土壤易氧化有机碳与溶解性有机碳对荒漠草地沙漠化过程中土壤碳库变异的表征

2018-11-19阎欣刘任涛安慧

草业学报 2018年11期

阎欣，刘任涛，安慧

(宁夏大学西北土地退化与生态恢复省部共建国家重点实验室培育基地,西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室,宁夏银川750021)

土壤有机碳是土壤化学性质的一个重要方面，传统研究上对土壤腐殖质化学分组是研究土壤结构与功能的基础。腐殖质主要成分是有着特殊化学与生物学构造的极其复杂的高分子化合物，由胡敏酸、富里酸胡敏素和吉马多美朗酸等组分组成[1]。这些组分周转速率慢，对环境变化及土壤管理响应迟钝，因此，目前根据提取剂的不同，将土壤有机碳进一步分为活性较高的溶解性有机碳(dissolved organic carbon, DOC)和易氧化有机碳(readily oxidizable carbon, ROC)。溶解性有机碳含量一般不超过200 mg·kg-1，其中35%～47%存在于胡敏酸中，占土壤有机碳总量的2%～3%[2]。土壤溶解性有机碳含量较小，但性质较活泼，易溶于水或稀盐溶液(CaCl2、KCl、K2SO4)，对土壤养分利用、重金属迁移及土壤邻近圈层影响直接。溶解性有机碳的疏水部分为微生物群落生长提供了直接可利用碳资源，从而影响温室气体等的排放，并且溶解性有机碳与土壤碳、氮、磷等养分元素显著相关，影响化学元素循环；亲水部分使得溶解性有机碳易溶解，在土壤表层(0～20 cm)溶解性有机碳的通量为11～46 g C·m-2·yr-1，在土壤深层(20～100 cm)的通量为2～69 g C·m-2·yr-1，并与Ca2+流失量显著相关，因此，在岩石圈活化、岩溶动力系统中具有重要作用[3-4]。土壤有机碳转化过程实质是有机碳氧化还原的过程。Loginow等[5]首次利用33、167和333 mmol·L-1浓度KMnO4溶液将土壤有机碳分为易氧化有机碳与惰性有机碳。Blair等[6]采用333 mmol·L-1KMnO4溶液将土壤有机碳分为易氧化有机碳与稳定性有机碳。易氧化有机碳占土壤有机碳总量的13%～28%[7]，在土壤中移动比较快、不稳定、易氧化、分解、易矿化，它既可参与土壤物质交换过程也可随溶剂运动，从而参与更大范围的碳循环[8]。

溶解性有机碳和易氧化有机碳对土地管理方式改变和环境变化反应较快，当生态系统发生正向演替或逆向演替时，土壤结构和性质发生变化的同时，土壤活性有机碳组分亦发生明显改变。草地转变为裸地降低土壤溶解性有机碳含量[9]。与自然森林生态系统相比，人工种植林和耕地土壤易氧化有机碳和溶解性有机碳含量降低[10]。因此，易氧化有机碳和溶解性有机碳是衡量土壤质量与健康的敏感指标。前人的研究主要集中在农田耕作[11]、施肥管理[12]对土壤易氧化有机碳、溶解性有机碳的影响；不同土地利用方式土壤易氧化有机碳、溶解性有机碳变异规律[13-14]；草地不同封育年限、恢复模式土壤易氧化有机碳和溶解性有机碳特征[9,15]等方面，但对宁夏荒漠草地沙漠化过程中土壤易氧化有机碳和溶解性有机碳的研究，尤其是两者表征荒漠草地沙漠化土壤碳库变化的研究较少，因此，本研究以宁夏中北部盐池县荒漠草地不同沙漠化阶段的土壤为研究对象，研究荒漠草地沙漠化过程中土壤易氧化有机碳、溶解性有机碳含量和分配比例的分布规律，分析不同沙漠化阶段土壤碳库指数变化，探讨荒漠草地沙漠化过程中土壤易氧化有机碳与溶解性有机碳对土壤碳库的表征特征，以期为荒漠草地生态系统的恢复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于宁夏回族自治区盐池县花马池镇皖记沟村(37°49′ N，107°27′ E)，海拔1411～1435 m。该区地处宁夏东部，为陕、甘、宁、内蒙古四省(区)交界带，地势南高北低，北与毛乌素沙地毗邻，南接黄土高原。该区地貌为黄土丘陵和鄂尔多斯缓坡丘陵，是温带典型草原向荒漠草地过渡区。气候属于典型中温带大陆性气候，干旱少雨，四季温差大，年平均温度8.2 ℃，≥10 ℃年积温为2751.7 ℃，≥0 ℃年积温为3430.3 ℃，7月(平均气温22.4 ℃)和1月(平均气温-8.7 ℃)分别为最热月份和最冷月份。年平均降水量为289 mm，主要集中在7、8、9月份。多年平均蒸发量2710 mm，是年降水量的9～10倍，且年际变率大。年平均风速2.8 m·s-1，冬春风沙天气较多，每年17 m·s-1的大风日数为24.2 d。

