（西南林業(yè)大學(xué) 生態(tài)與水土保持學(xué)院，云南 昆明 650224）

土壤有機(jī)碳對(duì)周圍環(huán)境變化的響應(yīng)敏感，不同土地類型能顯著影響生態(tài)系統(tǒng)中的碳儲(chǔ)量[1]。因此研究土壤有機(jī)碳與不同土地利用類型理化性質(zhì)的關(guān)系對(duì)于深入了解全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和碳平衡十分必要[2]。土壤有機(jī)碳（SOC）作為土壤肥力的重要組成部分，是表征土壤質(zhì)量或土壤健康的重要指標(biāo)[3]，尤其是土壤有機(jī)碳中不同組分活性有機(jī)碳（AOC）、顆粒有機(jī)碳（POC）及輕組有機(jī)碳（LFC）對(duì)外界的變化尤為敏感，可作為土壤有機(jī)碳庫(kù)細(xì)微變化的敏感指標(biāo)[4]。土壤AOC 雖僅占土壤有機(jī)碳的一小部分，但在指示土壤有機(jī)碳的有效性、土壤質(zhì)量和肥力的變化時(shí)十分靈敏、準(zhǔn)確[5]；土壤POC 在土壤中周轉(zhuǎn)速度較快，最易受土壤管理方式的影響，在土壤碳、氮、硫循環(huán)中有著重要的作用[6]；土壤LFC 具有相對(duì)較快的轉(zhuǎn)化速度，是對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量變化較為敏感的指標(biāo)[7]。同時(shí)，土壤粒徑是決定或影響著水力性質(zhì)以及土壤強(qiáng)度、養(yǎng)分狀況、土壤侵蝕等[8]的主要物理屬性，土壤粒徑分布（Particle size distribution PSD）也是不同土地利用方式對(duì)土壤性質(zhì)影響的指示指標(biāo)[9]。土壤粒徑分布與土壤有機(jī)碳含量有著密切相關(guān)性，并對(duì)土壤有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化有著顯著的影響[10]。

目前，研究土壤有機(jī)碳和土壤粒徑主要集中于不同區(qū)域土壤活性有機(jī)碳組分以及不同粒徑組成中土壤碳氮含量中，而對(duì)不同土地利用類型下土壤粒徑分布（尤其是黏粒）與有機(jī)碳組分相互關(guān)系的研究較少[11-13]。有研究表明土壤性質(zhì)（粒徑、剖面深度、質(zhì)地等）與活性有機(jī)碳含量高度有關(guān)[14]，土壤活性有機(jī)碳組分與土壤物理性質(zhì)之間關(guān)系的研究是現(xiàn)階段土壤有機(jī)碳的熱點(diǎn)內(nèi)容。云南省屬于我國(guó)水土流失二級(jí)敏感區(qū)，雨季（每年5—10月）雨量充沛，不但影響著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，而且關(guān)系到土壤退化、化肥利用率低，水土富營(yíng)養(yǎng)化等生態(tài)環(huán)境問題[15]。滇中尖山河小流域土地利用方式多變，土壤類型多樣，且在雨季尤其是暴雨條件下土壤侵蝕較為嚴(yán)重。因此，基于上述問題，本研究以滇中尖山河流域不同土地利用類型（坡耕地、荒草地、林地、園地）為例，分析不同土壤剖面（0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm）土壤粒徑、土壤活性有機(jī)碳（AOC）、顆粒有機(jī)碳（POC）、輕組有機(jī)碳（LFC）、總有機(jī)碳（SOC）的分布規(guī)律，探討不同土地利用類型中土壤粒徑的含量分布與土壤中有機(jī)碳各組分之間的關(guān)系，旨在為揭示滇中地區(qū)土壤有機(jī)碳與粒徑的關(guān)系、土壤有機(jī)碳的變化機(jī)制提供參考和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處玉溪市澄江縣西南部，位于北緯24°32′00″～24°37′38″，東經(jīng)102°47′21″～102°52′02″之間；最高海拔在流域北部，為2 347.4 m，最低海拔在尖山河入撫仙湖的入口處，為1 722 m，相對(duì)高差 625.4 m。小流域多年平均降水量1 050 mm，雨季為5月下旬—10月下旬，降水量占全年總降水量的75%，旱季為11月上旬—次年5月中旬，降雨量占全年降水量的25%。流域內(nèi)的土壤主要是紅紫泥土和紅壤，紅紫泥土主要分布在尖山大河上游河道順流左岸方向；紅壤分布在尖山大河順流右岸，其中石灰?guī)r紅壤分布在帶頭村附近、五尺埂至岔河；玄武巖紅壤分布在流域東部李頭村附近；尖山大河河床兩岸均為紫泥土。流域內(nèi)植被較豐富，森林覆蓋率為21.4%，林草覆蓋率為47.9%。流域內(nèi)喬木樹種主要有云南松Pinus yunnanensis、杉樹Cunninghmia lanceolata、櫟樹QuercusSPP.、水冬瓜Alnus cremastogyne、桉樹EucalyptusSPP.、華山松Pinus armandii等；灌木樹種主要有杜鵑Rhododendron simsii、竹Bambusoideae、水馬桑Weigela japonicavar.sinica等；草類植被主要有鬼針草Bidens pilosa、紫莖澤蘭Eupatorium edenophorum等；果樹主要有李Prunus salicina、楊梅Myrica rubra、板栗Castanea mollissima、桃樹Amygdalus persica、柿子Diospydrs kaki等。

