生態(tài)建設(shè)對坡面土壤有機碳分布的影響

王 偉, 李占斌,3, 李 鵬, 王飛超, 張 祎

(1.西安理工大學(xué) 旱區(qū)生態(tài)水文與災(zāi)害防治國家林業(yè)局重點實驗室, 西安 710048;2.西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室, 西安 710048;3.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100)

近年來，全球氣候變暖越來越受到人們的重視，潘根興等[1]認為土壤有機碳作為土壤重要的組成部分，不僅影響著土壤的質(zhì)量，還對全球碳循環(huán)起著至關(guān)重要的作用。土地利用方式的變化不僅會直接對有機碳的儲存和分布產(chǎn)生影響，還會通過影響有機碳的轉(zhuǎn)化方式而間接影響有機碳的輸入和周轉(zhuǎn)，從而對全球碳循環(huán)產(chǎn)生影響[2-5]。針對目前土地利用變化對碳循環(huán)的問題，首先需要探明有機碳在不同土地利用方式中的空間分布，但是利用總有機碳來衡量土地利用方式的變化對土壤碳動態(tài)的影響是不夠全面的，因此，文雯等[6]使用不同的方法將土壤有機碳分為不同的組分。張雪等[7]研究發(fā)現(xiàn)土壤有機碳由活性有機碳和惰性有機碳構(gòu)成，顆粒態(tài)有機碳、易氧化有機碳、輕組有機碳和重組有機碳是構(gòu)成活性有機碳的主要成分。呂貽忠等[8]認為土壤活性有機碳含量雖相對較小，但對土壤中的小變化十分敏感，可用作土壤有機碳早期階段的評價指標。關(guān)于黃土高原有機碳及其組分的研究主要集中在特定的區(qū)域、土地利用方式以及施肥對其的影響。如：張金波等[9]研究表明麥草覆蓋可顯著增加0—60 cm土壤總有機碳、輕質(zhì)有機碳和可溶性有機碳含量；董云中等[10]對晉西北黃土高原丘陵區(qū)不同土地利用方式下土壤碳氮儲量的研究結(jié)果表明0—20 cm，20—40 cm和40—60 cm土層土壤有機碳密度大小均為楊樹—小葉錦雞兒(Salicaceae-Caraganamicrophylla)人工林>小葉錦雞兒人工灌叢、楊樹人工林和撂荒地>農(nóng)田；俄勝哲等[11]研究了對長期施肥對黃土高原黃綿土區(qū)小麥產(chǎn)量及土壤養(yǎng)分的影響，結(jié)果表明施用有機肥顯著提高了土壤有機碳含量。黃土高原地形復(fù)雜、溝壑縱橫，地形因子對不同土地利用方式土壤有機碳的影響報道較少。本文以黃土丘陵區(qū)生態(tài)建設(shè)小流域埝堰溝為研究對象，旨在研究坡耕地退耕還林、還草以及梯田建設(shè)對土壤有機碳及其組分的影響，并且探討坡位因子對土壤有機碳空間分布的影響，相關(guān)研究結(jié)果為研究侵蝕景觀中土壤有機碳庫的動態(tài)變化具有重要的意義，這為合理布設(shè)水土保持措施提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

埝堰溝小流域位于榆林市綏德縣王茂溝流域中，東經(jīng)110°20′04″，北緯37°35′54″，平均海拔高度1 107 m，年均降雨量為513 mm，屬于溫帶大陸季風(fēng)氣候。埝堰溝小流域土地利用類型主要有坡耕地、林—灌地、草地和梯田。坡耕地主要種植玉米、紅薯；林—灌地主要林木有松林，灌木主要有荊條；草地主要草種有白毛草；梯田種植蘋果等經(jīng)濟作物。除坡耕地外，其他3種土地利用方式下人為干擾較少。

