雅安紫色土小流域土壤有機碳及碳組分分布特征

劉珊珊，宮淵波，向香勇，陳 曼，楊 梅

（四川農業大學 長江上游林業生態工程四川省重點實驗室，四川 雅安625014）

土壤有機碳（SOC）儲量是進入土壤的植物殘體量以及在土壤微生物作用下分解損失的平衡結果。其儲量大小受氣候、植被、土壤屬性及農業經營實踐等多種物理因素、生物因素、人為因素的控制，并存在各種因子之間的相互作用。SOC的含量和組成對調節土壤養分流有很大影響，對土壤管理措施響應敏感，與土壤內在的生產力高度相關；其動態和循環又影響溫室效應和環境質量［1］。土壤活性碳是指受植物、微生物強烈影響，具有一定的溶解性，在土壤中移動快、穩定性差、易氧化、礦化，并具有較高植物和土壤微生物活性的那部分有機碳［2］。土壤活性有機碳較非活性有機碳敏感得多，又直接參與土壤生物化學轉化過程［3］，同時也是土壤微生物活動的能源和土壤養分的驅動力［4］，土壤碳庫的變化主要發生在活性碳庫內［5］，因此，對于土壤活性有機碳的研究是土壤碳庫動態及調控機理研究的重要方面［6］。

紫色土是我國南方和四川盆地主要的農業土壤資源，其風化成土作用快、礦質養分豐富、自然肥力高等，由于其多分布在山地丘陵，下滲及抗蝕性差、人類活動強度大等原因，是目前我國僅次于北方黃土的嚴重水土流失類型［7］。有關紫色土土壤碳庫的研究大多集中在不同土地利用方式方面，而對紫色土小流域土壤有機碳庫的分布特征及侵蝕對紫色土碳庫的影響方面研究較少。本文以華西雨屏區和平小流域為研究對象，探討紫色土小流域土壤有機碳分布特征，對科學地利用和保護有限的紫色土資源，提高土地生產力，減緩溫室氣體排放提供科學依據。

1 研究區概況

和平小流域位于四川省雅安市雨城區西南部。幅員面積10.22km2，海拔為591～796m，屬深丘低山地貌，亞熱帶濕潤季風氣候區。冬無嚴寒，夏無酷暑，多年年均氣溫16.1℃，最高年為16.9℃（1987年），最低年為15.4℃（1976年）。全年以1月最冷，月平均氣溫6.1℃；7月最熱，月平均氣溫25.3℃。雨熱同季，雨量充沛，年降水量達1 732mm；自然植被結構屬季雨式的山地常綠闊葉林，但由于長期人類活動影響，已無原生植被，現有植被主要為果園和農耕地，土壤為紫色土。

受地理環境和自然條件的影響，小流域內水土流失非常嚴重，侵蝕面積為3.4km2，多年平均土壤侵蝕量達1.63萬t，每年平均土壤侵蝕模數為4 794t／km2，屬強度流失區。嚴重的水土流失使小流域生態環境平衡失調［7］。

2 研究方法

2.1 樣地布設和土壤樣品采集

2010年10月，將小流域分為上中下三個地段，每個地段按陰坡、陽坡分坡頂、坡中和坡腳布設樣地；在每個樣地內采用S型采樣法，進行分層采樣，采樣深度為0—10cm，10—20cm，20—30cm；每層土壤樣品混合均勻后帶回實驗室風干、去雜，一部分過0.2mm篩供土壤總有機碳分析，一部分過2mm篩供土壤顆粒和輕組有機碳分析。

2.2 土壤總有機碳、顆粒有機碳、輕組有機碳測定

土壤總有機碳采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法；土壤顆粒和輕組有機碳分別采用濕篩法和密度分離法；輕組有機碳采用物理分組中（1.8g／ml ZnBr2）提取、重鉻酸鉀氧化外加熱法測定（LY／T 1237—1999）。

