遼東冰緣地貌表層土壤團聚體活性有機碳分布特征

王 瓊, 范志平, 陳 寒, 韓 青, 李新倉, 李一凡

(遼寧石油化工大學環境與安全工程學院,113001,遼寧撫順)

團聚體是土壤結構的基本組成部分[1]。團聚體的形成影響土壤碳固定過程,對土壤碳匯功能具有重要的作用[2-3]。土壤活性有機碳(labile organic carbon, LOC)是土壤碳庫中最活躍的組成部分,雖然只占土壤有機碳(soil organic carbon, SOC)總量的較小部分,卻直接參與土壤生物化學轉化過程[4-7]。土壤活性有機碳包含眾多游離度較高的有機質,如土壤腐殖質、微生物和根系分泌物等[8]。腐殖質及植物根系分泌物的粘結作用、微生物菌絲和真菌產生物理纏繞作用增強土壤團聚體穩定性,土壤團聚體物理保護使團聚體內的活性有機碳隔離微生物活動,增強土壤碳匯功能。因此,土壤團聚體及其活性有機碳對土壤結構和有機碳的穩定具有重要意義。

近年來,國內外很多學者對土壤團聚體中活性有機碳分布進行研究[9-10]。廖洪凱等[11]對喀斯特山區土壤團聚體活性有機碳分布研究發現石溝和石坑各粒徑團聚體土壤活性有機碳的含量大于石槽和石洞。梁彩群等[12]對黃土高原刺槐林土壤團聚體活性有機碳的研究發現活性有機碳含量與土壤總氮(total nitrogen, TN)、SOC、土壤含水量(soil water content, WC)的相關性隨著土壤團聚體粒徑的增大而越顯著。景航等[13]對黃土丘陵區油松林皆伐后自然恢復土壤團聚體活性有機碳的研究發現自然恢復使活性有機碳質量分數顯著增加。Ndzelu等[14]在南非的研究發現玉米秸稈還田能提高土壤活性有機碳含量,改善土壤團聚體穩定性?？梢?地形地貌、土壤理化性質、人為因素和植被特征都是土壤團聚體活性有機碳的影響因素,但目前關于土壤活性有機碳影響因素的研究多集中在土壤理化性質,忽視了植物、凋落物及根系的作用。

遼東山地冰緣地貌是冰期內受季風型濕、冷的水熱組合作用發育的冰緣地貌。遼東山地植被群落呈現明顯沿海拔的垂直分布規律[15],隨海拔的升高,植被類型分別為山溪岸邊灌草地、山地針葉/闊葉林和中山草地/草甸。不同海拔植被下氣候因子存在差異,植物凋落物、根系分泌物和微生物類型和數量不同,因而土壤團聚體結構和組成及團聚體活性有機碳狀況存在差別。研究遼東山地冰緣地貌土壤團聚體活性有機碳含量及分配特征,總結不同海拔植被土壤團聚體及其活性有機碳與環境作用的關系,揭示植被及相應影響因子對土壤團聚體活性有機碳庫的調控,對穩定冰緣地貌土壤結構、提高土壤固碳潛力具有重要的實際意義。鑒于此,筆者選擇遼東山地不同海拔的4種典型植被:岸邊帶草地(riparian grassland, RG)、落葉松人工林(larch plantation, LP)、天然次生林(natural secondary forest, NF)和中山草地(mid-mountain grassland, MG)土壤為研究對象,比較不同海拔植被土壤團聚體活性有機碳差異,分析不同粒徑團聚體活性有機碳貢獻率,探究土壤團聚體活性有機碳與植被特征、土壤物理、土壤化學因子的關系,以期為遼東山地冰緣地貌土壤固碳潛力的研究提供科學依據。

1 研究區概況

遼東山地老禿頂子(E 124°41′13″～125°5′15″, N 41°11′11″～41°21′34″)位于遼寧省東部桓仁、新賓交界處,主峰海拔1 367.3 m,植被垂直帶譜明顯,其四周群山起伏,冰緣地貌廣泛分布。區內土壤以棕壤、暗棕壤為典型代表,氣候類型屬于溫帶大陸性季風濕潤氣候,年降雨量650～1 300 mm,年無霜期139 d[16]。該區成壤條件苛刻,土壤厚度薄,結構疏松。筆者選取的中山草地主要植被為細葉苔草(Carexrigescens)、山尖子(Cacaliahastata)、羊草(Leymuschinensis)、野大豆(Glycinemax)等;天然林主要植被為蒙古櫟(Quercusmongolica)、胡桃楸(Juglansmandshurica)、花曲柳(Fontanesiarhynchophylla)、接骨木(Sambucuswilliamsii)等;人工林主要樹種為落葉松(Larixgmelinii);岸邊帶主要植被為水蓼(Polygonumhydropiper)、藎草(Arthraxonhispidus)、野稗(Echinochloacrusgalli)、狗尾草(Setariaviridis)、水蒿(Artemisiaselengensis)等。樣地基本概況如表1。

