劉正剛,裴柏洋,王憲帥

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)林業(yè)生態(tài)工程省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川雅安625014)

土地利用變化是造成碳循環(huán)不平衡的重要原因之一[1],而土壤碳庫(kù)平衡是土壤肥力保持的重要內(nèi)容[2]。土壤活性碳是指土壤中移動(dòng)快、穩(wěn)定性差、易氧化、礦化,對(duì)植物和土壤微生物來(lái)說(shuō)活性較高的那部分有機(jī)碳,?？捎靡籽趸嫉葋?lái)進(jìn)行表征[3]。土壤活性碳雖然只占土壤全碳的較小部分,但它可以在土壤全碳變化之前反映土壤微小的變化,同時(shí)它直接參與了土壤生物化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程,又是土壤微生物生命活動(dòng)的能源,對(duì)土壤養(yǎng)分的有效化也有著十分重要的作用[4-5]。

因不同土地利用類(lèi)型下植物對(duì)土壤中碳的攝取量、植物根系深入地下的深度以及土壤承接其凋落物和根系分泌物類(lèi)型[6]等因素的差別,造成了土壤中相同土地利用類(lèi)型不同土層深度的碳含量以及不同土地利用類(lèi)型相同土層深度的碳含量發(fā)生的明顯變化。因此,研究同一地域不同土地利用類(lèi)型土壤有機(jī)碳的特征對(duì)于揭示土地利用變化對(duì)土壤碳循環(huán)的影響具有十分重要的意義。本研究以岷江上游干旱河谷-山地森林交錯(cuò)帶6種不同土地利用類(lèi)型為對(duì)象,探討不同土地利用方式對(duì)土壤有機(jī)碳、易氧化態(tài)碳的影響,為揭示不同土地利用類(lèi)型對(duì)土壤有機(jī)碳庫(kù)的影響機(jī)理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)自然概況

研究地點(diǎn)位于岷江上游理縣桃坪鄉(xiāng),海拔1 800～2 600 m,屬典型的岷江上游山地森林與干旱河谷的交錯(cuò)區(qū)。該區(qū)屬山地季風(fēng)氣候,垂直氣候帶明顯,年平均氣溫11℃,≥10℃活動(dòng)積溫3 200～3 800℃,無(wú)霜期190 d,年降水量400～600 mm;地表起伏巨大,相對(duì)高差達(dá)1 000 m以上,地質(zhì)活動(dòng)頻繁,地形地貌類(lèi)型復(fù)雜多樣;土壤受地貌、氣候和植被等因素的影響,在海拔梯度上發(fā)育了褐土、棕壤、暗棕壤、灌叢草甸土、草甸土、亞高山草甸土、高山草甸土、高山寒漠土;植被類(lèi)型主要為干旱河谷灌草叢、常綠闊葉與落葉闊葉混交林、亞高山針葉林、高山灌叢草甸。

1.2 采樣與分析方法

在研究區(qū)域內(nèi)的6種土地利用類(lèi)型中分別設(shè)置面積為20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)地3個(gè),在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)按典型方式挖取土壤剖面3個(gè),每個(gè)剖面按Ⅰ層(0-20 cm)、Ⅱ?qū)?20-40 cm)和Ⅲ層(40-60 cm)分層采集土壤樣品(60 cm為研究區(qū)域內(nèi)6種土地利用類(lèi)型的涵蓋厚度)。

有機(jī)碳含量測(cè)定采用重鉻酸鉀外加熱法[7],易氧化態(tài)碳含量采用333 mmol/L高錳酸鉀氧化法測(cè)定[8-9]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2003軟件對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果分析

2.1 土壤有機(jī)碳含量

6種土地利用類(lèi)型的土壤有機(jī)碳含量的變化如圖1所示。從圖中可以看出,不同土地利用類(lèi)型土壤有機(jī)碳含量隨土層深度的增加而減小。在0-20 cm和20-40 cm土層中高山櫟地的有機(jī)碳含量明顯高于其它土地利用類(lèi)型中有機(jī)碳的含量,而在40-60 cm土層中灌木林地的有機(jī)碳含量最高,農(nóng)耕地在各個(gè)土層中的有機(jī)碳含量均低于其它土地利用類(lèi)型。

