喬磊磊, 李袁澤, 翟珈瑩, 宋亞輝, 劉國(guó)彬,3

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌712100;2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院, 陜西 楊凌712100; 3.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌712100; 4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京100049)

黃土高原地區(qū)是我國(guó)水土保持和生態(tài)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)的重點(diǎn)區(qū)域，長(zhǎng)期不合理的土地利用方式導(dǎo)致自然植被遭到破壞，水土流失嚴(yán)重，近年來隨著退耕還林等生態(tài)工程的開展，該區(qū)的生態(tài)環(huán)境得到了極大的改善，揭示土壤固碳機(jī)制對(duì)于科學(xué)定量評(píng)價(jià)生態(tài)恢復(fù)過程的土壤效應(yīng)具有重要的研究意義。土壤活性有機(jī)碳雖然僅占土壤有機(jī)碳的較小部分，但其移動(dòng)快、穩(wěn)定性差、易氧化礦化，易被植物利用，是土壤微生物活動(dòng)能源和土壤養(yǎng)分的驅(qū)動(dòng)力，常被用于土壤質(zhì)量指標(biāo)，反映土壤微小的變化[1]。由于不同土壤碳組分的本質(zhì)特性差異，有機(jī)碳不同組分對(duì)不同恢復(fù)模式的響應(yīng)和敏感度有所不同，易被生物直接利用的活性土壤有機(jī)碳最活躍，周轉(zhuǎn)最快，對(duì)土地利用變化最敏感，是土壤有機(jī)碳中對(duì)物理或化學(xué)等干擾因素反映最敏感的部分，也是養(yǎng)分循環(huán)中具有重要作用的部分。為進(jìn)一步了解退耕還林植被恢復(fù)后土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)特征和周轉(zhuǎn)變化，深入研究不同恢復(fù)模式對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的影響，以及正確評(píng)價(jià)和估計(jì)退耕后土壤的碳儲(chǔ)量、碳周轉(zhuǎn)及動(dòng)態(tài)特征，研究土壤碳庫(kù)組分顯得尤為重要[2]。認(rèn)識(shí)了解土壤碳庫(kù)的不同組分對(duì)于揭示在不同植被恢復(fù)模式下土壤碳有機(jī)碳庫(kù)動(dòng)態(tài)、碳儲(chǔ)量變化以及固碳機(jī)制有著重要的意義。

目前在黃土高原地區(qū)針對(duì)植被恢復(fù)過程中的土壤碳組分也開展了較多研究如：黃土臺(tái)塬區(qū)植被恢復(fù)對(duì)土壤碳組分影響研究中表明林分結(jié)構(gòu)對(duì)土壤有機(jī)碳的累積有較大影響，混交林對(duì)碳的積累效果明顯優(yōu)于純林[3]；黃土丘陵區(qū)退耕植被土壤有機(jī)碳庫(kù)及組分的響應(yīng)機(jī)制研究表明不同碳組分的敏感性和指示作用在不同植被類型有所差異，大規(guī)模退耕植被恢復(fù)后土壤固碳量和固碳速率明顯增加,且退耕植被恢復(fù)類型成為主要影響因素[4]；黃土高原不同植被區(qū)侵蝕環(huán)境下有機(jī)碳及其組分分布特征表明森林區(qū)的土壤有機(jī)碳庫(kù)優(yōu)于森林草原區(qū)和草原區(qū)，植被區(qū)對(duì)有機(jī)碳庫(kù)的影響最大[5]；陜北黃土高原不同植被類型土壤活性有機(jī)碳組分及酶活性特征研究表明植被恢復(fù)與重建對(duì)土壤有機(jī)碳的積累有促進(jìn)作用，不同植被類型土壤活性有機(jī)碳的分布特征不盡相同[6]。但是這些研究并未涉及不同碳組分在反映土壤質(zhì)量時(shí)的差異性，不同植被恢復(fù)由于物種組成、凋落物構(gòu)成、土壤生物學(xué)特性的不同會(huì)導(dǎo)致不同碳組分在響應(yīng)上的差異，在反映植被恢復(fù)過程中碳庫(kù)的變化規(guī)律時(shí)應(yīng)針對(duì)不同的恢復(fù)類型選擇不同組分。因此，本文以黃土丘陵區(qū)不同恢復(fù)模式的樣地為研究對(duì)象，旨在從土壤碳庫(kù)組分方面去分析生態(tài)恢復(fù)過程中土壤效應(yīng)，從而為該地區(qū)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)和優(yōu)化管理提供科學(xué)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域紙坊溝小流域(109°13′46″—109°16′03″E，36°46′42″—36°46′28″N)位于陜西省安塞縣，該流域面積8.27 km2，海拔1 100～1 400 m，植被類型為森林草原植被，年均降雨量549 mm，降雨分布不均多集中在7—9月，且多為暴雨[7]。該流域地處黃土高原丘陵溝壑區(qū)第二副區(qū)，土壤類型以黃綿土為主，土層深度大于10 m，多孔疏松，抗蝕能力弱，在自然和人為因素的共同作用下，土壤侵蝕嚴(yán)重，土地質(zhì)量普遍退化。研究樣地設(shè)在該流域的蟠龍山上，均為1975年在原坡耕地上開始植被恢復(fù)的試驗(yàn)樣地，共建立了6種恢復(fù)模式，包括刺槐(RobiniapseudoacaciaL.,RP)、檸條(CaraganakorshinkiiKom.,CA)和油松(PinustabulaeformisCarr.,PT)3種純林模式，油松—紫穗槐(P.tabulaeformisCarr.-AmorphafruticosaLinn.,PA)與刺槐—紫穗槐(R.pseudoacaciaL.-A.fruticosaLinn.,RA)2種混交林模式，和1個(gè)自然撂荒草地(Fallow land,FL)，同時(shí)以區(qū)域天然次生側(cè)柏林(PlatycladusorientailisL.,PO)和流域內(nèi)相同坡位坡向的坡耕地(Sloping Cropland,CK)為對(duì)照樣地，其基本特征見表1。

