土丘陵沟壑区坡地土壤有机碳变化及碳循环初步研究671　

212　坡耕地上不同施肥处理的C循环特征21211　DNDC模拟的C循环

土壤耕作层的碳主要以有机物形式存在,农作物收割后,根和枯枝败叶回归土壤,并被微生物分解和同化,同时释放出CO2,这些土壤微生物死亡后,转为多种组分的腐殖质,其中活性部分的腐殖质可进一步被微生物利用和分解,释放出CO2,直至最后变成比较稳定的惰

[18]

性腐殖质,进而增加土壤有机碳的储量(SOCstorage)。其储量盈亏变化取决于外源碳的进入量和内源碳矿化分解量的相对大小。

而DNDC模型也是基于上述原理建立起来的。围绕1m深度土层中土壤碳库储量,每年有各种形式的C输入与输出,这样就使碳库处于不断积累和分解的动态变化过程中。模型涉及到的C输入源包括施用的肥料(Fertilizer,分为无机氮肥与有机粪肥)、作物残体(Cropresidues,由枯落物与根茬组成)和作物根系分泌物(Rootexudate),而土壤微生物对有机质(土壤有机质、农作物枯枝落叶及死根)的分解(即异氧呼吸,heterotrophicrespiration,

[19]

RH)释放的CO2为此次模拟中仅有的C输出项。21212　不同处理间外源C的循环特征

表3显示,较不施肥,M与MN两处理下,作物残体产量增产极显著,8年间平均增产均为1285101%,而N处理下则增产显著,平均增产948126%。另外,根系分泌物仅在M与MN两处理下,增产显著,8年间平均增产均为1419136%。总之,单施或配施有机肥均能显著提高作物残体的C携入量,即提高土壤的“碳汇”能力。在两外源输入项中,M与MN两处理的C携入量完全相同,这有很多不确定性,将在讨论中详细说明。

表3　不同施肥处理对作物残体与根系分泌物的增产效应(kgC/hm2)

Table3　Yield2increasingeffectofdifferentfertilizationtreatmentsoncropresiduesrootexudatesandsoilheterotrophicrespiration

CK

N

M

MN

项目作物残体根系分泌物土壤异氧呼吸

产量

13173Bb6018b98169B

产量

131158a546145ab67118B

增产/%

9481261060102657144

产量

181149Aa765136a1831133A

增产/%

128510114191362194109

产量

181149Aa765136a1833174A

增产/%

128510114191362197118

　　注:同行数据后小写字母表示差异显著(P<0105),大写字母表示差异极显著(P<0101);表中数据均为8年模拟之

平均值。

21213　不同处理间内源C的循环特征

农田生态系统中土壤呼吸排放的CO2主要来自土壤微生物对有机质的分解(即异氧呼

[19]吸,RH)以及农田作物根系呼吸(即有氧呼吸,aerobicrespiration,RA),而在此次模拟中土壤

排放的CO2仅来自于异氧呼吸。表3显示,较不施肥,M与MN处理下土壤异氧呼吸增产极显著,8年分别平均增产2194109%和2197118%,而N处理下增产不显著。这表明,单施或配施有机肥均能极显著促进土壤异氧呼吸,提高土壤的“碳源”能力。张福申和沈宏等认为

[20221]

,

长期施用有机肥能显著提高土壤活性有机碳含量,为土壤微生物提供了可供腐殖化作用的活跃底物,有利于微生物的繁育生长。同时,配施氮肥CO2排放要较单施M肥8年平均增产

[22]

3109%,可能多配施的N肥促进土壤有机质的矿化分解,即产生了激发效应(起爆效应)。

21214　土壤碳库储量的C循环特征

图1显示,不同处理间SOC储量总体上差异较大,且表现出MN>M>CK>N的顺序。然而不同处理8年间SOC储量的盈亏状况,却表现出M>MN>N>CK的顺序。这表明外

672　自　然　资　源　学　报25卷

源C、N施入后,一方面可直接充盈土壤碳库,另一方面可通过提高作物产量,增强作物对SOC的回馈强度来间接提高碳储量。与初始状态相比,8年间M与MN处理分别提高了25155%和24143%,MN处理累积较不显著,可能为多配施的N肥产生了激发效应(起爆效

