侵蚀背景下湘中红壤丘陵区土地利用方式对土壤活性有机碳分布特征的影响研究*

李忠武王曙光，陈晓琳，聂小东，张 艳，刘桂平，曾婉昀

(1. 湖南大学 环境科学与工程学院, 湖南 长沙 410082；2. 邵阳市水土保持科学研究所, 湖南 邵阳 422202)

土壤活性有机碳是土壤中移动快、稳定性差、易氧化、矿化，且对植物和土壤微生物活性较高的土壤有机碳组分[1]，也是土壤中最活跃，周转速度最快，对土地利用变化等外来干扰最敏感的组分[2].然而由于研究目的的不同，活性有机碳的定义也千差万别，其表述也有多种，包括易氧化有机碳、水溶性有机碳、微生物量有机碳等，其中易氧化有机碳主要指能够被333 mmol.L-1的KMnO4氧化的有机碳(即活性有机碳)[3]，主要反映土壤有机碳中能被水解和氧化的活性部分，也是本论文中所研究的活性有机碳.虽然土壤活性有机碳只占土壤有机碳总量的较小部分(13%～28%)，但由于其直接参与土壤生物化学转化过程，并能被土壤微生物快速利用和转化，是土壤微生物活动能源和土壤养分的驱动力.因而土壤活性有机碳对土壤碳库平衡和土壤化学、生物化学肥力保持具有重要意义[4].

从20世纪70年代开始的活性有机碳研究，为土壤有机碳研究领域带来了新的活力，并成为有机碳研究的热点.目前，关于土壤活性有机碳的研究多集中在土壤活性有机碳的涵义、测定方法、形态表征及土地利用方式对其影响等方面[5]，其中土地利用方式对土壤活性有机碳的影响是一个非常重要的研究领域.大量的研究表明，土地利用对活性有机碳的影响非常显著，如邱丽萍等的研究表明，不同地类表层土壤中的活性有机碳含量为林地、撂荒未翻耕地>撂荒翻耕地>农用地[6]，M. Martínez-Mena等[7]研究表明，橄榄林小区比一般的森林小区有利于土壤活性有机碳的迁移和富集.李忠武等[8]的研究表明，土地利用方式和土壤有机质之间有着非常密切的关系，且土地利用方式的多样性是土壤有机碳差异的关键.但相关研究多集中在施肥对不同活性有机碳的影响[9]以及特定区域活性有机碳的影响[10-11]，而从土壤侵蚀的角度研究土地利用方式对活性有机碳的影响研究鲜有报道.同时，土壤侵蚀作为影响人类生存和生活的重要环境问题之一，对于包括土壤有机碳在内的土壤环境质量以及土地生产力具有显著的影响[12-14].因此，加强侵蚀条件下土地利用对土壤活性有机碳的影响研究，对于揭示土地利用变化对土壤有机碳库的影响机理有重要的理论和现实意义.

基于以上分析，本研究以湘中红壤丘陵区的典型区域作为研究对象，对5种土地利用方式下坡面侵蚀区和沉积区土壤活性有机碳分布规律进行了研究.研究结果对红壤丘陵区水土保持以及合理选择土地利用方式具有重要意义.

1 研究对象概括和研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于湖南省邵阳市水土保持科学研究所(27°03′N，111°22′E)，距离湖南省邵阳市双清区潭邵高速公路7 km处(图1).该区属于中亚热带季风湿润气候区，年平均气温16.1～17.1°C，无霜期272～304 d，日照时数1 347.3～1 615.3 h，降雨量1 218.5～1 473.5 mm，且大多集中在4～6月，易遇夏秋连旱.区内主要地貌以丘陵和岗地为主，坡度在10°～20°之间.土壤以四纪红土发育的第四纪红壤为主，土层较深厚，土壤质地以砂壤、壤土为主.由于四纪红土成土母质结构疏松，土壤养分含量较低、保水性差以及抗蚀能力低, 不同程度地存在着容易退化的性状缺陷和肥力问题.研究区内水土流失严重，全区存在不同尺度侵蚀面积达到4 195.05 m2[15-16].同时，因立地条件差异，研究区内存在多种土地利用类型，包括林地，坡耕地，果园，撂荒地等.区域植被平均覆盖度为47.2%，尽管植被郁闭度较高，但仍然存在较强土壤侵蚀[17]，这使得包括活性有机碳库在内的土壤碳库受到了极大扰动.

