巖溶山地不同土地利用方式土壤顆粒有機(jī)碳和礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳的分布特征

沈 艷，傅瓦利，藍(lán)家程，程 輝，張石棋，武玲珍

（西南大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，重慶400715）

土壤有機(jī)碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫。它既可能成為大氣中CO2的源又可能成為CO2的匯，從而影響著大氣中CO2的濃度。因此土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)研究成為目前全球碳循環(huán)研究的熱點(diǎn)［1］。許多研究表明土地利用是影響陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的最大因素之一［2］。當(dāng)前，土地利用方式對(duì)土壤有機(jī)碳影響的機(jī)理方面（土壤碳庫的動(dòng)態(tài)過程與影響因素）還有一些尚未清楚的地方［3－4］。因此揭示土地利用方式影響有機(jī)碳機(jī)理的關(guān)鍵之一，就是對(duì)土壤有機(jī)碳中不同組分進(jìn)行準(zhǔn)確研究。

土壤有機(jī)碳按照物理分組可以分成與砂粒（53～2 000μm）結(jié)合的顆粒有機(jī)碳和與土壤粉砂粒和黏粒（＜53μm）結(jié)合的礦物結(jié)合有機(jī)碳兩部分。土壤顆粒有機(jī)碳，是介于土壤“活性庫”與“惰性庫”之間有機(jī)質(zhì)的“慢庫”。主要來源于新鮮的動(dòng)植物殘?bào)w和腐殖化有機(jī)物之間暫時(shí)的或過渡的有機(jī)碳［5－6］。它比土壤有機(jī)碳更易受土地利用方式的影響，對(duì)于評(píng)價(jià)土地利用對(duì)土壤碳固定過程的影響具有重要意義。提高土壤中POC比例，可能是緩解大氣CO2濃度上升的重要機(jī)制［7］。礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳是有機(jī)物的最終分解產(chǎn)物，屬于土壤有機(jī)碳中的“惰性庫”。它的含量可以間接表征土壤有機(jī)碳的抗氧化程度和利用難易程度［8］。

巖溶生態(tài)系統(tǒng)是受巖溶環(huán)境制約的生態(tài)系統(tǒng)，土層薄，屬于典型的生態(tài)脆弱區(qū)，土壤有機(jī)碳作為巖溶系統(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［9］。目前對(duì)顆粒有機(jī)碳的研究主要集中在耕作和種植方式上［10－13］，國內(nèi)關(guān)于土地利用方式對(duì)顆粒有機(jī)碳影響的研究報(bào)道較少。巖溶區(qū)顆粒有機(jī)碳也只局限于對(duì)總量的分析上，如李陽兵［14］對(duì)巖溶區(qū)林地土壤顆粒有機(jī)碳含量和分布進(jìn)行了研究，廖洪凱［15］分析了喀斯特山區(qū)不同植被類型下土壤有機(jī)碳及顆粒有機(jī)碳的變化。目前對(duì)巖溶區(qū)粗顆粒有機(jī)碳、細(xì)顆粒有機(jī)碳對(duì)不同土地利用方式響應(yīng)的研究很少，顆粒有機(jī)碳和礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳結(jié)合起來的研究不多。因此，本文通過對(duì)巖溶區(qū)不同土地利用方式下土壤粗、細(xì)顆粒有機(jī)碳的分布特征及其分配比例進(jìn)行研究，以深入研究和評(píng)價(jià)土地利用方式對(duì)土壤碳庫的影響。對(duì)進(jìn)一步揭示巖溶區(qū)土壤碳庫的動(dòng)態(tài)過程與影響因素提供一定參考。

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″，在地質(zhì)構(gòu)造上為西南地臺(tái)、川東南褶皺帶、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。其地貌類型受地質(zhì)構(gòu)造和巖性的強(qiáng)烈控制：兩翼為堅(jiān)硬的砂巖；軸部由紫色頁巖組成，構(gòu)成波狀起伏的丘陵地形；二者之間的灰?guī)r經(jīng)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。研究區(qū)海拔在400～700m，屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，年均溫度18℃，多年平均降水量1 000mm左右，四季明顯，具有氣溫高、雨量充沛、濕度大、云霧多、日照少等特點(diǎn)。地帶性植被為中亞熱帶常綠闊葉林。取樣點(diǎn)土壤母質(zhì)均為三疊紀(jì)嘉陵江組的角礫狀白云質(zhì)灰?guī)r，土壤為黃色石灰土。受巖性、土壤和人類活動(dòng)影響，巖溶槽谷中已經(jīng)沒有典型的常綠闊葉林地。目前土地利用方式以林地、草地、橘園地、菜地和棄耕地為主，林地主要以10a以上的柏樹（cupressus）人工林為主，草地主要植被為白茅（imperata）和夾蒿（folder Artemisia）。受海拔和地形限制，菜地主要分布在山腳和谷地，同時(shí)施用有機(jī)肥和無機(jī)肥，種植白菜、蘿卜和萵苣等。橘園地主要是以橘樹為主，地面覆蓋了一些雜草。棄耕地覆蓋了一些夾蒿和雜草，覆蓋度比草地低。

