滇中尖山河小流域不同土地利用类型土壤活性有机碳分布特征

张华渝, 王克勤, 宋娅丽, 赵洋毅, 陈 雪

(西南林业大学 生态与水土保持学院, 昆明 650224)

土壤有机碳作为土壤肥力的重要组成部分，不仅是表征土壤质量演变的重要指标[1]，而且是植被生长的碳源，对土壤结构的形成、土壤持水性、缓冲性、生物多样性及稳定性等产生重大影响[2]。土壤活性有机碳是土壤有机碳的活性部分，被认为是土壤中易被土壤微生物分解矿化、有效性较高，对土壤养分的供给、土壤微生物活性以及作物的生长有最直接作用的有机碳[3]。土壤活性有机碳的组分根据测定方法的不同可表述为微生物量有机碳、易氧化有机碳、可溶性有机碳，它们均可在不同程度上反映土壤有机碳的有效性和土壤质量。虽仅占土壤有机碳的一小部分，但土壤活性有机碳易被生物直接利用、周转较快，直接参与土壤生物化学转化过程，对土地利用变化最敏感，并在指示土壤有机碳的有效性、土壤质量和肥力的变化时比有机质更灵敏、更准确[4-5]。因此，深入研究土壤活性有机碳各组分的动态变化特征，对调控土壤养分流失、维持土壤肥力以及完善碳循环的动态平衡机制具有十分重要的意义[6]。

近年来，国内外对于土壤活性有机碳的研究多集中于不同生态系统中，尤其是不同林分[7]、不同林龄[8]、不同海拔[9]、以及地下根系[10]等对森林生态系统土壤不同形态活性组分的影响，以及秸秆还田[11]、耕作方式[12]、施肥措施[13]等农田管理措施对农田生态系统土壤活性有机碳的影响。但从不同土地利用类型的角度研究滇中尖山河小流域不同土地利用类型对土壤活性有机碳组分分布的影响报道较少。云南省属于我国水土流失二级敏感区，雨季(每年5月—10月)雨量充沛，不但影响着农业生产，而且关系到土壤退化、化肥利用率低，水土富营养化等生态环境问题[14]。尖山河小流域土地利用方式多变，土壤类型多样，且在雨季尤其是暴雨条件下土壤侵蚀较为严重。因此，本研究选择滇中尖山河小流域坡耕地、荒草地、林地、园地4种不同土地利用类型，研究不同土地利用类型对不同土层(0—10，10—20，20—30 cm)土壤有机碳(SOC)、微生物有机碳(MBC)、易氧化有机碳(EOC)及可溶性有机碳(DOC)分布特征及其相关性的影响，旨在深入了解不同土地利用类型对土壤活性有机碳积累以及淋溶与流失的影响作用，以期为该流域土壤活性有机碳组分及土壤碳循环研究提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区地处玉溪市澄江县西南部，位于北纬24°32′00″—24°37′38″，东经102°47′21″—102°52′02″；最高海拔在流域北部，为2 347.4 m，最低海拔在尖山河入抚仙湖的入口处，为1 722 m，相对高差625.4 m。小流域多年平均降雨量1 050 mm，雨季为5月下旬—10月下旬，降雨量占全年总降雨量的75%，旱季为11月上旬—次年5月中旬，降雨量占全年降雨量的25%。流域内的土壤主要是红紫泥土和红壤，红紫泥土主要分布在尖山大河上游河道顺流左岸方向；红壤分布在尖山大河顺流右岸，其中石灰岩红壤分布在带头村附近、五尺埂至岔河；玄武岩红壤分布在流域东部李头村附近；尖山大河河床两岸均为紫泥土。

1.2 土壤样品采集与测定

根据滇中尖山河小流域特点，选取具有代表性的坡耕地、荒草地、林地、园地4种土地利用类型分别布设面积为20 m×20 m的标准样地。坡耕地：流域内传统的种植方式，种植作物有烤烟、玉米、豌豆等，覆盖度20%～30%；荒草地：由坡耕地弃耕撂荒而形成，地面植被为生长的杂草，无乔木和灌木，覆盖度<5%；林地：近年来该地区大力进行流域综合治理，在退耕还林政策带动下农户将大部分坡耕地改为林地，主要种植云南松、华山松，林间伴生有灌木、草本、果树等，覆盖度48%；园地：在政策支持下，农户将一部分区域承包用来种植经济作物，主要为杨梅种植园，覆盖度60%～70%。

