黑土坡耕地有机碳变化及固碳潜力分析

翟国庆,韩明钊,李永江,王恩姮

东北林业大学林学院, 哈尔滨 150040

土壤有机碳(Soil Organic Carbon, SOC)封存在粮食安全和气候变化方面发挥关键作用[1]。21届巴黎联合国气候大会上提出“千分之四”倡议(https://www.4p1000.org/understand),即每年每公顷土壤固碳0.4—0.6 t可抵消当年全球温室气体(Global Greenhouse Gas, GHG)的排放[2-3],而全球平均固碳水平仅为0.24 t hm-2a-1[2],仍具有较大的固碳潜力。改善农业管理措施、恢复退化农田是封存有机碳的有效途径之一,不仅可以抵消大气中温室气体的排放,还能提升土地生产力、实现农业可持续发展[4-5]。但在长期耕作的坡地上,由于自然因素(地形、降水)和人为因素(耕作)使得土壤发生侵蚀-沉积作用,进而导致SOC在坡面尺度重新分布[6-7],为农田坡面碳封存的估算带来不确定性。一般情况下,土壤侵蚀导致坡上侵蚀区SOC大量流失,而坡下沉积区累积增加[8],所以,侵蚀区土壤具有较大的固碳潜力[9],而沉积区土壤固碳固潜力则相对有限[10]。与此同时,因侵蚀-沉积作用而导致的不同土层碳储量差异对固碳潜力的估算也具有重要贡献[3,11]。

缓解气候变化需要考虑SOC的长效稳定机制,因此,细颗粒矿物组分(<20 μm,粉粒和黏粒)作为土壤碳稳定潜力的代表已得到广泛的应用[3]。细颗粒矿物对有机碳的吸持限度被称为土壤碳保护的最大容量或者碳饱和度,即理论碳饱和容量[12],而理论碳饱和容量与细颗粒有机碳的实际含量的差异被定义为碳饱和不足[13],即土壤固碳潜力[10]。土壤固碳潜力不仅受到当前矿物组分及有机碳含量的影响,还会受土地利用类型、土壤母质、土壤质地、气候的影响[14]。

东北黑土区是我国重要的商品粮生产基地,同时也是四大水蚀区之一。腐殖质层厚度已从垦前60—70 cm降至20—30 cm[15],农田有机碳密度持续下降,有机碳库长期处于亏缺状态[16]。黑土区因耕作而导致侵蚀退化的土壤具有较大的固碳潜力[17],理论上,侵蚀区相对沉积区以及非耕层相对耕层具有更大的固碳潜力。本研究以典型黑土区长期传统作业的坡耕地(30—60 a)为研究对象,探讨坡上侵蚀区和坡下沉积区有机碳分布特征,并估计不同开垦年限侵蚀区和沉积区土壤固碳潜力的差异,旨为评估农田黑土固碳潜力及退化黑土修复提供理论依据。

1 研究方法

1.1 研究区域概况

研究地点位于黑龙江省西北部的克山农场(48°12′—48°23′N、125°08′—125°37′E),海拔240—340 m,温带大陆性季风气候,年均气温0.9℃,年均降水量501.7 mm,年均蒸发量1329 mm,土壤以黏化湿润均腐土(中国土壤分类系统)为主,属于典型黑土区,坡缓而长,具有明显的漫川漫岗地形特征。该区已全面实现机械作业,铧式犁深翻配合圆盘靶整平是最常用的整地管理措施,多年平均整地深度(耕层)约为30 cm。

