土壤活性有机碳及碳库管理指数对石漠化治理措施的响应

李金垚，潘 雯，王 佳，薛 亮，张显松，李 生*

(1. 中国林业科学研究院亚热带林业研究所，浙江 杭州 311400；2. 南京林业大学，江苏 南京 210037；3. 贵州普定石漠生态系统国家定位观测研究站，贵州 普定 562100；4. 贵州省普定县林业局，贵州 普定 562100)

土壤是陆地生态系统最大的碳储存库，其储量是大气碳储量的2倍、植被碳储量的3倍，土壤碳库的微小变化可引起大气CO2浓度的显著改变[1-2]。土壤碳库是构成土壤肥力的基础，也是驱动土壤养分循环和能量流动的物质基础[3]。土壤有机碳作为土壤碳库的主要组成部分，占土壤总碳量的50%以上，是评价土壤质量和土地生产力的重要指标[4-5]。但土壤有机碳总量变化缓慢，具有一定的滞后性，短期内难以反映土壤性质的变化，而以微生物生物量碳、易氧化碳和可溶性碳为主要表征指标的活性有机碳库组分能对土壤管理措施、气候等变化快速作出响应[2]。活性有机碳能直接参与土壤生物化学转化过程，在表征土壤质量方面有着重要意义[6]。土壤碳库管理指数（CPMI）是碳库不稳定性指数与碳库指数的乘积，综合评价总有机碳和活性有机碳在土壤中的分布情况[7]，更全面地反映外界因素对土壤有机碳的影响[8]，可作为衡量土壤碳库动态变化的指标。

喀斯特生态环境问题逐渐成为国际生态环境研究的热点之一[9]。我国喀斯特地区主要分布在以贵州为中心的西南八省，面积约54万km2，是世界三大喀斯特集中分布区之一[10]。喀斯特生态系统极为脆弱，其独特的双层地质结构，导致土壤严重侵蚀、退化，地表基岩大面积裸露，形成石漠化[11]。20世纪90年代以来，我国先后启动实施一系列重大生态工程开展石漠化治理[12]。近年来，喀斯特生态保护与修复已初见成效，石漠化土地面积持续减少[13]，然而，受自然环境和人为因素等影响，石漠化治理面临治理技术和模式缺乏针对性、水资源利用率低、生态恢复可持续性差等问题[14]。对自然坡地进行改造，是有效保持水土，减少土壤侵蚀、提高土壤肥力的重要途径。土壤活性有机碳库和碳库管理指数的分布对土壤质量的维持以及生态环境的变化起到重要作用。目前，对喀斯特地区有关土壤活性有机碳库的研究主要集中于植被恢复[15-16]、施用有机肥[17-18]和土地利用[19]等方面，针对喀斯特自然坡地改造中土壤活性有机碳变化规律的研究相对较少。因此，本文选取3种石漠化治理措施，分析了不同治理措施下土壤活性有机碳和储量的分布及碳库管理指数的响应，为喀斯特地区活性有机碳库估算、土地合理利用等提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于贵州省安顺市普定县城关镇，总面积约55 km2。研究区成土母岩主要为白云岩，土壤类型为黄色石灰土，海拔1200～1350 m，地面坡度15°～35°，属亚热带季风性湿润气候，年平均气温15.1 ℃，年平均降水量1387.2 mm，每年5—10月为主要降雨季节，无霜期平均301 d。研究区内坡耕地于2002年完成全部退耕还林，坡面植被以桃树（Amygdalus persicaL.）为主，地表草本分布基本相似，主要为茅草（Imperata cylindrica(L.) Beauv.）、小蓬草（Erigeron canadensis(L.)Cronq.）、鬼针草（Bidens pilosaL.）、狗尾草（Setaria viridis(L.) Beauv.）等。