1.2 土壤樣品采集與測(cè)定

根據(jù)滇中尖山河小流域特點(diǎn)，選取具有代表性的坡耕地、荒草地、林地、園地4種土地利用類型，分別布設(shè)3個(gè)重復(fù)樣地（樣地面積為20 m×20 m），每個(gè)樣地相距50～100 m。各樣地基本情況如下：坡耕地：流域內(nèi)傳統(tǒng)的種植方式，種植作物有烤煙、玉米、豌豆等，覆蓋度20%～30%；荒草地：由坡耕地棄耕撂荒而形成，地面植被為生長(zhǎng)的雜草，無喬木和灌木，覆蓋度＜ 5%；林地：近20 a 來該地區(qū)大力進(jìn)行流域綜合治理，在退耕還林政策帶動(dòng)下農(nóng)戶將大部分坡耕地改為林地，主要種植云南松、華山松（林齡20 a），密度為1 300株·hm-2，林間伴生有灌木、草本、果樹等，覆蓋度48%；園地：在政策支持下，農(nóng)戶將一部分區(qū)域承包用來種植經(jīng)濟(jì)作物，主要為楊梅種植園，覆蓋度60%～70%。其樣地基本情況調(diào)查如表1。

表1 不同土地利用類型樣基本情況?Table1 Basic situation of samples of different land use types

于2017年9月，在各樣地中隨機(jī)設(shè)置5個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)4種不同土地利用方式下的土壤進(jìn)行取樣。用挖剖面法進(jìn)行采樣，采樣點(diǎn)土壤剖面深約 50 cm，寬度約為60 cm，在各采樣點(diǎn)按0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm 分層取樣，共三層，并用四分法取出樣品進(jìn)行混合，除去礫石跟根系；每層用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重并做3個(gè)重復(fù)。土樣帶回實(shí)驗(yàn)室后去雜、過2 mm 鋼篩后置于通風(fēng)、陰涼、干燥的室內(nèi)風(fēng)干，磨細(xì)并過篩測(cè)定土壤粒徑組成、活性有機(jī)碳（AOC）、顆粒有機(jī)碳（POC）、輕組分有機(jī)碳（LFC）、總有機(jī)碳（SOC）等指標(biāo)。表2為4種土地利用方式下土壤的基本理化性質(zhì)。

表2 不同土地利用類型土壤基本理化性質(zhì)Table2 Basic physicochemical properties of soils with different land use types

土壤粒徑組成采用馬爾文激光粒度儀；土壤活性有機(jī)碳采用高錳酸鉀氧化一比色法測(cè)定[16]；土壤顆粒有機(jī)碳采用Cambardella的方法[17]；土壤輕組有機(jī)碳采用Wander 等[18]的方法；土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀外加熱法[19]測(cè)定；土壤基本理化性質(zhì)根據(jù)南京土壤研究所理化性質(zhì)分析中測(cè)定方法測(cè)定，容重采用環(huán)刀法測(cè)定，pH采用電位法測(cè)定，全氮采用半微量凱氏定氮法測(cè)定，全磷采用鉬銻抗比色法測(cè)定，全鉀采用火焰光度法測(cè)定[20]。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

利用Excel 2010和SPSS22.0 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖表分析，采用單因素方差分析（One-way ANOVA）檢驗(yàn)不同土地利用方式、不同土層下土壤各組分有機(jī)碳以及機(jī)械組成成分的差異性（P＜0.05），并用Person 相關(guān)分析土壤各組分有機(jī)碳與機(jī)械組成的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用類型土壤各粒徑分布特征

