耕作干扰下喀斯特土壤有机碳损失主要途径及其影响因素

2019-04-18叶莹莹肖霜霜王克林陈洪松张伟

农业现代化研究 2019年2期

叶莹莹，肖霜霜，王克林，陈洪松，张伟

（1.中国科学院亚热带农业生态研究所，亚热带农业生态过程重点实验室，湖南长沙 410125；2. 中国科学院环江喀斯特生态系统观测研究站，广西环江 547100；3. 中国科学院大学，北京 100049；4. 广西师范学院，北部湾环境演变与资源利用教育部重点实验室，广西南宁 530001）

土壤有机碳（SOC）动态是全球碳循环的主要组成部分，其源/汇过程管理对大气CO2浓度变化具有重要影响[1]。土地利用变化是导致土壤碳源/汇过程转变最主要的人为驱动因子。其中，自然生态系统转变为农田后，会引起土壤结构破坏、土壤侵蚀、养分流失和SOC损失等一系列不利影响，因而受到广泛关注[2-4]。以往的研究表明，大部分的SOC损失均发生在土地开垦耕作后的前7～10年，平均损失量为开垦前的20%～30%左右[5]。土地开垦可引起局部小气候、土壤理化性质、水分运移等一系列过程和功能的改变[6]，从而直接或间接作用于SOC的生物地球化学循环。土壤团聚体作为土壤结构的基本单位，控制着土壤中水、气的运移，影响土壤的物理、化学和生物特性，与上述土壤要素和过程的关系非常密切。并且，土壤团聚体可闭蓄SOC，使之免受微生物和酶的分解，从而得以保存[7]。但是，土壤团聚体对土地利用变化的响应十分敏感[7]。耕作扰动引起的物理破碎作用以及土壤干湿交替过程的加剧会导致土壤团聚体结构破坏、稳定性降低[8-9]，使得土壤团聚体对SOC的物理保护作用减弱，亦会加剧土壤侵蚀和养分流失，是SOC损失的关键驱动因子。

喀斯特地貌广泛分布于我国西南部，其特殊的地质背景和强烈的岩溶作用，形成地表地下二元结构，地表水大量渗漏，土层浅薄，生态系统极其脆弱，加上近现代人类不合理的土地利用，石漠化问题严重[10-11]。石漠化在宏观上表现为植被退化后水土流失与生态系统服务功能的丧失，在微观上表现为土壤养分丢失和营养元素生物地球化学过程的改变[12]。前期研究表明，喀斯特原生土壤的有机碳含量显著高于同地区红壤[13]，然而随着石漠化程度增加，退化生态系统SOC含量急剧降低[14-16]。原生喀斯特土壤开垦两年后SOC丢失率达42%[17]。然而，峰丛洼地径流小区的产流率却很小（＜ 5%），土壤水分、养分的地表流失过程并不发育[18-19]。SOC的去向、损失途径、主要影响因素及其相关驱动机制等关键科学问题仍缺乏清晰认识，严重影响喀斯特脆弱生态系统保育和石漠化防治。

针对以上问题，本研究基于不同频率翻耕处理的原位控制试验，以土壤团聚体为切入点，通过连续监测土壤CO2排放和可溶性有机碳（DOC）淋失/流失通量等碳循环关键过程变化，明确SOC损失的主要途径，探讨SOC损失的主要影响因素，以期为喀斯特地区生态保护和有限土地资源的可持续利用提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验区位于广西壮族自治区环江毛南族自治县中国科学院环江喀斯特生态系统观测研究站木连综合试验区（24°43′～24°44′N，108°18′～108°19′E），属于中亚热带季风气候区；全年无霜期300～330 d；年均气温19.9 ℃，极端高温38.7 ℃，极端低温-5.2 ℃；年均降雨量1 380 mm，降水丰富但季节分布不均，主要集中在5月至9月，该段时间降雨量占全年降雨量的70%以上。研究区为典型的喀斯特峰丛洼地，海拔高度272～647 m，洼地、坡地平均基岩裸露率分别为15%和30%，土层深度分别为20～160 cm和10～50 cm。研究区土壤由白云岩发育而成，土壤为黏壤土和黏土，土壤pH值呈中性至微碱性。

