广西西北喀斯特不同植被不同土层的土壤颗粒有机质

江周，何寻阳，韦映雪，胡乐宁，冯书珍

(1.广西师范大学环境与资源学院，广西 桂林 541000；2.中国科学院亚热带农业生态研究所，湖南 长沙 410125；3.中国科学院环江喀斯特生态系统观测研究站，广西 环江 547100；4.珍稀濒危动植物生态与环境保护教育部重点实验室，广西 桂林 514000；5.广西科技大学医学院，广西 柳州 545006)

恢复植被治理喀斯特石漠化现象[1–2]是喀斯特地区生态环境建设的重要举措。在研究喀斯特植被恢复时，较多地考虑植被指标及土壤理化性质变化[3–4]，而对土壤颗粒有机质(particulate organic matter，POM)研究较少。土壤有机质是反映土壤质量的重要指标[5–6]，其中土壤 POM 是土壤有机质的易变组分，具有比重小、碳氮比高、易被微生物分解等特征[3,5]，主要受植被类型、土壤类型、质地等因素影响[7–11]。研究显示，农田POM明显低于林地[12–13]；原生林改为人工林后，土壤POM的含量显著降低，且表层 POM 的敏感性高于底层土壤[14]；POM与总有机质呈显著正相关，可作为反映土壤有机质变化的敏感指标[15–17]。可见，研究土壤POM对了解喀斯特土壤变化情况显得尤为重要。

本研究中，采用热裂解气相色谱质谱联用法，研究喀斯特不同植被类型(草丛、灌丛、原生林)生态系统表层(0～10 cm)与深层(70～100 cm)土壤颗粒有机质含量及其热裂解产物组成，探明土壤颗粒有机质对植被恢复的响应规律，揭示影响喀斯特土壤颗粒有机质变化的影响因子，以期深化对喀斯特土壤有机质库及土壤质量动态变化的认识，为区域的可持续发展和生态恢复措施的制订提供依据。

1 研究区概况与方法

1.1 自然概况

表1 样地基本信息及植物优势物种Table 1 Site descriptions and dominant floral species in the studied communities

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置与样品采集

结合研究区植被现状，在古周移民迁出区选取草丛、灌丛2种植被类型的典型群落，于木论保护区选取原生林群落。在研究区内，从山顶到山脚共设置3条样带，并分别在每条样带设置1个20 m×30 m的样方，于2008年12月至2009年1月按土壤发生层采集表层(0～10 cm)和深层(70～100 cm)土壤样品，共18个样品。按四分法取约500 g新鲜土壤置于灭菌后的自封袋中，封口后放入随身携带的冰盒带回实验室，去除土壤中可见的动植物残体，自然风干，过孔径2 mm筛，保存，备用。

1.2.2 项目测定方法

1) 土壤理化性质测定。参照鲍士旦[18]的方法测定土壤的pH值、容重、有机碳(SOC)、总氮(TN)、总磷(TP)、总钾(TK)、碱解氮(AN)、速效磷(AP)和速效钾(AK)含量。

2) POM总量测定。根据CAMBARDELL等[19]的方法，分别称取10 g风干样品，以土液比(W/V)为1∶2的比例加入5 g/L六偏磷酸钠溶液后，以90 r/min振荡18 h，土壤悬液过孔径0.053 mm筛，并反复用蒸馏水冲洗。所提取的颗粒物在 60 ℃下烘干12 h。烘干后的样品用玛瑙研钵充分研磨至细粉末状，待用。

3) POM 热裂解产物测定。采用热裂解–气相–质谱法，称取研磨后的POM约5 mg放入热解进样器中。GC–MS分析色谱条件：恒流模式；以氦气为载气；色谱柱为 HP–5(100 m×0.32 mm×0.25 μm)。升温程序：初始温度50 ℃，以1 ℃/min速率升至100 ℃，再以4 ℃/min升至280 ℃，保持25 min；进样口温度为300 ℃。质谱条件：采用EI，70 eV；离子源温度230 ℃，四极杆温度150 ℃；全扫描，扫描范围为50～550 amu。

1.2.3 统计分析

运用SPSS 20.0、Canoco 4.5和Excel 2013进行统计分析和绘图。采用方差分析进行变量间的差异显著性分析，并用 LSD法进行多重比较；采用Pearson相关统计方法进行变量间的相关关系分析；采用Canoco 4.5的冗余分析法(RDA)对影响土壤颗粒有机质组成的因子进行排序分析。

其次，教师应该在教学过程中突出学生的主体地位。可以将学生分成学习小组，引导学生针对某一案例进行讨论，让学生真正参与到学习中来。教师和学生之间的交流沟通越多，就越能够提升学生学习的积极性和主动性，有利于提升课堂教学质量，促进学生的健康发展。

