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

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

武天云^1，2　Jeff J.Schoenau³　李凤民^1，3　钱佩源³　Sukhadev S.Malhi⁴

（1兰州大学干旱农业生态国家重点实验室　甘肃兰州　730000；2甘肃省农业科学院土壤肥料研究所　甘肃兰州　730070；3Department of Soil Sceicce,U niversity of Saskatchew an,51 Campus Drive,Saskatchewan,Canada,SK, S7N 5A8;4 Nutrient Cycling Research Station Agriculture and Agror Food

Canada.Melfor,Sask at　chewan,Canada SK,s0e 1A0）

摘要：耕作对黄绵土（Calcaric Cambisols，FAO）、灰褐土（Haplic Greyxems，FAO）和典型褐灰钙土（Orthic Brown Chernozem）的土壤有机碳（SOC）动态的影响存在明显差异.黄绵土在开垦5年内0～20cm土壤有机碳损失了77%，损失速率为2.15 t/hm²·yr，其主要原因为水蚀和耕作侵蚀。灰褐土在开垦后的42年里耕层土壤的有机碳损失了70%，损失速率为0.96～1.06 t/hm²·yr，主要为水蚀和有机碳的矿化分解.1960以后开垦的典型褐灰钙土0～20cm耕层土壤有机碳损失了11%，损失速率为0.17 t/hm²·yr。1920年开垦的典型褐灰钙土有机碳损失了44%，损失速率为0.45 t/hm²·yr。造成这一差异的主要原因是耕作和轮作体制的改善有效地阻止了风蚀的危害，并增加了进入土壤系统的有机物的量。3种土壤轻组有机碳（LFOC）的变化趋势与总有机碳的变化趋势相似:黄绵土和灰褐土在相应的时间内LFOC损失了73%和90%，1920年和1960年开垦的典型褐灰钙土LFOC分别损失了74%和70%。3种土壤间LFOC和HFOC的分配比例不同也可能是造成黄绵土和灰褐土有机碳下降快的原因。

关键词：有机碳；轻组有机碳；重组有机碳；黄土高原；土壤侵蚀

1　引言

注：本文出自《应用生态学报》，2003，12（14～12）：2213～2218。

黄土高原的面积约为5×10⁵km²，是中华民族的发祥地。由于土壤疏松而肥沃，在旧石器时代，在黄土高原沿黄河及其支流的两岸就有河谷农业发展。历史时期黄土高原自然植被良好，曾有比现代面积大得多的森林和森林草原生长^[20]。黄土高原大规模植被破坏始于西汉的开荒屯田，随后在隋唐和清代又进行了两次大范围开垦。长期的农业耕作和乱砍滥伐造成了本地区植被的大面积退化和严重的水土流失^[20]，最终导致目前极低肥力的土壤。黄土高原的主要土壤均发育于石灰性黄土母质，其最主要的共同特点是有机碳含量低，一般在1%左右。而北美大草原自然植被下的土壤的有机碳含量一般在1%～10%^[13]。毫无疑问，气候条件、自然植被等方面的差异是造成上述不同的主要原因，但开垦时间久、侵蚀严重^[16]也是造成黄土高原土壤有机碳含量低的重要原因。土壤有机碳含量的减少将直接导致土壤肥力降低^[11]，表现为土壤供给作物养分的能力、土壤的耕性、通气性和透水性迅速降低，从而影响了农业生态系统的生产力，而后者正是日益增长的人口的食物和纤维的主要来源。故土壤有机碳含量降低将危及农业生态系统的可持续发展并将最终影响到食物安全和社会的可持续发展。另外，土壤中以有机碳形式存在的碳是大气中的3倍，土壤中有机碳的分解将在极大程度上影响大气中的CO₂浓度，与全球气温上升有直接的关系^[13]。因此，土壤中的有机碳动态不但影响到了农业生态系统的可持续发展，也影响到了大气圈、生物圈的可持续发展。在自然条件和耕作条件一定时，土壤有机碳自开垦之后迅速下降，这一过程可持续20年左右。如北美大草原的土壤有机碳在开垦后的25～30年里损失了20%左右^[13]，然后缓慢下降，并最终达到平衡，后一过程可持续20～50年^[18]。黄土高原新开垦的土地的土壤有机碳分解速率如何？达到平衡需要多长时间?平衡点又在哪里？而且这些指标与北美大草原土壤的差异有多大？黄土高原的土壤有机碳含量低和北美大草原土壤有机碳含量下降快是人所共知的事实，而且后者已引起了社会各界的广泛关注并导致了“有机农业“、”持续农业”等替代性农业思潮的提出和保护性耕作体系的大范围采纳^[4]。对前一问题的关注已引起人们对黄土高原现有农业体系的担心和批评。因此，对黄土高原土壤有机碳性质和动态的研究将有助于对现有农业体系的了解并寻求有效的改善措施。