2.3 數據分析

用Excel統計軟件和SPSS軟件進行統計分析。

3 結果與分析

3.1 小流域不同地段土壤總有機碳及碳組分分布特征

由表1可知土壤總有機碳、顆粒及輕組有機碳均表現為小流域下部＞小流域中部＞小流域上部，含量分別為13.35～16.75g／kg，5.50～7.56g／kg和1.88～3.75g／kg。小流域不同地段總有機碳下部與上、中部差異性極顯著（P＜0.05），上部與中部差異性不顯著（P＞0.05）。顆粒及輕組有機碳均表現為上、中下部兩兩間差異性極顯著（P＜0.05）。小流域內土壤總有機碳、顆粒及輕組有機碳變異系數介于15%～39%，均屬于中等變異。

表1 小流域不同地段土壤總有機碳及碳組分分布

3.2 小流域同一坡面不同坡位土壤總有機碳及碳組分分布特征

地貌單元影響土壤發育、遷移、沉積、風化、分解等物理化學過程，從而造成土壤理化性質和土壤養分含量的空間分異［8］。在紫色土小流域區，SOC含量與不同地貌條件下土壤發育、水土流失等密切相關。由表2可知，小流域內同一坡面不同坡位土壤總有機碳、顆粒及輕組有機碳均表現為坡腳＞坡頂＞坡中，含量分別介于14.02～15.45g／kg，5.30～7.62g／kg和2.22～3.36g／kg。小流域不同坡位總有機碳坡腳與坡頂和坡中差異性極顯著（P＜0.05），坡頂與坡中差異性不顯著（P＞0.05）。顆粒及輕組有機碳均表現為坡頂、坡中及坡腳兩兩間差異性極顯著（P＜0.05）。小流域內土壤總有機碳、顆粒及輕組有機碳變異系數介于18%～41%。

表2 小流域不同坡位土壤總有機碳及碳組分分布

3.3 小流域不同坡向土壤總有機碳及碳組分分布特征

由表3可知對于小流域不同坡向而言，土壤總有機碳、顆粒及輕組有機碳均為陽坡＜陰坡。陽坡土壤總有機碳、顆粒及輕組有機碳含量分別為12.92g／kg，5.72g／kg和2.47g／kg；陰坡土壤總有機碳、顆粒及輕組有機碳含量分別為16.40g／kg，7.31g／kg和3.14g／kg。小流域不同坡向總有機碳、顆粒及輕組有機碳陽坡與陰坡均為差異性極顯著（P＜0.05）。小流域內土壤總有機碳、顆粒及輕組有機碳變異系數介于13%～40%。

表3 小流域不同坡向土壤總有機碳及碳組分分布

3.4 小流域不同土層深度土壤總有機碳及碳組分分布特征

由表4可知土壤總有機碳、顆粒及輕組有機碳均表現為0—10cm＞10—20cm＞20—30cm，含量分別介于12.96～16.34g／kg，5.05～8.05g／kg，2.34～3.28g／kg。小流域不同土層深度土壤總有機碳、顆粒及輕組有機碳均表現為兩兩間差異性極顯著（P＜0.05）。小流域內土壤總有機碳、顆粒及輕組有機碳變異系數介于16%～42%。

表4 小流域不同土層深度土壤總有機碳及碳組分分布

3.5 小流域土壤總有機碳及碳組分相關性分析

由表5可知總有機碳、顆粒有機碳與輕組有機碳之間相關性達到極顯著水平。可見，土壤中顆粒有機碳及輕組有機碳可作為反映土壤有機碳的有效監測因子。

表5 不同土層深度土壤總有機碳及碳組分分布的相關性

4 結論與討論

4.1 討論

（1）由于該區雨量豐富、降雨集中、暴雨頻繁、地表植被覆蓋差，使紫色土水土流失現象非常嚴重。該小流域內自上部向下部土壤侵蝕強度逐漸減弱，上部和中部高強度土壤侵蝕使大部分有機碳積累在了小流域下部。下部土壤所含有機碳及其活性碳組分也較上、中部多。此外流域下部土層較上、中部深，土壤肥力較好，農業耕作活動頻繁，加速了SOC的礦化周轉，加上長期施用肥料有利于增加土壤有機碳含量，導致下部有機碳含量高于上、中部，這一研究結果與孫文義［9］對關于黃土丘陵溝壑區土壤表層有機碳分布特征研究結果一致。小流域下部較上部和中部植被覆蓋度較大，尤其是灌木樹種，灌木樹種根系發達，以及本身會產生大量的凋落物，易形成所謂的“肥島效應”［7］，表現為更多的有機質積累、較高的碳、氮含量和較高的微生物生物量以及呼吸強度等［10］。

