喀斯特小流域不同土地利用方式土壤活性碳組分的變化特征

王 星，段建軍，王小利，徐 虎，王桂紅，郭 振，王萍萍

（1.貴州大學農學院，貴州 貴陽 550025；

2.貴州大學煙草學院/貴州大學煙草品質研究重點實驗室，貴州 貴陽 550025）

喀斯特小流域不同土地利用方式土壤活性碳組分的變化特征

王 星1，段建軍2，王小利1，徐 虎1，王桂紅1，郭 振1，王萍萍1

（1.貴州大學農學院，貴州 貴陽 550025；

2.貴州大學煙草學院/貴州大學煙草品質研究重點實驗室，貴州 貴陽 550025）

以貴州普定縣陳家寨小流域為對象，探討5種不同土地利用方式0～20 cm土層各活性有機碳組分的差異特征及其與土壤總有機碳間的關系。結果表明：貴州陳家寨喀斯特小流域0～20 cm土層土壤總有機碳含量為42.03（±25.08）g/kg，其中灌木林地有機碳含量最高為77.44（±28.38）g/kg，是耕地有機碳含量的3.5倍；土壤水溶性有機碳的含量表現為灌木林地＞荒草地＞人工林＞果園＞耕地，游離活性有機碳的含量表現為灌木林地＞人工林＞荒草地＞果園＞耕地，易氧化有機碳的含量表現為灌木林地＞人工林＞荒草地＞耕地＞果園；土壤總有機碳含量與各活性碳組分間均有顯著相關關系，其中與游離活性有機碳的相關系數最高。不同土地利用方式下土壤有機碳含量不同，各活性有機碳組分既有相同之處，又存在差異，說明土壤活性有機碳的復雜性，因此不同活性有機碳的表征指標無論數值還是變化趨勢不能直接比較。

喀斯特小流域；土地利用方式；有機碳活性組分；活性有機碳分配比例

土壤活性有機碳是指易受植物和微生物影響，在土壤中移動較快、易礦化，具有一定的溶解性，穩定性較差那一部分土壤有機碳［1］。雖然它占總有機碳的比例較小，卻是土壤生態系統中主要的能量來源，對土壤碳庫的平衡以及土壤肥力的保持具有十分重要的作用［2］。土壤活性有機碳根據其提取方式的不同，可用水溶性有機碳（WSOC）、游離活性有機碳（cPOM+fPOM）、易氧化有機碳（EOC）等來進行表征［3-4］。近年來的研究表明，土地利用方式不同，植被的覆被類型也存在差異［5］，有機碳質量及輸入量也不相同，導致土壤碳庫有所差異，特別是土壤的活性碳對土地利用方式的反應較靈敏，可用于表征土壤有機質的早期變化［6］。

貴州地處我國西南喀斯特地區的中心位置，喀斯特地區土壤有機碳含量遠高于同緯度的其他地區［7］，土地利用方式短時間內的異動，會對土壤活性有機碳產生重要影響。當前關于貴州喀斯特小流域土壤有機碳的含量、組成、分布等方面的研究很多［8-11］，但喀斯特地區不同土地利用方式下土壤總有機碳、不同表征活性有機碳的指標間是否一致的研究還很少。為此，我們以貴州普定縣陳家寨喀斯特小流域為研究區域，探討土地利用方式變化對土壤各活性有機碳組分的影響，以期為喀斯特地區不同土地利用方式下土壤活性有機碳的表征和變化趨勢研究提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于貴州中部普定縣陳家寨小流域（105°48′34″～105°49′26″E，26°20′06″～26° 20′97″N），面積1.9 km2，為典型的喀斯特高原地貌，地形崎嶇不平，山地多被切割，海拔1 485 m，屬于亞熱帶季風性濕潤氣候，年平均氣溫15.1℃，最熱月7月平均氣溫23℃，年平均日照時數為1 202 h，年平均降雨量 1 396.9 mm左右。成土母巖以白云質灰巖和泥質灰巖為主，土壤類型有石灰土、黃壤、黃棕壤，土地利用類型主要有耕地、果園、荒草地、灌木林地和人工林等。