于2017年9月，对4种不同土地利用方式下的土壤进行取样。每种土地利用方式分别设置3个重复样地(样地面积为20 m×20 m)，每个样地相距50～100 m，在样地中随机设置5个采样点。用挖剖面法在各采样点按0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm分层取样，并用四分法取出足够的样品，除去砾石跟根系；每层用环刀法测定土壤容重并做3个重复。土样带回实验室后去杂、过2 mm钢筛后置于通风、阴凉、干燥的室内风干，磨细并过筛测定土壤有机碳(SOC)、微生物量有机碳(MBC)、易氧化有机碳(EOC)、可溶性有机碳(DOC)等指标。表1为4种土地利用方式下土壤的理化性质。

土壤有机碳采用重铬酸钾外加热法[15]测定；土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸法测定[16]；土壤易氧化碳采用高锰酸钾氧化一比色法测定[17]；土壤可溶性有机碳采用水浸提法，滤液采用岛津公司TOC-V有机碳分析仪测定[18]。

1.3 数据统计与分析

利用Excel 2010和SPSS 22.0软件对数据进行数据处理和图表分析，采用单因素方差分析(One-Way ANOVA)检验不同土地利用类型或不同土层下土壤各组分有机碳的差异性，采用双因素相关分析(Two-Way ANOVA)检验不同土地利用方式与不同土层的交互作用下土壤各组分有机碳的差异性，并用Person相关分析土壤各组分有机碳之间的相关性。

表1 不同土地利用类型土壤基本理化性质

2 结果与分析

2.1 不同土地利用类型土壤有机碳分布特征

林地和园地各土层SOC均随着土层深度的增加而降低(图1)，呈现出明显的垂直递减性；0—10 cm土层较10—20 cm和20—30 cm土层分别增加了67.43%和78.14%，以及114.01%和99.37%。但坡耕地与荒草地SOC随着土层深度的增加差异性不显著(p>0.05)。在不同土地利用类型下表现为园地(15.22 g/kg)>林地(12.47 g/kg)>坡耕地(8.80 g/kg)>荒草地(5.71 g/kg)，园地分别比坡耕地、荒草地和林地高73.02%，166.70%和22.02%。荒草地SOC含量显著小于其他3种土地利用类型，不同土层平均SOC含量仅分别为坡耕地、林地和园地的64.88%，45.76%和37.50%。4种土地利用类型在0—10 cm和10—20 cm土层的SOC差异性显著(p<0.05)，但坡耕地与林地在20—30 cm土层差异性不显著(p>0.05)。

注：不同大写字母表示同一土地利用类型不同土层差异显著，不同小写字母表示同一土层不同土地利用类型间差异显著(p<0.05)。下同。

图1 不同土地利用类型SOC含量

2.2 不同土地利用类型土壤微生物有机碳分布特征

随着土层深度的增加，荒草地、林地和园地土壤微生物有机碳含量(MBC)逐渐降低(图2)，但坡耕地不同土层MBC差异性不显著(p>0.05)。荒草地、林地和园地MBC在0—10 cm土层分别为10—20 cm和20—30 cm土层的1.13，1.41，1.10倍、以及1.30，1.49，1.37倍。不同土层的土壤MBC含量在不同土地利用类型下表现为园地(502.24 mg/kg)>林地(417.56 mg/kg)>坡耕地(281.73 mg/kg)>荒草地(241.16 mg/kg)，园地的平均MBC含量分别比坡耕地、荒草地和林地高78.27%，108.26%和20.28%。坡耕地、荒草地、林地和园地MBC在0～30 cm的深度内变化范围分别为264.40～308.37，210.05～273.08，353.22～526.03，415.80～571.50 mg/kg。

图2 不同土地利用类型MBC含量

2.3 不同土地利用类型土壤易氧化有机碳分布特征

与SOC和MBC趋势相同，不同土地利用类型下不同土层土壤的易氧化有机碳含量(EOC)也呈现出垂直分布的特征(图3)，即随着土层深度的增加，EOC含量总体上呈逐渐降低的趋势。林地和园地均为0—10 cm土层EOC最高，其他两层依次显著降低(p<0.05)。坡耕地和荒草地EOC含量虽随土层深度的增加而有所下降，但0—10 cm和10—20 cm差异性不显著(p>0.05)，与20—30 cm土层EOC含量差异性显著(p<0.05)。EOC主要分布在0—20 cm土层，在20—30 cm土层含量仅为0—30 cm土层总量的24.69%～29.28%。不同土层EOC在不同土地利用类型下表现为园地(3.40 g/kg)>林地(2.71 g/kg)>坡耕地(1.28 g/kg)>荒草地(0.54 g/kg)。园地的平均EOC含量分别比坡耕地、荒草地和林地高165.94%，529.84%和25.50%。

