巖溶區(qū)不同土地覆被方式對土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的影響

王浩，姚昕，楊慧*，何振，李敦杰，丁玲玉

巖溶區(qū)不同土地覆被方式對土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的影響

王浩1,2，姚昕1,2，楊慧2*，何振1，李敦杰1，丁玲玉1

1. 聊城大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，山東 聊城 252059；2. 國土資源部/廣西巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所），廣西 桂林 541004

分析不同土地覆被方式土壤有機(jī)碳的差異和特點(diǎn)有助于深入研究巖溶區(qū)碳循環(huán)的特點(diǎn)和規(guī)律。以西南巖溶地區(qū)森林、灌叢和果園3種土地覆被方式為研究對象，對0～100 cm各層土壤總有機(jī)碳及團(tuán)聚體有機(jī)碳的差異和特征進(jìn)行研究，結(jié)果表明：（1）3種土地覆被方式以森林土壤總有機(jī)碳含量最高（12.53～39.33 g?kg-1），灌叢次之（8.48～27.99 g?kg-1），果園最低（8.40～18.61 g?kg-1），不同土地覆被方式土壤總有機(jī)碳不僅在 0～20 cm 差異顯著，而且在 40～70 cm 土層也有明顯差異（P＜0.05）；各土地覆被方式0～100 cm各層土壤均以＞0.25 mm水穩(wěn)性大團(tuán)聚體為主，果園土壤＞2 mm團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～90 cm土層顯著低于森林和灌叢（P＜0.05）。（2）土地覆被方式對土壤＞2 mm大團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳含量的影響最為顯著，森林土壤＞2 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳的含量為12.32～39.88 g?kg-1，在0～100 cm各層均顯著高于灌叢和果園，并且灌叢土壤＞2 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳的含量在0～30 cm和40～90 cm土層也顯著高于果園（P＜0.05）。另外，果園土壤＜0.25 mm微團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳的含量明顯高于＞0.25 mm大團(tuán)聚體，然而森林0～100 cm土層和灌叢0～30 cm土層各粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳含量沒有顯著差異（P＜0.05）。（3）3種土地覆被方式，＞0.25 mm大團(tuán)聚體對土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)均高于＜0.25 mm微團(tuán)聚體；森林、灌叢和果園0.25～2 mm團(tuán)聚體對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率分別為40.31%～67.76%，41.99%～59.38%和48.72%～68.18%，是貢獻(xiàn)率最高的團(tuán)聚體；不同土地覆被方式之間＞2 mm團(tuán)聚體對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)差異最為顯著，森林土壤明顯高于灌叢和果園；3種土地覆被方式中果園土壤＜0.25 mm微團(tuán)聚體對有機(jī)碳貢獻(xiàn)率相對較高，其0.053～0.25 mm微團(tuán)聚體對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率為13.08%～26.98%，僅次于0.25～2 mm大團(tuán)聚體。

巖溶區(qū)；土地覆被；土壤有機(jī)碳；團(tuán)聚體

全球碳循環(huán)是影響氣候變化的重要因子，土壤碳庫由于其儲量巨大，已是目前全球碳循環(huán)研究的熱點(diǎn)之一（Smith et al.，2007；方精云等，2010）。在巖溶區(qū)，土壤有機(jī)碳是巖溶地區(qū)碳-水-鈣動(dòng)力系統(tǒng)的重要組成部分，它作為巖溶系統(tǒng)中碳轉(zhuǎn)移的動(dòng)力學(xué)媒介，是巖溶系統(tǒng)中碳流通的主要途徑（潘根興等，1999）。同時(shí)，土壤有機(jī)碳是巖溶區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，它為植物生存提供必須的肥力，直接參與生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)（樸世龍等，2010）。因此，土壤有機(jī)碳是研究巖溶區(qū)土壤碳循環(huán)的重要因子。

