貴州典型巖溶區(qū)土地利用對土壤有機(jī)碳及微生物量碳的影響

楊秀才， 王小利*， 王雪雯， 張 涵， 陳 領(lǐng)， 張青偉， 陳 佳

(1.貴州大學(xué) 農(nóng)學(xué)院， 貴州 貴陽 550025； 2.中國科學(xué)院 普定喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站/地球化學(xué)研究所， 貴州 貴陽 562100)

巖溶地貌是指水通過固、液、氣態(tài)對碳酸鹽巖進(jìn)行結(jié)構(gòu)侵蝕與化學(xué)溶蝕等地質(zhì)作用而形成的一種特殊地貌[1]。以貴州為中心的西南巖溶區(qū)(包括滇、黔及桂喀斯特區(qū))是全球最大、最為典型的石灰?guī)r連片出露的巖溶生態(tài)區(qū)，總面積達(dá)5.4×105km2，發(fā)育有豐富的巖溶地貌類型[2]。土壤有機(jī)碳庫是陸地碳庫的主要組成部分，在陸地碳循環(huán)研究中有著重要作用[3]。土壤活性有機(jī)碳是指土壤有機(jī)質(zhì)的活性部分，主要包括微生物量碳和可溶性有機(jī)碳等。土壤微生物量碳主要受土壤中微生物量(SMB)的影響，即土壤中除活的植物體外(如活的植物根系)體積在5×103～10×103μm3的活微生物總量[4]。土壤可溶性有機(jī)碳是指在一定時空條件下，受植物和微生物影響強(qiáng)烈、具有一定溶解性、在土壤中移動比較快、不穩(wěn)定、易氧化、易分解且易礦化，其形態(tài)、空間位置對植物、微生物而言活性較高的那一部分土壤碳素，其對環(huán)境變化較為敏感。

在氣候、土壤等自然條件相對一致的農(nóng)業(yè)生態(tài)景觀內(nèi)土地利用方式的變化是影響土壤碳素含量的最重要因素[5]。因此，對不同土地利用方式下土壤有機(jī)碳的研究成為當(dāng)前的一大熱點。大量研究表明，土地利用方式的改變對土壤中SOC、DCC和SMBC的轉(zhuǎn)化與分布可產(chǎn)生極大影響[6-9]；且隨著人類活動的深入，其影響作用越大。賀紅早等[10]研究表明：云臺山喀斯特森林土壤自然林地有機(jī)碳平均含量為69.08 g/kg，顯著高于次生林地、坡耕地和草地；坡耕地的有機(jī)碳平均含量最低，僅為30.19 g/kg。章曉芳等[11]研究表明，與旱地和林地相比，水田SOC、SMBC、POC和MAOC含量均最高；林地DOC含量顯著高于旱地和水田。黃先飛等[12]研究表明，在貴州普定后寨河小流域，不同土地利用方式0～20 cm土壤有機(jī)碳含量差異明顯，水田>灌木林地>喬灌木林地>喬木林地>棄耕地>荒地>旱地>灌草地>草地>園地>坡耕地>經(jīng)果林地。滕秋梅等[13]研究表明，增加植被覆蓋，減少人為活動的干擾，能提高土壤有機(jī)碳含量，有利于維持桂北喀斯特山區(qū)土壤碳庫的穩(wěn)定性。

目前，針對普定典型巖溶區(qū)不同土地利用方式與SOC、DOC和SMBC，SOC與DOC、SMBC關(guān)系的報道尚少。為此，以普定喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站內(nèi)不同生態(tài)系統(tǒng)(水田、旱地、園地、林地、灌叢和草地)的典型樣地土樣(0～20 cm)的土壤為研究對象，采用LSD法多重比較分析不同土地利用方式SOC、SMBC、DOC的含量及其相互關(guān)系，以期為喀斯特巖溶區(qū)土地的合理開發(fā)利用提供參考依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

