2019, Vol. 40
2. 中国科学院水利部水土保持研究所, 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 杨凌 712100
2. State Key Laboratory of Soil Erosion and Dry-land Farming on the Loess Plateau, Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resource, Yangling 712100, China
土壤侵蚀可改变土壤有机碳的空间分布, 并可能导致陆地生态系统碳源汇格局的改变[1, 2]. Van Oost等[3]的研究表明侵蚀导致侵蚀区土壤有机碳减少, 沉积区有机碳因埋藏作用使碳的分解受到抑制而增加, 在全球农田土壤形成0.12 Pg·a-1的碳汇; 而Lal[2]则认为侵蚀导致有机碳流失, 但沉积区有机碳由于各种因素不能稳定存在, 最终以CO2的形式释放, 在全球尺度每年产生0.8~1.2 Pg的碳源.此外, 侵蚀导致侵蚀区及沉积区土壤环境的差异会进一步引起土壤碳排放的改变, 增加了侵蚀对陆地系统碳固存影响的不确定性[4, 5].明确土壤有机碳矿化及CO2排放对侵蚀坡面土壤有机碳再分布及土壤水热等环境要素的时空相应特征, 将有助于科学评价和预测侵蚀影响下坡面土壤CO2的源汇效应.
土壤微生物量碳(soil microbial biomass carbon, SMBC)是土壤有机碳中最为活跃和最易变化的部分[6, 7], 其周转时间较土壤有机碳更快[8], 对环境变化响应更敏感.侵蚀影响土壤环境, 导致土壤有机碳分布、沉积、转化及CO2排放的巨大变化, 土壤微生物量碳可敏感地反映这些变化.因此研究侵蚀环境下土壤微生物量碳的变化特征能更好地理解侵蚀对坡面土壤有机碳矿化及CO2排放的影响.揭示侵蚀条件下土壤微生物对碳循环的影响, 其关键在于明确土壤微生物活性对侵蚀-沉积环境的响应.
目前, 对土壤微生物量碳季节变化研究较多[9~11], 空间分布相对较少[12], 而土壤微生物活动是在一定时空范围进行的, 有必要从时间动态变化以及空间分布共同着手了解土壤微生物的活动特征[13].黄土丘陵区是我国乃至全球土壤侵蚀最严重的区域之一, 本研究将探索黄土丘陵区不同有机碳水平下典型侵蚀坡面土壤微生物量碳的时空变化特征, 明确侵蚀对土壤微生物量碳的调控作用, 通过揭示侵蚀条件下土壤微生物量碳对环境变化的敏感性, 以期为科学评价土壤侵蚀和碳循环提供理论依据.
1 材料与方法 1.1 研究区概况本研究于中国科学院安塞水土保持综合试验站(108°11′~109°26′E, 36°30′~37°19′N)山地实验场进行.该站地处黄土高原中部, 属于典型的丘陵沟壑区地带, 平均海拔1 371.9 m.气候类型属于中温带半干旱季风气候, 全年平均气温8.8℃(极端最高温36.8℃, 极端最低温-23.6℃), 昼夜温差大, 多年平均降水量505 mm, 主要集中在7~9月; 年日照时数为2 395.6 h, 日照百分率达54%, 全年无霜期157 d.研究区土壤以黄绵土为主, 抗侵蚀性差, 水土流失严重, 以细沟、浅沟侵蚀为主, 地带性黑垆土已侵蚀殆尽.
1.2 研究方法 1.2.1 实验小区设置为探明侵蚀对土壤微生物量碳时空动态的影响, 本研究在能够完整呈现土壤侵蚀-沉积过程的典型的“S”型坡坡面上进行.实验小区在2011年修建, 具有明显的侵蚀、沉积部位, 面积4 m× 17 m, 坡向朝东, 坡中、坡下的平均坡度分别为19°和5°, 分别定义为侵蚀区和沉积区(图 1).通过施用不同用量的有机肥, 设置5个土壤有机碳水平, 每水平4次重复.在每个小区的侵蚀区和沉积区分别布设侵蚀针, 每个部位布设6个, 观测土壤侵蚀/沉积状况.为消除植物根系对土壤微生物量碳的影响, 实验过程中不定期除草, 保持小区为裸地状态.