研究区内坡面进行石漠化治理，修建了鱼鳞坑、梯田、梯田嵌套鱼鳞坑等措施。梯田措施主要分布于山坡中上部，海拔1260～1280 m，地面坡度为27°～32°，梯田水平田面宽4～6 m，田坎高70～110 cm。梯田嵌套鱼鳞坑措施主要分布于坡上部，海拔1290～1340 m，地面坡度为21°～26°，外部梯田水平田面宽4～6 m，田坎高70～110 cm，内部鱼鳞坑直径250～280 cm，高约30～35 cm。鱼鳞坑措施主要分布于山坡中上部，海拔1250～1300 m，地面坡度为24°～31°，鱼鳞坑高约30～50 cm，直径约280～340 cm。自然坡地分布于山坡中上部，海拔1230～1260 m，地面坡度为30°～34°。

1.2 研究方法

在对研究区进行全面踏查的基础上，选取3种具有区域代表性的石漠化治理措施梯田嵌套鱼鳞坑（26°18′40″ N, 105°48′01″ E）、鱼鳞坑（26°18′41″ N,105°47′27″ E）、梯田（26°18′34″ N, 105° 48′ 8″ E）作为研究对象，以无任何处理的自然坡地（26°17′43″ N,105°47′50″ E）为对照。样地选择研究区内发育类型基本相同，海拔、坡位、坡向等因素相近的区域，并于2021年3月进行土壤样品采集。

在不同石漠化措施和对照处理区各设置 3个20 m × 20 m的样地，样地间水平距离大于20 m，共12个样地。在每个样地内按“S”形选取5个样点采集土壤样品，每个样点取0～10、10～20 cm层次土壤，共计120个土壤采样点。将同一样地同一土层的土壤样品混合成一个土样，低温保存测定土壤活性碳组分。利用环刀测定土壤密度，取样前称量每个环刀的质量，记为M0，环刀体积记为V，按0～10、10～20 cm土层，自上而下垂直打入环刀，待环刀全部没入土壤后挖出，削去多余的土壤，将环刀带回实验室称质量，记为M1，打开顶盖，将环刀放入105 ℃烘箱中烘干12 h至恒质量，称质量记为M2。各样地取样方法、时间和处理保持一致。

1.3 样品处理和分析

土壤各理化指标测定均采用常规方法，可溶性碳含量（DOC）采用李忠佩等[20]方法测定。易氧化碳含量（EOC）采用KMO4氧化法测定[21]；微生物量碳含量（MBC）采用氯仿熏蒸提取法测定[22]。

1.4 数据处理

根据各层土壤活性有机碳组分含量（EOC、DOC、MBC）及土壤密度计算对应的活性有机碳储量：易氧化碳储量（EOCS）、可溶性碳储量（DOCS）、微生物量碳储量（MBCS）。计算公式如下：

式中：Ypool为土壤活性有机碳储量（EOCS、DOCS、MBCS）；X为土壤中活性碳组分含量（EOC、DOC、MBC）；BD表示土壤密度；D表示土层深度。

碳库管理指数（CPMI）以自然坡地土壤碳库不稳定性（L0）和有机碳含量作为参考土壤碳库不稳定性和有机碳含量，计算石漠化治理措施下碳库不稳定性指数和碳库指数，计算公式如下[21]：

碳库不稳定性（L）：

式中：SOC为土壤有机碳含量，EOC为土壤易氧化碳含量。

碳库不稳定性指数（LI）=样品土壤碳库不稳定性（L）/ 参考土壤碳库不稳定性（L0）。

碳库指数（CPI）=样品土壤有机碳含量/参考土壤有机碳含量。

碳库管理指数（CPMI）=碳库指数（CPI）×碳库不稳定性指数（LI） ×100%。

利用SPSS 22.0软件进行数据统计分析，对不同石漠化治理措施土壤活性有机碳、活性有机碳储量、活性有机碳占比、碳库管理指数进行Oneway ANOVA方差分析，并用 Duncan多重比较进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同石漠化治理措施下土壤活性有机碳组成