中國科學(xué)院普定喀斯特生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站位于貴州省普定縣境內(nèi)，喀斯特發(fā)育強(qiáng)烈，屬于典型的喀斯特山區(qū)，碳酸鹽巖出露面積為863.7 km2，占全縣面積的79.2%；海拔1 042～1 846 m，主要為丘陵和山地地貌，屬北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，氣候溫和，年平均氣溫 15.1℃，年日照時數(shù)為1 164.9 h，區(qū)內(nèi)雨量充沛，年平均降水量1 378 mm。巖石主要為三疊系灰?guī)r及白云巖，土壤以石灰土和黃壤為主。研究的水田、旱地、園地、林地、灌叢及草地6種土地利用方式樣地位于中國科學(xué)院普定喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站陳旗觀測研究場和天龍山2 hm2大樣地監(jiān)測研究區(qū)內(nèi)。

1.2土壤樣品采集和處理

根據(jù)當(dāng)?shù)氐姆N植方式、耕作管理和人為活動影響，在貴州普定喀斯特生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站選取具有代表性的6種土地利用方式(水田、旱地、園地、林地、灌叢及草地)的典型樣地各5個，于2019年4月采用多點混合法各采集5個混合土樣(0～20 cm)。除了水田為水稻土外，其余土地利用方式的土壤均為石灰土。水田為旱澇輪作，采樣時水田干涸，長滿低矮毛茛(Ranunculusjaponicus)和棒頭草(Polypogonfugax)；旱地種植油菜(Brassicanapus)；園地種植葡萄(Vitisvinifera)；林地為受人類活動影響較小天然林，主要植物有化香樹(Platycaryastrobilacea)、車桑子(Dodonaeaviscosa)和齒葉冬青(Ilexcrenata)等喬木和少部分低矮的灌木；灌叢以火棘(Pyracanthafortuneana)、花椒(Zanthoxylumbungeanum)及插田泡(Rubuscoreanus)為主；草地以白茅(Imperatacylindrica)為主。同時，調(diào)查當(dāng)?shù)氐姆N植習(xí)慣和施肥管理等，樣點信息見表1。土樣采回去除可見的動植物殘體及石粒等雜質(zhì)后，取部分鮮樣，快速過2 mm篩，裝入無菌封口袋中4℃下保存，用于測定DOC和SMBC的含量；剩余混合土樣于室內(nèi)自然風(fēng)干，磨細(xì)、過篩保存?zhèn)溆谩?/p>

表1 土壤樣點信息

1.3指標(biāo)測定方法

土壤pH，采用pH計測定(水土比為2.5︰1)；土壤有機(jī)碳(SOC)采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定；土壤溶解性有機(jī)碳(DOC)采用0.5 mol/L K2SO4浸提法測定；土壤微生物量碳(SMBC)采用氯仿熏蒸-0.5mol/L K2SO4浸提法測定[14]，微生物量碳的換算系數(shù)為0.45。土壤微生物熵(qMB)是指土壤微生物量碳占土壤總有機(jī)碳的百分比。

qMB=(SMBC/SOC)×100%

1.4統(tǒng)計分析

采用Excel 2010和SPSS 20.0進(jìn)行統(tǒng)計分析，采用LSD法進(jìn)行多重比較。

2結(jié)果與分析

2.1不同土地利用方式土壤有機(jī)碳及活性有機(jī)碳的含量

從表2看出，研究區(qū)不同土地利用方式表層(0～20 cm)土壤有機(jī)碳(SOC)和活性有機(jī)碳(DOC及SMBC)含量的差異。

2.1.1SOC含量研究區(qū)不同土地利用方式表層土壤SOC含量為20.20～36.18 g/kg，平均為29.97 g/kg。其中，林地SOC含量最高，為36.18 g/kg，灌叢次之，為33.80 g/kg，水田、園地和旱地居中，草地最低，為20.20 g/kg。與林地相比，水田、果園、旱地、草地和灌叢的SOC含量依次降低14.81%、16.97%、20.40%、44.17%和6.58%。F檢驗結(jié)果表明，林地土壤SOC含量顯著高于除灌叢外的其余土地利用類型，灌叢土壤SOC含量顯著高于園地、旱地和草地；水田、園地和旱地土壤SOC顯著高于草地；灌叢與水田間，水田與園地、旱地間無顯著差異。

2.1.2活性有機(jī)碳(DOC和SMBC)含量

1) DOC。不同土地利用方式表層土壤DOC含量為20.74～40.06 mg/kg，平均為30.85 mg/kg，且不同土地利用方式間存在顯著差異。水田和林地的DOC含量分別為40.06 mg/kg和39.94 mg/kg，均顯著高于其他土地利用類型；灌叢的DOC含量為34.18 mg/kg，顯著高于園地、旱地和草地。除水田和林地外，其余土地利用方式間均達(dá)顯著差異。

