李鑒霖, 江長(zhǎng)勝, 郝慶菊

西南大學(xué)三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 重慶 400715

縉云山不同土地利用方式土壤有機(jī)碳組分特征

李鑒霖, 江長(zhǎng)勝, 郝慶菊*

西南大學(xué)三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 重慶 400715

探討了我國(guó)西南地區(qū)縉云山亞熱帶常綠闊葉林(以下簡(jiǎn)稱林地)、果園、坡耕地以及撂荒地4種土地利用方式對(duì)土壤有機(jī)碳(SOC)組分含量及其分配比例的影響。采用物理分組技術(shù)，將SOC分為粗顆粒有機(jī)碳(cPOC)、細(xì)顆粒有機(jī)碳(fPOC)、微團(tuán)聚體內(nèi)顆粒有機(jī)碳(iPOC)、微團(tuán)聚體內(nèi)粉+黏顆粒(s+c_m)有機(jī)碳及粉+黏顆粒(s+c)有機(jī)碳。研究結(jié)果表明：在0—60 cm的土壤深度范圍內(nèi)，SOC、cPOC、fPOC、iPOC、s+c_m組分以及s+c組分有機(jī)碳平均含量均為林地(9.02、3.14、1.61、0.33、0.42、3.53 g/kg)顯著高于果園(3.27、0.93、0.27、0.10、0.24、1.73 g/kg)和坡耕地(2.58、0.51、0.10、0.12、0.08、1.77 g/kg)，說明林地開墾會(huì)導(dǎo)致SOC及各組分的流失；而撂荒地上述SOC及其各組分含量分別為14.90、5.17、2.36、0.42、0.59和6.36 g/kg，均顯著高于坡耕地，表明耕地撂荒后SOC及其組分能得到有效的恢復(fù)和截存。在SOC的各物理組分中，iPOC的有機(jī)碳分配比例最低，4種土地利用方式下均為3%左右；cPOC和fPOC作為活性較強(qiáng)的非保護(hù)有機(jī)碳庫(kù)，在林地和撂荒地中所占SOC分配比例最高，達(dá)到50%以上；而果園和坡耕地中<53 um的粉+黏顆粒有機(jī)碳組成的化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳庫(kù)分配比例最大，分別為65.9%和71.6%，表明林地和撂荒地土壤有機(jī)碳的活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于坡耕地及果園，支持更高的土壤肥力。在SOC及其組分中，fPOC可作為評(píng)估土地利用變化對(duì)土壤有機(jī)碳庫(kù)影響的良好指標(biāo)。

縉云山; 土地利用; 土壤有機(jī)碳; 物理分組

土壤有機(jī)碳(SOC)是土壤的重要組成部分，不但是土壤質(zhì)量的重要基礎(chǔ)，在全球碳循環(huán)中也起著至關(guān)重要的作用。地表土壤大約含有2500 Pg的碳，其中1550 Pg為SOC庫(kù)[1]。土地利用方式的變化不僅直接改變SOC的含量和分布，而且還通過影響SOC形成及轉(zhuǎn)化的因子而間接改變SOC的含量與分布[2]，并因而對(duì)大氣CO2濃度產(chǎn)生重要影響[3]。在土壤有機(jī)碳背景值很大的情況下，利用總有機(jī)碳來評(píng)價(jià)土地利用或管理方式的變化對(duì)土壤碳動(dòng)態(tài)的影響是非常困難的[4]，因此，對(duì)土地利用或管理措施變化更為敏感的有機(jī)碳組分研究在近年來得到很大重視，而物理分組技術(shù)由于基本不改變有機(jī)碳原有的性質(zhì)而得到廣泛應(yīng)用[5]。Six等[6]根據(jù)不同的土壤有機(jī)質(zhì)保護(hù)機(jī)制，利用物理分組技術(shù)把SOC分成3個(gè)不同的概念庫(kù)：活性非保護(hù)有機(jī)碳、物理保護(hù)有機(jī)碳和惰性的化學(xué)及生物化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳，從而為詳細(xì)的模型初始化及賦值提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

