王艷丹,何光熊,宋子波,張夢寅,楊淏舟,史亮濤*
酸角人工林不同坡位土壤有機碳及其活性組分的變化①
王艷丹1,2,何光熊1,2,宋子波3,張夢寅1,2,楊淏舟1,2,史亮濤1,2*
(1云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所,云南元謀 651399;2元謀干熱河谷植物園,云南元謀 651399;3云南貓哆哩集團食品有限責(zé)任公司,云南玉溪 659288)
在野外采集酸角林下0 ~ 20 cm和20 ~ 40 cm土壤,分析不同坡位(坡頂、坡中和坡腳)對酸角林土壤有機碳(SOC)、易氧化有機碳(ROC)、顆粒有機碳(POC)和可溶性有機碳(DOC)的影響。研究結(jié)果表明:①酸角林的坡頂SOC富集,坡中SOC最低;坡頂和坡中的SOC主要在土壤表層(0 ~ 20 cm)出現(xiàn)富集現(xiàn)象;②ROC、POC、DOC含量變化與SOC含量變化相似,ROC、POC、DOC含量與SOC含量呈極顯著的正相關(guān)(<0.01);③ROC占SOC的比例范圍為33.11% ~ 47.00%,DOC占SOC的比例范圍為1.27% ~ 1.89%,POC占SOC的比例范圍為20.10% ~ 26.51%;④坡腳土壤碳庫的穩(wěn)定性最好,易于積累有機碳。在元江干熱河谷中種植鄉(xiāng)土樹種——酸角,對SOC產(chǎn)生了有益影響,促進了該區(qū)域SOC的庫效益。
羅望子;坡位;土壤有機碳;垂直分布;鄉(xiāng)土樹種
有機碳在全球碳循環(huán)中處于核心地位[1]。森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的有機碳庫之一,對于調(diào)節(jié)全球碳平衡和減緩大氣CO2濃度上升具有不可替代的作用[2]。干熱河谷區(qū)域干旱少雨,土壤侵蝕強烈,植被退化嚴重,是我國西南一類特殊的脆弱生態(tài)系統(tǒng)。長久以來,植被恢復(fù)困難是制約干熱河谷區(qū)域生態(tài)環(huán)境治理的重要因素,目前這一問題已引起社會和學(xué)界廣泛關(guān)注,并在植被恢復(fù)的理論及模式構(gòu)建、物種篩選、綜合治理評價等方面開展了深入研究,為區(qū)域生態(tài)治理奠定了重要基礎(chǔ)。然而,目前尚缺乏干熱河谷植被恢復(fù)對我國西南、全國、乃至全球碳庫構(gòu)建的有效評估,亦缺乏對該區(qū)土壤碳庫特征的認識,制約了干熱河谷及其相關(guān)區(qū)域植被恢復(fù)措施的宏觀決策過程。酸角(L.),又稱羅望子、酸梅(海南)、木罕(傣語),屬豆科(Leguminosae)羅望子屬()多年生植物,主要分布于云南金沙江、怒江、元江干熱河谷及西雙版納一帶。酸角樹耐干旱、喜光照,適宜炎熱氣候,根系龐大、樹形優(yōu)美、枝繁葉茂,是防止水土流失較好的樹種,同時也是凈化空氣、美化環(huán)境較好的觀賞性植物。因而成為區(qū)域植被恢復(fù)的重要喬木樹種,在干熱河谷典型區(qū)金沙江流域元謀段、紅河流域元江段等區(qū)域進行了大面積的鄉(xiāng)土喬木造林。然而,目前尚缺乏酸角樹種植對干熱河谷土壤碳庫影響的有效評價。
土壤有機碳(SOC)是土壤碳庫的容量指標,但其對短期內(nèi)的人為活動和環(huán)境因子變化的響應(yīng)不敏感[3],需要通過一些活性指標反映SOC和土壤質(zhì)量的變化[4],如顆粒態(tài)有機碳(POC)、易氧化有機碳(ROC)、可溶性有機碳(DOC)等。ROC周轉(zhuǎn)時間短,能反映土壤碳庫的短期變化,控制著土壤養(yǎng)分的流失[5]。DOC是土壤微生物分解的活性底物,是有機碳中最易變的組分[6]。POC周轉(zhuǎn)期5 ~ 20年,屬于慢變庫(slow pool),對土壤環(huán)境和管理措施的變化十分敏感[7]。土壤中活性碳組分占SOC的比例,可在一定程度上反映SOC的質(zhì)量和穩(wěn)定程度[8]。