退耕还林类型对黑土表层土壤活性有机碳分布特征的影响1)

杨小燕韩少杰陈祥伟( 东北林业大学，哈尔滨， 150040)

土壤有机碳作为植物-土壤系统的重要组成部分，不仅对改善土壤养分状况、维系植物生长以及土壤耕性的改良方面起着巨大的作用［1］，而且是定量反映土壤结构、土壤可蚀性以及土壤质量演变的重要指标［2-3］。气候变化、土地利用及土壤管理措施等，虽然会不同程度地引起土壤有机碳的变化［4］，但这种变化是长期影响的结果，在短时间内因变化幅度小而难以量化表达［5］。因此，仅通过土壤有机碳含量的测定，不能及时、准确地定量分析因土壤管理措施的改变而引起土壤总有机碳短期内的变化。相对土壤总有机碳，土壤活性有机碳，如颗粒有机碳［6］、热水浸提有机碳［7］、轻组有机碳［8］、易氧化有机碳［9］等组分，不仅是土壤微生物活动的能源和土壤养分的驱动力，并能直接参与土壤生物化学过程;而且对土地利用变化及植被恢复等的响应更为敏感，常被用来表征土壤有机碳的早期变化［10］。与此同时，许多学者基于易氧化有机碳的指标而提出的碳库管理指数，是土壤活性有机碳变化的敏感指标，同样能够反映土壤管理措施影响土壤碳库的程度［9，11］。

东北黑土区由于植被的破坏以及长期不合理的耕作，导致水土流失加剧、土壤质量衰退严重，黑土土壤平均有机质质量分数由开垦前的14．6%下降至4．7%［12］。在国家退耕还林工程启动之前，东北黑土区已经开展了较大面积的退耕还林，对改善区域生态环境、恢复黑土质量起到了重要作用［13］。已有研究发现，退耕还林对土壤有机碳质量分数的影响，表现为显著增加、没有变化或降低的趋势，其结论不尽一致［14］。尤其在研究内容上主要关注土壤总有机碳的变化，而对土地利用变化更为敏感的活性有机碳的研究较少。为此，本研究以东北典型黑土区不同退耕还林类型林地土壤为研究对象，对比分析不同退耕还林类型之间林地土壤活性有机碳组分的差异，旨在探讨退耕还林对土壤活性有机碳分布特征的影响，以期为科学评价黑土区退耕还林工程的生态效益提供参考。

1 材料与方法

1．1 土壤样品的采集与制备

研究地区位于黑龙江省克山县境内的克山农场(48°12′～48°23′N，125°8′～125°37′E)。在26 连队，选择立地条件相似的落叶松(Larix gmelini)林、樟子松(Pinus sylvestris var． mongolica)林、水曲柳(Fraxinus mandshurica)林、美青杨(Populus nigra var． italica×P． cathayan)林4 种退耕还林类型，并以弃耕自然恢复地(撂荒地)为对照(见表1)，分别设置20 m×20 m 的临时标准地各3 块。于2012 年10月份在设置的临时样地内按照“S”型5 点取样法采集0 ～10 cm 新鲜土样，除去石块、植物根系等杂质后等量混合。将土样分为2 份，1 份置于冰箱中4℃保存，以供土壤热水浸提有机碳的测定;1 份风干后过筛，以供测定颗粒有机碳、易氧化有机碳、土壤基本理化性质。

表1 样地林分特征、土壤基本理化性质

1．2 指标及测定方法

土壤总有机碳(TOC)，采用元素分析仪(Multi EA400)测定;热水浸提有机碳(HWOC)，采用J． B．Zhang et al［7］的方法浸提;颗粒有机碳(POC，粒径＞53 μm)，采用C． A． Camberdella et al［15］的方法测定;易氧化有机碳(ROC)，采用F． C． B． Vieira et al［9］的方法测定。土壤密度，采用环刀法测定;土壤pH 值，用水浸提(m(水)∶m(土)= 2．5 ∶1．0)电位法测定;全磷，采用硫酸-高氯酸消解钼锑抗比色法测定;土壤速效磷，采用氟化铵-盐酸浸提钼锑抗比色法测定;全氮，采用半微量凯氏定氮仪测定;碱解氮，采用碱解-扩散法测定［16］。每个指标重复3 次。

1．3 指标计算及分析方法

土壤碳库管理指数，采用F． C． B． Vieira et al 的方法计算［9］:

碳库管理指数(Icm)=(碳库指数×碳库活度指数)×100;

碳库指数(Icp)=样地土壤有机碳质量分数/参考土壤有机碳质量分数;

