黃土高原4種典型植被對土壤活性有機碳及土壤碳庫的影響

閆麗娟,李 廣,吳江琪,馬維偉,王海燕

1 甘肅農業大學農學院,蘭州 730070 2 甘肅農業大學林學院,蘭州 730070

土壤有機碳(SOC,Soil Organic Carbon)是評價土壤質量狀況不可或缺的重要指標[1],與土壤的物質循環和能量流動過程密切相關,特別是森林土壤有機碳庫貯量的細微變化,均可引起大氣CO2濃度的顯著改變[2]。但土壤有機碳總量的變化非常緩慢,很難在短期內觀測到它的細微變化,尤其在森林土壤中更加難以觀測[3]。而土壤活性有機碳組分對土地利用方式和群落生境變化的響應則更為敏感,更有助于揭示土壤有機碳的動態變化[4- 5]。土壤活性有機碳占土壤總有機碳的比例雖然較低,但能反映出土壤管理措施和環境變化所引起的土壤碳庫的微小變化[6]。土壤活性有機碳容易受到植物、微生物的影響強烈,具有一定的溶解性,在土壤中移動快、穩定性差、容易氧化和礦化[7],通常用微生物生物量碳(MBC,Microbial Biomass Carbon)、易氧化有機碳(EOC,Easily Oxidated Carbon)、顆粒有機碳(POC,Particle Organic Carbon)等指標來進行表征。同時土壤活性有機碳能夠直接參與土壤生物化學轉化過程,在土壤養分循環中起到了重要的作用,是土壤養分的儲存庫。有研究表明,植被恢復顯著影響了黃土高原土壤微生物量碳的變化,植被凋落物的輸入增加了土壤有機碳含量。植被恢復除了能夠保持水土、減少土壤侵蝕外,還可以改善提高土壤的質量[8]。目前,關于土壤活性有機碳組分的研究多集中在不同土地利用方式[9]、耕作措施[10- 11]、施肥措施[12]等方面,而在植被類型對土壤活性有機碳組分和碳庫管理指數的研究鮮有報道。因此本文以黃土高原丘陵溝壑區文冠果林地、荒草地、沙棘林地、檸條灌叢4種不同植被類型0—40 cm層土壤為研究對象,探討植被類型對土壤MBC、EOC、POC、SOC含量的分布特征,以期從有機碳的活性和穩定性的角度揭示黃土高原區4種植被類型對土壤活性有機碳及土壤碳庫的影響,為黃土高原地區植被恢復措施的生態效益評價和土壤碳庫提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

定西市安定區(介于103°52′—105°13′E、34°26′—35°35′N之間)是古代“絲綢之路”上的重鎮,又是新歐亞大陸橋的必經之地,也是蘭州市的東大門,素有“甘肅咽喉、蘭州門戶”之稱。李家堡鄉位于安定區東南部,平均海拔1947 m,屬于大陸性氣候,是典型的溫帶干旱、半干旱地區,年均太陽輻射141.6×1.48 kJ/cm2,日照時間達2476.6 h,≥10℃的積溫為2239.1℃,被中國特產之鄉組委會審定命名為“中國馬鈴薯之鄉”。多年平均降雨量390.99 mm,主要集中在農作物收貨以后(7—9月),降水量低而不穩,氣候多變,干早、霜凍、冰雹等自然災害頻繁發生。該區土壤為典型的黃綿土,土質綿軟,抗侵蝕能力較弱。

