黔中石漠化地区水土保持措施对土壤有机碳的影响

2022-10-10李金垚张显松

水土保持学报 2022年5期

李金垚，潘雯，王佳，薛亮，张显松，李生

(1.中国林业科学研究院亚热带林业研究所，杭州 311400；2.南京林业大学林学院, 南京 210037；3.贵州普定石漠生态系统国家定位观测研究站，贵州普定 562100；4.贵州省普定县林业局，贵州普定 562100)

全球气候变化已成为世界各国广泛关注的问题，大气CO浓度的增加是造成气候变化的主要因素。土壤作为陆地生态系统碳循环的重要载体，其碳储量远超大气和植物碳储量之和，土壤碳储量的微小变化会对大气CO浓度产生显著影响。土壤有机碳作为土壤碳库的主要组成部分，占土壤总碳量的50%以上，是评价土壤质量不可或缺的重要指标。活性有机碳是土壤有机碳中最易于分解和矿化的碳组分，对土地利用和环境变化能快速作出响应，可作为土壤有机碳早期变化的指示物。

岩溶生态系统作为陆地生态系统的重要组成，在全球碳循环中发挥着重要作用。我国岩溶石漠化土地面积约为10.07万km，主要集中在以贵州为中心的西南地区，长期受自然环境和人为活动影响，岩石大面积裸露，土壤侵蚀严重，生态环境问题亟待解决。随着人口和经济的快速发展，土地资源需求增大，加剧了地区人地矛盾，如何高效合理地利用有限的土壤资源成为了石漠化区生态恢复的关键问题。石漠化地区受地表和地下双重侵蚀影响，生态系统功能脆弱，土壤碳流失严重，碳的转移和循环过程主要通过植物吸收大气中CO进行固定和土壤呼吸释放CO，而土壤碳库作为碳循环过程的重要转化场所，其储量是驱动和制约碳转移的动力机制。因此研究石漠化地区土壤有机碳对充分发挥其固碳潜力和改善生态脆弱现状具有重要影响。

坡面治理工程是为防治坡面水土流失，保护、改良和合理利用水土资源而修建的水土保持措施，在提高降雨入渗能力、拦蓄地表径流、改善土壤质量等方面发挥重要作用。石漠化治理是一项复杂的系统工程，需要综合治理，其中水土保持建设发挥重要作用。但目前对石漠化地区土壤有机碳的研究主要集中在气候变化、植被恢复、土地利用类型、耕作管理等方面，水土保持坡面治理措施对土壤有机碳的影响研究鲜有报道。因此，本文研究了石漠化地区梯田嵌套鱼鳞坑、鱼鳞坑、梯田3种不同水土保持措施对土壤有机碳、活性有机碳组分的影响，为石漠化地区碳库估算、土地合理利用等提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于贵州省安顺市普定县(26°26′36″-26°31′42″N，105°27′49″-105°58′51″E)，成土母岩主要为白云岩，土壤类型以黄色石灰土为主，研究区面积55 km，海拔1 200～1 350 m，地面坡度15°～35°。该区属于亚热带季风性湿润气候，年平均气温15.1 °C，年平均降水量1 387.2 mm，每年5—10月为主要降雨季节，无霜期平均301天。研究区内坡耕地于2002年前完成全部退耕工作，退耕后在研究区进行大规模的经济林树种栽植，并开展坡面治理工程，在部分坡面修建鱼鳞坑、梯田、梯田嵌套鱼鳞坑等水土保持措施。研究区内植被主要为桃树()，偶有梨树()、柏树()分布，林下草本主要为茅草()、小蓬草()、鬼针草()、狗尾草()等。

1.2 研究方法

根据研究区内不同水土保持措施情况，选取3种典型水土保持措施：(1)梯田嵌套鱼鳞坑(NL)；(2)鱼鳞坑(FSP)；(3)梯田(TR)作为研究对象，无任何水土保持措施的退耕还林地(CK)作为对照。于2021年3月进行调查和土壤样品采集，每种措施随机选择3个20 m×20 m样地，样地之间水平距离大于20 m，记录样地经纬度、海拔、坡度等基本信息(表1)。在每个样地内按“S”形选择5个采样点，其中鱼鳞坑、梯田嵌套鱼鳞坑、梯田采样点设置在距离措施内部边缘50 cm处，采样前去除地表的植被和其他杂物，每个样点按0—10，10—20 cm土层进行土壤样品采集。将每个样地内各样点同一土层的土壤样品混合成1个土样，共计24个土壤样本。将混合后的土壤样本分为2份：一份低温保存测定土壤活性有机碳组分；另一份常温保存处理后测定土壤养分。各样地取样方法、时间和处理保持一致。