[22]

应),提高了土壤的“碳源”功能。同时,在不施肥,即无外源C、N施入时,土壤有机质得不到补充,只能靠消耗土壤碳库储量来维持有限的作物产量,土壤肥力状况不断恶化,与初始状态比,CK处理8年间降低了1124%。但在单施氮肥时,作物产量的提高使得回馈量相应提高,土壤碳库储量8年间缓慢提高了0150%。图1　不同施肥处理下土壤(0～100cm)碳库储量的变化

Fig11　ChangesofSOCstorage(0-100cm)underdifferentfertilizationtreatments

213　不同施肥处理土壤有机碳的长期变化

40年长期模拟表明(图2):CK与N处理[图2(a)],0～30cm土壤有机碳含量总体都

呈现下降趋势,且CK处理的下降幅度更趋显著。而N处理下,SOC含量始终处于波动状态,但总体上呈现先升后降的趋势。与初始SOC含量相比,CK处理40年后下降了3152%,平

22

均每年减少6125kgC/hm,而N处理的下降率则有0138%,平均每年降低01725kgC/hm。

图2　不同施肥处理下土壤(0～30cm)有机碳含量的长期变化

Fig12　Long2termchangesofsoilorganiccarboncontent(0-30cm)underdifferentfertilizationtreatments

M与MN[图2(b)]两处理SOC含量均呈上升趋势,尤以M处理提高效果显著,可能为

[22]

多配施的N肥促进土壤有机质的矿化分解,即产生了激发效应(起爆效应)。40年后M

与MN处理SOC含量分别比初始值增加了90129%、86146%,每年分别平均提高176115、

2

1751125kgC/hm。

4期陈　晨等:黄土丘陵沟壑区坡地土壤有机碳变化及碳循环初步研究673　

3　讨论

311　影响验证结果的因素

拟合的结果较为理想,但仍存在不足。李长生指出模型理想化了实际环境,其结果

仅代表SOC变化的一个估计,并不涉及由物理侵蚀造成的SOC损失。资料显示,在黄土丘陵沟壑区的坡地上,由水力、风力等外营力造成的土壤流失和风蚀也是农田土壤有机碳的损[5][23]失原因,且水土流失尤为严重。除此以外,林心雄等发现,黄土高原土壤质地为砂性,pH值在中性偏碱性范围内,适宜有机物料的分解转化,不利于有机物料积累。再加上模拟年限较短、试验样地类型单一、试验小区面积小等因素,DNDC模型的验证及应用工作有待深入。312　不同施肥对土壤有机碳的长期影响资料显示,长期处于同一耕作制度下的土壤,其有机质含量可认为已达到稳定态。轮作和耕作措施的改变,将使有机质含量增加或减少,一般需要十几年、几十年甚至更长的

[18,24]

时间才能达到新的平衡点。且一般认为与新的平衡值相比,SOC初始含量较低时,SOC含量呈高速增长趋势;当初始值达到平衡值时,年增长率为零,此时达到一个动态平衡,即在一定条件下SOC达到了饱和状态;当初始值高出平衡值时,SOC出现负增长。

长期定位施肥试验于1983年谷子季开始,原有的轮作和耕作措施改变,并使原先的土壤有机质稳态改变,现今的实测数据表明改变仍在继续。此次40年模拟结果切实反映了SOC的变迁:在除植物源外,CK[图2(a)]没有外源C、N的输入,无以维持原先的土壤有机质含量,不断下降,并表现出降低日趋缓和的趋势。N处理的SOC含量对唯一的植物源碳依赖较高,表现出近乎4年一轮作期为一周期的波动,而整体上有先升后降的趋势。M与MN[图2(b)]两处理SOC含量因为有机肥的不断施入,每年作物生产利用量、土壤微生物矿化降解量无法平衡,使得有机肥碳不断积累,但积累日趋缓和,并将达到新的平衡点。313　不确定性分析

在两外源输入项中,M与MN两处理的C携入量完全相同,对其原因,存在很多不确定

2

性。尿素纯N携入量较少是一方面,有机肥平均每年能携入约99150kgN/hm,且大部分

2

以有机态存在,而尿素每年的携入量为5215kgN/hm,且以单纯的化合物形式存在。资料

[25]