1.2 樣品采集及分析

在各處理試驗(yàn)地設(shè)置3個(gè)小區(qū)(10 m×10 m)，每個(gè)小區(qū)按S型多點(diǎn)采集0—20 cm土壤樣品，混合成為一個(gè)待測(cè)土壤樣品，土壤樣品帶回室內(nèi)后分成兩份，1份鮮樣過2 mm篩用于測(cè)定土壤微生物量碳(MBC)、水溶性有機(jī)碳(DOC)和鹽浸提有機(jī)碳(SEOC)，1份樣品風(fēng)干后過1 mm和0.25 mm篩后測(cè)定土壤基本理化性質(zhì)和其他活性碳組分[8]。土壤有機(jī)碳(TOC)、全氮(TN)、全磷(TP)、堿解氮(AN)、速效磷(AP)及速效鉀(AK)含量采用常規(guī)方法測(cè)定[9]。土壤高錳酸鉀易氧化態(tài)碳(LOC)主要由熱水浸提碳和不明確的活性碳組分構(gòu)成，采用333 mmol/l的高錳酸鉀溶液25 ml，振蕩1 h，離心5 min(轉(zhuǎn)速2 000次/min)，取上清液用去離子水按1∶250稀釋，然后將稀釋液在565 nm比色，根據(jù)高錳酸鉀濃度的變化求出樣品的活性有機(jī)碳[10]。土壤重鉻酸鉀易氧化態(tài)碳(ROC)除了LOC含量，還有由富里酸、腐殖酸和腐殖質(zhì)構(gòu)成的有機(jī)化合物，采用重鉻酸鉀容量法—水合熱法，將0.5 g土壤置于錐形瓶中，加入10 ml 0.167 mol/l K2Cr2O7，然后加入20 ml濃硫酸，反應(yīng)后，通過滴定1.0 mol/l FeSO4溶液測(cè)定過量的重鉻酸鉀，根據(jù)FeSO4的滴定量來計(jì)算未反應(yīng)的重鉻酸鉀，從而得出參與反應(yīng)的重鉻酸鉀量求出樣品中的易氧化碳[11-12]。非活性有機(jī)碳(NLOC)為TOC和LOC的差值。水溶液性有機(jī)碳(DOC)主要包括溶解在土壤溶液中不同種類的低分子量有機(jī)質(zhì)和以膠體狀懸浮于土壤溶液中的大分子量有機(jī)質(zhì)，主要存在于土壤腐殖質(zhì)酸性部分，其35%～47%存在于胡敏酸中，用蒸餾水浸提，25℃恒溫震蕩1 h后，離心10 min，過0.45 μm濾膜抽濾，其濾液直接在有機(jī)碳自動(dòng)分析儀(Tekmar-Dohrmann Apollo 9000 TOC Combustion Analyzer)上測(cè)定含碳量[13]。熱水浸提有機(jī)碳(HWEC)主要成分是碳水化合物和含氮化合物，特別是氨基氮和胺化物，主要來源于土壤微生物生物量和根系分泌物，存在土壤溶液中或被微弱地吸附在土壤礦物和腐殖質(zhì)大分子上，用蒸餾水浸提，80℃恒溫震蕩20 h后，離心l0 min，過0.45 μm濾膜抽濾，其濾液在有機(jī)碳自動(dòng)分析儀上測(cè)定含碳量[14]。熱水浸提土壤碳水化合物(HWC)其主要以多糖形式存在，采用Safarik和Santruckova的苯酚—硫酸法，將1 ml濾液與1 ml 5%的苯酚溶液加入試管中，然后立即加入5 ml的濃硫酸，搖晃10 s，靜置1 h，在485 nm下測(cè)量吸光值[15]。鹽浸提有機(jī)碳(SEOC)包含蔗糖和其他可溶性有機(jī)碳，采用K2SO4溶液,充分振蕩30 min過濾，迅速測(cè)定濾液中含碳量[16-17]。土壤微生物量碳(MBC)：采用氯仿熏蒸浸提方法測(cè)定[18]。

