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岩溶山区不同土地利用方式对土壤活性有机碳动态的影响[J].doc

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岩溶山区不同土地利用方式对土壤活性有机碳动态的影响[J].doc

专业文档,值得下载专业文档,值得珍藏岩溶山区不同土地利用方式对土壤活性有机碳动态的影响莫彬1,2,曹建华1,徐祥明1,2,申宏岗1,杨慧1,李小方1,31.中国地质科学院岩溶地质研究所//国土资源部岩溶动力学重点实验室,广西桂林5410042.广西师范大学生命科学学院,广西桂林5410043.广西师范大学化学与化工学院,广西桂林541004摘要对贵州茂兰自然保护区内三种典型土地利用方式林地、草地和耕地下土壤活性有机碳组分土壤溶解有机碳和土壤微生物量碳的月变化及其对环境因子的响应进行了研究,结果表明在不同的土地利用方式下上覆植被类型不同,其凋落物数量、质量及分解行为不同,有机质的输入量及质量也不相同,从而形成不同的土壤溶解有机碳含量差异,土壤有机碳的大小也存在较大差别。研究结果显示从全年平均值来看,林地土壤溶解有机碳分别比草地和耕地高25、48从3月到8月,三者均随气温的上升呈增加的趋势,林地和耕地在8月均达到最大值,而草地则在10月达到最大值林地和草地土壤微生物量碳分别高于耕地81和45,林地和草地在10月达到最大值。不同的土地利用方式导致土壤活性有机碳的差异较大,这说明岩溶生态系统中土地利用方式对土壤碳库的大小有较大影响。不同土地利用方式下土壤活性有机碳对环境因子的响应也各不相同,这表明土壤活性碳受众多因素的制约而呈现出一种动态平衡关系,进一步的机理仍需要进行深入研究。关键词土地利用变化土壤溶解有机碳土壤微生物量碳岩溶中图分类号S153.6文献标识码A文章编号16722175(2006)0612240720世纪90年代以来,土地利用/土地覆被变化引起了国际组织和世界上许多国家的重视。1995年,国际地圈与生物圈计划IGBP和全球变化对人类影响和响应计划HDP将其列入全球环境变化的核心项目。土地利用变化对全球变化影响的研究逐渐成为地学、生态学、农学、环境科学等领域研究的一个热点问题。研究土地利用/土地覆被变化及土地管理对陆地生态系统碳循环的影响是当今全球碳循环研究的一个热点内容1。土地利用变化对气候、生物地球化学过程和陆地生态系统生物物种的丰度及组成有重要影响。土地利用方式的改变将导致覆被类型的变化,包括森林转换为草地或农田、草地转换为农田以及退耕还林草等2,这些变化不仅直接影响土壤有机碳的含量和分布,还通过影响土壤有机碳形成、转化的因子而间接影响土壤有机碳3。土壤有机碳由不同稳定性的组分组成,其概念性库包括活跃Active、慢性(Slow和惰性Passive库4。引起土壤有机碳库的最初变化主要是易分解、矿化的活性碳部分。尽管这部分碳素,占全碳的比例很小,但它们对维持土壤肥力及土壤碳贮量变化方面具有重要的作用5。因此,了解不同土地利用方式下土壤活性碳的大小和动态变化,对调节土壤养分流、维持土壤内在的生产力以及深入研究土壤碳循环的机理高度相关。基于它活跃的性质和重要作用,研究土壤活性有机碳组分对土地利用变化的响应规律成为当前土壤碳和养分循环方面的一个热点5。我国是一个岩溶大国,岩溶面积达344104km2,约占国土面积的三分之一,其中西南连片裸露的岩溶区面积达54104km26。然而,从国内目前对土壤碳循环的研究来看,大部分集中在下列区域(1)人文和自然驱动力极为活跃的热点地区。如北京7、深圳89和长江三角洲地区10。(2)生态脆弱区。例如,东北农牧交错带、绿洲地区、干旱和半干旱地区11。岩溶地区同样属于生态环境脆弱区,却没有引起足够的重视,研究程度比较薄弱,由于石灰土的富钙、偏碱性1213,而且CO2含量高的土壤环境是岩溶发育最为活跃的部位14,土壤碳的动态变化与循环特征受到高钙环境胁迫的影响,碳转移有其自身的规律15,因此,本文选择我国西南地区岩溶发育较为典型的贵州茂兰喀斯特原始森林国家自然保护区为研究地点,通过分析土壤碳库中对土地利用方式变化最为敏感、变化最为活跃的土壤活性有机碳主要组分溶解有机碳DOC、微生物量碳MBC的动态变化与环境因子、土壤呼吸之间的变化关系,希望能够为深入研究和评价岩溶地区土地利用变化对土壤碳循环的影响提供基础数据。