巖溶區(qū)與非巖溶區(qū)土壤有機(jī)碳、養(yǎng)分及特征元素對比

方 芳，靳振江，李 強(qiáng)，孫德偉，蒙芳艷，湯華峰，黃炳富，李 敏，張 煜，張 歆，馮行積

（1.桂林理工大學(xué)a.環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院；b.廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點實驗室；c.巖溶區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心；d.廣西礦冶與環(huán)境科學(xué)實驗中心，廣西　　桂林 541004；2.中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所/國土資源部、廣西巖溶動力學(xué)重點實驗室，廣西　　桂林 541004）

巖溶區(qū)與非巖溶區(qū)土壤有機(jī)碳、養(yǎng)分及特征元素對比

方 芳1a，靳振江1，2，李 強(qiáng)2，孫德偉2，蒙芳艷2，湯華峰1a，黃炳富1a，李 敏1a，張 煜1a，張 歆1a，馮行積1a

（1.桂林理工大學(xué)a.環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院；b.廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點實驗室；c.巖溶區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心；d.廣西礦冶與環(huán)境科學(xué)實驗中心，廣西桂林 541004；2.中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所/國土資源部、廣西巖溶動力學(xué)重點實驗室，廣西桂林 541004）

研究巖溶區(qū)與非巖溶區(qū)土壤有機(jī)碳及其與養(yǎng)分之間的關(guān)系異同，有利于揭示巖溶區(qū)土壤有機(jī)碳的積累機(jī)制。以廣西桂林毛村巖溶試驗場為采樣點，采集巖溶區(qū)、混合區(qū)和非巖溶區(qū)典型水稻田、柑橘園和玉米地的表層土壤，采用常規(guī)方法測定土壤有機(jī)碳、養(yǎng)分和特征元素含量并分析它們之間的相關(guān)性。結(jié)果顯示，3種土地利用方式下，巖溶區(qū)土壤有機(jī)碳、全氮、pH和交換性 Ca2+均顯著高于非巖溶區(qū)。巖溶區(qū)水稻田中土壤溶解性有機(jī)碳和堿解氮含量顯著低于非巖溶區(qū)，而土壤陽離子交換量和交換性Mg2+卻顯著較高。但是，這4個指標(biāo)在柑橘園和玉米地中無顯著差異。統(tǒng)計結(jié)果顯示，3種土地利用方式下，土壤全氮含量與土壤有機(jī)碳含量呈極其顯著正相關(guān)（p＜0.01）；就水稻田土壤而言，土壤有機(jī)碳與陽離子交換量和交換性Ca2+分別呈極其顯著正相關(guān)（p＜0.01）和顯著正相關(guān)（p＜0.05）。以上研究結(jié)果表明：較高pH、全氮和交換性Ca2+含量是維持巖溶區(qū)較高土壤有機(jī)碳含量的重要因素，而3種土地利用方式中水稻田土壤有機(jī)碳積累量最高。

土壤；有機(jī)碳；養(yǎng)分；土地利用方式；巖溶區(qū)；非巖溶區(qū)

0 引 言

巖溶動力系統(tǒng)是地球表層系統(tǒng)的重要組成部分［1-2］。在巖溶動力系統(tǒng)中，一方面，土壤有機(jī)碳是系統(tǒng)中碳流通的主要途徑，是系統(tǒng)運行的重要驅(qū)動力之一［3-4］；另一方面，促進(jìn)土壤有機(jī)碳的固定和積累能夠減少溫室氣體排放［5-6］。因此，研究巖溶區(qū)土壤有機(jī)碳的積累對促進(jìn)巖溶動力系統(tǒng)的運行及減緩氣候變化具有雙重意義［7］。

土地利用方式是影響土壤有機(jī)碳動態(tài)平衡最主要的人為因素［8］。隨著土地利用方式的改變，土壤有機(jī)碳、養(yǎng)分及土壤結(jié)構(gòu)和pH等理化因素以及它們之間的關(guān)系均發(fā)生相應(yīng)的變化［9-10］。