近年來，國(guó)內(nèi)關(guān)于土地利用變化對(duì)SOC的影響開展了大量的研究工作，并取得了較為豐碩的研究成果，但這些研究主要集中在土壤總有機(jī)碳[7]、活性有機(jī)碳[8]或土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳[9]等方面，但利用物理分組技術(shù)旨在分離與概念性有機(jī)質(zhì)模型庫(kù)相關(guān)組分的研究還非常少見。目前國(guó)內(nèi)有研究者利用這套物理分組技術(shù)研究了不同施肥處理對(duì)SOC組分的影響，比如Huang等[10]研究了中國(guó)亞熱帶地區(qū)紅壤長(zhǎng)期施肥下對(duì)土壤有機(jī)碳物理組分的影響，發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)碳庫(kù)向微團(tuán)聚體的轉(zhuǎn)變有利于土壤有機(jī)碳的長(zhǎng)期截存，微團(tuán)聚體保護(hù)碳可作為評(píng)估長(zhǎng)期施肥對(duì)紅壤有機(jī)碳儲(chǔ)存的良好指標(biāo)；黃山等[11]采用土壤有機(jī)碳物理分組技術(shù)，研究了東北黑土稻田轉(zhuǎn)換為旱地后土壤有機(jī)碳及其組分的響應(yīng)特征，發(fā)現(xiàn)稻田土壤比旱地更具固碳潛力，其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在土壤中包裹態(tài)顆粒有機(jī)質(zhì)和礦物結(jié)合有機(jī)質(zhì)組分碳的富積；徐江兵等[12]對(duì)長(zhǎng)期施肥條件下旱地紅壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體進(jìn)行物理分組，發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥的施用顯著提高了紅壤團(tuán)聚體中各物理組分的含量，并降低了土壤大團(tuán)聚體的周轉(zhuǎn)。縉云山位于我國(guó)西南地區(qū)的重慶市，是國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，也是許多國(guó)家級(jí)珍稀瀕危保護(hù)植物的生長(zhǎng)地，保護(hù)區(qū)內(nèi)土地利用方式多樣。本文以縉云山為研究對(duì)象，借助物理分組技術(shù)，探討亞熱帶常綠闊葉林、果園、坡耕地以及撂荒地4種不同土地利用方式下土壤各有機(jī)碳組分的分布狀況，從而為有效的土地管理措施提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

縉云山位于重慶市境內(nèi)，東經(jīng)106°22′，北緯29°49′，海拔高度為350—951.5 m，屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)性氣候，年均氣溫13.6 ℃，年均降水量為1611.8 mm?？N云山主要植被為典型的中亞熱帶常綠闊葉林，地質(zhì)巖層由三疊紀(jì)須家河組厚層砂巖夾薄層泥頁(yè)巖和煤線組成，土地類型主要以山地黃壤居多，此外還有棕黃壤以及少量人為利用的水稻土。林地表層土壤有機(jī)碳含量為22.89 g/kg，全氮含量為1.67 g/kg，堿解氮為171.38 mg/kg，硝態(tài)氮為16.06 mg/kg，銨態(tài)氮為6.13 mg/kg，全磷為140.30 mg/kg，有效磷為7.10 mg/kg，有效硫?yàn)?39.04 mg/kg，速效鉀為81.49 mg/kg，pH值為3.95，土壤容重為1.07 g/cm3。

1.2 樣品采集

土壤樣品于2011年6月采自縉云山陽(yáng)坡同一海拔高度處，土壤為酸性黃壤。共選擇林地、坡耕地、果園和撂荒地4種土地利用方式，其中林地為亞熱帶常綠闊葉林，主要樹種為四川大頭茶(Gordoniaacuminata)、白毛新木姜子(Neoliteaaurata)和四川楊桐(Adinandrabockiana)；坡耕地為玉米地；果園為棗樹和桔子種植園；撂荒地為棄耕多年的坡耕地，地面植被為生長(zhǎng)旺盛的雜草，無灌木和喬木。每種土地利用類型選擇3個(gè)樣地，每個(gè)樣地設(shè)置3個(gè)采樣點(diǎn)，利用挖剖面取樣法在各采樣點(diǎn)分層取0—10、10—20、20—30、30—40、40—50、50—60 cm的土樣，將各個(gè)樣地的土樣按照層次進(jìn)行分層混合，然后用四分法取出足夠的樣品，除去礫石和根系，風(fēng)干后過孔徑2 mm篩。

1.3 土壤有機(jī)質(zhì)分組

依照Six等[6]的方法對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)進(jìn)行物理分組(圖1)。首先，取30 g風(fēng)干并過2 mm篩的土樣置于250 μm篩上，并在過篩時(shí)加入50顆直徑為4 mm的玻璃珠。為避免微團(tuán)聚體被玻璃珠進(jìn)一步破壞，在篩上沖入持續(xù)穩(wěn)定的水流并將微團(tuán)聚體沖刷到53 μm篩上。待大團(tuán)聚體完全破壞后，留在250 μm篩上的即為粗顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)(cPOM)(>0.25 mm)，然后再采用常規(guī)的濕篩法分離微團(tuán)聚體和粉+黏顆粒(s+c)。所有組分在50 °C 下烘干并稱重。

微團(tuán)聚體的密度分組方法改良自Six等[13]。取5 g 110 °C下烘干的微團(tuán)聚體，冷卻到室溫后加入到離心管中，倒入35 mL密度為1.85 g/cm3的NaI，并用手慢慢地?fù)u10次，用10 mL NaI沖洗殘留在離心管蓋子和壁上的殘?jiān)?，然后再將其放?38 kPa的真空干燥器中10 min。取出靜置20 min后，在20 °C下離心60 min(1250 g)。離心后的懸浮物用20 μm的濾膜抽濾，得到的即為細(xì)顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)(fPOM)。離心管底部的重組用50 mL去離子水沖洗兩次后，加入30 mL 0.5%的六偏磷酸鈉，振蕩18 h，然后過53 μm篩，留在篩上的為微團(tuán)聚體內(nèi)顆粒有機(jī)質(zhì)(iPOM)，篩出的為微團(tuán)聚體內(nèi)的粉+黏顆粒(s+c_m)。所有組分均在50 °C下烘干稱重。