2) SMBC。不同土地利用方式表層SMBC含量為121.38～355.32 mg/kg，平均為219.31 mg/kg，且不同土地利用方式間存在顯著差異。園地SMBC含量最高，為355.32 mg/kg，顯著高于其余土地利用方式。除草地和旱地外，其余土地利用方式間均達(dá)顯著差異，且均顯著高于草地和旱地。

表2 不同土地利用方式的土壤有機(jī)碳和活性有機(jī)碳含量

注：同列不同小寫字母表示處理間達(dá)P<0.05水平的顯著差異。

Note: The lowercase letters in the same column indicate significance of difference between different treatments atP<0.05 level.

2.2不同土地利用方式SOC與DOC、SMBC的關(guān)系

土壤微生物熵(qMB)一般為0.5%～4.0%[15]。qMB的變化反映土壤中輸入的SOC向SMBC的轉(zhuǎn)化效率、土壤中碳的損失和土壤礦物對有機(jī)質(zhì)的固定[16]。從表2看出，不同土地利用方式的qMB園地最大，為1.22%；旱地最小，為0.40%；均與其余土地類型差異顯著；水田與灌叢、林地和草地間差異顯著；灌叢、林地和草地3種類型間差異不顯著。

從圖1看出，不同土地利用方式SOC含量(x)與SMBC和DOC含量YSMBC和YDOC間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，回歸方程分別為YSMBC=10.997x-109.97(R2=0.534 2**)和YDOC=1.0347x-0.179 8(R2=0.526 8**)。郭振等[17]研究表明，單施有機(jī)肥和高量有機(jī)無機(jī)肥配施是提高土壤微生物生物量的有效途徑。該研究中的園地作為多年種植葡萄的果園，采樣時正處于葡萄發(fā)芽開花階段，農(nóng)戶施用大量肥料，以致于其中微生物較其他土地類型的多，因此園地的SMBC含量最高；水田的SMBC含量較低可能由淹水所致。

注：**表示相關(guān)性達(dá)極顯著水平(P<0.01)。

Note:** mean correlation significance atP<0.01 level.

圖1 不同土地利用方式SOC與SMBC、DOC的關(guān)系

Fig.1 Relationships between SOC and SMBC, DOC in top soil under different land use patterns

3結(jié)論與討論

SOC對土壤的各種物理、化學(xué)、生態(tài)性狀和土壤肥力具有決定性作用和深刻影響，是“土壤肥力再生能力”的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，其含量及變化是評價土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[5]。研究結(jié)果表明，林地SOC含量最高，為36.18 g/kg。與林地相比，水田、果園、旱地和草地的SOC含量依次降低14.81%、16.97%、20.40%和44.17%，差異均達(dá)顯著水平；灌叢SOC含量比林地低6.58%，未達(dá)顯著水平。在成土母質(zhì)、氣候因子、地表植物種類及人為耕作措施、管理模式等諸多因素綜合作用下，土壤中碳的輸入和輸出達(dá)到動態(tài)平衡，最終體現(xiàn)為土壤的有機(jī)碳含量。自然生態(tài)系統(tǒng)中土壤有機(jī)碳含量主要取決于植被覆蓋率和植物種類多樣性，也就是植物每年的歸還量和分解速率。林地土壤有機(jī)碳含量顯著高于其他土地利用類型，主要是因為林地的植被覆蓋率最高，植物種類豐富，每年都有大量的凋落物歸還給土壤，且林地極少受到人為干擾，土壤結(jié)構(gòu)較好，且有機(jī)碳分解較慢，有利于土壤有機(jī)碳的積累[18]。同理，灌叢的植被豐度僅次于林地，其枯枝落葉也較多，腐殖質(zhì)層較厚，所以其SOC含量僅次于林地。水田位于坡下部的洼地，以單季稻和旱作油菜輪作為主，施肥和作物生產(chǎn)力水平均較高，但所得秸稈被帶離，秸稈還田率低，且在半年時間內(nèi)處于淹水條件，淹水條件下有機(jī)質(zhì)的分解速度較慢[19]，田面平整，侵蝕輕微，因此，水田的SOC含量相較于其他3種土地利用類型高。林地和旱地分布在自然條件相對一致的坡地上。一般情況下，由于作物產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)大部分被帶走，因而進(jìn)入旱地土壤的新鮮有機(jī)質(zhì)少于林地，且耕作引起土壤物理條件的改變能加速有機(jī)碳的分解[20]，故林地SOC含量應(yīng)高于旱地，在該研究中得到證實，且二者的差異達(dá)顯著水平。草地是分布較平整的退耕多年的白茅荒草地，其植物類型單一，根系不發(fā)達(dá)，碳的輸入低，所以草地的有機(jī)碳含量最低。園地上種植的是葡萄，作物也單一，但由于農(nóng)戶給葡萄園翻耕輸送有機(jī)肥和化肥，增加了有機(jī)碳的輸入，所以該葡萄園的有機(jī)碳含量相對較高。

