喀斯特山区土地利用对土壤团聚体有机碳和活性有机碳特征的影响

2013-05-14廖洪凯陈彩云

生态学报 2013年7期

李娟，廖洪凯，龙健，* ，陈彩云

(1.贵州师范大学地理与环境科学学院，贵阳 550001;2.贵州师范大学贵州省山地环境重点实验室，贵阳 550001)

土壤有机碳是岩溶系统中碳转移的动力学媒介，是岩溶系统中碳流通的主要途径，常被用来选作土壤质量评价的指标，用来综合反映土壤的生产、环境和健康功能［1-2］。土壤活性有机碳是指在一定时空下受植物、微生物影响强烈、具有一定溶解性，且在土壤中移动较快、不稳定、易氧化、易分解、易矿化，其形态和空间位置对植物和微生物有较高活性的那部分土壤碳素［3］。虽然它占土壤有机碳比例较小，但由于它直接参与土壤生物化学转化过程，并可在土壤全碳变化之前反映土壤有机碳微小变化［4-5］。因而，它对于维持土壤肥力及土壤碳贮量变化方面具有重要现实意义。目前，许多研究者以土地利用方式为切入点，对喀斯特地区土壤有机碳和活性有机碳进行研究，表明不同土地利用方式对土壤有机碳和活性有机碳产生了明显的影响［6-7］。然而，这些研究大多只关注全土，相对忽视了团聚体对土壤有机碳特别是对活性有机碳分布的影响。

团聚体是土壤结构的基本单元，也是微生物活动的主要场所，土壤物质和能量的循环也主要发生在团聚体内，而且团聚体的形成作用也被认为是土壤碳固定的最重要机制［8-9］。毛艳玲等［10］对红壤地区土壤团聚体有机碳含量与贮量进行研究，认为＞2 mm和0.5—2 mm粒级团聚体对土壤总有机碳含量的增加贡献最为突出。谭文峰等［11］研究了江汉平原不同利用方式下土壤团聚体有机碳的分布特征，发现土壤有机碳含量的峰值均出现在200—2000 μm团聚体中。华娟等［12］对云雾山草原区植被恢复过程中土壤团聚体活性有机碳进行研究，表明0.5—0.25 mm粒级团聚体中有机碳含量最高，微团聚体(＜0.25 mm)中活性有机碳含量最低。喀斯特地区是典型的生态脆弱区，环境容量小，抗干扰能力差，加之近年来劳动力的大量转移，大量耕地被闲置或弃耕，或改种易于管理的花椒等水土保持植被，势必对土壤有机碳和活性有机碳的分布产生重要影响。根据目前的资料，有关喀斯特地区不同土地利用方式下土壤团聚体有机碳和活性有机碳的研究还鲜有报道。其主要的科学问题在于:(1)喀斯特山区土地利用方式对土壤团聚体有机碳和活性有机碳的分布有何影响，不同土地利用方式间有何异同;(2)不同粒级团聚体对土壤有机碳和活性有机碳的累积有何差异，哪些粒级团聚体对土壤有机碳和活性有机碳累积贡献较大。基于此，以贵州省西南部关岭县花江喀斯特小流域为研究区域，探讨不同土地利用方式对土壤团聚体有机碳和活性有机碳的影响特征，旨为研究喀斯特山区土壤固碳特征及碳库的保护提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区域位于贵州省安顺地区关岭县花江干热河谷小流域内(北纬25°38.988'—25°41.322'，东经105°38.031'—106°40.505')，海拔在500—800 m间，该地区碳酸岩盐广布，河谷深切，地下水深埋，热量丰沛，降水分布极其不均，5—10月降水量达全年降水量的83%，气候垂直变异明显，海拔850 m以下为南亚热带干热河谷气候，900 m以上为中亚热带河谷气候。调查区域内成土母岩以白云质灰岩、泥质灰岩为主，土壤类型多以黑色石灰土和棕黄色石灰土为主。植被乔-灌-草层次明显，乔木林主要生长有香椿(Toona sinensis)、圆果化香(Platycarya longipes)、核桃(Juglans regia)和小叶榕(Ficus concina);灌木林中主要以花椒(Zanthoxylum bungeanum)为主;草丛以芒草(Miscanthus sinensis)、野古草(Arundinella hirta)等为主要优势种。根据研究区域植被及土地利用方式特征，本研究选取了火龙果园、草丛、花椒林、乔木林和灌草丛共计5种土地利用方式为研究对象，各样地基本信息见表1。

