滇中尖山河小流域不同土地利用類型土壤活性有機碳分布特征

張華渝, 王克勤, 宋婭麗, 趙洋毅, 陳 雪

(西南林業大學 生態與水土保持學院, 昆明 650224)

土壤有機碳作為土壤肥力的重要組成部分，不僅是表征土壤質量演變的重要指標[1]，而且是植被生長的碳源，對土壤結構的形成、土壤持水性、緩沖性、生物多樣性及穩定性等產生重大影響[2]。土壤活性有機碳是土壤有機碳的活性部分，被認為是土壤中易被土壤微生物分解礦化、有效性較高，對土壤養分的供給、土壤微生物活性以及作物的生長有最直接作用的有機碳[3]。土壤活性有機碳的組分根據測定方法的不同可表述為微生物量有機碳、易氧化有機碳、可溶性有機碳，它們均可在不同程度上反映土壤有機碳的有效性和土壤質量。雖僅占土壤有機碳的一小部分，但土壤活性有機碳易被生物直接利用、周轉較快，直接參與土壤生物化學轉化過程，對土地利用變化最敏感，并在指示土壤有機碳的有效性、土壤質量和肥力的變化時比有機質更靈敏、更準確[4-5]。因此，深入研究土壤活性有機碳各組分的動態變化特征，對調控土壤養分流失、維持土壤肥力以及完善碳循環的動態平衡機制具有十分重要的意義[6]。

近年來，國內外對于土壤活性有機碳的研究多集中于不同生態系統中，尤其是不同林分[7]、不同林齡[8]、不同海拔[9]、以及地下根系[10]等對森林生態系統土壤不同形態活性組分的影響，以及秸稈還田[11]、耕作方式[12]、施肥措施[13]等農田管理措施對農田生態系統土壤活性有機碳的影響。但從不同土地利用類型的角度研究滇中尖山河小流域不同土地利用類型對土壤活性有機碳組分分布的影響報道較少。云南省屬于我國水土流失二級敏感區，雨季(每年5月—10月)雨量充沛，不但影響著農業生產，而且關系到土壤退化、化肥利用率低，水土富營養化等生態環境問題[14]。尖山河小流域土地利用方式多變，土壤類型多樣，且在雨季尤其是暴雨條件下土壤侵蝕較為嚴重。因此，本研究選擇滇中尖山河小流域坡耕地、荒草地、林地、園地4種不同土地利用類型，研究不同土地利用類型對不同土層(0—10，10—20，20—30 cm)土壤有機碳(SOC)、微生物有機碳(MBC)、易氧化有機碳(EOC)及可溶性有機碳(DOC)分布特征及其相關性的影響，旨在深入了解不同土地利用類型對土壤活性有機碳積累以及淋溶與流失的影響作用，以期為該流域土壤活性有機碳組分及土壤碳循環研究提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區地處玉溪市澄江縣西南部，位于北緯24°32′00″—24°37′38″，東經102°47′21″—102°52′02″；最高海拔在流域北部，為2 347.4 m，最低海拔在尖山河入撫仙湖的入口處，為1 722 m，相對高差625.4 m。小流域多年平均降雨量1 050 mm，雨季為5月下旬—10月下旬，降雨量占全年總降雨量的75%，旱季為11月上旬—次年5月中旬，降雨量占全年降雨量的25%。流域內的土壤主要是紅紫泥土和紅壤，紅紫泥土主要分布在尖山大河上游河道順流左岸方向；紅壤分布在尖山大河順流右岸，其中石灰巖紅壤分布在帶頭村附近、五尺埂至岔河；玄武巖紅壤分布在流域東部李頭村附近；尖山大河河床兩岸均為紫泥土。

1.2 土壤樣品采集與測定

根據滇中尖山河小流域特點，選取具有代表性的坡耕地、荒草地、林地、園地4種土地利用類型分別布設面積為20 m×20 m的標準樣地。坡耕地：流域內傳統的種植方式，種植作物有烤煙、玉米、豌豆等，覆蓋度20%～30%；荒草地：由坡耕地棄耕撂荒而形成，地面植被為生長的雜草，無喬木和灌木，覆蓋度<5%；林地：近年來該地區大力進行流域綜合治理，在退耕還林政策帶動下農戶將大部分坡耕地改為林地，主要種植云南松、華山松，林間伴生有灌木、草本、果樹等，覆蓋度48%；園地：在政策支持下，農戶將一部分區域承包用來種植經濟作物，主要為楊梅種植園，覆蓋度60%～70%。