1.2 试验设计

结合前期调查，2013年12月，在试验站内选取人为扰动较小的灌丛样地设置耕作扰动原位控制试验。该样地位于一处西北朝向山坡的坡脚，地势平缓，坡度接近于零，其上原始植被为灌木丛，优势种为三对节（Clerodendrum serratum）、八角枫（Alangium chinense）和千里光（Senecio scandens）等。试验样地面积为7 m×40 m。将地上植被移除后，该样地被划分为四个区组，每个区组包含5个规格为2 m×2 m的小区，共计20个小区。各小区四周用2 m长、0.5 m高的PVC板隔断、焊接，PVC板地下埋深为30 cm，以阻隔相邻小区土壤侧向的水分和养分流动；地上出露20 cm，以阻断地表径流；各小区地表均保留一个直径约10 cm的开口并用PVC管引流，下方用密封盒承接，以收集小区内地表径流和侵蚀泥沙。每个区组均按照不同翻耕频率随机设置5个处理：免耕（T0），每隔6个月（T1）、4个月（T2）、两个月（T3）和一个月（T4）翻耕一次，模拟不同翻耕干扰强度。微区内安插模拟仿真植物代替农作物（玉米），简化试验影响因素，消除试验过程中作物根际分泌对SOC动态和土壤呼吸的影响，从而更明确地研究团聚体破坏后SOC损失过程和机制。土壤扰动方式为该地区普遍采用的手动翻耕，翻耕深度为0～15 cm，第一次翻耕处理时间为2014年6月28日。

1.3 样品采集与分析方法

分别于翻耕处理实施前（2014年6月27日）和翻耕处理实施一年后（2015年7月9日）采集表层（0～10 cm）混合土壤样品和原状土壤样品。在每个小区随机选取5个点，使用内径为5 cm的土钻分别采集土壤样品并混合均匀，即为混合土壤样品。剔除土样中可见的凋落物和根系，于室内风干后磨细，过0.149 mm（100目）筛，用密封袋保存，留用分析。原状土样采集与处理方法为：用铁铲小心地铲取一块完整的方形土壤样品（深0～10 cm），置于密封盒中，以避免在保存和运输过程中受到外力挤压；回到实验室后，将其晾放在牛皮纸上，待土壤含水量约降低至土壤可塑线时，沿土壤自然节理轻轻地将土样掰成小块，使之全部可以通过8 mm筛；于室内风干后，存于密封盒内，留用分析。

气体样品的采集采用原位静态箱法，分别于每月翻耕处理实施前1 d和实施后第1、3、5、7 d进行。采样时间为早上9点到10点，该时间段内测定的土壤气体排放速率可代表日均排放速率[20]。每次采样每个小区共抽取五次样品，采样间隔为15 min。气样的采集使用100 ml的注射器。采样前，先用注射器抽取箱内的气体，并注回箱体，如此反复几次，从而使箱内气体混合均匀。随后，抽取30 ml气体，注入15 ml样品瓶中保存，留用分析。土壤淋溶水通过淋溶盘收集，并储存在埋于地下约70 cm处的密封盒中，通过抽提装置定期采集淋溶水样。该设计使淋溶水的收集及储存均在地下完成，而地下的低温环境有利于淋溶水的储存。淋溶水的采集频率为每月一次（于每月翻耕当日进行）。采样时，记录淋溶水的总体积并取100 ml带回实验室，置于-18 ℃冰箱冷冻保存，以待分析。虽然本试验跟踪降雨开展了地表径流的采集和分析工作，但是地表径流的产流量很小，未在文中展示。