显示,目前氮肥的利用率只有30%～35%。则折算下来,氮肥实际能被利用的每年只有

2

15175～181375kgN/hm。另一方面,有机肥的长期累积,使得土壤基本能够满足作物对N的需求,从而降低对施用氮肥的利用率。

[23]

[17]

4　结论

(1)在经过实测值验证的基础上,利用DNDC模型就黄土高原丘陵沟壑区坡耕地上对

照(CK)、氮肥(N)、有机肥(M)、有机肥+氮肥(MN)4种处理的SOC循环特征进行了长达8年的模拟。结果表明,不施肥,土壤碳库持续减小,而依靠施肥可提高碳库储量,且施用有机肥后提高显著。因而,为提高土壤肥力,增加碳库储量,应采取以施用有机肥为主,配合施用一定量氮肥的措施。

(2)C循环输入、输出项均表现出:施肥在能提高作物残体与根系分泌物的外源C携入量的同时,也能提高土壤异氧呼吸对内源C的消耗量,即能同时提高土壤碳库的“碳汇”与“碳源”能力,且单施有机肥、有机肥配施氮肥提高效果显著。

674　自　然　资　源　学　报25卷

(3)对不同施肥处理40年的模拟结果表明:不施肥和单施氮肥,土壤(0～30cm)有机

质含量总体都呈下降趋势,且不施肥下降幅度更趋显著。单施有机肥、有机肥配施氮肥,SOC含量均呈上升趋势,尤以单施有机肥提高效果显著。模拟结果证实了长期施用有机肥或搭配施用一定量的氮肥是保持与提高SOC含量非常有效的措施。参考文献(References):

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676　自　然　资　源　学　报25卷

APreliminaryStudyontheChangeofSoilOrganicCarbonandCarbonCyclingoftheSlopeLandintheLoessHilly2GullyAreas

CHENChen,LIANGYin2li

1

1,2

,WURui2jun,PENGQiang,JIAWen2yan,HUANGMao2lin

2111

(11CollegeofLifeScience,NorthwestSci2TechUniversityofAgricultureandForestry,Yangling712100,China;

21InstituteofSoilandWaterConservation,CAS,Yangling712100,China)

Abstract:BasedonthefeasibilityofDNDC(denitrification2decomposition)modelinthehilly2gullyareasoftheLoessPlateau,whichwasverifiedbythe82yearsoilorganiccarbon(SOC)dataderivedfromlong2termexperiment,continuousSOCchangesandcarboncyclefeaturesontheslopelandwerestudiedbyusingDNDCmodel.Thestudynotonlyprovidesscientificbasisforin2creasingtheregion’sagriculturalsoilfertilityandfarmproduction,butalsomakesacorrespondingcontributiontoscientificreducing,thereforeitisofgreatpracticalsignificance.Theresults,de2rivedfromthecombinationdataofvalidationsimulationand402yearlong2termsimulation,indica2tedthatfertilizerapplicationcouldincreasetheamountofinputexogenouscarbon,whichwasbroughtintosoilsuchascropresiduesandrootexudates,whilefertilizationcouldincreaseconsu2mingendogenouscarbonbysoilheterotrophicrespiration;theeffectoftheonlymanureorcom2poundmanureandchemicalfertilizerapplicationsweresignificant.Onthewhole,thecontentofSOCinthe0-30cmsoillayeroftheonlymanureorthecompoundmanureandnitrogenapplica2tionswere90.29%or86.46%highersignificantlythanthestartingvalues40yearsago,respec2tively.However,thecontentofSOCinthecontroltreatmentorinthechemicalnitrogenapplica2tiontreatmentwere3.52%and0.38%lowerthanthestartingvalues40yearsago,respectively.AccordingtothesimulatingresultsofDNDCmodelontheslopelandinhillyareasoftheLoessPlateau,applyingmanuremainlywithacertainamountofnitrogenfertilizerwillbeaneffectivemeasureformaintainingimprovedsoilfertility,increasingtheamountofstorageoftheorganiccar2bonpoolsinsoil.

Keywords:soil;soilorganiccarbon;DNDCmodel;carboncycling