土壤易氧化碳含量、可溶性碳含量、微生物量碳含量在3种石漠化治理措施下表现出不同的分布差异（图1）。0～20 cm层鱼鳞坑土壤易氧化碳平均含量显著高于其它治理措施，较对照显著提高113.69%；梯田嵌套鱼鳞坑和梯田措施土壤易氧化碳平均含量较对照分别下降13.50%、40.14%。鱼鳞坑、梯田嵌套鱼鳞坑和梯田措施下不同土层间土壤易氧化碳含量随土层深度增加而下降。鱼鳞坑土壤可溶性碳含量显著高于其它措施，其中，0～20 cm层可溶性碳平均含量较对照提高85.78%；梯田嵌套鱼鳞坑土壤可溶性碳平均含量较对照提高15.68%；梯田措施土壤可溶性碳平均含量较对照下降75.02%。鱼鳞坑、梯田嵌套鱼鳞坑和梯田措施下不同土层间土壤可溶性碳含量随土层深度增加而增加。0～20 cm层鱼鳞坑土壤微生物量碳平均含量较对照提高29.78%；梯田嵌套鱼鳞坑土壤微生物量碳平均含量较对照降低12.56%，梯田措施土壤微生物量碳平均含量则较对照下降82.63%。石漠化治理措施土壤微生物量碳含量均随土层深度增加而下降，差异均不显著。

图1 不同石漠化治理措施下土壤活性有机碳含量Fig. 1 Changes of soil active organic carbon under different rocky desertification control measures

2.2 不同石漠化治理措施下土壤活性有机碳储量

土壤活性有机碳储量在3种石漠化治理措施下表现出不同的分布差异（图2）。土壤活性有机碳储量最大值均出现在鱼鳞坑措施，其中，土壤易氧化碳储量在0～10 cm和10～20 cm均显著高于其他措施，土壤可溶性碳储量仅在10～20 cm显著高于其它措施，而土壤微生物量碳储量在0～10 cm和10～20 cm与其他措施差异不显著；土壤活性有机碳储量最小值均出现在梯田措施，其中，梯田措施的土壤易氧化碳储量和微生物量碳储量在0～10 cm和10～20 cm均显著低于鱼鳞坑措施而与梯田嵌套鱼鳞坑措施差异不显著，土壤可溶性碳储量在0～10 cm和10～20 cm均显著低于其它措施。0～20 cm层鱼鳞坑土壤易氧化碳平均储量较对照显著提高104.90%，梯田嵌套鱼鳞坑和梯田措施平均储量较对照分别下降8.41%、32.56%；0～20 cm层鱼鳞坑土壤可溶性碳平均储量较对照显著提高79.17%，梯田嵌套鱼鳞坑较对照提高18.29%，梯田较对照显著下降65.85%；0～20 cm层鱼鳞坑土壤微生物量碳平均储量较对照提高20.01%，梯田和梯田嵌套鱼鳞坑较对照则分别下降77.69%、8.10%。

图2 不同石漠化治理措施下土壤活性有机碳储量Fig. 2 Changes of soil active organic carbon storage under different rocky desertification control measures

2.3 不同石漠化治理措施下土壤活性有机碳占有机碳比例

3种石漠化治理措施在0～20 cm土层土壤平均易氧化碳占比为16.90%～66.60%（图3），梯田土壤中易氧化碳占比显著高于其它2种措施。0～10 cm土层土壤易氧化碳占比在治理措施和对照间无显著差异。10～20 cm土层梯田土壤易氧化碳占比显著高于对照，梯田嵌套鱼鳞坑土壤易氧化碳占比较对照显著下降。3种石漠化治理措施在0～20 cm层土壤平均可溶性碳占比为0.40%～0.90%，最大值出现在梯田措施，最小值出现在梯田嵌套鱼鳞坑。0～10 cm土层土壤可溶性碳占比在治理措施和对照间无显著差异。10～20 cm土层梯田土壤可溶性碳占比显著高于对照，梯田嵌套鱼鳞坑和鱼鳞坑措施土壤可溶性碳占比与对照差异不显著。3种石漠化治理措施在0～20 cm层土壤平均微生物量碳占比为1.80%～5.20%，最大值出现在梯田措施，最小值出现在鱼鳞坑措施。0～10 cm层土壤微生物量碳占比在治理措施和对照间无显著差异，10～20 cm土层梯田土壤微生物量碳占比显著高于对照，梯田嵌套鱼鳞坑和鱼鳞坑土壤微生物量碳占比显著低于对照。

