崔 東,肖治國,趙 玉,鄧 霞,孟祥霞,羅青青
(伊犁師范學院 生物與地理科學學院,新疆 伊寧835000)
不同土地利用類型對伊犁地區(qū)土壤活性有機碳庫和碳庫管理指數(shù)的影響
崔 東,肖治國,趙 玉,鄧 霞,孟祥霞,羅青青
(伊犁師范學院 生物與地理科學學院,新疆 伊寧835000)
土壤碳庫管理指數(shù)(CPMI)可以比較準確地發(fā)現(xiàn)人為因素對土地利用的干擾情況。以伊犁河谷不同土地利用類型(耕地、林地、草地和荒地)為研究對象,分析了不同土地利用類型土壤有機碳(SOC)含量、活性有機碳含量及其在SOC中的分配情況,各類有機碳含量之間的相關(guān)性、CPMI。研究表明:(1)不同土地利用類型SOC含量和水溶性有機碳(WSOC)含量有顯著差異,SOC含量為草地>林地>耕地>荒地;WSOC含量為耕地(最高)>荒地(最低);易氧化碳(ROC)含量為草地最低;在0—20 cm和20—40 cm土層,微生物量碳(MBC)含量為草地(最高)>林地(最低);ROC含量為荒地高于草地。不同土地利用類型SOC含量均隨土層深度增加而降低;ROC含量均隨土層深度增加而升高;除林地外,其他樣地MBC含量均隨土層深度增加呈先升高后降低趨勢,而WSOC含量均隨土層深度增加而逐漸降低。(2)不同土地利用類型下ROC,MBC和WSOC所占SOC比例各不相同,且碳庫的活度主要取決于ROC所占比例,ROC所占比例為荒地>耕地>林地>草地;MBC所占比例為荒地>耕地>草地>林地;WSOC所占比例為耕地>林地>荒地>草地。同一土地利用類型各活性有機碳所占比例情況為ROC>MBC>W(wǎng)SOC。(3)不考慮土層深度影響,耕地ROC含量與MBC含量呈極顯著線性負相關(guān);林地SOC含量與ROC含量呈顯著線性負相關(guān);荒地SOC含量與WSOC含量呈極顯著線性正相關(guān)。不同土地利用類型下SOC,ROC,MBC,WSOC含量之間線性相關(guān)程度總體偏低。(4)同一土地利用類型,CPMI均隨土層深度的加深先增大后減?。?—20 cm土層的CPMI為林地>荒地(100)>耕地>草地。土地利用類型由荒地、草地、耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?,有利于CPMI的提高,有利于土壤培肥,促進碳循環(huán)。
土地利用類型;土壤活性有機碳庫;碳庫管理指數(shù);伊犁河谷
土壤有機碳庫在土壤碳庫中占有很大比重,并且對碳循環(huán)有重要影響[1]。土壤有機碳對土壤理化性質(zhì)和土壤生物活性有不同程度的影響,它可以改善土壤結(jié)構(gòu),對土壤的穩(wěn)定性、涵養(yǎng)水源、保持肥力有重要作用[2-4]。與土壤有機碳(SOC)相比,土壤的活性有機碳易氧化、礦化[5],更能體現(xiàn)出對土地利用等環(huán)境因子的高靈敏度,雖然它們含量較少,但是能較好地反映人為原因所導致的土壤的微小變化,是土壤碳循環(huán)的驅(qū)動力[6]。土壤的活性有機碳的組分復(fù)雜,而且大多含量稀少,主要有易氧化碳、微生物量碳和水溶性碳等,這些活性有機碳在很大程度上可以互相轉(zhuǎn)化、遷移,受人為因素干擾而呈現(xiàn)強動態(tài)變化并有一定差異[7-8]。目前,更多的研究主要集中在ROC,而且更多與土壤的養(yǎng)分相結(jié)合,而對于活性有機碳內(nèi)部關(guān)系的研究則較少,尤其對于干旱區(qū)土壤活性有機碳庫的研究相對較少,對于土壤碳庫管理指數(shù)(CPMI)的評價,可以比較準確地發(fā)現(xiàn)人為因素對土地利用的干擾情況。不同的土地利用類型將產(chǎn)生不同的CPMI,土地利用類型的轉(zhuǎn)變,也將使得土壤的CPMI發(fā)生變化,對土壤的CPMI影響也各不相同。
本文對伊犁河谷不同土地利用類型的SOC含量、活性有機碳中的部分組分含量及其在SOC中的比例和它們的剖面變化情況進行分析整合,結(jié)合前人對土壤有機碳庫的分析方法,探究不同土地利用類型下的CPMI、碳庫活度(A)及其活度指數(shù)(AI)的變化情況,以期為土壤有機碳的提高及恢復(fù)提供相應(yīng)的參考依據(jù)。
伊犁河谷地處新疆天山山脈西部,三面環(huán)山而向西開口,地理位置為東經(jīng)42°12′37.68″—44°50′30.53″,北緯80°09′37.96″—84°53′15.82″。屬溫帶大陸性氣候,是新疆雨水資源豐富的地區(qū)之一,天然草場面積較大,是森林面積的11倍之多,年均氣溫大約10℃,年日照時數(shù)大約2 900 h。生產(chǎn)方式以農(nóng)牧業(yè)為主。
