2014, Vol. 35
2. 贵州师范大学地理与环境科学学院, 贵阳 550001
2. Department of Geography and Environmental Science, Guizhou Normal University, Guiyang 550001, China
土壤碳库储量分别是全球大气碳库(760 Gt)的3.3倍及生物碳库(560 Gt)的4.5倍， 土壤碳库是陆生碳库的重要组成部分，保持土壤碳库合理的储量水平，对于全球的气候变化及粮食安全具有重要战略意义[1]. 岩溶环境背景下，土壤有机碳是岩溶系统中碳转移的动力学媒介，是岩溶系统中碳流通的重要途径[2]. 然而，土壤有机碳含量只是一个有机碳矿化平衡的结果，不能较好地反映土壤质量的变化及转化速率[3]. 土壤活性有机碳是指在一定时空条件下受植物、 微生物影响强烈，具有一定溶解性，且在土壤中移动较快、 不稳定、 易矿化、 易氧化、 其形态和空间位置对植物和微生物有较高活性的那部分土壤碳素[4]. 现阶段，由于土壤活性有机碳能够快速地对气候变暖做出反应[5, 6]，以及其在控制陆生系统和大气交换CO2通量的能力[7]，已受到越来越多的国内外研究者的关注. 研究岩溶背景下土壤活性有机碳对于明确岩溶环境土壤固碳能力及增汇减排有重要意义.
近年来，随着国家退耕还林(草)政策的顺利实施，喀斯特局部生态得以有效恢复，并在一定程度上抑制了石漠化进程. 然而，值得注意的是，土地利用方式在较短时间内的变化，势必将对土壤活性有机碳产生重要影响. 就现阶段掌握的资料而言，有关喀斯特地区土地利用变化及退耕的研究仍停留在土壤养分库、 土壤质量及其恢复能力[8, 9, 10, 11]，而对土壤活性有机碳研究还相对少见. 另一方面，包裹于土壤团聚体内的活性有机碳由于受团聚体的物理性保护作用而隔离了微生物活动，可能对碳汇功能产生重要影响[12]. 针对喀斯特地区土壤活性有机碳的研究现状，亟待解答的问题主要包括以下3点：①不同土地利用方式下，哪种土地利用方式更有利于活性有机碳的累积？②不同粒级团聚体中活性有机碳的分布有何规律？③土地退耕后，随时间的推移，喀斯特活性有机碳有怎样的变化特征？基于此，以贵州普定县陈家寨石漠化治理试验示范区为研究区域，结合数量生态学的研究手段，探讨不同土地利用方式(灌丛、 水田、 旱地、 退耕地)及不同退耕时间(退耕3 a和退耕15 a)下剖面层次(0~10、 10~20、 20~30 cm)对全土及团聚体活性有机碳的影响，旨在为丰富岩溶系统的固碳理论及合理利用土地资源提供科学依据.
研究区域位于贵州省安顺地区普定县陈家寨石漠化治理试验示范区(26°20′N, 105°48′E)，研究区气候温和，属亚热带高原季风湿润气候，年均温15.1℃，年均相对湿度80%，年均日照时数1202 h, 年均降水量1378 mm，但降水季节分布不均，约70%以上的降水量均集中在5~9月，常出现涝灾. 土壤类型以黄色石灰土为主，岩石主要为三叠系灰岩及白云岩，研究区域为典型岩溶峰丛洼地景观. 根据研究区域内的土地利用方式现状及耕作历史情况，选取了较小尺度内的槽谷地带内母岩均为石灰岩的5种典型土地利用类型：①灌丛(SR)：天然次生，人为干扰情况很少，主要植被包括有火棘(Pyracantha fortuneana)、 小果蔷薇(Rosa cymosa)、 月月青(Itea ilicifolia)等，植被盖度达85%以上; ②水田 (PD)：具有长期耕作历史，水旱轮作，春季主要种植有油菜和萝卜等; ③旱地(DL)：连续耕作历史长达50 a以上，主要种植玉米、 红薯及大豆等; ④退耕3 a草丛(ACS-3)：退耕之前为具有连续耕作历史的旱地，经3 a的自然撂荒，地表植被以五节芒(Miscanthus floridulus)为绝对优势种，除较小强度的人为践踏外，其余人为干扰活动较少; ⑤退耕15 a草丛(ACS-15)：退耕之前为具有连续耕作历史的旱地，地表除生长五节芒外，还生长有部分灌木植被，除每年少量的草本植被被收割外，其余人为干扰活动很少.
于2012年8月下旬，在研究区域各样地中设置3块10 m×10 m的重复样方，土壤按照0~10、 10~20 和20~30 cm这3个剖面层次进行样品采集. 采样时先去除地表植被凋落物，尽量保持土壤原状结构，本研究共采集土壤样品45个. 土样带回室内后，室内适当风干后沿土壤自然裂隙掰成10 mm左右的小土块，并仔细挑除土样中可见的土壤动植物残体，于室温下风干备用.
