巖溶山區(qū)土壤溶解性有機(jī)碳對(duì)土地利用方式的響應(yīng)及其與土壤養(yǎng)分的關(guān)系

藍(lán)家程，傅瓦利，段正峰，袁 波，彭景濤，張 婷

（西南大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，重慶400715）

土壤溶解性有機(jī)碳（DOC）屬于土壤活性有機(jī)碳的一部分，是土壤有機(jī)碳中受植物和微生物影響強(qiáng)烈，具有一定溶解性，在土壤中移動(dòng)比較快、不穩(wěn)定、易氧化、易分解、易礦化，其形態(tài)、空間位置對(duì)植物、微生物來(lái)說(shuō)活性比較高的那一部分土壤碳素。已有的研究表明土壤DOC是土壤圈與其它相關(guān)圈層發(fā)生物質(zhì)交換的重要形式，由于它的活潑性及在陸地生態(tài)過(guò)程中的作用，土壤DOC成為陸地生態(tài)系統(tǒng)中碳遷移研究中的熱點(diǎn)［1－2］。同時(shí)土壤DOC的淋失是土壤中有機(jī)質(zhì)分解損失的重要途徑之一，對(duì)土壤中營(yíng)養(yǎng)元素的遷移起重要的作用。土地利用變化導(dǎo)致覆被類(lèi)型的變化，耕作和種植制度的改變，不僅直接影響土壤有機(jī)碳的含量和分布，還通過(guò)影響土壤有機(jī)碳形成、轉(zhuǎn)化的因子而間接影響土壤有機(jī)碳［3］。因此，與土壤有機(jī)碳相比，土壤DOC對(duì)土壤質(zhì)量變化、環(huán)境因素以及土地利用變化更為敏感，對(duì)研究全球碳循環(huán)與環(huán)境有重要的意義?；谕寥阑钚杂袡C(jī)碳組分活躍的性質(zhì)和重要作用，確定其對(duì)土地利用變化的響應(yīng)規(guī)律成為當(dāng)前土壤碳和養(yǎng)分循環(huán)方面研究的一個(gè)熱點(diǎn)［4］。

我國(guó)巖溶區(qū)面積（344 k m2）約占國(guó)土面積的1／3，其中西南連片裸露的巖溶區(qū)面積達(dá)54萬(wàn)k m2［4－5］。巖溶區(qū)屬于生態(tài)脆弱區(qū)，目前土壤碳循環(huán)在巖溶區(qū)已得到相當(dāng)?shù)闹匾?，但石灰土的富鈣、偏堿性［6－7］以及CO2含量高的土壤環(huán)境是巖溶發(fā)育最為活躍的部位［8］，土壤碳的動(dòng)態(tài)變化與循環(huán)特征受到高鈣環(huán)境脅迫的影響，碳的轉(zhuǎn)移有其自身的規(guī)律［9］。土壤DOC是土壤碳轉(zhuǎn)移的主要方式，在巖溶生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮重要的作用。關(guān)于土壤DOC在巖溶生態(tài)系統(tǒng)碳流通和轉(zhuǎn)移中的作用目前尚未十分清楚，因此本文選擇西南地區(qū)典型巖溶地區(qū)重慶中梁山為例，通過(guò)分析土壤DOC對(duì)不同利用方式的響應(yīng)及其影響因素，希望能夠?yàn)閹r溶區(qū)土壤碳循環(huán)與土壤質(zhì)量的深入研究以及選擇合理的土地利用方式提供參考。

1 研究區(qū)概況

重慶市中梁山位于東經(jīng) 106°18′14″－106°56′53″，北緯29°39′10″－30°3′53″，屬于重慶市郊區(qū)。中梁山在地質(zhì)構(gòu)造上為西南地臺(tái)、川東南拗摺帶、華鎣山隔擋式復(fù)背斜掃帚狀弧形構(gòu)造區(qū)重慶弧的一部分。研究區(qū)由于巖溶作用后形成巖溶槽谷，組成“一山兩槽三嶺”的構(gòu)造地貌格局，海拔400～700 m。區(qū)內(nèi)年內(nèi)氣溫3．1～43℃，年均氣溫18℃，多年平均降水量1 000 mm左右，屬于中亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候。研究區(qū)主要巖性為灰?guī)r、頁(yè)巖、砂巖、泥巖。土壤發(fā)育的地質(zhì)背景是三疊紀(jì)嘉陵江組的巖溶角粒狀白云質(zhì)灰?guī)r，以化學(xué)結(jié)構(gòu)為主，主要礦物成分是方解石和白云石，化學(xué)成分以Ca、Mg氧化物為主，Si、Al、Fe的氧化物含量很少。土壤類(lèi)型屬于黃色石灰土，土層厚0．15～1．0 m。研究區(qū)地帶性植被為中亞熱帶常綠闊葉林，受巖性、土壤和人類(lèi)活動(dòng)的影響，巖溶槽谷已經(jīng)沒(méi)有典型的常綠闊葉林地，現(xiàn)有植被為人工次生林。該區(qū)目前的主要土地利用類(lèi)型是灌叢、草地、坡耕地和菜地。

