土地利用方式改变对土壤碳的影响

土地利用方式改变对土壤碳的影响

全球气候变化是世界上最受关注的环境问题之一。导致全球气候变化的主要原因是大气中CO2浓度的增加。CO2浓度持续增加的原因除了化石燃料使用量不断增加外,陆地生态系统中的碳平衡遭到破坏也是重要根源。土壤是陆地生态系统中最大的碳库,土壤碳含量变化会对大气CO2浓度产生深远影响。尽管引起土壤碳含量下降的因素很多,但是,植被破坏和不合理的土地利用是土壤碳变化的主要原因。植被破坏和不合理的土地利用不仅导致土壤侵蚀加剧,使土壤碳大量流失,而且还可以通过增强土壤呼吸作用,使土壤有机碳以CO2形式释放到大气中。目前,在黄土高原地区开展的大规模退耕还林,是以生态建设为目的的不合理土地利用方式调整的具体体现。退耕还林工程建设首先分两阶段进行,第一阶段2001~2005年,退耕333万hm2;第二阶段2006~2010年,退耕200万hm2。通过10年的建设,共退耕533万hm2,其中陡坡耕地还林还草333万hm2,占现有25°以上坡耕地面积的75.2%。通过分期分批有序地退耕还林还草来实现生态重建的目的,其结果不仅会改变地区生态环境,也势必影响土壤有机碳含量,进而影响全球碳循环和气候变化。关于土壤碳的问题,国内外学者在对全球和全国土壤有机碳储量、不同土地利用下的碳储量以及土壤碳的影响因素等方面进行了许多研究。Bohn(1976)利用土壤分布图及相关土壤的有机碳含量估算了全球土壤有机碳库。Post(1982)在Holdrige生命带分类系统的基础上,估算了全球土壤碳密度。方精云、王绍强、潘根兴等用不同的资料计算了我国土壤有机碳储量,李忠、王绍强计算了东北、东南地区的土壤碳含量。由于上述研究中使用资料的不同,估算结果差异较大。李凌浩、吴仲民、李忠佩等还分别研究了草原生态系统碳循环、尖峰岭热带山地雨林碳库以及红壤丘陵区土地利用方式变更与土壤碳变化的关系。尽管以上研究对中国土壤碳问题作了大量工作,但尚未涉及黄土高原地区土壤有机碳量储量的估算问题,也不能依据这些研究成果预测黄土高原实施退耕还林以后土壤碳的变化趋势。文章利用野外采集的不同退耕年限、不同植被类型条件下土壤样品的分析实验数据,以及全国第二次土壤普查资料、全国土壤分布图,估算了黄土高原地区目前土壤有机碳储量,并对实施退耕还林后不同年限的土壤有机碳变化趋势进行了预测。研究结果可为黄土高原地区大规模生态建设的环境效益评价提供背景资料,同时,对退耕还林还草后的区域碳循环乃至全球变化研究也具有重要意义。1土壤有机碳的变化根据以往的研究工作,土壤有机碳量和土壤有机质之间已有公认的换算公式,只要知道土层厚度、土壤容重大小和有机质含量就能计算出土壤有机碳。计算和预测黄土高原退耕还林后土壤有机碳的变化,实际上要解决的问题是黄土高原目前土壤有机碳本底值、土壤碳随退耕时间及植被类型的变化、退耕后不同时间黄土高原地区土壤有机碳值。要解决上述问题,需要知道黄土高原总面积、各土壤类型面积及其计算层容重和有机质含量、土壤有机质随退耕还林后不同时间的变化模式、黄土高原退耕规范和进程等数据资料。1.1样品采集和分析选择了既能代表黄土高原丘陵沟壑区的地带性特征,又能尽可能地保证退耕样地系列完整性的陕西安塞、山西离石、陕西绥德和内蒙皇甫水土保持实验站,采集不同植被类型和不同退耕还林还草年限的土壤样品,测定土壤容重和有机质含量。