表1 樣地基本特征

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

敏感性指數(shù)(SI)采用Banger等的方法計(jì)算，具體如下公式：SI=(C組分在各處理含量-C組分在對(duì)照中的含量)/C組分在對(duì)照中的含量[19]。采用Excel 2013和SPSS 21.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理和統(tǒng)計(jì)分析，Duncan法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，顯著性水平0.05；采用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被恢復(fù)模式對(duì)TOC及其組分的影響

經(jīng)過30 a的植被恢復(fù)，6種恢復(fù)模式的TOC，ROC，LOC和NLOC含量分別較坡耕地增加了109%～228%，153%～338%，94%～212%和102%～271%，但是和天然側(cè)柏林相比低了55.4%～72.4%，57.2%～75.3%，50.1%～69.0%和59.9%～78.2%(圖1)?？傮w來說，TOC，ROC和NLOC增加幅度最大的是RA，隨后分別是PA，GL和PT，增幅最小的是RP和CA。LOC增幅最大的是RA，其他5種模式增幅沒有顯著差異。ROC，LOC和NLOC分別占TOC的60.2%～84.2%，46.8%～57.0%和43.0%～54.3%，TOC，ROC，LOC和NLOC的變異系數(shù)分別為67.9%，74.1%，60.9%和75.0%。

注：字母不相同代表樣地之間達(dá)到5%的顯著差異。

圖1 不同恢復(fù)模式模式TOC及其組分變化特征

MBC和SEOC的變化范圍為129～794 mg/kg和33～137 mg/kg，其中兩個(gè)組分在坡耕地最小，在天然側(cè)柏林最大，6種恢復(fù)模式分別較坡耕地增加了109%～142%和117%～288%，但是和天然側(cè)柏林相比低了60.2%～65.9%和6.7%～48.6%(圖1)。SEOC增幅最大的是RA，隨后是PT>PA>CA>GL和RP，MBC在RA，PA、和CA 3個(gè)恢復(fù)類型沒有顯著差異，增幅高于GL，RP和PT，后3種類型也沒有顯著差異。MBC和SEOC分別占TOC的3.4%～5.3%和0.7%～1.5%，變異系數(shù)分別為57.5%和37.9%。

DOC，HWEC和HWC的變化范圍為10.4～26.5 mg/kg，103～661 mg/kg和63～451 mg/kg，其中3個(gè)組分在坡耕地最小，在天然側(cè)柏林最大，6種恢復(fù)模式分別較坡耕地增加了66%～149%，166%～279%和128%～217%，但是和天然側(cè)柏林相比低了2.2%～35.1%，40.1%～58.3%和55.6%～67.8%(圖1)。DOC含量在RA，PA和PO中沒有顯著差異，而在GL，RP，CA和PT這4個(gè)模式中顯著低于RA和PA。HWEC在6種恢復(fù)模式中，與坡耕地相比，RA增幅最大，其次是PA，CA最低。而HWC在PT，GL，RP，PA和RA 5個(gè)恢復(fù)模式中沒有顯著差異，除了PT外均顯著高于CA。DOC，HWEC和HWC分別占TOC的1.3～3.8‰、3.2%～4.8%和2.2%～3.4%，變異系數(shù)分別為26.7%，44.7%和55.0%。

2.2 不同植被恢復(fù)模式下TOC及其組分的敏感性分異特征

不同恢復(fù)模式各有機(jī)碳組分敏感性差異較大(圖2)，在同一恢復(fù)模式中不同組分的敏感性差異也較大?？偟膩碚f，PA和RA具有相對(duì)高的SI，而CA則具有較低的SI。HWEC，WHC，NLOC和ROC具有較高的SI，DOC，MBC和LOC的SI較小，且低于相同模式下TOC的SI。