在0-60 cm土層內(nèi),6種土地利用類(lèi)型中高山櫟地的有機(jī)碳平均含量最高,農(nóng)耕地的有機(jī)碳平均含量最低,各土地利用類(lèi)型土壤有機(jī)碳平均含量從大到小的順序?yàn)?高山櫟地(17.516 g/kg)＞灌木林地(17.060 g/kg)＞灌叢地(15.518 g/kg)＞花椒地(12.219 g/kg)＞人工刺槐林地(10.809 g/kg)＞農(nóng)耕地(8.865 g/kg)。比較花椒地和農(nóng)耕地這兩種農(nóng)作物土地利用類(lèi)型,可以發(fā)現(xiàn)二者的有機(jī)碳平均含量差異明顯,花椒地是農(nóng)耕地的1.38倍,與高山櫟地相比,花椒地有機(jī)碳平均含量下降了30%,農(nóng)耕地有機(jī)碳平均含量下降了49%,這與二者種植方式的差異較大有關(guān);人工刺槐林地的有機(jī)碳平均含量比天然灌木林地和灌叢地的有機(jī)碳平均含量低,天然林地有機(jī)碳平均含量相對(duì)較高是因?yàn)槠渫寥罌](méi)有被人為翻動(dòng),林下生長(zhǎng)有大量的灌、草以及豐富的枯落物,因而其有機(jī)碳含量較高。

圖1 不同土地利用類(lèi)型土壤有機(jī)碳含量

2.2 土壤易氧化態(tài)碳含量

土壤易氧化態(tài)碳的含量及變化特征如表1所示。各個(gè)土層中高山櫟地的易氧化態(tài)碳含量均明顯高于其它土地利用類(lèi)型中易氧化態(tài)碳的含量,在0-20 cm和40-60 cm土層中花椒地的易氧化態(tài)碳含量最低,在20-40 cm的土層中農(nóng)耕地的易氧化態(tài)碳含量最低。

由0-60 cm土層中的土壤易氧化態(tài)碳平均含量來(lái)看,高山櫟地的土壤易氧化態(tài)碳平均含量最高,農(nóng)耕地的易氧化態(tài)碳平均含量最低,這與二者的土壤有機(jī)碳平均含量分布相一致。不同土地利用方式土壤易氧化態(tài)碳含量差異較大,土壤易氧化態(tài)碳平均含量的順序從大到小依次為:高山櫟地(1.839 g/kg)＞灌木林地(1.637 g/kg)＞灌叢地(1.286 g/kg)＞人工刺槐林地(0.968 g/kg)＞花椒地(0.942 g/kg)＞農(nóng)耕地(0.900 g/kg)。

易氧化態(tài)碳(ROC)含量的多少與土壤有機(jī)碳含量有關(guān),同時(shí)也與土壤的理化性質(zhì)及氧化還原環(huán)境有關(guān)[10]。高山櫟地的有機(jī)碳含量高,土壤蓄水能力強(qiáng),林下土壤的通氣性、滲透性和保水性較好,因此其ROC含量最高;灌木林地和灌叢地因植株相對(duì)矮小屬地面植被,降低了土壤的通氣性和透水性,因而ROC含量較高山櫟地略低;由于受人為干擾影響較大,導(dǎo)致人工刺槐林地、花椒地、農(nóng)耕地這3種人工土地利用類(lèi)型的ROC含量比天然林地低,但它們之間的易氧化態(tài)碳平均含量相差不大,而農(nóng)耕地的有機(jī)碳平均含量最低也是導(dǎo)致其ROC平均含量最低的原因之一。