2　材料与方法

2.1　采样点和采样方法

本研究所采用的黄土高原的土壤为黄绵土（CalcaricCambisols，FAO）和灰褐土（Haplic Greyxems，FAO）。（加拿大）北美大草原的土壤为典型褐灰钙土（Orthic Brown Cher2nozem）。北美大草原有耕地3×10⁷hm²，其中50%属灰钙土纲（Chernozem Order）^[3]。耕种年限为0年、5年、40年和100年的黄绵土采自黄土高原丘陵沟壑区的丘陵坡地上，其坡度约为10°～15°。位于甘肃省定西县唐家堡乡八家院自然村。本地的年平均降水量为413.9mm，平均气温为6.4℃。自然植被为稀疏干草原。山坡地年施肥量为N25～40kg/hm²，P₂O₅15～25 kg/hm²，有机肥0.75～1.5t/hm²。正常年份禾谷类作物的产量为0.75～1.00t/hm²。采样时在不同开垦年限的地块中选择200m²，并将其划分成3块。在每一小块中按照方格法确定20个点，在各点用土钻钻取0～20cm土壤，混合成一个混合样（约1kg）。土样在实验室风干后磨细过2mm和0.25mm筛备用。采样时间为2000年5月14日。采样前，在每块地里用土钻采0～2m的土样5个进行剖面诊断，以确保所选地块为坡地黄绵土。灰褐土。耕种年限为0年、4年、10年、20年和42年的灰褐土采自黄土高原子午岭坡地上，其坡度约为5°～8°左右。采样点位于甘肃省合水县太白乡莲花寺村。本地的年平均降水量为587.6mm，多集中在7、8、9月，占全年总降水量的58.7%。年平均气温为7.4℃。自然植被为次生林。山坡地年施肥量为N35～70kg/hm²，P₂O₅23～38kg/hm²，不施有机肥。正常年份禾谷类作物的产量为1.00～1.25t/hm²。采样方法和处理方法同黄绵土。采样时间为2000年5月25日。典型褐灰钙土。耕种年限为0年、10年、20年、40年和80年的典型褐灰钙土采自加拿大萨斯卡丘温省中部的Central Butte，采样点的坡度为1°～3°。该地区的年降水量为318mm，平均温度为2.6℃。不施氮肥，只施磷肥。施肥量为P₂O₅17～20kg/hm²，春小麦的产量一般稳定在1.25～1.50t/hm²。采样方法和处理方法同黄绵土。采样时间为2001年4月4日。3种土壤的颗粒组成见（表1）。

表1　供试土壤的颗粒组成

Table 1　Particle2size groups in the soils（0～20 cm）

各颗粒组中的有机碳未被除去。

Organic carbon in particles was not eliminated.

2.2　分析方法

2.2.1　土壤有机碳

称取过0.2mm筛的土样0.15～0.20g，在Leco CR212 Analyzer上于840℃燃烧测定^[19]。

单位面积的有机碳量=测定值×容重×采样深度。

2.2.2　轻组和重组有机碳

称取过2mm筛的土样25g于250ml离心管中，加入比重为1.70g/ml的NaI溶液，于200rpm条件下振荡1h。然后在1000×g条件下离心20min，将浮在NaI表面的轻组倾倒于装有0.45μm尼龙滤纸的滤斗中抽气过滤。轻组先用75ml 0.01molil CaCl₂洗涤，再用至少75ml的蒸馏水洗涤。然后将滤纸上的轻组转移（水洗）到50ml的烧杯中，静置24h，在60℃下烘干72h后称重^[9]。提取过程进行2次。2次提取出的轻组混合后研细过60目筛，称取0.02～0.05g轻组在LecoCR212 Analyzer上于840℃燃烧测定轻组含C量。轻组被提取后，加100ml蒸馏水于离心管中，振荡10min。在5000×g条件下离心15min，弃去上清液。重复洗涤3次。冷冻至干燥后称重，减去离心管的重量后即为重组的重量。重组研细后过60目筛，称取0.15～0.20g在Leco CR12 Analyzer上于840℃燃烧测定重组含C量。

