黃土高原4種典型植被對土壤活性有機(jī)碳及土壤碳庫的影響

閆麗娟,李 廣,吳江琪,馬維偉,王海燕

1 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,蘭州 730070 2 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,蘭州 730070

土壤有機(jī)碳(SOC,Soil Organic Carbon)是評價(jià)土壤質(zhì)量狀況不可或缺的重要指標(biāo)[1],與土壤的物質(zhì)循環(huán)和能量流動過程密切相關(guān),特別是森林土壤有機(jī)碳庫貯量的細(xì)微變化,均可引起大氣CO2濃度的顯著改變[2]。但土壤有機(jī)碳總量的變化非常緩慢,很難在短期內(nèi)觀測到它的細(xì)微變化,尤其在森林土壤中更加難以觀測[3]。而土壤活性有機(jī)碳組分對土地利用方式和群落生境變化的響應(yīng)則更為敏感,更有助于揭示土壤有機(jī)碳的動態(tài)變化[4- 5]。土壤活性有機(jī)碳占土壤總有機(jī)碳的比例雖然較低,但能反映出土壤管理措施和環(huán)境變化所引起的土壤碳庫的微小變化[6]。土壤活性有機(jī)碳容易受到植物、微生物的影響強(qiáng)烈,具有一定的溶解性,在土壤中移動快、穩(wěn)定性差、容易氧化和礦化[7],通常用微生物生物量碳(MBC,Microbial Biomass Carbon)、易氧化有機(jī)碳(EOC,Easily Oxidated Carbon)、顆粒有機(jī)碳(POC,Particle Organic Carbon)等指標(biāo)來進(jìn)行表征。同時(shí)土壤活性有機(jī)碳能夠直接參與土壤生物化學(xué)轉(zhuǎn)化過程,在土壤養(yǎng)分循環(huán)中起到了重要的作用,是土壤養(yǎng)分的儲存庫。有研究表明,植被恢復(fù)顯著影響了黃土高原土壤微生物量碳的變化,植被凋落物的輸入增加了土壤有機(jī)碳含量。植被恢復(fù)除了能夠保持水土、減少土壤侵蝕外,還可以改善提高土壤的質(zhì)量[8]。目前,關(guān)于土壤活性有機(jī)碳組分的研究多集中在不同土地利用方式[9]、耕作措施[10- 11]、施肥措施[12]等方面,而在植被類型對土壤活性有機(jī)碳組分和碳庫管理指數(shù)的研究鮮有報(bào)道。因此本文以黃土高原丘陵溝壑區(qū)文冠果林地、荒草地、沙棘林地、檸條灌叢4種不同植被類型0—40 cm層土壤為研究對象,探討植被類型對土壤MBC、EOC、POC、SOC含量的分布特征,以期從有機(jī)碳的活性和穩(wěn)定性的角度揭示黃土高原區(qū)4種植被類型對土壤活性有機(jī)碳及土壤碳庫的影響,為黃土高原地區(qū)植被恢復(fù)措施的生態(tài)效益評價(jià)和土壤碳庫提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

定西市安定區(qū)(介于103°52′—105°13′E、34°26′—35°35′N之間)是古代“絲綢之路”上的重鎮(zhèn),又是新歐亞大陸橋的必經(jīng)之地,也是蘭州市的東大門,素有“甘肅咽喉、蘭州門戶”之稱。李家堡鄉(xiāng)位于安定區(qū)東南部,平均海拔1947 m,屬于大陸性氣候,是典型的溫帶干旱、半干旱地區(qū),年均太陽輻射141.6×1.48 kJ/cm2,日照時(shí)間達(dá)2476.6 h,≥10℃的積溫為2239.1℃,被中國特產(chǎn)之鄉(xiāng)組委會審定命名為“中國馬鈴薯之鄉(xiāng)”。多年平均降雨量390.99 mm,主要集中在農(nóng)作物收貨以后(7—9月),降水量低而不穩(wěn),氣候多變,干早、霜凍、冰雹等自然災(zāi)害頻繁發(fā)生。該區(qū)土壤為典型的黃綿土,土質(zhì)綿軟,抗侵蝕能力較弱。