图3 不同土地利用类型EOC含量

2.4 不同土地利用类型土壤可溶性有机碳分布特征

4种土地利用类型土壤可溶性有机碳含量(DOC)总体上表现出随着剖面深度的增加而不断减小(图4)，坡耕地、荒草地、林地和园地0—10 cm土层分别为10—20 cm土层和20—30 cm土层的1.30，1.44，1.21，1.23倍、以及1.35，1.56，1.26，1.31倍。0—10 cm土层和10—20 cm土层的DOC差异性显著(p<0.05)，但10—20 cm土层和20—30 cm土层的DOC差异性均不显著(p>0.05)。不同土层的土壤DOC在不同土地利用类型下表现为园地(111.77 mg/kg)>林地(109.30 mg/kg)>坡耕地(77.62 mg/kg)>荒草地(67.62 mg/kg)，园地的平均DOC含量分别比坡耕地、荒草地和林地高43.98%，65.28%和2.26%。

图4 不同土地利用类型DOC含量

2.5 不同土地利用类型土壤活性有机碳之间的相关性

由表2可以看出，SOC与MBC，EOC，DOC成极显著正相关关系，相关系数分别为0.917，0.946，0.872。MBC和EOC，DOC存在极显著正相关关系，相关系数分别为0.978，0.930。EOC与DOC存在极显著相关关系，相关系数为0.923。即土壤有机碳、各活性有机碳组分之间均极显著相关。

表2 不同土地利用类型土壤活性有机碳的相关性

注：表中**表示在0.01水平(双侧)上显著相关。df=34。

双因素方差分析(表3)结果表明，土层深度、土地利用类型以及土层深度和土地利用类型之间的交互作用对有机碳组分的影响均极显著(p<0.01)，且土地利用类型的影响大于土层深度以及两者之间交互作用。各有机碳组分中，土壤利用类型影响最大的为MBC，其次为SOC，最小的为EOC和DOC。

表3 不同土层和不同土地利用类型对有机碳组分影响的方差分析结果

3 讨 论

土壤有机碳含量是气候因子、成土母质、地表植被以及人为作用等诸多因素综合影响下碳输出与碳输入达动态平衡的结果[19]，而土壤活性有机碳作为土壤中活性较高的那部分有机碳，对环境的变化更敏感。本研究中不同土地利用类型土壤SOC，MBC，EOC，DOC整体均表现为园地>林地>坡耕地>荒草地。这主要是不同土地利用方式的凋落物和根系分泌物数量、土壤化学组成、不同植被根系分布情况均不同所引起有机质输入的差异所导致的。林地中土壤有机碳活性有机碳含量较高是由于土壤表层形成的残体或分泌物多，大量的凋落物每年会归还给土壤，土壤表层较多的有机质供应使得微生物碳源丰富，并且适宜的水热条件有助于土壤微生物活性和植被的新陈代谢速率，凋落物分解加快，根系分泌物也增多，同时林地不受人为扰动，土壤结构适宜微生物生长，土壤活性有机碳含量较高。同样，园地(杨梅园)更新死亡的生物质会滞留原地，在微生物的降解作用下重新进入土壤[20]。而坡耕地由于常年翻耕(据调查翻耕深度在20—30 cm)增加了土壤的通透性使得土壤活性有机质矿化和分解加剧，土壤表层结构松软，根系分泌物较低，同时由于农作物收获等活动(喂养牲口或田间烧掉)使得植物内的碳移出土壤，共同导致土壤活性有机碳含量较低，水土流失严重。荒草地中由于植被覆盖率低(<5%)，土壤微生物的营养供给较低，细根转化较低，土壤结构恶化导致土壤活性有机碳含量较低。李增全等[21]在重庆市西北部缙云山不同土地利用方式下土壤微生物量碳的研究与本文的研究结果不一致，主要原因是缙云山坡耕地撂荒后，地表植被恢复为生长旺盛的多年生草本植物，为土壤微生物提供丰富的营养供给，加之根系转化速度快，土壤结构有利于土壤微生物的生长，土壤微生物有机碳较高。

本研究中，4种土地利用类型中林地和园地各土层SOC均随着土层深度的增加而降低，呈现出明显的垂直递减性，但坡耕地与荒草地随着土层深度的增加差异性不显著。坡耕地随着土层深度增加差异性不显著主要是由于坡耕地中种植烤烟、玉米或豌豆后，部分的残根留在土壤，这些农作物根系在土壤生物的作用下产生有机碳，在种植农作物时翻耕进入深层土壤使得各土层SOC差异性不显著；而荒草地则可能与植被覆盖度较低(<5%)、植被生产力以及土壤中有机质积累较低有关。不同土地利用类型MBC，EOC，DOC整体上随着土层深度的增加而逐渐降低，这是由于在土壤表层MBC，EOC，DOC显著高于其他土层是由于不同土地利用类型肥料(有机肥、复合肥)、枯枝落叶及植物残体主要在土壤表层积累，土壤表层的微生物活性在新鲜有机质的作用下得以促进；而随着土层深度的增加，新鲜有机质逐渐减少，通气性较差，土壤微生物生长活性较差。盛浩等对稻田[22]以及杨凯等对不同林龄落叶松人工林[23]的研究结果均与本研究结果一致。本研究中，MBC，EOC，DOC主要分布在0—20 cm土层，在20—30 cm土层含量较低(低于30%)，这与王晓君等[24]对岷江上游森林干旱河谷交错带不同土地利用类型土壤有机碳的研究结果一致，主要是由于随着土层深度增加，土壤有机碳驻留时间越长，其有效性越低[25]。

