辽东冰缘地貌表层土壤团聚体活性有机碳分布特征

2024-01-05范志平李新仓李一凡

中国水土保持科学 2023年6期

王琼, 范志平, 陈寒, 韩青, 李新仓, 李一凡

(辽宁石油化工大学环境与安全工程学院,113001,辽宁抚顺)

团聚体是土壤结构的基本组成部分[1]。团聚体的形成影响土壤碳固定过程,对土壤碳汇功能具有重要的作用[2-3]。土壤活性有机碳(labile organic carbon, LOC)是土壤碳库中最活跃的组成部分,虽然只占土壤有机碳(soil organic carbon, SOC)总量的较小部分,却直接参与土壤生物化学转化过程[4-7]。土壤活性有机碳包含众多游离度较高的有机质,如土壤腐殖质、微生物和根系分泌物等[8]。腐殖质及植物根系分泌物的粘结作用、微生物菌丝和真菌产生物理缠绕作用增强土壤团聚体稳定性,土壤团聚体物理保护使团聚体内的活性有机碳隔离微生物活动,增强土壤碳汇功能。因此,土壤团聚体及其活性有机碳对土壤结构和有机碳的稳定具有重要意义。

近年来,国内外很多学者对土壤团聚体中活性有机碳分布进行研究[9-10]。廖洪凯等[11]对喀斯特山区土壤团聚体活性有机碳分布研究发现石沟和石坑各粒径团聚体土壤活性有机碳的含量大于石槽和石洞。梁彩群等[12]对黄土高原刺槐林土壤团聚体活性有机碳的研究发现活性有机碳含量与土壤总氮(total nitrogen, TN)、SOC、土壤含水量(soil water content, WC)的相关性随着土壤团聚体粒径的增大而越显著。景航等[13]对黄土丘陵区油松林皆伐后自然恢复土壤团聚体活性有机碳的研究发现自然恢复使活性有机碳质量分数显著增加。Ndzelu等[14]在南非的研究发现玉米秸秆还田能提高土壤活性有机碳含量,改善土壤团聚体稳定性。可见,地形地貌、土壤理化性质、人为因素和植被特征都是土壤团聚体活性有机碳的影响因素,但目前关于土壤活性有机碳影响因素的研究多集中在土壤理化性质,忽视了植物、凋落物及根系的作用。

辽东山地冰缘地貌是冰期内受季风型湿、冷的水热组合作用发育的冰缘地貌。辽东山地植被群落呈现明显沿海拔的垂直分布规律[15],随海拔的升高,植被类型分别为山溪岸边灌草地、山地针叶/阔叶林和中山草地/草甸。不同海拔植被下气候因子存在差异,植物凋落物、根系分泌物和微生物类型和数量不同,因而土壤团聚体结构和组成及团聚体活性有机碳状况存在差别。研究辽东山地冰缘地貌土壤团聚体活性有机碳含量及分配特征,总结不同海拔植被土壤团聚体及其活性有机碳与环境作用的关系,揭示植被及相应影响因子对土壤团聚体活性有机碳库的调控,对稳定冰缘地貌土壤结构、提高土壤固碳潜力具有重要的实际意义。鉴于此,笔者选择辽东山地不同海拔的4种典型植被:岸边带草地(riparian grassland, RG)、落叶松人工林(larch plantation, LP)、天然次生林(natural secondary forest, NF)和中山草地(mid-mountain grassland, MG)土壤为研究对象,比较不同海拔植被土壤团聚体活性有机碳差异,分析不同粒径团聚体活性有机碳贡献率,探究土壤团聚体活性有机碳与植被特征、土壤物理、土壤化学因子的关系,以期为辽东山地冰缘地貌土壤固碳潜力的研究提供科学依据。

