东南湿润区典型丹霞地貌土壤有机碳组分及其敏感性研究

王超 ，杨倩楠 ，张池，李祥东，陈静 ，张晓龙 ，陈金洁 ，刘科学

1.广州新华学院资源与城乡规划学院，广东 广州 510310；2.广东华南空间规划研究院，广东 广州 510642；3.华南农业大学，广东 广州 510642；4.广东科学院生态环境与土壤研究所，广东 广州 510520

丹霞地貌是一种由红色侵蚀砂岩组成的岩相地貌类型（Liu et al.，1991），广泛分布于中国、欧洲中部、美国西部和澳大利亚等地（欧阳杰等，2011；彭华等，2013）。2010年广东丹霞山与其他5种典型的丹霞地貌一起被联合国教科文组织列入世界遗产名录，总体称为“中国丹霞”。丹霞地貌因其具有沟槽、石洞、陡崖等结构也称为“假喀斯特”，然而与喀斯特地貌不同的是，丹霞地貌土壤pH、含水量较低，更易被流水和风力侵蚀（何祖霞等，2012）。随着人类无节制的乱垦乱伐，丹霞地貌区土壤退化逐渐成为当今一个严重的环境和社会问题（Yan et al.，2019），因此，开展丹霞地貌区土壤质量方面的研究刻不容缓。

有机碳作为土壤的重要养分指标，在维持土壤质量和生态平衡方面起着关键作用（Benbi et al.，2015）。土壤有机碳易受各种自然条件（温度和降雨）和人为扰动（施肥等土地管理、土地利用的转变）的影响，表现出不同稳定性和周转速率（Wang et al.，2014；Jimenez-Gonzalez et al.，2020）。由于土壤有机碳对生态功能的潜在反馈机制，土壤有机碳对外部环境的变化的敏感性是十分重要的问题。总有机碳变化具有明显滞后性，不是有机碳储量和土壤质量早期变化的适宜指标（Liang et al.，2012；Chen et al.，2016）。活性有机碳库具有较短的周转周期，能够较好地反映土壤有机碳的动态变化和土壤质量的变化（Chen et al.，2016；魏夏新等，2020）。活性有机碳库分类多样，如溶解性有机碳（DOC）、易氧化有机碳（EOC）、颗粒态有机碳（POC）、微生物量碳（MBC）等，是被广泛认可的土壤质量评价指标，对土壤环境变化较为敏感（Wang et al.，2014；Lan，2021）。周伟等（2021）研究发现，黑土高活性有机碳含量对长期撂荒处理的响应较其他有机碳组分更敏感。Lan（2021）研究结果，喀斯特岩溶地区的生态修复过程，POC的变化更为显著，能较好地反映土壤碳库的动态变化。不同土壤生态系统有机碳的研究角度略有不同，目前的研究在农田生态系统方面着重于土壤的碳库管理，在退化生态系统方面则更加看重于碳组分的敏感性，缺乏从有机碳管理和敏感性双重角度揭示土壤有机碳库的质量变化，而且东南湿润地带退化生态系统的研究主要集中于喀斯特地貌，关于丹霞生态脆弱区的研究鲜有报道。

基于此，本研究以仁化丹霞山典型地貌区自然林地、灌丛、撂荒草地和农田土壤为研究对象，探究不同土地利用方式土壤有机碳库组成、敏感性指数及其碳库管理的影响，以期为丹霞地貌区土壤固碳和生态环境的可持续发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于广东省韶关市仁化县境内丹霞山世界地质公园（24°51′48″—25°04′12″N，113°36′25″—113°47′53″E），属中亚热带向南亚热带过度区域，年平均气温19.6 ℃，年平均日照时间1721 h，年平均降雨量1551.1 mm，3—8月降雨量占全年降雨量的75%。研究区地质是由红色砂砾岩层构成的丹霞地貌，土壤类型以红壤为主。

