黔中石漠化地區(qū)水土保持措施對土壤有機(jī)碳的影響

李金垚， 潘 雯， 王 佳， 薛 亮， 張顯松， 李 生

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所，杭州 311400；2.南京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院, 南京 210037；3.貴州普定石漠生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，貴州 普定 562100；4.貴州省普定縣林業(yè)局，貴州 普定 562100)

全球氣候變化已成為世界各國廣泛關(guān)注的問題，大氣CO濃度的增加是造成氣候變化的主要因素。土壤作為陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要載體，其碳儲量遠(yuǎn)超大氣和植物碳儲量之和，土壤碳儲量的微小變化會對大氣CO濃度產(chǎn)生顯著影響。土壤有機(jī)碳作為土壤碳庫的主要組成部分，占土壤總碳量的50%以上，是評價土壤質(zhì)量不可或缺的重要指標(biāo)?；钚杂袡C(jī)碳是土壤有機(jī)碳中最易于分解和礦化的碳組分，對土地利用和環(huán)境變化能快速作出響應(yīng)，可作為土壤有機(jī)碳早期變化的指示物。

巖溶生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成，在全球碳循環(huán)中發(fā)揮著重要作用。我國巖溶石漠化土地面積約為10.07萬km，主要集中在以貴州為中心的西南地區(qū)，長期受自然環(huán)境和人為活動影響，巖石大面積裸露，土壤侵蝕嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境問題亟待解決。隨著人口和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，土地資源需求增大，加劇了地區(qū)人地矛盾，如何高效合理地利用有限的土壤資源成為了石漠化區(qū)生態(tài)恢復(fù)的關(guān)鍵問題。石漠化地區(qū)受地表和地下雙重侵蝕影響，生態(tài)系統(tǒng)功能脆弱，土壤碳流失嚴(yán)重，碳的轉(zhuǎn)移和循環(huán)過程主要通過植物吸收大氣中CO進(jìn)行固定和土壤呼吸釋放CO，而土壤碳庫作為碳循環(huán)過程的重要轉(zhuǎn)化場所，其儲量是驅(qū)動和制約碳轉(zhuǎn)移的動力機(jī)制。因此研究石漠化地區(qū)土壤有機(jī)碳對充分發(fā)揮其固碳潛力和改善生態(tài)脆弱現(xiàn)狀具有重要影響。

坡面治理工程是為防治坡面水土流失，保護(hù)、改良和合理利用水土資源而修建的水土保持措施，在提高降雨入滲能力、攔蓄地表徑流、改善土壤質(zhì)量等方面發(fā)揮重要作用。石漠化治理是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要綜合治理，其中水土保持建設(shè)發(fā)揮重要作用。但目前對石漠化地區(qū)土壤有機(jī)碳的研究主要集中在氣候變化、植被恢復(fù)、土地利用類型、耕作管理等方面，水土保持坡面治理措施對土壤有機(jī)碳的影響研究鮮有報道。因此，本文研究了石漠化地區(qū)梯田嵌套魚鱗坑、魚鱗坑、梯田3種不同水土保持措施對土壤有機(jī)碳、活性有機(jī)碳組分的影響，為石漠化地區(qū)碳庫估算、土地合理利用等提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省安順市普定縣(26°26′36″-26°31′42″N，105°27′49″-105°58′51″E)，成土母巖主要為白云巖，土壤類型以黃色石灰土為主，研究區(qū)面積55 km，海拔1 200～1 350 m，地面坡度15°～35°。該區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，年平均氣溫15.1 °C，年平均降水量1 387.2 mm，每年5—10月為主要降雨季節(jié)，無霜期平均301天。研究區(qū)內(nèi)坡耕地于2002年前完成全部退耕工作，退耕后在研究區(qū)進(jìn)行大規(guī)模的經(jīng)濟(jì)林樹種栽植，并開展坡面治理工程，在部分坡面修建魚鱗坑、梯田、梯田嵌套魚鱗坑等水土保持措施。研究區(qū)內(nèi)植被主要為桃樹()，偶有梨樹()、柏樹()分布，林下草本主要為茅草()、小蓬草()、鬼針草()、狗尾草()等。

