红跃村地处景泰县中部, 景电一期引黄提灌灌区中心地带, 县城以北8 km处, 位于景泰县草窝滩镇以东3 km, 地势由西南向东北倾斜的微型盆地, 海拔1 565 m。气候干燥、干旱少雨、风沙大, 年均降水量185 mm, 降水年际变化不大, 雨水集中在7-9月, 年蒸发量3 040 mm, 年均气温8.5 ℃, 雨热同期, 地表水资源较为贫乏, 地下水资源矿化度高、水质差。20世纪70-80年代建成的景电一、二期高扬程电力引黄提灌工程是该区主要的水资源^[12], 然而特殊的地质地貌、母质、气候和不合理的灌溉等因素又造成土壤的次生盐渍化现象非常严重。全村现有耕地面积330.7 hm², 约80%的农田耕地为次生盐碱化土地。自2000年以来, 该村开始推广引种耐盐碱的经济树种枸杞, 取得了良好的经济和生态效益^[13]。枸杞林地块间开挖渠道, 灌水洗盐, 年灌水6~8次, 枸杞果实每年采摘6~8次, 年修剪两次。本研究地区土壤母质类型一致, 地带性土壤为荒漠灰钙土, 土壤母质包括黄土、风积物和洪积物。地下水位均为1 m左右。次生盐碱地主要植被为盐爪爪(Kalidium foliatum), 盖度8%~15%。

首先要对模型进行校正, 并建立初始态, 在初始状态下调整模型参数, 检验模拟值与实际观测值之间的吻合程度, 通过反复检验模拟结果达到最好的模拟效果, 即此时模型初始态建立成功。其次, 基于初始态的参数值再与实测值进行验证平衡^{[1, 14]}。

本研究于2012年、2013年7月中旬进行野外枸杞林地调查采样。采用空间代替时间的方法, 以次生盐碱裸地(种植枸杞年限为0年)为对照, 分别选择4、7、11年枸杞林地为研究对象采集土样, 各研究地块相互邻近, 地势平坦。土壤采样深度40 cm, 每10 cm分层采样, 每块样地5个重复, 同层次土样混合作为1个混合样。同时, 用环刀法测土壤容重, 铝盒装少量新鲜土壤用于土壤水分测定。土样带回实验室风干后测定土壤有机质、有机碳、pH值、盐分等理化指标。土壤粒度采用激光粒度分析仪测定。经测定研究区次生盐碱裸地的基本理化性质为:土壤有机质含量为10.90 g· kg^-1、全氮0.76 g· kg^-1、全磷0.95 g· kg^-1、全钾22.85 g· kg^-1、速效磷3.04 mg· kg^-1、速效钾212 mg· kg^-1。

总有机碳和活性有机碳的测定方法分别用重铬酸钾氧化-外加热法和高锰酸钾氧化法^[15], 全盐量测定水土比为5:1, pH值的测定用酸度计法(水土比为2.5:1)^[16]。碳库管理指数的计算^[17]:

碳库指数(CPI)=样本总有机碳含量/对照土壤总有机碳含量;

碳库活度(L) =土壤样品中CL/对照土壤中CNL.

式中, CL为样本中的活性有机碳, CNL为样本中的非活性有机碳; 碳库活度表示土壤碳的不稳定性。

碳损失及其稳定性的影响可用碳库活度指数(LI)表示:

LI=样本的碳库活度(L)/对照土壤的碳库活度(L);

基于以上指标可以得到碳库管理指数(CPMI):

CPMI=CPI× LI× 100.

运行 CENTURY4.0模型时, 用户需要按照格式建立作物参数文件、管理文件、气象数据文件、土壤数据文件等。根据土壤有机质的分解速率, CENTURY模型将土壤总有机碳(TOC)分成了3个碳库, 分别是活性、慢性和惰性土壤有机碳库^{[1, 3]}。本研究所用的是CENTURY4.0版本, 初始输入数据包括基本的气象数据、土壤质地等(表1)。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 模型初始化所需主要参数 Table 1 Main parameters required in CENTURY model initialization 参数 Parameter 参数值 Value 获取方式 Obtained method 试验地经纬度Latitude and longitude of local site 37.15° N, 104.07° E 实地GPS测得Observed by GPS 土壤0-20 cm沙粒含量Sand contend of 0-20 cm layer 44% 土壤样品分析化验测定 Analysis and determination from soil samples 土壤0-20 cm粉粒含量Silt contend of 0-20 cm layer 43% 土壤0-20 cm粘粒含量Clay contend of 0-20 cm layer 13% 土壤容重 Bulk of soil 1.2 g· cm-3 pH 8.7 月均最低气温Monthly mean minimum temperature 3.0 ℃ 由1956-2012年气象资料统计分析而得 Statistical analysis from the meteorological data of 1956-2012 月均最高气温Monthly mean maximum temperature 15.5 ℃ 月均降水量 Monthly mean precipitation 6.8 mm