表1 不同土地利用類(lèi)型土壤易氧化態(tài)碳含量 g/kg

2.3 易氧化態(tài)碳占有機(jī)碳的比率

土壤易氧化態(tài)碳占有機(jī)碳的比率比易氧化態(tài)碳總量更能反映不同土地利用類(lèi)型下植被對(duì)土壤有機(jī)碳行為的影響結(jié)果。土壤易氧化態(tài)碳含量及其與土壤總有機(jī)碳的比率是反映土壤碳穩(wěn)定性的指標(biāo),土壤全碳中易氧化態(tài)碳所占比例越高,說(shuō)明土壤碳的活性越大,穩(wěn)定性越差[11]。各土地利用類(lèi)型不同土層易氧化態(tài)碳占有機(jī)碳的比率見(jiàn)表2。由表2看出,高山櫟地、花椒地、灌叢地土壤易氧化態(tài)碳占有機(jī)碳的比率隨土層剖面的變深而下降;農(nóng)耕地、人工刺槐林地、灌木林地易氧化態(tài)碳所占比率在40-60 cm土層中略有回升,這反映了土壤易氧化態(tài)碳的復(fù)雜多變。

從0-60 cm土層整體的易氧化態(tài)碳占有機(jī)碳的比率來(lái)看,6種土地利用類(lèi)型中,高山櫟地和農(nóng)耕地的易氧化態(tài)碳比例最大,分別達(dá)到了 10.50%和10.16%,顯著高于其它土地利用方式,說(shuō)明這兩種土地利用類(lèi)型的碳素活性相對(duì)較大、且不穩(wěn)定,在未來(lái)氣候變化下,土壤有機(jī)碳更易于發(fā)生變化[10]。

表2 易氧化態(tài)碳占有機(jī)碳的比率 %

2.4 土壤易氧化態(tài)碳與有機(jī)碳的相關(guān)關(guān)系

如圖2所示,對(duì)ROC和SOC含量的回歸分析表明,全部樣品的易氧化態(tài)碳含量與有機(jī)碳含量之間的相關(guān)性達(dá)到極顯著水平,說(shuō)明土壤易氧化態(tài)碳很大程度上依賴(lài)有機(jī)碳的含量。

圖2 土壤易氧碳化碳與有機(jī)碳的關(guān)系

3 結(jié)論與討論

土地利用類(lèi)型不同,一方面會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入土壤種植物殘?bào)w的數(shù)量和性質(zhì)發(fā)生改變,另一方面會(huì)引起土壤水分管理、耕作方式等管理措施的差異,由此影響和改變土壤有機(jī)碳和易氧化態(tài)碳的含量。此外,不同土地利用類(lèi)型,其植被凋落物和根系分泌物的多少、化學(xué)組成(C/N)、根系分布情況也會(huì)影響到土壤有機(jī)碳和易氧化態(tài)碳的含量[12]。土壤中有機(jī)碳和易氧化態(tài)碳含量的變化直接關(guān)系到土壤質(zhì)量的改變,進(jìn)而影響到植物的生長(zhǎng)和群落結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。岷江上游干旱河谷-山地森林交錯(cuò)帶不同土地利用類(lèi)型生長(zhǎng)的植被不同,它們的凋落物種類(lèi)不同,會(huì)影響到土壤微生物量和碳利用率[13-14],從而導(dǎo)致沿土層梯度土壤有機(jī)碳和易氧化態(tài)碳含量和分布的變化。研究表明,該交錯(cuò)帶土壤易氧化態(tài)碳與有機(jī)碳的空間分布既有一致性,也存在一定的差異性;不同土地利用類(lèi)型土壤有機(jī)碳和易氧化態(tài)碳的含量均隨土層深度的增加而減少。

土地利用及土地利用變化對(duì)土壤有機(jī)碳含量有較大的影響[15],土壤有機(jī)碳含量的多少與植被每年的歸還量和分解速率密切相關(guān),歸還量大、分解緩慢會(huì)造成土壤累積較多的有機(jī)碳[11],高山櫟、灌木、灌叢這些天然林由于生物歸還量大,因而使得土壤有機(jī)碳含量相對(duì)較高;花椒、人工刺槐、農(nóng)作物不僅歸還量小,而且快速分解,因此土壤有機(jī)碳含量低。

