土地利用方式對巖溶山地土壤輕組和重組有機碳的影響

藍家程，肖時珍，2，*，林俊清，沈 艷

(1.貴州師范大學 喀斯特研究院/國家喀斯特石漠化防治工程技術研究中心，貴州 貴陽 550001； 2.西南大學 地理科學學院/三峽庫區生態環境教育部重點實驗室，重慶 400715； 3.四川省眉山中學，四川 眉山 620010)

浙江農業學報ActaAgriculturaeZhejiangensis， 2017，29(10): 1720-1725

藍家程，肖時珍，林俊清，等. 土地利用方式對巖溶山地土壤輕組和重組有機碳的影響[J]. 浙江農業學報，2017，29(10)： 1720-1725.

10.3969/j.issn.1004-1524.2017.10.18

2017-03-14

國家自然科學基金(41601584)；貴州省科學技術基金(黔科合J字[2015]2111號)；貴州師范大學2015年博士科研啟動項目(600204)

藍家程(1986—)，男，壯族，廣西都安人，博士，副教授，研究方向為喀斯特生態環境。E-mail: lanjc2016@163.com

*通信作者，肖時珍，E-mail: xiaoshizhen@gznu.edu.cn

土地利用方式對巖溶山地土壤輕組和重組有機碳的影響

藍家程1，肖時珍1，2，*，林俊清1，沈 艷3

(1.貴州師范大學 喀斯特研究院/國家喀斯特石漠化防治工程技術研究中心，貴州 貴陽 550001； 2.西南大學 地理科學學院/三峽庫區生態環境教育部重點實驗室，重慶 400715； 3.四川省眉山中學，四川 眉山 620010)

以重慶中梁山巖溶山地的林地、菜地、草地和棄耕地為研究對象，采用有機碳密度分組法、單因素方差分析和相關分析，研究不同土地利用方式對土壤輕組有機碳(LFOC)和重組有機碳(HFOC)含量、分配及敏感性的影響。結果表明，林地、菜地和草地土壤LFOC、HFOC、有機碳(SOC)含量及LFOC/SOC均顯著高于棄耕地；而土壤HFOC/SOC以棄耕地最大。不同土地利用方式下，土壤LFOC、HFOC、SOC含量均隨土層深度增加而下降。土壤LFOC敏感性最高，其次為SOC，HFOC敏感性最低。LFOC能更敏感地反映土地利用方式的變化，可作為反映土壤質量變化和土壤有機碳穩定性的敏感性指標。

巖溶山地；土地利用；土壤有機碳；土壤性質

土壤有機碳是土壤質量的核心。土壤有機碳庫很小的變動，就可能會對大氣CO2濃度及碳平衡產生重要影響[1]。土地覆被變化、利用方式的改變對土壤有機碳的分解與積累有重要影響[2-5]，尤其是在易礦化分解、周轉速度快的活性碳庫部分，影響格外明顯；因此，要準確評估土壤有機碳對土地利用的響應，需要區分有機碳組分進行研究。

土壤有機碳按照密度大小可分為輕組有機碳(light fraction organic carbon，LFOC)和重組有機碳(heavy fraction organic carbon，HFOC)。土粒密度小于1.8～2.0 g·cm-3的組分為輕組有機碳，這部分有機碳具有較強的生物活性，主要由游離腐殖酸和植物殘體及其腐解產物等組成，周轉期一般為1～15 a[6]；土粒密度大于1.8～2.0 g·cm-3的組分為重組有機碳，主要系由腐殖質構成的有機礦質復合體，很難被微生物利用和分解，屬于保護性有機碳，對土壤團聚體結構維持和有機碳穩定有重要作用。研究顯示，土地利用對土壤輕組有機碳含量及其分配影響明顯[7-9]；而重組有機碳由于相對穩定，有關土地利用對重組有機碳的影響研究相對較少。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

重慶市中梁山位于106°18′14″～106°56′53″E、29°39′10″～30°3′53″N之間，由于巖溶作用形成巖溶槽谷，呈現“一山兩槽三嶺”的構造地貌格局，海拔400～700 m。區內年均氣溫18 ℃，多年平均降水量1 000 mm，降水集中分布在3—9月，屬于中亞熱帶季風性濕潤氣候。土壤發育的地質背景是三疊紀嘉陵江組的巖溶角粒狀白云質灰巖，土壤類型屬于黃色石灰土，土層厚0.15～1.00 m。地帶性植被為中亞熱帶常綠闊葉林，但由于受巖性、土壤和人類活動影響，已無典型的常綠闊葉林地，現有植被為人工次生林。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選擇及樣品采集