1.2 樣地設(shè)置與土壤樣品采樣

2017年3月全面收集定西市安定區(qū)李家堡鄉(xiāng)的氣候、植被、土壤、社會經(jīng)濟(jì)等相關(guān)文獻(xiàn)資料,通過實(shí)地考察,選擇定西市水土保持科學(xué)研究所位于李家堡鄉(xiāng)的試驗(yàn)區(qū)。在其試驗(yàn)地區(qū)域內(nèi),以荒草地為對照組(35°34′54″N,104°37′57″E),選擇文冠果林地(35°35′10″N, 104°37′7″E)、沙棘林地(35°34′45″N,104°39′1″E)和檸條灌叢(35°34′55″N,104°38′1″E)作為不同的3種典型植被類型(樣地植被特征見表1),每種植被類型隨機(jī)選擇10 m×10 m的小樣地3個(gè)。2017年9月在4種不同植被的樣地上按對角線五點(diǎn)法分層(0—10、10—20、20—40 cm)取樣,共計(jì)180個(gè)土壤樣品,同一樣地同一土層樣品組合成一個(gè)混合土樣,撿去土樣石塊、殘根等雜物后,將樣品分成兩份；一份鮮土樣過2 mm篩后,置于4℃冰箱保存；另一份土樣風(fēng)干后,用于土壤SOC、POC、EOC的測定(重復(fù)3次)。

1.3 測定方法與計(jì)算公式

土壤有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定；采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法,測定微生物量碳(氯仿熏蒸殺死微生物體中的碳被釋放出來的比例為0.38)；采用KMnO4氧化法,測定土壤易氧化有機(jī)碳含量[13]。土壤顆粒有機(jī)碳采用楊益提供的方法進(jìn)行測定[14]。

本文以荒草地為對照進(jìn)行土壤碳庫管理指數(shù)的計(jì)算[15]:

碳庫活度(A)=土壤活性有機(jī)碳含量(g/kg)/土壤非活性有機(jī)碳含量(g/kg)

碳庫活度指數(shù)(Al)=樣品碳庫活度(A)/參考土壤碳庫活度

碳庫指數(shù)(CPI)=樣品總碳含量(g/kg)/參考土壤總碳含量(g/kg)

土壤碳庫管理指數(shù)(CPMI,%) =碳庫指數(shù)(CPI)×碳庫活度指數(shù)(Al)×100

土壤微生物熵(SME,%)=土壤微生物量碳(mg/kg)/土壤總有機(jī)碳含量(g/kg)

0—40 cm層土壤有機(jī)碳儲量SOCS(Mg/hm2)=SOC×BD×H×10-1

式中,SOC為土壤有機(jī)碳含量(g/kg)；BD為土壤容重(g/cm3)；H為土層厚度(cm)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)野外調(diào)查觀測資料和實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的分析資料,用EXCEL 2003圖表處理軟件和SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。其中,數(shù)據(jù)進(jìn)行One-wayANOVA方差分析,并用LSD多重比較法進(jìn)行差異顯著性分析,相關(guān)性分析采用Pearson檢驗(yàn)法。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被類型對土壤有機(jī)碳的影響