2 材料和方法

2.1 樣品的采集和處理

2011年9—11月在中梁山巖溶槽谷中選取了草地、橘園地、菜地、林地和棄耕地6種主要土地利用方式，在每個(gè)土地利用方式中選取3個(gè)樣地，按照從下到上的原則，采集0—20cm及20—40cm兩層土樣，每層取1kg左右混合土樣。將土樣裝入自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室，在實(shí)驗(yàn)室沿土壤自然結(jié)構(gòu)輕輕剝開，將原狀土剝成直徑為10～12mm的小土塊，去除根系、可見植物殘?bào)w和石塊，平攤在通風(fēng)透氣處自然風(fēng)干，待土樣風(fēng)干后，用干篩法將其分別研磨過2mm、1mm和0.25mm的土篩以供測定，樣點(diǎn)基本情況詳見表1。

2.2 土壤有機(jī)碳及其物理組分的測定

土壤有機(jī)碳（SOC）采用重鉻酸鉀外加熱法測定［16］。土壤顆粒有機(jī)碳的測定參照Gambardella和Elliott［10］的方法，具體如下：稱取過2mm篩的風(fēng)干土樣20g，放入250ml三角瓶中，加入100ml的六偏磷酸鈉（5g／L），用手搖約10～15min后放在往復(fù)式震蕩器（18℃，90rpm／min）上振蕩18h，將分散液過53μm篩，用純水洗至篩下水為無色，篩上部分為顆粒有機(jī)質(zhì)，將其分離為粗顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)（Coarse POM，即CPOM，250～2 000μm）和細(xì)顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)（Fine POM，即FPOM，53～250μm）。分離后各組于鋁盒中80℃下過夜烘干（12h），并進(jìn)行稱量。篩下部分（＜53μm）為礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)，用水浴鍋（90℃）蒸干后再用烘箱烘干（12h）。稱重并計(jì)算其占全土的百分比。將以上各粒級(jí)土壤顆粒磨碎過0.149mm篩，取一定重量樣品測定其有機(jī)碳含量，乘以各自所占土壤的百分比計(jì)算出粗、細(xì)顆粒有機(jī)碳和礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳含量。分別用粗顆粒、細(xì)顆粒有機(jī)碳含量除以土壤有機(jī)碳含量，得到相應(yīng)顆粒有機(jī)碳的分配比例。計(jì)算公式如下［15］：

不同粒徑土壤顆粒有機(jī)碳含量＝不同粒徑土壤顆粒物中有機(jī)碳×不同粒徑顆粒物占土壤的百分比

不同粒徑土壤顆粒有機(jī)碳分配比例＝不同粒徑土壤顆粒有機(jī)碳含量／土壤總有機(jī)碳含量×100%

土壤總有機(jī)碳和不同粒徑土壤顆粒有機(jī)碳的測定采用烘干土測定，其含量折合成全土含量。

表1 研究區(qū)各采樣點(diǎn)基本情況

3 結(jié)果與分析

3.1 不同土地利用方式土壤有機(jī)碳含量

不同的土地利用方式會(huì)引起土地經(jīng)營過程和土壤性質(zhì)的差異，進(jìn)而使土壤有機(jī)碳含量發(fā)生變化［17］。從圖1可以看出，不同土地利用方式表層（0—20cm）土壤SOC含量都顯著高于下層（20—40cm）。就同一土層來看，棄耕地表層（0—20cm）土壤SOC含量與各用地類型之間差異顯著（P＜0.05），草地、橘園地、林地、菜地與棄耕地相比高出幅度分別約90%，78%，119%，123%。其他土地利用方式之間差異不顯著。20—40cm土層，林地土壤SOC分別高出橘園地和棄耕地280%，311%，差異極顯著（P＜0.01）。總體來看，不同土地利用方式土壤有機(jī)碳含量平均值變現(xiàn)為：林地＞菜地＞草地＞橘園地＞棄耕地。林地表層枯枝落葉多，腐殖質(zhì)含量豐富，土壤SOC含量最高。菜地長期施用有機(jī)、無機(jī)混合肥料增加了土壤SOC含量，表現(xiàn)為較高。草地表層草叢茂密，覆蓋度高土壤SOC含量居中。棄耕地表層只有稀疏雜草，土壤有機(jī)碳含量較低。