1.2 样地选取与样品采集

2018年10月下旬(整地前),于26连队选择开垦年限为30 a(48°17′9″N、125°25′51″E)、40 a(48°17′2″N、125°26′15″E)坡耕地,20连队选择开垦年限60 a(48°15′23″N、125°20′1″E)坡耕地为研究对象(图1),3个样地自开垦以来均为玉米和大豆轮作,且采样时前茬作物均为青贮玉米,能够作为该区长期机械作业坡耕地代表。由于长期耕作迁移以及水蚀共同作用,坡上形成净迁移侵蚀区,而在坡下形成净迁入沉积区[7]。为对比侵蚀区和沉积区土壤有机碳及固碳潜力的差异,分别在30 a,40 a 和60 a坡耕地的坡上(约距坡顶端10、20、40 m)和坡下(近坡底端)2个位置各设1处采样点,挖掘土壤剖面(长、宽、深分别为1、0.5、1 m),总计6个土壤剖面,使用分层抽样方法在每个剖面分5层取样(0—10、10—20、20—30、30—40、40—50 cm),每层土壤样品均匀混合记为一个样本,共获取30个样本,然后将土壤样品在通风透气处自然风干后,过2 mm筛,备用。需要说明的是,坡上侵蚀区排水良好,开垦30 a坡耕地的黑土层厚度约为40 cm,开垦40 a和60 a坡耕地黑土层厚度约为30 cm;坡下沉积区黑土层厚度约为50—60 cm,70 cm以下均处于长期浸水状态,且本研究并未采样到真正的埋藏层(60—80 cm),因此,沉积区0—50 cm数据仅代表沉积区表层土壤。各层各指标重复3次。样地及土壤基本性质见表1。

图1 研究区分布图Fig.1 Location of the study area

1.3 样品处理与分析

将10g风干土壤(<2 mm)置于500 mL三角瓶中,并加入0.5 moL/L NaOH 10 mL,再加入蒸馏水使体积达到250 mL左右,充分摇匀后,置于电热板加热,微沸1 h后转移土壤悬浮液至1 L量筒,根据司笃克斯定律[18],在相应深度和时间虹吸悬浮液,收集黏粒+粉粒(<20 μm)和黏粒(<2 μm)组分,在105℃下烘干后,采用元素分析仪vario TOC(Elementer,德国)测定SOC含量,所有的土壤样品都不含碳酸盐[7],所以SOC含量即为总碳。

1.4 指标计算

1.4.1有机碳密度(CD)[19]

CD=CT×BD×(1-RF)×T×10-2

(1)

式中,CD：有机碳密度(kg/m2);CT：总有机碳含量(g/kg);BD：体积密度(g/cm3);RF：>2 mm石砾含量(%),由于该区域为平原区域,大于2 mm的砾石含量可以忽略不计[20];T是土层厚度(cm)。

表1 样地及土壤的基本特性

ES：侵蚀区 Erosion site;DS：沉积区 Deposition site;不同大写字母(A、B)表示相同土层深度侵蚀区和沉积区之间差异显著,不同小写字母(a、b、c)表示侵蚀区或沉积区不同土层深度之间差异显著(P<0.05)

1.4.2碳饱和水平(CSL)[3]

(2)

Csat=0.45×Mfine

(3)

式中,CSL：碳饱和水平(%);Cfine：细颗粒有机碳含量(g/kg);Csat：碳饱和度(g/kg),模型系数考虑了土壤矿物类型和土地利用类型以及气候因素的影响,详细情况可参考Feng等人[21]的研究结果;Mfine：<20 μm细颗粒的质量含量(%)。

1.4.3固碳潜力(Cseq)[3]

Cseq=Csd×BD×(1-RF)×T×10-2

(4)

Csd=Csat-Cfine

(5)

式中,Cseq：固碳潜力(kg/m2);BD、RF、T同(1)式;Csd：碳饱和度不足(g/kg);Cfine和Csat同(2)和(3)式。

1.4.4固碳时间(Ctime)[22]

(6)

式中,Ctime：固碳时间(a);Cseq同(4)式;Crate：固碳速率(t hm-2a-1);1 t hm-2a-1=0.1 kg m-2a-1。

1.5 数据分析

根据该区机械耕作深度30 cm,将0—50 cm土层划分为耕层土壤(0—30 cm)和非耕层土壤(30—50 cm)分别作为表土和底土进行对比;其中,0—10,10—20,20—30 cm各土层数据算数平均值作为表土(0—30 cm)结果;30—40 cm,40—50 cm各土层数据算数平均值作为底土(30—50 cm)结果。侵蚀区与沉积区之间、表土和底土之间采用T检验进行差异分析(P<0.05);不同开垦年限之间采用单因素方差分析(ANOVA)和图基(Turkey)进行差异分析(P<0.05);侵蚀-沉积、表土-底土以及开垦年限三个因素之间采用多因素差异分析;分别使用SPSS 23和Origin 2017进行统计分析和绘图。

