關(guān)嶺縣石漠化治理中土壤團聚體有機碳礦化特征

關(guān)嶺縣石漠化治理中土壤團聚體有機碳礦化特征

世界土壤中的有機碳含量為1.4.1018-1.5.1018g，約為總碳儲量（0.75.1018g）的兩倍。輕微變化會導致巨大的co濃度變化。土地利用變化是影響土壤有機碳含量和儲量變化的主要人為因素之一。政府間氣候變化專門委員會(IPCC)評估報告表明,在過去20a中大約有1/4左右的人為CO2的釋放是由于土地利用變化造成。Houghton等根據(jù)中美土地利用變化并結(jié)合聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)最新的關(guān)于熱帶地區(qū)毀林、造林的情況,估算了人為活動向大氣中排放的CO2通量,結(jié)果表明,1850—2000年由于土地利用和土地管理變化導致156Pg的碳釋放到大氣中。在不同的土地利用方式下,由于有機物質(zhì)輸入和輸出的不同,導致土壤理化和生物學性狀的差異,影響了土壤有機碳的組成和礦化過程,進而造成了土壤有機碳含量差異。研究表明,不同植被類型下土壤有機碳密度差異明顯,草甸和森林最高,灌木和農(nóng)田次之,草原較低,荒漠最低。在喀斯特石漠化區(qū),闊葉林土壤有機總碳含量明顯高于灌木林、灌草叢和稀疏草叢。張心昱等研究了北京市延懷盆地不同農(nóng)業(yè)土地利用方式下土壤有機碳含量和密度,結(jié)果表明,其變化趨勢表現(xiàn)為:果園>菜地>高投入玉米地>中投入玉米地>大豆地>低投入玉米地。土壤有機碳礦化是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要過程,其礦化速率除了與土壤微生物數(shù)量和活性有關(guān)外,還與有機碳本身對微生物的生物有效性有關(guān)。土壤團聚體特性是土壤有機碳生物有效性的主要限制因子。不同粒級團聚體中土壤有機質(zhì)與粘土顆粒之間在結(jié)合方式及結(jié)構(gòu)等方面存在差異,對微生物所表現(xiàn)出的活性也不同,從而致使各級團聚體中有機碳礦化的存在差異。目前,對土壤團聚體的研究主要集中在團聚體的形成規(guī)律、養(yǎng)分元素在團聚體中的分布特征、分配途徑等方面,并取得了許多重要研究成果[8,9,10,11,12,8,9,10,11,12];也有關(guān)于土壤各粒級團聚體礦化的少量研究,如郝瑞軍等、張志丹等和Nyamadzawo等從水分狀況、耕作方式對土壤各粒級團聚體礦化影響進行了研究,但關(guān)于土地利用方式對不同粒級團聚體中有機碳的礦化規(guī)律研究仍較少,尤其是在喀斯特石漠化區(qū)。通常認為>0.25mm團聚體是土壤團粒結(jié)構(gòu)體,是土壤中最好的結(jié)構(gòu)體,其數(shù)量與土壤肥力狀況呈正相關(guān)。因此,本文通過田間采樣結(jié)合室內(nèi)培養(yǎng)試驗,研究了石漠化地區(qū)土地利用方式對團聚體有機碳分布以及大團聚體有機碳礦化動態(tài)的影響,探討大團聚體對有機碳的保護作用,以期進一步闡明土壤培肥機理以及為該區(qū)域的土壤質(zhì)量提高提供科學依據(jù)。1研究領(lǐng)域和方法1.1氣候條件及氣候特點土壤樣品采自貴州省關(guān)嶺布依族苗族自治縣(北緯25°34′—26°05′,東經(jīng)105°15′—105°49′)。