土地利用方式对岩溶山地土壤轻组和重组有机碳的影响

土地利用方式对岩溶山地土壤轻组和重组有机碳的影响蓝家程;肖时珍;林俊清;沈艳【摘要】Inthepresentstudy,forestland,vegetableland,grasslandandabandonedlandinKarstmountainousar-eaofZhonglianginChongqingwereselectedasstudyobjects.Influencesofdifferentlandusetypesonsoillightfrac-tionorganiccarbon(LFOC)andheavyfractionorganiccarbon(HFOC)contents,distributionsandsensitivitywerestudiedusingthemethodofrelativedensityfractionation,varianceanalysisandcorrelationanalysis.Itwasshownthatcontentsofsoilorganiccarbon(SOC),LFOC,HFOCandLFOC/SOCinforestland,vegetableland,grasslandweresignificantlyhigherthanthoseinabandonedland.However,HFOC/SOCinabandonedlandwerehigherthanthoseintheotherlandusetypes.ThecontentsofLFOC,HFOCandSOCunderdifferentlandusetypesdecreasedwiththeincreasingsoildepth.SoilLFOChadthehighestsensitivity,andwasfollowedbySOCandHFOC.SoilLFOCwasmoresensitivetothelandusechanges.Therefore,soilLFOCcouldbeusedasindicatorofsoilqualityandsoilorganicstability.%以重庆中梁山岩溶山地的林地、菜地、草地和弃耕地为研究对象，采用有机碳密度分组法、单因素方差分析和相关分析,研究不同土地利用方式对土壤轻组有机碳(LFOC)和重组有机碳(HFOC)含量、分配及敏感性的影响.结果表明，林地、菜地和草地土壤LFOC、HFOC、有机碳(SOC)含量及LFOC/SOC均显著高于弃耕地;而土壤HFOC/SOC以弃耕地最大.不同土地利用方式下，土壤LFOC、HFOC、SOC含量均随土层深度增加而下降.土壤LFOC敏感性最高,其次为SOC,HFOC敏感性最低.LFOC能更敏感地反映土地利用方式的变化，可作为反映土壤质量变化和土壤有机碳稳定性的敏感性指标.【期刊名称】《浙江农业学报》【年(卷)，期】2017(029)010【总页数】6页(P1720-1725)【关键词】岩溶山地;土地利用;土壤有机碳;土壤性质【作者】蓝家程消时珍;林俊清;沈艳【作者单位】贵州师范大学喀斯特研究院/国家喀斯特石漠化防治工程技术研究中心贵州贵阳550001;贵州师范大学喀斯特研究院/国家喀斯特石漠化防治工程技术研究中心，贵州贵阳550001;西南大学地理科学学院/三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆400715;贵州师范大学喀斯特研究院/国家喀斯特石漠化防治工程技术研究中心，贵州贵阳550001;四川省眉山中学，四川眉山620010【正文语种】中文【中图分类】S153.6土壤有机碳是土壤质量的核心。土壤有机碳库很小的变动，就可能会对大气CO2浓度及碳平衡产生重要影响［1］。土地覆被变化、利用方式的改变对土壤有机碳的分解与积累有重要影响［2-5］，尤其是在易矿化分解、周转速度快的活性碳库部分，影响格外明显；因此，要准确评估土壤有机碳对土地利用的响应，需要区分有机碳组分进行研究。土壤有机碳按照密度大小可分为轻组有机碳(lightfractionorganiccarbon，LFOC)和重组有机碳(heavyfractionorganiccarbon，HFOC)。土粒密度小于1.8~2.0g-cm-3的组分为轻组有机碳，这部分有机碳具有较强的生物活性，主要由游离腐殖酸和植物残体及其腐解产物等组成，周转期一般为1~15a[6];±粒密度大于1.8~2.0g-cm-3的组分为重组有机碳，主要系由腐殖质构成的有机矿质复合体，很难被微生物利用和分解，属于保护性有机碳，对土壤团聚体结构维持和有机碳稳定有重要作用。