1.2 研究方法

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)不同水土保持措施情況，選取3種典型水土保持措施：(1)梯田嵌套魚鱗坑(NL)；(2)魚鱗坑(FSP)；(3)梯田(TR)作為研究對象，無任何水土保持措施的退耕還林地(CK)作為對照。于2021年3月進(jìn)行調(diào)查和土壤樣品采集，每種措施隨機(jī)選擇3個20 m×20 m樣地，樣地之間水平距離大于20 m，記錄樣地經(jīng)緯度、海拔、坡度等基本信息(表1)。在每個樣地內(nèi)按“S”形選擇5個采樣點(diǎn)，其中魚鱗坑、梯田嵌套魚鱗坑、梯田采樣點(diǎn)設(shè)置在距離措施內(nèi)部邊緣50 cm處，采樣前去除地表的植被和其他雜物，每個樣點(diǎn)按0—10，10—20 cm土層進(jìn)行土壤樣品采集。將每個樣地內(nèi)各樣點(diǎn)同一土層的土壤樣品混合成1個土樣，共計(jì)24個土壤樣本。將混合后的土壤樣本分為2份：一份低溫保存測定土壤活性有機(jī)碳組分；另一份常溫保存處理后測定土壤養(yǎng)分。各樣地取樣方法、時間和處理保持一致。

表1 不同水土保持措施樣地基本信息

1.3 樣品處理與分析

土壤含水量和容重采用環(huán)刀法，土壤pH的測定采用土水比1∶2.5方法測定；土壤全氮采用全自動定氮儀測定；土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀氧化法測定。用于測定可溶性碳和微生物量碳的土樣解凍后過2 mm直徑土壤篩，去除根系、石塊等其他雜物，待用。稱取相當(dāng)于10 g干土的濕土樣放入100 mL的離心管中，在離心管中加入80 mL蒸餾水，以200 r/min速度振蕩30 min，再以3 500 r/min轉(zhuǎn)速離心20 min，將得到的上清液過0.45 μm濾膜，調(diào)節(jié)pH至1.9～2.0，利用TOC儀測定可溶性碳含量(Multi NC3100 TOC/TN,Analytik)。采用333 mmol/L高錳酸鉀氧化測定土壤易氧化碳含量；微生物量碳通過氯仿熏蒸提取法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

不同水土保持措施土壤總有機(jī)碳儲量通過公式計(jì)算:

SOCS=***10

式中：SOCS為總有機(jī)碳儲量(kg/m)；為土壤中有機(jī)碳的平均含量(g/kg)；為土壤容重(g/cm)；為土層深度(cm)。

利用SPSS 22.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對不同水土保持措施土壤有機(jī)碳、活性有機(jī)碳、有機(jī)碳儲量進(jìn)行one-way ANOVA方差分析，Duncan多重比較進(jìn)行差異顯著性分析。土壤有機(jī)碳與理化性質(zhì)之間的相關(guān)性利用Pearson進(jìn)行分析檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水土保持措施土壤有機(jī)碳分布

3種水土保持措施土壤有機(jī)碳含量在0—10，10—20 cm土層均表現(xiàn)為魚鱗坑>梯田嵌套魚鱗坑>梯田(圖1)，且三者間差異顯著(<0.05)。0—20 cm土層土壤有機(jī)碳含量表現(xiàn)為魚鱗坑和梯田嵌套魚鱗坑措施相比對照顯著提高了152.79%，79.25%(<0.05)，梯田則比對照顯著降低了146.82%(<0.05)。各水土保持措施0—10 cm土層的有機(jī)碳含量占總含量的55.9%～69.9%，表明梯田嵌套魚鱗坑、魚鱗坑、梯田土壤有機(jī)碳含量隨土層深度的增加而逐漸降低，土壤有機(jī)碳的分布具有明顯的表聚現(xiàn)象。

