2. 中国科学院大学 北京 100049
2. University of Chinese academy of Sciences, Beijing 100049, China
以CO2为代表的温室气体浓度持续升高所导致的全球气候变化越来越受到人类的共同关注[1-2], 化石燃料燃烧和土地利用变化是导致CO2等温室气体积累的重要原因[3]。近些年, 国际社会在控制化石燃料燃烧方面做了很多努力, 然而随着全球社会经济的快速发展, 目前还达不到减排的要求[4], 所以应考虑如何通过土地利用方式的改变来增加陆地生态系统碳汇[5]。
盐碱地作为一类特殊的土地资源, 面积广、利用潜力大[6]。在环渤海地区, 大面积的重盐碱地由于淡水资源匮乏, 长期处于撂荒状态, 如何通过土地利用方式的改变提高重盐碱地的利用效率进而实现固碳增汇是亟待解决的问题[7]。其中, 盐生植物如柽柳(Tamarix chinensis)、枸杞(Lycium chinense)的种植所代表的生物改良措施是近年来国内外盐碱地治理中的重要方法之一[8], 也是我国“南红北柳”生态工程的重要组成部分。目前, 对柽柳、枸杞的研究多集中于群落物种多样性[9]、土壤理化性质[10-11]等方面, 对其碳储量的研究较少[12], 如有研究表明[13-14], 柽柳、枸杞群落的形成能够有效地增加生态系统的碳储量。
冬季咸水结冰灌溉结合地膜覆盖技术实现了在重盐碱地上生长农作物的奇迹[15], 但目前的相关研究多集中于土壤水盐运移规律[16-18], 关于其碳储量[19-20]方面的研究比较薄弱。
本研究通过连续观测和定量描述人工栽植不同年份柽柳林、枸杞林及结冰灌溉、地表覆膜等几种土地利用方式下土壤有机碳含量和植被生物量的变化, 探讨滨海盐渍区不同土地利用方式实施后碳储量差异及其今后变化规律, 进而为以植被建设、固碳增汇为目的的滨海盐碱地建设提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 试验地概况试验地位于河北省海兴县中国科学院滨海盐碱地高效利用示范区(117°33′49″E, 38°10′02″N)。该地区为滨海平原, 地势低洼平坦, 土壤多为滨海盐土, 撂荒地较多, 撂荒地中无灌木生长, 草本植物和裸地斑块相间, 主要植物有獐毛(Aeluropus sinensis)、白茅(Imperata cylindrical)、盐地碱蓬(Suaeda salsa)等。土壤盐分组成以氯化物为主, Cl-占阴离子总量的70%~80%, Na+是主要的阳离子; 地下水位0.9~1.5 m, 地下水的矿化度较高, 含盐量在7~27 g·L-1。气候属暖温带半湿润大陆性季风气候, 年平均气温12.1 ℃, 年平均降水量为582.3 mm, 四季分布不均, 多集中在7—8月份。土壤中盐分含量有明显的季节特征:春季蒸发量大、降水少, 为蒸发积盐阶段; 夏季降水量增加, 土壤盐分经雨水淋洗下移, 处于脱盐阶段; 秋季由于地下水位低, 土壤再次积盐; 冬季盐分运动基本停止[21]。
1.2 试验设计和田间管理本试验共设7个处理, 每个处理3个重复。分别为栽植3年和10年的柽柳林、栽植2年和8年的枸杞林、冬季咸水结冰灌溉结合地膜覆盖下的棉田以及无结冰灌溉春季覆膜下的棉田, 以撂荒盐碱裸地为对照。各处理土壤理化性质如表 1所示。