自然界中,SOC及其組分特征會受到環(huán)境因素的影響,地形作為成土過程中的一個重要因素,它不但支配著地表和土壤中水熱資源的重新分配,而且影響著土壤生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)過程和強度,對SOC分布和儲量有著深遠影響[9]。坡位是描述地形特征的主要指標,是影響SOC坡面尺度變異的重要地形因素,通過土壤侵蝕與堆積作用,使有機碳在坡面上重新分配[10]。干熱河谷地形破碎、土壤侵蝕嚴重,因此,研究不同坡位SOC及其不同組分的動態(tài)變化與分配比例,對認識土壤碳固定過程及維持土壤碳庫平衡具有重要意義。
本試驗以元江干熱河谷7年齡酸角人工林為對象,通過野外調(diào)查采樣與室內(nèi)分析相結(jié)合的方法,對酸角林SOC含量及其組分進行研究,在分析不同坡位(坡頂、坡中和坡腳)酸角林SOC及其組分含量變化特征的基礎(chǔ)上,探討干熱河谷植被恢復(fù)中鄉(xiāng)土喬木酸角為主體的植被恢復(fù)模式的碳固定效益,旨在為相關(guān)區(qū)域退化土壤有機碳庫重建及生產(chǎn)力提升提供參考。
研究區(qū)位于玉溪市新平縣漠沙鎮(zhèn)曼線村委會大曼線村牛獨山上的貓哆哩莊園。該區(qū)為氣候干燥酷熱、終年無霜的干熱河谷壩區(qū),屬于亞熱帶季風(fēng)氣候。平均海拔564 m,年平均氣溫24.9℃,年降雨量711.8 mm,降雨量多集中在6—10月。試驗地的貓哆哩莊園始建于2012年,地處哀牢山東麓,為紅河流域干熱河谷典型地段,是目前全國最大的人工酸角連片林區(qū)。試驗區(qū)酸角引種自云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所,引種時樹齡2年。建林早期采用埋管灌溉管理,成林后以雨養(yǎng)林管理為主。酸角林在建植期,距樹約1 m處大量使用有機肥(羊糞)進行溝施,后期未再施肥。酸角林樹種單一,林下無其他配置,株距6 m。土壤類型為砂質(zhì)黏壤土,土壤由巖石風(fēng)化、土壤沙化等方式形成,土層淺薄,其滲水性較好,為易發(fā)生土壤水蝕類型。該地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,河谷區(qū)成土母質(zhì)為第四紀洪積沖積物和近代河流沖積物[11]。
2017年6月,選擇3座東北向的酸角人工林山坡,地理坐標23.76° N、101.80° E,平均坡長約305 m,坡度約為27° ~ 35°,平均海拔為600.83 m。在每個山坡的坡頂、坡中和坡腳隨機選取3個樣地,采集土樣包括環(huán)刀樣,采樣深度為0 ~ 20、20 ~ 40 cm;將同一坡位0 ~ 20 cm土層3個取樣點的土壤進行充分混合,四分法保留約500 g帶回實驗室待分析;20 ~ 40 cm土層土樣按照相同方法處理。共采得不同坡位、不同土層的18個混合樣。采樣后的土壤剖面坑進行回填處理,防止土壤流失。為避免建植期所施肥料的影響,采樣時開挖的土壤剖面應(yīng)當遠離肥料溝。
將土壤樣品去除雜物和植物根系后,自然風(fēng)干,過2 mm篩待測。土壤含水量采用烘干法測定,容重采用環(huán)刀法測定,土壤pH使用pH計進行測定,土壤全氮含量采用凱氏蒸餾法測定,土壤全磷含量采用NaOH熔融–鉬銻抗比色法測定,具體測定方法參照魯如坤的《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[12]。土壤基本理化性質(zhì)見表1。
表1 不同坡位土壤基本理化性質(zhì)
另一部分風(fēng)干樣品用于測定SOC、ROC、POC和DOC。SOC含量采用油浴加熱后,重鉻酸鉀–硫酸氧化法測定[13];ROC含量采用KMnO4氧化法測定[14];DOC含量采用水土質(zhì)量比2∶1,重鉻酸鉀容量法–外加熱法測定;POC含量采用六偏磷酸鈉分散,重鉻酸鉀氧化–外加熱法測定[15]。
SOC活性組分在SOC中的分配比例計算公式為:
POC的分配比例:P=POC/SOC (1)