1.2 土壤樣品采集與測定

2017年6月在流域內(nèi)進行土壤樣品的采集。選取4種典型土地利用方式(坡耕地、林—灌地、草地、梯田)，每種土地利用方式選取3條坡面，從坡頂?shù)狡碌酌扛?0 m，通過挖剖面法在各樣點處分層采集0—20，20—40，40—60，60—80，80—100 cm的土壤樣品，共采集720個土壤樣品，帶回實驗室測定有機碳相關(guān)數(shù)據(jù)。

將采集回來的土壤樣品進行風(fēng)干研磨，之后將土壤樣品過100目篩后裝入自封袋，取土壤樣品1.000 g，滴入1 mol/L鹽酸溶液并浸泡24 h，從而除去樣品中的無機碳，土壤樣品中的有機碳含量采用TOC分析儀測定；顆粒態(tài)有機碳采用篩分法，Six等[12]通過濕篩法將土壤中大于0.053 μm的顆粒分離并浸泡在濃度為1.6～1.8 g/cm3的重液中，然后通過震蕩儀震蕩分離土壤中的顆粒態(tài)有機碳，再通過六偏磷酸鈉將分離出來的顆粒進行聚合，通過0.53 μm的篩子，便可得到團聚體中的顆粒有機碳；易氧化有機碳通常采用KMnO4氧化法測定，張雪等[7]認為KMnO4氧化法的結(jié)果較為穩(wěn)定，操作簡單，運用較為廣泛；輕組有機碳和重組有機碳通過密度相對法分離。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)整理計算采用Excel 2010，相關(guān)性分析用SPSS 24.0的相應(yīng)程序進行統(tǒng)計，圖形繪制采用Origin 2017。

各個組分有機碳分配比例以及敏感性指標的計算公式采用Bremer等[13]，如下：

A=B/SOC×100%

(1)

式中：A為活性有機碳的分配比例；B為活性有機碳含量。

X=(Mmax-Mmin)/Mmin

(2)

式中：X為不同有機碳組分敏感性指標；Mmax為變量最大值；Mmin為變量最小值。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤總有機碳空間分布

圖1為4種土地利用方式下土壤總有機碳含量空間分布圖。由圖1可知，林—灌地在0—20 cm土層深度處上坡位有機碳含量顯著大于中坡位，中坡位有機碳含量顯著大于下坡位(p<0.05)，其他土層深度處有機碳含量在不同坡位下差異不顯著(p>0.05)；同一坡位不同土層深度處，上坡位、中坡位和下坡位0—20 cm土層深度有機碳含量顯著高于其他土層深度有機碳含量(p<0.05)。說明林—灌地有機碳主要集中在0—20 cm土層深度的上坡位。草地就總體而言，0—20 cm土層深度處下坡位有機碳含量顯著高于上坡位和中坡位(p<0.05)，其他土層深度處有機碳含量在不同坡位下差異不顯著(p>0.05)；同一坡位不同土層深度處，中坡位和下坡位土壤有機碳含量在0—20 cm土層深度處顯著高于其他土層深度有機碳含量(p<0.05)。說明草地土壤有機碳主要集中在0—20 cm處的下坡位。梯田上坡位有機碳含量在0—20 cm土層深度處顯著高于中坡位和下坡位(p<0.05)；同一坡位不同土層深度處，土壤有機碳含量在上坡位和中坡位的0—20 cm處顯著高于其他土層深度有機碳含量(p<0.05)。說明梯田有機碳主要集中在0—20 cm土層深度的上坡位。坡耕地與林—灌地、草地、梯田相比，有機碳總體分布均勻，沒有明顯的富集現(xiàn)象。