表1 不同水土保持措施样地基本信息

1.3 样品处理与分析

土壤含水量和容重采用环刀法，土壤pH的测定采用土水比1∶2.5方法测定；土壤全氮采用全自动定氮仪测定；土壤有机碳采用重铬酸钾氧化法测定。用于测定可溶性碳和微生物量碳的土样解冻后过2 mm直径土壤筛，去除根系、石块等其他杂物，待用。称取相当于10 g干土的湿土样放入100 mL的离心管中，在离心管中加入80 mL蒸馏水，以200 r/min速度振荡30 min，再以3 500 r/min转速离心20 min，将得到的上清液过0.45 μm滤膜，调节pH至1.9～2.0，利用TOC仪测定可溶性碳含量(Multi NC3100 TOC/TN,Analytik)。采用333 mmol/L高锰酸钾氧化测定土壤易氧化碳含量；微生物量碳通过氯仿熏蒸提取法测定。

1.4 数据处理

不同水土保持措施土壤总有机碳储量通过公式计算:

SOCS=***10

式中：SOCS为总有机碳储量(kg/m)；为土壤中有机碳的平均含量(g/kg)；为土壤容重(g/cm)；为土层深度(cm)。

利用SPSS 22.0软件对数据进行统计分析，对不同水土保持措施土壤有机碳、活性有机碳、有机碳储量进行one-way ANOVA方差分析，Duncan多重比较进行差异显著性分析。土壤有机碳与理化性质之间的相关性利用Pearson进行分析检验。

2 结果与分析

2.1 不同水土保持措施土壤有机碳分布

3种水土保持措施土壤有机碳含量在0—10，10—20 cm土层均表现为鱼鳞坑>梯田嵌套鱼鳞坑>梯田(图1)，且三者间差异显著(<0.05)。0—20 cm土层土壤有机碳含量表现为鱼鳞坑和梯田嵌套鱼鳞坑措施相比对照显著提高了152.79%，79.25%(<0.05)，梯田则比对照显著降低了146.82%(<0.05)。各水土保持措施0—10 cm土层的有机碳含量占总含量的55.9%～69.9%，表明梯田嵌套鱼鳞坑、鱼鳞坑、梯田土壤有机碳含量随土层深度的增加而逐渐降低，土壤有机碳的分布具有明显的表聚现象。

注：图柱上方不同小写字母表示相同土层不同水土保持措施间差异显著(p<0.05)。下同。图1 不同水土保持措施土壤有机碳含量

2.2 不同水土保持措施土壤活性有机碳分布

由图2可知，土壤活性有机碳受不同水土保持措施影响差异显著。3种水土保持措施0—10，10—20 cm土层易氧化碳含量均表现为鱼鳞坑>梯田嵌套鱼鳞坑>梯田，其中鱼鳞坑显著高于其他2种水土保持措施(<0.05)。0—10 cm层鱼鳞坑、梯田嵌套鱼鳞坑和梯田土壤易氧化碳含量分别比对照提高136.25%，25.98%，2.42%，其中鱼鳞坑显著高于对照(<0.05)，梯田嵌套鱼鳞坑和梯田与对照差异不显著(>0.05)；10—20 cm层鱼鳞坑土壤易氧化碳含量相比对照显著提高94.62%(<0.05)，梯田嵌套鱼鳞坑、梯田土壤易氧化碳含量比对照显著降低78.08%，122.90%(<0.05)。同一水土保持措施不同土层深度易氧化碳含量随土层增加而降低，其中梯田嵌套鱼鳞坑和梯田措施不同土层间易氧化碳含量差异显著(<0.05)，对照土壤易氧化碳含量则随土层的增加而增加(图2a)。

