土地利用方式对典型草原土壤碳组分的影响

土地利用方式对典型草原土壤碳组分的影响

土壤中的有机碳是对土地利用变化相对敏感的部分。土壤中有机碳含量的比例很小，但在土壤碳变化之前，它不仅反映了由人类活动引起的小土壤变化，而且在养分循环过程中发挥着重要作用。土地利用与土地覆被变化(landuse/coverchange,简称LUCC)作为人类干扰活动的主要形式,是影响地球陆地生态系统碳储量以及土气交换的关键因素,表层土壤有机碳对土地利用方式的响应和敏感程度极其显著。前人研究表明,土地利用方式的改变会导致土壤总有机碳和表层有机碳库的减少;在短时间内,同种土壤类型下,由于利用方式的改变,也会引起表层有机碳发生快速变化。同时,土壤有机碳不同组分对土地利用变化的响应和敏感度也不同。因此,土地利用方式的改变不仅影响着陆地生态系统的碳固定能力和水平,而且通过影响土壤有机碳形成和转换的因子,间接影响土壤有机碳的含量和分布。目前国内关于活性有机碳的研究已涉及森林、农田、湿地、丘陵等生态系统,但是这些变化可能都牵扯到土壤类型的差异,而在同种土壤类型下或者小区域同种母质下短期内的变化并不是很清楚。多伦县位于内蒙古自治区东南部,是我国典型的农牧交错地区,是对全球变化反应敏感的生态脆弱带之一。目前针对该区活性有机碳组分的研究并不多。该区存在着多种土地利用类型,有利于实验研究。本文选取土壤微生物生物量碳、易氧化态碳和轻组有机碳3项常用指标来分析土壤有机碳对不同土地利用方式的响应,以期为认识不同利用方式下土壤有机碳动态变化及其固碳潜力提供科学参考。1材料和方法1.1样地选择与土样采集多伦县位于内蒙古自治区锡林郭勒盟南部,地处浑善达克沙地南缘。低山丘陵地貌,海拔在1150~1800m之间。属于中温带半干旱大陆性气候,年均降水量385.5mm,蒸发量1748mm。年均气温为1.6℃,无霜期100d左右,大于等于10℃积温为1917.9℃。土地总面积约3899.2km2,其中耕地、草地和未利用土地基本上各占1/3。土壤主要为栗钙土(约占70%),其余依次是风沙土、草甸土和黑钙土。天然植被为以针茅(Stipaspp.)和冷蒿(Artemisiafrigid)优势植物的典型草原为主。次生林、灌丛和沙地植被也有一定发育。农田以小麦(Triticumaestivum)、野燕麦(Avenafatua)、荞麦(Fagopyrumsagittatum)等连作种植为主,尚有紫花苜蓿(Medicagosativa)、草木樨(Melilotussuaveolens)、披碱草(Elymusdahuricus)和老芒麦(E.sibiricus)等混播的多年生人工草地。选取位于多伦县城南30km处十三里滩中国科学院植物研究所多伦恢复生态学试验站附近的5种土地利用类型:围封禁牧(GE)、弃耕(FL)、一年耕地(CP)、自由放牧(FG)和人工草地(AP),作为研究样地。为了减少地形及气候差异,各样地位置的选取本着相邻或相近的原则,在相近的土壤环境条件下进行相关研究。围封样地、弃耕样地和一年耕地相邻。其中围封样地、弃耕样地和人工草地是从2000年开始设置。围封样地和人工草地在设置前都长期处于自由放牧状态;人工草地种植紫花苜蓿。弃耕样地于2000年弃耕,而耕地为开垦一年耕地。自由放牧样地处于传统无限制的过度放牧状态。于2009年8月在5种土地利用类型的样地内按“S”形选取5个代表性样点,而每个样点上3次重复取样。