孫沙沙 段建軍 王小利 焦克強 呂鑫

摘 要：本文以貴州高坡喀斯特小流域的土壤為研究對象，在野外調查及室內分析的基礎上，探討了稻田、林地和荒草地三種土地利用方式對土壤有機碳（SOC）組分含量特征及其分配比例的影響。采用物理-化學聯(lián)合分組方法，將SOC分為不同粒徑的12個土壤組分。研究結果表明，在0～20 cm的表層土壤范圍內，林地（3.77 k/kg）各組分有機碳平均含量均顯著（P<0.05）高于荒草地（3.17 k/kg），荒草地顯著（P<0.05）高于稻田（2.11 k/kg）。在SOC的各組分中，稻田、林地和荒草地三種土地利用方式下iPOM即物理保護有機碳分配比例分別為10%、7%、11%，其在林地中的分配比例較低；cPOM和fPOM作為活性較強的未保護游離活性有機碳，在林地和荒草地中所占SOC分配比例最高，達到30%以上；稻田中游離態(tài)粉粒、粘粒和微團聚體粉粒、粘粒有機碳組成的化學保護有機碳分配比例最大為5%。在SOC及其各組分中，fPOM可作為土地利用變化對土壤有機碳影響的評估指標。

關鍵詞：喀斯特；土地利用方式；土壤有機碳；物理-化學聯(lián)合分組

中圖分類號：S151.9

文獻標識碼：A

文章編號：1008-0457（2018）03-0049-07 國際DOI編碼：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2018.03.009

Composition Characteristics of Soil Organic Carbon under Different Land Use Types in Small Watershed of Karst

SUN Shasha1，DUAN Jianjun2*，WANG Xiaoli1，JIAO Keqiang1，LV Xin1

（1. College of Agriculture， Guizhou University， Guiyang 550025， China； 2. College of Tobacco Science， Guizhou University/Guizhou Key Laboratory for Tobacco Quality， Guiyang 550025， China）

Abstract：The effects of three land use types of woodland， grassland and paddy field on the content and distribution ratio of soil organic carbon （SOC） were studied on the basis of field investigation and indoor analysis. SOC was divided into 12 soil components based on different particle sizes by physical-chemical combination grouping method. The results showed that in the surface soil of 0～20cm， the average content of soil organic carbon in the woodland （3.77k/kg） was significantly higher （P<0.05） than that of the grassland （3.17k/kg）， which was significantly higher （P<0.05） than that of the paddy field （2.11k/kg）. Among the components of SOC， the proportion of iPOM， i.e. physical protective organic carbon， was 10% for paddy field， 7% for woodland and 11% for grassland， respectively， i.e. iPOM is low in woodland. cPOM and fPOM are the most active unprotected free active organic carbon， and their proportion in SOC components of woodland and grassland was the highest， reaching up to 30%. The proportion of chemical protection organic carbon， consisting of free-grain particles， clay particles and micro-aggregate particles， in the paddy field is the largest， reaching 5%. Among the SOC components， fPOM can be used as an indicator for evaluating the impact of land use changes on the soil organic carbon.

Key words：Karst；land use type；soil organic carbon；physical-chemistry combination grouping