灰钙土和淡灰钙土为该区主要土壤类型，土壤结构松散，肥力较差。土壤基本理化性状为：土壤有机碳含量2.3 g·kg-1，全氮0.2 g·kg-1，全磷0.4 g·kg-1，碱解氮9.0 mg·kg-1，速效磷2.1 mg·kg-1。该区草地以温性草原类和温性荒漠类草原为主，主要优势物种为：猪毛蒿(Artemisiascoparia)、中亚白草(Pennisetumcentrasiaticum)、虫实(Corispermumhyssopifolium)、苦豆子(Sophoraalopecuroides)、牛枝子(Lespedezapotaninii)、草木樨状黄芪(Astragalusmelilotoides)、猪毛菜(Salsolacollina)等。由于水分等自然条件的限制，植物种类组成相对单一，优势种相对明显，群落层片不明显，群落盖度小，生物生产力相对低下。

1.2 研究方法

1.2.1样地选择荒漠草地处于草地与荒漠的过渡阶段，生态环境脆弱且不稳定，在自然环境与人为扰动的影响下，荒漠草地向不同方向演替。草地沙漠化是荒漠草地逆向演替的极端表现，根据地上植物群落类型和特征的一系列演变过程，草地沙漠化总体上表现为荒漠草地—固定沙地—半固定沙地—半流动沙地—流动沙地动态演化序列[16]。研究区在空间上散落分布着不同沙漠化程度的草地类型，采用空间序列代替时间序列研究方法，根据地上植物群落特征及盖度分级标准[17]，选取未沙漠化的荒漠草地(desert grasslands, G)、固定沙地(fixed dunes, FD)、半固定沙地(semi-fixed dunes, SFD)和流动沙地(mobile dunes, MD)作为实验样地，以荒漠草地作为对照。其中，荒漠草地植被覆盖度为70%～80%，流沙面积<5%，优势植物为牛枝子、猪毛蒿、中亚白草；固定沙地植被盖度为60%～70%，流沙面积为5%～20%，以中亚白草、苦豆子为优势种；半固定沙地植被盖度为40%～50%，流沙面积20%～50%，沙蓬(Agriophyllumsquarrosum)、赖草(Leymusdasystachys)、狗尾草(Setariaviridis)为主要优势种；流动沙地植被盖度为0～10%，流沙面积100%，优势种为沙蓬。每种生境中设置3个50 m×50 m的重复取样区，每个取样区间地形与环境条件基本一致。

1.2.2土壤样品采集 2016年7月底在每个取样区内随机设置3个1 m×1 m的样方，每个样方内按0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm的层次，用直径9 cm的土钻采集土壤样品，每个样方内采集5钻土壤混合均匀装入塑封袋，放置在盛有冰袋的冷藏箱中低温保存，带回实验室，过2 mm土壤筛并去除枯枝落叶和肉眼可见根等杂物，4 ℃保存，用于测定土壤溶解性有机碳。取一部分土样自然风干，用于测定土壤有机碳和易氧化有机碳。

1.2.3土壤样品测定土壤有机碳：采用重铬酸钾外加热法测定(表1)。

易氧化有机碳：采用333 mmol·L-1的高锰酸钾氧化法[18]。称过0.25 mm筛子的风干土壤2 g，加333 mmol·L-1的KMnO4溶液25 mL，密封振荡1 h，离心5 min(4000 r·min-1)，取上清液，用去离子水按1∶250稀释；用分光光度计测定565 nm下稀释样品和标准系列浓度KMnO4溶液的吸光度值；根据标准曲线求出KMnO4浓度的变化，计算被氧化的碳量，即为易氧化有机碳含量。

溶解性有机碳：称取20 g鲜土置于盛有100 mL 蒸馏水的三角瓶中，按照水土比5∶1 在恒温摇床振荡浸提1 h (25 ℃，250 r·min-1) 后离心15 min (5500 r·min-1) ，将上清液过0.45 μm滤膜，用TOC仪测定浸提液有机碳浓度，得到DOC[19]。

易氧化有机碳分配比例=易氧化有机碳含量/土壤有机碳含量
溶解性有机碳分配比例=溶解性有机碳含量/土壤有机碳含量
非活性有机碳含量(g·kg-1)=土壤有机碳含量-活性有机碳含量