注：不同大寫字母表示在相同土層深度下不同坡位的有機碳含量在5%水平上的差異性，不同小寫字母表示在相同坡位下不同土層深度的有機碳含量在5%水平上的差異性。

圖1 不同土地利用下土壤總有機碳的空間分布

總體來看(圖2)，4種土地利用方式下，坡耕地有機碳含量變化范圍為3.65～5.12 g/kg，林—灌地有機碳含量變化范圍為2.77～7.63 g/kg，草地有機碳含量變化范圍為3.00～6.90 g/kg，梯田有機碳變化范圍為2.94～5.60 g/kg。同一深度，不同土地利用下土壤有機碳含量存在差異，在0—20 cm土層中，土壤有機碳含量大小依次為林—灌地(6.07 g/kg)>梯田(5.52 g/kg)>草地(5.31 g/kg)>坡耕地(4.92 g/kg),坡耕地與其他3種土地利用方式有機碳含量差異顯著(p<0.05)。在20—40 cm土層中，林—灌地土壤有機碳含量最高，達到了4.77 g/kg，且4種土地利用方式下的土壤有機碳含量差異不顯著(p>0.05)。在40—60 cm，60—80 cm以及80—100 cm這4種土地利用方式下土壤有機碳含量差異均均不顯著。

注：不同大寫字母表示在相同土地利用方式下不同深度的有機碳含量在5%水平上的差異性，不同小寫字母表示在相同深度下不同土地利用方式的有機碳含量在5%水平上的差異性。

圖2 不同土地利用方式下0-100 cm土壤有機碳含量變化

2.2 土壤活性有機碳組分空間分布

2.2.1 顆粒態(tài)有機碳 由圖3可知，顆粒態(tài)有機碳在同一土地利用方式下的不同坡位差異不顯著(p>0.05)。在上坡位處，林—灌地(3.51 g/kg)、草地(3.80 g/kg)、梯田(4.42 g/kg)顆粒態(tài)有機碳含量分別是坡耕地(2.16 g/kg)的1.63，1.76，2.05倍；在中坡位處，草地(4.22 g/kg)和梯田(4.21 g/kg)顆粒態(tài)有機碳含量顯著高于坡耕地(2.47 g/kg)；在下坡位處，梯田顆粒態(tài)有機碳含量(4.79 g/kg)>林—灌地(3.60 g/kg)>草地(3.59 g/kg)>坡耕地(2.37 g/kg)。

注：不同大寫字母表示相同土地利用方式下不同坡位的顆粒態(tài)有機碳含量在5%水平上的差異性，不同小寫字母表示相同坡位不同土地利用方式下的顆粒態(tài)有機碳含量在5%水平上的差異性。

圖3 顆粒態(tài)有機碳空間分布

從圖4可以看出，林—灌地、草地、梯田顆粒態(tài)有機碳含量與坡耕地相比均顯著增加(p<0.05)。顆粒態(tài)有機碳含量為梯田(4.49 g/kg)>草地(3.91 g/kg)>林—灌地(3.38 g/kg)>坡耕地(2.31 g/kg)，較坡耕地分別增加了1.94，1.69，1.46倍。坡耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱帧嗟亍⒉莸?、梯田后，使土壤顆粒態(tài)有機碳含量在0—20 cm土層顯著增加。

圖4 不同土地利用方式下顆粒態(tài)有機碳含量

2.2.2 易氧化有機碳 由圖5可知，坡耕地上坡位易氧化有機碳含量顯著高于中坡位和下坡位易氧化有機碳含量(p<0.05)。在上坡位，坡耕地易氧化有機碳含量(1.60 mg/kg)是林—灌地(0.74 mg/kg)、草地(0.74 mg/kg)和梯田(0.75 mg/kg)易氧化有機碳含量的2.16，2.16，2.13倍；在中坡位，坡耕地易氧化有機碳含量(1.24 mg/kg)是林—灌地(0.77 mg/kg)、草地(0.73 mg/kg)和梯田(0.74 mg/kg)易氧化有機碳含量的1.61，1.70，1.68倍；在下坡位，坡耕地易氧化有機碳含量(1.10 mg/kg)是林—灌地(0.83 mg/kg)、草地(0.75 mg/kg)和梯田(0.76 mg/kg)易氧化有機碳含量的1.33，1.47，1.45倍。

