紫色土丘陵坡地土壤水溶性有机碳对植被恢复的响应及其与土壤因子的关系

杨满元， 杨 宁， 欧阳美娟， 万 丽， 刘 浩， 姜 琳， 吴 磊

(湖南环境生物职业技术学院园林学院， 湖南 衡阳 421005)

土壤有机碳(Soil organic carbon,SOC)是土壤质量评价重要指标[1-2]，但利用SOC来评价植被恢复对土壤碳动态影响是非常困难的[3-4]。因此，需要敏感性评价指标研究土壤有机碳动态。土壤水溶性有机碳(Dissolved organic carbon,DOC)属土壤活性有机碳的一部分，是SOC中受植物、微生物影响强烈，有一定溶解性，在土壤中移动比较快、不稳定、易氧化、易分解、易矿化，其形态、空间位置对植物、微生物来说活性较高的那部分土壤碳素，在陆地生态碳物质循环中起重要作用[5-6]，其通量比全球植物和大气间碳交换量小1～2个数量级，生物圈碳平衡很小的变化，会导致DOC巨大变化，DOC浓度和通量是土壤环境变化的敏感指标，可用来反映环境条件变化。然而，植被恢复对它的影响研究却非常少，近年来，特定波长紫外光吸收值和紫外光吸收值/可见光吸收值常用来反映DOC组成、团聚化程度和分子量的大小[7-8]。280 nm波长紫外吸收值(E280)与E465/E665、E250/E365(下标465，665，250，365等均为紫外线波长)和单位浓度紫外光密度值(E/SOC)可用来指示天然有机物的来源和结构[9-10]。

湖南省衡阳紫色土丘陵坡地面积1.625×105hm2，是中国南方独有土地类型，这类土地以其土壤特别的色泽成为中国特有的土地资源。紫色土丘陵坡地生态问题和本身生产性问题特别突出，紫色土丘陵坡地生态环境脆弱，气候干旱，水土流失严重；紫色土耐旱性差，土壤养分含量不协调，紫色土本身不耐侵蚀。在植被遭到破坏后，紫色土丘陵坡地表土很快流失，土地大量荒芜，恢复林草植被十分困难，农林牧生产受到很大制约[1]。近年来通过“坡地还林还草”、“坡地整治”、“生态扶贫”等以植被恢复为主的宏观生态工程的实施，紫色土丘陵坡地治理及退化生态系统恢复重建已初见成效。为了改善该区域的生态环境，许多学者对该区域土壤理化性质、土壤种子库以及植被恢复模式等方面开展了大量研究，并已取得了一定的研究成果[11-13]，但植被恢复对该区域紫色土丘陵坡地DOC的影响尚未阐明。本研究采用“空间序列代替时间序列”方法[14-16]，测定衡阳市紫色土丘陵坡地不同恢复阶段的DOC含量，E280值，E250/E365和E240/SOC比率，研究植被恢复对DOC影响，揭示恢复过程DOC变化规律，为运用生态学原理指导该区域生态恢复建设提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于湖南省中南部，处于湘江中游，地理坐标为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。区域属亚热带季风湿润气候，年均气温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左右。

1.2 研究方法

2017年8月下旬，选择坡度、坡向、坡位和裸岩率等生态因子基本一致的坡中下部沿等高线有代表性的、按照植被恢复从低到高的顺序的样地分别为：草本(Grassplot,GT)(狗尾草Setariaviridi)阶段，灌草(Frutex and grassplot,FG)(紫薇Lagerstroemiaindica-狗尾草)阶段；灌丛(Frutex,FX)(牡荆Vitexnegundovar.cannabifolia+剌槐Robiniapseudoacacia)阶段；乔灌(Arbor and frutex,AF)(枫香Liquidamdarformosana+苦楝Meliaazedarach-牡荆)阶段，且每个样地的面积大于1 hm2，群落演替的初始条件均为撂荒地(表1)。

