楊 樺,彭小瑜,楊淑琪,張?jiān)票?趙 才,黃 勇,*

1 云南大學(xué)國際河流與生態(tài)安全研究院, 昆明 650500 2 紅河哈尼族彝族自治州開遠(yuǎn)市林業(yè)和草業(yè)局, 開遠(yuǎn) 661699

土壤有機(jī)碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫[1],有機(jī)碳在土壤中積累和分解的動(dòng)態(tài)平衡對維持大氣CO2濃度至關(guān)重要[2]。土地利用是除化石燃料燃燒外使大氣CO2濃度劇增的主要方式之一[3],其通過調(diào)控陸地生物圈與大氣之間的碳通量顯著影響土壤有機(jī)碳庫[4]。土壤有機(jī)碳(SOC)含量是反映土壤肥力及土壤質(zhì)量的重要指標(biāo),但由于其在短期內(nèi)變化較緩慢[5],使得能先于土壤總有機(jī)碳變化之前反映土壤碳庫微小變化的土壤活性有機(jī)碳成為近年來的研究重點(diǎn)[6]?；钚杂袡C(jī)碳(LOC)具有有效性高、周轉(zhuǎn)時(shí)間短、易受到擾動(dòng)而分解等特點(diǎn),通常用可溶性有機(jī)碳(DOC)、易氧化有機(jī)碳(EOC)、微生物量碳(MBC)、輕組有機(jī)碳(LFOC)及顆粒態(tài)有機(jī)碳(POC)等表示。

目前,針對不同土地利用方式下土壤有機(jī)碳及其活性組分的變化已開展了大量研究。Zhang等[7]指出與農(nóng)田相比,造林顯著提高了黃土高原地區(qū)的SOC和LOC含量,其大小受林分類型的影響；徐夢等[8]對比藏東南地區(qū)的長期耕作農(nóng)田、天然林及草地發(fā)現(xiàn),農(nóng)田的碳儲量相比天然林降低了約50%,長期耕作顯著加快了POC的周轉(zhuǎn),減少了SOC的形成；章曉芳等[9]對比紅壤丘陵區(qū)林地、水田及旱地3種土地利用方式發(fā)現(xiàn),水田因長期淹水受水分條件的影響,有利于SOC、MBC及POC的積累；滕秋梅等[10]在喀斯特石山地區(qū)發(fā)現(xiàn)次生林的SOC和LOC含量顯著高于灌叢、草地和農(nóng)田,增加植被覆蓋以及減少人為活動(dòng)的干擾,能提高SOC含量。上述研究均指出土地利用方式顯著影響SOC和LOC含量及分布特征,但由于植被覆蓋類型、耕作方式、水熱條件和人為干擾等條件的綜合影響,以及各區(qū)域的生境異質(zhì)性,使得不同活性有機(jī)碳組分的指示作用有所差異。因此,深入分析不同土地利用方式下LOC的分布特征及影響因素對準(zhǔn)確評估干擾引起的土壤碳庫的變化具有重要意義。