1 研究区概况

辽东山地老秃顶子(E 124°41′13″～125°5′15″, N 41°11′11″～41°21′34″)位于辽宁省东部桓仁、新宾交界处,主峰海拔1 367.3 m,植被垂直带谱明显,其四周群山起伏,冰缘地貌广泛分布。区内土壤以棕壤、暗棕壤为典型代表,气候类型属于温带大陆性季风湿润气候,年降雨量650～1 300 mm,年无霜期139 d[16]。该区成壤条件苛刻,土壤厚度薄,结构疏松。笔者选取的中山草地主要植被为细叶苔草(Carexrigescens)、山尖子(Cacaliahastata)、羊草(Leymuschinensis)、野大豆(Glycinemax)等;天然林主要植被为蒙古栎(Quercusmongolica)、胡桃楸(Juglansmandshurica)、花曲柳(Fontanesiarhynchophylla)、接骨木(Sambucuswilliamsii)等;人工林主要树种为落叶松(Larixgmelinii);岸边带主要植被为水蓼(Polygonumhydropiper)、荩草(Arthraxonhispidus)、野稗(Echinochloacrusgalli)、狗尾草(Setariaviridis)、水蒿(Artemisiaselengensis)等。样地基本概况如表1。

表1 样地基本概况Tab.1 Basic information of sample plots

2 研究方法

2.1 样品采集与测定

于2019年6月在每个植被类型中设置3个20 m×20 m标准样地,其内随机设置1个0.5 m×0.5 m的小样方,收集样方内全部枯落物,辽东山地冰缘地貌土层较薄,细根主要分布在0～10 cm土层,用内径8 cm的土钻在0～10 cm土层挖取土芯,过筛,分拣出直径<2 mm的细根,枯落物和细根均放入70 ℃烘箱烘干至恒量,称取干质量,测算枯落物和细根生物量。在每个样地内按对角线选取5个样点,去除凋落物层,采集0～10 cm土壤1 kg左右装入土壤采样盒中。采用干筛法测定团聚体,得到>2.000 mm粒级团聚体、>1.000～2.000 mm粒级团聚体,>0.250～1.000 mm粒级团聚体和>0.038～0.250 mm粒级团聚体。将各粒径团聚体土样于60 ℃下烘干48 h,装袋备用。土壤有机碳含量采用重铬酸钾外加热法测定,土壤全氮含量采用凯氏消煮法测定,土壤活性有机碳采用高锰酸钾氧化法测定,非活性有机碳(non-labile organic carbon,NLOC)为土壤有机碳减去活性有机碳量。

2.2 统计分析

采用Microsoft Excel进行数据计算及作图。运用SPSS 18.0软件单因素方差分析及最小显著差异法对不同植被土壤团聚体活性有机碳、非活性有机碳含量及贡献率进行统计分析,双因素方差分析对不同植被类型及土壤团聚体粒径间活性/非活性有机碳和贡献率差异进行分析。运用Canoco 4.5进行冗余分析法,得出团聚体有机碳指标与植被特征、土壤物理、土壤化学各因子之间的相关性。

3 结果与分析

3.1 土壤团聚体活性、非活性有机碳质量分数

不同植被类型、团聚体粒径、以及二者的交互作用对土壤团聚体活性和非活性有机碳均有显著影响(表2)。不同植被类型>2.000、>1.000～2.000和>0.250～1.000 mm粒径土壤团聚体活性有机碳质量分数趋势基本一致,呈现中山草地、天然林、人工林、岸边带递减趋势,而在>0.038～0.250 mm粒径团聚体中表现为天然林大于人工林和中山草地,岸边带最低(图1)。不同植被类型土壤团聚体非活性有机碳质量分数趋势与活性有机碳质量分数趋势略有不同,>2.000 mm粒径土壤团聚体活性有机碳质量分数基本呈现中山草地、天然林、人工林、岸边带递减趋势;而>1.000～2.000 mm呈现中山草地大于天然林和岸边带,人工林最小; >0.250～1.000 mm呈现中山草地大于人工林,天然林和岸边带最小;在>0.038～0.250 mm粒径团聚体中表现为人工林大于天然林和中山草地,岸边带最低。

不同大写字母代表植被间差异显著,不同小写字母代表粒径间差异显著。下同。Different uppercase letters indicate significant differences between different forest types. Different lowercase letters indicate significant differences between different aggregate sizes. The same below. 图1 辽东山地不同植被土壤团聚体活性有机碳和非活性有机碳质量分数Fig.1 LOC and NLOC contents of soil aggregates in different vegetation types at mountain areas in eastern Liaoning

表2 不同植被类型及土壤团聚体粒径下活性、非活性有机碳质量分数和贡献率双因素方差分析Tab.2 Two-way ANOVA of LOC or NLOC contents and its contribution rates in different vegetation types and aggregate sizes

