李林海，郜二虎，夢(mèng) 夢(mèng)，魏孝榮

(1.北京自然博物館，北京 100050;2.北京林業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100083;3.國(guó)家林業(yè)局調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院，北京100714;4.中國(guó)野生動(dòng)物保護(hù)協(xié)會(huì)，北京 100714;5.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，楊凌 712100)

土壤有機(jī)碳是土壤中較為活躍的部分，其含量和動(dòng)態(tài)在土壤質(zhì)量演變和全球碳循環(huán)中起著十分重要的作用。土壤活性有機(jī)碳是指土壤中轉(zhuǎn)化快、穩(wěn)定性差，并對(duì)植物和土壤微生物活性較高的那部分有機(jī)態(tài)碳，它可用易氧化態(tài)碳、水溶性碳和微生物量碳等來(lái)表征［1-2］?；钚杂袡C(jī)碳直接參與土壤生物化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程，也是土壤微生物活動(dòng)的能源和土壤養(yǎng)分循環(huán)的驅(qū)動(dòng)力，在表征土壤質(zhì)量方面有著重要意義［2-4］。

地形是成土過(guò)程中的一個(gè)重要因素，它不但支配著地表和土壤中水熱資源的重新分配，而且影響著土壤生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)過(guò)程和強(qiáng)度，對(duì)土壤有機(jī)碳分布和儲(chǔ)量有著深遠(yuǎn)影響。目前在地形條件與有機(jī)碳關(guān)系方面的研究中，許多研究者比較了不同坡位土壤有機(jī)碳的分布特征，對(duì)坡地土壤有機(jī)碳的管理提供了比較充分的理論依據(jù)［5-9］;還有學(xué)者研究了較大尺度空間上土壤有機(jī)碳的分布格局，并對(duì)大尺度區(qū)域有機(jī)碳變化特征進(jìn)行了預(yù)測(cè)［10-16］。但這些研究對(duì)地形地貌特征與有機(jī)碳分布之間的關(guān)系涉及得較少，而且研究對(duì)象多為表層土壤［7-11］，研究結(jié)果所揭示的有機(jī)碳與地形特征之間的信息較少，對(duì)不同地形下有機(jī)碳庫(kù)管理的指導(dǎo)性不強(qiáng)。

黃土高原地區(qū)是我國(guó)主要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，也是我國(guó)西北生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，該區(qū)強(qiáng)烈的水土流失造成的土壤退化和生態(tài)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題十分嚴(yán)重［17］，在很大程度上影響著該區(qū)糧食安全的保障和生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的和諧發(fā)展。土壤有機(jī)碳庫(kù)的分布及碳循環(huán)過(guò)程的變化不但關(guān)系到該區(qū)土壤質(zhì)量的維持和保育以及生態(tài)環(huán)境的持續(xù)發(fā)展，而且影響到該區(qū)土壤及其脆弱的生態(tài)環(huán)境對(duì)全球變化的響應(yīng)和適應(yīng)［18-20］，需要開(kāi)展系統(tǒng)的研究。黃土高原地區(qū)主要地形為塬面、梯田、坡地和溝道，要對(duì)該區(qū)土壤有機(jī)碳狀況進(jìn)行全面準(zhǔn)確地評(píng)估，必須深入了解不同地形條件對(duì)土壤有機(jī)碳分布特征的影響。本文在位于黃土高原的王東溝小流域選擇了塬面、梯田、坡地和溝道4種典型地形條件，研究了小流域尺度不同地形條件下土壤有機(jī)碳和活性有機(jī)碳的分布特征及其儲(chǔ)量，并分析了不同地形條件下的碳庫(kù)管理指數(shù)，以期為合理評(píng)價(jià)黃土高原地區(qū)土壤碳的分布和循環(huán)并對(duì)其進(jìn)行合理的管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究在地處黃土高原南部的王東溝小流域進(jìn)行。王東溝小流域位于陜西省長(zhǎng)武縣境內(nèi)，東經(jīng)107°40'30″—107°42'30″，北緯 35°12'—35°16'，海拔 1 200 m，流域總面積 8.3 km2。該流域土壤母質(zhì)為中壤質(zhì)馬蘭黃土。氣候?qū)倥瘻貛О霛駶?rùn)大陸型氣候，多年平均氣溫9.1℃，多年平均無(wú)霜期171 d，≥0℃活動(dòng)積溫3866℃，≥10℃活動(dòng)積溫3 029℃，多年平均降雨量584.1 mm，降水變率大，年內(nèi)季節(jié)分布不均，主要集中在7—9月份。

