昆明松华坝水源区不同土地利用方式对土壤有机碳及活性有机碳组分的影响1)

2016-08-18朱晓婷王克勤陈敏全赵吉霞华锦欣

东北林业大学学报 2016年2期

关键词：灌木林坡耕地土壤有机

朱晓婷　王克勤　陈敏全　赵吉霞　华锦欣

(西南林业大学，昆明，650224)

昆明松华坝水源区不同土地利用方式对土壤有机碳及活性有机碳组分的影响1)

朱晓婷王克勤陈敏全赵吉霞华锦欣

(西南林业大学，昆明，650224)

以松华坝水源区3种主要的土地利用方式为研究对象，分析了不同土地利用方式0～20 cm的土壤有机碳和碳储量、活性有机碳组分(水溶性有机碳、易氧化有机碳、颗粒有机碳)质量分数及其月动态变化。研究结果表明：(1)不同土地利用方式下土壤有机碳差异显著(p<0.05)，灌木林地的有机碳质量分数为(17.21±0.04)～(22.00±0.15)g·kg-1，坡耕地的有机碳质量分数为(12.26±0.03)～(14.84±0.36)g·kg-1，荒地的有机碳质量分数为(6.13±0.04)～(7.54±0.25)g·kg-1。灌木林地的土壤有机碳明显高于其他样地，荒地的质量分数最低，土壤碳储量、水溶性有机碳、易氧化有机碳、颗粒有机碳的质量分数变化也呈现同样的规律。(2)灌木林地和坡耕地各项指标质量分数的月动态变化显著(p<0.05)，而荒地的则表现的较为平缓(p>0.05)。(3)土壤有机碳质量分数与活性有机碳组分之间及活性有机碳组分两两之间的相关性均达到极显著水平(p<0.01)。

土壤有机碳；土壤活性有机碳组分；土地利用方式；松华坝水源区

Three different land use types in Songhuaba was selected as the study object, we studied the contents of aggregates and total soil organic carbon and carbon storage, as well as soil active organic carbon fractions including dissolved organic carbon, readily oxidized organic carbon and particulate organic carbon in the 0-20 cm soil layer, and analyzed the monthly dynamic changes of soil organic carbon and soil active organic carbon fractions contents of every land use types. Soil organic carbon contents of different land use types showed significant differences (p<0.05), that of shrubland was ranged in (17.21±0.04)-(22.00±0.15)g·kg-1, that of slope cropland was ranged in (12.26±0.03)-(14.84±0.36)g·kg-1, and that of wasteland was ranged in (6.13±0.04)-(7.54±0.25)g·kg-1. Soil organic carbon in shrubland was much higher than that in the other sample plots, while that in wasteland was the lowest, the changes of carbon storage dissolved organic carbon, readily oxidized organic carbon and particulate organic carbon mass fractions also showed the same rule. The monthly dynamic changes of soil organic carbon and soil active organic carbon fractions contents of shrubland and slope cropland showed significant differences (p<0.05), while that of wasteland was comparatively gentle (p>0.05). The relativity of soil organic carbon and soil active organic carbon fractions showed a very significant level(p<0.01). There were significant correlation between any two groups of the soil active organic carbon fractions(p<0.01).

近百年来，全球温度逐渐升高，大气二氧化碳浓度随之升高且仍在持续上升，由此引起的恶劣天气等对人类赖以生存的环境造成极大的威胁。全球气候变暖的现象与二氧化碳、甲烷和氧化亚氮等温室气体的浓度升高有密切关系的理论已经被许多学者证实[1]。土壤有机碳可以评价土壤质量，利于土地可持续利用管理的重要指标。不合理的土地利用，会使土壤有机碳流失，在一定程度上加速了碳循环，陆地生态系统中有机碳储量减少，而大气中的CO2浓度随之增加，全球变暖的趋势急速加剧，从而导致生态系统不平衡，土壤肥力和作物产量受到直接影响。土地利用和土地覆被的变化作为影响土壤有机碳库的重要方式之一，越来越受到学术界的关注。

