縉云山5種植被下土壤活性有機(jī)碳及碳庫(kù)變化特征①

朱浩宇，王子芳，陸 暢，陳仕奇，王富華，呂 盛，高 明

(西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400715)

土壤活性有機(jī)碳是土壤有機(jī)碳(SOC)的活性部分，它在土壤中具有周轉(zhuǎn)速率快、穩(wěn)定性差、有效性較高等特點(diǎn)[1]。土壤活性有機(jī)碳的表征指標(biāo)包括微生物生物量碳(MBC)、可溶性有機(jī)碳(DOC)、易氧化有機(jī)碳(ROC)，雖然活性有機(jī)碳占SOC總量的比例很小，但對(duì)土壤微環(huán)境變化的響應(yīng)更為靈敏，更能反映土壤碳庫(kù)的變化情況[2]。土壤碳庫(kù)的變化主要是由土壤活性有機(jī)碳的變化引起的[3]，土壤活性有機(jī)碳含量的高低會(huì)影響土壤微生物的活性，從而影響土壤的固碳能力，并引起全球氣候的變化[4]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)土壤活性有機(jī)碳開展了大量研究，主要集中于不同植被類型[4-7]，不同土地利用方式[8-9]，施肥措施、生態(tài)恢復(fù)等[10-12]行為對(duì)土壤活性有機(jī)碳的影響。

森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中重要的自然生態(tài)系統(tǒng)，在維護(hù)區(qū)域生態(tài)環(huán)境，調(diào)控全球氣候變化中發(fā)揮著重要作用[13]。森林土壤碳庫(kù)是森林生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)的主體，約占全球土壤碳庫(kù)的70%[14]，其細(xì)微的變化都會(huì)影響全球碳循環(huán)和氣候變化。森林土壤碳庫(kù)的變化與土壤中的活性有機(jī)碳組分密不可分，通過研究不同森林土壤活性有機(jī)碳的分布及變化特征，對(duì)了解森林土壤固碳能力、進(jìn)行森林管理工作具有重要意義。

縉云山國(guó)家森林保護(hù)區(qū)位于我國(guó)西南亞熱帶地區(qū)，是當(dāng)?shù)刂匾纳稚鷳B(tài)系統(tǒng)。李睿等[15]研究了不同土地利用方式對(duì)縉云山土壤團(tuán)聚體中活性有機(jī)碳分布的影響，發(fā)現(xiàn)在0 ~ 60 cm土層中，各粒級(jí)團(tuán)聚體中活性有機(jī)碳在林地和撂荒地中的含量均高于果園和坡耕地。祁心等[16]研究發(fā)現(xiàn)，在縉云山不同土地利用方式中，撂荒地中的DOC含量最高。前人在縉云山地區(qū)開展的土壤活性有機(jī)碳研究主要集中于土地利用方式上，而對(duì)縉云山不同植被類型下土壤活性有機(jī)碳的研究還鮮有報(bào)道。因此，本文以縉云山5種植被類型為研究對(duì)象，分析了不同植被類型下0 ~100 cm土層SOC及活性有機(jī)碳的分布特征，以期揭示不同植被類型下土壤活性有機(jī)碳的變化規(guī)律，并為亞熱帶地區(qū)及縉云山自然保護(hù)區(qū)植被恢復(fù)與碳庫(kù)保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

縉云山保護(hù)區(qū)橫跨重慶市沙坪壩、璧山、北碚3個(gè)行政區(qū)(106°15′ ~ 106°26′ E，29°43′ ~ 29°53′ N)，海拔高度200 ~ 953 m，屬于典型亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫約13.5 ℃，年降雨量約1 145 mm，年蒸發(fā)量約778.3 mm。土壤類型為山地酸性黃壤[17]。區(qū)域內(nèi)主要植被類型包括亞熱帶常綠闊葉林、針–闊混交林、灌木林、竹林及亞熱帶灌草叢，屬典型的亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)，詳細(xì)植被參見文獻(xiàn)[18]。

