東南濕潤區典型丹霞地貌土壤有機碳組分及其敏感性研究

王超 ，楊倩楠 ，張池，李祥東，陳靜 ，張曉龍 ，陳金潔 ，劉科學

1.廣州新華學院資源與城鄉規劃學院，廣東 廣州 510310；2.廣東華南空間規劃研究院，廣東 廣州 510642；3.華南農業大學，廣東 廣州 510642；4.廣東科學院生態環境與土壤研究所，廣東 廣州 510520

丹霞地貌是一種由紅色侵蝕砂巖組成的巖相地貌類型（Liu et al.，1991），廣泛分布于中國、歐洲中部、美國西部和澳大利亞等地（歐陽杰等，2011；彭華等，2013）。2010年廣東丹霞山與其他5種典型的丹霞地貌一起被聯合國教科文組織列入世界遺產名錄，總體稱為“中國丹霞”。丹霞地貌因其具有溝槽、石洞、陡崖等結構也稱為“假喀斯特”，然而與喀斯特地貌不同的是，丹霞地貌土壤pH、含水量較低，更易被流水和風力侵蝕（何祖霞等，2012）。隨著人類無節制的亂墾亂伐，丹霞地貌區土壤退化逐漸成為當今一個嚴重的環境和社會問題（Yan et al.，2019），因此，開展丹霞地貌區土壤質量方面的研究刻不容緩。

有機碳作為土壤的重要養分指標，在維持土壤質量和生態平衡方面起著關鍵作用（Benbi et al.，2015）。土壤有機碳易受各種自然條件（溫度和降雨）和人為擾動（施肥等土地管理、土地利用的轉變）的影響，表現出不同穩定性和周轉速率（Wang et al.，2014；Jimenez-Gonzalez et al.，2020）。由于土壤有機碳對生態功能的潛在反饋機制，土壤有機碳對外部環境的變化的敏感性是十分重要的問題。總有機碳變化具有明顯滯后性，不是有機碳儲量和土壤質量早期變化的適宜指標（Liang et al.，2012；Chen et al.，2016）。活性有機碳庫具有較短的周轉周期，能夠較好地反映土壤有機碳的動態變化和土壤質量的變化（Chen et al.，2016；魏夏新等，2020）。活性有機碳庫分類多樣，如溶解性有機碳（DOC）、易氧化有機碳（EOC）、顆粒態有機碳（POC）、微生物量碳（MBC）等，是被廣泛認可的土壤質量評價指標，對土壤環境變化較為敏感（Wang et al.，2014；Lan，2021）。周偉等（2021）研究發現，黑土高活性有機碳含量對長期撂荒處理的響應較其他有機碳組分更敏感。Lan（2021）研究結果，喀斯特巖溶地區的生態修復過程，POC的變化更為顯著，能較好地反映土壤碳庫的動態變化。不同土壤生態系統有機碳的研究角度略有不同，目前的研究在農田生態系統方面著重于土壤的碳庫管理，在退化生態系統方面則更加看重于碳組分的敏感性，缺乏從有機碳管理和敏感性雙重角度揭示土壤有機碳庫的質量變化，而且東南濕潤地帶退化生態系統的研究主要集中于喀斯特地貌，關于丹霞生態脆弱區的研究鮮有報道。

基于此，本研究以仁化丹霞山典型地貌區自然林地、灌叢、撂荒草地和農田土壤為研究對象，探究不同土地利用方式土壤有機碳庫組成、敏感性指數及其碳庫管理的影響，以期為丹霞地貌區土壤固碳和生態環境的可持續發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于廣東省韶關市仁化縣境內丹霞山世界地質公園（24°51′48″—25°04′12″N，113°36′25″—113°47′53″E），屬中亞熱帶向南亞熱帶過度區域，年平均氣溫19.6 ℃，年平均日照時間1721 h，年平均降雨量1551.1 mm，3—8月降雨量占全年降雨量的75%。研究區地質是由紅色砂礫巖層構成的丹霞地貌，土壤類型以紅壤為主。