在對亞熱帶典型巖溶峰叢洼地不同土地利用方式的研究中發(fā)現(xiàn)，土地利用變化后（由灌草地和次生林地轉(zhuǎn)變?yōu)楣麍@、牧草地和旱地）土壤有機(jī)碳、全氮和堿解氮含量都有所下降，但是土壤全磷、全鉀以及速效磷、速效鉀受土地利用方式影響較小，粗放的農(nóng)業(yè)耕作降低了土壤養(yǎng)分［11-12］。在亞熱帶巖溶生態(tài)系統(tǒng)中，隨著植被的正向演替（沿著耕地、草地、灌叢、次生林地、原生林地方向演替），土壤有機(jī)碳逐漸積累，土壤理化性質(zhì)得以改善，有利于微生物生長，提高了微生物的多樣性，增強(qiáng)了土壤微生物對有機(jī)碳的利用能力，多種因素的綜合作用下，使得亞熱帶喀斯特區(qū)的退化土壤生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)過程得以加快［13］。在喀斯特溶洞濕地系統(tǒng)的不同土地利用情形下，堿解氮、陽離子交換量、交換性鈣和交換性鎂與土壤有機(jī)碳之間均呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，而且旱地土壤的各項指標(biāo)與濕地和稻田的各項指標(biāo)具有顯著的差異，表明這些指標(biāo)在維持濕地系統(tǒng)較高的土壤有機(jī)碳含量中具有重要的作用［14］。趙仕花等以毛村巖溶試驗場為研究樣點，巖溶區(qū)和非巖溶區(qū)的對比研究表明，林地、灌草叢地和耕地土壤剖面表層中，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和有效氮的含量均高于下層土壤；在相同土地利用類型下，巖溶區(qū)土壤指標(biāo)均高于非巖溶區(qū)，且林地＞灌草叢地＞耕地［15］。周莉等［16］指出巖溶區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮含量表現(xiàn)為林地＞灌草叢地＞柚子園＞銀杏園，而在非巖溶區(qū)土壤各項指標(biāo)差異較大，沒有明顯的變化規(guī)律。單就果園（桃樹園、板栗園、銀杏園）而言，非巖溶區(qū)土壤溶解有機(jī)碳（DOC）與土壤有機(jī)碳、全氮含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系；而在巖溶區(qū)，除了以上3個指標(biāo)以外，DOC與堿解氮呈顯著正相關(guān)關(guān)系［17］。成兆文等［18］采集了桂林市5個公園（均為巖溶區(qū)）的表層土壤，研究了土壤pH、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀等肥力特性，結(jié)果表明：公園土壤總體上呈弱堿性，pH平均值為7.61；土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀平均含量分別為19.37 g·kg-1、83.96 mg·kg-1、34.96 mg·kg-1、117.29 mg·kg-1，經(jīng)改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)法評價，桂林市公園土壤綜合肥力指數(shù)在1.22～1.69，整體屬于中等水平。

綜上所述，巖溶區(qū)和非巖溶區(qū)之間，土壤有機(jī)碳及其與養(yǎng)分的關(guān)系明顯不同；而且，巖溶區(qū)土壤中鈣鎂含量較高［19］，在維持土壤有機(jī)碳積累過程中具有重要的作用［2］。但是，在巖溶區(qū)和非巖溶區(qū)之間，土壤有機(jī)碳及其與土壤養(yǎng)分及特征元素之間是否具有顯著的差異，目前并沒有明確的結(jié)論。

因此，本研究以毛村巖溶試驗場為研究樣區(qū)，選擇巖溶區(qū)、混合區(qū)和非巖溶區(qū)水稻田、柑橘園和玉米地3種人為干擾較為強(qiáng)烈的表層土壤為研究對象，分析土壤有機(jī)碳含量、養(yǎng)分含量和特征元素含量以及它們之間的相關(guān)性，研究人為干擾下巖溶區(qū)和非巖溶區(qū)土壤有機(jī)碳的積累規(guī)律，為明晰巖溶區(qū)土壤有機(jī)碳的積累機(jī)制提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