1.2 樣品采集與測(cè)定

選取縉云山常綠闊葉林(簡(jiǎn)稱，闊葉林)、針葉林、針–闊混交林(簡(jiǎn)稱，混交林)、竹林和荒草地5種植被類型，每種植被類型布置3個(gè)采樣區(qū)，在每個(gè)采樣區(qū)隨機(jī)設(shè)置3個(gè)采樣點(diǎn)，利用剖面取樣法在各個(gè)樣點(diǎn)的0 ~ 20、20 ~ 40、40 ~ 60及60 ~ 100 cm土層深度分別進(jìn)行取樣，按照層次將各采樣區(qū)的3個(gè)采樣點(diǎn)土樣進(jìn)行混合，用4分法取足夠土樣，土壤采樣方法與呂盛[19]采用的一致。去除土樣中的雜質(zhì)，風(fēng)干研磨后過0.25 mm篩，測(cè)定土壤MBC、DOC和ROC。采樣點(diǎn)信息見表1，研究區(qū)所在位置及采樣點(diǎn)的空間位置見圖1。

表1 采樣點(diǎn)信息Table 1 Information of sampling sites

SOC采用K2CrO7外加熱法測(cè)定[20]；ROC采用高錳酸鉀氧化比色法測(cè)定；MBC采用氯仿熏蒸–K2SO4浸提法測(cè)定；采用振蕩浸提，上清液過0.45 μm濾膜后，使用Multi N/C 2100分析儀(耶拿，德國(guó))測(cè)定DOC含量[21]。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

本研究以撂荒15 a的荒草地作為參照土壤，不同植被土壤碳庫(kù)管理指數(shù)計(jì)算如下[19]：

式中：SOC為土壤有機(jī)碳含量；ROC為易氧化有機(jī)碳含量；NL為非活性有機(jī)碳含量；L為碳庫(kù)活度；LI為碳庫(kù)活度指數(shù)；L0為參照土壤的碳庫(kù)活度；SOC0為參照土壤的有機(jī)碳含量；CPI為碳庫(kù)指數(shù)；CMI為碳庫(kù)管理指數(shù)。

文中采用SPSS 23.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，采用Excle軟件進(jìn)行作圖。處理間差異顯著性檢驗(yàn)采用LSD法，顯著性水平為P<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被類型下土壤有機(jī)碳的分布特征

由圖2可知，SOC含量在不同植被類型下大部分存在表層富集現(xiàn)象，并隨土層深度的增加而垂直下降。除針葉林外，其他4種植被類型在0 ~ 40 cm土層SOC含量均顯著高于其他各土層(P<0.05)。除60 ~100 cm土層外，5種植被類型的SOC含量在其他各土層差異顯著，其中竹林土壤SOC含量最高，針葉林最低；在整個(gè)土壤剖面上，竹林和闊葉林的SOC含量相對(duì)較高，為16.74 g/kg和12.62 g/kg，分別是針葉林的2.8倍和2.11倍。

2.2 不同植被類型下土壤活性有機(jī)碳的分布特征

2.2.1 不同植被類型下土壤MBC的分布特征 由圖3可知，各植被類型下土壤MBC含量均呈現(xiàn)垂直向下逐漸減少的趨勢(shì)，在0 ~ 20 cm土層達(dá)到最高值。在0 ~ 40 cm土層中，不同植被類型間的MBC含量差異顯著(P<0.05)，闊葉林的含量最高，針葉林的含量最低；MBC在0 ~ 100 cm土層的平均含量大小趨勢(shì)為：闊葉林(182.19 mg/kg)>竹林(166.87 mg/kg)>混交林(129.23 mg/kg)>草地(102.25 mg/kg)>針葉林(54.95 mg/kg)；與SOC含量變化不同的是，闊葉林(182.19 mg/kg)的MBC含量要高于竹林(166.87 mg/kg)。

2.2.2 不同植被類型下土壤DOC的分布特征 由圖4可知，在0 ~ 20 cm土層，各植被類型下的DOC含量均顯著高于其他各土層(P<0.05)，表現(xiàn)出明顯的表聚效應(yīng)。相較0 ~ 20 cm土層，5種植被類型在其他土層的DOC含量隨土層深度增加的降幅變化范圍分別為：16.08% ~ 74.78%、72.80% ~ 83.06%、65.76%~ 87.17%、65.18% ~ 83.21%、73.72% ~ 90.30%；在各植被類型間，DOC含量并沒有表現(xiàn)出顯著的差異性(P<0.05)。DOC在0 ~ 20 cm土層含量大小依次為：草地(141.98 mg/kg)>闊葉林(59.36 mg/kg)>混交林(49.70 mg/kg)>竹林(46.63 mg/kg)>針葉林(40.59 mg/kg)。DOC含量的剖面分布中，草地各土層顯著高于其他植被(P<0.05)。

