楊小燕韓少杰陳祥偉( 東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱， 150040)

土壤有機(jī)碳作為植物-土壤系統(tǒng)的重要組成部分，不僅對改善土壤養(yǎng)分狀況、維系植物生長以及土壤耕性的改良方面起著巨大的作用［1］，而且是定量反映土壤結(jié)構(gòu)、土壤可蝕性以及土壤質(zhì)量演變的重要指標(biāo)［2-3］。氣候變化、土地利用及土壤管理措施等，雖然會(huì)不同程度地引起土壤有機(jī)碳的變化［4］，但這種變化是長期影響的結(jié)果，在短時(shí)間內(nèi)因變化幅度小而難以量化表達(dá)［5］。因此，僅通過土壤有機(jī)碳含量的測定，不能及時(shí)、準(zhǔn)確地定量分析因土壤管理措施的改變而引起土壤總有機(jī)碳短期內(nèi)的變化。相對土壤總有機(jī)碳，土壤活性有機(jī)碳，如顆粒有機(jī)碳［6］、熱水浸提有機(jī)碳［7］、輕組有機(jī)碳［8］、易氧化有機(jī)碳［9］等組分，不僅是土壤微生物活動(dòng)的能源和土壤養(yǎng)分的驅(qū)動(dòng)力，并能直接參與土壤生物化學(xué)過程;而且對土地利用變化及植被恢復(fù)等的響應(yīng)更為敏感，常被用來表征土壤有機(jī)碳的早期變化［10］。與此同時(shí)，許多學(xué)者基于易氧化有機(jī)碳的指標(biāo)而提出的碳庫管理指數(shù)，是土壤活性有機(jī)碳變化的敏感指標(biāo)，同樣能夠反映土壤管理措施影響土壤碳庫的程度［9，11］。

東北黑土區(qū)由于植被的破壞以及長期不合理的耕作，導(dǎo)致水土流失加劇、土壤質(zhì)量衰退嚴(yán)重，黑土土壤平均有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)由開墾前的14．6%下降至4．7%［12］。在國家退耕還林工程啟動(dòng)之前，東北黑土區(qū)已經(jīng)開展了較大面積的退耕還林，對改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境、恢復(fù)黑土質(zhì)量起到了重要作用［13］。已有研究發(fā)現(xiàn)，退耕還林對土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，表現(xiàn)為顯著增加、沒有變化或降低的趨勢，其結(jié)論不盡一致［14］。尤其在研究內(nèi)容上主要關(guān)注土壤總有機(jī)碳的變化，而對土地利用變化更為敏感的活性有機(jī)碳的研究較少。為此，本研究以東北典型黑土區(qū)不同退耕還林類型林地土壤為研究對象，對比分析不同退耕還林類型之間林地土壤活性有機(jī)碳組分的差異，旨在探討退耕還林對土壤活性有機(jī)碳分布特征的影響，以期為科學(xué)評價(jià)黑土區(qū)退耕還林工程的生態(tài)效益提供參考。

1 材料與方法

1．1 土壤樣品的采集與制備

研究地區(qū)位于黑龍江省克山縣境內(nèi)的克山農(nóng)場(48°12′～48°23′N，125°8′～125°37′E)。在26 連隊(duì)，選擇立地條件相似的落葉松(Larix gmelini)林、樟子松(Pinus sylvestris var． mongolica)林、水曲柳(Fraxinus mandshurica)林、美青楊(Populus nigra var． italica×P． cathayan)林4 種退耕還林類型，并以棄耕自然恢復(fù)地(撂荒地)為對照(見表1)，分別設(shè)置20 m×20 m 的臨時(shí)標(biāo)準(zhǔn)地各3 塊。于2012 年10月份在設(shè)置的臨時(shí)樣地內(nèi)按照“S”型5 點(diǎn)取樣法采集0 ～10 cm 新鮮土樣，除去石塊、植物根系等雜質(zhì)后等量混合。將土樣分為2 份，1 份置于冰箱中4℃保存，以供土壤熱水浸提有機(jī)碳的測定;1 份風(fēng)干后過篩，以供測定顆粒有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳、土壤基本理化性質(zhì)。

表1 樣地林分特征、土壤基本理化性質(zhì)

1．2 指標(biāo)及測定方法

土壤總有機(jī)碳(TOC)，采用元素分析儀(Multi EA400)測定;熱水浸提有機(jī)碳(HWOC)，采用J． B．Zhang et al［7］的方法浸提;顆粒有機(jī)碳(POC，粒徑＞53 μm)，采用C． A． Camberdella et al［15］的方法測定;易氧化有機(jī)碳(ROC)，采用F． C． B． Vieira et al［9］的方法測定。土壤密度，采用環(huán)刀法測定;土壤pH 值，用水浸提(m(水)∶m(土)= 2．5 ∶1．0)電位法測定;全磷，采用硫酸-高氯酸消解鉬銻抗比色法測定;土壤速效磷，采用氟化銨-鹽酸浸提鉬銻抗比色法測定;全氮，采用半微量凱氏定氮儀測定;堿解氮，采用堿解-擴(kuò)散法測定［16］。每個(gè)指標(biāo)重復(fù)3 次。