1.2 樣品采集

采樣時間為2014年5月，按照“S”形在每種土地利用類型中設置5～7個樣點。采樣時，先將表層土壤植被凋落物除掉，取樣深度為0～20 cm，從不同方位取3～5個土樣進行混合，每個樣品1 kg，每種土地利用方式采10份，共50份土樣，裝入棉布袋中，并記下采樣編號，置于陰涼處風干。

1.3 測定項目及方法

土壤有機碳：將風干后的土壤樣品研細過0.25 mm篩，采用重鉻酸鉀外加熱法測定［12］。

水溶性有機碳：稱取5 g（干重）土樣，加入40 mL蒸餾水，于常溫下振蕩30 min，4 000 r/min離心10 min，上清液過0.45 μm的濾膜，浸提液中有機碳采用TOC自動分析儀（Phoenix 8000）測定。

土壤易氧化有機碳：采用333 mmol/L高錳酸鉀氧化法測定［13］。

土壤游離活性有機碳：采用steward物理-化學聯合分組方法進行分組［14］，然后采用重鉻酸鉀外加熱法測定。

1.4 數據處理

試驗數據采用WPS Office 2016軟件整理和制圖，采用SPSS22.0進行分析。不同土地利用方式下處理間差異顯著性采用單因素方差分析（ANOVE）方法檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同土地利用方式總有機碳的變化特征

由圖1可知，土地利用方式顯著改變了陳家寨喀斯特小流域0～20 cm土層總有機碳含量，土壤有機碳含量的總體趨勢由大到小依次為灌木林地＞人工林＞荒草地＞果園＞耕地。其中，灌木林地的有機碳含量最高（77.52 g/kg），顯著高于其他土地利用方式，其有機碳含量是果園和耕地平均值的3倍；其次是人工林和荒草地，分別為43.98 g/kg和41.23 g/kg，亦顯著高于耕地；而果園和耕地最低（26.09 g/kg和21.60 g/kg），且兩種利用方式間無顯著差異。可見，自然植被的灌叢有利于土壤有機碳的累積，而常年耕作和作物收獲帶走則會造成土壤有機碳耗竭。

圖1 陳家寨小流域不同土地利用方式土壤總有機碳含量

氣候、植被覆蓋類型、管理方式等因素會對土壤有機碳的含量造成影響［15］。研究表明，表層土壤總有機碳含量主要由植被每年的歸還量、歸還形式和凋落物的分解速率決定，在分解速率相近的條件下，歸還量的大小和歸還形式決定了土壤是否能夠積累較多的有機碳［16］。本研究5種土地利用類型中，灌木林地的有機碳含量顯著高于其他4種土地利用類型，主要是因為灌木林地的地表生物量豐富，凋落物多樣，為灌木林地表層土壤提供了更多的有機碳；人工林每年的枯枝落葉也較多，有機碳的歸還量較大，因此其有機碳含量也比較高；荒草地雖然沒有人為因素的干擾，但是植物根系不發達，有機碳含量居于中等；果園雖然有一些枯枝落葉的積累，但是每年有果實收獲，有機碳的輸出較大，其有機碳含量僅高于耕地；耕地的開墾破壞了地表原生植被，致使水土流失，從而導致有機碳的流失嚴重，并且農作物的收獲有一部分有機碳不能參與還田，這些原因都致使耕地有機碳含量最低。

2.2 不同土地利用方式各活性有機碳組分的變化特征

從表1可以看出，5種土地利用方式下土壤水溶性有機碳、游離活性有機碳的含量均表現為灌木林地＞荒草地＞人工林＞果園＞耕地，而易氧化有機碳的含量表現為灌木林地＞荒草地＞人工林＞耕地＞果園，與總有機碳含量趨勢大體一致。其中，灌木林地的土壤水溶性有機碳含量為0.35 g/kg，顯著高于人工林、果園和耕地，其水溶性有機碳含量分別是人工林、果園和耕地的1.94、2.06和5倍；而荒草地顯著高于耕地，其水溶性有機碳含量是耕地的4.5倍。土壤游離活性有機碳含量灌木林地為53.50 g/kg，顯著高于其他4種利用方式，是其他處理的2～3倍；而除人工林和耕地處理間存在顯著差異外，其他處理間均無顯著差異。灌木林地的易氧化有機碳為16.22 g/kg，顯著高于其他4種利用方式，果園最低為6.65 g/kg。