2.2.3 不同植被類型下土壤ROC的分布特征 不同植被類型下土壤ROC分布如圖5所示，在0 ~ 20 cm土層ROC平均含量為3.80 mg/kg，與其他土層存在顯著差異，表明ROC存在表層聚集現(xiàn)象；其中，竹林的ROC含量最高，為5.09 mg/kg，顯著高于其他植被。ROC在整個(gè)土壤剖面的平均含量從大到小依次為：竹林(2.65 mg/kg)>闊葉林(2.31 mg/kg)>草地(1.99 mg/kg) >混交林(1.93 mg/kg)>針葉林(1.72 mg/kg)。

2.2.4 不同植被類型下土壤活性有機(jī)碳的分布特征 土壤活性有機(jī)碳的分配比例反映土壤碳庫(kù)的活性特征。從表2可以看出，土壤的MBC/SOC比值變化范圍為0.46% ~ 2.66%。在整個(gè)土壤剖面上，0 ~ 20 cm土層的MBC/SOC比值要低于其他土層。在各植被類型間，MBC/SOC平均值變化順序?yàn)榛旖涣?2.03%)>闊葉林(1.38%)>竹林(1.05%)>針葉林(0.96%)>草地(0.86%)。在整個(gè)土壤剖面中，DOC/SOC比值變化范圍為0.08% ~ 0.97%，且0 ~ 20 cm土層比例最大。各植被間，DOC/SOC比值的變化順序?yàn)椋翰莸?0.72%)>針葉林(0.26%)>混交林(0.23%)>闊葉林(0.18%)>竹林(0.10%)。土壤ROC/SOC比值要明顯高于MBC/SOC比值和DOC/SOC比值，其變化范圍為11.92% ~ 42.46%。在0 ~ 20 cm土層，各植被的ROC/SOC比值明顯高于其他土層，且針葉林最高，為42.46%，分別是草地、竹林、闊葉林、混交林的2.42倍、2.29倍、2.40倍、1.74倍。在各植被類型間，ROC/SOC平均值的變化順序?yàn)椋横樔~林(26.73%)>混交林(24.52%)>闊葉林(18.85%)>草地(15.71%)>竹林(15.23%)。

表2 土壤活性有機(jī)碳占SOC的比例(%)Table 2 Proportions of soil active organic carbon to SOC

2.3 不同植被類型下土壤碳庫(kù)的變化特征

2.3.1 土壤碳庫(kù)管理指數(shù)變化 通過計(jì)算縉云山5種植被類型土壤碳庫(kù)管理指數(shù)(表3)發(fā)現(xiàn)，除草地外，其他4種植被土壤碳庫(kù)管理指數(shù)均隨土壤深度的增加而減少，且0 ~ 20 cm土層碳庫(kù)管理指數(shù)明顯高于其他土層。在同一土層中，不同植被類型間土壤碳庫(kù)管理指數(shù)也存在顯著性差異(P<0.05)。除草地外，4種植被類型在0 ~ 20 cm土層的土壤碳庫(kù)管理指數(shù)均大于100，其中竹林土壤碳庫(kù)指數(shù)最高(200.18)；在20 ~ 40 cm土層中，竹林土壤碳庫(kù)指數(shù)最高(139.58)，是土壤碳庫(kù)指數(shù)最低的針葉林的1.76倍；在40 ~ 100 cm土層，4種植被類型土壤碳庫(kù)管理指數(shù)均小于草地?？傮w上，5種植被類型土壤碳庫(kù)指數(shù)和SOC含量分布特征相同，且表層土壤最高。

表3 土壤碳庫(kù)管理指數(shù)變化Table 3 Changes in soil carbon bank management index

2.3.2 SOC儲(chǔ)量分布 由圖6所示可知，在0 ~100 cm土層SOC儲(chǔ)量主要富集在土壤表層。在0 ~20 cm土層，竹林SOC儲(chǔ)量表現(xiàn)為最高(57 t/hm2)，顯著高于針葉林和混交林；在20 ~ 40 cm土層，竹林SOC儲(chǔ)量同樣為最高 (43.52 t/hm2)，針葉林為最低(17.22 t/hm2)；在40 ~ 60 cm土層，竹林SOC儲(chǔ)量仍最高，為34.8 t/hm2；在60 ~ 100 cm土層，草地SOC儲(chǔ)量最高(50.71 t/hm2)，混交林為最低(19.09 t/hm2)?？傮w而言，在整個(gè)土壤剖面中(0 ~ 100 cm土層)，竹林SOC儲(chǔ)量最高，而針葉林最低。在0 ~ 60 cm土層SOC儲(chǔ)量表現(xiàn)為隨著土壤深度增加而減少，但在60 ~100 cm土層中表現(xiàn)為增加趨勢(shì)。