中國西南喀斯特地區(qū)作為典型的生態(tài)脆弱區(qū),土地石漠化是該區(qū)最嚴(yán)重的土地問題。不同研究分別指出pH和海拔[11]、土壤容重和巖石出露程度[12]及交換性鈣離子[13]是影響石漠化地區(qū)有機(jī)碳含量及分布的關(guān)鍵因素?？λ固?cái)嘞菖璧厥切律鷶嗔鸦顒?dòng)形成的巖溶盆地,主要分布于我國云南省東部,具有季節(jié)性干旱嚴(yán)重、盆-山地形變化劇烈、盆地與周圍山區(qū)氣候反差巨大等特點(diǎn)[14],高度的生境異質(zhì)性可能使有機(jī)碳及其活性組分的分布呈現(xiàn)不同的特征。目前,關(guān)于云南喀斯特?cái)嘞菖璧氐貐^(qū)不同土地利用方式土壤活性有機(jī)碳組分的研究比較缺乏。因此,本研究以地處喀斯特?cái)嘞菖璧氐脑颇鲜〖t河哈尼族彝族自治州開遠(yuǎn)市為研究區(qū),測定5種典型土地利用方式下土壤有機(jī)碳及其活性組分(DOC、EOC、MBC)的含量,分析有機(jī)碳及其活性組分與土壤理化因子之間關(guān)系,旨在探究云南喀斯特?cái)嘞菖璧厥貐^(qū)不同土地利用方式的土壤有機(jī)碳庫水平及其對人為干擾的響應(yīng),明確影響土壤有機(jī)碳及其活性組分的關(guān)鍵環(huán)境因子。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省開遠(yuǎn)市皮坡村(103°34′—103°43′ E,23°30′—23°59′ N),地處大黑山南北并列山脈,平均海拔約2000 m,是典型的喀斯特?cái)嘞菖璧亍ｉ_遠(yuǎn)市屬亞熱帶半干旱季風(fēng)氣候,年平均氣溫19.8℃,年平均降水量800 mm,年平均蒸發(fā)量1446 mm。研究區(qū)主要土地利用方式包括耕地(以種植一年一季的玉米為主)、草地、灌叢、林地,其中林地主要有天然林和人工林。灌叢以車桑子(Dodonaeaviscosa)、華西小石積(Osteomelesschwerinae)為主,天然林以高山櫟(Quercussemicarpifolia)、大果冬青(Ilexmacrocarpa)為主,人工林以林齡40年的榿木(Alnuscremastogyne)為主。

1.2 樣品采集與處理

2020年8月在云南省開遠(yuǎn)市皮坡村分別選取耕地(一年一季玉米地)、草地、灌叢、人工林和天然林5種土地利用方式采集土壤樣品。每種土地利用方式設(shè)置3個(gè)樣地,且立地條件相似,在每個(gè)樣地內(nèi)隨機(jī)選取5個(gè)采樣點(diǎn),去除土壤表面凋落物,分別按0—5 cm、5—10 cm、10—20 cm、20—40 cm、40—60 cm分層取樣,將同一土層5個(gè)采樣點(diǎn)的土樣合并,混合均勻后裝入自封袋。將土壤樣品分成兩部分,一部分新鮮土壤樣品過2 mm(去除植物根系和凋落物)后4℃冷藏保存,用于可溶性有機(jī)碳和微生物量碳的測定；另一部分置于陰涼處自然風(fēng)干,用于土壤基本理化性質(zhì)和易氧化有機(jī)碳的測定。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1土壤有機(jī)碳及組分的測定

土壤有機(jī)碳(SOC)含量采用干燒法,TOC分析儀(Elementar Vario)測定；可溶性有機(jī)碳(DOC)采用水土比5∶1浸提測定[15]；微生物量碳(MBC)采取氯仿熏蒸浸提法測定[16]；易氧化有機(jī)碳(EOC)選用333 mmol/L KMnO4氧化-比色法測定[17]。

土壤有機(jī)碳儲量是評價(jià)和衡量土壤碳含量的一個(gè)重要的指標(biāo),計(jì)算方法如下[18]：

式中,SOCS為土壤有機(jī)碳儲量(kg/m2)；SOC為土壤有機(jī)碳含量(g/kg)；BD為土壤容重(g/cm3)；H為土層厚度(cm)。同理,計(jì)算各活性有機(jī)碳組分的儲量,即可溶性有機(jī)碳儲量(DOCS)、易氧化有機(jī)碳儲量(EOCS)和微生物量碳儲量(MBCS)。