1.2 樣品采集與分析

于2005年7月在王東溝小流域不同地形條件采集37個(gè)土壤剖面樣品，所選取的地形條件分別為塬面(剖面數(shù)為12)、梯田(剖面數(shù)為12)、坡地(剖面數(shù)為7)和溝道(剖面數(shù)為6)。各樣點(diǎn)的分布及基本情況見(jiàn)文獻(xiàn)［21］。各地形條件下的土壤剖面特征相似，塬面和梯田多為農(nóng)地，坡地和溝道多為林草地。在每個(gè)采樣點(diǎn)分別采集0—20、20—40、40—60、60—80 cm土層土壤樣品，每點(diǎn)采3次重復(fù)組成混合土樣，同時(shí)用環(huán)刀法測(cè)定各個(gè)土層的土壤容重。土壤樣品自然風(fēng)干，分別處理通過(guò)0.25 mm和1.0 mm篩孔以供測(cè)定。

土壤總有機(jī)碳用K2CrO7氧化法測(cè)定，土壤活性有機(jī)碳用KMnO4氧化法測(cè)定［22］，其操作步驟為:稱取2.500 g土壤樣品于100 mL塑料離心管中，加入25 mL不同濃度的高錳酸鉀溶液，振蕩1 h，然后在轉(zhuǎn)速4000 r/min下離心5 min，將上清液稀釋后在565 nm下測(cè)定吸光度，通過(guò)其與不加土壤的空白吸光度之差，計(jì)算出高錳酸鉀濃度的變化，進(jìn)而計(jì)算出氧化的有機(jī)碳即活性有機(jī)碳(氧化過(guò)程中1 mmol KMnO4消耗0.75 mmol或9 mg C)。試驗(yàn)中選擇的KMnO4濃度為333、167和33 mmol/L，由此測(cè)定的有機(jī)碳分別代表低活性、中活性和高活性有機(jī)碳。

1.3 數(shù)據(jù)處理

土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量(SOC，Mg/hm2)計(jì)算如下:

式中，C為有機(jī)碳含量(g/kg)，h為土層厚度(cm)，ρ為土壤容重(g/cm3)。

土壤碳庫(kù)管理指數(shù)(CMI)計(jì)算參照文獻(xiàn)［23］進(jìn)行:

式中，TOC為樣本總有機(jī)碳含量(g/kg);LOC為樣本活性有機(jī)碳(g/kg);L為樣本的碳庫(kù)活度;NLOC為樣本非活性有機(jī)碳(g/kg);LI為活度指數(shù);L0為對(duì)照的碳庫(kù)活度;TOC0為對(duì)照總有機(jī)碳含量(g/kg)，CPI為碳庫(kù)指數(shù)。

采用二元方差分析方法對(duì)各變量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以檢驗(yàn)地形條件、土層深度以及二者的交互作用對(duì)各變量的影響;用Excel作圖，圖中誤差線為標(biāo)準(zhǔn)誤。

2 結(jié)果與討論

2.1 小流域剖面土壤有機(jī)碳和活性有機(jī)碳總體分布特征

研究小流域范圍內(nèi)土壤不同組分有機(jī)碳在剖面的平均含量及其統(tǒng)計(jì)特征，可以查明該流域不同土層土體有機(jī)碳的整體分布狀況，為進(jìn)一步揭示其在流域范圍內(nèi)不同地形條件下的分布特征提供參考，從而為辨別影響有機(jī)碳在流域范圍內(nèi)分布的因子提供依據(jù)。