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，也是土壤有機(jī)碳的主要賦存場所，團(tuán)聚體對有機(jī)碳的吸附、包裹等保護(hù)作用降低了有機(jī)碳的分解速率，有利于土壤碳的保存（Oades et al.，1991）。而土壤有機(jī)碳的膠結(jié)作用是促進(jìn)團(tuán)聚體形成及保持穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，土壤的團(tuán)聚過程也被認(rèn)為是土壤固碳的重要途徑之一（Feller et al.，1997）。土地覆被、利用方式變化是影響土壤團(tuán)聚體和有機(jī)碳關(guān)系的原因之一。土地覆被、利用方式變化改變了地表植被類型，從而改變了有機(jī)質(zhì)進(jìn)入土壤的途徑、數(shù)量和形態(tài)（Six et al.，2000；Denef et al.，2007）；同時(shí)還可能破壞了土壤團(tuán)聚體的組成，改變了土壤理化性質(zhì)，使得有機(jī)碳在土壤中的吸附、固定、分解等遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律發(fā)生變化，從而改變土壤的固碳能力。

巖溶區(qū)是典型的生態(tài)脆弱區(qū)，環(huán)境容量小，抗干擾能力差，不同土地覆被、利用方式對土壤有機(jī)碳有明顯的影響（郭純青等，2002）。目前，針對西南巖溶區(qū)的研究主要集中于0～40 cm近地表土層不同土地覆被方式土壤有機(jī)碳的變化規(guī)律（莫彬等，2006；沈艷等，2012；Xiao et al.，2017）。研究發(fā)現(xiàn)，自然生態(tài)系統(tǒng)（如森林、灌叢）土壤有機(jī)碳含量高于人工生態(tài)系統(tǒng)（如耕地、果園等）（陳高起等，2015；黃芬等，2016）。各土地覆被方式土壤不同粒級團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳的含量存在差異，但其內(nèi)有機(jī)碳占全有機(jī)碳的比例卻沒有明顯的規(guī)律；自然生態(tài)系統(tǒng)各粒級團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳含量均高于人工生態(tài)系統(tǒng)，但不同粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳含量差異的規(guī)律性有時(shí)不顯著，還需進(jìn)一步研究（段正鋒等，2009；李娟等，2013；楊慧等，2016）。目前，對西南巖溶區(qū)不同土地覆被方式土壤有機(jī)碳變化的研究主要針對于近地表土層，而對40 cm以下土壤碳的變化規(guī)律鮮見報(bào)道。

因此，本文以西南巖溶區(qū)3種土地覆被方式：森林、灌叢和果園為研究對象，分析0～100 cm土層土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的特點(diǎn)和變化規(guī)律，探討土地覆被方式對土壤有機(jī)碳的影響，為進(jìn)一步了解巖溶區(qū)土壤碳循環(huán)的特點(diǎn)和規(guī)律提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣地概況

研究區(qū)位于廣西省桂林市朝田鄉(xiāng)的毛村（25°10'11″～25°12'30″N，110°30'00″～110°33'45″E），距離桂林市區(qū)約30 km。該地屬于中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，氣候溫和，四季分明，年均氣溫為18.8 ℃。降雨量年內(nèi)分配不均，主要受季風(fēng)活動(dòng)影響，通常夏季濕熱多雨，秋季干旱少雨；雨季一般從每年 3月持續(xù)至8月，年均降雨量為1915 mm（曹建華等，2011）。

本研究選擇了鄰近的森林、灌叢和果園樣地，樣地總面積1.3 km2，其中林地約0.4 km2，灌叢約0.5 km2，果園約0.4 km2。樣地所在區(qū)域地貌類型為典型的峰叢洼地，地層巖性為泥盆系融縣組（D3r）灰?guī)r。3種土地覆被方式土壤類型均為棕色石灰土，成土母質(zhì)為石灰?guī)r，土壤基本理化性質(zhì)見表1。灌叢樣地為20世紀(jì)90年代中期原有常綠闊葉林喬木被破壞后恢復(fù)的自然生態(tài)系統(tǒng)，主要植被為黃荊（Vitex negundo）、檵木（Loropetalum chinense）、九龍?zhí)伲˙auhinia championii）等；森林樣地為次生的常綠闊葉林，主要喬木物種為青岡（Cyclobalanopsis glauca）和栲樹（Castanopsis fargesii），林齡為10～15 a；果園種植柚子（Citrus maxima），林齡為 10～15 a。