表1 樣地基本概況Tab.1 Basic information of sample plots

2 研究方法

2.1 樣品采集與測定

于2019年6月在每個植被類型中設置3個20 m×20 m標準樣地,其內隨機設置1個0.5 m×0.5 m的小樣方,收集樣方內全部枯落物,遼東山地冰緣地貌土層較薄,細根主要分布在0～10 cm土層,用內徑8 cm的土鉆在0～10 cm土層挖取土芯,過篩,分揀出直徑<2 mm的細根,枯落物和細根均放入70 ℃烘箱烘干至恒量,稱取干質量,測算枯落物和細根生物量。在每個樣地內按對角線選取5個樣點,去除凋落物層,采集0～10 cm土壤1 kg左右裝入土壤采樣盒中。采用干篩法測定團聚體,得到>2.000 mm粒級團聚體、>1.000～2.000 mm粒級團聚體,>0.250～1.000 mm粒級團聚體和>0.038～0.250 mm粒級團聚體。將各粒徑團聚體土樣于60 ℃下烘干48 h,裝袋備用。土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定,土壤全氮含量采用凱氏消煮法測定,土壤活性有機碳采用高錳酸鉀氧化法測定,非活性有機碳(non-labile organic carbon,NLOC)為土壤有機碳減去活性有機碳量。

2.2 統計分析

采用Microsoft Excel進行數據計算及作圖。運用SPSS 18.0軟件單因素方差分析及最小顯著差異法對不同植被土壤團聚體活性有機碳、非活性有機碳含量及貢獻率進行統計分析,雙因素方差分析對不同植被類型及土壤團聚體粒徑間活性/非活性有機碳和貢獻率差異進行分析。運用Canoco 4.5進行冗余分析法,得出團聚體有機碳指標與植被特征、土壤物理、土壤化學各因子之間的相關性。

3 結果與分析

3.1 土壤團聚體活性、非活性有機碳質量分數

不同植被類型、團聚體粒徑、以及二者的交互作用對土壤團聚體活性和非活性有機碳均有顯著影響(表2)。不同植被類型>2.000、>1.000～2.000和>0.250～1.000 mm粒徑土壤團聚體活性有機碳質量分數趨勢基本一致,呈現中山草地、天然林、人工林、岸邊帶遞減趨勢,而在>0.038～0.250 mm粒徑團聚體中表現為天然林大于人工林和中山草地,岸邊帶最低(圖1)。不同植被類型土壤團聚體非活性有機碳質量分數趨勢與活性有機碳質量分數趨勢略有不同,>2.000 mm粒徑土壤團聚體活性有機碳質量分數基本呈現中山草地、天然林、人工林、岸邊帶遞減趨勢;而>1.000～2.000 mm呈現中山草地大于天然林和岸邊帶,人工林最小; >0.250～1.000 mm呈現中山草地大于人工林,天然林和岸邊帶最小;在>0.038～0.250 mm粒徑團聚體中表現為人工林大于天然林和中山草地,岸邊帶最低。

不同大寫字母代表植被間差異顯著,不同小寫字母代表粒徑間差異顯著。下同。Different uppercase letters indicate significant differences between different forest types. Different lowercase letters indicate significant differences between different aggregate sizes. The same below. 圖1 遼東山地不同植被土壤團聚體活性有機碳和非活性有機碳質量分數Fig.1 LOC and NLOC contents of soil aggregates in different vegetation types at mountain areas in eastern Liaoning

表2 不同植被類型及土壤團聚體粒徑下活性、非活性有機碳質量分數和貢獻率雙因素方差分析Tab.2 Two-way ANOVA of LOC or NLOC contents and its contribution rates in different vegetation types and aggregate sizes

不同粒徑土壤團聚體活性有機碳和非活性有機碳趨勢基本一致。在天然林和人工林中,表現為>0.038～0.250 mm 和>0.250～1.000 mm粒徑中活性和非活性有機碳含量多于>1.000～2.000 mm和>2.000 mm粒徑中活性和非活性有機碳質量分數。在中山草地中隨著粒徑減小活性有機碳質量分數減少,岸邊帶活性和非活性有機碳質量分數在各粒徑中的分布均表現為>1.000～2.000 mm粒徑中最多,>0.250～1.000 mm粒徑中次之, >0.038～0.250 mm和>2.000 mm粒徑中較少。

