耕作对黄土高原和北美大草原三种典型农业土壤有机碳的影响3.pdf

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,2,,LIFengmin1,QIANPeiyuan2,(1StateKeyLabo2ratoryofAridAgroecology,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China;2SoilScienceandFertilizerInsti2tute,GansuAcademyofAgriculturalSciences,Lanzhou730070,China;3DepartmentofSoilScience,Univer2sityofSaskatchewan,51CampusDrive,Saskatoon,Saskatchewan,Canada,SK,S7N5A8;4NutrientCy2clingResearchStation,AgricultureandAgro2FoodCanada,Melfort,Saskatchewan,Canada,SK,S0E1A0)..,2003,14(12):2213~:inChina,theHuangmiansoil(ambisols,FAO)lost77%arbon(0~20cm)within5yearsofcultivation,·hm-2·yr-1,whichwasmainlycausedbywatererosionandtillageerosion;andtheHuihesoil(haplicgreyxems,FAO)lost70%arbon(0~20cmlay2er)·hm-2·yr-1,,theorthicbrownchernozeminCanadalost11%and44%arbon(0~20cmlayer)after40and80yearsofcultivation,respectively,-2·yr--2·yr-,whichpreventedsoilfromwinderosionandincreasedcurrentresiduesintosoil,(LFOC)arbon:HuangmianandHeilusoillost73%and90%ofLFOC,whileorthicbrownchernozemlost74%and70%ofLFOCafterbreakedin1920and1960,, arbon,Lightfraction,arbon,arbon,LoessPlateauofChina,,曾有比现代面1 引言3国家重点基础研究发展规划项目(G2000018603)、教育部留学基金项黄土高原的面积约为5×105km2,是中华民族目(990005)、SaskatchewanAgricultureDevelopmentFundStrategicResearch(R252B)和InternationalFoundationforSciences(C/331321).,在旧石器时代,-09-19收稿,2003-02-26接受.?1995-o.,.:..4122应用生态学报 14卷积大得多的森林和森林草原生长[20].黄土高原大规Cambisols,FAO)和灰褐土(HaplicGreyxems,FAO).(加拿模植被破坏始于西汉的开荒屯田,随后在隋唐和清大)北美大草原的土壤为典型褐灰钙土(OrthicBrownCher2nozem).北美大草原有耕地3×107hm2,其中50%(ChernozemOrder)[3].各采样点的位置和地貌、气候特点砍滥伐造成了本地区植被的大面积退化和严重的水[20]为:1)、5、40和100年的黄绵土采自黄土流失,,其坡度约为10~15°.,其最主要的共同特点是有机碳含量低,,℃.%~40kg·hm-2,P2O515~25kg·含量一般在1%~10%[13].毫无疑问,气候条件、自-2-2hm,~·,~·hm-、侵蚀严重[16]也是造成黄土高原土壤选择200m2,,在各点用土钻钻取0~20cm土壤,混合成一土壤有机碳含量的减少将直接导致土壤肥力降个混合样(约1kg).土样在实验室风干后磨细过2mm和低[11],表现为土壤供给作物养分的能力、,在每块地里用土钻采0~2m的土样5个进行剖面诊断,以确性、通气性和透水性迅速降低,)、4、10、系统的生产力,而后者正是日益增长的人口的食物20和42年的灰褐土采自黄土高原子午岭坡地上,°~8°,多集中在7、8、9月,,%.