華北地區(qū)土地利用類型對土壤呼吸、有機(jī)碳組分和水穩(wěn)性團(tuán)聚體的影響

王 蕓, 趙鵬祥

(1.河北廣播電視大學(xué) 數(shù)字化學(xué)習(xí)資源中心, 石家莊 050080; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院, 陜西 楊凌 712100)

人類在對自然資源進(jìn)行不斷的開發(fā)利用過程中產(chǎn)生了明顯的環(huán)境問題，對于生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展產(chǎn)生了不利影響，原有的氣候生態(tài)被改變[1-2]，氣溫上升、冰川融化等問題日益突出，使得可持續(xù)發(fā)展受到了較大挑戰(zhàn)。在CO2排放量不斷上升的情況下，局地氣溫呈現(xiàn)明顯的上升趨勢[3-4]，呈現(xiàn)了典型的氣候變暖問題，這不僅導(dǎo)致冰川融化加劇，迫使海平面上升，最終導(dǎo)致溫室效應(yīng)的產(chǎn)生[5]，并帶來了較大的影響，不僅直接影響植被生長發(fā)育，還影響動植物新陳代謝等。相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，CO2含量的增長速度保持在0.4%以上[6-7]，其中起著關(guān)鍵作用的是陸地碳循環(huán)，而作為重要的碳通量途徑，土壤呼吸起著較大制約作用，并成為陸地最大碳源，即使其變化較小，但仍然能引起大氣CO2的較大變化[8-9]。通過研究發(fā)現(xiàn)，在全球氣溫出現(xiàn)明顯變化的情況下，土壤呼吸也出現(xiàn)了明顯的響應(yīng)，其反饋效果明顯。大量的研究表明，在土地利用類型存在較大差異的情況下，其蒸騰作用也發(fā)生較大差異，土壤的濕度及溫度也會存在較大不同，其有機(jī)質(zhì)含量發(fā)生著變化，對于微生物活動產(chǎn)生不同的影響，進(jìn)而也對根系生長產(chǎn)生制約，最終對土壤呼吸形成明顯的制約效果，從而形成了較大的碳循環(huán)變化。通過相關(guān)數(shù)據(jù)分析得知，從20世紀(jì)90年代開始，隨著土地利用方式的改變，大氣中的碳源大幅增加，其含量較接近化石燃料形成的碳源，這是人類開發(fā)利用自然過程中形成的較大碳源之一。在這種情況下，越來越多的學(xué)者開展土壤呼吸相關(guān)研究，并從土地利用的角度開展相應(yīng)試驗研究分析，并取得了較大的研究成果。

在土地利用方式不斷改變的情況下，土壤結(jié)構(gòu)也隨之改變，其理化特征呈現(xiàn)顯著差異，尤其是肥力下降、活性降低成為主要的土壤問題，也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的主要壓力之一，對于植被生長起著嚴(yán)重不利影響，其在結(jié)構(gòu)退化的同時伴隨著有機(jī)碳的大幅下降，團(tuán)聚體降低嚴(yán)重制約了其穩(wěn)定性[10-11]。對于土壤團(tuán)聚體而言，作為土壤重要構(gòu)成，其在促進(jìn)土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定方面起著積極作用，能夠有效降低水土流失；此外，其能夠有效保護(hù)有機(jī)碳，進(jìn)而在肥力保持方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，提升土壤質(zhì)量，對于植被生長及農(nóng)作物生產(chǎn)起著積極作用，因此來說，團(tuán)聚體常常被作為衡量土壤質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)之一[12]，目前對于分類，常常通過濕篩法加以區(qū)分大團(tuán)聚體及微團(tuán)聚體，劃分標(biāo)準(zhǔn)一般是250 μm[13]；其級別的不同，則在養(yǎng)分保持等方面的作用會發(fā)生較大差異，對于改善土壤孔隙度也存在較大不同，能夠?qū)ν寥览砘卣鳟a(chǎn)生較大影響，進(jìn)而改變著土壤質(zhì)量[14]。對于華北地區(qū)而言，其在糧食安全生產(chǎn)方面起著關(guān)鍵作用，其大面積的作物種植，成為糧食主產(chǎn)區(qū)之一[15]，同時也是人口密集區(qū)，在城鎮(zhèn)化不斷深入發(fā)展的過程中，出現(xiàn)了大面積的土地利用，大量的耕地被占用，原有的土地利用類型發(fā)生了巨變，農(nóng)田資源逐漸降低，與此同時，土壤質(zhì)量出現(xiàn)了較大下降，對于農(nóng)業(yè)發(fā)展起著不利影響。然而對于該區(qū)域而言，其土地利用類型改變下土壤呼吸等方面的研究相對較少，對于其團(tuán)聚體的研究并不多[16-17]，因此，本研究將立足于華北地區(qū)，從土地利用類型的角度來對土壤呼吸等進(jìn)行探究，以分析其土壤質(zhì)量方面的影響，以為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供有益參考和借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究區(qū)域選擇在河南省濟(jì)源，并在小浪底生態(tài)研究站開始具體試驗，該區(qū)域?qū)儆诘厣角鹆甑貛?，接近小浪底樞紐，北靠太行山區(qū)域，多分布地山丘陵，受所處地理位置影響，其氣候特點呈現(xiàn)明顯的溫帶大陸季風(fēng)特點，其近70%的降雨集中在夏季，而冬季氣溫較低，統(tǒng)計近年來該地區(qū)氣象數(shù)據(jù)分析得知，其年日照基本在2 300 h左右，該區(qū)域擁有近650 mm的年降雨量；對于該試驗區(qū)域而言，其土質(zhì)多為褐色土，該土質(zhì)屬于石灰?guī)r風(fēng)化淋溶而成，其厚度并不高，一般在50 cm左右；該試驗區(qū)域不僅分布著農(nóng)田及果園，同時還分布不少人工林，整體而言呈現(xiàn)較多的土地利用類型。

