紫色土丘陵坡地不同植被類型土壤活性有機碳組分的比較

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(湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院 園林學(xué)院，湖南 衡陽421005)

土壤活性有機碳(soil active organic carbon, SAOC)是土壤有機碳(soil organic carbon, SOC)的活性部分，被認為是土壤中有效性較高、易被土壤微生物分解礦化、對植物養(yǎng)分供應(yīng)有最直接作用的有機碳[1]，雖然它只占SOC總量的較小部分，但它們在維持土地生產(chǎn)力和反映土壤碳儲量變化方面具有重要的作用，且對不同植被類型的微環(huán)境變化的響應(yīng)比SOC更為敏感，能直接參與土壤生物化學(xué)轉(zhuǎn)化過程，同時也是土壤微生物活動的能源和土壤養(yǎng)分的驅(qū)動力[2-3]，能更好地反映SOC的有效性，指示土地質(zhì)量[4-5]，因此，對于SAOC的研究是植被土壤碳庫動態(tài)及調(diào)控機理研究的重要方面。

湖南省衡陽市紫色土丘陵坡地面積1.625×105hm2，是湖南省生態(tài)環(huán)境最為惡劣的地區(qū)之一，也是中國南方極具代表性的生態(tài)災(zāi)害易發(fā)地區(qū)，由于紫色土極易水蝕，發(fā)育期短，地力差，常處于幼年階段，加上顏色深、吸熱性強，夏季地面溫度高，蒸發(fā)量大，又因區(qū)域性水、熱分布等不利環(huán)境影響和不合理的開發(fā)，致使該區(qū)域長期以來植被稀疏，水土流失和季節(jié)性旱災(zāi)嚴重，惡劣的生態(tài)環(huán)境嚴重制約著當?shù)剞r(nóng)村經(jīng)濟的發(fā)展[6-7]。近幾十年來，我國對SOC的研究日益增多[8-9]，但對于湖南省衡陽市紫色土丘陵坡地SOC的研究甚少，本研究選擇該區(qū)域內(nèi)3種不同的植被類型，對其SAOC及組分進行研究，研究結(jié)果將有助于深入了解不同植被類型對SOC積累以及淋溶與流失的影響，為湖南省衡陽市紫色土丘陵坡地SAOC的研究、土壤C循環(huán)以及植被恢復(fù)對有機碳庫組分和穩(wěn)定性的影響提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

紫色土丘陵坡地位于湖南省中南部，湘江中游(110°32′16″～113°16′32″ E，26°07′05″～27°28′24″ N)，地貌類型以丘崗為主，紫色土呈網(wǎng)狀集中分布于該區(qū)域中部海拔60～200 m的地帶。該區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L濕潤氣候，年平均氣溫18℃；極端最高氣溫40.5℃，極端最低氣溫-7.9℃，年均降雨量1 325 mm，年均蒸發(fā)量1 426.5 mm。平均相對濕度80%,全年無霜期286 d[10-11]。

1.2 研究方法

1.2.1樣地選擇與采樣 該地區(qū)植被演替的過程為：草本階段→草灌階段→灌叢階段→喬灌階段→喬木階段[12-13]，在研究區(qū)域內(nèi)選取3種不同的植被類型，即草地區(qū)(grassland zone, GZ)、草地森林區(qū)(grassland-forest zone, GFZ)和森林區(qū)(forest zone, FZ)為研究對象，在各植被類型區(qū)內(nèi)設(shè)置面積>1 hm2的樣地(各植被類型的初期均為撂荒地)，不同植被類型概況見表1。在每個>1 hm2的樣地內(nèi)設(shè)置3個400 m2(20 m×20 m)樣方，且樣方間距>20 m，在每個樣方內(nèi)按S型采取5個樣點，用土鉆取0～10 cm和10～20 cm土樣，同層土壤混合，然后將混合樣品帶回實驗室過2 mm鋼篩，去除石礫、可見的植物根系及土壤動物，再分成2份。一份鮮樣供可溶性有機碳(dissolved organic carbon, DOC)和微生物生物量碳(microbial biomass carbon, MBC)分析，另一份風干后，進一步處理，供SOC總量、易氧化有機碳(easily oxidizable organic carbon, EOC)和土壤養(yǎng)分分析。