在上述4个站点共采集不同植被类型和不同退耕年限条件下的土壤样品76组,用高温外热重铬酸钾氧化-容量法分析测定土壤有机质含量,用环刀法测定土壤容重。建立土壤有机质变化与植被类型及退耕时间的关系。1.2数据来源及处理该研究涉及的黄土高原地区包括山西、陕西(秦岭以北)、甘肃东南部、宁夏南部和内蒙(准格尔旗和清水河)等地区,共221个县,土壤总面积约为4298万hm2。所用土壤剖面数据主要来自于《中国土种志》,部分容重数据来自于《中国土壤》、《山西土壤》等。县域面积资料来自于《中国黄土高原地区耕地坡度分级数据集》和《黄土高原地区资源与环境遥感调查数据集》。土壤图采用了1∶400万中国土壤图。首先利用Mapinfo等工具从1∶400万中国土壤图中切割出黄土高原地区,并获得黄土高原地区土壤分布图,确定分布在黄土高原的土类和亚类,计算各土壤类型对应的面积。然后利用《中国土种志》资料建立黄土高原地区土壤剖面数据库,主要包括各类型土壤剖面0~20cm的土壤有机质含量、容重、土层厚度及其分布面积等。根据246个土种的统计剖面资料,计算相应土壤的有机碳含量。对黄土高原地区有关土地资源的数据信息进行提取,包括各县耕地面积及不同坡度段内的耕地面积等。然后,对各县级单元计算数据进行加和得到相应的全黄土高原地区的基础数据,编绘所需要的专题地图。1.3土壤有机碳密度由于土地利用方式改变之后表层土壤的有机碳含量变化最大,因此,该研究中只计算表层(0~20cm)土壤的有机碳密度。土壤有机碳计算公式SOCD=T×θ×C×0.58/10。式中:SOCD为土壤有机碳密度(kg/m2);T为土层厚度(20cm);θ为土壤容重(g/cm3);C为有机质含量(%)。首先,依据《中国土种志》等数据源计算各土种有机碳密度,用面积加权法计算其所属土类的有机碳密度。将计算所得的土壤有机碳密度值赋到土壤分类图中相应的土壤类型上,计算该区土壤有机碳总储量。其次,利用Mapinfo软件,对黄土高原地区土类分布图和县域分布图进行图层叠加,用县域切割土类,获取县域内土类分布面积,用面积加权平均计算分县土壤有机碳密度,进而计算分县土壤有机碳储量和全区土壤有机碳储量。再次,依据退耕面积数据和上述计算公式可以计算出不同植被恢复时间和不同退耕方式土壤有机碳密度,同理计算出坡耕地土壤有机碳密度。将退耕地与坡耕地有机碳密度相比较,求出不同退耕时间和不同退耕方式土壤有机碳密度变化系数。用此系数乘以分县平均密度获得退耕面积范围内土壤有机碳密度,从而获得分县不同退耕时间和不同退耕方式的退耕面积土壤碳总量。2结果与讨论2.1不同植被恢复土壤有机碳密度的变化在不同地区采得的不同植被和不同年限的土壤分析表明,不同类型植被土壤有机质有明显的变化,无论是退耕还林还草还是荒坡植树种草,土壤有机质水平都得到了不同程度的提高。平均而言,人工林地有机质含量增加明显,撂荒地增加相对较慢。土壤有机质含量变化由大到小依次为刺槐林地、柠条地、混交林地、撂荒地和沙棘地,有机质含量分别达2.704%,1.928%,1.873%,1.520%和1.165%,比坡耕地平均增加3.83,2.44,2.34,1.71和1.08倍。有机质的增加,土壤结构也将得到改善,土壤容重就会减小。有机质增加和土壤容重减小的综合作用体现在土壤有机碳密度的变化上。图1是安塞不同植被类型恢复10~20年使土壤有机碳密度变化,表明油松×沙棘和刺槐地土壤有机碳密度较大,分别比坡耕地增加了近4倍,柠条和撂荒地比坡耕地增加了近2倍,而沙棘地比坡耕地仅增加了0.5倍。