表1 喀斯特生态系统不同土地利用方式基本特征Table 1 Basic characteristics of different land use patterns in Karst ecosystems

1.2 样品采集与处理

2010年12月下旬在每种土地利用方式中设置3个重复样地，每个样地按“S”形选取5—7个样点，采样时，先将土体表面枯枝落叶除掉，取样深度在0—20 cm间，混合制成一个土壤样品。土样带回实验室后，将土壤剥成直径为1 cm左右的小土块，挑除可见的小石砾及动植物残体，室内风干，混匀后，一部分(保持原样)进行团聚体分级，另一部分研磨过100目尼龙筛，备用。

1.3 测定方法

土壤团聚体分级采用干筛法［13］，具体方法如下:把孔径分别为5、2、1、0.5 mm和0.25 mm的5个系列土筛由上至下套合，放置在一无孔的底盘上，称一定量的风干土于最上面的土筛中，加盖后用人工手筛方法把风干土壤分为6个粒组，即＞5 mm、5—2 mm、2—1 mm、1—0.5 mm、0.5—0.25 mm和＜0.25 mm。经筛分的各类团聚体分别称量计重，研磨过100目尼龙筛，用于土壤有机碳和活性有机碳的测定。

土壤有机碳测定采用重铬酸钾—外加热法进行测定。土壤活性有机碳的测定采用高猛酸钾氧化法测定，具体步骤如下:称取约含15 mg碳的土壤样品于100 mL的离心管中，加入333 mmol/L高猛酸钾溶液25mL，振荡1 h，然后以4000 r/min离心5 min，取上清液用去离子水按1∶250稀释，将稀释液在565 nm波长处进行比色，根据高猛酸钾的消耗量，可计算出土壤活性有机碳含量［3，14］。

1.4 结果计算与统计分析

式中，团聚体中养分含量为团聚体中有机碳或活性有机碳含量。

试验数据应用Excel 2003和DPS 6.55软件进行处理，显著性检验用LSD法进行分析。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用方式下土壤团聚体组成特征

由表2可以看出，不同土地利用方式下团聚体组成差异明显，但各土地利用方式下均以＜0.25 mm团聚体含量为最低，变幅在1.77%—5.58%间，0.5—0.25 mm次之，变幅在2.72%—11.85%间。灌草丛和火龙果园以＞5 mm团聚体为主，尤其以灌草丛团聚体含量最高，可达54.43%，并显著高于其余粒径团聚体(P＜0.05);乔木林以5—2 mm和＞5 mm团聚体含量为主;草丛以1—0.5 mm团聚体为主，为25.77%，但与5—2 mm和2—1 mm团聚体未达显著差异水平(P＞0.05)。在同一粒径下，灌草丛＞5 mm团聚体高出其它土地利用方式62%—285%，差异显著(P＜0.05);乔木林、火龙果园和花椒林5—2 mm团聚体含量较高，变化范围在29.20%—30.77%间，以草丛最低;2—1 mm团聚体含量以草丛最高，花椒林次之，灌草丛最低;1—0.5 mm以草丛最高，花椒林次之，灌丛草在最低;0.5—0.25 mm团聚体含量以草丛最高，乔木林次之，灌草丛最低;＜0.25 mm团聚体以草丛最高，灌草丛次之，火龙果园最低。

表2 不同土地利用方式下土壤团聚体组成特征Table 2 Distribution of soil aggregates under different land use patterns/%