于2017年9月，對4種不同土地利用方式下的土壤進行取樣。每種土地利用方式分別設置3個重復樣地(樣地面積為20 m×20 m)，每個樣地相距50～100 m，在樣地中隨機設置5個采樣點。用挖剖面法在各采樣點按0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm分層取樣，并用四分法取出足夠的樣品，除去礫石跟根系；每層用環刀法測定土壤容重并做3個重復。土樣帶回實驗室后去雜、過2 mm鋼篩后置于通風、陰涼、干燥的室內風干，磨細并過篩測定土壤有機碳(SOC)、微生物量有機碳(MBC)、易氧化有機碳(EOC)、可溶性有機碳(DOC)等指標。表1為4種土地利用方式下土壤的理化性質。

土壤有機碳采用重鉻酸鉀外加熱法[15]測定；土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸法測定[16]；土壤易氧化碳采用高錳酸鉀氧化一比色法測定[17]；土壤可溶性有機碳采用水浸提法，濾液采用島津公司TOC-V有機碳分析儀測定[18]。

1.3 數據統計與分析

利用Excel 2010和SPSS 22.0軟件對數據進行數據處理和圖表分析，采用單因素方差分析(One-Way ANOVA)檢驗不同土地利用類型或不同土層下土壤各組分有機碳的差異性，采用雙因素相關分析(Two-Way ANOVA)檢驗不同土地利用方式與不同土層的交互作用下土壤各組分有機碳的差異性，并用Person相關分析土壤各組分有機碳之間的相關性。

表1 不同土地利用類型土壤基本理化性質

2 結果與分析

2.1 不同土地利用類型土壤有機碳分布特征

林地和園地各土層SOC均隨著土層深度的增加而降低(圖1)，呈現出明顯的垂直遞減性；0—10 cm土層較10—20 cm和20—30 cm土層分別增加了67.43%和78.14%，以及114.01%和99.37%。但坡耕地與荒草地SOC隨著土層深度的增加差異性不顯著(p>0.05)。在不同土地利用類型下表現為園地(15.22 g/kg)>林地(12.47 g/kg)>坡耕地(8.80 g/kg)>荒草地(5.71 g/kg)，園地分別比坡耕地、荒草地和林地高73.02%，166.70%和22.02%。荒草地SOC含量顯著小于其他3種土地利用類型，不同土層平均SOC含量僅分別為坡耕地、林地和園地的64.88%，45.76%和37.50%。4種土地利用類型在0—10 cm和10—20 cm土層的SOC差異性顯著(p<0.05)，但坡耕地與林地在20—30 cm土層差異性不顯著(p>0.05)。

注：不同大寫字母表示同一土地利用類型不同土層差異顯著，不同小寫字母表示同一土層不同土地利用類型間差異顯著(p<0.05)。下同。

圖1 不同土地利用類型SOC含量

2.2 不同土地利用類型土壤微生物有機碳分布特征

隨著土層深度的增加，荒草地、林地和園地土壤微生物有機碳含量(MBC)逐漸降低(圖2)，但坡耕地不同土層MBC差異性不顯著(p>0.05)。荒草地、林地和園地MBC在0—10 cm土層分別為10—20 cm和20—30 cm土層的1.13，1.41，1.10倍、以及1.30，1.49，1.37倍。不同土層的土壤MBC含量在不同土地利用類型下表現為園地(502.24 mg/kg)>林地(417.56 mg/kg)>坡耕地(281.73 mg/kg)>荒草地(241.16 mg/kg)，園地的平均MBC含量分別比坡耕地、荒草地和林地高78.27%，108.26%和20.28%。坡耕地、荒草地、林地和園地MBC在0～30 cm的深度內變化范圍分別為264.40～308.37，210.05～273.08，353.22～526.03，415.80～571.50 mg/kg。

圖2 不同土地利用類型MBC含量

2.3 不同土地利用類型土壤易氧化有機碳分布特征

與SOC和MBC趨勢相同，不同土地利用類型下不同土層土壤的易氧化有機碳含量(EOC)也呈現出垂直分布的特征(圖3)，即隨著土層深度的增加，EOC含量總體上呈逐漸降低的趨勢。林地和園地均為0—10 cm土層EOC最高，其他兩層依次顯著降低(p<0.05)。坡耕地和荒草地EOC含量雖隨土層深度的增加而有所下降，但0—10 cm和10—20 cm差異性不顯著(p>0.05)，與20—30 cm土層EOC含量差異性顯著(p<0.05)。EOC主要分布在0—20 cm土層，在20—30 cm土層含量僅為0—30 cm土層總量的24.69%～29.28%。不同土層EOC在不同土地利用類型下表現為園地(3.40 g/kg)>林地(2.71 g/kg)>坡耕地(1.28 g/kg)>荒草地(0.54 g/kg)。園地的平均EOC含量分別比坡耕地、荒草地和林地高165.94%，529.84%和25.50%。