研究显示，土地利用对土壤轻组有机碳含量及其分配影响明显[7-9];而重组有机碳由于相对稳定，有关土地利用对重组有机碳的影响研究相对较少。岩溶生态系统中的土壤处于岩溶生态系统物质循环的纽带和核心部位，土壤功能的存在和变化，是维持和支撑整个岩溶生态系统正常运行的关键。土壤碳库以溶解性有机碳(DOC)等为主要形式与相邻圈层进行物质循环和交换，参与岩溶作用过程。土壤CO2和有机碳是岩溶过程的驱动力。土地利用方式的改变会对土壤有机碳产生影响，并进而影响到岩溶作用的方向和强度[10]。目前，有关岩溶区土地利用方式对土壤活性有机碳的影响已有不少报道，主要集中于土壤易氧化有机碳(ROC)、DOC、颗粒有机碳(POC)和矿物有机碳(MOC)及微生物量碳(MBC)等领域[11-15],而有关土壤轻组有机碳和重组有机碳的讨论很少。本研究以重庆中梁山岩溶山地为例，分析和探讨不同土地利用方式下土壤LFOC和HFOC含量、分配的变化及其敏感性，以期为提高岩溶区土地生产力和土壤有机碳稳定性及岩溶碳汇研究等提供数据支撑和科学依据。1.1研究区概况重庆市中梁山位于106°18'14”~106°56'53”E、29°39'10”~30°3'53"N之间，由于岩溶作用形成岩溶槽谷，呈现〃一山两槽三岭”的构造地貌格局，海拔400~700m。区内年均气温18°C,多年平均降水量1000mm，降水集中分布在3—9月，属于中亚热带季风性湿润气候。土壤发育的地质背景是三叠纪嘉陵江组的岩溶角粒状白云质灰岩，土壤类型属于黄色石灰土，土层厚0.15~1.00m。地带性植被为中亚热带常绿阔叶林，但由于受岩性、土壤和人类活动影响，已无典型的常绿阔叶林地，现有植被为人工次生林。1.2研究方法2.1样地选择及样品采集选取研究区内弃耕地、林地、菜地、草地等4种土地利用方式。弃耕地弃耕2a，以夹蒿(Folderartemisia)和白茅(Imperatacylindrica)为主，植被覆盖度为0.80,土壤质地黏重，弃耕前种植玉米，海拔552m,坡度5~18。；林地为人工次生林，种植10a以上，植被覆盖度为0.85，土壤质地黏重，海拔671m,坡度2~10。;菜地主要种植白菜和萝卜，5a以上轮种，常年耕作，覆盖度为0.80，种植之前为玉米地，土壤质地黏重，海拔514m,坡度2~5。；草地由耕地撂荒而成，撂荒20a以上，植被以白茅为主，少量夹蒿，覆盖度为1.0，土壤质地黏重，海拔514m,坡度6~13。。在每种土地利用方式下选择不同地块各设置3个样地，每个样地大小为10mx10m,挖掘40cm深的土壤剖面，依从下往上的原则，采集0-20cm及20~40cm土样，每层土样取1kg。土壤带回实验室后，挑去石子、树枝等杂物，自然风干后分别过2、1、0.25mm筛子，贮存待分析。1.2.2试验分析土壤有机碳采用重铬酸钾外加热法测定［16］。土壤轻组有机碳和重组有机碳的测定：称取过0.25mm筛的风干土样5.00g于100mL离心管中，加入25mL1.8g-cm-3的漠化锌(ZnB⑵溶液，200r-min-1振荡1h,之后离心10min(3000r-min-1)，重复以上过程3次，分别用95%乙醇洗涤3次，去离子水洗涤2次，分离后离心管中的土样即为重组物质，60°C烘干48h,土样研磨过0.149mm筛，测定土壤HFOC含量，方法同SOC测定。LFOC含量采用差值法计算。1.2.3土壤碳变化敏感性指标计算［17］土壤有机碳及组分敏感性指标=(变量最大值-变量最小值)/变量最小值。1.3数据处理采用SPSSStatistics17进行方差分析和相关分析，用Excel2010对表中数据进行整理和计算，图件在Origin8.0软件中完成绘制。2.1土地利用方式对土壤轻组有机碳的影响不同土地利用方式下，土壤LFOC含量均表现出随土层加深而减小的趋势(表1),与土壤SOC含量分布相似。方差分析表明，林地和草地0~20cm与20-40cm土层的LFOC含量差异显著(P<0.05)，这可能主要与根系分布有关，菜地和弃耕地LFOC含量差异不显著。不同土地利用方式下，土壤LFOC含量在0-20cm土层均表现为草地〉林地〉菜地〉弃耕地，其中，草地、林地、菜地与弃耕地差异极显著(P<0.01),但前三者间无显著差异；土壤LFOC含量20-40cm表现为菜地〉林地〉草地〉弃耕地，菜地、林地与弃耕地差异极显著(P<0.01)，草地与弃耕地差异显著(P<0.05)。总体来看，弃耕地虽然已弃耕2a，但土壤质量仍较差。林地、草地、菜地0-20cm土层SOC含量显著(P<0.05)高于弃耕地，20-40cm土层SOC含量极显著(P<0.01)高于弃耕地，但相差比例不及LFOC。例如，在0-20和20-40cm土层，林地LFOC含量较弃耕地分别高1038%和1141%，而林地土壤SOC含量比弃耕地仅分别高出119%和280%。