瞿紅云, 賈國梅,2, 向瀚宇, 岳云飛

(1.三峽大學(xué) 生物與制藥學(xué)院, 湖北 宜昌 443002;2.三峽大學(xué) 三峽地區(qū)生態(tài)保護與治理國際聯(lián)合研究中心, 湖北 宜昌 443002)

土壤易氧化有機碳組分反映有機碳的組成、狀態(tài)和變化，顯著影響土壤養(yǎng)分循環(huán)和土壤質(zhì)量[1-2]。土壤有機碳按照有機碳的氧化活性劃分為4個組分：高氧化活性有機碳(F1)、中氧化活性有機碳(F2)、低氧化活性有機碳(F3)和難氧化有機碳(F4)[3]。F1和F2主要來自凋落物、根際生物量和根系分泌物，具有高的氧化活性，為有機碳活性組分[2,4-5]，容易被土壤微生物氧化和分解，為生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)循環(huán)提供能量和物質(zhì)以維持土壤質(zhì)量穩(wěn)定[1,6]。而F3和F4與有機物分解和腐殖化后的分子量和化學(xué)穩(wěn)定性高的化合物相關(guān)，其通過微生物緩慢改變，周轉(zhuǎn)期較長，對土壤中有機碳的封存有重要作用，為有機碳惰性部分[3-4,6-7]。易氧化有機碳各組分對土壤有機碳貢獻不一，但普遍認為F1組分是土壤中最敏感部分，在養(yǎng)分循環(huán)過程中起著重要作用，能夠作為衡量土壤質(zhì)量狀況的良好指標(biāo)[8-10]。但是，以前的研究主要集中在農(nóng)林生態(tài)系統(tǒng)并發(fā)現(xiàn)土壤易氧化有機碳組分受植被類型、土壤理化性質(zhì)、氣候、土地利用方式以及人為干擾等多種因素影響[8,11-13]。

植被混凝土生態(tài)護坡技術(shù)通過構(gòu)筑生境基材為植被提供生長條件，對基礎(chǔ)工程建設(shè)后形成的裸露邊坡進行生態(tài)修復(fù)[14]，取得了良好社會效益和生態(tài)效益[15-16]。基材營養(yǎng)狀況是保證坡面植物生長、演替，確保邊坡生態(tài)恢復(fù)效果的關(guān)鍵[17]。研究表明在2～12 a修復(fù)過程中雖然基材肥力呈先增加然后趨于穩(wěn)定的變化趨勢[17-19]或者土壤肥力因子呈現(xiàn)增強的趨勢[18]，但是在部分邊坡出現(xiàn)植被退化的現(xiàn)象[20]。這可能說明基質(zhì)儲存的營養(yǎng)物質(zhì)無法被植物吸收利用，活性有機質(zhì)組分較少，為此本文選取宜昌市修復(fù)時間分別為10 a和12 a的兩個樣地、不同季節(jié)的植被混凝土邊坡修復(fù)基材為研究對象，從易氧化有機碳組分角度分析邊坡修復(fù)一定年限后基材有機碳組成和狀態(tài)，探討土壤易氧化有機碳各組分的季節(jié)變化規(guī)律及其驅(qū)動因素，旨在揭示邊坡修復(fù)植被退化的原因提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于宜昌市內(nèi)(東經(jīng)110°15′—112°04′，北緯29°56′—31°34′)，屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，該地區(qū)四季分明，季節(jié)平均氣溫(MMT)和季節(jié)平均降雨量(MMP)均表現(xiàn)為夏季高冬季低。選取的生態(tài)修復(fù)年限分別為10 a和12 a的兩個植被混凝土生態(tài)防護技術(shù)修復(fù)邊坡樣地植被混凝土修復(fù)基材的配方和制作方法相同，根據(jù)規(guī)范處理后，客土的性質(zhì)基本一致。基材厚度為10 cm，原始pH為8.40，有機質(zhì)為26.57 g/kg。本文所選樣地植被具備常見邊坡較為典型的演替過程(裸地→草地→草、灌)，邊坡修復(fù)后人為干擾較少。修復(fù)年限為12 a和10 a的樣地植被主要分別是低矮落葉灌木群落和低矮落葉灌木—草本群落，坡度(Slope)分別大致為64°和80°。