作為土壤活性碳庫重要指標(biāo)的土壤活性碳庫(SMBC、DOC)在土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化和養(yǎng)分循環(huán)中發(fā)揮著重要作用。土壤溶解性有機(jī)碳是土壤生態(tài)系統(tǒng)中非?；钴S的有機(jī)組分，是土壤圈層與大巖石圈、氣圈、水圈和生物圈發(fā)生物質(zhì)交換的重要形式。與SOC的其他組分相比，DOC對環(huán)境變化、土壤質(zhì)量變化以及土地利用變化表現(xiàn)出高度敏感性。研究結(jié)果表明，土壤DOC含量，除水田外其余土地利用方式的變化趨勢與SOC相同；經(jīng)相關(guān)性分析，表層土壤的SOC與DOC間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系。說明土壤中的DOC較大程度上由SOC轉(zhuǎn)化而成，隨有機(jī)碳含量的變化而變化。而水田的DOC含量之所以最高，是由于在不斷被淹或非洪水循環(huán)條件下(干濕交替)，土壤表層會產(chǎn)生大量的DOC[21]。農(nóng)田中大量的DOC會向溝渠遷移與聚集，隨著距離溝渠越近，土壤DOC的含量就越高[22]。研究所采樣的其中2塊水田距離主溝渠較近，因而其DOC含量最高。不同土地利用類型之間土壤微生物量碳的變化趨勢與有機(jī)碳含量既有相同之處，又有不同之處。園地的SMBC含量最高，可能是因為園地的葡萄正處于生長期，農(nóng)戶對園地施用有機(jī)肥和化肥，新鮮的有機(jī)質(zhì)進(jìn)入土壤之后在短期內(nèi)對微生物產(chǎn)生了激發(fā)作用，從而使得園地的SMBC含量較高。林地和灌叢的SMBC含量相對較高，與有機(jī)碳含量的變化規(guī)律基本一致。

巖溶區(qū)土壤SOC含量普遍較高，林地的SOC含量顯著高于其他土地利用方式，草地最低，說明不同植被類型可能影響SOC的含量。為增加土壤有機(jī)碳庫，改善土壤肥力，人類應(yīng)當(dāng)對土地進(jìn)行合理開發(fā)利用并適當(dāng)?shù)赝烁€林。巖溶區(qū)SMBC含量和SMBC/SOC都較低，說明土壤微生物的活性低，土壤釋放有效養(yǎng)分的速率緩慢。不同土地利用方式顯著影響DOC和SMBC含量。園地中SMBC含量顯著高于其余土地利用方式，旱地SMBC含量最低，可以通過增施有機(jī)肥或者有機(jī)無機(jī)配施來提高微生物的活性，加速SOC的周轉(zhuǎn)，促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的分解和釋放，達(dá)到作物增產(chǎn)并改善土壤肥力的效果。SOC和 DOC、SMBC呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，說明DOC、SMBC與SOC密切相關(guān)，DOC、SMBC的含量可以敏感地反映其SOC含量的動態(tài)變化。 各土地利用方式之間無論是SOC、DOC還是SMBC，林地和灌叢的含量均相對較高，旱地和草地較低。說明植被類型、人為開墾程度對SOC、SMBC和DOC的含量有顯著影響。過度開墾土地不利于土壤有機(jī)碳的積累，而喀斯特自身生態(tài)環(huán)境就較為脆弱，所以要適當(dāng)?shù)亻_發(fā)土地。