喀斯特小流域不同土地利用方式土壤活性碳组分的变化特征

王 星，段建军，王小利，徐 虎，王桂红，郭 振，王萍萍

（1.贵州大学农学院，贵州 贵阳 550025；

2.贵州大学烟草学院/贵州大学烟草品质研究重点实验室，贵州 贵阳 550025）

喀斯特小流域不同土地利用方式土壤活性碳组分的变化特征

王 星1，段建军2，王小利1，徐 虎1，王桂红1，郭 振1，王萍萍1

（1.贵州大学农学院，贵州 贵阳 550025；

2.贵州大学烟草学院/贵州大学烟草品质研究重点实验室，贵州 贵阳 550025）

以贵州普定县陈家寨小流域为对象，探讨5种不同土地利用方式0～20 cm土层各活性有机碳组分的差异特征及其与土壤总有机碳间的关系。结果表明：贵州陈家寨喀斯特小流域0～20 cm土层土壤总有机碳含量为42.03（±25.08）g/kg，其中灌木林地有机碳含量最高为77.44（±28.38）g/kg，是耕地有机碳含量的3.5倍；土壤水溶性有机碳的含量表现为灌木林地＞荒草地＞人工林＞果园＞耕地，游离活性有机碳的含量表现为灌木林地＞人工林＞荒草地＞果园＞耕地，易氧化有机碳的含量表现为灌木林地＞人工林＞荒草地＞耕地＞果园；土壤总有机碳含量与各活性碳组分间均有显著相关关系，其中与游离活性有机碳的相关系数最高。不同土地利用方式下土壤有机碳含量不同，各活性有机碳组分既有相同之处，又存在差异，说明土壤活性有机碳的复杂性，因此不同活性有机碳的表征指标无论数值还是变化趋势不能直接比较。

喀斯特小流域；土地利用方式；有机碳活性组分；活性有机碳分配比例

土壤活性有机碳是指易受植物和微生物影响，在土壤中移动较快、易矿化，具有一定的溶解性，稳定性较差那一部分土壤有机碳［1］。虽然它占总有机碳的比例较小，却是土壤生态系统中主要的能量来源，对土壤碳库的平衡以及土壤肥力的保持具有十分重要的作用［2］。土壤活性有机碳根据其提取方式的不同，可用水溶性有机碳（WSOC）、游离活性有机碳（cPOM+fPOM）、易氧化有机碳（EOC）等来进行表征［3-4］。近年来的研究表明，土地利用方式不同，植被的覆被类型也存在差异［5］，有机碳质量及输入量也不相同，导致土壤碳库有所差异，特别是土壤的活性碳对土地利用方式的反应较灵敏，可用于表征土壤有机质的早期变化［6］。

贵州地处我国西南喀斯特地区的中心位置，喀斯特地区土壤有机碳含量远高于同纬度的其他地区［7］，土地利用方式短时间内的异动，会对土壤活性有机碳产生重要影响。当前关于贵州喀斯特小流域土壤有机碳的含量、组成、分布等方面的研究很多［8-11］，但喀斯特地区不同土地利用方式下土壤总有机碳、不同表征活性有机碳的指标间是否一致的研究还很少。为此，我们以贵州普定县陈家寨喀斯特小流域为研究区域，探讨土地利用方式变化对土壤各活性有机碳组分的影响，以期为喀斯特地区不同土地利用方式下土壤活性有机碳的表征和变化趋势研究提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于贵州中部普定县陈家寨小流域（105°48′34″～105°49′26″E，26°20′06″～26° 20′97″N），面积1.9 km2，为典型的喀斯特高原地貌，地形崎岖不平，山地多被切割，海拔1 485 m，属于亚热带季风性湿润气候，年平均气温15.1℃，最热月7月平均气温23℃，年平均日照时数为1 202 h，年平均降雨量 1 396.9 mm左右。成土母岩以白云质灰岩和泥质灰岩为主，土壤类型有石灰土、黄壤、黄棕壤，土地利用类型主要有耕地、果园、荒草地、灌木林地和人工林等。