1.2 供試土樣

本研究選取丹霞山自然林地、灌叢、撂荒草地和農田土壤為研究對象，采樣地基本信息見表1。實驗采樣以保護丹霞生態系統，減小對丹霞地貌的擾動為原則下進行，于2021年8月在丹霞山不同植被區域隨機設置3個5 m×5 m的樣方，按對角線五點采樣法分別采集0—10、10—20 cm土層樣品，將五點樣品充分混合制成1個土樣。采集的土樣去除大塊石礫和根系等植物殘體，分成兩份，一份自然風干研磨過10目和100目篩用于測定土壤基本理化性質，一份鮮樣過10目篩后置于冰箱中4 ℃保存，進行微生物量碳的測定。土壤基本理化性質見表2。

表1 樣地基本信息Table 1 Condition of different sample plots

表2 采樣點土壤基本理化性質Table 2 Basic physical and chemical properties of soil samples

1.3 樣品測定

土壤基本理化性質測定方法參考《土壤農業化學分析方法》（魯如坤，2000）。土壤pH采用電位計法（水土質量比為2.5∶1）測定；土壤容重采用環刀法測定；全氮采用半微量凱式定氮法測定；活性鐵采用草酸和草酸銨浸提法，原子吸收光譜儀測定；土壤顆粒組成采用吸管法測定；總有機碳采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測定；土壤顆粒態有機碳采用六偏磷酸鈉溶液浸提法測定；土壤易氧化有機碳采用333 mmol·L-1高錳酸鉀氧化法測定；非活性有機碳為總有機碳與活性有機碳的差值；礦物結合態有機碳為總有機碳與顆粒態有機碳的差值。

土壤溶解性有機碳（魯如坤，2000）測定：取10 g新鮮土樣，按照土水比為1∶5的比例混勻，在25 ℃條件下，以250 r·min-1的速度振蕩1 h，然后在轉速為15000 r·min-1離心10 min，上部懸浮液過0.45 μm薄濾膜，濾液用TOC元素分析儀（Phoenix 8000）測定。

土壤微生物量碳（魯如坤，2000）測定：準確稱取10.00 g新鮮土壤，3份置于小燒杯中做熏蒸處理，3份于塑料瓶中不做熏蒸處理，直接浸提。熏蒸處理土壤放入真空的干燥器，底部放有幾張濕潤的濾紙、一小燒杯無乙醇的氯仿溶液和氫氧化鈉溶液。進行抽真空處理，氯仿沸騰2—3 min，關閉真空閥，25 ℃黑暗靜置24 h，抽真空去除氯仿。將熏蒸處理的土樣轉入塑料瓶，0.5 mol·L-1硫酸鉀溶液浸提（土液比1∶4），往復振蕩機振蕩30 min（未熏蒸樣品進行相同步驟），濾液用TOC元素分析儀測定（Phoenix 8000）。

1.4 計算公式

土壤微生物熵表征微生物對土壤有機碳的利用效率，不僅可以反映土壤微生物活性，也是反映土壤碳動態變化和土壤質量的敏感指標（Blair et al.，1995；Mooshammer et al.，2014），其計算公式（Zheng et al.，2018）為：

式中：

w(TOC)——總有機碳質量分數，g·kg-1；

qMB——土壤微生物熵，%；

w(MBC)——微生物量碳，mg·kg-1。

本研究以未受人為擾動的林地土壤為參考土壤，各碳庫管理指數指標（王有良等，2021）和有機碳組分敏感性指數（Wang et al.，2014）計算公式如下：

式中：

w(TOC-NL)——參考土壤總有機碳質量分數，g·kg-1；

w(EOC)——易氧化有機碳，g·kg-1；

w(IOC)——土壤非活性有機碳質量分數，g·kg-1；

ACP——碳庫活度；

ACP-NL——參考土壤碳庫活度；

ICP——碳庫指數；

ICPA——碳庫活度指數；

ICPM——碳庫管理指數。

式中：

IS——敏感性指數；

w(SOC)——土壤有機碳組分質量分數；

w(SOC-NL)——參考土壤有機碳組分質量分數。

1.5 數據分析

應用Excel 2016進行初步數據處理，SPSS 24.0對土壤有機碳組分和土壤碳庫管理指標進行雙因素方差分析，對土壤有機碳敏感性指數進行單因素方差分析，差異通過LSD法進行顯著性檢驗，顯著性水平為P<0.05；采用Canoco 5對有機碳組分進行主成分分析；應用Origin 2019b軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同土地利用方式土壤有機碳變化