表1 模型初始化所需主要参数 Table 1 Main parameters required in CENTURY model initialization

模型所运用的气象数据由景泰县气象站提供的1956-2012年气象数据, 由于研究区距离县城10 km, 地势平坦, 因此, 可以将此数据直接作为研究区的数据进行模拟运行。模型要求至少10年以上的气象数据, 所需资料包括月均降水量(PREC)、月最低温度(TMIN)、月最高温度(TMAX)。CENTURY模型在运行调试过程中首先要设定主要的植被生长参数, 包括植物生长的开始月份、 衰老月份、休眠月份。本研究采用模型中自带的GRASSLAND/CROP模块, 其适用于北方典型草地、低矮草原和荒漠草地, 选择CROP.100文件中的CPR为模型的初始植被, 4月开始生长, 10月为衰老季节, 11月份开始休眠, 时间步长为一年进行初始态的建立, 部分参数应用模型提供的缺省值。

枸杞在生长过程中所需的农田管理措施是不同的, 为了掌握枸杞林的生产和经营方式, 在进行野外观测的同时采用农户基线调查方法, 在红跃村随机抽取典型农户30户进行访谈式调查, 调查内容包括枸杞种植前期土地的基本情况、不同林龄枸杞生长过程中土壤处理、施肥、灌溉等农田管理措施, 以及果实收获、处理等近10项内容。

根据当地土地次生盐碱化和人工种植枸杞林的情况, 将模型分为3个阶段A、B、C, 其中A阶段为模型建立平衡状态的过程, 通过参数调整将模型调整到与次生盐碱地相平衡的状态, 本试验中模型运行时间为0-4 000年; 阶段B、C为种植枸杞时段, 其中B是1~4年龄枸杞幼苗生长阶段, C是枸杞林成熟稳产阶段, 这两个时段在模拟的过程中对应有不同的农业管理措施(表2)。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 模拟枸杞生长不同阶段及耕作措施 Table 2 Simulation of different growth stages of wolfberry and cultivation measurements 模拟阶段 Simulation Stage 模拟时间段 Time block 植被类型及栽植方式 Vegetation type and planting method 耕作方式及农田管理措施 Measurements and cultivations A 0-4 000年, 建立稳定状态 0-4 000 years, a stable state 以盐爪爪为主的次生盐碱地, 植被盖度8%~15% The saline-alkali land dominated by Kalidium foliatum with coverage 8%~15% 自然植被, 未开垦, 土壤表层有盐结皮, 土质疏松 The land was not used, and the soil texture was loose with salt crust remained in the top soil. B 1-4年, 枸杞幼苗生长阶段 1-4 years, wolfberry seedling growth period 行距1.5 m, 间距1 m。 Row space 1.5 m, distance 1 m. 第1年翻耕土壤, 清除杂草, 种植幼苗, 第2年开始每年旋耕松土, 施用有机肥1次, 施化肥3~4次, 浇水3~4次, 没有修剪枝条, 没有果实产生。 Tilling the soil to remove weeds and planting seedling in the 1st year; from the 2nd year, ploughing soil, organic fertilizer 1 time, fertilizer 3~4 times, water 3~4 times in each year, not to trim branches, no produce fruits. C 5年以上, 枸杞成熟稳产阶段 5 years, wolfberry mature forest 行距1.5 m, 间距2 m。 Row space 1.5 m, distance 2 m. 春季3、4月修剪枝条, 除杂草, 近1/3枝条移除; 旋耕松土1次, 浇水6~8次, 大水漫灌, 施用化肥6~8次, 喷洒杀虫剂1次, 6-9月每月采摘果实。 Trim branches and remove weeds from March and April; ploughing 1 time, water and fertilizer 6-8 times, spraying insecticide 1 time, harvest fruits each month from June to September.

