農(nóng)田沙漠化過程中土壤有機碳和氮的衰減及其機理研究

1、中國農(nóng)業(yè)科學2003,36(8:928-934Scientia Agricultura Sinica農(nóng)田沙漠化過程中土壤有機碳和氮的衰減及其機理研究蘇永中,趙哈林(中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所,蘭州730000摘要:測定了科爾沁沙地不同沙化程度農(nóng)田015cm耕層土壤粒級分布、有機碳(SOC和全氮(N含量,并應用土壤粒級物理分組方法對農(nóng)田土壤各粒級組分(20.1、0.10.05、0.05mmassociated C and N significantly increased with the increase of desertified extent, suggesting that s

2、tability of SOC decreased in the desertification process.Key words:Farmland desertification;Soil organic carbon;Total nitrogen;Mechanisms of losses沙漠化是在氣候因素和人為活動共同作用下發(fā)生在干旱半干旱地區(qū)的土地退化現(xiàn)象1。沙漠化過程是土壤環(huán)境持續(xù)惡化,植被發(fā)生逆向演替,生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力急劇下降的過程2。對沙漠化過程中,土壤質地的粗?；?、養(yǎng)分貧瘠化和土壤環(huán)境干旱化的演變特征已有許多研究35,但對某一特定區(qū)域土地沙漠化演變中土壤有機碳及養(yǎng)分動態(tài)過程的認識

3、尚有許多不清楚的地方,主要表現(xiàn)在土壤的風蝕程度和有機碳及養(yǎng)分衰減的定量關系及其衰減的機理方面。究其原因,一方面是在田間條件下很難準確量化土壤的風蝕程度6;另一方面在沙漠化過程中對土壤中各顆粒組分的有機碳和養(yǎng)分含量缺乏系統(tǒng)研究。已有的研究表明,土壤有機碳(SOC的很大一部分結合在土壤細顆粒組分中(0.05mm,而這一部分有機碳是高度腐殖化的穩(wěn)定的有機碳7,而與沙粒結合的有機碳,稱為顆粒有機碳(particulate organic carbon,POC,被認為是有機碳中的非保護性部分8。近年來,一些研究者應用土壤有機質物理分組結合同位素14C方法,研究了土地利用變化912、長期土壤耕作和輪作7,

4、13、植被恢復14等對土壤碳庫中不同組分的影響及碳穩(wěn)定機制。這些研究表明,不同顆粒組分中的有機碳對土地利用變化、耕作等土壤干擾的響應和敏感程度不同,其中POC是最易受土地利用變化等因素影響而發(fā)生變化的有機碳部分。因此,用物理方法分離土壤有機質不同組分,對揭示土壤碳過程和碳動態(tài)變化機理具有重要意義。沙漠化是SOC伴隨著土壤顆粒粗質化而喪失的過程5,但各粒級組分的有機碳在沙漠化演變中的特征和動態(tài)尚不清楚。筆者以科爾沁沙地處在沙漠化演變過程中的農(nóng)田土壤為對象研究土壤顆粒粒級變化與有機碳和全氮衰減的定量關系,以及SOC 和全氮在不同顆粒粒組中的分配及沙漠化對分配模式的影響,以揭示農(nóng)田沙漠化過程中土壤有

5、機碳和氮衰減及其機理。1研究區(qū)域與方法1.1自然概況研究區(qū)位于內蒙古通遼市奈曼旗境內,地處我國北方半干旱農(nóng)牧交錯帶東端的科爾沁沙地腹地。地理位置1201912135E,42144332N,海拔340360m。屬大陸性半干旱氣候,年均氣溫6.4,10年積溫3151.2,無霜期151d。年均降水量364.6mm,年均蒸發(fā)量1972.8mm,年平均風速3.5ms-1,大風日數(shù)2060d。地勢相對平緩,地表由深厚的沙質沉積物組成,厚度在20120m。經(jīng)過風的吹揚形成坨甸相間的風沙地貌,農(nóng)田大多位于沙質草甸或坨間緩坡地,沙質屬性決定了土壤易遭受風蝕,尤其在地表裸露、干旱多風的春季,風蝕更為強烈;土壤類型