2.2.3　137Cs和土壤侵蚀量的测定

在每一个处理的3个土样中选择土壤有机碳含量与平均值接近的一个样品进行测定:称取过2mm筛的土样120～150 g加入到150ml的Marinellis塑料盒中，放在特制的仪器中测定137Cs的数量^[7]。土壤侵蚀量根据下式给出^[8]:¹³⁷Cs损失=（0.95¹³⁷Cs未开垦土壤-¹³⁷Cs开垦土壤）/（0.95¹³⁷Cs未开垦土壤），土壤侵蚀量=¹³⁷Cs损失×采样深度×土壤容重。

2.1.3　统计方法

本研究所有数据均采用SAS软件的ANOVA过程分析，表中的数据均为平均值（137Cs和土壤侵蚀量除外）。

3　结果与分析

3.1　土壤总有机碳动态

一般来讲，自然植被下的土壤在开垦后其有机碳的含量会下降^[5]。由于所选的3种土壤所处的地理位置不同，因而与有机碳合成、分解有密切关系的温度、降水量、植被覆盖度等均明显不同，加之在黄土高原和北美大草原上所实行的农业措施的巨大差异，使3种土壤的有机碳动态存在明显差异。

黄绵土（样点）在开垦后5年之内0～20cm土壤有机碳快速下降，5年内0～20 cm土层有机碳损失了77%，下降速率可达2.15t/hm²·yr^-1。下降如此快速的主要原因有3方面:一是坡地在耕作过程中耕层以下的土壤被不断翻上来所造成的稀释作用，有人称之为耕作侵蚀；二是土壤水蚀；三是土壤有机碳的氧化分解。从采样点的地貌特征来看，主要是土壤水蚀和底层土壤的稀释作用造成的:农民在翻耕坡地的时候，总是沿等高线将高端的土壤翻到低端，4～5年之后在高端就会形成一个2～3m90°的坎，而在坎的下面，会形成2～3m宽的水平梯田。137Cs的分析结果表明，黄绵土在开垦之后5年内0～20cm土壤损失了90%，土壤侵蚀量可达到218.90kg/m²（表2）。

一般情况下，土壤有机碳的损失途径主要是侵蚀和氧化分解。以开垦5年的黄绵土为例，0～20cm的土壤流失了90%，而有机碳下降了77%，表明土壤侵蚀是土壤有机碳下降的主要原因。同时，通过施有机肥和作物残体进入土壤的有机物可部分补偿土壤有机碳的损失。黄绵土在开垦后5～100年的时间段内土壤有机碳开始缓慢增加，增加的速率只是下降速率的2%。可见当地农民施用的少量有机肥对土壤有机碳的恢复是有一定作用的。灰褐土（样点）是黄土高原地区自然森林植被下形成的有机碳含量较高的土壤。自然植被下土壤有机碳含量为56.78t/hm²。是黄绵土的4倍，与典型褐灰钙土的有机碳含量相同（表2）。其开垦后土壤有机碳的下降过程与Dalal等^[5]在澳大利亚的部分土壤上观察到的结果相同。虽然灰褐土的有机碳损失速率低于黄绵土0～5年的，平均为1.06t/

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

Table 2　Total organic carbon，light and heavy fraction organic carbon in soils（0～20 cm）of　chronosequences and soil loss

注：a:轻组有机碳占土壤总有机碳的百分比The percentage of LFOC in SOC；b:重组有机碳占土壤总有机碳的百分比；c:¹³⁷Cs的损失百分比。Note:a.The percentage of LFOC in SOC；b.The percerctage of HFOC in SOC;c.The percerctage of¹³⁷Cs loss.

hm²·yr，但在开垦42年后土壤有机碳损失了70%。在0～42年期间有机碳的平均损失速率为0.96t/hm²·yr，也高于典型褐灰钙土的有机碳损失速率。

新开垦的灰褐土（4年）中有机碳下降了17%而土壤只损失了5%，表明有机碳的矿化分解为有机碳损失的主要途径。开垦10～42年的土壤中，有机碳下降了51%～70%而土壤损失了44%～51%（表2）。假设土壤侵蚀按比例均匀地带走和稀释了不同含碳量的土壤颗粒，则开垦4年、10年、20年和42年的灰褐土因矿化分解而损失的有机碳的量分别为9.43t/hm²、16.36t/hm²、16.84t/hm²和20.83 t/hm²，因土壤侵蚀而损失的有机碳分别为0.46t/hm²、12.59t/hm²、17.38t/hm²和19.29t/hm²，表明土壤侵蚀随开垦时间的延长则上升为有机碳下降的另一主要原因^[10]。

