紫色土丘陵坡地5種土地利用方式土壤腐殖物質(zhì)特征比較

楊滿元， 楊 寧

(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)

HS是土壤有機(jī)質(zhì)(Soil organic matter,SOM)在土壤中形成的一系列黑色或棕黑色的非晶形準(zhǔn)高分子有機(jī)化合物[1-2]，占SOM 80%左右，在土壤質(zhì)量演變和碳循環(huán)中起著十分重要的作用[3-4]。HS總碳按不同的酸堿提取過程可分為HA-C(只溶于堿不溶于酸)、FA-C(既溶于酸又溶于堿)和Hu-C(酸堿都不溶)3個(gè)組分[5]。HS因富含植物所需的營養(yǎng)元素，可使植物健康生長；HS可促進(jìn)土壤團(tuán)聚體形成，藉以改善土壤的緩沖性與通透性，有利于土壤養(yǎng)分和水分的保蓄[6-7]；HS顏色較深，可吸收更多太陽幅射熱，有利于植物早生快發(fā)；HS不僅能改善土壤肥力，同時(shí)還是截獲CO2的重要載體，對土壤肥力和環(huán)境保護(hù)具有重要功能[8]。

湖南省衡陽紫色土丘陵坡地面積1.625×105hm2，是湖南省生態(tài)環(huán)境較為惡劣的地區(qū)之一，也是中國南方極具代表性的生態(tài)災(zāi)害易發(fā)區(qū)，該區(qū)域水土流失嚴(yán)重，植被稀疏，基巖裸露，區(qū)域中有的地方幾乎沒有土壤發(fā)育層，生態(tài)環(huán)境十分惡劣，植被恢復(fù)十分困難，該區(qū)域植被恢復(fù)是一項(xiàng)長期、艱巨的工程。為改善區(qū)域環(huán)境，長期以來，實(shí)施植被恢復(fù)取得了良好生態(tài)效果，但以往的研究多集中于土壤理化性質(zhì)、土壤種子庫以及植被恢復(fù)模式等方面[9-11]，針對該區(qū)域不同土地利用方式土壤HS特征研究較少。為此本文以該區(qū)域5種典型土地利用方式土壤為研究對象，對比分析其土壤HS各組分?jǐn)?shù)量和性質(zhì)，闡明其與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系，為該區(qū)域土壤培肥機(jī)理及調(diào)控肥力提供理論依據(jù)，以便更好地指導(dǎo)該區(qū)域植被恢復(fù)和生態(tài)重建。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

衡陽紫色土丘陵坡地(110°32′16″～113°16′32″ E，26°07′05″～27°28′24″ N)位于湖南省中南部，湘江中游，地貌以丘崗為主，紫色土呈網(wǎng)狀分布于海拔60～200 m地帶；屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，年均溫18℃；極端最高溫40.5℃，極端最低溫-7.9℃，年均降雨量1 325 mm，蒸發(fā)量1 426.5 mm，相對濕度80%，全年無霜期286 d左右。在研究區(qū)選取土地利用年限相同(均為20 年)，坡向，坡度，海拔及裸巖率等生態(tài)因子基本相似的NG，TG，F(xiàn)G，F(xiàn)X和AF 5種土地利用方式的樣地，各土地利用方式面積大于1 hm2。5種土地利用方式的樣地20 年前草本植物以狗尾草(Setariaviridis)、狗牙根(Cynodondactylon)和馬鞭草(Verbenaofficinalis)為主，灌木以牡荊(Vitexnegundo var．cannabifolia)、剌槐(Robiniapseudoacacia)、紫薇(Lagerstroemiaindica)和苦楝(Meliaazedarach)居多，喬木主要以天然次生林楓香(Liquidamdarformosana)、人工林杉木(Cunninghamialanceolata)為主。研究區(qū)的森林覆蓋率19.4%；土壤有機(jī)碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)、全鉀(TK)分別為0.15 g·kg-1，0.19 g·kg-1，0.18 g·kg-1，35.53 g·kg-1左右，堿解氮(AN)、速效磷(AP)、有效鉀(AK)分別約為35.72 mg·kg-1，12.58 mg·kg-1，252.47 mg·kg-1，土壤pH值約8.54，20年間均無農(nóng)業(yè)施肥等人為干擾。各土地利用方式樣地的基本概況見表1。