土地利用方式、土層深度的主體效應及其兩者的交互效應顯著影響土壤有機碳組分（P<0.05）（表3）。0—10 cm土層，總有機碳（TOC）、溶解性有機碳（DOC）、顆粒態有機碳（POC）、非活性有機碳（IOC）和礦物結合態有機碳（MOC）均表現為NL顯著高于其他土地利用方式，分別為 24.32 g·kg-1、291.10 mg·kg-1、6.49 g·kg-1、22.82 g·kg-1和17.84 g·kg-1，而易氧化有機碳（EOC）以AG土壤含量最高，較其他利用方式分別提高了 21.04%、43.19%和22.85%（圖1）。10—20 cm土層，TOC、POC、IOC和MOC含量與表層土壤呈現相似的規律，DOC和EOC分別以SL（254.25 mg·kg-1）和NL（1.37 g·kg-1）土壤最高，且顯著高于其他土地利用方式。總體上，TOC和各有機碳組分含量均表現為0—10 cm土層高于10—20 cm。

圖1 不同土地利用方式土壤有機碳組分含量變化Figure 1 Soil organic carbons contents under different land-use types

表3 不同土地利用方式土壤有機碳組分的雙因素方差分析Table 3 Two-way ANOVA on soil organic carbon components under different land-use types

土地利用方式、土層深度的主體效應及其兩者的交互效應顯著影響土壤微生物量碳（MBC）和土壤微生物熵（qMB）（表3）。0—10 cm 土層 NL土壤MBC較SL、AG和CL土壤顯著提高了14.05%、24.97%和347.89%；10—20 cm土層AG土壤MBC顯著高于其他土地利用方，分別是FL、SL和CL土壤的1.58、2.59和3.40倍。結合表3和圖1可知，0—10 cm土層qMB整體高于10—20 cm土層，其中0—10 cm土層土壤qMB以SL和AG土壤較高，顯著高于NL和CL，而10—20 cm土層AG土顯著高于其他利用方式，較 NL、SL和 CL分別提高了169.14%、171.43%和77.31%，其中NL和SL土壤無明顯差異。

2.2 不同土地利用方式土壤有機碳組分的敏感性指數

SL土壤有機碳組分敏感性指數范圍為 0.10—0.72、0—10、10—20 cm土層敏感性指數均以POC最大，且顯著高于其他有機碳組分（圖2）。AG土壤有機碳組分敏感性指數范圍為0.08—0.65、0—10 cm土層深度表現為IOC、POC>TOC、MOC>EOC、MBC>DOC，DOC敏感性指數顯著低于其他有機碳組分，10—20 cm土層也表現出相似的規律。CL土壤有機碳組分敏感型指數范圍為 0.01—0.84、0—10、10—20 cm土層均表現為POC敏感型指數高于其他有機碳組分，而DOC敏感性指數最低。

圖2 不同土地利用方式土壤有機碳組分的敏感性指數Figure 2 Sensitivity index of soil organic carbon components under different land-use types

2.3 不同土地利用方式土壤碳庫管理指標的變化

土地利用方式、土層深度的主體效應及其兩者交互效應顯著影響土壤碳庫管理指標（P<0.05）（表4）。0—10 cm 土層，碳庫指數（ICP）表現為NL>SL>AG>CL，且不同利用方式之間均差異顯著，而碳庫活度（ACP）、碳庫活度指數（ICPA）和碳庫管理指數（ICPM）表現出相反的變化規律。10—20 cm土層，ACP、ICPA和ICPM均以NL土壤最高。總體上，土壤碳庫管理指數隨著土層深度的增加而表現降低的趨勢。

表4 不同土地利用方式土壤質量指數的變化Table 4 Change of soil quality indices under different land-use types

2.4 土壤有機碳組分與土壤碳庫管理指標的關系

土壤總有機碳變化量與有機碳組分變化量的線性擬合分析表明（圖3），在0—10 cm土層，土壤TOC的增加與EOC含量變化呈顯著負相關，與MBC、POC、IOC、MOC含量變化呈極顯著正相關；在10—20 cm土層，土壤TOC變化量與POC、IOC、MOC含量變化呈極顯著正相關。TOC含量的增加與穩態碳（IOC、MOC）變化的相關性高于活性碳（DOC、EOC和POC）。

圖3 土壤有機碳和有機碳組分變化量的關系Figure 3 Relationship between changes of TOC and soil organic carbon components