表 1 不同土地利用方式土壤活性有機碳含量

土壤活性有機碳主要來源于枯枝落葉的分解、根系分泌物、微生物的分解等。研究表明，土壤活性有機碳的含量與土壤總有機碳的變化趨勢基本一致［17］。本研究中，不同土地利用方式下水溶有機碳、游離活性有機碳、易氧化有機碳的含量變化趨勢與總有機碳基本一致，再次驗證了這一觀點。在5種土地利用方式中，灌木林地腐殖質含量高、植物根系發達、秋冬季節又有大量的枯枝落葉，因而其土壤水溶性有機碳、游離活性有機碳、易氧化有機碳的含量最高；荒草地沒有人為因素干擾，有機碳輸入主要以草本植物根系為主，木質素等穩定性成分較少，人工林雖然有人為干擾，但植被掉落物較多，根系分泌物也比較豐富，二者活性有機碳含量居于中等；果園與耕地由于頻繁的人為擾動，土壤結構變化明顯，土壤團聚體被破壞土壤游離活性有機碳的含量降低。

2.3 不同土地利用方式土壤各活性有機碳組分的分配比例

土壤活性有機碳與土壤總有機碳的比值叫該種活性有機碳的分配比例，它比有機碳總量對不同土地利用方式下有機碳周轉響應更敏感［2］。從表2可以看出，水溶性有機碳的分配比例在0.36%～0.81%之間，其中荒草地的分配比例最高為0.81%，是耕地水溶性有機碳分配比例的2倍；其次是果園（0.62%）、灌木林地（0.52%）和人工林（0.43%）；耕地最低，為0.36%。與總有機碳和水溶性有機碳的質量分數的趨勢相比，灌木林地、果園、人工林這3種土地利用方式下的水溶性有機碳與總有機碳的比值差異不顯著；游離活性有機碳的分配比例總體呈現出果園（68.88%）＞灌木林地（68.08%）＞人工林（65.34%）＞荒草地（62.54%）＞耕地（55.60%）；易氧化有機碳以耕地的分配比例最高為36.05%，是灌木林地的1.71倍，且耕地與其他4種土地利用方式差異顯著。

本研究中，水溶性有機碳和易氧化有機碳分配比例與總有機碳的變化趨勢不同，而游離活性有機碳的分配比例與總有機碳的變化趨勢基本一致，說明盡管水溶性有機碳和易氧化有機碳含量隨總有機碳的增加而增加，但其對水溶性有機碳和易氧化有機碳的分解和利用率不同，而游離活性有機碳的分配比例與總有機碳的變化一致，可能是由于其新增加的有機碳主要以粗顆粒的形式存在，這與周萍等［18］的研究結果相似。耕地的水溶性有機碳的分配比率最低，這可能與人為灌溉過程中水溶性有機碳隨下滲水遷移有關。而在易氧化有機碳的比例方面，耕地最高，說明耕地的有機碳活性大，土壤穩定性比較差，易被礦化分解，不利于土壤有機碳的積累。游離活性有機碳的分配比例以耕地最低，主要是由于耕種對土壤結構造成很大的破壞，團聚體破壞較其他4種利用方式嚴重。

表2 不同土地利用方式土壤活性有機碳分配比例

2.4 土壤活性有機碳之間的相關性

對土壤總有機碳含量與各活性有機碳組分間進行相關性分析，結果（表3）表明，土壤總有機碳含量與水溶性有機碳、游離活性有機碳、易氧化有機碳之間呈極顯著的相關關系，這充分說明土壤活性有機碳較大程度上由土壤總有機碳轉化而來，因此，無論哪種活性有機碳組分都依賴總有機碳，隨總有機碳含量的變化而變化。3種活性有機碳組分兩兩之間都呈極顯著相關，其中土壤游離活性有機碳與易氧化有機碳的相關系數最高，為0.857。因此，各活性有機碳組分間具有一定的相關性，盡管表述和測定的方法不同，但都揭示了土壤活性較高的土壤有機碳庫含量。