采用土壤剖面法分层采集土壤样品(0~10cm、10~20cm、20~30cm),然后将每个样点上的土壤样品分层混合,去除砾石、植物残体和土壤动物等,用四分法采集样品,带回室内马上过2mm筛。将土样一分为二:一份保存于4℃冰箱中,用于微生物生物量碳的测定;另一份风干后测定易氧化态碳、轻组有机碳和土壤基本成分。1.2不同放牧强度的土壤ph值变化5种土地利用方式下速效磷的含量差异不显著。对于全磷来讲,人工草地和一年耕地含量较高,两者之间差异不显著;而弃耕样地和围封样地含量较低且差异不显著;自由放牧样地含量居中。全氮和碱解氮含量自高到低的顺序均为CL>AG>GE>FL>FG。人工草地、围封样地和弃耕样地的pH值自高到低的顺序与全氮含量自高到低的顺序一致,但是自由放牧样地的pH值为最高而一年耕地的pH值最低。自由放牧样地、弃耕样地、围封样地、人工草地、一年耕地的土壤容重依次降低。而土壤含水量从高到低的顺序则为:AG>CL>FL>GE>FG(表1)。1.3土壤微生物碳、生物量碳的测定土壤有机碳采用重铬酸钾外加热法测定;全氮采用凯氏定氮法,其他指标,如全磷、速效磷、碱解氮、全钾,均采用常规方法测定。土壤微生物生物量碳(MBC)采用氯仿熏蒸法测定;易氧化态碳(ROC)用Blair等提出的方法测定;轻组有机碳(LFOC)的分离方法参照Janzen等(1992)的分离方法。1.4数据处理及分析对不同土地利用方式下、不同土层之间的土壤有机碳及其组分进行单因素方差分析(ANOVA),数据的统计分析均在Excel2007和SPSS13.0下完成。2结果与分析2.1不同土地利用方式对有机碳质量分数的影响在0~10cm土层,人工草地和围封禁牧样地土壤有机碳质量分数分别为(17.73±0.72)g·kg-1,(16.64±1.82)g·kg-1,显著高于一年耕地的(15.11±1.08)g·kg-1和弃耕地的(15.06±0.38)g·kg-1,自由放牧样地的土壤有机碳质量分数最小,为(11.90±1.09)g·kg-1,显著低于其他土地利用类型(P<0.05)。在10~20cm,除了一年耕地的土壤有机碳质量分数减少趋势小一些,其他趋势与0~10cm土层相似。在20~30cm土层,各种土地利用方式下有机碳质量分数发生了较大变化。人工草地在机碳质量分数最高为(13.61±0.88)g·kg-1,显著高于其他土地利用方式,而围封样地、一年耕地、弃耕地和自由放牧样地的有机碳质量分数没有显著差异(图1)。土壤有机碳含量随土层加深而减少,但是土壤有机碳含量在各个土层之间的降低幅度不尽相同。人工草地、围封样地、一年耕地、弃耕样地和自由放牧样地土壤有机碳含量在0~10cm和10~20cm之间降低幅度分别为9.16%、7.79%、4.67%、15.36%和8.34%,而在10~20cm和20~30cm之间的降低幅度为0、18.53%、14.50%、14.26%、9.23%。2.2不同土地利用方式对土壤微生物商不同土地利用方式下土壤有机碳组分含量见图2。可以看出,轻组有机碳含量是所测定组分中含量最大的,微生物生物量碳含量次之,易氧化态碳含量最小。在0~10cm土层,人工草地、围封禁牧样地、一年耕地、弃耕地和自由放牧样地的微生物生物量碳质量分数分别为(112.24±8.59)mg·kg-1,(106.94±10.72)mg·kg-1,(45.13±8.11)mg·kg-1,(53.48±6.38)mg·kg-1和(52.71±10.78)mg·kg-1。由此可知,人工草地的微生物生物量碳质量分数最高,而新开垦的一年耕地的微生物生物量碳质量分数最低。