不同粒径土壤团聚体活性有机碳和非活性有机碳趋势基本一致。在天然林和人工林中,表现为>0.038～0.250 mm 和>0.250～1.000 mm粒径中活性和非活性有机碳含量多于>1.000～2.000 mm和>2.000 mm粒径中活性和非活性有机碳质量分数。在中山草地中随着粒径减小活性有机碳质量分数减少,岸边带活性和非活性有机碳质量分数在各粒径中的分布均表现为>1.000～2.000 mm粒径中最多,>0.250～1.000 mm粒径中次之, >0.038～0.250 mm和>2.000 mm粒径中较少。

3.2 不同粒径土壤团聚体活性有机碳贡献率

不同植被类型、团聚体粒径、以及二者的交互作用对于土壤团聚体活性和非活性有机碳贡献率均有显著影响(表2)。土壤各粒径团聚体活性有机碳与总有机碳的比率为活性有机碳贡献率,贡献率越高,说明有机碳活性越强。如图2所示,不同植被土壤团聚体活性有机碳贡献率在>2.000 mm粒径中,表现为中山草地>天然林>人工林>岸边带,>1.000～2.000 mm粒径中表现为中山草地>天然林>岸边带>人工林,在>0.250～1.000 mm粒径中表现为中山草地和天然林>岸边带>人工林,>0.038～0.250 mm粒径中表现为天然林>中山草地>人工林>岸边带。不同粒径土壤团聚体非活性有机碳贡献率趋势与不同粒径活性有机碳贡献率趋势略有不同, >2.000 mm粒径表现为中山草地>天然林>岸边带>人工林,>1.000～2.000 mm粒径趋势为中山草地>天然林和岸边带>人工林,>0.250～1.000 mm粒径趋势为中山草地和岸边带大于天然林和人工林,而在>0.038～0.250 mm粒径表现为中山草地和天然林>人工林>岸边带。

图2 辽东山地不同植被土壤团聚体活性有机碳和非活性有机碳贡献率Fig.2 Contribution rates of LOC and NLOC in soil aggregates in different vegetation types at mountain areas in eastern Liaoning

不同粒径土壤团聚体活性和非活性有机碳贡献率趋势一致,在中山草地、天然林和人工林表现一致,均随团聚体粒径的减小而降低,并且粒径在 >0.250 mm 的团聚体活性、非活性有机碳贡献率较大,>0.038～0.250 mm团聚体活性、非活性有机碳贡献率较低。在岸边带土壤中,土壤活性、非活性有机碳贡献率最高的分别是>1.000～2.000 mm和>2.000 mm粒径团聚体。

3.3 活性、非活性有机碳与有机碳关系

回归分析表明,土壤活性有机碳质量分数与总有机碳质量分数呈显著线性相关关系,拟合方程为:y=0.513x-0.925,R2=0.904 2(图3)。土壤非活性有机碳质量分数与总有机碳质量分数呈显著线性相关关系,拟合方程为:y=0.487x+0.925,R2=0.894 8(图3)。各粒级土壤活性有机碳与总有机碳的相关性不同,土壤团聚体粒径越大活性有机碳与总有机碳相关性最好,>2.000 mm、>1.000～2.000 mm和>0.250～1.000 mm和>0.038～0.250 mm 粒径土壤团聚体活性有机碳与总有机碳拟合方程的R2分别为0.583 2、0.523 1、0.456 2和0.108 3,拟合方程的斜率也呈减小趋势(图4)。

图3 土壤团聚体活性有机碳和非活性有机碳与团聚体有机碳质量分数相关关系Fig.3 Contribution rate of LOC and NLOC with organic carbon content in soil aggregates

图4 不同粒径土壤团聚体中活性有机碳与有机碳质量分数相关关系Fig.4 Correlation between LOC and organic carbon content in the soil aggregates with different particle sizes

