不同侵蝕程度地形部位表層土壤有機(jī)碳組分特征

不同侵蝕程度地形部位表層土壤有機(jī)碳組分特征

土壤中的有機(jī)碳儲(chǔ)量是由不同的旋轉(zhuǎn)周期組成的有機(jī)碳組成的。根據(jù)其平均停留時(shí)間（mrt），可分為活性（活動(dòng)）、緩慢性（sw）和惰性（沖突性）碳組分。土壤活性有機(jī)碳相對(duì)于總SOC來說,對(duì)土地利用方式和土壤管理措施反應(yīng)更為敏感,常被用于表征土壤有機(jī)質(zhì)早期變化。目前國(guó)內(nèi)多采用化學(xué)和物理方法分離出土壤活性有機(jī)碳如易氧化碳,微生物生物量碳,輕組有機(jī)碳等,這一方法得出的活性有機(jī)質(zhì)組分并不能包括土壤中大部分半分解和未分解的有機(jī)物質(zhì),而這一部分有機(jī)質(zhì)性質(zhì)非常不穩(wěn)定,對(duì)土壤管理措施反應(yīng)敏感。目前國(guó)內(nèi)有些研究者開始從土壤結(jié)構(gòu)著手,探索土壤管理方式(耕作、施肥等)對(duì)團(tuán)聚體碳和顆粒碳的影響,結(jié)合穩(wěn)定性同位素方法論述了SOC損耗與累積的機(jī)制,但有關(guān)土壤侵蝕對(duì)團(tuán)聚體碳和顆粒碳的影響和SOC動(dòng)態(tài)機(jī)理研究還鮮有報(bào)道。彭新華等模擬自然條件下土壤團(tuán)聚體破碎機(jī)制,研究不同恢復(fù)植被下團(tuán)聚體穩(wěn)定性的變化以及土壤有機(jī)碳的積累與團(tuán)聚體穩(wěn)定性的關(guān)系,得出快速濕潤(rùn)是團(tuán)聚體破碎的主要機(jī)制。蘇永中等測(cè)定了科爾沁沙地不同沙化程度農(nóng)田0～15cm耕層土壤顆粒有機(jī)碳(particulateorganiccarbon,POC)含量,揭示農(nóng)田沙漠化過程中土壤有機(jī)碳的衰減機(jī)理。但是關(guān)于土壤侵蝕對(duì)土壤POC和團(tuán)聚體結(jié)合有機(jī)碳影響的研究還不多見。本文主要研究目的:通過測(cè)定不同侵蝕程度的地形部位表層及亞表層不同粒級(jí)土壤有機(jī)碳、團(tuán)聚體及其結(jié)合碳含量,探討土壤侵蝕對(duì)不同SOC組分的影響,研究SOC組分的遷移及累積特征。1材料和方法1.1采樣區(qū)地下沿坡地形及土壤侵蝕狀況研究區(qū)位于東北黑土區(qū)南部沐石河小流域(N:44°43.0′,E:125°51.6′),距離吉林省德惠市松花江鎮(zhèn)西南5km。處于中溫帶半濕潤(rùn)氣候區(qū),年均氣溫4.4℃,年均降水533.7mm,主要集中在6～8月份,約占全年降水總量的70%以上。采樣區(qū)位于集水盆地北坡,地形為黑土區(qū)典型漫崗臺(tái)地,坡長(zhǎng)為253m,最大相對(duì)高程為11.68m。沿坡建立3個(gè)地形斷面(transect),每個(gè)斷面相距25m,在每個(gè)斷面上劃分坡頂、坡肩、坡背、坡腳和坡趾等5個(gè)典型地形部位。各地形部位分別距離頂脊28m,43m,118m,213m和253m。土壤屬于典型黑土亞類中的中層黑土,各地形部位土壤侵蝕狀況及部分土壤屬性如表1所示。采樣區(qū)土地利用方式為農(nóng)田,長(zhǎng)期以來玉米連作,順向打壟和耕翻一直是該區(qū)的主要土壤管理方式。1.2土樣的水穩(wěn)性團(tuán)聚體的分離和測(cè)定土樣采于2002年10月。用直徑為5cm的取土鉆取出完整的土芯,將土芯分為0～20cm和20～30cm,分別代表表層和亞表層土壤。在每個(gè)地形部位用多點(diǎn)(n=3～5)均勻混合樣來表征該地形部位土壤。土樣在田間濕度下過7mm篩,在自然狀態(tài)下風(fēng)干,供測(cè)試分析用。土壤POC按照Cambardella和Elliott提供的方法測(cè)定。將風(fēng)干土過2mm篩,去除肉眼可見的植物根系等雜物。50℃烘干一夜,保存在4℃下。稱取10g預(yù)處理土樣,放入塑料瓶中,加入30ml5gL-1的六偏磷酸鈉(hexametaphsphate)溶液,在往復(fù)式振蕩器上振蕩15h,分散。分散溶液置于53μm篩上,用清水沖洗直至瀝濾液澄清。