1.2 供试土样

本研究选取丹霞山自然林地、灌丛、撂荒草地和农田土壤为研究对象，采样地基本信息见表1。实验采样以保护丹霞生态系统，减小对丹霞地貌的扰动为原则下进行，于2021年8月在丹霞山不同植被区域随机设置3个5 m×5 m的样方，按对角线五点采样法分别采集0—10、10—20 cm土层样品，将五点样品充分混合制成1个土样。采集的土样去除大块石砾和根系等植物残体，分成两份，一份自然风干研磨过10目和100目筛用于测定土壤基本理化性质，一份鲜样过10目筛后置于冰箱中4 ℃保存，进行微生物量碳的测定。土壤基本理化性质见表2。

表1 样地基本信息Table 1 Condition of different sample plots

表2 采样点土壤基本理化性质Table 2 Basic physical and chemical properties of soil samples

1.3 样品测定

土壤基本理化性质测定方法参考《土壤农业化学分析方法》（鲁如坤，2000）。土壤pH采用电位计法（水土质量比为2.5∶1）测定；土壤容重采用环刀法测定；全氮采用半微量凯式定氮法测定；活性铁采用草酸和草酸铵浸提法，原子吸收光谱仪测定；土壤颗粒组成采用吸管法测定；总有机碳采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法测定；土壤颗粒态有机碳采用六偏磷酸钠溶液浸提法测定；土壤易氧化有机碳采用333 mmol·L-1高锰酸钾氧化法测定；非活性有机碳为总有机碳与活性有机碳的差值；矿物结合态有机碳为总有机碳与颗粒态有机碳的差值。

土壤溶解性有机碳（鲁如坤，2000）测定：取10 g新鲜土样，按照土水比为1∶5的比例混匀，在25 ℃条件下，以250 r·min-1的速度振荡1 h，然后在转速为15000 r·min-1离心10 min，上部悬浮液过0.45 μm薄滤膜，滤液用TOC元素分析仪（Phoenix 8000）测定。

土壤微生物量碳（鲁如坤，2000）测定：准确称取10.00 g新鲜土壤，3份置于小烧杯中做熏蒸处理，3份于塑料瓶中不做熏蒸处理，直接浸提。熏蒸处理土壤放入真空的干燥器，底部放有几张湿润的滤纸、一小烧杯无乙醇的氯仿溶液和氢氧化钠溶液。进行抽真空处理，氯仿沸腾2—3 min，关闭真空阀，25 ℃黑暗静置24 h，抽真空去除氯仿。将熏蒸处理的土样转入塑料瓶，0.5 mol·L-1硫酸钾溶液浸提（土液比1∶4），往复振荡机振荡30 min（未熏蒸样品进行相同步骤），滤液用TOC元素分析仪测定（Phoenix 8000）。

1.4 计算公式

土壤微生物熵表征微生物对土壤有机碳的利用效率，不仅可以反映土壤微生物活性，也是反映土壤碳动态变化和土壤质量的敏感指标（Blair et al.，1995；Mooshammer et al.，2014），其计算公式（Zheng et al.，2018）为：

式中：

w(TOC)——总有机碳质量分数，g·kg-1；

qMB——土壤微生物熵，%；

w(MBC)——微生物量碳，mg·kg-1。

本研究以未受人为扰动的林地土壤为参考土壤，各碳库管理指数指标（王有良等，2021）和有机碳组分敏感性指数（Wang et al.，2014）计算公式如下：

式中：

w(TOC-NL)——参考土壤总有机碳质量分数，g·kg-1；

w(EOC)——易氧化有机碳，g·kg-1；

w(IOC)——土壤非活性有机碳质量分数，g·kg-1；

ACP——碳库活度；

ACP-NL——参考土壤碳库活度；

ICP——碳库指数；

ICPA——碳库活度指数；

ICPM——碳库管理指数。

式中：

IS——敏感性指数；

w(SOC)——土壤有机碳组分质量分数；

w(SOC-NL)——参考土壤有机碳组分质量分数。

1.5 数据分析

应用Excel 2016进行初步数据处理，SPSS 24.0对土壤有机碳组分和土壤碳库管理指标进行双因素方差分析，对土壤有机碳敏感性指数进行单因素方差分析，差异通过LSD法进行显著性检验，显著性水平为P<0.05；采用Canoco 5对有机碳组分进行主成分分析；应用Origin 2019b软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用方式土壤有机碳变化