1材料和方法1.1研究区域概况贵州茂兰喀斯特原始森林国家级自然保护区,地理位置为东经107°52´108°05´,北纬25°09´25°20´年均温18.3℃,≥10℃积温5767.9℃年均降水量1320.5mm,集中分布于410月年均相对湿度80年均霜日7.3d年均日照时数1272.8h,日照百分率29,属中亚热带季风湿润气候,有利于林木生长。区内主要出露岩石为纯质石灰岩和白云岩,属裸露型岩溶地貌。与常态地貌相比。生境复杂多样,有石面、石沟、石洞、石槽、石缝、莫彬等岩溶山区不同土地利用方式对土壤活性有机碳动态的影响1225土面等多种小生境,其生态因子变化很大。土壤以黑色石灰土为主。土层浅薄且不连续,剖面构型多为AFD型、AD型。地表水缺乏,土体持水量低。土壤富钙和富盐基化,pH6.58.0,有机质含量高16。1.2土样采集样地选择采用以空间代替时间的方法。为减少样地间地形及气候差异,在相隔邻近且土壤类型相同的坡底地段选取林地、草地和耕地种植黄豆三种土地利用类型开展定位监测,采用S型混合取样法每月取样地020cm层土样,并现场测定土壤pH、温度、湿度和CO2含量。土壤样品带回实验室后,分成两份,1份鲜样去杂、过2mm钢筛后贮藏于4℃的冰箱内,进行土壤DOC、土壤微生物量碳测定另一份风干、去杂、过筛后供土壤总有机碳SOC测定,采样时间为2005年3月至2006年3月。1.3测定方法土壤DOC测定将25g新鲜土放入盛有100mL0.5mol/LK2SO4的容量瓶中,常温下震荡浸提30min,用高速离心机离心,上清液过0.45µm滤膜,用TOCVCPH仪测定浸提液有机碳含量,得到DOC土壤微生物量碳测定采用氯仿熏蒸培养法17土壤有机碳测定采用改进的外加热重铬酸钾氧化法土壤CO2含量将L型PVC管埋设于土下20cm深度处,水平管为土壤气体收集管,其上钻有孔隙,作为通气孔竖管为导气管,导气管顶端升至地面,其上为橡皮塞,以阻止土壤气体与大气的交换,测量时用Gastec真空泵抽气测量土壤pH酸度计法土壤湿度用湿度计测量土壤温度用曲管地温计测量土下5cm处土温。2结果与分析2.1三种不同土地利用方式下土壤活性有机碳的变化及其对环境因子的响应土壤活性碳是指土壤中移动快、稳定性差、易氧化、矿化,并对植物和土壤微生物活性较高的那部分有机碳,常可用水溶性碳、微生物量碳和易氧化碳等来进行表征18。土壤溶解有机碳,是指在一定的时空条件下,受植物和微生物影响强烈、具有一定溶解性、在土壤中移动比较快、不稳定、易氧化、易分解、易矿化,其形态、空间位置对植物、微生物来说活性比较高的那一部分土壤碳素。虽然它只占土壤有机碳总量的较小部分,但它可以在土壤全碳变化之前反映土壤微小的变化,又直接参与土壤生物化学转化过程,同时,也是土壤微生物活动能源和土壤养分的驱动力1920,因而它对土壤碳库平衡和土壤化学、生物化学肥力保持具有重要意义。土地利用及土地利用变化是影响陆地生态系统碳循环的主要人为因素,这些因素通过对植被组成及生态系统结构和生物多样性改变而影响生态系统碳的碳贮量、组成、稳定性和周转21,也通过对土壤理化性质、养分循环和水循环过程改变而影响DOC动态和陆地生态系统碳的生物地球化学循环22。从图1可以看出,从3月到8月,随着温度逐渐回升,三种不同土地利用方式下土壤DOC的变化基本上均呈现出上升趋势,这与土壤微生物活性增强加速了土壤有机碳的分解有关。而9月份三者均有较为明显的下降,这可能与当地9月高温少雨的天气(见图2)导致土壤干燥有关。大部分土壤微生物难以耐受土壤干燥因而导致土壤微生物活性极大减弱从而使得土壤DOC随之降低23。耕地在8月份土壤DOC达到最大值181.56mg/kg,这与黄豆在该月份达到成熟期有关。在成熟季节,黄豆根际微生态系统中,根尖的生长最快,根际区域内根尖的生长根系分泌物达到最大量,根分泌物主要包括低分子量有机可溶物以及细胞和组织的脱落物,因此根际区域根系分泌物的大量沉积促使耕地土壤DOC的大幅上升。林地土壤DOC在全年绝大部分时段内大于草地和耕地,从全年平均值来看,0501001502002503003502005年3月6月9月11月2006年3月月份溶解有机碳含量/mgkg1耕地草地林地图1不同土地利用方式下土壤溶解有机碳的动态变化Fig.1ThechangeofsoilDOCunderdifferentlandusepatterns0501001502002503003504003月5月7月9月11月次年1月3月月份降雨量/mm051015202530气温/℃降雨量mm平均温度℃图2贵州茂兰2005年3月−2006年3月每月平均气温和降雨量Fig.2ThemonthlytemperatureandrainfallinMaolan,GuiZhouProvince1226生态环境第15卷第6期(2006年11月)林地土壤DOC分别比草地和耕地高25、48。