滇南地區桃樹種植模式對土壤有機碳組分及碳庫管理指數的影響

楊淑琪,唐 芬,楊 樺,張云斌,彭小瑜,黃 勇,*

1 云南大學國際河流與生態安全研究院, 昆明 650500 2 云南省生態環境工程評估中心, 昆明 650228 3 紅河哈尼族彝族自治州開遠市林業和草原局, 開遠 661199

我國滇南地區生態環境脆弱,因人口增長以及經濟發展的需要,土地利用方式逐漸由原始的林業轉變為農業用地,土地退化情況嚴重,不僅對生態系統的穩定帶來了極大的挑戰,同時也潛在影響了土壤有機碳的儲量。經果林種植作為土地退化治理工程的重要措施,可緩解人地矛盾、改善生態環境,并給當地帶來一定的經濟效益。土壤有機碳(SOC)作為評價土壤質量的重要指標之一[1],由多種從簡單到復雜的分子穩定性各不同的化合物組成[2]。其中,活性有機碳的周轉速率較快、易氧化分解且活性較高,對農業管理方式敏感,可以表征SOC的礦化分解[3]。Blair等[4]研究發現KMnO4可將有機碳分為活性有機碳和非活性有機碳,并提出碳庫管理指數(CPMI),可綜合反映SOC總量和活性有機碳變化,進一步分析土地利用、農業措施等因素對土壤碳庫的影響。

果園SOC含量通常受種植年限、種植模式、土地管理措施等因素的影響[5],不同種植模式下植物種類、土壤條件不同,均會影響SOC的形成與穩定[6],改變土壤有機碳庫的組成。張坤[7]對荔枝園間作的研究發現幼齡果園間作能提高溶解性有機碳、易氧化有機碳、顆粒有機碳、微生物量碳的含量,提高SOC的含量和活性。相關研究發現蘋果園行間長期間作植物,其輕質有機碳、可溶性有機碳、顆粒有機碳、易氧化有機碳和微生物生物量碳含量均顯著提高,不同間作植物的提高效果不同[8]。CPMI能反映果園活性和非活性碳庫的整體情況,有學者以柑橘園單種為對照,發現柑橘/大球蓋菇間作能夠顯著提高0—10 cm土層的CPMI[9]。也有研究對比不同土地利用方式下的碳庫發現CPMI的數值呈現撂荒地>林地>果園,林地開墾為果園之后CPMI數值降低,不利于土壤的碳截存[10]。可見,合理的種植模式可以實現對資源的有效利用,提高SOC含量以及土壤碳庫質量；不合理的種植模式可能導致SOC的流失,造成土壤退化[11]。因此,研究不同種植模式下土壤有機碳組分及其碳庫的變化特征,對SOC的固存以及農業產業的可持續發展具有重要意義。

云南南部開遠市桃源村土地退化嚴重,20世紀90年代初當地農戶進行農業結構調整,由單一糧食作物種植轉變為經果林種植,桃樹單種和桃樹套種(與草本植物)成為該地區主要的種植模式。本研究以桃樹單種(SP)和桃樹南瓜套種(PP)模式為研究對象,并選取土壤類型相近的天然林(CK)為對照,分別采用化學和物理分組法,將SOC分為高錳酸鉀氧化有機碳(POXC)、顆粒有機碳(POC)和礦物結合態有機碳(MAOC),分析單種和套種模式下桃園0—40 cm土壤不同有機碳組分的含量和分配比例及其隨土層深度的變化特征,計算CPMI,明確土壤理化性質與有機碳組分的關系,進一步探究桃樹種植模式對SOC穩定性以及土壤碳庫的影響,以期為該地區土壤有機碳的固存提供理論依據,促進生態環境治理與農業可持續發展。