土壤有机碳是由不同稳定性的组分组成，其概念性库包括活跃、慢性和惰性库。土壤有机碳不同组分对土地利用变化的响应和敏感度不同，其中易被生物直接利用的活性土壤有机碳最活跃、周转最快、对土地利用变化最敏感。较常用的表征土壤活性有机碳的指标为水溶性有机碳、易氧化活性有机碳和颗粒有机碳等[2]。这些组分是受到物理或化学等干扰因素后反应最敏感的土壤有机质，也是养分循环中具有重要作用的部分。由于不同地面覆被下土壤承接其凋落物和根系分泌物类型不同，形成的土壤碳库，特别是活性有机碳及其组分对不同土地利用方式有着一定的差异。本文研究不同土地利用方式下土壤总有机碳、活性有机碳组分的质量分数，揭示不同土地利用方式对土壤有机碳库的影响，可为评价松华坝水源区土地利用方式合理性提供科学依据。

1　研究区概况

以松华坝水源区迤者小流域为研究区，该小流域地处昆明市盘龙区滇源街道办事处西南部，介于北纬24°14′43″～25°12′48″、东经102°44′51″～102°48′37″，为滇池水系盘龙江一级支流源头区，地势总体西北高东南低，最高海拔2 589.5 m，最低海拔2 010 m，平均海拔2 220 m；年平均降水量785.1 mm，每年5—10月为雨季，期间降雨量约占年降雨量的87.5%，土壤多为红壤，植被以亚热带针叶林为主；流域土壤主要是红壤和红壤性水稻土，主要土地类型有耕地、林地、荒山荒坡、水域等，农作物以种植玉米为主。

2　研究方法

2.1样地选择

在试验区3种土地利用类型各选取1块样地，分别命名为1#、2#、3#。各样地土地利用基本情况如表1所示。

表1　样地基本情况

注：*表示3#样地5—10月盖度为90%，其他月份盖度为15%。

2.2样品采集与分析方法

在2014年5—11月每个月中旬在各样地(1#林地、2#荒地、3#坡耕地)内按S形布设样点6个，每个样点挖0～20 cm土壤剖面，采用环刀(容积为100 cm3)于每个样点取3个重复的样品，带回实验室分析测定土壤密度。与此同时，将同一个样地的6个土壤样品混合，及时带回实验室进行处理，先用四分法把土壤分成两份，分别挑拣石块、根系和小动物等杂物，过2 mm的土壤筛，用密闭自封袋保存，其中一份进行土壤水溶性有机碳的测定，另一份供土壤有机碳、易氧化碳、颗粒有机碳分析。不能及时测定的土壤样品放在冰箱中4 ℃贮存。

土壤密度采用环刀法测定。土壤有机碳采用重铬酸钾外加热法测定。土壤水溶性有机碳质量分数的测定：取土样10.0 g放入100 mL离心管中，加入20 mL去离子水在常温下震荡(220 r·min-1)浸提、离心，然后其上清液过0.45 μm滤膜，用岛津TOC-Vcph仪测定浸提液有机碳浓度。易氧化有机碳用Blair等提出的(readily oxidizable carbon,ROC)采用333 mmol·L-1的高锰酸钾氧化法测定。颗粒有机碳(particulate organic carbon,POC)采用5 g·L-1六偏磷酸钠分散法测定。为保证试验结果的准确性，每项试验指标的测定都会设计3个重复。根据测定的土壤密度、土壤有机碳质量分数和土层厚度计算土壤有机碳储量。

式中:Ci为第i层土壤的土壤有机碳质量分数(g·kg-1)；ρi为第i层土壤密度(g·cm-3)；Ti为第i层土壤厚度(cm)；n为土层数。

2.3数据统计方法

数据经Excel2007整理后，采用SPSS 17.0软件对数据进行统计分析，不同土地利用方式的土壤有机碳和活性有机碳各组分质量分数间差异显著性，及其同一土地利用方式不同月份间的差异显著性采用方差分析(ANOVA)检验，均值的多重比较采用LSD法，利用Pearson检验法分析土壤有机碳和活性有机碳各组分的相关性。