在伊犁河谷采集13個耕地剖面、5個林地剖面、5個草地剖面、6個荒地剖面,每個剖面采集上層(0—20 cm)、中層(20—40 cm)、下層(40—60 cm)的土壤樣品,室內(nèi)風干、磨細、裝袋作為待測樣品。
土壤SOC(有機碳)采用重鉻酸鉀容量法[9-10];土壤ROC(易氧化碳)采用高錳酸鉀氧化—比色法[9];土壤WSOC(水溶性有機碳)采用重鉻酸鉀氧化滴定法[11-13];土壤MBC(微生物量碳)采用氯仿熏蒸—硫酸鉀浸提法[14-15]。計算方法如下:
采用SPSS 17.0和Microsoft Excel 2010軟件進行處理。
由圖1可看出不同土地利用類型SOC含量均隨土層深度增加而降低,降幅逐漸減小;ROC的變化可反映出有機質(zhì)的早期變化[16],ROC含量均隨土層深度增加而升高,其中耕地和草地的增幅逐漸減小,林地和荒地的增幅逐漸增大;MBC與碳的轉(zhuǎn)化密切相關(guān)[17],除林地外,其他地類 MBC含量均隨土層深度增加呈先升高后降低趨勢,林地則呈先降低后升高趨勢;除林地外,其他地類WSOC含量均隨土層深度增加呈逐漸降低趨勢,降幅逐漸增加,林地則呈先升高后降低趨勢。
圖1 不同土地利用類型各類有機碳分異規(guī)律
同一土層中,SOC含量為草地>林地>耕地>荒地;WSOC含量為耕地(最高)>荒地(最低);ROC含量為草地始終最低。另外,在上層和中層,ROC含量為荒地高于草地;MBC含量為草地(最高)>林地(最低)。在上層和下層中ROC含量為林地(最高)>耕地>草地(最低)。在中層和下層,WSOC含量為林地>草地。
由此可知,由荒地轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸?,ROC含量下降,SOC含量、MBC含量和WSOC含量均增加;由荒地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?,SOC含量、ROC含量和 WSOC含量均增加;由荒地轉(zhuǎn)變?yōu)楦?,SOC含量和 WSOC含量均增加。由草地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?,SOC含量減小,ROC含量增加,由草地轉(zhuǎn)變?yōu)楦兀琖SOC含量和ROC含量均增加,SOC含量和MBC含量減小。由林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦?,SOC含量減小、WSOC含量增加。
由表1可知,不同土地利用類型之間MBC含量和ROC含量無顯著差異(p>0.05);而不同土地利用類型之間SOC含量、WSOC含量呈極顯著差異(p<0.01),其中,SOC含量為林地和草地分別極顯著高于耕地和荒地(p<0.01),WSOC含量為耕地顯著高于林地、草地、荒地(p<0.05),林地極顯著高于荒地(p<0.01),草地顯著高于荒地(p<0.05)。
不同土層深度之間SOC含量、MBC含量和WSOC含量均無顯著差異(p>0.05),而ROC含量有顯著差異(p<0.05),其中,ROC含量為下層顯著高于上層(p<0.05)。由此可知,ROC含量主要受土層深度影響,SOC含量和WSOC含量主要受土地利用類型影響,而MBC含量受土地利用和土層深度影響小。
表1 單因素方差分析假設(shè)檢驗結(jié)果
由圖2可知,活性有機碳(ROC,MBC,WSOC)占SOC含量的百分比情況及ROC所占比例均為荒地>耕地>林地>草地;WSOC所占比例為耕地>林地>荒地>草地;MBC所占比例為荒地>耕地>草地>林地。由同一土地利用類型各活性有機碳所占比例情況來看,ROC>MBC>W(wǎng)SOC。
由變化趨勢看,活性有機碳和ROC在土壤中的分配情況基本一致,都呈現(xiàn)出隨土層加深而增大的趨勢,說明活性有機碳中ROC占據(jù)很大比重。除林地外,MBC所占比例隨土層深度增加而先增大后減小,林地則呈先減小后增大的趨勢;除草地外,其他3種土地利用類型的WSOC所占比例均隨土層深度增加而先增大后減小,而草地則呈隨土層深度增加而減小。
從不同土地利用類型間的轉(zhuǎn)變上看:荒地轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸?,ROC,MBC和WSOC比例下降;荒地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?,ROC,MBC比例下降,WSOC比例升高;荒地轉(zhuǎn)變?yōu)楦?,ROC,MBC比例均下降,WSOC比例升高;草地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?,ROC比例升高,MBC比例下降,WSOC比例升高;草地轉(zhuǎn)變?yōu)楦?,ROC,MBC和WSOC在SOC中占有的比重均升高;林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦兀琑OC,MBC和WSOC比重均升高。
