紫色土丘陵坡地土壤水溶性有機(jī)碳對(duì)植被恢復(fù)的響應(yīng)及其與土壤因子的關(guān)系

楊滿元， 楊 寧， 歐陽美娟， 萬 麗， 劉 浩， 姜 琳， 吳 磊

(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)

土壤有機(jī)碳(Soil organic carbon,SOC)是土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)重要指標(biāo)[1-2]，但利用SOC來評(píng)價(jià)植被恢復(fù)對(duì)土壤碳動(dòng)態(tài)影響是非常困難的[3-4]。因此，需要敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)研究土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)。土壤水溶性有機(jī)碳(Dissolved organic carbon,DOC)屬土壤活性有機(jī)碳的一部分，是SOC中受植物、微生物影響強(qiáng)烈，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、微生物來說活性較高的那部分土壤碳素，在陸地生態(tài)碳物質(zhì)循環(huán)中起重要作用[5-6]，其通量比全球植物和大氣間碳交換量小1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，生物圈碳平衡很小的變化，會(huì)導(dǎo)致DOC巨大變化，DOC濃度和通量是土壤環(huán)境變化的敏感指標(biāo)，可用來反映環(huán)境條件變化。然而，植被恢復(fù)對(duì)它的影響研究卻非常少，近年來，特定波長(zhǎng)紫外光吸收值和紫外光吸收值/可見光吸收值常用來反映DOC組成、團(tuán)聚化程度和分子量的大小[7-8]。280 nm波長(zhǎng)紫外吸收值(E280)與E465/E665、E250/E365(下標(biāo)465，665，250，365等均為紫外線波長(zhǎng))和單位濃度紫外光密度值(E/SOC)可用來指示天然有機(jī)物的來源和結(jié)構(gòu)[9-10]。

湖南省衡陽紫色土丘陵坡地面積1.625×105hm2，是中國(guó)南方獨(dú)有土地類型，這類土地以其土壤特別的色澤成為中國(guó)特有的土地資源。紫色土丘陵坡地生態(tài)問題和本身生產(chǎn)性問題特別突出，紫色土丘陵坡地生態(tài)環(huán)境脆弱，氣候干旱，水土流失嚴(yán)重；紫色土耐旱性差，土壤養(yǎng)分含量不協(xié)調(diào)，紫色土本身不耐侵蝕。在植被遭到破壞后，紫色土丘陵坡地表土很快流失，土地大量荒蕪，恢復(fù)林草植被十分困難，農(nóng)林牧生產(chǎn)受到很大制約[1]。近年來通過“坡地還林還草”、“坡地整治”、“生態(tài)扶貧”等以植被恢復(fù)為主的宏觀生態(tài)工程的實(shí)施，紫色土丘陵坡地治理及退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)重建已初見成效。為了改善該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境，許多學(xué)者對(duì)該區(qū)域土壤理化性質(zhì)、土壤種子庫以及植被恢復(fù)模式等方面開展了大量研究，并已取得了一定的研究成果[11-13]，但植被恢復(fù)對(duì)該區(qū)域紫色土丘陵坡地DOC的影響尚未闡明。本研究采用“空間序列代替時(shí)間序列”方法[14-16]，測(cè)定衡陽市紫色土丘陵坡地不同恢復(fù)階段的DOC含量，E280值，E250/E365和E240/SOC比率，研究植被恢復(fù)對(duì)DOC影響，揭示恢復(fù)過程DOC變化規(guī)律，為運(yùn)用生態(tài)學(xué)原理指導(dǎo)該區(qū)域生態(tài)恢復(fù)建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湖南省中南部，處于湘江中游，地理坐標(biāo)為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。區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤(rùn)氣候，年均氣溫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(duì)濕度80%，全年無霜期286 d左右。

1.2 研究方法

2017年8月下旬，選擇坡度、坡向、坡位和裸巖率等生態(tài)因子基本一致的坡中下部沿等高線有代表性的、按照植被恢復(fù)從低到高的順序的樣地分別為：草本(Grassplot,GT)(狗尾草Setariaviridi)階段，灌草(Frutex and grassplot,FG)(紫薇Lagerstroemiaindica-狗尾草)階段；灌叢(Frutex,FX)(牡荊Vitexnegundovar.cannabifolia+剌槐Robiniapseudoacacia)階段；喬灌(Arbor and frutex,AF)(楓香Liquidamdarformosana+苦楝Meliaazedarach-牡荊)階段，且每個(gè)樣地的面積大于1 hm2，群落演替的初始條件均為撂荒地(表1)。

表1 樣地概況Table 1 The basic condition of sampling sites

在每個(gè)大于1 hm2的樣地內(nèi)設(shè)置3塊400 m2(20 m×20 m)樣方，在每個(gè)樣方內(nèi)按S型采取15個(gè)土樣(0～40 cm)混合為一個(gè)混合樣，去掉土壤中可見植物根系和殘?bào)w，過3 mm篩，測(cè)土壤容重(Soil bulk density,BD)后，再分成2份，1份新鮮土壤自然風(fēng)干供SOC、全氮(Total N,TN)、堿解氮(Available N,AN)、全磷(Total P,TP)、速效磷(Available P,AP)、速效鉀(Available K,AK)、pH值等土壤因子的測(cè)定，其測(cè)定方法參照文獻(xiàn)[17-19]；另1份新鮮土壤放入冰箱4 ℃保存，并在1周內(nèi)完成DOC、土壤微生物生物量碳(Soil microbial biomass carbon,SMBC)測(cè)定。

