孫 濤，賈志清，馬全林，李銀科，張瑩花，王耀林,3

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院 荒漠化研究所，北京 100091；2.甘肅省治沙研究所/甘肅省荒漠化與風(fēng)沙災(zāi)害防治重點實驗室-省部共建國家重點實驗室培育基地，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅省林業(yè)廳 GEF項目辦公室，甘肅 蘭州 730070)

景電灌區(qū)次生鹽堿地枸杞林土壤有機碳庫變化的情景模擬

孫 濤1,2，賈志清1，馬全林1，李銀科1，張瑩花1，王耀林1,3

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院 荒漠化研究所，北京 100091；2.甘肅省治沙研究所/甘肅省荒漠化與風(fēng)沙災(zāi)害防治重點實驗室-省部共建國家重點實驗室培育基地，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅省林業(yè)廳 GEF項目辦公室，甘肅 蘭州 730070)

次生鹽堿地；枸杞；土壤有機碳；CENTURY模型；情景模擬

以景泰紅躍村典型次生鹽堿地枸杞林為研究對象，基于CENTURY模型模擬成熟枸杞林在實際田間管理條件和優(yōu)化灌溉模式條件兩種情景下生長過程中表層0～20 cm土壤有機碳庫的變化，研究結(jié)果表明：次生鹽堿地開墾種植枸杞使得土壤總有機碳發(fā)生了顯著的變化。在當(dāng)前的田間管理水平情景模擬條件下，成熟枸杞林地土壤總有機碳逐漸降低，隨著枸杞生長年限的增加，在未來20年后土壤有機碳含量將降低到土地開墾前的水平，未來將會變成一個弱的碳排放源；而在優(yōu)化灌溉模式情景模擬條件中，成熟枸杞林地土壤有機碳庫呈先緩慢下降后逐漸回升的狀態(tài)，在未來20年后土壤有機碳庫趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定狀態(tài)下表層0～20 cm土壤有機碳含量相比次生鹽堿地增加約7.57%。因此，改變田間管理方式、優(yōu)化灌水模式對提高枸杞林土壤質(zhì)量、增強碳匯能力和減緩溫室效應(yīng)具有重要的現(xiàn)實意義。

土壤有機質(zhì)模型能夠模擬土壤有機質(zhì)的變化規(guī)律，已被廣泛用于模擬土壤有機質(zhì)的動態(tài)變化。土壤有機質(zhì)模擬已經(jīng)在當(dāng)前大量的有關(guān)氣候變化和全球碳循環(huán)研究中起到了重要的作用[1-2]，成為更好地理解和管理陸地碳循環(huán)的一個重要組成部分。CENTURY模型是應(yīng)用比較廣泛的表征土壤有機質(zhì)動態(tài)的模型，是美國科羅拉多州立大學(xué)的Parton等于20世紀(jì)80年代末建立的，起初用于模擬草地生態(tài)系統(tǒng)的碳、氮、磷、硫等元素的長期演變過程，以后加以改進(jìn)，其應(yīng)用擴展到稀樹草原、森林、農(nóng)業(yè)等生態(tài)系統(tǒng)中。它主要基于土壤的結(jié)構(gòu)功能，從碳、氮、磷的生物地球化學(xué)循環(huán)因子入手，結(jié)合溫度、降水等驅(qū)動因子，對生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力進(jìn)行模擬和預(yù)測[3-4]。國內(nèi)外眾多學(xué)者先后將CENTURY模型應(yīng)用于農(nóng)業(yè)或林業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，并對土壤有機碳進(jìn)行了模擬，其模擬值與實測值具有極高的相關(guān)性，并可用于不同的農(nóng)林業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的模擬研究中[5-9]。