3　结果与分析

3.1不同土地利用方式对土壤有机碳质量分数和碳储量的影响

如表2所示，松华坝水源区3种不同土地利用方式土壤有机碳质量分数变化范围为(6.13±0.04)～(22.00±0.15)g·kg-1，其总体趋势由大到小表现为灌木林、坡耕地、荒地，且三者的土壤总有机碳质量分数差异性显著(p<0.05)。在5—11月中，3种土地利用方式土壤有机碳质量分数具有一定的月动态变化。坡耕地土壤有机碳质量分数有逐月递减的趋势，最大值出现在5月份((14.84±0.36)g·kg-1)，最小值出现在11月份((12.26±0.03)g·kg-1)。荒地和坡耕地土壤有机碳逐月递减率最大都出现在7月份，分别比上个月减少了13.50%、7.54%，两者在5月份和6月份的土壤有机碳质量分数差异均不显著(p>0.05)，荒地在7、8、9、10、11月中的土壤有机碳质量分数差异也不显著(p>0.05)。此外，灌木林地和坡耕地的土壤有机碳质量分数月动态变化差异表现得有些复杂。其中，灌木林地土壤有机碳质量分数的月动态变化大致呈现先上升后下降的趋势，其最大值出现在9月份((22.00±0.15)g·kg-1)，最小值出现在6月份((17.21±0.04)g·kg-1)。

3种土地利用方式的土壤有机碳储量的差异较大，介于(16.70±0.12)～(57.13±0.38)t·hm-2(表2)，其最大值为灌木林地9月份的碳储量，最小值为荒地8月份的碳储量。灌木林地碳储量的月均值((48.49±0.59)t·hm-2)约为坡耕地((34.66±0.38)t·hm-2)与荒地((18.18±0.23)t·hm-2)的1.4倍、2.6倍，由此可见，灌木林地的土壤有机碳储量显著高于坡耕地和荒地(p<0.05)。各土地利用方式的表层(0～20 cm)土壤碳储量的月变化与其土壤有机碳质量分数的月变化趋势一致，这是由于土壤碳储量与土壤有机碳、土壤密度、土层厚度三者都有关，而灌木林地、坡耕地、荒地的表层土壤，密度相差不大，所以土壤有机碳质量分数起了关键性作用。

表2　不同土地利用方式土壤有机碳质量分数和碳储量的月动态变化

注：表中数据为平均值±标准差；同列不同小写字母表示同一土地利用方式不同月份之间差异显著(p<0.05)；同行不同大写字母表示同一月份不同土地利用方式间差异显著(p<0.05)。

3.2不同土地利用方式对土壤活性有机碳组分质量分数的影响

3.2.1土壤水溶性有机碳质量分数

松华坝3种土地利用方式的土壤水溶性有机碳的质量分数差异显著(p<0.05)，即灌木林地的水溶性有机碳质量分数大于坡耕地的水溶性有机碳质量分数，两者均大于荒地的土壤水溶性有机碳(表3)。由表3可以看出，灌木林地的土壤水溶性有机碳最大值为(413.10±23.04)mg·kg-1，最小值为(320.93±20.86)mg·kg-1，分别出现在9月份和6月份，9月份与6月份的土壤水溶性有机碳质量分数分别与其他各月份的差异均不显著(p>0.05)。坡耕地和荒地的土壤水溶性有机碳质量分数最大值分别出现在5月份和6月份，分别为(240.83±30.34)、(171.84±10.43)mg·kg-1，最小值都都出现在8月份，分别为(168.53±8.80)、(123.83±22.28)mg·kg-1。坡耕地中的水溶性有机碳在5—8月期间逐月降低，直到9月有所上升，随之到11月又降低。而荒地各月土壤水溶性有机碳质量分数差异不显著(p>0.05)，其月动态变化大体趋势与坡耕地的类似。

3.2.2土壤易氧化有机碳质量分数

表4所示，在松华坝采样测定的7个月中，灌木林地的土壤易氧化有机碳质量分数最高，坡耕地的土壤易氧化有机碳次之，荒地的土壤易氧化有机碳质量分数在三者中最少(p<0.05)。灌木林地和坡耕地的土壤易氧化有机碳质量分数最低都出现在11月份，分别为(3.16±0.40)、(1.99±0.07)g·kg-1，荒地的土壤易氧化有机碳质量分数最低出现在10月份，即为(0.54±0.06)g·kg-1。坡耕地、荒地土壤易氧化有机碳质量分数最大值均出现在5月份，分别为(3.61±0.27)、(1.29±0.31)g·kg-1。其中，坡耕地5—11月的土壤易氧化有机碳质量分数总体上5—10月份均大于11月份，即可看出其春季、夏季的土壤易氧化有机碳质量分数大于秋季的趋势，灌木林地与之相似，季节性差异相对显著(p<0.05)。与灌木林地和坡耕地两者相比之下，荒地月动态变化约平缓，则其季节性波动也相应较平缓(p>0.05)。