由表3可以看出，坡耕地、荒草地、林地、園地不同機(jī)械組成含量所占比例為粗粉粒最高，平均占比均高于40%，分別為坡耕地45.89%、荒草地54.19%、林地45.26%、園地43.77%；細(xì)砂粒和中粉粒次之，細(xì)粉粒、中砂粒、粗砂粒，粗粘粒最低，僅有0～1.58%。不同土地利用類型各粒徑組成單因素方差分析可得，0～10 cm 土層荒草地細(xì)粉粒含量與坡耕地、林地、園地細(xì)粉粒平均含量差異性顯著（P＜0.05），荒草地細(xì)粉粒平均含量最低（6.89%）。10～20 cm 土層坡耕地土壤細(xì)砂粒平均含量與林地、園地、荒草地相比差異性顯著（P＜0.05）。20～30 cm 土層荒草地細(xì)砂粒平均含量與坡耕地、林地、園地相比差異性顯著（P＜0.05）。4種土地利用類型中粗粘粒、中砂粒占比除坡耕地外0～10 cm 土層和10～20 cm 土層均差異性顯著（P＜0.05），不同土地利用類型粗粘粒、細(xì)粉粒、中粉粒均隨土層深度的增加而降低，中砂粒均隨土層深度的增加而升高。

表3 不同土地利用類型各土層土壤粒徑分布特征? Table3 Distribution characteristics of soil size in different soil layers of different land use types %

2.2 不同土地利用類型土壤各組分有機(jī)碳及總有機(jī)碳分布特征

2.2.1 土壤活性有機(jī)碳（AOC）分布特征

由圖1可以看出，不同土地利用類型下不同土層土壤AOC含量呈現(xiàn)出垂直分布的特征，即隨著土壤深度的增加，AOC含量總體上呈逐漸降低的趨勢(shì)。不同土地利用方式下AOC含量主要分布在0～20 cm 土層，在20～30 cm 土層含量?jī)H為0～30 cm 土層總量的24.69%～29.28%。不同土層AOC含量在不同土地利用類型下表現(xiàn)為園地（3.40 g/kg）＞林地（2.71 g/kg）＞坡耕地（1.28 g/kg）＞荒草地（0.54 g/kg）。園地的平均AOC含量比坡耕地、荒草地和林地分別高165.94%、529.84%和25.50%。

圖1 不同土地利用類型各土層AOC含量Fig.1 Soil AOC in different soil layers of different land use types

2.2.2 土壤顆粒有機(jī)碳（POC）分布特征

如圖2所示，隨著土層深度的增加，不同土地利用類型土壤POC含量逐漸降低，但坡耕地、荒草地不同土層POC含量差異性不顯著（P＞0.05）。不同土層的土壤POC含量在不同土地利用類型下表現(xiàn)為園地（7.96 g/kg）＞林地（5.65 g/kg）＞ 坡耕地（3.69 g/kg）＞荒草地（2.56 g/kg），園地的平均POC含量分別比坡耕地、荒草地和林地高115.53%、210.90%和40.70%。POC含量占SOC含量比例分別為園地52.30%、林地45.31%、坡耕地41.93%、荒草地44.83%。

圖2 不同土地利用類型各土層POC含量Fig.2 Soil POC in different soil layers of different land use types

2.2.3 土壤輕組分有機(jī)碳（LFC）分布特征

如圖3所示，4種土地利用類型土壤輕組分有機(jī)碳含量（LFC）總體上表現(xiàn)出隨著土層深度的增加而降低的趨勢(shì)，荒草地、林地各層土壤的LFC含量差異性顯著（P＜0.05），但坡耕地、園地各土層的LFC含量差異性均不顯著（P＞0.05）。不同土層的土壤LFC含量在不同土地利用類型下表現(xiàn)為園地（2.90 g/kg）＞林地（2.85 g/kg）＞坡耕地（1.59 g/kg）＞荒草地（1.41 g/kg），園地的平均LFC含量分別比坡耕地、荒草地和林地高82.14%、105.51%和1.71%。

2.2.4 土壤的總有機(jī)碳（SOC）分布特征

如表4所示，4種土地利用類型下SOC含量均隨著土層深度的增加而降低，呈現(xiàn)出明顯的垂直遞減性。園地0～10 cm 土層較10～20 cm和20～30 cm 土層分別增加了78.14%和99.37%。隨著土層深度的增加，坡耕地與荒草地SOC含量在不同土層之間差異性不顯著（P＞0.05）。在不同土地利用類型下SOC含量表現(xiàn)為園地（15.22 g/kg）＞林地（12.47 g/kg）＞坡耕地（8.80 g/kg）＞荒草地（5.71 g/kg），荒草地SOC含量顯著小于其他3種土地利用類型，4種各土地利用類型在0～10 cm和10～20 cm 土層的SOC含量差異性顯著（P＜0.05），但坡耕地與林地在20～30 cm 土層差異性不顯著（P＞0.05）。