这一结果说明，相较于土壤SOC,土壤LFOC对土地利用变化更为敏感。土壤LFOC/SOC可以反映土壤有机碳库质量［17］。不同土地利用方式下，土壤LFOC/SOC在剖面上的分布亦存在一定差异：在0-20cm土层，LFOC/SOC依次为草地〉林地〉菜地〉弃耕地；在20-40cm土层，LFOC/SOC表现为菜地〉林地>草地〉弃耕地。这说明，相对于弃耕地，林地、草地和菜地土壤质量较高。弃耕地可能由于弃耕年限较短，0-20与20-40cm土层LFOC/SOC差异不明显。林地和草地的土壤LFOC/SOC均表现为0~20cm土层大于20~40cm土层，而菜地相反，这可能与菜地常年翻耕有关。2.2土地利用方式对土壤重组有机碳的影响由表1可知，与土壤SOC和LFOC含量变化趋势类似，不同土地利用方式下土壤HFOC含量均随土层加深而减小。在0~20cm土层，土壤HFOC含量依次为菜地〉林地〉草地〉弃耕地(表1)，与土壤SOC含量变化一致，菜地、林地、草地HFOC含量分别比弃耕地高出103%、95%、63%，其中，菜地与弃耕地差异极显著(P<0.01)，林地和草地与弃耕地差异显著(P<0.05);在20~40cm土层，土壤HFOC含量依次为林地〉菜地〉草地〉弃耕地，同样与土壤SOC含量变化一致。相较于0~20cm土层，20~40cm土层林地、草地、菜地土壤HFOC含量与弃耕地差异更大，且均达到极显著水平(P<0.01)。在0~20cm土层，林地、菜地、草地与弃耕地土壤HFOC含量差异在57%~103%之间，而土壤SOC含量差异在90%~123%之间；在20~40cm土层，林地、菜地、草地与弃耕地土壤HFOC含量差异在156%~286%之间，而土壤SOC含量差异在168%~311%之间。这说明，不同土地利用方式下土壤HFOC含量变化小于土壤SOC含量变化。土壤HFOC/SOC，即土壤有机无机复合度，可以表示土壤有机无机复合性状，反映了土壤有机无机复合量占有机质的比例［18］。不同土地利用方式下，土壤HFOC/SOC的差异在0~20cm土层要大于20~40cm土层。在0~20cm土层，HFOC/SOC表现为弃耕地〉菜地〉林地〉草地，其中，弃耕地和草地呈极显著差异(P<0.01);在20~40cm土层，HFOC/SOC表现为弃耕地〉草地〉林地〉菜地。2.3相关性与敏感性分析相关性分析显示，土壤LFOC、HFOC含量分别与SOC含量呈极显著正相关（图1）,且对HFOC与SOC含量进行线性拟合的决定系数（R2）更高。许多研究认为，相较于土壤有机碳含量，土壤活性有机碳含量是对土地利用变化反应更为敏感的指标［3，19］。本研究对不同土地利用方式下土壤LFOC、HFOC和SOC的敏感性进行了计算（表2）。可以看出，土壤LFOC的敏感性最高，SOC和HFOC相当。这说明土壤LFOC更能反映不同土地利用方式之间的差异，对土地利用变化敏感性最高，可作为反映土壤质量变化和土壤有机碳稳定性的敏感性指标。土壤LFOC是有机质中易变化的部分，其含量主要来自动植物及微生物残体，容易受到植被凋落物、枯枝落叶和土壤管理方式的影响［7，19］。本研究显示，不同土层林地、草地和菜地土壤LFOC含量均显著高于弃耕地LFOC含量，土壤LFOC/SOC均大于弃耕地，这主要与植被恢复年限、植物凋落量、根系分布及土壤管理措施有关。林地和草地已有10a以上的恢复，植物凋落量较高，土壤表层覆盖有大量枯枝落叶，草本层厚，有机碳输入量大，凋落物的分解可以提供大量土壤LFOC来源，进而改变LFOC的分配比例。Conteh等［20］认为耕作会降低土壤团聚体的稳定性进而改变土壤LFOC含量及分配比例。照此推理，菜地翻耕会导致土壤团聚体的破坏，降低LFOC含量，但本研究中菜地土壤LFOC含量较高，这主要与施肥有关。研究表明，施肥能够增加土壤LFOC含量［21-22］。研究区为蔬菜基地，大量施用有机肥、无机肥及农家肥，这有助于提高土壤LFOC含量。弃耕地土壤LFOC含量低主要与其弃耕年限较短，土壤结构尚未恢复有关。土壤HFOC含量为保护性碳，其含量比较稳定，代表的是土壤长期积累的碳，其含量和分配比例可以从某一方面反映土壤有机碳的稳定性。林地根系发达且分布较深，大量的凋落物可提供丰富的有机质，根系分泌物也可作为良好的土壤胶结剂，提高土壤团聚体数量和质量，使得土壤HFOC与矿物颗粒紧密结合，增加了土壤HFOC的含量。菜地由于长期施用有机肥，不仅提高了土壤SOC含量，而且有利于增加土壤复合体有机碳含量，改善土壤结构。草地根系不及林地发达，土壤有机碳来源相对较少，对土壤HFOC含量的影响不及林地明显，而且其根系分布较浅，对20-40cm土层HFOC含量的影响较弱。各土地利用方式不同土层HFOC含量差异幅度不同。