土壤有機碳（SOC）是評價土壤肥力的重要指標，土壤碳庫作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫，對全球氣候變化及人類生存環(huán)境有著重要影響。據(jù)估計，地表土壤碳含量大約為2500 Pg，其中有機碳庫為1550 Pg[1]。土地利用方式作為人類對地表土壤干擾活動的主要形式，是影響地球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量及其分布的關鍵因素，表層土壤有機碳對土地利用方式的響應和敏感程度極其顯著[2-4]，前人研究表明，土地利用方式的改變會導致表層土壤有機碳的減少，在較短時間內，同種土壤類型下，人類利用方式的改變也會引起表層土壤有機碳發(fā)生快速變化[5-7]。在土壤有機碳數(shù)值很大的情況下，利用總有機碳來評價土地利用方式的變化對土壤有機碳動態(tài)的影響是很困難的[8]，因此，對土地利用方式變化較為敏感的土壤有機碳組分的研究近年來得到很大的重視，本文采用 Stewart 等人提出的物理-化學聯(lián)合分組方法將土壤有機碳分成四個組分：未保護游離活性有機碳、物理保護有機碳、化學保護有機碳和生物化學保護有機碳，從而為不同土地利用方式下的土壤有機碳組分特征的研究提供理論數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于黔中喀斯特小流域，地理坐標為東經(jīng)106°15′14″～106°54′42″，北緯為20°17′21″～28°17′08″，海拔為1381～1566 m。該地區(qū)屬于亞熱帶季風性濕潤氣候，年平均降雨量為1211～1340 mm，主要集中在5～8月，年平均氣溫在15℃左右，最冷月平均氣溫在-5℃～0℃，最熱的7月平均氣溫也只是在20℃～22℃之間，為典型夏涼地區(qū)，適宜避暑度假。該地區(qū)屬于高寒山區(qū)，最高海拔達到1712.1 m，北高南低，境內多屬典型的喀斯特地貌，大小溶洞隨處可見，地理結構比較獨特，為地壘式巖地隆起，四周峽谷深陷，頂部平坦而形成臺地。本研究主要的土地利用類型是稻田和林地，稻田主要以種植水稻為主，林地主要以喬木和低矮的灌木為主，如馬尾松、大葉女貞和鋪地柏?；牟莸貫闂壐嗄甑钠赂?，地面植被為生長旺盛的雜草，無喬木和灌木。

1.2 土壤樣品采集

土壤樣品采自貴州高坡喀斯特小流域，土壤呈酸性。選擇稻田、林地和荒草地三種土地利用方式進行土壤樣品的采集。采樣前根據(jù)實地考察并結合小流域地形圖，按照規(guī)則網(wǎng)格法進行采樣，采樣時，根據(jù)實地情況進行小范圍移動以避開路邊、裸巖等特殊地物，用手持式GPS定位并記錄采樣點經(jīng)度、海拔、土地利用類型等信息。采集表層（0～20 cm）土壤樣品稻田197個，林地12個，荒草地14個，每個土樣從不同方位采土并進行混合，四分法留取1 kg左右土樣，裝入棉布袋中，并記下采樣編號，土樣帶回實驗室后把它放在陰涼處風干，每種土地利用方式隨機抽取5個土樣，共15個，過孔徑2 mm篩用于土壤有機碳分組。

1.3 土壤有機碳分組

按照Stewart等在之前土壤有機碳物理分組方法的基礎上，進一步引入化學分組提出來的物理-化學聯(lián)合分組方法對土壤有機碳進行分組。首先，將過了2 mm篩的土壤用微團聚體分離器分為三個部分：>250 um的非保護粗顆粒有機碳，53～250 um的微團聚體部分（uagg），以及<53 um游離態(tài)粉粒（dSilt）和粘粒（dClay）；稱取20 g過2 mm篩的風干土樣于250 um篩中，其下放置53 um篩子，在上層篩子中放入50顆直徑為4 mm的玻璃珠，將其整個裝置放入不銹鋼桶中進行濕篩，待大團聚體完全破壞后，留在250 um篩子上的為粗顆粒有機碳（cPOM）、留在53 um篩子上的是微團聚體（uagg），過53 um篩子即不銹鋼桶中的是游離的粉粒和粘粒，再用離心法將其進行分離，得到游離態(tài)的粉粒和粘粒，所有組分在60℃下烘干并稱重。其次，將第一步得到的微團聚體部分先經(jīng)過密度浮選得到非保護細顆粒有機碳（fPOM），再將剩余部分震蕩過篩分為微團聚體保護顆粒有機碳（iPOM）和來源于微團聚體的粉粒和粘粒組分，與第一步一樣采用離心法將來源于微團聚體的粉粒和粘粒進行分組，得到來源于微團聚體的粉粒（uSilt）和粘粒組分（uClay）。最后將前兩步得到的游離態(tài)粉粒、粘粒和來源于微團聚體的粉粒、粘粒進行酸性水解，得到可以酸解的組分（H-dSilt、H-dClay、H-uSilt、H-uClay）和不能酸解的組分分（NH-dSilt、NH-dClay、NH-uSilt、NH-uClay）。