2 研究结果

2.1 土壤固碳潜力估算方法的选择

估算农田土壤固碳潜力常用本底值法和模型法。本底值法是指在研究区首先确定未经干扰的原生系统或经营管理后已达最优状态的系统土壤有机碳库储量(本底碳库),然后将预估算系统实际的土壤有机碳库储量与之相比较,二者差值即为固碳潜力[23-24]。然而有机碳库依据周转时间不同,既有不稳定有机碳库(如大颗粒有机碳,周转时间数天或者数月),也有相对稳定的有机碳库(如细颗粒有机碳,周转时间几年或数十年,甚至百年[25]),很难判断原生或最优系统土壤有机碳库是否已经达到稳定状态或者碳饱和状态。模型法是假设土壤有机碳随着外源有机碳的输入而线性增加,碳累积不受限制且碳分解速率保持不变[26]。然而,因为土壤矿物颗粒有限的表面积致使其对有机碳的吸持能力具有最大限度[27]。土壤碳饱和度表明,随着碳输入的增加,有机碳储量将达到最大值,且有机碳累积速率将在此过程中降低[12],因此,不考虑有机碳饱和度,模型法估算土壤固碳潜力也可能产生较大不确定性。Feng等人[21]综合考虑土壤碳饱和度,使用细颗粒(<20 μm)最大有机碳浓度作为基础,通过边界分析法实现了土壤固碳潜力的有效估算。鉴于黑土黏粒含量较高(30%—45%),研究对象均为长期作业的坡耕地,且缓解气候变化侧重于有机碳的长期稳定机制,所以本文采用了Feng等人[21]构建的模型方法估算土壤固碳潜力。

2.2 土壤有机碳与固碳潜力分布特征

土壤侵蚀-沉积作用显著影响有机碳及固碳潜力相关指标的空间分布。土壤总有机碳、有机碳密度以及土壤碳饱和水平均表现为沉积区显著大于侵蚀区(P<0.05),且侵蚀-沉积区的差异均表现为开垦40 a、60 a坡耕地明显大于开垦30 a;固碳潜力整体上表现为侵蚀区显著小大于沉积区(P<0.05),侵蚀-沉积区的差异仍表现为开垦40 a、60 a坡耕地明显大于开垦30 a(图2)。在不同土壤深度水平上,各指标均在表土(0—30 cm)与底土(30—50 cm)之间表现出显著差异,且侵蚀区的差异明显大于沉积区。土壤总有机碳、有机碳密度以及土壤碳饱和水平均表现为表土显著大于底土(P<0.05);固碳潜力则表现为底土显著大于表土(P<0.05)(图2)。

随着开垦年限的增加,土壤总有机碳、有机碳密度以及土壤碳饱和水平在侵蚀区(0—50 cm)均表现为开垦30 a坡耕地显著大于开垦40 a、60 a,而沉积区(0—50 cm)有机碳密度则规律相反(P<0.05),且土壤有机碳、碳饱和水平没有显著差异。其中开垦30a坡耕地侵蚀区有机碳密度和碳饱和水平分别达到最大值3.35 kg/m2和67%。固碳潜力在侵蚀区表现为开垦30a坡耕地显著小于开垦40 a、60 a,且达到最小值1.24 kg/m2,而沉积区开垦60 a坡耕地固碳潜力显著大于开垦30 a、40 a(P<0.05),且达到最大值1.04 kg/m2(图2)。

图2 土壤总有机碳、有机碳密度、碳饱和水平、固碳潜力变化Fig.2 Variation of total soil organic carbon, organic carbon density, carbon saturation level and soil carbon storage potential 不同大写字母(A、B)表示侵蚀区和沉积区的差异显著,不同小写字母(a、b)表示表土和底土的差异显著,不同小写字母(x、y、z)表示坡耕地不同开垦年限(30 a、40 a、60 a)之间全土的差异显著(P< 0.05);图中数据为平均值±标准差(n=3)

2.3 土壤有机碳以及固碳潜力的影响因素

一般线性模型实验结果表明,侵蚀-沉积、表土-底土以及侵蚀-沉积与开垦年限的交互作用、表土-底土与开垦年限的交互作用均对总有机碳、有机碳密度、碳饱和水平、固碳潜力这4个指标有显著影响(P<0.05);而开垦年限、侵蚀-沉积与表土-底土与开垦年限三者交互作用均对上述4个指标无显著影响。另外,侵蚀-沉积与表土-底土的交互作用对总有机碳、碳饱和水平以及固碳潜力均有显著影响,而对有机碳密度没有显著影响(表2)。