图3 不同石漠化治理措施下土壤活性有机碳占有机碳比例Fig. 3 The ratio of soil labile organic carbon to total organic carbon under rocky desertification control measures

2.4 不同石漠化治理措施下活性碳库特征

3种石漠化治理措施下，土壤碳库不稳定性指数为0.23～3.92，以自然坡地为参考，梯田措施碳库不稳定性指数高于1.00，鱼鳞坑和梯田嵌套鱼鳞坑措施碳库不稳定性指数则小于1.00。碳库不稳定性指数在3种治理措施中均表现出随土壤深度增加而下降的趋势（表1）。碳库指数表现为鱼鳞坑>梯田嵌套鱼鳞坑>梯田，在不同治理措施间差异显著，其中，鱼鳞坑和梯田嵌套鱼鳞坑措施碳库指数大于1.00，梯田措施碳库指数小于1.00，且均随土壤深度增加呈下降趋势。土壤碳库管理指数在不同石漠化治理措施中表现为：鱼鳞坑最大，梯田次之，梯田嵌套鱼鳞坑最小，其中，0～10 cm土层3种治理措施土壤碳库管理指数均大于100.00%，10～20 cm土层仅鱼鳞坑措施土壤碳库管理指数大于100.00%。垂直分布上，土壤碳库管理指数在不同土层间随土壤深度增加而显著下降。

表1 不同石漠化治理措施下碳库管理指数变化Table 1 The changes of carbon management index in different rocky desertification control measures

3 讨论

3.1 石漠化治理措施对土壤活性有机碳库的影响

土壤活性有机碳主要来源于地表枯枝落叶层、微生物、植物根系及其分泌物[23]，在土壤中稳定性差、周转速率快、易矿化分解[24]，通过影响微生物对生态系统碳循环起到重要作用[25]。可溶性碳是土壤微生物可直接利用的有机碳源[26]，具有一定的溶解性，在土壤中移动较快，易分解矿化，极易流失，是土壤有机碳损失的重要途径之一[27]。本研究中，鱼鳞坑措施土壤可溶性碳含量及碳储量均显著高于梯田嵌套鱼鳞坑和梯田措施，因为受土壤侵蚀和降雨冲刷影响，土壤中可溶性碳随径流向深层土壤移动，导致原土壤可溶性碳含量下降[28-29]。在坡面修建小型集水区可有效控制土壤侵蚀，减少可溶性碳损失[30]，鱼鳞坑措施因其半月形的设计更利于保护土壤，免受侵蚀[31]。而梯田的修建进一步扩大了岩石裂缝，加快了土壤中水的入渗速率，导致梯田和梯田嵌套鱼鳞坑措施土壤可溶性碳含量显著低于鱼鳞坑。

易氧化碳是有机碳中周转速率最快的组分[32]，能快速响应土壤碳供应变化，是评价土壤质量的重要指标[33-34]。研究发现，鱼鳞坑土壤易氧化碳含量和易氧化碳储量较对照均显著提高，而梯田嵌套鱼鳞坑和梯田土壤易氧化碳储量较对照则分别下降8.41%、32.56%。鱼鳞坑措施可从坡上接收更多的肥沃表土和径流冲刷带来的植物残体，输入性碳源增加，加快了土壤中易氧化碳的积累[31]。土壤易氧化碳含量的差异反映了不同石漠化治理措施间有机碳的氧化稳定性不同[35]。土壤易氧化碳占有机碳的比值可以衡量有机碳的在土壤中的转化率，比例越大表明土壤养分循环速度越快，有机碳稳定性越差，越不利于土壤碳的固定。本研究中，石漠化治理措施土壤易氧化碳占比在16.90%～66.60%之间，与闫丽娟等研究结果相似[2]。梯田措施土壤易氧化碳占比显著高于其它治理措施，表明梯田土壤有机碳易分解矿化，稳定性差；梯田嵌套鱼鳞坑易氧化碳占比最低，表明有机碳活性最低，利于有机碳积累。

