雅安紫色土小流域土壤有機(jī)碳及碳組分分布特征

劉珊珊，宮淵波，向香勇，陳 曼，楊 梅

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 長(zhǎng)江上游林業(yè)生態(tài)工程四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 雅安625014）

土壤有機(jī)碳（SOC）儲(chǔ)量是進(jìn)入土壤的植物殘?bào)w量以及在土壤微生物作用下分解損失的平衡結(jié)果。其儲(chǔ)量大小受氣候、植被、土壤屬性及農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)實(shí)踐等多種物理因素、生物因素、人為因素的控制，并存在各種因子之間的相互作用。SOC的含量和組成對(duì)調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分流有很大影響，對(duì)土壤管理措施響應(yīng)敏感，與土壤內(nèi)在的生產(chǎn)力高度相關(guān)；其動(dòng)態(tài)和循環(huán)又影響溫室效應(yīng)和環(huán)境質(zhì)量［1］。土壤活性碳是指受植物、微生物強(qiáng)烈影響，具有一定的溶解性，在土壤中移動(dòng)快、穩(wěn)定性差、易氧化、礦化，并具有較高植物和土壤微生物活性的那部分有機(jī)碳［2］。土壤活性有機(jī)碳較非活性有機(jī)碳敏感得多，又直接參與土壤生物化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程［3］，同時(shí)也是土壤微生物活動(dòng)的能源和土壤養(yǎng)分的驅(qū)動(dòng)力［4］，土壤碳庫(kù)的變化主要發(fā)生在活性碳庫(kù)內(nèi)［5］，因此，對(duì)于土壤活性有機(jī)碳的研究是土壤碳庫(kù)動(dòng)態(tài)及調(diào)控機(jī)理研究的重要方面［6］。

紫色土是我國(guó)南方和四川盆地主要的農(nóng)業(yè)土壤資源，其風(fēng)化成土作用快、礦質(zhì)養(yǎng)分豐富、自然肥力高等，由于其多分布在山地丘陵，下滲及抗蝕性差、人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度大等原因，是目前我國(guó)僅次于北方黃土的嚴(yán)重水土流失類(lèi)型［7］。有關(guān)紫色土土壤碳庫(kù)的研究大多集中在不同土地利用方式方面，而對(duì)紫色土小流域土壤有機(jī)碳庫(kù)的分布特征及侵蝕對(duì)紫色土碳庫(kù)的影響方面研究較少。本文以華西雨屏區(qū)和平小流域?yàn)檠芯繉?duì)象，探討紫色土小流域土壤有機(jī)碳分布特征，對(duì)科學(xué)地利用和保護(hù)有限的紫色土資源，提高土地生產(chǎn)力，減緩溫室氣體排放提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

和平小流域位于四川省雅安市雨城區(qū)西南部。幅員面積10.22km2，海拔為591～796m，屬深丘低山地貌，亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)。冬無(wú)嚴(yán)寒，夏無(wú)酷暑，多年年均氣溫16.1℃，最高年為16.9℃（1987年），最低年為15.4℃（1976年）。全年以1月最冷，月平均氣溫6.1℃；7月最熱，月平均氣溫25.3℃。雨熱同季，雨量充沛，年降水量達(dá)1 732mm；自然植被結(jié)構(gòu)屬季雨式的山地常綠闊葉林，但由于長(zhǎng)期人類(lèi)活動(dòng)影響，已無(wú)原生植被，現(xiàn)有植被主要為果園和農(nóng)耕地，土壤為紫色土。

受地理環(huán)境和自然條件的影響，小流域內(nèi)水土流失非常嚴(yán)重，侵蝕面積為3.4km2，多年平均土壤侵蝕量達(dá)1.63萬(wàn)t，每年平均土壤侵蝕模數(shù)為4 794t／km2，屬?gòu)?qiáng)度流失區(qū)。嚴(yán)重的水土流失使小流域生態(tài)環(huán)境平衡失調(diào)［7］。

2 研究方法

2.1 樣地布設(shè)和土壤樣品采集

2010年10月，將小流域分為上中下三個(gè)地段，每個(gè)地段按陰坡、陽(yáng)坡分坡頂、坡中和坡腳布設(shè)樣地；在每個(gè)樣地內(nèi)采用S型采樣法，進(jìn)行分層采樣，采樣深度為0—10cm，10—20cm，20—30cm；每層土壤樣品混合均勻后帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干、去雜，一部分過(guò)0.2mm篩供土壤總有機(jī)碳分析，一部分過(guò)2mm篩供土壤顆粒和輕組有機(jī)碳分析。

