岷江流域不同土地利用方式下紫色土壤活性有機碳分布特征及其影響因子

蔣 溢, 李亦秋

(綿陽師范學(xué)院 資源環(huán)境工程學(xué)院, 四川 綿陽621000)

岷江流域不同土地利用方式下紫色土壤活性有機碳分布特征及其影響因子

蔣 溢, 李亦秋

(綿陽師范學(xué)院 資源環(huán)境工程學(xué)院, 四川 綿陽621000)

作為土壤質(zhì)量的重要指標，土壤活性有機碳(SLOC)在土壤許多物理、化學(xué)和生物特性中發(fā)揮著重要作用。通過對不同土地利用方式土壤進行采樣和分析，系統(tǒng)地研究和比較了四川省岷江流域不同土地利用方式(次生林、人工林、灌草叢和坡耕地)SLOC分布特征及其影響因子。結(jié)果表明：岷江流域不同土地利用方式土壤機械組成不盡一致，土壤總孔隙度與土壤容重變化趨勢相反。不同土地利用方式對土壤養(yǎng)分具有較大影響，土壤有機碳、全氮、全磷和全鉀均呈現(xiàn)出一致性規(guī)律，大致表現(xiàn)為次生林和灌草叢高于人工林和坡耕地，而不同土地利用方式土壤全磷差異并不顯著(p>0.05)。不同土地利用方式SLOC均呈現(xiàn)出一致性規(guī)律，大致表現(xiàn)為次生林和灌草叢高于人工林和坡耕地。不同土地利用方式SLOC垂直方向隨土層深度的增加表現(xiàn)出遞增趨勢，并且降低幅度逐漸減小，坡耕地、灌草叢、次生林和人工林SLOC從表層至底層逐漸遞減，呈“T”形分布，“表聚性”較為明顯。人工林、灌草叢和坡耕地在10—20 cm SLOC/SOC比例最高，而次生林0—10 cm SLOC/SOC比例最高，不同土地利用方式SLOC/SOC比例均在30—40 cm最低。相關(guān)性分析表明，不同土地利用方式SLOC與SOC和全氮均呈極顯著正相關(guān)性(p<0.01)，與土壤容重均呈負相關(guān)。表明SLOC受土壤養(yǎng)分和機械組成影響較大，其中SOC和全氮是不同土地利用方式SLOC變化的重要影響因素。SLOC與土壤有機碳之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(R2=0.9961)，說明SLOC能夠作為研究不同土地利用方式SOC動態(tài)變化的一個敏感性指標而提前反映土壤碳庫的動態(tài)變化，其含量在很大程度上依賴于所處生境下SOC含量。

岷江流域; 土地利用方式; 土壤養(yǎng)分; 土壤活性有機碳

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的有機碳庫存，大部分以有機態(tài)存在，大約1 395 Pg(1 Pg=1015g)，大部分以有機態(tài)存在，包括活性有機碳(SLOC)和非活性有機碳[1-2]。SLOC是在一定時空條件下，受植物和微生物等環(huán)境條件影響、在土壤中移動較快、穩(wěn)定性差、易分解和礦化，具有較高活性的那部分有機碳，主要來源于動植物及微生物殘體，是生物、土壤、氣候等環(huán)境因子綜合作用的產(chǎn)物，對土壤碳庫平衡、生物化學(xué)循環(huán)、肥力保持均具有重要指示意義[1,3]。四川岷江流域位于我國西南山地地區(qū)，該區(qū)域以紫紅壤為主，地貌類型復(fù)雜多變，是我國土地利用方式多樣化的重要區(qū)域[4-5]。土地利用是人類干預(yù)土壤肥力最重要、最直接的活動，通過改變土壤營養(yǎng)循環(huán)強度、總量及路徑，通過改變土壤的水熱條件等從而影響土壤養(yǎng)分的流動與轉(zhuǎn)化，進而導(dǎo)致土壤肥力變遷[6]。土地利用方式下，人為干擾導(dǎo)致土地利用結(jié)構(gòu)類型變化多樣，隨著人口增長和經(jīng)濟的發(fā)展，岷江流域中下游人口與土地矛盾越顯突出，土地墾殖系數(shù)居高不下[7]。合理的土地利用方式是恢復(fù)該區(qū)土壤肥力、改善土壤質(zhì)量、實現(xiàn)植被恢復(fù)和重建的重要途徑，然而這些措施必將對土壤有機碳的積累、循環(huán)和平衡產(chǎn)生重要影響，由于SLOC敏感性較強，能夠指示土壤的早期變化，進而也會影響到該區(qū)SLOC的分布特征及變化規(guī)律[8-9]。已有大量的學(xué)者對不同生態(tài)系統(tǒng)土壤有機碳、SLOC循環(huán)和平衡等問題進行了研究，而岷江流域此類研究的基礎(chǔ)資料十分缺乏[10-12]。因此，本文以岷江流域不同土地利用方式(次生林、人工林、灌草叢和坡耕地)為研究對象，旨在揭示岷江流域不同土地利用方式SLOC分布特征及影響因素，以期為預(yù)測和監(jiān)測該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和積累機制提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