注：圖柱上方不同小寫字母表示相同土層不同水土保持措施間差異顯著(p<0.05)。下同。圖1 不同水土保持措施土壤有機(jī)碳含量

2.2 不同水土保持措施土壤活性有機(jī)碳分布

由圖2可知，土壤活性有機(jī)碳受不同水土保持措施影響差異顯著。3種水土保持措施0—10，10—20 cm土層易氧化碳含量均表現(xiàn)為魚鱗坑>梯田嵌套魚鱗坑>梯田，其中魚鱗坑顯著高于其他2種水土保持措施(<0.05)。0—10 cm層魚鱗坑、梯田嵌套魚鱗坑和梯田土壤易氧化碳含量分別比對照提高136.25%，25.98%，2.42%，其中魚鱗坑顯著高于對照(<0.05)，梯田嵌套魚鱗坑和梯田與對照差異不顯著(>0.05)；10—20 cm層魚鱗坑土壤易氧化碳含量相比對照顯著提高94.62%(<0.05)，梯田嵌套魚鱗坑、梯田土壤易氧化碳含量比對照顯著降低78.08%，122.90%(<0.05)。同一水土保持措施不同土層深度易氧化碳含量隨土層增加而降低，其中梯田嵌套魚鱗坑和梯田措施不同土層間易氧化碳含量差異顯著(<0.05)，對照土壤易氧化碳含量則隨土層的增加而增加(圖2a)。

注：圖柱上方不同大寫字母表示相同措施不同土層間差異顯著(p<0.05)。下同。圖2 不同水土保持措施土壤活性有機(jī)碳含量

3種水土保持措施土壤可溶性碳含量存在顯著差異，且在0—10，10—20 cm土層均表現(xiàn)為魚鱗坑最高、梯田嵌套魚鱗坑次之、梯田最低(<0.05)。0—10 cm層魚鱗坑土壤可溶性碳含量比對照提高31.78%，梯田嵌套魚鱗坑、梯田則分別比對照下降了8.90%，87.34%，且差異均不顯著(>0.05)；10—20 cm層魚鱗坑、梯田嵌套魚鱗坑可溶性碳含量相比對照分別提高145.93%和42.28%，其中魚鱗坑顯著高于對照(<0.05)，梯田土壤可溶性碳含量比對照下降63.06%，但差異不顯著(>0.05)。垂直分布上3種水土保持措施土壤可溶性碳含量均隨土層深度的增加而增加，其中魚鱗坑措施不同土層間可溶性碳差異顯著(<0.05)，對照土壤可溶性碳含量則隨土層增加而降低(圖2b)。

不同措施0—20 cm土壤微生物量碳平均含量表現(xiàn)為：魚鱗坑(471.49 mg/kg)>梯田嵌套魚鱗坑(322.71 mg/kg)>梯田(196.89 mg/kg)，其中梯田嵌套魚鱗坑土壤微生物量碳含量與魚鱗坑和梯田間無顯著差異(>0.05)，魚鱗坑土壤微生物量碳含量則顯著高于梯田(<0.05)。0—10 cm土層魚鱗坑和梯田嵌套魚鱗坑土壤微生物量碳含量分別比對照提高40.46%，0.10%，梯田則比對照下降了56.62%，且3種水土保持措施與對照處理間差異均不顯著(>0.05)；10—20 cm土層魚鱗坑土壤微生物量碳含量比對照提高17.24%，梯田嵌套魚鱗坑、梯田土壤微生物量碳含量比對照分別降低32.27%%，133.29%。梯田嵌套魚鱗坑、魚鱗坑、梯田、對照土壤微生物量碳含量均隨土層深度的增加而降低(圖2c)。

2.3 不同水土保持措施土壤有機(jī)碳儲量分布情況

由圖3可知，土壤有機(jī)碳儲量受不同水土保持措施影響差異顯著。0—10 cm土層土壤有機(jī)碳儲量最大值出現(xiàn)在魚鱗坑水土保持措施，比對照顯著提高132.57%(<0.05)；最小值出現(xiàn)在梯田水土保持措施，有機(jī)碳儲量比對照下降90.22%，但差異不顯著(>0.05)。3種水土保持措施10—20 cm土壤有機(jī)碳儲量均與對照間差異顯著，其中梯田嵌套魚鱗坑和魚鱗坑相比對照分別提高71.64%，144.78%，梯田相比對照下降211.63%(<0.05)。垂直分布上，梯田嵌套魚鱗坑、魚鱗坑、梯田、對照土壤有機(jī)碳儲量均隨土層深度的增加而降低，其中梯田嵌套魚鱗坑不同土層間有機(jī)碳儲量差異顯著(<0.05)。