在剖面垂直分布上(圖1),荒草地和沙棘林地土壤SOC含量呈現(xiàn)出隨著土層深度增加而逐漸降低的趨勢,最大值出現(xiàn)在0—10 cm層,分別比10—20 cm、20—40 cm層顯著高出了10.94%和47.21%、86.74%和125.10%(P<0.05)；而文冠果林和檸條灌叢土壤有機(jī)碳含量隨著土層深度增加呈現(xiàn)出“升—降”的變化規(guī)律,10—20 cm層土壤有機(jī)碳含量分別比0—10 cm、20—40 cm層高出了36.49%和11.51%、223.58%和72.74%,不同土層間土壤有機(jī)碳含量差異顯著(P<0.05)。4種植被類型在0—40 cm層表現(xiàn)為文冠果林和荒草地土壤有機(jī)碳顯著高于沙棘林地和檸條灌叢(P<0.05),而沙棘林地和檸條灌叢土壤有機(jī)碳含量在0—40 cm層差異不顯著。

圖1 4種植被類型下土壤有機(jī)碳的變化Fig.1 Changes of soil organic carbon under four vegetation types不同小寫字母表示不同土層存在顯著差異(P<0.05),不同大寫字母表示不同植被間存在顯著差異(P<0.05)

2.2 植被類型對土壤活性有機(jī)碳的影響

本研究表明,除沙棘林地土壤MBC含量隨土層深度增加逐漸增大之外,其余3種植被類型土壤MBC含量均隨土層深度增加呈現(xiàn)減小的趨勢(圖2)。4中植被類型下0—10、10—20 cm層土壤MBC含量與20—40 cm層土壤MBC含量差異顯著(P<0.05),而0—10 cm與10—20 cm層MBC含量差異不顯著。其中荒草地、文冠果林地、檸條灌叢0—10 cm層土壤MBC含量是20—40 cm層的2.38倍、2.11倍、1.46倍,而沙棘林地20—40 cm層土壤MBC含量比0—10 cm、10—20 cm層分別高出了20.55%、1.47%。4種植被類型下0—40 cm層土壤MBC含量表現(xiàn)為沙棘林地>檸條灌叢>文冠果林地>荒草地,其中沙棘林地土壤MBC含量與檸條灌叢、文冠果林地、荒草地土壤MBC含量差異顯著(P<0.05),而文冠果林地與荒草地土壤MBC含量無明顯差異。

4種植被類型下0—40 cm層土壤POC含量為沙棘林地>文冠果林地>荒草地>檸條灌叢,且差異顯著(P<0.05)(圖2)。在剖面垂直分布上,荒草地、文冠果林地、沙棘林地土壤POC含量均隨土層增加顯著降低(P<0.05),0—10 cm層土壤POC含量最高,分別為1.12 g/kg、1.62 g/kg、1.36 g/kg；而檸條灌叢土壤POC含量隨土層增加呈現(xiàn)“升—降”的變化趨勢,10—20 cm層土壤POC含量比0—10 cm、20—40 cm層高出了91.67%、170.59%。

由圖2可知,0—40 cm層荒草地土壤EOC含量分別比文冠果林地、檸條灌叢、沙棘林地高出了36.94%、64.84%、100.21%,方差分析表明差異顯著(P<0.05)。其中荒草地和檸條灌叢土壤EOC含量隨土層深度增加呈現(xiàn)“升—降”的趨勢,而文冠果林地和沙棘林地土壤EOC含量隨土層深度增加逐漸降低,4種植被類型下各層土壤EOC含量均具有明顯的差異性(P<0.05)。

圖2 4種植被類型下土壤活性有機(jī)碳的變化Fig.2 Changes of soil active organic carbon under four vegetation types

2.3 不同植被類型土壤活性有機(jī)碳的分配比例

土壤活性有機(jī)碳占總有機(jī)碳的比例較活性有機(jī)碳總量更能反映植被對土壤行為的影響結(jié)果[2]。由圖3可知,荒草地土壤EOC的分配比例隨土層增加呈現(xiàn)“升—降”的變化,文冠果林地EOC分配比例與荒草地相反,而檸條灌叢和沙棘林地EOC分配比例隨土層增加逐漸降低。4種植被類型土壤POC的分配比例隨土層深度增加呈現(xiàn)出與EOC分配比例完全不同的變化趨勢,其中荒草地和文冠果林地土壤POC分配比例隨土層深度增加逐漸降低,檸條灌叢POC的分配比例最大值出現(xiàn)在10—20 cm(15.13%),而沙棘林地土壤POC分配比例最小值則出現(xiàn)在10—20 cm(11.61%)。