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图 1 实验小区示意 Fig. 1 Sample plot |
为明确侵蚀坡面雨季前、雨季末土壤微生物量碳的变化及其影响因素, 分别于2017年6月和9月采集土壤样品.样品采集用直径5 cm的土钻在每个小区的侵蚀区和沉积区分别采集0~10 cm土壤, 每处理共4个重复样品.样品采集后置于装有冰袋的保鲜袋中, 运回实验室后一部分于4℃下低温保存, 其余自然风干过0.25 mm筛待用.
1.2.3 测定指标与方法土壤有机碳：重铬酸钾外加热法[14]; 土壤温度和湿度：Em50自动监测设备(DECAGON公司)测定; 土壤微生物量碳：氯仿熏蒸-K2SO4浸提法[15]：SMBC=2.64FC, 2.64为换算系数, FC为熏蒸与未熏蒸浸提液的有机碳的差值.
1.2.4 数据处理分别用侵蚀区与沉积之间土壤微生物量碳、土壤有机碳、土壤温度和土壤湿度的差值, 即ΔSMBC、ΔSOC、ΔT和ΔW表征同期侵蚀-沉积作用对土壤微生物量碳和土壤温、湿度环境要素的影响.土壤侵蚀强度用侵蚀、沉积厚度表示.采用SPSS 19.0对不同有机碳水平间的坡面侵蚀-沉积区土壤微生物量碳及温湿度进行单因素方差分析和多重比较(LSD法)分析.采用一般线性模型(GLM)中的方差成分估计模块来计算坡面土壤有机碳水平、土壤有机碳、土壤温湿度和侵蚀/沉积部位在微生物量碳变异(方差)中所占的百分比.将定性的坡面有机碳水平和侵蚀部位用不同的编码赋值方法使其量化：有机碳水平C1~C5分别赋值1~5, 侵蚀区、沉积区分别赋值1和2.用SPSS 19.0(IBM Corp.)和Origin 2015(Origin Lab Corp.)统计软件分析和作图.
2 结果与分析 2.1 不同有机碳水平坡面土壤侵蚀-沉积强度降雨侵蚀导致坡面土壤发生了再分布, 5个有机碳水平的坡面上均发生了不同程度的侵蚀和沉积作用, 平均侵蚀和沉积厚度分别为26.0~36.3 mm和16.4~24.3mm, 但各有机碳水平的小区之间土壤侵蚀、沉积厚度差异不显著(表 1).
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表 1 不同有机碳水平下坡面土壤侵蚀强度1)(平均值±标准误差) Table 1 Soil erosion intensity on the slope for different organic carbon levels (mean ±SE) |
2.2 侵蚀坡面土壤温湿度时空变化特征
侵蚀导致坡面土壤温湿度出现明显的时空分异(图 2).雨季前(6月), 沉积区平均土壤温度高于侵蚀区, 侵蚀-沉积区土壤温度差(ΔT)介于-0.96~3.19℃之间; 沉积区平均土壤湿度低于侵蚀区, 侵蚀-沉积区土壤湿度差(ΔW)介于-5.10%~1.15%.雨季末(9月), 降雨侵蚀导致侵蚀区和沉积区土壤湿度增大, 温度降低, ΔT减小至-0.28~0.15℃, 湿度差介于-2.64%~3.78%, 沉积区整体较侵蚀区温度低、湿度大.
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图 2 侵蚀对不同碳水平下土壤温湿度变化的影响 Fig. 2 Effects of erosion on the soil temperature and humidity for different carbon levels |
侵蚀-沉积区土壤温、湿度差与有机碳水平相关.雨季前坡面有机碳水平越高, 侵蚀-沉积区土壤温、湿度差越大.雨季末坡面有机碳水平越高, 沉积区土壤湿度增加量和温度的减少量越大, 而侵蚀区无明显规律(表 2).雨季前至雨季末, 坡面侵蚀-沉积区的土壤温差减小, 差异幅度从-3.34%~11.59%减小为-1.59%~1.08%, 有机碳水平越高差异减小幅度越大; 侵蚀-沉积区土壤湿度的差异也与有机碳水平有关, 当有机碳水平较低时(C1~C3), 差异幅度增加, 分别增加了10.83%、13.94%、11.50%, 有机碳水平较高时(C4~C5), 侵蚀-沉积区土壤湿度的差异减小, 差异幅度分别减小了42.56%和35.13%.