1 材料與方法

1.1 采樣區域概況

云南省開遠市地處23°30′—23°58′N、103°04′—103°43′E之間,位于云南省東南部,紅河州中東部。海拔950—2775.6 m,地處亞熱帶半干旱季風氣候區,干、濕兩季分明,常年多干旱現象發生,年平均氣溫19.8℃,年平均降水量800 mm。該區主要成土母巖是碳酸鹽巖中的石灰巖、白云巖等[12]。通過走訪和實際調查,選定開遠市桃源村作為研究區域,該村以油桃、南瓜為特色農業產業,對種植戶進行上門訪問調查。種植作物為桃樹(Amygdaluspersica)和南瓜(Cucurbitamoschata),桃樹的種植模式分為桃樹單種和桃樹南瓜套種,均不施用有機肥,5月份施基肥N-P2O5-K2O(15∶15∶15、總養分≥45%),12月份施追肥(桃樹為N-P2O5-K2O,南瓜為KNO3或尿素)。于2022年1月份對樹高進行補測,此時為修剪枝條之后的樹高。各樣地基本情況見表1。

表1 樣地基本情況Table 1 Basic status of the sample site

1.2 土壤樣品采集

于2020年9月下旬在開遠市桃源村分別選擇3個土壤條件和管理水平相近的單一桃園和桃樹南瓜套種桃園采集土壤樣品,每個果園按S形5點法以10 cm間隔采集桃樹植株間0—40 cm土層的土壤樣品,把同一個果園各個采樣點上采集的土壤樣品按照相同層次分別進行混合后作為處理的一個重復。天然林選擇3個樣地,以S形布點,按上述方法采集土壤樣品。將采集的土壤樣品帶回室內自然風干,研磨后過篩,測定土壤的基本理化性質(表2)并進行土壤有機碳分組等。

1.3 實驗方法

1.3.1土壤理化性質測定

用電位測定法(雷磁PHS-3E)測定土壤pH值(水土比2.5∶1,V/W)；土壤質地使用馬爾文激光粒度儀(Malvern,Mastersizer 2000)進行測定；土壤有機碳(SOC)由酸化后的土壤經TOC分析儀測定(Elementar vario TOC cube)；土壤全氮(TN)采用凱氏消煮法浸提-流動注射儀(FIA-6000+)測定[13]；全磷(TP)采用堿熔-鉬銻抗比色法測定；有效磷(AP)采用鉬銻抗比色法測定；全鉀(TK)采用氫氧化鈉堿熔-火焰光度法測定；交換性鉀鈣鈉鎂(K+、Ca2+、Na+、Mg2+)采用乙酸銨浸提(水土比10∶1,V/W),由電感耦合等離子原子發射光譜儀(iCAP6300)測定。

表2 各處理土壤基本理化性質Table 2 Basic physical and chemical properties of the soil

1.3.2土壤有機碳組分的測定以及碳庫管理指數的計算

參考Marriott等[14]的方法進行土壤有機碳分組,稱取過2 mm篩的風干土樣5 g,加入25 mL的六偏磷酸鈉(5 g/L),將分散液過53 μm篩,篩上部分為POC、篩下部分為MAOC,烘干后稱重并計算質量百分比,磷酸酸化后測定有機碳含量(TOC分析儀,Elementar vario TOC cube,德國)；分別用有機碳含量乘以質量百分比,除以SOC含量,得到相應的分配比例。

高錳酸鉀氧化有機碳(POXC)的提取和分析參考Weil等[15]的方法,稱取2.5 g風干并研磨至2 mm的土壤,依次加入2 mL的0.02 mol/L KMnO4和18 mL的去離子水,震蕩后吸取1 mL上清液并定容到100 mL,同時配置標準曲線(0.005、0.01、0.015和0.02 mol/L KMnO4),使用紫外可見分光光度計(UV-5500)測定在550 nm的吸光度(Abs),依據標準曲線計算樣品POXC含量。用POXC含量除以SOC含量,得到相應的分配比例。

以周邊天然林土壤為參照土壤,以POXC作為活性有機碳根據下列公式進行土壤碳庫指數的計算[4]:

穩態碳(STOC)=土壤總有機碳-活性有機碳

(1)

碳庫活度(CPA)=土壤活性有機碳/穩態碳

(2)

碳庫指數(CPI)=土壤有機碳含量/參考土壤有機碳含量

(3)

碳庫活度指數(CPAI)=樣品碳庫活度/參考土壤碳庫活度

(4)