1．3 指標(biāo)計(jì)算及分析方法

土壤碳庫管理指數(shù)，采用F． C． B． Vieira et al 的方法計(jì)算［9］:

碳庫管理指數(shù)(Icm)=(碳庫指數(shù)×碳庫活度指數(shù))×100;

碳庫指數(shù)(Icp)=樣地土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)/參考土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù);

碳庫活度指數(shù)(IL)=樣地土壤碳庫活度/參考土壤碳庫活度;

碳庫活度(L)=活性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)/非活性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

其中:以撂荒地土壤作為對照土壤，其Icm定義為100。活性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為采用F． C． B． Vieira et al［9］的方法得到的易氧化有機(jī)碳(ROC)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，非活性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為土壤總有機(jī)碳與活性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)之差。

采用Microsoft Excel 2003 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理;運(yùn)用SPSS 13．0 統(tǒng)計(jì)分析軟件，通過單因素方差分析LSD-t 法對數(shù)據(jù)進(jìn)行差異性檢驗(yàn)，對各有機(jī)碳參數(shù)等進(jìn)行Pearson 相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2．1 退耕還林對土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

土壤有機(jī)碳是土壤養(yǎng)分的主要來源，其數(shù)量和質(zhì)量可用于評價(jià)土壤潛在生產(chǎn)力［17］。與撂荒地相比(見表2)，4 種退耕還林地均能顯著提高土壤總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(p＜0．05)，增強(qiáng)碳儲(chǔ)存能力。這是因?yàn)橥烁€林后，植被每年大量的凋落物和死亡根系對養(yǎng)分的歸還，即增加了外源有機(jī)物質(zhì)的輸入，從而顯著提高土壤有機(jī)碳量，這與許多學(xué)者的研究結(jié)果相似［14，18-19］。本研究僅僅探討了退耕還林后45 a左右林分的土壤活性有機(jī)碳的變化結(jié)果，并未考慮退耕還林過程中土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。事實(shí)上，隨著退耕還林地植被的不同生長發(fā)育階段，林分環(huán)境會(huì)發(fā)生不同程度的變化，林地土壤有機(jī)碳庫及其組分也會(huì)發(fā)生改變，其變化規(guī)律有待于進(jìn)一步探討。

表2 土壤活性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其分配比例

不同退耕還林類型，因林分建群種的不同，其根系分泌物的種類、數(shù)量和性質(zhì)也不同，進(jìn)而導(dǎo)致土壤有機(jī)碳量的差異［19］。黑土區(qū)退耕還林地土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高程度，以水曲柳林、美青楊林的增加幅度較大，分別達(dá)到31．06%、34．97%，且均顯著高于落葉松林、樟子松林(p＜0．05)。這主要是由于闊葉林植被凋落物的數(shù)量大、分解速率高，致使養(yǎng)分歸還量明顯高于針葉林［20］。

土壤活性有機(jī)碳的分配比例，是指土壤活性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)占土壤總有機(jī)碳的比例。與活性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)相比，活性有機(jī)碳的分配比例更有利于揭示植被覆蓋對土壤碳行為的影響，進(jìn)而直觀地表征該活性有機(jī)碳組分在土壤中的活性大小和土壤有機(jī)碳的質(zhì)量［8］。測定結(jié)果表明:黑土區(qū)退耕還林地土壤HWOC、POC、ROC 占土壤總有機(jī)碳比例的變化范圍，分別為3．52%～4．30%、17．40%～27．47%、11．03%～12．34%(見表2)。這與許多學(xué)者對土壤活性有機(jī)碳分配比例變化范圍的研究結(jié)論相吻合［9，23-24］。

從表2 還可以看出，不同活性有機(jī)碳組分的分配比例對土壤管理措施的響應(yīng)，表現(xiàn)出一定的差異。與撂荒地相比，除樟子松林土壤熱水浸提有機(jī)碳外，4 種退耕還林地均顯著提高了土壤活性有機(jī)碳組分占土壤總有機(jī)碳的比例(p＜0．05)，并且均表現(xiàn)出美青楊林土壤各活性有機(jī)碳組分的分配比例提高幅度最大，其熱水浸提有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳的分配比例增幅分別為38．20%、95．37%、11．04%。

2．2 退耕還林對土壤活性有機(jī)碳組分的影響

土壤有機(jī)碳是一種穩(wěn)定而長效的碳源物質(zhì)，其短暫波動(dòng)主要發(fā)生在活性較高且易分解的部分。黑土區(qū)不同退耕還林地，比撂荒地均顯著提高了不同活性有機(jī)碳組分(p＜0．05)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因:一方面，退耕還林所構(gòu)建的森林生態(tài)系統(tǒng)中，歸還至土壤中的植物殘?bào)w和腐殖質(zhì)較多，可被利用的碳源較充分，且土壤微生物群落碳代謝多樣性較高［21］，有機(jī)質(zhì)更新和活化能力較強(qiáng)。另一方面，由于土壤活性有機(jī)碳主要分布在土壤大團(tuán)聚體中，與土壤黏粒和粉粒百分比呈顯著負(fù)相關(guān)［22］;退耕還林后，富含碳的土壤團(tuán)聚體數(shù)量和穩(wěn)定性都得以提高，粉粒和黏粒比例降低，土壤非活性有機(jī)碳的富集程度降低，進(jìn)而導(dǎo)致活性有機(jī)碳量增加。