6、主要為已退化的沙質栗鈣土和風沙土,具疏松而分散的土壤質地和較低的土壤有機質含量3。1.2研究方法9298期蘇永中等:農(nóng)田沙漠化過程中土壤有機碳和氮的衰減及其機理研究用。用重鉻酸鉀氧化-外加熱法和凱氏法15(意大利產(chǎn)DK6,UDK140分析儀測定全土和土壤各顆粒粒組中的有機碳和全氮。1.3數(shù)據(jù)處理用Pieri提出的土壤物理穩(wěn)定性贅數(shù)(St16評價不同程度沙化農(nóng)田土壤基質的穩(wěn)定性。St(%= SOM%100/(Silt+Clay,%。SOM%為土壤有機質含量,(Silt+Clay,%為土壤粘粉粒含量。單因子方差分析(ANOVA和最小差異顯著法(LSD用于不同沙化程度農(nóng)田土壤各變量之間的顯著性檢驗。

7、2結果與分析2.1沙漠化演變中農(nóng)田土壤粒級分布與有機碳和全氮變化表1不同沙化農(nóng)田耕層(015cm土壤粒級分布(%及土壤物理穩(wěn)定性指數(shù)Table1Distribution of particle size fractions and physical stability index(Stin soils of different desertified farmlands沙化農(nóng)田1 Desertified farmland土壤粒級分布Distribution of particle size fractions(mm物理穩(wěn)定性指數(shù)St(%Soil physical stability index

8、1PDF,潛在沙化農(nóng)田;LDF,輕度沙化農(nóng)田;MDF,中度沙化農(nóng)田;SDF,嚴重沙漠化農(nóng)田;MSDF,極嚴重沙化農(nóng)田.同一列中數(shù)據(jù)后相同字母表現(xiàn)差異不顯著(P表2不同沙漠化程度農(nóng)田耕層土壤及其顆粒組分中有機碳和全氮含量Table2C and N contents associated with particle size fractions沙化農(nóng)田Desertified farmland全土Bulk soil(gkg-1有機碳Organic C全氮Total N碳氮比C/N ratio中粗沙Coarse-medium sand(gkg-1有機碳Organic C全氮Total N碳氮比C/N

9、ratio極細沙Very fine sand(gkg-1有機碳Organic C全氮Total N碳氮比C/N ratio粘粉粒Clay+silt sand(gkg-1有機碳Organic C全氮Total N碳氮比C/N ratio回歸分析表明,SOC和全氮含量與沙粒含量呈顯著的線性負相關,與粘粉粒含量呈顯著的線性正相關。表明農(nóng)田沙漠化過程中土壤的粗?；葑儼殡S著土壤有機碳和全氮的衰減,其定量關系用回歸方程表示為:SOC(gkg-1=0.169(silt+clay%+1.1484R2=0.8252n=30T otal N(gkg-1=0.0215(silt+clay%+0.149R2=0.7

10、923n=302.2沙漠化演變中農(nóng)田土壤顆粒組分中有機碳和全氮動態(tài)039中國農(nóng)業(yè)科學36卷圖土壤有機碳與全氮含量與各顆粒組分中有機碳和全氮含量的相關期蘇永中等:農(nóng)田沙漠化過程中土壤有機碳和氮的衰減及其機理研究表3農(nóng)田沙漠化演變中土壤顆粒粒組對有機碳和全氮的富集系數(shù)Table3The enrichment factor of organic carbon and total nitrogen of the particle fractions in the farmland soils of the desertification process沙化農(nóng)田Desetified farmland有機

11、碳富集系數(shù)Enrichment factor EC全氮富集系數(shù)Enrichment factor EN(P0.0001,極細沙的富集系數(shù)只是在MSDF顯著高于其它農(nóng)田。這一結果進一步反映出,在農(nóng)田沙漠化的演變中,土壤有機碳和非保護性的顆粒有機碳的衰減有基本一致的動態(tài)變化,而與粘粉粒結合的有機碳相對穩(wěn)定。在向極嚴重沙漠化的演變中,大部分粘粉粒喪失,而保存的少量粘粉?？赡芎休^高的、高度腐殖化的有機碳,因而有很強的膠結能力而粘附在沙粒表面不易被吹蝕。這可能是MSDF 土壤粘粉粒有較高有機碳、氮含量和富集系數(shù)的原因。表4不同沙漠化程度農(nóng)田耕層土壤有機碳和全氮在顆粒粒級中的分配Table4Distri

12、bution of organic C and total N in the particle size fractions沙漠化農(nóng)田Desertified farmland有機碳分配Distribution of organic C回收率Recovery(%全氮分配Distribution of total N回收率Recovery(%3討論與結論3.1土壤有機碳含量是反映土壤質量和土地退化程度的一個重要指標。土壤有機碳影響土壤結構和土壤團聚體形成及其穩(wěn)定性20,因而也決定了土壤抵抗侵蝕的物理穩(wěn)定性。在易發(fā)生風蝕的沙地生態(tài)系統(tǒng)中,土壤養(yǎng)分保蓄、土壤結構保持性能、土壤抗風蝕能力與SOC密切相關