岷江流域源于岷山南麓，主要支流有黑水河、雜谷腦河、大渡河、馬邊河，屬長江支流水量最大的流域，干流全長735 km，落差3 560 m，流域面積13.3萬km2，以都江堰市以上為上游，都江堰市至樂山市大渡河匯入處為中游，樂山至宜賓長江匯合處為下游段。其上游河段屬峽谷型河流，地形復(fù)雜，嶺谷相間，兩岸耕地、人口分布少；中游和下游經(jīng)丘陵平原區(qū)，地勢平坦，兩岸耕地、人口分布較多，交通便利工農(nóng)業(yè)發(fā)達，為本研究區(qū)域。

岷江流域大部分屬亞熱帶氣候，上游受山地的影響，具有溫帶—亞寒熱帶氣候特點，干流沿江氣溫自上游至下游逐漸升高，年平均氣溫5～9℃，至都江堰市盆地邊緣，年平均氣溫為15℃左右，上游山區(qū)氣溫日較差大，都江堰市以下至宜賓的平原丘陵地區(qū)，氣溫已無明顯差別，年平均氣溫為17℃左右，最低氣溫為-4℃左右，最高氣溫為38℃左右。該區(qū)雨季節(jié)變化明顯，汛期暴雨頻發(fā)，尤其集中在6—9月，夏秋兩季雨量可占全年的80%以上，沿干流上游河谷松潘縣至汶川段多年平均年降水量400～700 mm，自汶川縣映秀灣以下至都江堰市是岷江干流的降雨中心，多年平均年降水量達1 100～1 600 mm，岷江中、下游多年平均年降水量900～1 300 mm，自然資源豐和水能資源十分豐富，紫色土在流域內(nèi)分布于四川盆地段，是重要的耕地資源[4-5]。

1.2 試驗設(shè)計

根據(jù)岷江中游流域特點，具有代表性的選取坡耕地、次生林、人工林、灌草叢4種土地類型布設(shè)4個水平投影面積100 m×100 m的小區(qū)。坡耕地：流域內(nèi)傳統(tǒng)的種植方式，種植有豌豆、蔬菜、煙草等，伴生有紫莖澤蘭群落，覆蓋度<10%。人工林：近年來進行流域綜合治理，在政策導(dǎo)向下農(nóng)戶將大部分坡耕地進行退耕還林，主要種植馬尾松林，林間伴生有灌木、草本以及苔蘚等，覆蓋度50%～80%。次生林：封育多年后形成的以大戟科、樟科、殼斗科和茜草科等植物為主的森林群落，覆蓋度>80%。灌草叢：主要為熱性灌草叢，與人工林相鄰，以灌木(杜鵑)占優(yōu)勢，草本植物有馬蘭、三色堇、旱金蓮等，覆蓋度20%～40%；4種土地類型均為紅紫壤土。

于2014年和2015年的9月中旬，對4種不同土地利用方式取樣，每種土地利用方式設(shè)置5個重復(fù)樣地(樣地面積為100 m×100 m)，每個樣地相距100 m，隨機設(shè)置5個采樣點，每個采樣點間距在10 m以上，每個采樣點重復(fù)取5次作為平行，5個平行之間間隔2 m，為了保證取樣的一致性，所取樣的土壤坡度均小于5°。土壤樣品的采集：用土鉆取0—10，10—20，20—30，30—40 cm土層樣品(除去表層的枯落物層)，每個采樣點按“S”型取5個樣品混合后四分法取樣品(合計：n=400)。

