紫色土丘陵坡地土壤水溶性有機碳對植被恢復的響應及其與土壤因子的關系

楊滿元， 楊 寧， 歐陽美娟， 萬 麗， 劉 浩， 姜 琳， 吳 磊

(湖南環境生物職業技術學院園林學院， 湖南 衡陽 421005)

土壤有機碳(Soil organic carbon,SOC)是土壤質量評價重要指標[1-2]，但利用SOC來評價植被恢復對土壤碳動態影響是非常困難的[3-4]。因此，需要敏感性評價指標研究土壤有機碳動態。土壤水溶性有機碳(Dissolved organic carbon,DOC)屬土壤活性有機碳的一部分，是SOC中受植物、微生物影響強烈，有一定溶解性，在土壤中移動比較快、不穩定、易氧化、易分解、易礦化，其形態、空間位置對植物、微生物來說活性較高的那部分土壤碳素，在陸地生態碳物質循環中起重要作用[5-6]，其通量比全球植物和大氣間碳交換量小1～2個數量級，生物圈碳平衡很小的變化，會導致DOC巨大變化，DOC濃度和通量是土壤環境變化的敏感指標，可用來反映環境條件變化。然而，植被恢復對它的影響研究卻非常少，近年來，特定波長紫外光吸收值和紫外光吸收值/可見光吸收值常用來反映DOC組成、團聚化程度和分子量的大小[7-8]。280 nm波長紫外吸收值(E280)與E465/E665、E250/E365(下標465，665，250，365等均為紫外線波長)和單位濃度紫外光密度值(E/SOC)可用來指示天然有機物的來源和結構[9-10]。

湖南省衡陽紫色土丘陵坡地面積1.625×105hm2，是中國南方獨有土地類型，這類土地以其土壤特別的色澤成為中國特有的土地資源。紫色土丘陵坡地生態問題和本身生產性問題特別突出，紫色土丘陵坡地生態環境脆弱，氣候干旱，水土流失嚴重；紫色土耐旱性差，土壤養分含量不協調，紫色土本身不耐侵蝕。在植被遭到破壞后，紫色土丘陵坡地表土很快流失，土地大量荒蕪，恢復林草植被十分困難，農林牧生產受到很大制約[1]。近年來通過“坡地還林還草”、“坡地整治”、“生態扶貧”等以植被恢復為主的宏觀生態工程的實施，紫色土丘陵坡地治理及退化生態系統恢復重建已初見成效。為了改善該區域的生態環境，許多學者對該區域土壤理化性質、土壤種子庫以及植被恢復模式等方面開展了大量研究，并已取得了一定的研究成果[11-13]，但植被恢復對該區域紫色土丘陵坡地DOC的影響尚未闡明。本研究采用“空間序列代替時間序列”方法[14-16]，測定衡陽市紫色土丘陵坡地不同恢復階段的DOC含量，E280值，E250/E365和E240/SOC比率，研究植被恢復對DOC影響，揭示恢復過程DOC變化規律，為運用生態學原理指導該區域生態恢復建設提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于湖南省中南部，處于湘江中游，地理坐標為110°32′16″～113°16′32″ E，26°07′05″～27°28′24″ N，地貌類型以丘崗為主，紫色土呈網狀集中分布于該區域中部海拔60～200 m的地帶。區域屬亞熱帶季風濕潤氣候，年均氣溫18℃，極端最高氣溫40.5℃，極端最低氣溫—7.9℃，年均降雨量1 325 mm，年均蒸發量1 426.5 mm。平均相對濕度80%，全年無霜期286 d左右。

1.2 研究方法

2017年8月下旬，選擇坡度、坡向、坡位和裸巖率等生態因子基本一致的坡中下部沿等高線有代表性的、按照植被恢復從低到高的順序的樣地分別為：草本(Grassplot,GT)(狗尾草Setariaviridi)階段，灌草(Frutex and grassplot,FG)(紫薇Lagerstroemiaindica-狗尾草)階段；灌叢(Frutex,FX)(牡荊Vitexnegundovar.cannabifolia+剌槐Robiniapseudoacacia)階段；喬灌(Arbor and frutex,AF)(楓香Liquidamdarformosana+苦楝Meliaazedarach-牡荊)階段，且每個樣地的面積大于1 hm2，群落演替的初始條件均為撂荒地(表1)。

