紫色土丘陵坡地不同植被类型土壤活性有机碳组分的比较

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(湖南环境生物职业技术学院 园林学院，湖南 衡阳421005)

土壤活性有机碳(soil active organic carbon, SAOC)是土壤有机碳(soil organic carbon, SOC)的活性部分，被认为是土壤中有效性较高、易被土壤微生物分解矿化、对植物养分供应有最直接作用的有机碳[1]，虽然它只占SOC总量的较小部分，但它们在维持土地生产力和反映土壤碳储量变化方面具有重要的作用，且对不同植被类型的微环境变化的响应比SOC更为敏感，能直接参与土壤生物化学转化过程，同时也是土壤微生物活动的能源和土壤养分的驱动力[2-3]，能更好地反映SOC的有效性，指示土地质量[4-5]，因此，对于SAOC的研究是植被土壤碳库动态及调控机理研究的重要方面。

湖南省衡阳市紫色土丘陵坡地面积1.625×105hm2，是湖南省生态环境最为恶劣的地区之一，也是中国南方极具代表性的生态灾害易发地区，由于紫色土极易水蚀，发育期短，地力差，常处于幼年阶段，加上颜色深、吸热性强，夏季地面温度高，蒸发量大，又因区域性水、热分布等不利环境影响和不合理的开发，致使该区域长期以来植被稀疏，水土流失和季节性旱灾严重，恶劣的生态环境严重制约着当地农村经济的发展[6-7]。近几十年来，我国对SOC的研究日益增多[8-9]，但对于湖南省衡阳市紫色土丘陵坡地SOC的研究甚少，本研究选择该区域内3种不同的植被类型，对其SAOC及组分进行研究，研究结果将有助于深入了解不同植被类型对SOC积累以及淋溶与流失的影响，为湖南省衡阳市紫色土丘陵坡地SAOC的研究、土壤C循环以及植被恢复对有机碳库组分和稳定性的影响提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

紫色土丘陵坡地位于湖南省中南部，湘江中游(110°32′16″～113°16′32″ E，26°07′05″～27°28′24″ N)，地貌类型以丘岗为主，紫色土呈网状集中分布于该区域中部海拔60～200 m的地带。该区域属亚热带季风湿润气候，年平均气温18℃；极端最高气温40.5℃，极端最低气温-7.9℃，年均降雨量1 325 mm，年均蒸发量1 426.5 mm。平均相对湿度80%,全年无霜期286 d[10-11]。

1.2 研究方法

1.2.1样地选择与采样 该地区植被演替的过程为：草本阶段→草灌阶段→灌丛阶段→乔灌阶段→乔木阶段[12-13]，在研究区域内选取3种不同的植被类型，即草地区(grassland zone, GZ)、草地森林区(grassland-forest zone, GFZ)和森林区(forest zone, FZ)为研究对象，在各植被类型区内设置面积>1 hm2的样地(各植被类型的初期均为撂荒地)，不同植被类型概况见表1。在每个>1 hm2的样地内设置3个400 m2(20 m×20 m)样方，且样方间距>20 m，在每个样方内按S型采取5个样点，用土钻取0～10 cm和10～20 cm土样，同层土壤混合，然后将混合样品带回实验室过2 mm钢筛，去除石砾、可见的植物根系及土壤动物，再分成2份。一份鲜样供可溶性有机碳(dissolved organic carbon, DOC)和微生物生物量碳(microbial biomass carbon, MBC)分析，另一份风干后，进一步处理，供SOC总量、易氧化有机碳(easily oxidizable organic carbon, EOC)和土壤养分分析。

表1 不同植被类型概况Table 1 The basic condition of different vegetation types

1.2.2测定项目与方法 土壤pH值测定采用电位计法；土壤容重(soil bulk density, SBD)测定采用环刀法；全氮(total nitrogen, TN)测定采用半微量凯氏法；全磷(total phosphorus, TP)测定采用NaOH熔融-钼锑抗显色-紫外分光光度法；全钾(total potassium, TK)测定采用NaOH熔融-火焰光度法；SOC测定采用重铬酸钾氧化-外加热法[14]；MBC测定采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法(转换系数K取0.45)[15]；EOC采用高锰酸钾(333 mmol·L-1)氧化法分析[16]；轻组有机碳(light fraction organic carbon, LFOC)的测定参照Janzen等[17]的分离方法得到轻组有机质，然后在60℃下烘干(24 h)，称重，得到重组物质占整个样品质量的比例，研磨过0.15 mm筛，重铬酸钾外加热测定重组SOC含量，计算轻组有机碳含量及其分配比例；DOC用未熏蒸前土壤浸提液中的碳含量代替。

1.3 数据分析

分析采用SPSS 13.0软件进行数据处理与统计分析。采用单因素方差分析法(one-way ANOVA)和最小显著差异法(LSD)比较不同数据间的差异，用Pearson相关系数分析土壤有机碳与活性有机碳的相关系数。所有数据均为3次重复的平均值。