10~20cm和20~30cm土层的微生物生物量碳质量分数与0~10cm有着相似的分布规律:随着土层深度的增加,微生物生物量碳质量分数降低,其相邻土层微生物生物量碳的下降幅度为7.10%~60.84%。人工草地和围封样地的土壤微生物生物量碳质量分数在各层差异均不显著(P>0.05),含量大小高于其他土地利用类型。10~20cm和20~30cm弃耕地土层的土壤微生量碳质量分数均较低且差异不显著,而在0~10cm土壤微生物生物量碳质量分数较高,与10~20cm土层之间差异显著。土壤微生物商在各层之间的分布与土壤有机碳和微生物生物量碳在土壤剖面上的分布不尽相同,没有出现显著的分层现象。在围封样地和一年耕地两种土地利用方式下,土壤微生物商是随土层深度增加而降低的;但是在自由放牧样地和人工草地两种土地利用方式下,土壤微生物商则随土层深度增加呈现先升高后降低的趋势。在0~10cm土层,人工草地和围封禁牧样地的易氧化态碳质量分数显著高于其他类型样地,也显著高于10~20cm和20~30cm土层的含量,分别达到(2.97±0.24)mg·kg-1和(3.61±1.23)mg·kg-1。表现为0~10cm土层易氧化态碳质量分数对土地利用方式的变化更为敏感。易氧化态碳的垂直分布总体上是随着土层深度的增加而逐渐降低的,相邻土层下降幅度在9.20%~75.00%之间,其他样地各层之间则无显著性差异。各土地利用方式下在易氧化态碳分配比例上的差异,与易氧化态碳绝对含量的差异并不完全一致。围封样地、弃耕样地、一年耕地和自由放牧样地相对于人工草地,易氧化态碳分配比例分别降低了0.50%、22.31%、36.34%和57.90%。相对于易氧化态碳含量,其分配比例变化幅度要小得多。而且,弃耕样地的易氧化态碳含量要低于一年耕地,但是其分配比例却略为偏高。从易氧化态碳分配比例的垂直分布来看,人工草地、围封样地和弃耕样地在0~30cm之间是逐渐降低的;仅有围封样地在0~10cm和10~20cm之间易氧化态碳分配比例差异显著。其它土地利用方式下0~10cm和10~20cm之间易氧化态碳分配的降低幅度要明显大于10~20cm和20~30cm土层之间的变化幅度,但是整个剖面相邻两层之间易氧化态碳分配比例的差异并不显著。一年耕地利用方式下,土壤剖面易氧化态碳分配比例差异均不显著。而在自由放牧样地,土壤易氧化态碳分配比例则随土层深度增加呈先升高,后降低的趋势。轻组有机碳含量在不同土地利用方式下的变化趋势,与土壤有机碳含量的变化趋势不尽相同,但是与易氧化态碳的变化趋势一致。一年耕地利用方式下的有机碳含量高于弃耕样地的,而其轻组有机碳含量则降为最低。围封样地的轻组有机碳含量比人工草地的高出0.67%,而弃耕样地、自由放牧样地和一年耕地分别比人工草地降低了10.00%、12.00%和22.67%。在一年耕地利用方式下,其轻组有机碳变化幅度与有机碳变化幅度相差无几,而在弃耕样地和自由放牧样地两种土地利用方式下,其轻组有机碳变化幅度小于有机碳含量变化幅度。在不同的土地利用方式下轻组有机碳含量之间的差异并不显著,说明土地利用方式对轻组有机碳的影响很小。轻组有机碳含量在垂直方向上仍然是随土层深度的增加而逐渐降低,其相邻土层之间的降低幅度为25.19%~52.94%,平均变化幅度大于土壤有机碳含量、微生物生物量碳含量以及易氧化态碳含量的垂直变化幅度。3讨论3.1不同立地条件下土壤有机碳分布特征土壤有机碳含量是土壤、气候、植被覆盖和人为干扰等多重因素的综合作用下有机碳输入与输出的动态平衡的结果。