圖1 土壤有機(jī)質(zhì)物理分組框架圖 (根據(jù)Six等[6]修改)

全土以及分組后的物理組分土壤樣品由于不含碳酸鹽，采用干燒法測(cè)定全土以及各有機(jī)質(zhì)組分中的SOC含量，所用儀器為Multi N/C 2100分析儀(德國(guó)耶拿)。各個(gè)組分的質(zhì)量以及有機(jī)碳含量的結(jié)果用于有機(jī)質(zhì)組分含量、有機(jī)碳含量及分配比例的計(jì)算，其計(jì)算公式如下：

各有機(jī)質(zhì)組分含量(%)=各有機(jī)質(zhì)組分質(zhì)量/土壤質(zhì)量×100

各有機(jī)質(zhì)組分有機(jī)碳含量(g/kg)=各有機(jī)質(zhì)組分自身有機(jī)碳含量(g/kg)×各組分含量(%)

各有機(jī)質(zhì)組分有機(jī)碳的分配比例(%)=各有機(jī)質(zhì)組分有機(jī)碳含量/SOC×100

敏感性指標(biāo)[14]=(變量最大值-變量最小值)/ 變量最小值

1.4 數(shù)據(jù)處理

用SPSS19.0對(duì)不同土地利用方式之間以及同一土地利用方式不同土壤深度之間的各有機(jī)質(zhì)組分含量、SOC含量及其分配比例進(jìn)行方差分析(ANOVA)，當(dāng)其通過方差齊次性檢驗(yàn)時(shí)(P>0.05)，則進(jìn)行均值間最小差異顯著性(LSD)檢驗(yàn)；若其不能通過方差齊次性檢驗(yàn)(P<0.05)，則采用Tamhane′s T2進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用方式對(duì)土壤有機(jī)碳組分含量的影響

圖2為不同土地利用方式下4種土地利用方式土壤SOC及有機(jī)質(zhì)組分中有機(jī)碳的含量。不管土層如何，s+c組分有機(jī)碳與cPOC含量最高，fPOC居中，而s+c_m組分有機(jī)碳及iPOC含量最低。

在0—10 cm土層，林地SOC含量顯著高于其他3種土地利用方式(圖2)，而在向下的各個(gè)土層則均為撂荒地最高，林地次之。在整個(gè)0—60 cm土層，SOC含量為撂荒地(14.90 g/kg)>林地(9.02 g/kg)>果園(3.27 g/kg)>坡耕地(2.58 g/kg)。果園和坡耕地的SOC含量分別比林地減少了63.74%和71.40%(P<0.05)，說明林地墾殖為果園和坡耕地后造成了土壤碳的損失；而撂荒地SOC含量比坡耕地高出了477.52%(P<0.05)，說明將坡耕地撂荒后，有利于土壤中有機(jī)碳的恢復(fù)和積累。

除撂荒地外，其它3種土地利用方式下粗顆粒態(tài)有機(jī)碳(cPOC)均呈現(xiàn)出明顯的垂直遞減的剖面分布特征。土地利用方式對(duì)cPOC具有非常明顯的影響，在0—60 cm的所有土層上不同土地利用方式間的cPOC含量均達(dá)到顯著差異：在0—10 cm土層，林地的cPOC含量(10.49 g/kg)最高，其次為撂荒地(5.13 g/kg)和果園(2.66 g/kg)，坡耕地(0.89 g/kg)最低；而在20—60 cm的各個(gè)土層則為撂荒地最高，其次是林地，果園和坡耕地最低。在整個(gè)0—60 cm土壤深度內(nèi)cPOC的平均含量為撂荒地(5.17 g/kg)>林地(3.14 g/kg)>果園(0.93 g/kg)>坡耕地(0.51 g/kg)(圖2)。