不同土地利用方式土壤有機碳組分的主成分分析結果如圖4，0—10 cm土層PC1解釋了76.14%的土壤有機碳組分變化，其中不同土地利用方式土壤之間均具有顯著的差異性；10—20 cm土層PC1解釋了67.56%的土壤有機碳組分變化，其中CL與其他土地利用方式土壤有顯著差異，SL和AG之間的差異性不明顯。

圖4 不同土地利用方式土壤有機碳組分主成分分析Figure 4 Principal component analysis (PCA) of soil organic carbon fractions under different land-use types

土壤有機碳組分與土壤各碳庫管理指標的偏相關結果表明（表5），ICP、ACP、ICPM和ICPM與土壤MBC呈顯著相關關系，而與其他有機碳組分的關系均不顯著，說明MBC是影響丹霞地貌區土壤碳庫管理指標變化的敏感性指標，對于維持該區域土壤高質量具有重要意義。

表5 土壤有機碳組分與土壤碳庫管理指標的偏相關分析Table 5 Particle correlation analysis of soil organic carbon fractions and soil carbon pool management indexes

3 討論

3.1 土地利用方式對土壤有機碳組分的影響

土壤有機碳庫作為陸地生態系統碳庫重要的組成部分，是指示土壤健康和影響土壤養分循環的關鍵因素（展鵬飛等，2018）。土壤有機碳總量取決于土壤生物等各種綜合因素影響下有機碳的輸入和輸出的動態平衡（Benbi et al.，2015；Qin et al.，2017）。本研究中，TOC含量表現為NL土壤最高，CL土壤最低，這是由于NL土壤地上、地下部凋落物較多，增加了土壤有機碳含量輸入，而CL土壤由于連年的耕作和周期性的作物收割，大量養分輸出，土壤養分得不到及時補充，有機碳含量呈現較低的水平，這與Hu et al.（2020）研究結果相一致。林地土壤有機碳含量也顯著高于AG和CL土壤，證明了丹霞地貌區退耕還林能較好促進土壤固碳。

DOC、EOC和POC屬于活性有機碳組分，具有高遷移性、易溶解、易分解等特點，易被土壤微生物和植物吸收利用，能不同程度反映土壤碳的有效性，對土壤質量有很好的指示作用（展鵬飛等，2018）。DOC和POC均以NL土壤含量最高，這主要與地表覆蓋物數量有關，隨著地表植物覆蓋度和多樣性的增加，土壤微生物代謝活性和多樣性顯著增加（Liu et al.，2007），與CL土壤單一作物相比，林地土壤微生物量和活性較高，能更有效分解利用枯枝落葉，將腐質物質更快納入土壤碳循環。此外，良好的土壤團粒結構有利于土壤養分的固存（Yan et al.，2018），NL植被豐富具有較好的固持土壤能力，而CL由于人為耕作，物理結構性較差，團粒固持養分含量較低。活性有機碳的含量不僅取決于有機碳輸入的數量，更依賴于輸入有機碳的質量，AG土壤草本植物，生命周期短，易腐爛分解，可直接被土壤微生物利用，能以較快的速率進入土壤碳循環（劉洋等，2017），因此，AG土壤EOC表現出較高含量。本研究中，不同土地利用方式土壤有機碳組分含量均表現為表層土壤高于亞表層土壤，主要是表層土壤養分歸還量大，微生物活性較高，易出現養分表聚現象（王超等，2021），下層土壤主要受到植被根系分布影響，加之表層土壤淋溶下滲的養分會通過根系重吸收轉運，再次匯集在表層（Yang et al.，2011），造成養分分布具有層次性。

土壤MBC作為土壤質量退化的早期預警性指標，雖然只占土壤TOC的很小一部分，但對土壤碳的循環轉化和土壤碳庫的穩定起著關鍵作用（Singh et al.，2007；魏夏新等，2020）。本研究中，NL土壤 MBC顯著高于 CL土壤，這與祁心等（2015）研究結果相似，這是因為自然林地、灌叢區植被豐度大，地表覆蓋大量植物殘體，大大增加有機碳的輸入，再者保持了表土層一定含水量有利于微生物的繁殖、更新。土壤qMB的變化反映了土壤有機碳向微生物量碳轉化的效率，其數值越大，表明土壤有機碳越容易被微生物利用（Guo et al.，2020）。本研究中，TOC和MBC表現為NL土壤顯著高于CL土壤，而qMB則表現為以CL土壤高于NL，這可能是NL土壤凋落物被微生物分解利用程度低，難以進入土壤有機碳庫；而CL土壤雖長期處于侵蝕狀態，養分流失嚴重，但在后期作物的種植期間補施了大量氮磷肥，造成土壤 C∶N較低，有利于作物殘茬的分解（Deng et al.，2016），使得CL土壤qMB水平較高，這說明qMB不能代替MBC等活性有機碳組分反映有機碳對土地利用方式的響應，這與劉守龍等（2006）和簡興等（2019）的研究結果相似。

