巖溶山區(qū)不同土地利用方式對(duì)土壤活性有機(jī)碳動(dòng)態(tài)的影響[J].doc

-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-巖溶山區(qū)不同土地利用方式對(duì)土壤活性有機(jī)碳動(dòng)態(tài)的影響莫彬1,2，曹建華1，徐祥明1,2，申宏崗1，楊慧1，李小方1,31.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所/國(guó)土資源部巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林541004；2.廣西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，廣西桂林541004；3.廣西師范大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，廣西桂林541004摘要：對(duì)貴州茂蘭自然保護(hù)區(qū)內(nèi)三種典型土地利用方式(林地、草地和耕地)下土壤活性有機(jī)碳組分(土壤溶解有機(jī)碳和土壤微生物量碳)的月變化及其對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明在不同的土地利用方式下上覆植被類型不同，其凋落物數(shù)量、質(zhì)量及分解行為不同，有機(jī)質(zhì)的輸入量及質(zhì)量也不相同，從而形成不同的土壤溶解有機(jī)碳含量差異，土壤有機(jī)碳的大小也存在較大差別。研究結(jié)果顯示：從全年平均值來(lái)看，林地土壤溶解有機(jī)碳分別比草地和耕地高25%、48%；從3月到8月，三者均隨氣溫的上升呈增加的趨勢(shì)，林地和耕地在8月均達(dá)到最大值，而草地則在10月達(dá)到最大值；林地和草地土壤微生物量碳分別高于耕地81%和45%，林地和草地在10月達(dá)到最大值。不同的土地利用方式導(dǎo)致土壤活性有機(jī)碳的差異較大，這說(shuō)明巖溶生態(tài)系統(tǒng)中土地利用方式對(duì)土壤碳庫(kù)的大小有較大影響。不同土地利用方式下土壤活性有機(jī)碳對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)也各不相同，這表明土壤活性碳受眾多因素的制約而呈現(xiàn)出一種動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系，進(jìn)一步的機(jī)理仍需要進(jìn)行深入研究。關(guān)鍵詞：土地利用變化；土壤溶解有機(jī)碳；土壤微生物量碳；巖溶中圖分類號(hào)：S153.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-2175（2006）06-1224-0720世紀(jì)90年代以來(lái)，土地利用/土地覆被變化引起了國(guó)際組織和世界上許多國(guó)家的重視。1995年，“國(guó)際地圈與生物圈計(jì)劃(IGBP)”和“全球變化對(duì)人類影響和響應(yīng)計(jì)劃(HDP)”將其列入全球環(huán)境變化的核心項(xiàng)目。土地利用變化對(duì)全球變化影響的研究逐漸成為地學(xué)、生態(tài)學(xué)、農(nóng)學(xué)、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)問題。研究土地利用/土地覆被變化及土地管理對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的影響是當(dāng)今全球碳循環(huán)研究的一個(gè)熱點(diǎn)內(nèi)容1。土地利用變化對(duì)氣候、生物地球化學(xué)過程和陸地生態(tài)系統(tǒng)生物物種的豐度及組成有重要影響。土地利用方式的改變將導(dǎo)致覆被類型的變化，包括森林轉(zhuǎn)換為草地或農(nóng)田、草地轉(zhuǎn)換為農(nóng)田以及退耕還林草等2，這些變化不僅直接影響土壤有機(jī)碳的含量和分布，還通過影響土壤有機(jī)碳形成、轉(zhuǎn)化的因子而間接影響土壤有機(jī)碳3。土壤有機(jī)碳由不同穩(wěn)定性的組分組成，其概念性庫(kù)包括活躍(Active)、慢性（Slow)和惰性(Passive)庫(kù)4。引起土壤有機(jī)碳庫(kù)的最初變化主要是易分解、礦化的活性碳部分。盡管這部分碳素，占全碳的比例很小，但它們對(duì)維持土壤肥力及土壤碳貯量變化方面具有重要的作用5。