柽柳试验地为条状整理地块, 每块南北长400 m, 东西宽15 m。柽柳2006年和2013年栽植的地块分别为栽植10年和3年的处理。所栽植柽柳是滨海地区中华柽柳筛选的优良变异单株选育得到的品种[22]。柽柳植株最初的栽植是在覆盖地膜的基础上, 刺破沟底地膜扦插微枝, 微枝顶端露出地表 1 cm, 栽植后无平茬、除草等管理措施。3年生柽柳林平均株高为208 cm, 株距为45 cm, 行距约1.3 m, 林分郁闭度约85%左右, 群落优势种为盐地碱蓬、苦荬菜(Plantago asiatica)和獐毛, 盖度约为80%。10年生柽柳林平均株高为317 cm, 株距为60 cm, 行距为1 m, 林分郁闭度约95%左右, 群落优势种为苦荬菜和獐毛, 盖度为90%。
枸杞试验地为条状整理地块, 每块南北长120 m, 东西宽16 m。2008年和2014年栽植地块分别为栽植8年和2年的处理。所栽植枸杞为当地选优的良种[23]。2年生枸杞林平均株高为75 cm, 株距为60 cm, 行距约1.5 m, 林分郁闭度约75%左右, 群落优势种为盐地碱蓬和獐毛, 盖度为80%。8年生枸杞林平均株高为105 cm, 栽植在垄上, 南北方向垄间距约为2 m, 株距为60 cm, 垄高约30 cm, 林分郁闭度约85%左右, 群落优势种为苦荬菜和獐毛, 盖度为90%。
咸水结冰灌溉融冰入渗后覆膜棉田(FSWI+Mulch)和无结冰灌溉春季覆膜(Mulch)棉田两种土地利用方式已经实施了8年[24], 小区长6 m、宽5 m, 小区之间设置宽1 m、高0.5 m的田垄, 以防测渗和互溢。其中冬季咸水结冰灌溉处理, 每年1月中旬灌水, 灌水量为180 mm, 试验用水含盐量为9.59 g·L-1。冬季灌水时气温-10.3 ℃, 为保证灌水均匀结冰, 采用分次灌水, 即每天灌少量水, 3 d后完成灌水量的试验设计要求, 灌水后在处理小区地表形成冰层, 3月初土壤表面冰层融化且入渗完成后人为在两种处理方式下地表覆盖薄膜(不可降解, 0.07 mm)。种植棉花(Gossypium hirsutum), 品种为‘盐棉28’, 4月23日播种, 行距65 cm, 株距30 cm。FSWI+Mulch和Mulch两种处理下的棉花存活率分别为72.78%和19.44%。
撂荒地为多年未受人为因素影响的重盐碱地, 其上生长有典型盐生草本植物, 因不同植物所处土壤环境大不相同, 致使碳储量研究存在较大的不确定性, 为使研究对象更加具体, 本试验仅测量撂荒盐碱裸地的土壤碳储量变化。
1.3 研究方法 1.3.1 土壤有机碳含量和土壤容重的测定土壤碳主要包括土壤有机碳和土壤无机碳两大部分, 土壤有机碳库主要由土壤植物残体、植物分泌物、土壤微生物、土壤动物及其分泌物组成; 土壤无机碳库主要包括土壤中沉积的含碳酸根的盐类, 其多以结核状、菌丝状存在于土壤剖面。滨海盐渍区土壤盐分组成多以氯化物为主, Cl-占阴离子总量的70%~80%, 所以相对于土壤有机碳来说, 土壤无机碳在土壤碳库中的比例较小, 可忽略不计[25]。
柽柳和枸杞条状样地及撂荒盐碱裸地2015—2016年4月至11月每个月分别采用S型布点法设置3~5个采样点。FSWI+Mulch和Mulch处理2015—2016年6月至11月每个月每个处理设置3个采样点。统一采用土钻分层(0~10 cm、10~20 cm、20~40 cm、40~60 cm、60~100 cm)取土, 利用重铬酸钾容量法[26]测定每个处理不同土层土壤有机碳含量。