表3 土壤有機碳和活性有機碳組分之間的相關性

3 結論

本研究結果表明，不同的土地利用方式對土壤總有機碳、水溶性有機碳、游離活性有機碳和易氧化有機碳產生了顯著影響。其中，灌木林地的有機碳和活性碳組分含量最高，荒草地和人工林次之，果園和耕地相對較低。因此，加強對喀斯特地區植被的保護，降低人為活動的干擾，是增加喀斯特地區碳賦存能力的重要途徑。

本研究中，水溶性有機碳的分配比例為荒草地＞果園＞灌木林地＞人工林＞耕地，易氧化有機碳的分配比例為耕地＞荒草地＞果園＞人工林＞灌木林地，游離活性有機碳的分配比例為灌木林地＞果園＞人工林＞荒草地＞耕地。不同土地利用方式下土壤有機碳含量不同，各活性有機碳組分既有相同之處，又存在差異，說明土壤活性有機碳的復雜性，不同活性有機碳的表征指標無論數值還是變化趨勢不能直接比較。

土壤總有機碳含量與水溶性有機碳、游離活性有機碳、易氧化有機碳之間均有明顯的相關性，并且3種活性有機碳組分兩兩之間都呈顯著相關。可見，土壤活性有機碳組分的含量受總有機碳含量的制約，但是制約程度存在差異，而且各活性碳組分之存在相關性。

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（責任編輯 鄒移光）

Changes of soil active organic carbon pool under difierent land use types in karst mountainous area

WANG Xing1，DUAN Jian-jun2，WANG Xiao-li1，XU Hu1，WANG Gui-hong1，GUO Zhen1，WANG Ping-ping1
（1.College of Agriculture，Guizhou University，Guiyang 550025，China；2.College of Tobacco Science，Guizhou University/Guizhou Key Laboratory for Tobacco Quality，Guiyang 550025，China）

The differences of active organic carbon fractions in 0-20 cm soil layers and their relationships with soil total organic carbon （SOC）were studied in the karst small watershed of Chenjiazhai，Puding county，Guizhou province，under different land use patterns. The results showed that the average content of total organic carbon in 0-20 cm soil layer of Chenjiazhai karst watershed in Guizhou was 42.03（± 25.08）g/kg. The organic carbon content of shrub land was the highest （77.44 ± 28.38 g/kg），which was 3.5 times of that of cultivated land. The content of soil water-soluble organic carbon in descending order was as follows: bushes＞ grassland＞ plantation＞ orchard＞ arable land. The content of free active organic carbon in descending order was as follows: bushes＞ plantation＞ grassland＞arable land＞ orchard. The content of easily oxidized organic carbon in descending order were as follows: bushes＞plantation＞grassland＞arable land ＞ orchard. There was a significant correlation between total soil organic carbon（SOC）content and active carbon components，and the correlation coefficient between free organic carbon and freeorganic carbon was the highest. The content of soil organic carbon was different under different land use patterns，and the contents of active organic carbon were similar and different，which indicated the complexity of soil active organic carbon. Therefore，the characterization index of different active organic carbon can not be directly compared regardless of the value or the trend of change.

karst area；land use patterns；organic carbon active components；proportion of active organic carbon

S153.6+2

A

1004-874X（2017）01-0088-06

2016-10-26

國家自然科學基金（41361064）

王星（1990-），女，在讀碩士生，E-mail：279265518@qq.com

段建軍（1976-），男，博士，副教授，E-mail：djjwxl@126.com

王星，段建軍，王小利，等.喀斯特小流域不同土地利用方式土壤活性碳組分的變化特征［J］.廣東農業科學，2017，44（1）：88-93.