圖2 各土壤活性有機碳在SOC中所占比例
由單因素方差分析知,不同土地利用類型下ROC所占比例有顯著差異(p<0.05),荒地顯著高于林地和草地(p<0.05),耕地顯著高于草地(p<0.05);不同土地利用類型下MBC所占比例有極顯著差異(p<0.01),耕地顯著高于林地(p<0.05),荒地極顯著高于林地和草地(p<0.01);不同土地利用類型下WSOC所占比例有極顯著差異(p<0.01),耕地極顯著高于林地(p<0.01)、荒地和草地;不同土地利用類型下活性有機碳所占比例有顯著差異(p<0.05),耕地顯著高于草地,荒地顯著高于林地和草地(p<0.05)。不同土層深度下ROC,MBC,WSOC和活性有機碳所占比例均無顯著差異(p>0.05)。由此可知,土地利用主要影響各活性有機碳所占比例,而土層深度對各活性有機碳比例影響較小。
不考慮土層深度情況下,由表2可見,耕地中ROC含量與MBC含量呈極顯著線性負相關(guān);林地中SOC含量與ROC含量呈現(xiàn)顯著線性負相關(guān)關(guān)系;荒地中SOC含量與WSOC含量呈極顯著線性正相關(guān)。從表2中可看出,Pearson相關(guān)系數(shù)大部分均小于0.5,為弱相關(guān),說明不同地類下SOC,ROC,MBC,WSOC含量之間線性相關(guān)程度總體偏低。
由相關(guān)分析知,耕地的MBC與ROC含量呈此消彼長的關(guān)系,說明WSOC很大一部分被轉(zhuǎn)化為了MBC,成為土壤微生物生存的重要碳源之一;林地的ROC與SOC含量也呈這種關(guān)系,說明ROC很大程度依賴于SOC,短時間內(nèi)SOC含量來不及補充,從而導致SOC含量降低;荒地的SOC與WSOC含量呈一方增長另一方也增長的關(guān)系,說明WSOC主要源于SOC的水解,而WSOC往往也與SOC中的其他組分可以相互轉(zhuǎn)化使得SOC含量比較高的地方,WSOC含量也相應(yīng)會有所提高。
將荒地看作參照土壤,對不同土地利用類型不同土層的CPMI進行比較(圖3)。同一土地利用類型,CPMI均隨土層加深呈先變大后變小的趨勢;同一土層,上層和下層CPMI為林地>荒地(100)>耕地>草地,中層CPMI為耕地>林地>荒地(100)>草地。
表2 不同土地利用類型下的各有機碳之間的線性相關(guān)關(guān)系(Pearson相關(guān)系數(shù))
從圖3中可看出各層中草地的CPMI最低且都低于荒地,說明對草地的利用不合理,林地的CPMI在各土層均高于荒地,說明對林地的利用較合理,而耕地的CPMI在上層和下層的值均小于荒地,在中層高于林地和荒地,這說明對耕地管理的優(yōu)勢在中層。
由單因素方差分析知(表1),不同土地利用類型對CPMI有顯著差異(p<0.05),耕地、林地和荒地均顯著高于草地(p<0.05);不同土層深度之間的CPMI沒有達到顯著差異(p>0.05)??梢奀PMI主要受土地利用類型的作用,較少受到土層深度變化的作用。
由荒地轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸?,會導致CPMI下降,不利于合理利用土地資源,由荒地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值兀珻PMI將會有所提升,但是由荒地轉(zhuǎn)變?yōu)楦?,對上層和下層土壤最為不利,對中層土壤比較有利。草地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?、耕地的進程中,CPMI均明顯增加且上層增幅最大可見在這一進程中,對上層的影響比較大。林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦?,上層和下層的CPMI降低,中層的CPMI升高,說明在很大程度上林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦夭焕谕恋氐目茖W管理。
圖3 不同土地利用類型下各類碳庫指數(shù)的變化情況
由圖3可知,耕地、林地和草地的CPI均隨土層深度增加而增大,同一土層CPI均為草地>林地>耕地>荒地。除草地外,耕地和林地的AI均隨土層深度增加而減小,草地則隨土層深度增加而先增大后減小,同一土層AI為荒地>耕地>林地>草地。不同土地利用的A均隨土層深度增加而增大,同一土層,荒地>耕地>林地>草地,結(jié)合ROC所占比例可看出荒地的礦化潛力[18-20]最大,草地的礦化潛力最小。