4種土地利用方式下土壤細(xì)顆粒態(tài)有機(jī)碳(fPOC)、微團(tuán)聚體內(nèi)顆粒有機(jī)碳(iPOC)、s+c_m組分有機(jī)碳及s+c組分有機(jī)碳含量均隨土壤深度的增加而降低，并表現(xiàn)出明顯的垂直分層現(xiàn)象(圖2)。在0—10 cm土層，這4種組分有機(jī)碳含量均為林地顯著高于其它3種土地利用方式，而在10—60 cm的各個(gè)土層則是撂荒地最高，林地次之。在0—60 cm的所有土層上fPOC和s+c_m組分有機(jī)碳含量均為坡耕地最低，而iPOC含量最低的是果園；除0—10 cm及20—30 cm土層外，其它土層中果園和坡耕地的差異并不大。在0—60cm的土壤深度內(nèi)fPOC含量為撂荒地(2.36 g/kg)>林地(1.61 g/kg)>果園(0.27 g/kg)>坡耕地(0.10 g/kg)，iPOC為撂荒地(0.42 g/kg)>林地(0.33 g/kg)>坡耕地(0.12 g/kg)>果園(0.10 g/kg)，s+c_m組分有機(jī)碳為撂荒地(0.59 g/kg)>林地(0.42 g/kg)>果園(0.24 g/kg)>坡耕地(0.08 g/kg)，s+c組分有機(jī)碳為撂荒地(6.36 g/kg)>林地(3.53 g/kg)>坡耕地(1.77 g/kg)≈果園(1.73 g/kg)。

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，上述5種有機(jī)碳組分的含量的高低順序大致均為撂荒地、林地、果園、坡耕地。除s+c組分有機(jī)碳含量在坡耕地與果園間的差異不顯著外，不同土地利用方式間這4種組分有機(jī)碳的差異均達(dá)到顯著水平(P<0.05)，表明林地轉(zhuǎn)換為果園和坡耕地將導(dǎo)致這5種組分有機(jī)碳含量顯著降低，而坡耕地撂荒則有助于其恢復(fù)和升高。

2.2 不同土地利用方式對(duì)土壤有機(jī)碳組分分配比例的影響

圖3為不同土地利用方式下土壤有機(jī)碳組分的碳分布。4種土地利用方式下s+c組分有機(jī)碳分配比例最高，平均占土壤總碳庫(kù)的53.97%，其次是cPOC，分配比例為28.26%，s+c_m組分有機(jī)碳與iPOC的分配比例最低，分別為土壤總碳庫(kù)的4.46%和3.05%。

4種土地利用方式下cPOC分配比例在0—60 cm深度內(nèi)的剖面分布趨勢(shì)不盡相同(圖3)。林地和果園cPOC分配比例隨著土壤深度的增加而減小，而撂荒地和坡耕地則相反，隨土壤深度的增加而增大。不同土地利用方式對(duì)cPOC分配比例的影響顯著，坡耕地在0—60 cm的所有土層上均最低，除0—10 cm土層林地最高外，其余土層均為撂荒地最高。在整個(gè)0—60 cm土壤深度內(nèi)，cPOC分配比例的平均值為撂荒地(35.09%)>林地(31.69%)>果園(25.49%)>坡耕地(20.76%)。林地墾殖為果園和坡耕地后顯著降低了cPOC分配比例(P<0.05)，而坡耕地撂荒則導(dǎo)致cPOC分配比例有了一個(gè)顯著的升高(P<0.05)。

圖2 不同土地利用方式下土壤有機(jī)碳組分含量

圖3 不同土地利用方式土壤有機(jī)碳組分分配比例

除坡耕地fPOC分配比例隨土壤深度的增加而降低不是很明顯外，其它3種土地利用方式均表現(xiàn)為隨土壤深度的增加而顯著降低(圖3)。不同土地利用方式間fPOC分配比例差異顯著，坡耕地在0—60 cm的所有土層上均最低，除0—10 cm土層撂荒地最高外，其余土層均為林地最高。在整個(gè)0—60 cm土層，fPOC分配比例與cPOC相似，林地(15.67%)和撂荒地(15.22%)要顯著高于果園(6.31%)和坡耕地(3.83%)，與林地相比，果園和坡耕地大大降低了fPOC的分配比例，而坡耕地閑置為撂荒地則促使fPOC分配比例增大。

4種土地利用方式下iPOC的分配比例均呈現(xiàn)出隨土壤深度的增加而減小的趨勢(shì)(圖3)，不同土地利用方式間iPOC的分配比例差異顯著，在0—30 cm深度內(nèi)的各個(gè)土層上iPOC比例要顯著高于其它3種土地利用方式，而在30—60 cm的各土層上則為林地最高。在整個(gè)0—60 cm土層內(nèi)，iPOC分配比例的平均值為坡耕地(3.81%)>林地(3.31%)>撂荒地(2.79%)>果園(2.29%)。

4種土地利用方式下s+c_m組分有機(jī)碳分配比例總體上表現(xiàn)為隨土壤深度的增加而降低，但林地的這種變化趨勢(shì)并不是很明顯(圖3)。在0—60 cm的所有土層上s+c_m組分有機(jī)碳分配比例均為果園最高，而坡耕地最低。單因素方差分析表明，不同土地利用方式間s+c_m組分有機(jī)碳分配比例差異顯著，尤其是在0—30 cm土層內(nèi)差異更加明顯。在0—60 cm土層內(nèi)，s+c_m組分有機(jī)碳分配比例平均值為果園(6.71%)>林地(4.40%)>撂荒地(3.91%)> 坡耕地(2.83%)。