土地利用方式、土层深度的主体效应及其两者的交互效应显著影响土壤有机碳组分（P<0.05）（表3）。0—10 cm土层，总有机碳（TOC）、溶解性有机碳（DOC）、颗粒态有机碳（POC）、非活性有机碳（IOC）和矿物结合态有机碳（MOC）均表现为NL显著高于其他土地利用方式，分别为 24.32 g·kg-1、291.10 mg·kg-1、6.49 g·kg-1、22.82 g·kg-1和17.84 g·kg-1，而易氧化有机碳（EOC）以AG土壤含量最高，较其他利用方式分别提高了 21.04%、43.19%和22.85%（图1）。10—20 cm土层，TOC、POC、IOC和MOC含量与表层土壤呈现相似的规律，DOC和EOC分别以SL（254.25 mg·kg-1）和NL（1.37 g·kg-1）土壤最高，且显著高于其他土地利用方式。总体上，TOC和各有机碳组分含量均表现为0—10 cm土层高于10—20 cm。

图1 不同土地利用方式土壤有机碳组分含量变化Figure 1 Soil organic carbons contents under different land-use types

表3 不同土地利用方式土壤有机碳组分的双因素方差分析Table 3 Two-way ANOVA on soil organic carbon components under different land-use types

土地利用方式、土层深度的主体效应及其两者的交互效应显著影响土壤微生物量碳（MBC）和土壤微生物熵（qMB）（表3）。0—10 cm 土层 NL土壤MBC较SL、AG和CL土壤显著提高了14.05%、24.97%和347.89%；10—20 cm土层AG土壤MBC显著高于其他土地利用方，分别是FL、SL和CL土壤的1.58、2.59和3.40倍。结合表3和图1可知，0—10 cm土层qMB整体高于10—20 cm土层，其中0—10 cm土层土壤qMB以SL和AG土壤较高，显著高于NL和CL，而10—20 cm土层AG土显著高于其他利用方式，较 NL、SL和 CL分别提高了169.14%、171.43%和77.31%，其中NL和SL土壤无明显差异。

2.2 不同土地利用方式土壤有机碳组分的敏感性指数

SL土壤有机碳组分敏感性指数范围为 0.10—0.72、0—10、10—20 cm土层敏感性指数均以POC最大，且显著高于其他有机碳组分（图2）。AG土壤有机碳组分敏感性指数范围为0.08—0.65、0—10 cm土层深度表现为IOC、POC>TOC、MOC>EOC、MBC>DOC，DOC敏感性指数显著低于其他有机碳组分，10—20 cm土层也表现出相似的规律。CL土壤有机碳组分敏感型指数范围为 0.01—0.84、0—10、10—20 cm土层均表现为POC敏感型指数高于其他有机碳组分，而DOC敏感性指数最低。

图2 不同土地利用方式土壤有机碳组分的敏感性指数Figure 2 Sensitivity index of soil organic carbon components under different land-use types

2.3 不同土地利用方式土壤碳库管理指标的变化

土地利用方式、土层深度的主体效应及其两者交互效应显著影响土壤碳库管理指标（P<0.05）（表4）。0—10 cm 土层，碳库指数（ICP）表现为NL>SL>AG>CL，且不同利用方式之间均差异显著，而碳库活度（ACP）、碳库活度指数（ICPA）和碳库管理指数（ICPM）表现出相反的变化规律。10—20 cm土层，ACP、ICPA和ICPM均以NL土壤最高。总体上，土壤碳库管理指数随着土层深度的增加而表现降低的趋势。

表4 不同土地利用方式土壤质量指数的变化Table 4 Change of soil quality indices under different land-use types

2.4 土壤有机碳组分与土壤碳库管理指标的关系

土壤总有机碳变化量与有机碳组分变化量的线性拟合分析表明（图3），在0—10 cm土层，土壤TOC的增加与EOC含量变化呈显著负相关，与MBC、POC、IOC、MOC含量变化呈极显著正相关；在10—20 cm土层，土壤TOC变化量与POC、IOC、MOC含量变化呈极显著正相关。TOC含量的增加与稳态碳（IOC、MOC）变化的相关性高于活性碳（DOC、EOC和POC）。

图3 土壤有机碳和有机碳组分变化量的关系Figure 3 Relationship between changes of TOC and soil organic carbon components