2.2 不同土地利用方式下团聚体有机碳和活性有机碳分布特性

由图1可以看出，各土地利用方式下全土有机碳和活性有机碳含量差异明显，其中土壤有机碳含量按乔木林、花椒林、火龙果园、灌草丛和草丛的顺序依次较低，土壤活性有机碳含量按乔木林、火龙果园、花椒林、草丛、灌草丛顺序依次降低;且乔木林土壤有机碳和活性有机碳含量均显著高于后4种土地利用方式(P＜0.05)，而后4种土地利用方式间均未达显著差异水平(P＞0.05)。与全土有机碳相似，各粒级团聚体有机碳含量和活性有机碳含量也表现出乔木林最高，火龙果园和花椒林居中，草丛和灌草丛相对较低的特征，这表明全土有机碳和活性有机碳含量在很大程度上影响各粒级团聚体有机碳及活性有机碳的含量分布。随团聚体粒径的减小，乔木林、火龙果园和灌草丛有机碳在＜0.25 mm团聚体达到峰值;草丛和火龙果园在1—0.5 mm团聚体达到最大;随团聚体粒径的降低，团聚体活性有机碳呈明显的“W”型分布，以2—1 mm和0.5—0.25 mm团聚体含量相对较低，并在＜0.25 mm团聚体含量达到最高(除草丛和花椒林外)。

2.3 土壤总有机碳与团聚体各粒径有机碳的相互关系

图2反映了土壤总有机碳与各粒径团聚体在单位土壤中有机碳含量均值的相关关系。随土壤总有机碳含量增加，各粒径团聚体土壤有机碳含量总体呈增加趋势，且土壤总有机碳与团聚体有机碳表现出正相关关系。其中5—2 mm粒径团聚体有机碳与总有机碳达极显著正相关(P＜0.01)，R2值高达0.9484;2—1 mm粒径团聚体有机碳与总有机碳呈显著相关(P＜0.05)，R2值为0.8193;而＞5 mm、1—0.5 mm、0.5—0.25 mm、＜0.25 mm粒径团聚体有机碳与总有机碳未达显著水平(P＞0.05)。

图1 不同土地利用方式下各粒级团聚体有机碳和活性有机碳含量Fig.1 Content of organic carbon and labile organic carbon in each sizes aggregates under different land use patterns

图2 土壤各粒径团聚体有机碳与总有机碳的相互关系Fig.2 Relationship between organic carbon and total soil organic carbon in soil aggregates

2.4 土壤总活性有机碳与团聚体各粒径活性有机碳的相互关系

图3显示了土壤总活性有机碳与各粒径团聚体在单位土壤中活性有机碳含量均值的相关关系。随土壤总活性有机碳含量增加，各粒径团聚体土壤活性有机碳含量总体呈增加趋势，且土壤总活性有机碳与团聚体总活性有机碳表现出一定的正相关关系，其中5—2 mm和2—1 mm团聚体活性有机碳含量与总活性有机碳含量达极显著正相关(P＜0.01)，R2值分别可高达0.9838和0.9542;＜0.25 mm团聚体活性有机碳含量与总活性有机碳含量呈显著正相关(P＜0.05)，R2值为0.8662;而＞5 mm、1—0.5 mm和0.5—0.25 mm团聚体活性有机碳含量与总活性有机碳含量未达显著水平(P＞0.05)。

图3 土壤各粒径团聚体活性有机碳与总活性有机碳的相互关系Fig.3 Relationship between labile organic carbon and total soil labile organic carbon in soil aggregates

2.5 团聚体对土壤有机碳和活性有机碳的贡献率

由表3和表4可以看出，不同土地利用方式下各粒级团聚体对土壤有机碳和活性有机碳的贡献率表现出一定差异，其中火龙果园和灌草丛以＞5 mm团聚体对土壤有机碳和活性有机碳达到最大，花椒林和乔木林以5—2 mm达到最大，草丛以1—0.5 mm达到最大。不同土地利用方式下，各粒级团聚体对土壤有机碳和活性有机碳的贡献率的最低值基本出现在＜0.25 mm团聚体，0.5—0.25 mm次之，并且这两个粒级团聚体对土壤有机碳和活性有机碳的贡献率总和不足10%(草丛有机碳除外)，这表明＞0.5 mm的大团聚体是土壤有机碳和活性有机碳主要贡献载体。

