雅安紫色土小流域土壤有机碳及碳组分分布特征

刘珊珊，宫渊波，向香勇，陈 曼，杨 梅

（四川农业大学 长江上游林业生态工程四川省重点实验室，四川 雅安625014）

土壤有机碳（SOC）储量是进入土壤的植物残体量以及在土壤微生物作用下分解损失的平衡结果。其储量大小受气候、植被、土壤属性及农业经营实践等多种物理因素、生物因素、人为因素的控制，并存在各种因子之间的相互作用。SOC的含量和组成对调节土壤养分流有很大影响，对土壤管理措施响应敏感，与土壤内在的生产力高度相关；其动态和循环又影响温室效应和环境质量［1］。土壤活性碳是指受植物、微生物强烈影响，具有一定的溶解性，在土壤中移动快、稳定性差、易氧化、矿化，并具有较高植物和土壤微生物活性的那部分有机碳［2］。土壤活性有机碳较非活性有机碳敏感得多，又直接参与土壤生物化学转化过程［3］，同时也是土壤微生物活动的能源和土壤养分的驱动力［4］，土壤碳库的变化主要发生在活性碳库内［5］，因此，对于土壤活性有机碳的研究是土壤碳库动态及调控机理研究的重要方面［6］。

紫色土是我国南方和四川盆地主要的农业土壤资源，其风化成土作用快、矿质养分丰富、自然肥力高等，由于其多分布在山地丘陵，下渗及抗蚀性差、人类活动强度大等原因，是目前我国仅次于北方黄土的严重水土流失类型［7］。有关紫色土土壤碳库的研究大多集中在不同土地利用方式方面，而对紫色土小流域土壤有机碳库的分布特征及侵蚀对紫色土碳库的影响方面研究较少。本文以华西雨屏区和平小流域为研究对象，探讨紫色土小流域土壤有机碳分布特征，对科学地利用和保护有限的紫色土资源，提高土地生产力，减缓温室气体排放提供科学依据。

1 研究区概况

和平小流域位于四川省雅安市雨城区西南部。幅员面积10.22km2，海拔为591～796m，属深丘低山地貌，亚热带湿润季风气候区。冬无严寒，夏无酷暑，多年年均气温16.1℃，最高年为16.9℃（1987年），最低年为15.4℃（1976年）。全年以1月最冷，月平均气温6.1℃；7月最热，月平均气温25.3℃。雨热同季，雨量充沛，年降水量达1 732mm；自然植被结构属季雨式的山地常绿阔叶林，但由于长期人类活动影响，已无原生植被，现有植被主要为果园和农耕地，土壤为紫色土。

受地理环境和自然条件的影响，小流域内水土流失非常严重，侵蚀面积为3.4km2，多年平均土壤侵蚀量达1.63万t，每年平均土壤侵蚀模数为4 794t／km2，属强度流失区。严重的水土流失使小流域生态环境平衡失调［7］。

2 研究方法

2.1 样地布设和土壤样品采集

2010年10月，将小流域分为上中下三个地段，每个地段按阴坡、阳坡分坡顶、坡中和坡脚布设样地；在每个样地内采用S型采样法，进行分层采样，采样深度为0—10cm，10—20cm，20—30cm；每层土壤样品混合均匀后带回实验室风干、去杂，一部分过0.2mm筛供土壤总有机碳分析，一部分过2mm筛供土壤颗粒和轻组有机碳分析。

2.2 土壤总有机碳、颗粒有机碳、轻组有机碳测定

土壤总有机碳采用重铬酸钾氧化—外加热法；土壤颗粒和轻组有机碳分别采用湿筛法和密度分离法；轻组有机碳采用物理分组中（1.8g／ml ZnBr2）提取、重铬酸钾氧化外加热法测定（LY／T 1237—1999）。