1.2 樣品采集與分析

本研究在林地、灌叢、果園的樣地分別設(shè)置 3個(gè)20 m×20 m的樣方，在每個(gè)樣方隨機(jī)挖取3個(gè)100 cm深土壤剖面；采用分層采樣法，分0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～70、70～80、80～90、90～100 cm等10層，自下而上分別采集2 kg原狀土，用硬質(zhì)塑料盒封裝，避免運(yùn)輸途中擠壓變形，帶回實(shí)驗(yàn)室以備分析。

土樣留出100 g左右進(jìn)行基本理化性質(zhì)分析，其余樣品在通風(fēng)透氣處攤開，沿土壤自然結(jié)構(gòu)輕輕剝開，分成直徑為1 cm左右的小土塊，剔除粗根和石礫后自然風(fēng)干。

根據(jù)巖溶地區(qū)的土壤特點(diǎn)和本研究的內(nèi)容，團(tuán)聚體分離采用干濕篩結(jié)合的方法（張萬儒等，1999；楊慧等，2016），先將全部風(fēng)干土過2、0.25、0.053 mm組成的套篩進(jìn)行分離，得到4個(gè)粒級干篩團(tuán)聚體樣品。再根據(jù)干篩各粒級團(tuán)聚體比例，配成100 g土樣，浸泡過夜，然后再過2、0.25、0.053 mm組成的套篩進(jìn)行分離，分別將截留在每級篩子上的樣品轉(zhuǎn)移至鋁盒中，在50 ℃烘箱內(nèi)烘干至恒重后待測。

土壤樣品分析參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》：pH采用電位法，全土及團(tuán)聚體有機(jī)碳采用重鉻酸鉀外加熱法（魯如坤，2000）。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用 SPSS 18.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行一般統(tǒng)計(jì)分析、單因素方差分析（One-way，ANOVA）、差異顯著性分析（Duncan法，統(tǒng)計(jì)顯著性的評價(jià)為P＜0.05的水平）和相關(guān)性分析。數(shù)據(jù)整理和作圖在Excel 2010中進(jìn)行。

表1 土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of soil

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤總有機(jī)碳和團(tuán)聚體特征

3種土地覆被方式不同土層的土壤總有機(jī)碳含量如圖1所示，土壤總有機(jī)碳的含量均隨剖面深度增加呈降低趨勢，其中森林土壤總有機(jī)碳含量最高，灌叢次之，果園最低；森林、灌叢和果園土壤總有機(jī)碳的含量范圍分別為 12.53～39.33、8.48～27.99 和 8.40～18.61 g?kg-1。森林土壤總有機(jī)碳在0～100 cm各層均顯著高于灌叢和果園，而灌叢土壤總有機(jī)碳在0～20 cm和40～70 cm土層也顯著高于果園（P＜0.05）。

圖1 不同土地覆被方式土壤總有機(jī)碳含量Fig. 1 Soil organic carbon content of different land cover typesn=9，不同大寫字母表示土地覆被方式之間的差異達(dá)到顯著水平（P＜0.05）n=9, Different capital letters indicate significant differences among three land cover types (P＜0.05)

本研究森林、灌叢和果園各土層團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)均以＞0.25 mm的水穩(wěn)性大團(tuán)聚體為主，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)總體隨剖面深度的增加呈降低趨勢，且不同土地覆被方式之間＞2 mm大團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差異較為明顯（圖2）。森林和灌叢土壤＞0.25 mm水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在各土層差異不大，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為65.29%～89.23%和64.65%～91.90%，其中＞2 mm大團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 3.14%～46.30%和6.58～43.15%。果園＞0.25 mm水穩(wěn)性大團(tuán)聚體相對較少，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為63.84%～77.01%；且其＞2 mm團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為5.95%～20.79%，其在0～90 cm各土層的含量均明顯低于森林和果園。