表1 不同植被類型概況Table 1 The basic condition of different vegetation types

1.2.2測定項目與方法 土壤pH值測定采用電位計法；土壤容重(soil bulk density, SBD)測定采用環(huán)刀法；全氮(total nitrogen, TN)測定采用半微量凱氏法；全磷(total phosphorus, TP)測定采用NaOH熔融-鉬銻抗顯色-紫外分光光度法；全鉀(total potassium, TK)測定采用NaOH熔融-火焰光度法；SOC測定采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法[14]；MBC測定采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法(轉(zhuǎn)換系數(shù)K取0.45)[15]；EOC采用高錳酸鉀(333 mmol·L-1)氧化法分析[16]；輕組有機碳(light fraction organic carbon, LFOC)的測定參照Janzen等[17]的分離方法得到輕組有機質(zhì)，然后在60℃下烘干(24 h)，稱重，得到重組物質(zhì)占整個樣品質(zhì)量的比例，研磨過0.15 mm篩，重鉻酸鉀外加熱測定重組SOC含量，計算輕組有機碳含量及其分配比例；DOC用未熏蒸前土壤浸提液中的碳含量代替。

1.3 數(shù)據(jù)分析

分析采用SPSS 13.0軟件進行數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析。采用單因素方差分析法(one-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)比較不同數(shù)據(jù)間的差異，用Pearson相關(guān)系數(shù)分析土壤有機碳與活性有機碳的相關(guān)系數(shù)。所有數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤理化性質(zhì)

由表2可知，F(xiàn)Z各土層的SBD顯著低于GZ和GFZ(P<0.05)，0～10 cm土層，GZ和GFZ的SBD分別為FZ的1.19和1.27倍，10～20 cm土層為1.22和1.20倍；各植被類型不同土層的SBD差異不顯著。0～10 cm土層，GZ和GFZ的TN含量顯著低于FZ(P<0.05)，GZ和GFZ的TN含量分別為FZ的23.85%和26.15%，10～20 cm土層，各植被類型TN含量的大小順序為FZ(1.26 g·kg-1)>GFZ(0.46 g·kg-1)>GZ(0.38 g·kg-1)(P<0.05)；各植被類型0～10 cm土層TN含量均顯著高于10～20 cm土層(P<0.05)。FZ各土層的TP含量均顯著高于GZ和GFZ(P<0.05)，0～10 cm土層，GZ和GFZ的TP分別為FZ的79.45%和82.19%，10～20 cm土層，為85.07%和86.57%；各植被類型不同土層的TP與TK含量均相對穩(wěn)定，差異不顯著。不同植被類型的土壤均呈弱堿性，但FZ的土壤pH值顯著低于GZ和GFZ(P<0.05)，在0～10土層，GZ和GFZ的土壤pH值分別為FZ的1.05和1.06倍，10～20 cm土層，為1.03和1.04倍；各植被類型的不同土層的pH值差異不顯著。

表2 不同植被類型下土壤理化性質(zhì)Table 2 The soil physio-chemical properties under different vegetation types

注：不同大寫字母表示同一土層不同植被類型間差異顯著，不同小寫字母表示同一植被類型不同土層間差異顯著(P<0.05)，下同。

Note: Different capital letters indicate significant difference for the same soil layer of different vegetation types, and different small letters indicate significant difference for the same vegetation types of different soil layers at the 0.05 level. The same as below

2.2 SOC的分布特征

由表3可知，不同植被類型SOC大小順序為FZ>GZ>GFZ(P<0.05)，0～10 cm土層，GZ和GFZ的SOC含量只有FZ的68.56%和30.51%，10～20 cm土層，為80.86%和54.60%；GFZ各土層SOC含量差異不顯著(P>0.05)，而GZ和FZ 0～10 cm土層SOC顯著高于10～20 cm土層(P<0.05)，GZ和FZ 0～10 cm土層SOC分別為10～20 cm土層的1.44和1.69倍。