該縣位于貴州省中部偏西南,坐落于云貴高原東部脊狀斜坡南側(cè)向廣西丘陵傾斜的斜坡地帶。地勢西北高、東南低,境內(nèi)山脈屬烏蒙山系,山體多起伏綿延;地貌具有高低起伏大,類型復雜多樣的特征;境內(nèi)氣候呈立體狀,主要以中亞熱帶季風濕潤氣候為主,四季分明,熱量充足、水熱同季,年平均氣溫為16.2℃,年降雨量1205—1657mm。成土母巖主要為灰?guī)r,其次為白云巖,土壤類型為黃色石灰土。1.2土壤有機碳的礦化量的測定樣品采集于該縣板貴鄉(xiāng),根據(jù)野外調(diào)查選取了當?shù)?種主要土地利用方式,其分別為水田、旱地、花椒林和火龍果林,其中花椒林和火龍果林位于石漠化治理區(qū)內(nèi),水田為水旱輪作,旱地種植玉米。取樣時間為2009年10月下旬,在每個采樣區(qū)內(nèi)設(shè)置3個重復樣地,每個樣點采用隨機多點采樣法采集0—30cm土樣,盡量保持原有的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。帶回室內(nèi),將其中3/4大部分沿土壤的自然結(jié)構(gòu)輕輕地剝開,將原狀土剝成直徑10—12mm左右的小土塊,并挑去粗根和小石塊,自然風干并過8mm篩用于土壤團聚體的分級;將剩下的土樣自然風干過2mm和0.25mm篩用于土壤基本理化性質(zhì)和顆粒組成的測定,測定方法依照《土壤農(nóng)化分析方法》進行,結(jié)果見表1和2。取過8mm篩的土壤樣品500g以上放在篩組頂層(5、2、0.25mm)進行干篩,分離出風干團聚體(5—8、2—5、0.25—2,<0.25mm),稱重,保存?zhèn)溆?。將干篩得到的各級團聚體按其質(zhì)量百分比配成質(zhì)量為50g的土樣進行濕篩。首先,將50g在水中浸泡5min,然后將土樣依次通過5、2、0.25mm的篩子,上下均勻震蕩2min后,殘留在不同篩子上的土壤即為不同粒級的土壤團聚體。本文采用平均重要直徑(meanweightdiameter,MWD)表示團聚體尺寸分布:MWD=∑i=14XiWiΜWD=∑i=14XiWi,其中Xi表示各粒級的平均直徑,Wi表示留在篩子上土壤質(zhì)量占全部樣品質(zhì)量的比例。重復以上操作直到>0.25mm團聚體土壤足夠于土壤有機碳礦化培養(yǎng)試驗和有機碳測定。采用室內(nèi)恒溫培養(yǎng)、堿液吸收法測定土壤有機碳的礦化量。取部分分離所得的風干大團聚體(>0.25mm)進行研磨過0.25mm,以破壞其團粒結(jié)構(gòu)。將風干的原狀團聚體和破碎團聚體加入適量蒸餾水后混勻,在(28±1)℃的恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)預培養(yǎng)2周以恢復土壤微生物活性。然后,分別稱取相當于風干土25g土樣各3份,置于1000mL培養(yǎng)瓶中,調(diào)節(jié)水分達到田間持水量的60%。將盛有25mL0.01mol/L的NaOH溶液的50mL吸收瓶小心置于培養(yǎng)瓶內(nèi),將培養(yǎng)瓶加蓋密封,在25℃的恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)。于培養(yǎng)后的第1、3、5、8、11、15、21、30、42天取出吸收瓶,將其中的溶液完全洗入三角瓶中,加入1mol/LBaCl2溶液2mL及2滴酚酞指示劑,用標準酸(HCl)滴定至微紅色,根據(jù)CO2的釋放量計算出培養(yǎng)期內(nèi)的土壤有機碳的礦化量。