2.3 数据分析

用Excel统计软件和SPSS软件进行统计分析。

3 结果与分析

3.1 小流域不同地段土壤总有机碳及碳组分分布特征

由表1可知土壤总有机碳、颗粒及轻组有机碳均表现为小流域下部＞小流域中部＞小流域上部，含量分别为13.35～16.75g／kg，5.50～7.56g／kg和1.88～3.75g／kg。小流域不同地段总有机碳下部与上、中部差异性极显著（P＜0.05），上部与中部差异性不显著（P＞0.05）。颗粒及轻组有机碳均表现为上、中下部两两间差异性极显著（P＜0.05）。小流域内土壤总有机碳、颗粒及轻组有机碳变异系数介于15%～39%，均属于中等变异。

表1 小流域不同地段土壤总有机碳及碳组分分布

3.2 小流域同一坡面不同坡位土壤总有机碳及碳组分分布特征

地貌单元影响土壤发育、迁移、沉积、风化、分解等物理化学过程，从而造成土壤理化性质和土壤养分含量的空间分异［8］。在紫色土小流域区，SOC含量与不同地貌条件下土壤发育、水土流失等密切相关。由表2可知，小流域内同一坡面不同坡位土壤总有机碳、颗粒及轻组有机碳均表现为坡脚＞坡顶＞坡中，含量分别介于14.02～15.45g／kg，5.30～7.62g／kg和2.22～3.36g／kg。小流域不同坡位总有机碳坡脚与坡顶和坡中差异性极显著（P＜0.05），坡顶与坡中差异性不显著（P＞0.05）。颗粒及轻组有机碳均表现为坡顶、坡中及坡脚两两间差异性极显著（P＜0.05）。小流域内土壤总有机碳、颗粒及轻组有机碳变异系数介于18%～41%。

表2 小流域不同坡位土壤总有机碳及碳组分分布

3.3 小流域不同坡向土壤总有机碳及碳组分分布特征

由表3可知对于小流域不同坡向而言，土壤总有机碳、颗粒及轻组有机碳均为阳坡＜阴坡。阳坡土壤总有机碳、颗粒及轻组有机碳含量分别为12.92g／kg，5.72g／kg和2.47g／kg；阴坡土壤总有机碳、颗粒及轻组有机碳含量分别为16.40g／kg，7.31g／kg和3.14g／kg。小流域不同坡向总有机碳、颗粒及轻组有机碳阳坡与阴坡均为差异性极显著（P＜0.05）。小流域内土壤总有机碳、颗粒及轻组有机碳变异系数介于13%～40%。

表3 小流域不同坡向土壤总有机碳及碳组分分布

3.4 小流域不同土层深度土壤总有机碳及碳组分分布特征

由表4可知土壤总有机碳、颗粒及轻组有机碳均表现为0—10cm＞10—20cm＞20—30cm，含量分别介于12.96～16.34g／kg，5.05～8.05g／kg，2.34～3.28g／kg。小流域不同土层深度土壤总有机碳、颗粒及轻组有机碳均表现为两两间差异性极显著（P＜0.05）。小流域内土壤总有机碳、颗粒及轻组有机碳变异系数介于16%～42%。

表4 小流域不同土层深度土壤总有机碳及碳组分分布

3.5 小流域土壤总有机碳及碳组分相关性分析

由表5可知总有机碳、颗粒有机碳与轻组有机碳之间相关性达到极显著水平。可见，土壤中颗粒有机碳及轻组有机碳可作为反映土壤有机碳的有效监测因子。

表5 不同土层深度土壤总有机碳及碳组分分布的相关性

4 结论与讨论

4.1 讨论

（1）由于该区雨量丰富、降雨集中、暴雨频繁、地表植被覆盖差，使紫色土水土流失现象非常严重。该小流域内自上部向下部土壤侵蚀强度逐渐减弱，上部和中部高强度土壤侵蚀使大部分有机碳积累在了小流域下部。下部土壤所含有机碳及其活性碳组分也较上、中部多。此外流域下部土层较上、中部深，土壤肥力较好，农业耕作活动频繁，加速了SOC的矿化周转，加上长期施用肥料有利于增加土壤有机碳含量，导致下部有机碳含量高于上、中部，这一研究结果与孙文义［9］对关于黄土丘陵沟壑区土壤表层有机碳分布特征研究结果一致。小流域下部较上部和中部植被覆盖度较大，尤其是灌木树种，灌木树种根系发达，以及本身会产生大量的凋落物，易形成所谓的“肥岛效应”［7］，表现为更多的有机质积累、较高的碳、氮含量和较高的微生物生物量以及呼吸强度等［10］。