碳庫管理指數(CPMI)=碳庫指數×碳庫活度指數×100%

(5)

1.3.3數據分析

使用單因素方差分析比較不同處理及各土層間SOC、有機碳組分含量以及有機碳組分分配比例的差異,并用鄧肯多范圍檢驗差異的顯著性；使用雙因素方差分析分析桃樹種植模式和土層深度之間的交互作用對土壤有機碳及其組分的影響；使用Pearson相關分析對SOC及其組分和土壤理化性質進行相關性分析；以上統計分析均使用SPSS Statistics 23.0,使用Canoco 5軟件進行冗余分析(RDA)并作圖,使用Origin 2021進行有機碳及相關性分析的作圖。

2 結果與分析

2.1 不同桃樹種植模式土壤總有機碳的變化特征

土壤有機碳含量如圖1所示,CK、SP和PP的SOC含量分別為8.03—29.52 g/kg、3.96—14.69 g/kg、4.78—14.25 g/kg,垂直剖面上均表現為隨土層深度增加而減少。雖然SP、PP的平均SOC含量在0—10 cm、30—40 cm土層較CK顯著降低(P<0.05),但在10—20 cm土層,SP、PP和CK無顯著性差異(P>0.05),SP、PP的平均SOC含量僅分別比CK低了16.32%、0.67%。另外,SP與PP各土層的SOC含量也無顯著性差異(P>0.05),在0—10 cm,PP的平均SOC含量略低于SP,而在10—20 cm、20—30 cm、30—40 cm土層,PP的平均SOC含量分別比SP高18.70%、30.16%、20.56%。

2.2 不同桃樹種植模式土壤有機碳組分的變化特征

2.2.1不同桃樹種植模式有機碳組分分布特征

圖1 桃樹單種和桃樹南瓜套種模式下土壤有機碳及其組分的分布特征Fig.1 Distribution characteristics of soil organic carbon and its fractions under single peach tree and interplanting peach tree and pumpkinCK:天然林 Natural forest；SP:桃樹單種 Peach single species；PP:桃樹南瓜套種 Peach pumpkin interplanting；不同大寫字母表示同一處理不同土層差異顯著,不同小寫字母表示同一土層不同處理間差異顯著(P<0.05)

三個處理土壤有機碳組分隨著土層變化的趨勢和SOC的趨勢大致相同(圖1),垂直剖面上均表現為隨土層深度增加而減少的趨勢。除10—20 cm土層外,PP和SP各土層的POXC、MAOC含量無顯著性差異,并顯著低于CK。PP的平均POXC含量在0—10 cm土層相較于SP較低,在其它土層均大于SP。SP的平均POC含量大于PP,在20—30 cm、30—40 cm土層差異性顯著(P<0.05)。三個處理下MAOC含量的平均值大約是POC含量平均值的3.35至6.16倍。PP除了在0—10 cm土層的平均MAOC含量低于SP,在10—20 cm、20—30 cm、30—40 cm土層,PP的平均MAOC含量較SP分別提高了24.20%、17.32%、36.55%。綜上,SP、PP的各有機碳組分含量均小于CK,活性較高的活性有機碳組分POXC以及惰性有機碳MAOC的平均含量PP大于SP,活性相對較低的活性有機碳組分POC的平均含量SP大于PP。

2.2.2不同桃樹種植模式土壤有機碳組分分配特征

圖2 桃樹單種和桃樹南瓜套種模式下土壤有機碳組分的分配比例及顆粒有機碳與礦物結合態有機碳的比值Fig.2 Distribution ratio of soil organic carbon fractions and ratio of particulate organic carbon to mineral-associated organic carbon under single peach tree and interplanting peach tree and pumpkinPOXC/SOC:高錳酸鉀氧化有機碳與土壤有機碳的比值 Ratio of permanganate oxidizable carbon to soil organic carbon；POC/SOC:顆粒有機碳與土壤有機碳的比值 Ratio of particulate organic carbon to soil organic carbon；MAOC/SOC:礦物結合態有機碳與土壤有機碳的比值 Ratio of mineral-associated organic carbon to soil organic carbon；POC/MAOC:顆粒有機碳與礦物結合態有機碳的比值 Ratio of particulate organic carbon to mineral-associated organic carbon