3.2 土地利用方式對土壤有機碳組分的敏感性指數的影響

本研究發現，土壤有機碳含量及組分對丹霞地貌區土地利用方式十分敏感。SL、AG和CL土壤均以 POC組分最敏感，這可能與研究區域位于生態脆弱區，土壤侵蝕較為普遍，土壤團粒對有機碳的物理保護作用得以凸顯有關（Yan et al.，2018）。Lan（2021）在喀斯特巖溶侵蝕區土壤有機碳組分敏感性的研究結果與本研究一致。與POC相比，穩態碳（IOC和MOC）與土壤TOC含量具有更強的相關性，說明穩態碳是丹霞地貌區土壤有機碳的主要組成成分，在應對土地利用方式變化時表現較強的穩定性。從土壤 TOC變化與有機碳組分變化的擬合分析可以看出，土壤穩態碳與土壤 TOC變化量相關性較高，所以穩態碳的增加決定了土壤有機碳的積累。

3.3 土地利用方式對土壤碳庫管理指標的影響

土壤ICPM綜合了ICP和ICPA指標，不僅可以反映土壤有機碳的總量和質量，而且能間接反映土壤養分的供給能力，被廣泛認為是評價土壤質量的有效性指標（Chaudhary et al.，2017；Pang et al.，2019）。土地利用作為人類影響生態環境系統最為直接的途徑，廣泛影響著生態系統的結構和功能，對土壤CPMI也有著重要影響（崔東等，2017；袁嘉欣等，2021）。本研究中，表層土壤CL的ICP顯著低于其他土地利用方式土壤，這反映了較強土地利用強度會顯著降低土壤有機碳含量；而ACP、ICPA和ICPM顯著高于NL和SL土壤，這是因為CL土壤雖然TOC較低，但是活性有機碳占TOC比例較高，土壤活性有機碳內部的動態平衡對土壤ICPM的作用影響了土壤ICPM的變化。亞表層土壤ICP、ACP和ICPM則以NL土壤最高，這是因為NL土壤植被殘體豐富，長期的腐質化導致有機碳養分下滲，亞表層土壤TOC和活性有機碳組分處于較高的水平，從而使得 NL土壤ICPM較高。偏相關分析結果表明，僅MBC與土壤各碳庫管理指標呈顯著相關，MBC是土壤碳庫管理的主要影響因子，結合 POC是該區域土壤有機碳組分的敏感性指標，說明丹霞地貌土壤有機碳庫的變化既受到土壤團粒結構固持養分的作用，又受土壤微生物代謝活動影響。因此，丹霞地貌區應注意土壤侵蝕問題，改善土壤結構，并結合生物工程措施促進土壤微生物生命活動，有助于增加土壤固碳和土壤質量。

4 結論

丹霞地貌區4種土地利用方式土壤有機碳組分含量差異顯著，自然林地土壤總有機碳、溶解性有機碳、顆粒態有機碳、非活性有機碳和礦物結合態有機碳含量均高，有利于土壤有機碳的固存。撂荒草地土壤微生物熵最大，土壤有機碳的微生物利用效率較高，而且撂荒草地有利于表層土壤易氧化有機碳的積累，土壤碳庫管理指數高于其他土地利用方式土壤；而自然林地亞表層土壤總有機碳存儲量大，表現出較高土壤碳庫管理指數。

顆粒態有機碳是丹霞地貌區有機碳組分的敏感性指標，微生物量碳是土壤碳庫管理變化的指示性指標，表明丹霞地貌土壤有機碳庫受到土壤團粒結構和微生物代謝活動的雙重影響。此外，林地有機碳組分含量均較高，退耕還林有助于土壤固碳和土壤質量提升。