图1 研究区位和样点示意图

1.2 土壤样品采集

实验选取5种存在明显侵蚀特征并具有代表性土地利用类型，包括松林、桔园、荒山、苗圃改、苗圃.选择坡顶有明显坡度，无凹面位置为侵蚀区，在坡麓选择地势低洼或存在明显凹面位置作为沉积区(图1).不同土地利用类型土壤的具体情况见表1.2010年10月中旬在研究区5种土地利用类型上按照0～5 cm，5～10 cm，10～15 cm和15～20 cm 4个土层采集土壤.为减少误差，每个采样点设置3次重复，并采用3个样点的平均值作为其测量值.同时，为了研究不同坡位的分异，每样地分侵蚀和沉积两个部位采集.土样用聚乙烯口袋密封后立即运回实验室，自然风干后，过筛，用于土壤理化性质测定分析.

表1 各样地基本情况表

1.3 测定指标和测定方法

测定指标：全氮、土壤有机碳、活性有机碳.

测定方法：按Lefroy等[18]提出的活性有机碳测定方法进行活性有机碳的测定，具体方法为：秤取过0.25 mm筛的风干土样1.5 g于100 mL离心管中，加入333 mmol/L KMnO425 mL，在温度25 ℃条件下振荡1h，离心5 min(转速2 000 r/min)，取上清液用去离子水按1∶250稀释，然后将稀释液在565 nm比色，重复3次.根据KMnO4浓度的变化求出样品的活性有机碳(氧化过程中1 mmol/L MnO4-消耗0.75 mmol/L或9 mg碳).

土壤有机碳采用K2Cr2O4容量法[19]测定，具体步骤为准确称取土样0.1～0.5 g (视有机碳含量而定)放入干燥的100 mL消煮管中，加K2Cr2O7-H2SO4溶液10 mL(在加入2 mL时摇动试管使土壤分散).倘若有机碳含量超过10%，应加15～20 mL K2Cr2O7-H2SO4溶液.将消煮管放入远红外炉中加热至170 ℃，回流30 min取出.冷却后将内容物用水洗入100～l50 mL三角瓶中，使体积达60～80 mL左右，加入邻啡哕啉指示剂3～5滴用0.2 mol/L(NH4)2SO4·FeSO4·6H2O标准溶液滴定.在测定样品时，同时做空白标定试验.结果计算参见常规分析方法.

土壤全氮采用流动注射分析仪测定.

1.4 数据处理与统计分析

采用Microsoft Excel 2007和Origin 8.0统计分析软件进行数据计算处理及差异显著性检验和相关性分析.数据保留2位有效数字.

2 结果与讨论

2.1 不同土地利用方式下活性有机碳的变化

土壤活性有机碳在土壤剖面上的分布受到土地利用方式的影响.土地利用方式的变化一方面导致进入土壤中肥料和植物残体的数量和性质发生改变，另一方面引起土壤水分管理、耕作方式等管理措施的差异，由此影响和改变了土壤中各种物质的含量[1].

本研究的结果表明，不同土地利用方式下活性有机碳含量有很大的差异，特别在表层，但随着土壤深度的增加，其差异在逐渐减少(图2).由图2可以看出，不同土地利用方式间表层土壤活性有机碳含量差异较大，表现为苗圃的活性有机碳含量最低，仅为2.56 g/kg，是最高值苗圃改的36.63%.同时，表层土壤活性有机碳在不同土地利用方式下的差异排序分别表现为苗圃<松林<荒山<桔园<苗圃改.总的来说，苗圃改、荒山和桔园的活性有机碳含量均高于其他类型.基于这一规律，研究认为苗圃地类土壤活性有机碳含量远低于其他地类的原因在于苗圃的土壤由于植被的经常性移植，使得土壤团聚体结构受到破坏，在土壤侵蚀(水力侵蚀)的作用下，使得土壤有机碳大量流失，也加快了土壤有机碳的分解，因此活性有机碳含量偏低.桔园受人为施肥的影响，其土壤活性有机碳含量偏高；荒山和苗圃改2种地类由于有草本植被以及枯枝落叶的覆盖，侵蚀强度相对较弱，有机碳含量相对较高.松林的森林覆盖率达到了90%，但有机碳含量却偏低于桔园、荒山和苗圃改3种地类，有研究认为松林的凋落物腐烂后，使得土壤呈现酸性特征，不利于草本和灌木植物的生长，林下植被稀少，土壤侵蚀速率相对较大，这使得松林有机碳含量偏低[20].