不同土層的土壤由于承接凋落物和根系分泌物類(lèi)型不同,形成的土壤碳庫(kù)特別是活性碳狀況有很大差異[6]。對(duì)不同地理景觀區(qū)域森林土壤生態(tài)系統(tǒng)的微生物量碳、土壤有效碳等進(jìn)行的研究表明,景觀異質(zhì)性可顯著改變地下生物群落的結(jié)構(gòu),進(jìn)而改變凋落物分解和土壤碳循環(huán)等生態(tài)過(guò)程[16-17]。高山櫟、灌木、灌叢這些天然林木的根系發(fā)達(dá)、密集,根系分泌物和衰亡的根是微生物豐富的能源物質(zhì)[18],林木的枯枝落葉層每年通過(guò)淋失(溶)、分解等過(guò)程向礦質(zhì)土壤層提供大量有機(jī)碳和養(yǎng)分,有利于微生物的生長(zhǎng),經(jīng)微生物的循環(huán)作用,成為易氧化態(tài)碳的重要來(lái)源。此外,上層土壤接收全部的植物凋落物和有相對(duì)較多的根系分布,而凋落物和根系分泌物經(jīng)微生物作用的循環(huán),也是造成土壤上層易氧化態(tài)碳含量相對(duì)較高的重要原因之一。

土壤易氧化態(tài)碳是土壤有機(jī)碳中較為活躍的部分,土地利用方式不同導(dǎo)致土壤易氧化態(tài)碳占有機(jī)碳的比率呈現(xiàn)出顯著差異。土壤活性有機(jī)碳組分占土壤有機(jī)碳含量的比率總體上不高,但對(duì)維持土壤肥力及土壤碳儲(chǔ)量變化方面具有重要的作用[19]。而土壤有機(jī)碳含量在活性和非活性組分間的分配比例受許多因素的影響,在陸地森林土壤中,天然植被變成農(nóng)田進(jìn)行耕作(如耕作類(lèi)型和耕作長(zhǎng)度)是影響土壤活性碳的最主要的因素之一[20]。本研究結(jié)果顯示,由天然林土地利用類(lèi)型到人工土地利用類(lèi)型,土壤有機(jī)碳和易氧化態(tài)碳的含量明顯下降,分別降低了36%和41%,這種趨勢(shì)與吳建國(guó)等[21]對(duì)六盤(pán)山林區(qū)的土壤活性有機(jī)碳含量的研究結(jié)果基本一致,與國(guó)外許多研究也較為相似,如Blair等[19]發(fā)現(xiàn)對(duì)新南威爾士地區(qū)的天然植被土壤進(jìn)行耕作后,土壤有機(jī)碳、活性有機(jī)碳和非活性有機(jī)碳含量都有不同程度的下降。

土壤易氧化態(tài)碳的含量在不同土層中均隨土層深度的加深而遞減,與有機(jī)碳的變化趨勢(shì)一致,并且同有機(jī)碳顯著相關(guān),這主要是因?yàn)橐籽趸瘧B(tài)碳含量在很大程度上取決于土壤有機(jī)碳含量的變化。王清奎等的研究也表明,生物活性有機(jī)碳庫(kù)、SMBC、WSOC、HWC、LF-C的含量均和SOC顯著相關(guān),說(shuō)明了土壤易氧化態(tài)碳在較大程度上依賴(lài)于總有機(jī)碳的貯量[22]。

不過(guò),也有研究發(fā)現(xiàn)土地利用變化對(duì)土壤活性有機(jī)碳并沒(méi)有顯著影響,如Mendham等發(fā)現(xiàn)澳大利亞西部天然林、草地和桉樹(shù)人工林中的土壤活性有機(jī)碳含量沒(méi)有顯著差異[23]。這些差異的原因,目前還并不十分清楚,但差異卻表明土地利用變化對(duì)土壤活性有機(jī)碳的影響可能是復(fù)雜的過(guò)程,在不同土地利用變化及不同的區(qū)域可能會(huì)有不同的趨勢(shì)[24]。而在本項(xiàng)研究中農(nóng)耕地、人工刺槐林地、灌木林地的土壤易氧化態(tài)碳占有機(jī)碳的比率在40-60 cm土層中有明顯的回升這一現(xiàn)象也印證了上述觀點(diǎn)。

由于土壤活性有機(jī)碳還未有統(tǒng)一的定義和測(cè)定方法,如何評(píng)價(jià)目前所測(cè)定的不同土地利用類(lèi)型土壤易氧化態(tài)碳沿土層深度的變化在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和區(qū)域碳平衡中的作用和意義還需要做進(jìn)一步的研究。

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