1.3.2土壤理化性質(zhì)的測定

土壤容重采用環(huán)刀法測定；土壤含水量采用烘干法測定；土壤質(zhì)地采用馬爾文粒度儀(Malvern Mastersizer 2000)測定；土壤pH值采用水土比2.5∶1浸提測定；全氮采用凱氏消煮法浸提-流動(dòng)注射儀(FIA- 6000+)測定；全磷采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法測定；全鉀采用氫氧化鈉熔融-火焰光度計(jì)(FIA star 5000)測定；有效磷采用氟化銨-鹽酸浸提測定；交換性鉀鈉鈣鎂采用1 mol/L乙酸銨溶液(pH=7)浸提,電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(Thermo iCAP 6300)測定。具體理化性質(zhì)如表1所示：

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析

采用SPSS 25.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,利用單因素方差分析(One-Way ANOVA)檢驗(yàn)土壤有機(jī)碳及其活性組分含量在不同土地利用方式及土層深度之間的差異顯著性；采用雙因素方差分析(Two-Way ANOVA)分析土地利用方式和土層深度之間的交互作用對土壤有機(jī)碳及其活性組分的影響；使用Pearson系數(shù)相關(guān)分析法分析土壤有機(jī)碳及活性組分間的相關(guān)性及其與土壤理化性質(zhì)間的相關(guān)性；采用通徑分析明確影響土壤有機(jī)碳及活性組分含量的關(guān)鍵因素。在Excel及Origin 2021b軟件中完成數(shù)據(jù)整理及圖表繪制。

表1 不同土地利用方式的土壤理化性質(zhì)

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用方式土壤有機(jī)碳的特征

如圖1所示,5種土地利用方式的SOC含量為4.83—69.01 g/kg,隨土層的加深而遞減,但不同利用方式的下降幅度有所差異,以人工林(84.75%)和天然林(91.30%)在土層間的下降幅度顯著高于耕地(37.94%)、草地(68.40%)及灌叢(58.15%)。不同土地利用方式之間,SOC的平均含量為灌叢(36.98 g/kg)>草地(30.11 g/kg)>人工林(29.54 g/kg)>天然林(25.37 g/kg)>耕地(25.08 g/kg),其中人工林及天然林的SOC含量在5—60 cm均低于耕地、草地及灌叢。5種土地利用方式的SOCS呈現(xiàn)出灌叢(191.77 t/hm2)>草地(166.86 t/hm2)>耕地(142.47 t/hm2)>人工林(134.31 t/hm2)>天然林(102.62 t/hm2),其中耕地、草地及灌叢在20—60 cm的SOCS占比均高于50%；人工林及天然林的SOCS主要集中在0—20 cm,占比分別為57.10%和58.98%。

圖1 不同土地利用方式的土壤有機(jī)碳含量及儲量Fig.1 Soil organic carbon contents and stocks in different land use types大寫字母表示同一土層不同土地利用方式之間差異顯著,小寫字母表示同一土地利用方式不同土層之間差異顯著(P<0.05)；SOC：土壤有機(jī)碳 Soil organic carbon

2.2 不同土地利用方式土壤活性有機(jī)碳組分的特征

2.2.1土壤可溶性有機(jī)碳的變化特征

如圖2所示,5種土地利用方式的DOC含量從表層到深層差異不顯著,DOC平均含量表現(xiàn)出耕地(1.19 g/kg)略低于草地(1.32 g/kg)、灌叢(1.38 g/kg)、人工林(1.31 g/kg)及天然林(1.35 g/kg)。DOCS在不同土地利用方式之間差異不顯著,表現(xiàn)出草地(9.15 t/hm2)>灌叢(8.95 t/hm2)>天然林(8.50 t/hm2)>人工林(8.32 t/hm2)>耕地(7.54 t/hm2)；在0—40 cm,各土地利用方式的DOCS隨土層深度的增加而增加,但在相同土層內(nèi)不同土地利用方式對DOCS無顯著影響。