同时，从图2中也可以看出，随着土壤深度的增加，不同土地利用类型之间活性有机碳的差异逐渐减小.在0～5 cm土层，各地类之间的活性有机碳含量差异比较显著，特别是苗圃和其他4种地类之间，但到15～20 cm土层，各地类的活性有机碳含量差异已经显著减少，分别为1.26 g/kg，1.50 g/kg，1.38 g/kg，1.76 g/kg和1.22 g/kg.统计分析结果表明，5个地类之间没有显著性差异，但是苗圃<松林<荒山<桔园<苗圃改的趋势仍然保持不变.以上研究结果表明，由于土壤活性有机碳表聚性的影响，土地利用方式对土壤活性有机碳的影响规律主要集中在表层，随着土壤深度的增加，尽管各土地利用之间仍然有一定差别，但是其差异性已经不显著.这一研究结果与邱丽萍等[6]的研究结果基本一致.

土层深度/cm

2.2 土地利用方式对不同侵蚀部位土壤活性有机碳的影响

从普遍意义上来说，坡面的上坡部位为侵蚀区，下坡部位是沉积区，土壤及其养分具有从侵蚀部位迁移到沉积区的趋势，导致不同坡位间土壤碳存在显著差异[21-22].但不同地类间植被种类的不同，一方面通过对土壤理化性质的影响而改变了土壤抗蚀性，另一方面植被与土壤活性碳之间的互动使活性有机碳含量存在差异.这使得不同地类不同侵蚀部位的活性有机碳含量差异明显(图3，图4).在侵蚀部位，5种土地利用方式下表层土壤(0～5 cm)活性有机碳含量变化趋势为：荒山>苗圃改>桔园>松林>苗圃.苗圃和松林地类中活性有机碳明显低于其他三种地类.由于在自然状态下，松林枯枝落叶层较厚，草本植物难以生长，且植被覆盖度较低，土壤侵蚀较严重；而苗圃中的土壤受到长期扰动，导致土壤疏松，抗蚀性显著降低，导致这两个地类中活性有机碳含量偏低.同时，土壤活性有机碳随着土壤深度的加深而降低，且相对于表层，深层土壤(5～20 cm)中活性有机碳含量差异不显著.

活性有机碳与有机碳含量的比例能够反映土壤表层植被对土壤碳行为的后果[23]，也更能反映出土壤的质量特征.表2中包含各样地侵蚀部位活性有机碳与有机碳含量的比例，结果表明二者之间的比例在不同土地利用方式之间有一定的差异，表现为松林、桔园、荒山和苗圃改显著高于苗圃，如前4种地类下土壤表层的活性有机碳与有机碳含量的比例均在0.3以上，但苗圃的两者比例仅为0.23.不同土壤深度对活性有机碳与有机碳含量的比例也有一定的影响，但不显著，也无明显规律可循，例如荒山，0～5 cm层和5～10 cm层，10～15 cm层，15～20 cm层活性有机碳占有机碳的比例分别为：38%，34%，30%和30%，表现为差异不显著.

土层深度/cm

土层深度/cm

在沉积部位，不同地类之间活性有机碳的分布体现出与侵蚀部位类似的规律，即不同地类之间表层土壤活性有机碳含量表现为松林、桔园、荒山和苗圃改显著高于苗圃地的2.49 g/kg(图4)，其中以桔园的活性有机碳含量最高，达到6.75 g/kg，是苗圃的271%；同样，在垂向规律上也表现为随着土壤深度的增加，土壤活性有机碳含量逐渐减低，不同地类间的差异逐渐缩小，到15～20 cm土层，5个地类间的活性有机碳含量变化在1.81～1.21 g/kg之间，差异已经很小，且在各土层中苗圃的土壤活性有机碳含量始终最低，这表明人类活动(树苗定期移植)带来的人为侵蚀是影响土壤活性有机碳的关键所在.