在5种土地利用类型中,只有围封样地几乎不受人为扰动影响,其土壤有机碳含量与人工草地的含量相差无几,表明种植人工草地和围封禁牧可以有效地积累凋落物和立枯,增加植物残体的输入,使土壤有机碳含量得到明显改善。弃耕样地由于受到的人为干扰较少,其土壤肥力有所恢复。耕地的开垦则破坏了地表原生植被,且翻耕作用剧烈扰动土壤,使表层土壤有机碳含量迅速降低。而过度放牧使得地表生物量明显降低,引起群落的退化。而群落的退化势必进一步导致土壤退化,引起土壤有机碳含量的显著降低。Bowman等(1999)指出,开垦往往会造成生态系统的有机碳含量不同程度的降低:温带地区草地到农田的土地利用方式的改变,使得土壤有机碳减少20%~40%;而开垦同样导致加拿大黑钙土的土壤有机碳减少量达50%以上。但由于本研究中的一年耕地样地开垦时间较短,土壤有机碳变化幅度较小,其0~30cm土壤有机碳质量分数为12.21g·kg-1,高于弃耕地的10.39g·kg-1(图1)。而对于弃耕地,其土壤有机碳含量仅高于自由放牧样地。长达10a的弃耕,并没有使其土壤有机碳含量恢复到较高的水平。Robles&Burke(1998)在对怀俄明州的耕地进行研究后,发现休耕6年后土壤有机碳含量并没有显著增加,这说明在土壤退化严重、肥力较低的情况下,土壤有机碳恢复需要较长的时间。人工草地以紫花苜蓿为建植种,其根系分布深广,有利于在整个土壤剖面增加有机碳含量。围封样地在0~10cm和10~20cm土层的有机碳含量较高,而在20~30cm含量较低(仅高于弃耕样地),说明其土壤有机碳含量随土层深度增加而剧烈下降。在围封样地中没有土地翻耕的扰动,大量的凋落物聚集在浅层土壤中,腐烂分解形成有机质进入浅层土壤中,使得表层有机碳含量较高;而草本植物根系分布浅,使得土壤有机碳分布输入量上下差异明显。在一年耕地0~20cm的耕作层间,由于土壤翻耕使得土壤混合相对均匀,故土壤有机碳在0~10cm和10~20cm之间差异极不明显。而弃耕样地和自由放牧样地在0~30cm土层之间土壤有机碳含量下降幅度相当。过度放牧导致植被生物量明显下降,同时动物的采食进一步减少了土壤有机碳的输入,从而影响到土壤有机碳在土壤中的积累。另外,5种土地利用方式10cm以下各土层土壤有机碳含量变化较小,说明土地利用方式的变化对土壤表层0~10cm有机碳的影响尤为明显。3.2不同利用方式对凋落物分解速率的影响土壤有机碳组分主要受到生物因素的影响。0~10cm的土层,土地利用变化对活性土壤有机碳的影响趋势与对有机碳的影响并不一致,可能与控制这些组分的因素复杂有关。。一年耕地的微生物生物量碳含量最低,而自由放牧样地土壤微生物生物量碳含量则高于弃耕地。这是因为耕作活动为土壤有机碳的分解转化创造了有利条件,耕作使新土不断暴露在土壤表面,经历干湿和冻融循环,同时也改变了土壤状况(温度、水分等),加速了凋落物的分解速率,影响了微生物群落。人工草地土壤活性组分高于其他利用方式,与种植的紫花苜蓿对土壤有机质有较大幅度的补充有关。土壤中新增加的有机质具有较高的活性,易分解,主要以多糖、有机酸等为主。这些物质也促使微生物群落聚集在根际周围,因此人工草地根际的微生物活性较高。而对于围封样地来讲,草本植物发达的根系密集分布于土壤表层,其分泌物及其衰亡部分往往成为微生物的能源物质,从而促使微生物增长。5种土地利用方式中,自由放牧样地更是由于常年高强度放牧,导致土壤退化较为严重