楊小燕韓少杰陳祥偉( 東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱， 150040)

土壤有機碳作為植物-土壤系統(tǒng)的重要組成部分，不僅對改善土壤養(yǎng)分狀況、維系植物生長以及土壤耕性的改良方面起著巨大的作用［1］，而且是定量反映土壤結(jié)構(gòu)、土壤可蝕性以及土壤質(zhì)量演變的重要指標(biāo)［2-3］。氣候變化、土地利用及土壤管理措施等，雖然會不同程度地引起土壤有機碳的變化［4］，但這種變化是長期影響的結(jié)果，在短時間內(nèi)因變化幅度小而難以量化表達［5］。因此，僅通過土壤有機碳含量的測定，不能及時、準(zhǔn)確地定量分析因土壤管理措施的改變而引起土壤總有機碳短期內(nèi)的變化。相對土壤總有機碳，土壤活性有機碳，如顆粒有機碳［6］、熱水浸提有機碳［7］、輕組有機碳［8］、易氧化有機碳［9］等組分，不僅是土壤微生物活動的能源和土壤養(yǎng)分的驅(qū)動力，并能直接參與土壤生物化學(xué)過程;而且對土地利用變化及植被恢復(fù)等的響應(yīng)更為敏感，常被用來表征土壤有機碳的早期變化［10］。與此同時，許多學(xué)者基于易氧化有機碳的指標(biāo)而提出的碳庫管理指數(shù)，是土壤活性有機碳變化的敏感指標(biāo)，同樣能夠反映土壤管理措施影響土壤碳庫的程度［9，11］。

東北黑土區(qū)由于植被的破壞以及長期不合理的耕作，導(dǎo)致水土流失加劇、土壤質(zhì)量衰退嚴(yán)重，黑土土壤平均有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)由開墾前的14．6%下降至4．7%［12］。在國家退耕還林工程啟動之前，東北黑土區(qū)已經(jīng)開展了較大面積的退耕還林，對改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境、恢復(fù)黑土質(zhì)量起到了重要作用［13］。已有研究發(fā)現(xiàn)，退耕還林對土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，表現(xiàn)為顯著增加、沒有變化或降低的趨勢，其結(jié)論不盡一致［14］。尤其在研究內(nèi)容上主要關(guān)注土壤總有機碳的變化，而對土地利用變化更為敏感的活性有機碳的研究較少。為此，本研究以東北典型黑土區(qū)不同退耕還林類型林地土壤為研究對象，對比分析不同退耕還林類型之間林地土壤活性有機碳組分的差異，旨在探討退耕還林對土壤活性有機碳分布特征的影響，以期為科學(xué)評價黑土區(qū)退耕還林工程的生態(tài)效益提供參考。

1 材料與方法

1．1 土壤樣品的采集與制備

研究地區(qū)位于黑龍江省克山縣境內(nèi)的克山農(nóng)場(48°12′～48°23′N，125°8′～125°37′E)。在26 連隊，選擇立地條件相似的落葉松(Larix gmelini)林、樟子松(Pinus sylvestris var． mongolica)林、水曲柳(Fraxinus mandshurica)林、美青楊(Populus nigra var． italica×P． cathayan)林4 種退耕還林類型，并以棄耕自然恢復(fù)地(撂荒地)為對照(見表1)，分別設(shè)置20 m×20 m 的臨時標(biāo)準(zhǔn)地各3 塊。于2012 年10月份在設(shè)置的臨時樣地內(nèi)按照“S”型5 點取樣法采集0 ～10 cm 新鮮土樣，除去石塊、植物根系等雜質(zhì)后等量混合。將土樣分為2 份，1 份置于冰箱中4℃保存，以供土壤熱水浸提有機碳的測定;1 份風(fēng)干后過篩，以供測定顆粒有機碳、易氧化有機碳、土壤基本理化性質(zhì)。

表1 樣地林分特征、土壤基本理化性質(zhì)

1．2 指標(biāo)及測定方法

土壤總有機碳(TOC)，采用元素分析儀(Multi EA400)測定;熱水浸提有機碳(HWOC)，采用J． B．Zhang et al［7］的方法浸提;顆粒有機碳(POC，粒徑＞53 μm)，采用C． A． Camberdella et al［15］的方法測定;易氧化有機碳(ROC)，采用F． C． B． Vieira et al［9］的方法測定。土壤密度，采用環(huán)刀法測定;土壤pH 值，用水浸提(m(水)∶m(土)= 2．5 ∶1．0)電位法測定;全磷，采用硫酸-高氯酸消解鉬銻抗比色法測定;土壤速效磷，采用氟化銨-鹽酸浸提鉬銻抗比色法測定;全氮，采用半微量凱氏定氮儀測定;堿解氮，采用堿解-擴散法測定［16］。每個指標(biāo)重復(fù)3 次。