2.2.2土壤易氧化有機(jī)碳的變化特征

5種土地利用方式的EOC含量為0.66—15.35 g/kg,隨土層的加深而遞減,與SOC含量表現(xiàn)出基本一致的變化趨勢(圖2)。但不同土地利用方式EOC含量在土層間的下降幅度(53.33%—95.46%)明顯大于SOC含量的下降幅度(37.94%—91.30%),且均以人工林和天然林的波動(dòng)最大,草地及灌叢次之,耕地最小。不同土地利用方式之間,EOC的平均含量為灌叢(6.81 g/kg)>草地(6.22 g/kg)>天然林(5.45 g/kg)>人工林(4.75 g/kg)>耕地(2.89 g/kg),在5—60 cm人工林及天然林的EOC含量均低于草地及灌叢。5種土地利用方式的EOCS為草地(31.77 t/hm2)>灌叢(31.36 t/hm2)>天然林(20.18 t/hm2)>人工林(18.06 t/hm2)>耕地(14.58 t/hm2)。在0—20 cm,人工林和天然林EOCS占比分別為72.10%、64.68%,顯著高于SOCS。

2.2.3土壤微生物量碳的變化特征

5種土地利用方式的MBC含量為25.48—1415.07 mg/kg,隨土層的加深而遞減,在土層間的下降幅度為78.11%—97.58%,顯著高于EOC和SOC(圖2)。不同土地利用方式之間,MBC的平均含量依次為灌叢(613.15 mg/kg)、草地(469.71 mg/kg)、人工林(455.01 mg/kg)、天然林(396.43 mg/kg)、耕地(215.18 mg/kg)；在0—5 cm,MBC含量表現(xiàn)出灌叢>人工林>草地>天然林>耕地；在5—60 cm草地及灌叢MBC含量高于人工林及天然林。5種土地利用方式的MBCS為灌叢(2.29 t/hm2)>草地(2.02 t/hm2)>天然林(1.66 t/hm2)>人工林(1.43 t/hm2)>耕地(1.01 t/hm2)。

2.2.4活性有機(jī)碳組分的分配比例特征

活性有機(jī)碳的分配比例是指活性有機(jī)碳組分與土壤總有機(jī)碳的比值,由表2可知,5種土地利用方式的DOC/SOC介于2.21%—26.27%,隨土層的加深而增加,在20—60 cm,人工林及天然林的DOC/SOC顯著高于耕地、草地及灌叢。5種土地利用方式的EOC/SOC介于6.39%—25.75%,MBC/SOC介于0.37%—2.28%,均隨土層的加深而遞減。不同土地利用方式之間,EOC/SOC與MBC/SOC的平均值分別為草地>天然林>灌叢>人工林>耕地,灌叢>草地>天然林>人工林>耕地,在0—60 cm人工林的EOC/SOC基本上均低于草地、灌叢及天然林。

表2 不同土地利用方式土壤活性有機(jī)碳占土壤有機(jī)碳的比例/%(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)

2.3 土壤有機(jī)碳及其活性組分的影響因素

2.3.1土地利用方式和土層深度對土壤有機(jī)碳及其活性組分的影響

雙因素方差分析表明(表3),除DOC外土地利用方式及土層深度對SOC、EOC、MBC、DOC/SOC、EOC/SOC及MBC/SOC都有極顯著影響(P<0.01),土地利用方式和土層深度的交互作用對SOC、EOC、MBC及DOC/SOC有極顯著影響(P<0.01),對DOC及MBC/SOC沒有顯著影響。

表3 土地利用方式和土層深度對土壤有機(jī)碳、土壤活性有機(jī)碳及其分配比例的雙因素方差分析

2.3.2土壤理化因子對土壤有機(jī)碳及其活性組分的影響

Pearson相關(guān)分析(圖3)指出,SOC與DOC、EOC及MBC呈極顯著正相關(guān),DOC、EOC及MBC兩兩間也呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；SOC、EOC及MBC與砂粒、粉粒、土壤含水量、全氮、全磷、C/N比、C/P比、交換性鈣、交換性鎂、交換性鉀呈極顯著正相關(guān),與粘粒呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)；DOC與砂粒、粉粒、全氮、土壤含水量、C/N比、C/P比、交換性鈣、交換性鉀呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與粘粒呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。這說明SOC和LOC含量的變化依賴于土壤養(yǎng)分元素、土壤機(jī)械組成、土壤含水量及交換性鹽基離子等因素的變化。