圖2 不同土地覆被方式土壤團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig. 2 Soil aggregates content of different land cover types

2.2 團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳的含量

土地覆被方式影響團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳的含量，且對＞2 mm大團(tuán)聚體的影響最為顯著，其次為0.25～2 mm團(tuán)聚體（圖3）。森林土壤＞2 mm團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳的含量范圍為 12.32～39.88 g?kg-1，其在 0～100 cm 各土層的含量均顯著高于灌叢（8.92～28.15 g?kg-1）和果園（8.30～18.03 g?kg-1）(P＜0.05)；而在灌叢0～100 cm各土層中，除30～40 cm和90～100 cm之外，其余土層＞2 mm大團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳的含量也顯著高于果園（P＜0.05）。同時(shí)，森林土壤0.25～2 mm團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳含量在 0～100 cm各土層均顯著高于灌叢和果園（P＜0.05），而灌叢土壤0.25～2 mm團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳的含量在0～20 cm和40～70 cm土層顯著高于果園（P＜0.05）。0.053～0.25 mm 和＜0.053 mm微團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳含量受不同土地覆被方式的影響相對較小，森林土壤兩種粒級微團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳含量在0～100 cm各土層均顯著高于灌叢和果園（P＜0.05），而灌叢土壤兩種粒級微團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳的含量僅在0～10 cm和40～60 cm土層顯著高于果園（P＜0.05）。

圖3 不同土地覆被方式團(tuán)聚體結(jié)合有機(jī)碳的含量Fig. 3 Content of organic carbon associated with aggregate of different land cover typesn=9，不同大寫字母表示土地覆被方式之間的差異達(dá)到顯著水平（P＜0.05），不同小寫字母表示團(tuán)聚體粒級之間的差異達(dá)到顯著水平（P＜0.05）n=9, Different capital letters indicate significant differences among three land cover types (P＜0.05). Different small letters indicate significant differences among the aggregates (P＜0.05)

3種土地覆被方式團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳的含量隨粒徑級的變化規(guī)律也存在明顯差異。果園土壤在0～100 cm各土層中，＜0.25 mm微團(tuán)聚體有機(jī)碳含量顯著高于＞0.25 mm大團(tuán)聚體（P＜0.05）。與之不同的是，森林土壤團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳的含量隨粒級變化的趨勢不明顯，在0～100 cm各土層中，不同粒級的團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳的含量差異不大，均未達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。灌叢土壤在0～30 cm土層中，各粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳的含量呈隨粒級降低而增加的趨勢，但其差異未達(dá)到顯著水平；而在30～100 cm土層中，團(tuán)聚體有機(jī)碳的變化規(guī)律則與果園類似，各土層＜0.25 mm土壤微團(tuán)聚體有機(jī)碳的含量均顯著高于＞0.25 mm水穩(wěn)性大團(tuán)聚體（P＜0.05）。

2.3 團(tuán)聚體對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)

3種土地覆被方式，＞0.25 mm大團(tuán)聚體對土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)均高于＜0.25 mm 微團(tuán)聚體，并均以0.25～2 mm團(tuán)聚體對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)最高（圖4、圖5）。單位面積森林土壤0.25～2 mm團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳儲量的范圍為1.11～2.09 kg?m-2，對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率為40.31%～67.76%，0～100 cm土層的總貢獻(xiàn)率為48.81%；單位面積灌叢和果園土壤0.25～2 mm團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳的儲量低于森林，分別為 0.71～1.70 kg?m-2和 0.70～1.32 kg?m-2，但對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率可達(dá)41.99%～59.38%和48.72%～68.18%，對0～100 cm土層的總貢獻(xiàn)率分別為51.44%和55.39%。

圖4 不同土地覆被方式團(tuán)聚體對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率Fig. 4 Contribution rates of aggregate to soil organic carbon of different land cover types