2 研究方法

2．1 采樣方法

在中梁山巖溶槽谷中選取5種具有代表性的土地利用方式。根據(jù)利用方式的不同及樣方的大小，分別在灌叢和菜地中各取2個(gè)樣點(diǎn)，在橘林地、草地和坡耕地中各取3個(gè)樣點(diǎn)。在不同的土地利用方式下挖掘30 c m深的土壤剖面，分4層：0－5 c m，5－10 c m，10－20 c m和20－30 c m進(jìn)行取樣。將所取的土樣馬上帶回實(shí)驗(yàn)室分成兩份，一份作為新鮮樣品用于測(cè)定土壤溶解性有機(jī)碳和微生物量碳，如不能立即實(shí)驗(yàn)，用自封袋密封貯藏于4℃冰箱內(nèi)，并盡快測(cè)定；另一份風(fēng)干用于測(cè)定土壤養(yǎng)分。

2．2 土壤養(yǎng)分的測(cè)定

土壤全氮用凱氏法測(cè)定，水解氮用堿解法測(cè)定，全磷、速效磷、全鉀和速效鉀含量用常規(guī)法測(cè)定［10］。

2．3 土壤有機(jī)碳及其組分的測(cè)定

土壤有機(jī)碳（SOC）采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定。土壤溶解性有機(jī)碳（DOC－K2SO4）的測(cè)定方法［11］：稱(chēng)取新鮮土樣30 g，250 ml三角瓶中加入80 ml 0．5 mol／L的 K2SO4，重復(fù)三次，在25℃振蕩30 min（185 r／min）。中速濾紙過(guò)濾，吸取濾液10 ml于150 ml硬質(zhì)試管中，加入0．1 mol／L的 K2Cr2O7－H2SO410 ml加熱至170～180℃，消煮30 min。冷卻后全部移入三角瓶，加鄰啡羅啉指示劑3滴，用0．05 mol／L的FeSO4滴定，同時(shí)做試劑空白。土壤微生物量碳（MBC）的測(cè)定采用氯仿熏蒸培養(yǎng)法測(cè)定［12］，土壤微生物量碳系數(shù)為2．64。

3 結(jié)果與分析

3．1 不同土地利用方式下土壤DOC含量

土壤溶解性有機(jī)碳（DOC）占土壤有機(jī)碳很小的一部分，但卻能敏感的反映土壤環(huán)境變化，在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中起重要作用。不同土地利用方式下土壤DOC含量見(jiàn)表1，不同土地利用方式土壤DOC含量大小順序?yàn)椋洪倭值兀?25．77 mg／kg）＞菜地（342．97 mg／kg）＞ 耕地 （243．25 mg／kg）＞ 灌 叢（177．74 mg／kg）＞草地（145．06 mg／kg），菜地、耕地、灌叢、草地分別占到橘林地80．55%，57．13%，41．75%，34．07%，表明不同土地利用方式下，人類(lèi)活動(dòng)明顯的影響了土壤DOC含量。

表1 不同土地利用方式下土壤活性碳及其分配比例

不同土地利用方式不同土層土壤DOC含量平均值為18．24～126．37 mg／kg，其中最高值出現(xiàn)在橘林地，草地最小。相同土層不同土地利用方式土壤DOC含量差異最大的是20－30 c m層，其中最大的橘林地是最小的灌叢的6．93倍；差異最小的是0－5 c m層，最小的草地占到最大菜地的45．82%，表明土地利用方式能夠明顯影響到土壤DOC含量的差異。