POXC/SOC的數值隨著土層深度的增加逐漸增加(圖2),PP在各土層之間無顯著性差異(P>0.05),在0—10 cm土層,SP、PP的POXC/SOC值較CK分別顯著提高了35.16%、33.21%(P<0.05),而在10—20 cm、20—30 cm、30—40 cm土層POXC/SOC均小于CK。POC/SOC、POC/MAOC隨土層變化的趨勢與POXC/SOC相反,隨著土層深度的增加逐漸減小,數值范圍分別是9.33%—26.57%、0.10—0.37。SP的POC/SOC、POC/MAOC在各土層之間均無顯著性差異(P>0.05),僅次于CK在0—10 cm土層的值。在0—10cm土層PP的POC/SOC、POC/MAOC與SP無顯著性差異(P>0.05),但在10—20 cm、20—30 cm、30—40 cm土層,PP的POC/SOC較SP分別顯著降低了26.48%、49.32%、54.29%,POC/MAOC較SP分別顯著降低了30.73%、44.95%、59.27%(P<0.05)。MAOC/SOC的數值均大于60%,各處理的平均MAOC/SOC分別為81.56%(CK)、80.66%(SP)、80.39%(PP)。CK的MAOC/SOC的數值隨著土層深度的增加逐漸增大且具有差異性(P<0.05),SP、PP的MAOC/SOC在各土層間差異性不顯著(P>0.05),PP的平均MAOC/SOC隨著土層深度的增加逐漸大于SP。綜上,不同種植模式間有機碳組分分配比例差異性顯著,PP的活性有機碳分配比例小于SP,SP深層土壤POC的分配比例較高。

2.2.3不同桃樹種植模式的碳庫管理指數

兩種桃樹種植模式和對照的碳庫管理指數如表3所示。分土層計算各項碳庫指數,SP、PP的STOC隨著土層的增加而減小,PP的平均STOC含量高于SP。在0—10 cm土層,SP、PP的CPAI較CK分別顯著增加了37.53%、35.41%(P<0.05),在其它土層均小于CK且無顯著性差異(P>0.05)。SP、PP的CPMI隨土層呈現先增加后減少的趨勢,在10—20 cm土層達到最大值,78.29(SP)、93.27(PP)；在0—10 cm、20—30 cm、30—40 cm各土層,SP、PP的CPMI均值均分布在45.81—68.60之間；PP的平均CPMI大于SP。整體而言,0—40 cm土層SP、PP的CPA、CPAI均略高于CK,其它指數STOC、CPI、CPMI均小于CK。兩種植模式各項指數之間無顯著性差異,PP相較于SP具有更高的STOC,SP的CPI略低于PP,分別為0.58、0.65,但是CPAI略高于PP,分別為1.10、1.07；SP、PP的CPMI分別為64.35、69.51。綜上,桃樹種植改變了土壤有機碳庫,與對照相比兩種植模式的CPMI均有不同程度的降低,然而CPAI和對照無顯著性差異,PP的碳庫較穩定。

表3 桃樹單種和桃樹南瓜套種模式下土壤碳庫管理指數Table 3 Soil carbon pool management index under single peach tree and interplanting peach tree and pumpkin

2.3 土壤有機碳及其組分的影響因子

不同種植模式SOC及其組分與土壤理化性質之間的相關性分析見圖3,SOC、POXC、POC、MAOC均與C/N、pH、K+、TP、AP、砂粒呈極顯著正相關,按照相關性大小排序,依次為:砂粒、C/N、AP、K+、pH、TP；與黏粒呈極顯著負相關(P<0.01)。各組分POXC、POC、MAOC與SOC均呈極顯著正相關且相關系數分別為0.98、0.90、0.95。