通過該方法共分離出4個土壤有機碳組分：未保護游離活性有機碳（cPOM+fPOM）、物理保護有機碳（iPOM）、化學保護有機碳（H-dSilt、H-dClay、H-μSilt、H-μClay）和生物化學保護有機碳（NH-dSilt、NH-dClay、NH-μSilt、NH-Clay）。

土壤物理-化學聯(lián)合分組方法的具體流程為：首先將過2 mm篩的風干土樣濕篩得到未保護粗顆粒有機碳cPOM（>250 um）、微團聚uagg（53～250 um）、游離粉粒dSilt（2～53 um）、游離粘粒dClay（<2 um）四個組分，再將游離粉粒和游離粘粒經(jīng)過酸性水解得到游離酸解性粉粒（H-dSilt）、游離酸解性粘粒（H-dClay）和游離非酸解性粉粒（NH-dSilt）、游離非酸解性粘（NH-dClay）四個組分；其次將第一步得到的微團聚uagg（53～250 um）經(jīng)過密度浮選得到未保護細顆粒有機碳fPOM和重組兩個組分，再將重組經(jīng)過篩分得到微團聚體保護顆粒有機碳iPOM、微團聚體粉粒uSilt（2～53 um）和微團聚體粘粒uClay（<2 um）三個組分；最后將微團聚體粉粒和微團聚體粘粒經(jīng)過酸水解得到微團聚體酸解性粉粒（H-uSilt）、微團聚體酸解性粘粒（H-uClay）和微團聚體非酸解性粉粒（NH-uSilt）、微團聚體非酸解性粘粒（NH-uClay）四個組分。

1.4 土壤樣品測定

土壤樣品及其各組分有機碳采用重鉻酸鉀外加熱法進行測定，土壤有機碳及各組分有機碳含量和有機碳分配比例的計算公式如下：

土壤有機碳含量=各有機質組分有機碳的分配比例（%）=各有機質組分有機碳含量/SOC×100

敏感性指標[9]=（變量最大值-變量最小值）/變量最小值

1.5 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel 2003和DPS統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進行整理與分析。

2 結果與分析

2.1 不同土地利用方式下SOC分布特征

不同土地利用方式下土壤表層的植被覆蓋、環(huán)境條件和人為干擾程度不同，其SOC含量也不同。從表1可以看出，研究區(qū)稻田、林地和草地3種土地利用類型中，SOC含量范圍分別為11.37～37.30 g/kg，27.17～60.32 g/kg，26.28～59.98 g/kg。在表層土壤中，不同土地利用方式下SOC含量高低順序為：林地（46.45 g/kg）>荒草地（39.45 g/kg）>稻田（26.65 g/kg），且都達到顯著性差異水平（P<0.05）。這是因為植被、土壤微生物分解、土地利用、土地覆蓋和人為干擾等因素對SOC的累計過程及存儲產(chǎn)生的影響。對于人為干擾較小的林地和草地，土壤表層各種各樣發(fā)達的植物根系以及植物凋落物的積累促進了表層土壤有機碳的積累，稻田受人為干擾強度較大，定期翻耕增加了土壤的通透性，土壤微生物活性較大，分解土壤有機碳的能力增強，因此稻田有機碳稍低于林地和草地。