表1 不同土地利用方式下樣地的基本概況Table 1 The basic condition of sampling sites under different land use types

1.2 測定指標(biāo)及方法

2019年4月上旬，在不同土地利用方式中布設(shè)樣地，每塊樣地隨機(jī)設(shè)置面積1 m×1 m的樣方3個(gè)，各樣方分別取0～20 cm與20～40 cm土層土壤進(jìn)行混合(每層混合土壤樣品大于1 000 g)，樣品帶回實(shí)驗(yàn)室經(jīng)自然風(fēng)干后，挑出枯枝落葉、侵入體和石礫等，磨細(xì)，過篩(100目)，備用。

腐殖質(zhì)總碳(T-C)用K2Cr2O7-H2SO4消化法測定；HS組成中，腐殖酸總碳[(HA+FA)-C]采用 0.1 mol·L-1Na4P2O7和0.1 mol·L-1NaOH浸提劑提取[12]，即在180 r·min振蕩器放置300 mL錐形瓶(已加入5 g風(fēng)干土及100 mL浸提液)，加塞振蕩 5 min，再沸水煮 60 min，過濾取部分濾液得[(HA+FA)-C]；另取部分濾液，H2SO4酸化使HA沉淀，分離FA，再用0.1 mol·L-1NaOH溶解，測定HA碳(HA-C)含量；FA碳(FA-C)和Hu碳(Hu-C)含量通過差減法得到，即(FA-C)=[(HA+FA)-C] -(HA-C)，(Hu-C)=(T-C) -[(HA+FA)-C]，從而求出(HA-C)/(FA-C)值[13-14]。

土壤有機(jī)碳(Soil organic carbon,SOC)采用K2Cr2O7氧化-外加熱法；堿解氮(Alkali-hydrolyzable nitrogen,AN)測定采用擴(kuò)散吸收法；速效磷(Available phosphorus,AP)測定采用NaHCO3提取-鉬銻抗顯色-紫外分光光度法，有效鉀(Available potassium,AK)采用NH4Ac浸提-原子吸收法，土壤pH值采用電極電位法測定[15]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 13.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析(One-way ANOVA)和最小顯著差異(LSD)比較不同數(shù)據(jù)間差異(α=0.05)，用Pearson相關(guān)系數(shù)評價(jià)不同因子間相互關(guān)系，表中的所有數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)方差。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用方式的土壤理化性質(zhì)

不同土地利用方式土壤理化性質(zhì)不同(表2)。在0～20 cm與20～40 cm土層，SOC含量的大小順序?yàn)楣嗖莸?人工草地>灌叢地與喬灌地>天然草地，且差異顯著(P<0.05)；AN，AP含量以人工草地與灌草地最高，天然草地最低，且差異顯著(P<0.05)；天然草地土壤pH值顯著高于人工草地等4種土地利用方式土壤pH值(P<0.05)。天然草地0～20 cm與20～40 cm土層SOC，AN，AP含量無顯著差異，而人工草地等4種土地利用方式0～20 cm土層的SOC，AN，AP含量均顯著高于20～40 cm土層(P<0.05)。

表2 不同土地利用方式的土壤理化性質(zhì)Table 2 Soil physico-chemical properties under different land use types

2.2 不同土地利用方式對土壤腐殖質(zhì)組成的影響

從表3可知，土層相同，HS的大小順序?yàn)楣嗖莸?人工草地>灌叢地與喬灌地>天然草地(P<0.05)；除天然草地外，人工草地等4種土地利用方式0～20 cm土層HS含量均顯著高于20～40 cm土層(P<0.05)。由于植物的根系主要集中于0～20 cm土層，根據(jù)我國土壤肥力標(biāo)準(zhǔn)(HS<10 g·kg-1，肥力低；10～25 g·kg-1，肥力中等；HS>25 g·kg-1，肥力高)[6]，天然草地土壤肥力偏低，人工草地等4種土地利用方式土壤肥力均屬中等，最高為灌草地，HS含量僅23.58 g·kg-1。