不同土地利用方式土壤有机碳组分的主成分分析结果如图4，0—10 cm土层PC1解释了76.14%的土壤有机碳组分变化，其中不同土地利用方式土壤之间均具有显著的差异性；10—20 cm土层PC1解释了67.56%的土壤有机碳组分变化，其中CL与其他土地利用方式土壤有显著差异，SL和AG之间的差异性不明显。

图4 不同土地利用方式土壤有机碳组分主成分分析Figure 4 Principal component analysis (PCA) of soil organic carbon fractions under different land-use types

土壤有机碳组分与土壤各碳库管理指标的偏相关结果表明（表5），ICP、ACP、ICPM和ICPM与土壤MBC呈显著相关关系，而与其他有机碳组分的关系均不显著，说明MBC是影响丹霞地貌区土壤碳库管理指标变化的敏感性指标，对于维持该区域土壤高质量具有重要意义。

表5 土壤有机碳组分与土壤碳库管理指标的偏相关分析Table 5 Particle correlation analysis of soil organic carbon fractions and soil carbon pool management indexes

3 讨论

3.1 土地利用方式对土壤有机碳组分的影响

土壤有机碳库作为陆地生态系统碳库重要的组成部分，是指示土壤健康和影响土壤养分循环的关键因素（展鹏飞等，2018）。土壤有机碳总量取决于土壤生物等各种综合因素影响下有机碳的输入和输出的动态平衡（Benbi et al.，2015；Qin et al.，2017）。本研究中，TOC含量表现为NL土壤最高，CL土壤最低，这是由于NL土壤地上、地下部凋落物较多，增加了土壤有机碳含量输入，而CL土壤由于连年的耕作和周期性的作物收割，大量养分输出，土壤养分得不到及时补充，有机碳含量呈现较低的水平，这与Hu et al.（2020）研究结果相一致。林地土壤有机碳含量也显著高于AG和CL土壤，证明了丹霞地貌区退耕还林能较好促进土壤固碳。

DOC、EOC和POC属于活性有机碳组分，具有高迁移性、易溶解、易分解等特点，易被土壤微生物和植物吸收利用，能不同程度反映土壤碳的有效性，对土壤质量有很好的指示作用（展鹏飞等，2018）。DOC和POC均以NL土壤含量最高，这主要与地表覆盖物数量有关，随着地表植物覆盖度和多样性的增加，土壤微生物代谢活性和多样性显著增加（Liu et al.，2007），与CL土壤单一作物相比，林地土壤微生物量和活性较高，能更有效分解利用枯枝落叶，将腐质物质更快纳入土壤碳循环。此外，良好的土壤团粒结构有利于土壤养分的固存（Yan et al.，2018），NL植被丰富具有较好的固持土壤能力，而CL由于人为耕作，物理结构性较差，团粒固持养分含量较低。活性有机碳的含量不仅取决于有机碳输入的数量，更依赖于输入有机碳的质量，AG土壤草本植物，生命周期短，易腐烂分解，可直接被土壤微生物利用，能以较快的速率进入土壤碳循环（刘洋等，2017），因此，AG土壤EOC表现出较高含量。本研究中，不同土地利用方式土壤有机碳组分含量均表现为表层土壤高于亚表层土壤，主要是表层土壤养分归还量大，微生物活性较高，易出现养分表聚现象（王超等，2021），下层土壤主要受到植被根系分布影响，加之表层土壤淋溶下渗的养分会通过根系重吸收转运，再次汇集在表层（Yang et al.，2011），造成养分分布具有层次性。

土壤MBC作为土壤质量退化的早期预警性指标，虽然只占土壤TOC的很小一部分，但对土壤碳的循环转化和土壤碳库的稳定起着关键作用（Singh et al.，2007；魏夏新等，2020）。本研究中，NL土壤 MBC显著高于 CL土壤，这与祁心等（2015）研究结果相似，这是因为自然林地、灌丛区植被丰度大，地表覆盖大量植物残体，大大增加有机碳的输入，再者保持了表土层一定含水量有利于微生物的繁殖、更新。土壤qMB的变化反映了土壤有机碳向微生物量碳转化的效率，其数值越大，表明土壤有机碳越容易被微生物利用（Guo et al.，2020）。本研究中，TOC和MBC表现为NL土壤显著高于CL土壤，而qMB则表现为以CL土壤高于NL，这可能是NL土壤凋落物被微生物分解利用程度低，难以进入土壤有机碳库；而CL土壤虽长期处于侵蚀状态，养分流失严重，但在后期作物的种植期间补施了大量氮磷肥，造成土壤 C∶N较低，有利于作物残茬的分解（Deng et al.，2016），使得CL土壤qMB水平较高，这说明qMB不能代替MBC等活性有机碳组分反映有机碳对土地利用方式的响应，这与刘守龙等（2006）和简兴等（2019）的研究结果相似。