引水灌溉對荒漠、半荒漠區(qū)域的農(nóng)業(yè)發(fā)展起到了重要的推動作用，但是在不適當(dāng)?shù)墓喔扰潘畻l件下造成了灌區(qū)土壤次生鹽堿化等生態(tài)退化問題[10]。甘肅景泰川灌區(qū)多年來不合理的大水漫灌、串灌等使得景泰川這個半封閉型盆地的地下水位迅速上升，導(dǎo)致土地次生鹽堿化面積逐年增大，土地退化問題尤為嚴(yán)重[11]，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活造成了嚴(yán)重影響。

從20世紀(jì)90年代中期開始，當(dāng)?shù)馗鶕?jù)實際情況采取生物措施對次生鹽堿地進(jìn)行治理，引進(jìn)枸杞并種植成功，現(xiàn)在已經(jīng)在景泰川地區(qū)大面積地推廣種植開來，不光產(chǎn)生了經(jīng)濟(jì)效益，也充分利用和改良了鹽堿地。在枸杞種植過程中土壤性質(zhì)會發(fā)生變化，對土壤質(zhì)地產(chǎn)生一定的影響，根系生物量和微生物的增加，會提高土壤碳庫活度。隨著生長年限的增加和農(nóng)田耕作措施的變化，土壤有機碳庫也發(fā)生相應(yīng)的變化。當(dāng)前，枸杞種植戶為了獲得較高的枸杞產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益，增加灌溉次數(shù)、采用大水漫灌等粗放的管理方式在灌區(qū)非常普遍。由于景泰川地區(qū)是一個淺層半封閉型的盆地，這種粗放的農(nóng)田管理方式直接導(dǎo)致局部地區(qū)地下水位進(jìn)一步抬升，地下水不能及時排出，使得枸杞林土壤結(jié)構(gòu)改變，土質(zhì)下降，根腐病較為嚴(yán)重，病死枯死植株也較多。在當(dāng)前這種灌溉方式和田間管理模式下，水鹽動態(tài)被進(jìn)一步打破，土壤碳庫的變化特征將如何？如果改變當(dāng)前不合理的灌溉方式，采用合理的管理模式，在未來的管理過程中其特征變化和演變趨勢如何？是否能提高土壤的碳庫效益和增加固碳能力？運用模型擬合研究在不同的情景模式下土壤碳庫的變化規(guī)律，并對其變化趨勢做出分析和預(yù)測是一個較好的研究方法。因此，利用CENTURY模型模擬在次生鹽漬化改良過程中土壤有機碳的變化特征，設(shè)置兩種不同的情景模式，研究成熟枸杞林對次生鹽堿地的改良作用和土壤碳的動態(tài)變化，進(jìn)而預(yù)測在不同情景模式下未來土壤碳庫的演變趨勢，闡明土壤碳庫的變化特征和差異，可為次生鹽堿地土壤質(zhì)量和健康評價提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也可為當(dāng)前枸杞林地田間管理措施的科學(xué)評估提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 自然概況

紅躍村地處景泰縣中部，景電一期引黃提灌灌區(qū)中心地帶，位于景泰縣草窩灘鎮(zhèn)以東3 km，縣城以北8 km處，是由西南向東北傾斜的微型盆地，海拔1 565 m。氣候干燥、干旱少雨、風(fēng)沙大，年均降水量185 mm，降水年際變化不大，雨水集中在7—9月，年蒸發(fā)量3 040 mm，年均氣溫8.5 ℃，雨熱同期，地表水資源較為貧乏，地下水礦化度高、水質(zhì)差，20世紀(jì)70—80年代建成了景電一、二期高揚程電力引黃提灌工程[12]。全村現(xiàn)有耕地面積330.7 hm2，約80%的耕地為次生鹽堿化土地。自2000年以來，該村開始推廣引種耐鹽堿的經(jīng)濟(jì)樹種枸杞，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益[13]。本研究地區(qū)土壤母質(zhì)類型一致，地帶性土壤為荒漠灰鈣土，土壤母質(zhì)包括黃土、風(fēng)積物和洪積物。地下水位均為1 m左右。次生鹽堿地主要植被為鹽爪爪〔Kalidiumfoliatum(Pall.) Moq.〕，蓋度8%～15%。