圖3 不同土地利用類型EOC含量

2.4 不同土地利用類型土壤可溶性有機碳分布特征

4種土地利用類型土壤可溶性有機碳含量(DOC)總體上表現出隨著剖面深度的增加而不斷減小(圖4)，坡耕地、荒草地、林地和園地0—10 cm土層分別為10—20 cm土層和20—30 cm土層的1.30，1.44，1.21，1.23倍、以及1.35，1.56，1.26，1.31倍。0—10 cm土層和10—20 cm土層的DOC差異性顯著(p<0.05)，但10—20 cm土層和20—30 cm土層的DOC差異性均不顯著(p>0.05)。不同土層的土壤DOC在不同土地利用類型下表現為園地(111.77 mg/kg)>林地(109.30 mg/kg)>坡耕地(77.62 mg/kg)>荒草地(67.62 mg/kg)，園地的平均DOC含量分別比坡耕地、荒草地和林地高43.98%，65.28%和2.26%。

圖4 不同土地利用類型DOC含量

2.5 不同土地利用類型土壤活性有機碳之間的相關性

由表2可以看出，SOC與MBC，EOC，DOC成極顯著正相關關系，相關系數分別為0.917，0.946，0.872。MBC和EOC，DOC存在極顯著正相關關系，相關系數分別為0.978，0.930。EOC與DOC存在極顯著相關關系，相關系數為0.923。即土壤有機碳、各活性有機碳組分之間均極顯著相關。

表2 不同土地利用類型土壤活性有機碳的相關性

注：表中**表示在0.01水平(雙側)上顯著相關。df=34。

雙因素方差分析(表3)結果表明，土層深度、土地利用類型以及土層深度和土地利用類型之間的交互作用對有機碳組分的影響均極顯著(p<0.01)，且土地利用類型的影響大于土層深度以及兩者之間交互作用。各有機碳組分中，土壤利用類型影響最大的為MBC，其次為SOC，最小的為EOC和DOC。

表3 不同土層和不同土地利用類型對有機碳組分影響的方差分析結果

3 討 論

土壤有機碳含量是氣候因子、成土母質、地表植被以及人為作用等諸多因素綜合影響下碳輸出與碳輸入達動態平衡的結果[19]，而土壤活性有機碳作為土壤中活性較高的那部分有機碳，對環境的變化更敏感。本研究中不同土地利用類型土壤SOC，MBC，EOC，DOC整體均表現為園地>林地>坡耕地>荒草地。這主要是不同土地利用方式的凋落物和根系分泌物數量、土壤化學組成、不同植被根系分布情況均不同所引起有機質輸入的差異所導致的。林地中土壤有機碳活性有機碳含量較高是由于土壤表層形成的殘體或分泌物多，大量的凋落物每年會歸還給土壤，土壤表層較多的有機質供應使得微生物碳源豐富，并且適宜的水熱條件有助于土壤微生物活性和植被的新陳代謝速率，凋落物分解加快，根系分泌物也增多，同時林地不受人為擾動，土壤結構適宜微生物生長，土壤活性有機碳含量較高。同樣，園地(楊梅園)更新死亡的生物質會滯留原地，在微生物的降解作用下重新進入土壤[20]。而坡耕地由于常年翻耕(據調查翻耕深度在20—30 cm)增加了土壤的通透性使得土壤活性有機質礦化和分解加劇，土壤表層結構松軟，根系分泌物較低，同時由于農作物收獲等活動(喂養牲口或田間燒掉)使得植物內的碳移出土壤，共同導致土壤活性有機碳含量較低，水土流失嚴重。荒草地中由于植被覆蓋率低(<5%)，土壤微生物的營養供給較低，細根轉化較低，土壤結構惡化導致土壤活性有機碳含量較低。李增全等[21]在重慶市西北部縉云山不同土地利用方式下土壤微生物量碳的研究與本文的研究結果不一致，主要原因是縉云山坡耕地撂荒后，地表植被恢復為生長旺盛的多年生草本植物，為土壤微生物提供豐富的營養供給，加之根系轉化速度快，土壤結構有利于土壤微生物的生長，土壤微生物有機碳較高。

本研究中，4種土地利用類型中林地和園地各土層SOC均隨著土層深度的增加而降低，呈現出明顯的垂直遞減性，但坡耕地與荒草地隨著土層深度的增加差異性不顯著。坡耕地隨著土層深度增加差異性不顯著主要是由于坡耕地中種植烤煙、玉米或豌豆后，部分的殘根留在土壤，這些農作物根系在土壤生物的作用下產生有機碳，在種植農作物時翻耕進入深層土壤使得各土層SOC差異性不顯著；而荒草地則可能與植被覆蓋度較低(<5%)、植被生產力以及土壤中有機質積累較低有關。不同土地利用類型MBC，EOC，DOC整體上隨著土層深度的增加而逐漸降低，這是由于在土壤表層MBC，EOC，DOC顯著高于其他土層是由于不同土地利用類型肥料(有機肥、復合肥)、枯枝落葉及植物殘體主要在土壤表層積累，土壤表層的微生物活性在新鮮有機質的作用下得以促進；而隨著土層深度的增加，新鮮有機質逐漸減少，通氣性較差，土壤微生物生長活性較差。盛浩等對稻田[22]以及楊凱等對不同林齡落葉松人工林[23]的研究結果均與本研究結果一致。本研究中，MBC，EOC，DOC主要分布在0—20 cm土層，在20—30 cm土層含量較低(低于30%)，這與王曉君等[24]對岷江上游森林干旱河谷交錯帶不同土地利用類型土壤有機碳的研究結果一致，主要是由于隨著土層深度增加，土壤有機碳駐留時間越長，其有效性越低[25]。