圖3 不同水土保持措施土壤有機(jī)碳儲量

2.4 土壤有機(jī)碳與活性有機(jī)碳及有機(jī)碳儲量的相關(guān)性

由表2可知，土壤有機(jī)碳含量與易氧化碳、可溶性碳、微生物量碳、有機(jī)碳儲量之間均存在極顯著的相關(guān)性(<0.01)。易氧化碳、可溶性碳、微生物量碳與有機(jī)碳儲量極顯著相關(guān)(<0.01)，土壤易氧化碳與可溶性碳和微生物量碳之間極顯著相關(guān)性(<0.01)，而土壤可溶性碳與微生物量碳之間顯著相關(guān)(<0.05)。

表2 土壤有機(jī)碳相關(guān)指標(biāo)間相關(guān)系數(shù)

2.5 不同水土保持措施下土壤有機(jī)碳與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

不同水土保持措施下土壤有機(jī)碳與土壤理化性質(zhì)之間表現(xiàn)出不同相關(guān)性(表3)。梯田嵌套魚鱗坑土壤有機(jī)碳與pH、容重、全氮、碳氮比均不相關(guān)(>0.05)。魚鱗坑土壤有機(jī)碳與全氮、碳氮比表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)(<0.01)，與pH、容重不相關(guān)(>0.05)。梯田土壤有機(jī)碳與pH、容重不相關(guān)(>0.05)，與碳氮比極顯著相關(guān)(<0.01)，與全氮顯著相關(guān)(<0.05)。對照土壤有機(jī)碳與碳氮比極顯著正相關(guān)(<0.01)，與pH、容重、全氮不相關(guān)(>0.05)。

表3 不同水土保持措施土壤有機(jī)碳與理化性質(zhì)的相關(guān)系數(shù)

3 討 論

3.1 水土保持措施對土壤有機(jī)碳及儲量的影響

通過對比水土保持措施和對照土壤有機(jī)碳及儲量分布情況可知，梯田嵌套魚鱗坑和魚鱗坑土壤有機(jī)碳含量及儲量均顯著高于對照，而梯田土壤有機(jī)碳含量相比對照則有所下降。可能是因?yàn)樘萏锴短佐~鱗坑和魚鱗坑半月形設(shè)計(jì)能夠更好地攔蓄降雨并對地表徑流進(jìn)行重新分配，提高土壤含水量；坡上部地表土壤的遷入，也有效改善了土壤養(yǎng)分狀況，促進(jìn)了植物根系分泌物的向下輸移和地表凋落物的積累，使得輸入性碳源增加。梯田土壤有機(jī)碳儲量的下降可能與梯田措施修建初期擾動面積大有關(guān)，土壤擾動后有機(jī)碳含量迅速下降，邱宇潔等研究表明，在修建梯田后的0～8年內(nèi)土壤有機(jī)碳儲量呈迅速下降后再逐漸增加的趨。但喀斯特地區(qū)土層薄，受到破壞后很難在短時間內(nèi)恢復(fù)，而且梯田較大的圍封面積，使其需要更多的有機(jī)質(zhì)輸入，才能提高土壤碳的固定速率。水土保持措施對有機(jī)碳封存的有效性還受地面坡度影響，過高的坡度會導(dǎo)致土壤固碳能力下降，因此在進(jìn)行坡面治理時可根據(jù)不同的地形條件選擇適宜的水土保持措施。

3.2 水土保持措施對活性有機(jī)碳的影響

土壤易氧化碳是土壤有機(jī)碳中周轉(zhuǎn)速率最快的組分，能快速響應(yīng)土壤碳變化，可作為土壤質(zhì)量評價的關(guān)鍵因子。本研究結(jié)果表明，魚鱗坑土壤易氧化碳含量顯著高于梯田嵌套魚鱗坑、梯田和對照，主要是因?yàn)橥寥酪籽趸家妆谎趸纸?，分解產(chǎn)物隨水分向下層土壤遷移，成為土壤潛在碳源。喀斯特地區(qū)土壤水分漏失問題嚴(yán)重，魚鱗坑措施可以有效減緩?fù)寥浪譂B漏速率，減少土壤易氧化碳的流失。