因此，了解不同土地利用方式下土壤活性碳的大小和動(dòng)態(tài)變化，對(duì)調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分流、維持土壤內(nèi)在的生產(chǎn)力以及深入研究土壤碳循環(huán)的機(jī)理高度相關(guān)?；谒钴S的性質(zhì)和重要作用，研究土壤活性有機(jī)碳組分對(duì)土地利用變化的響應(yīng)規(guī)律成為當(dāng)前土壤碳和養(yǎng)分循環(huán)方面的一個(gè)熱點(diǎn)5。我國(guó)是一個(gè)巖溶大國(guó)，巖溶面積達(dá)344104km2，約占國(guó)土面積的三分之一，其中西南連片裸露的巖溶區(qū)面積達(dá)54104km26。然而，從國(guó)內(nèi)目前對(duì)土壤碳循環(huán)的研究來(lái)看，大部分集中在下列區(qū)域：（1）人文和自然驅(qū)動(dòng)力極為活躍的熱點(diǎn)地區(qū)。如：北京7、深圳8-9和長(zhǎng)江三角洲地區(qū)10。（2）生態(tài)脆弱區(qū)。例如，東北農(nóng)牧交錯(cuò)帶、綠洲地區(qū)、干旱和半干旱地區(qū)11。巖溶地區(qū)同樣屬于生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，卻沒有引起足夠的重視，研究程度比較薄弱，由于石灰土的富鈣、偏堿性12-13，而且CO2含量高的土壤環(huán)境是巖溶發(fā)育最為活躍的部位14，土壤碳的動(dòng)態(tài)變化與循環(huán)特征受到高鈣環(huán)境脅迫的影響，碳轉(zhuǎn)移有其自身的規(guī)律15，因此，本文選擇我國(guó)西南地區(qū)巖溶發(fā)育較為典型的貴州茂蘭喀斯特原始森林國(guó)家自然保護(hù)區(qū)為研究地點(diǎn)，通過分析土壤碳庫(kù)中對(duì)土地利用方式變化最為敏感、變化最為活躍的土壤活性有機(jī)碳主要組分(溶解有機(jī)碳DOC、微生物量碳MBC)的動(dòng)態(tài)變化與環(huán)境因子、土壤呼吸之間的變化關(guān)系，希望能夠?yàn)樯钊胙芯亢驮u(píng)價(jià)巖溶地區(qū)土地利用變化對(duì)土壤碳循環(huán)的影響提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。1材料和方法1.1研究區(qū)域概況貴州茂蘭喀斯特原始森林國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，地理位置為東經(jīng)1075210805，北緯25092520；年均溫18.3，10積溫5767.9；年均降水量1320.5mm，集中分布于410月；年均相對(duì)濕度80%；年均霜日7.3d；年均日照時(shí)數(shù)1272.8h，日照百分率29%，屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，有利于林木生長(zhǎng)。區(qū)內(nèi)主要出露巖石為純質(zhì)石灰?guī)r和白云巖，屬裸露型巖溶地貌。與常態(tài)地貌相比。生境復(fù)雜多樣，有石面、石溝、石洞、石槽、石縫、莫彬等：巖溶山區(qū)不同土地利用方式對(duì)土壤活性有機(jī)碳動(dòng)態(tài)的影響1225土面等多種小生境，其生態(tài)因子變化很大。土壤以黑色石灰土為主。土層淺薄且不連續(xù)，剖面構(gòu)型多為AF-D型、A-D型。地表水缺乏，土體持水量低。土壤富鈣和富鹽基化，pH6.58.0，有機(jī)質(zhì)含量高16。1.2土樣采集樣地選擇采用以空間代替時(shí)間的方法。為減少樣地間地形及氣候差異，在相隔鄰近且土壤類型相同的坡底地段選取林地、草地和耕地(種植黃豆)三種土地利用類型開展定位監(jiān)測(cè)，采用S型混合取樣法每月取樣地020cm層土樣，并現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定土壤pH、溫度、濕度和CO2含量。土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后，分成兩份，1份鮮樣去雜、過2mm鋼篩后貯藏于4的冰箱內(nèi)，進(jìn)行土壤DOC、土壤微生物量碳測(cè)定；另一份風(fēng)干、去雜、過篩后供土壤總有機(jī)碳(SOC)測(cè)定，采樣時(shí)間為2005年3月至2006年3月。