对于典型褐灰钙土（样点）来说，土壤有机碳的下降过程可从40年处明显地分为两个阶段:开垦年限为10年、20年、40年的土壤有机碳下降速率较缓慢，为0.17 t/hm²。开垦年限为80年的土壤有机碳下降速率为0.45t/hm²·yr。后者的有机碳下降速率几乎是前者的2.6倍。开垦年限为40年的土壤有机碳在40年内损失了7%，而开垦年限为80年的土壤在开垦后40年内土壤有机碳损失了37%。差异如此巨大的原因为1920—1939年期间在北美大草原地区存在着严重的风蚀。137Cs的测定结果也表明土壤侵蚀在开垦10年的土壤中几乎没有发生。而在开垦40年的土壤中损失了36%。开垦80年的土壤损失的量要远大于36%，因为137Cs的测定结果只能反映1960年之后的土壤侵蚀量^[7，8]。

综上所述，3种土壤中黄绵土的有机碳损失速率最高，但开垦后5年就达到了最低点，随后在少量有机肥的作用下耕层有机碳含量缓慢上升。灰褐土的有机碳损失速率居中，且已表现出平衡趋势。典型褐灰钙土的有机碳损失速率最小，近期内开垦的土壤有机碳的损失速率明显低于40～80年前开垦的土壤。对这一过程起主要作用的因素是耕作和轮作体制的改革减轻了土壤风蚀。从而得出结论，黄土高原地区新开垦的土壤受到保护的程度较差，土壤有机碳在开垦后快速分解或流失。

北美大草原在开垦后短短的一百多年时间里经历了严重的土壤侵蚀，但也促成了耕作机具的快速改进和耕作、轮作体系的迅速改革，并到目前为止已形成了对土壤和环境危害最小的农业体系^[14]。在黄土高原上，虽然没有北美大草原上曾经发生过的“流土”现象，但土壤有机碳下降速率之快令人吃惊。因此，在黄土高原地区亟需研究和推广能遏制土壤水蚀的耕作、轮作体系。

3.2　轻组中的有机碳

土壤的轻组（LF）主要由动植物和微生物残体及少量的矿物颗粒组成，含有机碳浓度远高于主要由矿物颗粒组成的重组。轻组中的不同分解程度的动植物残体是微生物的主要食物来源，因此轻组碳也是重要的植物速效养分库。而且轻组有机碳的转化速率快，对各项农业措施的反应敏感^[9]。正因为如此，轻组碳（LFOC）随进入土壤的动植物残体数量的变化而迅速变化。LF和LFOC也就作为一个重要的指标来反映土壤管理和作物系统对土壤肥力的影响^[1，9，12]。

对于黄绵土来说，轻组的含量虽只有5.76～11.77g/kg。但轻组中的有机碳浓度可达87.16～112.03g/kg（表2第4列），是黄绵土有机碳浓度（数据未列出，下同）的10～17倍，LFOC占土壤总有机碳的18%～27%。黄绵土LFOC随开垦年限的变化规律与其总有机碳的变化规律相同:在开垦后的5年内快速下降了73%，然后是缓慢上升。上升的速率是下降速率的2%（表2）。

以未开垦的土壤作比较，灰褐土轻组的含量是黄绵土的3倍。这与两种土壤不同的自然植被有关^[12]，灰褐土的自然植被为次生林，而黄绵土的自然植被为稀疏干草原。前者的残落物量要远高于后者^[2]。灰褐土轻组的含量为6.83～37.57g/kg（表2第3列），含C量为95.8～175.0g/kg，是该土壤有机碳浓度的3～6倍。可见在黄绵土的轻组中，矿物质的比例要明显高于灰褐土轻组中矿物质的比例，即在前者中有机碳与矿物质更容易结合，这可能对土壤肥力的恢复是有利的。同时也表明黄绵土的轻组有机碳受到保护的程度较高。在灰褐土中，LFOC占土壤有机碳的9%～26%，而且随着开垦年限的增加，这一比例快速下降（表2第5列）。灰褐土LFOC的下降过程与Dalal等^[5，6]报道的几种土壤接近。