DOC測(cè)定：稱取20 g(干重)土樣放入三角瓶中，加入60 mL蒸餾水，常溫下震蕩30 min，用轉(zhuǎn)速3000 r·min-1離心機(jī)離心10 min，上清液過0.45m濾膜，用島津TOC-VCPH儀測(cè)定浸提液碳濃度，得DOC[4]。為避免濃度差異對(duì)特定波長(zhǎng)吸光值影響，先將所有樣品DOC濃度稀釋到10 mg·L-1[20]，再用用島津UV-2550測(cè)定240，250，280，365 nm處吸收值，并計(jì)算E250/E365和E240/SOC比率。

SMBC采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法測(cè)定[21]，熏蒸和未熏蒸的樣品分別用0.5 mol·L-1的K2SO4浸提30 min，用島津TOC-VCPH儀測(cè)定浸提液碳濃度，SMBC用熏蒸和未熏蒸樣品浸提液測(cè)定SOC差值(Ec)獲得，即SMBC=Ec/0.38。

土壤輕組有機(jī)碳(Light fraction of organic carbon,LFOC)用密度分組法得到：取100 g干土，放入密度為1.70 g·cm-3的NaI溶液，用手搖動(dòng)震蕩5 min，室溫下放置1 h[22]，虹吸法取上清液，過濾，重復(fù)3次，用0.01 mol·L-1的CaCl2溶液100 mL洗滌，再用200 mL蒸餾水洗，得LFOC。剩余土繼續(xù)加入NaI溶液，用超聲波400 J·mL-1震蕩3 min，在轉(zhuǎn)速3 000 r·min-1離心機(jī)上離心10 min，虹吸法取上清液，過濾，重復(fù)3次，用0.01 mol·L-1的CaCl2溶液100 mL洗滌，再用200 mL蒸餾水反復(fù)沖洗，溶液中剩余部分為重組有機(jī)碳(Heavy fraction of organic carbon,HFOC)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS13.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)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)分析不同因子間的相關(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 不同恢復(fù)階段土壤因子的變化

由表2可知，隨著植被恢復(fù)進(jìn)行，BD、HFOC顯著降低(P<0.05)；SOC、TN、SMBC顯著增加(P<0.05)；TP含量大小順序?yàn)椴荼倦A段>灌草階段(=喬灌階段)>灌叢階段(P<0.05)；灌叢與喬灌階段的AN含量顯著高于草本與灌草階段含量(P<0.05)；AP的含量大小順序?yàn)閱坦嚯A段>灌叢階段>草本階段>灌草階段(P<0.05)。

由于受SOC、TN和AN增加的影響，pH值隨恢復(fù)而逐漸減小(P>0.05)；紫色土含豐富的正長(zhǎng)石等礦物，風(fēng)化后保留了相當(dāng)數(shù)量的K，因此紫色土中K含量相對(duì)較高，AK變化范圍在257.12～268.31 mg·kg-1，差異不大。

表2 不同恢復(fù)階段0～40 cm的土壤因子Table 2 Soil factors in 0～40 cm soil depth at different re-vegetation stages

注:同行不同字母表示不同恢復(fù)階段間差異顯著(P<0.05)

Note:Different letters in the same row indicate significant difference among different re-vegetation stages at the 0.05 level

2.2 不同恢復(fù)階段DOC含量與特定波長(zhǎng)吸收值變化

由表3可見，隨著恢復(fù)的進(jìn)行，DOC含量與E250/E365比率均顯著增加(P<0.05)，草本、灌草和灌叢階段DOC含量、E250/E365比率分別為喬灌階段DOC含量、E250/E365比率的27.04%，36.84%，53.26%和38.83%，59.50%，68.27%；4個(gè)恢復(fù)階段E280值與E240/SOC比率的變化規(guī)律與DOC含量、E250/E365比率的變化規(guī)律基本相反，4個(gè)恢復(fù)階段的大小順序?yàn)椴荼倦A段>灌草階段>灌叢階段>喬灌階段(P<0.05)，草本階段階段的E280值與E240/SOC比率分別為灌草、灌叢和喬灌階段的1.41，1.46，2.05倍和1.20，1.50，2.00倍。

表3 不同恢復(fù)階段土壤水溶性有機(jī)碳含量和E280,E250/E365和E240/SOC的值Table 3 The concentrations of DOC,E280value,ratios of E250/E365 and E240/SOC at different re-vegetation stages

注:同列不同字母表示不同恢復(fù)階段間差異顯著(P<0.05)

Note:Different letters in the same column indicate significant difference among different re-vegetation stages at the 0.05 level