其中大團聚體保護性碳含量為破碎團聚體與原狀團聚體的有機碳礦化量差值。團聚體SOC的礦化采用一級反應方程模擬:Ct=C0(1-e-kt)+C1式中,Ct(mgC/kg)為時間t(d)中累積礦化的碳,C0(mgC/kg)為潛在礦化碳庫,k(mgCO2-C·kg-1·d-1)表示對應的礦化系數(shù),C1(mgC/kg)是快速礦化碳庫。該模型采取非線性回歸的方式對碳礦化進行擬合。C0和k采用Marquardt方法進行反復迭代優(yōu)化。半衰期t1/2(d)的計算方法為:t1/2=ln2/k。初始潛在礦化率(C0k),t1/2以及C0用來描述礦化過程。1.3數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析相關(guān)指標的差異顯著性檢驗和方程擬合采用SPSS16.0軟件,制圖采用Excel2003。2結(jié)果與分析2.1土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性從表3可以看出,不同土地利用方式下各粒級土壤團聚體組成有所差異?；ń妨趾突瘕埞种?lt;0.25mm團聚體所占比例最大,顯著高于其它粒徑團聚體,分別達到39.59%和59.48%;旱地則以0.25—2mm和<0.25mm團聚體為主;水田中5—8mm團聚體所占比例最高,但只達29.58%,與2—5mm和<0.25mm團聚體不存在顯著差異。同一粒徑團聚體在各土地利用方式間也具有差異,其中5—8mm團聚體含量以水田最高,花椒林最低;2—5mm團聚體含量以花椒林最高,火龍果林最低;0.25—2mm團聚體含量以旱地最高,火龍果林最低;<0.25mm團聚體含量以火龍果林最高,水田最低。有學者將>0.25mm團聚體稱為土壤團粒結(jié)構(gòu)體,認為是土壤中最好的結(jié)構(gòu)體,是維持土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基礎(chǔ),其含量越高,土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性越大。從表1可以看出,>0.25mm團聚體所占的比例以水田最高,其次是旱地和花椒林,火龍果林最低。Van于1949年提出將平均重量直徑(MWD)作為土壤團聚體分布及穩(wěn)定性的指標,并認為土壤團聚體平均重量直徑越大,土壤團聚體越穩(wěn)定。從表3可得,平均重量直徑分別為水田(3.01)>旱地(1.89)>花椒林(1.65)>火龍果林(1.30)。因此,經(jīng)石漠化治理后,花椒林和火龍果林土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性已趨近于當?shù)睾档?但不及水田。不同小寫字母表示團聚體粒級之間差異達顯著水平(P<0.05,LSD),不同大寫字母表示土地利用方式之間差異達顯著水平(P<0.05,LSD)2.2各土地利用方式間有機碳含量的變化從圖1可以看出,全土有機碳含量在各土地利用方式間存在顯著差異,水田、旱地要明顯高于花椒林和火龍果林;花椒林與火龍果林間不存在顯著差異。各粒徑團聚體中有機碳含量存在著差異,除火龍果林以0.25—2mm團聚體中有機碳含量最高外,在其它3種土地利用方式中均以<0.25mm團聚體中有機碳含量最高。