圖5 不同土地覆被方式單位面積土壤團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳的儲量Fig. 5 Soil organic carbon density associated with aggregate of different land cover types

各土地覆被方式，不同粒級團(tuán)聚體對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)以＞2 mm團(tuán)聚體的差異最為顯著。單位面積森林土壤＞2 mm團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳儲量在0～100 cm各土層的范圍為 0.06～2.44 kg?m-2，0～100 cm 土層的總儲量為11.88 kg?m-2；灌叢和果園0～100 cm土壤＞2 mm 團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳總儲量分別為 6.81 kg?m-2和2.22 kg?m-2，僅為森林土壤的57.3%和18.7%。同時(shí)，森林土壤0～100 cm各土層＞2 mm團(tuán)聚體對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率僅次于 0.25～2 mm 團(tuán)聚體，其范圍為3.09%～46.95%，0～100 cm 土層的總貢獻(xiàn)率為34.60%；而灌叢和果園＞2 mm團(tuán)聚體對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率相對較低，0～100 cm 各土層的范圍分別為6.93%～43.39%和5.59%～19.12%，對0～100 cm土層的總貢獻(xiàn)率分別為30.75%和11.65%。

果園土壤＜0.25 mm兩種粒徑微團(tuán)聚體對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率均相對較高，其中0.053～0.25 mm微團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳的儲量范圍為0.22～0.56 kg?m-2，對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率范圍為13.08%～26.98%，0～100 cm土層的總貢獻(xiàn)率為19.06%，僅次于0.25～2 mm團(tuán)聚體對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率；＜0.053 mm 微團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳的儲量范圍為0.12～0.39 kg?m-2，對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率范圍為7.97%～20.06%，總貢獻(xiàn)率為13.89%。森林和灌叢＜0.25 mm 微團(tuán)聚體對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率較低，均低于＞2 mm團(tuán)聚體的貢獻(xiàn)率，其中0.053～0.25 mm微團(tuán)聚體的貢獻(xiàn)率分別為 5.02%～29.80%和4.35%～23.73%，總貢獻(xiàn)率為10.05%和9.66%；＜0.053 mm 微團(tuán)聚體的貢獻(xiàn)率分別為 2.49%～10.58%和4.99%～13.95%，總貢獻(xiàn)率為6.54%和8.15%。

3 討論

土壤有機(jī)碳的含量受眾多因素的影響，例如土壤類型、氣候、地形、植被等。不同的植被或作物類型，其土壤有機(jī)碳的來源量和礦化速率各不相同，使得土壤有機(jī)碳含量存在差異。本研究森林土壤總有機(jī)碳含量最高，其次為灌叢，二者0～10 cm表層土壤總有機(jī)碳的含量分別為 39.33 g?kg-1和27.99 g?kg-1，與陳家瑞等（2012）和嚴(yán)毅萍等（2012）在桂林地區(qū)的研究結(jié)果一致；本研究果園 0～30cm土層土壤有機(jī)碳含量（16.26～18.61 g?kg-1）與重慶中梁山巖溶區(qū)的研究結(jié)果相似（7.07～17.40 g?kg-1）（段正鋒等，2009）。本研究森林和灌叢為自然生態(tài)系統(tǒng)，受人為因素?cái)_動(dòng)較少；根據(jù)本研究調(diào)查，森林主要植被為林齡為10～15 a的常綠闊葉樹，物種主要為青岡、栲樹，森林植被喬木層高度超過10 m，而灌叢植被為黃荊、檵木等灌木和小喬木，高度為3 m左右，植被生物量、生產(chǎn)量顯著不同；這可能是影響土壤有機(jī)質(zhì)的輸入量，從而引起土壤有機(jī)碳含量存在差異的因素之一（潘根興等，2007）。果園作為人工生態(tài)系統(tǒng)，必然受一定程度的人類干擾，特別是為了提高產(chǎn)量和便于管理，果園的林下植被會被定期清理；這不僅減少了土壤有機(jī)碳的來源，也會加速土壤有機(jī)碳的礦化（Liu et al.，2013），是導(dǎo)致果園土壤有機(jī)碳含量較低的原因之一。