本研究的長期定位試驗點為廣西桂林市靈川縣潮田鄉(xiāng)的毛村巖溶試驗場，該區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)區(qū)，年均氣溫18.8℃、降雨量1 915.2 mm。該場區(qū)包括巖溶區(qū)、混合區(qū)和非巖溶區(qū)三大類區(qū)域。巖溶區(qū)土壤是母巖為石灰?guī)r和白云巖的黑色或棕色石灰土，石灰土上覆蓋植被主要由以青岡（Cyclobalanopsis glauca（Thunb.）Oerst.）為主的林地和以黃荊（Vitex negundo Linn.）、檵木（Loropetalum chinensis（R.Br.）Oliv.）為主的灌木林組成；非巖溶區(qū)土壤是母巖為砂頁巖的地帶性紅壤，植被是以栲樹為主的林地［19-20］。巖溶區(qū)和非巖溶區(qū)之間有一些過渡性的土壤，作為混合區(qū)。在該試驗場，水稻田、旱地和果園是3種受人為干擾較重的土地利用類型。

1.2采樣方法

2013年12月，在毛村巖溶試驗場的巖溶區(qū)、混合區(qū)及非巖溶區(qū)分別選取有代表性的水稻田、柑橘園和玉米地3種土地利用類型為樣地，在每塊樣地隨機(jī)選取2～4個采樣區(qū)，每個采樣區(qū)設(shè)置3個近1 m2的采樣點，分別采集0～20 cm的表層土，當(dāng)天帶回實驗室，去除植物根系和碎片等侵入體，研磨過2 mm篩，一部分置于4℃冰箱冷藏備用；另一部分自然風(fēng)干后混勻，再過0.15 mm篩備用。

1.3分析方法

測定方法參考《土壤農(nóng)化分析方法》［21］。土壤pH值用無CO2蒸餾水作為浸提劑，按照土水比1∶2.5的比例混勻后用pH計直接測定；土壤有機(jī)碳（SOC）采用濃硫酸-重鉻酸鉀氧化外加熱法，土壤全氮（TN）采用濃硫酸消煮-凱氏定氮法；土壤堿解氮（TN）采用堿解擴(kuò)散法；速效磷（AP）采用0.5 mol/L碳酸氫鈉提取-鉬銻抗顯色-分光光度法；速效鉀（AK）采用乙酸銨浸提-火焰光度法；陽離子交換量（CEC）采用乙酸銨浸提-凱氏蒸餾法；交換性Ca2+和交換性Mg2+采用乙酸銨交換-EDTA絡(luò)合滴定法。溶解性有機(jī)碳（DOC）先用0.5 mol/L的K2SO4溶液浸提，再用TOC-5000總有機(jī)碳儀直接測定［22-23］。以上各指標(biāo)（除pH）均重復(fù)測定3次，取算數(shù)平均值作為分析數(shù)據(jù)。

1.4數(shù)據(jù)處理和分析方法

用SPSS 17.0統(tǒng)計軟件對所測定的數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計分析、相關(guān)性分析和單因素方差分析（One-way ANOVA），并進(jìn)行LSD檢驗（lowest standard deviation test，p=0.05）。

2　結(jié)果與分析

2.1土壤有機(jī)碳和土壤養(yǎng)分含量特征

從表1可以看出，巖溶區(qū)水稻田中土壤有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于柑橘園和玉米地，且3種土地利用方式下，巖溶區(qū)土壤有機(jī)碳（SOC）和全氮（TN）的含量要顯著高于混合區(qū)和非巖溶區(qū)。在水稻田土壤中，非巖溶區(qū)土壤溶解性有機(jī)碳（DOC）和堿解氮（AN）的含量要顯著高于混合區(qū)和巖溶區(qū)，而在柑橘園和玉米地中，三者之間沒有顯著差異。3種土地利用方式下，土壤碳氮比（C/N）、有效磷（AP）和速效鉀（AK）含量在巖溶區(qū)、混合區(qū)和非巖溶區(qū)之間均沒有顯著差異。