圖3 4種植被類型土壤易氧化有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳占總有機(jī)碳的百分比Fig.3 Soil easily oxidized carbon and particulate organic carbon percentage of total organic carbon in four vegetation types

2.4 不同植被類型土壤碳庫特征的變化

4種植被類型土壤微生物熵最大值出現(xiàn)在沙棘林地(表2),相對于沙棘林地,荒草地、文冠果林地、檸條灌叢土壤微生物熵分別降低了58.18%、61.65%、15.83%。以荒草地土壤為對照,土壤碳庫活度(A)為荒草地>檸條灌叢>沙棘林地>文冠果林地,而4種植被類型土壤碳庫指數(shù)(CPI)的變化范圍在0.65—1.19之間,最大值出現(xiàn)在文冠果林地；文冠果林地、檸條灌叢、沙棘林地土壤碳庫管理指數(shù)(CPMI)均小于對照組碳庫管理指數(shù)。4種植被類型0—40 cm層土壤有機(jī)碳儲量為文冠果林地最高,檸條灌叢最低,其他次之,文冠果林地土壤有機(jī)碳儲量(SOCS)分別比荒草地、檸條灌叢、沙棘林地高出了14.30%、93.96%、65.12%,方差分析表明差異顯著(P<0.05)。

表2 4中植被類型下土壤微生物熵、碳庫管理指數(shù)及土壤有機(jī)碳儲量

2.5 不同植被類型下土壤活性有機(jī)碳與有機(jī)碳的相關(guān)性分析

土壤有機(jī)碳之間的相關(guān)性如表3所示,4中植被類型土壤SOC與土壤EOC、SOCS顯著相關(guān)(P<0.05),而土壤SOC與POC極顯著相關(guān)(P<0.01)；土壤EOC與土壤POC顯著相關(guān)(P<0.05),與SOCS不相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.374；土壤MBC與SOC呈現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),與POC呈現(xiàn)出極顯著的負(fù)相關(guān)(P<0.05),與EOC、SOCS則呈現(xiàn)出不顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表3 土壤有機(jī)碳相關(guān)指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)

*表示相關(guān)性達(dá)顯著水平(P<0.05); **表示相關(guān)性達(dá)極顯著水平(P<0.01);SOC：土壤有機(jī)碳，Soil Organic Carbon；EOC：易氧化有機(jī)碳，Easily Oxidated Carbon；POC：顆粒有機(jī)碳，Particle Organic Carbon；MBC：微生物量碳，Microbial Biomass Carbon；SOCS：有機(jī)碳儲量，Soil Organic Carbon Storage

3 討論

3.1 不同植被類型土壤總有機(jī)碳含量

在本研究中,荒草地和檸條灌叢隨著土層深度的加深,土壤總有機(jī)碳含量逐漸減小?？梢娡寥郎疃葘τ袡C(jī)碳含量有顯著影響,這與之前的同類研究結(jié)果相符[16],由于植物的枝葉殘?bào)w和根系大部分分布于表層土壤中,分解后形成的腐殖質(zhì)在表層土壤中積累,因此荒草地和檸條灌叢土壤有機(jī)碳含量具有典型的表聚性。而文冠果林地和沙棘林地土壤有機(jī)碳在10—20 cm土層最大,因?yàn)槲墓诠值睾蜕臣值氐乇砩L著一些淺根的伴生植物,根系集中在0—10 cm層,而森林區(qū)具有相對復(fù)雜的微生物環(huán)境[17],大量的植物根系使得土壤容重減小,孔隙度增加,土壤微生物活性較高,提高了表層土壤微生物對有機(jī)質(zhì)的利用率[18],因此文冠果林地和沙棘林地土壤有機(jī)碳10—20 cm層較高。此外,森林土壤有機(jī)碳含量取決于植被凋落物的輸入和分解,同時(shí)也取決于植被每年的歸還量和土壤微生物的分解速率,而植被類型、氣候特點(diǎn)以及土壤性質(zhì)的差異,均會導(dǎo)致土層內(nèi)有機(jī)碳含量的分布存在差異[19- 20]。