與其它4種有機(jī)碳組分不同，s+c組分有機(jī)碳分配比例呈現(xiàn)為隨土壤深度的增加而升高的趨勢(shì)，尤其是林地和果園這種趨勢(shì)更加明顯(圖3)。土地利用方式對(duì)s+c組分有機(jī)碳分配比例的影響顯著，在0—60 cm的所有土層，坡耕地的有機(jī)碳分配比例最高，其次是果園，撂荒地在0—30 cm土層高于林地，而在30—60 cm土層則低于林地。在整個(gè)0—60 cm土層，s+c組分有機(jī)碳分配比例為坡耕地(68.77%)>果園(59.19%)>林地(44.94%)>撂荒地(42.99%)。與cPOC及fPOC不同，林地轉(zhuǎn)變?yōu)槠赂睾凸麍@導(dǎo)致s+c組分有機(jī)碳比例分別提高了53.03%和31.71%(P<0.05)，而將坡耕地撂荒則使得s+c組分有機(jī)碳比例降低了37.49%(P<0.05)。

2.3 土壤總有機(jī)碳與土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳物理組分有機(jī)碳含量敏感性分析

表1為不同土地利用方式下0—60 cm各土層不同有機(jī)碳組分的敏感性分析，可以看出，在各個(gè)土層中，fPOC含量對(duì)土地利用變化的響應(yīng)都要遠(yuǎn)大于其它有機(jī)碳組分。在整個(gè)0—60cm土壤深度內(nèi)，不同有機(jī)碳組分對(duì)土地利用變化的敏感性為fPOC(22.02)> s+c_m(6.33)> SOC(4.77)> cPOC(4.58)> iPOC(3.14)> s+c(2.68)，表明fPOC對(duì)土地利用方式的改變最為敏感，而s+c組分有機(jī)碳含量對(duì)土地利用變化的敏感性最差，因此fPOC可作為評(píng)估土地利用變化對(duì)土壤有機(jī)碳庫(kù)影響的良好指標(biāo)。

表1 不同有機(jī)碳組分變化的敏感性指標(biāo)

3 討論

土地利用及土地利用方式變化對(duì)土壤有機(jī)碳有較大的影響[15]，而植被物種的組成，土地利用類型以及管理措施都會(huì)影響到土壤有機(jī)碳的質(zhì)量、數(shù)量和周轉(zhuǎn)[16]。本研究結(jié)果表明，在整個(gè)0—60 cm的土壤深度內(nèi)，土壤總有機(jī)碳及其各組分有機(jī)碳含量的高低順序大致均為撂荒地、林地、果園及坡耕地，林地轉(zhuǎn)變?yōu)槠赂鼗蚬麍@后，土壤有機(jī)碳含量大幅下降，而將坡耕地閑置為撂荒地后，土壤有機(jī)碳得以恢復(fù)和增加。林地和撂荒地由于沒有人類活動(dòng)的干擾，地表的植被凋落物可通過分解補(bǔ)充土壤碳庫(kù)；而且林木和草本植物根系的轉(zhuǎn)化也是土壤碳的主要來源[17]；但林地由于位于土壤表層之下的樹木根系粗大，難于分解，土壤有機(jī)質(zhì)來源缺乏，從而導(dǎo)致含量較低，而撂荒地草本植物的根系特別是細(xì)根分布較淺，根系的腐解轉(zhuǎn)化快，從而在0—60 cm的整個(gè)土壤剖面上土壤碳含量都比較高[18]。果園周圍居住的大多為山地農(nóng)民，由于運(yùn)輸不便以及經(jīng)濟(jì)落后等原因，這些居民依靠果樹的剪枝作為薪柴的主要來源，再加上果實(shí)的收獲等，使得果園的土壤碳含量比林地低。坡耕地由于常年翻耕，土表松軟，水土流失嚴(yán)重，致使伴隨于其中的有機(jī)碳流失嚴(yán)重；并且人為翻耕增加了土壤的通透性，加劇了土壤有機(jī)碳的礦化；而且由于作物的收獲，致使植物中的碳不能還田，這些原因都導(dǎo)致坡耕地不利于土壤碳的積累。