以荒漠草地土壤为参考土壤，计算荒漠草地沙漠化过程中土壤碳库管理指数(carbon management indicator,CMI)[6]：

1.3 数据分析

利用SPSS 19.0软件进行数据统计与分析，采用单因素方差分析(One-Way ANOVA)和最小差异法(LSD)分析不同沙漠化阶段各变量的差异显著性(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同沙漠化阶段荒漠草地活性有机碳含量变化

草地沙漠化对土壤易氧化有机碳含量影响显著(图1a)。荒漠草地0～30 cm 3个土层土壤易氧化有机碳含量均显著高于半固定沙地和流动沙地。与荒漠草地相比，固定沙地、半固定沙地和流动沙地0～30 cm土层土壤易氧化有机碳含量损失量分别为36.1%、49.5%和46.3%。随着土层深度的增加，不同沙漠化阶段草地土壤易氧化有机碳含量未表现出一致性规律。荒漠草地和流动沙地土壤易氧化有机碳均在0～10 cm土层含量最高，固定沙地为10～20 cm土层含量最高，半固定沙地在20～30 cm土层含量最高。

表1 不同沙漠化阶段土壤有机碳含量Table 1 The content of soil organic carbon in different desertification stages (g·kg-1)

荒漠草地沙漠化过程中土壤溶解性有机碳含量差异显著(图1b)。荒漠草地和固定沙地0～30 cm 3个土层土壤溶解性有机碳含量均显著高于半固定沙地和流动沙地。固定沙地、半固定沙地和流动沙地0～30 cm土层土壤溶解性有机碳含量分别比荒漠草地下降22.3%、52.4%和56.8%。土壤溶解性有机碳含量在土壤剖面的分布未表现出一致性规律，荒漠草地和流动沙地土壤溶解性有机碳均在20～30 cm土层含量最高，固定沙地土壤溶解性有机碳在0～10 cm土层最高，半固定沙地土壤溶解性有机碳在10～20 cm土层含量最高。

图1 不同沙漠化阶段土壤活性有机碳变化特征Fig.1 The content of labile organic carbon at differentdesertification stages G: 荒漠草地Desert grasslands; FD:固定沙地Fixed dunes; SFD: 半固定沙地Semi-fixed dunes; MD:流动沙地Mobile dunes.大写字母表示同一土层不同沙漠化阶段在P<0.05水平差异显著；小写字母表示同一沙漠化阶段不同土层在P<0.05水平差异显著。Different capital letters meant significant difference (P<0.05) among different desertification stages in the same layer, and different small letters meant significant difference among different soil layers at the same desertification stage at P<0.05 level.下同The same below.

2.2 荒漠草地沙漠化过程中土壤活性有机碳分配比例变化

荒漠草地不同沙漠化阶段0～30 cm土层土壤易氧化有机碳分配比例为20.8%～31.2%(图2a)。随着草地沙漠化程度加剧，土壤易氧化有机碳分配比例呈先降低后升高趋势，半固定沙地值最低。半固定沙地0～10 cm土层土壤易氧化有机碳分配比例显著低于荒漠草地和流动沙地。荒漠草地和流动沙地20～30 cm土层土壤易氧化有机碳分配比例显著高于固定沙地和半固定沙地。随着土层深度的增加，荒漠草地、半固定沙地和流动沙地呈先降低后升高趋势，固定沙地呈减小趋势。荒漠草地各土层间差异显著，而固定沙地、半固定沙地和流动沙地各土层间差异不显著。

荒漠草地不同沙漠化阶段0～30 cm土层土壤溶解性有机碳分配比例为0.6%～1.0%(图2b)。随着草地沙漠化程度加剧，土壤溶解性有机碳分配比例亦与土壤易氧化有机碳分配比例变化趋势相同。半固定沙地和流动沙地0～10 cm土层土壤溶解性有机碳分配比例显著低于固定沙地。荒漠草地20～30 cm土层土壤溶解性有机碳分配比例显著高于固定沙地和半固定沙地。随着土层深度的增加，荒漠草地呈先降低后升高趋势，20～30 cm土层土壤溶解性有机碳分配比例显著高于0～10 cm和10～20 cm土层；固定沙地和半固定沙地呈下降趋势；流动沙地呈升高趋势，各土层间差异不显著。

与易氧化有机碳和溶解性有机碳损失量相比，固定沙地、半固定沙地和流动沙地0～30 cm土层土壤易氧化有机碳分配比例和溶解性有机碳分配比例的变幅较低，分别减少11.5%、16.1%、44.5%和12.8%、14.7%、35.4%。可见，随着荒漠草地沙漠化程度的增加，土壤活性有机碳含量的差异较大。