1.2 研究方法與數(shù)據(jù)采集

應(yīng)用模型前要經(jīng)過校正與驗證，調(diào)整模型參數(shù)，反復(fù)檢驗?zāi)M結(jié)果，檢驗?zāi)M值與觀測值之間的吻合程度，使之達(dá)到最好的模擬效果?；谡{(diào)試后的參數(shù)，再通過對比分析其他年份的模擬與觀測結(jié)果進(jìn)行模型的模擬研究與驗證平衡[1,14]。

本研究于2012年7月中旬開始進(jìn)行野外調(diào)查、土樣采集，并對農(nóng)戶進(jìn)行訪談式調(diào)查，了解枸杞種植和生長情況。采用空間代替時間的方法，分別選擇4、7、11年的枸杞林地采集土樣，選擇臨近的次生鹽堿化土地作為對照。土壤采樣深度40 cm，每10 cm分層采樣，每塊樣地5個重復(fù)，同層次土樣混合作為1個混合樣，帶回實驗室風(fēng)干后測定土壤有機質(zhì)、有機碳、pH值、鹽分等理化指標(biāo)。同時，用環(huán)刀法取樣測土壤容重，鋁盒裝少量新鮮土壤用于土壤水分測定。土壤粒度采用激光粒度分析儀測定，總有機碳用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定，活性有機碳用高錳酸鉀氧化法測定[15]，全鹽量測定水土比為5 ∶1，pH值用酸度計法(水土比為2.5 ∶1)測定[16]。經(jīng)測定，研究區(qū)次生鹽堿裸地的土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀含量分別為10.90、0.76、0.95、22.85 g/kg，速效磷、速效鉀含量分別為3.04、212 mg/kg。

1.3 CENTURY模型的參數(shù)化設(shè)置

根據(jù)土壤有機質(zhì)的分解速率，CENTURY模型將土壤總有機碳(TOC)分成了3個碳庫，分別是活性、緩性和惰性土壤有機碳庫[1,3]。本研究所用的是CENTURY4.0版本，初始輸入數(shù)據(jù)包括基本的氣象數(shù)據(jù)、土壤質(zhì)地等，見表1。

表1 模型初始化所需主要參數(shù)

模型所運用的氣象數(shù)據(jù)由景泰縣氣象站提供的1955—2012年氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析而得，由于研究區(qū)距離縣城僅8 km，地勢平坦，因此可以將此數(shù)據(jù)直接作為研究區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬運用。模型要求至少10年以上的氣象數(shù)據(jù)，所需資料包括：月均降水量(PREC)、月最低溫度(TMIN)、月最高溫度(TMAX)。CENTURY模型在運行調(diào)試過程中首先要設(shè)定主要的植被生長參數(shù)，包括植被生長的開始月份、 衰老月份、休眠月份。本研究采用模型中自帶的GRASSLAND/CROP模塊，其適用于北方典型草地、低矮草原和荒漠草地。選擇CROP.100文件中的CPR為模型的初始植被，4月開始生長，10月為衰老季節(jié)，11月份開始休眠，時間步長為一年，進(jìn)行初始態(tài)的建立。部分參數(shù)應(yīng)用模型提供的缺省值。

據(jù)調(diào)查，當(dāng)?shù)卮紊}堿化土地植被以鹽爪爪為主，蓋度8%～15%，2000年開墾種植枸杞。枸杞在不同生長階段田間管理措施有所不同：枸杞生長初期(相當(dāng)于2000—2004年)，主要保證枸杞的正常生長和成林，沒有修剪枝條，沒有果實產(chǎn)生，因而施肥澆水次數(shù)較少，均為每年3～4次；枸杞林成熟穩(wěn)產(chǎn)階段(相當(dāng)于2005—2013年)，最大特點是有果實產(chǎn)出和植被的移除，每年春季3、4月修剪枝條，近1/3枝條被移除，從6月份開始持續(xù)4～5個月采摘果實，為了獲得穩(wěn)定的果實產(chǎn)量，施肥和澆水次數(shù)增至每年5～6次。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型參數(shù)初始化設(shè)置及穩(wěn)態(tài)的建立