圖3 土壤有機(jī)碳及其活性組分與土壤理化因子的相關(guān)分析Fig.3 Correlation analysis between soil organic carbon, soil labile organic carbon and soil physiochemical factors*表示在0.05水平上顯著差異(P<0.05)；**表示在0.01水平上顯著差異(P<0.01)；矩形顏色表示相關(guān)系數(shù),矩形大小表示相關(guān)性大?。籘N：全氮 Total nitrogen；TP：全磷 Total phosphorus；TK：全鉀 Total potassium；AP：有效磷 Available phosphorus；C/N：C/N比 C/N ratio；C/P：C/P比 C/P ratio；N/P：N/P比 N/P ratio；SWC：土壤含水量 Soil water content；pH：pH值 Soil pH value； Clay：粘粒；Silt：粉粒；砂粒：Sand； Ca2+：交換性鈣 Exchangeable calcium； K+：交換性鉀 Exchangeable potassium；Mg2+：交換性鎂 Exchangeable magnesium；Na+：交換性鈉 Exchangeable natrium

通過逐步回歸分析得到SOC、DOC、EOC及MBC與土壤理化因子的統(tǒng)計(jì)回歸模型(表4),結(jié)果指出SOC含量的回歸模型包括砂粒、全磷、C/P比及交換性鈣4個(gè)影響因素,R2為0.976；DOC含量回歸模型的R2僅0.182,表明DOC受目前現(xiàn)有理化因素的影響較小；EOC含量回歸模型的影響因素與SOC一致,R2為0.943；MBC含量的回歸模型包括砂粒及C/P比,R2為0.905。

將回歸模型中影響因子的相關(guān)系數(shù)分解為直接通徑系數(shù)和間接通徑系數(shù),結(jié)果如表5所示。影響SOC含量因素的直接通徑系數(shù)依次為C/P比(0.568)、全磷(0.396)、砂粒(0.191)、交換性鈣(0.136),其中砂粒和交換性鈣的間接系數(shù)大于直接系數(shù),且均以C/P比為主要途徑的間接效應(yīng)對SOC含量產(chǎn)生影響。砂粒、交換性鈣、C/P比及全磷對EOC的影響均表現(xiàn)出間接通徑系數(shù)均大于直接通徑系數(shù),其中砂粒(0.462)及交換性鈣(0.333)的直接通徑系數(shù)大于其通過其他因素為途徑的間接效應(yīng)。MBC含量主要受砂粒及C/P比的影響,C/P比通過砂粒間接對MBC含量產(chǎn)生影響。從決策系數(shù)來看,SOC含量受C/P比和砂粒影響較大；EOC含量受砂粒、交換性鈣和C/P比影響較大；MBC含量受砂粒影響較大。綜上,本研究中C/P比是SOC含量的主控因素,砂粒是EOC和MBC含量的主控因素,C/P比是次要因素。