沉积部位和侵蚀部位是由不同地貌部位经过长期侵蚀和堆积而形成，因此，理论上来说侵蚀部位的活性有机碳含量要低于沉积部位.分析结果表明(图4)，松林和桔园沉积部位的表层(0～5 cm)土壤活性有机碳含量普遍高于侵蚀部位，这主要是由于土壤受到雨水的冲刷使土壤粘粒在沉积部位富集，因此土壤沉积部位的粘粒含量高于侵蚀部位，也影响了活性有机碳的含量.其中，松林0～5 cm土层中，沉积部位的活性有机碳含量是松林侵蚀部位的2.12倍，差异显著.但是，对于荒山、苗圃改和苗圃来说则表现为侵蚀部位表层活性有机碳含量高于沉积部位，其中荒山可能是由于地表草本的高覆盖度使得随径流和泥沙流失的活性有机碳含量很少，从而导致出现沉积部位的活性有机碳含量略低于侵蚀部位的现象.而对于苗圃改和苗圃来说，该现象更加显著，其原因可能还是与沉积部位经常性苗木移植带来的人为扰动有很大关系.这也进一步表明人类活动强度对活性有机碳含量的影响比较显著.

由表2可知，沉积部位活性有机碳与有机碳的比例变化规律与侵蚀部位类似，即不同地类间表现为苗圃最低，0～20 cm土层的平均值为0.18，其他四种地类均在0.23以上，其中荒山的均值最高，达到了0.35，这也与荒山的高覆盖度草本有密切关系.该比例的分布关系在土层间和侵蚀部位有一定差异，主要表现为随着土层深度的增加，活性有机碳与有机碳的比值有逐步降低的趋势，如松林侵蚀部位的表层(0～5 cm)为0.35，底层(15～20 cm)则降低到0.24.这可能是因为沉积部位泥沙的逐层沉积，使得上部活性有机碳组分在有机碳中的比例更高.表层土壤活性有机碳与有机碳的比例在不同地类的沉积部位和侵蚀部位间基本一致，没有显著差异(表2)，如松林侵蚀部位和沉积部位的比值一致，均为0.35.

表2 侵蚀区和沉积区土壤活性有机碳与有机碳含量比例

2.3 相关性分析

为进一步探讨活性有机碳与相关因素之间的关系，本研究对活性有机碳与总有机碳、全氮的关系进行了相关分析.结果表明，活性有机碳与有机碳显著相关，相关系数达到0.890**(表3)，这表明，活性有机碳既区别于有机碳又与有机碳紧密相连，它们是土壤有机碳的一部分.

表3 活性有机碳、有机碳及全氮之间相关系数

同时，相关分析也发现全氮与活性有机碳及有机碳之间也具有显著的相关性，其中有机碳与全氮的相关性最高(r=0.913，P<0.01)，活性有机碳次之(r=0.848，P<0.01)，这进一步表明土壤活性有机碳、土壤有机碳与土壤氮之间具有良好的一致性.而土壤有机碳和土壤氮作为植物的主要养分，与地表植被又存在紧密联系[24].因此，不同土地利用方式下的植被生长与土壤活性有机碳存在直接或间接的联系.特别是在侵蚀作用下，植被通过根系活动以及返回耕层的枯枝落叶极大地影响了土壤活性有机碳的分布.这也再次表明土地利用方式对表层土壤活性有机碳存在较大影响.

3 结 语

采用室外采样与室内分析相结合的方法对侵蚀背景下湘中红壤丘陵区土地利用方式与土壤活性有机碳的关系进行研究与分析，结果表明：

1)土地利用方式影响土壤活性有机碳主要体现在表层土壤.不同土地利用方式下表层土壤活性有机碳含量差异显著，而在表层以下的土壤中没有显著性差异.

2)不同土地利用方式之间活性有机碳的垂向分布规律基本一致，表现为表层含量最高，但是随着土层深度的增加，活性有机碳含量逐渐减小.

3)土地利用方式对不同侵蚀部位活性有机碳影响较大.不同土地利用方式下侵蚀部位土壤活性有机碳含量差异性明显高于沉积部位.

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