3.4 有机碳的影响因素

对辽东山地冰缘地貌不同海拔典型植被土壤团聚体有机碳、活性有机碳和非活性有机碳与植被特征、土壤物理、土壤化学性质进行冗余分析。结果表明,植被特征、土壤物理、土壤化学性质因素综合对团聚体有机碳指标变异的解释率为77.1%,植被特征、土壤物理、土壤化学性质对团聚体有机碳指标变异的解释率分别为73.9%、68.0%和69.4%(表3)。可见,植被特征、土壤物理、土壤化学性质的交互作用对团聚体有机碳影响较大。排序轴1、2的累积贡献率为100%,较好地反映土壤指标与环境因子的关系。由图5所示,植被盖度、凋落物生物量、根系生物量及氧化还原电位与团聚体有机碳、活性有机碳、非活性有机碳呈正相关,与土壤TN、密度、pH值和含水率呈负相关,团聚体活性有机碳和非活性有机碳贡献率与团聚体粒径大小和氧化还原电位成正相关。

图5 土壤团聚体有机碳指标与环境因子的冗余分析Fig.5 Redundant analysis of soil organic carbon in aggregates and environmental factors

表3 土壤团聚体有机碳与环境因子的RDA结果Tab.3 RDA results of organic carbon in soil aggregates and environmental factors

4 讨论

4.1 不同海拔典型植被土壤团聚体活性有机碳特征

土壤活性有机碳主要来源于植物枯落物、土壤腐殖质、植物根系及土壤微生物的分泌物[15],土壤活性有机碳含量是气候、植被覆盖、土壤特征和人为干扰等多重因素综合作用的结果[16-18]。本研究发现,>0.25 mm粒径团聚体中活性有机碳质量分数呈现随海拔降低递减的趋势,即中山草地>天然林>人工林>岸边带。随海拔变化,气候因子(温度、湿度等)及成土条件变化,使植被类型、土壤理化特征及养分状况都随之改变。随海拔变化植被具有明显的地带性分布特征,不同植被枯落物量及其分解过程影响土壤有机碳/氮等质量分数,随海拔的降低气温逐渐升高,枯落物分解速率增加使土壤有机碳质量分数增加,同时土壤有机碳矿化速率也随之增加,这些过程共同影响土壤团聚体活性有机碳[17]。辽东山地冰缘地貌中山草地地表植被生长旺盛,植物根系发达,根系分泌物丰富,为土壤提供丰富的碳源。中山草地没有人为活动的干扰,堆积在地表的枯枝落叶及植物残体的腐烂分解也为土壤提供丰富的碳源,因此中山草地团聚体活性有机碳质量分数是本研究4种植被类型中最高的。天然林凋落物生物量和根系生物量较高(表1),人为干扰较少,团聚体内的活性有机碳也较高。但由于天然林海拔较中山草地低,辽东山地冰缘地貌随着海拔降低,年均温度升高,而微生物活动受水热条件影响较大,温度升高使土壤微生物分解有机质效率增大,从而降低有机碳积累,增大有机碳的分解矿化,进而影响团聚体的形成和活性有机碳质量分数。人工林和岸边带植被覆盖度、凋落物及根系生物量均较低,海拔较中山草地和天然林低(表1),而且受到的人为干扰增多,因此团聚体活性有机碳质量分数较低。岸边带受到溪流间歇式水淹的影响,土壤中的碳受溪流冲刷,容易随水土流失。

在>0.038～0.250 mm粒径团聚体中,活性有机碳质量分数表现为天然林大于中山草地和人工林,岸边带最低。有研究表明,大团聚体的有机碳比微团聚体的有机碳更容易矿化[18],活性有机碳直接参与碳矿化过程。由此推断,由于海拔降低、温度升高,大团聚体土壤碳矿化速率大于微团聚体矿化速率,微团聚体中的活性有机碳由于受到物理保护,矿化速率较低,所以天然林>0.038～0.250 mm粒径团聚体中活性有机碳质量分数较高。同时这也是天然林和人工林中>0.038～0.250 mm和>0.250～1.000 mm粒径土壤团聚体活性有机碳质量分数大于>1.000～2.000 mm和>2.000 mm粒径的主要原因。中山草地>0.038～0.250 mm粒径团聚体中活性有机碳质量分数低于天然林,推测是由于中山草地海拔较高温度较低,枯落物腐殖化速率低,而与微团聚体结合的有机质大部分是高度腐殖化的有机碳,所以中山草地微团聚体中活性有机碳质量分数低于天然林。