本研究中，SOC和MBC，EOC，DOC呈极显著正相关关系，说明土壤活性有机碳的含量在很大程度取决于土壤有机碳的含量，土壤活性有机碳既不同于有机碳但又与有机碳紧密相连，明显依赖于地表碳源的输入、固定、转化和分解。这与刘云梦[26]等对黄土台塬不同林分结构土壤有机碳质量分数特征研究的结果相一致。出现此结果的原因是土壤中的活性有机碳直接参与了土壤生物化学转化过程，土壤活性有机碳与土壤有机碳处于动态平衡中，在一定条件下实现了相互转化[27]。MBC，EOC，DOC两两之间也表现出极显著正相关，这与前人的结果相一致[28]，说明活性碳组分之间关系密切，进一步证实SOC，MBC，EOC和DOC可作为表征土壤肥力的敏感因子。由土层深度和土地利用类型的方差分析结果表明，将土壤分层和土地利用类型分别作为主效应因素来考虑，对土壤SOC，MBC，EOC，DOC的含量的影响均较高，三者均能客观地反映土壤的管理情况，能敏感和直观地指示土壤养分的变化。土壤有机碳库的微小变化均会影响到养分的循环和有效性，而本研究中结构良好、有机碳和水分含量较高的土壤(园地和林地)，能为土壤微生物活动提供优良的生境，有利于土壤微生物的生长。

综上，由于研究区坡耕地比重大，导致该地区水土流失现象严重，生态环境恶化。退耕还林以及在荒草地种植人工林可作为提高土壤有机碳含量的有效措施，不仅可减少水土流失和面源污染，起到较好的水土保持作用，同时也是改善土壤质量、恢复土壤肥力、提高碳储量以及实现该区域植被恢复重建的根本保障，必将对土壤碳储量的提高和积累以及碳循环产生积极的影响。林地有良好的调节径流和减少土壤流失的作用，但造林后土壤碳积累机制以及时空分异特征受到气候、土壤母质、水文和土地利用方式等因素的影响，今后研究应集中于控制其他因素基础上比较不同林分类型对土壤有机碳的时空动态变化研究，将有助于准确评估我国人工林的碳吸收量和吸收潜力，为全球陆地碳循环途径奠定必要的科学基础。

4 结 论

(1) 滇中尖山河小流域不同土地利用类型下土壤SOC，MBC，EOC，DOC整体均表现为园地>林地>坡耕地>荒草地，林地土壤有机碳和活性有机碳较高是由于土壤表层形成的残体或分泌物多，大量的凋落物每年会归还给土壤；园地(杨梅园)则是由于更新死亡的生物质会滞留原地，在微生物的降解作用下重新进入土壤；

(2) 不同土地利用类型MBC，EOC，DOC整体上随着土层深度的增加而逐渐降低，且主要分布在0—20 cm土层，在20—30 cm土层含量较低(低于30%)，这主要是由于肥料(有机肥、复合肥)、枯枝落叶及植物残体主要在土壤表层积累，土壤表层的微生物活性在新鲜有机质的作用下得以促进；

(3) 不同土地利用类型下SOC和MBC，EOC，DOC呈极显著正相关关系，说明土壤活性有机碳的含量在很大程度取决于土壤有机碳的含量；MBC，EOC，DOC两两之间也表现出极显著正相关，进一步证实SOC，MBC，EOC和DOC可作为表征土壤肥力的敏感因子；本研究中结构良好、有机碳和水分含量较高的土壤(林地和园地)，能为土壤微生物活动提供优良的生境，有利于土壤微生物的生长；

(4) 退耕还林以及在荒草地种植人工林可作为提高土壤有机碳含量的有效措施，不仅可减少水土流失和面源污染，起到较好的水土保持作用，同时也是改善土壤质量、恢复土壤肥力、提高碳储量以及实现该区域植被恢复重建的根本保障，必将对土壤碳储量的提高和积累以及碳循环产生积极的影响。