ROC的分配比例:R=ROC/SOC (2)
DOC的分配比例:D=DOC/SOC (3)
采用Excel 2016和SPSS 20.0進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析,采用單因素方差分析和LSD多重比較對不同坡位酸角林土壤的SOC、DOC、POC、ROC及其分配比例進行差異顯著性檢驗,采用Pearson相關(guān)法分析SOC、DOC、POC和ROC的相關(guān)關(guān)系。顯著性水平=0.05。用Origin 8.0進行繪圖。
0 ~ 20 cm土層坡頂SOC含量顯著大于坡中、坡腳(<0.05,圖1),坡中與坡腳的SOC相近(>0.05);20 ~ 40 cm土層的SOC含量在坡頂與坡腳位置差異不明顯(>0.05),但都顯著大于坡中(<0.05)。
相較于0 ~ 20 cm土層,20 ~ 40 cm土層的SOC含量在坡頂和坡中都顯著減少(<0.05),在坡腳略增加但兩土層間沒有顯著差異(>0.05)。
2.2.1 POC、ROC和DOC的含量 0 ~ 40 cm土層SOC活性組分DOC、ROC含量隨坡位的變化均表現(xiàn)為坡頂>坡腳>坡中(圖2A、C)。0 ~ 20 cm土層的ROC含量坡頂顯著大于坡中(<0.05,圖2A),與坡腳差異不顯著(>0.05);20 ~ 40 cm土層坡頂、坡腳ROC含量顯著大于坡中(<0.05),坡頂與坡腳差異不顯著(>0.05)。0 ~ 20 cm土層的DOC含量在坡中和坡腳沒有明顯差異(>0.05,圖2C),在坡頂DOC含量顯著大于坡中、坡腳(<0.05);20 ~ 40 cm土層變化比表層更明顯(<0.05),DOC含量坡頂>坡腳>坡中。
(圖中不同大寫字母表示同一土層不同坡位間差異顯著(P<0.05),不同小寫字母表示同一坡位不同土層間的差異顯著(P<0.05);下同。)
0 ~ 20 cm土層的POC含量隨坡位的變化與ROC相似(圖2B);20 ~ 40 cm土層的POC含量變化則很不相同,在坡腳處最大(<0.05),坡頂和坡中沒有顯著差異(>0.05)。
坡頂和坡中的酸角林隨著土層深度增加,ROC、POC、DOC含量均顯著減少(<0.05,圖2);坡腳的酸角林在0 ~ 20 cm和20 ~ 40 cm土層沒有顯著變化(>0.05)。
2.2.2 POC、ROC和DOC的分配比例 0 ~ 20 cm土層的ROC/SOC值在各個坡位沒有顯著性差異(> 0.05,圖3A),20 ~ 40 cm土層坡中大于坡頂(>0.05),顯著大于坡腳(<0.05)。0 ~ 20 cm和20 ~ 40 cm土層POC/SOC值隨坡位均沒有顯著變化(>0.05,圖3B)。0 ~ 20 cm土層的DOC/SOC值在各個坡位沒有顯著性差異(>0.05),但在20 ~ 40 cm土層隨坡位下降DOC/SOC值明顯減小,坡頂與坡腳具有顯著差異(<0.05,圖3C)。
圖2 不同坡位的DOC、ROC和POC含量變化
圖3 不同坡位的ROC/SOC、POC/SOC和DOC/SOC的變化
0 ~ 20 cm和20 ~ 40 cm土層的ROC/SOC值在坡頂和坡中沒有顯著差異(>0.05),在坡腳表層明顯高于20 ~ 40 cm土層(<0.05)。0 ~ 20 cm和20 ~ 40 cm土層的POC/SOC值和DOC/SOC值在坡頂、坡中、坡腳均無顯著性差異(>0.05)。
整體上,研究區(qū)酸角林土壤ROC/SOC比值介于33.11% ~ 47.00%,POC/SOC比值介于20.10% ~ 26.51%,DOC/SOC比值介于1.27% ~ 1.89%。
不同坡位的酸角林SOC活性組分ROC、POC和DOC含量均與SOC含量呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系(< 0.01,表2)。由此可見,土壤活性有機碳組分含量在很大程度上取決于SOC的含量。
POC與ROC、DOC與ROC、POC與DOC含量之間也呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系(<0.01,表2)。
