貴州典型巖溶區土地利用對土壤有機碳及微生物量碳的影響

楊秀才， 王小利*， 王雪雯， 張 涵， 陳 領， 張青偉， 陳 佳

(1.貴州大學 農學院， 貴州 貴陽 550025； 2.中國科學院 普定喀斯特生態系統觀測研究站/地球化學研究所， 貴州 貴陽 562100)

巖溶地貌是指水通過固、液、氣態對碳酸鹽巖進行結構侵蝕與化學溶蝕等地質作用而形成的一種特殊地貌[1]。以貴州為中心的西南巖溶區(包括滇、黔及桂喀斯特區)是全球最大、最為典型的石灰巖連片出露的巖溶生態區，總面積達5.4×105km2，發育有豐富的巖溶地貌類型[2]。土壤有機碳庫是陸地碳庫的主要組成部分，在陸地碳循環研究中有著重要作用[3]。土壤活性有機碳是指土壤有機質的活性部分，主要包括微生物量碳和可溶性有機碳等。土壤微生物量碳主要受土壤中微生物量(SMB)的影響，即土壤中除活的植物體外(如活的植物根系)體積在5×103～10×103μm3的活微生物總量[4]。土壤可溶性有機碳是指在一定時空條件下，受植物和微生物影響強烈、具有一定溶解性、在土壤中移動比較快、不穩定、易氧化、易分解且易礦化，其形態、空間位置對植物、微生物而言活性較高的那一部分土壤碳素，其對環境變化較為敏感。

在氣候、土壤等自然條件相對一致的農業生態景觀內土地利用方式的變化是影響土壤碳素含量的最重要因素[5]。因此，對不同土地利用方式下土壤有機碳的研究成為當前的一大熱點。大量研究表明，土地利用方式的改變對土壤中SOC、DCC和SMBC的轉化與分布可產生極大影響[6-9]；且隨著人類活動的深入，其影響作用越大。賀紅早等[10]研究表明：云臺山喀斯特森林土壤自然林地有機碳平均含量為69.08 g/kg，顯著高于次生林地、坡耕地和草地；坡耕地的有機碳平均含量最低，僅為30.19 g/kg。章曉芳等[11]研究表明，與旱地和林地相比，水田SOC、SMBC、POC和MAOC含量均最高；林地DOC含量顯著高于旱地和水田。黃先飛等[12]研究表明，在貴州普定后寨河小流域，不同土地利用方式0～20 cm土壤有機碳含量差異明顯，水田>灌木林地>喬灌木林地>喬木林地>棄耕地>荒地>旱地>灌草地>草地>園地>坡耕地>經果林地。滕秋梅等[13]研究表明，增加植被覆蓋，減少人為活動的干擾，能提高土壤有機碳含量，有利于維持桂北喀斯特山區土壤碳庫的穩定性。

目前，針對普定典型巖溶區不同土地利用方式與SOC、DOC和SMBC，SOC與DOC、SMBC關系的報道尚少。為此，以普定喀斯特生態系統觀測研究站內不同生態系統(水田、旱地、園地、林地、灌叢和草地)的典型樣地土樣(0～20 cm)的土壤為研究對象，采用LSD法多重比較分析不同土地利用方式SOC、SMBC、DOC的含量及其相互關系，以期為喀斯特巖溶區土地的合理開發利用提供參考依據。

1材料與方法

1.1研究區概況

中國科學院普定喀斯特生態系統國家野外科學觀測研究站位于貴州省普定縣境內，喀斯特發育強烈，屬于典型的喀斯特山區，碳酸鹽巖出露面積為863.7 km2，占全縣面積的79.2%；海拔1 042～1 846 m，主要為丘陵和山地地貌，屬北亞熱帶濕潤季風氣候，氣候溫和，年平均氣溫 15.1℃，年日照時數為1 164.9 h，區內雨量充沛，年平均降水量1 378 mm。巖石主要為三疊系灰巖及白云巖，土壤以石灰土和黃壤為主。研究的水田、旱地、園地、林地、灌叢及草地6種土地利用方式樣地位于中國科學院普定喀斯特生態系統觀測研究站陳旗觀測研究場和天龍山2 hm2大樣地監測研究區內。

1.2土壤樣品采集和處理

根據當地的種植方式、耕作管理和人為活動影響，在貴州普定喀斯特生態系統國家野外科學觀測研究站選取具有代表性的6種土地利用方式(水田、旱地、園地、林地、灌叢及草地)的典型樣地各5個，于2019年4月采用多點混合法各采集5個混合土樣(0～20 cm)。除了水田為水稻土外，其余土地利用方式的土壤均為石灰土。水田為旱澇輪作，采樣時水田干涸，長滿低矮毛茛(Ranunculusjaponicus)和棒頭草(Polypogonfugax)；旱地種植油菜(Brassicanapus)；園地種植葡萄(Vitisvinifera)；林地為受人類活動影響較小天然林，主要植物有化香樹(Platycaryastrobilacea)、車桑子(Dodonaeaviscosa)和齒葉冬青(Ilexcrenata)等喬木和少部分低矮的灌木；灌叢以火棘(Pyracanthafortuneana)、花椒(Zanthoxylumbungeanum)及插田泡(Rubuscoreanus)為主；草地以白茅(Imperatacylindrica)為主。同時，調查當地的種植習慣和施肥管理等，樣點信息見表1。土樣采回去除可見的動植物殘體及石粒等雜質后，取部分鮮樣，快速過2 mm篩，裝入無菌封口袋中4℃下保存，用于測定DOC和SMBC的含量；剩余混合土樣于室內自然風干，磨細、過篩保存備用。