2.2 不同土地利用方式對土壤有機碳組分含量的影響

圖2為不同土地利用方式下3種土地利用方式土壤組分有機碳含量，3個條形統(tǒng)計圖分別表示對土壤進行分組第一步、第二步和第三步所得到的土壤組分有機碳含量，經(jīng)過三次分組所得土壤組分有機碳含量各不相同并呈現(xiàn)出遞減規(guī)律，不管土地利用方式如何，相同土地利用方式下第一步分組樣（非保護粗顆粒有機碳cPOM、微團聚體uagg、粉粒dSilt、粘粒dClay）有機碳含量基本都高于第二步分組樣（非保護細顆粒有機碳fPOM、微團聚體保護顆粒有機碳iPOM、微團聚體粉粒uSilt、微團聚體粘粒uClay）和第三步分組樣（非酸解粉粒NH-dSilt、非酸解粘粒NH-dClay、非酸解微團聚體粉粒NH-uSilt、非酸解微團聚體粘NH-uClay）。

3種土地利用方式下非保護粗顆粒有機碳（cPOM）、微團聚體（uagg）、粉粒（dSilt）、粘粒（dClay）、非保護細顆粒有機碳（fPOM）、微團聚體保護顆粒有機碳（iPOM）、微團聚體粉粒（uSilt）、微團聚體粘粒（uClay）、非酸解粉粒（NH-dSilt）、非酸解粘粒（NH-dClay）、非酸解微團聚體粉粒（NH-uSilt）以及非酸解微團聚體粘（NH-uClay）都隨著進一步的分組，其有機碳含量降低，并大多表現(xiàn)出明顯的垂直分布現(xiàn)象（圖2），在第一步分組樣中，cPOM、uagg、dSilt、dClay這4種組分有機碳含量均為林地顯著高于其它2種土地利用方式，但林地和荒草地粘粒有機碳之間差異不顯著（P>0.05），第二步分組樣中，荒草地微團聚體保護顆粒有機碳（iPOM）顯著高于稻田和林地，稻田和荒草地微團聚體粘粒之間差異不顯著（P>0.05），第三步分組樣，稻田和荒草地非酸解粉粒（NH-dSilt）有機碳以及3種土地利用方式下的非酸解粘粒（NH-dClay）差異不顯著（P>0.05），其它組分有機碳含量之間均存在顯著差異（P<0.05）。在整個表層土壤中，非保護粗顆粒有機碳（土cPOM）、微團聚體（uagg）、粉粒（dSilt）、粘粒（dClay）均為林地>荒草地>稻田，在剩下的8個土壤組分中，除微團聚體保護顆粒有機碳（iPOM）荒草地（4.48 g/kg）>林地（3.45 g/kg）>稻田（2.66 g/kg），微團聚體粘粒（uClay）林地（1.92 g/kg）>稻田（1.32 g/kg）>荒草地（1.05 g/kg），非酸解粉粒（NH-dSilt）林地（1.55 g/kg）>稻田（1.04 g/kg）>荒草地（0.99 g/kg），非酸解粘粒（NH-dClay）林地（0.98 g/kg）>稻田（0.91 g/kg）>荒草地（0.89 g/kg），非酸解微團聚體粉粒（NH-uSilt）稻田（0.76 g/kg）>荒草地（0.65 g/kg）>林地（0.61 g/kg），非酸解微團聚體粘粒（NH-uClay）荒草地（0.49 g/kg）>稻田（0.44 g/kg）>林地（0.41 g/kg），剩余兩組分都是林地>荒草地>稻田。

由實驗結果可以看出，上述12種土壤有機碳組分含量的高低順序大致為林地、荒草地、稻田，表明林地開墾為稻田后，將導致這12種土壤組分有機碳含量降低，而稻田撂荒后，則有助于土壤組分有機碳含量累積增加。