1.3 土壤樣品測定

土壤顆粒分析采用激光粒度儀測定(GSL-101 BL 型，遼寧儀器儀表有限公司)；土壤有機碳(SOC)采用重鉻酸鉀氧化外加熱法進行測定；土壤全氮(TN)采用開氏消煮法測定；全磷(TP)采用NaOH堿溶—鉬銻抗比色法；全鉀(TK)采用乙酸銨浸提—火焰光度計法。

土壤經(jīng)自然風(fēng)干后，去除植物根系等雜物過2 mm篩，分別測定土壤活性有機碳(SLOC)和有機碳(SOC)含量。

土壤活性有機碳(g/kg)測定方法：稱取約含15 mg 碳的土壤樣品于100 ml 的離心管中；加入25 ml高錳酸鉀，振蕩1 h后，4 000 rpm下離心5 min，將上清液用去離子水以1∶250的比例稀釋，用分光光度計在565 nm下測定稀釋樣品的吸光率，用不加土壤的空白與土壤樣品的吸光率之差計算高錳酸鉀濃度的變化，由此計算出氧化的碳量。

不同土地利用方式SLOC的計算[10-11]：

式中：SLOC為整個剖面SOC的加權(quán)平均值；SOCi為第i層有機碳含量(g/kg)；hi為各土層的厚度(cm)。

1.4 統(tǒng)計分析

利用Excel2003和SPSS18.00軟件對數(shù)據(jù)進行分析，單因素方差進行分析(One-wayANOVA)，采用鄧肯新復(fù)檢驗法對不同土地利用方式下各個指標差異進行統(tǒng)計。所有數(shù)據(jù)測定結(jié)果以2014年、2015年平均值±標準誤的形式表達，通過相關(guān)分析系數(shù)描述土壤養(yǎng)分與土壤有機碳組分的相關(guān)程度，并在p<0.05和p<0.01水平檢驗相關(guān)系數(shù)的顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用方式土壤粒徑組成

表1反映了不同土地利用方式下的土壤機械組成，其中1～0.05mm土壤所占比例范圍為13.45%～22.71%，基本表現(xiàn)為：坡耕地>灌草叢>次生林>人工林，0.05～0.002mm土壤所占比例范圍為53.12%～61.08%，基本表現(xiàn)為：人工林>灌草叢>次生林>坡耕地，<0.002mm土壤所占比例范圍為19.16%～27.01%，基本表現(xiàn)為：次生林>人工林>坡耕地>灌草叢；土壤容重變化范圍為0.76～1.36g/cm3，基本表現(xiàn)為：人工林>灌草叢>次生林>坡耕地，人工林、灌草叢、次生林差異不顯著(p>0.05)，顯著高于坡耕地(p<0.05)；土壤總孔隙度與土壤容重變化趨勢相反，基本表現(xiàn)為：坡耕地>人工林>灌草叢>次生林，坡耕地和人工林差異不顯著(p>0.05)，灌草叢和次生林差異不顯著(p>0.05)。

表1 不同土地利用方式土壤粒徑組成

注：不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)，下同。

2.2 不同土地利用方式土壤養(yǎng)分含量特征

由圖1可知，在坡耕地、灌草叢、次生林和人工林4種不同土地利用方式下，土壤有機碳、全氮、全磷和全鉀均呈現(xiàn)出一致性規(guī)律，大致表現(xiàn)為次生林和灌草叢高于人工林和坡耕地；其中人工林和坡耕地土壤有機碳差異不顯著(p>0.05)，顯著低于次生林和灌草叢(p<0.05)，次生林土壤有機碳最高(p<0.05)；次生林和灌草叢土壤全氮差異不顯著(p>0.05)，顯著高于坡耕地；4種不同土地利用方式土壤全磷差異均不顯著(p>0.05)；人工林和坡耕地土壤全鉀差異不顯著(p>0.05)，顯著低于次生林和灌草叢(p<0.05)，次生林土壤全鉀最高(p<0.05)。