表1　3種土地利用方式下巖溶區(qū)、混合區(qū)及非巖溶區(qū)土壤有機(jī)碳含量和養(yǎng)分含量Table 1 SOC and nutrients content in karst area，mixed zone and non-karst area under three land-use types

表2　3種土地利用方式下巖溶區(qū)、混合區(qū)及非巖溶區(qū)土壤特征元素含量Table 2 Content soil characteristics elements in karst area，mixed zone and non-karst area under three land-use types　cmol/kg

2.2 土壤pH、陽離子交換量、交換性鈣和鎂含量特征

從表2可以看出，3種土地利用方式下，土壤pH和交換性Ca2+均表現(xiàn)為巖溶區(qū)顯著高于混合區(qū)和非巖溶區(qū)；水稻田中，土壤陽離子交換量和交換性Mg2+在混合區(qū)和非巖溶區(qū)均沒有顯著差異，但顯著低于巖溶區(qū)；而在柑橘園和玉米地中，三者之間沒有顯著差異。

2.3土壤養(yǎng)分、特征元素及土壤有機(jī)碳含量之間的相關(guān)性

從表3可以看出，在水稻田中，土壤全氮與土壤有機(jī)碳呈極其顯著正相關(guān)（p＜0.01）；堿解氮與溶解性有機(jī)碳含量呈極其顯著正相關(guān)，而這兩個指標(biāo)均與pH呈極其顯著負(fù)相關(guān)；土壤陽離子交換量與土壤有機(jī)碳和全氮含量分別呈極其顯著正相關(guān)和顯著正相關(guān)；交換性Ca2+分別與土壤有機(jī)碳、全氮、pH及陽離子交換量呈顯著正相關(guān)；交換性Mg2+與pH和陽離子交換量呈顯著正相關(guān)，與交換性Ca2+呈極其顯著正相關(guān)。

從表4可以看出，在柑橘園中，土壤全氮與土壤有機(jī)碳呈極顯著正相關(guān)；堿解氮與溶解性有機(jī)碳含量呈顯著正相關(guān)；交換性Ca2+與土壤有機(jī)碳和pH呈顯著正相關(guān)；交換性Mg2+與陽離子交換量呈顯著正相關(guān)。

從表5可以看出，在玉米地中，土壤全氮與土壤有機(jī)碳呈極其顯著正相關(guān)，交換性Ca2+與土壤有機(jī)碳和全氮含量呈極其顯著正相關(guān)，與pH呈顯著正相關(guān)。

表3　水稻田中土壤養(yǎng)分與土壤有機(jī)碳含量之間的相關(guān)性Table 3 Correlation between soil nutrients and SOC content in paddy fields

表4　柑橘園中土壤養(yǎng)分與土壤有機(jī)碳含量之間的相關(guān)性Table 4 Correlation between soil nutrients and SOC content in citrus orchard

表5　玉米地中土壤養(yǎng)分與土壤有機(jī)碳含量之間的相關(guān)性Table 5 Correlation between soil nutrients and SOC content in maize fields

3　討 論

土壤有機(jī)碳主要包括植物、動物及微生物的分解產(chǎn)物和土壤腐殖質(zhì)［24-25］。而人為活動引起的土地利用方式的變化，能夠改變進(jìn)入土壤的植物殘體數(shù)量和種類，從而影響土壤有機(jī)碳的含量與轉(zhuǎn)化［26-27］。在本研究中，相同土地利用方式下，巖溶區(qū)土壤有機(jī)碳的含量均高于非巖溶區(qū)，且水稻田中的土壤有機(jī)碳含量顯著高于柑橘園和玉米地，一方面，由于巖溶區(qū)土壤微生物數(shù)量要顯著高于非巖溶區(qū)［20］，且?guī)r溶區(qū)植被保護(hù)較好，動植物的殘體較豐富［15］；另一方面，由于水稻田本身的殘荏還田作用及較高的土壤粘粒，對碳的保護(hù)能力較強(qiáng)，使得土壤有機(jī)碳含量較高［28］。在本研究中，相比柑橘園和玉米地土壤而言，水稻田土壤具有顯著的固定土壤有機(jī)碳能力，這與非巖溶區(qū)相關(guān)研究結(jié)果一致［5，29］。