1.2 樣地設置與土壤樣品采樣

2017年3月全面收集定西市安定區李家堡鄉的氣候、植被、土壤、社會經濟等相關文獻資料,通過實地考察,選擇定西市水土保持科學研究所位于李家堡鄉的試驗區。在其試驗地區域內,以荒草地為對照組(35°34′54″N,104°37′57″E),選擇文冠果林地(35°35′10″N, 104°37′7″E)、沙棘林地(35°34′45″N,104°39′1″E)和檸條灌叢(35°34′55″N,104°38′1″E)作為不同的3種典型植被類型(樣地植被特征見表1),每種植被類型隨機選擇10 m×10 m的小樣地3個。2017年9月在4種不同植被的樣地上按對角線五點法分層(0—10、10—20、20—40 cm)取樣,共計180個土壤樣品,同一樣地同一土層樣品組合成一個混合土樣,撿去土樣石塊、殘根等雜物后,將樣品分成兩份；一份鮮土樣過2 mm篩后,置于4℃冰箱保存；另一份土樣風干后,用于土壤SOC、POC、EOC的測定(重復3次)。

1.3 測定方法與計算公式

土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定；采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法,測定微生物量碳(氯仿熏蒸殺死微生物體中的碳被釋放出來的比例為0.38)；采用KMnO4氧化法,測定土壤易氧化有機碳含量[13]。土壤顆粒有機碳采用楊益提供的方法進行測定[14]。

本文以荒草地為對照進行土壤碳庫管理指數的計算[15]:

碳庫活度(A)=土壤活性有機碳含量(g/kg)/土壤非活性有機碳含量(g/kg)

碳庫活度指數(Al)=樣品碳庫活度(A)/參考土壤碳庫活度

碳庫指數(CPI)=樣品總碳含量(g/kg)/參考土壤總碳含量(g/kg)

土壤碳庫管理指數(CPMI,%) =碳庫指數(CPI)×碳庫活度指數(Al)×100

土壤微生物熵(SME,%)=土壤微生物量碳(mg/kg)/土壤總有機碳含量(g/kg)

0—40 cm層土壤有機碳儲量SOCS(Mg/hm2)=SOC×BD×H×10-1

式中,SOC為土壤有機碳含量(g/kg)；BD為土壤容重(g/cm3)；H為土層厚度(cm)。

1.4 數據處理

根據野外調查觀測資料和實驗室內的分析資料,用EXCEL 2003圖表處理軟件和SPSS 19.0統計分析軟件進行數據處理分析。其中,數據進行One-wayANOVA方差分析,并用LSD多重比較法進行差異顯著性分析,相關性分析采用Pearson檢驗法。

2 結果與分析

2.1 植被類型對土壤有機碳的影響

在剖面垂直分布上(圖1),荒草地和沙棘林地土壤SOC含量呈現出隨著土層深度增加而逐漸降低的趨勢,最大值出現在0—10 cm層,分別比10—20 cm、20—40 cm層顯著高出了10.94%和47.21%、86.74%和125.10%(P<0.05)；而文冠果林和檸條灌叢土壤有機碳含量隨著土層深度增加呈現出“升—降”的變化規律,10—20 cm層土壤有機碳含量分別比0—10 cm、20—40 cm層高出了36.49%和11.51%、223.58%和72.74%,不同土層間土壤有機碳含量差異顯著(P<0.05)。4種植被類型在0—40 cm層表現為文冠果林和荒草地土壤有機碳顯著高于沙棘林地和檸條灌叢(P<0.05),而沙棘林地和檸條灌叢土壤有機碳含量在0—40 cm層差異不顯著。

圖1 4種植被類型下土壤有機碳的變化Fig.1 Changes of soil organic carbon under four vegetation types不同小寫字母表示不同土層存在顯著差異(P<0.05),不同大寫字母表示不同植被間存在顯著差異(P<0.05)

2.2 植被類型對土壤活性有機碳的影響

本研究表明,除沙棘林地土壤MBC含量隨土層深度增加逐漸增大之外,其余3種植被類型土壤MBC含量均隨土層深度增加呈現減小的趨勢(圖2)。4中植被類型下0—10、10—20 cm層土壤MBC含量與20—40 cm層土壤MBC含量差異顯著(P<0.05),而0—10 cm與10—20 cm層MBC含量差異不顯著。其中荒草地、文冠果林地、檸條灌叢0—10 cm層土壤MBC含量是20—40 cm層的2.38倍、2.11倍、1.46倍,而沙棘林地20—40 cm層土壤MBC含量比0—10 cm、10—20 cm層分別高出了20.55%、1.47%。4種植被類型下0—40 cm層土壤MBC含量表現為沙棘林地>檸條灌叢>文冠果林地>荒草地,其中沙棘林地土壤MBC含量與檸條灌叢、文冠果林地、荒草地土壤MBC含量差異顯著(P<0.05),而文冠果林地與荒草地土壤MBC含量無明顯差異。