土地覆被方式對團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳有明顯的影響，并且以兩種粒級大團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳含量的差異較為顯著（圖 3）。大團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳含量的差異能敏感地反映不同土地覆被方式對土壤固碳作用的影響，這主要是由于有機(jī)質(zhì)是促進(jìn)大團(tuán)聚體形成的重要膠結(jié)物質(zhì)，而大團(tuán)聚體的膠結(jié)和團(tuán)聚作用也促使有機(jī)質(zhì)的富集和保存，從而使得進(jìn)入土壤的有機(jī)質(zhì)首先被大團(tuán)聚體包裹蓄積（Six et al.，2004；Denef et al.，2005）。表層土壤是接受有機(jī)質(zhì)歸還的主要場所，現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)不同土地覆被、利用方式之間表層（0～20 cm）土壤大團(tuán)聚體有機(jī)碳含量存在顯著差異（Kou et al.，2012；Wang et al.，2014）；然而本研究中，40 cm之下土層不同土地覆被方式大團(tuán)聚體有機(jī)碳含量仍存在顯著差異，這說明巖溶區(qū)不同土地覆被方式對大團(tuán)聚體有機(jī)碳的影響并不局限于表層土壤。一方面，森林生態(tài)系統(tǒng)大量的凋落物不僅為表層土壤提供了豐富的有機(jī)碳來源，而且喬木植物的根系十分發(fā)達(dá)，根系分泌物和死亡細(xì)根顯著增加了40 cm之下的深層土壤有機(jī)碳的來源（Peng et al.，1995）；因此，本研究森林各層土壤大團(tuán)聚體有機(jī)碳的含量均顯著高于灌叢和果園（P＜0.05）。另一方面，巖溶地區(qū)形成了以碳-水-鈣循環(huán)為主的物質(zhì)和能量的傳輸與轉(zhuǎn)換的復(fù)雜動(dòng)力系統(tǒng)；土壤有機(jī)碳不僅受植被的影響，其遷移、礦化的過程也受水分的影響（劉再華等，2003）；有研究認(rèn)為土壤有機(jī)質(zhì)隨水分遷移而被土壤固持，是深層土壤有機(jī)碳的重要來源（袁道先，2001；Sanderman et al.，2009）。本研究區(qū)屬于中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，濕潤多雨的氣候特點(diǎn)促進(jìn)土壤有機(jī)碳由表層向深層土壤轉(zhuǎn)移，是導(dǎo)致各土地覆被方式深層土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳差異的因素之一。

土地覆被方式也顯著影響團(tuán)聚體對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)，本研究中各土地覆被方式＞2 mm團(tuán)聚體對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)差異最為顯著。大團(tuán)聚體主要通過纏繞、粘黏、包裹等物理作用保護(hù)有機(jī)質(zhì)，易受外界環(huán)境的干擾而破碎分裂，其內(nèi)包裹的有機(jī)碳在分離后易被分解礦化，而有機(jī)碳的損失會進(jìn)一步降低大團(tuán)聚體的穩(wěn)定性及其對碳的保護(hù)作用（Oades et al.，1991；Tisdall，1994）。本研究森林生態(tài)系統(tǒng)受人為影響較低，大團(tuán)聚體受外力破碎的幾率較低，使得其大團(tuán)聚體對有機(jī)碳的保護(hù)作用相對較強(qiáng)，＞2 mm團(tuán)聚體對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)最大。而另一方面，本研究果園土壤＜0.25 mm 微團(tuán)聚體對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率高于森林和灌叢，這是由于果園土壤不僅微團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，而且微團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳的含量也呈現(xiàn)出高于大團(tuán)聚體的特征，這與李娟等（2013）對不同土地利用方式表層（0～20 cm）土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的研究結(jié)果類似。微團(tuán)聚體顆粒較細(xì)，其吸附和結(jié)合有機(jī)碳的能力較強(qiáng)，因此微團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳的分解和礦化速率相對較低，有機(jī)碳在其中能穩(wěn)定較長時(shí)間并得到積累（Six et al.，2002）。人為干擾和影響，可能會加劇果園土壤大團(tuán)聚體的破碎化，降低大團(tuán)聚體的穩(wěn)定性及其對內(nèi)部有機(jī)碳的保護(hù)作用，但對微團(tuán)聚體及其有機(jī)碳的影響較小，故大團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其內(nèi)有機(jī)碳的含量均較低，其對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)也就低于森林和灌叢。