3種土地利用方式下，巖溶區(qū)土壤全氮含量顯著高于非巖溶區(qū)，且土壤全氮與土壤有機(jī)碳含量均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。相關(guān)研究表明，氮素能夠促進(jìn)土壤有機(jī)碳的積累［14］，因此，適當(dāng)?shù)氖┯玫剩纳仆寥婪市В黾油寥烙袡C(jī)質(zhì)，對提高農(nóng)作物產(chǎn)量和土壤固碳具有重要意義。溶解性有機(jī)碳是土壤有機(jī)碳中不穩(wěn)定、易氧化分解的組成部分之一［30-31］，就水稻田土壤而言，非巖溶區(qū)土壤溶解性有機(jī)碳顯著高于巖溶區(qū)，且溶解性有機(jī)碳與pH呈極顯著負(fù)相關(guān)，這可能與吸附作用有關(guān)，俞元春等［32］認(rèn)為當(dāng)pH=5時土壤顆粒對DOC的吸附最強(qiáng)，當(dāng)pH=7時吸附則較弱。此外，由于巖溶區(qū)土壤受雨水淋濕影響較大，可溶解的有機(jī)物隨雨水流失較多，導(dǎo)致土壤中溶解性有機(jī)物質(zhì)減少［31］；而非巖溶區(qū)較高的溶解性有機(jī)碳和堿解氮含量有利于微生物的利用，加速了二者的礦化速率，從而導(dǎo)致了非巖溶區(qū)總有機(jī)碳和全氮含量的降低，且顯著低于巖溶區(qū)。另外，除了非巖溶區(qū)稻田中堿解氮含量高于巖溶區(qū)，3種土地利用方式下，巖溶區(qū)和非巖溶區(qū)土壤堿解氮、速效磷和速效鉀均沒有顯著差異，這可能是由于土壤速效養(yǎng)分主要受施肥配比和農(nóng)業(yè)管理措施等因素的影響［12，33］。

土壤pH值主要受成土母質(zhì)的影響，巖溶區(qū)土壤（石灰土）是由碳酸鹽巖石風(fēng)化形成的，偏堿是其顯著特征［19］。在本研究中，巖溶區(qū)土壤pH值顯著高于非巖溶區(qū)。3種土地利用方式下，交換性Ca2+均表現(xiàn)為巖溶區(qū)顯著高于非巖溶區(qū)；且交換性Ca2+與土壤有機(jī)碳呈顯著正相關(guān)，由于巖溶區(qū)土壤表現(xiàn)為富鈣偏堿，土壤腐殖質(zhì)與大量的鈣結(jié)合，生成不易被微生物分解的腐殖酸鈣，從而增加了土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性，促進(jìn)土壤有機(jī)碳的積累［34-35］。土壤陽離子交換量是土壤膠體能吸附的各種陽離子的總量［36］，在本研究中陽離子交換量與交換性Mg2+在水稻田中均表現(xiàn)為巖溶區(qū)顯著高于非巖溶區(qū)，且交換性Mg2+和交換性Ca2+均與陽離子交換量呈顯著正相關(guān)，而陽離子交換量與土壤有機(jī)碳呈極其顯著正相關(guān)，因而較高的pH值、陽離子交換量和交換性鈣鎂離子能夠促進(jìn)巖溶區(qū)土壤有機(jī)碳的積累。