2 结果与分析

2.1 土壤理化性质

由表2可知，FZ各土层的SBD显著低于GZ和GFZ(P<0.05)，0～10 cm土层，GZ和GFZ的SBD分别为FZ的1.19和1.27倍，10～20 cm土层为1.22和1.20倍；各植被类型不同土层的SBD差异不显著。0～10 cm土层，GZ和GFZ的TN含量显著低于FZ(P<0.05)，GZ和GFZ的TN含量分别为FZ的23.85%和26.15%，10～20 cm土层，各植被类型TN含量的大小顺序为FZ(1.26 g·kg-1)>GFZ(0.46 g·kg-1)>GZ(0.38 g·kg-1)(P<0.05)；各植被类型0～10 cm土层TN含量均显著高于10～20 cm土层(P<0.05)。FZ各土层的TP含量均显著高于GZ和GFZ(P<0.05)，0～10 cm土层，GZ和GFZ的TP分别为FZ的79.45%和82.19%，10～20 cm土层，为85.07%和86.57%；各植被类型不同土层的TP与TK含量均相对稳定，差异不显著。不同植被类型的土壤均呈弱碱性，但FZ的土壤pH值显著低于GZ和GFZ(P<0.05)，在0～10土层，GZ和GFZ的土壤pH值分别为FZ的1.05和1.06倍，10～20 cm土层，为1.03和1.04倍；各植被类型的不同土层的pH值差异不显著。

表2 不同植被类型下土壤理化性质Table 2 The soil physio-chemical properties under different vegetation types

注：不同大写字母表示同一土层不同植被类型间差异显著，不同小写字母表示同一植被类型不同土层间差异显著(P<0.05)，下同。

Note: Different capital letters indicate significant difference for the same soil layer of different vegetation types, and different small letters indicate significant difference for the same vegetation types of different soil layers at the 0.05 level. The same as below

2.2 SOC的分布特征

由表3可知，不同植被类型SOC大小顺序为FZ>GZ>GFZ(P<0.05)，0～10 cm土层，GZ和GFZ的SOC含量只有FZ的68.56%和30.51%，10～20 cm土层，为80.86%和54.60%；GFZ各土层SOC含量差异不显著(P>0.05)，而GZ和FZ 0～10 cm土层SOC显著高于10～20 cm土层(P<0.05)，GZ和FZ 0～10 cm土层SOC分别为10～20 cm土层的1.44和1.69倍。

表3 不同植被类型下土壤有机碳含量Table 3 SOC content under different vegetation types/g·kg-1

2.3 SAOC的分布特征

研究表明(表4)，各植被类型不同土层MBC大小顺序均为FZ>GFZ>GZ(P<0.05)，GZ和GFZ 0～10 cm土层的MBC分别为FZ的69.81%和75.95%，10～20 cm土层为74.50%和81.56%。各植被类型不同土层MBC含量差异显著(P<0.05)，GZ、GFZ和FZ 0～10 cm土层MBC分别为10～20 cm土层的1.94，1.93和1.51倍。

不同植被类型DOC含量差异显著(P<0.05)，FZ的0～10 cm土层DOC含量分别为GZ和GFZ的2.46和1.11倍；10～20 cm土层为4.10和1.55倍；各植被类型0～10 cm土层的DOC含量显著大于10～20 cm土层(P<0.05)，GZ、GFZ和FZ的10～20 cm土层DOC的含量比0～10 cm土层分别减少56.41%、40.34%和27.42%。

FZ的各土层LFOC含量均显著高于GZ与GFZ(P<0.05)，GZ和GFZ的0～10 cm土层LFOC含量分别为FZ的58.66%和56.79%，10～20 cm土层为56.29%和56.50%；GZ不同土层的LFOC含量差异显著(P<0.05)，0～10 cm土层为10～20 cm土层的1.06倍。

各植被类型不同土层的EOC含量的大小顺序均为FZ>GZ>GFZ(P<0.05)，GZ和GFZ的0～10cm土层EOC含量分别为FZ的39.38%和25.63%，10～20 cm土层为67.77%和45.42%。FZ不同土层的EOC含量差异显著(P<0.05)，0～10 cm土层为10～20 cm土层的1.76倍，GZ和GFZ不同土层的EOC含量差异不显著。

表4 不同植被类型下SAOC组分的分布特征Table 4 The properties of SAOC composition under different vegetation types

2.4 SOC与SAOC组分的耦合作用

研究表明(表5)，SOC与MBC、LFOC、EOC呈极显著正相关，与DOC显著正相关；MBC与LFOC、EOC极显著正相关，与DOC显著正相关；LFOC与EOC、DOC呈极显著正相关；EOC与DOC显著正相关。SAOC组分间显著正相关，除DOC外，SAOC组分与SOC极显著正相关。由此可见，SAOC组分含量在很大程度上取决于SOC的含量。