圖3 桃樹單種和桃樹南瓜套種模式下土壤有機碳及其組分與土壤理化性質的相關性Fig.3 Correlation of soil organic carbon and its fractions with soil physical and chemical properties under single peach tree and interplanting peach tree and pumpkin*表示相關性極顯著(P<0.01)；圖中橢圓顏色深度越深、形狀越小均代表相關性程度越強；SOC:土壤有機碳 Soil organic carbon；POXC:高錳酸鉀氧化有機碳 Permanganate oxidizable carbon；POC:顆粒有機碳 Particulate organic carbon；MAOC:礦物結合態有機碳 Mineral-associated organic carbon；TN:全氮 Total nitrogen；碳/氧類:C/N比 C/N ratio；TK:全鉀 Total potassium；K+:交換性鉀 Exchangeable potassium；TP:全磷 Total phosphorus；AP:有效磷 Available phosphorus；Ca2+:交換性鈣 Exchangeable calcium；Na+:交換性鈉 Exchangeable natrium；Mg2+:交換性鎂 Exchangeable magnesium；Clay:黏粒；Silt:粉粒；Sand:砂粒

雙因素方差分析結果如表4所示,不同種植模式對SOC、POC、POC/SOC及POC/MAOC均有顯著影響；土層深度對土壤有機碳、土壤有機碳組分及其分配比例均有顯著影響；桃樹種植模式和土層深度的交互作用對MAOC、POC/SOC、MAOC/SOC及POC/MAOC具有顯著影響(P<0.05)。

表4 桃樹種植模式以及土層深度對土壤有機碳、土壤有機碳組分及其分配比例的雙因素方差分析Table 4 Two-way ANOVA of soil organic carbon, soil organic carbon fractions and its ratio to peach tree planting patterns and soil depths

以SOC、POXC、POC、MOAC為響應變量,土壤理化因子為環境變量,進一步進行RDA分析,結果如圖4所示,兩種桃樹種植模式具有較好的分異性,表明不同桃樹種植模式以及土層深度對SOC及其組分有一定的影響。從表5可知砂粒、pH、TP、C/N、TN、Na+均顯著影響了SOC及其組分,砂粒、pH、TP和C/N共同解釋了78.5%的變異。

圖4 桃樹單種和桃樹南瓜套種模式下土壤有機碳組分與土壤環境因子冗余分析(RDA)Fig.4 Redundancy analysis (RDA) of differences in organic carbon fractions under single peach tree and interplanting peach tree and pumpkin

表5 桃樹單種和桃樹南瓜套種模式下土壤有機碳及其組分的影響因素Table 5 Factors affecting soil organic carbon and its fractions under single peach tree and interplanting peach tree and pumpkin

3 討論

3.1 桃樹種植模式對土壤有機碳和有機碳組分的影響

SOC含量是有機物質輸入和礦化分解動態平衡的結果[16]。徐鵬等[10]研究發現,自然林地轉變為果園后,SOC含量降低了21.56%。本研究得到與之相似的結果,兩種桃樹種植模式的SOC含量均低于CK。可能是由于林地植被覆蓋度高、地表生物量大,歸還土壤的凋落物和根系分泌物的數量多,同時受人為活動影響也相對較小,降低了人為干擾和耕作造成的土壤碳的流失[17]。另外,雖然CK的SOC含量在0—10 cm土層顯著高于PP和SP,但是在10—20 cm土層,CK和兩種植模式的SOC含量無顯著性差異,可能是因為果園施肥采取溝施且整地方式為深耕,增加了該土層有機質的輸入。施用NPK肥能夠提高作物產量,從而增加作物根系歸還土壤的比例,改變植物和微生物殘留組分積累程度,有利于10—20 cm土層SOC的積累[18]。本研究中PP相較于SP具有更多的地表生物量及地下根系,根系分泌物的釋放、凋落物的積累以及作物殘茬作為綠肥進入土壤,有助于改善土壤中的生物多樣性和生物過程,促進SOC的形成和積累[19],因此具有較高的固碳能力。