本研究中，SOC和MBC，EOC，DOC呈極顯著正相關關系，說明土壤活性有機碳的含量在很大程度取決于土壤有機碳的含量，土壤活性有機碳既不同于有機碳但又與有機碳緊密相連，明顯依賴于地表碳源的輸入、固定、轉化和分解。這與劉云夢[26]等對黃土臺塬不同林分結構土壤有機碳質量分數特征研究的結果相一致。出現此結果的原因是土壤中的活性有機碳直接參與了土壤生物化學轉化過程，土壤活性有機碳與土壤有機碳處于動態平衡中，在一定條件下實現了相互轉化[27]。MBC，EOC，DOC兩兩之間也表現出極顯著正相關，這與前人的結果相一致[28]，說明活性碳組分之間關系密切，進一步證實SOC，MBC，EOC和DOC可作為表征土壤肥力的敏感因子。由土層深度和土地利用類型的方差分析結果表明，將土壤分層和土地利用類型分別作為主效應因素來考慮，對土壤SOC，MBC，EOC，DOC的含量的影響均較高，三者均能客觀地反映土壤的管理情況，能敏感和直觀地指示土壤養分的變化。土壤有機碳庫的微小變化均會影響到養分的循環和有效性，而本研究中結構良好、有機碳和水分含量較高的土壤(園地和林地)，能為土壤微生物活動提供優良的生境，有利于土壤微生物的生長。

綜上，由于研究區坡耕地比重大，導致該地區水土流失現象嚴重，生態環境惡化。退耕還林以及在荒草地種植人工林可作為提高土壤有機碳含量的有效措施，不僅可減少水土流失和面源污染，起到較好的水土保持作用，同時也是改善土壤質量、恢復土壤肥力、提高碳儲量以及實現該區域植被恢復重建的根本保障，必將對土壤碳儲量的提高和積累以及碳循環產生積極的影響。林地有良好的調節徑流和減少土壤流失的作用，但造林后土壤碳積累機制以及時空分異特征受到氣候、土壤母質、水文和土地利用方式等因素的影響，今后研究應集中于控制其他因素基礎上比較不同林分類型對土壤有機碳的時空動態變化研究，將有助于準確評估我國人工林的碳吸收量和吸收潛力，為全球陸地碳循環途徑奠定必要的科學基礎。

4 結 論

(1) 滇中尖山河小流域不同土地利用類型下土壤SOC，MBC，EOC，DOC整體均表現為園地>林地>坡耕地>荒草地，林地土壤有機碳和活性有機碳較高是由于土壤表層形成的殘體或分泌物多，大量的凋落物每年會歸還給土壤；園地(楊梅園)則是由于更新死亡的生物質會滯留原地，在微生物的降解作用下重新進入土壤；

(2) 不同土地利用類型MBC，EOC，DOC整體上隨著土層深度的增加而逐漸降低，且主要分布在0—20 cm土層，在20—30 cm土層含量較低(低于30%)，這主要是由于肥料(有機肥、復合肥)、枯枝落葉及植物殘體主要在土壤表層積累，土壤表層的微生物活性在新鮮有機質的作用下得以促進；

(3) 不同土地利用類型下SOC和MBC，EOC，DOC呈極顯著正相關關系，說明土壤活性有機碳的含量在很大程度取決于土壤有機碳的含量；MBC，EOC，DOC兩兩之間也表現出極顯著正相關，進一步證實SOC，MBC，EOC和DOC可作為表征土壤肥力的敏感因子；本研究中結構良好、有機碳和水分含量較高的土壤(林地和園地)，能為土壤微生物活動提供優良的生境，有利于土壤微生物的生長；

(4) 退耕還林以及在荒草地種植人工林可作為提高土壤有機碳含量的有效措施，不僅可減少水土流失和面源污染，起到較好的水土保持作用，同時也是改善土壤質量、恢復土壤肥力、提高碳儲量以及實現該區域植被恢復重建的根本保障，必將對土壤碳儲量的提高和積累以及碳循環產生積極的影響。