表3 不同土地利用方式的土壤腐殖質(zhì)組成Table 3 Composition of HS under different land use types

在0～20 cm與20～40 cm土層，不同土地利用方式HA-C含量的大小順序?yàn)楣嗖莸?人工草地>灌叢地與喬灌地>天然草地(P<0.05)；人工草地、灌草地的FA-C，Hu-C含量與(HA-C)/(FA-C)較高，灌叢地與喬灌地次之，天然草地最低，且差異顯著(P<0.05)。除天然草地的0～20與20～40 cm土層Hu-C含量與(HA-C)/(FA-C)差異不顯著外，人工草地等4種土地利用方式0～20 cm土層HA-C，F(xiàn)A-C，Hu-C與(HA-C)/(FA-C)值均顯著高于20～40 cm土層(P<0.05)。

腐殖質(zhì)碳組成可作為判斷土壤腐殖質(zhì)復(fù)雜程度指標(biāo)，土壤腐殖質(zhì)碳各組分含量直接決定土壤肥力[16]。在5種土地利用方式中，0～20 cm與20～40 cm土層Hu-C含量分別為2.40～7.78 g·kg-1與2.39～4.80 g·kg-1，分別占腐殖質(zhì)總碳的59.26%～63.48%，56.60%～63.06%；FA-C含量分別為1.33～2.63 g·kg-1與1.13～2.04 g·kg-1，分別占20.16%～32.84%，22.84%～29.82%；HA-C分別為0.32～2.50 g·kg-1與0.27～1.63 g·kg-1，分別占7.90%～19.36%，7.12%～19.27%。

2.3 土壤腐殖質(zhì)組分與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

研究表明(表4)，HS，HA-C，F(xiàn)A-C，Hu-C，SOC，AN與AP兩兩之間呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05或P<0.01，r=0.42～0.94)，表明HS，HA-C，F(xiàn)A-C，Hu-C，SOC，AN，AP之間關(guān)系密切；pH值與HS，HA-C，F(xiàn)A-C，Hu-C，SOC，AN，AP呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05，r=-0.50～-0.45)，表明土壤酸度與他們密切相關(guān)；由于5種土地利用方式0～20 cm與20～40 cm土層有效鉀(AK)含量差異不明顯，僅5.90 mg·kg-1，所以AK與SOC，AN，AP，pH值，HS及各組分相關(guān)性不明顯。

表4 土壤腐殖質(zhì)組分與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)系數(shù)矩陣Table 4 The correlation coefficient (r) among humus fractions and soil physico-chemical properties

3 討論

土壤氮素水平與SOC消長規(guī)律基本一致，在一定程度上決定SOC積累與分解以及土壤碳的固持[17-18]。本研究分析發(fā)現(xiàn)AN與HS，HA-C，F(xiàn)A-C，Hu-C，SOC均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，說明隨著土壤氮素含量的增加，SOC等顯著增加，HS質(zhì)量明顯改善。灌草地與人工草地優(yōu)勢植物為紫穗槐，白花草木樨，豬屎豆。紫穗槐是灌木類豆科植物，植株較低，枝葉密度高，蓋度較大，容易導(dǎo)致由風(fēng)力引起的枯枝落葉和其他物質(zhì)在灌層下聚集，白花草木樨與豬屎豆為草本類豆科植物，固氮能力強(qiáng)，夏季高溫后干枯，歸還到土壤中的凋落物較多，增加土壤氮素及碳含量，對HS的形成與累積有促進(jìn)作用[19-20]；天然草地常年為稀疏雜草覆蓋，水土流失嚴(yán)重，礦化，硝化，反硝化作用以及氨揮發(fā)等生物化學(xué)過程加快，有機(jī)質(zhì)腐殖化過程緩慢，HS難以大量累積[21-22]。