2.2 土壤總有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳測(cè)定

土壤總有機(jī)碳采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法；土壤顆粒和輕組有機(jī)碳分別采用濕篩法和密度分離法；輕組有機(jī)碳采用物理分組中（1.8g／ml ZnBr2）提取、重鉻酸鉀氧化外加熱法測(cè)定（LY／T 1237—1999）。

2.3 數(shù)據(jù)分析

用Excel統(tǒng)計(jì)軟件和SPSS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 小流域不同地段土壤總有機(jī)碳及碳組分分布特征

由表1可知土壤總有機(jī)碳、顆粒及輕組有機(jī)碳均表現(xiàn)為小流域下部＞小流域中部＞小流域上部，含量分別為13.35～16.75g／kg，5.50～7.56g／kg和1.88～3.75g／kg。小流域不同地段總有機(jī)碳下部與上、中部差異性極顯著（P＜0.05），上部與中部差異性不顯著（P＞0.05）。顆粒及輕組有機(jī)碳均表現(xiàn)為上、中下部?jī)蓛砷g差異性極顯著（P＜0.05）。小流域內(nèi)土壤總有機(jī)碳、顆粒及輕組有機(jī)碳變異系數(shù)介于15%～39%，均屬于中等變異。

表1 小流域不同地段土壤總有機(jī)碳及碳組分分布

3.2 小流域同一坡面不同坡位土壤總有機(jī)碳及碳組分分布特征

地貌單元影響土壤發(fā)育、遷移、沉積、風(fēng)化、分解等物理化學(xué)過(guò)程，從而造成土壤理化性質(zhì)和土壤養(yǎng)分含量的空間分異［8］。在紫色土小流域區(qū)，SOC含量與不同地貌條件下土壤發(fā)育、水土流失等密切相關(guān)。由表2可知，小流域內(nèi)同一坡面不同坡位土壤總有機(jī)碳、顆粒及輕組有機(jī)碳均表現(xiàn)為坡腳＞坡頂＞坡中，含量分別介于14.02～15.45g／kg，5.30～7.62g／kg和2.22～3.36g／kg。小流域不同坡位總有機(jī)碳坡腳與坡頂和坡中差異性極顯著（P＜0.05），坡頂與坡中差異性不顯著（P＞0.05）。顆粒及輕組有機(jī)碳均表現(xiàn)為坡頂、坡中及坡腳兩兩間差異性極顯著（P＜0.05）。小流域內(nèi)土壤總有機(jī)碳、顆粒及輕組有機(jī)碳變異系數(shù)介于18%～41%。

表2 小流域不同坡位土壤總有機(jī)碳及碳組分分布

3.3 小流域不同坡向土壤總有機(jī)碳及碳組分分布特征

由表3可知對(duì)于小流域不同坡向而言，土壤總有機(jī)碳、顆粒及輕組有機(jī)碳均為陽(yáng)坡＜陰坡。陽(yáng)坡土壤總有機(jī)碳、顆粒及輕組有機(jī)碳含量分別為12.92g／kg，5.72g／kg和2.47g／kg；陰坡土壤總有機(jī)碳、顆粒及輕組有機(jī)碳含量分別為16.40g／kg，7.31g／kg和3.14g／kg。小流域不同坡向總有機(jī)碳、顆粒及輕組有機(jī)碳陽(yáng)坡與陰坡均為差異性極顯著（P＜0.05）。小流域內(nèi)土壤總有機(jī)碳、顆粒及輕組有機(jī)碳變異系數(shù)介于13%～40%。

表3 小流域不同坡向土壤總有機(jī)碳及碳組分分布

3.4 小流域不同土層深度土壤總有機(jī)碳及碳組分分布特征

由表4可知土壤總有機(jī)碳、顆粒及輕組有機(jī)碳均表現(xiàn)為0—10cm＞10—20cm＞20—30cm，含量分別介于12.96～16.34g／kg，5.05～8.05g／kg，2.34～3.28g／kg。小流域不同土層深度土壤總有機(jī)碳、顆粒及輕組有機(jī)碳均表現(xiàn)為兩兩間差異性極顯著（P＜0.05）。小流域內(nèi)土壤總有機(jī)碳、顆粒及輕組有機(jī)碳變異系數(shù)介于16%～42%。

表4 小流域不同土層深度土壤總有機(jī)碳及碳組分分布

3.5 小流域土壤總有機(jī)碳及碳組分相關(guān)性分析

由表5可知總有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳與輕組有機(jī)碳之間相關(guān)性達(dá)到極顯著水平?？梢?jiàn)，土壤中顆粒有機(jī)碳及輕組有機(jī)碳可作為反映土壤有機(jī)碳的有效監(jiān)測(cè)因子。