图2 不同沙漠化阶段土壤活性有机碳分配比例的变化特征Fig.2 The proportion of labile organic carbon at different desertification stages

2.3 荒漠草地不同沙漠化阶段土壤碳库活度与土壤碳库管理指数

随着荒漠草地沙漠化程度加剧，易氧化有机碳活度(A)变化与易氧化有机碳分配比例一致(图2a，表2)。随荒漠草地沙漠化程度加剧，0～30 cm土层和各土层碳库活度指数(AI)均表现出先降低后升高趋势，均在半固定沙地达到最小值。0～30 cm土层和各土层碳库指数(CPI)均随荒漠草地沙漠化程度加剧呈减小趋势，不同沙漠化阶段差异不显著。0～30 cm土层和各土层碳库管理指数(CMI)均随荒漠草地沙漠化程度加剧表现出先降低后升高趋势。随着土层深度的增加，不同沙漠化阶段AI和CMI均呈先升高后降低趋势，均在10～20 cm土层达到最大值。固定沙地和半固定沙地CPI随土层深度的加深呈升高趋势，而流动沙地表现出相反的趋势。

随着荒漠草地沙漠化程度加剧，溶解性有机碳活度(A)变化与溶解性有机碳分配比例一致(图2b，表2)。随荒漠草地沙漠化程度加剧，0～30 cm土层AI、CPI和CMI均呈下降趋势，固定沙地CMI显著高于半固定沙地和流动沙地。随沙漠化程度加剧，0～10 cm土层的AI表现出降低趋势，而CPI和CMI呈先降低后升高趋势；10～20 cm土层的AI和CPI呈下降趋势，而CMI表现出先下降后上升趋势；20～30 cm土层的AI和CMI呈先降低后升高趋势，而CPI呈下降趋势。随着土层深度的增加，不同沙漠化阶段AI和CMI均表现为下降趋势。固定沙地和半固定沙地CPI随土层深度的增加呈升高趋势，20～30 cm土层CPI显著高于0～10 cm土层；流动沙地CPI表现为下降趋势，且各土层间差异不显著。

2.4 土壤易氧化有机碳与溶解性有机碳对土壤碳库的表征作用

易氧化有机碳、溶解性有机碳与土壤有机碳相关性表明(表3)，易氧化有机碳、溶解性有机碳均与土壤有机碳显著正相关，溶解性有机碳与土壤有机碳的相关系数略高于易氧化有机碳。

易氧化有机碳、溶解性有机碳含量的敏感指数及利用易氧化有机碳、溶解性有机碳计算的碳库活度的敏感指数、碳库管理指数的敏感指数分析表明(图3)，固定沙地易氧化有机碳敏感指数、活度敏感指数和管理指数的敏感指数均高于溶解性有机碳；流动沙地溶解性有机碳敏感指数、活度敏感指数和管理指数的敏感指数均高于易氧化有机碳。半固定沙地10～20 cm、20～30 cm和0～30 cm土层溶解性有机碳含量敏感指数高于易氧化有机碳；0～10 cm、20～30 cm和0～30 cm土层易氧化有机碳活度敏感指数高于溶解性有机碳；10～20 cm和0～30 cm土层溶解性有机碳管理指数的敏感指数高于易氧化有机碳。

表3 易氧化有机碳、溶解性有机碳与土壤有机碳的相关性Table 3 Correlation among readily oxidizable carbon,dissolved organic carbon and soil organic carbon

*P<0.05; **P<0.01.

图3 不同沙漠化阶段和土层深度的易氧化有机碳和溶解性有机碳的敏感指数Fig.3 The sensitivity index of readily oxidizable carbon and dissolved organic carbon at different desertification stages and soil layersFD:固定沙地Fixed dunes; SFD: 半固定沙地Semi-fixed dunes; MD:流动沙地Mobile dunes. ROC:易氧化有机碳Readily oxidizable carbon; DOC：溶解性有机碳Dissolved organic carbon.