℃.自然植被为次存在的碳是大气中的3倍,~70kg·hm-2,P2O523~38在极大程度上影响大气中的CO2浓度,与全球气温kg·hm-2,[13].因此,土壤中的有机碳动态~·hm-,)、10、20、到了大气圈、,土壤有机碳自的CentralButte,采样点的坡度为1~3°.该地区的年降水量为318mm,℃.不施氮肥,,-2为P2O517~20kg·hm,~北美大草原的土壤有机碳在开垦后的25~30年里-2[13]·%左右,然后缓慢下降,并最终达到平[18],后一过程可持续20~ 供试土壤的颗粒组成的土地的土壤有机碳分解速率如何?达到平衡需要Table1Particle2sizegroupsinthesoils(0~20cm)多长时间?平衡点又在哪里?而且这些指标与北美土壤砂粒+OM粗粉砂粒细粉砂粒粗粘粒细粘粒SoilSand+OMCoarsesiltFinesiltCoarseclayFineclay大草原土壤的差异有多大?黄土高原的土壤有机碳(>50μm)(20~50μm)(2~20μm)(~2μm)(<),FAO共知的事实,,FAO注并导致了”有机农业”、”持续农业”[4] ,~,在LecoCR212Analyzer上于840℃燃烧测定[19].=测定值×容重× 材料与方法-1250ml离心管中,·ml的NaI溶液,于211 ×g条件下离心20本研究所采用的黄土高原的土壤为黄绵土(Calcaricmin,?1995-o.,.:..12期武天云等:耕作对黄土高原和北美大草原三种典型农业土壤有机碳的影响 ,再碳的含量会下降[5].(水洗)理位置不同,因而与有机碳合成、分解有密切关系的到50ml的烧杯中,静置24h,在60℃下烘干72h后称[9]温度、降水量、植被覆盖度等均明显不同,,~,℃,加100ml蒸 黄绵土(样点)在开垦后5年之内0~20cm土馏水于离心管中,×g条件下离心15min,,减去离壤有机碳快速下降,5年内0~20cm土层有机碳损失了77%,·hm-2·yr-,~℃燃烧测定重如此快速的主要原因有3方面:,有人称之为耕作侵蚀;二是土壤水蚀;,主要定:称取过2mm筛的土样120~150g加入到150ml的是土壤水蚀和底层土壤的稀释作用造成的:农民在Marinellis塑料盒中,放在特制的仪器中测定137Cs的数量[7].翻耕坡地的时候,总是沿等高线将高端的土壤翻到土壤侵蚀量根据下式给出[8]:137Cs损失=[,4~5年之后在高端就会形成一个2~3m90°137Cs未开垦土壤-137Cs开垦土壤]/[],土壤侵蚀的坎,而在坎的下面,会形成2~=137Cs损失×采样深度×,黄绵土在开垦之后5年内0213 统计方法~20cm土壤损失了90%,土壤侵蚀量可达到 ·m-2(表2).析,表中的数据均为平均值(137Cs和土壤侵蚀量除外). 一般情况下,土壤有机碳的损失途径主要是侵3 ,0~20cm的土壤流失了90%,而有机碳下降了77%,表明土311 ,通过施 一般来讲,自然植被下的土壤在开垦后其有机有机肥和作物残体进入土壤的有机物可部分补偿土表2 不同开垦年限的土壤的有机碳总量及轻组和重组有机碳含量和土壤侵蚀量(0~20cm)arbon,arboninsoils(0~20cm)ofchronosequencesandsoilloss土壤和耕作年限土壤有机碳轻组重组有机碳137Cs变化和土壤侵蚀量SoilsandTotalsoilLightfractionHFOC137Cschangesandsoillossesarbon(tC·hm-2)测定值和损失率years(tC·hm-2)含量有机碳浓度有机碳137土壤侵蚀量sandlossSoilloss(g·kg-1soil)(Cg·kg-1LF)(tC·hm-2)(Bq·m-2)(kg·m-2)ambisols,()()()()(-)-()()(-)-()()(-)---Pr.>--灰褐土Haplicgreyxems,()()()()(-)-()()(-)-()()(-)-()()(-)---Pr.>--()()()()(+)+()()(-)-()()(-)-()()(-)---Pr.