研究區(qū)土壤總有機(jī)碳及不同活性有機(jī)碳的平均值在0—80 cm土層范圍內(nèi)均隨土層深度增加而顯著降低，其變幅和標(biāo)準(zhǔn)差也在土壤剖面上呈現(xiàn)出降低趨勢(shì)，但變異系數(shù)卻與此相反，表現(xiàn)為深層土壤(40—80 cm)大于上層土壤(0—40 cm)(表1)。Wilding［24］根據(jù)土壤性質(zhì)的變異系數(shù)對(duì)其變異程度進(jìn)行了分類:變異系數(shù)小于15%的為小變異，在16%—35%之間的為中等變異，大于36%的為高度變異。本研究中表層土壤總有機(jī)碳和低活性有機(jī)碳的變異系數(shù)分別為32%和35%，為中度變異;這一土層中活性和高活性有機(jī)碳及其它土層各組分有機(jī)碳的變異系數(shù)均高于36%，為高度變異。

不同組分有機(jī)碳的均值、變幅和標(biāo)準(zhǔn)差表現(xiàn)為:總有機(jī)碳＞低活性有機(jī)碳＞中活性有機(jī)碳＞高活性有機(jī)碳，而變異系數(shù)則隨有機(jī)碳活性的增高而增大，這是因?yàn)榛钚杂袡C(jī)碳在土壤中轉(zhuǎn)化快、穩(wěn)定性差、易于氧化礦化［1-4］，隨著活性的增強(qiáng)，其受外界環(huán)境因素的影響就越大，從而表現(xiàn)出較大的變異性。在本研究條件下，地形條件引起的水熱資源分配、土壤水熱狀況差異及土壤管理措施的不同是導(dǎo)致土壤有機(jī)碳變異的主要原因，因此需要分析不同地形條件下土壤有機(jī)碳的分布特征。

表1 小流域土壤有機(jī)碳總體分布特征Table 1 The overall distribution of total and labile organic carbon in the watershed

2.2 地形條件對(duì)土壤有機(jī)碳的影響

2.2.1 對(duì)有機(jī)碳含量的影響

不同地形條件下總有機(jī)碳和各組分有機(jī)碳含量差異顯著(P＜0.05)，并且基本上呈現(xiàn)出塬面＞坡地、梯田＞溝道的分布趨勢(shì)(圖1)。如塬面土壤總有機(jī)碳、低活性、中活性和高活性有機(jī)碳在0—20 cm土層的含量分別是溝道土壤的1.9、1.6、2.4和2.3倍，在60—80 cm分別是溝道土壤的3.3、1.2、4.7和4.4倍。盡管不同地形條件有機(jī)碳在土壤剖面均隨土層深度的增加而降低，但其降低程度與有機(jī)碳活性有關(guān)，隨活性增高，降低程度增加(圖1)，如總有機(jī)碳、中活性和高活性有機(jī)碳在塬面土壤降低較少，從0—20 cm土層到60—80 cm土層降低了32%、50%和61%，在溝道土壤降低較多，分別降低了62%、75%和80%。

不同地形條件下土壤有機(jī)碳的分布特征與地形條件引起的水熱過(guò)程及土壤管理措施有關(guān)。在水熱過(guò)程方面，溝坡光、熱資源優(yōu)于塬面，而雨水資源劣于塬面［25］，其土壤中有機(jī)碳的礦化作用也因此強(qiáng)于塬面土壤，有機(jī)碳含量較低。在土壤管理方面，塬面主要為農(nóng)地，有機(jī)肥料投入量大，土壤有機(jī)碳含量較高;梯田開(kāi)墾后土壤貧瘠，而且梯田和坡地離居住地較遠(yuǎn)，有機(jī)肥料施用量少，土壤有機(jī)碳含量較低;溝道土壤無(wú)有機(jī)肥料施用，有機(jī)碳含量最低。另一方面，塬面土壤土層較厚，剖面分布較為均勻［25］，有機(jī)碳剖面變異小于其它地形條件，而溝道土壤土層較薄，剖面分布不均［25］，有機(jī)碳剖面變異大于其它地形條件。此外，對(duì)于深層土壤而言，塬面土壤有機(jī)碳含量較高，而且土壤環(huán)境較有利于有機(jī)碳向各個(gè)組分的轉(zhuǎn)化，這就緩和了各組分有機(jī)碳在深層土壤的降低程度，而溝道深層土壤接近成土母質(zhì)，土壤環(huán)境不利于有機(jī)碳向活性組分的轉(zhuǎn)化，從而加劇了深層土壤活性有機(jī)碳含量的降低。