表4 不同土地利用類型各土層SOC含量 Table4 Soil SOC in different soil layers of different land use types g·kg-1

2.3 土壤有機(jī)碳組分含量與粒徑分布相關(guān)性分析

土壤粒徑與各組分有機(jī)碳含量間關(guān)系由表5所示，荒草地AOC，林地SOC、AOC，園地LFC含量與粗粘粒呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），坡耕地POC、園地SOC、AOC、POC含量與粗粘粒呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）；除荒草地POC含量以外，坡耕地、林地、園地POC含量均與細(xì)粉粒呈極顯著或顯著性正相關(guān)；坡耕地POC、荒草地SOC含量與中粉粒呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）；荒草地SOC、LFC，林地SOC、AOC、POC，園地各有機(jī)碳組分均與中砂粒呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）。林地、園地各有機(jī)碳組分均與粗砂粒呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。

表5 不同土地利用類型各土層土壤活性有機(jī)碳的相關(guān)性?Table5 Relevance of soil active organic carbon in different soil layers of different land use types

3 討 論

本研究中，滇中尖山河小流域不同土地利用類型對(duì)土壤AOC 有顯著的影響，表現(xiàn)為：園地＞林地＞坡耕地＞荒草地，這種差異主要是由凋落物數(shù)量、質(zhì)量、分解率、土壤水熱條件變化，以及土壤中營(yíng)養(yǎng)元素的積累、細(xì)根的生產(chǎn)和周轉(zhuǎn)差異而引起的[21]。4種土地利用類型土壤POC的趨勢(shì)與AOC 一致，亦表現(xiàn)為園地＞林地＞坡耕地＞荒草地。已有研究表明，林地土壤POC含量占總有機(jī)碳的比例范圍為23.62%～43.60%[22]，而本研究所得結(jié)果變化范圍較小且數(shù)值偏高，這可能與尖山河流域氣候因素及土壤團(tuán)聚性、表聚性太強(qiáng)不容易破碎有關(guān)。園地和林地LFC含量顯著高于坡耕地和荒草地，主要是由于園地和林地受人為干擾少，土壤動(dòng)植物和微生物對(duì)地表凋落物的分化降解作用較強(qiáng)，土壤動(dòng)植物殘?bào)w、植物根系分泌物等碳源較多，土壤LFC含量較高。土壤有機(jī)碳含量（SOC）在不同土地利用類型下表現(xiàn)為園地＞林地＞坡耕地＞荒草地。這與蔣毅等[12]對(duì)岷江流域不同土地利用方式下紫色土壤活性有機(jī)碳分布特征的研究結(jié)果（次生林和灌草叢＞人工林和坡耕地）一致。說明園地和林地土壤有機(jī)碳性質(zhì)更穩(wěn)定，有利于碳在土壤中的留存；坡耕地由于農(nóng)作物的收獲移除、淋溶損失以及田間管理措施等原因，SOC 較低；而荒草地固碳效率最低。4種土地利用類型中林地和園地各土層SOC含量均隨著土層深度的增加而降低，呈現(xiàn)出明顯的垂直遞減性，但坡耕地與荒草地隨著土層深度的增加差異性不顯著。坡耕地是由于種植烤煙、玉米或豌豆后，部分的殘根留在土壤，這些農(nóng)作物根系在土壤生物的作用下產(chǎn)生有機(jī)碳，在種植農(nóng)作物時(shí)翻耕（據(jù)調(diào)查翻耕深度在20～30 cm 左右）進(jìn)入深層土壤使得各土層土壤SOC含量差異性不顯著；荒草地可能與植被覆蓋度較低（＜5%）、植被生產(chǎn)力以及土壤中有機(jī)質(zhì)積累較低有關(guān)。