2015年7月和2016年7月, 在生长季典型时期, 每个处理挖取3个土壤剖面, 环刀(100 cm3)分不同土层(0~10 cm、10~20 cm、20~40 cm、40~60 cm、60~100 cm)取土带回烘干称重, 得到每个处理不同土层的土壤容重。
1.3.2 植株生物量的测定试验开始(2015年4月5日)和结束(2016年11月20日), 柽柳和枸杞条状样地分别选取7棵标准株, FSWI+Mulch和Mulch处理分别选取3棵标准株, 分器官(根、茎、侧枝、叶)取样, 测量鲜重和干重。柽柳、枸杞和棉花3种植物的碳含量引用徐永荣等[27-28]的研究结果。
1.3.3 计算方法和数据处理采用土壤有机碳含量及土壤容重计算出各处理单位面积土壤有机碳储量。计算公式为:
$ {M_i} = {c_i}{B_i}{d_i} $ | (1) |
式中: Mi为第i层土壤的有机碳密度(kg·m-2), ci为第i层土壤有机碳含量(g·kg-1), Bi为第i层土壤容重(g·cm-3), di为第i个土层的厚度(cm)。
单位面积土壤-植被系统碳储量的计算方法为:
$ D = C + M $ | (2) |
式中: D为单位面积土壤-植物系统碳储量(g), C为单位面积植被碳储量(g), M为单位面积土壤有机碳储量(g)。
试验数据均采用Microsoft Excel作图, 运用SPSS 18.0进行单因素方差分析和显著性分析。以LSD多重比较法检验不同处理的差异显著性。
2 结果与分析 2.1 不同土地利用方式土壤碳储量变化 2.1.1 土壤有机碳储量差异及其垂直分布特征从图 1A可知, 不同土地利用方式实施后土壤有机碳含量之间差异显著(P < 0.05)。随着柽柳和枸杞的生长, 土壤有机碳含量逐渐升高, 栽植10年的柽柳地和栽植8年的枸杞地1 m深度土体平均土壤有机碳含量最高, 分别为5.81 g·kg-1和5.76 g·kg-1, 显著高于FSWI+Mulch、Mulch处理和CK。FSWI+Mulch处理下的棉田土壤有机碳含量显著高于Mulch处理和CK。
不同土地利用方式下, 1 m土体土壤有机碳含量垂直分布规律基本一致, 随着土层的加深, 土壤有机碳含量逐渐减少(图 1B)。其中, 栽植10年的柽柳地和栽植8年的枸杞地土壤表层有机碳含量最高, 分别为7.50 g·kg-1和7.49 g·kg-1。柽柳和枸杞根的生长能够有效地补充各个土层土壤有机碳含量, 随着种植年限的增加, 各个土层土壤有机碳含量逐渐增加。FSWI+Mulch和Mulch处理下, 棉田土壤表层和20~40 cm土层有机质含量最高。FSWI+Mulch处理下棉花存活率高, 其不同土层有机碳含量都显著高于Mulch处理。
从图 2A可知, 不同土地利用方式下土壤容重差异显著(P < 0.05)。与CK相比, 柽柳和枸杞所代表的盐生植物种植和FSWI+Mulch、Mulch处理下的棉田, 土壤容重都显著降低。随着柽柳和枸杞种植年限的增加, 土壤容重逐渐减小。栽植10年的柽柳林和栽植8年的枸杞林土壤容重分别为1.41 g·cm-3、1.46 g·cm-3, 显著小于其他土地利用方式。