2.2.2 對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響

不同地形條件下土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的剖面分布趨勢(shì)與其含量相似，即隨剖面深度的增加和活性的增加而減少(圖2)。不同組分活性有機(jī)碳儲(chǔ)量的差異以溝道土壤較大，塬面和梯田土壤較小;以深層土壤較大，表層土壤較小。如在0—20、20—40、40—60和60—80 cm土層，土壤低活性有機(jī)碳儲(chǔ)量分別是高活性有機(jī)碳儲(chǔ)量的2.4—3.4、2.8—4.0、3.5—4.3和3.7—14.5倍。4個(gè)土層土壤有機(jī)碳和各組分活性有機(jī)碳儲(chǔ)量均以塬面土壤最大，分別是坡地、梯田和溝道土壤的1.5、1.2、1.3、1.4 倍，1.3、1.3、1.3、1.3 倍和1.9、1.3、2.1、2.0 倍。

圖1 不同地形條件下土壤有機(jī)碳含量的剖面分布特征(誤差限為標(biāo)準(zhǔn)誤)Fig.1 Profile distribution of total and labile organic carbon(OC)concentration at different landforms(Error bars are SE)

土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量是研究生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的關(guān)鍵因素［26］，不同地形條件下有機(jī)碳儲(chǔ)量的巨大差異往往是流域或區(qū)域范圍內(nèi)碳平衡計(jì)算誤差的一個(gè)來(lái)源。本研究結(jié)果表明，小流域尺度不同地形條件下有機(jī)碳儲(chǔ)量差異較大，這主要取決于不同地形條件下有機(jī)碳含量的差異。此外，根據(jù)有機(jī)碳儲(chǔ)量計(jì)算公式可知，土壤容重的不同也會(huì)造成有機(jī)碳儲(chǔ)量的差異。本研究中塬面土壤容重最大，坡地和梯田土壤較小(圖3)，加之塬面土壤有機(jī)碳含量顯著高于其它地形條件，這就加大了不同地形之間有機(jī)碳儲(chǔ)量的差異。由于不同活性有機(jī)碳與總有機(jī)碳含量之間顯著相關(guān)［27］，4種地形下各組分有機(jī)碳儲(chǔ)量也呈現(xiàn)出與總有機(jī)碳儲(chǔ)量相似的分布特征(圖2)。

本文對(duì)黃土高原小流域不同地形條件下有機(jī)碳儲(chǔ)量的觀測(cè)結(jié)果表明，塬面為高有機(jī)碳儲(chǔ)量地貌單元，溝道為低有機(jī)碳儲(chǔ)量地貌單元。在流域景觀中，塬面地貌單元所占比例越大，流域有機(jī)碳儲(chǔ)量就越高;溝道地貌單元所占比例越大，流域有機(jī)碳儲(chǔ)量就越低。這表明，除氣候條件、土地利用和土壤類型外，黃土高原地區(qū)有機(jī)碳儲(chǔ)量的地帶性分布還與地形條件有關(guān)。黃土高原地區(qū)從北向南，高有機(jī)碳儲(chǔ)量地貌單元塬面所占比例逐漸增加，其在區(qū)域土壤有機(jī)碳構(gòu)成中的比例相應(yīng)增加;低有機(jī)碳儲(chǔ)量地貌單元溝道的比例逐漸減少，其在區(qū)域土壤有機(jī)碳構(gòu)成中的比例相應(yīng)減少［17］，因此有機(jī)碳儲(chǔ)量逐漸升高，這與其他研究者得到的黃土高原地區(qū)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量分布趨勢(shì)一致［28-30］。

