侵蝕背景下湘中紅壤丘陵區(qū)土地利用方式對(duì)土壤活性有機(jī)碳分布特征的影響研究*

李忠武王曙光，陳曉琳，聶小東，張 艷，劉桂平，曾婉昀

(1. 湖南大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410082；2. 邵陽(yáng)市水土保持科學(xué)研究所, 湖南 邵陽(yáng) 422202)

土壤活性有機(jī)碳是土壤中移動(dòng)快、穩(wěn)定性差、易氧化、礦化，且對(duì)植物和土壤微生物活性較高的土壤有機(jī)碳組分[1]，也是土壤中最活躍，周轉(zhuǎn)速度最快，對(duì)土地利用變化等外來(lái)干擾最敏感的組分[2].然而由于研究目的的不同，活性有機(jī)碳的定義也千差萬(wàn)別，其表述也有多種，包括易氧化有機(jī)碳、水溶性有機(jī)碳、微生物量有機(jī)碳等，其中易氧化有機(jī)碳主要指能夠被333 mmol.L-1的KMnO4氧化的有機(jī)碳(即活性有機(jī)碳)[3]，主要反映土壤有機(jī)碳中能被水解和氧化的活性部分，也是本論文中所研究的活性有機(jī)碳.雖然土壤活性有機(jī)碳只占土壤有機(jī)碳總量的較小部分(13%～28%)，但由于其直接參與土壤生物化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程，并能被土壤微生物快速利用和轉(zhuǎn)化，是土壤微生物活動(dòng)能源和土壤養(yǎng)分的驅(qū)動(dòng)力.因而土壤活性有機(jī)碳對(duì)土壤碳庫(kù)平衡和土壤化學(xué)、生物化學(xué)肥力保持具有重要意義[4].

從20世紀(jì)70年代開(kāi)始的活性有機(jī)碳研究，為土壤有機(jī)碳研究領(lǐng)域帶來(lái)了新的活力，并成為有機(jī)碳研究的熱點(diǎn).目前，關(guān)于土壤活性有機(jī)碳的研究多集中在土壤活性有機(jī)碳的涵義、測(cè)定方法、形態(tài)表征及土地利用方式對(duì)其影響等方面[5]，其中土地利用方式對(duì)土壤活性有機(jī)碳的影響是一個(gè)非常重要的研究領(lǐng)域.大量的研究表明，土地利用對(duì)活性有機(jī)碳的影響非常顯著，如邱麗萍等的研究表明，不同地類(lèi)表層土壤中的活性有機(jī)碳含量為林地、撂荒未翻耕地>撂荒翻耕地>農(nóng)用地[6]，M. Martínez-Mena等[7]研究表明，橄欖林小區(qū)比一般的森林小區(qū)有利于土壤活性有機(jī)碳的遷移和富集.李忠武等[8]的研究表明，土地利用方式和土壤有機(jī)質(zhì)之間有著非常密切的關(guān)系，且土地利用方式的多樣性是土壤有機(jī)碳差異的關(guān)鍵.但相關(guān)研究多集中在施肥對(duì)不同活性有機(jī)碳的影響[9]以及特定區(qū)域活性有機(jī)碳的影響[10-11]，而從土壤侵蝕的角度研究土地利用方式對(duì)活性有機(jī)碳的影響研究鮮有報(bào)道.同時(shí)，土壤侵蝕作為影響人類(lèi)生存和生活的重要環(huán)境問(wèn)題之一，對(duì)于包括土壤有機(jī)碳在內(nèi)的土壤環(huán)境質(zhì)量以及土地生產(chǎn)力具有顯著的影響[12-14].因此，加強(qiáng)侵蝕條件下土地利用對(duì)土壤活性有機(jī)碳的影響研究，對(duì)于揭示土地利用變化對(duì)土壤有機(jī)碳庫(kù)的影響機(jī)理有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義.

基于以上分析，本研究以湘中紅壤丘陵區(qū)的典型區(qū)域作為研究對(duì)象，對(duì)5種土地利用方式下坡面侵蝕區(qū)和沉積區(qū)土壤活性有機(jī)碳分布規(guī)律進(jìn)行了研究.研究結(jié)果對(duì)紅壤丘陵區(qū)水土保持以及合理選擇土地利用方式具有重要意義.