表2 模拟枸杞生长不同阶段及耕作措施 Table 2 Simulation of different growth stages of wolfberry and cultivation measurements

用CENTURY模型模拟研究土壤变化时首先要进行模型参数的初始化, 在参数平衡状态下才能进行真正的模拟运算^{[1, 2]}。主要是模拟研究区在自然状态下土壤活性碳库[SOM1C(2)]、慢性碳库(SOM2C)、惰性碳库(SOM3C)及土壤总碳库[SOMTC, 包含结构性C库和代谢性C库]逐渐积累到稳定平衡阶段。输入相关参数, 气象数据为近50年的统计数据, 时间步长为1年, 土壤碳库快速积累变化所需时间约为2 000年, 之后缓慢积累到2 400年时, 土壤各碳库逐步建立平衡, 各碳库变化稳定, 基本在土壤碳含量平均水平上下波动(图中水平虚线表示), 达到了试验区土壤碳水平, 表明此时间段内各碳库已经稳定平衡(图1)。此时, 活性、慢性和惰性有机碳库分别占总有机碳库的3.28%、68.67%和28.05%。从土壤有机碳的年际变化可看出, 土壤总碳库和缓性碳库年际变化较大, 但在一定的水平上波动, 惰性有机碳库变化稳定, 曲线平滑, 活性有机碳库年际变化敏感, 但是其值较小, 所占比例小(图1)。研究地为次生盐碱地, 植被以盐生植物盐爪爪为主, 盖度为8%~15%, 其土壤有机碳含量约为3 400 g· m^-2左右, 而CENTURY模型在平衡状态下模拟的土壤总有机碳含量在3 300~3 400 g· m^-2间波动, 两者相差很小, 说明CENTURY模型正确模拟了研究区土壤有机碳的动态积累过程。

图1

Fig.1

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	图1 CENTURY模型参数初始化过程Fig.1 Initialization process of CENTURY model parameters

模型的可靠性测定通常采用多种方法, 每种测定方法均有其独到之处^[18]。本研究采用实测值与模型值相拟合的方法, 看其变化趋势。以0(次生盐碱裸地)、4、7、11年枸杞林土壤有机碳实测数据与模拟值进行拟合, 结果显示, 土壤实测值与模拟值具有较好的相关性, 变化趋势一致, R²达到了0.947, 统计分析P=0.27> 0.05, 表明模型值与实测值之间差异不显著(图2), 说明运用CENTURY模型来模拟次生盐渍化土地枸杞林有机碳的动态变化基本符合实际情况^[17], 可用来模拟研究试验区的土壤动态变化。

图2

Fig.2

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	图2 枸杞林土壤有机碳实测值与模拟值的关系Fig.2 The relationship between measured and simulated values of the organic carbon in the soil of wolfberry forest

研究区自2000年开始种植枸杞, 土地类型发生了变化, 自然植被转变成了人工栽植经济作物, 土壤有机碳随之发生了显著变化(图3)。从次生盐碱裸地到开垦种植枸杞, 再到枸杞成熟稳产, 在这过程中植被类型不同, 所对应的措施也不同, 在CENTURY模型的模拟过程中相应的将这个过程分为3个时间段(Block), 分别分为A、B、C 3个时段, 每个阶段的土地耕作方式和农田管理模式均有所差异(表2), 导致了土壤活性、缓性、惰性和土壤总碳库均发生了显著的变化(图3)。

图3

Fig.3

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	图3 枸杞生长不同阶段土壤各个碳库随时间的变化Fig.3 Variation of soil carbon pools at different growth stages of wolfberry

A阶段为次生盐碱地, 也是模拟原始有机碳库处于平衡状态的阶段。模型参数为模拟平衡阶段的参数指标不变。这一阶段处于自然状态, 土壤各碳库仅受到降雨、气温等自然因素的影响, 变化小, 基本处于稳定状态。

B阶段为枸杞幼苗生长期, 也是各个碳库快速增加时期。在原有次生盐碱裸地上开垦种植枸杞, 植被类型发生了变化, 由荒漠草地变成了灌木林, 模型参数也相应的进行调整。在植被文件CROP.100中输入类型为THODR, 4月开始发芽生长(TFST), 5月施入有机肥(OMAD), 10月停止生长(TLST), 11月份休眠(SENM)。在4年的时间里枸杞生长成熟, 土壤活性、缓性、惰性和总有机碳库在这一时间段内均呈快速增加的态势(图3)。土壤活性碳的含量增幅最大, 增幅相对于第1年超过130%, 其次是土壤总碳> 土壤缓性碳> 土壤惰性碳, 其增幅分别为15%、7%和0.3%。