注：不同大寫字母表示相同土地利用方式下不同坡位的易氧化有機碳含量在5%水平上的差異性，不同小寫字母表示相同坡位不同土地利用方式下的易氧化有機碳含量在5%水平上的差異性。

圖5 易氧化有機碳空間分布

如圖6所示，林—灌地、草地和梯田易氧化有機碳含量與坡耕地相比均顯著減小(p<0.05)。坡耕地易氧化有機碳含量(1.31 mg/kg)較林—灌地(0.77 mg/kg)、草地(0.73 mg/kg)、梯田(0.75 mg/kg)易氧化有機碳含量分別上升了41%，44%，43%。坡耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱帧嗟亍⒉莸?、梯田后，使?—20 cm土層深度的易氧化有機碳含量減小。

圖6 不同土地利用方式下易氧化有機碳含量

2.2.3 輕組有機碳 由圖7可知，僅林—灌地上坡位輕組有機碳含量顯著高于中坡位和下坡位(p<0.05)。在上坡位和中坡位，梯田輕組有機碳含量顯著高于坡耕地、林—灌地和草地(p>0.05)，在下坡位，林—灌地、草地和梯田輕組有機碳含量均顯著高于坡耕地輕組有機碳含量(p<0.05)。

如圖8所示，林—灌地、草地和梯田輕組有機碳含量與坡耕地相比均顯著增加(p<0.05)。輕組有機碳含量為梯田(1.23 g/kg)>草地(0.86 g/kg)>林—灌地(0.71 g/kg)>坡耕地(0.58 g/kg)，分別增加了1.22，1.48，2.12倍。坡耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱帧嗟?、草地、梯田后，使?—20 cm土層深度的輕組有機碳含量增加。

注：圖中不同大寫字母表示相同土地利用方式下不同坡位的輕組有機碳含量在5%水平上的差異性，不同小寫字母表示相同坡位不同土地利用方式下的輕組有機碳含量在5%水平上的差異性。

圖7 輕組有機碳空間分布

圖8 不同土地利用方式下輕組有機碳含量

2.2.4 重組有機碳 由圖9可知，坡耕地、林—灌地、草地和梯田重組有機碳含量在上坡位、中坡位和下坡位均無顯著差異(p>0.05)。在上坡位和中坡位，梯田重組有機碳含量顯著大于坡耕地、林—灌地和坡耕地(p<0.05)。在下坡位，梯田和草地重組有機碳含量顯著大于坡耕地和林—灌地重組有機碳含量(p<0.05)。

注：圖中不同大寫字母表示相同土地利用方式下不同坡位的重組有機碳含量在5%水平上的差異性，不同小寫字母表示相同坡位不同土地利用方式下的重組有機碳含量在5%水平上的差異性。

圖9 重組有機碳空間分布

由圖10可知，林—灌地、草地和梯田重組有機碳含量與坡耕地相比均顯著增加(p<0.05)。重組有機碳含量為梯田(3.81 g/kg)>草地(3.33 g/kg)>林—灌地(3.11 g/kg)>坡耕地(2.72 g/kg)，分別增加了1.14，1.22，1.40倍。坡耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱帧嗟?、草地、梯田后，可以使?—20 cm土層深度的重組有機碳含量增加。

圖10 不同土地利用下重組有機碳含量

2.3 土壤總有機碳與活性有機碳含量敏感性分析

Garten等[14]認為用總的有機碳含量來評價不同土地利用方式對土壤動態(tài)有機碳的變化是非常困難的，因此，王琳等[15]認為對不同土地利用方式或管理措施變化更為敏感的有機碳組分可以作為響應(yīng)土壤有機碳和土地質(zhì)量變化的早期指標。本文以有機碳及其主要組分(顆粒態(tài)有機碳、易氧化有機碳、輕組有機碳和重組有機碳)作為土壤動態(tài)有機碳含量變化的敏感性指標。