不同粒徑團聚體中有機碳含量在各土地利用方式間存在差異。其中,2—5mm和0.25—2mm團聚體中有機碳含量以水田、火龍果林、旱地與花椒林依次下降,且水田要明顯高于旱地和花椒林;5—8mm團聚體中有機碳含量以花椒林最高,其次是水田和火龍果林,旱地最低,且各土地利用方式間均存在著顯著差異;<0.25mm團聚體中有機碳含量以水田、花椒林、旱地、火龍果林依次減少,其中花椒林與旱地間不存在顯著差異。同時,通過對>0.25mm各級團聚體有機碳含量的加權(quán)處理計算出>0.25mm團聚體有機碳含量以水田最高(12.17g/kg),其次是火龍果林(11.89g/kg)和旱地(10.63g/kg),花椒林最低(8.83g/kg)。結(jié)合圖1和表3計算出不同土地利用下各粒級團聚體有機碳庫量,2—5mm和5—8mm團聚體有機碳庫量以水田最大,0.25—2mm團聚體有機碳庫量以旱地最大,<0.25mm團聚體有機碳庫量則以火龍果林最大。但不論哪種土地利用方式,<0.25mm粒級團聚體都是土壤有機碳的主要載體。2.3不同土地利用方式對主要充填材料產(chǎn)從圖2可以看出,水田與花椒林原狀大團聚體有機碳累積礦化量要明顯大于火龍果林和旱地。在培養(yǎng)時間為42d時,花椒林、旱地和火龍果林土壤有機碳累積礦化量分別是水田的93.85%、67.58%和79.17%。不同土地利用方式下原狀大團聚體有機碳累積礦化量變化趨勢較一致,在培養(yǎng)前期有機碳礦化速度較快,隨著培養(yǎng)時間的延遲礦化速度下降,在第11天有小幅增加,隨后又逐漸減慢緩。本文采用改進型一級動力模型對原狀大團聚體有機碳礦化情況進行了擬合,擬合效果較好(相關(guān)系數(shù)R2為0.98—0.99),相關(guān)模型擬合結(jié)果見表4。從該表可看出,在這4種土地利用方式中,快速礦化碳庫(C1)不存在著顯著差異,花椒林略高于其它3種土地利用方式;潛在礦化碳庫(C0)存在著顯著差異,花椒林、火龍果林和水田分別是旱地的1.59、1.36\,1.71倍。初始潛在礦化率(C0k)在不同土地利用方式間具有差異,水田要明顯高于其它3種土地利用方式。半衰期(t1/2)在這4種土地利用方式中以旱地最小,花椒林最大,花椒林、火龍果林和水田間不存在顯著性差異。圖3和表5分別為破碎大團聚體有機碳累積礦化量變化情況和模型擬合結(jié)果。在培養(yǎng)結(jié)束時(42d),花椒林、旱地、火龍果林和水田破碎大團聚體有機碳累積礦化量分別為649.92、486.87、551.76\,664.74mgC/kg,花椒林和水田破碎團聚體有機碳累積礦化量要到大于火龍果林和旱地。不同土地利用方式下破碎大團聚體有機碳累積礦化量變化趨勢較一致,在培養(yǎng)前期有機碳礦化速度較快,隨著培養(yǎng)時間的延遲礦化速度下降,在第15天有小幅增加,隨后又逐漸減慢緩。在這4種土地利用方式中,快速礦化碳庫(C1)不存在著顯著差異,水田略高于其它3種土地利用方式;潛在礦化碳庫(C0)存在著顯著差異,花椒林、火龍果林和水田分別是旱地的1.49、1.26\,1.62倍。初始潛在礦化率(C0k)在不同土地利用方式間不存在顯著差異,水田和花椒林略高。半衰期(t1/2)在這4種土地利用方式中以旱地最小,水田最大,花椒林、火龍果林和水田間不存在顯著性差異。2.4不同類型土壤有機碳礦化釋放co-c分配比土地利用方式對大團聚體保護性碳含量具有影響(圖4)?；ń妨帧⒑档?