土壤微生物量碳被认为是土壤养分的储存库[2]，虽然只占土壤有机碳的小部分，但其高度的敏感性和活性在土壤养分循环和有机碳分解方面起着重要作用[36]。本研究中，鱼鳞坑土壤密度降低，土壤环境相对改善，促进了微生物大量繁殖，因此，其土壤微生物量碳含量显著高于其它治理措施。土壤微生物量碳在有机碳中的占比可反映土壤活性有机碳库的周转速率[37]。土壤微生物量碳占有机碳比例为1.80%～5.20%，与肖烨等研究结果一致[23]，鱼鳞坑土壤微生物量碳占比最低，随着治理年限的增加，鱼鳞坑土壤中惰性碳含量不断积累，使得土壤微生物量碳的增加速率远小于土壤有机碳的累积速率；而梯田措施土壤微生物量碳含量虽然低于其它治理措施，但其土壤微生物量碳占比最高，表明梯田土壤总有机碳积累缓慢，土壤活性有机碳占比大。梯田措施在修建过程中，土壤大面积扰动，造成了原始土壤碳损耗严重，土壤活性有机碳储量迅速下降。从固碳方面考虑，不宜在喀斯特地区大规模修建梯田。

3.2 石漠化治理措施对土壤碳库特征的影响

土壤碳库管理指数（CPMI）由Blair等于1995年根据土壤活性有机碳和非活性有机碳的关系提出，用来指示土壤有机碳库的综合变化情况[38]。碳库管理指数在一定程度上反映土壤质量变化和更新程度[39]，其值越大，表示有机碳越易于被微生物分解和被植物吸收利用，碳库质量也就越高[40]。本研究中，梯田土壤碳库不稳定性指数大于1，较自然坡地有所提升，表明梯田土壤有机碳活跃度高，有利于植被生长。不同治理措施间土壤碳库指数差异显著，鱼鳞坑和梯田嵌套鱼鳞坑措施碳库指数显著高于梯田措施，且均大于1，因此，较自然坡地鱼鳞坑和梯田嵌套鱼鳞坑措施土壤更能促进有机碳的积累，3种治理措施均从不同方面提高了土壤有机碳质量。碳库管理指数从有机碳库角度反映了治理措施提升土壤质量的能力[41]，0～10 cm土层3种石漠化治理措施土壤碳库管理指数均大于100.00%，说明与自然坡地相比，石漠化治理措施提高了喀斯特地区表层土壤质量[42]，与滕秋梅等[19]在桂北地区研究结果一致。戴全厚等也发现，喀斯特坡耕地改造梯田后土壤碳库管理指数显著增加，土壤质量得到改善[39]。鱼鳞坑措施10～20 cm土层土壤碳库管理指数大于100.00%，可见鱼鳞坑对深层土壤质量的提高也有积极作用。综合来看，鱼鳞坑和梯田措施碳库管理指数大于梯田嵌套鱼鳞坑虽然梯田嵌套鱼鳞坑措施土壤活性有机碳含量高于梯田土壤，但其活性有机碳占比显著小于梯田措施，非活性有机碳的增加量远大于活性有机碳，导致其土壤质量反而低于梯田。

4 结论

3种石漠化治理措施下，土壤活性有机碳含量和储量差异显著。喀斯特地区生态系统脆弱，梯田措施受扰动影响，土壤活性有机碳含量和储量较自然坡地显著下降。鱼鳞坑措施土壤活性有机碳含量和储量显著高于其它治理措施，且较自然坡地土壤活性有机碳分布情况得到有效改善。土壤垂直剖面上，不同治理措施土壤活性有机碳含量随土层的变化趋势相同，易氧化碳和微生物量碳含量均表现为随土壤深度的增加而下降，可溶性碳含量则随土壤深度的增加而增加。鱼鳞坑治理措施碳库管理指数显著高于梯田嵌套鱼鳞坑和梯田措施，更利于土壤有机碳的积累，提升土壤质量。因此，鱼鳞坑措施可作为喀斯特地区石漠化生态恢复优先考虑的治理措施。