植被混凝土邊坡修復基質易氧化有機碳組分季節動態

瞿紅云, 賈國梅,2, 向瀚宇, 岳云飛

(1.三峽大學 生物與制藥學院, 湖北 宜昌 443002;2.三峽大學 三峽地區生態保護與治理國際聯合研究中心, 湖北 宜昌 443002)

土壤易氧化有機碳組分反映有機碳的組成、狀態和變化，顯著影響土壤養分循環和土壤質量[1-2]。土壤有機碳按照有機碳的氧化活性劃分為4個組分：高氧化活性有機碳(F1)、中氧化活性有機碳(F2)、低氧化活性有機碳(F3)和難氧化有機碳(F4)[3]。F1和F2主要來自凋落物、根際生物量和根系分泌物，具有高的氧化活性，為有機碳活性組分[2,4-5]，容易被土壤微生物氧化和分解，為生態系統營養循環提供能量和物質以維持土壤質量穩定[1,6]。而F3和F4與有機物分解和腐殖化后的分子量和化學穩定性高的化合物相關，其通過微生物緩慢改變，周轉期較長，對土壤中有機碳的封存有重要作用，為有機碳惰性部分[3-4,6-7]。易氧化有機碳各組分對土壤有機碳貢獻不一，但普遍認為F1組分是土壤中最敏感部分，在養分循環過程中起著重要作用，能夠作為衡量土壤質量狀況的良好指標[8-10]。但是，以前的研究主要集中在農林生態系統并發現土壤易氧化有機碳組分受植被類型、土壤理化性質、氣候、土地利用方式以及人為干擾等多種因素影響[8,11-13]。

植被混凝土生態護坡技術通過構筑生境基材為植被提供生長條件，對基礎工程建設后形成的裸露邊坡進行生態修復[14]，取得了良好社會效益和生態效益[15-16]。基材營養狀況是保證坡面植物生長、演替，確保邊坡生態恢復效果的關鍵[17]。研究表明在2～12 a修復過程中雖然基材肥力呈先增加然后趨于穩定的變化趨勢[17-19]或者土壤肥力因子呈現增強的趨勢[18]，但是在部分邊坡出現植被退化的現象[20]。這可能說明基質儲存的營養物質無法被植物吸收利用，活性有機質組分較少，為此本文選取宜昌市修復時間分別為10 a和12 a的兩個樣地、不同季節的植被混凝土邊坡修復基材為研究對象，從易氧化有機碳組分角度分析邊坡修復一定年限后基材有機碳組成和狀態，探討土壤易氧化有機碳各組分的季節變化規律及其驅動因素，旨在揭示邊坡修復植被退化的原因提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于宜昌市內(東經110°15′—112°04′，北緯29°56′—31°34′)，屬于亞熱帶季風性濕潤氣候，該地區四季分明，季節平均氣溫(MMT)和季節平均降雨量(MMP)均表現為夏季高冬季低。選取的生態修復年限分別為10 a和12 a的兩個植被混凝土生態防護技術修復邊坡樣地植被混凝土修復基材的配方和制作方法相同，根據規范處理后，客土的性質基本一致。基材厚度為10 cm，原始pH為8.40，有機質為26.57 g/kg。本文所選樣地植被具備常見邊坡較為典型的演替過程(裸地→草地→草、灌)，邊坡修復后人為干擾較少。修復年限為12 a和10 a的樣地植被主要分別是低矮落葉灌木群落和低矮落葉灌木—草本群落，坡度(Slope)分別大致為64°和80°。

1.2 樣品采集

選取宜昌市生態修復年限分別為10 a和12 a的兩個植被混凝土生態防護技術修復邊坡樣地基材作為研究樣地，其質地相同(黃棕壤)和基材配制相同。取樣時間為2014年3月、7月、10月以及次年1月，每個樣地選取6個1 m×1 m樣方，按照五點取樣法分布，樣方之間間隔1～2 m。每個樣方按照按S型隨機取表層的土樣各5個，取樣時，用直徑4 cm的地質鉆垂直坡面取表層0—8 cm土壤的樣品混合為1個樣。混合樣去除枯枝落葉和石礫，置室內通風陰涼處自然風干，過0.25 mm篩，用于總有機碳及其氧化有機碳組分的測定。所有指標測定均在7 d內完成。