表4 土壤有機(jī)碳及其活性組分與土壤理化因子的逐步回歸模型

表5 土壤有機(jī)碳及其活性組分與土壤理化因子的相關(guān)系數(shù)分解

3 討論

3.1 土地利用方式對土壤有機(jī)碳的影響

不同土地利用方式由于地表植物輸入的數(shù)量和質(zhì)量、耕作干擾及管理方式等因素的差異,引起有機(jī)碳含量發(fā)生變化。本研究中SOC含量表現(xiàn)出隨土層加深而遞減的趨勢,即SOC的“表聚現(xiàn)象”,主要是由于表層土壤具有豐富的植物凋落物及殘?bào)w,為表層土壤輸入了較多的有機(jī)碳[10]。不同土地利用方式之間,在0—5 cm人工林的SOC含量最高,耕地最低,人工林顯著高可能是由于地表生物量分解速率及更新速率的差異。不同利用方式植物葉片C/N比(以灌叢、人工林和天然林優(yōu)勢物種為例)呈人工林(榿木22.26)<灌叢(車桑子42.60)<天然林(高山櫟62.61)[19—21]。C/N比低的枯枝落葉較容易分解[22],將促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的更新,為表層土壤提供更多的有機(jī)碳。耕地則因地表碳輸入較少(玉米被回收)且長期的耕作干擾加速了SOC的分解[23],導(dǎo)致含量較低。在5—60 cm人工林及天然林的SOC含量均低于耕地、草地和灌叢,可能受微生物生物量、根系凋落物及分泌物等多種因素的影響。一方面,隨著土層的增加,土壤溫度及孔隙度顯著降低導(dǎo)致微生物的活性下降[24],使得分解碳源的微生物生物量減少[25],本研究中人工林及天然林在5—60 cm的MBC平均含量低于草地及灌叢的結(jié)果也證實(shí)了上述猜想。另一方面,細(xì)根周轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的根系凋落物是土壤有機(jī)質(zhì)的主要來源[26],杜虎等[27]指出喀斯特地區(qū)灌叢的根系生物量與SOC含量呈顯著正相關(guān)(R2為0.828),灌叢根系數(shù)量豐富,可能是引起灌叢保持較高SOC含量的原因。另外,植物根系分泌的酸性物質(zhì)會(huì)破壞土壤碳的礦物保護(hù)作用[28],刺激土壤有機(jī)質(zhì)的分解[29],人工林和天然林較長植物根系的分泌物可能是深層土壤碳含量低于其他土地利用方式的重要原因。

3.2 土地利用方式對土壤活性有機(jī)碳組分的影響

雙因素方差分析表明土地利用方式、土層深度及兩者的交互作用對DOC含量均無顯著影響,這可能是由于DOC是游離的或吸附在礦物和膠體上的碳,其分子通常很小(<450 nm),容易發(fā)生溶解和遷移[30]。本研究中不同土地利用方式下DOC含量為0.84—1.62 g/kg,含量顯著高于其他地區(qū)[24,31—32],但與哈文秀等[33]在建水喀斯特?cái)嘞菖璧氐貐^(qū)測得的不同恢復(fù)方式下DOC含量(0.82—1.18 g/kg)接近。曹建華等[34]認(rèn)為DOC是巖溶生態(tài)系統(tǒng)中活躍的有機(jī)碳組分,受水熱條件的影響較大,雨季適宜的水熱條件提高了微生物及植被的新陳代謝速率,使得DOC在土壤中保持較高含量。Basile-Doelsch等[30]也指出DOC可能存在明顯的季節(jié)性變化,溫度和降水是影響DOC含量變化的重要因素。EOC和MBC受土地利用方式、土層深度及兩者交互作用的顯著影響,這可能是由于EOC和MBC是土壤中周轉(zhuǎn)速度較快的那一部分碳,容易受到土壤管理措施及周圍環(huán)境條件變化的影響而迅速做出響應(yīng)[6]。本研究中EOC和MBC的含量及儲量均表現(xiàn)草地和灌叢最高,耕地最低。草地和灌叢較高的原因可能是由于其植被密度小,光熱條件充足,植被更新速度相對快,使得地表和地下凋落物輸入的數(shù)量更多[35],故LOC含量較高。耕地可能是由于長期的耕作使得土壤養(yǎng)分流失嚴(yán)重,不利于微生物的生長,其數(shù)量和活性都受到抑制,減少了LOC的來源[25],另外,Six等[36]研究發(fā)現(xiàn)耕作會(huì)破壞團(tuán)聚體結(jié)構(gòu),釋放由團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)保護(hù)的有機(jī)碳,這促進(jìn)了微生物對有機(jī)碳的利用,加速有機(jī)碳的礦化分解,使得LOC含量降低。此外,人工林的EOC含量低于天然林可能是樹種組成和林分類型導(dǎo)致碳輸入不同而引起,榿木人工林為落葉闊葉林,是一種非豆科根瘤固氮樹種,天然林以常綠闊葉林為主。榿木的固氮作用將提高土壤氮的有效性[7],促進(jìn)有機(jī)碳的礦化作用,這不利于LOC的累積。