1.2 樣品采集

結(jié)合本區(qū)域達(dá)到土地特點，加以利用方式的不同，在研究過程中選取了較為典型的5種土地開發(fā)方式：不僅選擇農(nóng)田及果園這兩種作物開發(fā)方式，還選擇了次生林、人工林這兩種林木類型，同時將灌木加以考慮。根據(jù)不同的開發(fā)方式，各設(shè)置5個樣地，要求各林地的長、寬均為20 m，而果園要求10 m，農(nóng)田和灌木要求為5 m，為了最大程度降低試驗誤差，特對各樣地設(shè)置3種重復(fù)，對于每個采樣點而言，要進(jìn)行重復(fù)五次的采樣，并形成平行，要求各平行間隔不低于兩米。在取樣的過程中，為了降低取樣方式差異造成的誤差，特將其坡度要求不超過5°，并結(jié)合剖面法開展土樣采集，取樣深度要求達(dá)到30 cm，將獲取的原樣土裝入保鮮盒，并將之分為兩部分：其中一部分首先對其進(jìn)行風(fēng)干處理，之后進(jìn)行有機(jī)碳含量的測定，另一部分經(jīng)過初步風(fēng)干，待其出現(xiàn)自然裂縫的情況下將之掰成多個團(tuán)聚體，要求直徑在1 cm左右，最后借助于濕篩法確定后續(xù)的粒徑分組：首先選取100 g經(jīng)過風(fēng)干的土樣，將5 ml純水對之進(jìn)行緩慢浸濕，并放置過夜，然后通過不同的篩子進(jìn)行濕篩，要求振幅達(dá)到3 cm，頻率達(dá)到每分鐘50次，最終得到不同的團(tuán)具體，其中粒徑在2 mm以上的為大團(tuán)聚體，介于0.25至2 mm的為中團(tuán)聚體，介于53 μm至0.25 mm的為微團(tuán)聚體，其他微小團(tuán)聚體為粘團(tuán)聚體，之后對不同的團(tuán)聚體進(jìn)行烘干，稱重后測定質(zhì)量分?jǐn)?shù)。對于有機(jī)碳的測定借助于加熱法[18]。

對于土壤輕組分有機(jī)碳而言，其既非穩(wěn)固態(tài)有機(jī)質(zhì)，也非新鮮作物殘體，而是介于二者的物質(zhì)，在一定重液的參與下能夠借助于浮選法加以分離，首先取土樣20 g，并過2 mm篩后置于NaI溶液，要求濃度達(dá)到1.8 g/cm3，溶液達(dá)到200 ml，然后對溶液離心管進(jìn)行震蕩，靜置時間達(dá)到0.5 h后進(jìn)行離心處理，處理時間為40 min，轉(zhuǎn)速為825 rpm；之后利用濾紙對其進(jìn)行過濾處理，將剩余的溶液借助于去離子水清洗，接下來對濾紙上物質(zhì)開展烘干處理，要求溫度達(dá)到65 ℃，處理時間為12 h，稱重后測定有機(jī)碳[12]。

對于顆粒有機(jī)碳POC的測定如下：首先將風(fēng)干土樣取出20 g，要求土樣粒徑在2 mm以下，將之置于100 ml NaPO3溶液，先進(jìn)行手搖后進(jìn)行長達(dá)18 h的震蕩處理，然后將懸浮液過53 μm篩，過篩物質(zhì)進(jìn)行長達(dá)12 h的烘干，最終對有機(jī)碳開展測定[14]。