4　結(jié) 論

在水稻田、柑橘園和玉米地3種土地利用方式中，與柑橘園和玉米地相比，水稻田中土壤有機(jī)碳積累量最高，且各項指標(biāo)在巖溶區(qū)和非巖溶區(qū)之間差異性顯著。巖溶區(qū)土壤有機(jī)碳、全氮、pH、交換性Ca2+均顯著高于非巖溶區(qū)，且土壤全氮與土壤有機(jī)碳均呈極顯著正相關(guān)。水稻田中，陽離子交換量與土壤有機(jī)碳也呈極顯著正相關(guān)，交換性Ca2+與土壤有機(jī)碳呈顯著正相關(guān)。結(jié)果表明，較高pH、全氮和交換性Ca2+是維持巖溶區(qū)較高土壤有機(jī)碳含量的重要因素。

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Comparison of soil organic carbon nutrients and characteristic elements between karst and non-karst area

FANG Fang1a，JIN Zhen-jiang1，2，LI Qiang2，SUN De-wei2，MENG Fang-yan2，TANG Hua-feng1a，HUANG Bing-fu1a，LI Min1a，ZHANG Yu1a，ZHANG Xin1a，F(xiàn)ENG Xing-ji1a
（1.a.College of Environmental Science and Engineering；b.Guangxi Key Laboratory of Environmental Pollution Control Theory and Technology；c.Collaborative Innovation Center for Water Pollution Control and Water Safety in Karst Area；d.Guangxi Scientific Experiment Center of Mining，Metallurgy and Environment，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China；2.Key Laboratory of Karst Dynamics，MLR&Guangxi，Institute of Karst Geology，GAGS，Guilin 541004，China）

The study reveals the accumulation mechanism of soil organic carbon（SOC）in karst region through comparing SOC and its relationship with nutrients between karst area and non-karst area.Soil samples in paddy field，citrus orchard and maize fields were collected from karst area，mixed zone and non-karst area in Maocun karst experimental site in Guilin.Contents of SOC and nutrients were detected using conventional methods and their correlations were also analyzed.The results show that contents of SOC，TN，pH and exchangeable Ca2+in karst area were significant higher than that in non-karst area under three land-use types.There were significant lower contents of dissolved SOC and alkali-hydrolyzale nitrogen，but higher contents of cation exchange capacity（CEC）and exchangeable Mg2+in paddy fields in karst area than that in non-karst area.However，the above four indicators in citrus orchard and maize fields show no significant differences among the three areas.Statistics show that a significant positive correlation（p＜0.01）was found between SOC and TN under three land-use types.There was also a significant positive correlation among SOC and CEC（p＜0.01）and exchangeable Ca2+（p＜0.05）respectively in paddy fields.These results indicate that higher contents of pH，TN and Ca2+were important factors in maintaining higher SOC content，and the amount of SOC accumulation in paddy field was highest under three land-use types in karst area.

karst area；non-karst area；soil organic carbon；nutrient；land-use

X825；S158.3

A

1674-9057（2016）03-0550-07

10.3969/j.issn.1674-9057.2016.03.021

2015-01-24

國家自然科學(xué)基金項目（41361054；41003038）；廣西自然科學(xué)基金項目（2011GXNSFD018002；2011GXNSFA 018006；2014GXNSFCA118012）；廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計劃項目（桂科合14123001-13）；巖溶動力學(xué)重點實驗室基金項目 （KDL2010-02和KDL2011-10）；廣西高等學(xué)校立項科研項目（201204LX162；201106LX229）；桂林市科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計劃項目（20140122-1）；廣西高等學(xué)校高水平創(chuàng)新團(tuán)隊及卓越學(xué)者計劃項目（002401013001）；廣西危險廢物處置產(chǎn)業(yè)化人才小高地項目；大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目 （201410596026）

方 芳 （1990—），女，碩士研究生，環(huán)境工程專業(yè)，848094099@qq.com。

靳振江，博士，副教授，zhenjiangjinjin@163.com。

引文格式：方芳，靳振江，李強(qiáng)，等.巖溶區(qū)與非巖溶區(qū)土壤有機(jī)碳、養(yǎng)分及特征元素對比［J］.桂林理工大學(xué)學(xué)報，2016，36（3）：550-556.