表5 不同土層深度土壤總有機(jī)碳及碳組分分布的相關(guān)性

4 結(jié)論與討論

4.1 討論

（1）由于該區(qū)雨量豐富、降雨集中、暴雨頻繁、地表植被覆蓋差，使紫色土水土流失現(xiàn)象非常嚴(yán)重。該小流域內(nèi)自上部向下部土壤侵蝕強(qiáng)度逐漸減弱，上部和中部高強(qiáng)度土壤侵蝕使大部分有機(jī)碳積累在了小流域下部。下部土壤所含有機(jī)碳及其活性碳組分也較上、中部多。此外流域下部土層較上、中部深，土壤肥力較好，農(nóng)業(yè)耕作活動(dòng)頻繁，加速了SOC的礦化周轉(zhuǎn)，加上長(zhǎng)期施用肥料有利于增加土壤有機(jī)碳含量，導(dǎo)致下部有機(jī)碳含量高于上、中部，這一研究結(jié)果與孫文義［9］對(duì)關(guān)于黃土丘陵溝壑區(qū)土壤表層有機(jī)碳分布特征研究結(jié)果一致。小流域下部較上部和中部植被覆蓋度較大，尤其是灌木樹(shù)種，灌木樹(shù)種根系發(fā)達(dá)，以及本身會(huì)產(chǎn)生大量的凋落物，易形成所謂的“肥島效應(yīng)”［7］，表現(xiàn)為更多的有機(jī)質(zhì)積累、較高的碳、氮含量和較高的微生物生物量以及呼吸強(qiáng)度等［10］。

（2）土壤中有機(jī)碳很大一部分來(lái)源于凋落物分解，凋落物主要集中分布于土壤表層，經(jīng)微生物分解后成為土壤中有機(jī)質(zhì)。由于水土流失等原因，表層土壤有機(jī)碳會(huì)重新分配。其原因是坡頂部由于開(kāi)墾導(dǎo)致地勢(shì)平坦，水土流失較弱，土壤發(fā)育相對(duì)成熟，有機(jī)碳含量相對(duì)較高［10］。但坡中部坡度較大，水土流失強(qiáng)烈，有機(jī)碳積累十分緩慢，因此在整個(gè)小流域內(nèi)坡中部有機(jī)碳含量最低。坡腳部雖有一定程度的水土流失影響，但由于地勢(shì)低洼又承接來(lái)自坡中侵蝕的泥沙和徑流，從而促進(jìn)了坡腳部位有機(jī)碳的積累。因此在整個(gè)小流域內(nèi)，有機(jī)碳含量呈現(xiàn)坡腳＞坡頂＞坡中的分布特征。土壤中有機(jī)碳主要集中分布于土壤表層，所以隨著土層深度的增加，土壤中有機(jī)碳含量逐漸減小。顆粒及輕組有機(jī)碳均屬于總有機(jī)碳中活性碳一部分，活性碳主要集中于表層，該研究結(jié)果與向成華等［6］對(duì)川西地區(qū)土壤活性有機(jī)碳研究結(jié)果一致。

（3）不同坡向條件下光、熱、水資源分配不同，地形條件支配著水、熱資源的分配，影響著土壤的發(fā)育程度［12］。水、熱資源的分配直接影響土壤中有機(jī)物質(zhì)的礦化和腐殖化過(guò)程，從而支配著不同坡向條件下土壤有機(jī)碳的分布［12］。由表3可知對(duì)于小流域不同坡向而言，土壤總有機(jī)碳、顆粒及輕組有機(jī)碳均為陽(yáng)坡＜陰坡。這是由于陽(yáng)坡光、熱資源優(yōu)于陰坡，而雨水資源劣于陰坡，其土壤中有機(jī)碳的礦化作用因此也強(qiáng)于陰坡，有機(jī)碳含量較低［13］。在植被覆蓋方面，陽(yáng)坡植被覆蓋度小于陰坡植被覆蓋度，陰坡較大植被覆蓋度也增加了土壤有機(jī)碳來(lái)源［14］。這些因素促進(jìn)了陰坡有機(jī)碳的積累。因此，在小流域內(nèi)有機(jī)碳含量表現(xiàn)為陽(yáng)坡＜陰坡。

（4）土壤活性有機(jī)碳包括土壤中顆粒及輕組有機(jī)碳和其它一些在土壤中易于氧化分解的游離態(tài)有機(jī)質(zhì)部分，是最活躍、周轉(zhuǎn)最快、對(duì)物理或化學(xué)等干擾因素和土地利用變化最敏感的部分含量［14］。顆粒有機(jī)碳和輕組有機(jī)碳含量變化都依附于總有機(jī)碳含量變化，兩者變化趨勢(shì)和總有機(jī)碳變化趨勢(shì)相同，說(shuō)明顆粒有機(jī)碳及輕組有機(jī)碳和總有機(jī)碳三者在一定程度上具有同源性。