再將篩上保留物組分分離出>250μm和53～250μm兩個(gè)組分,前者為粗顆粒有機(jī)碳(CoarsePOC),后者為細(xì)顆粒有機(jī)碳(FinePOC),礦質(zhì)結(jié)合有機(jī)碳(incorporatedorganiccarbon,IOC,<53μm)用差值法求得。將分離出的各組分在60℃下烘干稱重,計(jì)算其所占土壤的百分比。土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體參考Yang和Wander提供的方法測(cè)定。稱取25g風(fēng)干土樣,放入水穩(wěn)性團(tuán)聚體分析儀套篩上(上下振幅為30mm,頻率為30次/min),浸潤(rùn)10min后,濕篩2min。收集殘留在1000μm、250μm和53μm篩上的土壤顆粒,烘干稱重,計(jì)算各粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。其中>250μm粒級(jí)的團(tuán)聚體稱為水穩(wěn)性大團(tuán)聚體(Macro-aggregate),而<250μm粒級(jí)的團(tuán)聚體為水穩(wěn)性微團(tuán)聚體(Micro-aggregate)。然后,將分離的各粒級(jí)土壤顆粒和團(tuán)聚體磨碎過100目篩,用元素分析儀(ThermoFinnigan,Italy)測(cè)定其碳含量,乘以各自所占土壤的百分比得出各顆粒碳和團(tuán)聚體碳含量。因本研究供試黑土不含碳酸鹽,所以總碳即為總SOC。1.3數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析利用SAS統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析,用Fisher最小顯著性檢驗(yàn)進(jìn)行均值間的比較分析。數(shù)據(jù)用Origin數(shù)學(xué)軟件進(jìn)行繪圖。2結(jié)果與分析2.1亞表層土壤微團(tuán)聚體含量變化由圖1-a和圖1-b可見,各地形部位表層(0～20cm)土壤>1000μm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量一般小于8%,亞表層(20～30cm)土壤該粒級(jí)團(tuán)聚體含量均低于表層。表層土壤250～1000μm團(tuán)聚體含量變化范圍為17.0%～27.9%,但亞表層土壤該粒級(jí)團(tuán)聚體含量均高于表層。上坡3個(gè)侵蝕部位,表層土壤2個(gè)粒級(jí)的大團(tuán)聚體均表現(xiàn)為坡肩小于坡背和坡頂。并且,坡肩與坡頂>1000μm的團(tuán)聚體含量差異顯著(p<0.05),而250～1000μm團(tuán)聚體含量差異不顯著(p>0.05)。長(zhǎng)期處于土壤累積狀態(tài)的坡腳,兩個(gè)粒級(jí)的大團(tuán)聚體均顯著低于坡頂對(duì)照點(diǎn),除坡腳外,各地形部位250～1000μm團(tuán)聚體含量均無顯著差異。表層>250μm的大團(tuán)聚體含量一般低于35%,其含量的變化趨勢(shì)和前兩個(gè)粒級(jí)團(tuán)聚體一致(圖1-c)。坡肩和坡腳表層土壤微團(tuán)聚體含量顯著高于坡頂和坡背,亞表層除坡背外,各部位微團(tuán)聚體含量均無顯著性差異(p>0.05)(圖1-d)。表層土壤53～250μm的微團(tuán)聚體含量變化范圍為55%～66%,約占總微團(tuán)聚體含量的75%以上,亞表層更高。2.2侵蝕部位表層土壤coarse與finepoc含量特征土壤POC是與土壤砂粒組分結(jié)合的那部分有機(jī)碳,通常由未分解或半分解的動(dòng)植物和根系殘?bào)w組成,其周轉(zhuǎn)期在5～20a,介于活性和惰性碳之間的一種緩性碳組分。而IOC屬于惰性碳組分。POC可分為CoarsePOC和FinePOC。由圖2-a和圖2-b可知,上坡3個(gè)侵蝕部位,表層土壤CoarsePOC和FinePOC含量無顯著性差異(p>0.05)。坡腳部位表層土壤CoarsePOC顯著低于坡頂,FinePOC含量也明顯低于坡背(p<0.05)。