碳库活度指数(IL)=样地土壤碳库活度/参考土壤碳库活度;

碳库活度(L)=活性有机碳质量分数/非活性有机碳质量分数。

其中:以撂荒地土壤作为对照土壤，其Icm定义为100。活性有机碳质量分数为采用F． C． B． Vieira et al［9］的方法得到的易氧化有机碳(ROC)的质量分数，非活性有机碳质量分数为土壤总有机碳与活性有机碳质量分数之差。

采用Microsoft Excel 2003 软件对数据进行处理;运用SPSS 13．0 统计分析软件，通过单因素方差分析LSD-t 法对数据进行差异性检验，对各有机碳参数等进行Pearson 相关分析。

2 结果与分析

2．1 退耕还林对土壤有机碳质量分数的影响

土壤有机碳是土壤养分的主要来源，其数量和质量可用于评价土壤潜在生产力［17］。与撂荒地相比(见表2)，4 种退耕还林地均能显著提高土壤总有机碳质量分数(p＜0．05)，增强碳储存能力。这是因为退耕还林后，植被每年大量的凋落物和死亡根系对养分的归还，即增加了外源有机物质的输入，从而显著提高土壤有机碳量，这与许多学者的研究结果相似［14，18-19］。本研究仅仅探讨了退耕还林后45 a左右林分的土壤活性有机碳的变化结果，并未考虑退耕还林过程中土壤有机碳的动态变化规律。事实上，随着退耕还林地植被的不同生长发育阶段，林分环境会发生不同程度的变化，林地土壤有机碳库及其组分也会发生改变，其变化规律有待于进一步探讨。

表2 土壤活性有机碳质量分数及其分配比例

不同退耕还林类型，因林分建群种的不同，其根系分泌物的种类、数量和性质也不同，进而导致土壤有机碳量的差异［19］。黑土区退耕还林地土壤有机碳质量分数的提高程度，以水曲柳林、美青杨林的增加幅度较大，分别达到31．06%、34．97%，且均显著高于落叶松林、樟子松林(p＜0．05)。这主要是由于阔叶林植被凋落物的数量大、分解速率高，致使养分归还量明显高于针叶林［20］。

土壤活性有机碳的分配比例，是指土壤活性有机碳质量分数占土壤总有机碳的比例。与活性有机碳质量分数相比，活性有机碳的分配比例更有利于揭示植被覆盖对土壤碳行为的影响，进而直观地表征该活性有机碳组分在土壤中的活性大小和土壤有机碳的质量［8］。测定结果表明:黑土区退耕还林地土壤HWOC、POC、ROC 占土壤总有机碳比例的变化范围，分别为3．52%～4．30%、17．40%～27．47%、11．03%～12．34%(见表2)。这与许多学者对土壤活性有机碳分配比例变化范围的研究结论相吻合［9，23-24］。

从表2 还可以看出，不同活性有机碳组分的分配比例对土壤管理措施的响应，表现出一定的差异。与撂荒地相比，除樟子松林土壤热水浸提有机碳外，4 种退耕还林地均显著提高了土壤活性有机碳组分占土壤总有机碳的比例(p＜0．05)，并且均表现出美青杨林土壤各活性有机碳组分的分配比例提高幅度最大，其热水浸提有机碳、颗粒有机碳、易氧化有机碳的分配比例增幅分别为38．20%、95．37%、11．04%。

2．2 退耕还林对土壤活性有机碳组分的影响

土壤有机碳是一种稳定而长效的碳源物质，其短暂波动主要发生在活性较高且易分解的部分。黑土区不同退耕还林地，比撂荒地均显著提高了不同活性有机碳组分(p＜0．05)。出现这种现象的原因:一方面，退耕还林所构建的森林生态系统中，归还至土壤中的植物残体和腐殖质较多，可被利用的碳源较充分，且土壤微生物群落碳代谢多样性较高［21］，有机质更新和活化能力较强。另一方面，由于土壤活性有机碳主要分布在土壤大团聚体中，与土壤黏粒和粉粒百分比呈显著负相关［22］;退耕还林后，富含碳的土壤团聚体数量和稳定性都得以提高，粉粒和黏粒比例降低，土壤非活性有机碳的富集程度降低，进而导致活性有机碳量增加。

研究还表明，不同退耕还林地土壤活性有机碳的提高幅度以美青杨林最大，其土壤热水浸提有机碳、颗粒有机碳、易氧化有机碳质量分数分别较撂荒地增加了87．41%、165．05%、49．97%。此外，土壤活性有机碳组分中以土壤颗粒有机碳质量分数最高，变化幅度最大，其变化范围为4．77 ～12．66 g·kg-1;易氧化有机碳质量分数次之;热水浸提有机碳质量分数相对较低。