1.2 樣品采集

選取宜昌市生態(tài)修復(fù)年限分別為10 a和12 a的兩個植被混凝土生態(tài)防護技術(shù)修復(fù)邊坡樣地基材作為研究樣地，其質(zhì)地相同(黃棕壤)和基材配制相同。取樣時間為2014年3月、7月、10月以及次年1月，每個樣地選取6個1 m×1 m樣方，按照五點取樣法分布，樣方之間間隔1～2 m。每個樣方按照按S型隨機取表層的土樣各5個，取樣時，用直徑4 cm的地質(zhì)鉆垂直坡面取表層0—8 cm土壤的樣品混合為1個樣?；旌蠘尤コ葜β淙~和石礫，置室內(nèi)通風(fēng)陰涼處自然風(fēng)干，過0.25 mm篩，用于總有機碳及其氧化有機碳組分的測定。所有指標(biāo)測定均在7 d內(nèi)完成。

1.3 樣品分析

含水量(SWC)采用烘干法；全氮(TN)用凱氏定氮法測定；總有機碳(TOC)和易氧化有機碳(ROC)采用重鉻酸鉀氧化——稀釋熱法，易氧化有機碳(ROC)組分測定采用改進的Walkley-Black方法[3]，加入10 ml濃度為0.167 mol/L的重鉻酸鉀后，分別加入5，10，20 ml濃硫酸，酸度分別為6，9，12 mol/L，然后用標(biāo)定好的1 mol/L硫酸亞鐵滴定，所測得的有機碳分別記為6，9，12 mol/L時的有機碳。12 mol/L時測得的有機碳就是易氧化有機碳(ROC)含量。其組分如下：F1是高氧化活性有機碳組分，為6 mol/L時測得的有機碳含量；F2是中氧化活性有機碳組分，為9 mol/L時測得的有機碳含量減去6 mol/L時測得有機碳含量；F3是低氧化活性有機碳組分，為12 mol/L時測得的有機碳含量減去9 mol/L時測得的有機碳含量；F4是難氧化有機碳組分為TOC減去12 mol/L時測得的有機碳含量。土壤有機碳穩(wěn)定性指數(shù)按照下式計算：

穩(wěn)定系數(shù)=(F3+F4)/(F1+F2)

1.4 數(shù)據(jù)處理

每個指標(biāo)的平均數(shù)為兩個樣地的6個樣方內(nèi)土壤，在室內(nèi)再進行3次重復(fù)的平均值。組間分析采用Duncan單因素方差分析，試驗數(shù)據(jù)在SPSS 18.0軟件上處理分析；用Origin 8.0和Canoco 5.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 邊坡修復(fù)基質(zhì)理化性質(zhì)季節(jié)動態(tài)

從表1可知，兩個修復(fù)年限土壤含水量和pH在夏季最低，含水量在秋、冬季最高而pH在春季最高。TN含量在0.09～0.10 g/kg之間變化，春季顯著性低于秋、冬季。兩個修復(fù)年限土壤中TOC含量變化范圍為9.70～11.17 g/kg，低于原始基質(zhì)含量，表現(xiàn)為秋>冬>夏>春，且4個季節(jié)之間沒有顯著性差異。基質(zhì)C/N含量變化范圍為97.63～106.73，修復(fù)10 a樣地C/N含量無季節(jié)差異，修復(fù)12 a樣地C/N含量冬季高于秋季而低于春、夏季。

表1 基質(zhì)理化性質(zhì)和氣候因子

注：平均數(shù)(標(biāo)準(zhǔn)誤)后的小寫字母相同說明處理間無顯著性的差異，字母發(fā)生變化，說明處理間具有顯著的差異。

2.2 邊坡修復(fù)基質(zhì)易氧化有機碳組分以及占有機碳百分?jǐn)?shù)季節(jié)動態(tài)

從表2可以看出，ROC含量變化范圍為6.72～8.11 g/kg，春、秋、冬3個季節(jié)之間雖然無顯著性差異但是卻顯著性低于夏季?；|(zhì)易氧化有機碳占總有機碳的比例的變化范圍為57.92%～76.29%，修復(fù)12 a的春、夏季之間沒有顯著性差異，但卻顯著高于秋季而低于冬季；修復(fù)10 a的春、夏季顯著高于秋、冬季。這說明季節(jié)變化可以影響易氧化有機碳含量。