土壤水稳性团聚体的分离采用干筛后再湿筛的方法[21]。取500 g左右风干后过8 mm筛的土样，置于一组直径为20 cm、孔径从上至下依次为5 mm、2 mm、1 mm、0.5 mm、0.25 mm和0.053 mm的套筛（附有底和盖）上，以1.5 mm的振幅筛3 min（AS 200；Retsch，Germany）。分别收集各级筛子上的团聚体，称重并计算其所占重量百分比。按此配比称取4份质量为50 g的土样，在湿筛仪上进行湿筛分析。先将孔径为5 mm，2 mm，1 mm，0.5 mm，0.25 mm，0.053 mm的套筛用铁架夹住放入水桶中。再将称好的50 g的土样小心放入最上面的筛子上，沿桶壁徐徐加水，至土样湿润逐渐达到饱和（驱除团聚体中闭塞的空气），湿润5 min。以3 cm的振幅、30次/min的频率上下震动套筛30 min。收集各级筛子上的团聚体至铝盘中，于60 ℃烘干后称重并计算其重量百分比，即得到水稳性团聚体的粒级分布。

混合土样SOC含量采用重铬酸钾氧化——外加热法[21]测定，气体样品CO2含量采用气相色谱分析法（Agilent 7890A GC，安捷伦，美国）测定，淋溶水中DOC含量采用总有机碳分析仪（TOC-V WP，岛津，日本）测定，淋溶水中钙（Ca）和镁（Mg）离子含量采用原子吸收光谱仪（Avanta M，GBC，澳大利亚）测定。

1.4 土壤温度和湿度监测方法

土壤温度动态利用纽扣式温度记录仪（iButton，DS1990A-F5；Maxim Integrated，美国）监测，埋设深度为地表以下5 cm，监测频率为每小时（前期为每半小时）一次。土壤湿度的测定采用鲜土烘干法。每隔一个月，用铝盒采集0～10 cm深度处的土壤样品，称取鲜土重后于105 ℃烘干至恒重，再称取烘干土的重量，计算可得土壤重量含水量。

1.5 数据分析与处理

利用Excel 2010和SPSS 22.0（芝加哥，美国）进行数据处理和统计分析，利用SigmaPlot 12.0（芝加哥，美国）和Excel 2010绘制图表。数据统计分析前进行正态分布和方差齐次性检验，利用t-检验分析翻耕处理一年后SOC含量和各粒级团聚体变化的显著性，利用单因素方差分析（ANOVA）统计各处理间观测指标的差异，利用Duncan检验进行多重比较，利用Pearson相关分析探讨各影响因子对SOC损失的影响。

2 结果与分析

2.1 翻耕处理对土壤有机碳含量的影响

翻耕处理施加之前（2014年6月），SOC含量约为37.2 g/kg，处理实施一年后，所有翻耕处理表层SOC含量均显著降低，对照处理（T0）无显著变化（图1）。各翻耕处理SOC损失量分别为处理前本底的24.5%（T1），15.4%（T2），20.0%（T3）和 27.6%（T4）。方差分析结果表明，翻耕处理SOC损失率均显著高于免耕处理，且随翻耕频率增加，SOC损失率有增加趋势，T2和T4处理之间差异显著。

2.2 翻耕处理对土壤CO2排放和DOC淋失通量的影响

图1 不同翻耕处理中SOC含量在一年间的变化率Fig. 1 The percentage of soil organic carbon (SOC)concentration change relative to the initial SOC concentration under different tillage treatments after 1 year

所有翻耕处理土壤CO2年排放总量均显著高于对照免耕处理，各处理土壤CO2排放总量分别为7.02（T0）、7.56（T1）、7.59（T2）、8.68（T3）和 9.15（T4）mg/(hm2·yr)（图2）。土壤CO2年排放总量随翻耕频率增大显著增加，表现为 T0 ＜ T1、T2 ＜ T3、T4。翻耕对土壤DOC淋失总量具有显著影响（图2）。对照T0处理DOC淋失总量显著低于翻耕处理。不同翻耕处理间，T4处理DOC年淋失总量显著低于T1和T3处理。

