王義祥，羅旭輝，葉 菁，應(yīng)朝陽(yáng)，翁伯琦

(福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所/農(nóng)業(yè)部福州農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，福建 福州 350013)

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不同墾殖方式下茶園土壤有機(jī)碳的流失特征研究

王義祥，羅旭輝，葉 菁，應(yīng)朝陽(yáng)，翁伯琦*

(福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所/農(nóng)業(yè)部福州農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，福建 福州 350013)

采用徑流小區(qū)觀測(cè)法研究不同茶園墾殖方式對(duì)土壤有機(jī)碳流失的影響。結(jié)果表明，不同墾殖方式下茶園土壤有機(jī)碳流失均以泥沙態(tài)損失為主，占流失總量的87.4%～98.6%，而徑流態(tài)損失僅占1.4%～12.6%。就土壤有機(jī)碳年流失量而言，梯臺(tái)植草方式下土壤有機(jī)碳流失量最小，分別比順坡清耕、順坡植草和梯臺(tái)清耕方式降低70.1%～70.7%、42.1%～57.0%和14.2%～17.8%，說(shuō)明梯臺(tái)植草方式可作為減少茶園土壤有機(jī)碳流失的技術(shù)途徑。

茶園；墾殖方式；土壤有機(jī)碳；地表徑流；損失

我國(guó)南方紅壤丘陵區(qū)占全國(guó)土地總面積的11.8%，其中福建省紅壤面積占全省土地總面積的83%，是我國(guó)重要的生態(tài)類型區(qū)之一。該區(qū)域土地利用方式變化強(qiáng)烈，對(duì)陸地碳循環(huán)和溫室氣體排放具有重要的影響[1]。另外，該區(qū)域也是我國(guó)熱帶、亞熱帶茶葉的重要生產(chǎn)基地。據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)亞熱帶丘陵區(qū)茶園面積達(dá)79萬(wàn)hm2，占全國(guó)總面積的70%左右，茶葉已成為該區(qū)域農(nóng)民創(chuàng)收的主要途徑之一，但由于長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)茶園不合理的開(kāi)發(fā)與利用，導(dǎo)致水土流失和土地退化嚴(yán)重[2]。

土壤侵蝕會(huì)引起土壤有機(jī)碳隨土壤發(fā)生遷移，導(dǎo)致土壤有機(jī)碳含量降低，在侵蝕過(guò)程中部分有機(jī)碳易被礦化分解而釋放到大氣中，從而對(duì)全球變化產(chǎn)生影響。根據(jù)IPCC(政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì))的估計(jì)，土壤有機(jī)碳損失對(duì)大氣CO2濃度升高的貢獻(xiàn)率在30%～50%，其中由土壤侵蝕造成的損失大約占50%左右[3]。盡管土壤侵蝕普遍存在，但土壤侵蝕對(duì)土壤碳循環(huán)的影響仍少見(jiàn)報(bào)道，土壤侵蝕對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的影響機(jī)理還缺乏深入了解[4]，生產(chǎn)中尤其缺乏高效穩(wěn)產(chǎn)的固碳減排技術(shù)，這也是我省農(nóng)村節(jié)能減排和碳匯農(nóng)業(yè)發(fā)展中急需解決的問(wèn)題。本研究通過(guò)徑流小區(qū)觀測(cè)的方法研究不同墾殖方式下紅壤丘陵地茶園土壤有機(jī)碳隨地表徑流和泥沙流失的動(dòng)態(tài)規(guī)律，探討水力侵蝕對(duì)茶園土壤有機(jī)碳流失的作用，為土壤侵蝕對(duì)茶園土壤有機(jī)碳循環(huán)影響研究提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地位于福州市福建滿堂香茶業(yè)股份有限公司的茶葉生產(chǎn)基地內(nèi)，海拔610 m，屬東南亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，年平均氣溫15.5℃，全年降水量1500 mm，年均日照1850 h，年積溫高于6500℃，無(wú)霜期312 d。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)4個(gè)處理，分別為順坡清耕、順坡植草[茶行間套種百喜草(Paspalum notatum)]、梯臺(tái)清耕、梯臺(tái)植草(茶行間套種百喜草)，重復(fù)3次。各試驗(yàn)小區(qū)大小為25 m×4 m，小區(qū)之間用水泥預(yù)制板隔開(kāi)，小區(qū)下方布設(shè)1 m3的泥沙沉淀池和貯水池各1個(gè)。茶樹(shù)品種為梅占，2006年定植。不同墾殖方式處理茶樹(shù)的施肥管理方法一致，清耕處理采取人工方式不定期清除園面雜草。