選取研究區內棄耕地、林地、菜地、草地等4種土地利用方式。棄耕地棄耕2 a，以夾蒿(Folderartemisia)和白茅(Imperatacylindrica)為主，植被覆蓋度為0.80，土壤質地黏重，棄耕前種植玉米，海拔552 m，坡度5～18°；林地為人工次生林，種植10 a以上，植被覆蓋度為0.85，土壤質地黏重，海拔671 m，坡度2～10°；菜地主要種植白菜和蘿卜，5 a以上輪種，常年耕作，覆蓋度為0.80，種植之前為玉米地，土壤質地黏重，海拔514 m，坡度2～5°；草地由耕地撂荒而成，撂荒20 a以上，植被以白茅為主，少量夾蒿，覆蓋度為1.0，土壤質地黏重，海拔514 m，坡度6～13°。在每種土地利用方式下選擇不同地塊各設置3個樣地，每個樣地大小為10 m×10 m，挖掘40 cm深的土壤剖面，依從下往上的原則，采集0～20 cm及20～40 cm土樣，每層土樣取1 kg。土壤帶回實驗室后，挑去石子、樹枝等雜物，自然風干后分別過2、1、0.25 mm篩子，貯存待分析。

1.2.2 試驗分析

土壤有機碳采用重鉻酸鉀外加熱法測定[16]。

土壤輕組有機碳和重組有機碳的測定：稱取過0.25 mm篩的風干土樣5.00 g于100 mL離心管中，加入 25 mL 1.8 g·cm-3的溴化鋅(ZnBr2)溶液，200 r·min-1振蕩1 h，之后離心 10 min(3 000 r·min-1)，重復以上過程3次，分別用95%乙醇洗滌3次，去離子水洗滌2次，分離后離心管中的土樣即為重組物質，60 ℃烘干48 h，土樣研磨過0.149 mm篩，測定土壤HFOC含量，方法同SOC測定。LFOC含量采用差值法計算。

1.2.3 土壤碳變化敏感性指標計算[17]

土壤有機碳及組分敏感性指標=(變量最大值-變量最小值)/變量最小值。

1.3 數據處理

采用SPSS Statistics 17進行方差分析和相關分析，用Excel 2010對表中數據進行整理和計算，圖件在Origin 8.0軟件中完成繪制。

2 結果與分析

2.1 土地利用方式對土壤輕組有機碳的影響

不同土地利用方式下，土壤LFOC含量均表現出隨土層加深而減小的趨勢(表1)，與土壤SOC含量分布相似。方差分析表明，林地和草地0～20 cm與20～40 cm土層的LFOC含量差異顯著(P<0.05)，這可能主要與根系分布有關，菜地和棄耕地LFOC含量差異不顯著。不同土地利用方式下，土壤LFOC含量在0～20 cm土層均表現為草地>林地>菜地>棄耕地，其中，草地、林地、菜地與棄耕地差異極顯著(P<0.01)，但前三者間無顯著差異；土壤LFOC含量20～40 cm表現為菜地>林地>草地>棄耕地，菜地、林地與棄耕地差異極顯著(P<0.01)，草地與棄耕地差異顯著(P<0.05)。總體來看，棄耕地雖然已棄耕2 a，但土壤質量仍較差。

林地、草地、菜地0～20 cm土層SOC含量顯著(P<0.05)高于棄耕地，20～40 cm土層SOC

含量極顯著(P<0.01)高于棄耕地，但相差比例不及LFOC。例如，在0～20和20～40 cm土層，林地LFOC含量較棄耕地分別高1 038%和1 141%，而林地土壤SOC含量比棄耕地僅分別高出119%和280%。這一結果說明，相較于土壤SOC，土壤LFOC對土地利用變化更為敏感。