典型褐灰钙土的轻组含量在3种土壤中最高，为19.47～38.03 g/kg。轻组中碳的浓度为38.25～99.20g/kg，在3种土壤中最低，表明轻组中的有机碳结合了更多的矿物质。而且LFOC占总有机碳的比例为3种土壤中最低的，为8%～16%（表2）。轻组随开垦年限而下降的趋势与总有机碳的显著不同，已经在开垦40年之后趋于平衡状态而且LFOC的下降速率只有灰褐土的1/4。

未开垦的3种土壤的LFOC反映了3种不同气候条件下森林植被和草原植被对土壤有机碳的影响。位于子午岭的次生林植被输入土壤中的残落物最多，北美大草原区的草原植被输入土壤中的植物残体居中，而黄土丘陵区的稀疏干草原输入土壤中的植物残体最少。耕作40年后，LFOC在3种土壤中的含量次序为典型褐灰钙土＞灰褐土＞黄绵土，这一次序完全由作物系统输入土壤的植物残体数量和土壤颗粒对轻组碳的保护程度决定。与我们在采样时调查的产量结果和对轻组碳性质的分析相符。

3.3　重组中的有机碳

土壤重组的主要成分是矿质颗粒。重组中的有机碳则与不同粒级的矿物颗粒紧密结合，形成有机—无机复合体，从而使其矿化速率大为减慢。因此，重组有机碳（HFOC）对土壤管理和作物系统变化的反映比LFOC慢，但它反映了土壤保持有机碳的能力。从以往的研究结果来看，与粗粉砂粒（20～50μm）、细粉砂粒（2～20μm）、粗黏粒（0.2～2μm）和细黏粒（＜0.2μm）结合的C在分组过程中大部分被分在了重组中。与这些颗粒结合的一小部分C和存在于砂粒（＞50μm）、50～250μm和＞250μm团聚体中的分解程度较低的有机物则被分在了轻组中^[15，17]。本研究结果表明，重组碳随土壤开垦年代的增加而逐渐减少。其损失的规模和程度与总有机碳的相似。

值得注意的是，经过40年的耕作之后，黄绵土、灰褐土和典型褐灰钙土的HFOC分别为3.80t/hm²、13.81t/hm²、48.99t/hm²。特别是灰褐土和典型褐灰钙土，虽然自然植被下总有机碳量非常接近，但重组碳所占的比例前者为61%，后者为82%。经过20年的耕作后，前者的HFOC损失了38%，而后者的只损失了14%。可见土壤侵蚀是造成这一差异的一个主要原因，但有机碳在轻组/重组之间的不同分配及重组中有机碳与矿质颗粒结合可能存在的差异将是造成上述不同的另一主要原因。

另外，LFOC与HFOC的和与土壤总有机碳含量之间的吻合程度也不尽相同。以自然植被下的土壤为例，黄绵土前两项的和与总有机碳相比减少了34%，灰褐土减少了13%，而典型褐灰钙土只减少了1%（表2）。减少的C实际上是在分组过程中被清洗掉的、易溶于盐溶液（NaI）中的、与矿质颗粒结合的有机碳，我们暂时将这一部分有机碳称作盐溶性有机（SSOC）。它应该是腐殖质中的灰色腐植酸部分^[18]。这一结果间接地反映出了黄绵土、灰褐土和典型褐灰钙土HFOC与矿质颗粒结合的牢固程度有很大差异。

4　结论

新开垦的坡地黄绵土和灰褐土的有机碳分别在开垦后的5年、42年里损失了79%和70%。严重的土壤侵蚀是造成黄绵土有机碳快速下降的主要原因，而土壤侵蚀和矿化分解是造成灰褐土有机碳损失的主要原因。相反，北美大草原典型农业土壤的有机碳下降速率则较小；1920年开垦的典型褐灰钙土在40年里下降了37%，1960年后开垦的只损失了11%。在北美大草原，改善后的耕作、轮作体系有效地阻止了土壤风蚀，使土壤有机碳的损失速率大幅度降低。因此，在黄土高原地区亟需研究和推广能遏制土壤水蚀的耕作、轮作体系。

从3种土壤的有机碳分组结果来看，黄绵土、灰褐土中的有机碳在轻组中的比例高于典型褐灰钙土的，而在重组中的比例低于典型褐灰钙土的，而且前2种土壤中的盐溶性有机碳的比例远高于典型褐灰钙土的。表明黄绵土和灰褐土矿质颗粒对有机碳的保护能力弱于典型褐灰钙土。这是前2种土壤有机碳损失快的另一主要原因，也可能是除气候、植被之外黄土高原土壤有机碳含量低的原因。