核桃-小麥復(fù)合系統(tǒng)土壤碳密度動態(tài)特征

王 來，高鵬翔，仲崇高，劉 濱，侯 琳,2，張碩新,2，張遠(yuǎn)迎

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院，陜西 楊陵 712100；2.陜西秦嶺森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，陜西 楊陵 712100；3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 理學(xué)院，陜西 楊陵 712100)

全球陸地生態(tài)系統(tǒng)中土壤碳庫存量大約是植被碳庫的3倍[1]，土壤碳庫對全球碳平衡具有重要意義[2]。土壤碳庫中最活躍的一部分土壤有機(jī)碳(SOC)的變化和分布對全球氣候變化和碳循環(huán)起到至關(guān)重要的作用[3]。同時，土壤有機(jī)碳也是土壤肥力的重要影響因子[4]，較高的土壤有機(jī)碳含量往往意味著土壤較高的肥力[5]。地表植被狀況及土地利用方式的不同是影響土壤有機(jī)碳的主要因子[6]。農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)作為一種重要的土地利用方式[7]，其固碳潛力及對土壤碳庫的影響受到眾多研究的關(guān)注[8-9]。然而國內(nèi)關(guān)于農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)對土壤碳影響的研究還處于較低水平[8]，且以往的研究多集中在農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)與單作系統(tǒng)對土壤碳影響的簡單比較[10-12]，對農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)土壤碳的動態(tài)變化過程研究很少。然而過程研究是模型建立的關(guān)鍵。本研究以渭北黃土區(qū)近年迅速發(fā)展起來的核桃(Juglansregia)經(jīng)濟(jì)林與當(dāng)?shù)刂饕诩Z小麥(Triticumaestivum)形成的間作復(fù)合系統(tǒng)為研究對象，分別以核桃和小麥的單作系統(tǒng)為對照，討論核桃-小麥復(fù)合系統(tǒng)土壤有機(jī)碳密度的動態(tài)特征。為建立農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)碳循環(huán)模型、理解地球碳循環(huán)過程提供幫助。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于渭北黃土區(qū)的南部區(qū)域，海拔700～800 m，屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候。年平均氣溫11.6℃，最低氣溫-20.6℃，最高氣溫41.4℃，年無霜期215 d。年平均降雨量615.0 mm，全年70%左右降水量集中在6-9月份。耕層土壤以黃土母質(zhì)發(fā)育成的褐土，容重1.29 g·cm-3，堿解氮含量116 mg·kg-1，速效P含量19.8 mg·kg-1，速效K含量64.5 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地在陜西省岐山縣棗林鎮(zhèn)張家溝村(34°21′21″N，107°43′42″E)，該村以近年發(fā)展迅速的核桃-小麥間作復(fù)合系統(tǒng)為主。試驗(yàn)地位于坡中位置的梯田上，田面南高北低，寬30～45 m，坡度2°～3°，總面積約1.1 hm2。核桃-小麥間作、核桃單作和小麥單作種植面積分別約為0.5、0.4 hm2和0.2 hm2。3種土地利用方式的樣地在設(shè)置為樣地前均為小麥單作農(nóng)田。雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)。試驗(yàn)地均為固定觀測樣地。

1.3 栽培方法

小麥單作：小麥品種為小偃22，每年10月5日左右施肥翻地播種，施肥(磷酸二銨150 kg/hm2，硫酸鉀75 kg/hm2，農(nóng)家肥37 500 kg/hm2)、翻地(耕地深度在20 cm左右)、播種(行距20 cm，基本苗210.5萬株/hm2)。

核桃-小麥間作：核桃于2003(1 a)年定植，南北行向，“品”字形栽植，小冠疏層樹形，株行距均為3×6 m，主栽品種為香玲。小麥在每個樹行間的種植帶寬度為5 m，給樹行留1 m寬的樹行帶，施肥量及其他栽培管理方法均與小麥單作相同。

核桃單作：核桃單作栽植密度和管理方法與間作核桃相同，日常采取果園清耕管理。每年9月下旬到10月初進(jìn)行1次秋季淺耕全園施肥，施肥量與間作模式相同。

1.4 研究方法

1.4.1 采樣點(diǎn)設(shè)置 在核桃-小麥間作和單作核桃樣地中，各選取3株平均樣樹，同時回避邊緣樹行。在每個樣樹下，垂直于樹行方向上距樹1、2、3 m處各設(shè)置1個采樣點(diǎn)。在小麥單作樣地內(nèi)，避開樣地邊緣，按“品”字形布設(shè)3個采樣點(diǎn)。