1．3 指標(biāo)計算及分析方法

土壤碳庫管理指數(shù)，采用F． C． B． Vieira et al 的方法計算［9］:

碳庫管理指數(shù)(Icm)=(碳庫指數(shù)×碳庫活度指數(shù))×100;

碳庫指數(shù)(Icp)=樣地土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)/參考土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù);

碳庫活度指數(shù)(IL)=樣地土壤碳庫活度/參考土壤碳庫活度;

碳庫活度(L)=活性有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)/非活性有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

其中:以撂荒地土壤作為對照土壤，其Icm定義為100?；钚杂袡C碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為采用F． C． B． Vieira et al［9］的方法得到的易氧化有機碳(ROC)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，非活性有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為土壤總有機碳與活性有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)之差。

采用Microsoft Excel 2003 軟件對數(shù)據(jù)進行處理;運用SPSS 13．0 統(tǒng)計分析軟件，通過單因素方差分析LSD-t 法對數(shù)據(jù)進行差異性檢驗，對各有機碳參數(shù)等進行Pearson 相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2．1 退耕還林對土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

土壤有機碳是土壤養(yǎng)分的主要來源，其數(shù)量和質(zhì)量可用于評價土壤潛在生產(chǎn)力［17］。與撂荒地相比(見表2)，4 種退耕還林地均能顯著提高土壤總有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(p＜0．05)，增強碳儲存能力。這是因為退耕還林后，植被每年大量的凋落物和死亡根系對養(yǎng)分的歸還，即增加了外源有機物質(zhì)的輸入，從而顯著提高土壤有機碳量，這與許多學(xué)者的研究結(jié)果相似［14，18-19］。本研究僅僅探討了退耕還林后45 a左右林分的土壤活性有機碳的變化結(jié)果，并未考慮退耕還林過程中土壤有機碳的動態(tài)變化規(guī)律。事實上，隨著退耕還林地植被的不同生長發(fā)育階段，林分環(huán)境會發(fā)生不同程度的變化，林地土壤有機碳庫及其組分也會發(fā)生改變，其變化規(guī)律有待于進一步探討。

表2 土壤活性有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其分配比例

不同退耕還林類型，因林分建群種的不同，其根系分泌物的種類、數(shù)量和性質(zhì)也不同，進而導(dǎo)致土壤有機碳量的差異［19］。黑土區(qū)退耕還林地土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高程度，以水曲柳林、美青楊林的增加幅度較大，分別達到31．06%、34．97%，且均顯著高于落葉松林、樟子松林(p＜0．05)。這主要是由于闊葉林植被凋落物的數(shù)量大、分解速率高，致使養(yǎng)分歸還量明顯高于針葉林［20］。

土壤活性有機碳的分配比例，是指土壤活性有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)占土壤總有機碳的比例。與活性有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)相比，活性有機碳的分配比例更有利于揭示植被覆蓋對土壤碳行為的影響，進而直觀地表征該活性有機碳組分在土壤中的活性大小和土壤有機碳的質(zhì)量［8］。測定結(jié)果表明:黑土區(qū)退耕還林地土壤HWOC、POC、ROC 占土壤總有機碳比例的變化范圍，分別為3．52%～4．30%、17．40%～27．47%、11．03%～12．34%(見表2)。這與許多學(xué)者對土壤活性有機碳分配比例變化范圍的研究結(jié)論相吻合［9，23-24］。

從表2 還可以看出，不同活性有機碳組分的分配比例對土壤管理措施的響應(yīng)，表現(xiàn)出一定的差異。與撂荒地相比，除樟子松林土壤熱水浸提有機碳外，4 種退耕還林地均顯著提高了土壤活性有機碳組分占土壤總有機碳的比例(p＜0．05)，并且均表現(xiàn)出美青楊林土壤各活性有機碳組分的分配比例提高幅度最大，其熱水浸提有機碳、顆粒有機碳、易氧化有機碳的分配比例增幅分別為38．20%、95．37%、11．04%。

2．2 退耕還林對土壤活性有機碳組分的影響

土壤有機碳是一種穩(wěn)定而長效的碳源物質(zhì)，其短暫波動主要發(fā)生在活性較高且易分解的部分。黑土區(qū)不同退耕還林地，比撂荒地均顯著提高了不同活性有機碳組分(p＜0．05)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因:一方面，退耕還林所構(gòu)建的森林生態(tài)系統(tǒng)中，歸還至土壤中的植物殘體和腐殖質(zhì)較多，可被利用的碳源較充分，且土壤微生物群落碳代謝多樣性較高［21］，有機質(zhì)更新和活化能力較強。另一方面，由于土壤活性有機碳主要分布在土壤大團聚體中，與土壤黏粒和粉粒百分比呈顯著負(fù)相關(guān)［22］;退耕還林后，富含碳的土壤團聚體數(shù)量和穩(wěn)定性都得以提高，粉粒和黏粒比例降低，土壤非活性有機碳的富集程度降低，進而導(dǎo)致活性有機碳量增加。