用CENTURY模型模擬研究土壤變化時首先要進(jìn)行模型參數(shù)的初始化，在參數(shù)平衡狀態(tài)下才能進(jìn)行真正的模擬運算[1-2]。主要是模擬研究區(qū)在自然狀態(tài)下土壤活性碳庫、緩性碳庫、惰性碳庫和土壤總碳庫(包含結(jié)構(gòu)性碳庫和代謝性碳庫)逐漸積累到穩(wěn)定平衡階段的過程。如圖1所示土壤碳庫快速積累變化所需時間約為2 000 a，之后緩慢積累到2 400 a時，土壤各碳庫逐步建立平衡，各碳庫變化穩(wěn)定，基本在土壤碳含量平均水平上下波動(圖中水平虛線所示)，達(dá)到了試驗區(qū)土壤碳水平，此時活性、緩性和惰性有機碳庫有機碳含量分別占總有機碳庫的3.28%、68.67%和28.05%。從圖1中土壤有機碳含量的年際變化可看出：土壤總碳庫和緩性碳庫有機碳含量年際變化較大，但在一定的水平上波動；惰性有機碳庫變化穩(wěn)定、曲線平滑；活性有機碳庫有機碳含量年際變化敏感，但是其值較小，所占比例小。研究地為次生鹽堿地，其土壤有機碳含量為3 300 g/m2左右，而CENTURY模型在平衡狀態(tài)下模擬的土壤總有機碳含量在3 300～3 400 g/m2間波動，兩者相差很小，說明CENTURY模型正確模擬了研究區(qū)土壤有機碳的動態(tài)積累過程。

圖1 CENTURY模型參數(shù)初始化過程

2.2 不同生長階段枸杞林對次生鹽漬化土壤有機碳庫的影響

研究區(qū)自2000年開始開墾次生鹽堿地種植枸杞，土地類型發(fā)生了變化，自然植被轉(zhuǎn)變成了人工栽植的經(jīng)濟(jì)作物，土壤有機碳隨之發(fā)生了顯著的變化(圖2)。從次生鹽堿裸地到開墾種植枸杞，再到枸杞成熟穩(wěn)產(chǎn)，在這過程中因為植被類型不同、生長年限逐漸增加，故所對應(yīng)的措施也不同。在CENTURY模型模擬過程中，不同的生長階段對應(yīng)不同的管理措施。由于每個階段的土地耕作方式和田間管理模式不同，因此土壤活性、緩性、惰性和土壤總碳庫也隨著生長年限的增加發(fā)生了顯著的變化(圖2)。

圖2 枸杞生長不同階段土壤各個碳庫隨時間的變化

初期的1—4年為枸杞幼苗生長期，也是各個碳庫快速增加時期，如圖2中B時間段。土壤活性、緩性、惰性和總有機碳庫在這一時間段內(nèi)均呈快速增加的態(tài)勢，土壤活性碳含量增幅最大，相比次生鹽堿裸地增加了137%，其次是土壤總碳、 土壤緩性碳、土壤惰性碳含量，其增幅分別為22.59%、7.69%和0.33%。4年后為枸杞林成熟穩(wěn)產(chǎn)期，各個碳庫變化逐漸穩(wěn)定，如圖2中C時間段。緩性碳和惰性碳在這個階段繼續(xù)積累，但是累積速率相比枸杞生長初期低，因此變化相對緩慢，有滯后效應(yīng)，在枸杞生長到第9—10年(相當(dāng)于2009—2010年)達(dá)到最高值；活性碳變化較為敏感，下降幅度大，2008年以后下降速度趨緩，逐漸穩(wěn)定，其值低于開墾前活性碳的含量；土壤總有機碳含量隨著活性有機碳含量的快速降低而逐漸減小，從開始種植時隨著枸杞生長年限的增加而增加變?yōu)橹饾u降低，呈倒“V”形變化。造成總有機碳逐漸降低的原因主要是春季修剪枝條，近1/3的枝條被剪除，同時枸杞果實也被大量采摘，這些生物量均從枸杞林移除，導(dǎo)致枯落物碳儲量逐漸下降，從而也導(dǎo)致土壤總碳庫含量的變化；另一個原因是植株衰老，更新能力減弱。