2.4 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

由表4 SOC及其活性組分之間的相關(guān)性可知，MBC含量與SOC含量之間呈極顯著相關(guān)，與ROC含量也表現(xiàn)為極顯著相關(guān)(P<0.01)；而DOC、SOC含量和SOC儲(chǔ)量之間未表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性；ROC、SOC含量和SOC儲(chǔ)量之間有著極其顯著的相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。

表4 SOC及其組分間的相關(guān)性Table 4 Correlation coefficients between different fractions of soil carbon

3 討論

3.1 不同植被類型下土壤有機(jī)碳和活性有機(jī)碳分布特征

SOC含量受地表植被類型的直接影響，不同植被類型下凋落物的數(shù)量、組成及其分解行為不同，導(dǎo)致SOC含量的不同[20]。本研究中，縉云山5種植被類型下，竹林和闊葉林的SOC含量較高，且有研究顯示針葉林SOC含量一般要低于闊葉林[22]，與本研究結(jié)果一致。針葉林SOC含量相對(duì)較低是因?yàn)獒樔~林的植物物種較為單一，地表凋落物少，生物歸還量有限，而闊葉林和竹林地表凋落物豐富，有更加充足的外源有機(jī)物料的輸入，因此SOC含量更高[23]。5種植被類型下SOC含量總體隨著土層深度的增加而垂直遞減，這是由于下層土壤更加密實(shí)，阻擋SOC向下遷移，并且植物根系在深層土壤中的密度變小，微生物代謝活動(dòng)減弱，所以表層SOC含量更高[24]。

MBC是整個(gè)土壤生態(tài)系統(tǒng)中養(yǎng)分和能量循環(huán)的關(guān)鍵因子和驅(qū)動(dòng)力。本研究中，MBC與SOC含量存在極顯著相關(guān)(P<0.01)，與前人的研究結(jié)果吻合[25]。在0 ~ 100 cm土層，MBC含量隨著土層加深而減少，因?yàn)殡S著土層加深，土壤更為密實(shí)，水熱條件變差不利于土壤微生物的生存[24]。在5種植被中，針葉林MBC含量表現(xiàn)最低，這是由于本研究的針葉林以杉木林為主，陳龍池和汪思龍[26]通過對(duì)杉木根系分泌物化感作用的研究發(fā)現(xiàn)，杉木連栽會(huì)提高根系分泌物的濃度，產(chǎn)生的化感作用會(huì)抑制土壤中微生物的活性，阻礙微生物對(duì)凋落物的降解利用；而闊葉林的地表凋落物中含有親水性和易變的低分子化合物，更容易被土壤微生物分解利用。與SOC不同的是，在0 ~40 cm土層竹林MBC含量低于闊葉林，這主要因?yàn)殚熑~林較竹林郁閉度高，且林下植被層和凋落物層豐富，可以提供更適宜微生物代謝活動(dòng)的水熱條件[27]。

本研究中，5種植被類型下的DOC含量表現(xiàn)出明顯的表層富集現(xiàn)象，與肖好燕等[28]對(duì)亞熱帶4種典型林分的研究結(jié)果相似，這是由于礦質(zhì)土壤對(duì)DOC的吸附作用和深層土壤自身的緊密性，使得DOC富集在表層[29]。植被類型會(huì)影響DOC含量，在本研究中整個(gè)土壤剖面上，草地DOC含量最高。祁心等[16]研究發(fā)現(xiàn)，草地DOC含量顯著高于其他3種(闊葉林、果園和坡耕地)土地利用類型，這和本研究結(jié)果相同，主要由于研究區(qū)草本植物多為一年生植物，生長(zhǎng)代謝周期短，對(duì)土壤的有機(jī)質(zhì)注入周期短。

ROC含量受植被凋落物、根系分泌物及其分布情況的影響[30]。本研究中，除草地外，0 ~ 20 cm土層ROC含量要顯著高于其他土層，與張仕吉等[31]研究結(jié)果一致，這主要因?yàn)殡S著土層深度的增加，導(dǎo)致外源碳輸入的減少和微生物代謝活動(dòng)的減弱[24]。由相關(guān)性分析可知，ROC含量分別與SOC含量及儲(chǔ)量存在極其顯著相關(guān)(P<0.01)，說(shuō)明ROC能夠敏感地反映土壤有機(jī)碳庫(kù)的動(dòng)態(tài)變化。