4種植被類型下0—40 cm層土壤POC含量為沙棘林地>文冠果林地>荒草地>檸條灌叢,且差異顯著(P<0.05)(圖2)。在剖面垂直分布上,荒草地、文冠果林地、沙棘林地土壤POC含量均隨土層增加顯著降低(P<0.05),0—10 cm層土壤POC含量最高,分別為1.12 g/kg、1.62 g/kg、1.36 g/kg；而檸條灌叢土壤POC含量隨土層增加呈現“升—降”的變化趨勢,10—20 cm層土壤POC含量比0—10 cm、20—40 cm層高出了91.67%、170.59%。

由圖2可知,0—40 cm層荒草地土壤EOC含量分別比文冠果林地、檸條灌叢、沙棘林地高出了36.94%、64.84%、100.21%,方差分析表明差異顯著(P<0.05)。其中荒草地和檸條灌叢土壤EOC含量隨土層深度增加呈現“升—降”的趨勢,而文冠果林地和沙棘林地土壤EOC含量隨土層深度增加逐漸降低,4種植被類型下各層土壤EOC含量均具有明顯的差異性(P<0.05)。

圖2 4種植被類型下土壤活性有機碳的變化Fig.2 Changes of soil active organic carbon under four vegetation types

2.3 不同植被類型土壤活性有機碳的分配比例

土壤活性有機碳占總有機碳的比例較活性有機碳總量更能反映植被對土壤行為的影響結果[2]。由圖3可知,荒草地土壤EOC的分配比例隨土層增加呈現“升—降”的變化,文冠果林地EOC分配比例與荒草地相反,而檸條灌叢和沙棘林地EOC分配比例隨土層增加逐漸降低。4種植被類型土壤POC的分配比例隨土層深度增加呈現出與EOC分配比例完全不同的變化趨勢,其中荒草地和文冠果林地土壤POC分配比例隨土層深度增加逐漸降低,檸條灌叢POC的分配比例最大值出現在10—20 cm(15.13%),而沙棘林地土壤POC分配比例最小值則出現在10—20 cm(11.61%)。

圖3 4種植被類型土壤易氧化有機碳、顆粒有機碳占總有機碳的百分比Fig.3 Soil easily oxidized carbon and particulate organic carbon percentage of total organic carbon in four vegetation types

2.4 不同植被類型土壤碳庫特征的變化

4種植被類型土壤微生物熵最大值出現在沙棘林地(表2),相對于沙棘林地,荒草地、文冠果林地、檸條灌叢土壤微生物熵分別降低了58.18%、61.65%、15.83%。以荒草地土壤為對照,土壤碳庫活度(A)為荒草地>檸條灌叢>沙棘林地>文冠果林地,而4種植被類型土壤碳庫指數(CPI)的變化范圍在0.65—1.19之間,最大值出現在文冠果林地；文冠果林地、檸條灌叢、沙棘林地土壤碳庫管理指數(CPMI)均小于對照組碳庫管理指數。4種植被類型0—40 cm層土壤有機碳儲量為文冠果林地最高,檸條灌叢最低,其他次之,文冠果林地土壤有機碳儲量(SOCS)分別比荒草地、檸條灌叢、沙棘林地高出了14.30%、93.96%、65.12%,方差分析表明差異顯著(P<0.05)。