2.3 枸杞林實測值與模擬值相關(guān)性

以生長年限為0(次生鹽堿裸地)、4、7、11年的枸杞林土壤有機碳實測數(shù)據(jù)與模型模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合(結(jié)果如圖3)，可知土壤實測值與模擬值具有較好的相關(guān)性，變化趨勢一致，R2達(dá)到了0.947，統(tǒng)計分析P=0.27>0.05，表明模型值與實測值之間差異不顯著，說明運用CENTURY模型來模擬次生鹽漬化土地枸杞林有機碳的動態(tài)變化基本符合實際情況[17]，可用來模擬研究試驗區(qū)的土壤動態(tài)變化。

圖3 枸杞林土壤有機碳實測值與模擬值的關(guān)系

2.4 未來20年枸杞林土壤有機碳庫情景模擬

以2010年CENTURY模型輸出結(jié)果為土壤有機碳的初始值，氣象參數(shù)運用模型自動統(tǒng)計分析1955—2012年的歷史氣象資料得到的氣象數(shù)據(jù)，輸出時間步長為月份，分析預(yù)測成熟枸杞林在不同的灌溉次數(shù)和用水量條件下土壤有機碳未來20年的模擬變化趨勢。設(shè)計兩種情景進(jìn)行模擬：一種情景表示在當(dāng)前實際田間管理方式下的土壤碳變化(曲線A50)，即為了讓成熟枸杞林獲得穩(wěn)定產(chǎn)量，枸杞林地每年澆水5～6次，澆水方式為大水漫灌；另一種情景為優(yōu)化灌溉模式狀態(tài)下土壤碳的變化(曲線A25)，即減少灌溉次數(shù)為3次，用水量為田間持水量的25%，其他措施均不變。相應(yīng)的在CENTURY模型IRRI.100文件中輸入對應(yīng)參數(shù)進(jìn)行兩種情景下的模擬，結(jié)果見圖4。由圖4可知，隨著植株生長年限的逐漸增加，在未來15—20年間，土壤有機總碳庫均趨于穩(wěn)定，但其含量不同：在當(dāng)前灌水條件下(A50)枸杞林的土壤有機碳庫呈逐漸下降趨勢，未來20年后表層0～20 cm土壤有機碳含量平均約3 200 g/m2，與枸杞種植前的次生鹽堿裸地含量相當(dāng)；而在A25情景模擬條件下，未來20年后土壤有機碳含量約為3 550 g/m2，相對枸杞種植前的次生鹽堿地土壤有機碳含量提高了約7.57%?；钚?、緩性和惰性碳庫均隨之發(fā)生變化，活性碳庫在兩種情景模擬下均逐漸降低，但是在A25情景下降低速度要小于A50，而緩性和惰性碳庫在當(dāng)前的灌溉管理方式下均逐漸降低，在減少灌溉的優(yōu)化模式下均逐漸增加。各個碳庫年內(nèi)變化波動小，主要是受季節(jié)性的氣溫、降水等變化影響，但是對整體變化趨勢影響不大。