2．3 退耕还林对土壤碳库管理指数的影响

土壤碳库活度和碳库活度指数，可以用于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，质量也越高［9］。测定结果表明:4 种退耕还林地均显著提高了土壤碳库活度和碳库活度指数(p＜0．05)，表现出阔叶林的提高幅度大于针叶林，并以水曲柳林的提高幅度最大，土壤碳库活度和碳库活度指数分别比撂荒地相对提高了13．63%、14．00%。

表3 不同退耕还林地土壤碳库管理指数比较

土壤碳库指数和碳库管理指数是系统的、敏感的反映管理措施对土壤碳库动态变化的指标，能够反映土壤质量下降或更新的程度［25］。研究发现，不同退耕还林地均显著提高了土壤碳库指数和土壤碳库管理指数(p＜0．05)，且均表现为美青杨林的提高幅度最大，分别比撂荒地相对提高了35．00%、51．97%。这表明:退耕还林不仅能提高土壤有机碳数量，而且能改善土壤有机碳质量，从而提高土壤的潜在生产力，使土壤系统向着良性方向转变。这与戴全厚等［26］的研究结果一致。

2．4 不同活性有机碳组分之间及其与碳库管理指数之间的相关性

相关分析表明(见表4)，测定的黑土土壤不同活性有机碳组分及其分配比例，均与有机碳呈显著相关，表明各活性有机碳在很大程度上取决于土壤总有机碳量，并且能较好地反映土壤总有机碳量的动态变化。同时，不同活性有机碳之间的相关关系也均达显著水平，表明，虽然它们的表述和测定方法不同，但各自从不同角度表征了土壤中活性较高部分有机碳的量，这与许多学者的研究结果一致［6，8］。

表4 各活性有机碳之间以及其与碳库管理指数之间的相关系数

土壤碳库管理指数(Icm)，由于融合了人为影响下土壤碳库指标和碳库活度两个方面的内涵，既能反映土壤有机碳总量的变化，又能反映活性有机碳组分的变化，从而能够全面、动态地揭示管理措施对土壤有机碳总量及组分的影响［27］。研究发现，东北黑土区土壤Icm与土壤有机碳、热水浸提有机碳、颗粒有机碳、易氧化有机碳以及活性有机碳的分配比例之间，均呈显著正相关(见表4)，许多学者的研究中也得出了同样的结论［28-29］。因此可以认为:Icm能够作为反映黑土区土地利用变化对土壤有机碳影响的敏感指标。

3 结论

土壤活性有机碳对土地利用变化的响应较为敏感，可以定量表征土壤碳库的早期变化。黑土区退耕还林地显著提高了土壤有机碳量、各活性有机碳组分量与分配比例，并且以阔叶林的促进效果显著优于针叶林。

退耕还林能够显著提高土壤碳库活度、碳库活度指数、土壤碳库管理指数，在一定程度上改善土壤有机碳特性，促使土壤质量向着良性方向发展。

不同活性有机碳组分之间，以及活性有机碳分别与土壤有机碳、碳库管理指数之间的相关关系，均达显著水平;这进一步证实了，土壤碳库管理指数能够客观反映黑土区土壤管理措施影响土壤有机碳的动态变化，是表征黑土土壤质量和评价土壤管理的良好评价指标。

［1］ Wu G L，Liu Z H，Zhang L，et al． Long-term fencing improved soil properties and soil organic carbon storage in an alpine swamp meadow of western China［J］． Plant and Soil，2010，332(1/2):331-337．

［2］ Wang Q K，Wang S L． Soil organic matter under different forest types in Southern China［J］． Geoderma，2007，142(3/4):349-356．

［3］ Shi C T，Wang E H，Gu H Y，et al． Soil structure characters of different soil and water conservation plantations in typical black soil region［J］． Journal of Forestry Research，2010，21(2):151-154．

［4］ Kimetu J M，Lehmann J，Kinyangi J M，et al． Soil organic C stabilization and thresholds in C saturation［J］． Soil Biology and Biochemistry，2009，41(10):2100-2104．

［5］ Ghani A，Dexter M，Perrott K W． Hot-water extractable carbon in soils:a sensitive measurement for determining impacts of fertilization，grazing and cultivation［J］． Soil Biology and Biochemistry，2003，35(9):1231-1243．