不同土地利用方式下土壤容重垂直规律基本一致, 随着土层的加深土壤容重逐渐增大(图 2B)。随着柽柳种植年限的增加, 每个土层容重都逐渐变小。栽植10年的柽柳林, 土壤下层根的生物量显著高于栽植年份短的柽柳林, 根的生长能够有效地疏松土壤, 致使其下层土壤容重变小。同样, 栽植8年的枸杞林不同土层容重显著小于栽植2年的枸杞林。FSWI+Mulch和Mulch处理下棉田土壤表层容重分别为1.32 g·cm-3和1.29 g·cm-3。撂荒盐碱裸地土壤容重较高, 且随着土层的加深, 土壤容重逐渐增大。
从图 3可知, 栽植10年的柽柳林和栽植8年的枸杞林1 m土体有机碳储量最高, 分别为75.73 t·hm-2和77.57 t·hm-2, 相比于FSWI+Mulch处理增加21.32 t·hm-2和23.17 t·hm-2, 相比于CK增加40.87 t·hm-2和42.72 t·hm-2。FSWI+Mulch处理下的棉田土壤碳储量为54.40 t·hm-2, 显著高于Mulch处理下的棉田。表明柽柳和枸杞的种植相比于结冰灌溉和覆膜措施具有更高的固碳效率。
从图 4可知, 2015—2016年生长季初始(4月)至结束(11月), 两个年份柽柳地1 m土体平均有机碳含量都呈减少趋势, 而在非生长季, 土壤有机碳含量呈显著增加趋势。栽植10年的柽柳地土壤平均有机碳含量大于栽植3年的柽柳地。栽植8年的枸杞地土壤有机碳含量显著大于栽植2年的, 枸杞每年经历两次落叶, 分别在每年的8月和11月, 从图中可以看出这两个阶段, 土壤有机碳含量有明显的增加趋势。FSWI+Mulch和Mulch处理下土壤有机碳含量较低且显著小于柽柳地和枸杞地。
撂荒盐碱裸地的土壤有机碳含量变化与种植植物的样地完全不同, 因土体无凋落物等外源碳补充土壤碳源, 1 m土体平均有机碳含量总体呈逐渐减少趋势, 土壤有机碳含量从2015年4月的2.64 g·kg-1下降至11月的2.56 g·kg-1。
从图 5可知, 2015年4月至2016年11月不同土地利用方式下土壤有机碳储量变化规律一致, 都呈减少趋势。栽植3年的柽柳生长迅速, 微生物分解土壤有机碳的速率高于土壤有机碳积累的速率, 单位面积土壤是一个碳排放的过程, 土壤养分很大一部分用于柽柳植株的生长。栽植2年的枸杞植株较小, 消耗的土壤有机碳较少。10年生柽柳地和8年生枸杞地生长季土壤有机碳含量同样呈减少趋势, 土壤本身有机碳的分解和大量伴生植物的生长消耗, 致使土壤有机碳含量逐渐降低。
从图 3和图 6可知, 单位面积土壤碳储量大于植被的碳储量; 从图 6可知, 植物地上部分的固碳量大于地下部分固碳量。随着柽柳种植年限的增长, 植株固碳量显著增加, 栽植10年的柽柳植株固碳量达42.51 t·hm-2, 显著大于其他土地利用方式下的植株固碳量。栽植8年的枸杞植株固碳量远远小于柽柳林, 这与种植密集程度有关, 不同种植方式下, 单位面积植株生物量截然不同。FSWI+Mulch和Mulch处理下棉花生物量显著小于栽植3年和10年的柽柳植株以及栽植8年的枸杞植株。
2015年4月至2016年11月栽植3年的柽柳和栽植2年的枸杞植株生长迅速, 根、茎、叶生物量及总生物量都明显升高。而10年柽柳和8年枸杞植株生物量的增加已经十分缓慢, 每年仅是叶子的生长与凋落(表 2)。FSWI+Mulch处理下的棉花主根生物量显著大于Mulch处理, 枝干、叶子的生物量显著小于Mulch处理(表 3)。