表2 4中植被類型下土壤微生物熵、碳庫管理指數及土壤有機碳儲量

2.5 不同植被類型下土壤活性有機碳與有機碳的相關性分析

土壤有機碳之間的相關性如表3所示,4中植被類型土壤SOC與土壤EOC、SOCS顯著相關(P<0.05),而土壤SOC與POC極顯著相關(P<0.01)；土壤EOC與土壤POC顯著相關(P<0.05),與SOCS不相關,相關系數為0.374；土壤MBC與SOC呈現出顯著負相關(P<0.05),與POC呈現出極顯著的負相關(P<0.05),與EOC、SOCS則呈現出不顯著的負相關關系。

表3 土壤有機碳相關指標間的相關系數

*表示相關性達顯著水平(P<0.05); **表示相關性達極顯著水平(P<0.01);SOC：土壤有機碳，Soil Organic Carbon；EOC：易氧化有機碳，Easily Oxidated Carbon；POC：顆粒有機碳，Particle Organic Carbon；MBC：微生物量碳，Microbial Biomass Carbon；SOCS：有機碳儲量，Soil Organic Carbon Storage

3 討論

3.1 不同植被類型土壤總有機碳含量

在本研究中,荒草地和檸條灌叢隨著土層深度的加深,土壤總有機碳含量逐漸減小。可見土壤深度對有機碳含量有顯著影響,這與之前的同類研究結果相符[16],由于植物的枝葉殘體和根系大部分分布于表層土壤中,分解后形成的腐殖質在表層土壤中積累,因此荒草地和檸條灌叢土壤有機碳含量具有典型的表聚性。而文冠果林地和沙棘林地土壤有機碳在10—20 cm土層最大,因為文冠果林地和沙棘林地地表生長著一些淺根的伴生植物,根系集中在0—10 cm層,而森林區具有相對復雜的微生物環境[17],大量的植物根系使得土壤容重減小,孔隙度增加,土壤微生物活性較高,提高了表層土壤微生物對有機質的利用率[18],因此文冠果林地和沙棘林地土壤有機碳10—20 cm層較高。此外,森林土壤有機碳含量取決于植被凋落物的輸入和分解,同時也取決于植被每年的歸還量和土壤微生物的分解速率,而植被類型、氣候特點以及土壤性質的差異,均會導致土層內有機碳含量的分布存在差異[19- 20]。

3.2 不同植被類型土壤活性有機碳的分布特征

土壤活性有機碳主要來源于地上植物凋落物、土壤腐殖質、植物根系以及微生物群系的分泌物[21],對外界具有較強的敏感性,通過影響微生物及其活性,對生態系統碳循環起到了重要作用[13]。本研究表明沙棘林地土壤微生物量碳含量顯著高于檸條灌叢、荒草地和文冠果林地,因為沙棘林地具有發達的側根系,根系微生物種類和數量高于其他3種植被類型,同時較小的土壤容重有利于植物根系的生長,使得土壤擁有較高的通氣性[22- 23],增加了土壤需氧微生物的活性。從較高的土壤微生物熵(表2)可以看出沙棘林地微生物種類復雜且活性較高,有利于有機碳的分解利用,而文冠果林地0—40 cm的側根較少,群落局部微環境的遮陰作用使得土壤溫度較低[24],降低了土壤微生物的活性,因此沙棘林地土壤微生物量碳含量最高。本研究表明4種植被類型下0—40 cm層土壤微生物熵均高于5%,因為9月降雨增加,適宜的溫度提高了土壤微生物的活性,微生物分解土壤有機碳的速率增加[25](表3),同時土壤微生物進一步分解吸收土壤易氧化有機碳和顆粒有機碳用于自身繁殖,增加了土壤微生物的活性和數量[26],導致土壤微生物量碳的增加和土壤有機碳含量的急劇下降,使得土壤微生物熵增大。在垂直剖面上,土壤微生物量碳隨土層深度的增加逐漸降低,因為隨著土層深度的加深,地上向深層土壤輸入有機碳源的含量減少,使得土壤有機碳含量急劇下降,因而土壤微生物量碳含量逐漸降低[27]。而沙棘林地土壤微生物量碳隨土層的增加逐漸增大,因為沙棘林地表層枯落物較少,土壤有機碳含量較低,表層水分含量低于20—40 cm層,20—40 cm層土壤微生物活性較高,有機質易被礦化分解,從而加速了有機質向微生物量碳的周轉速率[28]。