4.2 結(jié)論

（1）紫色土小流域水土流失嚴(yán)重，伴隨著水土流失的發(fā)生，土壤總有機(jī)碳及碳組分含量呈現(xiàn)小流域上部＜小流域中部＜小流域下部這一分布特征。說(shuō)明在該小流域內(nèi)下部作為上、中部水土流失的一個(gè)“匯”其總有機(jī)碳及碳組分含量均最高。

（2）由于紫色土區(qū)農(nóng)業(yè)耕作活動(dòng)頻繁，坡頂部分因農(nóng)業(yè)耕作活動(dòng)導(dǎo)致小地形改變減緩了土壤侵蝕強(qiáng)度，使小流域內(nèi)同一坡面不同坡位土壤總有機(jī)碳及碳組分含量均呈現(xiàn)坡腳＞坡頂＞坡中這一分布特征。小流域內(nèi)不同坡向由于水熱等資源分配不同，陰坡和陽(yáng)坡在土壤總有機(jī)碳及碳組分含量上有顯著差異，具體表現(xiàn)為陽(yáng)坡＜陰坡。小流域內(nèi)不同土層深度土壤總有機(jī)碳及碳組分含量均隨土層的加深而降低。因此在紫色土區(qū)開(kāi)展退耕還林還草工程，增加坡面植被是減少水土流失，增加土壤碳貯量的有效措施。

［1］ 李春艷，鄧玉林，孔祥東.沱江流域不同土地利用方式紫色土有機(jī)碳儲(chǔ)量特征［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2007，21（2）：93－95.

［2］ 郭勝利，車(chē)升國(guó)，梁偉，等.黃土高原溝壑區(qū)王東溝小流域土壤有機(jī)碳空間分布［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2010，30（1）：52－59.

［3］ Wander M M，Traina S J，Stinner B R.Organic and conventional management effects on biologically active soilorganic matter pools［J］.Soil Science Society of A－merica Journal，1992，58（4）：1130－1139.

［4］ Coleman D C，Rcid C P P，Cole C.Biological strategies of nutrient cycling in soil systems［J］.Advances in Ecological Research，1983，13：1－55.

［5］ Janzen H H，Campbell C A，Brandt S A，et al.Light－Fraction organic matter in soils from long－term croprotations［J］.Soil Science Society America Journal，1992，56（6）：1799－1806.

［6］ 向成華，欒軍偉，駱宗詩(shī).川西沿海拔梯度典型植被類(lèi)型土壤活性有機(jī)碳分布［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2010，30（4）：1025－1034.

［7］ Garner W，Steinberger Y.A proposed mechanism for the formation of‘fertile islands’in the desert ecosystem［J］.Journal of Arid Environments，1989，16（3）：257－262.

［8］ 許文強(qiáng)，羅格平，陳曦.干旱區(qū)綠洲—荒漠過(guò)渡帶灌叢土壤屬性研究［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2006，17（4）：583－586.

［9］ 孫文義，郭勝利，宋小燕.地形和土地利用對(duì)黃土丘陵溝壑區(qū)表層土壤有機(jī)碳空間分布影響［J］.自然資源學(xué)報(bào)，2010，25（3）：443－453.

［10］ 劉兆云，章明奎.侵蝕—沉積連續(xù)地形中土壤碳庫(kù)的空間分異［J］.水土保持通報(bào)，2009，29（3）：61－64.

［11］ De Jong E，Kachanoski R G.The importance of erosion in the carbon balance of prairie soils［J］.Can.J.Soil Sci.，1988，68（1）：111－119.

［12］ 魏孝榮，邵明安，高建倫.黃土高原溝壑區(qū)小流域土壤有機(jī)碳與環(huán)境因素的關(guān)系［J］.環(huán)境科學(xué)，2008，29（10）：2879－2884.

［13］ 唐家良，周麟，羅貴生，等.岷江上游干旱河谷區(qū)陽(yáng)坡土壤性質(zhì)空間分異特征［J］.山地學(xué)報(bào)，2009，27（5）：531－537.

［14］ Khanna P K，Ludwing B，Baubus J，et al.Assessment and significance of labile organic C pools in forest soils［C］∥Lal R，Kimble J M，F(xiàn)ollett R F，et al.Assessment methods for soil carbon.Boca Raton：Florida Lew is Publishers，2001：167－182.