3.2 不同植被類型土壤活性有機(jī)碳的分布特征

土壤活性有機(jī)碳主要來源于地上植物凋落物、土壤腐殖質(zhì)、植物根系以及微生物群系的分泌物[21],對外界具有較強(qiáng)的敏感性,通過影響微生物及其活性,對生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)起到了重要作用[13]。本研究表明沙棘林地土壤微生物量碳含量顯著高于檸條灌叢、荒草地和文冠果林地,因?yàn)樯臣值鼐哂邪l(fā)達(dá)的側(cè)根系,根系微生物種類和數(shù)量高于其他3種植被類型,同時(shí)較小的土壤容重有利于植物根系的生長,使得土壤擁有較高的通氣性[22- 23],增加了土壤需氧微生物的活性。從較高的土壤微生物熵(表2)可以看出沙棘林地微生物種類復(fù)雜且活性較高,有利于有機(jī)碳的分解利用,而文冠果林地0—40 cm的側(cè)根較少,群落局部微環(huán)境的遮陰作用使得土壤溫度較低[24],降低了土壤微生物的活性,因此沙棘林地土壤微生物量碳含量最高。本研究表明4種植被類型下0—40 cm層土壤微生物熵均高于5%,因?yàn)?月降雨增加,適宜的溫度提高了土壤微生物的活性,微生物分解土壤有機(jī)碳的速率增加[25](表3),同時(shí)土壤微生物進(jìn)一步分解吸收土壤易氧化有機(jī)碳和顆粒有機(jī)碳用于自身繁殖,增加了土壤微生物的活性和數(shù)量[26],導(dǎo)致土壤微生物量碳的增加和土壤有機(jī)碳含量的急劇下降,使得土壤微生物熵增大。在垂直剖面上,土壤微生物量碳隨土層深度的增加逐漸降低,因?yàn)殡S著土層深度的加深,地上向深層土壤輸入有機(jī)碳源的含量減少,使得土壤有機(jī)碳含量急劇下降,因而土壤微生物量碳含量逐漸降低[27]。而沙棘林地土壤微生物量碳隨土層的增加逐漸增大,因?yàn)樯臣值乇韺涌萋湮镙^少,土壤有機(jī)碳含量較低,表層水分含量低于20—40 cm層,20—40 cm層土壤微生物活性較高,有機(jī)質(zhì)易被礦化分解,從而加速了有機(jī)質(zhì)向微生物量碳的周轉(zhuǎn)速率[28]。

土壤顆粒有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳一般被稱為活性有機(jī)碳,在土壤中周轉(zhuǎn)速度較快,它比土壤有機(jī)碳更易受植被類型的影響[29]。本研究表明4種植被類型下土壤顆粒有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳含量均明顯隨土層深度的增加而降低,與前人研究結(jié)果一致[30],這主要是因?yàn)橥寥阑钚杂袡C(jī)碳在很大程度上取決于土壤總有機(jī)碳含量(表3),一方面土壤總有機(jī)碳隨土層深度的增加而減少,另一方面,植被枯枝落葉層不但為土壤提供大量的有機(jī)碳,而且使表層土壤具有較高的養(yǎng)分濃度,從而為植物細(xì)根向表土層聚集提供了良好的條件[31],而凋落物和根系分泌物經(jīng)微生物的分解,成為土壤活性有機(jī)碳的重要來源[32]。從各活性有機(jī)碳組分的分配比例來看,10—20 cm層土壤易氧化有機(jī)碳含量分配比例在荒草地達(dá)到最大,在文冠果林地達(dá)到最小,這與荒草地土壤易氧化有機(jī)碳、文冠果林地土壤有機(jī)碳密切相關(guān)。而土壤顆粒有機(jī)碳分配比例表現(xiàn)出隨土層深度的增加而降低,這是因?yàn)轭w粒有機(jī)碳主要由新近凋落的、部分分解的、與土壤礦質(zhì)結(jié)合不緊的植物殘?bào)w組成[33],由此說明了不同植被類型土壤易氧化有機(jī)碳和顆粒有機(jī)碳含量的高低很大程度上取決并依賴于總有機(jī)碳的貯量。