一般来说,植被恢复时间越长,生物群落愈完善,植物种群结构也愈复杂,植被的保水保土效应愈强,土壤有机质含量也愈高,土壤有机碳含量会呈明显增加趋势。从安塞植被恢复来看,7年生植被土壤有机质比坡耕地增加了173%,10~20年植被比7年增加了35.82%,20~30年植被又比10~20年植被土壤有机质增加了20.31%。而且,不同地区植被恢复土壤有机质增长速度也有差异,土壤容重变化也不一致,土壤有机碳增长速度必然也有一定的区域差异。图2是不同取样地的有机碳变化情况。由图2可以看出,安塞地区由于植被恢复较好,土壤有机碳增长速度最快。离石地区由于植被恢复后人为破坏的原因,加之土壤容重又相对较小,致使土壤有机碳增长速度较缓。而在皇甫川流域无论是砒砂岩还是风沙土,由于土壤容重也较大,植被恢复后土壤有机碳密度增加较快。植被恢复10~15年,安塞林地土壤有机碳密度将比耕地增加3.6倍,皇甫川砒砂岩林地有机质将增加2.13倍,离石林地比坡耕地增加了2.05倍。总之,实施退耕还林还草后,不同地区、不同类型的植被,以及不同植被恢复时间的土壤有机碳含量变化都不相同。因而在不同的地区实施植被恢复后,土壤有机碳增长速度也不一致,需要区别计算预测。2.2不同类型土壤有机碳量在《中国土壤图》中,黄土高原地区共有20种土壤类型。图3是计算的中国土壤图中黄土高原地区主要土壤类型0~20cm表层土有机碳密度。黄土高原地区统计面积为4298万hm2,占全国土地统计面积87763万hm2的4.9%左右,0~20cm土层土壤有机碳总储量为1068Tg,仅占全国总量的1.16%左右。黄土高原地区土壤有机碳密度很低,土壤有机碳储量也较小,表土有机碳密度平均为2.49kg/m2,仅为东北地区平均密度的11.71%和全国平均密度的23.65%。黄土高原地区的主要土壤类型有黄绵土、娄土、黑垆土和褐土。黄绵土土壤有机碳密度较小,仅有1.408kg/m2,褐土相对较大,为3.094kg/m2。在黄土高原地区20个土类中,分布面积占总面积的89.6%的黄绵土、褐土、娄土等8个土类土壤有机碳量要占总量的90.34%。其中,分布面积占黄土高原总面积58.1%的黄绵土和褐土的有机碳储量占全区有机碳总量的49.7%。虽然其他土壤类型,如黑毡土、草毡土和山地草甸土等,表土有机碳密度较高,超过10kg/m2,但其面积之和只占总面积的0.75%,土壤有机碳储量仅占总储量的3.5%。因此,黄土高原地区土壤有机碳储量多少与土壤分布面积大小基本一致,土壤有机碳主要分布在黄绵土、褐土、灰钙土等主要土壤类型中,而又集中于黄绵土和褐土。另外,黄土高原地区土壤有机碳密度由东部的3kg/m2以上减小到西部的2kg/m2以下,由南部的10kg/m2以上减小到北部风沙土的1kg/m2以下,呈现出由东向西、由南向北减小趋势。土壤碳密度较高的地区主要分布于水热条件较好和植被覆盖度大而人类活动影响较小的地区。黄土高原东部、南部地区水热条件相对较好,也是黄土高原的主要林区,褐土面积广,土壤有机质含量相对较高,土壤有机碳含量也相对较高,而高原中、西部地区,水分条件较差,主要分布黄绵土,地表几乎裸露,土壤有机质含量很低,致使土壤有机碳含量很低。陕西北部地区土壤碳密度相对最低,主要土壤为风沙土,属毛乌素沙漠地区,土壤有机碳密度只有0.66kg/m2。