土壤团聚体分级采用干筛法[13]，具体方法如下：把孔径分别为5、 2和0.25 mm的3个系列土筛由上至下套合，放置在一无孔的底盘上，称取一定量的风干土于最上面的土筛中，加盖后用人工手筛方法把风干土壤分为4个粒组，即>5、 5~2、 2~0.25、<0.25 mm. 经筛分的各类团聚体分别称量计重，研磨过100目尼龙筛，供土壤活性有机碳的测定.
土壤活性有机碳的测定采用高锰酸钾氧化法[14]，具体步骤为：称取约含15~30 mg碳的土样，加入333 mmol ·L-1的高锰酸钾溶液25 mL，振荡1 h，然后以4000 r ·min-1离心5 min，取上清液用去离子水按1 ∶250稀释，将稀释液在565 nm波长处进行比色. 根据高锰酸钾的消耗量，计算出土壤活性有机碳含量.
各级团聚体的质量百分含量=该级团聚体质量/土壤样品总质量×100%.
试验数据应用Excel 2003和 DPS 6.55软件进行处理，显著性检验用LSD法进行分析，组内-组间主成分分析(within-between classes PCA)利用ADE-4生态学软件[15]进行分析运算和绘图.
不同土壤剖面层次下，随团聚体粒级的降低，土壤团聚体含量占全土比例均呈明显的降低趋势(图 1). 各土地利用方式下土壤团聚体组成比例均以>5 mm 粒级最高，变幅范围在35.8%~72.7%之间，而<0.25 mm团聚体比例十分低下，不足5%. 同一粒级水平下，>5 mm粒级团聚体比例在3个剖面层次下均以水田最高，变幅范围在63.7%~72.7%之间，同时，退耕15 a草丛较退耕3 a草丛>5 mm 粒级团聚体比例在0~10、 10~20和20~30 cm下也分别增加了30.4%、 35%和18.5%. 5~2 mm和2~0.25 mm两个粒径团聚体比例均以灌丛较高，均维持在30%左右，而该两粒级在水田相对较低. 此外，<0.25 mm团聚体比例以退耕3 a草丛相对较高，但其仅在3.75%~3.97 %之间变化，反映出大粒径团聚体(>0.25 mm)是不同土地利用方式中土壤团聚体的组成主体.
 | 图 1 不同土地利用方式土壤团聚体分布示意Fig. 1 Distribution of soil aggregates in different soil layers under different land use patterns |
随土壤剖面深度的增加，各土地利用方式下土壤活性有机碳含量明显减少，且同一剖面层次下各土地利用类型土壤活性有机碳含量存在较大差异[图 2(a)]. 在0~10 cm 剖面层次下，水田土壤活性有机碳含量较灌丛、 旱地、 退耕3 a草丛、 退耕15 a草丛分别显著高出了(P<0.05)36.5%、 112%、 114%和75.8%. 同时，与旱地相比，退耕15 a草丛土壤活性有机碳增加了20.3%，但未达显著差异水平(P>0.05). 在10~20 cm剖面层次中，土壤活性有机碳含量仍以水田最高，灌丛次之，以退耕3 a草丛最低. 其中水田土壤活性有机碳较其余几种土地利用方式增幅范围在28.5%~114%之间，差异显著(P<0.05). 在20~30 cm剖面层次下，各土地利用方式下土壤有机碳的变幅范围1.54~2.18 g ·kg-1之间，变幅相对较小，且各土地利用方式下均未达显著差异水平(P>0.05). 由土壤活性有机碳在不同剖面层次的分布也可以看出[图 2(b)]，随剖面深度的增加，活性有机碳的离散程度呈下降趋势.
 | 图 2 不同土壤深度下土壤活性有机碳含量及其离散程度Fig. 2 Soil labile organic carbon content and its degree of dispersion in different soil depths |
不同土地利用方式下，土壤团聚体活性有机碳在0~10、 10~20、 20~30 cm的变幅范围分别在1.96~5.49、 1.51~3.45和1.38~2.38 g ·kg-1之间，并随土壤剖面层次的增加降低明显(图 3). 与全土活性有机碳在各土地利用中的分配相似，在0~10 cm和10~20 cm两个剖面层次下，水田中团聚体活性有机碳含量优势较其余土地利用方式十分明显，灌丛团聚体活性有机碳仅次于水田，且在0~10 cm剖面下，其含量显著高于(P<0.05)旱地、 退耕3 a草丛和退耕15 a草丛. 然而，在20~30 cm剖面层次下，除水田<0.25 mm 团聚体活性有机碳含量显著高于(P<0.05)其余土地利用方式外，其余粒径团聚体均未达显著差异水平(P>0.05). 与旱地相比，退耕15 a草丛>5、 5~2、 2~0.25和<0.25 mm 粒径团聚体活性有机碳含量0~10 cm分别增加了10%、 16.8%、 3.62%和19.7%，但未达显著差异水平(P>0.05). 此外，不同粒径水平下，除>5 mm团聚体活性有机碳在0~10 cm 剖面层次下稍高于其余粒径为外，其余剖面层次下团聚体活性有机碳的含量分配规律并不明显.