2.3 土壤碳庫(kù)組分與養(yǎng)分相關(guān)性分析

相關(guān)分析表明除DOC與AP外土壤有機(jī)碳組分與土壤化學(xué)性質(zhì)具有顯著的相關(guān)性(表2)。由于在分析相關(guān)性中我們計(jì)算了PO，而PO的相關(guān)指標(biāo)含量顯著高出其他處理，因此本研究中相關(guān)系數(shù)較其他研究高，我們進(jìn)一步排除了PO這個(gè)處理，進(jìn)行了相關(guān)性分析，相關(guān)性系數(shù)變小，但是仍舊達(dá)到顯著水平。

圖2 不同恢復(fù)模式下土壤碳組分敏感性分異特征

表2 不同恢復(fù)模式碳庫(kù)組分與養(yǎng)分因子相關(guān)性分析

注：*表示差異達(dá)顯著水平(p<0.05)，**表示差異達(dá)極顯著水平(p<0.01)。

3 討論與結(jié)論

天然林群落作為區(qū)域頂級(jí)群落，養(yǎng)分和能量循環(huán)基本穩(wěn)定，常被認(rèn)為土壤碳吸收和呼吸基本達(dá)到平衡，土壤質(zhì)量最好[20]。本研究表明天然側(cè)柏林群落具有高的有機(jī)碳含量，而當(dāng)天然林開墾為農(nóng)地后，有機(jī)碳顯著降低，這和前人研究一致[21-22]。首先坡耕地較天然生態(tài)系統(tǒng)的地上地下生物量顯著降低[23]，而這些生物量減少了土壤C，N，P的輸入；其次耕作破壞了土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)加速了TOC的礦化作用[24-25]；再次，坡耕地面臨著嚴(yán)重的土壤侵蝕，導(dǎo)致了TOC的流失[26-27]。而大量研究證明在干旱半干旱地區(qū)植被恢復(fù)可以增加TOC含量[28-29]，這主要是由于植被恢復(fù)后增大了有機(jī)物的輸入，土壤微生物活性和數(shù)量增加，促進(jìn)了對(duì)有機(jī)物的分解作用，同時(shí)增大了地表覆蓋，減少了土壤侵蝕對(duì)TOC的流失作用。不同恢復(fù)模式由于凋落物生物量、化學(xué)組成和分解速率不同，導(dǎo)致TOC在土壤中的累積效果不同[25]。本研究中混交林具有一個(gè)高的生物量和有機(jī)物貯存庫(kù)，因此在TOC累積中作用高于純林?；牟莸鼗謴?fù)TOC含量高于純林，這和Fu等[28]研究結(jié)果不同，他們認(rèn)為在TOC恢復(fù)能力荒草地模式?jīng)]有豆科灌木強(qiáng)，不同模式對(duì)植物根系分配模式的差異是引起TOC變化差異的主要因素，本研究中荒草地一般是淺根性植物，而灌木是深根性植物，我們采集的土壤樣品主要是0—20 cm表層，而這一層是草本植物根系主要分布的區(qū)域，所以促進(jìn)了TOC的積累。植被類型會(huì)導(dǎo)致土壤TOC濃度產(chǎn)生分化，但是不同植被類型的影響并未達(dá)成一致[28,30]。Chen等研究表明灌木比其他3種純林恢復(fù)模式效果更好，這和我們的結(jié)論一致[30]。Poeplau和Don發(fā)現(xiàn)由于闊葉林的凋落物較針葉容易被礦化，因此闊葉林比針葉林更容易積累土壤TOC[31]。這和本研究略有不同，我們研究發(fā)現(xiàn)油松林的TOC高于刺槐林，這主要是本研究區(qū)處于干旱半干旱過渡帶，土壤微生物活性較弱，而針葉林較低的分解速率導(dǎo)致枯落物層較厚，從而為微生物提供了一個(gè)相對(duì)較為濕潤(rùn)的環(huán)境，促進(jìn)了微生物生長(zhǎng)，加快了有機(jī)物的分解，提高了土壤TOC積累。