土壤侵蚀-沉积作用以及长期耕作扰动均显著影响土壤有机碳变化以及固碳潜力大小。其中,侵蚀-沉积区土壤碳固存相关指标均有显著差异,侵蚀区总有机碳、有机碳密度以及碳饱和水平均显著小于沉积区,而固碳潜力均显著大于沉积区(P<0.05)。表土总有机碳、有机碳密度以及碳饱和水平均显著大于底土;而固碳潜力则表现为底土大于表土。随着开垦年限的增加,总有机碳和碳饱和水平表现为开垦40 a、60 a坡耕地显著小于开垦30 a,有机碳密度表现为先降低后增加的规律,且开垦30 a坡耕地达到最大值,固碳潜力表现为开垦30 a显著小于开垦40 a、60 a(表3)。

表2 侵蚀-沉积、表土-底土、开垦年限及其交互作用对固碳潜力相关指标的影响(P值)

表3 侵蚀-沉积、表土-底土、开垦年限对固碳潜力的总体影响

2.4 土壤固碳时间估算

通过有机肥施加、秸秆还田、免耕等管理可逐渐增加SOC含量,平均固碳速率在0.16—0.62 t hm-2a-1范围内[28-29]。基于此固碳速率,估计了不同开垦年限黑土坡耕地达到固碳潜力的时间(表4)。开垦30 a、40 a、60 a坡耕地农田达到固碳潜力分别需要17—66 a、30—115 a、30—116 a;侵蚀区土壤达到固碳潜力需要20—181 a,沉积区土壤达到固碳潜力需要13—66 a。

3 讨论

3.1 侵蚀-沉积区土壤固碳潜力差异

黑土区坡耕地在水蚀和耕作共同作用加重了水土流失[7],由于耕地边界的存在,坡上表现为净迁出,上坡土壤迁移至坡下表现为净迁入,最终形成坡上侵蚀-坡下沉积的空间分布格局[30]。土壤有机碳含量伴随坡耕地土壤迁移也呈现相似的空间分布特征,沉积区总有机碳、有机碳密度以及碳饱和水平显著大于侵蚀区;且开垦40 a、60 a坡耕地侵蚀-沉积区的差异明显大于开垦30 a(图2),长期耕作使得坡耕地坡上区域土壤侵蚀加剧,大量有机碳流失,有的地方甚至出现破皮黄现象[15],而坡下区域大量有机碳伴随土壤迁入-沉积埋藏[8]。沉积区较高的土壤含水量抑制了土壤呼吸[31],有机碳矿化减少;同时,SOC的矿化分解具有较强的温度敏感性[32],沉积区较高的土壤含水量还可以降低和缓冲土壤温度的变化,从而影响微生物活性;除此之外,优先迁移的细颗粒矿物在沉积区积聚,其巨大的表面积以及强烈的吸附能力与土壤有机碳结合形成有机矿物复合物,增加了沉积区土壤颗粒的团聚作用,促进了土壤有机碳的长期稳定[33]。侵蚀-沉积区有机碳浓度的变化最终决定了固碳潜力的差异,侵蚀区由于遭受严重的土壤侵蚀而远离碳饱和状态(33.14%—67.15%),而沉积区大量有机碳积累,使得碳饱和水平明显提高(74.13%—80.7%),侵蚀区的固碳潜力最大为2.89 kg/m2,而沉积区的固碳潜力最大为1.04 kg/m2(图2),这与Lal等[9]和Wiesmeier等[10]的研究结果一致,即有机碳耗竭的土壤(碳饱和水平低)往往具有较大的固碳潜力,而高有机碳含量(碳饱和水平高)的土壤固碳潜力相对有限。