2.3 不同土地利用方式土壤活性有機碳(SLOC)分布特征

由圖2可知，不同土地利用方式下SLOC各不一致，其變化范圍為1.25～3.52 g/kg，大致表現(xiàn)為次生林和灌草叢高于人工林和坡耕地；其中人工林和坡耕地SLOC差異不顯著(p>0.05)，顯著低于次生林和灌草叢(p<0.05)，次生林土壤有機碳最高(p<0.05)。

從圖3可以看出，不同土地利用方式SLOC垂直方向隨土層深度的增加表現(xiàn)出遞增趨勢，并且降低幅度逐漸減小，坡耕地、灌草叢、次生林和人工林SLOC從表層至底層逐漸遞減，呈“T”形分布，“表聚性”較為明顯。

注：相同小寫字母表示在0.05水平上差異不顯著，下同。

圖1不同土地利用方式土壤養(yǎng)分含量

圖2不同土地利用方式土壤活性有機碳分布特征

圖3不同土地利用方式土壤活性有機碳垂直分布

2.4 不同土地利用方式土壤活性有機碳所占有機碳比例

線性回歸(圖4)的結(jié)果表明：SLOC與土壤有機碳之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(R2=0.9961)，回歸方程為y=0.2118x-0.0759，說明不同土地利用方式下SLOC在很大程度上依賴于所處生境下土壤有機碳含量。

不同土地利用方式SOC與SLOC在土壤垂直方向變化規(guī)律相一致，均隨土層深度的增加而降低。表2反映了不同土層SLOC所占SOC比例，由表2可知，不同土層深度SLOC/SOC降低的百分比例不同。從不同土層SLOC/SOC比例來看，人工林、灌草叢和坡耕地在10—20 cm SLOC/SOC比例最高，而次生林0—10 cm SLOC/SOC比例最高，不同土地利用方式SLOC/SOC比例均在30—40 cm最低。

圖4土壤活性有機碳與土壤有機碳含量的相關(guān)性

2.5 不同土地利用方式土壤活性有機碳與土壤養(yǎng)分的相關(guān)關(guān)系

不同土地利用方式土壤活性有機碳組分與土壤養(yǎng)分間存在不同的相關(guān)關(guān)系，表3的結(jié)果表明：在不同土地利用方式中，土壤SLOC均與SOC和TN均呈極顯著正相關(guān)性(p<0.01)，與TP相關(guān)性不顯著(p>0.05)；與土壤BD均呈負相關(guān)；次生林和人工林SLOC與TK呈極顯著正相關(guān)性(p<0.01)，灌草叢和坡耕地SLOC與TK呈顯著正相關(guān)性(p<0.05)；綜合來看，不同土地利用方式SLOC與1～0.05 mm粒徑?jīng)]有顯著相關(guān)性(p>0.05)，次生林SLOC與0.05～0.002 mm粒徑呈顯著正相關(guān)性(p<0.05)，次生林和灌草叢SLOC與<0.002 mm粒徑呈顯著正相關(guān)性(p<0.05)。表明活性有機碳受土壤養(yǎng)分和機械組成影響較大，其中SOC和TN是不同土地利用方式土壤活性有機碳變化的重要影響因素。

表2 不同土地利用方式土壤活性有機碳所占有機碳比例

表3 不同土地利用方式土壤活性有機碳與土壤養(yǎng)分的相關(guān)分析(n=400)