表1 土壤樣點信息

1.3指標測定方法

土壤pH，采用pH計測定(水土比為2.5︰1)；土壤有機碳(SOC)采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定；土壤溶解性有機碳(DOC)采用0.5 mol/L K2SO4浸提法測定；土壤微生物量碳(SMBC)采用氯仿熏蒸-0.5mol/L K2SO4浸提法測定[14]，微生物量碳的換算系數為0.45。土壤微生物熵(qMB)是指土壤微生物量碳占土壤總有機碳的百分比。

qMB=(SMBC/SOC)×100%

1.4統計分析

采用Excel 2010和SPSS 20.0進行統計分析，采用LSD法進行多重比較。

2結果與分析

2.1不同土地利用方式土壤有機碳及活性有機碳的含量

從表2看出，研究區不同土地利用方式表層(0～20 cm)土壤有機碳(SOC)和活性有機碳(DOC及SMBC)含量的差異。

2.1.1SOC含量研究區不同土地利用方式表層土壤SOC含量為20.20～36.18 g/kg，平均為29.97 g/kg。其中，林地SOC含量最高，為36.18 g/kg，灌叢次之，為33.80 g/kg，水田、園地和旱地居中，草地最低，為20.20 g/kg。與林地相比，水田、果園、旱地、草地和灌叢的SOC含量依次降低14.81%、16.97%、20.40%、44.17%和6.58%。F檢驗結果表明，林地土壤SOC含量顯著高于除灌叢外的其余土地利用類型，灌叢土壤SOC含量顯著高于園地、旱地和草地；水田、園地和旱地土壤SOC顯著高于草地；灌叢與水田間，水田與園地、旱地間無顯著差異。

2.1.2活性有機碳(DOC和SMBC)含量

1) DOC。不同土地利用方式表層土壤DOC含量為20.74～40.06 mg/kg，平均為30.85 mg/kg，且不同土地利用方式間存在顯著差異。水田和林地的DOC含量分別為40.06 mg/kg和39.94 mg/kg，均顯著高于其他土地利用類型；灌叢的DOC含量為34.18 mg/kg，顯著高于園地、旱地和草地。除水田和林地外，其余土地利用方式間均達顯著差異。

2) SMBC。不同土地利用方式表層SMBC含量為121.38～355.32 mg/kg，平均為219.31 mg/kg，且不同土地利用方式間存在顯著差異。園地SMBC含量最高，為355.32 mg/kg，顯著高于其余土地利用方式。除草地和旱地外，其余土地利用方式間均達顯著差異，且均顯著高于草地和旱地。

表2 不同土地利用方式的土壤有機碳和活性有機碳含量

注：同列不同小寫字母表示處理間達P<0.05水平的顯著差異。

Note: The lowercase letters in the same column indicate significance of difference between different treatments atP<0.05 level.

2.2不同土地利用方式SOC與DOC、SMBC的關系

土壤微生物熵(qMB)一般為0.5%～4.0%[15]。qMB的變化反映土壤中輸入的SOC向SMBC的轉化效率、土壤中碳的損失和土壤礦物對有機質的固定[16]。從表2看出，不同土地利用方式的qMB園地最大，為1.22%；旱地最小，為0.40%；均與其余土地類型差異顯著；水田與灌叢、林地和草地間差異顯著；灌叢、林地和草地3種類型間差異不顯著。

從圖1看出，不同土地利用方式SOC含量(x)與SMBC和DOC含量YSMBC和YDOC間存在極顯著正相關關系，回歸方程分別為YSMBC=10.997x-109.97(R2=0.534 2**)和YDOC=1.0347x-0.179 8(R2=0.526 8**)。郭振等[17]研究表明，單施有機肥和高量有機無機肥配施是提高土壤微生物生物量的有效途徑。該研究中的園地作為多年種植葡萄的果園，采樣時正處于葡萄發芽開花階段，農戶施用大量肥料，以致于其中微生物較其他土地類型的多，因此園地的SMBC含量最高；水田的SMBC含量較低可能由淹水所致。

注：**表示相關性達極顯著水平(P<0.01)。

Note:** mean correlation significance atP<0.01 level.