表1為不同土地利用方式0—100 cm土層深下有機碳及其組分的敏感性分析，可以看出，在不同深度處，顆粒態(tài)有機碳的含量對土地利用變化的響應(yīng)最為明顯，大于其他有機碳組分。在整個0—100 cm土層深度內(nèi)，不同有機碳組分對土地利用變化的敏感性依次為顆粒態(tài)有機碳(16.11)>輕組有機碳(7.07)>有機碳(1.22)>重組有機碳(1.18)>易氧化有機碳(1.14)，表明顆粒態(tài)有機碳對土地利用的改變最為敏感，而易氧化有機碳對坡面景觀改變的敏感性最差，因此，顆粒態(tài)有機碳可以作為評價不同土地利用方式下土壤動態(tài)有機碳變化的良好指標。

表1 不同有機碳組分敏感性指標的大小

3 討 論

趙銳鋒等[16]認為土壤有機碳作為土壤重要的組成部分，在大的區(qū)域尺度上主要受氣候、成土母質(zhì)等影響，但在小的區(qū)域上，在氣候、母質(zhì)等基本一致的情況下，其主要受土地利用方式、地形等條件的影響。土地利用方式及管理措施都會對有機碳的分布產(chǎn)生一定的影響。本研究結(jié)果表明除坡耕地外，林—灌地、草地和梯田土壤有機碳含量隨著深度的增加而降低，這與張祎等[17]研究黃土丘陵區(qū)小流域生態(tài)恢復(fù)對土壤有機碳和全氮的影響結(jié)果相一致。坡耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱帧嗟?、草地和梯田后使得土壤有機碳含量在0—20 cm土層深度處顯著增加。周莉等[18]認為林—灌地、梯田凋落物等外源碳聚集在土壤中，經(jīng)過淋溶和分解作用增加了土壤有機碳儲量。劉夢云等[19]研究發(fā)現(xiàn)草地的莖葉腐爛可以增加土壤有機碳含量，同時，草本植物的根以細根居多，一般分布在土壤的表層，這些因素導(dǎo)致其腐爛較快，增加了0—20 cm土層有機碳含量。坡耕地人為經(jīng)常翻種，使得土壤破碎化程度較高、質(zhì)地稀疏，從而在水土流失過程中失去了大量的有機碳，同時，富含有機碳的農(nóng)產(chǎn)品不能歸還到土壤中，因此，坡耕地保護和儲存有機碳的能力相對較低。通過研究土地利用方式的不同對土壤有機碳儲量的變化是準確預(yù)測土壤有機碳在全球氣候變暖的CO2源和匯的關(guān)鍵。將坡耕地恢復(fù)為林—灌地、草地和梯田可以顯著增加有機碳儲量，相應(yīng)加強土壤碳匯的能力，增加區(qū)域碳儲量。