3.2 不同土地利用方式土壤粗顆粒有機(jī)碳的分布特征

粗顆粒有機(jī)碳（Coarse POC，CPOC）也稱作游離態(tài)顆粒有機(jī)質(zhì)，存在于團(tuán)聚體之間的大孔隙中，由于缺乏礦物顆粒的保護(hù)容易受到微生物的分解，因而分解速度快［18］。由圖2可知，不同土地利用方式下土壤CPOC含量差異較大。從不同土壤剖面層次來看，0—20cm土層土壤中CPOC含量表現(xiàn)為：橘園地＞草地＞菜地＞林地＞棄耕地，草地、果園土壤CPOC分別高出棄耕地土壤CPOC約2 024%和3 773%，差異極顯著（P＜0.01）；草地與林地土壤CPOC分別高出菜地土壤CPOC約127%和61%，差異極顯著（P＜0.01）。20—40cm土層土壤CPOC含量表現(xiàn)為：菜地＞草地＞林地＞橘園地＞棄耕地，草地和菜地都顯著高于棄耕地，高出幅度分別約1 031%，2 052%。不同土地利用方式土壤CPOC含量垂直分布均表現(xiàn)為隨土層深度的增加而降低的趨勢，但降幅有所差異。其中橘園地由表層向下層降低幅度最大，表層和下層土壤CPOC含量差異極顯著（P＜0.01），草地和林地差異顯著（P＜0.05），菜地和棄耕地差異不大。

圖1 不同土地利用方式不同土層土壤有機(jī)碳含量

不同土地利用方式土壤CPOC含量隨土層深度增加明顯降低，這和有機(jī)碳的變化趨勢一致。表層土壤CPOC含量橘園地最高，一方面可能是對(duì)橘園地施加了一定有機(jī)肥，研究表明有機(jī)肥會(huì)增加土壤顆粒有機(jī)物的含量［18］，另外11月正是橘子成熟的時(shí)期，殘落的果實(shí)較多，其分解可能增加了CPOC含量；另一方面，橘園地未經(jīng)過傳統(tǒng)的深耕翻種，土壤結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，土壤CPOC受到團(tuán)聚體保護(hù)，因而含量相對(duì)較高。棄耕地土壤CPOC含量最低，一方面可能是由于棄耕時(shí)間短，棄耕之前長期受到人為傳統(tǒng)耕作措施的影響，使土壤結(jié)構(gòu)受到很大破壞，未被保護(hù)的有機(jī)質(zhì)被暴露在空氣中，加快了CPOC的礦化分解，同時(shí)受到地表雨水作用容易遷移而流失；另外棄耕后沒有肥料施加，有機(jī)質(zhì)來源少。研究表明，作物覆蓋有利于顆粒有機(jī)物增加，而傳統(tǒng)耕作加快有機(jī)物的礦化［19］。表層（0—20cm）和下層（20—40cm）土壤CPOC含量差異最大的是橘園地，這與橘園地土壤緊實(shí)度分布有關(guān)，橘園地土壤緊實(shí)度最大，不利于表層有機(jī)質(zhì)對(duì)下層的補(bǔ)充。菜地由于長期翻耕上下層土壤CPOC含量差異較小，長期使用有機(jī)和無機(jī)混合肥增加了有機(jī)物的輸入。上述表明，土地利用方式對(duì)土壤CPOC含量影響顯著，巖溶區(qū)土壤CPOC對(duì)人為耕作方式和施肥處理反應(yīng)敏感。

圖2 不同土地利用方式下不同土層土壤粗顆粒有機(jī)碳含量

3.3 不同土地利用方式土壤細(xì)顆粒有機(jī)碳分布

細(xì)顆粒有機(jī)碳（Fine POC，F(xiàn)POC）也稱作閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)質(zhì)，被團(tuán)聚體物理包被使微生物難以接觸，因而比游離態(tài)顆粒有機(jī)質(zhì)更難分解［17］。如圖3所示，各土地利用方式FPOC含量差異顯著，平均值大小為：林地（1.17g／kg）＞菜地（1.01g／kg）＞草地（0.89g／kg）＞橘園地（0.10g／kg）＞棄耕地（0.09g／kg）。0—20cm土層土壤FPOC含量最高值出現(xiàn)在草地，最低值出現(xiàn)在棄耕地。草地、林地表層土壤FPOC含量與棄耕地土壤CPOC含量差異極顯著（P＜0.01），分別高于棄耕地約1 343%和1 241%。20—40cm土層橘園地土壤FPOC含量最低，林地、菜地土壤FPOC含量分別與棄耕地和橘園地差異極顯著（P＜0.01），分別高于棄耕地1 108%和1 128%，分別高出橘園地1 954%，1 989%。