1.2 样品采集

采样时间为2014年5月，按照“S”形在每种土地利用类型中设置5～7个样点。采样时，先将表层土壤植被凋落物除掉，取样深度为0～20 cm，从不同方位取3～5个土样进行混合，每个样品1 kg，每种土地利用方式采10份，共50份土样，装入棉布袋中，并记下采样编号，置于阴凉处风干。

1.3 测定项目及方法

土壤有机碳：将风干后的土壤样品研细过0.25 mm筛，采用重铬酸钾外加热法测定［12］。

水溶性有机碳：称取5 g（干重）土样，加入40 mL蒸馏水，于常温下振荡30 min，4 000 r/min离心10 min，上清液过0.45 μm的滤膜，浸提液中有机碳采用TOC自动分析仪（Phoenix 8000）测定。

土壤易氧化有机碳：采用333 mmol/L高锰酸钾氧化法测定［13］。

土壤游离活性有机碳：采用steward物理-化学联合分组方法进行分组［14］，然后采用重铬酸钾外加热法测定。

1.4 数据处理

试验数据采用WPS Office 2016软件整理和制图，采用SPSS22.0进行分析。不同土地利用方式下处理间差异显著性采用单因素方差分析（ANOVE）方法检验。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用方式总有机碳的变化特征

由图1可知，土地利用方式显著改变了陈家寨喀斯特小流域0～20 cm土层总有机碳含量，土壤有机碳含量的总体趋势由大到小依次为灌木林地＞人工林＞荒草地＞果园＞耕地。其中，灌木林地的有机碳含量最高（77.52 g/kg），显著高于其他土地利用方式，其有机碳含量是果园和耕地平均值的3倍；其次是人工林和荒草地，分别为43.98 g/kg和41.23 g/kg，亦显著高于耕地；而果园和耕地最低（26.09 g/kg和21.60 g/kg），且两种利用方式间无显著差异。可见，自然植被的灌丛有利于土壤有机碳的累积，而常年耕作和作物收获带走则会造成土壤有机碳耗竭。

图1 陈家寨小流域不同土地利用方式土壤总有机碳含量

气候、植被覆盖类型、管理方式等因素会对土壤有机碳的含量造成影响［15］。研究表明，表层土壤总有机碳含量主要由植被每年的归还量、归还形式和凋落物的分解速率决定，在分解速率相近的条件下，归还量的大小和归还形式决定了土壤是否能够积累较多的有机碳［16］。本研究5种土地利用类型中，灌木林地的有机碳含量显著高于其他4种土地利用类型，主要是因为灌木林地的地表生物量丰富，凋落物多样，为灌木林地表层土壤提供了更多的有机碳；人工林每年的枯枝落叶也较多，有机碳的归还量较大，因此其有机碳含量也比较高；荒草地虽然没有人为因素的干扰，但是植物根系不发达，有机碳含量居于中等；果园虽然有一些枯枝落叶的积累，但是每年有果实收获，有机碳的输出较大，其有机碳含量仅高于耕地；耕地的开垦破坏了地表原生植被，致使水土流失，从而导致有机碳的流失严重，并且农作物的收获有一部分有机碳不能参与还田，这些原因都致使耕地有机碳含量最低。

2.2 不同土地利用方式各活性有机碳组分的变化特征

从表1可以看出，5种土地利用方式下土壤水溶性有机碳、游离活性有机碳的含量均表现为灌木林地＞荒草地＞人工林＞果园＞耕地，而易氧化有机碳的含量表现为灌木林地＞荒草地＞人工林＞耕地＞果园，与总有机碳含量趋势大体一致。其中，灌木林地的土壤水溶性有机碳含量为0.35 g/kg，显著高于人工林、果园和耕地，其水溶性有机碳含量分别是人工林、果园和耕地的1.94、2.06和5倍；而荒草地显著高于耕地，其水溶性有机碳含量是耕地的4.5倍。土壤游离活性有机碳含量灌木林地为53.50 g/kg，显著高于其他4种利用方式，是其他处理的2～3倍；而除人工林和耕地处理间存在显著差异外，其他处理间均无显著差异。灌木林地的易氧化有机碳为16.22 g/kg，显著高于其他4种利用方式，果园最低为6.65 g/kg。