亞表層土壤Coarse和FinePOC含量均顯著低于表層。由圖2-c和表1可知,各部位表層土壤POC含量占總SOC含量的27.8%～58.2%。許多研究表明,表層土壤POC含量一般占土壤總碳的10%以上,可高達(dá)30%至85%。POC含量主要集中于表層,亞表層含量極低,一般低于總SOC含量的20%。由圖2-d可見,上坡侵蝕部位,坡肩IOC含量顯著低于坡背,沉積部位也比上坡含量低,尤其在坡趾。2.3不同地形部位的團(tuán)聚體碳含量大團(tuán)聚體結(jié)合態(tài)是相對(duì)不穩(wěn)定的活性碳組分,而微團(tuán)聚體碳屬于形成年代較老,性質(zhì)穩(wěn)定的惰性碳組分。由圖3-a和圖3-b可知,上坡侵蝕部位,坡頂和坡肩表層土壤>1000μm的團(tuán)聚體碳含量顯著低于坡背(p<0.05),兩個(gè)沉積部位也比坡背低,尤其是坡腳。表層土壤該粒級(jí)的團(tuán)聚體碳含量不超過總碳含量的14%。亞表層土壤>1000μm的團(tuán)聚體碳含量低于表層。表層土壤250～1000μm團(tuán)聚體碳與>1000μm團(tuán)聚體碳變化趨勢(shì)相似,并且各地形部位間前者差異更為明顯。250～1000μm團(tuán)聚體碳含量一般占總SOC含量的21%～33%。除坡肩外,亞表層土壤高于表層。大團(tuán)聚體碳(Macro-aggregatecarbon,>250μm)變化范圍為2.86～5.09gkg-1,占總SOC含量的26.8%～43.2%(圖3-c和表1)。表層和亞表層土壤53～250μm粒級(jí)的微團(tuán)聚體碳含量均為坡腳最高,坡肩最低,并且亞表層低于表層(圖3-d)。3討論3.1地表徑流和侵蝕部位的大團(tuán)聚體含量遭受嚴(yán)重侵蝕的坡肩部位,表層土壤兩個(gè)粒級(jí)的水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量明顯減少,而微團(tuán)聚體含量顯著高于坡頂和坡背(圖1),表明土壤侵蝕傾向于破壞水穩(wěn)性大團(tuán)聚體,相應(yīng)地增加微團(tuán)聚體含量。因?yàn)榇罅＜?jí)團(tuán)聚體是由次一級(jí)團(tuán)聚體組成,土壤由結(jié)構(gòu)體→大團(tuán)聚體→微團(tuán)聚體→粘團(tuán)(粘粒微團(tuán)聚體)→粘粒這一轉(zhuǎn)化過程稱為消散作用(Slaking)。Barthes等對(duì)模擬降雨條件下微型小區(qū)和自然降雨條件下徑流小區(qū)的觀測(cè)結(jié)果表明,其徑流深和侵蝕量與表層土壤的穩(wěn)定性大團(tuán)聚體(>200μm)含量呈負(fù)相關(guān)。郭志民等研究也發(fā)現(xiàn)隨著土壤侵蝕程度的加劇,>250μm的團(tuán)聚體有減少趨勢(shì),特別是>2mm的團(tuán)聚體減少更為明顯,而20～250μm的團(tuán)聚體卻有增加趨勢(shì)。由于黑土質(zhì)地粘細(xì),土壤侵蝕破壞主要體現(xiàn)在>1000μm的大團(tuán)聚體,導(dǎo)致上坡侵蝕部位250～1000μm粒級(jí)的團(tuán)聚體含量差異不顯著。土壤累積明顯的坡腳部位表層土壤兩個(gè)粒級(jí)的大團(tuán)聚體含量均較低,而微團(tuán)聚體含量較高(圖1),表明土壤侵蝕破壞上坡侵蝕部位的大團(tuán)聚體,產(chǎn)生更小的可移動(dòng)顆粒,并沿坡向下遷移。黃滿湘等等研究指出,與原土壤的團(tuán)聚體組成相比,侵蝕泥沙中>1000μm的團(tuán)聚體含量明顯低于原土,<250μm的團(tuán)聚體含量要高于原土,說明徑流泥沙的流失主要以粒徑為250μm以下的團(tuán)聚體為主。這是因?yàn)榇罅酵寥缊F(tuán)聚體是不穩(wěn)定的,在雨滴打擊下,被剝離形成較細(xì)的團(tuán)聚體,當(dāng)降水強(qiáng)度較小或降水后期,地表徑流匯集量小,沒有足夠的能量搬運(yùn)大粒徑團(tuán)聚體,導(dǎo)致侵蝕泥沙中細(xì)粒徑團(tuán)聚體所占的比重大。坡趾由于微地形的差異,受到由西向東水流的影響,細(xì)顆粒水穩(wěn)性團(tuán)聚體流失要高于坡腳,相應(yīng)地>1000μm的大團(tuán)聚體比例也較坡腳高。