在土地利用面積和分布來看,伊犁河谷內(nèi)草地面積最大,其次是耕地和林地(以雪嶺云杉、河谷楊樹林及人工防護林等為主),荒地面積最小[21]。因此,伊犁河谷適宜發(fā)展農(nóng)牧業(yè),而農(nóng)牧業(yè)的過度發(fā)展使得耕地不斷擴張,過度放牧現(xiàn)象嚴重,對土壤生態(tài)環(huán)境造成了一定影響。
對于草地來說,與荒地、林地、耕地相比,草地的SOC含量最高,活性有機碳的含量較低并且在SOC含量中所占的比例也較小。草場的水文氣候條件較好,牧草資源豐富,其中高比例的優(yōu)質(zhì)牧草對畜牧業(yè)發(fā)展極有好處[22]。為SOC提供了更多的碳源,大大促進了草地SOC含量的增加。而高強度的放牧、人為開墾以及蟲鼠害、毒草的蔓延等導致了草地的退化[23],使得SOC的活性部分難以維持,導致活性有機碳含量及其在SOC中的比例較低。
對荒地來說,與草地、林地、耕地相比,荒地的SOC含量最低,ROC和MBC含量和所占SOC比例都較高,而WSOC在含量和比例方面都較低?;意}土是伊犁地區(qū)荒地中宜農(nóng)荒地的主要類型,腐殖層薄,地表植被主要是短命蒿屬,這類土壤的表層有機質(zhì)往往很低[24]、凋落物較少,SOC的來源少導致SOC含量較低。地表植被的根際微生物能將土壤中的有機物很快分解、氧化,使得ROC含量增加;土壤生物從根系分泌物、生物殘體等獲得營養(yǎng)物質(zhì)從而促進自身的新陳代謝、土壤生物活動加強,進一步使得MBC增加。具體過程為:首先,腐殖質(zhì)含量較少,限制了WSOC的來源[25];其次,土壤生物活性有機碳庫[26]的周轉(zhuǎn)能力弱使得 WSOC在SOC中所占比例較低,導致WSOC的積累較少;再次,WSOC與SOC呈顯著正相關(guān)關(guān)系,二者的共同作用使得WSOC含量和所占比例處于較低水平。
對耕地來說,與荒地、草地、林地相比,耕地的SOC含量與荒地之間無顯著差異,耕地的活性有機碳含量及其在SOC中所占比例較高,其中WSOC在含量和比例方面都是最高的。有研究表明[27],伊犁地區(qū)確實有很多宜農(nóng)荒地、草地被開墾為耕地,但是耕地面積的快速擴張、粗放型利用土地[28]加劇了伊犁河谷的水土流失,進而導致耕地的SOC含量與荒地差異不大。耕地WSOC在SOC中所占比例很高說明土壤生物活性有機碳庫周轉(zhuǎn)能力強,WSOC的積累量比較大;土壤經(jīng)過翻耕使得作物殘體跟土壤有充分接觸,加速了作物殘體分解[29],從而促進了活性有機碳含量的增加,因此活性有機碳的含量和比例較高。
對林地來說,與荒地、草地、耕地相比,林地的SOC含量較高,林地的活性有機碳中ROC和WSOC含量及其在SOC中所占比例較高,而MBC在SOC中所占比例最低。這可能是因為林地每年都會有大量的凋落物進入土壤、土壤里的細根物質(zhì)增加了SOC的輸入量;SOC與ROC呈顯著負相關(guān),而ROC的量并沒有因此而減少,可能是因為SOC的輸入速率大于氧化分解的速率使ROC和WSOC在含量和比例方面都較高;林地MBC含量所占比例很低可能是因為一方面林地特殊的土壤環(huán)境條件以及生物種群結(jié)構(gòu)阻礙了MBC的來源,另一方面地上凋落物的質(zhì)和量提供給微生物生存的養(yǎng)分及微量元素不足,抑制了微生物的生長繁殖[30],使得微生物活性降低,不利于MBC含量的增加。
總之,影響土壤碳庫變化的自然因素有氣候、土壤性質(zhì)、地形、植被等,人為因素有土地利用和土地覆被變化、耕作措施、秸稈還田和施加肥料、種植制度和作物系統(tǒng)等[31]。這些因素對土壤碳庫的影響復(fù)雜,文中討論了土地利用對碳庫的影響,而CPMI是表征土壤碳庫變化的重要量化指標[32-33],該指標顯示,耕地和草地是農(nóng)牧業(yè)發(fā)展的必要條件,而它們的CPMI卻不如荒地,說明了人類對耕地和草地的管理不當,而過度開墾荒地、過度放牧等使原本脆弱的土壤受損更加嚴重。通過比較CPMI發(fā)現(xiàn),只有林地高于荒地,這說明盡管較低含量的MBC含量對CPMI的影響較小,但不能忽視活性有機碳內(nèi)部的動態(tài)平衡。此外,林地可以增加地表植被,改良土壤性狀,改善農(nóng)耕環(huán)境[34],這對正在退化或?qū)⒁嘶母睾筒莸鼐哂泻苤匾囊饬x和價值。
(1)與各活性有機碳的含量相比它們所占SOC的比例更能體現(xiàn)土地利用對土壤碳庫的影響,活性有機碳占SOC含量的比例情況和ROC所占比例均為荒地>耕地>林地>草地;MBC所占比例為荒地>耕地>草地>林地;WSOC所占比例為耕地>林地>荒地>草地。同一土地利用各活性有機碳所占比例為ROC>MBC>W(wǎng)SOC。