2.3退耕后土壤有机碳量变化规律黄土高原水土流失严重部位主要是15°以上的陡坡耕地,退耕还林还草也主要将15°以上的坡耕地退耕为林草植被。退耕方式可以是一次性将15°以上的坡耕地全部退完,也可以考虑自然和社会经济等条件的地区差异后来分步实施。退耕还林还草实施方式不同,黄土高原未来土壤有机碳变化也会不同。如果一次性全部退耕15°以上的坡耕地,根据《中国黄土高原地区耕地坡度分级数据集》中黄土高原15°以上的坡耕地面积,再依据邹厚远关于黄土高原森林草原分区来确定实施还林还是还草的区域范围,以及黄土高原地区不同植被区、不同生长年限的人工林地和草地土壤样品容重、有机质等实验数据,对黄土高原地区退耕实施后土壤有机碳含量随时间的变化进行预测,结果如表1所示。表明在实施退耕还林(草)后,土壤有机碳含量将随退耕年限而逐渐增大,土壤有机碳含量主要在退耕实施的前20年增加明显。实施退耕7年左右,黄土高原地区土壤有机碳含量增长了9.192%,实施退耕20年时,土壤有机碳总量增长了18.476%,而20年过后土壤有机碳总储量增长就比较缓慢了,植被恢复到30年以上时,由于受到干旱条件的制约,林草植被生长状况出现衰败,土壤有机质含量有所降低,导致黄土高原地区土壤碳储量有所下降。如果不断进行植被更新和维护,土壤有机碳水平将保持稳定状态。由于黄土高原地区退耕面积广,力度大,只有分期分批、有步骤、有计划地实施退耕,才能保证区域生态、社会、经济三效益的综合发展。根据我们曾研究确定的黄土高原退耕还林地域紧迫性分级,提出了退耕进程。退耕分2005,2010和2020年3个时段完成。每一阶段退耕面积和退耕重点都不相同。至2005年,黄土高原地区退耕总面积56.97万hm2,年均退耕1139万hm2。2005~2010年共要退耕142.17万hm2坡耕地,年均退耕28.43万hm2坡耕地。2010~2020年,共退耕87.27万hm2,年退耕仅为17.45万hm2。根据不同地区土壤实验数据,参考黄土高原森林草原分区并分步安排实施还林还是还草后,预测未来黄土高原地区土壤碳含量的变化如图4,5所示。退耕区土壤有机碳含量变化从退耕完那年开始计算,例如,2000~2005年退耕区土壤有机碳含量计算从2005年开始计算植被恢复时间,至2010年时,植被恢复了5年以上,至2020年时植被恢复了15年以上,依此类推计算不同时期和其它退耕区的土壤有机碳含量。与一次性全部退耕完毕比较,分步实施退耕还林还草后10年,即2010年以前,由于退耕面积少,植被恢复时间短,土壤有机碳含量增加不十分明显,全区土壤有机碳储量仅增加了2.141%,总碳储量只有1085.4Tg。2010年后,随着退耕面积的增加,植被恢复时间的增长,土壤有机碳含量增加十分明显,2010~2020年10年间土壤有机碳含量增加了近10%,总碳储量为1193.6Tg。2020~2030年土壤有机碳量增加7%左右,比2000年增长了19.21%,总碳储量达1266.8Tg,全区土壤平均有机碳密度可增至3.05kg/m2。至2040年,全区土壤有机碳储量为1289.3Tg,比2000年增长了21.33%。至2050年,由于土样采集区植被的衰败,土壤有机质含量的减小,土壤有机碳含量有所降低。因此,退耕实施前10年,退耕面积较小,植被恢复时间短,土壤有机质积累较少,土壤有机碳增加不十分明显,