由此可见,随着土地利用方式从林地转向耕地,土壤DOC含量变化明显,尤其是在作物成熟收割后的休耕时节,林地土壤DOC与耕地DOC差异达到极显著水平,这表明土地开垦耕作是导致土壤DOC含量降低的主要原因,自然土壤转变为耕地土壤后,土壤DOC含量明显降低,植被种类和返回到土壤中的有机质数量是决定土壤DOC含量的主要因素。张金波等在三江平原湿地的研究发现未受扰动或扰动较小的土壤DOCE280值较低,剧烈扰动后,E280值增加,耕作土壤弃耕后,土壤DOC的E280值降低24。E280指的是280nm波长的紫外光吸收值是近年来常被用来反映DOC组成、团聚化程度和分子量的大小的一个指标,研究表明,E280值与DOC中芳香族化合物有关,E280值越大说明DOC中芳香族化合物数量越多,结构越复杂,分子量大,DOC的可利用性低2526。因此,林地比起耕地受到的人为扰动较少,土壤DOC的可利用性较高。国内外众多学者的研究也表明土壤水溶性有机碳主要来源于地面归还物、根系分泌物和土壤有机质,水溶性有机碳与土壤总有机碳常又处于动态平衡之中,可以在一定条件下相互转化2728,因此,一般来说林地土壤地面归还物较多,土壤总有机碳较高,水溶性有机碳含量也常常较高。从表1的相关性分析结果来看,不同土地利用方式下土壤DOC对环境因子的响应各不相同。耕地土壤DOC与土壤有机碳呈正相关,相关性达到显著性水平(R=0.683,p0.05),与降雨量达到极显著水平R0.883,p0.01草地土壤DOC则与土温、气温和土壤CO2含量呈显著正相关,相关系数分别为0.733,0.783,0.700林地DOC与各环境因子的相关性均未达到显著水平。不同土地利用方式产生不同的植被覆盖类型,导致形成不同的生态系统小气候环境。研究结果表明在耕地这样的人工生态系统内,降雨量成为制约土壤DOC含量的重要因子,这可能与耕地土壤砂化较为严重,土壤粘粒含量较低,土壤保水能力差、土壤含水量低有关。而草地自然生态系统内植物生物量集中于土壤浅层根部,根系分布均匀,使得根际土壤DOC对土温、气温、土壤CO2含量的变化反应较为敏感。而林地自然生态系统内在上部冠层的遮盖下,形成自身较为稳定的小气候环境,土壤DOC受到地表凋落物种类和数量、根系深浅、动物扰动等众多不易观测因子的制约,影响较为复杂。三种不同土地利用下土壤物理性质的变化见图3、图4、图5(下页)。从表1的相关分析我们可以看出耕地、草地和林地土壤pH与土壤DOC均呈现出一定的正相关性,相关系数分别为0.611,0.126,0.322,但未达到显著性水平。耕地土壤pH略高于林地,这可能与春季当地农民为补充土壤肥力而施入草木灰有关。大量的草木灰秸秆焚烧施用使土壤的pH上升,土壤中可溶性的有机化合物含量增加29。土壤pH大于一定值时,溶液碱度的增加可能使一些大分子腐殖酸的溶解度增加,从而表1不同土地利用方式下土壤DOC与影响因子的Spearman相关系数Table1CorrelationcoefficientsbetweensoilDOCandenvironmentalfactorsunderdifferentlandusetypes土壤类型土壤pH土壤温度土壤湿度土壤有机碳气温降雨量土壤CO2土壤微生物量碳耕地土壤DOC0.6110.6000.1420.6830.4500.8830.5170.067Sig.2tailed0.1540.0880.7150.0420.2240.0020.1540.865草地土壤DOC0.1260.7330.6780.0830.7830.4170.7000.383Sig.2tailed0.7480.0250.0450.8310.0130.2650.0360.308林地土壤DOC0.3220.3500.2500.3000.3330.0830.4170.067Sig.2tailed0.3980.3560.5160.4330.3810.8310.2650.86544.555.566.577.5384126月9月11月38777月份土壤pH农地草地林地图3不同土地利用方式下土壤pH的变化Fig.3ThechangeofsoilpHunderdifferentlandusepatterns051015202530352005年3月6月9月11月2006年3月月份土温/℃农地草地林地图4不同土地利用方式下土温的变化Fig.4Thechangeofsoiltemperatureunderdifferentlandusepatterns莫彬等岩溶山区不同土地利用方式对土壤活性有机碳动态的影响1227DOC的浸提总量提高。