3.3 土壤碳庫特征及活性有機(jī)碳之間的相關(guān)性

土壤微生物量碳被認(rèn)為是土壤活性養(yǎng)分的儲存庫,是植物生長可直接利用養(yǎng)分的重要來源[34]。土壤有機(jī)碳活度和碳庫管理指數(shù)均可以一定程度上反映土壤有機(jī)碳的質(zhì)量,其值越大,表示有機(jī)碳越易于被微生物分解和被植物吸收利用,碳庫質(zhì)量也就越高[35- 36]。本研究表明,文冠果林地、檸條灌叢、沙棘林地土壤碳庫活度及碳庫管理指數(shù)均低于對照組,這與李忠武等[37]研究不同的是,本研究顯示不同植被土壤有機(jī)碳活度范圍為0.49—1.16,這也說明,有機(jī)碳活度除了與土壤有機(jī)碳總量有關(guān),還跟土壤活性有機(jī)碳含量有關(guān),是二者共同作用的結(jié)果[5]。而0—40 cm層土壤有機(jī)碳儲量在文冠果林地最高,檸條灌叢土壤有機(jī)碳儲量最低,荒草地和沙棘林地次之。因?yàn)槲墓诠值鼐哂休^多復(fù)雜的淺根植物,地表枯落物較其他3種類型最多,而檸條灌叢和沙棘林地地表枯落物最少,能夠氧化分解的部分更少,因此檸條灌叢和沙棘林地土壤0—40 cm層有機(jī)碳儲量較低。研究表明土壤易氧化有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳與土壤總有機(jī)碳具有顯著的相關(guān)性(P<0.05),因?yàn)橥寥烙袡C(jī)碳中的活性部分直接參與了土壤生物化學(xué)轉(zhuǎn)化過程,一些活性有機(jī)碳組分與土壤有機(jī)碳處于動態(tài)平衡中,在一定條件下實(shí)現(xiàn)了相互轉(zhuǎn)化[38]。

4 結(jié)論

4種植被類型下文冠果林地土壤有機(jī)碳含量顯著高于荒草地、檸條灌叢和沙棘林地(P<0.05),0—40 cm層土壤有機(jī)碳儲量與土壤有機(jī)碳的變化一致。土壤微生物量碳和顆粒有機(jī)碳最大值均出現(xiàn)在沙棘林地,最小值分別出現(xiàn)在荒草地和檸條灌叢,而土壤易氧化有機(jī)碳為荒草地最高,沙棘林地最低。從土壤剖面垂直分布來看,土壤總有機(jī)碳和各活性有機(jī)碳組分含量均表現(xiàn)出隨土壤深度增加而逐漸降低的趨勢,土壤易氧化有機(jī)碳含量均與土壤總有機(jī)碳含量關(guān)系密切,呈顯著的正相關(guān),土壤微生物量碳與土壤有機(jī)碳呈顯著的負(fù)相關(guān),而土壤顆粒有機(jī)碳含量與土壤總有機(jī)碳含量之間的正相關(guān)性達(dá)到了極顯著水平。