从图 7可知, 2015年4月至2016年11月栽植3年的柽柳林固碳量最多, 其次是栽植2年的枸杞林和FSWI+Mulch处理下的棉田, 栽植10年的柽柳植株和栽植8年的枸杞植株已基本停止固碳。
从图 8可知, 柽柳和枸杞所代表的盐生植物的种植相比于其他土地利用方式的土壤-植被系统能固定更多的碳。其中, 栽植10年的柽柳林和栽植8年的枸杞林土壤-植被系统碳储量最高, 分别为118.24 t·hm-2和96.27 t·hm-2, 比FSWI+Mulch处理增加58.51 t·hm-2和36.54 t·hm-2, 比撂荒盐碱裸地增加83.39 t·hm-2和61.42 t·hm-2。
从图 9可知, 2015年4月至2016年11月栽植3年的柽柳林和栽植2年的枸杞林土壤-植被系统碳增加量分别为20.16 t·hm-2和5.42 t·hm-2, 远远大于其他土地利用方式, 表现为CO2的汇。栽植10年的柽柳林和栽植8年的枸杞林, 土壤-植被系统碳分别减少0.14 t·hm-2和0.35 t·hm-2, 表现为一个弱的碳源。相比于Mulch处理和CK, FSWI+Mulch处理下的棉田土壤-植被系统表现为一个缓慢固碳的效果, 但因每年植株成熟后秸秆剔除, 其变化有待进一步验证。
研究发现, 与撂荒盐碱裸地相比, 柽柳、枸杞的栽植能够显著增加土壤碳储量。冬季结冰灌溉结合地表覆膜和春季覆膜处理下的棉花植株成熟后秸秆被移除, 对土壤有机碳积累有很大影响, 导致土壤有机碳含量较低且显著小于柽柳地和枸杞林地。撂荒盐碱裸地在无植被生长及外源碳补充的条件下土壤有机碳含量主要取决于土壤母质[29]。
随着植株生长, 柽柳林和枸杞林每年凋落物数量逐渐增多, 伴随大量的凋落物进入土体, 进而有效地补充了土壤中的有机碳含量, 土壤有机碳含量表现逐年增加的过程。栽植10年的柽柳林和栽植8年的枸杞林虽然叶子生物量较多, 但根系停止生长的同时土壤微生物也在分解着一定量的有机碳, 两种过程处于动态平衡之中, 土壤有机碳无显著变化趋势。因为无植物生长的原因, 盐碱裸地土壤有机碳的固定和消耗主要与土壤温度和水盐有关, 其变化趋势有待进一步研究[30]。
与撂荒盐碱裸地相比, 栽植柽柳、枸杞和结冰灌溉地表覆膜种植棉花后, 土壤容重都显著减小, 表明植物的生长能够有效改善土壤的通水性、通气性等, 使养分、水分等运输效率大大提高[31]。腐殖质、新增凋落物等一般都集聚在土壤上层, 致使土壤表层有机碳含量较高, 有时根生长分泌一定量的有机物质, 根际特殊环境也会使局部土壤有机碳含量显著增加[32]。撂荒区属于重度盐碱地, 土壤含盐量极高且地下水位仅1~2 m左右, 土壤黏质化导致土壤容重显著增加[33]。
尽管柽柳、枸杞的种植和结冰灌溉结合地膜种植棉花等方式比撂荒盐碱裸地能够显著增加土壤碳储量, 但其有机碳含量普遍较低[34], 栽植10年的柽柳地土壤有机碳含量也不足10 g∙kg-1, 这与盐碱地的环境和背景有关, 尽管植物能够正常生长, 但土壤盐分较高, 阻碍了土壤有机碳的进一步积累。土壤有机碳含量受多种因素的作用, 短期内会有波动, 但不会产生巨大变化, 且研究时间和空间尺度、地点、重复次数都会对最终的结果产生影响[35]。
3.2 植被碳储量变化栽植10年的柽柳植株和栽植8年枸杞植株固碳量显著高于其他处理, 但植株总生物量的增加已经十分缓慢, 每年仅是叶子的生长与凋落。由于8年生的枸杞林栽植较稀疏, 植株固碳量远远小于柽柳林, 所以如何确定不同土地利用方式下植株最佳的种植方式, 使其在达到最大固碳量的同时植株相互之间生长不受影响是亟待要解决的问题[36]。