4種土地利用方式下土壤活性有機碳的分配比例見表2。Lehmann等[20]發(fā)現(xiàn)顆粒態(tài)有機碳是土壤團聚體積累和保護的那部分有機碳。顆粒態(tài)有機碳分配比例在研究區(qū)不同土地利用方式下的分配比例介于45.7%～83.7%，林—灌地、草地和梯田顆粒態(tài)有機碳含量顯著高于坡耕地。羅友進等[21]的研究發(fā)現(xiàn)林—灌地、草地和梯田，由于植被覆蓋和人為干擾減少的原因，使得土壤環(huán)境得到有效的恢復(fù)，從而使土壤團聚體破壞減小，顆粒態(tài)有機碳得到了有效的保護。同時，植被的枯枝落葉經(jīng)過腐爛可以有效地補充土壤有機碳，地下的植物根系經(jīng)過微生物的分解也是土壤有機碳的來源之一。于建光等[22]認為顆粒態(tài)有機碳易被土壤微生物利用，因此其周轉(zhuǎn)速度較快，可以作為土壤碳庫變化的敏感指標。本研究中顆粒態(tài)有機碳對不同土地利用方式的敏感性最大，這與張金波等[9]研究結(jié)果一致。張仕吉等[23]研究發(fā)現(xiàn)土壤有機碳庫的活性與易氧化有機碳的含量相關(guān)，總有機碳中易氧化有機碳的比例越高，有機碳活性就越大。本研究中易氧化有機碳占總有機碳的比例介于14.2%～25.4%，林—灌地、草地和梯田的易氧化有機碳含量顯著低于坡耕地的易氧化有機碳含量。石亞攀等[24]對紅松針闊混交林林隙土壤總有機碳和易氧化有機碳的時空異質(zhì)性研究表明，易氧化有機碳含量和有機碳含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。但在本研究中易氧化有機碳含量并沒有隨著有機碳含量的增加而增加，究其原因可能是坡耕地由于人為的影響使得土壤團聚體被破壞，從而釋放了被儲存和保護在團聚體中的有機碳，進一步轉(zhuǎn)變?yōu)橐籽趸袡C碳。因此使得坡耕地的易氧化有機碳含量較林—灌地、草地和梯田增多。沈宏等[25]通過對土壤活性有機碳的表征及其生態(tài)效應(yīng)的研究發(fā)現(xiàn)土壤易氧化有機碳可以指示土壤有機質(zhì)的早期變化。本研究中易氧化有機碳對土地利用方式的敏感性較低，這可能是由于黃土高原特定的土質(zhì)導(dǎo)致易氧化有機碳的穩(wěn)定性相對較差，同時，Vieira等[26]認為運用化學(xué)氧化法測定易氧化有機碳的含量可能會造成土壤大團聚體內(nèi)部的活性有機質(zhì)未被氧化。吳建國等[27]認為輕組有機碳屬于非保護性碳，它占有機碳的比例越高，有機碳越不穩(wěn)定，因而不利于土壤有機碳的儲存和保護；土壤重組有機碳屬于保護性碳，它占有機碳的比例越高，有機碳越穩(wěn)定，因而有利于土壤有機碳的積累和保護。本研究中輕組有機碳和重組有機碳占總有機碳的比例分別為10.4%～24.2%和52.1%～71.2%。張宏等[28]認為輕組有機碳大多來源于地上凋落物，更容易受到植物的影響，因此它也是指示不同土地利用方式的重要指標。本研究中輕組有機碳對土地利用方式的敏感性僅次于顆粒態(tài)有機碳。同時，魏云敏等[29]認為重組有機碳穩(wěn)定性較強，因此其對土地利用方式的變化敏感性較低。綜上，坡耕地經(jīng)生態(tài)建設(shè)后可顯著提高顆粒態(tài)有機碳含量，同時，顆粒態(tài)有機碳不同土地利用方式最為敏感。

表2 活性有機碳的分配比例 %

注：表中大字母表示同一類型活性有機碳不同土地利用條件下活性有機碳分配比例在5%水平上的差異性；小寫字母表示同一土地利用條件不同活性有機碳分配比例在5%水平上的差異性。

4 結(jié) 論

(1) 坡耕地經(jīng)生態(tài)建設(shè)后可以顯著增加0—20 cm土層有機碳含量。林—灌地有機碳含量主要集中在0—20 cm土層深度的上坡位，草地有機碳含量主要集中在0—20 cm土層深度的下坡位，梯田有機碳含量主要集中在0—20 cm土層深度的上坡位。

(2) 相比于坡耕地，林—灌地、草地和梯田在0—20 cm土層深度的易氧化有機碳含量有所減少，但增加了0—20 cm土層深度的顆粒態(tài)有機碳、輕組有機碳和重組有機碳含量。

(3) 顆粒態(tài)有機碳對土地利用變化比有機碳及其主要組分(易氧化有機碳、輕組有機碳和重組有機碳)更為敏感，因此，顆粒態(tài)有機碳可以作為評估土地利用變化對土壤有機碳影響的良好指標。