表3 土壤各级别团聚体对土壤有机碳含量的贡献率Table 3 Contribution rates of different aggregate fractions to soil organic carbon content/%

表4 土壤各级别团聚体对土壤活性有机碳含量的贡献率Table 4 Contribution rates of different aggregate fractions to soil labile organic carbon content/%

2.6 团聚体有机碳与团聚体活性有机碳的相互关系

由图4可以看出，土壤团聚体活性有机碳含量与团聚体有机碳含量呈极显著正相关(P＜0.01)，相关系数达0.8768，这表明团聚体活性有机碳含量的增加有赖于团聚体有机碳含量的增加。

图4 土壤团聚体有机碳与团聚体活性有机碳的相关关系Fig.4 Relationship between organic carbon and labile organic carbon in soil aggregates

3 结果与讨论

3.1 不同土地利用方式对团聚体分布的影响

土壤团聚体的形成是一个复杂的物理、化学、生物学及生物化学过程，其详细的机理目前还不完全清楚［8］，但现已明确土地利用方式对土壤团聚体组成具有重要影响。本研究显示，不同土地利用方式下团聚体均以0.5—0.25 mm和＜0.25 mm含量最低，这两个粒径之和占团聚体总量不足10%(草丛除外)，表明大团聚体(＞0.5 mm)是该区域团聚体存正的主要形式，这与魏亚伟等［15］对桂西北喀斯特山区的研究结果基本一致。毛艳玲等［10］通过湿筛分离的方法发现，福建低山丘陵地带林地开垦为农业用地后，＞2 mm大团聚体数量明显下降，＜0.25 mm团聚体含量显著上升，章明奎等［13］对美国佛罗里达州St.lucie地区的研究也表明，林地开垦为农业用地后，大粒径团聚体向小粒级团聚体转化。而本研究结果中，与乔木林地相比，种植火龙果和花椒并未使大团聚体明显损失，相反，火龙果园较乔木林＞2 mm团聚体含量增加了10.59%。可见，不同地区由于土壤管理和区域环境等因素的差异，导致团聚体机械组成、内部有机物质和菌丝胶结状况不同［16］，可能是造成林地开垦为农业用地后，大团聚体含量变化差异的重要原因。此外，灌草丛＞5 mm团聚体含量明显高于其它各土地利用方式，并为草丛的3倍以上。这可能与植被的种类或结构有关，Tisdall［17］和Oades等［18］认为大团聚体是由微团聚体形成后在根系和菌丝的缠绕作用下形成，灌-草搭配的植被层次可能更有利用＞5 mm团聚体的形成。

3.2 不同土地利用方式对团聚体有机碳和活性有机碳分布的影响

赵世伟等［19］对黄土高原土壤团聚体有机碳的研究显示，土壤团聚体有机碳含量随着团聚体粒径的增加而增加。李恋卿等［20］研究发现，退化红壤地区有机碳在团聚体中呈“V”形分布，＜0.002 mm和＞2 mm团聚体中有机碳含量均较高。不同土地利用方式由于有机物料的输入和输出差异，导致了其土壤物理性状和微生物活性不同，从而对土壤有机碳在各粒径团聚体分布产生影响［21］。在本研究中，除草丛和花椒林外，乔木林、火龙果园和灌草丛＜0.25 mm团聚体有机碳较其它粒径分别增加了14.27%—32.64%、14.41%—35.25%和20.66%—63.74%。这符合有机碳输入优先向小粒级团聚体积累的层次理论［22］，并与前人在喀斯特地区的研究保持一致［21］。目前，对喀斯特山区土壤活性有机碳的研究大多关注全土，对团聚体活性有机碳的研究还相对匮乏，由于团聚体内部的活性有机碳受团聚体物理的保护而隔离了微生物活动，其稳定性可能有所提高［23］，加之不同团聚体对土壤碳素的保护能力差异［24］，可能对土壤碳汇功能产生重要影响。本研究结果表明，随团聚体粒径的降低，各土地利用方式下团聚体活性有机碳呈现“W”形分布，以2—1 mm和0.5—0.25 mm团聚体最低，表明该两粒级团聚体对活性有机碳的固定能力相对较弱，活性有机碳易矿化分解或转移至下一粒级中，与土壤有机碳相似，土壤活性有机碳最终以＜0.25 mm团聚体达到最高(草丛和花椒林除外)。由此可见，喀斯特山区＜0.25 mm团聚体具有一定的碳汇效应，Oades等［18］认为＜0.25 mm团聚体的核心是植物碎屑，含有更多的土壤有机质。Six等［25］也认为有机碳在微团聚体中能够稳定较长时间而获得累积。然而，由于＜0.25 mm团聚体占总团聚体比例十分低下，导致其对土壤有机碳和活性有机碳的贡献率却分别不足6%和4%。