表2 不同季節(jié)基質(zhì)易氧化有機碳及其組分含量變化

注：平均數(shù)(標(biāo)準(zhǔn)誤)后的小寫字母相同說明處理間無顯著性的差異，字母發(fā)生變化，說明處理間具有顯著的差異。同一行的大寫字母相同說明4個組分間無顯著性差異，大寫字母不同說明4個組分間差異顯著。

易氧化有機碳組分呈現(xiàn)季節(jié)變化規(guī)律且兩個樣地變化規(guī)律相同。F1的變化范圍分別為2.24～4.33 g/kg，夏季最低而冬季最高；F2的變化范圍為1.53～3.93 g/kg，夏季最高而冬季最低；F3的變化范圍為1.30～2.03 g/kg，其含量夏季最低，其余季節(jié)之間無顯著性差異；F4的變化范圍為2.51～3.35 g/kg，秋、冬季顯著性高于春、夏季(表2)。(F1+F2)/TOC變化范圍為48.66%～63.9%，春季顯著性低于夏季，但高于秋、冬季；而(F3+F4)/TOC變化范圍為36.1%～51.48%，春季顯著性高于夏季，但低于秋、冬季。易氧化有機碳組分占有機碳總量的百分比的季節(jié)變化規(guī)律與相應(yīng)組分的季節(jié)變化規(guī)律基本一致(圖1)。

不同季節(jié)的易氧化有機碳組分間差異顯著。春季和冬季的易氧化有機碳組分變化規(guī)律為F1>F4>F2>F3，F(xiàn)1>F4>F3>F2；夏季的F2最大而F3最?。磺锛镜腇3最小，修復(fù)12 a的F4最大而10 a的F1最大(表2)。不同季節(jié)的易氧化有機碳組分占有機碳總量的百分比的組分間變化規(guī)律與相應(yīng)組分的組分間變化規(guī)律基本一致。這說明不同季節(jié)的易氧化有機碳組分間存在差異(圖1)。

2.3 邊坡修復(fù)基質(zhì)有機碳穩(wěn)定系數(shù)季節(jié)動態(tài)

土壤有機碳的氧化穩(wěn)定系數(shù)是用來衡量氧化穩(wěn)定性的指標(biāo)[12]?；|(zhì)有機碳的穩(wěn)定系數(shù)變化范圍為0.65～0.98，秋、冬季高，夏季低(圖2)。這說明春夏季節(jié)基質(zhì)有機碳活性高，有機碳氧化快，碳礦化風(fēng)險的潛力大，而秋冬季節(jié)土壤有機碳穩(wěn)定性強，有機碳不易被分解。

2.4 基質(zhì)易氧化有機碳組分與環(huán)境因子的冗余分析

本研究中，冗余分析發(fā)現(xiàn)所選環(huán)境因子對易氧化有機碳及其組分解釋超過82%，其中MMT和MMP共解釋了57.0%，其次是邊坡斜率(18.7%)和有機碳(10.7%)(圖3)，說明氣候是影響易氧化有機碳及其組分的主要因子。從圖中可以看出，F(xiàn)1與pH，SWC，TOC 和C/N呈正相關(guān)，而與MMT，MMP和Slope呈極顯著負相關(guān)；F2與SWC和pH呈負相關(guān)，與MMT和MMP呈極顯著正相關(guān)；F3與F4與SWC和Slope呈正相關(guān)，與MMT和MMP呈負相關(guān)。

注：平均數(shù)后的小寫字母相同說明處理間無顯著性的差異，字母發(fā)生變化，說明處理間具有顯著的差異。大寫字母相同說明4個組分間無顯著性差異，大寫字母不同說明4個組分間差異顯著。

圖1 不同季節(jié)基質(zhì)易氧化有機碳組分占總有機碳百分?jǐn)?shù)的季節(jié)變化

圖2 基質(zhì)有機碳穩(wěn)定系數(shù)的季節(jié)變化

圖3 基質(zhì)易氧化有機碳組分與土壤環(huán)境因子間的冗余分析

3 討 論

3.1 邊坡修復(fù)基質(zhì)易氧化有機碳組分季節(jié)動態(tài)