圖1 不同土地利用方式SOC與SMBC、DOC的關系

Fig.1 Relationships between SOC and SMBC, DOC in top soil under different land use patterns

3結論與討論

SOC對土壤的各種物理、化學、生態性狀和土壤肥力具有決定性作用和深刻影響，是“土壤肥力再生能力”的重要物質基礎，其含量及變化是評價土壤質量的重要指標[5]。研究結果表明，林地SOC含量最高，為36.18 g/kg。與林地相比，水田、果園、旱地和草地的SOC含量依次降低14.81%、16.97%、20.40%和44.17%，差異均達顯著水平；灌叢SOC含量比林地低6.58%，未達顯著水平。在成土母質、氣候因子、地表植物種類及人為耕作措施、管理模式等諸多因素綜合作用下，土壤中碳的輸入和輸出達到動態平衡，最終體現為土壤的有機碳含量。自然生態系統中土壤有機碳含量主要取決于植被覆蓋率和植物種類多樣性，也就是植物每年的歸還量和分解速率。林地土壤有機碳含量顯著高于其他土地利用類型，主要是因為林地的植被覆蓋率最高，植物種類豐富，每年都有大量的凋落物歸還給土壤，且林地極少受到人為干擾，土壤結構較好，且有機碳分解較慢，有利于土壤有機碳的積累[18]。同理，灌叢的植被豐度僅次于林地，其枯枝落葉也較多，腐殖質層較厚，所以其SOC含量僅次于林地。水田位于坡下部的洼地，以單季稻和旱作油菜輪作為主，施肥和作物生產力水平均較高，但所得秸稈被帶離，秸稈還田率低，且在半年時間內處于淹水條件，淹水條件下有機質的分解速度較慢[19]，田面平整，侵蝕輕微，因此，水田的SOC含量相較于其他3種土地利用類型高。林地和旱地分布在自然條件相對一致的坡地上。一般情況下，由于作物產生的有機物質大部分被帶走，因而進入旱地土壤的新鮮有機質少于林地，且耕作引起土壤物理條件的改變能加速有機碳的分解[20]，故林地SOC含量應高于旱地，在該研究中得到證實，且二者的差異達顯著水平。草地是分布較平整的退耕多年的白茅荒草地，其植物類型單一，根系不發達，碳的輸入低，所以草地的有機碳含量最低。園地上種植的是葡萄，作物也單一，但由于農戶給葡萄園翻耕輸送有機肥和化肥，增加了有機碳的輸入，所以該葡萄園的有機碳含量相對較高。

作為土壤活性碳庫重要指標的土壤活性碳庫(SMBC、DOC)在土壤物質轉化和養分循環中發揮著重要作用。土壤溶解性有機碳是土壤生態系統中非常活躍的有機組分，是土壤圈層與大巖石圈、氣圈、水圈和生物圈發生物質交換的重要形式。與SOC的其他組分相比，DOC對環境變化、土壤質量變化以及土地利用變化表現出高度敏感性。研究結果表明，土壤DOC含量，除水田外其余土地利用方式的變化趨勢與SOC相同；經相關性分析，表層土壤的SOC與DOC間存在極顯著正相關關系。說明土壤中的DOC較大程度上由SOC轉化而成，隨有機碳含量的變化而變化。而水田的DOC含量之所以最高，是由于在不斷被淹或非洪水循環條件下(干濕交替)，土壤表層會產生大量的DOC[21]。農田中大量的DOC會向溝渠遷移與聚集，隨著距離溝渠越近，土壤DOC的含量就越高[22]。研究所采樣的其中2塊水田距離主溝渠較近，因而其DOC含量最高。不同土地利用類型之間土壤微生物量碳的變化趨勢與有機碳含量既有相同之處，又有不同之處。園地的SMBC含量最高，可能是因為園地的葡萄正處于生長期，農戶對園地施用有機肥和化肥，新鮮的有機質進入土壤之后在短期內對微生物產生了激發作用，從而使得園地的SMBC含量較高。林地和灌叢的SMBC含量相對較高，與有機碳含量的變化規律基本一致。

巖溶區土壤SOC含量普遍較高，林地的SOC含量顯著高于其他土地利用方式，草地最低，說明不同植被類型可能影響SOC的含量。為增加土壤有機碳庫，改善土壤肥力，人類應當對土地進行合理開發利用并適當地退耕還林。巖溶區SMBC含量和SMBC/SOC都較低，說明土壤微生物的活性低，土壤釋放有效養分的速率緩慢。不同土地利用方式顯著影響DOC和SMBC含量。園地中SMBC含量顯著高于其余土地利用方式，旱地SMBC含量最低，可以通過增施有機肥或者有機無機配施來提高微生物的活性，加速SOC的周轉，促進土壤有機質的分解和釋放，達到作物增產并改善土壤肥力的效果。SOC和 DOC、SMBC呈極顯著正相關關系，說明DOC、SMBC與SOC密切相關，DOC、SMBC的含量可以敏感地反映其SOC含量的動態變化。 各土地利用方式之間無論是SOC、DOC還是SMBC，林地和灌叢的含量均相對較高，旱地和草地較低。說明植被類型、人為開墾程度對SOC、SMBC和DOC的含量有顯著影響。過度開墾土地不利于土壤有機碳的積累，而喀斯特自身生態環境就較為脆弱，所以要適當地開發土地。