注：图柱上方不同大写字母表示相同措施不同土层间差异显著(p<0.05)。下同。图2 不同水土保持措施土壤活性有机碳含量

3种水土保持措施土壤可溶性碳含量存在显著差异，且在0—10，10—20 cm土层均表现为鱼鳞坑最高、梯田嵌套鱼鳞坑次之、梯田最低(<0.05)。0—10 cm层鱼鳞坑土壤可溶性碳含量比对照提高31.78%，梯田嵌套鱼鳞坑、梯田则分别比对照下降了8.90%，87.34%，且差异均不显著(>0.05)；10—20 cm层鱼鳞坑、梯田嵌套鱼鳞坑可溶性碳含量相比对照分别提高145.93%和42.28%，其中鱼鳞坑显著高于对照(<0.05)，梯田土壤可溶性碳含量比对照下降63.06%，但差异不显著(>0.05)。垂直分布上3种水土保持措施土壤可溶性碳含量均随土层深度的增加而增加，其中鱼鳞坑措施不同土层间可溶性碳差异显著(<0.05)，对照土壤可溶性碳含量则随土层增加而降低(图2b)。

不同措施0—20 cm土壤微生物量碳平均含量表现为：鱼鳞坑(471.49 mg/kg)>梯田嵌套鱼鳞坑(322.71 mg/kg)>梯田(196.89 mg/kg)，其中梯田嵌套鱼鳞坑土壤微生物量碳含量与鱼鳞坑和梯田间无显著差异(>0.05)，鱼鳞坑土壤微生物量碳含量则显著高于梯田(<0.05)。0—10 cm土层鱼鳞坑和梯田嵌套鱼鳞坑土壤微生物量碳含量分别比对照提高40.46%，0.10%，梯田则比对照下降了56.62%，且3种水土保持措施与对照处理间差异均不显著(>0.05)；10—20 cm土层鱼鳞坑土壤微生物量碳含量比对照提高17.24%，梯田嵌套鱼鳞坑、梯田土壤微生物量碳含量比对照分别降低32.27%%，133.29%。梯田嵌套鱼鳞坑、鱼鳞坑、梯田、对照土壤微生物量碳含量均随土层深度的增加而降低(图2c)。

2.3 不同水土保持措施土壤有机碳储量分布情况

由图3可知，土壤有机碳储量受不同水土保持措施影响差异显著。0—10 cm土层土壤有机碳储量最大值出现在鱼鳞坑水土保持措施，比对照显著提高132.57%(<0.05)；最小值出现在梯田水土保持措施，有机碳储量比对照下降90.22%，但差异不显著(>0.05)。3种水土保持措施10—20 cm土壤有机碳储量均与对照间差异显著，其中梯田嵌套鱼鳞坑和鱼鳞坑相比对照分别提高71.64%，144.78%，梯田相比对照下降211.63%(<0.05)。垂直分布上，梯田嵌套鱼鳞坑、鱼鳞坑、梯田、对照土壤有机碳储量均随土层深度的增加而降低，其中梯田嵌套鱼鳞坑不同土层间有机碳储量差异显著(<0.05)。

图3 不同水土保持措施土壤有机碳储量

2.4 土壤有机碳与活性有机碳及有机碳储量的相关性

由表2可知，土壤有机碳含量与易氧化碳、可溶性碳、微生物量碳、有机碳储量之间均存在极显著的相关性(<0.01)。易氧化碳、可溶性碳、微生物量碳与有机碳储量极显著相关(<0.01)，土壤易氧化碳与可溶性碳和微生物量碳之间极显著相关性(<0.01)，而土壤可溶性碳与微生物量碳之间显著相关(<0.05)。

表2 土壤有机碳相关指标间相关系数

2.5 不同水土保持措施下土壤有机碳与土壤理化性质的关系

不同水土保持措施下土壤有机碳与土壤理化性质之间表现出不同相关性(表3)。梯田嵌套鱼鳞坑土壤有机碳与pH、容重、全氮、碳氮比均不相关(>0.05)。鱼鳞坑土壤有机碳与全氮、碳氮比表现为极显著正相关(<0.01)，与pH、容重不相关(>0.05)。梯田土壤有机碳与pH、容重不相关(>0.05)，与碳氮比极显著相关(<0.01)，与全氮显著相关(<0.05)。对照土壤有机碳与碳氮比极显著正相关(<0.01)，与pH、容重、全氮不相关(>0.05)。