2.3 DOC與土壤因子的相關(guān)性分析

研究表明(表4)，除TP、AK與pH值外，DOC、BD、SOC、TN、AN、AP、SMBC、LFOC、HFOC間關(guān)系密切。其中DOC、SOC、TN、AN、AP、SMBC、LFOC間正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r處于0.480*～0.932**之間(*P<0.05或**P<0.01)；BD、HFOC分別與DOC、SOC、TN、AN、AP、SMBC、LFOC負(fù)相關(guān)，r分別處于—0.888**～—0.489*與—0.812**～0.668**之間(*P<0.05或**P<0.01)。

表4 不同土壤因子的相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis among different soil factors

注:**表示P<0.01,*表示P<0.05

Note:**indicates significant difference at the 0.01 level,*indicates significant difference at the 0.05 level

3 討論

衡陽紫色土丘陵坡地在恢復(fù)過程中，植物生長(zhǎng)增加植被覆蓋度，減少徑流、泥沙和養(yǎng)分流失，而植物根系分泌物和凋落物增加了SOC輸入，從而導(dǎo)致DOC顯著增加(表3，表4)[23]；研究表明[7]，DOC團(tuán)化程度或分子量與E280值、E240/SOC比率正相關(guān)，與E250/E365比率負(fù)相關(guān)，DOC團(tuán)化程度或分子量越大，說明它含有越多的芳香族化合物，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，DOC可利用性越低，因此，隨植被恢復(fù)進(jìn)行，DOC可利用性呈增加趨勢(shì)。

DOC與BD負(fù)相關(guān)(P<0.01)(表4)，BD越大，土壤生物學(xué)性質(zhì)越低，其固持的土壤有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)時(shí)間越長(zhǎng)，不容易被利用[24]，與Christensen[25]研究結(jié)果基本一致；DOC與TN、AN、AP正相關(guān)(P<0.05或P<0.01)(表4)，與馬昕昕等[26]研究結(jié)果基本一致；DOC與其它土壤因子相關(guān)性存在的基礎(chǔ)是各指標(biāo)含量具有一定變化幅度，各恢復(fù)階段土壤pH值與AK變化幅度分別為0.97與11.19 mg·kg-1，差異不大(表2)，所以DOC與土壤pH值、AK的相關(guān)性不明顯(表4)；DOC與生物有效性較低的TP不相關(guān)(表4)，而與生物有效性較高的土壤因子有關(guān)，說明DOC大小可反映土壤中潛在活性養(yǎng)分含量、周轉(zhuǎn)速率以及土壤養(yǎng)分循環(huán)和供應(yīng)狀況，因此，DOC與土壤肥力關(guān)系密切，可作為評(píng)價(jià)土壤肥力性狀的生物學(xué)指標(biāo)。

DOC與SOC相關(guān)系數(shù)r為0.813**(P<0.01)，與LFOC更強(qiáng)，r高達(dá)0.912**(P<0.01)，與HFOC明顯負(fù)相關(guān)，r為—0.765**(P<0.01)(表4)，DOC實(shí)質(zhì)是天然有機(jī)碳中分子量較小且親水性較強(qiáng)的組分，因此，DOC差異取決于SOC特別是腐殖質(zhì)含量的高低，而LFOC是介于植物殘?bào)w和腐殖質(zhì)之間的有機(jī)質(zhì)，代表了快速周轉(zhuǎn)碳庫，是DOC主要儲(chǔ)存庫，HFOC是土壤的隋性碳庫，因此，DOC主要由土壤中現(xiàn)存的有機(jī)質(zhì)數(shù)量和質(zhì)量決定[20，27]；DOC與SMBC的r高達(dá)0.932**(P<0.01)(表4)，所以認(rèn)為土壤微生物的代謝產(chǎn)物對(duì)DOC有很大貢獻(xiàn)[28-29]。本研究表明，DOC、LFOC、SMBC等均與SOC正相關(guān)(P<0.01)(表4)，說明決定生物活性有機(jī)碳庫大小的因素可能是SOC含量。

4 結(jié)論

隨植被恢復(fù)進(jìn)行，DOC數(shù)量顯著增加，質(zhì)量明顯提高。植被恢復(fù)可通過根系分泌物和殘?bào)w向土壤提供碳源，影響土壤物質(zhì)循環(huán)，增加土壤養(yǎng)分含量，改善土壤性質(zhì)，進(jìn)而影響DOC變化動(dòng)態(tài)；DOC與SOC、TN、AN、AP、SMBC、LFOC正相關(guān)(P<0.01或P<0.01)，與BD、HFOC負(fù)相關(guān)(P<0.01)，與TP、AK、pH值相關(guān)性不明顯；DOC含量大小可反映土壤中潛在的活性養(yǎng)分含量、周轉(zhuǎn)速率以及土壤養(yǎng)分循環(huán)和供應(yīng)狀況，DOC與土壤肥力關(guān)系密切，可作為評(píng)價(jià)土壤肥力性狀的生物學(xué)指標(biāo)。