3.2不同地形部位的土壤poc含量土壤侵蝕產(chǎn)生的消散及分散作用使水穩(wěn)性大團(tuán)聚體破碎,暴露出原來受大團(tuán)聚體保護(hù)的POC。一方面,POC暴露于微生物作用下分解礦化損失,另一方面,由于POC密度較小(<1.6gcm-3),易隨地表徑流遷移而流失。但是,上坡3個(gè)侵蝕部位表層土壤兩個(gè)粒級(jí)的POC含量無顯著性差異(圖2)?？赡苁且?yàn)?研究區(qū)坡度較小,土壤侵蝕并不嚴(yán)重,并且有較厚的黑土層,土壤侵蝕對(duì)植物生產(chǎn)力可能沒有產(chǎn)生明顯的影響。因此,各地形部位植物殘?bào)w年輸入的有機(jī)碳量大致相當(dāng),每年遷移損失的POC為植物殘?bào)w輸入新碳所補(bǔ)充,導(dǎo)致上坡侵蝕部位POC含量差異不顯著。沉積區(qū)表層土壤POC并沒有出現(xiàn)明顯的累積,尤其是坡腳部位含量更低(圖2)。可能有以下幾個(gè)方面的原因:①POM易隨地表徑流流失,進(jìn)入下游河流生態(tài)系統(tǒng)中,成為河流濕地生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳的重要組成部分。②這可能與坡形的演變有關(guān)。根據(jù)方華軍等的研究結(jié)果,從1964年后,侵蝕物質(zhì)由坡腳向坡趾轉(zhuǎn)移,導(dǎo)致坡趾部位POC略高于坡腳。③POM性質(zhì)不穩(wěn)定,易被微生物利用,發(fā)生礦化分解,導(dǎo)致沉積區(qū)微生物生物量碳含量較高。④另外,可能與土壤采樣時(shí)間有關(guān)。土壤采樣發(fā)生在2002年11月,不是作物的生長(zhǎng)期,經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間的分解利用。另外,在嚴(yán)重侵蝕的坡肩部位,IOC含量明顯低于坡頂和坡背(圖2)。因?yàn)镮OC是與土壤粘粒和粉粒復(fù)合的、性質(zhì)穩(wěn)定的老有機(jī)碳,易被地表水流攜帶流失,并在沉積區(qū)大量累積。同時(shí),侵蝕部位表層富碳的IOC流失后,下層貧碳的IOC補(bǔ)充表層產(chǎn)生稀釋作用,降低表層IOC含量。3.3不同地形部位表層土壤微團(tuán)聚體碳含量的變化侵蝕部位兩個(gè)粒級(jí)的水穩(wěn)性大團(tuán)聚體結(jié)合碳含量均較低,表明土壤侵蝕以及耕翻作用明顯降低大團(tuán)聚體結(jié)合碳含量,尤其對(duì)>1000μm團(tuán)聚體碳的影響更為顯著(圖3)。許多研究表明,POC與大團(tuán)聚體碳顯著相關(guān),說明大團(tuán)聚體(>250μm)是微團(tuán)聚體與有機(jī)物等膠結(jié)劑膠結(jié)形成,含有許多初期不穩(wěn)定的新成有機(jī)物如POM、輕組碳及微生物量碳等,而易于被微生物利用發(fā)生礦化分解。但由于新碳先進(jìn)入大團(tuán)聚體,使大團(tuán)聚體碳含量增加,然后向微團(tuán)聚體轉(zhuǎn)移并最終累積在微團(tuán)聚體中,所以單純的大團(tuán)聚體碳含量減少并不能解釋耕作等土壤擾動(dòng)造成的總碳損失。由此,Six等認(rèn)為,耕作加快土壤團(tuán)聚體周轉(zhuǎn),是導(dǎo)致SOC損失的首要原因。坡肩部位表層土壤微團(tuán)聚體含量也較低,說明土壤侵蝕也明顯導(dǎo)致微團(tuán)聚體碳含量減少,微團(tuán)聚體碳的遷移流失可能是侵蝕部位SOC下降的主要機(jī)制。研究表明,土壤細(xì)顆粒中SOC相對(duì)富集,侵蝕剝蝕了富碳的細(xì)顆粒物質(zhì),下層貧碳的細(xì)顆粒物質(zhì)通過耕翻作用混入耕層進(jìn)行補(bǔ)充(圖2和圖3),進(jìn)而降低了微團(tuán)聚體結(jié)合有機(jī)碳的含量。在有明顯土壤累積的坡腳部位,>1000μm和250～1000μm兩個(gè)粒級(jí)的團(tuán)聚體碳在5個(gè)地形部位中最低,而微團(tuán)聚體碳含量最高(圖3),表明坡腳表層土壤來自坡上侵蝕部位,明顯截留了富含更細(xì)小