根據(jù)Six等[6,19]提出的概念模型，cPOC和fPOC構(gòu)成的碳庫(kù)可定義為非保護(hù)有機(jī)碳庫(kù)，主要受土壤有機(jī)質(zhì)輸入的影響[20]，具有較強(qiáng)的生物活性；iPOC為閉蓄在微團(tuán)聚體內(nèi)部的物理保護(hù)有機(jī)碳庫(kù)，是土壤中相對(duì)活躍的有機(jī)碳庫(kù)[21]；<53 μm的粉+黏顆粒有機(jī)碳組成了化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳庫(kù)(微生物來源的腐殖酸較多，并與黏粒結(jié)合)，分解慢，有利于長(zhǎng)期保存[22]。由表2可以看出，物理保護(hù)有機(jī)碳庫(kù)最小，約占土壤總有機(jī)碳的3%左右；林地和撂荒地作為非人類干擾的自然生態(tài)系統(tǒng)，土壤有機(jī)質(zhì)來源比較豐富，非保護(hù)有機(jī)碳庫(kù)最大，占土壤總有機(jī)碳的50%以上；果園和坡耕地作為受人類活動(dòng)強(qiáng)烈干擾和影響的人工生態(tài)系統(tǒng)，由于土壤有機(jī)質(zhì)來源缺乏及其自身碳的流失，非保護(hù)有機(jī)碳庫(kù)迅速降低，而化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳庫(kù)最大，占到土壤總有機(jī)碳的60%—70%多。Besnard等[23]用13C自然豐度技術(shù)發(fā)現(xiàn)，游離態(tài)顆粒有機(jī)質(zhì)(即團(tuán)聚體間顆粒有機(jī)質(zhì))與閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)質(zhì)(即團(tuán)聚體內(nèi)顆粒有機(jī)質(zhì))在C與N含量、C/N、形態(tài)及δ13C在森林土壤中均無顯著差異，但在耕作土壤中卻有顯著差異，研究者認(rèn)為封閉在50—200 μm微團(tuán)聚體內(nèi)的顆粒有機(jī)質(zhì)的周轉(zhuǎn)時(shí)間比在其它位置的顆粒有機(jī)質(zhì)更長(zhǎng)，所以，干擾較少的土壤由于團(tuán)聚體對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的保護(hù)作用，比受干擾的土壤能積累更多的易變性有機(jī)碳，與本文的研究結(jié)果一致。cPOC和fPOC作為活性有機(jī)碳可以直接參與土壤生物化學(xué)過程，同時(shí)也是土壤生物活動(dòng)的能源和土壤養(yǎng)分的驅(qū)動(dòng)力[24]。因此，林地和撂荒地土壤有機(jī)碳的活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于坡耕地及果園，具有更高的土壤肥力。

表2 在0—60cm土壤深度內(nèi)不同土地利用類型下各概念性碳庫(kù)中有機(jī)碳含量(g/kg)及其占土壤總有機(jī)碳百分比(%)以及與對(duì)照相比的相對(duì)差異(%)

Table 2 The contents of soil conceptual carbon pools and the percentages(%)to the total SOC and the relative differences(%)with the control treatment in the 0—60cm soil depth under the four land uses

1: 各概念性碳庫(kù)中的有機(jī)碳含量；2:各概念性碳庫(kù)占土壤總有機(jī)碳的百分比；3:各土地利用類型與對(duì)照相比的有機(jī)碳相對(duì)差異，其中坡耕地和果園是以林地為對(duì)照，而撂荒地則是以坡耕地為對(duì)照

土地利用變化對(duì)土壤有機(jī)碳有較大影響，相比于總有機(jī)碳，非保護(hù)有機(jī)碳庫(kù)變化更大，而物理保護(hù)和化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳庫(kù)變化則要小一些(表2)。在林地轉(zhuǎn)變?yōu)槠赂嘏c果園時(shí)，非保護(hù)有機(jī)碳庫(kù)分別降低了87.16%和74.74%，而在坡耕地棄耕為撂荒地后，非保護(hù)有機(jī)碳庫(kù)則增加了11.34倍。因此在土地利用轉(zhuǎn)變過程中，隨著有機(jī)質(zhì)輸入的增加或減少，土壤中非保護(hù)有機(jī)碳庫(kù)也會(huì)迅速的升高或降低。K?bl和K?gel-Knabner[25]發(fā)現(xiàn)與游離態(tài)顆粒有機(jī)碳相比，閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳含有更多的烷基碳(即碳化合物的長(zhǎng)鏈如酸、油脂、角質(zhì)酸、蛋白質(zhì)和縮氨酸)和較少的氧-烷基碳(如碳水化合物和多糖)，表明在游離態(tài)顆粒有機(jī)碳轉(zhuǎn)變?yōu)殚]蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳過程中，存在易分解碳水化合物選擇性分解和惰性的長(zhǎng)鏈碳的保護(hù)現(xiàn)象。Golchin等[26]發(fā)現(xiàn)在耕作土壤中，由于團(tuán)聚體的持續(xù)破壞，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)的礦化作物使易利用的氧-烷基碳優(yōu)先損失，可能這也是本研究中林地墾殖為坡耕地和果園后非保護(hù)有機(jī)碳庫(kù)快速降低的一個(gè)重要原因。不同組分有機(jī)碳分布的轉(zhuǎn)變可通過土壤有機(jī)碳化學(xué)成分的變化反映出來[18]，本文的試驗(yàn)結(jié)果表明在坡耕地在棄耕撂荒時(shí)fPOC的上升幅度大于iPOC，由此推斷在這個(gè)轉(zhuǎn)變過程中應(yīng)該伴隨著氧-烷基碳的富集。