圖2 不同地形條件下土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量量的剖面分布特征(誤差限為標(biāo)準(zhǔn)誤)Fig.2 Profile distribution of total and labile organic carbon(OC)storage at different landforms(Error bars are SE)

2.2.3 對(duì)土壤有機(jī)碳庫(kù)管理指數(shù)(CMI)的影響

Blair在1995年根據(jù)土壤中活性有機(jī)碳和非活性有機(jī)碳的關(guān)系提出了土壤有機(jī)碳管理指數(shù)(CMI)［27］，以指示土壤有機(jī)碳庫(kù)變化情況。目前CMI主要用于農(nóng)地或者土地利用方式改變后土壤有機(jī)碳變化的研究中［2-3，23，28，31-33］，在不同地形條件下的應(yīng)用尚未見(jiàn)報(bào)道。一般情況下，CMI大于1，表明土壤有機(jī)碳比對(duì)照土壤有所增加，反之，則有所損失。為確定在計(jì)算CMI時(shí)對(duì)照地形的選取，引用15a前的歷史資料比較不同地形下土壤有機(jī)碳的變化情況。在本研究中，塬面土壤有機(jī)碳含量在最近15a內(nèi)變化最小(圖4)，所以本文選取塬面土壤為對(duì)照計(jì)算不同地形下土壤各組分有機(jī)碳CMI。

坡地0—20 cm土層和溝道40—60 cm土層低活性有機(jī)碳CMI為1.2，坡地0—20 cm中活性有機(jī)碳CMI

圖3 不同地形條件下土壤容重分布特征Fig.3 Soil bulk density along profile at different landforms

為1.0(表2)，表明這些土層相應(yīng)的活性有機(jī)碳含量稍高于塬面土壤;其余地形條件下各組分有機(jī)碳CMI均低于1，表明相應(yīng)的有機(jī)碳含量均低于塬面土壤，這與不同地形條件下土壤有機(jī)碳分布特征相似 (圖1)，表明本研究所獲得的各組分有機(jī)碳CMI可以指示不同地形條件下土壤有機(jī)碳的剖面分布趨勢(shì)，也證明了不同活性有機(jī)碳CMI對(duì)各組分有機(jī)碳分布特征指示的敏感性。在3種活性有機(jī)碳的CMI中，中活性有機(jī)碳CMI與中活性有機(jī)碳差值之間的相關(guān)系數(shù)最大，表明其對(duì)土壤有機(jī)碳的指示效果最好。

3 結(jié)論

3.1 黃土高原小流域土壤總有機(jī)碳和不同活性有機(jī)碳為中到高度變異，其變異程度隨土層深度的增加和有機(jī)碳活性的增強(qiáng)而增大。

圖4 15a來(lái)土壤總有機(jī)碳的變化情況Fig.4 Changes in soil organic carbon(OC)after 15 years

表2 不同活性有機(jī)碳庫(kù)管理指數(shù)Table 2 The carbon management index(CMI)for different labile organic carbon(OC)

3.2 各組分有機(jī)碳含量和儲(chǔ)量均呈現(xiàn)出塬面＞坡地＞梯田＞溝道的分布趨勢(shì)，并隨土層深度的增加而降低，降低程度隨有機(jī)碳活性增高而增加。塬面為高有機(jī)碳儲(chǔ)量地貌單元，溝道為低有機(jī)碳儲(chǔ)量地貌單元。本研究所獲得的不同地形條件下土壤有機(jī)碳分布特征的信息可部分解釋黃土高原土壤有機(jī)碳地帶性分布規(guī)律。

3.3 不同活性的有機(jī)碳庫(kù)管理指數(shù)可以靈敏指示相應(yīng)組分有機(jī)碳對(duì)地形條件的響應(yīng)特征，中活性有機(jī)碳庫(kù)管理指數(shù)的指示效果最好。

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