2 结果与分析

2.1 供试土壤的基本理化性质

如表2所示，表层土壤的pH值、有机碳、总氮、总磷、碱解氮、速效磷和速效钾含量均随植被的正向演替呈上升趋势；深层土壤的理化性质较表层土壤的有较大变化，深层土壤碱解氮含量随植被的正向演替显著上升，原生林的pH值显著高于灌丛的(P＜0.05)，与草丛的 pH 值间差异无统计学意义，原生林的总钾含量显著低于灌丛和草丛的(P＜0.05)，速效磷含量随植被的正向演替由上升趋于稳定；草丛表层土壤的有机碳、总磷和碱解氮含量均显著高于深层土壤的(P＜0.05)；灌丛表层土壤的有机碳、总氮、总磷、碱解氮、速效磷和速效钾含量均显著高于深层土壤的(P＜0.05)，表层土壤的pH值和总钾含量显著低于深层土壤的(P＜0.05)；原生林表层土壤的总磷、速效磷和速效钾含量显著高于深层土壤的(P＜0.05)。

表2 不同植被类型喀斯特土壤的理化性质Table 2 Physical chemical characteristics of karst soil with different vegetation

2.2 供试土壤颗粒有机质的总量及组成

2.2.1 土壤颗粒有机质总量

由表3可知，不同植被类型土壤POM总量变化明显，由草丛、灌丛、原生林依次上升，原生林土壤POM含量最高；同一植被类型中，表层土壤POM含量显著高于深层土壤的(P＜0.05)。双因素方差分析表明，植被(P＜0.05)和土层(P＜0.001)对POM总量均有显著影响。

表3 不同植被类型喀斯特土壤剖面POM总量和主要热裂解产物占比及方差分析Table 3 Analysis of total POM content, main thermal cracking compounds proportions and variance of karst soil with different vegetation

表3(续)

2.2.2 土壤颗粒有机质组成

不同植被类型喀斯特土壤POM热裂解产物类型主要有木质素类、酚类、芳烃与多环芳烃及脂类化合物等。不同植被类型和土层土壤POM各热裂解产物的占比间存在差异(表3)。木质素类化合物中愈创木基、对羟基苯基及丁香酚基仅存在于表层土壤中，其中愈创木基占比随着植被正向演替先降低后升高。酚类化合物在同一土层不同植被间的差异无统计学意义(P＞0.05)；灌丛表层土壤的酚类化合物占比显著高于深层土壤的(P＜0.05)。含氮化合物以吡咯类为主，在表层土壤中，吡咯类占比随着植被正向演替呈增加趋势，原生林的吡咯类占比显著高于草丛、灌丛的(P＜0.05)。芳烃类化合物主要以烷基苯、苯为主，表层土壤的烷基苯占比随植被正向演替呈上升趋势；草丛表层土壤的烷基苯占比显著低于灌丛和原生林的(P＜0.05)。多环芳烃类化合物中，灌丛表层土壤的茚占比显著高于深层土壤的(P＜0.05)；草丛深层土壤的萘占比显著高于表层土壤的(P＜0.05)；表层土壤的稠环芳烃(此处指除萘和茚外的多环芳烃)占比随植被正向演替呈下降趋势，原生林表层土壤的稠环芳烃占比显著低于草丛的(P＜0.05)。脂类化合物中，主要产物有正烷烃、正构烯烃与脂肪酸，原生林深层土壤的正构烯烃占比显著高于草从和灌丛的(P＜0.05)，灌丛表层土壤的正构烯烃占比显著高于深层土壤的(P＜0.05)；表层土壤的脂肪酸占比随植被正向演替呈下降趋势，草丛表层土壤的脂肪酸占比显著高于灌丛表层、原生林表层和草丛深层土壤的(P＜0.05)。双因素方差分析表明，植被显著影响对羟基苯基(P＜0.001)、稠环芳烃(P＜0.001)、脂肪酸(P＜0.01)、正构烯烃(P＜0.05)、萘(P＜0.05)、氰(P＜0.05)的占比；土层深度显著影响对羟基苯基(P＜0.001)、愈创木基(P＜0.001)、丁香酚基(P＜0.001)、茚(P＜0.001)、脂肪酸(P＜0.001)、酮(P＜0.001)、苯(P＜0.01)、烷基苯(P＜0.05)、酚类(P＜0.05)和氰(P＜0.05)占比；植被与土层的交互作用显著影响对羟基苯基(P＜0.001)、萜烯(P＜0.01)和脂肪酸(P＜0.05)占比。