土壤活性有機(jī)碳各組分的分配比例可以被用來指示土壤有機(jī)碳庫穩(wěn)定性,活性有機(jī)碳比例越高,土壤有機(jī)碳庫的穩(wěn)定性越差[37]。本研究中DOC/SOC隨著土層深度的增加而增加,深層土壤中DOC分配比例較高,由于DOC是微生物生長活動(dòng)過程中可直接利用的主要碳源[38],其含量表征著土壤微生物的碳可用性,這可能是引起深層土壤保持較高EOC及MBC含量的重要原因。此外,隨土層深度增加人工林的EOC/SOC顯著下降,且在整個(gè)土壤剖面人工林的EOC/SOC均低于草地、灌叢及天然林,這說明榿木人工林雖不利于LOC的積累,卻有利于SOC的穩(wěn)定性增加。Li等[39]認(rèn)為土壤穩(wěn)定有機(jī)碳的能力決定SOC積累,如果土壤穩(wěn)定有機(jī)碳能力較低,輸入的有機(jī)碳可能存在較大的流失風(fēng)險(xiǎn)。這表明在云南喀斯特石漠化地區(qū)固氮樹種可能更有利于提高有機(jī)碳穩(wěn)定性,有助于減小碳流失的風(fēng)險(xiǎn)。

綜上,斷陷盆地石漠化地區(qū)不同土地利用方式的SOC及LOC含量及儲量存在顯著差異,整體上呈現(xiàn)出草地和灌叢大于人工林、天然林及耕地。在該區(qū)進(jìn)行退耕還林還草,減少人為干擾,有利于區(qū)域土壤碳含量的增加；選擇固氮樹種進(jìn)行植被恢復(fù),更有利于區(qū)域土壤碳的固存。對比同緯度帶其他地區(qū)的SOC含量,本研究中草灌林的平均SOC含量為30.50 g/kg,顯著高于北亞熱帶地區(qū)次生天然林含量[30](29.27 g/kg)、紅壤丘陵區(qū)人工林含量[31](6.20—9.22 g/kg),表明在該區(qū)進(jìn)行植被恢復(fù)具有較大的碳匯潛力,特別是以草灌為主要利用方式的恢復(fù)模式可作為該區(qū)生態(tài)恢復(fù)的主導(dǎo)措施。

3.3 土壤有機(jī)碳及其活性組分的關(guān)鍵影響因素

通徑分析指出SOC含量變化一方面受C/P比的直接影響。本研究中5種土地利用方式的平均C/P比表現(xiàn)出灌叢最高,并與SOC呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律,圖3也指出SOC與C/P比呈極顯著正相關(guān),這表明土壤C/P比越高,可能更有利于喀斯特地區(qū)SOC含量的積累。土壤的化學(xué)計(jì)量特征是衡量土壤中養(yǎng)分礦化速率和養(yǎng)分有效量的重要指標(biāo),土壤C/P越高,表明有機(jī)P的礦化速率和養(yǎng)分有效量越低[40]。研究表明土壤中P素主要來源于SOC的礦化分解[41],當(dāng)P素的礦化分解速率越低(即C/P比較高),將減緩SOC的礦化分解,更有利于SOC的積累[22]。另一方面受交換性鈣和砂粒的間接影響,即通過影響C/P比間接對SOC含量產(chǎn)生影響。在喀斯特地區(qū)土壤受成土母質(zhì)碳酸鹽巖的影響,具有富鈣的典型特點(diǎn),巖溶區(qū)的鈣含量是非巖溶區(qū)的4倍以上[42]。胡寧等[43]指出土壤鈣素(特別是交換性鈣)對P素的有效性有重要的制約作用,大量的鈣離子能夠與土壤中的磷酸根離子結(jié)合形成各種難溶性的磷酸鈣鹽,另外,豐富的碳酸鈣對土壤P素的吸附和固定也起著關(guān)鍵作用[44],這都將降低土壤中P含量。此外,研究表明巖溶區(qū)石灰性土壤的固碳和固鈣作用相輔相成[45],高鈣可能是保持SOC含量較高的原因,有機(jī)質(zhì)可以通過鈣離子與礦物表面相互作用,提高有機(jī)碳的穩(wěn)定性,減少土壤碳的流失[13]。土壤質(zhì)地顯著影響土壤中P素含量,土壤中的砂?？膳c土壤顆粒有機(jī)碳緊密結(jié)合,對土壤P素進(jìn)行封存[46],顯著降低土壤P素含量。綜上,交換性鈣和砂?？芍饕ㄟ^吸附和沉淀兩種方式降低土壤中的P素含量來增大土壤C/P比,減小SOC的礦化分解速率,促進(jìn)SOC的積累。