對于土壤呼吸的測定借助于Li-8100測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)原理主要是紅外分析法，首先在各測定點將PVC環(huán)縱向插入，要求深度達(dá)到7 cm，待7 d后開展呼吸測定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

對團(tuán)聚體穩(wěn)定性的測定借助于以下方式[13-15]：

幾何平均直徑(GMD)=exp[∑WilnXi]

Msoil=ρb·T×1000

Tadd=[(Msoil,equit-Msoil,surf)×0.0001]/ρb,subsurface

Melement=Msoil·Cconc×0.001

式中：n代表分組數(shù)；平均直徑用Xi表示；Wi代表的是質(zhì)量分?jǐn)?shù)；pb，T分別代表其容重及深度；Msoil，Msoil，equit分別代表單位面積、最大土壤質(zhì)量。

Excel 2003整理觀測數(shù)據(jù)，通過SPSS 18.0開展單因素方差進(jìn)行分析和顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用類型對土壤呼吸的影響

由圖1可知，不同土地利用類型對土壤呼吸具有明顯的影響，其中，不同土地利用類型土壤呼吸隨著月份的增加呈先增加后降低趨勢，在7月份最大，呈倒V字型變化規(guī)律，7月以后，土壤呼吸急劇降低，其中在1月份土壤呼吸速率最小。在7月之前，土壤呼吸速率基本表現(xiàn)為人工林>次生林>灌木>農(nóng)田>果園，7月份以后土壤呼吸速率基本表現(xiàn)為次生林>人工林>灌木>農(nóng)田>果園。不同土地利用類型土壤呼吸速率大小基本表現(xiàn)為次生林>人工林>灌木>農(nóng)田>果園，其中，次生林和人工林顯著高于其他土地利用類型(p<0.05)，灌木和農(nóng)田差異不顯著(p>0.05)，果園顯著低于其他土地利用類型(p<0.05)。

2.2 不同土地利用類型對土壤Q10的影響

本研究分別計算不同土地利用類型一年的土壤Q10值。由表1可知，不同土地利用類型Q10值大小范圍在1.65～1.97之間，其大小基本表現(xiàn)為次生林>人工林>灌木>農(nóng)田>果園。由于不同土地利用條件下的土壤水分較充足，且變化范圍較小，不足以影響植物根系和土壤微生物的活動，難以區(qū)分出土壤含水量對Q10值的影響，同時也存在土壤體積含水率對土壤呼吸速率的影響作用被其他影響因子所遮蔽的可能。

注：不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)，下同。

表1 不同土地利用類型對土壤Q10的影響

2.3 不同土地利用類型對土壤有機(jī)碳的影響

由圖2可知，不同土地利用類型對土壤總有機(jī)碳(TOC)、顆粒有機(jī)碳(POC)和輕組分有機(jī)碳(SLFC)影響較為明顯，其中土壤總有機(jī)碳變化范圍在10.91～16.32 g/kg，其大小基本表現(xiàn)為次生林>人工林>灌木>農(nóng)田>果園，其中次生林、人工林、灌木顯著高于農(nóng)田和果園(p<0.05)，農(nóng)田和果園差異不顯著(p>0.05)；輕組分有機(jī)碳(SLFC)變化范圍在4.18～6.23 g/kg，其大小基本表現(xiàn)為次生林>人工林>灌木>農(nóng)田>果園，其中次生林、人工林、灌木顯著高于農(nóng)田和果園(p<0.05)，次生林、人工林、灌木差異不顯著(p>0.05)，農(nóng)田和果園差異不顯著(p>0.05)；顆粒有機(jī)碳(POC)變化范圍在3.02～5.69 g/kg，其大小基本表現(xiàn)為次生林>人工林>灌木>農(nóng)田>果園，其中次生林、人工林、灌木顯著高于農(nóng)田和果園(p<0.05)，農(nóng)田和果園差異不顯著(p>0.05)。