土壤LFOC/SOC可以反映土壤有機碳庫質量[17]。不同土地利用方式下，土壤LFOC/SOC在剖面上的分布亦存在一定差異：在0～20 cm土層，LFOC/SOC依次為草地>林地>菜地>棄耕地；在20～40 cm土層， LFOC/SOC表現為菜地>林地>草地>棄耕地。這說明，相對于棄耕地，林地、草地和菜地土壤質量較高。棄耕地可能由于棄耕年限較短，0～20與20～40 cm土層LFOC/SOC差異不明顯。林地和草地的土壤LFOC/SOC均表現為0～20 cm土層大于20～40 cm土層，而菜地相反，這可能與菜地常年翻耕有關。

2.2 土地利用方式對土壤重組有機碳的影響

由表1可知，與土壤SOC和LFOC含量變化趨勢類似，不同土地利用方式下土壤HFOC含量均隨土層加深而減小。在0～20 cm土層，土壤HFOC含量依次為菜地>林地>草地>棄耕地(表1)，與土壤SOC含量變化一致，菜地、林地、草地HFOC含量分別比棄耕地高出103%、95%、63%，其中，菜地與棄耕地差異極顯著(P<0.01)，林地和草地與棄耕地差異顯著(P<0.05)；在20～40 cm土層，土壤HFOC含量依次為林地>菜地>草地>棄耕地，同樣與土壤SOC含量變化一致。相較于0～20 cm土層，20～40 cm土層林地、草地、菜地土壤HFOC含量與棄耕地差異更大，且均達到極顯著水平(P<0.01)。

表1不同土地利用方式下土壤輕組有機碳、重組有機碳的含量及分配比例

Table1Mean contents and distribution ratio of LFOC， HFOC under different land use types

土地利用Landusetype土層Soillayer/cmSOC/(g·kg-1)LFOC/(g·kg-1)(LFOC/SOC)/%HFOC/(g·kg-1)(HFOC/SOC)/%棄耕地0～206210082576059743Abandonedland20～402690042922619708林地0～201361091133311808667Forestland20～40110504988110079119菜地0～201388078112712318873Vegetableland20～4094606714128128588草地0～20118109616329888368Grassland20～407210277536679247

在0～20 cm土層，林地、菜地、草地與棄耕地土壤HFOC含量差異在57%～103%之間，而土壤SOC含量差異在90%～123%之間；在20～40 cm土層，林地、菜地、草地與棄耕地土壤HFOC含量差異在156%～286%之間，而土壤SOC含量差異在168%～311%之間。這說明，不同土地利用方式下土壤HFOC含量變化小于土壤SOC含量變化。

土壤HFOC/SOC，即土壤有機無機復合度，可以表示土壤有機無機復合性狀，反映了土壤有機無機復合量占有機質的比例[18]。不同土地利用方式下，土壤HFOC/SOC的差異在0～20 cm土層要大于20～40 cm土層。在0～20 cm土層，HFOC/SOC表現為棄耕地>菜地>林地>草地，其中，棄耕地和草地呈極顯著差異(P<0.01)；在20～40 cm土層，HFOC/SOC表現為棄耕地>草地>林地>菜地。

2.3 相關性與敏感性分析

相關性分析顯示，土壤LFOC、HFOC含量分別與SOC含量呈極顯著正相關(圖1)，且對HFOC與SOC含量進行線性擬合的決定系數(R2)更高。

圖1 土壤SOC含量與LFOC、HFOC含量的相關性Fig.1 Relationship between SOC and HFOC/LFOC under different land use types

許多研究認為，相較于土壤有機碳含量，土壤活性有機碳含量是對土地利用變化反應更為敏感的指標[3，19]。本研究對不同土地利用方式下土壤LFOC、HFOC和SOC的敏感性進行了計算(表2)。可以看出，土壤LFOC的敏感性最高，SOC和HFOC相當。這說明土壤LFOC更能反映不同土地利用方式之間的差異，對土地利用變化敏感性最高，可作為反映土壤質量變化和土壤有機碳穩定性的敏感性指標。