土壤顆粒有機碳和易氧化有機碳一般被稱為活性有機碳,在土壤中周轉速度較快,它比土壤有機碳更易受植被類型的影響[29]。本研究表明4種植被類型下土壤顆粒有機碳和易氧化有機碳含量均明顯隨土層深度的增加而降低,與前人研究結果一致[30],這主要是因為土壤活性有機碳在很大程度上取決于土壤總有機碳含量(表3),一方面土壤總有機碳隨土層深度的增加而減少,另一方面,植被枯枝落葉層不但為土壤提供大量的有機碳,而且使表層土壤具有較高的養分濃度,從而為植物細根向表土層聚集提供了良好的條件[31],而凋落物和根系分泌物經微生物的分解,成為土壤活性有機碳的重要來源[32]。從各活性有機碳組分的分配比例來看,10—20 cm層土壤易氧化有機碳含量分配比例在荒草地達到最大,在文冠果林地達到最小,這與荒草地土壤易氧化有機碳、文冠果林地土壤有機碳密切相關。而土壤顆粒有機碳分配比例表現出隨土層深度的增加而降低,這是因為顆粒有機碳主要由新近凋落的、部分分解的、與土壤礦質結合不緊的植物殘體組成[33],由此說明了不同植被類型土壤易氧化有機碳和顆粒有機碳含量的高低很大程度上取決并依賴于總有機碳的貯量。

3.3 土壤碳庫特征及活性有機碳之間的相關性

土壤微生物量碳被認為是土壤活性養分的儲存庫,是植物生長可直接利用養分的重要來源[34]。土壤有機碳活度和碳庫管理指數均可以一定程度上反映土壤有機碳的質量,其值越大,表示有機碳越易于被微生物分解和被植物吸收利用,碳庫質量也就越高[35- 36]。本研究表明,文冠果林地、檸條灌叢、沙棘林地土壤碳庫活度及碳庫管理指數均低于對照組,這與李忠武等[37]研究不同的是,本研究顯示不同植被土壤有機碳活度范圍為0.49—1.16,這也說明,有機碳活度除了與土壤有機碳總量有關,還跟土壤活性有機碳含量有關,是二者共同作用的結果[5]。而0—40 cm層土壤有機碳儲量在文冠果林地最高,檸條灌叢土壤有機碳儲量最低,荒草地和沙棘林地次之。因為文冠果林地具有較多復雜的淺根植物,地表枯落物較其他3種類型最多,而檸條灌叢和沙棘林地地表枯落物最少,能夠氧化分解的部分更少,因此檸條灌叢和沙棘林地土壤0—40 cm層有機碳儲量較低。研究表明土壤易氧化有機碳、顆粒有機碳與土壤總有機碳具有顯著的相關性(P<0.05),因為土壤有機碳中的活性部分直接參與了土壤生物化學轉化過程,一些活性有機碳組分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[38]。

4 結論

4種植被類型下文冠果林地土壤有機碳含量顯著高于荒草地、檸條灌叢和沙棘林地(P<0.05),0—40 cm層土壤有機碳儲量與土壤有機碳的變化一致。土壤微生物量碳和顆粒有機碳最大值均出現在沙棘林地,最小值分別出現在荒草地和檸條灌叢,而土壤易氧化有機碳為荒草地最高,沙棘林地最低。從土壤剖面垂直分布來看,土壤總有機碳和各活性有機碳組分含量均表現出隨土壤深度增加而逐漸降低的趨勢,土壤易氧化有機碳含量均與土壤總有機碳含量關系密切,呈顯著的正相關,土壤微生物量碳與土壤有機碳呈顯著的負相關,而土壤顆粒有機碳含量與土壤總有機碳含量之間的正相關性達到了極顯著水平。