3 讨论

易氧化有机碳(readily oxidizable carbon, ROC)处于松结合态复合体中或以游离态形式存在，是土壤有机碳中周转最快的组分，是土壤有机碳库变化的重要警示指标[20-21]。植被类型、细根和粗根植物分布等的不同使得土壤有机碳数量和质量返还程度不同，同时，自然环境、微生物及土壤酶活性影响有机碳的分解和迁移，因此，不同土地类型土壤易氧化有机碳含量差异显著[22-23]。干旱半干旱区荒漠草地本身是一种不稳定的生态系统，随着草地沙化程度的加剧，荒漠草地发生负向演替。地上植被通过调节自身的适应性，中亚白草，苦豆子及牛枝子等较大型草本植物消失，沙蓬等小型单一耐旱型植物逐渐成为优势种，地表覆盖度从80%降为20%，枯落物数量减少，同时，细根系生物量及分泌物减小，降低易氧化有机碳的补给[24]。在以风蚀为驱动的荒漠草地，随着地上植被覆盖度的减小，表面结合养分的颗粒物质流失[25]，土壤微生物数量、微生物生物量和土壤酶活性递减[26]，减小土壤易氧化有机碳输入。

溶解性有机碳(dissolved organic carbon, DOC)主要来源于植物凋落物、土壤腐殖质、微生物和根系及其分泌物，与土壤有机碳、微生物生物量是最普遍的依赖关系[12,27]。放牧干扰和风蚀是造成干旱半干旱地区荒漠草地沙漠化的主要因素[28-29]，也是造成溶解性有机碳含量随沙漠化程度加剧而递减的主要原因。一方面，随着放牧干扰程度的增加，适口性植被群落逐渐消失，植被覆盖面积减小[16]。宁夏中北部极度沙漠化的荒漠草地植被地上、地下生物量较轻度沙漠化草原降低94%和97%，同时，随着沙漠化程度的加剧，植物根冠比变化范围为2.01～0.58[30]，减弱了土壤溶解性有机碳输入的多条途径。另一方面，土壤不同粒径的颗粒物质对土壤有机质的作用不同，其中黏粒和粉粒表面与土壤有机质结合的活性位点较多，对土壤物理吸附作用强[31-33]。但风蚀有选择性地吹蚀土壤黏粒和粉粒。宁夏荒漠草地发生逆向演替过程中，流动沙地土壤黏粒和粉粒含量较荒漠草地降低了98.1%和74.4%[34]，土壤结构的改变造成土壤溶解性有机碳的流失。

碳库管理指数(CMI)是反应土壤碳库动态变化的量化指标[6,35]，碳库管理指数的增减能够有效表明土壤管理措施、环境变化等对土壤碳库质量和恢复的影响[36]。本研究发现，利用易氧化有机碳和溶解性有机碳计算的土壤碳库管理指数随荒漠草地沙漠化程度的增加整体均呈下降趋势，与邱莉萍等[37]、蒲玉琳等[15]研究结果相似。利用易氧化有机碳和溶解性有机碳计算的流动沙地的土壤碳库管理指数较荒漠草地下降了46.1%和73.7%，表明草地沙漠化严重降低土壤质量，同时随着荒漠草地沙漠化程度的加剧土壤恢复和更新能力减弱。

易氧化有机碳和溶解性有机碳均为土壤活性有机碳，易受土地利用方式、植被类型、温度、湿度等影响[38-39]，可作为土壤肥力和土壤质量及其持续性评价的有效参数，是土壤潜在生产力和土壤管理措施变化引起土壤有机质变化的早期预警指标[40]。Oliveira等[41]比较土壤活性有机碳不同指标对土地利用变化土壤碳库变化表征作用发现，易氧化有机碳能够较全面的评价土壤碳库的变化；蔡太义等[42]研究表明易氧化有机碳足以表征人为管理对土壤碳库的影响。但本研究发现，易氧化有机碳能够较好地表征荒漠草地沙漠化前期土壤碳库的变化，荒漠草地沙漠化中期和后期利用溶解性有机碳表征效果更好。从荒漠草地沙漠化过程中易氧化有机碳和溶解性有机碳的损失变化量而言，与荒漠草地相比，固定沙地易氧化有机碳的损失量高于溶解性有机碳，半固定沙地和流动沙地溶解性有机碳损失量高于易氧化有机碳。比较易氧化有机碳和溶解性有机碳与土壤有机碳相关性发现，溶解性有机碳与土壤有机碳的相关系数略高于易氧化有机碳。比较易氧化有机碳和溶解性有机碳含量、活度和碳库管理指数的敏感指数表明，在固定沙地阶段，易氧化有机碳各项敏感指数均高于溶解性有机碳，半固定沙地和流动沙地阶段，溶解性有机碳各项敏感指数均高于易氧化有机碳。土壤有机碳损耗量的23.2%～43.8%是由于溶解性有机碳的淋溶[43]，而干旱与半干旱地区缺雨少水大大减少了土壤溶解性有机碳的损失，因此，溶解性有机碳能较好地存留在土壤中，对土壤碳库变化的表征作用更好。