表1 樣地概況Table 1 The basic condition of sampling sites

在每個大于1 hm2的樣地內設置3塊400 m2(20 m×20 m)樣方，在每個樣方內按S型采取15個土樣(0～40 cm)混合為一個混合樣，去掉土壤中可見植物根系和殘體，過3 mm篩，測土壤容重(Soil bulk density,BD)后，再分成2份，1份新鮮土壤自然風干供SOC、全氮(Total N,TN)、堿解氮(Available N,AN)、全磷(Total P,TP)、速效磷(Available P,AP)、速效鉀(Available K,AK)、pH值等土壤因子的測定，其測定方法參照文獻[17-19]；另1份新鮮土壤放入冰箱4 ℃保存，并在1周內完成DOC、土壤微生物生物量碳(Soil microbial biomass carbon,SMBC)測定。

DOC測定：稱取20 g(干重)土樣放入三角瓶中，加入60 mL蒸餾水，常溫下震蕩30 min，用轉速3000 r·min-1離心機離心10 min，上清液過0.45m濾膜，用島津TOC-VCPH儀測定浸提液碳濃度，得DOC[4]。為避免濃度差異對特定波長吸光值影響，先將所有樣品DOC濃度稀釋到10 mg·L-1[20]，再用用島津UV-2550測定240，250，280，365 nm處吸收值，并計算E250/E365和E240/SOC比率。

SMBC采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法測定[21]，熏蒸和未熏蒸的樣品分別用0.5 mol·L-1的K2SO4浸提30 min，用島津TOC-VCPH儀測定浸提液碳濃度，SMBC用熏蒸和未熏蒸樣品浸提液測定SOC差值(Ec)獲得，即SMBC=Ec/0.38。

土壤輕組有機碳(Light fraction of organic carbon,LFOC)用密度分組法得到：取100 g干土，放入密度為1.70 g·cm-3的NaI溶液，用手搖動震蕩5 min，室溫下放置1 h[22]，虹吸法取上清液，過濾，重復3次，用0.01 mol·L-1的CaCl2溶液100 mL洗滌，再用200 mL蒸餾水洗，得LFOC。剩余土繼續加入NaI溶液，用超聲波400 J·mL-1震蕩3 min，在轉速3 000 r·min-1離心機上離心10 min，虹吸法取上清液，過濾，重復3次，用0.01 mol·L-1的CaCl2溶液100 mL洗滌，再用200 mL蒸餾水反復沖洗，溶液中剩余部分為重組有機碳(Heavy fraction of organic carbon,HFOC)。

1.3 數據處理

采用SPSS13.0軟件進行數據處理與統計分析。采用單因素方差分析法(one-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)比較不同數據間的差異，用Pearson相關系數分析不同因子間的相關系數。所有數據均為3次重復的平均值。

2 結果與分析

2.1 不同恢復階段土壤因子的變化

由表2可知，隨著植被恢復進行，BD、HFOC顯著降低(P<0.05)；SOC、TN、SMBC顯著增加(P<0.05)；TP含量大小順序為草本階段>灌草階段(=喬灌階段)>灌叢階段(P<0.05)；灌叢與喬灌階段的AN含量顯著高于草本與灌草階段含量(P<0.05)；AP的含量大小順序為喬灌階段>灌叢階段>草本階段>灌草階段(P<0.05)。

由于受SOC、TN和AN增加的影響，pH值隨恢復而逐漸減小(P>0.05)；紫色土含豐富的正長石等礦物，風化后保留了相當數量的K，因此紫色土中K含量相對較高，AK變化范圍在257.12～268.31 mg·kg-1，差異不大。

表2 不同恢復階段0～40 cm的土壤因子Table 2 Soil factors in 0～40 cm soil depth at different re-vegetation stages

注:同行不同字母表示不同恢復階段間差異顯著(P<0.05)

Note:Different letters in the same row indicate significant difference among different re-vegetation stages at the 0.05 level

2.2 不同恢復階段DOC含量與特定波長吸收值變化

由表3可見，隨著恢復的進行，DOC含量與E250/E365比率均顯著增加(P<0.05)，草本、灌草和灌叢階段DOC含量、E250/E365比率分別為喬灌階段DOC含量、E250/E365比率的27.04%，36.84%，53.26%和38.83%，59.50%，68.27%；4個恢復階段E280值與E240/SOC比率的變化規律與DOC含量、E250/E365比率的變化規律基本相反，4個恢復階段的大小順序為草本階段>灌草階段>灌叢階段>喬灌階段(P<0.05)，草本階段階段的E280值與E240/SOC比率分別為灌草、灌叢和喬灌階段的1.41，1.46，2.05倍和1.20，1.50，2.00倍。