本研究中POXC、POC隨著土層深度變化的趨勢與SOC的趨勢基本相似,且均與SOC呈極顯著正相關,與Bongiorno等[20]的研究得到相似結論,SOC含量與活性有機碳組分具有很好的正相關性。土壤活性有機碳含量在很大程度上由SOC含量決定,不同種植模式下有機質的輸入量不同,微生物群落組成和多樣性存在差異,從而影響了SOC的礦化和固定過程,進而決定了活性有機碳的含量[21]。POXC是SOC中周轉最快的組分,相關學者在貴州關嶺花江的研究中發現,花椒林的POXC含量大于花椒火龍果混交林[22]。POXC作為對耕作和有機質輸入敏感的有機碳組分[23],可以靈敏的反映SOC的動態變化,本研究中PP的人為活動干擾相對較多,且具有更多的地表凋落物以及植物根系,因此PP的POXC含量較高。POXC也可作為反映土壤的物理、化學、生物等條件的綜合性指標[20],相關分析的結果也顯示POXC較其它土壤有機碳組分與土壤理化性質的相關性較強,能較好的反映因環境差異而導致的有機碳活性組分的變化。POC主要來源于新鮮的動植物殘體和腐殖化有機物之間暫時的或過渡的有機碳[24],本研究發現,POC含量以CK最高、PP最低,可能是因為PP相較于CK和SP具有較多的果園管理等人為活動,破壞了土壤團聚體,影響了POC的形成與穩定[25]。由調查得知PP相較于SP施加了較多的氮肥,已有研究發現施氮可以提高微生物及酶的活性,進而促進POC的分解[26],施氮也可使根系分泌物與微生物分泌物增多,這些分泌物可直接與土壤黏粒相結合,有利于土壤MAOC的積累[27]。本研究中PP的SOC、MAOC含量均高于SP,POC含量均低于SP。是由于PP增加了氮素的有效性,促進了POC的分解,同時也促進了MAOC的積累。

土壤活性有機碳占總有機碳的比例表示土壤中活性有機碳與非活性有機碳的相對數量,較活性有機碳本身更能反映SOC組成的變化,活性有機碳組分分配比例可反映SOC的穩定性。李鑒霖等[28]對我國西南地區縉云山亞熱帶常綠闊葉林以及果園的土壤有機碳組分的研究中發現林地中活性較強的有機碳組分占SOC的比例高于果園,果園SOC的活性相對較低。POXC包含溶解性有機質及微生物可利用碳[29],本研究中兩種植模式的POXC/SOC均值均小于天然林,微生物可利用性為CK>SP>PP。在0—10 cm土層,天然林雖然具有較多的POXC,但其有機質輸入量較高,因此該土層POXC/SOC值較低。在大多數土壤中,POC通常只占SOC含量的10—25%[30],本研究中POC/SOC的數值略高于這一范圍(10.19%—26.57%),SP的POC/SOC數值在各土層之間無顯著性差異且均大于PP。雙因素方差分析的結果表示不同桃樹種植模式顯著影響了POC含量及其分配比例,Kantola等[25]研究發現多年生植物替代一年生植物后,土壤中的POC含量增加,本研究中SP為多年生單作,PP為多年生和一年生植物間作,因此可能導致SP相較于PP具有較高的POC分配比例。關于非活性有機碳組分,Cotrufo等[31]在歐洲范圍內對森林和草原的POC和MAOC的一項研究發現,大多數碳以MAOC的形式儲存(特別是在碳含量低的土壤中),本研究中各處理MAOC/SOC的比例均大于70%,PP的平均MAOC/SOC值大于SP。可能是因為本研究中套種作物伸展生長的枝葉或藤蔓自然覆蓋裸露地面,不僅降低了土壤溫度,還緩和降雨對土壤的直接侵蝕,同時遮陰作用可以減少土壤水分的蒸發和流失,土壤水分通過改變土壤氧化還原電位和微生物活性,減少土壤有機物的礦化,有利于有機物在土壤中的積累[32],使PP的MAOC的累積優于SP。另一方面,POC/MAOC值可在一定程度上反映SOC的質量和穩定程度,一般來說,POC/MAOC值越大,則表明SOC穩定性越低[33]。已有研究發現橘園地的POC/MAOC在0—20 cm土層顯著高于林地[34],本研究中SP的POC/MAOC的值相比于CK和PP較大,SOC易礦化、穩定性低,不利于有機碳的積累[35]；PP的POC/MAOC的值相較于SP呈現降低的趨勢,SOC較穩定,不易被微生物所利用。綜上,PP的活性有機碳組分的分配比例均小于SP,惰性有機碳的分配比例均大于SP,PP的穩定性高于SP,利于有機碳積累,因此,PP的SOC含量高于SP。