表1 样地概况Table 1 The basic condition of sampling sites

在每个大于1 hm2的样地内设置3块400 m2(20 m×20 m)样方，在每个样方内按S型采取15个土样(0～40 cm)混合为一个混合样，去掉土壤中可见植物根系和残体，过3 mm筛，测土壤容重(Soil bulk density,BD)后，再分成2份，1份新鲜土壤自然风干供SOC、全氮(Total N,TN)、碱解氮(Available N,AN)、全磷(Total P,TP)、速效磷(Available P,AP)、速效钾(Available K,AK)、pH值等土壤因子的测定，其测定方法参照文献[17-19]；另1份新鲜土壤放入冰箱4 ℃保存，并在1周内完成DOC、土壤微生物生物量碳(Soil microbial biomass carbon,SMBC)测定。

DOC测定：称取20 g(干重)土样放入三角瓶中，加入60 mL蒸馏水，常温下震荡30 min，用转速3000 r·min-1离心机离心10 min，上清液过0.45m滤膜，用岛津TOC-VCPH仪测定浸提液碳浓度，得DOC[4]。为避免浓度差异对特定波长吸光值影响，先将所有样品DOC浓度稀释到10 mg·L-1[20]，再用用岛津UV-2550测定240，250，280，365 nm处吸收值，并计算E250/E365和E240/SOC比率。

SMBC采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法测定[21]，熏蒸和未熏蒸的样品分别用0.5 mol·L-1的K2SO4浸提30 min，用岛津TOC-VCPH仪测定浸提液碳浓度，SMBC用熏蒸和未熏蒸样品浸提液测定SOC差值(Ec)获得，即SMBC=Ec/0.38。

土壤轻组有机碳(Light fraction of organic carbon,LFOC)用密度分组法得到：取100 g干土，放入密度为1.70 g·cm-3的NaI溶液，用手摇动震荡5 min，室温下放置1 h[22]，虹吸法取上清液，过滤，重复3次，用0.01 mol·L-1的CaCl2溶液100 mL洗涤，再用200 mL蒸馏水洗，得LFOC。剩余土继续加入NaI溶液，用超声波400 J·mL-1震荡3 min，在转速3 000 r·min-1离心机上离心10 min，虹吸法取上清液，过滤，重复3次，用0.01 mol·L-1的CaCl2溶液100 mL洗涤，再用200 mL蒸馏水反复冲洗，溶液中剩余部分为重组有机碳(Heavy fraction of organic carbon,HFOC)。

1.3 数据处理

采用SPSS13.0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相关系数分析不同因子间的相关系数。所有数据均为3次重复的平均值。

2 结果与分析

2.1 不同恢复阶段土壤因子的变化

由表2可知，随着植被恢复进行，BD、HFOC显著降低(P<0.05)；SOC、TN、SMBC显著增加(P<0.05)；TP含量大小顺序为草本阶段>灌草阶段(=乔灌阶段)>灌丛阶段(P<0.05)；灌丛与乔灌阶段的AN含量显著高于草本与灌草阶段含量(P<0.05)；AP的含量大小顺序为乔灌阶段>灌丛阶段>草本阶段>灌草阶段(P<0.05)。

由于受SOC、TN和AN增加的影响，pH值随恢复而逐渐减小(P>0.05)；紫色土含丰富的正长石等矿物，风化后保留了相当数量的K，因此紫色土中K含量相对较高，AK变化范围在257.12～268.31 mg·kg-1，差异不大。

表2 不同恢复阶段0～40 cm的土壤因子Table 2 Soil factors in 0～40 cm soil depth at different re-vegetation stages

注:同行不同字母表示不同恢复阶段间差异显著(P<0.05)

Note:Different letters in the same row indicate significant difference among different re-vegetation stages at the 0.05 level

2.2 不同恢复阶段DOC含量与特定波长吸收值变化

由表3可见，随着恢复的进行，DOC含量与E250/E365比率均显著增加(P<0.05)，草本、灌草和灌丛阶段DOC含量、E250/E365比率分别为乔灌阶段DOC含量、E250/E365比率的27.04%，36.84%，53.26%和38.83%，59.50%，68.27%；4个恢复阶段E280值与E240/SOC比率的变化规律与DOC含量、E250/E365比率的变化规律基本相反，4个恢复阶段的大小顺序为草本阶段>灌草阶段>灌丛阶段>乔灌阶段(P<0.05)，草本阶段阶段的E280值与E240/SOC比率分别为灌草、灌丛和乔灌阶段的1.41，1.46，2.05倍和1.20，1.50，2.00倍。