、火龍果林和水田大團聚體保護性碳含量分別為83.37、78.86、73.81和61.04mg/kg?；ń妨滞寥乐写髨F聚體對有機碳的保護作用要強于其它土地利用方式,而水田中大團聚體對有機碳的保護作用則相對較弱。其表明種植花椒和火龍果林治理石漠化過程的可能機理是通過增加土壤大團聚體數(shù)量,同時增強大團聚體對有機碳保護作用。土壤有機碳礦化釋放CO2-C分配比是指,在一定時間內(nèi),土壤有機碳礦化釋放的CO2-C含量占土壤有機碳含量的比例?；诖?文中大團聚體有機碳礦化釋放CO2-C分配比以培養(yǎng)42d大團聚體有機碳累積礦化量占大團聚體中有機碳含量計算所得。其計算結(jié)果見圖5。原狀大團聚體有機碳礦化釋放CO2-C分配比以花椒林最大(6.6%),其次是水田和火龍果林(分別為5.0%和4.0%),旱地最小(3.8%)。破碎大團聚體有機碳礦化釋放CO2-C分配比在這4種土地利用方式間的差異與原狀大團聚體相似,只是破碎大團聚體該比值都要大于原狀大團聚體。3討論3.1不同處理對土壤各粒級團聚體的影響近年來研究表明,同母質(zhì)發(fā)育的土壤因利用方式不同,團聚體的組成和數(shù)量都可發(fā)生很大變化,利用方式對團聚體的形成具有較大的影響。本研究結(jié)果也符合了一觀點。研究區(qū)內(nèi)4種土地利用方式間各粒級團聚體的所占比例都存在的顯著性差異。毛艷玲等研究指出,當林地開墾為農(nóng)田后,>2mm團聚體數(shù)量明顯下降,<0.25mm團聚體含量顯著上升,團聚體穩(wěn)定性下降。趙世偉等通過對黃土高原子午嶺植被恢復區(qū)調(diào)查后指出,由農(nóng)田向棄耕地、草地、灌叢、林地等變化時,土壤團聚體穩(wěn)定性逐漸增加。本研究結(jié)果中,花椒林和火龍果林土壤團聚體穩(wěn)定性不如水田,但已與旱地相差不大,即表明種植花椒和火龍果可以抑制當?shù)氐氖M程,有助于土壤穩(wěn)定性的提升。這是由于種植花椒和火龍果減少了對土壤的人為干擾,降低了人為耕作對土壤團聚體的破壞;增加了作物殘茬或枯枝落葉殘留量以及肥料(尤其是有機肥)的投入量;同時,在石漠化地區(qū)種植花椒和火龍果提高了植被覆蓋率,改善了土壤微環(huán)境,緩減了當?shù)靥厥鈿夂蛉绺珊档葘ν寥澜Y(jié)構(gòu)的破壞。不同土地利用方式由于有機物料的輸入和輸出不同,導致了其土壤物理性狀和微生物活性差異,從而對土壤有機碳在各粒徑團聚體分布產(chǎn)生影響。植被恢復可增加土壤各粒級團聚體有機碳含量,其中對<0.25mm團聚體中有機碳的影響最大,其次是>5mm團聚體。本研究中,花椒林土壤各粒級團聚體有機碳的分布與之相似。同時,這也符合有機碳輸入優(yōu)先向小粒級團聚體積累的層級理論。但是,在本研究中,火龍果林則以0.25—2mm團聚體中的有機碳含量最高且顯著高于其它各粒徑團聚體。農(nóng)業(yè)管理措施的差異會對土壤輸入有機碳在各粒級團聚體中的分配產(chǎn)生影響。Razafimbelo等則研究發(fā)現(xiàn)在常規(guī)耕作土壤中0.2—2mm團聚體中有機碳含量低于0.02—0.2mm和0.002—0.02mm團聚體中有機碳含量,在免耕結(jié)合秸稈覆蓋土壤中0.2—2mm團聚體中有機碳含量與0.02—0.2mm和0.002—0.02mm團聚體中有機碳含量相當。同時,土壤中鐵鋁氧化物的含量也會對土壤團聚體有機碳的分配產(chǎn)生。