本研究中，易氧化有機碳組分含量及其占總有機碳百分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律基本一致。春、夏季的(F1+F2)/TOC高于秋、冬季，這表明基質(zhì)有機碳在春、夏季，特別是夏季，容易被氧化，從而影響?zhàn)B分循環(huán)以改善基質(zhì)質(zhì)量[1,21]，這主要歸因于氣溫和降雨通過影響植被和微生物活性對基質(zhì)有機碳季節(jié)動態(tài)產(chǎn)生影響[22-23]。隨著春、夏季氣溫以及降雨回升，植被以及微生物生命活動旺盛，養(yǎng)分需求高，對基質(zhì)中營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化以及吸收加快，導(dǎo)致不穩(wěn)定的有機碳含量增加[24]。本研究中，F(xiàn)1組分夏低冬高。F1組分是一種快速反應(yīng)的不穩(wěn)定有機物質(zhì)，為土壤微生物提供能量和營養(yǎng)，并釋放部分營養(yǎng)物質(zhì)，用于植物短期更新[12]春、夏季，F(xiàn)1組分被快速氧化分解[6]以及雨水淋失[25]等原因?qū)е潞拷档汀Ｇ?、冬季微生物活性減弱但仍維持一定活性[24]，F(xiàn)1組分消耗減少且部分F2組分能被氧化成F1組分，因此，F(xiàn)1組分含量升高。F2組分從春季到夏季含量升高，可能是因為研究區(qū)春、夏季微生物活性高，將部分惰性有機碳氧化，以及基質(zhì)根際生物量和根系分泌物增加[26]。F2組分含量秋冬季降低，這說明夏季貯存的F2組分在秋冬季被氧化損失又因氣候原因未得到及時補充。因此，本研究中雖然基質(zhì)中F1組分夏低冬高，但由于F2組分含量的變化，有機碳活性部分仍然為夏季高。秋、冬季的(F3+F4)/TOC高于春、夏季，與有機碳穩(wěn)定系數(shù)變化規(guī)律相符。其中F3組分含量在夏季最低，F(xiàn)4組分含量秋、冬季高于春、夏季。這可能是由于少量惰性有機碳在春夏季被氧化分解。秋冬季植物、微生物代謝減弱，以及大量凋落物輸入到基質(zhì)中[24,27]，基質(zhì)中腐殖質(zhì)增加，使有機質(zhì)氧化穩(wěn)定性升高[3]。因此，植被混凝土邊坡修復(fù)基質(zhì)中春、夏季有機碳的氧化活性高而不穩(wěn)定，秋、冬季惰性有機碳含量高而利于碳儲存，而且易氧化有機碳組分內(nèi)部存在一定的轉(zhuǎn)化關(guān)系[3,8]。

不同季節(jié)的易氧化有機碳組分間存在差異。本研究中，春、秋、冬季總體上是F1最大而F4次之；夏季為F2最高；除冬季F2最低外，其余三季的F3最小。這說明F1和F4組分分別對邊坡修復(fù)基質(zhì)有機碳礦化和穩(wěn)定的貢獻較大，F(xiàn)3組分的貢獻較小。雖然F1含量最高，但僅占TOC的26.98%～39.98%，尤其是夏季，這低于可可農(nóng)林生態(tài)系統(tǒng)的含量(50%)而比貧瘠沙地土壤的含量高(<10%)[8,11]，說明邊邊坡植被能夠利用的高氧化活性有機碳含量低。Chan等[3]和Ding等[13]通過研究不同草地類型和長期施肥的黃土高原土壤得出(F3+F4)/TOC分別為35%和28%，但貧瘠的沙地土壤(F3+F4)/TOC高于84%[8]。而本研究得出F3和F4占TOC的36.1%～51.48%，說明邊坡修復(fù)基質(zhì)有機碳穩(wěn)定性相對較高。這些結(jié)果也從有機碳穩(wěn)定系數(shù)得到證實，有機碳穩(wěn)定系數(shù)在0.65～0.98之間變化高于可可農(nóng)林生態(tài)系統(tǒng)的(0.3～0.5)，且本研究中基質(zhì)碳氮比也較高，表明邊坡修復(fù)基質(zhì)有機質(zhì)具有較穩(wěn)定的優(yōu)勢[11]。Chan等[3]研究表明不穩(wěn)定的組分含量較高主要歸因于殘留物的投入和細根的濃度，穩(wěn)定有機碳的增加可能受益于覆蓋物的維持以及水分含量變化較小[6]。因此，邊坡修復(fù)基質(zhì)有機質(zhì)的高穩(wěn)定性低活性特征可能是邊坡修復(fù)植被退化的原因。