研究還表明，不同退耕還林地土壤活性有機(jī)碳的提高幅度以美青楊林最大，其土壤熱水浸提有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別較撂荒地增加了87．41%、165．05%、49．97%。此外，土壤活性有機(jī)碳組分中以土壤顆粒有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，變化幅度最大，其變化范圍為4．77 ～12．66 g·kg-1;易氧化有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)次之;熱水浸提有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對較低。

2．3 退耕還林對土壤碳庫管理指數(shù)的影響

土壤碳庫活度和碳庫活度指數(shù)，可以用于反映土壤碳素的活躍程度，活度越大，表示有機(jī)碳越易被微生物分解，質(zhì)量也越高［9］。測定結(jié)果表明:4 種退耕還林地均顯著提高了土壤碳庫活度和碳庫活度指數(shù)(p＜0．05)，表現(xiàn)出闊葉林的提高幅度大于針葉林，并以水曲柳林的提高幅度最大，土壤碳庫活度和碳庫活度指數(shù)分別比撂荒地相對提高了13．63%、14．00%。

表3 不同退耕還林地土壤碳庫管理指數(shù)比較

土壤碳庫指數(shù)和碳庫管理指數(shù)是系統(tǒng)的、敏感的反映管理措施對土壤碳庫動(dòng)態(tài)變化的指標(biāo)，能夠反映土壤質(zhì)量下降或更新的程度［25］。研究發(fā)現(xiàn)，不同退耕還林地均顯著提高了土壤碳庫指數(shù)和土壤碳庫管理指數(shù)(p＜0．05)，且均表現(xiàn)為美青楊林的提高幅度最大，分別比撂荒地相對提高了35．00%、51．97%。這表明:退耕還林不僅能提高土壤有機(jī)碳數(shù)量，而且能改善土壤有機(jī)碳質(zhì)量，從而提高土壤的潛在生產(chǎn)力，使土壤系統(tǒng)向著良性方向轉(zhuǎn)變。這與戴全厚等［26］的研究結(jié)果一致。

2．4 不同活性有機(jī)碳組分之間及其與碳庫管理指數(shù)之間的相關(guān)性

相關(guān)分析表明(見表4)，測定的黑土土壤不同活性有機(jī)碳組分及其分配比例，均與有機(jī)碳呈顯著相關(guān)，表明各活性有機(jī)碳在很大程度上取決于土壤總有機(jī)碳量，并且能較好地反映土壤總有機(jī)碳量的動(dòng)態(tài)變化。同時(shí)，不同活性有機(jī)碳之間的相關(guān)關(guān)系也均達(dá)顯著水平，表明，雖然它們的表述和測定方法不同，但各自從不同角度表征了土壤中活性較高部分有機(jī)碳的量，這與許多學(xué)者的研究結(jié)果一致［6，8］。

表4 各活性有機(jī)碳之間以及其與碳庫管理指數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)

土壤碳庫管理指數(shù)(Icm)，由于融合了人為影響下土壤碳庫指標(biāo)和碳庫活度兩個(gè)方面的內(nèi)涵，既能反映土壤有機(jī)碳總量的變化，又能反映活性有機(jī)碳組分的變化，從而能夠全面、動(dòng)態(tài)地揭示管理措施對土壤有機(jī)碳總量及組分的影響［27］。研究發(fā)現(xiàn)，東北黑土區(qū)土壤Icm與土壤有機(jī)碳、熱水浸提有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳以及活性有機(jī)碳的分配比例之間，均呈顯著正相關(guān)(見表4)，許多學(xué)者的研究中也得出了同樣的結(jié)論［28-29］。因此可以認(rèn)為:Icm能夠作為反映黑土區(qū)土地利用變化對土壤有機(jī)碳影響的敏感指標(biāo)。

3 結(jié)論

土壤活性有機(jī)碳對土地利用變化的響應(yīng)較為敏感，可以定量表征土壤碳庫的早期變化。黑土區(qū)退耕還林地顯著提高了土壤有機(jī)碳量、各活性有機(jī)碳組分量與分配比例，并且以闊葉林的促進(jìn)效果顯著優(yōu)于針葉林。

退耕還林能夠顯著提高土壤碳庫活度、碳庫活度指數(shù)、土壤碳庫管理指數(shù)，在一定程度上改善土壤有機(jī)碳特性，促使土壤質(zhì)量向著良性方向發(fā)展。

不同活性有機(jī)碳組分之間，以及活性有機(jī)碳分別與土壤有機(jī)碳、碳庫管理指數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系，均達(dá)顯著水平;這進(jìn)一步證實(shí)了，土壤碳庫管理指數(shù)能夠客觀反映黑土區(qū)土壤管理措施影響土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)變化，是表征黑土土壤質(zhì)量和評價(jià)土壤管理的良好評價(jià)指標(biāo)。

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