1.4.2 采樣時間 從核桃樹定植第1年起3種土地利用方式每隔1 a采樣1次，時間為當(dāng)年的11月下旬地面封凍前。

1.4.3 土壤容重 土壤容重用環(huán)刀法測定。挖100 cm深的土壤剖面，每層10 cm。在每一土層采樣點(diǎn)位置用環(huán)刀取出原狀土，每采樣點(diǎn)取樣3次。

1.4.4 土壤有機(jī)碳 在環(huán)刀取原狀土的同時采土樣，自然風(fēng)干，研磨，過100目土壤篩，用K2Cr2O7(外源熱氧化法)測定有機(jī)碳含量(mg·g-1)[13]。土壤有機(jī)碳密度計算公式：

SOCD=SBD×SOCC×(1-GC)×H×10-2

(1)

式中，SOCD為土壤有機(jī)碳密度(kg·m-2)；SBD為土壤容重(g·cm-3)；SOCC為土壤有機(jī)碳含量(mg·g-1)；GC為碎石含量(%)，H為土層厚度(cm)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計分析用SAS9.2軟件處理，圖表用OriginPro8.0軟件制作。在數(shù)據(jù)初步分析的基礎(chǔ)上，為了討論方便，將討論的土壤層次設(shè)定為0～20、20～40、40～60 cm和60～100 cm 4個土層。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機(jī)碳密度動態(tài)

2.1.1 動態(tài)變化 核桃-小麥間作土壤有機(jī)碳密度，除20～40 cm土層以外，其他各土層均隨種植年限的增加呈現(xiàn)逐漸增加趨勢，從第3年開始均高于小麥單作，且從第7年開始這個差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)(圖1)。隨著土層深度的增加這個差異更顯著，特別是在60～100 cm土層從第5年開始就達(dá)到顯著水平(P<0.05)(圖1)。核桃-小麥間作與核桃單作相比，在0～20 cm土層，前者從第5年開始顯著低于后者(P<0.05)，在其他土層前者從第5年開始均顯著高于后者(P<0.05)，前者將有機(jī)碳更多的儲存在深層土壤，而后者則相反(圖1)。

2.1.2 動態(tài)變化的方程 核桃-小麥間作土壤有機(jī)碳密度隨種植年限增加的方程，除20～40 cm土層以外，其他各土層均與三次多項(xiàng)式擬合度較好。公式可以表示為y=at3+bt2+ct+K，其中常數(shù)項(xiàng)K代表初始年份的土壤有機(jī)碳密度，a、b和c為種植年限t的系數(shù)，三者共同決定著土壤有機(jī)碳密度的大小(表1)。這里需要說明的是，這是用跨度為11 a的數(shù)據(jù)所擬合的曲線，如果超出這個年限，可能此方程就不再適用。

圖1 3種土地利用方式不同土層有機(jī)碳密度的動態(tài)變化特征Fig.1 Dynamic characteristics of SOC density in different soil depths of three land use patterns

2.2 有機(jī)碳密度的積累速度

2.2.1 不同土層有機(jī)碳密度積累速度的動態(tài)變化 核桃-小麥間作有機(jī)碳密度的積累速度在0～20 cm和40～60 cm土層呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，在60～100 cm土層呈現(xiàn)先增加而后略有回落的趨勢，峰值出現(xiàn)在第9年左右，這3個土層在第11年時的積累速度均為正值，且離0值或核桃單作較遠(yuǎn)(圖2)。這體現(xiàn)了有機(jī)碳密度的持續(xù)積累過程。20～40 cm土層較為特殊，核桃-小麥間作有機(jī)碳密度的積累速度在0值附近波動。核桃-小麥間作各土層有機(jī)碳密度的積累速度與核桃單作相比沒有明顯的峰值，而后者則有明顯的峰值波動(呈倒U型曲線)(圖2)。

表1 3種土地利用方式不同土層有機(jī)碳密度及其積累速度隨時間變化的方程Table 1 Equations of SOC density and their accumulation rates with planting age increased in different soil depths of three land use patterns

注：WWIS：核桃-小麥間作；WAMS：核桃單作；WHMS：小麥單作；y：有機(jī)碳密度；y′：有機(jī)碳密度的積累速度；t：種植年限。表2同。

圖2 3種土地利用方式不同土層有機(jī)碳密度積累速度的動態(tài)變化特征Fig.2 Accumulation rates of SOC density with planting age increase in different soil depths of three land use patterns