土壤活性有機(jī)碳指土壤中遷移快、不穩(wěn)定、易氧化、礦化，并對(duì)植物和土壤微生物具有較高活性的那部分有機(jī)碳，但是到目前土壤活性有機(jī)碳還沒有一個(gè)嚴(yán)謹(jǐn)、確切的定義，不同的學(xué)者分別提出了不同的定義，但總體來說都認(rèn)為土壤活性有機(jī)碳并非一種單純的化合物，它是土壤生態(tài)系統(tǒng)中十分活躍的重要化學(xué)組分，對(duì)土壤中化學(xué)物質(zhì)的溶解、吸附、解吸、吸收、遷移乃至生物毒性等行為均有顯著影響。其中重鉻酸鉀和高錳酸鉀是最常見的中性氧化試劑，通過用它們提取的活性組分ROC和LOC可以快速的反映土壤管理措施和環(huán)境因子變化對(duì)土壤碳的影響[10,12,32-34]。ROC和LOC由于提取試劑氧化能力上的不同，其構(gòu)成存在較大差異。Strosser認(rèn)為L(zhǎng)OC主要由熱水浸提碳和不明確的活性碳組分構(gòu)成，而ROC除了前面提到的物質(zhì)外，還有由富里酸、腐殖酸和腐殖質(zhì)構(gòu)成的化合物，因此ROC較LOC在TOC中比例高[35]。本研究中ROC占TOC的60.2%～84.2%，這和前人研究基本吻合[36-37]，但是略高于Zhang等和Jiang等的結(jié)果[34,38]。ROC常被用于反映土壤有機(jī)碳的氧化能力，其比例越高越容易氧化和越不穩(wěn)定，本研究中相對(duì)于坡耕地，不同恢復(fù)模式導(dǎo)致ROC及其在TOC中的比例升高，表明植被恢復(fù)后TOC的氧化能力增強(qiáng)，穩(wěn)定性降低。

溶解性有機(jī)碳主要來源：一方面是內(nèi)部土壤自身所含有的，另一方面是外部植被凋落物、植物殘?bào)w經(jīng)淋溶作用而進(jìn)入土壤的有機(jī)碳，或者來自人類施肥等活動(dòng)帶進(jìn)土壤中的溶解性有機(jī)碳，作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其影響著陸地和水域生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力、元素循環(huán)等。溶解性有機(jī)碳在礦質(zhì)土壤中含量低，占比小，可以作為活性有機(jī)物質(zhì)被微生物直接吸收、利用，對(duì)土壤中有機(jī)物質(zhì)和無機(jī)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化、遷移和降解產(chǎn)生重要影響，并在一定條件下可以與土壤有機(jī)質(zhì)的其他組分之間相互轉(zhuǎn)化。本研究中所測(cè)定4種溶解性碳組分含量大小依次為HWEC，HWC，SEOC和DOC，且均在坡耕地最小，在PO最大，表明隨著植被恢復(fù)，輸入系統(tǒng)的有機(jī)物質(zhì)逐漸增多，積累物質(zhì)加快，為微生物生長(zhǎng)提供了更多的物質(zhì)來源，促進(jìn)了微生物的生長(zhǎng)與繁衍，加速了枯枝落葉的分解速率，進(jìn)一步提高了土壤養(yǎng)分補(bǔ)給和碳庫(kù)含量。MBC作為反映微生物的指標(biāo)可以靈敏的反映有機(jī)質(zhì)變化，本研究中MBC和其他碳組分變化規(guī)律相似，表明在植被恢復(fù)后，微生物生長(zhǎng)所需要的物質(zhì)增多，促進(jìn)了微生物生長(zhǎng)，土壤生態(tài)系統(tǒng)功能得到顯著提高。

相關(guān)分析表明，各活性碳組分均和TOC和主要肥力因子具有顯著的相關(guān)性，證明了土壤活性有機(jī)碳對(duì)土壤肥力狀況具有一定的指示作用。不同活性碳組分在同一種恢復(fù)模式中敏感性差異較大，表明植被恢復(fù)過程的不同碳水化合物變化規(guī)律不一致，而同一碳庫(kù)組分在不同模式中敏感性也存在差異，這主要與植被恢復(fù)的凋落物組成以及土壤微生物區(qū)系有關(guān)。并非所有碳組分的敏感性均高于TOC，說明在采用土壤碳組分作為土壤質(zhì)量指標(biāo)時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況選擇相應(yīng)指標(biāo)。

綜上所述，侵蝕環(huán)境下的坡耕地由于不合理的利用方式，土壤碳組分含量較低，不同植被恢復(fù)顯著增加了土壤活性碳組分，但不同模式各碳組分和同一恢復(fù)模式中不同碳組分的響應(yīng)規(guī)律不同，其敏感性差異較大，混交林具有較高的敏感性，且混交林碳組分含量較高，總體來說混交林恢復(fù)模式效果相對(duì)好于草地和純林，并非所有碳組分的敏感性均高于TOC。