本研究發(fā)現(xiàn)土壤pH值與SOC，AN，AP，HS及各組分呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，天然草地的SOC，AN，AP，HS及各組分顯著低于人工草地等4種土地利用方式，可能是由于天然草地的土壤pH值呈堿性，有利于SOC礦質(zhì)化，不利于SOC腐質(zhì)化，進(jìn)而導(dǎo)致其土壤肥力下降[3，23]。

天然草地0～20與20～40 cm土層SOC，AN，AP，HS含量差異較小，人工草地等4種土地利用方式0～20 cm土層顯著高于20～40 cm土層(P<0.05)，土壤垂直分布特征與土地利用和植物根系分布密切相關(guān)，天然草地為稀疏植被覆蓋，土壤表層凋落物與土壤植物根系均很少，所以SOC等的剖面分布差異較小，而人工草地等4種土地利用方式土壤表層凋落物與土壤植物根系均相對較多，SOC等從表層向下降低的特征[24]。

HA-C是HS重要組成部分，其含量及特性在一定程度上反映HS類型及性質(zhì)，一般認(rèn)為，HA-C占土壤腐殖質(zhì)總碳比例越高，腐殖酸品質(zhì)越好[25-26]。劉育紅等[27]認(rèn)為在不同草甸植被下HA-C占土壤腐殖質(zhì)總碳的47.99%～56.98%；楊繼松等[17]發(fā)現(xiàn)三江平原典型濕地泥炭層HA-C占土壤腐殖質(zhì)總碳比例高于35%。本研究表明，衡陽紫色土丘陵坡地5種土地利用方式在0～20 cm與20～40 cm土層HA-C占土壤腐殖質(zhì)總碳的比例為7.90%～19.36%，7.12%～19.27%，由此可見，衡陽紫色土丘陵坡地土壤腐殖酸品質(zhì)較差，土層越深，品質(zhì)越差。

進(jìn)一步分析表明，5種土地利用方式不同土層(HA-C)/(FA-C)均小于1，說明衡陽紫色土屬于富啡酸型土壤[28]。HS形成過程中，植物凋落物等輸入土壤先形成芳構(gòu)化、縮合程度較高以及分子量較大的HA-C，然后在微生物作用下分裂成結(jié)構(gòu)相對簡單、分子量較小的FA-C，最后礦化成CO2，因此，(HA-C)/(FA-C)比值在一定程度上可以反映土壤有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定性，值越大，HS聚合程度越高，穩(wěn)定性越好，肥力越高[26]。天然草地植被蓋度低(僅45%)，凋落物少，同化產(chǎn)物礦化強(qiáng)烈，HS形成的HA-C相對較少，多集中于FA-C合成階段，因此，天然草地的(HA-C)/(FA-C)最低；相關(guān)研究表明[27，29]，溫度越低，越不利于HA-C芳化度增大，結(jié)構(gòu)簡單，活性較強(qiáng)的FA-C很難進(jìn)一步縮合形成HA-C。紫色土顏色深，0～20 cm土層土壤吸收更多太陽幅射能，土壤溫度高于20～40 cm土層，0～20 cm土層FA-C縮合形成HA-C的能力比20～40 cm土層強(qiáng)，隨土層加深，(HA-C)/(FA-C)降低。

4 結(jié)論

不同土地利用方式影響著土壤理化性質(zhì)及土壤腐殖物質(zhì)形成和轉(zhuǎn)化過程，不同土地利用方式的土壤有機(jī)碳、堿解氮、速效磷、土壤pH值及土壤腐殖物質(zhì)組成不同。通過對衡陽紫色土不同土地利用方式土壤腐殖物質(zhì)特征進(jìn)行研究表明，天然草地土壤腐殖物質(zhì)組分含量最低，土壤理化性質(zhì)最差，而人工草地、灌草地的土壤腐殖物質(zhì)組分含量較高，土壤理化性質(zhì)較好，建議將天然草地開發(fā)利用為人工草地(白花草木樨-豬屎豆)與灌草地(紫穗槐+白花草木樨)土地利用方式，以提高土壤肥力，有利于區(qū)域的植被恢復(fù)與生態(tài)重建。