微生物量碳是有機(jī)碳中最活躍、最易變化的部分，雖然所占比例很小，卻是整個生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分和能源循環(huán)的關(guān)鍵和動力。魚鱗坑土壤微生物量碳含量比對照提升29.80%，梯田嵌套魚鱗坑和梯田土壤微生物量碳含量則比對照分別下降12.60%，84.50%?？赡苁且?yàn)樘萏锎胧﹪饷娣e過大，導(dǎo)致地表有機(jī)物質(zhì)分散，不利于土壤養(yǎng)分的匯集，進(jìn)而影響土壤微生物分布，導(dǎo)致微生物量碳含量較低。劉秉儒研究表明，土壤微生物量碳含量受理化性質(zhì)影響，隨土壤有機(jī)碳的增加而增加，這與本研究結(jié)果一致。有機(jī)碳是土壤微生物群落穩(wěn)定的能量和營養(yǎng)物來源，也是土壤微生物量形成的重要因素。

可溶性碳主要來源于土壤有機(jī)質(zhì)中的腐殖質(zhì)和新鮮的植物凋落物，是可直接被植物和土壤微生物利用的有機(jī)碳源。Iqbal等研究發(fā)現(xiàn)，微生物只能從土壤中吸收可溶性碳，表明可溶性碳在土壤碳循環(huán)過程中不可或缺。3種水土保持措施土壤可溶性碳含量均隨土層增加而增加，可能是因?yàn)楸韺油寥乐参锔递^多，土壤容重減小，孔隙度增加，土壤微生物活性較高，提高了表層土壤有機(jī)質(zhì)的利用率，導(dǎo)致表層土壤可溶性碳含量低于深層。不同水土保持措施間可溶性碳的差異主要來源于地表沉積的有機(jī)物質(zhì)量、根系分泌物、土壤有機(jī)質(zhì)的水解以及微生物的代謝等因素，可溶性碳含量的高低一定程度上取決于總有機(jī)碳含量。易氧化碳、可溶性碳、微生物量碳與有機(jī)碳和有機(jī)碳儲量均表現(xiàn)出極顯著的相關(guān)性，表明土壤活性有機(jī)碳直接參與了土壤生物化學(xué)的轉(zhuǎn)化過程，并對土壤有機(jī)碳的積累起到積極作用。

3.3 水土保持措施對土壤有機(jī)碳與土壤理化性質(zhì)關(guān)系的影響

本研究表明，魚鱗坑和梯田水土保持措施下土壤有機(jī)碳與全氮含量和碳氮比之間存在極顯著或顯著正相關(guān)關(guān)系，這與白義鑫等的研究結(jié)果一致，符合土壤碳氮循環(huán)相互作用規(guī)律。已有研究發(fā)現(xiàn)，較大的土壤碳氮比可能會導(dǎo)致微生物的降解速率降低，從而促進(jìn)惰性碳的積累。梯田嵌套魚鱗坑土壤有機(jī)碳與理化性質(zhì)間相關(guān)性不顯著，表明土壤理化性質(zhì)不是影響梯田嵌套魚鱗坑土壤有機(jī)碳含量顯著提高的原因，梯田嵌套魚鱗坑措施可能是通過影響植被分泌或地表有機(jī)物質(zhì)的輸入量，從而影響土壤有機(jī)碳的固定。

4 結(jié) 論

(1)不同水土保持措施土壤有機(jī)碳及碳儲量均以魚鱗坑措施最高，較對照分別提高152.79%和137.86%。不同水土保持措施土壤有機(jī)碳含量及碳儲量在垂直分布上均表現(xiàn)為隨土層深度的增加而下降。

(2)魚鱗坑措施土壤易氧化碳、可溶性碳、微生物量碳等活性有機(jī)碳含量最高,較對照分別提高113.73%，85.78%，29.79%。不同水土保持措施土壤活性有機(jī)碳含量垂直分布上變化趨勢相同。

(3)易氧化碳、可溶性碳、微生物量碳與有機(jī)碳和有機(jī)碳儲量均表現(xiàn)出極顯著的相關(guān)性(<0.01)，表明土壤活性有機(jī)碳直接參與了土壤生物化學(xué)的轉(zhuǎn)化過程，活性有機(jī)碳含量的增加對土壤有機(jī)碳的積累起到重要作用。

(4)魚鱗坑措施是石漠化地區(qū)水土保持和固碳效果較好的治理措施，土壤全氮和碳氮比對土壤有機(jī)碳具有顯著影響，全氮和碳氮比的增加會促進(jìn)土壤有機(jī)碳固存。