3.2 不同植被類型下土壤活性有機(jī)碳分配比例的差異

土壤活性有機(jī)碳分配比例對(duì)揭示土壤碳庫(kù)儲(chǔ)量變化具有重要的作用[2]。不同的土層深度、植被類型不僅會(huì)影響土壤MBC、DOC、ROC和SOC含量，也會(huì)改變土壤活性有機(jī)碳分配比例。本研究中，MBC/SOC比值(微生物熵值)下層土壤略高于表層的特征，與王風(fēng)芹等[32]研究結(jié)果吻合，說(shuō)明下層土壤微生物固定的碳更多，可提供更多的潛在營(yíng)養(yǎng)源。本研究表明，整個(gè)土層中混交林的MBC/SOC比值表現(xiàn)最高，主要由于混交林存在復(fù)雜的植被構(gòu)成，為微生物生存提供較好的水熱條件[24]。

DOC/SOC比值是表征土壤碳活性的較好指標(biāo)。本研究結(jié)果表明，5種植被類型的土壤DOC/SOC比值整體呈現(xiàn)隨著土壤厚度增加而降低的趨勢(shì)，這可能是因?yàn)楸驹囼?yàn)點(diǎn)選取的土壤類型屬于礦質(zhì)土，其較多的礦物質(zhì)成分對(duì)DOC具有一定的吸附性能，阻礙了DOC向下層土壤遷移[19,29]。通過分析5種植被下DOC/SOC比值可知，草地表現(xiàn)為最高，這主要因?yàn)榕c草地相比，其他4種森林植被的土壤剖面DOC來(lái)源較少，主要包含少量富啡酸、分子量偏小的有機(jī)酸和碳水化合物[32]。

土壤ROC含量與活性有機(jī)碳含量有著極顯著相關(guān)性(P<0.01)，ROC占SOC比例越高，養(yǎng)分循環(huán)速率越快，越有利活性SOC的積累[33]。本研究中，在0 ~ 100 cm土層，ROC/SOC比值大小表現(xiàn)為：針葉林>混交林>闊葉林>草地>竹林，說(shuō)明針葉林SOC活性較高，而竹林SOC穩(wěn)定性較好，竹林和闊葉森林植被更有利于SOC的固定。

3.3 不同植被類型下土壤碳庫(kù)的變化特征

碳庫(kù)管理指數(shù)可以衡量外界因素變化對(duì)SOC質(zhì)量的影響程度[10]。李瑋等[34]通過對(duì)低山丘陵區(qū)退耕茶園的研究，發(fā)現(xiàn)不同土層深度和不同種植年限的植被均影響著土壤碳庫(kù)管理指數(shù)，其隨著土層深度的增加而降低。本研究中，除草地外，其他4種植被的土壤碳庫(kù)管理指數(shù)均呈現(xiàn)隨著土層的加深而降低的趨勢(shì)，與李瑋等[34]研究結(jié)果一致。有研究發(fā)現(xiàn)，碳庫(kù)管理指數(shù)能反映土壤活性有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)速率，其數(shù)值越大，表明土壤肥力越高，更能促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育[35]。本研究中，竹林和闊葉林的碳庫(kù)管理指數(shù)偏高，較其他植被更有利于SOC的儲(chǔ)存；此外，5種植被類型下SOC儲(chǔ)量均表現(xiàn)為隨土層加深而減少的趨勢(shì)，與SOC含量分布規(guī)律一致。

4 結(jié)論

縉云山5種植被類型下0 ~ 100 cm土層的SOC平均含量變化范圍為5.98 ~ 16.74 g/kg，在剖面上均表現(xiàn)出明顯的垂直遞減規(guī)律。竹林的SOC平均含量最高，針葉林最低。竹林和闊葉林的MBC和ROC含量總體上高于混交林和針葉林，受森林類型的顯著影響。DOC含量存在明顯的表聚效應(yīng)，不受森林類型的顯著影響。縉云山5種植被類型下，竹林和闊葉林的ROC、DOC分配比例相對(duì)較低，更有利于SOC的積累，在今后的縉云山林區(qū)保護(hù)工作中應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)這兩種森林類型的保護(hù)，穩(wěn)定土壤碳庫(kù)。