1.3測(cè)定方法土壤DOC測(cè)定：將25g新鮮土放入盛有100mL0.5mol/LK2SO4的容量瓶中，常溫下震蕩浸提30min，用高速離心機(jī)離心，上清液過0.45m濾膜，用TOC-VCPH儀測(cè)定浸提液有機(jī)碳含量，得到DOC；土壤微生物量碳測(cè)定：采用氯仿熏蒸培養(yǎng)法17；土壤有機(jī)碳測(cè)定：采用改進(jìn)的外加熱重鉻酸鉀氧化法；土壤CO2含量：將L型PVC管埋設(shè)于土下20cm深度處，水平管為土壤氣體收集管，其上鉆有孔隙，作為通氣孔：豎管為導(dǎo)氣管，導(dǎo)氣管頂端升至地面，其上為橡皮塞，以阻止土壤氣體與大氣的交換，測(cè)量時(shí)用Gastec真空泵抽氣測(cè)量；土壤pH：酸度計(jì)法；土壤濕度：用濕度計(jì)測(cè)量；土壤溫度：用曲管地溫計(jì)測(cè)量土下5cm處土溫。2結(jié)果與分析2.1三種不同土地利用方式下土壤活性有機(jī)碳的變化及其對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)土壤活性碳是指土壤中移動(dòng)快、穩(wěn)定性差、易氧化、礦化，并對(duì)植物和土壤微生物活性較高的那部分有機(jī)碳，?？捎盟苄蕴肌⑽⑸锪刻己鸵籽趸嫉葋?lái)進(jìn)行表征18。土壤溶解有機(jī)碳，是指在一定的時(shí)空條件下，受植物和微生物影響強(qiáng)烈、具有一定溶解性、在土壤中移動(dòng)比較快、不穩(wěn)定、易氧化、易分解、易礦化，其形態(tài)、空間位置對(duì)植物、微生物來(lái)說(shuō)活性比較高的那一部分土壤碳素。雖然它只占土壤有機(jī)碳總量的較小部分，但它可以在土壤全碳變化之前反映土壤微小的變化，又直接參與土壤生物化學(xué)轉(zhuǎn)化過程，同時(shí)，也是土壤微生物活動(dòng)能源和土壤養(yǎng)分的驅(qū)動(dòng)力19-20，因而它對(duì)土壤碳庫(kù)平衡和土壤化學(xué)、生物化學(xué)肥力保持具有重要意義。土地利用及土地利用變化是影響陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的主要人為因素，這些因素通過對(duì)植被組成及生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和生物多樣性改變而影響生態(tài)系統(tǒng)碳的碳貯量、組成、穩(wěn)定性和周轉(zhuǎn)21，也通過對(duì)土壤理化性質(zhì)、養(yǎng)分循環(huán)和水循環(huán)過程改變而影響DOC動(dòng)態(tài)和陸地生態(tài)系統(tǒng)碳的生物地球化學(xué)循環(huán)22。從圖1可以看出，從3月到8月，隨著溫度逐漸回升，三種不同土地利用方式下土壤DOC的變化基本上均呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，這與土壤微生物活性增強(qiáng)加速了土壤有機(jī)碳的分解有關(guān)。而9月份三者均有較為明顯的下降，這可能與當(dāng)?shù)?月高溫少雨的天氣（見圖2）導(dǎo)致土壤干燥有關(guān)。大部分土壤微生物難以耐受土壤干燥因而導(dǎo)致土壤微生物活性極大減弱從而使得土壤DOC隨之降低23。耕地在8月份土壤DOC達(dá)到最大值181.56mg/kg，這與黃豆在該月份達(dá)到成熟期有關(guān)。在成熟季節(jié)，黃豆根際微生態(tài)系統(tǒng)中，根尖的生長(zhǎng)最快，根際區(qū)域內(nèi)根尖的生長(zhǎng)根系分泌物達(dá)到最大量，根分泌物主要包括低分子量有機(jī)可溶物以及細(xì)胞和組織的脫落物，因此根際區(qū)域根系分泌物的大量沉積促使耕地土壤DOC的大幅上升。林地土壤DOC在全年絕大部分時(shí)段內(nèi)大于草地和耕地，從全年平均值來(lái)看，0501001502002503003502005年3月6月9月11月2006年3月月份溶解有機(jī)碳含量/(mgkg-1)耕地草地林地圖1不同土地利用方式下土壤溶解有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)變化Fig.1ThechangeofsoilDOCunderdifferentlandusepatterns0501001502002503003504003月5月7月9月11月次年1月3月月份降雨量/mm051015202530氣溫/降雨量(mm)平均溫度()圖2貴州茂蘭2005年3月2006年3月每月平均氣溫和降雨量Fig.2ThemonthlytemperatureandrainfallinMaolan,GuiZhouProvince1226生態(tài)環(huán)境第15卷第6期（2006年11月）林地土壤DOC分別比草地和耕地高25%、48%。