［6］ Li C F，Yue L X，Kou Z K，et al． Short-term effects of conservation management practices on soil labile organic carbon fractions under a rape-rice rotation in central China［J］． Soil and Tillage Research，2012，119(2):31-37．

［7］ Zhang J B，Song C C，Yang W Y． Land use effects on the distribution of labile organic carbon fractions through soil profiles［J］．Soil Science Society of America Journal，2005，70(2):660-667．

［8］ Yang X Y，Ren W D，Sun B H，et al． Effects of contrasting soil management regimes on total and labile soil organic carbon fractions in a loess soil in China［J］． Geoderma，2012，177/178:49-56．

［9］ Vieira F C B，Bayer C，Zanatta J A，et al． Carbon management index based on physical fractionation of soil organic matter in an Acrisol under long-term no-till cropping systems［J］． Soil and Tillage Research，2007，96(1/2):195-204．

［10］ 谭桂霞，刘苑秋，李莲莲，等．湿地松林分结构调整对土壤活性有机碳的影响［J］．应用生态学报，2014，25(5):1307-1312．

［11］ 何翠翠，王立刚，王迎春，等．长期施肥下黑土活性有机质和碳库管理指数研究［J］．土壤学报，2015，52(1):194-202．

［12］ 隋跃宇，张兴义，张少良，等．黑龙江典型县域农田黑土土壤有机质现状分析［J］．土壤通报，2008，39(1):186-188．

［13］ 许明祥，王征，张金，等．黄土丘陵区土壤有机碳固存对退耕还林草的时空响应［J］．生态学报，2012，32(17):5405-5415．

［14］ 陈亮中，肖文发，唐万鹏，等．三峡库区几种退耕还林模式下土壤有机碳研究［J］．林业科学，2007，43(4):111-114．

［15］ Camberdella C A，Elliott E T． Particulate soil organic-matter changes across a grassland cultivation sequence［J］． Soil Science Society of America Journal，1992，56(3):777-783．

［16］ 陈立新．土壤实验实习教程［M］．哈尔滨:东北林业大学出版社，2005．

［17］ Gong W，Yan X Y，Wang J Y，et al． Long-term manuring and fertilization effects on soil organic carbon pools under a wheatmaize cropping system in North China Plain［J］． Plant and Soil，2009，314(1):67-76．

［18］ 刘文静，张平究，董国政，等．不同退耕年限下菜子湖湿地土壤磷素组分特征变化［J］．生态学报，2014，34(10):2654-2662．

［19］ 刘苑秋，王芳，柯国庆，等．江西瑞昌石灰岩山区退耕还林对土壤有机碳的影响［J］．应用生态学报，2011，22(4):885-890．

［20］ 于舒，韩海荣，康峰峰，等．冀北辽河源阔叶混交林与油松林土壤呼吸及其影响因子［J］．东北林业大学学报，2015，43(4):52-56．

［21］ 范瑞英，杨小燕，王恩姮，等．黑土区水土保持林对表层土壤微生物群落碳代谢多样性的影响［J］．北京林业大学学报，2014，36(1):41-47．

［22］ 向成华，栾军伟，骆宗诗，等．川西沿海拔梯度典型植被类型土壤活性有机碳分布［J］．生态学报，2010，30(4):1025-1034．

［23］ Soon Y K，Arshad M A，Haq A，et al． The influence of 12 years of tillage and crop rotation on total and labile organic carbon in a sandy loam soil［J］． Soil and Tillage Research，2007，95(1/2):38-46．

［24］ 苏永中，杨荣，杨晓，等．农业管理措施对新垦荒漠沙地农田土壤有机碳及其组分的影响［J］．中国农业科学，2012，45(14):2867-2876．

［25］ Blair N． Impact of cultivation and sugar-cane green trash management on carbon fractions and aggregate stability for a Chromic Luvisol in Queensland，Australia［J］． Soil and Tillage Research，2000，55(3/4):183-191．

［26］ 戴全厚，刘国彬，薛萐，等．不同植被恢复模式对黄土丘陵区土壤碳库及其管理指数的影响［J］．水土保持研究，2008，15(3):61-64．

［27］ 王栋，李辉信，李小红，等．覆草旱作对稻田土壤活性有机碳的影响［J］．中国农业科学，2011，44(1):75-83．

［28］ 邱莉萍，张兴昌，程积民．不同封育年限草地土壤有机质组分及其碳库管理指数［J］．植物营养与肥料学报，2011，17(5):1166-1171．

［29］ 张贵龙，赵建宁，宋晓龙，等．施肥对土壤有机碳含量及碳库管理指数的影响［J］．植物营养与肥料学报，2012，18(2):359-365．