3.2 邊坡修復(fù)基質(zhì)易氧化有機碳組分季節(jié)動態(tài)驅(qū)動因素

基質(zhì)易氧化有機碳組分含量的變化是一個復(fù)雜過程，受氣候、理化性質(zhì)以及人為干擾等多種因素干擾。本研究中冗余分析發(fā)現(xiàn)，對易氧化有機碳及其組分影響最大的是氣候因子(降雨量和氣溫)，易氧化有機碳組分呈現(xiàn)季節(jié)變化規(guī)律并且F1，F(xiàn)3和F4組分與降雨量和氣溫呈反比，F(xiàn)2組分隨降雨量和氣溫增加而增加。這是由于有機碳含量季節(jié)動態(tài)與氣候變化密切相關(guān)，且氣候因子主要通過影響生物生命活動而影響基質(zhì)有機碳[27-30]。邊坡坡度是影響易氧化有機碳及其組分的又一環(huán)境因子，因為坡度大，生物殘留物、養(yǎng)分等易損失基質(zhì)[22]導(dǎo)致基質(zhì)中養(yǎng)分含量下降，尤其是極易氧化的F1組分[9,31]，這也是12 a樣地有機碳含量低于10 a樣地的重要原因。同時，易氧化有機碳組分也受基質(zhì)理化性質(zhì)影響[1,8-10,12]。森林基質(zhì)自然含水率的變化顯著影響森林SOC含量和基質(zhì)ROC的轉(zhuǎn)化和積累[24]。本研究區(qū)比其他森林含水量低[24,27,32]。因此，含水量也是易氧化有機碳組分內(nèi)部轉(zhuǎn)化的因素之一，基質(zhì)含水量越高F2組分越低，其余組分含量越高。研究表明土壤酸堿度影響土壤有機質(zhì)周轉(zhuǎn)[33]，本研究也證明pH與F1和F3呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與F2呈顯著負相關(guān)關(guān)系，但是與孫彩麗等[8]研究結(jié)果不一致，這可能由于本研究樣地基質(zhì)堿性低于沙地土壤。黃土高原的沙地土壤中易氧化有機碳組分與TOC、TN均呈正相關(guān)[8]，而長期施肥的土壤TN僅與F1和F2組分呈正相關(guān)[13]。但本研究中，TOC、TN與F1和F4組分呈正相關(guān)，基質(zhì)C/N與F1呈正相關(guān)但與F3組分呈負相關(guān)，與前人研究不一致，這可能與基質(zhì)肥力以及氣候的差異有關(guān)。另外，環(huán)境因子與F1和F2組分相關(guān)性高于F3和F4組分，這說明環(huán)境因子主要驅(qū)動有機碳活性部分的動態(tài)變化，主要是因為有機碳活性部分易礦化、周轉(zhuǎn)快[3]。

4 結(jié) 論

(1) 基質(zhì)易氧化有機碳組分及其占有機碳的比例呈現(xiàn)季節(jié)變化規(guī)律，(F1+F2)/TOC、(F3+F4)/TOC和有機碳穩(wěn)定系數(shù)的變化規(guī)律表明有機碳氧化穩(wěn)定性秋、冬高，夏季最低。這意味著夏季基質(zhì)碳被氧化分解的風(fēng)險也最大，春季次之。

(2) 基質(zhì)有機碳春秋冬季主要以高氧化活性有機碳組分F1為主，而F2組分在夏季含量最高，這說明F1組分對基質(zhì)有機碳礦化的貢獻最大，在營養(yǎng)循環(huán)中起重要作用，可作為衡量基質(zhì)質(zhì)量狀況的良好指標(biāo)，而F4組分對邊坡修復(fù)基質(zhì)有機碳穩(wěn)定的貢獻較大。

(3) 氣候是基質(zhì)易氧化有機碳組分季節(jié)變化的主要驅(qū)動因素，其次是邊坡坡度和基質(zhì)理化性質(zhì)，另外這些環(huán)境因子主要驅(qū)動F1和F2組分的季節(jié)動態(tài)。