表5 SOC与SAOC组分的相关性Table 5 Correlations among SOC and SAOC composition

注：*表示显著相关(P<0.05)；**表示极显著相关(P<0.01)

Note: *indicates significant correlation at the 0.05 level； ** indicates highly significant correlation at the 0.01 level

3 讨论

在本研究中，3种植被类型SOC的大小顺序为FZ>GZ>GFZ(P<0.05)，与Chaai等[18]的研究结果基本相似。在FZ，较好的土壤理化性质(表2)、大量的凋落物和根系分泌物使得其SOC最高，GZ的SOC含量高于GFZ的含量，可能是由于GZ较高的草本植物覆盖度，相对稳定的生态环境和微生物以及较高的同化输入作用。此外，GFZ是GZ与FZ之间的生态过渡区，具有较高的淋溶和淋失，土壤微生物生存压力较大。3种植被类型MBC的大小顺序与SOC相同，说明MBC与SOC密切相关(表5)[19-21]，在FZ中，土壤表层聚集较多的凋落物，水热和通气状况较好，有利于微生物生长与繁殖，而GZ有较高的草本覆盖度和细根，使得GZ的MBC较GFZ要高，与杨满元等[22]，付美云等[23]的研究结果相似，GZ植被覆盖度高，草本植物在土壤表层的细根较多，土壤温、湿度适宜，有利于MBC的积累；表层土壤侵蚀的淋溶和淋失作用是EOC含量差异的决定性因素，土壤侵蚀强度的大小对EOC含量有着重要影响[24-25]，FZ由于茂密的森林和林冠，以及深厚的枯枝落叶层，对雨水有较好的消能作用和对径流的拦挡作用，使得森林区的土壤侵蚀非常低，GZ与GFZ相比，GZ有较好的草本覆盖，土壤侵蚀较GFZ低，与张攀等[26]的研究结果基本一致；DOC主要是以胡敏酸和分子量较小的有机酸、碳水化合物组成，35%～47%存在于胡敏酸中[27]，从FZ→GFZ→GZ，植被的凋落物和土壤有机质中的腐殖质依次减小[28]，导致DOC的含量显著减小；LFOC主要是由植物碎片和根系组成，是介于植物残体和腐质之间的有机质，主要受植物根系分布、根系分泌物和微生物的影响[29]，在FZ中，水热条件较好，微生物种类丰富，对枯枝落叶的分解作用明显，使得FZ的LFOC明显高于GZ和GFZ。

0～10 cm土层MBC以FZ最高，GFZ最低，3种植被类型0～10 cm土层MBC相差较大(达111.74 mg·kg-1)，10～20 cm土层相差较小(仅为45.51 mg·kg-1)(表4)，0～10 cm土层微生物活动强烈，有机质易被分解，SAOC含量增加，10～20 cm土层受微生物影响小，SAOC含量较小[30]；DOC主要来源于近期植物枯枝落叶和土壤有机质中的腐殖质，使得0～10 cm土层DOC含量较10～20 cm土层高，与王棣等[31]的研究结果基本一致；Janzen等[17]的研究表明，0～7.5 cm土层LFOC含量为2～24 g·kg-1，与本研究0～10 cm土层LFOC含量2.81～4.79 g·kg-1(表4)的结果基本一致，在不同植被区，0～10 cm土层变化幅度较大(达2.07 g·kg-1)，10～20 cm土层变化幅度较小(仅为0.05 g·kg-1)(表4)；不同土层EOC以FZ最高(2.07 g·kg-1)，GZ次之(0.04 g·kg-1)，GFZ最低(0.01 g·kg-1)(表4)，与管光玉等[32]，黄茹等[33]的研究结果基本一致。Chiorse等[34]认为在一定土壤深度，土壤微生物活性受SAOC的限制，SAOC数量随土层深度的增加而下降；土层深度越大，SOC有效性越低。

在本研究中，SOC与MBC、LFOC、EOC和DOC呈显著或极显著正相关关系(P<0.05或P<0.01)，说明SAOC含量在很大程度上取决于SOC的含量[35]。

4 结论

不同植被类型土壤有机碳、微生物量碳和易氧化有机碳差异显著，均表现为森林区>草地区>草地森林区，不同植被类型土壤可溶性有机碳差异显著，表现为森林区>草地森林区>草地区，森林区轻组有机碳显著高于草地区和草地森林区；相对草地森林区，草地区中草本植物明显提高土壤活性有机碳含量。

土壤活性有机碳随土层分布特征与土壤有机碳基本相似，深度越大，土壤有机碳的有效性越低；活性有机碳很大程度上取决于土壤有机碳，除可溶性有机碳外，活性有机碳与土壤有机碳极显著正相关。