本研究中EOC和MBC含量與SOC含量有相同的變化特征,且EOC和MBC在土層間的變化程度高于SOC,相關(guān)分析結(jié)果也指出各LOC組分與SOC均呈顯著正相關(guān),表明LOC對不同土地利用方式的響應(yīng)更敏感,其含量變化受SOC含量的影響,這主要由于LOC是SOC的組成部分,是形成更穩(wěn)定有機(jī)質(zhì)的基礎(chǔ)[6]。通徑分析指出土壤砂粒是影響EOC和MBC含量的關(guān)鍵因素,其余因素(交換性鈣、C/P比及全磷)也主要通過影響砂粒間接影響EOC和MBC含量。研究表明不同粒徑的土壤顆粒相互排列構(gòu)成的土壤結(jié)構(gòu)可調(diào)節(jié)有機(jī)碳周轉(zhuǎn)[47],在砂粒含量高的土壤,空隙結(jié)構(gòu)良好,微生物活性較高,根系的生長較快,為土壤提供豐富的植物碳源輸入,促進(jìn)LOC的積累[30]。交換性鈣主要吸附于土壤膠體表面,其可通過與土壤顆粒的之間相互作用對土壤養(yǎng)分的固持有重要作用[48]。不同活性有機(jī)碳組分的影響因素存在差異,這可能是由于不同活性有機(jī)碳組分的性質(zhì)(如溶解性、氧化性等)和主要物質(zhì)來源的不同,使得不同組分對環(huán)境的響應(yīng)存在差異。因此,不同土地利用方式作用下的土壤碳庫動(dòng)態(tài)受多種因素的交互影響,要明確影響有機(jī)碳及其活性組分的關(guān)鍵因子及其機(jī)制,還需對各要素開展更為深入的研究。

4 結(jié)論

云南喀斯特?cái)嘞菖璧豐OC含量受土地利用方式及土層深度的顯著影響,其含量隨土層深度的增加逐漸降低,平均含量以草地及灌叢較高,人工林及天然林次之,耕地最低；EOC和MBC與SOC含量的變化趨勢基本一致,但不同土地利用方式EOC和MBC含量在土壤垂直剖面的下降幅度顯著高于SOC,表明EOC和MBC對不同土地利用方式的響應(yīng)比SOC更敏感；5種土地利用方式的DOC均保持較高含量及分配比例,且不受土地利用方式和土層深度的影響。不同土地利用方式EOC的分配比例指出固氮樹種可能更有利于斷陷盆地地區(qū)土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性,有助于減小碳流失的風(fēng)險(xiǎn)。LOC的含量除受SOC含量的限制外,還主要受砂粒、土壤含水量、C/N比、C/P比、交換性鈣和交換性鎂等因素的調(diào)控。通徑分析進(jìn)一步表明在喀斯特?cái)嘞菖璧氐貐^(qū)C/P比和砂粒是SOC、EOC和MBC含量的關(guān)鍵影響因素。