表2 SOC及其組分的相關(guān)性
注:*表示顯著相關(guān)(<0.05);**表示極顯著相關(guān)(<0.01)。
酸角林0 ~ 20 cm土層SOC含量(7.08 ± 2.46) g/kg,ROC含量為(2.88 ± 1.02) g/kg,POC含量為(1.67 ± 0.54) g/kg,DOC含量為(0.10 ± 0.04) g/kg。20 ~ 40 cm土層的SOC、ROC、POC和DOC含量分別為(5.58 ± 2.46)、(1.90 ± 1.02)、(1.23 ± 0.54)、(0.08 ± 0.03) g/kg。與在元謀干熱河谷生態(tài)恢復(fù)區(qū)的人工林相比較,本研究酸角林SOC含量高于印楝[16]、大葉相思[16-17]、新銀合歡林[16]土壤。與在元陽干熱河谷區(qū)的9年生麻瘋樹人工林[18]相比,0 ~ 40 cm土層麻瘋樹林SOC (10.57 ~ 20.51 g/kg)和DOC含量(259.55 ~ 736.92 mg/kg)更高,但ROC含量(1.63 ~ 3.56 g/kg)與本研究的酸角林相差不大。樹種、林齡、坡位、不同水熱條件等都可能是造成干熱河谷地區(qū)SOC及其組分含量差異的原因,研究區(qū)酸角林也表現(xiàn)出了良好的有機碳積累效益,起到“碳匯”的作用。有研究表明[19],在植被恢復(fù)過程中,選擇豆科植物,輔以鄉(xiāng)土樹種營造常綠闊葉林,有利于提高森林潛在碳匯功能。干熱河谷地區(qū)生態(tài)極端脆弱進行生態(tài)恢復(fù)或造林時需慎重選擇樹種,相較于外引樹種(銀合歡、印楝、大葉相思、麻瘋樹等),鄉(xiāng)土樹種更能適應(yīng)干旱環(huán)境。因此從植物適應(yīng)性和土壤固碳能力的角度綜合考慮,建議在元江干熱河谷優(yōu)先選擇用豆科的酸角進行生態(tài)恢復(fù)或造林,實現(xiàn)當?shù)赝嘶鷳B(tài)系統(tǒng)植被的可持續(xù)恢復(fù)。
坡位作為重要的地形因子,主要通過水土流失和土壤侵蝕影響SOC的空間分布,進而對SOC儲量產(chǎn)生深遠影響。在土壤侵蝕或雨水沖刷作用下,坡位由上至下SOC含量會逐漸增加[20]。但是本研究中,SOC含量從坡頂?shù)狡轮谐尸F(xiàn)明顯的降低,從坡中到坡腳逐漸增加(圖1)。研究表明,從坡腳到坡中再到坡頂,分解系數(shù)(枯枝落葉量/枯枝落葉層)略減小,分解率明顯降低[21],導(dǎo)致上坡位SOC含量要高于下坡位[22]。研究區(qū)屬于半干旱地區(qū),缺乏定期灌溉,土壤水分來源于降雨,降雨沖刷坡面并產(chǎn)生侵蝕,坡頂土壤含水量最低(表1),水分喪失較快無法為微生物分解提供足夠的水分,土壤微生物對碳的分解速率低,保證了坡頂SOC的富集。相較于坡頂位置,坡中和坡腳的成土過程和淋溶過程較弱,地表侵蝕則相對較強[23]。根據(jù)坡面侵蝕理論,水蝕主要發(fā)生在中坡與下坡,因為這兩個位置是坡面徑流匯集的場所[24],因此酸角林坡中和坡腳的SOC會明顯減少。而坡腳由于接受了來自于坡頂和坡中的侵蝕土壤,導(dǎo)致其SOC含量有所上升。對于SOC含量較低的坡下區(qū)域,尤其是坡中,應(yīng)該增施有機肥,減少除草等耕作行為,減小侵蝕及徑流攜帶的泥沙,從而增加區(qū)域內(nèi)SOC含量。
酸角林土壤剖面SOC分布存在差異,坡頂和坡中表層0 ~ 20 cm土層的SOC含量顯著大于20 ~ 40 cm土層(圖1),說明外源有機物質(zhì)的輸入和枯枝落葉分解輸入的有機碳均主要聚集在土壤表層,隨著土層深度的增加,有機碳來源減少。而坡腳20 ~ 40 cm土層的SOC含量略高于0 ~ 20 cm土層,是因為元江流域25°以上的陡坡山地極易帶來土壤侵蝕[25],因而推測這一結(jié)果是由于坡頂、坡中的土壤在侵蝕作用下被搬運遷移、堆積在坡腳,將原始的富含有機碳的土壤掩埋所致。有研究表明,土壤侵蝕導(dǎo)致的被掩埋的土壤,其養(yǎng)分和碳庫更穩(wěn)定[26],這也可能是造成酸角林坡腳POC含量相對較高的原因。