3.2 不同粒徑土壤團聚體活性有機碳貢獻率

不同植被類型、團聚體粒徑、以及二者的交互作用對于土壤團聚體活性和非活性有機碳貢獻率均有顯著影響(表2)。土壤各粒徑團聚體活性有機碳與總有機碳的比率為活性有機碳貢獻率,貢獻率越高,說明有機碳活性越強。如圖2所示,不同植被土壤團聚體活性有機碳貢獻率在>2.000 mm粒徑中,表現為中山草地>天然林>人工林>岸邊帶,>1.000～2.000 mm粒徑中表現為中山草地>天然林>岸邊帶>人工林,在>0.250～1.000 mm粒徑中表現為中山草地和天然林>岸邊帶>人工林,>0.038～0.250 mm粒徑中表現為天然林>中山草地>人工林>岸邊帶。不同粒徑土壤團聚體非活性有機碳貢獻率趨勢與不同粒徑活性有機碳貢獻率趨勢略有不同, >2.000 mm粒徑表現為中山草地>天然林>岸邊帶>人工林,>1.000～2.000 mm粒徑趨勢為中山草地>天然林和岸邊帶>人工林,>0.250～1.000 mm粒徑趨勢為中山草地和岸邊帶大于天然林和人工林,而在>0.038～0.250 mm粒徑表現為中山草地和天然林>人工林>岸邊帶。

圖2 遼東山地不同植被土壤團聚體活性有機碳和非活性有機碳貢獻率Fig.2 Contribution rates of LOC and NLOC in soil aggregates in different vegetation types at mountain areas in eastern Liaoning

不同粒徑土壤團聚體活性和非活性有機碳貢獻率趨勢一致,在中山草地、天然林和人工林表現一致,均隨團聚體粒徑的減小而降低,并且粒徑在 >0.250 mm 的團聚體活性、非活性有機碳貢獻率較大,>0.038～0.250 mm團聚體活性、非活性有機碳貢獻率較低。在岸邊帶土壤中,土壤活性、非活性有機碳貢獻率最高的分別是>1.000～2.000 mm和>2.000 mm粒徑團聚體。

3.3 活性、非活性有機碳與有機碳關系

回歸分析表明,土壤活性有機碳質量分數與總有機碳質量分數呈顯著線性相關關系,擬合方程為:y=0.513x-0.925,R2=0.904 2(圖3)。土壤非活性有機碳質量分數與總有機碳質量分數呈顯著線性相關關系,擬合方程為:y=0.487x+0.925,R2=0.894 8(圖3)。各粒級土壤活性有機碳與總有機碳的相關性不同,土壤團聚體粒徑越大活性有機碳與總有機碳相關性最好,>2.000 mm、>1.000～2.000 mm和>0.250～1.000 mm和>0.038～0.250 mm 粒徑土壤團聚體活性有機碳與總有機碳擬合方程的R2分別為0.583 2、0.523 1、0.456 2和0.108 3,擬合方程的斜率也呈減小趨勢(圖4)。

圖3 土壤團聚體活性有機碳和非活性有機碳與團聚體有機碳質量分數相關關系Fig.3 Contribution rate of LOC and NLOC with organic carbon content in soil aggregates

圖4 不同粒徑土壤團聚體中活性有機碳與有機碳質量分數相關關系Fig.4 Correlation between LOC and organic carbon content in the soil aggregates with different particle sizes

3.4 有機碳的影響因素

對遼東山地冰緣地貌不同海拔典型植被土壤團聚體有機碳、活性有機碳和非活性有機碳與植被特征、土壤物理、土壤化學性質進行冗余分析。結果表明,植被特征、土壤物理、土壤化學性質因素綜合對團聚體有機碳指標變異的解釋率為77.1%,植被特征、土壤物理、土壤化學性質對團聚體有機碳指標變異的解釋率分別為73.9%、68.0%和69.4%(表3)。 可見,植被特征、土壤物理、土壤化學性質的交互作用對團聚體有機碳影響較大。排序軸1、2的累積貢獻率為100%,較好地反映土壤指標與環境因子的關系。由圖5所示,植被蓋度、凋落物生物量、根系生物量及氧化還原電位與團聚體有機碳、活性有機碳、非活性有機碳呈正相關,與土壤TN、密度、pH值和含水率呈負相關,團聚體活性有機碳和非活性有機碳貢獻率與團聚體粒徑大小和氧化還原電位成正相關。