1.3 樣品分析

含水量(SWC)采用烘干法；全氮(TN)用凱氏定氮法測定；總有機碳(TOC)和易氧化有機碳(ROC)采用重鉻酸鉀氧化——稀釋熱法，易氧化有機碳(ROC)組分測定采用改進的Walkley-Black方法[3]，加入10 ml濃度為0.167 mol/L的重鉻酸鉀后，分別加入5，10，20 ml濃硫酸，酸度分別為6，9，12 mol/L，然后用標定好的1 mol/L硫酸亞鐵滴定，所測得的有機碳分別記為6，9，12 mol/L時的有機碳。12 mol/L時測得的有機碳就是易氧化有機碳(ROC)含量。其組分如下：F1是高氧化活性有機碳組分，為6 mol/L時測得的有機碳含量；F2是中氧化活性有機碳組分，為9 mol/L時測得的有機碳含量減去6 mol/L時測得有機碳含量；F3是低氧化活性有機碳組分，為12 mol/L時測得的有機碳含量減去9 mol/L時測得的有機碳含量；F4是難氧化有機碳組分為TOC減去12 mol/L時測得的有機碳含量。土壤有機碳穩定性指數按照下式計算：

穩定系數=(F3+F4)/(F1+F2)

1.4 數據處理

每個指標的平均數為兩個樣地的6個樣方內土壤，在室內再進行3次重復的平均值。組間分析采用Duncan單因素方差分析，試驗數據在SPSS 18.0軟件上處理分析；用Origin 8.0和Canoco 5.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 邊坡修復基質理化性質季節動態

從表1可知，兩個修復年限土壤含水量和pH在夏季最低，含水量在秋、冬季最高而pH在春季最高。TN含量在0.09～0.10 g/kg之間變化，春季顯著性低于秋、冬季。兩個修復年限土壤中TOC含量變化范圍為9.70～11.17 g/kg，低于原始基質含量，表現為秋>冬>夏>春，且4個季節之間沒有顯著性差異。基質C/N含量變化范圍為97.63～106.73，修復10 a樣地C/N含量無季節差異，修復12 a樣地C/N含量冬季高于秋季而低于春、夏季。

表1 基質理化性質和氣候因子

注：平均數(標準誤)后的小寫字母相同說明處理間無顯著性的差異，字母發生變化，說明處理間具有顯著的差異。

2.2 邊坡修復基質易氧化有機碳組分以及占有機碳百分數季節動態

從表2可以看出，ROC含量變化范圍為6.72～8.11 g/kg，春、秋、冬3個季節之間雖然無顯著性差異但是卻顯著性低于夏季。基質易氧化有機碳占總有機碳的比例的變化范圍為57.92%～76.29%，修復12 a的春、夏季之間沒有顯著性差異，但卻顯著高于秋季而低于冬季；修復10 a的春、夏季顯著高于秋、冬季。這說明季節變化可以影響易氧化有機碳含量。

表2 不同季節基質易氧化有機碳及其組分含量變化

注：平均數(標準誤)后的小寫字母相同說明處理間無顯著性的差異，字母發生變化，說明處理間具有顯著的差異。同一行的大寫字母相同說明4個組分間無顯著性差異，大寫字母不同說明4個組分間差異顯著。

易氧化有機碳組分呈現季節變化規律且兩個樣地變化規律相同。F1的變化范圍分別為2.24～4.33 g/kg，夏季最低而冬季最高；F2的變化范圍為1.53～3.93 g/kg，夏季最高而冬季最低；F3的變化范圍為1.30～2.03 g/kg，其含量夏季最低，其余季節之間無顯著性差異；F4的變化范圍為2.51～3.35 g/kg，秋、冬季顯著性高于春、夏季(表2)。(F1+F2)/TOC變化范圍為48.66%～63.9%，春季顯著性低于夏季，但高于秋、冬季；而(F3+F4)/TOC變化范圍為36.1%～51.48%，春季顯著性高于夏季，但低于秋、冬季。易氧化有機碳組分占有機碳總量的百分比的季節變化規律與相應組分的季節變化規律基本一致(圖1)。

不同季節的易氧化有機碳組分間差異顯著。春季和冬季的易氧化有機碳組分變化規律為F1>F4>F2>F3，F1>F4>F3>F2；夏季的F2最大而F3最小；秋季的F3最小，修復12 a的F4最大而10 a的F1最大(表2)。不同季節的易氧化有機碳組分占有機碳總量的百分比的組分間變化規律與相應組分的組分間變化規律基本一致。這說明不同季節的易氧化有機碳組分間存在差異(圖1)。