表3　不同土地利用方式土壤水溶性有机碳质量分数的月动态变化 g·kg-1

表4　不同土地利用方式土壤易氧化有机碳质量分数的月动态变化 g·kg-1

3.2.3土壤颗粒有机碳质量分数

5—11月期间，在松华坝3种土地利用方式下，每月的土壤颗粒有机碳质量分数大小顺序显著的表现为灌木林地>坡耕地>荒地(p<0.05)(表5)。灌木林地的土壤颗粒有机碳的质量分数5月至7月逐月上升，到8月份达到最低值((9.19±0.14)g·kg-1)，9月再次上升，到11月份达到最大值((11.82±1.98)g·kg-1)。而坡耕地和荒地的土壤颗粒有机碳的质量分数最大值均出现在5月份，分别为(8.30±0.32)、(2.82±0.11)g·kg-1，最小值均出现在11月份，分别为(6.29±0.16)、(2.12±0.28)g·kg-1，有逐月减少的趋势。

表5　不同土地利用方式土壤颗粒有机碳质量分数的月动态变化 g·kg-1

3.3土壤有机碳和活性有机碳组分之间的相关分析

对土壤有机碳质量分数与活性有机碳组分以及活性有机碳各组分之间进行了相关分析。从表6可见，土壤有机碳质量分数与水溶性有机碳、易氧化有机碳、颗粒有机碳之间均有明显的相关性，其相关性均达到极显著水平(p<0.01)。3种活性有机碳组分两两之间都呈极显著相关(p<0.01)，其中土壤水溶性有机碳与易氧化有机碳的相关系数最高，为0.907，这说明活性有机碳组分之间关系密切，虽然表述和测定方法不同，但都表征了土壤活性较高的那部分碳质量分数[3]。

表6　土壤有机碳和活性有机碳组分之间的相关性

注：** 表示相关性极显著(p<0.01)。

4　结论与讨论

土壤有机碳的质量分数会受到气候、植被覆盖、管理等多种因素综合影响[4]，其中不同土地利用方式影响土壤有机碳的输入和输出进而影响土壤有机碳的质量分数[5]。有机物输入主要来源于植被凋落物、根系残体和有机肥施用等[6]，同样，土壤碳储量主要取决于植被凋落物向土壤的归还量和碳在土壤中的积累以及凋落物的微生物分解和土壤碳的氧化、降解及扰动，土壤有机碳主要以腐殖质形式存在，能维持较长时间的碳储存。在自然状况下，林地土壤有机碳主要来源于植被凋落物和根系分泌物。灌木林地生长茂盛，林下枯落物较多，为灌木林地表层土壤提供了更多的有机碳，其碳储量也相应增多。坡耕地在种植玉米时会施肥，有一定的有机质输入土壤，但坡耕地土壤中的有机碳却有逐月递减的趋势，与灌木林地相比之下较少，这是由于坡耕地容易受人为活动的干扰，其在耕作时土壤被翻耕则使有机质暴露，使其分解速度加快；同时，耕作过程能够增加土壤中微生物的数量，增强其活性，加快有机质的降解速度；而且坡耕地在作物的收获时，致使植物中的碳不能还田，以上因素都不利于坡耕地土壤有机碳的积累，导致碳输出量大于输入量，从而使其有机碳的质量分数和储量降低[7]。荒地虽不受人为因素干扰，但相比灌木林地和坡耕地，其盖度为0，没有植被凋落物对之补充一定的有机碳，所以是3种土地利用方式中土壤有机碳质量分数最少的。本研究中灌木林地土壤有机碳质量分数秋季(9—11月)总体大于夏季(6—8月)，这与李玉平[8]的研究所表明得林地土壤有机碳具有一定的季节性变化结论一致，这可能与土壤温度、土壤含水量等因素有很大关系，因为夏季土壤温度较高，土壤含水量较大，微生物生物量较多，活性较强，容易加快对土壤有机碳的分解。