2.2.2 不同土層有機(jī)碳密度的平均積累速度 核桃-小麥間作有機(jī)碳密度11 a的平均積累速度隨土層深度的增加呈先降低后增加的趨勢，在20～40 cm土層最小，在0～20、40～60 cm和60～100 cm土層均顯著高于小麥單作(P<0.05)，在40～60 cm和60～100 cm土層顯著高于核桃單作(P<0.05)，但在0～20 cm土層顯著低于核桃單作(P<0.05)(圖3)。

2.3 土壤有機(jī)碳密度的變化特征(0～100 cm土層)

核桃-小麥間作0～100 cm土層內(nèi)有機(jī)碳密度隨種植年限的增加逐漸增加，從第7年開始其顯著高于小麥單作(P<0.05)。核桃-小麥間作0～100 cm土層內(nèi)有機(jī)碳密度在各年份均高于核桃單作，但兩者間的差異均未達(dá)到顯著水平(P<0.05)(圖4)。3種土地利用方式0～100 cm土層內(nèi)有機(jī)碳密度隨種植年限增加的方程與三次多項(xiàng)式擬合度較好(表2)。

圖3 3種土地利用方式不同土層有機(jī)碳密度11 a的平均積累速度Fig.3 Mean accumulation rates of SOC density during 11 years in different soil depths of three land use patterns

表2 3種土地利用方式0～100 cm土層內(nèi)有機(jī)碳密度及其積累速度隨時間變化的方程Table 2 Equations of SOC density and their accumulation rates with planting age increase in 0-100 cm soil depth of three land use patterns

圖4 3種土地利用方式0～100 cm土層內(nèi)有機(jī)碳密度隨時間變化的特征Fig.4 Variation characteristics of SOC density with planting age increase in 0-100 cm depth soil layer of three land use patterns

2.4 土壤有機(jī)碳密度的積累速度(0～100 cm土層)

核桃-小麥間作0～100 cm土層有機(jī)碳密度的積累速度，在各年份均為正值，隨種植年限的增加均呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。而核桃單作0～100 cm土層有機(jī)碳密度的積累速度則呈現(xiàn)先增加后減少的倒U形趨勢，速度最大的時間點(diǎn)出現(xiàn)在第7年左右，在第11年時接近于0值及小麥單作(圖5)。

圖5 3種土地利用方式0～100 cm土層有機(jī)碳密度的積累速度隨時間變化的特征Fig.5 Accumulation rates of SOC density with planting age increase in 0-100 cm soil depth of three land use patterns

核桃-小麥間作0～100 cm土層有機(jī)碳密度11年的平均積累速度為0.071 1 kg·m-2·a-1，分別是小麥單作和核桃單作的4.90和1.06倍，顯著高于小麥單作(P<0.05)，但與核桃單作的差異未達(dá)到顯著水平(P>0.05)(圖3)。

3 討論

本研究對核桃-小麥間作復(fù)合系統(tǒng)土壤有機(jī)碳密度的動態(tài)變化，采用固定樣地觀測的方法，進(jìn)行了11 a的連續(xù)觀測。核桃-小麥復(fù)合系統(tǒng)中有機(jī)碳密度在淺層土壤(0～20 cm)和較深土層(40～60、60～100 cm)均可以獲得顯著的提高，但在20～40 cm土層則沒有顯著變化。F.Montagnini[14]指出農(nóng)林核桃-小麥間作可以把更多的碳儲存在樹木上和土壤中，這個結(jié)論支持本研究的結(jié)果。S.G.Haile[15]指出與單純的牧場相比林牧牧場可以在較深土層儲存更多的碳，與本研究結(jié)果相同。農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)比單一農(nóng)田有更高的系統(tǒng)多樣性，隨著多樣性的增加就有細(xì)根超產(chǎn)現(xiàn)象[16-18]，在細(xì)根周轉(zhuǎn)的過程中就有更多的碳被積累在土壤中，同時樹的凋落物也會增加土壤碳的匯入。這可能是單一農(nóng)田向農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的過程中有機(jī)碳密度獲得顯著提高的主要原因。M.Oelbermann[19]等，P.K.Nair[20-21]等和A.Albrecht[22]等提出農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)固碳潛力巨大，并且進(jìn)行了簡單的估算，這與本研究結(jié)果類似，但他們沒有對不同土層深度的固碳特征進(jìn)行討論。