林地、菜地、草地和弃耕地的20-40cm土层土壤HFOC含量分别为0-20cm土层的85.3%、66.0%、67.5%和43.1%，林地由于具有深根性，相对增加了深层土壤HFOC含量，这与马昕昕等［23］的研究结果一致。本研究中HFOC/SOC大于LFOC/HFOC，说明有机碳含量主要分布在重组中。与其他研究相比［19,24］,本研究土壤HFOC占比较高，可能与研究区土壤为石灰土，黏粒含量高，粉砂粒和黏粒含量达到90%-98%有关。【相关文献】DAVIDSONEA,JANSSENSIA.Temperaturesensitivityofsoilcarbondecompositionandfeedbackstoclimatechange[J].Nature,2006,440(7081):165-173.胡玉福，彭佳佳，蒋双龙，等.川中丘陵区不同土地利用方式土壤活性有机碳含量特征研究[J].水土保持学报，2014,28(2):221-225.HUYF,PENGJJ,JIANGSL,etal.StudyonsoilactiveorganiccarbonindifferentlandusepatternsofthemiddleSichuanregion[J].JournalofSoilandWaterConservation2014,28(2):221-225.(inChinesewithEnglishabstract)张仕吉，项文化，孙伟军，等.湘中丘陵区不同土地利用方式对土壤有机碳和微生物量碳的影响[J].水土保持学报，2013,27(2):222-227.ZHANGSJ,XIANGWH,SUNWJ,etal.Effectsofdifferentlandusetypesonsoilorganiccarbonandmicrobialbiomasscarboninthehillyarea,centralHunanProvince[J].JournalofSoilandWaterConservation,2013,27(2):222-227.(inChinesewithEnglishabstract)邱虎森，苏以荣，陈香碧，等.喀斯特高原典型小流域土壤有机碳及其组分的分布特征[J].农业环境科学学报，2012,31(10):1956-1964.QIUHS,SUYR,CHENXB,etal.CharacteristicsofthedistributionsofsoilorganiccarbonandmaincomponentsinatypicalcatchmentintheKarstplateau[J].JournalofAgro-EnvironmentScience,2012,31(10):1956-1964.(inChinesewithEnglishabstract)李娟，廖洪凯，龙健，等.喀斯特山区土地利用对土壤团聚体有机碳和活性有机碳特征的影响[J].生态学报，2013，33(7):2147-2156.LIJ，LIAOHK，LONGJ，etal.EffectoflanduseonthecharacteristicsoforganiccarbonandlabileorganiccarboninsoilaggregatesinKarstmountainareas[J].ActaEcologicaSinica，2013，33(7):2147-2156.(inChinesewithEnglishabstract)CAMBARDELLACA，ELLIOTTET.Methodsforphysicalseparationandcharacterizationofsoilorganicmatterfractions[J].Geoderma，1993，56:449-457.吴建国，张小全，王彦辉，等.土地利用变化对土壤物理组分中有机碳分配的影响[J].林业科学，2002，38(4):19-29.WUJG，ZHANGXQ,WANGYH,etal.Theeffectsoflandusechangesonthedistributionofsoilorganiccarboninphysicalfractionationofsoil[J].ScienceSilvaeSinicae,2002,38(4):19-29.(inChinesewithEnglishabstract)毛艳玲，杨玉盛，崔纪超，等.土地利用方式对土壤活性有机碳分布的影响[J].福建林学院学报，2008,28(4):338-342.MAOYL,YANGYS,CUIJC,etal.Effectsoflanduseonthedistributionofsoilactiveorganiccarbon[J].JournalofFujianCollegeofForestry,2008,28(4):338-342.