表 1 不同土地利用方式土壤活性有机碳含量

土壤活性有机碳主要来源于枯枝落叶的分解、根系分泌物、微生物的分解等。研究表明，土壤活性有机碳的含量与土壤总有机碳的变化趋势基本一致［17］。本研究中，不同土地利用方式下水溶有机碳、游离活性有机碳、易氧化有机碳的含量变化趋势与总有机碳基本一致，再次验证了这一观点。在5种土地利用方式中，灌木林地腐殖质含量高、植物根系发达、秋冬季节又有大量的枯枝落叶，因而其土壤水溶性有机碳、游离活性有机碳、易氧化有机碳的含量最高；荒草地没有人为因素干扰，有机碳输入主要以草本植物根系为主，木质素等稳定性成分较少，人工林虽然有人为干扰，但植被掉落物较多，根系分泌物也比较丰富，二者活性有机碳含量居于中等；果园与耕地由于频繁的人为扰动，土壤结构变化明显，土壤团聚体被破坏土壤游离活性有机碳的含量降低。

2.3 不同土地利用方式土壤各活性有机碳组分的分配比例

土壤活性有机碳与土壤总有机碳的比值叫该种活性有机碳的分配比例，它比有机碳总量对不同土地利用方式下有机碳周转响应更敏感［2］。从表2可以看出，水溶性有机碳的分配比例在0.36%～0.81%之间，其中荒草地的分配比例最高为0.81%，是耕地水溶性有机碳分配比例的2倍；其次是果园（0.62%）、灌木林地（0.52%）和人工林（0.43%）；耕地最低，为0.36%。与总有机碳和水溶性有机碳的质量分数的趋势相比，灌木林地、果园、人工林这3种土地利用方式下的水溶性有机碳与总有机碳的比值差异不显著；游离活性有机碳的分配比例总体呈现出果园（68.88%）＞灌木林地（68.08%）＞人工林（65.34%）＞荒草地（62.54%）＞耕地（55.60%）；易氧化有机碳以耕地的分配比例最高为36.05%，是灌木林地的1.71倍，且耕地与其他4种土地利用方式差异显著。

本研究中，水溶性有机碳和易氧化有机碳分配比例与总有机碳的变化趋势不同，而游离活性有机碳的分配比例与总有机碳的变化趋势基本一致，说明尽管水溶性有机碳和易氧化有机碳含量随总有机碳的增加而增加，但其对水溶性有机碳和易氧化有机碳的分解和利用率不同，而游离活性有机碳的分配比例与总有机碳的变化一致，可能是由于其新增加的有机碳主要以粗颗粒的形式存在，这与周萍等［18］的研究结果相似。耕地的水溶性有机碳的分配比率最低，这可能与人为灌溉过程中水溶性有机碳随下渗水迁移有关。而在易氧化有机碳的比例方面，耕地最高，说明耕地的有机碳活性大，土壤稳定性比较差，易被矿化分解，不利于土壤有机碳的积累。游离活性有机碳的分配比例以耕地最低，主要是由于耕种对土壤结构造成很大的破坏，团聚体破坏较其他4种利用方式严重。

表2 不同土地利用方式土壤活性有机碳分配比例

2.4 土壤活性有机碳之间的相关性

对土壤总有机碳含量与各活性有机碳组分间进行相关性分析，结果（表3）表明，土壤总有机碳含量与水溶性有机碳、游离活性有机碳、易氧化有机碳之间呈极显著的相关关系，这充分说明土壤活性有机碳较大程度上由土壤总有机碳转化而来，因此，无论哪种活性有机碳组分都依赖总有机碳，随总有机碳含量的变化而变化。3种活性有机碳组分两两之间都呈极显著相关，其中土壤游离活性有机碳与易氧化有机碳的相关系数最高，为0.857。因此，各活性有机碳组分间具有一定的相关性，尽管表述和测定的方法不同，但都揭示了土壤活性较高的土壤有机碳库含量。