由于農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)的樹木增加了深層土壤的根密度[23-25]，也就是增加了深層土壤碳的輸入。在較深土層由于空氣流動少，土壤微生物的活動較弱，土壤呼吸作用較弱，經(jīng)根系活動輸入的有機(jī)物質(zhì)，大部分都轉(zhuǎn)化為土壤有機(jī)碳，很少被釋放出去。這也是核桃-小麥間作在40～100 cm土層有機(jī)碳密度獲得提高最為顯著的原因。核桃-小麥間作與核桃單作比較，由于上層土壤農(nóng)作物根系的強(qiáng)烈競爭[26]，讓間作林木的根系向更深土層發(fā)展，這可以更多的增加深層土壤的根密度[27-28]。這可能是除0～20 cm土層外，其他各土層的有機(jī)碳密度前者均高于后者的原因。0～20 cm土層較為特別，雖然核桃-小麥間作比單作系統(tǒng)有更高的根密度及更多凋落物的輸入[25]，但是核桃-小麥間作的有機(jī)碳密度從第5年開始顯著小于核桃單作。原因可能是，核桃單作缺乏耕作，致使表層土壤板結(jié)容重增加，導(dǎo)致土壤呼吸作用降低[29]，且下層土壤呼吸釋放的碳在表層積累的緣故?？傊颂?小麥復(fù)合系統(tǒng)是將更多的碳積累在較深土層，而核桃單作系統(tǒng)則是向淺層土壤積累了更多的碳。

核桃-小麥間作與核桃單作0～100 cm土層的有機(jī)碳密度在第11年均顯著高于小麥單作，但前兩者間的差異不顯著。這說明核桃-小麥間作和單作的核桃經(jīng)濟(jì)林均可以提高土壤有機(jī)碳的密度。但當(dāng)我們分層討論有機(jī)碳密度時，發(fā)現(xiàn)核桃單作在淺層土壤(0～20 cm)從第5年開始顯著高于核桃-小麥間作；但在較深土層(40～60、60～100 cm)核桃-小麥間作從第7年開始顯著高于核桃單作。這一對比更加明確核桃-小麥復(fù)合系統(tǒng)是通過向深層土壤積累更多的碳來實(shí)現(xiàn)0～100 cm土層的有機(jī)碳密度的增加，而核桃單作系統(tǒng)則是向淺層土壤積累了更多的碳來實(shí)現(xiàn)這一過程。

另外，研究發(fā)現(xiàn)20～40 cm土層比較特殊，核桃-小麥間作和核桃單作對本土層有機(jī)碳均沒有顯著的影響，而且二者的平均積累速度上較其他土層也均最低。我們推測：因?yàn)楸緦觿偤檬抢绲讓哟嬖诘耐翆樱绲讓虞^高的土壤容重[30]限制了細(xì)根的生長，所以在本層獲得生物碳的輸入較少；而且樹木凋落物對土壤有機(jī)碳的影響又主要在表層[31]，就造成了上述現(xiàn)象。所以犁底層對土壤碳積累的影響也是一個值得研究的問題。

4 結(jié)論

核桃-小麥復(fù)合系統(tǒng)中有機(jī)碳密度，除20～40 cm土層外，其他土層隨種植年限的增加均呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，在淺層土壤(0～20 cm)復(fù)合系統(tǒng)從第3年開始顯著低于核桃單作，從第7年開始顯著高于小麥單作；在較深土層(40～60、60～100 cm)復(fù)合系統(tǒng)從第5年和7年開始分別顯著高于核桃和小麥兩單作系統(tǒng)。0～100 cm土層的有機(jī)碳密度核桃-小麥復(fù)合系統(tǒng)第11年時顯著高于小麥單作，但與核桃單作差異不顯著。0～100 cm土層，11 a觀測期內(nèi)復(fù)合系統(tǒng)的平均積累速度為0.0711 kg·m-2·a-1，分別是小麥單作和核桃單作的4.90倍和1.06倍。

核桃-小麥復(fù)合系統(tǒng)與兩單作系統(tǒng)相比均有較高的固碳潛力，且最大優(yōu)勢是將碳積累在較深土層。這對增加土壤碳匯具有重要意義，同時為農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)、陸地生態(tài)系統(tǒng)及全球碳循環(huán)模型的建立提供參考。