圖4 成熟枸杞林未來土壤各碳庫變化趨勢

3 討論與結(jié)論

研究區(qū)枸杞林種植前是以鹽爪爪為主的次生鹽堿地，經(jīng)過大規(guī)模的開墾、施肥、排鹽等措施建成了枸杞林地，種植枸杞在產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益的同時又能改良土壤，起到固碳的作用。枸杞林對土壤有機碳的影響有兩個階段，即幼苗生長階段和成熟穩(wěn)定階段。開墾導(dǎo)致土壤溫度和濕度的改變，將極大地促進(jìn)土壤的呼吸作用，加速表層土壤有機質(zhì)的分解[18-19]，因此在枸杞生長初期(前1—4年)土壤活性、緩性、惰性碳含量均呈快速增加的態(tài)勢。隨著枸杞幼苗地上和地下生物量逐漸增加，土壤碳的累積速率也在栽植4—5年間達(dá)到最大，并超過自然狀態(tài)下的總碳庫，2004年枸杞林土壤總碳庫的碳含量比開墾前增加了22.59%，表明這段時間枸杞林地土壤碳總體呈碳匯趨勢。但是在成熟枸杞林內(nèi)田間管理措施發(fā)生了變化，因而土壤碳庫也發(fā)生了變化。地上生物量的剪除和采摘果實使返回地表的枯落物減少、腐殖質(zhì)含量降低，活性碳庫隨之減小[20]。灌水次數(shù)的增加和水量的無序利用，使得土壤結(jié)構(gòu)和性狀被逐漸改變，土壤緩性碳和惰性碳在緩慢積累之后迅速降低，土壤總碳庫隨之降低，土壤的碳匯功能也被大大降低或被逆轉(zhuǎn)[21-22]。

對成熟枸杞林土壤有機碳含量的變化進(jìn)行預(yù)測分析表明，在當(dāng)前的農(nóng)田管理措施下枸杞林地土壤總有機碳含量逐漸地降低(圖4)，其含量約為3 200 g/m2，與次生鹽堿裸地含量相當(dāng)，這表明土壤有機碳庫在未來20年內(nèi)極有可能逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€弱的碳排放源。研究區(qū)地形為一個半封閉的小盆地，大量灌溉用水滲入地下不能及時排出，使水位上升，同時，在實際調(diào)查中發(fā)現(xiàn)附近的排堿渠年久失修，功能喪失，未能發(fā)揮排鹽排堿的功能，導(dǎo)致該區(qū)域次生鹽堿化現(xiàn)象進(jìn)一步加重，地下水位在0.8～1 m間，反鹽現(xiàn)象明顯，灌溉水不能快速下滲，土壤結(jié)構(gòu)和性狀發(fā)生變化，土壤菌類數(shù)量及微生物總量顯著降低[23]。在這種土壤狀態(tài)下植被自然生長不好，土壤有機碳含量減少，土壤質(zhì)量呈惡化的趨勢[24]，這與情景模擬A50狀態(tài)下土壤有機碳含量逐漸降低的變化趨勢相似。這表明當(dāng)前對枸杞林采取的田間管理措施是不合理的，這種耕作方式導(dǎo)致了土壤肥力下降，土壤質(zhì)量退化，進(jìn)而決定了土壤有機碳含量逐漸降低；而轉(zhuǎn)變灌溉方式，減少灌溉次數(shù)，提高用水利用率可以增加土壤的有機碳含量，提高固碳效益，增強碳匯能力。因此，改變田間管理方式、采用科學(xué)灌水設(shè)備、及時更新苗木等對提高枸杞林土壤質(zhì)量、增加土壤碳儲量和減緩溫室效應(yīng)具有重要的現(xiàn)實意義。

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(責(zé)任編輯 徐素霞)

“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國家科技計劃項目(2012BAD16B0102)；國家自然科學(xué)基金項目(31300595)；甘肅省青年科學(xué)基金項目(1208RJYA093，1208RJYA067)；全球環(huán)境基金項目(GEF/UNEP)；碳效益研究項目(GEF/53-4280)

S157

A

1000-0941(2015)09-0059-05

孫濤(1978—)，男，甘肅永昌縣人，助理研究員，博士研究生，主要從事荒漠生態(tài)、荒漠植被恢復(fù)及荒漠化防治研究工作；通信作者賈志清(1968—)，女，北京市人，研究員，博士生導(dǎo)師，博士，主要從事荒漠化防治與水土保持研究。

2015-02-15