1 研究對(duì)象概括和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湖南省邵陽(yáng)市水土保持科學(xué)研究所(27°03′N(xiāo)，111°22′E)，距離湖南省邵陽(yáng)市雙清區(qū)潭邵高速公路7 km處(圖1).該區(qū)屬于中亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，年平均氣溫16.1～17.1°C，無(wú)霜期272～304 d，日照時(shí)數(shù)1 347.3～1 615.3 h，降雨量1 218.5～1 473.5 mm，且大多集中在4～6月，易遇夏秋連旱.區(qū)內(nèi)主要地貌以丘陵和崗地為主，坡度在10°～20°之間.土壤以四紀(jì)紅土發(fā)育的第四紀(jì)紅壤為主，土層較深厚，土壤質(zhì)地以砂壤、壤土為主.由于四紀(jì)紅土成土母質(zhì)結(jié)構(gòu)疏松，土壤養(yǎng)分含量較低、保水性差以及抗蝕能力低, 不同程度地存在著容易退化的性狀缺陷和肥力問(wèn)題.研究區(qū)內(nèi)水土流失嚴(yán)重，全區(qū)存在不同尺度侵蝕面積達(dá)到4 195.05 m2[15-16].同時(shí)，因立地條件差異，研究區(qū)內(nèi)存在多種土地利用類(lèi)型，包括林地，坡耕地，果園，撂荒地等.區(qū)域植被平均覆蓋度為47.2%，盡管植被郁閉度較高，但仍然存在較強(qiáng)土壤侵蝕[17]，這使得包括活性有機(jī)碳庫(kù)在內(nèi)的土壤碳庫(kù)受到了極大擾動(dòng).

圖1 研究區(qū)位和樣點(diǎn)示意圖

1.2 土壤樣品采集

實(shí)驗(yàn)選取5種存在明顯侵蝕特征并具有代表性土地利用類(lèi)型，包括松林、桔園、荒山、苗圃改、苗圃.選擇坡頂有明顯坡度，無(wú)凹面位置為侵蝕區(qū)，在坡麓選擇地勢(shì)低洼或存在明顯凹面位置作為沉積區(qū)(圖1).不同土地利用類(lèi)型土壤的具體情況見(jiàn)表1.2010年10月中旬在研究區(qū)5種土地利用類(lèi)型上按照0～5 cm，5～10 cm，10～15 cm和15～20 cm 4個(gè)土層采集土壤.為減少誤差，每個(gè)采樣點(diǎn)設(shè)置3次重復(fù)，并采用3個(gè)樣點(diǎn)的平均值作為其測(cè)量值.同時(shí)，為了研究不同坡位的分異，每樣地分侵蝕和沉積兩個(gè)部位采集.土樣用聚乙烯口袋密封后立即運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，自然風(fēng)干后，過(guò)篩，用于土壤理化性質(zhì)測(cè)定分析.

表1 各樣地基本情況表

1.3 測(cè)定指標(biāo)和測(cè)定方法

測(cè)定指標(biāo)：全氮、土壤有機(jī)碳、活性有機(jī)碳.

測(cè)定方法：按Lefroy等[18]提出的活性有機(jī)碳測(cè)定方法進(jìn)行活性有機(jī)碳的測(cè)定，具體方法為：秤取過(guò)0.25 mm篩的風(fēng)干土樣1.5 g于100 mL離心管中，加入333 mmol/L KMnO425 mL，在溫度25 ℃條件下振蕩1h，離心5 min(轉(zhuǎn)速2 000 r/min)，取上清液用去離子水按1∶250稀釋?zhuān)缓髮⑾♂屢涸?65 nm比色，重復(fù)3次.根據(jù)KMnO4濃度的變化求出樣品的活性有機(jī)碳(氧化過(guò)程中1 mmol/L MnO4-消耗0.75 mmol/L或9 mg碳).

土壤有機(jī)碳采用K2Cr2O4容量法[19]測(cè)定，具體步驟為準(zhǔn)確稱(chēng)取土樣0.1～0.5 g (視有機(jī)碳含量而定)放入干燥的100 mL消煮管中，加K2Cr2O7-H2SO4溶液10 mL(在加入2 mL時(shí)搖動(dòng)試管使土壤分散).倘若有機(jī)碳含量超過(guò)10%，應(yīng)加15～20 mL K2Cr2O7-H2SO4溶液.將消煮管放入遠(yuǎn)紅外爐中加熱至170 ℃，回流30 min取出.冷卻后將內(nèi)容物用水洗入100～l50 mL三角瓶中，使體積達(dá)60～80 mL左右，加入鄰啡噦啉指示劑3～5滴用0.2 mol/L(NH4)2SO4·FeSO4·6H2O標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定.在測(cè)定樣品時(shí)，同時(shí)做空白標(biāo)定試驗(yàn).結(jié)果計(jì)算參見(jiàn)常規(guī)分析方法.