表3 不同植被類型下土壤有機碳含量Table 3 SOC content under different vegetation types/g·kg-1

2.3 SAOC的分布特征

研究表明(表4)，各植被類型不同土層MBC大小順序均為FZ>GFZ>GZ(P<0.05)，GZ和GFZ 0～10 cm土層的MBC分別為FZ的69.81%和75.95%，10～20 cm土層為74.50%和81.56%。各植被類型不同土層MBC含量差異顯著(P<0.05)，GZ、GFZ和FZ 0～10 cm土層MBC分別為10～20 cm土層的1.94，1.93和1.51倍。

不同植被類型DOC含量差異顯著(P<0.05)，F(xiàn)Z的0～10 cm土層DOC含量分別為GZ和GFZ的2.46和1.11倍；10～20 cm土層為4.10和1.55倍；各植被類型0～10 cm土層的DOC含量顯著大于10～20 cm土層(P<0.05)，GZ、GFZ和FZ的10～20 cm土層DOC的含量比0～10 cm土層分別減少56.41%、40.34%和27.42%。

FZ的各土層LFOC含量均顯著高于GZ與GFZ(P<0.05)，GZ和GFZ的0～10 cm土層LFOC含量分別為FZ的58.66%和56.79%，10～20 cm土層為56.29%和56.50%；GZ不同土層的LFOC含量差異顯著(P<0.05)，0～10 cm土層為10～20 cm土層的1.06倍。

各植被類型不同土層的EOC含量的大小順序均為FZ>GZ>GFZ(P<0.05)，GZ和GFZ的0～10cm土層EOC含量分別為FZ的39.38%和25.63%，10～20 cm土層為67.77%和45.42%。FZ不同土層的EOC含量差異顯著(P<0.05)，0～10 cm土層為10～20 cm土層的1.76倍，GZ和GFZ不同土層的EOC含量差異不顯著。

表4 不同植被類型下SAOC組分的分布特征Table 4 The properties of SAOC composition under different vegetation types

2.4 SOC與SAOC組分的耦合作用

研究表明(表5)，SOC與MBC、LFOC、EOC呈極顯著正相關(guān)，與DOC顯著正相關(guān)；MBC與LFOC、EOC極顯著正相關(guān)，與DOC顯著正相關(guān)；LFOC與EOC、DOC呈極顯著正相關(guān)；EOC與DOC顯著正相關(guān)。SAOC組分間顯著正相關(guān)，除DOC外，SAOC組分與SOC極顯著正相關(guān)。由此可見，SAOC組分含量在很大程度上取決于SOC的含量。

表5 SOC與SAOC組分的相關(guān)性Table 5 Correlations among SOC and SAOC composition

注：*表示顯著相關(guān)(P<0.05)；**表示極顯著相關(guān)(P<0.01)

Note: *indicates significant correlation at the 0.05 level； ** indicates highly significant correlation at the 0.01 level