由此可見，隨著土地利用方式從林地轉(zhuǎn)向耕地，土壤DOC含量變化明顯，尤其是在作物成熟收割后的休耕時(shí)節(jié)，林地土壤DOC與耕地DOC差異達(dá)到極顯著水平，這表明土地開墾耕作是導(dǎo)致土壤DOC含量降低的主要原因，自然土壤轉(zhuǎn)變?yōu)楦赝寥篮?，土壤DOC含量明顯降低，植被種類和返回到土壤中的有機(jī)質(zhì)數(shù)量是決定土壤DOC含量的主要因素。張金波等在三江平原濕地的研究發(fā)現(xiàn)：未受擾動(dòng)或擾動(dòng)較小的土壤DOCE280值較低，劇烈擾動(dòng)后，E280值增加，耕作土壤棄耕后，土壤DOC的E280值降低24。E280(指的是280nm波長(zhǎng)的紫外光吸收值)是近年來(lái)常被用來(lái)反映DOC組成、團(tuán)聚化程度和分子量的大小的一個(gè)指標(biāo)，研究表明，E280值與DOC中芳香族化合物有關(guān)，E280值越大說(shuō)明DOC中芳香族化合物數(shù)量越多，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，分子量大，DOC的可利用性低25-26。因此，林地比起耕地受到的人為擾動(dòng)較少，土壤DOC的可利用性較高。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的研究也表明：土壤水溶性有機(jī)碳主要來(lái)源于地面歸還物、根系分泌物和土壤有機(jī)質(zhì)，水溶性有機(jī)碳與土壤總有機(jī)碳常又處于動(dòng)態(tài)平衡之中，可以在一定條件下相互轉(zhuǎn)化27-28，因此，一般來(lái)說(shuō)林地土壤地面歸還物較多，土壤總有機(jī)碳較高，水溶性有機(jī)碳含量也常常較高。從表1的相關(guān)性分析結(jié)果來(lái)看，不同土地利用方式下土壤DOC對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)各不相同。耕地土壤DOC與土壤有機(jī)碳呈正相關(guān)，相關(guān)性達(dá)到顯著性水平（R0.683*，p0.05），與降雨量達(dá)到極顯著水平(R=0.883*，p0.01)；草地土壤DOC則與土溫、氣溫和土壤CO2含量呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.733*，0.783*，0.700*；林地DOC與各環(huán)境因子的相關(guān)性均未達(dá)到顯著水平。不同土地利用方式產(chǎn)生不同的植被覆蓋類型，導(dǎo)致形成不同的生態(tài)系統(tǒng)小氣候環(huán)境。研究結(jié)果表明：在耕地這樣的人工生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)，降雨量成為制約土壤DOC含量的重要因子，這可能與耕地土壤砂化較為嚴(yán)重，土壤粘粒含量較低，土壤保水能力差、土壤含水量低有關(guān)。而草地自然生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)植物生物量集中于土壤淺層根部，根系分布均勻，使得根際土壤DOC對(duì)土溫、氣溫、土壤CO2含量的變化反應(yīng)較為敏感。而林地自然生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)在上部冠層的遮蓋下，形成自身較為穩(wěn)定的小氣候環(huán)境，土壤DOC受到地表凋落物種類和數(shù)量、根系深淺、動(dòng)物擾動(dòng)等眾多不易觀測(cè)因子的制約，影響較為復(fù)雜。三種不同土地利用下土壤物理性質(zhì)的變化見圖3、圖4、圖5（下頁(yè)）。從表1的相關(guān)分析我們可以看出：耕地、草地和林地土壤pH與土壤DOC均呈現(xiàn)出一定的正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.611，0.126，0.322，但未達(dá)到顯著性水平。耕地土壤pH略高于林地，這可能與春季當(dāng)?shù)剞r(nóng)民為補(bǔ)充土壤肥力而施入草木灰有關(guān)。大量的草木灰(秸稈焚燒)施用使土壤的pH上升，土壤中可溶性的有機(jī)化合物含量增加29。土壤pH大于一定值時(shí)，溶液堿度的增加可能使一些大分子腐殖酸的溶解度增加，從而表1不同土地利用方式下土壤DOC與影響因子的Spearman相關(guān)系數(shù)Table1CorrelationcoefficientsbetweensoilDOCandenvironmentalfactorsunderdifferentlandusetypes土壤類型土壤pH土壤溫度土壤濕度土壤有機(jī)碳?xì)鉁亟涤炅客寥繡O2土壤微生物量碳耕地土壤DOC0.6110.6000.1420.683*0.4500.883*0.517-0.067Sig.