注：*，**分別表示在0.05，0.01水平上差異顯著。

3 討論與結(jié)論

3.1 不同土地利用方式下土壤養(yǎng)分分布特征

本研究結(jié)果顯示岷江流域不同土地利用方式土壤機械組成不盡一致，土壤總孔隙度與土壤容重變化趨勢相反，不同土地利用方式對土壤養(yǎng)分及理化性質(zhì)具有較大影響，土壤有機碳、全氮、全磷和全鉀均呈現(xiàn)出一致性規(guī)律，大致表現(xiàn)為林地>草地>耕地>未利用地。已有研究表明，不同土地利用方式會導(dǎo)致土壤養(yǎng)分的不同，而不同土地利用方式土壤全磷差異并不顯著，主要是由于磷素作為一種沉積性元素，其分解作用緩慢，因此其變化范圍和空間變異性較低[13-14]。不同土地利用方式改變了土壤的理化性質(zhì)及有機碳組分和性質(zhì)，特別是水分條件的改善，次生林和灌草叢基本沒有開墾，生物量以及輸入土壤的有機物數(shù)量較多，表現(xiàn)出土壤養(yǎng)分含量高于人工林和坡耕地，再加上歸還土壤的動植物殘體和腐殖化物質(zhì)，不同組分有機碳增加迅速，進而改變了土壤理化性狀和有機碳組分[15-16]。因此，要提高岷江流域土壤肥力，則應(yīng)該從提高土壤有機質(zhì)含量、合理控制土地利用方式開始。

3.2 不同土地利用方式SLOC分布特征

SLOC是土壤微生物生長的速效基質(zhì)，其含量高低直接影響土壤微生物的活性和土壤養(yǎng)分流的調(diào)節(jié)[17-18]。土地利用方式一方面會導(dǎo)致進入土壤中植物殘體的數(shù)量和性質(zhì)發(fā)生改變，另一方面會引起土壤水分管理、耕作方式等管理措施的差異，由此影響和改變SLOC的分布特征[11]。本研究中，不同土地利用方式對SLOC有明顯的影響，主要與植物根系分布、產(chǎn)生凋落物數(shù)量和質(zhì)量及其與SLOC的相關(guān)程度有關(guān)；一方面使土壤有機質(zhì)數(shù)量發(fā)生變化而影響土壤活性有機碳和有機碳含量，另一方面也使土壤有機質(zhì)的穩(wěn)定性和質(zhì)量發(fā)生變化而使土壤活性有機碳與非活性有機碳發(fā)生轉(zhuǎn)變。次生林和灌草叢根系分布比坡耕地深，土壤表層形成的殘體或分泌物多，SLOC形成量較多，當次生林變成人工林或者坡耕地以后，SLOC很快被分解完，而在耕地中只是在土壤表層補充了部分SLOC，因此不同土地利用方式SLOC均顯著高于坡耕地(p<0.05)。

3.3 不同土地利用方式下SLOC垂直分布

不同土地利用方式SLOC垂直方向上隨土層的增加而逐漸降低，呈“T”形分布(圖3)，主要集中于0—10 cm土層。有研究表明，植被根系沿剖面分布總體上隨著土層深度的增加，根系數(shù)量急劇降低，通常表現(xiàn)為“T”形趨勢下的鋸齒狀分布。本研究結(jié)果顯示不同土地利用方式SLOC垂直方向也呈現(xiàn)出“T”形分布的特點，初步表明SLOC垂直分布更大程度上依賴于地下生物量的垂直分布。土壤養(yǎng)分儲存于表層，植物為了滿足生長，在表層發(fā)展根系以獲取更多資源，使得SLOC出現(xiàn)明顯的“表聚性”，而隨土層深度的增加，土壤養(yǎng)分、溫度、含水量、通氣條件逐漸惡劣，根系生長受到限制，SLOC迅速遞減，因而不同土地利用方式SLOC垂直分布形成了這種“T”形特征。在30—40 cm土層，不同土地利用方式SLOC基本相等或者一致，表層土壤中易氧化的活性碳組分暴露，降低了土壤易氧化碳的穩(wěn)定性，加速了其被氧化的進程，而深層土壤有機碳平均駐留時間長，礦化速率低和高穩(wěn)定性，所以土地利用變化對深層SLOC的響應(yīng)遲緩，這與前人的研究結(jié)果一致[11,15]。