表4 不同开垦年限黑土坡耕地达到固碳潜力所需的时间

3.2 表土和底土固碳潜力差异

多数研究对于固碳潜力的估算仅限于表层(0—30 cm)土壤[13,16-17],而对于表层以下土壤固碳潜力估算较少。由于表层土壤的总有机碳、有机碳密度以及碳饱和水平显著大于底土(P<0.05),所以表土固碳潜力(0.6—2.53 kg/m2)显著小于底土(0.83—3.59 kg/m2)(P<0.05)(图2)。底土较高的固碳潜力可能是由于碳输入较低,并且主要来自表土的易位[34]使得土壤远离碳饱和状态[35];另外,由于底土相对于表土受到较少耕作扰动,土壤有机碳的物理稳定机制能够促进有机碳长期保存[36]。底土具有较大的固碳潜力也得到了不同研究地区的证实,例如,徐嘉晖等人[19]对大兴安岭森林土壤固碳潜力估算表明B层土壤固碳潜力达到了6.06 kg/m2;Chen等人[3]估计法国表土和底土分别可以固碳1008 Tg和1360 Tg;巴西免耕土壤0—100 cm深度的固碳潜力比0—30 cm深度高约59%[11],这有效指示深层土壤储存碳的重要性,底土对于固碳潜力的贡献不可忽视。种植具有深生根形状的农作物[37]或者深耕土壤[38]可提高底土有机碳含量和储量[39],但也有研究指出通过这种方式增加的有机碳可能并不稳定,因为大多数底土碳来源于表土新鲜的有机质(溶解有机碳,Dissolved Organic Carbon, DOC)[40-41]。由此看来,尽管底土具有较大的碳固存潜力,但在未来实施碳固存策略时需充分考虑有机碳的长效机制。

3.3 不同开垦年限坡耕地土壤固碳潜力差异

长期耕作加剧了土壤侵蚀过程,使得土壤有机碳含量迅速下降,之前有研究指出,黑土开垦10 a,20—30 a和50 a,有机碳含量从120 g/kg降至70 g/kg,40—50 g/kg和30—40 g/kg[42],而本文的研究发现随着开垦年限的延长,有机碳含量降低速度更快,开垦30 a坡耕地SOC含量(31.97 g/kg)大于开垦40 a(25.04 g/kg)和开垦60 a(26.57 g/kg)(表3),由此看来长期耕作确实是加剧黑土有机碳损耗的主要原因,但是,可能通过与土壤侵蚀共同作用而致。因为开垦年限对有机碳含量以及固碳潜力没有显著影响,而侵蚀-沉积与开垦年限的耦合作用、表土-底土与开垦年限的耦合作用均显著影响有机碳含量以及固碳潜力(表2),这说明长期耕作通过加快土壤侵蚀-沉积水平迁移过程以及耕作垂直扰动过程可显著影响坡耕地土壤有机碳以及固碳潜力的空间分布。因此,不同开垦年限坡耕地达到固碳潜力的时间也有所差异(表4)。

3.4 坡耕地土壤固碳时间差异分析

为了实现土地生产力的可持续,许多改善农田管理的保护性措施(如有机肥添加、免耕、秸秆还田等)已经实施,这有利于农田土壤有机碳含量的增加,有机碳含量增加的最大限度被称为碳固存潜力。评估当前的有机碳含量到达碳固存潜力的时间可以帮助我们改善土壤农田管理实践,为修复退化土壤提供理论支撑。基于农田的平均固碳速率,我们的研究表明不同开垦年限坡耕地侵蚀区和沉积区土壤达到固碳潜力分别需要20—181 a和13—66 a(表4),这与Qin等人[22]和Yan等人[43]的研究结果较为接近。然而平均固碳速率值是在最优管理条件下获得的,实际农田管理实践中侵蚀区和沉积区达到固碳潜力的时间可能更长。

4 结论

东北黑土区坡耕地土壤侵蚀-沉积作用以及长期耕作扰动显著影响有机碳以及固碳潜力的空间变化。总有机碳、有机碳密度、碳饱和水平均表现为沉积区显著大于侵蚀区,表土显著大于底土,随着开垦年限增加表现为先降低后增加的规律,且均在开垦30 a坡耕地达到最大值。固碳潜力则表现为侵蚀区(1.24—2.89 kg/m2)显著大于沉积区(0.79—1.04 kg/m2),底土(0.83—3.59 kg/m2)显著大于表土(0.6—2.53 kg/m2),随着开垦年限的增加表现为开垦30 a显著小于开垦40 a、60 a。黑土坡耕地侵蚀区和沉积区土壤达到固碳潜力分别需要20—181 a和13—66 a。不同开垦年限坡耕地、不同坡位、不同土层土壤有机碳含量与固碳潜力存在差异,在坡耕地经营管理过程中需要考虑不同坡位有机碳库分布及动态特征,以高效利用黑土资源,科学修复退化黑土。