圖5 土壤團聚體有機碳指標與環境因子的冗余分析Fig.5 Redundant analysis of soil organic carbon in aggregates and environmental factors

表3 土壤團聚體有機碳與環境因子的RDA結果Tab.3 RDA results of organic carbon in soil aggregates and environmental factors

4 討論

4.1 不同海拔典型植被土壤團聚體活性有機碳特征

土壤活性有機碳主要來源于植物枯落物、土壤腐殖質、植物根系及土壤微生物的分泌物[15],土壤活性有機碳含量是氣候、植被覆蓋、土壤特征和人為干擾等多重因素綜合作用的結果[16-18]。本研究發現,>0.25 mm粒徑團聚體中活性有機碳質量分數呈現隨海拔降低遞減的趨勢,即中山草地>天然林>人工林>岸邊帶。隨海拔變化,氣候因子(溫度、濕度等)及成土條件變化,使植被類型、土壤理化特征及養分狀況都隨之改變。隨海拔變化植被具有明顯的地帶性分布特征,不同植被枯落物量及其分解過程影響土壤有機碳/氮等質量分數,隨海拔的降低氣溫逐漸升高,枯落物分解速率增加使土壤有機碳質量分數增加,同時土壤有機碳礦化速率也隨之增加,這些過程共同影響土壤團聚體活性有機碳[17]。遼東山地冰緣地貌中山草地地表植被生長旺盛,植物根系發達,根系分泌物豐富,為土壤提供豐富的碳源。中山草地沒有人為活動的干擾,堆積在地表的枯枝落葉及植物殘體的腐爛分解也為土壤提供豐富的碳源,因此中山草地團聚體活性有機碳質量分數是本研究4種植被類型中最高的。天然林凋落物生物量和根系生物量較高(表1),人為干擾較少,團聚體內的活性有機碳也較高。但由于天然林海拔較中山草地低,遼東山地冰緣地貌隨著海拔降低,年均溫度升高,而微生物活動受水熱條件影響較大,溫度升高使土壤微生物分解有機質效率增大,從而降低有機碳積累,增大有機碳的分解礦化,進而影響團聚體的形成和活性有機碳質量分數。人工林和岸邊帶植被覆蓋度、凋落物及根系生物量均較低,海拔較中山草地和天然林低(表1),而且受到的人為干擾增多,因此團聚體活性有機碳質量分數較低。岸邊帶受到溪流間歇式水淹的影響,土壤中的碳受溪流沖刷,容易隨水土流失。

在>0.038～0.250 mm粒徑團聚體中,活性有機碳質量分數表現為天然林大于中山草地和人工林,岸邊帶最低。有研究表明,大團聚體的有機碳比微團聚體的有機碳更容易礦化[18],活性有機碳直接參與碳礦化過程。由此推斷,由于海拔降低、溫度升高,大團聚體土壤碳礦化速率大于微團聚體礦化速率,微團聚體中的活性有機碳由于受到物理保護,礦化速率較低,所以天然林>0.038～0.250 mm粒徑團聚體中活性有機碳質量分數較高。同時這也是天然林和人工林中>0.038～0.250 mm和>0.250～1.000 mm粒徑土壤團聚體活性有機碳質量分數大于>1.000～2.000 mm和>2.000 mm粒徑的主要原因。中山草地>0.038～0.250 mm粒徑團聚體中活性有機碳質量分數低于天然林,推測是由于中山草地海拔較高溫度較低,枯落物腐殖化速率低,而與微團聚體結合的有機質大部分是高度腐殖化的有機碳,所以中山草地微團聚體中活性有機碳質量分數低于天然林。

4.2 不同海拔典型植被土壤團聚體活性有機碳貢獻率

活性有機碳貢獻率是反映土壤碳穩定性的指標,從土壤有機碳自身分解特征方面指示有機碳活性強度,活性有機碳貢獻率大小表明土壤有機質的質量,尤其是土壤有機質的潛在分解性質,貢獻率越高,說明有機碳活性越強,被分解礦化的潛力越大,穩定性越差[6]。遼東山地冰緣地貌特異的氣候、成土條件等因素造就了植被類型沿海拔梯度的差異性,同時也影響著土壤團聚體活性有機碳分配狀況和土壤有機碳穩定性。中山草地、天然林和人工林不同粒徑團聚體活性有機碳貢獻率均隨團聚體粒徑的減小而降低,并且粒徑在0.250 mm以上的團聚體活性有機碳貢獻率較大,>0.038～0.250 mm團聚體活性有機碳貢獻率較低。岸邊帶團聚體活性有機碳貢獻率在>1.000～2.000 mm粒徑團聚體中最大?？梢妶F聚體有機碳的穩定性隨粒徑增大而降低。不同植被植物間,中山草地活性有機碳貢獻率大于天然林,人工林和岸邊帶最小(圖2)。雖然中山草地活性有機碳貢獻率大,但其海拔高、溫度低,影響有機碳的循環轉化,所以其有機碳相對較穩定。而天然林活性有機碳貢獻率僅次于中山草地,海拔較低、微生物活性高,周轉速度快,更應重視其有機碳的穩定性。