图2 SOC损失量及分别以CO2排放和DOC淋失形式损失的碳通量Fig.2 Total SOC loss and carbon loss via CO2 f uxes and DOC leachates

单位面积SOC年损失量、土壤CO2年排放总量和土壤DOC年淋失总量对比分析结果表明，对照免耕处理SOC损失量与CO2年排放量大致持平。各翻耕处理土壤CO2排放碳分别占SOC损失的25.6%（T1），34.2%（T2），35.5%（T3）和 22.7%（T4）（图2）。土壤以DOC形式淋失的碳仅占SOC损失量的0.05%～0.10%。可见，对于免耕处理，土壤CO2排放是SOC损失的主要途径。而翻耕后土壤CO2排放仅是SOC损失的主要途径之一，翻耕后存在其他重要的土壤碳损失途径。

2.3 翻耕处理对土壤温湿度的影响

土壤温湿度的监测结果显示：5 cm深度处的土壤日均温度在不同处理之间差异不显著；受降雨季节分布的影响，各处理中表层土壤含水量旱季较低、雨季较高，不同处理之间差异在各月份均不显著（图 3）。

图3 不同处理表层土壤日均温度和各月含水量变化动态Fig. 3 Dynamics of daily mean soil temperature and monthly water content of surface soil.

2.4 翻耕处理对土壤团聚体结构的影响及其与土壤碳损失的关系

翻耕处理显著改变了土壤团聚体粒级分布特征，导致5～8 mm粒级团聚体含量减少，2～5 mm粒级团聚体显著增加，小于2 mm粒级团聚体变化不显著（图4）。对照处理各粒级团聚体均无显著变化（图4）。各翻耕处理间，5～8 mm团聚体损失量随翻耕频率增大显著增加，2～5 mm团聚体增加量无显著差异（图4）。

土壤CO2排放速率与5～8 mm粒级团聚体的含量呈显著的负相关关系，与2～5 mm粒级团聚体的含量呈显著的正相关关系，而与＜ 2 mm粒级团聚体的含量则无显著相关性（表1）。

3 讨论

3.1 耕作扰动下喀斯特土壤有机碳的主要损失途径

图4 不同粒级团聚体占土壤重量百分比在一年间的变化量Fig. 4 Net changes in proportional aggregate weights (%) of different size fractions as tilled at different frequencies for 1 year

表1 处理一年后各级土壤团聚体质量百分比与土壤CO2排放速率的相关性Table 1 Relationships between proportional aggregate weights (%) of different size fractions and CO2 f uxes after 1-year treatments.

SOC是土壤微生物的关键能量来源，微生物分解利用SOC并释放CO2是SOC损失的一个重要途径；另外，土壤水分入渗或地表径流运移携带一部分DOC，也会导致SOC的淋失或流失[22,23]。耕作扰动破坏土壤结构[24]，一方面会导致团聚体对SOC的物理保护作用减弱，加速SOC的损失；另一方面会增加土壤孔隙度和土壤表面的粗糙度[25]，改变土壤水文过程，土壤DOC可能随优先流快速损失。我们的研究结果显示，试验实施一年后，各翻耕处理SOC损失量均达到显著水平，损失量为翻耕前本底的15.4%～27.6%（图1），与我们前期的研究结果一致[17]，也与全球其他地区的研究结果一致[5,26-27]。不同的是，我们的研究发现，喀斯特土壤对翻耕的响应更为迅速，远短于全球平均7～10年的响应期[5]。翻耕后土壤CO2排放是翻耕后SOC损失的重要途径，但是仅能解释22.7%～35.5%的SOC总损失量（图2），说明翻耕后存在其他重要的土壤碳丢失途径。在岩溶作用下以HCO3-形式淋失可能是喀斯特地区SOC丢失的另一重要途径。喀斯特生态系统在CO2和水的驱动下，存在如下岩溶过程平衡：