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表 2 坡面侵蚀-沉积区土壤温湿度(0~10 cm)变化 Table 2 Variation of soil temperature and humidity (0-10 cm) in the erosion and sedimentary areas on the slope |
2.3 侵蚀坡面土壤有机碳时空变化特征
侵蚀坡面土壤有机碳含量也表现出明显的时空分异.在雨季前, 侵蚀区土壤有机碳含量为4.25~6.54g·kg-1, 沉积区土壤有机碳含量介于4.03~8.99g·kg-1之间, 侵蚀-沉积区土壤有机碳含量差(ΔSOC)在-0.22~2.45g·kg-1之间(表 3), 沉积区平均土壤有机碳含量高于侵蚀区, 但差异不显著(P < 0.05).雨季末, 侵蚀导致侵蚀、沉积区土壤有机碳含量改变, 范围分别为3.47~8.22g·kg-1和3.99~8.07g·kg-1, ΔSOC变化为-0.68~0.61g·kg-1[图 3(a)].当土壤背景有机碳水平较低时(C1~C3), 侵蚀-沉积区土壤有机碳含量差异不明显; 有机碳水平较高时(C4~C5), 坡面侵蚀-沉积区土壤有机碳差异明显, 差异幅度分别为28.57%和37.47%.
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表 3 不同有机碳水平下坡面土壤有机碳含量1)(平均值±标准误差) Table 3 Soil organic carbon content of the slope for different organic carbon levels (mean±SE) |
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(a)、(b)分别为侵蚀-沉积区土壤有机碳含量差、微生物量碳含量差; 不同小写字母表示同一时期不同碳水平下差异显著(P < 0.05) 图 3 不同有机碳水平下坡面侵蚀与沉积区土壤有机碳和微生物量碳含量差 Fig. 3 Differences in the soil organic carbon and microbial biomass content between the erosion and sedimentary areas of the slope for different organic carbon levels |
坡面土壤微生物量碳具有明显的时空分布特征.由图 3(b)可知, 雨季前和雨季末侵蚀-沉积区土壤微生物量碳含量的差异(ΔSMBC)对侵蚀的响应不同.雨季前, 沉积区土壤微生物量碳含量高于侵蚀区, ΔSMBC介于8.26~16.09mg·kg-1, 且这种差异随着有机碳水平的升高而增大, 与雨季前ΔW、ΔT、ΔSOC变化趋势基本一致, 但各有机碳水平间差异不显著(P>0.05).雨季末, 沉积区平均土壤微生物量碳含量高于侵蚀区, 含量差在-2.72~32.93mg·kg-1间波动, 不同有机碳水平下差异显著(P < 0.05).雨季前至雨季末, 侵蚀导致侵蚀-沉积区土壤微生物量碳含量的差异ΔSMBC减小, 差异幅度范围从19.05%~30.26%减少到-2.34%~18.90%, 与ΔT的变化一致.
雨季前[图 4(a)]坡面侵蚀区土壤微生物量碳含量低于沉积区, 雨季末[图 4(b)], 当坡面有机碳水平较高时(C3~C5), 侵蚀区土壤微生物量碳含量低于沉积区.与雨季前相比, 雨季末坡面平均土壤微生物量碳含量显著增加, 高出雨季前144.53%, 其中侵蚀区土壤微生物量碳的增长率高达286.83%, 沉积区的增长率介于91.08%~211.96%之间.雨季前及雨季末, 坡面土壤微生物量碳含量均表现为随着有机碳水平的升高而增加, 且差异显著(P < 0.05).表明土壤微生物对侵蚀区环境变化的敏感性高于沉积区, 且具有明显的季节变化.
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图 4 不同有机碳水平下坡面侵蚀-沉积区土壤微生物量碳含量(0~10 cm) Fig. 4 Microbial biomass carbon content at the erosion-deposition positions for different organic carbon levels |
土壤侵蚀导致坡面土壤有机碳、温湿度发生改变, 进一步影响土壤微生物量碳的变化.分别将雨季前和雨季末侵蚀、沉积部位的土壤微生物量碳含量, 以及整个坡面土壤微生物量碳含量与坡面有机碳水平、侵蚀部位、侵蚀区和沉积区土壤有机碳含量、土壤湿度、土壤温度等因素用一般线性模型(GLM)进行方差成分估计分析, 明确雨季前末众因子在侵蚀区和沉积区以及整个坡面上对土壤微生物量碳变化的影响方式和程度.结果表明, 侵蚀坡面土壤微生物量碳在雨季前和雨季末对不同影响因子表现出不同的变异性, 由表 4可知, 土壤微生物量碳受土壤温湿度、有机碳含量、坡面碳水平和侵蚀-沉积部位等多个因素的共同影响.在坡面尺度上, 雨季前侵蚀坡面土壤微生物量碳主要受土壤湿度、温度和有机碳水平的影响, 分别解释坡面微生物量碳变异的28.1%、31.5%和28.0%.到雨季末, 坡面土壤微生物量碳的主要限制性因素转变成土壤有机碳和坡面碳水平, 对坡面微生物量碳变异的贡献分别为38.3%和35.7%, 此时土壤温、湿度仅能解释其变异的18.8%.这表明在不同时段影响坡面土壤微生物量碳含量的主导因素不同.