本研究 3種土地覆被方式土壤總有機(jī)碳與＞2 mm團(tuán)聚體對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率有明顯的正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），而與其他粒級團(tuán)聚體對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率的相關(guān)性未達(dá)顯著水平（P＜0.05）（圖6），這說明＞2 mm團(tuán)聚體是表征不同土地覆被方式固碳能力差異的重要因子。土壤團(tuán)聚體隨粒徑的增加，其本身對有機(jī)碳的吸附、結(jié)合能力減弱，有機(jī)碳周轉(zhuǎn)速率加快，固碳能力降低（Six et al.，2000；Paul et al.，2013），因此大團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳易受土地覆被方式的影響而存在顯著差異，而微團(tuán)聚體對有機(jī)碳具有持久的保護(hù)作用，對土壤的固碳作用有重要的貢獻(xiàn)（Kong et al.，2005；Helfrich et al.，2006）。本研究中，3種土地覆被方式以＞0.25 mm大團(tuán)聚體對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)為主，貢獻(xiàn)率均超過 60%（圖4）。這可能是由于本研究對象的土壤類型為富鈣棕色石灰土，土壤鈣與有機(jī)碳可以結(jié)合為鈣鍵結(jié)合態(tài)有機(jī)碳（李世朋等，2003；陳家瑞等，2012）；由于鈣鍵結(jié)合態(tài)有機(jī)碳的抗氧化能力較強(qiáng)，相對比較穩(wěn)定，且它作為土壤重要的膠結(jié)物質(zhì)，可以增強(qiáng)大團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，促進(jìn)有機(jī)碳在大團(tuán)聚體內(nèi)的聚集（Clough et al.，2000），提高了大團(tuán)聚體的固碳作用。

4 結(jié)論

本研究以西南巖溶地區(qū)森林、灌叢和果園3種土地覆被方式為研究對象，分析其0～100 cm各層土壤總有機(jī)碳及團(tuán)聚體有機(jī)碳的差異和特征，結(jié)果表明：

（1）3種土地覆被方式以森林土壤總有機(jī)碳含量最高，其次為灌叢，果園最低；不同土地覆被方式土壤總有機(jī)碳含量在0～20 cm和40～70 cm土層均有顯著差異。各土地覆被方式團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)均以＞0.25 mm 水穩(wěn)性大團(tuán)聚體為主，森林和灌叢土壤＞2 mm大團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相近，明顯高于果園土壤。

（2）土地覆被方式對土壤＞2 mm大團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳含量的影響最為顯著，森林土壤0～100 cm各層中，＞2 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳的含量均顯著高于灌叢和果園，并且灌叢土壤＞2 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳的含量在0～30 cm和40～90 cm土層也顯著高于果園。3種土地覆被方式中，果園土壤＜0.25 mm微團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳的含量明顯高于＞0.25 mm 大團(tuán)聚體，而森林0～100 cm土層和灌叢0～30 cm土層各粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳含量沒有顯著差異。

（3）3種土地覆被方式，＞0.25 mm大團(tuán)聚體對土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)均高于＜0.25 mm微團(tuán)聚體，并以0.25～2 mm團(tuán)聚體對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)最高；不同土地覆被方式之間＞2 mm 團(tuán)聚體對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)差異最為顯著，森林土壤明顯高于灌叢和果園；3種土地覆被方式中，果園土壤＜0.25 mm微團(tuán)聚體對有機(jī)碳貢獻(xiàn)率相對較高，其0.053～0.25 mm微團(tuán)聚體對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率僅次于0.25～2 mm大團(tuán)聚體。