研究還表明，不同退耕還林地土壤活性有機碳的提高幅度以美青楊林最大，其土壤熱水浸提有機碳、顆粒有機碳、易氧化有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別較撂荒地增加了87．41%、165．05%、49．97%。此外，土壤活性有機碳組分中以土壤顆粒有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，變化幅度最大，其變化范圍為4．77 ～12．66 g·kg-1;易氧化有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)次之;熱水浸提有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對較低。

2．3 退耕還林對土壤碳庫管理指數(shù)的影響

土壤碳庫活度和碳庫活度指數(shù)，可以用于反映土壤碳素的活躍程度，活度越大，表示有機碳越易被微生物分解，質(zhì)量也越高［9］。測定結(jié)果表明:4 種退耕還林地均顯著提高了土壤碳庫活度和碳庫活度指數(shù)(p＜0．05)，表現(xiàn)出闊葉林的提高幅度大于針葉林，并以水曲柳林的提高幅度最大，土壤碳庫活度和碳庫活度指數(shù)分別比撂荒地相對提高了13．63%、14．00%。

表3 不同退耕還林地土壤碳庫管理指數(shù)比較

土壤碳庫指數(shù)和碳庫管理指數(shù)是系統(tǒng)的、敏感的反映管理措施對土壤碳庫動態(tài)變化的指標(biāo)，能夠反映土壤質(zhì)量下降或更新的程度［25］。研究發(fā)現(xiàn)，不同退耕還林地均顯著提高了土壤碳庫指數(shù)和土壤碳庫管理指數(shù)(p＜0．05)，且均表現(xiàn)為美青楊林的提高幅度最大，分別比撂荒地相對提高了35．00%、51．97%。這表明:退耕還林不僅能提高土壤有機碳數(shù)量，而且能改善土壤有機碳質(zhì)量，從而提高土壤的潛在生產(chǎn)力，使土壤系統(tǒng)向著良性方向轉(zhuǎn)變。這與戴全厚等［26］的研究結(jié)果一致。

2．4 不同活性有機碳組分之間及其與碳庫管理指數(shù)之間的相關(guān)性

相關(guān)分析表明(見表4)，測定的黑土土壤不同活性有機碳組分及其分配比例，均與有機碳呈顯著相關(guān)，表明各活性有機碳在很大程度上取決于土壤總有機碳量，并且能較好地反映土壤總有機碳量的動態(tài)變化。同時，不同活性有機碳之間的相關(guān)關(guān)系也均達顯著水平，表明，雖然它們的表述和測定方法不同，但各自從不同角度表征了土壤中活性較高部分有機碳的量，這與許多學(xué)者的研究結(jié)果一致［6，8］。

表4 各活性有機碳之間以及其與碳庫管理指數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)

土壤碳庫管理指數(shù)(Icm)，由于融合了人為影響下土壤碳庫指標(biāo)和碳庫活度兩個方面的內(nèi)涵，既能反映土壤有機碳總量的變化，又能反映活性有機碳組分的變化，從而能夠全面、動態(tài)地揭示管理措施對土壤有機碳總量及組分的影響［27］。研究發(fā)現(xiàn)，東北黑土區(qū)土壤Icm與土壤有機碳、熱水浸提有機碳、顆粒有機碳、易氧化有機碳以及活性有機碳的分配比例之間，均呈顯著正相關(guān)(見表4)，許多學(xué)者的研究中也得出了同樣的結(jié)論［28-29］。因此可以認(rèn)為:Icm能夠作為反映黑土區(qū)土地利用變化對土壤有機碳影響的敏感指標(biāo)。

3 結(jié)論

土壤活性有機碳對土地利用變化的響應(yīng)較為敏感，可以定量表征土壤碳庫的早期變化。黑土區(qū)退耕還林地顯著提高了土壤有機碳量、各活性有機碳組分量與分配比例，并且以闊葉林的促進效果顯著優(yōu)于針葉林。

退耕還林能夠顯著提高土壤碳庫活度、碳庫活度指數(shù)、土壤碳庫管理指數(shù)，在一定程度上改善土壤有機碳特性，促使土壤質(zhì)量向著良性方向發(fā)展。

不同活性有機碳組分之間，以及活性有機碳分別與土壤有機碳、碳庫管理指數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系，均達顯著水平;這進一步證實了，土壤碳庫管理指數(shù)能夠客觀反映黑土區(qū)土壤管理措施影響土壤有機碳的動態(tài)變化，是表征黑土土壤質(zhì)量和評價土壤管理的良好評價指標(biāo)。

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