圖2 不同土地利用類型對土壤有機(jī)碳的影響

2.4 不同土地利用類型對土壤團(tuán)聚體組成的影響

圖3顯示，土壤團(tuán)聚體組成受到不同土地利用類型的顯著影響。不同土地中的團(tuán)聚體差異也比較大。粉+黏團(tuán)聚體主要存在于果園以及農(nóng)田中，比例高達(dá)40%；中間團(tuán)聚體和粉+黏團(tuán)聚體則主要存在于灌木之中；>0.25 mm的大團(tuán)聚體則主要存在于人工林和次生林之中，比例為20%以上。>0.25 mm團(tuán)聚體通常被稱為土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)體，對土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有很大的決定作用，越高越好，因此被看做是土壤中最好的結(jié)構(gòu)體。大團(tuán)聚體會因為人工林和次生林開墾行為而出現(xiàn)破碎化的情形，林地中>0.25 mm的大團(tuán)聚體含量都要比農(nóng)田高47.3%和43.15%，這表明開墾的林地變成農(nóng)田之后的土壤結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了極大的惡化；但是，如果農(nóng)田轉(zhuǎn)化成果園之后，情況則相反，土壤中的中間團(tuán)聚體和粒徑大的微團(tuán)聚體增多，改善了土壤結(jié)構(gòu)。

2.5 不同土地利用類型對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

由圖4看出，與農(nóng)田和果園相比，次生林和人工林的GMD高、MWD低。而果園與農(nóng)田的GMD與MWD值跟林地比較，都顯著降低(p<0.05)。但是，當(dāng)農(nóng)田轉(zhuǎn)化成果園時，雖然GMD與MWD值都會呈現(xiàn)不同程度的下降，然后差異卻表現(xiàn)為不顯著(p>0.05)。這說明當(dāng)林地轉(zhuǎn)化成農(nóng)田以及果園的過程中，會極大的降低土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，但是當(dāng)農(nóng)田廢棄不耕種后期圖土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性又會呈現(xiàn)增強(qiáng)的趨勢，這樣就會對其抵抗外力破壞的能力起到很大的提升作用。

圖3 不同土地利用類型各粒徑團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值

2.6 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體和土壤呼吸與土壤有機(jī)碳相關(guān)分析

本文將土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體和土壤呼吸與土壤有機(jī)碳進(jìn)行相關(guān)分析(表2)，結(jié)果表明：所測定的土壤中>0.25 mm團(tuán)聚體含量、MWD，GMD和土壤呼吸均與土壤TOC，LFOC和POC皆呈現(xiàn)顯著正相關(guān)性(p<0.01)，其中>0.25 mm團(tuán)聚體含量、MWD，GMD和土壤呼吸與LFOC和POC之間的相關(guān)關(guān)系達(dá)到極顯著水平(p<0.01)，且相關(guān)系數(shù)較大，說明與土壤TOC相比，LFOC和POC對土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體和穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)更大，并且LFOC和POC對土壤呼吸的貢獻(xiàn)更大。

圖4 不同土地利用類型下土壤團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)

表2 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體和土壤呼吸與土壤有機(jī)碳的相關(guān)分析

3 討論與結(jié)論

通過對土壤呼吸速率的計算得知，土壤呼吸受到不同土地利用類型的顯著影響。月份的不同也會影響到土壤呼吸，其變化規(guī)律為倒V，即主要呈現(xiàn)先不斷增加而后不斷降低的情形，土壤呼吸速率最大的月份是7月，最小的月份是1月。土壤呼吸速率因土地利用類型的不同而不同，果園的土壤呼吸速率最低，接著從低到高依次是農(nóng)田、灌木、人工林，呼吸速率最高的是次生林。在這些土地類型匯總，人工林和次生林是比較顯著的(p<0.05)，差異不顯著(p>0.05)的主要是農(nóng)田和灌木，比其他土地類型都顯著較低(p<0.05)的是果園，這個結(jié)果與以往的研究相同[13-15]，此外，研究分析顯示，土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤呼吸之間存在相關(guān)關(guān)系，一般表現(xiàn)為顯著正相關(guān)。這是因為，林地的樹木大、根系龐雜，自然比農(nóng)田中植物的根系呼吸要強(qiáng)。此外，林地的凋落物也增多，提高了林地土壤有機(jī)質(zhì)的含量，對林地中土壤微生物的呼吸和生長起到了極大的促進(jìn)作用[19-20]。用來衡量土壤呼吸對溫度變化敏感性的一個重要指標(biāo)就是Q10值。在本文的分析中的次生林、人工林、灌木、農(nóng)田以及果園4種土地利用類型中，其Q10值主要在1.65～1.97，最小的是果園，其次依次是農(nóng)田、灌木、人工林，Q10值最大的是次生林。這種變化次序和土壤呼吸的變化基本相同。