Christensen[27]研究發(fā)現(xiàn)在長(zhǎng)期耕作的旱田里，其耕層土壤中非復(fù)合組分占總有機(jī)碳的比例通常低于10%，Sleutel 等[20]發(fā)現(xiàn)在比利時(shí)兩塊農(nóng)田的表層土壤(0—20 cm)中，cPOC與fPOC合起來占土壤總有機(jī)碳的比例為5%—14%，K?bl 和 K?gel-Knabner[25]也發(fā)現(xiàn)對(duì)砂至壤土，這兩個(gè)組分占土壤總有機(jī)碳的比例為2.5—13.4%。但本研究中坡耕地表層土壤(0—20 cm)中這兩種組分占土壤總有機(jī)碳比例的和約為20%，比以上的研究結(jié)果要高。fPOC即自由輕組有機(jī)碳，主要來源于不同分解階段的植物殘?bào)w，真菌的菌絲和孢子、種子、動(dòng)物殘?bào)w、微生物殘骸等[28]，對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)有重要作用，是植物養(yǎng)分的短期儲(chǔ)存庫(kù)，具有較高的易變性[29]，是土壤中不穩(wěn)定有機(jī)碳庫(kù)的重要組成部分[30]。本研究發(fā)現(xiàn)fPOC作為活性碳組分對(duì)土地利用變化最敏感，其敏感性指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它有機(jī)碳組分。Sleutel 等[20]也認(rèn)為fPOC可作為農(nóng)田管理措施變化對(duì)碳庫(kù)影響的良好指標(biāo)，但是fPOC的敏感性隨著管理措施的變化也在發(fā)生著改變。他們?cè)诒壤麜r(shí)的一個(gè)長(zhǎng)期野外試驗(yàn)站，發(fā)現(xiàn)在低有機(jī)質(zhì)輸入的情況下，隨著農(nóng)田廄肥施用量的增加，fPOC占總有機(jī)碳的分配比例也呈現(xiàn)出明顯的隨之升高趨勢(shì)，但在高有機(jī)質(zhì)輸入下(從每4年40 t廄肥+40 t NKP化肥處理到每4年80 t廄肥處理)，其分配比例沒有進(jìn)一步的顯著性的升高，從而表明這類非保護(hù)性碳庫(kù)可以變得飽和。另外，Carter等[31]在加拿大渥太華的沙壤土的一個(gè)研究發(fā)現(xiàn)輕組有機(jī)碳的分配比例在添加廄肥的處理下(50 t/hm2每季作物)高于不添加廄肥的處理，但是在50 t/hm2處理與100 t/hm2處理之間沒有發(fā)現(xiàn)持續(xù)的升高趨勢(shì)，從而證明該活性組分對(duì)管理方式有不同的響應(yīng)。

本研究發(fā)現(xiàn)不同土地利用方式下iPOM含量遠(yuǎn)高于fPOM，在整個(gè)0—60 cm土壤深度內(nèi)，4種土地利用方式下iPOM含量分別為林地16.66%，撂荒地5.24%、坡耕地4.14%和果園3.54%；而土壤中fPOM含量非常低，在0.27‰—2.12‰之間，但iPOC的分配比例卻顯著低于fPOC(圖4)，表明有機(jī)質(zhì)組分自身的碳濃度在其中發(fā)揮了重要作用。該結(jié)果與Elliott[32]的研究相反，他認(rèn)為團(tuán)聚體組分中有機(jī)碳的分布主要是受該組分含量的控制，但我們的研究結(jié)果與Del Gald等[33]相似，他們發(fā)現(xiàn)牧場(chǎng)中53—250 μm土壤組分有機(jī)碳分配比例比原始草原低38%，但其組分含量?jī)烧咧g卻沒有顯著差異。而且，Sleutel 等[20]也發(fā)現(xiàn)與對(duì)照(不施廄肥)相比，施加廄肥后的確可以提高iPOC的分配比例，但對(duì)iPOM的含量卻沒有明顯影響。Six等[6]以及Huang等[10]通過研究發(fā)現(xiàn)，iPOC對(duì)生態(tài)系統(tǒng)變化敏感，受土地利用變化及土地管理方式(例如耕作方式、施肥)的強(qiáng)烈影響。但我們的研究發(fā)現(xiàn)iPOC的敏感性指標(biāo)非常低(表1)，對(duì)土地利用變化并不敏感，這可能與不同的土壤類型或者氣候條件有關(guān)。