 | 图 3 不同土地利用方式土壤团聚体活性有机碳含量分布Fig. 3 Distribution of soil labile organic carbon in aggregates under different land use patterns |
随剖面层次的增加，土壤活性有机碳的储量呈明显减少趋势[图 4(a)]. 0~10 cm 和10~20 cm 范围内，活性有机碳储量均以水田较高，灌丛次之，退耕3 a草丛最低，差异显著(P<0.05). 然而，在20~30 cm 剖面下，活性有机碳储量以灌丛最高，水田次之，未达显著差异水平(P>0.05). 与旱地相比，退耕15 a草丛活性有机碳储量在0~10 cm增加了27.4%，而退耕3 a草丛在各剖面层次下均有一定程度的降低. 总体上，0~30 cm剖面范围内，不同土地利用方式下土壤活性有机碳储量表现为：水田 (13.3 Mg ·hm-2)>灌丛(13.2 Mg ·hm-2)>退耕15a草丛 (10.2 Mg ·hm-2)>旱地 (9.05 Mg ·hm-2)>退耕3 a草丛(8.08 Mg ·hm-2). 另外，由活性有机碳储量在不同剖面分布可以看出[图 4(b)]，随剖面深度的增加，土壤活性有机碳储量在离散程度呈现降低的趋势.
 | 图 4 不同土壤深度下土壤活性有机碳储量及其离散程度Fig. 4 Soil labile organic carbon pool and its degree of dispersion in different soil depths |
采用组内-组间主成分分析的手段，不仅能反映各环境变量间的相互关系，而且可将不同土地利用方式或剖面层次与环境变量的相互关系直观体现出来，从而为探明喀斯特山区土地利用方式或剖面层次与土壤环境变量的相互关系提供参考.
组间主成分分析第一排序轴和第二排序轴分别解释了96.1%和3.90%的信息量[图 5(a)和图 5(b)]，其中，第一轴与全土及团聚体活性有机碳含量相关，而第二排序轴主要与土壤团聚体组成相关. 沿第一排序轴负方向，反映出土壤活性有机碳是一个逐渐改善的过程. 由组间主成分的变量按土地利用方式投影图可见[图 5(c)]，水田与土壤活性有机碳含量的相关性最为明显，而退耕15 a草丛和旱地十分接近，几乎重叠，并且投影结果也将灌丛和其余几种土地利用方式明显区分开来. 同样，将代表组间主成分按土壤剖面层次分布进行投影，发现0~10 cm 与土壤活性有机碳的关系最为密切，10~20 cm 次之，而20~30 cm 的相关性最弱[图 5(c)].
 | 图 5 土壤变量的组间主成分分析排序图Fig. 5 Between-class principal component analysis of soil variables |
组内主成分分析第一排序轴和第二排序轴分别解释了55.4%和32.1%的信息量[图 6(a)和图 6(b)]，第一轴主要与团聚体活性有机碳及全土团聚体活性有机碳相关，沿第一轴的正方向反映了土壤活性有机碳的改善过程. 去除了土壤剖面和土地利用方式作用后[图 6(c)]，发现各样点围绕排序轴原点具有很强的离散性特征，将组内主成分分析按土地利用方式投影后，仍然发现水田与土壤活性有机碳含量的相关性最为明显，而退耕15 a草丛和旱地投影位置十分接近，并有进一步向第一排序轴正方向移动的趋势. 同时，投影结果也将灌丛和其余几种土地利用方式明显区分开来[图 6(c)].