4.2 不同海拔典型植被土壤团聚体活性有机碳贡献率

活性有机碳贡献率是反映土壤碳稳定性的指标,从土壤有机碳自身分解特征方面指示有机碳活性强度,活性有机碳贡献率大小表明土壤有机质的质量,尤其是土壤有机质的潜在分解性质,贡献率越高,说明有机碳活性越强,被分解矿化的潜力越大,稳定性越差[6]。辽东山地冰缘地貌特异的气候、成土条件等因素造就了植被类型沿海拔梯度的差异性,同时也影响着土壤团聚体活性有机碳分配状况和土壤有机碳稳定性。中山草地、天然林和人工林不同粒径团聚体活性有机碳贡献率均随团聚体粒径的减小而降低,并且粒径在0.250 mm以上的团聚体活性有机碳贡献率较大,>0.038～0.250 mm团聚体活性有机碳贡献率较低。岸边带团聚体活性有机碳贡献率在>1.000～2.000 mm粒径团聚体中最大。可见团聚体有机碳的稳定性随粒径增大而降低。不同植被植物间,中山草地活性有机碳贡献率大于天然林,人工林和岸边带最小(图2)。虽然中山草地活性有机碳贡献率大,但其海拔高、温度低,影响有机碳的循环转化,所以其有机碳相对较稳定。而天然林活性有机碳贡献率仅次于中山草地,海拔较低、微生物活性高,周转速度快,更应重视其有机碳的稳定性。

4.3 团聚体活性有机碳与土壤总有机碳的相关性

团聚体有机碳占土壤总有机碳的90%左右,相关研究证实土壤团聚体活性有机碳含量与团聚体有机碳含量存在显著相关关系,可以作为评价土壤碳库变化的敏感指标,通过监测土壤活性有机碳来指示有机碳的动态变化[19]。辽东山地冰缘地貌土壤团聚体活性有机碳质量分数与土壤总有机碳质量分数呈显著正相关,相关系数达0.900。而团聚体非活性有机碳质量分数与土壤总有机碳质量分数的相关系数要低于活性有机碳。因此,辽东山地冰缘地貌团聚体活性有机碳质量分数可以作为土壤碳库变化的敏感指标,指示有机碳库的变化。另外,通过对不同粒径团聚体活性有机碳质量分数与土壤总有机碳质量分数的相关分析发现,团聚体活性有机碳质量分数与土壤总有机碳质量分数之间的相关性随着团聚体粒径的增大而增大,即大团聚体中的活性有机碳质量分数与土壤总有机碳质量分数的相关性更为显著。因此,大团聚体中的活性有机碳质量分数可以更好地预测和评价土壤碳库动态变化。

4.4 团聚体活性有机碳影响因素

土壤活性有机碳能灵敏地反映环境因素对土壤碳库的影响,研究表明,气候、降水、地形地貌、植被类型等的差异均影响土壤活性有机碳的含量[20]。辽东山地冰缘地貌受气候的影响,在冻融、风力、雪蚀共同作用下成土条件特异,地上植被成明显的按海拔分布的植被地带性。这些环境因素都对土壤有机碳产生影响。本研究中,团聚体有机碳、活性有机碳、非活性有机碳质量分数与植被盖度、凋落物生物量、根系生物量及氧化还原电位呈正相关,与土壤TN、密度、pH值和含水率呈负相关。植被生物量及凋落物、细根分解是土壤有机碳的输入源,与土壤有机碳成正相关[21]。氧化还原电位越高说明根系分泌的有机酸越多,pH值越小,更有利于土壤团聚体胶结及团聚体有机碳的积累。土壤水分含量适宜有利于有机碳积累,但当土壤水分含量偏高时,伴随降水过程可能引起有机碳淋失。密度过高使土壤通气状况变差,抑制了微生物活性,造成凋落物分解速率变慢,影响有机碳输入。凋落物量、TN、密度、pH值、含水率和温度等可以通过影响土壤微生物活性而对土壤有机碳含量产生影响。微生物活性升高土壤有机碳分解加速,但同时土壤中植物残体分解速率也增加,提高土壤碳的归还量。因此,微生物活性对土壤有机碳的响应可能是正反馈,也可能是负反馈[22]。