1.3 采樣與分析方法

2013年共產(chǎn)流13次，產(chǎn)流結(jié)束后，觀測(cè)徑流池中泥水體積，同時(shí)混勻采集泥水樣測(cè)定泥沙含量。部分泥水樣過(guò)濾收集水樣，利用6 mol·L-1的H2SO4溶液調(diào)其pH到2～3后放入冰柜中保存待測(cè)。徑流和降雨水樣中總有機(jī)碳含量利用島津TOC儀測(cè)定。土壤和泥沙中總有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定[5]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

按照公式(1)和(2)計(jì)算泥沙結(jié)合態(tài)有機(jī)碳流失量、徑流結(jié)合態(tài)有機(jī)碳流失量：

SC=∑(Si×SOCi)

(1)

WC=∑(Wi×DOCi)

(2)

式中：SC為泥沙結(jié)合態(tài)有機(jī)碳年流失量(kg·hm-2)；WC為徑流結(jié)合態(tài)有機(jī)碳年流失量(kg·hm-2)；Si為第i次產(chǎn)流的泥沙量(t·hm-2)；SOCi為第i次產(chǎn)流泥沙有機(jī)碳含量(g·kg-1)；Wi為第i次產(chǎn)流的徑流量(m3)；DOCi為第i次產(chǎn)流徑流有機(jī)碳含量(mg·L-1)；i為年產(chǎn)流次數(shù)。

利用Microsoft Excel2003和DPS7.05統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算處理及差異顯著性檢驗(yàn)，多重比較采用LSD法。

2 結(jié)果與分析

2.1 地表徑流中有機(jī)碳的差異

由圖1可知，不同墾殖方式下茶園地表徑流中有機(jī)碳含量亦存在一定差異。順坡墾殖方式地表徑流中有機(jī)碳含量比梯臺(tái)墾殖方式高出45.5%～54.1%；生草覆蓋處理比清耕處理高出12.9%～19.6%。地表徑流中有機(jī)碳主要來(lái)自大氣降水、植被(包括活植物體和凋落物)的淋溶輸入以及土壤有機(jī)物的侵蝕。因此，在地表徑流中有機(jī)碳含量減去來(lái)自降雨中的有機(jī)碳含量可以得到來(lái)自植被淋溶以及土壤有機(jī)物的侵蝕的有機(jī)碳，從而可以分析地表徑流中不同來(lái)源有機(jī)碳的構(gòu)成比例。從地表徑流中有機(jī)碳的來(lái)源來(lái)看(圖2)，順坡清耕處理地表徑流中有機(jī)碳主要源自植被淋溶輸入和土壤有機(jī)物的侵蝕，占63.34%，梯臺(tái)清耕處理地表徑流中有機(jī)碳主要源自大氣降水，占63.79%。相對(duì)清耕處理而言，生草處理地表徑流中有機(jī)碳來(lái)自大氣降水的比例有所降低，而來(lái)自植被淋溶輸入和土壤有機(jī)物侵蝕的比例增加。