表3 不同恢復階段土壤水溶性有機碳含量和E280,E250/E365和E240/SOC的值Table 3 The concentrations of DOC,E280value,ratios of E250/E365 and E240/SOC at different re-vegetation stages

注:同列不同字母表示不同恢復階段間差異顯著(P<0.05)

Note:Different letters in the same column indicate significant difference among different re-vegetation stages at the 0.05 level

2.3 DOC與土壤因子的相關性分析

研究表明(表4)，除TP、AK與pH值外，DOC、BD、SOC、TN、AN、AP、SMBC、LFOC、HFOC間關系密切。其中DOC、SOC、TN、AN、AP、SMBC、LFOC間正相關，相關系數r處于0.480*～0.932**之間(*P<0.05或**P<0.01)；BD、HFOC分別與DOC、SOC、TN、AN、AP、SMBC、LFOC負相關，r分別處于—0.888**～—0.489*與—0.812**～0.668**之間(*P<0.05或**P<0.01)。

表4 不同土壤因子的相關性分析Table 4 Correlation analysis among different soil factors

注:**表示P<0.01,*表示P<0.05

Note:**indicates significant difference at the 0.01 level,*indicates significant difference at the 0.05 level

3 討論

衡陽紫色土丘陵坡地在恢復過程中，植物生長增加植被覆蓋度，減少徑流、泥沙和養分流失，而植物根系分泌物和凋落物增加了SOC輸入，從而導致DOC顯著增加(表3，表4)[23]；研究表明[7]，DOC團化程度或分子量與E280值、E240/SOC比率正相關，與E250/E365比率負相關，DOC團化程度或分子量越大，說明它含有越多的芳香族化合物，結構越復雜，DOC可利用性越低，因此，隨植被恢復進行，DOC可利用性呈增加趨勢。

DOC與BD負相關(P<0.01)(表4)，BD越大，土壤生物學性質越低，其固持的土壤有機質周轉時間越長，不容易被利用[24]，與Christensen[25]研究結果基本一致；DOC與TN、AN、AP正相關(P<0.05或P<0.01)(表4)，與馬昕昕等[26]研究結果基本一致；DOC與其它土壤因子相關性存在的基礎是各指標含量具有一定變化幅度，各恢復階段土壤pH值與AK變化幅度分別為0.97與11.19 mg·kg-1，差異不大(表2)，所以DOC與土壤pH值、AK的相關性不明顯(表4)；DOC與生物有效性較低的TP不相關(表4)，而與生物有效性較高的土壤因子有關，說明DOC大小可反映土壤中潛在活性養分含量、周轉速率以及土壤養分循環和供應狀況，因此，DOC與土壤肥力關系密切，可作為評價土壤肥力性狀的生物學指標。

DOC與SOC相關系數r為0.813**(P<0.01)，與LFOC更強，r高達0.912**(P<0.01)，與HFOC明顯負相關，r為—0.765**(P<0.01)(表4)，DOC實質是天然有機碳中分子量較小且親水性較強的組分，因此，DOC差異取決于SOC特別是腐殖質含量的高低，而LFOC是介于植物殘體和腐殖質之間的有機質，代表了快速周轉碳庫，是DOC主要儲存庫，HFOC是土壤的隋性碳庫，因此，DOC主要由土壤中現存的有機質數量和質量決定[20，27]；DOC與SMBC的r高達0.932**(P<0.01)(表4)，所以認為土壤微生物的代謝產物對DOC有很大貢獻[28-29]。本研究表明，DOC、LFOC、SMBC等均與SOC正相關(P<0.01)(表4)，說明決定生物活性有機碳庫大小的因素可能是SOC含量。

4 結論

隨植被恢復進行，DOC數量顯著增加，質量明顯提高。植被恢復可通過根系分泌物和殘體向土壤提供碳源，影響土壤物質循環，增加土壤養分含量，改善土壤性質，進而影響DOC變化動態；DOC與SOC、TN、AN、AP、SMBC、LFOC正相關(P<0.01或P<0.01)，與BD、HFOC負相關(P<0.01)，與TP、AK、pH值相關性不明顯；DOC含量大小可反映土壤中潛在的活性養分含量、周轉速率以及土壤養分循環和供應狀況，DOC與土壤肥力關系密切，可作為評價土壤肥力性狀的生物學指標。