不同土地利用類型粗粘粒占比均隨土層深度的增加而降低，說明與土壤有機(jī)碳及其組分變化規(guī)律一致；中砂粒占比均隨土層深度的增加而升高與土壤有機(jī)碳及其組分變化相反。其中與細(xì)粉粒的關(guān)系最強(qiáng)，可以認(rèn)為粉粒對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響較大，可作為衡量有機(jī)碳含量的一個(gè)因素，這與張俊華[13]等研究黑河綠洲區(qū)土壤有機(jī)碳與粒徑組成的關(guān)系的結(jié)果一致。表3中4種土地利用類型土壤有機(jī)碳及組分與土壤中砂粒含量呈負(fù)相關(guān)，與土壤粉粒、粘粒含量呈正相關(guān)，印證了以上分析結(jié)果，也與前人研究結(jié)果一致[23-25]。這是由于土壤有機(jī)碳的不同形式一部分與礦質(zhì)土粒進(jìn)行機(jī)械的混合，一部分溶解于土壤溶液中（如部分氨基酸、單糖、低分子化合物等），另外一部分以生命體形式存在于土壤中。然而大部分的土壤有機(jī)碳則是和土壤中的無機(jī)成分結(jié)合在一起，結(jié)合成有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體形式。一般說來，一方面土壤有機(jī)碳易與較細(xì)的土壤顆粒（粉粒、粘粒）結(jié)合形成有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體，同時(shí)粉粒、粘粒的表面積相對(duì)較大，因此土粒本身會(huì)暴露出更多的正電荷位，再與帶負(fù)電荷的腐殖質(zhì)等結(jié)合[26]；另一方面，較細(xì)的土粒通透性較差，有機(jī)碳一旦與其結(jié)合，就很難被微生物分解。砂粒與較細(xì)土粒相比正好相反，砂粒的正電荷位少、顆粒大，與有機(jī)碳結(jié)合的機(jī)會(huì)就少，而且通透性較強(qiáng)，能夠比較輕易地被微生物分解。因此，土壤有機(jī)碳與粉粒、粘粒含量之間呈顯著的正相關(guān)，與砂粒含量之間呈顯著的負(fù)相關(guān)。文倩等[27]研究發(fā)現(xiàn)在土壤團(tuán)聚體形成過程中土壤有機(jī)質(zhì)含量高而粘粒含量低的土壤，有機(jī)物的膠結(jié)作用起主要作用；而有機(jī)質(zhì)含量少，粘粒含量高的土壤中，主要依靠粘粒的內(nèi)聚力。因此增加土壤有機(jī)碳和粘粒、粉粒可以為團(tuán)聚體的形成提供基礎(chǔ)。

綜上，不同土地利用類型會(huì)直接影響土壤有機(jī)碳組分的含量和分布，還可以通過影響土壤有機(jī)碳形成和轉(zhuǎn)化的因子及改變土壤有機(jī)碳的分解速率，間接影響土壤有機(jī)碳組分的含量、分布及蓄積量。由于研究區(qū)坡耕地比重較大，導(dǎo)致該地區(qū)水土流失現(xiàn)象嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境惡化。因此，在坡耕地土壤在利用過程中，可增加耕層砂粒和粗粉粒含量，改變其機(jī)械組成，人為改土培肥，從而提高作物產(chǎn)量；退耕還林以及在荒草地種植農(nóng)作物可作為提高土壤有機(jī)碳含量的有效措施，為團(tuán)聚體的形成提供基礎(chǔ)。不僅可減少水土流失和面源污染，起到較好的水土保持作用，同時(shí)也是改善土壤質(zhì)量、恢復(fù)土壤肥力、提高碳儲(chǔ)量以及實(shí)現(xiàn)該區(qū)域植被恢復(fù)重建的根本保障。今后研究可集中于比較土地利用類型改變前后土壤有機(jī)碳及其組分與其理化性質(zhì)的關(guān)系，這將有助于深入了解全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和碳平衡，增加對(duì)土壤有機(jī)碳的控制能力，為土壤環(huán)境保護(hù)、土地可持續(xù)利用以及生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié) 論

1）4種土地利用類型下不同土層土壤SOC、AOC、POC、LFC 變化規(guī)律一致，均隨土壤深度增加而減少，呈現(xiàn)出垂直分布的特征，不同土地利用類型SOC、AOC、POC、LFC含量整體均表現(xiàn)為園地＞林地＞坡耕地＞荒草地；

2）4種土地利用類型下不同土層土壤粗粉粒的平均含量均在整個(gè)土層中所占比例最大，平均含量分別為43.13%、52.92%、41.70%、41.17%；荒草地細(xì)粉粒平均含量最低，僅為6.59%。不同土地利用類型粗粘粒、細(xì)粉粒、中粉粒均隨土層深度的增加而降低，中砂粒均隨土層深度的增加而升高。

3）荒草地土壤有機(jī)碳及其組分與其他粒組均未達(dá)到顯著水平；其他土地利用類型土壤有機(jī)碳組分與土壤砂粒含量呈負(fù)相關(guān)，與土壤粉粒、粘粒含量呈正相關(guān)。增加耕層土壤砂粒和粉粒含量、退耕還林以及荒草地種植均可以改善土壤質(zhì)量、恢復(fù)土壤肥力、提高碳儲(chǔ)量，作為實(shí)現(xiàn)該區(qū)域植被恢復(fù)重建的根本保障。