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表 4 雨季前(6月)和雨季末(9月)侵蚀坡面不同因子在土壤微生物量碳含量变异(方差)中的贡献 Table 4 Contributions of different factors to the SMBC content variability (variance) on the eroding slope before the rainy season (June) and at the end of the rainy season (September) |
由表 5可知, 雨季前坡面侵蚀区和沉积区主要受到土壤湿度的影响, 分别可以解释土壤微生物量碳变异的78.3%和84.4%, 其次受土壤有机碳影响, 可解释其21.7%和15.6%的变异性.此时土壤温度对土壤微生物量碳的贡献率为0, 表明土壤微生物量碳受土壤温度的影响较小.土壤湿度对沉积区土壤微生物量碳变异的贡献率高出侵蚀区6.1%, 表明侵蚀、沉积部位对同一影响因子的敏感性不同.
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表 5 雨季前(6月)侵蚀区和沉积区不同因子在土壤微生物量碳含量变异(方差)中的贡献 Table 5 Contribution of different factors to the variation (variance) of the SMBC content on the erosion and deposition zones before the rainy season (June) |
与雨季前相比, 雨季末坡面侵蚀、沉积部位土壤微生物量碳对影响因素的敏感性发生变化.雨季末侵蚀、沉积部位土壤微生物量碳主要受土壤温湿度和有机碳的影响, 但不同部位土壤微生物量碳的主导因素不同(表 6).在侵蚀区, 土壤微生物量碳主要受到土壤有机碳的影响, 能解释其52.2%的变异性, 其次受土壤湿度影响, 能解释其变异的34.6%.在沉积区, 土壤温度对土壤微生物量碳的影响较大, 能解释59.7%的变异性, 而土壤湿度和有机碳对土壤微生物量碳变化的影响相对较小.
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表 6 雨季末(9月)侵蚀区和沉积区不同因子在土壤微生物量碳含量变异(方差)中的贡献 Table 6 Contribution of different factors to the SMBC content variation (variance) on the erosion and deposition zones at the end of the rainy season (September) |
综合以上分析结果可得, 雨季前、末, 影响侵蚀坡面土壤微生物量碳的主导因子不同, 在坡面尺度上, 土壤微生物量碳主要受有机碳水平的影响; 侵蚀、沉积部位土壤微生物量碳对不同因子的敏感性不同, 即不同时间和空间条件下土壤微生物量碳的限制因子不同.
3 讨论土壤侵蚀过程为侵蚀和沉积环境中土壤微生物创造了不同的栖息地, 改变土壤微生物群落的生长环境和营养物质含量, 影响土壤微生物生长[16], 进而影响土壤微生物量碳的变化.
侵蚀导致坡面土壤发生了再分布, 影响坡面土壤温湿度[17]和土壤有机碳[18]的空间变化.有研究表明[18, 19], 降雨侵蚀过程中土壤湿度增加, 结构体破坏, 使得受团聚体保护的碳处于氧化环境中而易被微生物分解, 而后径流流失使侵蚀区土壤变得干旱, 降低土壤湿度的同时增加了土壤温度, 沉积区的土壤有机碳由于深埋或发生重新团聚, 保水能力增强, 使土壤温度落后于大气温度[20].本研究重点关注了坡面侵蚀-沉积区之间土壤温湿度和有机碳含量差异的变化, 结果表明, 侵蚀导致侵蚀-沉积区土壤温度差异减小, 土壤湿度差异变化与坡面土壤有机碳水平有关, 当有机碳水平(C4~C5)较高时土壤湿度差异减小, 且有机碳水平越高差异减小的幅度越大, 相反, 有机碳水平(C1~C3)较低时, 土壤湿度差异增加.有机碳水平较低(C1~C3)时土壤质量较差, 持水性弱, 侵蚀区和沉积区土壤功能差异表现较明显, 使得土壤湿度差异增加; 有机碳水平较高(C4~C5)时土壤质量较好, 持水性强, 侵蚀区和沉积区土壤功能差异表现不明显, 使得土壤湿度差异减小, 故而有机碳水平越高差异越小.可见, 土壤有机碳作为土壤质量的重要指标, 可通过影响土壤结构调节土壤持水性和热容量, 进而导致侵蚀坡面土壤水热的时空分异.此外, 雨季前坡面长时间处于高温干旱的状态下, 侵蚀区和沉积区具有不同的水热条件, 雨季末坡面土壤湿度增加, 温度降低, 侵蚀-沉积区温湿度差异改变, 土壤温度受季节变化影响较大, 侵蚀-沉积区土壤温湿度差异减小.