土壤有機碳和鐵鋁氧化物作為土壤團聚體形成的兩種主要膠結(jié)物質(zhì)。一般認為在土壤有機碳含量較高、粘粒和氧化鐵鋁含量較低的土壤中,有機碳的作用占主導地位;而在有機質(zhì)含量不高、粘粒和氧化鐵鋁含量較高的土壤中,團聚體的形成則主要依靠粘粒的內(nèi)聚力和鐵鋁氧化物的膠結(jié)作用。唐益群等認為貴州石漠化地區(qū)棕黃色粘土團聚體的膠結(jié)主要依賴于后者;Zotarelli等研究結(jié)果也驗證了鐵氧化物在熱帶氧化土團聚體形成中的膠結(jié)作用。3.2不同類型土壤的有機碳礦化速率土地利用方式改變后,土壤有機碳礦化發(fā)生顯著變化,其影響因素相當復雜。這些因素既包括生物因素的改變,如參與有機碳礦化過程的土壤動物和土壤微生物區(qū)系和種類組成的改變,土地利用用途和植被類型改變后凋落物性質(zhì)的改變;也包括非生物因素的間接影響,如土壤溫度、土壤濕度、土壤組分等物理和化學性質(zhì)的改變等。吳建國等的研究表明,六盤山林區(qū)農(nóng)田土壤碳礦化釋放的CO2-C量比灌木林、山楊林和遼東櫟林分別低69%、62%和63%,比天然次生林平均低65%。常綠闊葉林礦化速率高于針葉林、竹林、茶園和裸地。干濕交替現(xiàn)象會增加土壤有機碳的礦化,但也有研究得到相反的結(jié)果,其影響途徑可能是改變土壤微生物活性或影響土壤團聚形成過程。同時,Christensen指出土壤有機碳礦化與團聚體關(guān)系密切,影響土壤團聚體的因素都將影響土壤有機碳礦化,特別是團聚體粒徑的改變將影響土壤有機碳的礦化速率。Goh研究表明耕作土壤中穩(wěn)定的大團聚體比微團聚體固存更多的碳。穩(wěn)定性大團聚體比例越高,越能防止SOC分解礦化。也有研究表明,大團聚體比微團聚體更易礦化。郝瑞軍等對水稻土各粒徑團聚體有機碳礦化研究表明,1—2mm團聚體有機碳礦化速率最高,<0.053mm團聚體最低。張志丹等研究表明與翻耕相比,免耕使得1—2mm和0.25—0.5mm團聚體有機碳礦化量增加。本研究結(jié)果表明,在這4種土地利用方式中水田大團聚體中有機碳累積礦化量最大,其次是花椒林、火龍果林,旱地最小。這就表明水田、花椒林和火龍果林土壤中有機碳較旱地活躍。這可能與凋落物的性質(zhì)不同相關(guān)。史學軍等研究表明含不同凋落物土壤的礦化速率有所差異,含狗牙根凋落物土壤的礦化速率和礦化量(180d)要大于含馬尾松、麻櫟和青岡櫟凋落物土壤。同時,施肥制度以及耕作方式等農(nóng)業(yè)管理措施也是影響大團聚體有機碳礦化的重要因素。合理的施肥和耕作改善土壤結(jié)構(gòu)以及微環(huán)境,提高土壤中養(yǎng)分的有效性和土壤生物活性。對比分析培養(yǎng)42d時原狀大團聚體和破碎大團聚體有機碳累積礦化量,發(fā)現(xiàn)兩者的差值以花椒林最大、其次是旱地和火龍果林,水田最低。其結(jié)果表明花椒林大團聚體對有機碳的保護作用最強,而水田相對較弱;也表明種植花椒林有助于改善土壤質(zhì)量且效果優(yōu)于火龍果。破碎大團聚體釋放CO2-C分配比要大于原狀大團聚體,表明大團聚體所保護的有機碳可能源于為微生物和大團聚體所包裹的微生物降解產(chǎn)物。同時也有研究表明土壤物理保護性碳含量的差異與團聚體內(nèi)顆粒有機質(zhì)(>50μm)以及有機質(zhì)與粉粒和粘粒結(jié)合量相關(guān),而團聚體內(nèi)顆粒有機質(zhì)(>50μm)為土壤粘粒包裹的植物殘體有機物。同時