13、。Lal研究認為20,SOC 含量下降到某一水平時,土壤結構分散,物理穩(wěn)定性喪失,其閾限水平?jīng)Q定于土壤質地。Pieri提出的土壤物理穩(wěn)定性指數(shù)(St16很好地闡釋了SOC含量與土壤結構保持、土壤發(fā)生風蝕風險的關系。本項研究結果表明,除MSDF由于土壤細粒物質已大部分被吹蝕,表層土壤趨向于流沙狀的粗粒化特征,土壤可蝕性反而降低,物理穩(wěn)定性指數(shù)介于5%7%之間,其余農(nóng)田土壤物理穩(wěn)定性指數(shù)均低于5%,表明土壤結構破碎,極易發(fā)生風蝕,這也正是科爾沁沙地在不合理土地利用下沙漠化迅速發(fā)生發(fā)展的內因。因此,在農(nóng)田土壤管理中,一方面要采取改善農(nóng)田環(huán)境(如防護林建設、實行保護性耕作和冬春季秸稈覆蓋以降低土壤風蝕

14、的措施;另一方面,應加大有機肥的投入以提高土壤有機碳含量,增加土壤結持能力,提高土壤物理穩(wěn)定性。3.2在沙漠化過程中,土壤屬性的演變首先是粘粉239中國農(nóng)業(yè)科學36卷8期 蘇永中等： 農(nóng)田沙漠化過程中土壤有機碳和氮的衰減及其機理研究 933 粒和極細沙等細顆粒組分被選擇性地移出系統(tǒng)， 導 致粗?；?。因而土壤粒級分布的變化常被作為土地 13 風蝕和沙漠化程度的理想指標 。本項研究的結 （ ：301 - 305 .（in Chinese） nal of Desert Research，2002，22 4） 3 趙哈林，黃學文，何宗穎 . 科爾沁沙地農(nóng)田沙漠化演變的研 究 . 土壤學報，1996，（

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24、粉粒吹蝕而衰減的定量關系可以用線性方程很好 地預報， 土壤粘粉粒含量吹蝕 1% ， 土壤有機碳和全 氮含量分別下降 0 . 169 g kg - 1 和 0 . 0215 g kg - 1 。 氮主要由與沙粒結合的植物殘體 3 . 3 顆粒有機碳、 半分解 產(chǎn) 物 組 成， 對 與 土 壤 粘 粒 和 粉 粒 結 合 的 相 8 這部分 SOC 被認為是有機碳中的非保護性部分 ， 有機碳對表層土壤中植物殘體的積累和根系分布的 21 變化非常敏感 ， 最易受土地利用方式， 尤其是土 壤耕作的影響 12 。本項研究的結果表明， 隨著農(nóng)田 沙漠化程度的增加， 與沙粒結合的有機碳和氮 （顆粒 有機碳、

25、 含量顯著降低， 氮） 沙漠化程度增加一級， 氮含量平均下降 0 . 43 g kg - 1 和 0 . 059 g kg - 1 。 POC、 這主要是由于沙漠化程度的增加導致了農(nóng)作物產(chǎn)量 的顯著降低， 相應地歸還土壤的根系及植物殘體生 物量顯著降低， 使總有機碳和 POC 形成量減少。另 外， 部分顆粒有機質組分隨風蝕程度增加而被吹蝕。 POC 分配比例綜合了 SOC 絕對含量與 POC 含 量， 從這個指標可以表明土地利用方式、 沙漠化等影 響有機 碳 穩(wěn) 定 性 的 強 度， 除 SOC 總 量 的 差 異。 排 19 發(fā) 現(xiàn) POC 的 分 配 比 例 變 化 范 圍 在 Garte

26、n 等 不同沙漠化農(nóng)田土壤 11% 44% 。本項研究表明， 氮的分配比例在 36% 53% 和 39% 62% ， 隨 POC、 著沙漠化程度的增加， 、 POC 氮的分配比例增加。這 表明， 漠 化 導 致 了 土 壤 的 粗 質 化， 對 穩(wěn) 定 的 沙 相 氮隨粘粉粒而被吹蝕， 非保護性的顆粒有機質 SOC、 組分相對數(shù)量增加， 的穩(wěn)定性降低， 不利于有機 SOC 碳和養(yǎng)分的長期積累。 References 1 朱震達，陳廣庭 . 中國土地沙質荒漠化 . 北京：科學出版社， 1994 . Zhu Z D，Chen G T. Land Sandy Desertification in C

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