土壤DOC含量的垂直分布也受土地利用方式影響。不同土地利用方式除橘林地外，其它方式都是隨著土層深度的增加，土壤DOC含量逐漸減小，其中菜地和耕地在0－30 c m范圍內(nèi)基本上呈線性變化，表明耕作方式和種植制度對(duì)土壤DOC含量分布產(chǎn)生影響，也表明土壤DOC含量很大程度上依賴于土壤有機(jī)碳含量。草地和灌叢可能是隨著土層深度的增加，土壤細(xì)根生物量減少，土壤有機(jī)質(zhì)也減少，微生物數(shù)量也降低，因而土壤DOC含量逐漸減小。橘林地土壤DOC含量隨深度增加先減小后增大，可能是表層凋落物在雨水的侵泡下，凋落物中大量的土壤DOC淋溶遷移到下層的結(jié)果。

圖1 不同土地利用方式下土壤溶解性有機(jī)碳與土壤有機(jī)碳相關(guān)性

3．2 不同土地利用方式下土壤DOC占土壤SOC的比例組成

從土壤DOC占土壤SOC的比例來(lái)看，橘林地 ＞耕地＞菜地＞灌叢＞草地，這與土壤DOC含量在不同土地利用方式的分布基本符合。菜地、耕地、灌叢、草地分別占到橘林地的68．86%，98．09%，44．47%，28．25%，這與土壤DOC含量在不同土地利用方式的分布有所差異。土壤溶液中DOC濃度和組成存在明顯的空間變異性。從不同層次土壤來(lái)看，橘林地各土層土壤DOC含量基本上較其它幾種利用方式高，但從土壤DOC占土壤SOC的比例來(lái)看，橘林地各土層土壤DOC占土壤SOC的比例除了在0－10 c m范圍內(nèi)低于菜地和耕地外，都比其余幾種利用方式高，其中，草地的比例基本上最小且各層比例差異不明顯。5種不同土地利用方式下土壤DOC占土壤SOC的比例除橘林地在土壤剖面中呈上升趨勢(shì)外，其它土地利用方式均大體呈下降的趨勢(shì)。這表明土地利用方式不僅對(duì)土壤DOC含量的剖面分布產(chǎn)生影響，而且對(duì)溶解有機(jī)碳的組成和結(jié)構(gòu)也有較大影響。

3．3 土壤有機(jī)碳、微生物碳與土壤DOC

全部樣品分析表明，土壤DOC與土壤有機(jī)碳（R＝0．189，P＞0．05）呈正相關(guān)，與土壤微生物碳（R＝0．373，P＞0．05）呈正相關(guān)。5種土地利用方式下土壤DOC與有機(jī)碳的關(guān)系見(jiàn)圖1，除了橘林地外，其余利用方式下土壤DOC均與有機(jī)碳呈正相關(guān)，其中草地、灌叢地、耕地達(dá)到極顯著水平，說(shuō)明土壤DOC依賴于土壤有機(jī)碳。橘林地土壤DOC與土壤有機(jī)碳沒(méi)有明顯的相關(guān)性，原因是20－30 c m層土壤DOC最高，土壤有機(jī)碳卻最低，這是土壤DOC遷移的結(jié)果。

土壤環(huán)境中的溶解性有機(jī)碳既是微生物分解有機(jī)質(zhì)的代謝產(chǎn)物，又是微生物生長(zhǎng)能量的來(lái)源［13］。因此，土壤溶解性有機(jī)碳與土壤微生物活性密切相關(guān)。草地土壤DOC與土壤微生物碳（R＝－0．916，P＜0．01）呈極顯著正相關(guān)，表明土壤微生物碳對(duì)土壤DOC有很大的貢獻(xiàn)；橘林地、菜地、灌叢地、耕地均呈負(fù)相關(guān)，相關(guān) 系數(shù)分別為 －0．140，－0．452，－0．762*，－0．196，表明微生物生長(zhǎng)消耗了土壤DOC。總之，土壤微生物碳和土壤DOC的關(guān)系眾多因素的制約［14］。不同土地利用方式下，土壤微生物數(shù)量和活性以及生長(zhǎng)不同階段影響了土壤DOC的含量和分布。

3．4 不同土地利用方式下土壤養(yǎng)分

巖溶區(qū)成土速度緩慢，水土易流失，大部分地區(qū)土層淺薄，富鈣、偏堿和石生的地球化學(xué)環(huán)境限制了生物多樣性，降低了土壤營(yíng)養(yǎng)元素有效態(tài)，使供應(yīng)的營(yíng)養(yǎng)元素不平衡。因而，巖溶生態(tài)環(huán)境抵抗干擾能力較低，巖溶區(qū)屬于生態(tài)脆弱的生態(tài)系統(tǒng)。研究區(qū)不同土地利用方式下土壤養(yǎng)分含量見(jiàn)表2。