SOC的數(shù)量只是一個礦化輸入和損失(礦化和流失)平衡的結(jié)果,研究SOC活性組分有利于揭示SOC質(zhì)量的變化及其轉(zhuǎn)化速率。不同活性有機碳組分差異表明有機碳庫變化速率對不同環(huán)境變量的響應(yīng)差異。ROC、POC、DOC含量依賴于SOC含量的變化,因此酸角林SOC含量的特殊變化規(guī)律,導(dǎo)致了其組分也發(fā)生相似的變化(圖2)。表2結(jié)果也證明ROC、POC、DOC含量與總SOC含量呈極顯著的正相關(guān)(< 0.01),這與石亞攀等[27]、鄔建紅等[28]的研究結(jié)果一致。
本研究中,酸角林土壤ROC和DOC含量在不同坡位、不同土壤剖面上的分布與SOC含量分布特征相近(圖2A、C)。有研究表明,土壤濕度的增加會加速SOC的分解,從而降低ROC含量[29];DOC具有易溶于水、流動性強的特點,會在原位下滲或在徑流、機械耕作作用下向下坡方向遷移。本研究結(jié)果顯示,從坡頂?shù)狡履_,酸角林土壤含水量逐漸增多(表1),導(dǎo)致坡中和坡腳的ROC、DOC含量變化符合這個規(guī)律,不同的是坡頂SOC的富集導(dǎo)致了其活性組分ROC、DOC含量的增多。
POC含量在0 ~ 20 cm土層不同坡位的變化與SOC含量變化相似,但在20 ~ 40 cm土層卻有些不同,坡腳的POC含量明顯高于坡頂和坡中(圖2B)。一方面,POC易受植物根系分布的影響,酸角林在水分含量最高的坡腳位置,根系生長更為旺盛,增加了POC含量。另一方面,POC是與砂粒(53 ~ 2 000 μm)結(jié)合的那部分有機碳,由于水蝕對土壤顆粒有分選作用[30],在向下遷移過程中,細小的土壤顆粒攜帶大量養(yǎng)分在下坡位聚集,坡腳的0 ~ 20 cm土層是酸角林建植期機械擾動和近5年土壤侵蝕造成的新淤積土層,而20 ~ 40 cm土層POC含量最高是長期以來土壤顆粒自然分選造成的結(jié)果,進一步證明了坡腳土壤20 ~ 40 cm土層應(yīng)是該坡位的原始表層。
土壤活性有機碳與總有機碳的比值稱為活性有機碳的分配比例。表層0 ~ 20 cm由于人為干擾較大,坡位對ROC和DOC的分配比例均沒有顯著性影響(圖3A、C)。在20 ~ 40 cm土層,ROC/SOC比值變化:坡中>坡頂>坡腳(圖3A),說明坡中養(yǎng)分循環(huán)速率越快,土壤碳的穩(wěn)定性越差,不利于土壤碳庫的積累。由此可知,坡中ROC含量低,但分配比例高,土壤碳庫不穩(wěn)定,也是導(dǎo)致坡中SOC含量低的原因之一。在20 ~ 40 cm土層,DOC/SOC比值坡頂>坡中>坡腳,DOC/SOC 比值越小越不利于SOC的礦化,但可以提高SOC的穩(wěn)定性[31]。在0 ~ 40 cm土層,不同坡位的POC分配比例沒有顯著差異(圖3B)。因此,根據(jù)ROC、POC和DOC的分配比例可知,坡腳土壤碳庫的穩(wěn)定性最好,可以增加碳儲量。雖然目前坡腳SOC及其組分含量沒有坡頂高,但是長期繼續(xù)種植酸角林,坡腳的SOC及活性組分會逐漸積累。
1)坡位顯著影響酸角林SOC的分布,其含量坡頂>坡腳>坡中,SOC的明顯損失主要發(fā)生在坡中位置,特別是在20 ~ 40 cm土層。
2)酸角林SOC表聚特征在坡頂和中坡十分明顯,在坡腳土層間沒有顯著差異。
3)ROC、POC、DOC含量與SOC含量呈極顯著的正相關(guān),ROC、POC、DOC含量變化與SOC含量變化相似。
4)ROC/SOC比值>POC/SOC比值>DOC/SOC比值,坡腳土壤有機碳庫更穩(wěn)定,易于積累更多的有機碳。
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Study on Soil Organic Carbon and Its Active Fractions at Different Slope Sites ofPlantation