(2)荒地看作參照土壤,同一土地利用類型,CPMI均隨土層深度的加深呈先增大后減小;同一土層,上層土壤CPMI為林地>荒地>耕地>草地。CPMI主要受到土地利用類型的影響,較少受到土層深度變化的影響。不同土地利用的A均隨土層深度增加而增大,同一土層,荒地>耕地>林地>草地,結(jié)合ROC所占比例可看出荒地的礦化潛力最大,草地的礦化潛力最小。
(3)綜合上述土地利用轉(zhuǎn)化情況可知,其他土地利用(荒地、草地、耕地)轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?,MBC所占比例在下降,說明供微生物所利用的碳或微生物本身所含的碳的比例在減少,很大程度上不利于微生物生存,但是CPMI卻在升高,說明其他土地利用類型轉(zhuǎn)變?yōu)榱值馗欣贑PMI的提高,對林地的管理較為合理。然而由荒地、草地、林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦?,更有利于WSOC含量和比例的升高;由荒地、林地、耕地轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸?,ROC含量減少,SOC含量增加,ROC和 WSOC比例下降,CPMI也下降;由草地、林地、耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榛牡?,SOC和WSOC含量減少,ROC和MBC比例上升。
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Effects of Different Land Use Patterns on Soil Active Organic Carbon Pool and Carbon Pool Management Index in Yili Area,Xinjiang Uygur Autonomous Region
CUI Dong,XIAO Zhiguo,ZHAO Yu,DENG Xia,MENG Xiangxia,LUO Qingqing
(College of Biology and Geography,Yili Normal University,Yi′ning,Xinjiang835000,China)
The soil carbon pool management index(CPMI)can be used to find out the interference of human factors on land use patterns.The different land use patterns(cultivated land,forest land,grassland and wasteland)in Yili River Valley were selected as the study examples.Soil organic carbon(SOC)content,active organic carbon content and the ratio of SOC content in the different land use patterns,and correlation between various patterns of organic carbon content,CPMI were analyzed.The results showed that:(1)there were significant differences in SOC contents and WSOC(water soluble organic carbon)contents in different land use patterns,SOC content decreased in the order:grassland>forest land>cultivated land>wasteland;WSOC content decreased in the sequence:cultivated land(highest)>wasteland (minimum);the lowest ROC(readily oxidized organic carbon)content is grassland;MBC(microbial biomass carbon)content in the soil layers in 0—20 cm and 20—40 cm decreased in the order:grassland(highest)>forest land(minimum);ROC content of