對于土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的衡量能夠借助于團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，其能夠?qū)ν寥览砘卣骷右泽w現(xiàn)，能夠作為重要的衡量指標(biāo)之一，一方面平均重量直徑MWD能夠?qū)ζ浼右泽w現(xiàn)，另一方面，常用幾何平均直徑GMD對團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)加以反映，二者是團(tuán)聚體的重要指標(biāo)[21]；且其與穩(wěn)定性呈現(xiàn)正向的變化關(guān)系，其值越大說明其團(tuán)聚能力越強(qiáng)，越能體現(xiàn)更強(qiáng)的穩(wěn)定性；作為其重要的膠結(jié)物質(zhì)，有機(jī)碳在團(tuán)聚體中扮演重要角色，對于其穩(wěn)定性起著關(guān)鍵作用[22]。大量研究表明，在土地利用不同的情況下，有機(jī)碳含量會發(fā)生較大差異，從而制約著團(tuán)聚體穩(wěn)定性。通過研究得知，在土層30 cm深度內(nèi)，次生林的土壤有機(jī)碳含量最高，其次是人工林及灌木，而農(nóng)田及果園最低。主要原因在于農(nóng)田開發(fā)的不斷深入，其大團(tuán)聚體大福下降，MWD和GMD值均呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，并在0.05檢驗水平下達(dá)到顯著，對于林地而言，其被開墾后有機(jī)碳含量迅速降低，團(tuán)聚體被明顯分散，其穩(wěn)定性被大幅降低，不少研究發(fā)現(xiàn)，在農(nóng)田長期耕作后團(tuán)聚體直徑逐漸變小，且更容易破裂；而在農(nóng)田棄耕的情況下，微團(tuán)聚體減少，反而使得團(tuán)聚體直徑出現(xiàn)增大的情況，并形成了大量中間團(tuán)聚體，這將明顯提升其穩(wěn)定性，以往不少學(xué)者也通過試驗對比得出了此結(jié)論[23-24]。通過試驗對比分析可知，有機(jī)碳的保護(hù)能夠促進(jìn)團(tuán)聚體穩(wěn)定，進(jìn)而促進(jìn)土壤穩(wěn)定性，尤其是在化肥施用方面搭配有機(jī)肥，降低單純的氮肥等單一化肥施用，從而降低土壤板結(jié)[21-23]，此外，實行秸稈還田等措施也有利于改善土壤結(jié)構(gòu)，這樣能夠明顯增加大團(tuán)聚體含量，將土壤穩(wěn)定性得以明顯提升。通過試驗對比可知，與林地相比而言，農(nóng)田有機(jī)碳含量下降并不明顯，二者差異未達(dá)到顯著水平，但是大團(tuán)聚體出現(xiàn)了大福降低，其MWD和GMD值亦明顯下降，這也與根系存在密切關(guān)系[25]。對于農(nóng)田而言，其植被密度明顯低于林地，且根系遠(yuǎn)不如林地發(fā)達(dá)，因此其根系難以充分分泌膠結(jié)物質(zhì)等，不利于大團(tuán)聚體的形成，無法增強(qiáng)團(tuán)聚效果[18-19]，從而使得其穩(wěn)定性較弱。

通過試驗對比分析可知，與林地及灌木對比而言，農(nóng)田不僅出現(xiàn)了較低含量的顆粒有機(jī)碳POC，而且其輕組分有機(jī)碳SLFC較低，這表明在對林地不斷開墾的過程中，有機(jī)碳含量呈現(xiàn)了大幅下降，不利于土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，另外，在農(nóng)田撂荒的情況下，有機(jī)碳含量將出現(xiàn)較明顯的上升[15-16]。對于林地和果園而言，其并未受到過度的開發(fā)利用，加之較為充足的枯枝落葉，在微生物分解之下能夠形成較多含量的碳，從而對土壤碳庫形成了較大的補(bǔ)充作用[25-27]，另外，根系轉(zhuǎn)化也能夠明顯促進(jìn)碳含量的上升。對于土壤團(tuán)聚體而言，作為土壤重要構(gòu)成，其在促進(jìn)土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定方面起著積極作用，能夠有效降低水土流失；此外，其能夠有效保護(hù)有機(jī)碳，進(jìn)而在肥力保持方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，提升土壤質(zhì)量；對于農(nóng)田來說，由于長期的耕作而導(dǎo)致其表層土壤較為疏松，從而使得其碳含量出現(xiàn)較大的流失，此外，加之孔隙度的增加，有機(jī)碳礦化現(xiàn)象更為突出；待農(nóng)作物成熟收割后，其秸稈難以及時還田，也無法繼續(xù)增加碳含量[27]。通過相關(guān)分析得知，就MWD，GMD和土壤呼吸而言，其與TOC，LFOC和POC之間均呈現(xiàn)正向變化關(guān)系，并達(dá)到了極顯著水平。