侵蚀导致了侵蚀-沉积区土壤温湿度差异和有机碳差异的改变, 进而改变了侵蚀-沉积区土壤微生物量碳含量的差异.雨季末(9月)坡面土壤微生物量碳含量显著高于雨季前(6月)含量, 呈现明显的季节变化.雨季前坡面土壤温度较高(28.9~30.8℃)、水分含量较低(4%~8%), 土壤微生物生长受限[21~23], 影响微生物量碳含量; 雨季末坡面土壤水分增加至15%~17%、温度降低至18.5~18.9℃, 而研究显示, 温度只有处于特定的范围内(低于6℃或高于35℃)才会引起微生物生物量碳的大幅度下降[24], 因而在温度、水分适宜的条件下土壤微生物量碳含量增加[25].这与管海英[26]和白震等[27]对土壤微生物量碳季节变化的研究结果一致.空间分布上, 沉积区土壤微生物量碳高于侵蚀区, 这与王超华[28]、冯志珍等[29]的研究结果一致. Li等[30]的研究也表明土壤沉积有利于提高土壤微生物量碳含量, 土壤侵蚀则导致土壤微生物量碳含量减少.
在坡面侵蚀、沉积条件下, 影响土壤微生物变化的主导因素不同, 进而导致土壤微生物量碳的时空格局发生变化[31~33].本研究中, 土壤微生物量碳含量受土壤温湿度、土壤有机碳含量、坡面有机碳水平等因素的综合影响.不同时段坡面侵蚀-沉积部位土壤微生物量碳对因子的敏感性不同, 雨季前, 侵蚀和沉积区土壤微生物量碳均主要受土壤湿度影响, 但对同一因子的敏感性不同, 表现为土壤微生物量碳对沉积区土壤湿度变化较侵蚀区敏感.而雨季末, 侵蚀区土壤微生物量碳受有机碳影响较大, 沉积区受土壤温度影响较大.这是由于雨季前坡面处于一个高温干旱的环境, 土壤湿度成为微生物活动的主要限制因子[34, 35]; 雨季末土壤湿度增加, 不再限制微生物的生长, 此时限制性因子发生转换.就侵蚀坡面而言, 土壤微生物量碳的变化对有机碳水平更为敏感.因此, 在研究土壤微生物量碳时空分布及影响因素时, 建议分季节、分区探讨因素的影响.而关于土壤微生物量碳限制性因子转换机制还有待进一步研究.
4 结论(1) 土壤侵蚀导致坡面侵蚀-沉积区土壤温湿度、有机碳含量、土壤微生物量碳含量呈现明显的时空分异, 分异程度与土壤有机碳水平有关.雨季末坡面土壤微生物量碳含量较雨季前提高91.08%~286.83%, 具有明显的季节变化; 坡面沉积区土壤微生物量碳含量大于侵蚀区, 随着土壤有机碳水平升高, 侵蚀-沉积区土壤微生物量碳含量差增大, 空间分异加剧.
(2) 不同时空条件下土壤微生物量碳变化的主导因素不同, 对因素的敏感性不同.雨季前侵蚀区和沉积区土壤微生物量碳主要受土壤湿度的影响, 分别能解释其变异的78.3%和84.4%;雨季末侵蚀区主要受土壤有机碳的影响, 沉积区主要受土壤温度的影响, 分别能解释侵蚀、沉积区土壤微生物量碳变异的52.2%和59.7%.
(3) 土壤微生物量碳对影响因素的敏感性差异原因主要是不同因素的限制性转换.
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