(2-tailed)0.1540.0880.7150.0420.2240.0020.1540.865草地土壤DOC0.1260.733*-0.6780.0830.783*0.4170.700*0.383Sig.(2-tailed)0.7480.0250.0450.8310.0130.2650.0360.308林地土壤DOC0.3220.3500.2500.3000.3330.0830.4170.067Sig.(2-tailed)0.3980.3560.5160.4330.3810.8310.2650.86544.555.566.577.5384126月9月11月38777月份土壤pH農(nóng)地草地林地圖3不同土地利用方式下土壤pH的變化Fig.3ThechangeofsoilpHunderdifferentlandusepatterns051015202530352005年3月6月9月11月2006年3月月份土溫/農(nóng)地草地林地圖4不同土地利用方式下土溫的變化Fig.4Thechangeofsoiltemperatureunderdifferentlandusepatterns莫彬等：巖溶山區(qū)不同土地利用方式對(duì)土壤活性有機(jī)碳動(dòng)態(tài)的影響1227DOC的浸提總量提高。這與Andersson等對(duì)瑞典北部Scotspines下Morhumus層的石灰試驗(yàn)的結(jié)果相類似，該研究發(fā)現(xiàn)由于石灰的施用土壤pH上升從而使DOC和DON的釋放量增加30。土溫與土壤DOC的關(guān)系較為復(fù)雜，草地土壤DOC與土溫的相關(guān)性達(dá)顯著性水平，而在林地和耕地中則未顯示出相同的結(jié)果。Vance等研究表明溫度對(duì)DOC吸附基本上沒影響31。Jardine發(fā)現(xiàn)，降低土壤溫度DOC吸附僅發(fā)生輕微的減少，由于與溫度關(guān)系不大，他們推斷DOC吸附是一個(gè)熵變過程，伴著一個(gè)占主導(dǎo)地位的物理吸附機(jī)制，被吸附的DOC中25%是通過陰離子交換被吸附的32。土壤濕度與土壤DOC的關(guān)系同樣較為復(fù)雜，耕地和林地土壤DOC與土壤濕度呈正相關(guān)，而草地土壤DOC則發(fā)現(xiàn)與之相反的結(jié)果，不過三者的相關(guān)性均未達(dá)到顯著性水平，這可能與不同的土地利用方式其上覆植被不同，分解產(chǎn)生的DOC組成中親水性與疏水性組分比例存在較大差異，使得DOC對(duì)土壤濕度的響應(yīng)不同從而在土壤中產(chǎn)生不同的截存數(shù)量。2.2三種不同土地利用方式下土壤DOC與土壤CO2含量、土壤微生物量碳的關(guān)系土壤呼吸和微生物量碳含量是表征土壤微生物活性的重要指標(biāo)，尤其是基礎(chǔ)土壤呼吸部分反映了土壤的生物活性，土壤物質(zhì)代謝的強(qiáng)度。在生態(tài)演替過程中，植被的變化通過吸收養(yǎng)分和歸還有機(jī)物等影響著土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)，土壤呼吸隨之變化。土壤呼吸也是反映系統(tǒng)對(duì)環(huán)境脅迫響應(yīng)的指標(biāo)之一，其速率變化與否以及變化的方向反映了系統(tǒng)對(duì)脅迫的敏感程度和響應(yīng)模式33-36。此外，從小氣候?qū)W的角度看，土壤釋放的CO2改變了近地面的微氣象條件，為植物下部冠層提供了更豐富的碳源。從圖6可以看出，草地土壤CO2含量比林地和耕地要高，草地土壤CO2含量在9月達(dá)到全年最高值4200010-6，林地和耕地的最高值則出現(xiàn)在6月，分別為1000010-6和1300010-6，這與不同的植被類型具有不同的根系分布格局及其土壤質(zhì)地有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，CO2在土壤中的含量主要取決于兩個(gè)方面：一是CO2生產(chǎn)量的多少；二是CO2的傳輸狀況。當(dāng)土層中CO2生產(chǎn)量大而且不容易向大氣擴(kuò)散時(shí)，則土層CO2含量較高；當(dāng)土層中CO2生產(chǎn)量小而且容易向大氣擴(kuò)散時(shí)，則土層CO2含量較低。草地土壤根系發(fā)達(dá)，CO2產(chǎn)生量大，且土壤濕度介于林地和耕地之間；而林地土壤質(zhì)地一般較為粘重，土壤有機(jī)質(zhì)分解較為緩慢，從而使得土壤中CO2含量較之草地土壤為低。從4月到6月，三種土地利