土壤全氮采用流動(dòng)注射分析儀測(cè)定.

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Excel 2007和Origin 8.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算處理及差異顯著性檢驗(yàn)和相關(guān)性分析.數(shù)據(jù)保留2位有效數(shù)字.

2 結(jié)果與討論

2.1 不同土地利用方式下活性有機(jī)碳的變化

土壤活性有機(jī)碳在土壤剖面上的分布受到土地利用方式的影響.土地利用方式的變化一方面導(dǎo)致進(jìn)入土壤中肥料和植物殘?bào)w的數(shù)量和性質(zhì)發(fā)生改變，另一方面引起土壤水分管理、耕作方式等管理措施的差異，由此影響和改變了土壤中各種物質(zhì)的含量[1].

本研究的結(jié)果表明，不同土地利用方式下活性有機(jī)碳含量有很大的差異，特別在表層，但隨著土壤深度的增加，其差異在逐漸減少(圖2).由圖2可以看出，不同土地利用方式間表層土壤活性有機(jī)碳含量差異較大，表現(xiàn)為苗圃的活性有機(jī)碳含量最低，僅為2.56 g/kg，是最高值苗圃改的36.63%.同時(shí)，表層土壤活性有機(jī)碳在不同土地利用方式下的差異排序分別表現(xiàn)為苗圃<松林<荒山<桔園<苗圃改.總的來(lái)說(shuō)，苗圃改、荒山和桔園的活性有機(jī)碳含量均高于其他類(lèi)型.基于這一規(guī)律，研究認(rèn)為苗圃地類(lèi)土壤活性有機(jī)碳含量遠(yuǎn)低于其他地類(lèi)的原因在于苗圃的土壤由于植被的經(jīng)常性移植，使得土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)受到破壞，在土壤侵蝕(水力侵蝕)的作用下，使得土壤有機(jī)碳大量流失，也加快了土壤有機(jī)碳的分解，因此活性有機(jī)碳含量偏低.桔園受人為施肥的影響，其土壤活性有機(jī)碳含量偏高；荒山和苗圃改2種地類(lèi)由于有草本植被以及枯枝落葉的覆蓋，侵蝕強(qiáng)度相對(duì)較弱，有機(jī)碳含量相對(duì)較高.松林的森林覆蓋率達(dá)到了90%，但有機(jī)碳含量卻偏低于桔園、荒山和苗圃改3種地類(lèi)，有研究認(rèn)為松林的凋落物腐爛后，使得土壤呈現(xiàn)酸性特征，不利于草本和灌木植物的生長(zhǎng)，林下植被稀少，土壤侵蝕速率相對(duì)較大，這使得松林有機(jī)碳含量偏低[20].

同時(shí)，從圖2中也可以看出，隨著土壤深度的增加，不同土地利用類(lèi)型之間活性有機(jī)碳的差異逐漸減小.在0～5 cm土層，各地類(lèi)之間的活性有機(jī)碳含量差異比較顯著，特別是苗圃和其他4種地類(lèi)之間，但到15～20 cm土層，各地類(lèi)的活性有機(jī)碳含量差異已經(jīng)顯著減少，分別為1.26 g/kg，1.50 g/kg，1.38 g/kg，1.76 g/kg和1.22 g/kg.統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，5個(gè)地類(lèi)之間沒(méi)有顯著性差異，但是苗圃<松林<荒山<桔園<苗圃改的趨勢(shì)仍然保持不變.以上研究結(jié)果表明，由于土壤活性有機(jī)碳表聚性的影響，土地利用方式對(duì)土壤活性有機(jī)碳的影響規(guī)律主要集中在表層，隨著土壤深度的增加，盡管各土地利用之間仍然有一定差別，但是其差異性已經(jīng)不顯著.這一研究結(jié)果與邱麗萍等[6]的研究結(jié)果基本一致.