FSWI+Mulch处理下的棉田由于结冰融化淡水的淋洗作用, 土壤耕层含盐量显著小于Mulch处理, 其根生长更加迅速且扎的更深, 但其较高的成活率致使植株叶子之间互相遮挡, 影响植物的光合作用。而Mulch处理下棉田棉花成活率不如FSWI+Mulch处理, 但其单位面积棉花植株得到更多的光照和养分, 致使其枝干、叶子生物量更高, 而且平均每株棉花产量Mulch处理明显高于FSWI+Mulch处理。
3.3 土壤-植被碳储量变化不同土地利用方式实施后, 土壤碳储量在土壤-植被系统固碳量中占主导地位, 植被碳储量小于土壤碳储量, 但从年际间土壤-植被系统碳储量变化中可以看出, 植被碳储量的变化是衡量其是碳源还是碳汇的决定性因素。
从固碳角度考虑, 柽柳和枸杞所代表的盐生植物的种植能固定更多的碳, 从而对区域碳循环起到积极的作用, 但其土壤-植被系统的固碳趋势还需进一步研究, 确保各种土地利用方式下土壤-植被能够持续地固碳, 如其今后是一个碳排放的过程, 就需要改变土地利用方式或者更新植被。研究发现, 柽柳、枸杞的生长达到一定的年限后, 固碳速率减慢甚至表现为一个碳源, 需改变其土地利用方式。咸水结冰灌溉结合地膜覆盖技术实现了在重盐碱地上生长农作物的奇迹, 但从固碳角度考虑, 每年的植株生物量最好通过一定的措施返回田间来维持固碳量, 如植株磨碎后埋于土壤之中或土壤表层棉花植株残体覆盖。棉田固碳量远远小于栽植柽柳和枸杞所代表的盐生植物种植技术, 且结冰灌溉条件的实施不仅依赖于地形和气候条件, 还需耗费一定的人力物力, 而盐生植物本身能在重盐碱地上存活, 一次栽植后无其他人工因素介入, 省时, 耗资小且固碳效果显著。
4 结论相比于撂荒盐碱裸地, 人工栽植的柽柳林、枸杞林和结冰灌溉结合地膜覆盖下的棉田, 土壤-植被系统能固定更多的碳。其中, 栽植10年的柽柳林和栽植8年的枸杞林土壤-植被系统碳储量最高, 分别为118.24 t·hm-2和96.27 t·hm-2, 相比于FSWI+Mulch处理增加58.51 t·hm-2和36.54 t·hm-2, 相比于撂荒盐碱裸地增加83.39 t·hm-2和61.42 t·hm-2。
对不同土地利用方式固碳趋势研究发现, 栽植3年的柽柳林和栽植2年的枸杞林植株生长迅速, 生长过程中土壤有机碳快速分解, 其生长季土壤有机碳是一个逐渐减少的过程, 但结合地上部植物的碳固定, 土壤-植物系统固碳速率显著, 分别为10.08 t·hm-2·a-1和2.71 t·hm-2·a-1。FSWI+Mulch处理固碳速率较低, 仅为0.53 t·hm-2·a-1。栽植10年的柽柳和栽植8年的枸杞样地, 植株固碳速率明显减慢, 土壤-植被系统表现为一个弱的碳源, 需通过改变种植和管理方式等措施提升固碳量; Mulch处理棉花存活率较低且植株成熟后基本剔除, 碳储量每年净减少0.86 t·hm-2。撂荒盐碱裸地在无外源碳补充的条件下表现为一个碳源, 土壤碳储量减少速率为1.42 t·hm-2·a-1。综上所述, 滨海盐渍区人工栽植柽柳和枸杞是提高区域碳储量的有效途径。
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