3.2 桃樹種植模式對土壤碳庫的影響

CPAI、CPI和CPMI均反映了土壤有機碳庫的質量,可以用來反映土地管理方式是否具有科學性,其值越大土壤碳庫質量越高。已有研究以封育林為參考土壤,計算種植玉米、種植牧草、火燒等處理方式的CPMI,發現受人為干擾越大則CPMI越低[36]。本研究得到與之相似的結果,人為干擾程度較高的SP、PP的CPAI、CPMI均低于CK,桃樹種植影響了土壤有機碳組分和土壤碳庫質量。相關研究發現蘋果園間作植物可以有效提高土壤活性有機碳含量,改變土壤碳庫組分[37]。本研究中SP的CPAI的均值大于PP,CPI、CPMI的均值均小于PP,即PP通過提高CPI來提高CPMI,PP相較于SP降低了SOC的活度,減緩了SOC的礦化分解,同時具有較高的碳固存能力。龍攀等[38]在長江中游地區的研究中發現稻田0—20 cm土壤隨著土層深度的增加CPAI和CPMI總體呈下降趨勢。滕秋梅等[17]對桂北喀斯特山區不同植被類型(次生林、灌叢、農田、草地等,裸地為參考土壤)的研究中發現,不同植被CPMI隨土壤深度的變化規律基本一致,隨著土層深度的增加先減小后增加再減小。本研究中CPMI隨著土層先增加后減小,隨著土層加深,CPAI和CPMI總體呈下降趨勢,表明下層土壤的穩定碳庫和活性碳庫間的轉化與養分循環慢慢下降。因為在0—10 cm土層,CK的SOC含量大約是SP、PP的兩倍,所以在該土層各處理CPI較低,導致CPMI值較小。兩種植模式雖然降低了0—10cm土層的SOC含量,但顯著提高了該土層的SOC的活性。在10—20 cm土層,兩種桃樹種植模式CPMI達到最大值,表明在該土層兩種桃樹種植模式相較于CK,其SOC含量及活性有機碳含量相對較高。綜上,SP碳庫的有機碳活度略高于PP,PP具有較高的碳積累能力和碳庫穩定性,土壤碳庫質量較好。

3.3 影響土壤有機碳庫及其組分的環境因子

相關分析表明質地、pH、C/N等土壤理化因子與有機碳組分具有強相關性；冗余分析結果表明有機碳及其組分在不同種植模式之間具有較好的分異性；雙因素方差分析結果顯示,不同桃樹種植模式、土層深度以及二者的交互作用對土壤機碳組分及其分配比例具有不同程度的影響；另外,RDA結果說明砂粒、pH、TP、C/N是影響不同種植模式以及土層深度SOC及其組分的主要環境因子。土壤質地通過調節土壤的物理結構、土壤水分等,改變微生物以及酶的活性,影響有機質分解的過程,進而影響SOC和活性有機碳組分含量[39]。有學者在滇中尖山流域研究中發現園地的SOC與砂粒含量之間呈極顯著的負相關[40]。然而,本研究中砂粒含量隨土層變化的趨勢與SOC含量的變化趨勢一致,且砂粒分別與POXC、POC、MAOC組分呈極顯著的正相關。雙因素方差分析結果顯示,桃樹種植模式、土層深度以及土層深度的交互作用顯著影響了POC以及MAOC的分配比例。滕秋梅等[17]研究發現植被類型和土層深度共同影響著喀斯特山區土壤SOC和活性有機碳的含量。本研究中,SP的砂粒含量高于PP,同時,隨著土層深度的增加,PP和SP間砂粒含量差異逐漸增大。砂粒含量影響了有機碳組分的形成過程,可能導致不同桃樹種植模式以及不同土層間SOC及其組分的差異性。顆粒組成影響土壤的孔隙結構,PP土壤中砂粒含量較低可能阻礙了水分以及氣體在土壤中的移動與分布,毛細管作用增強、氣體連通性減弱,降低微生物群落的組成與活性,進而限制SOC的周轉,導致POC含量降低[41—42]。本研究中兩桃樹種植模式的成土母質以及土壤形成過程等具有一致性[43]。根據土壤各粒徑分配比例,土壤質地均為粘土土壤。由于該地區空間異質性較強[44],同時砂粒含量所占比例較小,數值分布在0.69%—5.69%之間,因此,在統計結果上兩者的砂粒含量略有差異。另外,由于SOC的“表聚現象”[17]以及各土層的理化性質隨著土層深度的加深逐漸升高/降低且具有一定的差異性,可能相對放大了土層深度對結果的影響。