2.3 不同土地利用方式對土壤有機碳組分分配比例的影響

圖3為稻田、荒草地和林地三種不同土地利用方式下土壤有機碳組分的碳分布比例。圖中3個條形統(tǒng)計圖分別表示在對土壤進行分組時第一步、第二步和第三步所得組分占土壤總有機碳含量大小的分配比例統(tǒng)計圖，經(jīng)過三次分組所得土壤組分有機碳含量占總有機碳含量的比例基本呈現(xiàn)出遞減規(guī)律。第一步分組樣中，稻田、荒草地和林地三種土地利用方式下非保護粗顆粒有機碳（cPOM）所占比例最大分別為20.04%、19.62%和20.59%；其次是微團聚體（uagg），其所占比例分別為15.08%、14.27%和17.82%；游離態(tài)粘粒（dClay）所占比例最小，分別為9.14%、12.25%和10.53%；稻田中的游離態(tài)粉粒（dSilt）和粘粒（dClay）與林地、荒草地中的游離態(tài)粉粒、粘粒所占比例差異顯著（P<0.05），稻田中的非保護粗顆粒有機碳（cPOM）和微團聚體有機碳（uagg）與林地、荒草地中的cPOM、uagg所占比例差異不顯著（P>0.05）；第二步分組樣中，微團聚體保護顆粒有機碳（iPOM）在稻田和荒草地中所占土壤有機碳比例最大，分別為10%和11%，兩者之間差異不顯著（P>0.05），林地iPOM所占比例最小，為7%，且與稻田、荒草地所占比例差異顯著（P<0.05），稻田、荒草地、林地三種土地利用方式下非保護細顆粒有機碳（fPOM）所占比例分別為8%、10%、9%，且差異不顯著（P>0.05），荒草地中的微團聚體粉粒（uSilt）和粘粒（uClay）所占比例低于稻田和林地且與之差異顯著（P<0.05）；第三步分組樣中，非酸解粉粒（NH-dSilt）占土壤有機碳比例稻田（3.89%）>林地（3.34%）>荒草地（2.51%），荒草地中的NH-dSilt所占土壤有機碳比例與稻田和林地的NH-dSilt所占土壤有機碳比例差異顯著（P<0.05），而稻田和林地之間差異不顯著（P>0.05）；非酸解粘粒（NH-dClay）、非酸解微團聚體粉粒（NH-uSilt）非酸解微團聚體粘粒（NH-uClay）、占土壤有機碳比例分別為稻田（3.41%）>荒草地（2.25%）>林地（2.10%）、稻田（2.83%）>荒草地（1.66%）>林地（1.31%）和稻田（1.64%）>荒草地（1.25%）>林地（0.88%），稻田中的NH-dClay、NH-uSilt所占土壤有機碳比例與荒草地和林地的NH-dClay、NH-uSilt所占土壤有機碳比例以及三種土地利用方式下非酸解微團聚體粘粒（NH-uClay）所占土壤有機碳比例差異顯著（P<0.05），荒草地和林地NH-dClay、NH-uSilt所占土壤有機碳比例差異不顯著（P>0.05），表明荒草地和林地開耕后有利于該組分所占有機碳比例的提高。

2.4 不同土地利用方式下土壤總有機碳及其各組分有機碳含量敏感性分析

表2為不同土地利用方式下表層（0～20 cm）土壤不同有機碳組分的敏感性分析，可以看出，不同土地利用方式下各組分有機碳含量對不同土地利用方式變化的響應各不相同。在整個小流域內，各組分有機碳對土地利用方式變化的敏感性為非保護細顆粒有機碳fPOM（0.51）>非酸解粉粒NH-dSil（0.28）>微團聚體粘粒uClay（0.22）>非酸解粘粒NH-dClay（0.21）>非酸解微團聚體粉粒NH-uSilt（0.20）>微團聚體保護顆粒有機碳iPOM（0.18）、非酸解微團聚體粘粒NH-uClay（0.18）><2 um粘粒dClay（0.17）>2-53 um粉粒dSilt（0.13）>53 um～250 um微團聚體uagg（0.12）>微團聚體粉粒uSilt（0.09）、非保護粗顆粒有機碳cPOM（0.09）>有機碳SOC（0.04），由此可以看出非保護細顆粒有機碳fPOM對土地利用方式的改變最為敏感，而土壤有機碳含量SOC對土地利用方式改變的敏感性最差，因此fPOM可以作為評價不同土地利用方式對土壤有機碳含量影響的重要指標。