土壤活性有机碳是来源于植物凋落物的分解、根系分泌物、土壤有机质的水解、土壤微生物本身及其代谢产物[9]，受到植被覆盖、季节、湿度、微生物、人类活动等因素的影响。本研究表明，松华坝水源区3种土地利用方式的土壤活性有机碳组分的质量分数差异由大到小均为：灌木林地、坡耕地、荒地，这与淮北淤上不同土地利用方式下的土壤水溶性有机碳质量分数[10]、肖甸湖区围湖造田不同土地利用方式的土壤易氧化碳质量分数[11]的规律相一致。林地的土壤活性有机碳主要来源于腐殖质、枯枝落叶的淋溶和微生物的分解，由于林地植被根系分布比农作物深，其凋落量也较高，这样土壤表层形成的残体或分泌物多[12]，尤其是在林地植被生长弱季时，凋落物增加从而提高其土壤中的水溶性有机碳与颗粒有机碳的质量分数。林地和坡耕地生物量大多集中在地上部分，地下部分较少且根系的周转率较低，从而使得其对土壤颗粒有机质的贡献主要集中在土壤表面的腐殖层，然而坡耕地中的植被在生长期，受到犁耕翻耙，在一定程度上更对其土壤结构造成很大破坏，较大团聚体被分散，颗粒有机物也被释放出来，从而使土壤颗粒有机碳质量分数降低[13]，与此同时，在翻耕和灌溉频繁等过程中，土壤的温度、湿度、孔隙状况和土壤微生物活性受到这些耕作管理措施的影响会有一定的改变，土壤会变的湿润、疏松，更适合微生物活动，加速了土壤有机碳的分解，水溶性有机碳和易氧化有机碳相应减少[14]。坡耕地中的水溶性有机碳质量分数在9月有所上升，随之到11月又降低，原因可能是降雨增加土壤湿度，使之土壤水溶性有机碳有所增加。灌木林地和坡耕地中的土壤易氧化碳质量分数表现出春夏季大于秋季的规律，这可能是因为在春夏季节，两者中的植被进入生长期，土壤微生物活性处于适宜的水热条件，有足够的易分解的新鲜有机质可以被土壤微生物所分解[15-16]。相比其他两种样地，荒地受到的人为干扰少，土壤结构破坏不受破坏，几乎无植被归还量，故各月土壤活性有机碳组分质量分数差异不显著(p>0.05)。

土壤有机碳质量分数与活性有机碳组分之间，以及活性有机碳各组分之间均呈极显著相关，这与宇万太[17]等人的研究结果相似。土壤活性有机碳是土壤总有机碳的一部分，因此，无论哪种活性有机碳组分都依赖总有机碳，受总有机碳质量分数的限制。各活性有机碳组分之间显示较好的相关性，说明它们之间具有一定的关联，既有相似性，都反映土壤有机碳较活跃的那部分碳素，又具差异性，各自侧重点不同，涵盖有机碳的活性范围也不同[18]。

综上所述，松华坝3种不同土地利用方式的植被覆盖、管理方式不同，同时受到季节、湿度等影响，它们的土壤有机碳和碳储量、活性有机碳组分存在显著性差异。灌木林地植被盖度大，凋落物的积累为其提供碳源。没有植被覆盖的荒地不仅没有碳源补充，加之受到雨季影响碳源会有所损失。而坡耕地受到人为活动的干扰加速了土壤有机碳的分解，因此，提倡作物秸秆和残茬还田、少耕、免耕对于增加耕地有机碳储量具有重要意义。

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Effects of Three Different Land Use Types on Soil Organic Carbon and Active Organic Carbon Fractions in Water Source Area of Songhuaba, Kunming//

Zhu Xiaoting, Wang Keqin, Chen minquan, Zhao Jixia, Hua Jinxin

(Southwest Forestry University, Kunming 650224, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University，2016,44(2)：26-30.

Soil carbon； Activated carbon fractions； Land use types； Water source area of Songhuaba

朱晓婷，1989年3月生，西南林业大学环境科学与工程学院，硕士研究生。E-mail：zhuxti@126.com。

王克勤，西南林业大学环境科学与工程学院，教授。E-mail：wangkeqin7389@sina.com。