C阶段为枸杞成熟稳产期, 是各个碳库逐渐稳定降低阶段。这一时期相比上一阶段(B)农田管理措施发生了变化。此阶段有生物量移除, 一是春季修剪枝条, 近1/3的枝条被剪除; 二是采摘枸杞果实, 从6月开始采摘果实, 持续2~3个月。这些生物量均从枸杞林移除, 这样就导致枯落物碳储量逐渐的下降。相应的在模型EVENT.SCH文件中输入与实际管理相符合的参数:4月份开始生长(TFST), 5月份耕作(CULT), 6月、7月灌溉(IRRI), 7月、8月收获(HARV), 10月停止生长(TLST)。通过模型运行各碳库均发生了相应的变化。活性碳较为敏感, 下降幅度最大, 2012-2014年下降速度趋缓, 逐渐稳定, 但是其值低于开垦前活性碳的含量(图3, 图4)。缓性碳和惰性碳在这个阶段继续积累增加, 累积速率相比B阶段降低, 逐渐呈降低趋势, 变化相对缓慢, 土壤有机碳库含量随着活性有机碳含量的快速降低而逐渐减小, 从2005年开始一直呈下降趋势(图3, 图4)。

图4

Fig.4

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	图4 成熟枸杞林未来土壤各碳库变化趋势Fig.4 The change trend of future soil carbon pools during mature stage

以2010年CENTURY模型输出结果为土壤有机碳的初始值, 分析预测在当前的农田管理措施条件下枸杞林土壤有机碳近20~30年的动态变化趋势。运用1956-2012年的历史气象统计数据逐月最高、最低气温和月降水量, 时间步长为6个月, 输出时间为7月进行数据模拟, 并根据当前成熟枸杞林的农田管理措施(表2), 在模型EVENT100模块中输入相对应的主要参数:5月施入有机肥(OMAD), 中耕松土(CULT); 6、7、8、9月灌溉(IGGI), 灌溉水量为田间持水量的50%(A50)来模拟实际的大水漫灌; 5月、7月施肥(FERT); 7、8月收获(HARV), 模拟未来20~30年间枸杞林的土壤有机碳库变化趋势。结果显示, 各碳库呈逐渐下降趋势, 在未来30年后土壤有机碳库基本趋于稳定, 稳定状态下0-20 cm土壤有机碳含量平均约3 200 g· m^-2, 相对2010年土壤有机碳含量降低了1.6%, 相对枸杞种植前的次生盐碱地土壤有机碳含量降低了约5%; 活性、缓性和惰性碳库均随之降低(图4)。各个碳库年内变化波动小, 主要是受季节性的气温、降雨等变化影响, 但是对整体变化趋势影响不大。由此可见, 农田措施对土壤碳库的影响较大, 在当前的农田管理措施下枸杞林地极有可能从当前的有机碳库逐渐的转变为一个弱的碳排放源。

土壤碳库活度和碳库活度指数都可以用来反映土壤碳素的活跃程度, 活度越大, 表示有机碳越易被微生物分解, 质量越高^[19], 而转化时间也越短。碳库活度和碳库活度指数在枸杞种植后有所增加, 4年枸杞达到最大, 之后逐渐降低, 表明次生盐渍土地开垦种植枸杞会使土壤碳活性有所增加, 在枸杞生长的初期几年内土壤碳质量得到提高(图5)。碳库管理指数可以用来反映土壤经营管理的科学性, 即表明该措施是否科学^{[20, 21]}, 其值升高与降低可以反映外部的经营方式对土壤质量的影响向良性或恶性方向发展。不同年限枸杞林碳库指数和碳库管理指数与土壤有机碳模拟变化的过程相似, 也呈倒“ V” 型变化。在枸杞生长初期碳库活度、碳库指数和碳库管理指数逐年增加, 4年达到最高, 5-11年逐年降低, 生长14年时碳库活度(L)和碳库活度指数(LI)基本与对照相近, 碳库指数(CPI)和碳库管理指数(CPMI)虽高于对照, 但是整体上仍呈下降趋势(图5)。运用模型模拟生长20年枸杞林土壤碳的变化, 此时土壤碳库基本已经稳定(图4), 土壤碳库活度和管理指数相比生长11年的枸杞林仍表现为下降趋势, 与次生盐碱裸地相比碳库指数基本相近。上述变化表明该区域次生盐渍化土地种植枸杞后的最初几年土壤质量得到明显改善, 但随着枸杞种植年限的增加土壤碳库质量逐渐下降, 这主要是由枸杞林的不合理的经营管理措施所造成的。

图5

Fig.5

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	图5 土壤碳库活度、碳库指数等随枸杞生长年限的变化Fig.5 Changes of soil carbon pool activity and carbon pool indexduring different growth years of wolfberry