2.3 喀斯特土壤理化性质对土壤颗粒有机质的影响

2.3.1 土壤POM与理化性质的相关性

由表4可知，土壤POM总量与有机碳、总氮、总磷、碱解氮、速效钾和速效磷含量呈显著正相关(P＜0.01)，与容重和总钾含量呈显著负相关(P＜0.05)；POM热裂解产物与理化性质的相关性不一，丁香酚基与pH呈显著正相关(P＜0.05)，与容重呈显著负相关(P＜0.01)，萘与总钾含量呈显著正相关(P＜0.05)，与碱解氮含量呈显著负相关(P＜0.05)，茚与有机碳、总氮和碱解氮含量呈显著正相关(P＜0.05)，稠环芳烃与有机碳、总氮、总磷、碱解氮、速效磷含量呈显著负相关(P＜0.01)，与速效钾含量呈显著负相关(P＜0.05)，正构烯烃与总钾呈显著负相关(P＜0.01)。

表4 喀斯特土壤POM及其热裂解产物占比与土壤理化性质的相关系数Table 4 Correlation between soil particulate organic carbon and the thermal cracking compounds proportion and soil physical and chemical properties of karst soil

2.3.2 土壤理化性质对POM组成的影响

由图1可知，不同植被类型和土层深度的土壤POM热裂解产物可以较好区分，其化合物组成差异显著；蒙特卡罗检验结果进一步表明，碱解氮、pH值显著影响POM化合物组成(P＜0.05)。

图1 不同植被类型喀斯特土壤POM组成与理化性质的RDA分析结果Fig.1 The RDA analysis result of particulate organic carbon thermal cracking compounds and physical and chemical properties of karst soil with different vegetation

3 结论与讨论

本研究中，植被和土层深度显著影响喀斯特地区土壤颗粒有机质总量，说明土壤POM的深度分布与有机物质的输入和土壤所处植被密切相关；同一植被类型中，表层土壤POM含量显著高于深层土壤的，这主要是由于表层土壤中包含大量表面的植物残余物和动物粪便等，而深层的POM基本来源于植物根系积累；同一土层深度的POM在不同植被类型存在差异，不同植被类型的优势物种不同，直接决定进入土壤的有机碳质量[20–22]。原生林的POM总量最高，可能是由于原生林POM来源丰富，其输入量大于分解损失量[23]。

本研究中，不同植被类型喀斯特土壤POM热裂解产物种类与陈秋宇等[24]和周萍等[25]的研究结果相似；喀斯特表层土壤POM热裂解产物中，木质素类化合物，如愈创木基、对羟苯基等均随土层的加深没有累积，说明其随着土壤层次的加深有较多降解，且木质素类化合物通过植物残体进入土壤，并经微生物的分解和转化形成新的腐殖质，部分物质被完全矿化而难以累积[26]；草丛中没有对羟基苯基存在，这可能是由于草丛受到人类干扰较多，造成土壤微生物生存环境变化，从而加速对某些物质的消耗；酚类化合物在灌丛表层土壤中占比最高，可能是灌丛表层分解木质素功能的微生物较多，而深层土壤中随着植被正向演替酚类化合物占比逐渐增多，可能是由于酚类化合物最主要的来源是木质素分解[27]，说明酚类物质能在喀斯特地区土壤中积累；稠环芳烃占比随植被正向演替呈减少趋势，可能是随着植被正向演替，喀斯特土壤中对稠环芳烃具有降解能力的微生物区系增多，最终导致稠环芳烃在植被正向演替过程中消减。

POM作为土壤活性有机质的组分，土壤理化性质对其影响很大。POM含量与土壤养分、微生物数量及种类密切相关。本研究中，喀斯特土壤 POM含量与总氮、碱解氮呈显著正相关关系，这与李淑芬等[28]得出的土壤活性有机质含量与土壤全氮、碱解氮存在明显的正相关关系的研究结果类似；RDA分析结果显示，碱解氮是影响喀斯特POM化合物组成的重要因子，可能是碱解氮主要是来源于土壤中的易碱解部分的有机氮和无机氮，通过土壤微生物分解代谢活动来影响POM的积累与消耗；喀斯特土壤POM总量还与有机碳、全磷、速效钾和速效磷含量呈显著正相关。可见，在喀斯特地区，土壤POM含量可反映土壤中潜在活性养分含量，可作为喀斯特地区评价植被对土壤有机质库及土壤质量动态变化影响的敏感指标。

关于土壤POM含量与土壤pH之间的关系尚不明确[29–31]。本研究中，相关性分析结果显示，喀斯特土壤POM含量与pH无显著相关性，这与李秋言等[32]的pH与POM含量呈显著正相关的研究结果不一致。RDA分析结果显示pH是影响POM化合物组成的显著因子，可能是pH与土壤微生物活动、有机质合成和分解、各种营养元素转化与释放均有关系，而参与有机质分解的微生物大多数在接近中性的环境下生长发育；因此，pH对喀斯特土壤POM化合物组成的影响作用不容忽视。