圖3亦表明，不同土地利用方式土壤FPOC含量均表現(xiàn)為表層大于下層，這和土壤粗顆粒有機(jī)碳含量、土壤有機(jī)碳含量的分布趨勢一致。表層（0—20 cm）林地和草地土壤FPOC含量較高。草地相比林地濕潤，有利于土壤動(dòng)植物和微生物對(duì)植物凋落物的生化降解［9］。因此草地表層FPOC含量較多。下層（20—40cm）林地土壤相比草地植物殘?bào)w、生物根系等碳源較多，因此下層林地土壤FPOC含量較多。棄耕地表面生物量稀缺，基本無凋落物來源，并且沒有施加肥料來增加有機(jī)物的輸入，所以有機(jī)碳含量最低。上述表明碳源有機(jī)物的增加有利于提高土壤FPOC含量。

圖3 不同土地利用方式不同土層土壤細(xì)顆粒有機(jī)碳含量

3.4 不同土地利用方式土壤礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳分布

礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳是有機(jī)碳的最終分解產(chǎn)物［20］。從圖4可以看出，各土地利用方式土壤礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳平均值大小為：林地＞菜地＞草地＞橘園地＞棄耕地。這和土壤有機(jī)碳的分布特征基本一致。研究表明：林地MOC較高，一方面和黏粒和粉砂粒含量比例較高（表1）有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)［16］土壤黏粒具有保護(hù)有機(jī)碳的能力，其含量影響外源有機(jī)質(zhì)（有機(jī)化合物、植物殘?bào)w）及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的分解速率或穩(wěn)定性。有機(jī)質(zhì)在黏粒含量低的土壤中分解較快，并隨著土壤黏粒含量的增加分解趨于緩慢，相同條件下，黏粒含量高的土壤往往含有更多的有機(jī)碳，而且能保護(hù)顆粒有機(jī)質(zhì)免于生物降解，顆粒有機(jī)質(zhì)很容易被吸附到帶電荷黏土礦物的表面而被其包被，包被后形成團(tuán)聚體，由于團(tuán)聚體內(nèi)部孔隙較小，導(dǎo)致微生物很難到達(dá)，使其分解的難度增加。另一方面林地中的枯枝落葉和深扎的根系使回歸到土壤的凋落物和枯死細(xì)根較多。上述表明土壤MOC含量受到土壤質(zhì)地和植被覆蓋的影響顯著。

圖4 不同土地利用方式下不同土層土壤礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳含量

3.5 不同土地利用方式土壤不同組分有機(jī)碳分配比例

土壤不同組分有機(jī)碳分配比例綜合了土壤有機(jī)碳絕對(duì)量與各組分有機(jī)碳含量，這個(gè)指標(biāo)更能表明土地利用方式影響有機(jī)碳穩(wěn)定性的強(qiáng)度，排除有機(jī)碳總量的差異［21］。

顆粒有機(jī)碳作為土壤中“慢庫”的一部分，對(duì)外界因素反應(yīng)敏感。因此，增加這部分碳的比例可能對(duì)緩解CO2濃度上升、減輕全球氣候變化具有重要作用。通常POC占表層土壤總有機(jī)碳的10%左右，也可高達(dá)30%～85%［22］。李陽兵等［14］對(duì)貴州巖溶林地及灌草林地的研究發(fā)現(xiàn)表層中砂粒含量占總有機(jī)碳50%以上。廖洪凱等［15］對(duì)貴州巖溶山區(qū)不同植被類型下的土壤研究中發(fā)現(xiàn)顆粒有機(jī)碳比例在30%以上。由表2可知，本研究區(qū)表層各土地利用方式下POC／SOC含量為2.76%～24.49%，這個(gè)值相對(duì)較低，主要原因可能由于本研究區(qū)的大部分土地利用類型為耕地，相比天然林區(qū)，長期受到人為的耕作和干擾。土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)被破壞，顆粒有機(jī)碳因此而損失，有研究表明巖溶地區(qū)地表植被遭到破壞或開墾后顆粒有機(jī)碳將在30～40a后消耗殆盡［23］。因此，巖溶區(qū)土壤退耕還林還草能緩解土壤POC的流失。