或

SOC矿化使土壤CO2浓度增加，驱动该反应向右进行，使土壤中的CO2转化为HCO3-，地表CO2排放减少而地下HCO3-淋失增加[28-29]。本研究对土壤Ca2+、Mg2+淋失通量的监测结果显示：翻耕处理下，Ca2+、Mg2+年淋失总量均与SOC年损失量呈显著正相关关系，并且SOC的年变化量对Ca2+、Mg2+年淋失量的解释率分别为63.9%和58.0%（图5）。由此可知，翻耕导致SOC矿化产生CO2，但其中一部分CO2与土壤中的碳酸盐反应形成HCO3-、Ca2+和Mg2+，而未能释放到大气中。因而土壤以CO2形式释放碳和岩溶作用下无机碳淋失均为土壤碳丢失的重要途径。

3.2 耕作扰动下喀斯特土壤有机碳损失的影响因素

图5 钙（a）、镁（b）离子的淋失总量对SOC减少量的响应Fig. 5 The responses of Ca2+ (a) or Mg2+ (b) leaching amounts to SOC losses

耕作干扰通过改变土壤多个要素或过程直接或间接导致SOC损失，包括土壤环境变化（水分、温度、透气性等）、土壤物理结构改变（团聚体结构、颗粒组成等）、土壤侵蚀等[6]。植被覆盖在生态系统退化/恢复过程中发挥着重要作用，可以在短时间内被人类活动迅速改变[30]。在较大的干扰压力下，原生植被丧失的同时，冠层对降雨的截流作用，凋落物层对径流的抑制和对水分的涵养功能也随之削弱或丧失，侵蚀和矿化作用加剧，SOC减少[30-31]。植被退化和土壤扰动可显著改变生态系统光热条件，导致土壤水分、温度以及微生物活性的变化，加速SOC分解矿化[32]。然而，我们的研究发现耕作处理对土壤温度和含水量没有显著影响（图3）。同时本研究设置的地表径流和侵蚀泥沙收集装置所收集到的径流和泥沙样品极少（忽略不计），说明土壤侵蚀及土壤矿化环境的变化并不是SOC损失的主要途径或机制。翻耕导致的5～8 mm粒级团聚体破碎与土壤CO2排放速率显著相关（表1）。这与Curtin等[33]的结果一致，该研究发现当土壤团聚体粒径小于3 mm时，SOC矿化速率显著增加。翻耕后SOC迅速矿化损失可能与土壤结构破坏、受团聚体物理保护的闭蓄态SOC暴露后可被微生物迅速矿化利用有关。

喀斯特地区石灰（岩）土独特的高Ca（Mg）、高pH的土壤环境特征决定了其土壤碳循环过程有别于其他地区。魏亚伟等[34]在本区域的研究发现，土壤团聚体有机碳的矿化速率随粒级的增大而降低。Bimüller等[35]在德国石灰岩发育的土壤中也有类似的发现：单位重量的大团聚体（2～6.3 mm）释放的CO2小于小团聚体（＜ 2 mm）。多价阳离子（Ca2+，Mg2+等）可以桥接粘粒矿物和SOC形成有机无机复合体，促使颗粒态有机碳（POC）和矿物结合态碳（MAOC）组分在＞5 mm大团聚体中积累，对输入土壤的有机质具有重要的稳定和保护作用[36-37]。此外，土壤团聚体切片微形态电子成像结果显示，与不含碳酸盐的土壤相比，喀斯特土壤团聚体基质中不规则地分布有方解石结晶，孔隙结构较差，使得大团聚体闭蓄态有机碳难以矿化[38]。而翻耕破坏了喀斯特土壤大团聚体（5～8 mm），使其中闭蓄态有机碳暴露后被微生物迅速利用，导致SOC矿化丢失。

综上所述，土壤团聚体保护对喀斯特SOC固持有重要意义，该地区生态恢复应以自然恢复或人为干扰较小的近自然恢复为主，土地利用应以免耕、少耕的保护性种植为宜，也可结合相关土壤结构改良措施以促进团聚体的形成，提升SOC固持能力，促进退化生态系统恢复和有限土地资源的可持续利用。