表2土壤有機碳及組分含量的敏感性指標

Table2Sensitive indicators of soil organic carbon and its fractions

土層Soillayers/cmSOCLFOCHFOC0～20123110910320～403111603286

3 結論與討論

土壤LFOC是有機質中易變化的部分，其含量主要來自動植物及微生物殘體，容易受到植被凋落物、枯枝落葉和土壤管理方式的影響[7，19]。本研究顯示，不同土層林地、草地和菜地土壤LFOC含量均顯著高于棄耕地LFOC含量，土壤LFOC/SOC均大于棄耕地，這主要與植被恢復年限、植物凋落量、根系分布及土壤管理措施有關。林地和草地已有10 a以上的恢復，植物凋落量較高，土壤表層覆蓋有大量枯枝落葉，草本層厚，有機碳輸入量大，凋落物的分解可以提供大量土壤LFOC來源，進而改變LFOC的分配比例。Conteh等[20]認為耕作會降低土壤團聚體的穩定性進而改變土壤LFOC含量及分配比例。照此推理，菜地翻耕會導致土壤團聚體的破壞，降低LFOC含量，但本研究中菜地土壤LFOC含量較高，這主要與施肥有關。研究表明，施肥能夠增加土壤LFOC含量[21-22]。研究區為蔬菜基地，大量施用有機肥、無機肥及農家肥，這有助于提高土壤LFOC含量。棄耕地土壤LFOC含量低主要與其棄耕年限較短，土壤結構尚未恢復有關。

土壤HFOC含量為保護性碳，其含量比較穩定，代表的是土壤長期積累的碳，其含量和分配比例可以從某一方面反映土壤有機碳的穩定性。林地根系發達且分布較深，大量的凋落物可提供豐富的有機質，根系分泌物也可作為良好的土壤膠結劑，提高土壤團聚體數量和質量，使得土壤HFOC與礦物顆粒緊密結合，增加了土壤HFOC的含量。菜地由于長期施用有機肥，不僅提高了土壤SOC含量，而且有利于增加土壤復合體有機碳含量，改善土壤結構。草地根系不及林地發達，土壤有機碳來源相對較少，對土壤HFOC含量的影響不及林地明顯，而且其根系分布較淺，對20～40 cm土層HFOC含量的影響較弱。各土地利用方式不同土層HFOC含量差異幅度不同。林地、菜地、草地和棄耕地的20～40 cm土層土壤HFOC含量分別為0～20 cm土層的85.3%、66.0%、67.5%和43.1%，林地由于具有深根性，相對增加了深層土壤HFOC含量，這與馬昕昕等[23]的研究結果一致。

本研究中HFOC/SOC大于LFOC/HFOC，說明有機碳含量主要分布在重組中。與其他研究相比[19，24]，本研究土壤HFOC占比較高，可能與研究區土壤為石灰土，黏粒含量高，粉砂粒和黏粒含量達到90%～98%有關。

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EffectoflandusetypesonsoillightandheavyfractionorganiccarboninKarstmountainarea

LAN Jiacheng1， XIAO Shizhen1，2，*， LIN Junqing1， SHEN Yan3

(1.SchoolofKarstScience，GuizhouNormalUniversity/StateKeyEngineeringTechnologyResearchCenterforKarstRockyDesertificationRehabilitationofChina，Guiyang550001，China; 2.KeyLaboratoryofEco-EnvironmentsinThreeGorgesReservoir，MinistryofEducation/SchoolofGeographicalScience，SouthwestUniversity，Chongqing400715，China; 3.MeishanHighSchool，Meishan620010，China)

In the present study， forest land， vegetable land， grass land and abandoned land in Karst mountainous area of Zhongliang in Chongqing were selected as study objects. Influences of different land use types on soil light fraction organic carbon (LFOC) and heavy fraction organic carbon (HFOC) contents， distributions and sensitivity were studied using the method of relative density fractionation， variance analysis and correlation analysis. It was shown that contents of soil organic carbon (SOC)， LFOC， HFOC and LFOC/SOC in forest land， vegetable land， grass land were significantly higher than those in abandoned land. However， HFOC/SOC in abandoned land were higher than those in the other land use types. The contents of LFOC， HFOC and SOC under different land use types decreased with the increasing soil depth. Soil LFOC had the highest sensitivity， and was followed by SOC and HFOC. Soil LFOC was more sensitive to the land use changes. Therefore， soil LFOC could be used as indicator of soil quality and soil organic stability.

Karst mountain; land use; soil organic carbon; soil property

S153.6

A

1004-1524(2017)10-1720-06

（責任編輯高 峻)