圖1 地表徑流中總有機(jī)碳含量Fig.1 Organic carbon content in surface runoff

圖2 地表徑流中有機(jī)碳的來(lái)源Fig.2 Sources of organic carbon in surface runoff

2.2 侵蝕泥沙中土壤有機(jī)碳的差異

通過(guò)對(duì)泥沙和土壤中有機(jī)碳含量的對(duì)比分析表明，泥沙中有機(jī)碳具有明顯的富集現(xiàn)象，但其富集程度因不同開(kāi)墾方式而有所差異。由表1可以看出，順坡植草處理侵蝕泥沙有機(jī)碳的富集比比順坡清耕處理高出2.61%，梯臺(tái)植草處理比梯臺(tái)清耕處理高出8.76%，主要是水力侵蝕往往首先使表層土壤發(fā)生剝離運(yùn)移，而表層土壤因受植被的影響，養(yǎng)分含量較高，導(dǎo)致剝離運(yùn)移的土壤形成的侵蝕泥沙往往會(huì)發(fā)生養(yǎng)分富集。梯臺(tái)處理侵蝕泥沙有機(jī)碳的富集比順坡處理高于0.7%～6.7%，說(shuō)明富集系數(shù)的大小還會(huì)受泥沙沉積特征影響。

表1 流失泥沙的有機(jī)碳富集比

2.3 茶園土壤有機(jī)碳的徑流損失特征

就土壤有機(jī)碳的損失途徑而言(圖3)，不同墾殖方式下茶園土壤有機(jī)碳流失均以泥沙結(jié)合態(tài)損失為主，占流失總量的87.4%～98.6%，而徑流損失僅占1.4%～12.6%。但生草與清耕相比，生草處理土壤有機(jī)碳以泥沙形式的損失的比例比清耕處理降低了5.7%～12.2%，而徑流損失所占比例提高了65.3%～753.8%。梯臺(tái)清耕方式以泥沙損失的比例比順坡清耕處理提高了0.5%～6.7%，而徑流損失的比例降低了3.3%～81.3%，這可能與梯臺(tái)坍塌有關(guān)，尤其是在暴雨季節(jié)。

3 討論與結(jié)論

侵蝕作用下，表層土壤在外營(yíng)力作用下發(fā)生破壞、剝蝕和遷移，從而引起富含有機(jī)碳的表層土壤隨地表徑流而流失，導(dǎo)致侵蝕區(qū)土壤肥力下降，植物可利用養(yǎng)分缺失，從而威脅糧食安全和生態(tài)可持續(xù)性[6]。水蝕作為土壤侵蝕的主要形式之一，其對(duì)坡面土壤有機(jī)碳的遷移和再分布的影響是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，同時(shí)受氣候、土壤、地形、土地利用方式等許多因素的影響[7]。水力侵蝕作用下土壤有機(jī)碳以泥沙結(jié)合態(tài)和徑流溶解態(tài)2種形式流失。有的研究發(fā)現(xiàn)以泥沙結(jié)合態(tài)和徑流溶解態(tài)流失的有機(jī)碳相當(dāng)[8]，但也有研究認(rèn)為泥沙結(jié)合態(tài)是土壤有機(jī)碳流失的主要形式，甚至有的高達(dá)95%以上[9]，出現(xiàn)以上不同研究結(jié)果原因主要與不同侵蝕條件下土壤有機(jī)碳隨水沙遷移的復(fù)雜性有密切關(guān)系[10]。本研究結(jié)果表明，泥沙結(jié)合態(tài)是不同墾殖方式下茶園土壤有機(jī)碳的主要流失形式，其中泥沙結(jié)合態(tài)占到土壤總有機(jī)碳流失量的87.4%以上，這與聶小東等的研究結(jié)果相一致[10]。王文欣等研究表明，土壤覆蓋度越低，土壤有機(jī)碳流失量越高[11]。本研究結(jié)果表明，茶園生草處理土壤有機(jī)碳以泥沙形式的損失的比例比清耕處理降低了5.7%～12.2%。通常，覆蓋植被涵養(yǎng)水源是生態(tài)系統(tǒng)重要的服務(wù)功能之一。植被覆蓋度越高，涵養(yǎng)水源能力越強(qiáng)，其截留有機(jī)碳的能力也就越強(qiáng)[12]。梯臺(tái)清耕方式徑流損失的比例比順坡清耕降低了3.3%～81.3%，這主要是因?yàn)橄鄬?duì)順坡墾殖方式，梯臺(tái)方式將坡面分割成若干梯面，改變了地表微地形，增加徑流入滲，減弱了徑流對(duì)茶園土壤的沖刷作用，從而有效地?cái)r蓄并減少了徑流所攜帶的有機(jī)碳[13]。由此可以認(rèn)為，茶園土壤有機(jī)碳流失主要以泥沙為承載體被帶走，梯臺(tái)加生草覆蓋能夠提高茶園地表覆蓋度，增強(qiáng)土壤沖刷能力，可作為減少茶園土壤有機(jī)碳流失的重要技術(shù)措施。