<53 μm土壤組分有機(jī)碳含量相對(duì)較高，但對(duì)土地利用變化并不敏感，其變化幅度甚至低于SOC(表2)，與Sleutel等[20]的研究一致，即隨著廄肥施用量的增加，<53 μm土壤組分有機(jī)碳含量及其分配比例均得到提高，然而增加幅度卻遠(yuǎn)低于土壤總有機(jī)碳。徐江兵等[12]通過對(duì)旱地紅壤表層(0—15 cm)有機(jī)碳物理分組發(fā)現(xiàn)，礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳(即本文中的s+c_m組分有機(jī)碳)是土壤有機(jī)碳的主要組成部分，占總有機(jī)碳的76%—85%，但在本研究中s+c_m組分有機(jī)碳占土壤總有機(jī)碳的分配比例卻非常低，在坡耕地0—20 cm土層中約為4%，這種研究結(jié)果上的差異也許是由于不同的土壤類型所致，本研究中的坡耕地為黃壤，而徐江兵等[12]的土壤類型為紅壤。然而，具體原因還有待于進(jìn)一步的研究。

4 結(jié)論

(1) 林地及撂荒地SOC及其各組分碳含量都顯著高于果園和坡耕地，說明林地開墾將會(huì)造成土壤中碳的流失，而坡耕地撂荒后則有助于碳的恢復(fù)和截存；

(2) 林地和撂荒地中活性較強(qiáng)的cPOC及fPOC的有機(jī)碳分配比例較高，而果園和坡耕地中受化學(xué)保護(hù)的粉+黏顆粒有機(jī)碳分配比例較高，說明林地和撂荒地SOC的活性高于果園和坡耕地，從而具有更高的土壤肥力；

(3) fPOC對(duì)土地利用方式的變化比SOC及其它組分更敏感，可作為評(píng)估土地利用變化對(duì)土壤有機(jī)碳庫(kù)影響的良好指標(biāo)。

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Distribution characteristics of soil organic carbon and its physical fractions under the different land uses in Jinyun Mountain

LI Jianlin, JIANG Changsheng, HAO Qingju*

KeyLaboratoryofEco-environmentsinThreeGorgesReservoirRegion(MinistryofEducation),CollegeofResourcesandEnvironment,SouthwestUniversity,Chongqing400715,China

The distribution characteristics of soil organic carbon (SOC) and its physical fractions under the different land uses in Jinyun Mountain were studied in this paper. Subtropical evergreen broad-leaved forest (forest for short), sloping farmland, orchard and abandoned land were selected and soils at the depths of 0—60 cm were sampled in the spring of 2011 to determine the contents of soil organic carbon fractions. Five soil organic carbon fractions, i.e., coarse particulate organic carbon (cPOC), fine particulate organic carbon (fPOC), intra-microaggregate particulate organic carbon (iPOC), silt and clay within microaggregates (s+c_m), silt and clay (s+c) were separated by physical fractionation technique. The results showed that the contents of SOC, cPOC, fPOC, iPOC, s+c_m and s+c in the whole soil depth from 0 to 60 cm were significantly higher in the forest (9.02, 3.14, 1.61, 0.33, 0.42, 3.53 g/kg) than those in the orchard (3.27, 0.93, 0.27, 0.10, 0.24, 1.73 g/kg) and in the sloping farmland (2.58, 0.51, 0.10, 0.12, 0.08, 1.77 g/kg), which indicated the reclamation of forest would result in the loss of SOC and its fractions. 14.90, 5.17, 2.36, 0.42, 0.59, 6.36 g/kg of SOC and its corresponding fractions in the abandoned land were remarkably higher than those in the sloping farmland, which indicated the abandon from farmland would lead to the effective recovery and sequestration of SOC and its fractions. Among the SOC physical fractions, the ratios of iPOC to SOC were the lowest and accounted for only 3% in each land use type. The cPOC and fPOC fractions were considered as unprotected carbon pool with higher liability. The ratios of cPOC and fPOC to SOC were highest in the soils of the forest and abandoned land, reached to more than 50%. The <53 μm fraction contains organic carbon which is stabilized both as a consequence of its complex chemical composition and by adsorption to silt and clay particles. The ratios of <53 μm fraction containing organic carbon to SOC were highest in the soils of the orchard and sloping farmland, 65.9 and 71.6%, respectively. The results showed that the liability of soil organic carbon in the soils of forest and abandoned land were higher than those in the orchard and sloping land, that is to say, there is stronger soil fertility in the soils of forest and abandoned land. Furthermore, we suggest that fPOC is a promising fraction for assessing the impact of land use change on SOC in Jinyun Mountain.

Jinyun Mountain; land use; soil organic carbon; physical fractionation

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41275160, 41005069, 40975095); 中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(XDJK2012A005, XDJK2013A009)

2013- 10- 16;

2014- 08- 22

10.5846/stxb201310162505

*通訊作者Corresponding author.E-mail: haoqingju@163.com

李鑒霖, 江長(zhǎng)勝, 郝慶菊.縉云山不同土地利用方式土壤有機(jī)碳組分特征.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(11):3733- 3742.

Li J L, Jiang C S, Hao Q J.Distribution characteristics of soil organic carbon and its physical fractions under the different land uses in Jinyun Mountain.Acta Ecologica Sinica,2015,35(11):3733- 3742.