3 結論與討論

土壤有機碳含量受土地利用及其土地利用方式變化的影響較大[10]，地表不同植被類型、土地利用方式以及人為管理措施都會影響土壤及不同組分有機碳含量的變化。本研究結果表明，在整個小流域表層（0～20 cm）土壤內，土壤總有機碳及其各組分有機碳含量的高低順序大致為林地（46.45 g/kg）>荒草地（39.45 k/kg）>稻田（26.65 k/kg），林地和荒草地由于沒有受到人類活動的干擾或受其干擾程度較小，加上地表上多種植被凋落物可以經(jīng)過長時間不間斷分解以補充土壤碳含量，而且植被根系的轉換也是土壤碳的主要來源[11]，林地由于植被類型較多，表層土壤常年被多種植被類型凋落物覆蓋，其分解使林地表層土壤有機碳含量升高；荒草地主要以雜草為主，其枝葉和根系較細，分解速度較快，而稻田由于人們常年種植水稻并翻耕，導致表層土壤松軟，同時也增加了土壤的通透性，使土壤微生物活性增強，加快了對土壤有機碳的分解速率，而且由于水稻的收割，致使作物中的碳不能還田，這些原因都導致了稻田不利于土壤碳的積累，因此，稻田土壤總有機碳及其組分含量都比林地和荒草地低。通過上述對不同土地利用下土壤有機碳含量變化的討論得出，不同土地利用方式下SOC分布情況各不相同，并存在著一定的差異，表層土壤中受人為干擾程度較小的林地中SOC含量最高，其次是荒草地，SOC含量最低的是受人為干擾程度較大的稻田，說明外界因素如人為擾動和植被凋落物對SOC含量有重要影響，表層土壤對不同土地利用方式下SOC儲量有著較大的貢獻。

根據(jù)Stewart等[12-13]提出來的物理-化學聯(lián)合分組方法的概念模型，cPOM和fPOM構成的碳庫可定義為非保護游離活性有機碳，具有較強的生物活性，主要受土壤有機碳輸入量的影響[14]；iPOM是微團聚體內的物理保護有機碳，是土壤中相對活躍的有機碳[15]；H-dSilt、H-dClay、H-μSilt、H-μClay組成了化學保護有機碳，NH-dSilt、NH-dClay、NH-μSilt、NH-Clay組成了生物化學保護有機碳，兩者分解較慢，有利于長期保存[16]。通過分組所得土壤所有組分，林地和荒草地土壤有機碳及其各組分有機碳含量都顯著高于稻田，說明林地和荒草地開墾后會造成土壤中有機碳含量的流失，而稻田撂荒后將有助于土壤有機碳的恢復和儲存。

本研究發(fā)現(xiàn)稻田和荒草地的iPOM含量高于fPOM，而林地的iPOM含量低于fPOM，在表層土壤中，三種土地利用方式下iPOM含量分別為稻田10%、荒草地11%、林地7%，fPOM含量分別為稻田8%、荒草地10%、林地9%，表明不同土壤有機碳組分自身的濃度在其有機碳含量及其分配比例中發(fā)揮了重要作用；在稻田、林地和荒草地三種土地利用方式下未保護游離活性有機碳（cPOM+fPOM）占土壤有機碳比例最高，說明三種土地利用方式下該組分均具有較好的土壤肥力。通過研究由表2可知小流域內iPOM的敏感性指標較低，它對土地利用方式的變化不敏感，而fPOM的敏感性指標較高，iPOM和fPOM同為未保護游離活性有機碳，但其敏感性指標變化趨勢不盡相同，這可能與不同的土地利用類型或者土壤類型、氣候條件、海拔高低等條件有關。在土壤各組分有機碳中非保護細顆粒有機碳（fPOM）對土地利用方式變化的敏感度比土壤有機碳及其它各組分有機碳含量對土地利用方式變化的敏感度更高，因此可作為評價土地利用方式變化對土壤有機碳含量影響的良好指標。

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