2.3 邊坡修復基質有機碳穩定系數季節動態

土壤有機碳的氧化穩定系數是用來衡量氧化穩定性的指標[12]。基質有機碳的穩定系數變化范圍為0.65～0.98，秋、冬季高，夏季低(圖2)。這說明春夏季節基質有機碳活性高，有機碳氧化快，碳礦化風險的潛力大，而秋冬季節土壤有機碳穩定性強，有機碳不易被分解。

2.4 基質易氧化有機碳組分與環境因子的冗余分析

本研究中，冗余分析發現所選環境因子對易氧化有機碳及其組分解釋超過82%，其中MMT和MMP共解釋了57.0%，其次是邊坡斜率(18.7%)和有機碳(10.7%)(圖3)，說明氣候是影響易氧化有機碳及其組分的主要因子。從圖中可以看出，F1與pH，SWC，TOC 和C/N呈正相關，而與MMT，MMP和Slope呈極顯著負相關；F2與SWC和pH呈負相關，與MMT和MMP呈極顯著正相關；F3與F4與SWC和Slope呈正相關，與MMT和MMP呈負相關。

注：平均數后的小寫字母相同說明處理間無顯著性的差異，字母發生變化，說明處理間具有顯著的差異。大寫字母相同說明4個組分間無顯著性差異，大寫字母不同說明4個組分間差異顯著。

圖1 不同季節基質易氧化有機碳組分占總有機碳百分數的季節變化

圖2 基質有機碳穩定系數的季節變化

圖3 基質易氧化有機碳組分與土壤環境因子間的冗余分析

3 討 論

3.1 邊坡修復基質易氧化有機碳組分季節動態

本研究中，易氧化有機碳組分含量及其占總有機碳百分數的變化規律基本一致。春、夏季的(F1+F2)/TOC高于秋、冬季，這表明基質有機碳在春、夏季，特別是夏季，容易被氧化，從而影響養分循環以改善基質質量[1,21]，這主要歸因于氣溫和降雨通過影響植被和微生物活性對基質有機碳季節動態產生影響[22-23]。隨著春、夏季氣溫以及降雨回升，植被以及微生物生命活動旺盛，養分需求高，對基質中營養物質轉化以及吸收加快，導致不穩定的有機碳含量增加[24]。本研究中，F1組分夏低冬高。F1組分是一種快速反應的不穩定有機物質，為土壤微生物提供能量和營養，并釋放部分營養物質，用于植物短期更新[12]春、夏季，F1組分被快速氧化分解[6]以及雨水淋失[25]等原因導致含量降低。秋、冬季微生物活性減弱但仍維持一定活性[24]，F1組分消耗減少且部分F2組分能被氧化成F1組分，因此，F1組分含量升高。F2組分從春季到夏季含量升高，可能是因為研究區春、夏季微生物活性高，將部分惰性有機碳氧化，以及基質根際生物量和根系分泌物增加[26]。F2組分含量秋冬季降低，這說明夏季貯存的F2組分在秋冬季被氧化損失又因氣候原因未得到及時補充。因此，本研究中雖然基質中F1組分夏低冬高，但由于F2組分含量的變化，有機碳活性部分仍然為夏季高。秋、冬季的(F3+F4)/TOC高于春、夏季，與有機碳穩定系數變化規律相符。其中F3組分含量在夏季最低，F4組分含量秋、冬季高于春、夏季。這可能是由于少量惰性有機碳在春夏季被氧化分解。秋冬季植物、微生物代謝減弱，以及大量凋落物輸入到基質中[24,27]，基質中腐殖質增加，使有機質氧化穩定性升高[3]。因此，植被混凝土邊坡修復基質中春、夏季有機碳的氧化活性高而不穩定，秋、冬季惰性有機碳含量高而利于碳儲存，而且易氧化有機碳組分內部存在一定的轉化關系[3,8]。