3 討論

在本研究中，3種植被類型SOC的大小順序為FZ>GZ>GFZ(P<0.05)，與Chaai等[18]的研究結(jié)果基本相似。在FZ，較好的土壤理化性質(zhì)(表2)、大量的凋落物和根系分泌物使得其SOC最高，GZ的SOC含量高于GFZ的含量，可能是由于GZ較高的草本植物覆蓋度，相對穩(wěn)定的生態(tài)環(huán)境和微生物以及較高的同化輸入作用。此外，GFZ是GZ與FZ之間的生態(tài)過渡區(qū)，具有較高的淋溶和淋失，土壤微生物生存壓力較大。3種植被類型MBC的大小順序與SOC相同，說明MBC與SOC密切相關(guān)(表5)[19-21]，在FZ中，土壤表層聚集較多的凋落物，水熱和通氣狀況較好，有利于微生物生長與繁殖，而GZ有較高的草本覆蓋度和細根，使得GZ的MBC較GFZ要高，與楊滿元等[22]，付美云等[23]的研究結(jié)果相似，GZ植被覆蓋度高，草本植物在土壤表層的細根較多，土壤溫、濕度適宜，有利于MBC的積累；表層土壤侵蝕的淋溶和淋失作用是EOC含量差異的決定性因素，土壤侵蝕強度的大小對EOC含量有著重要影響[24-25]，F(xiàn)Z由于茂密的森林和林冠，以及深厚的枯枝落葉層，對雨水有較好的消能作用和對徑流的攔擋作用，使得森林區(qū)的土壤侵蝕非常低，GZ與GFZ相比，GZ有較好的草本覆蓋，土壤侵蝕較GFZ低，與張攀等[26]的研究結(jié)果基本一致；DOC主要是以胡敏酸和分子量較小的有機酸、碳水化合物組成，35%～47%存在于胡敏酸中[27]，從FZ→GFZ→GZ，植被的凋落物和土壤有機質(zhì)中的腐殖質(zhì)依次減小[28]，導(dǎo)致DOC的含量顯著減?。籐FOC主要是由植物碎片和根系組成，是介于植物殘體和腐質(zhì)之間的有機質(zhì)，主要受植物根系分布、根系分泌物和微生物的影響[29]，在FZ中，水熱條件較好，微生物種類豐富，對枯枝落葉的分解作用明顯，使得FZ的LFOC明顯高于GZ和GFZ。

0～10 cm土層MBC以FZ最高，GFZ最低，3種植被類型0～10 cm土層MBC相差較大(達111.74 mg·kg-1)，10～20 cm土層相差較小(僅為45.51 mg·kg-1)(表4)，0～10 cm土層微生物活動強烈，有機質(zhì)易被分解，SAOC含量增加，10～20 cm土層受微生物影響小，SAOC含量較小[30]；DOC主要來源于近期植物枯枝落葉和土壤有機質(zhì)中的腐殖質(zhì)，使得0～10 cm土層DOC含量較10～20 cm土層高，與王棣等[31]的研究結(jié)果基本一致；Janzen等[17]的研究表明，0～7.5 cm土層LFOC含量為2～24 g·kg-1，與本研究0～10 cm土層LFOC含量2.81～4.79 g·kg-1(表4)的結(jié)果基本一致，在不同植被區(qū)，0～10 cm土層變化幅度較大(達2.07 g·kg-1)，10～20 cm土層變化幅度較小(僅為0.05 g·kg-1)(表4)；不同土層EOC以FZ最高(2.07 g·kg-1)，GZ次之(0.04 g·kg-1)，GFZ最低(0.01 g·kg-1)(表4)，與管光玉等[32]，黃茹等[33]的研究結(jié)果基本一致。Chiorse等[34]認為在一定土壤深度，土壤微生物活性受SAOC的限制，SAOC數(shù)量隨土層深度的增加而下降；土層深度越大，SOC有效性越低。

在本研究中，SOC與MBC、LFOC、EOC和DOC呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05或P<0.01)，說明SAOC含量在很大程度上取決于SOC的含量[35]。

4 結(jié)論

不同植被類型土壤有機碳、微生物量碳和易氧化有機碳差異顯著，均表現(xiàn)為森林區(qū)>草地區(qū)>草地森林區(qū)，不同植被類型土壤可溶性有機碳差異顯著，表現(xiàn)為森林區(qū)>草地森林區(qū)>草地區(qū)，森林區(qū)輕組有機碳顯著高于草地區(qū)和草地森林區(qū)；相對草地森林區(qū)，草地區(qū)中草本植物明顯提高土壤活性有機碳含量。

土壤活性有機碳隨土層分布特征與土壤有機碳基本相似，深度越大，土壤有機碳的有效性越低；活性有機碳很大程度上取決于土壤有機碳，除可溶性有機碳外，活性有機碳與土壤有機碳極顯著正相關(guān)。