>--a:轻组有机碳占土壤总有机碳的百分比ThepercentageofLFOCinSOC;b:重组有机碳占土壤总有机碳的百分比ThepercentageofHFOCinSOC;c:137Cs的损失百分比Thepercentageof137Csloss.?1995-o.,.:..6122应用生态学报 ~100年的时间壤有机碳的损失速率明显低于40~80年前开垦的段内土壤有机碳开始缓慢增加,%.,(样点)原地区新开垦的土壤受到保护的程度较差, 北美大草原在开垦后短短的一百多年时间里经·hm-,与典型褐灰钙土的有机碳历了严重的土壤侵蚀,但也促成了耕作机具的快速含量相同(表2).其开垦后土壤有机碳的下降过程改进和耕作、轮作体系的迅速改革,并到目前为止已与Dalal等[5]在澳大利亚的部分土壤上观察到的结形成了对土壤和环境危害最小的农业体系[14].,虽然没有北美大草原上曾经发生过的“流0~5年的,·hm-2·yr-1,但在开垦42土”现象,%.在0~42年期间有机此,·hm-2·yr-1,也高于典蚀的耕作、 轻组中的有机碳 新开垦的灰褐土(4年)中有机碳下降了17%而土壤的轻组(LF)主要由动植物和微生物残体土壤只损失了5%,表明有机碳的矿化分解为有机及少量的矿物颗粒组成,~42年的土壤中,%~70%而土壤损失了44%~51%(表动植物残体是微生物的主要食物来源,因此轻组碳2).,则开垦4、10、20和42年的灰褐化速率快,对各项农业措施的反应敏感[9].、如此,轻组碳(LFOC)、·hm-2,、、·要的指标来反映土壤管理和作物系统对土壤肥力的hm-2,表明土壤侵蚀随开垦时间的延长则上升为有影响[1,9,12].机碳下降的另一主要原因[10]. 对于黄绵土来说,~ 对于典型褐灰钙土(样点)来说,·kg-:开垦年~·kg-1(表2第4列),是黄绵土有机碳浓限为10、20、40年的土壤有机碳下降速率较缓慢,为度(数据未列出,下同)的10~17倍,·hm-2·yr-~27%.·hm-2·yr-:%,%,而开垦年限为80年的速率是下降速率的2%(表2).的土壤在开垦后40年内土壤有机碳损失了37%. 以未开垦的土壤作比较,灰褐土轻组的含量是差异如此巨大的原因为1920~[12],灰褐土的自然植被为次生林,%.开垦80年的土者[2].~·kg-1壤损失的量要远大于36%,因为137Cs的测定结果只(表2第3列),~·kg-1,是该能反映1960年之后的土壤侵蚀量[7,8].土壤有机碳浓度的3~ 综上所述,3种土壤中黄绵土的有机碳损失速中,矿物质的比例要明显高于灰褐土轻组中矿物质率最高,但开垦后5年就达到了最低点,随后在少量的比例,即在前者中有机碳与矿物质更容易结合,,,褐灰钙土的有机碳损失速率最小,近期内开垦的土LFOC占土壤有机碳的9%~26%,而且随着开垦?1995-o.,.:..12期武天云等:耕作对黄土高原和北美大草原三种典型农业土壤有机碳的影响 7122年限的增加,这一比例快速下降(表2第5列).灰褐组中有机碳与矿质颗粒结合可能存在的差异将是造土LFOC的下降过程与Dalal等[5,6]. 另外,LFOC与HFOC的和与土壤总有机碳含 典型褐灰钙土的轻组含量在3种土壤中最高,~·kg-,~·kg-1,在3种土壤中最低,表明轻34%,灰褐土减少了13%,%(表2).减少的C实际上是在分组过程中被清总有机碳的比例为3种土壤中最低的,为8%~洗掉的、易溶于盐溶液(NaI)中的、与矿质颗粒结合16%(表2).轻组随开垦年限而下降的趋势与总有的有机碳,我们暂时将这一部分有机碳称作盐溶性机碳的显著不同,已经在开垦40年之后趋于平衡状有机碳(SSOC).[18].这一结果间接地反映出了黄绵土、灰褐土和 结论最多,北美短草原区的草原植被输入土壤中的植物残体居中,,LFOC在3种土壤开垦后的5、42年里损失了79%和70%.严重的土中的含量次序为典型褐灰钙土>灰褐土>黄绵土,壤侵蚀是造成黄绵土有机碳快速下降的主要原因,,:1920年开垦的典型褐灰钙土在40313 重组中的有机碳年里下降了37%,1960年后开垦的只损失了11%. ,改善后的耕作、轮作体系有效地阻止机碳则与不同粒级的矿物颗粒紧密结合,形成有机2了土壤风蚀,,,重因此,在黄土高原地区亟需研究和推广能遏制土壤组有机碳(HFOC)对土壤管理和作物系统变化的反水蚀的耕作、,但它反映了土壤保持有机碳的能从3种土壤的有机碳分组结果来看,黄绵土、,与粗粉砂粒(20~50褐土中的有机碳在轻组中的比例高于典型褐灰钙土μm)、细粉砂粒(2~20μm)、粗粘粒(~2μm)和的,而在重组中的比例低于典型褐灰钙土的,而且前细粘粒(<)(>50μm)、50~250μm和>,也可能是除气候、植被之中[15,17].本研究结果表明,. 值得注意的是,经过40年的耕作之后,黄绵土、1 BremerE,JanzenHH,