土層深度/cm

2.2 土地利用方式對(duì)不同侵蝕部位土壤活性有機(jī)碳的影響

從普遍意義上來(lái)說(shuō)，坡面的上坡部位為侵蝕區(qū)，下坡部位是沉積區(qū)，土壤及其養(yǎng)分具有從侵蝕部位遷移到沉積區(qū)的趨勢(shì)，導(dǎo)致不同坡位間土壤碳存在顯著差異[21-22].但不同地類(lèi)間植被種類(lèi)的不同，一方面通過(guò)對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響而改變了土壤抗蝕性，另一方面植被與土壤活性碳之間的互動(dòng)使活性有機(jī)碳含量存在差異.這使得不同地類(lèi)不同侵蝕部位的活性有機(jī)碳含量差異明顯(圖3，圖4).在侵蝕部位，5種土地利用方式下表層土壤(0～5 cm)活性有機(jī)碳含量變化趨勢(shì)為：荒山>苗圃改>桔園>松林>苗圃.苗圃和松林地類(lèi)中活性有機(jī)碳明顯低于其他三種地類(lèi).由于在自然狀態(tài)下，松林枯枝落葉層較厚，草本植物難以生長(zhǎng)，且植被覆蓋度較低，土壤侵蝕較嚴(yán)重；而苗圃中的土壤受到長(zhǎng)期擾動(dòng)，導(dǎo)致土壤疏松，抗蝕性顯著降低，導(dǎo)致這兩個(gè)地類(lèi)中活性有機(jī)碳含量偏低.同時(shí)，土壤活性有機(jī)碳隨著土壤深度的加深而降低，且相對(duì)于表層，深層土壤(5～20 cm)中活性有機(jī)碳含量差異不顯著.

活性有機(jī)碳與有機(jī)碳含量的比例能夠反映土壤表層植被對(duì)土壤碳行為的后果[23]，也更能反映出土壤的質(zhì)量特征.表2中包含各樣地侵蝕部位活性有機(jī)碳與有機(jī)碳含量的比例，結(jié)果表明二者之間的比例在不同土地利用方式之間有一定的差異，表現(xiàn)為松林、桔園、荒山和苗圃改顯著高于苗圃，如前4種地類(lèi)下土壤表層的活性有機(jī)碳與有機(jī)碳含量的比例均在0.3以上，但苗圃的兩者比例僅為0.23.不同土壤深度對(duì)活性有機(jī)碳與有機(jī)碳含量的比例也有一定的影響，但不顯著，也無(wú)明顯規(guī)律可循，例如荒山，0～5 cm層和5～10 cm層，10～15 cm層，15～20 cm層活性有機(jī)碳占有機(jī)碳的比例分別為：38%，34%，30%和30%，表現(xiàn)為差異不顯著.

土層深度/cm

土層深度/cm

在沉積部位，不同地類(lèi)之間活性有機(jī)碳的分布體現(xiàn)出與侵蝕部位類(lèi)似的規(guī)律，即不同地類(lèi)之間表層土壤活性有機(jī)碳含量表現(xiàn)為松林、桔園、荒山和苗圃改顯著高于苗圃地的2.49 g/kg(圖4)，其中以桔園的活性有機(jī)碳含量最高，達(dá)到6.75 g/kg，是苗圃的271%；同樣，在垂向規(guī)律上也表現(xiàn)為隨著土壤深度的增加，土壤活性有機(jī)碳含量逐漸減低，不同地類(lèi)間的差異逐漸縮小，到15～20 cm土層，5個(gè)地類(lèi)間的活性有機(jī)碳含量變化在1.81～1.21 g/kg之間，差異已經(jīng)很小，且在各土層中苗圃的土壤活性有機(jī)碳含量始終最低，這表明人類(lèi)活動(dòng)(樹(shù)苗定期移植)帶來(lái)的人為侵蝕是影響土壤活性有機(jī)碳的關(guān)鍵所在.

沉積部位和侵蝕部位是由不同地貌部位經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期侵蝕和堆積而形成，因此，理論上來(lái)說(shuō)侵蝕部位的活性有機(jī)碳含量要低于沉積部位.分析結(jié)果表明(圖4)，松林和桔園沉積部位的表層(0～5 cm)土壤活性有機(jī)碳含量普遍高于侵蝕部位，這主要是由于土壤受到雨水的沖刷使土壤粘粒在沉積部位富集，因此土壤沉積部位的粘粒含量高于侵蝕部位，也影響了活性有機(jī)碳的含量.其中，松林0～5 cm土層中，沉積部位的活性有機(jī)碳含量是松林侵蝕部位的2.12倍，差異顯著.但是，對(duì)于荒山、苗圃改和苗圃來(lái)說(shuō)則表現(xiàn)為侵蝕部位表層活性有機(jī)碳含量高于沉積部位，其中荒山可能是由于地表草本的高覆蓋度使得隨徑流和泥沙流失的活性有機(jī)碳含量很少，從而導(dǎo)致出現(xiàn)沉積部位的活性有機(jī)碳含量略低于侵蝕部位的現(xiàn)象.而對(duì)于苗圃改和苗圃來(lái)說(shuō)，該現(xiàn)象更加顯著，其原因可能還是與沉積部位經(jīng)常性苗木移植帶來(lái)的人為擾動(dòng)有很大關(guān)系.這也進(jìn)一步表明人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度對(duì)活性有機(jī)碳含量的影響比較顯著.