 | 图 6 土壤变量的组内主成分分析排序图Fig. 6 Within-class principal component analysis of soil variables |
已有研究表明，水田由于长期处于湿润的环境，减少了土壤有机碳的矿化分解，加之充足的有机物输入，从而更有利于土壤活性有机碳的累积[16]. 周萍等[17]通过长期试验表明水田中土壤有机碳的累积主要通过有机碳与氧化铁相结合的化学保护作用完成. Song 等[18] 研究表明，与其它区域相比，在我国东部与水稻为主的耕作区域表现出更高的表层有机碳含量和更低的有机碳损失量. 本研究中，与自然背景下的灌丛群落相比较，水田全土活性有机碳含量在表层(0~10 cm)和亚表层(10~20 cm)分别增加了36.5%和28.5%，并且在0~30 cm下内活性有机碳的储量也表现较高的水平. 证实了水田有利于活性有机碳累积的结论，反映出在我国西南喀斯特山区种植水稻对于增加岩溶地质碳汇有一定现实意义. 与旱地相比，退耕3 a草丛在各剖面层次内活性有机碳含量反而有所降低，这可能是因为土地退耕初期，地上部分的植物和微生物群落进行重新分配，消耗了半分解状态的有机质等活性成分来补充生物重建所必要的能量，加之退耕初期极少地表生物量的释归，进一步加速了对原有土壤中活性有机碳组分的消耗. 本研究也与大多数研究者的结果相一致[19, 20, 21]. 随着退耕时间的推移，经15 a退耕的草丛在0~10 cm 剖面下活性有机碳含量较旱地增加了20.3%，并且接近灌丛的表层土壤的80%. 而10~20 cm和20~30 cm两个剖面层次仍然较旱地低，这表明喀斯特山区土地退耕后土壤活性有机碳恢复优先发生在表层土壤. 许明祥等[22]对黄土丘陵区退耕还林(草)区的研究也显示表层土壤是退耕后土壤有机碳累积效果最为明显和敏感的层次.
团聚体是土壤结构的基本单元，并且团聚体的形成作用被认为是土壤碳固定的重要机制[23]. 本研究中，土地利用方式改变全土活性有机碳含量的同时，也对活性有机碳在团聚体中的分配产生了重要影响. Yang等[24]研究认为大团聚体中的有机碳含量较高. Jastrow等[25]利用13 C 示踪的手段证实了大团聚体有机碳具有含量高形成时间早的特征. 而章明奎等[13]发现随团聚体粒径的降低，有机碳含量呈现“V”型分布的特征. 本研究中，0~10 cm 剖面范围内，各土地利用类型活性有机碳含量在>5 mm 粒径稍高于其余粒级团聚体，但在10~20 cm和 20~30 cm 剖面下无明显规律. 其原因可能是由于处于表层之下的土壤更易受到植被细根的影响，细根分泌的胶结物及细根自身的分解作用，增加了活性有机碳在不同粒径分布的随机性. 但这一方面还需进行深入的探究. 此外，本研究证实了无论是处于耕作、 自然还是退耕状态下的土地利用方式中，团聚体中活性有机碳含量均在很大程度上依赖全土活性有机碳含量的多少.
本研究结合组内-组间主成分分析的方法，表明喀斯特山区土壤活性有机碳含量具有很强的表聚性特征，且各土地利用之间及其剖面样点的离散性非常强. 由组内-组间主成分的投影平面的位置关系也可看出(图 5和图 6)，退耕3 a的草丛与土壤活性有机碳含量及储量的低于旱地土壤，反映出在退耕初期土壤活性有机碳的自然恢复是一个相对缓慢的过程. 然而，经15 a自然恢复后，表土活性有机碳的含量得以明显恢复，在0~30 cm 剖面范围内，经 15 a自然恢复的草丛活性有机碳位置与旱地位置基本重叠，且其储量已经水平超过旱地，有进一步累积的趋势. 汪青等[26]根据土壤碳库(CPMI)的变化曲线，发现需13 a的自然恢复，土壤质量才能达到对照水平. 许明祥等[22]的研究也表明，以10 a为界，退耕还林(草)的近期土壤碳汇效应并不明显，而10 a后土壤碳汇增汇效应逐渐明显. 魏亚伟等[27]认为，岩溶山区应该减少人为干扰，实行自然恢复是喀斯特地区退化生态系统恢复重建的有效方式. 为此，本研究认为喀斯特山区应坚定不移地落实和执行退耕还林(草)的政策，以长远的眼光看待喀斯特山区的土壤固碳效应，以此为我国碳汇增汇减排及生态可持续发展提供有力保障.
(1)不同土地利用方式对全土及团聚体活性有机碳产生了明显的影响. 几种土地利用方式中，水田无论全土或团聚体中活性有机碳含量均高于灌丛、 旱地及退耕地. 组内-组间主成分分析也表明水田对土壤活性有机碳具有良好的累积效应，表明在喀斯特山区种植水稻对岩溶山区的碳汇增汇有一定积极意义.
(2)喀斯特山区土壤活性有机碳具有很强的表聚性特征，并且随剖面深度的增加，土壤活性有机碳含量和储量下降的同时，其离散程度也呈下降趋势.
(3) 与旱地相比，退耕3 a草丛全土及各粒径团聚体活性有机碳含量反而有所降低，而退耕15 a草丛在表层(0~10 cm)获得良好恢复，且在0~30 cm 剖面范围内含量水平与旱地接近，表明喀斯特山区土地退耕初期有机碳恢复不明显，而后期碳汇效应逐渐显现. 因此在喀斯特山区应注重长期固碳效应，减少人为干扰，坚定不移地执行退耕还林(草)政策.
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