表3 不同恢复阶段土壤水溶性有机碳含量和E280,E250/E365和E240/SOC的值Table 3 The concentrations of DOC,E280value,ratios of E250/E365 and E240/SOC at different re-vegetation stages

注:同列不同字母表示不同恢复阶段间差异显著(P<0.05)

Note:Different letters in the same column indicate significant difference among different re-vegetation stages at the 0.05 level

2.3 DOC与土壤因子的相关性分析

研究表明(表4)，除TP、AK与pH值外，DOC、BD、SOC、TN、AN、AP、SMBC、LFOC、HFOC间关系密切。其中DOC、SOC、TN、AN、AP、SMBC、LFOC间正相关，相关系数r处于0.480*～0.932**之间(*P<0.05或**P<0.01)；BD、HFOC分别与DOC、SOC、TN、AN、AP、SMBC、LFOC负相关，r分别处于—0.888**～—0.489*与—0.812**～0.668**之间(*P<0.05或**P<0.01)。

表4 不同土壤因子的相关性分析Table 4 Correlation analysis among different soil factors

注:**表示P<0.01,*表示P<0.05

Note:**indicates significant difference at the 0.01 level,*indicates significant difference at the 0.05 level

3 讨论

衡阳紫色土丘陵坡地在恢复过程中，植物生长增加植被覆盖度，减少径流、泥沙和养分流失，而植物根系分泌物和凋落物增加了SOC输入，从而导致DOC显著增加(表3，表4)[23]；研究表明[7]，DOC团化程度或分子量与E280值、E240/SOC比率正相关，与E250/E365比率负相关，DOC团化程度或分子量越大，说明它含有越多的芳香族化合物，结构越复杂，DOC可利用性越低，因此，随植被恢复进行，DOC可利用性呈增加趋势。

DOC与BD负相关(P<0.01)(表4)，BD越大，土壤生物学性质越低，其固持的土壤有机质周转时间越长，不容易被利用[24]，与Christensen[25]研究结果基本一致；DOC与TN、AN、AP正相关(P<0.05或P<0.01)(表4)，与马昕昕等[26]研究结果基本一致；DOC与其它土壤因子相关性存在的基础是各指标含量具有一定变化幅度，各恢复阶段土壤pH值与AK变化幅度分别为0.97与11.19 mg·kg-1，差异不大(表2)，所以DOC与土壤pH值、AK的相关性不明显(表4)；DOC与生物有效性较低的TP不相关(表4)，而与生物有效性较高的土壤因子有关，说明DOC大小可反映土壤中潜在活性养分含量、周转速率以及土壤养分循环和供应状况，因此，DOC与土壤肥力关系密切，可作为评价土壤肥力性状的生物学指标。

DOC与SOC相关系数r为0.813**(P<0.01)，与LFOC更强，r高达0.912**(P<0.01)，与HFOC明显负相关，r为—0.765**(P<0.01)(表4)，DOC实质是天然有机碳中分子量较小且亲水性较强的组分，因此，DOC差异取决于SOC特别是腐殖质含量的高低，而LFOC是介于植物残体和腐殖质之间的有机质，代表了快速周转碳库，是DOC主要储存库，HFOC是土壤的隋性碳库，因此，DOC主要由土壤中现存的有机质数量和质量决定[20，27]；DOC与SMBC的r高达0.932**(P<0.01)(表4)，所以认为土壤微生物的代谢产物对DOC有很大贡献[28-29]。本研究表明，DOC、LFOC、SMBC等均与SOC正相关(P<0.01)(表4)，说明决定生物活性有机碳库大小的因素可能是SOC含量。

4 结论

随植被恢复进行，DOC数量显著增加，质量明显提高。植被恢复可通过根系分泌物和残体向土壤提供碳源，影响土壤物质循环，增加土壤养分含量，改善土壤性质，进而影响DOC变化动态；DOC与SOC、TN、AN、AP、SMBC、LFOC正相关(P<0.01或P<0.01)，与BD、HFOC负相关(P<0.01)，与TP、AK、pH值相关性不明显；DOC含量大小可反映土壤中潜在的活性养分含量、周转速率以及土壤养分循环和供应状况，DOC与土壤肥力关系密切，可作为评价土壤肥力性状的生物学指标。