（2）土壤中有機碳很大一部分來源于凋落物分解，凋落物主要集中分布于土壤表層，經微生物分解后成為土壤中有機質。由于水土流失等原因，表層土壤有機碳會重新分配。其原因是坡頂部由于開墾導致地勢平坦，水土流失較弱，土壤發育相對成熟，有機碳含量相對較高［10］。但坡中部坡度較大，水土流失強烈，有機碳積累十分緩慢，因此在整個小流域內坡中部有機碳含量最低。坡腳部雖有一定程度的水土流失影響，但由于地勢低洼又承接來自坡中侵蝕的泥沙和徑流，從而促進了坡腳部位有機碳的積累。因此在整個小流域內，有機碳含量呈現坡腳＞坡頂＞坡中的分布特征。土壤中有機碳主要集中分布于土壤表層，所以隨著土層深度的增加，土壤中有機碳含量逐漸減小。顆粒及輕組有機碳均屬于總有機碳中活性碳一部分，活性碳主要集中于表層，該研究結果與向成華等［6］對川西地區土壤活性有機碳研究結果一致。

（3）不同坡向條件下光、熱、水資源分配不同，地形條件支配著水、熱資源的分配，影響著土壤的發育程度［12］。水、熱資源的分配直接影響土壤中有機物質的礦化和腐殖化過程，從而支配著不同坡向條件下土壤有機碳的分布［12］。由表3可知對于小流域不同坡向而言，土壤總有機碳、顆粒及輕組有機碳均為陽坡＜陰坡。這是由于陽坡光、熱資源優于陰坡，而雨水資源劣于陰坡，其土壤中有機碳的礦化作用因此也強于陰坡，有機碳含量較低［13］。在植被覆蓋方面，陽坡植被覆蓋度小于陰坡植被覆蓋度，陰坡較大植被覆蓋度也增加了土壤有機碳來源［14］。這些因素促進了陰坡有機碳的積累。因此，在小流域內有機碳含量表現為陽坡＜陰坡。

（4）土壤活性有機碳包括土壤中顆粒及輕組有機碳和其它一些在土壤中易于氧化分解的游離態有機質部分，是最活躍、周轉最快、對物理或化學等干擾因素和土地利用變化最敏感的部分含量［14］。顆粒有機碳和輕組有機碳含量變化都依附于總有機碳含量變化，兩者變化趨勢和總有機碳變化趨勢相同，說明顆粒有機碳及輕組有機碳和總有機碳三者在一定程度上具有同源性。

4.2 結論

（1）紫色土小流域水土流失嚴重，伴隨著水土流失的發生，土壤總有機碳及碳組分含量呈現小流域上部＜小流域中部＜小流域下部這一分布特征。說明在該小流域內下部作為上、中部水土流失的一個“匯”其總有機碳及碳組分含量均最高。

（2）由于紫色土區農業耕作活動頻繁，坡頂部分因農業耕作活動導致小地形改變減緩了土壤侵蝕強度，使小流域內同一坡面不同坡位土壤總有機碳及碳組分含量均呈現坡腳＞坡頂＞坡中這一分布特征。小流域內不同坡向由于水熱等資源分配不同，陰坡和陽坡在土壤總有機碳及碳組分含量上有顯著差異，具體表現為陽坡＜陰坡。小流域內不同土層深度土壤總有機碳及碳組分含量均隨土層的加深而降低。因此在紫色土區開展退耕還林還草工程，增加坡面植被是減少水土流失，增加土壤碳貯量的有效措施。

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