(inChinesewithEnglishabstract)曾宏达，杜紫贤，杨玉盛，等.城市沿江土地覆被变化对土壤有机碳和轻组有机碳的影响[J].应用生态学报，2010,21(3):701-706.ZENGHD,DUZX,YANGYS,etal.EffectsoflandcoverchangeonsoilorganiccarbonandlightfractionorganiccarbonatriverbanksofFuzhouurbanarea[J].ChineseJournalofAppliedEcology,2010,21(3):701-706.(inChinesewithEnglishabstract)章程.不同土地利用下的岩溶作用强度及其碳汇效应[J].科学通报，2011,56(26):2174-2180.ZHANGC.Carbonaterockdissolutionratesindifferentlandusesandtheircarbonsinkeffect[J].ChineseScienceBulletin,2011,56(26):2174-2180.(inChinese)杨慧，张连凯，曹建华，等.桂林毛村岩溶区不同土地利用方式土壤有机碳矿化及土壤碳结构比较[J].中国岩溶，2011,30(4):410-416.YANGH,ZHANGLK,CAOJH,etal.ComparisonofmineralizationandchemicalstructureofthesoilorganiccarbonunderdifferentlandusesinMaocunkarstarea,Guilin[J].CarsologicaSinica,2011,30(4):410-416.(inChinesewithEnglishabstract)蓝家程，傅瓦利，袁波，等.岩溶山区土地利用方式对土壤活性有机碳及其分布的影响[J].中国岩溶，2011,30(2):175-180.LANJC,FUWL,YUANB,etal.Impactoflandusetypeonsoilactivecarbonanditsdistributioninkarstmountain[J].CarsologicaSinica,2011,30(2):175-180.(inChinesewithEnglishabstract)蓝家程，傅瓦利，段正峰，等.岩溶山区土壤溶解性有机碳对土地利用方式的响应及其与土壤养分的关系[J].水土保持研究，2011,18(5):76-80.LANJC，FUWL，DUANZF,etal.Responseofsoildissolvedorganiccarbontothelanduseandtherelationswithsoilnutrientsinkarstarea[J].ResearchofSoilandWaterConservation,2011,18(5):76-80.(inChinesewithEnglishabstract)段正锋，傅瓦利，甄晓君，等.岩溶区土地利用方式对土壤有机碳组分及其分布特征的影响[J].水土保持学报，2009,23(2):109-114.DUANZF,FUWL,ZHENXJ,etal.Effectsoflanduseonsoilorganiccarbonfractionsanditsdistributioninkarst[J].JournalofSoilandWaterConservation,2009,23(2):109-114.(inChinesewithEnglishabstract)沈艳，傅瓦利，蓝家程，等.岩溶山地不同土地利用方式土壤颗粒有机碳和矿物结合态有机碳的分布特征[J].水土保持研究，2012,19(6):1-6.SHENY,FUWL,LANJC,etal.Distributioncharacteristicsofsoilparticulateorganiccarbonandmineral-associatedorganiccarbonofdifferentlanduseinkarstmountain[J].ResearchofSoilandWaterConservation,2012,19(6):1-6.(inChinesewithEnglishabstract)鲁如坤.土壤农业化学分析方法[M].北京:中国农业科技出版社，2000.杨玉盛，刘艳丽，陈光水，等.格氏栲天然林与人工林土壤非保护性有机C含量及分配切.生态学报，2004,24(1):1-8.YANGYS,LIUYL,CHENGS,etal.Contentanddistri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