3.3 不同粒级团聚体对有机碳和活性有机碳累积的影响

对团聚体单位土壤有机碳和活性有机碳的研究显示，不同土地利用方式下5—2 mm和2—1 mm团聚体中有机碳与土壤总有机碳的关系较为密切，相关系数分别可达0.9739和0.9052，表明土壤总有机碳的积累主要受到5—2 mm和2—1 mm团聚体中有机碳含量增加的影响;5—2 mm、2—1 mm和＜0.25 mm团聚中活性有机碳与土壤总活性有机碳的关系密切，相关系数分别可达0.9919、0.9768和0.9307。由此可见，土壤总活性有机碳含量的增加主要受到5—2 mm、2—1 mm和＜0.25 mm团聚体中活性有机碳增加的影响。谭文峰等［11］研究认为可以将2—20 μm团聚体作为江汉平原土壤有机碳固定的特征团聚体，孙天聪等［26］研究表明在黄土高原地区5—2 mm团聚体是土壤养分的主要载体。本研究结果表明，土壤总有机碳和总活性有机碳的累积均依赖于5—1 mm团聚体中有机碳和活性有机碳的增加，且不同土地利用方式下，该粒级团聚体对有机碳和活性有机碳的贡献率分别为28.70%—49.47%和34.13%—47.47%。可见，5—1 mm团聚体是喀斯特山区的土壤有机碳和活性有机碳的获得累积的关键团聚体。另外，土壤团聚体有机碳与土壤团聚体活性有机碳含量的相关系数可达0.8768，二者呈极显著正相关，与大多数研究结果保持一致［12，27］，表明团聚体活性有机碳可以作为判断喀斯特山区团聚体有机碳变化的敏感性指示因子。因此，加强对团聚体活性有机碳的研究，对于进一步了解喀斯特山区土壤碳素转化及其稳定性可能大有裨益。

4 结论

(1)不同土地利用方式下，乔木林全土和各粒径团聚体中有机碳和活性有机碳含量最高，而人工种植的火龙果和花椒林全土和各粒径团聚体中有机碳和活性有机碳含量总体要高于草从和灌草丛，表明种植火龙果和花椒对土壤有机碳库具有一定的改善作用。因此，在喀斯特山区应加强对林地资源的管理和保护，农业生产过程中可优先考虑种植火龙果和花椒。

(2)不同土地利用方式下，尽管＜0.25 mm团聚体中有机碳和活性有机碳表现出较高的含量水平，但该团聚体所占比例很小，对土壤有机碳和活性有机碳贡献率低下，而5—1 mm团聚体表现出利于土壤有机碳和活性有机碳积累、贡献率高的特征，故可将粒径为5—1 mm团聚体作为喀斯特山区土壤有机碳固定的特征团聚体。

(3)土壤团聚体活性有机碳与团聚体有机碳关系密切，表明利用团聚体活性有机碳作为判断喀斯特山区团聚体有机碳变化的敏感性指示因子是可行的。

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