这与Andersson等对瑞典北部Scotspines下Morhumus层的石灰试验的结果相类似,该研究发现由于石灰的施用土壤pH上升从而使DOC和DON的释放量增加30。土温与土壤DOC的关系较为复杂,草地土壤DOC与土温的相关性达显著性水平,而在林地和耕地中则未显示出相同的结果。Vance等研究表明温度对DOC吸附基本上没影响31。Jardine发现,降低土壤温度DOC吸附仅发生轻微的减少,由于与温度关系不大,他们推断DOC吸附是一个熵变过程,伴着一个占主导地位的物理吸附机制,被吸附的DOC中25是通过阴离子交换被吸附的32。土壤湿度与土壤DOC的关系同样较为复杂,耕地和林地土壤DOC与土壤湿度呈正相关,而草地土壤DOC则发现与之相反的结果,不过三者的相关性均未达到显著性水平,这可能与不同的土地利用方式其上覆植被不同,分解产生的DOC组成中亲水性与疏水性组分比例存在较大差异,使得DOC对土壤湿度的响应不同从而在土壤中产生不同的截存数量。2.2三种不同土地利用方式下土壤DOC与土壤CO2含量、土壤微生物量碳的关系土壤呼吸和微生物量碳含量是表征土壤微生物活性的重要指标,尤其是基础土壤呼吸部分反映了土壤的生物活性,土壤物质代谢的强度。在生态演替过程中,植被的变化通过吸收养分和归还有机物等影响着土壤的物理、化学和生物学性质,土壤呼吸随之变化。土壤呼吸也是反映系统对环境胁迫响应的指标之一,其速率变化与否以及变化的方向反映了系统对胁迫的敏感程度和响应模式3336。此外,从小气候学的角度看,土壤释放的CO2改变了近地面的微气象条件,为植物下部冠层提供了更丰富的碳源。从图6可以看出,草地土壤CO2含量比林地和耕地要高,草地土壤CO2含量在9月达到全年最高值42000106,林地和耕地的最高值则出现在6月,分别为10000106和13000106,这与不同的植被类型具有不同的根系分布格局及其土壤质地有关。一般来说,CO2在土壤中的含量主要取决于两个方面一是CO2生产量的多少二是CO2的传输状况。当土层中CO2生产量大而且不容易向大气扩散时,则土层CO2含量较高当土层中CO2生产量小而且容易向大气扩散时,则土层CO2含量较低。草地土壤根系发达,CO2产生量大,且土壤湿度介于林地和耕地之间而林地土壤质地一般较为粘重,土壤有机质分解较为缓慢,从而使得土壤中CO2含量较之草地土壤为低。从4月到6月,三种土地利用方式下土壤CO2含量均随着土壤温度的升高和植物的生长而增大,7月到9月则表现不一致,这可能与土壤质地有关。相关性分析表明,三种土地利用方式下土壤CO2含量均与土壤DOC呈正相关性,其中草地土壤的相关性达到显著性水平p0.05。从图7(下页)可以看出,林地和草地土壤微生物量碳一般均大于耕地,从全年平均值来看,林地和草地分别高于耕地81和45。这与林地土壤有较好的保水能力,土壤含水量波动不大,适宜微生物活动有关。Gestcl等通过多元线性回归分析发现,土壤微生物量碳与粘粒及有机质含量呈很好的正相关,他们认为多方面的原因导致以上现象(1)粘土和有机质形成团粒结构有利于土壤微生物的活动(2)粘粒表面对微生物的直接吸附作用(3)粘粒表面的电荷使有机及无机养分在表面暂时积累从而促进微生物的活动37。本研究也发现土壤湿度较高的林地生态系统土壤中土壤微生物量较高。不同的土地利用方式导致不同的植被类型,地上部分生物量的差异以及地表枯落物的质量不同将会影响土壤微生物的活动,耕地土壤植物收获后带走67891011121314152005年3月6月9月11月2006年3月月份土壤湿度/农地草地林地图5不同土地利用方式下土壤湿度的变化Fig.5Thechangeofsoilmoistureunderdifferentlandusepatterns0500010000150002000025000300003500040000450002005年3月6月9月11月2006年3月月份土壤CO2含量/106农地草地林地图6不同土地利用方式下土壤CO2含量的变化Fig.6ThechangeoftheconcentrationofCO2insoilsunderdifferentlandusepatterns

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