表3 不同水土保持措施土壤有机碳与理化性质的相关系数

3 讨论

3.1 水土保持措施对土壤有机碳及储量的影响

通过对比水土保持措施和对照土壤有机碳及储量分布情况可知，梯田嵌套鱼鳞坑和鱼鳞坑土壤有机碳含量及储量均显著高于对照，而梯田土壤有机碳含量相比对照则有所下降。可能是因为梯田嵌套鱼鳞坑和鱼鳞坑半月形设计能够更好地拦蓄降雨并对地表径流进行重新分配，提高土壤含水量；坡上部地表土壤的迁入，也有效改善了土壤养分状况，促进了植物根系分泌物的向下输移和地表凋落物的积累，使得输入性碳源增加。梯田土壤有机碳储量的下降可能与梯田措施修建初期扰动面积大有关，土壤扰动后有机碳含量迅速下降，邱宇洁等研究表明，在修建梯田后的0～8年内土壤有机碳储量呈迅速下降后再逐渐增加的趋。但喀斯特地区土层薄，受到破坏后很难在短时间内恢复，而且梯田较大的围封面积，使其需要更多的有机质输入，才能提高土壤碳的固定速率。水土保持措施对有机碳封存的有效性还受地面坡度影响，过高的坡度会导致土壤固碳能力下降，因此在进行坡面治理时可根据不同的地形条件选择适宜的水土保持措施。

3.2 水土保持措施对活性有机碳的影响

土壤易氧化碳是土壤有机碳中周转速率最快的组分，能快速响应土壤碳变化，可作为土壤质量评价的关键因子。本研究结果表明，鱼鳞坑土壤易氧化碳含量显著高于梯田嵌套鱼鳞坑、梯田和对照，主要是因为土壤易氧化碳易被氧化分解，分解产物随水分向下层土壤迁移，成为土壤潜在碳源。喀斯特地区土壤水分漏失问题严重，鱼鳞坑措施可以有效减缓土壤水分渗漏速率，减少土壤易氧化碳的流失。

微生物量碳是有机碳中最活跃、最易变化的部分，虽然所占比例很小，却是整个生态系统养分和能源循环的关键和动力。鱼鳞坑土壤微生物量碳含量比对照提升29.80%，梯田嵌套鱼鳞坑和梯田土壤微生物量碳含量则比对照分别下降12.60%，84.50%。可能是因为梯田措施围封面积过大，导致地表有机物质分散，不利于土壤养分的汇集，进而影响土壤微生物分布，导致微生物量碳含量较低。刘秉儒研究表明，土壤微生物量碳含量受理化性质影响，随土壤有机碳的增加而增加，这与本研究结果一致。有机碳是土壤微生物群落稳定的能量和营养物来源，也是土壤微生物量形成的重要因素。

可溶性碳主要来源于土壤有机质中的腐殖质和新鲜的植物凋落物，是可直接被植物和土壤微生物利用的有机碳源。Iqbal等研究发现，微生物只能从土壤中吸收可溶性碳，表明可溶性碳在土壤碳循环过程中不可或缺。3种水土保持措施土壤可溶性碳含量均随土层增加而增加，可能是因为表层土壤植物根系较多，土壤容重减小，孔隙度增加，土壤微生物活性较高，提高了表层土壤有机质的利用率，导致表层土壤可溶性碳含量低于深层。不同水土保持措施间可溶性碳的差异主要来源于地表沉积的有机物质量、根系分泌物、土壤有机质的水解以及微生物的代谢等因素，可溶性碳含量的高低一定程度上取决于总有机碳含量。易氧化碳、可溶性碳、微生物量碳与有机碳和有机碳储量均表现出极显著的相关性，表明土壤活性有机碳直接参与了土壤生物化学的转化过程，并对土壤有机碳的积累起到积极作用。

3.3 水土保持措施对土壤有机碳与土壤理化性质关系的影响

本研究表明，鱼鳞坑和梯田水土保持措施下土壤有机碳与全氮含量和碳氮比之间存在极显著或显著正相关关系，这与白义鑫等的研究结果一致，符合土壤碳氮循环相互作用规律。已有研究发现，较大的土壤碳氮比可能会导致微生物的降解速率降低，从而促进惰性碳的积累。梯田嵌套鱼鳞坑土壤有机碳与理化性质间相关性不显著，表明土壤理化性质不是影响梯田嵌套鱼鳞坑土壤有机碳含量显著提高的原因，梯田嵌套鱼鳞坑措施可能是通过影响植被分泌或地表有机物质的输入量，从而影响土壤有机碳的固定。