圖6 土壤總有機(jī)碳與團(tuán)聚體對有機(jī)碳貢獻(xiàn)率的相互關(guān)系Fig. 6 Relationships of soil organic carbon and contribution rates of aggregate to soil organic carbon

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Abstract: Under the global climate change, land cover types, as one of the most important indicators that influencing the sequestration of soil organic carbon and the distribution of soil organic carbon in aggregates, have been increasingly focused on.Therefore, analysis of the effects of land cover on soil organic carbon is useful to study characteristics of the carbon cycle in Karst area. In this paper, content of soil organic carbon and the distribution of soil organic carbon in aggregates under the three land cover types (forest, shrub, and orchard field) were studied. Results showed that: (1) soil organic carbon content was obviously influenced by land cover types. The content of soil organic carbon was highest in forest (12.53～39.33 g?kg-1), second in shrub (8.48～27.99 g?kg-1), and the lowest in orchard field (8.40～18.61 g?kg-1), with the significant difference in the 0～20 cm layers and 40～70 cm layers among the three land cover types (P＜0.05). The content of macro-aggregate (＞0.25 mm) was higher than micro-aggregate (＜0.25 mm)in every layer of the whole soil profile (0～100 cm). Stability of soil aggregates in forest and shrub was greater than that in orchard field. The content of macro-aggregate (＞2 mm) in 0～90 cm layers of orchard field soil was obviously lower than that of forest and shrub soil (P＜0.05). (2) Soil organic carbon associated with aggregate also influenced by land cover types. The content of organic carbon associated with macro-aggregate (＞2 mm) under forest (12.32～39.88 g?kg-1) was obviously higher than that of shrub and orchard field in every soil layer (P＜0.05). And the content of organic carbon associated with macro-aggregate (＞2 mm) under shrub soil in 0～30 cm and 40～90 cm layers was significantly higher than that of orchard field. In addition, organic carbon content associated with macro-aggregate (＞0.25 mm) was lower than that of micro-aggregate (＜0.25 mm) under orchard field. However,there was no significant difference of the organic carbon content associated with aggregate among the different aggregate fractions of forest (0～100 cm layer) and shrub soil (0～30 cm layer) (P＜0.05). (3) The distribution of soil organic carbon in macro-aggregate(＞0.25 mm) was more than that of micro-aggregate (＜0.25 mm). The contribution rate of macro-aggregate (0.25～2 mm) to soil organic carbon was highest, which were 40.31%～67.76%, 41.99%～59.38% and 48.72%～68.18% of forest, shrub and orchard field respectively. And the most significant difference of contribution rate to soil organic carbon appeared in macro-aggregate (＞2 mm)among three land cover types. The contribution rates of micro-aggregates (0.053～0.25 mm and ＜0.053 mm) to soil organic carbon were respectively 13.08%～26.98% and 7.97%～20.06% under orchard field.

Key words: Karst area; land cover; soil organic carbon; aggregate

Effects of Different Land Cover Types in Karst Area on Soil Aggregates and Organic Carbon

WANG Hao1,2, YAO Xin1,2, YANG Hui2, HE Zhen1, LI Dunjie1, DING Lingyu1

1. School of Environment and Planning, Liaocheng University, Liaocheng 252059, China;2. Karst Dynamics Laboratory, MLR and GZAR (Institute of Karst Geology, CAGS), Guilin 541004, China

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.09.008

S152; X144

A

1674-5906（2017）09-1506-08

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國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（41402326）；巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金課題（KDL201506）；聊城大學(xué)博士科研基金項(xiàng)目

王浩（1984年生），男，講師，博士，主要從事環(huán)境生態(tài)學(xué)和生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)等方面的教學(xué)和科研工作。E-mail: wanghao@lcu.edu.cn*通信作者：楊慧（1981年生），女，副研究員，博士，主要研究方向?yàn)閹r溶生態(tài)學(xué)。E-mail: yanghui_kdl@163.com

2017-07-03