氮磷元素的添加可減緩土壤的氮磷限制,氮磷作為重要的土壤養分因子,其含量的多少以及化學計量比影響土壤中氮磷養分可利用性,改變土壤中微生物群落結構從而改變不同酶的活性,最終影響SOC的含量與質量[45]。本研究中PP的氮磷含量均高于SP,較多的氮輸入可能促進了不穩定組分(POC)的分解[46]；同時,較多的磷輸入可能導致較低的微生物生物量(特別是真菌),進而抑制穩定組分(MAOC)的分解[47]。作為土壤肥力的關鍵指標,氮磷也可通過影響植物的生長水平,從而改變有機質的輸入,進而影響POXC的含量[48]。另一方面,SOC和全氮的比值(C/N)可以指示SOC的礦化能力,評價土壤有機物的分解程度,其值越高有機物的分解程度越低,有機碳趨于積累[49]。PP施加了更多的氮肥而導致表層土壤N含量相對增多,使得在0—10cm土層C/N比值顯著低于SP,提高了土壤微生物的活性,加快了SOC的分解[50],因此在該土層PP的SOC及活性有機碳組分的含量相較于SP較低。土壤pH則反映了土壤系統整體的化學狀態,它對SOC的影響是一個重要且復雜的過程,本研究中兩種桃樹種植模式下土壤呈酸性,pH與POXC、POC和MAOC呈極顯著正相關,PP的pH低于SP,土壤環境酸性更強則土壤微生物的數量減少,微生物的生長和活動受到抑制,降低活性有機碳組分的合成以及SOC的分解[51]。因此,PP的活性有機碳組分占比較低,SOC的含量相對較高。SOC的形成與固存是復雜且多變的過程,土壤質地、pH、養分水平等因子的共同作用改變了SOC的周轉過程,最終影響SOC及其組分的含量[52]。

4 結論

本文對滇南地區不同桃樹種植模式下土壤有機碳及其組分以及土壤碳庫的變化情況進行分析,并探究其主要的環境影響因子。結果表明:(1)桃樹種植改變了SOC及其組分,兩種植模式的SOC含量相較于CK較低,PP的SOC、POXC、MAOC平均含量均高于SP,而POC平均含量低于SP。(2)活性有機碳組分分配比例(POXC/SOC、POC/SOC)以及POC/MAOC值的均值均表現為SP>PP,SP的SOC活性更高,PP的SOC較穩定,有利于有機碳的積累。(3)不同種植模式改變了土壤有機碳庫以及活性有機碳庫,SP、PP的CPMI均小于CK；SP的碳庫活度略高于PP,PP具有較高的CPMI和碳庫穩定性,土壤碳庫質量較好。(4)雙因素方差分析表明不同桃樹種植模式、土層深度以及二者的交互作用對土壤有機碳組分及其分配比例存在不同程度的影響。(5)相關分析和冗余分析的結果均表明砂粒、pH、TP、C/N是影響不同桃樹種植模式以及不同土層下SOC及其組分主要的環境因子。PP的綜合效果更好,有利于SOC的固存,是較為合理的種植模式。分析不同活性的有機碳組分可為揭示人類活動或全球環境變化背景下SOC的變化提供更細致和深入的視角。經果林的種植應根據土壤性質(如土壤質地、pH)、碳庫基本情況和氮磷等養分的有效性等采取適宜的管理措施,在提高經濟效益的同時,增強固碳效率和碳匯水平。