表3 土壤有机碳和活性有机碳组分之间的相关性

3 结论

本研究结果表明，不同的土地利用方式对土壤总有机碳、水溶性有机碳、游离活性有机碳和易氧化有机碳产生了显著影响。其中，灌木林地的有机碳和活性碳组分含量最高，荒草地和人工林次之，果园和耕地相对较低。因此，加强对喀斯特地区植被的保护，降低人为活动的干扰，是增加喀斯特地区碳赋存能力的重要途径。

本研究中，水溶性有机碳的分配比例为荒草地＞果园＞灌木林地＞人工林＞耕地，易氧化有机碳的分配比例为耕地＞荒草地＞果园＞人工林＞灌木林地，游离活性有机碳的分配比例为灌木林地＞果园＞人工林＞荒草地＞耕地。不同土地利用方式下土壤有机碳含量不同，各活性有机碳组分既有相同之处，又存在差异，说明土壤活性有机碳的复杂性，不同活性有机碳的表征指标无论数值还是变化趋势不能直接比较。

土壤总有机碳含量与水溶性有机碳、游离活性有机碳、易氧化有机碳之间均有明显的相关性，并且3种活性有机碳组分两两之间都呈显著相关。可见，土壤活性有机碳组分的含量受总有机碳含量的制约，但是制约程度存在差异，而且各活性碳组分之存在相关性。

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（责任编辑 邹移光）

Changes of soil active organic carbon pool under difierent land use types in karst mountainous area

WANG Xing1，DUAN Jian-jun2，WANG Xiao-li1，XU Hu1，WANG Gui-hong1，GUO Zhen1，WANG Ping-ping1
（1.College of Agriculture，Guizhou University，Guiyang 550025，China；2.College of Tobacco Science，Guizhou University/Guizhou Key Laboratory for Tobacco Quality，Guiyang 550025，China）

The differences of active organic carbon fractions in 0-20 cm soil layers and their relationships with soil total organic carbon （SOC）were studied in the karst small watershed of Chenjiazhai，Puding county，Guizhou province，under different land use patterns. The results showed that the average content of total organic carbon in 0-20 cm soil layer of Chenjiazhai karst watershed in Guizhou was 42.03（± 25.08）g/kg. The organic carbon content of shrub land was the highest （77.44 ± 28.38 g/kg），which was 3.5 times of that of cultivated land. The content of soil water-soluble organic carbon in descending order was as follows: bushes＞ grassland＞ plantation＞ orchard＞ arable land. The content of free active organic carbon in descending order was as follows: bushes＞ plantation＞ grassland＞arable land＞ orchard. The content of easily oxidized organic carbon in descending order were as follows: bushes＞plantation＞grassland＞arable land ＞ orchard. There was a significant correlation between total soil organic carbon（SOC）content and active carbon components，and the correlation coefficient between free organic carbon and freeorganic carbon was the highest. The content of soil organic carbon was different under different land use patterns，and the contents of active organic carbon were similar and different，which indicated the complexity of soil active organic carbon. Therefore，the characterization index of different active organic carbon can not be directly compared regardless of the value or the trend of change.

karst area；land use patterns；organic carbon active components；proportion of active organic carbon

S153.6+2

A

1004-874X（2017）01-0088-06

2016-10-26

国家自然科学基金（41361064）

王星（1990-），女，在读硕士生，E-mail：279265518@qq.com

段建军（1976-），男，博士，副教授，E-mail：djjwxl@126.com

王星，段建军，王小利，等.喀斯特小流域不同土地利用方式土壤活性碳组分的变化特征［J］.广东农业科学，2017，44（1）：88-93.