（2）土壤中有机碳很大一部分来源于凋落物分解，凋落物主要集中分布于土壤表层，经微生物分解后成为土壤中有机质。由于水土流失等原因，表层土壤有机碳会重新分配。其原因是坡顶部由于开垦导致地势平坦，水土流失较弱，土壤发育相对成熟，有机碳含量相对较高［10］。但坡中部坡度较大，水土流失强烈，有机碳积累十分缓慢，因此在整个小流域内坡中部有机碳含量最低。坡脚部虽有一定程度的水土流失影响，但由于地势低洼又承接来自坡中侵蚀的泥沙和径流，从而促进了坡脚部位有机碳的积累。因此在整个小流域内，有机碳含量呈现坡脚＞坡顶＞坡中的分布特征。土壤中有机碳主要集中分布于土壤表层，所以随着土层深度的增加，土壤中有机碳含量逐渐减小。颗粒及轻组有机碳均属于总有机碳中活性碳一部分，活性碳主要集中于表层，该研究结果与向成华等［6］对川西地区土壤活性有机碳研究结果一致。

（3）不同坡向条件下光、热、水资源分配不同，地形条件支配着水、热资源的分配，影响着土壤的发育程度［12］。水、热资源的分配直接影响土壤中有机物质的矿化和腐殖化过程，从而支配着不同坡向条件下土壤有机碳的分布［12］。由表3可知对于小流域不同坡向而言，土壤总有机碳、颗粒及轻组有机碳均为阳坡＜阴坡。这是由于阳坡光、热资源优于阴坡，而雨水资源劣于阴坡，其土壤中有机碳的矿化作用因此也强于阴坡，有机碳含量较低［13］。在植被覆盖方面，阳坡植被覆盖度小于阴坡植被覆盖度，阴坡较大植被覆盖度也增加了土壤有机碳来源［14］。这些因素促进了阴坡有机碳的积累。因此，在小流域内有机碳含量表现为阳坡＜阴坡。

（4）土壤活性有机碳包括土壤中颗粒及轻组有机碳和其它一些在土壤中易于氧化分解的游离态有机质部分，是最活跃、周转最快、对物理或化学等干扰因素和土地利用变化最敏感的部分含量［14］。颗粒有机碳和轻组有机碳含量变化都依附于总有机碳含量变化，两者变化趋势和总有机碳变化趋势相同，说明颗粒有机碳及轻组有机碳和总有机碳三者在一定程度上具有同源性。

4.2 结论

（1）紫色土小流域水土流失严重，伴随着水土流失的发生，土壤总有机碳及碳组分含量呈现小流域上部＜小流域中部＜小流域下部这一分布特征。说明在该小流域内下部作为上、中部水土流失的一个“汇”其总有机碳及碳组分含量均最高。

（2）由于紫色土区农业耕作活动频繁，坡顶部分因农业耕作活动导致小地形改变减缓了土壤侵蚀强度，使小流域内同一坡面不同坡位土壤总有机碳及碳组分含量均呈现坡脚＞坡顶＞坡中这一分布特征。小流域内不同坡向由于水热等资源分配不同，阴坡和阳坡在土壤总有机碳及碳组分含量上有显著差异，具体表现为阳坡＜阴坡。小流域内不同土层深度土壤总有机碳及碳组分含量均随土层的加深而降低。因此在紫色土区开展退耕还林还草工程，增加坡面植被是减少水土流失，增加土壤碳贮量的有效措施。

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