表2 不同土地利用方式下土壤養(yǎng)分含量

從表2可以看出，不同土地利用方式明顯地影響了土壤全N和水解N含量。不同土地利用方式下土壤全N含量大小依次為：耕地＞橘林地＞灌叢＞草地＞菜地；而水解N含量大小依次為：橘林地＞灌叢＞草地＞菜地＞耕地。耕地中全N含量最高，而水解N卻最低，這與耕作方式和種植制度等相關(guān)，菜地與耕地相比由于種植作物種類(lèi)多，N素的吸收利用率相對(duì)要高。在灌叢和草地中，全N含量并不高，但水解N含量比較高，說(shuō)明退耕還林還草利于水解N的積累。全N在土壤剖面中變化趨勢(shì)不明顯，但在20－30 c m范圍為內(nèi)均統(tǒng)一表現(xiàn)為全N含量增高。水解N除草地外，其余4種利用方式下水解N含量基本隨土層增加而降低。

土壤含P量的多少受成土母質(zhì)的影響最大，其次氣候、有機(jī)質(zhì)與土壤p H對(duì)土壤P也有影響，土壤P含量還與施肥量密切相關(guān)。土地利用方式對(duì)土壤全P和速效P的含量影響比較明顯（見(jiàn)表2）。5種土地利用方式下，全P含量大小依次為：橘林地＞菜地＞耕地＞灌叢＞草地；速效P含量大小依次為：灌叢＞草地＞耕地＞菜地＞橘林地。全P除菜地外，在各個(gè)剖面中均隨土層深度的增加而降低，速效P在土壤剖面中沒(méi)有明顯的變化。

巖溶區(qū)土壤K含量相對(duì)其它地區(qū)偏低。5種土地利用方式下，全K含量大小依次為：草地＞耕地＞橘林地＞菜地＞灌叢；速效K含量大小依次為：橘林地＞草地＞菜地＞耕地＞灌叢。不同土地利用方式下，全K和速效K含量在各個(gè)剖面均隨土層深度的增加而降低。

3．5 土壤養(yǎng)分與土壤DOC

土壤溶解性有機(jī)碳是土壤活性有機(jī)質(zhì)，容易被土壤微生物分解，在提供土壤養(yǎng)分方面起著重要的作用［15］。土地利用方式的變化可以改變土壤的植被覆蓋，同時(shí)也會(huì)引起土壤管理措施的改變，進(jìn)而引起養(yǎng)分在土壤系統(tǒng)中的再分配，影響到土壤有機(jī)碳庫(kù)的循環(huán)過(guò)程。本文研究表明，土壤DOC與土壤養(yǎng)分關(guān)系密切，其回歸方程和相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表3。由表3可知，土壤DOC與土壤全氮、水解氮和速效鉀相關(guān)水平達(dá)到極顯著，相關(guān)系數(shù)為0．421，0．375，0．576，與全磷呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0．274，與全鉀呈正相關(guān)，但與速效磷呈負(fù)相關(guān)，研究結(jié)果與徐陽(yáng)春［16］、俞元春［17］的研究基本一致。說(shuō)明土壤DOC與土壤養(yǎng)分有較強(qiáng)的相互影響作用，其含量大小可以反映土壤養(yǎng)分循環(huán)和供應(yīng)狀況，可以作為巖溶區(qū)土壤肥力變化的指標(biāo)，但不同地區(qū)土壤DOC與養(yǎng)分的關(guān)系有所差異。

表3 土壤溶解性有機(jī)碳與土壤養(yǎng)分的關(guān)系

4 結(jié) 論

（1）不同土地利用方式下土壤DOC含量差異明顯，總體表現(xiàn)為：橘林地＞菜地＞耕地＞灌叢＞草地。表明人類(lèi)活動(dòng)能夠改變土地利用方式，進(jìn)而影響到土壤DOC的含量。

（2）土地利用方式能夠影響到土壤DOC的垂直分布，并且不同利用方式呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，除橘林地外，其它方式都是隨著土層深度的增加土壤DOC含量逐漸減小，其中菜地和耕地在0－30 c m范圍內(nèi)基本上呈線性變化。