圖 3 茶園土壤有機(jī)碳的損失構(gòu)成Fig.3 Components in loss of soil organic carbon at tea plantations

泥沙是土壤有機(jī)碳流失的重要載體，不同土地利用方式下泥沙結(jié)合態(tài)有機(jī)碳隨泥沙遷移特征的變化而變化。Jackson和Massey研究認(rèn)為泥沙結(jié)合態(tài)有機(jī)碳的富集是土壤有機(jī)碳選擇性遷移的表現(xiàn)形式，在徑流的運(yùn)移作用下，質(zhì)量較輕、有機(jī)碳含量較高的土壤顆粒優(yōu)先被遷移[14]。一些研究表明，黏粒等小粒級(jí)是土壤有機(jī)碳流失的主要載體[15]，有機(jī)碳在泥沙中表現(xiàn)富集現(xiàn)象。富集比是指侵蝕泥沙中某種組分含量與原地土壤中該組分含量的比值[16]。許多研究也認(rèn)為，土地管理方式和植被條件以及土壤類型等與有機(jī)碳富集比也有密切關(guān)系[17]。賈松偉等研究表明，土壤有機(jī)碳的流失主要以泥沙為載體遷移出系統(tǒng)，被徑流攜帶遷出的只有很少一部分；水力侵蝕造成了有機(jī)碳在泥沙中的富集，且富集比大于1[9]。本研究結(jié)果表明，順坡植草處理侵蝕泥沙有機(jī)碳的富集比比順坡清耕處理高出2.61%，梯臺(tái)植草處理比梯臺(tái)清耕處理高出8.76%，這可能是因?yàn)榈乇砀采w影響了茶園表層土壤有機(jī)碳的富集，從而影響到土壤受到?jīng)_刷作用后的泥沙中有機(jī)碳的富集特征。

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Losses of Soil Organic Carbon in Tea Plantations under Varied Reclamation Methods

WANG Yi-xiang, LUO Xu-hui, YE Jing, YING Zhao-yang, WENG Bo-qi*

(Institute of Agricultural Ecology, Fujian Academy of Agricultural Sciences/Fuzhou Scientific observing and Experimental Station of Agro-Environment, Ministry of Agriculture, P.R. China,Fuzhou, Fujian 350013, China)

Effect of erosion on the loss of organic carbon in the soil of tea plantations was studied on runoff plots under different methods of reclamation. It was found that the sediment-bonded organic carbon constituted the major form of the loss, accounting for 87.4%, and up to 98.6%, of the total. Whereas, the runoff loss was merely 1.4%～12.6% of the total. The method of reclamation by landings herbage inter-planting resulted in the lowest annual organic carbon loss, which was 70.1%～70.7% lower than by longitudinal clean tillage, 42.1%～57.0% lower than by longitudinal herbage inter-planting, and 14.2%～17.8% lower than by landings clean tillage. Thus, it was recommended that the landings herbage inter-planting method be applied for the reduction of organic carbon loss in soil at tea plantations.

tea plantation; reclamation methods; soil organic carbon; runoff; loss

2016-07-11 初稿；2016-08-12 修改稿

福建省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014R1017-3、2014Y0048)；國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題(2012BAD14B03)。

王義祥(1978-)，男，博士，副研究員，主要從事恢復(fù)生態(tài)與紅壤保育研究。E-mail: sd_wolong@163.com

*通訊作者：翁伯琦(1957-)，男，博士，研究員，主要從事生態(tài)農(nóng)業(yè)技術(shù)與農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟(jì)研究。E-mail: wengboqi@163.com

S571.1；S153.62

A

2096-0220(2016)03-0129-04