WANG Yandan1,2, HE Guangxiong1,2, SONG Zibo3, ZHANG Mengyin1,2, YANG Haozhou1,2, SHI Liangtao1,2*
(1 Institute of Tropical Eco-Agricultural Sciences, Yunnan Academy of Agricultural Sciences, Yuanmou,Yunnan 651399, China; 2 Yuanmou Dry-Hot Valley Botanical Garden, Yuanmou, Yunnan 651399, China; 3 Yunnan Maoduoli Group Food Co., Ltd., Yuxi, Yunnan 659288, China)
Soil samples were collected from 0–20 and 20–40 cm depths in different slope sites (top of slope, middle of slope, and foot of slope) ofplantation to analyze the variations of soil organic carbon (SOC), readily oxidizable carbon (ROC), particulate organic carbon (POC) and dissolved organic carbon (DOC). The results showed that SOC ofplantation was the highest at top of slope and the lowest at foot of slope. SOC was enriched in topsoil (0–20 cm) at top and middle of slope, ROC, POC and DOC contents changed similarly as SOC, and there were extremely significant positive correlations between SOC and active soil organic carbon of ROC, POC and DOC (<0.01). The proportions of ROC, DOC and POC in SOC were 33.11%–47.00%, 1.27%–1.89%, and 20.10%–26.51%, respectively. Soil carbon at the foot of slope was the most stable, which is benefit to organic carbon accumulation. Thus, planting, a native tree species, in the dry and hot valley of Yuanjiang has a beneficial effect on SOC accumulation, it can promote the function of soil as organic carbon pool in this area.
S153.6;S714.2
A
10.13758/j.cnki.tr.2020.06.021
王艷丹, 何光熊, 宋子波, 等. 酸角人工林不同坡位土壤有機碳及其活性組分的變化. 土壤, 2020, 52(6): 1256–1262.
云南省科技廳重點研發(fā)計劃項目(2019BC001-02)和云南省科技計劃項目農(nóng)業(yè)聯(lián)合青年項目(2017FG001(-099))資助。
(282547489@qq.com)
王艷丹(1990—),女,云南大理人,碩士,研究實習(xí)員,主要從事土壤生態(tài)學(xué)的研究。E-mail: wangyandankm@163.com