3.4 不同土地利用方式SLOC與各影響因子關(guān)系

不同土地利用方式SLOC分布特征與環(huán)境因子密不可分，當前大部分研究僅限于單一驅(qū)動因子對SLOC的影響，實際上卻是環(huán)境等眾多因子交互作用的結(jié)果[19]。不同土地利用方式各因子變化十分明顯，在很大程度上決定著SLOC的分布特征和變化規(guī)律。相關(guān)性分析表明(表3)，不同土地利用方式SLOC與SOC和TN均呈極顯著正相關(guān)性(p<0.01)，可能是因為土壤有機質(zhì)中氮的含量會影響到微生物對其分解和利用速度，含氮量高的有機質(zhì)易被微生物分解，遷移、轉(zhuǎn)化速度快，從而對土壤有機碳的含量產(chǎn)生一定影響；與TP相關(guān)性不顯著(p>0.05)；與土壤容重均呈負相關(guān)；次生林和人工林SLOC與TK呈極顯著正相關(guān)性(p<0.01)，灌草叢和坡耕地SLOC與TK呈顯著正相關(guān)性(p<0.05)。表明活性有機碳受土壤養(yǎng)分和機械組成影響較大，其中SOC和TN是不同土地利用方式土壤活性有機碳變化的重要影響因素。SLOC占SOC比例很小，但在土壤全碳變化之前可以反映土壤屬性的微小變化，又可直接或者間接地參與生物地球化學(xué)循環(huán)。本研究中SLOC與SOC之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(R2=0.9961)，說明SLOC能夠作為研究不同土地利用方式SOC動態(tài)變化的一個敏感性指標而提前反映土壤碳庫的動態(tài)變化，其含量在很大程度上依賴于所處生境下SOC含量，這與前人提出SLOC可以表征土壤物質(zhì)循環(huán)特征的研究結(jié)果一致[11,15,20]，為岷江流域碳庫的預(yù)測和評價及該生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)機制提供了理論科學(xué)依據(jù)。

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LabileOrganicCarbonofDifferentLandUsePatternsinMinjiangRiverBasin,SichuanProvince

JIANG Yi, LI Yiqiu

(SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering,MianyangNormalUniversity,Mianyang,Sichuan621000,China)

The Minjiang River Basin has great position for its ecology and geography. As an essential indicator of soil quality, soil labile organic carbon (SLOC) and its fractions play an important role in many soil chemical, physical and biological properties. A field experiment was conducted to determine the variation and influencing factors of SLOC under different land use patterns in the Minjiang River Basin. The results are as follows. The soil mechanical composition under different land use patterns was different, and the change trend of soil total porosity was contrary with the soil bulk density. The soil organic carbon, total nitrogen, total phosphorus and total potassium had the same change trends, which showed secondary forest and scrub-grassland higher than that of artificial forest and slope cropland, while the soil total phosphorus had no significant difference under different land use patterns (p>0.05). SLOC under different land use patterns ordered secondary forest and scrub-grassland higher than that of artificial forest and slope cropland. SLOC declined with decreasing soil depth and showed a decline along the vertical soil profile with a ‘T’ shape distribution with the obvious ‘surface accumulation’. The highest ratio of SLOC/SOC of scrub-grassland, artificial forest and slope cropland was in 10—20 cm, while secondary forest was in 0—10 cm, and the lowest ratio of SLOC/SOC under different land use patterns was in 30—40 cm. Correlation analysis showed that SLOC had a significant difference with SOC, TN (p<0.01), which indicated that SLOC was mainly depended on the organic carbon content to a large extent. In addition, the content of SOC was the important influencing factors under different land use patterns in the Minjiang River Valley. SLOC and the soil organic carbon presented extremely significant correlation (R2=0.996), which could be a better parameter to reflect the status of soil organic carbon pool in the Minjiang River Valley than soil total organic carbon content.

Minjiang River Valleg; land use patterns; soil nutrients; soil labile organic carbon

2016-10-07

：2016-10-17

國家自然科學(xué)基金(41361091,41371486);生態(tài)安全與保護四川省重點實驗室基金(ESP201304,QD2014A001)

蔣溢(1975—),女,四川三臺人,講師,碩士,研究方向:土壤與地理資源和區(qū)域發(fā)展。E-mail:Jiang_yisoil@163.com

李亦秋(1973—),女,四川達縣人,博士,副教授，主要研究方向:測繪與3S技術(shù)應(yīng)用、生態(tài)遙感、自然資源開發(fā)與利用。E-mail:yqiu.li@163.com

S718.5

：A

：1005-3409(2017)05-0033-06