（3）土地利用方式也能夠影響到土壤DOC占土壤SOC的比例，不同土地利用方式土壤DOC占土壤SOC的比例同土壤DOC含量分布基本一致。比例是個(gè)相對(duì)值，同含量比起來(lái)更能準(zhǔn)確反映不同土地利用方式土壤DOC的差異。

（4）土地利用方式通過(guò)土壤有機(jī)碳的輸入與輸出，進(jìn)而影響到土壤DOC的含量及分布。土壤DOC依賴于土壤有機(jī)碳，除了橘林地外，其余利用方式下土壤DOC均與有機(jī)碳呈正相關(guān)；土壤DOC既是土壤微生物碳代謝產(chǎn)物又是微生物生長(zhǎng)的能量來(lái)源，草地土壤微生物碳對(duì)土壤DOC有很大的貢獻(xiàn)，相關(guān)性達(dá)到極顯著水平，其余利用方式均呈負(fù)相關(guān)。

（5）相關(guān)分析表明，土壤DOC與土壤養(yǎng)分關(guān)系密切，可以作為土壤肥力變化的指標(biāo)。

［1］ Lai R．World soils and the greenhouse effect global change［J］．Newsletter，1999，37：4－5．

［2］ 曹建華，潘根興，袁道先，等．巖溶地區(qū)土壤溶解有機(jī)碳的季節(jié)動(dòng)態(tài)及環(huán)境效應(yīng)［J］．生態(tài)環(huán)境，2005，14（2）：224－229．

［3］ Parton W J，Schi mel D S，Cole C V．Analysis of factors controlling soil organic matter levels in great plains grasslands［J］．Soil Science Society of American Journal，1987，51：1173－1179．

［4］ 周廣勝，王玉輝．全球生態(tài)學(xué)［M］．北京：氣象出版社，2003：275－277．

［5］ 李大通，羅雁．中國(guó)碳酸鹽分布面積測(cè)量［J］．中國(guó)巖溶，1983，2（2）：147－150．

［6］ 曹建華，袁道先，潘根興．巖溶生態(tài)系統(tǒng)中的土壤［J］．地球科學(xué)進(jìn)展，2003，18（1）：37－44．

［7］ 曹建華，袁道先．受地質(zhì)條件制約的中國(guó)西南巖溶生態(tài)系統(tǒng)［M］．北京：地質(zhì)出版社，2005：16－23．

［8］ 潘根興，曹建華．表層帶巖溶作用：以土壤為媒介的地球表層生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程：以桂林峰叢洼地巖溶系統(tǒng)為例［J］．中國(guó)巖溶，1999，18（4）：287－296．

［9］ 潘根興，曹建華，何師意，等．土壤碳作為濕潤(rùn)亞熱帶表層巖溶作用的動(dòng)力機(jī)制：系統(tǒng)碳庫(kù)及碳轉(zhuǎn)移特征［J］．南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，22（3）：49－52．

［10］ 中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所．土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析法［M］．上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1978．

［11］ 段正鋒，傅瓦利，甄曉君，等．巖溶區(qū)土地利用方式對(duì)土壤有機(jī)碳組分及其分布特征的影響［J］．水土保持學(xué)報(bào)，2009，23（2）：109－114．

［12］ 魯如坤．土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)析［M］．北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科技出版社，2000．

［13］ 曹建華．巖溶土壤系統(tǒng)中生物作用及有機(jī)碳轉(zhuǎn)移對(duì)于CaCO3－CO2－H2O體系的調(diào)節(jié)與控制［D］．南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2001．

［14］ 莫彬，曹建華，徐祥明，等．巖溶山區(qū)不同土地利用方式對(duì)土壤活性有機(jī)碳動(dòng)態(tài)的影響［J］．生態(tài)環(huán)境，2006，15（6）：1224－1230．

［15］ 柳敏，宇萬(wàn)太，姜子紹，等．土壤溶解性有機(jī)碳（DOC）的影響因子及生態(tài)效應(yīng)［J］．土壤通報(bào)，2007，38（4）：758－762．

［16］ 徐陽(yáng)春，沈其榮，冉煒．長(zhǎng)期免耕和施用有機(jī)肥對(duì)土壤微生物量碳、氮、磷的影響［J］．土壤學(xué)報(bào)，2002，39（1）：89－96．

［17］ 俞元春，李淑芬．江蘇下蜀林區(qū)土壤溶解有機(jī)碳與土壤因子的關(guān)系［J］．土壤，2003，35（5）：424－428．