不同季節的易氧化有機碳組分間存在差異。本研究中，春、秋、冬季總體上是F1最大而F4次之；夏季為F2最高；除冬季F2最低外，其余三季的F3最小。這說明F1和F4組分分別對邊坡修復基質有機碳礦化和穩定的貢獻較大，F3組分的貢獻較小。雖然F1含量最高，但僅占TOC的26.98%～39.98%，尤其是夏季，這低于可可農林生態系統的含量(50%)而比貧瘠沙地土壤的含量高(<10%)[8,11]，說明邊邊坡植被能夠利用的高氧化活性有機碳含量低。Chan等[3]和Ding等[13]通過研究不同草地類型和長期施肥的黃土高原土壤得出(F3+F4)/TOC分別為35%和28%，但貧瘠的沙地土壤(F3+F4)/TOC高于84%[8]。而本研究得出F3和F4占TOC的36.1%～51.48%，說明邊坡修復基質有機碳穩定性相對較高。這些結果也從有機碳穩定系數得到證實，有機碳穩定系數在0.65～0.98之間變化高于可可農林生態系統的(0.3～0.5)，且本研究中基質碳氮比也較高，表明邊坡修復基質有機質具有較穩定的優勢[11]。Chan等[3]研究表明不穩定的組分含量較高主要歸因于殘留物的投入和細根的濃度，穩定有機碳的增加可能受益于覆蓋物的維持以及水分含量變化較小[6]。因此，邊坡修復基質有機質的高穩定性低活性特征可能是邊坡修復植被退化的原因。

3.2 邊坡修復基質易氧化有機碳組分季節動態驅動因素

基質易氧化有機碳組分含量的變化是一個復雜過程，受氣候、理化性質以及人為干擾等多種因素干擾。本研究中冗余分析發現，對易氧化有機碳及其組分影響最大的是氣候因子(降雨量和氣溫)，易氧化有機碳組分呈現季節變化規律并且F1，F3和F4組分與降雨量和氣溫呈反比，F2組分隨降雨量和氣溫增加而增加。這是由于有機碳含量季節動態與氣候變化密切相關，且氣候因子主要通過影響生物生命活動而影響基質有機碳[27-30]。邊坡坡度是影響易氧化有機碳及其組分的又一環境因子，因為坡度大，生物殘留物、養分等易損失基質[22]導致基質中養分含量下降，尤其是極易氧化的F1組分[9,31]，這也是12 a樣地有機碳含量低于10 a樣地的重要原因。同時，易氧化有機碳組分也受基質理化性質影響[1,8-10,12]。森林基質自然含水率的變化顯著影響森林SOC含量和基質ROC的轉化和積累[24]。本研究區比其他森林含水量低[24,27,32]。因此，含水量也是易氧化有機碳組分內部轉化的因素之一，基質含水量越高F2組分越低，其余組分含量越高。研究表明土壤酸堿度影響土壤有機質周轉[33]，本研究也證明pH與F1和F3呈顯著正相關關系，與F2呈顯著負相關關系，但是與孫彩麗等[8]研究結果不一致，這可能由于本研究樣地基質堿性低于沙地土壤。黃土高原的沙地土壤中易氧化有機碳組分與TOC、TN均呈正相關[8]，而長期施肥的土壤TN僅與F1和F2組分呈正相關[13]。但本研究中，TOC、TN與F1和F4組分呈正相關，基質C/N與F1呈正相關但與F3組分呈負相關，與前人研究不一致，這可能與基質肥力以及氣候的差異有關。另外，環境因子與F1和F2組分相關性高于F3和F4組分，這說明環境因子主要驅動有機碳活性部分的動態變化，主要是因為有機碳活性部分易礦化、周轉快[3]。

4 結 論

(1) 基質易氧化有機碳組分及其占有機碳的比例呈現季節變化規律，(F1+F2)/TOC、(F3+F4)/TOC和有機碳穩定系數的變化規律表明有機碳氧化穩定性秋、冬高，夏季最低。這意味著夏季基質碳被氧化分解的風險也最大，春季次之。

(2) 基質有機碳春秋冬季主要以高氧化活性有機碳組分F1為主，而F2組分在夏季含量最高，這說明F1組分對基質有機碳礦化的貢獻最大，在營養循環中起重要作用，可作為衡量基質質量狀況的良好指標，而F4組分對邊坡修復基質有機碳穩定的貢獻較大。

(3) 氣候是基質易氧化有機碳組分季節變化的主要驅動因素，其次是邊坡坡度和基質理化性質，另外這些環境因子主要驅動F1和F2組分的季節動態。