4.3 團聚體活性有機碳與土壤總有機碳的相關性

團聚體有機碳占土壤總有機碳的90%左右,相關研究證實土壤團聚體活性有機碳含量與團聚體有機碳含量存在顯著相關關系,可以作為評價土壤碳庫變化的敏感指標,通過監測土壤活性有機碳來指示有機碳的動態變化[19]。遼東山地冰緣地貌土壤團聚體活性有機碳質量分數與土壤總有機碳質量分數呈顯著正相關,相關系數達0.900。而團聚體非活性有機碳質量分數與土壤總有機碳質量分數的相關系數要低于活性有機碳。因此,遼東山地冰緣地貌團聚體活性有機碳質量分數可以作為土壤碳庫變化的敏感指標,指示有機碳庫的變化。另外,通過對不同粒徑團聚體活性有機碳質量分數與土壤總有機碳質量分數的相關分析發現,團聚體活性有機碳質量分數與土壤總有機碳質量分數之間的相關性隨著團聚體粒徑的增大而增大,即大團聚體中的活性有機碳質量分數與土壤總有機碳質量分數的相關性更為顯著。因此,大團聚體中的活性有機碳質量分數可以更好地預測和評價土壤碳庫動態變化。

4.4 團聚體活性有機碳影響因素

土壤活性有機碳能靈敏地反映環境因素對土壤碳庫的影響,研究表明,氣候、降水、地形地貌、植被類型等的差異均影響土壤活性有機碳的含量[20]。遼東山地冰緣地貌受氣候的影響,在凍融、風力、雪蝕共同作用下成土條件特異,地上植被成明顯的按海拔分布的植被地帶性。這些環境因素都對土壤有機碳產生影響。本研究中,團聚體有機碳、活性有機碳、非活性有機碳質量分數與植被蓋度、凋落物生物量、根系生物量及氧化還原電位呈正相關,與土壤TN、密度、pH值和含水率呈負相關。植被生物量及凋落物、細根分解是土壤有機碳的輸入源,與土壤有機碳成正相關[21]。氧化還原電位越高說明根系分泌的有機酸越多,pH值越小,更有利于土壤團聚體膠結及團聚體有機碳的積累。土壤水分含量適宜有利于有機碳積累,但當土壤水分含量偏高時,伴隨降水過程可能引起有機碳淋失。密度過高使土壤通氣狀況變差,抑制了微生物活性,造成凋落物分解速率變慢,影響有機碳輸入。凋落物量、TN、密度、pH值、含水率和溫度等可以通過影響土壤微生物活性而對土壤有機碳含量產生影響。微生物活性升高土壤有機碳分解加速,但同時土壤中植物殘體分解速率也增加,提高土壤碳的歸還量。因此,微生物活性對土壤有機碳的響應可能是正反饋,也可能是負反饋[22]。

5 結論

1)>0.25 mm粒徑團聚體中活性有機碳質量分數呈現隨海拔降低遞減的趨勢,即中山草地>天然林>人工林>岸邊帶。在>0.038～0.250 mm粒徑團聚體中表現為天然林大于中山草地和人工林,岸邊帶最低。

2)中山草地、天然林和人工林土壤團聚體活性有機碳質量分數隨團聚體粒徑的減小而降低,并且粒徑>0.250 mm的團聚體活性有機碳貢獻率較大,>0.038～0.250 mm團聚體活性有機碳貢獻率較低。

3)土壤團聚體活性有機碳質量分數與土壤總有機碳質量分數呈顯著正相關,并且團聚體活性有機碳質量分數與土壤總有機碳質量分數之間的相關性隨著團聚體粒徑的增大而增大,即大團聚體中的活性有機碳質量分數與土壤總有機碳質量分數的相關性更為顯著。

4)遼東山地冰緣地貌土壤團聚體活性有機碳分布主要受植被類型和受海拔驅動的溫度變化的影響。因此要更加關注植被變化及氣候變暖對遼東山地冰緣地貌土壤碳庫的影響。