表2 不同土地利用方式土壤不同組分有機(jī)碳分配比例

礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳屬于土壤中的“惰性庫”。唐光木等［8］對(duì)新疆綠洲農(nóng)田的研究表明，礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳占總有機(jī)碳70%以上。由表2可知，本研究區(qū)各土地利用方式 MOC／SOC表層小于下層，并且大部分在70%以上，下層甚至達(dá)到了80%以上。這一方面和土壤顆粒物比例有關(guān)，本區(qū)土壤粉砂粒和黏粒比例都在90%左右（表1）。另一方面和有機(jī)質(zhì)輸入量有關(guān)，林地和草地枯枝落葉多有機(jī)質(zhì)含量豐富。有研究表明土壤顆粒有機(jī)碳較易受人為活動(dòng)的影響，而礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳具有較高的穩(wěn)定性［24］。從表2中可以看出，除橘園地外不同土地利用方式大致表現(xiàn)為：MOC／SOC＞FPOC／SOC＞CPOC／SOC。因此，本區(qū)土壤有機(jī)碳以礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳為主，對(duì)巖溶區(qū)土壤有機(jī)碳具有較強(qiáng)的固持和保護(hù)作用。

3.6 不同土地利用方式土壤有機(jī)碳和顆粒有機(jī)碳的關(guān)系

由不同土地利用方式下土壤表層（0—20cm）和表下層（20—40cm）中的CPOC、FPOC與SOC的相關(guān)分析（表3）可知，土壤CPOC和SOC的關(guān)系，草地和橘園地呈極顯著正相關(guān)，林地呈顯著正相關(guān)，棄耕地和菜地呈不顯著正相關(guān)。林地、草地和棄耕地FPOC與SOC呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，但橘園地和菜地相關(guān)性不顯著。表明土地利用方式的改變不僅影響了有機(jī)碳，同時(shí)也引起了CPOC和FPOC的變化。菜地受人為的干擾強(qiáng)，耕作和施肥等人為因子影響較大，其土壤SOC和POC之間的相關(guān)性較差，除了菜地外土壤CPOC、FPOC與SOC總量的相關(guān)性均較好。不同的土地利用方式下CPOC、FPOC與SOC均呈正相關(guān)，這與劉夢云［19］對(duì)土壤有機(jī)碳和顆粒有機(jī)碳的相關(guān)分析結(jié)果基本一致。

表3 土壤顆粒有機(jī)碳與土壤有機(jī)碳相關(guān)性

上述分析表明，沒有受到人為干擾的草地和林地土壤POC與SOC相關(guān)性顯著，說明土壤POC是影響本研究區(qū)土壤SOC的重要影響因子。菜地、橘園地和棄耕地由于受到人為干擾，土壤SOC和POC表現(xiàn)為相關(guān)性較弱甚至不相關(guān)。說明在人為管理方式和施肥措施影響下，土壤POC對(duì)SOC的貢獻(xiàn)受到干擾。

4 結(jié)論

（1）土壤有機(jī)碳含量的平均值大小表現(xiàn)為：林地＞菜地＞草地＞橘園地＞棄耕地，不同利用方式下土壤植被覆蓋、人為耕作方式和施肥是影響土壤有機(jī)碳分布的重要因素。

（2）土壤CPOC含量表現(xiàn)為橘園地＞草地＞菜地＞林地＞棄耕地，各土地利用方式之間差異顯著。其中最高值出現(xiàn)在橘園地，最低值出現(xiàn)在棄耕地。土壤CPOC對(duì)人為耕作方式和施肥處理反應(yīng)敏感。土壤FPOC含量最高值出現(xiàn)在林地和草地的表層，表明碳源有機(jī)物的增加會(huì)明顯提高土壤FPOC。土壤MOC含量和土壤有機(jī)碳含量分布特征一致。

（3）不同土地利用方式土壤各組分有機(jī)碳分配比 例 POC／SOC 的 值 為 2.76% ～24.49%，MOC／SOC比值大部分在70%以上，下層甚至達(dá)到了80%以上。除橘園地土壤外不同土地利用方式表現(xiàn)為：MOC／SOC＞CPOC／SOC＞FPOC／SOC，因此，本區(qū)土壤有機(jī)碳以礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳為主，對(duì)巖溶區(qū)土壤有機(jī)碳具有較強(qiáng)的固持和保護(hù)作用。

（4）不同土地利用方式土壤粗、細(xì)顆粒有機(jī)碳和土壤有機(jī)碳呈正相關(guān)，相關(guān)性不一致，其中林地和草地呈極顯著相關(guān)，棄耕地呈顯著相關(guān)，菜地和橘園地相關(guān)性不顯著。表明人為干擾和耕作措施會(huì)影響POC對(duì)SOC的貢獻(xiàn)。

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