3.2 土地利用方式对土壤有机碳组分的敏感性指数的影响

本研究发现，土壤有机碳含量及组分对丹霞地貌区土地利用方式十分敏感。SL、AG和CL土壤均以 POC组分最敏感，这可能与研究区域位于生态脆弱区，土壤侵蚀较为普遍，土壤团粒对有机碳的物理保护作用得以凸显有关（Yan et al.，2018）。Lan（2021）在喀斯特岩溶侵蚀区土壤有机碳组分敏感性的研究结果与本研究一致。与POC相比，稳态碳（IOC和MOC）与土壤TOC含量具有更强的相关性，说明稳态碳是丹霞地貌区土壤有机碳的主要组成成分，在应对土地利用方式变化时表现较强的稳定性。从土壤 TOC变化与有机碳组分变化的拟合分析可以看出，土壤稳态碳与土壤 TOC变化量相关性较高，所以稳态碳的增加决定了土壤有机碳的积累。

3.3 土地利用方式对土壤碳库管理指标的影响

土壤ICPM综合了ICP和ICPA指标，不仅可以反映土壤有机碳的总量和质量，而且能间接反映土壤养分的供给能力，被广泛认为是评价土壤质量的有效性指标（Chaudhary et al.，2017；Pang et al.，2019）。土地利用作为人类影响生态环境系统最为直接的途径，广泛影响着生态系统的结构和功能，对土壤CPMI也有着重要影响（崔东等，2017；袁嘉欣等，2021）。本研究中，表层土壤CL的ICP显著低于其他土地利用方式土壤，这反映了较强土地利用强度会显著降低土壤有机碳含量；而ACP、ICPA和ICPM显著高于NL和SL土壤，这是因为CL土壤虽然TOC较低，但是活性有机碳占TOC比例较高，土壤活性有机碳内部的动态平衡对土壤ICPM的作用影响了土壤ICPM的变化。亚表层土壤ICP、ACP和ICPM则以NL土壤最高，这是因为NL土壤植被残体丰富，长期的腐质化导致有机碳养分下渗，亚表层土壤TOC和活性有机碳组分处于较高的水平，从而使得 NL土壤ICPM较高。偏相关分析结果表明，仅MBC与土壤各碳库管理指标呈显著相关，MBC是土壤碳库管理的主要影响因子，结合 POC是该区域土壤有机碳组分的敏感性指标，说明丹霞地貌土壤有机碳库的变化既受到土壤团粒结构固持养分的作用，又受土壤微生物代谢活动影响。因此，丹霞地貌区应注意土壤侵蚀问题，改善土壤结构，并结合生物工程措施促进土壤微生物生命活动，有助于增加土壤固碳和土壤质量。

4 结论

丹霞地貌区4种土地利用方式土壤有机碳组分含量差异显著，自然林地土壤总有机碳、溶解性有机碳、颗粒态有机碳、非活性有机碳和矿物结合态有机碳含量均高，有利于土壤有机碳的固存。撂荒草地土壤微生物熵最大，土壤有机碳的微生物利用效率较高，而且撂荒草地有利于表层土壤易氧化有机碳的积累，土壤碳库管理指数高于其他土地利用方式土壤；而自然林地亚表层土壤总有机碳存储量大，表现出较高土壤碳库管理指数。

颗粒态有机碳是丹霞地貌区有机碳组分的敏感性指标，微生物量碳是土壤碳库管理变化的指示性指标，表明丹霞地貌土壤有机碳库受到土壤团粒结构和微生物代谢活动的双重影响。此外，林地有机碳组分含量均较高，退耕还林有助于土壤固碳和土壤质量提升。