由表2可知，沉積部位活性有機(jī)碳與有機(jī)碳的比例變化規(guī)律與侵蝕部位類(lèi)似，即不同地類(lèi)間表現(xiàn)為苗圃最低，0～20 cm土層的平均值為0.18，其他四種地類(lèi)均在0.23以上，其中荒山的均值最高，達(dá)到了0.35，這也與荒山的高覆蓋度草本有密切關(guān)系.該比例的分布關(guān)系在土層間和侵蝕部位有一定差異，主要表現(xiàn)為隨著土層深度的增加，活性有機(jī)碳與有機(jī)碳的比值有逐步降低的趨勢(shì)，如松林侵蝕部位的表層(0～5 cm)為0.35，底層(15～20 cm)則降低到0.24.這可能是因?yàn)槌练e部位泥沙的逐層沉積，使得上部活性有機(jī)碳組分在有機(jī)碳中的比例更高.表層土壤活性有機(jī)碳與有機(jī)碳的比例在不同地類(lèi)的沉積部位和侵蝕部位間基本一致，沒(méi)有顯著差異(表2)，如松林侵蝕部位和沉積部位的比值一致，均為0.35.

表2 侵蝕區(qū)和沉積區(qū)土壤活性有機(jī)碳與有機(jī)碳含量比例

2.3 相關(guān)性分析

為進(jìn)一步探討活性有機(jī)碳與相關(guān)因素之間的關(guān)系，本研究對(duì)活性有機(jī)碳與總有機(jī)碳、全氮的關(guān)系進(jìn)行了相關(guān)分析.結(jié)果表明，活性有機(jī)碳與有機(jī)碳顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.890**(表3)，這表明，活性有機(jī)碳既區(qū)別于有機(jī)碳又與有機(jī)碳緊密相連，它們是土壤有機(jī)碳的一部分.

表3 活性有機(jī)碳、有機(jī)碳及全氮之間相關(guān)系數(shù)

同時(shí)，相關(guān)分析也發(fā)現(xiàn)全氮與活性有機(jī)碳及有機(jī)碳之間也具有顯著的相關(guān)性，其中有機(jī)碳與全氮的相關(guān)性最高(r=0.913，P<0.01)，活性有機(jī)碳次之(r=0.848，P<0.01)，這進(jìn)一步表明土壤活性有機(jī)碳、土壤有機(jī)碳與土壤氮之間具有良好的一致性.而土壤有機(jī)碳和土壤氮作為植物的主要養(yǎng)分，與地表植被又存在緊密聯(lián)系[24].因此，不同土地利用方式下的植被生長(zhǎng)與土壤活性有機(jī)碳存在直接或間接的聯(lián)系.特別是在侵蝕作用下，植被通過(guò)根系活動(dòng)以及返回耕層的枯枝落葉極大地影響了土壤活性有機(jī)碳的分布.這也再次表明土地利用方式對(duì)表層土壤活性有機(jī)碳存在較大影響.

3 結(jié) 語(yǔ)

采用室外采樣與室內(nèi)分析相結(jié)合的方法對(duì)侵蝕背景下湘中紅壤丘陵區(qū)土地利用方式與土壤活性有機(jī)碳的關(guān)系進(jìn)行研究與分析，結(jié)果表明：

1)土地利用方式影響土壤活性有機(jī)碳主要體現(xiàn)在表層土壤.不同土地利用方式下表層土壤活性有機(jī)碳含量差異顯著，而在表層以下的土壤中沒(méi)有顯著性差異.

2)不同土地利用方式之間活性有機(jī)碳的垂向分布規(guī)律基本一致，表現(xiàn)為表層含量最高，但是隨著土層深度的增加，活性有機(jī)碳含量逐漸減小.

3)土地利用方式對(duì)不同侵蝕部位活性有機(jī)碳影響較大.不同土地利用方式下侵蝕部位土壤活性有機(jī)碳含量差異性明顯高于沉積部位.

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