wasteland is higher than grassland.The contents of SOC in different land use patterns decreased with the increase of soil depth;the content of ROC increased with the increase of soil depth;in addition to forest land,MBC contents of the other samples increased with soil depth increase first and then decreased,but WSOC content decreased with the increase of the soil depth;(2)under different land use patterns,the proportion of ROC,MBC and WSOC in SOC were not identical and the activity of carbon pool mainly depended on the proportion of ROC,the proportion of ROC decreased in the order:wasteland>cultivated land>forest land>grassland;the proportion of MBC decreased in the order:wasteland>cultivated land>grassland>forest land;the proportion of WSOC decreased in the sequence:cultivated land>forest land>wasteland>grassland.The proportion of active organic carbon in the same land use decreased in the order:ROC>MBC>W(wǎng)SOC;(3)without considering the influence of soil layer,the content of ROC in cultivated land was negatively correlated with the content of MBC;the content of SOC in forest was significantly negatively correlated with ROC content;the content of SOC in the wasteland was significantly positively correlated with the WSOC content,the linear correlation between SOC,ROC,MBC and WSOC content in different land use patterns was generally poor;(4)in the same land use patterns,CPMI with the depth of the soil layer increased first and then decreased;the CPMI of the 0—20 cm soil layer decreased in the order:forest land>wasteland(100)>cultivated land>grassland.Land use pattern conversion of wasteland,grassland,cultivated land to forestland is useful to the improvement of CPMI,it is advantageous to soil fertility,promoting carbon cycle.
land use patterns;active organic carbon pool of soil;carbon management index;Yili River Valley
S153.6
A
1005-3409(2017)01-0061-07
2016-01-17
2016-02-03
伊犁師范學院校級科研資助項目“土地利用方式對伊犁土壤活性有機碳庫和碳庫管理指數(shù)的影響”(2015YSYB22)
崔東(1984—),男,新疆烏魯木齊人,博士研究生,講師,主要從事干旱區(qū)土壤地理與環(huán)境變化等方面的教學與科研工作。E-mail:cuidongw@126.com