孙沙沙 段建军 王小利 焦克强 吕鑫

摘 要：本文以贵州高坡喀斯特小流域的土壤为研究对象，在野外调查及室内分析的基础上，探讨了稻田、林地和荒草地三種土地利用方式对土壤有机碳（SOC）组分含量特征及其分配比例的影响。采用物理-化学联合分组方法，将SOC分为不同粒径的12个土壤组分。研究结果表明，在0～20 cm的表层土壤范围内，林地（3.77 k/kg）各组分有机碳平均含量均显著（P<0.05）高于荒草地（3.17 k/kg），荒草地显著（P<0.05）高于稻田（2.11 k/kg）。在SOC的各组分中，稻田、林地和荒草地三种土地利用方式下iPOM即物理保护有机碳分配比例分别为10%、7%、11%，其在林地中的分配比例较低；cPOM和fPOM作为活性较强的未保护游离活性有机碳，在林地和荒草地中所占SOC分配比例最高，达到30%以上；稻田中游离态粉粒、粘粒和微团聚体粉粒、粘粒有机碳组成的化学保护有机碳分配比例最大为5%。在SOC及其各组分中，fPOM可作为土地利用变化对土壤有机碳影响的评估指标。

关键词：喀斯特；土地利用方式；土壤有机碳；物理-化学联合分组

中图分类号：S151.9

文献标识码：A

文章编号：1008-0457（2018）03-0049-07 国际DOI编码：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2018.03.009

Composition Characteristics of Soil Organic Carbon under Different Land Use Types in Small Watershed of Karst

SUN Shasha1，DUAN Jianjun2*，WANG Xiaoli1，JIAO Keqiang1，LV Xin1

（1. College of Agriculture， Guizhou University， Guiyang 550025， China； 2. College of Tobacco Science， Guizhou University/Guizhou Key Laboratory for Tobacco Quality， Guiyang 550025， China）

Abstract：The effects of three land use types of woodland， grassland and paddy field on the content and distribution ratio of soil organic carbon （SOC） were studied on the basis of field investigation and indoor analysis. SOC was divided into 12 soil components based on different particle sizes by physical-chemical combination grouping method. The results showed that in the surface soil of 0～20cm， the average content of soil organic carbon in the woodland （3.77k/kg） was significantly higher （P<0.05） than that of the grassland （3.17k/kg）， which was significantly higher （P<0.05） than that of the paddy field （2.11k/kg）. Among the components of SOC， the proportion of iPOM， i.e. physical protective organic carbon， was 10% for paddy field， 7% for woodland and 11% for grassland， respectively， i.e. iPOM is low in woodland. cPOM and fPOM are the most active unprotected free active organic carbon， and their proportion in SOC components of woodland and grassland was the highest， reaching up to 30%. The proportion of chemical protection organic carbon， consisting of free-grain particles， clay particles and micro-aggregate particles， in the paddy field is the largest， reaching 5%. Among the SOC components， fPOM can be used as an indicator for evaluating the impact of land use changes on the soil organic carbon.

Key words：Karst；land use type；soil organic carbon；physical-chemistry combination grouping

土壤有机碳（SOC）是评价土壤肥力的重要指标，土壤碳库作为陆地生态系统中最大的碳库，对全球气候变化及人类生存环境有着重要影响。据估计，地表土壤碳含量大约为2500 Pg，其中有机碳库为1550 Pg[1]。土地利用方式作为人类对地表土壤干扰活动的主要形式，是影响地球陆地生态系统碳储量及其分布的关键因素，表层土壤有机碳对土地利用方式的响应和敏感程度极其显著[2-4]，前人研究表明，土地利用方式的改变会导致表层土壤有机碳的减少，在较短时间内，同种土壤类型下，人类利用方式的改变也会引起表层土壤有机碳发生快速变化[5-7]。在土壤有机碳数值很大的情况下，利用总有机碳来评价土地利用方式的变化对土壤有机碳动态的影响是很困难的[8]，因此，对土地利用方式变化较为敏感的土壤有机碳组分的研究近年来得到很大的重视，本文采用 Stewart 等人提出的物理-化学联合分组方法将土壤有机碳分成四个组分：未保护游离活性有机碳、物理保护有机碳、化学保护有机碳和生物化学保护有机碳，从而为不同土地利用方式下的土壤有机碳组分特征的研究提供理论数据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究区域位于黔中喀斯特小流域，地理坐标为东经106°15′14″～106°54′42″，北纬为20°17′21″～28°17′08″，海拔为1381～1566 m。该地区属于亚热带季风性湿润气候，年平均降雨量为1211～1340 mm，主要集中在5～8月，年平均气温在15℃左右，最冷月平均气温在-5℃～0℃，最热的7月平均气温也只是在20℃～22℃之间，为典型夏凉地区，适宜避暑度假。该地区属于高寒山区，最高海拔达到1712.1 m，北高南低，境内多属典型的喀斯特地貌，大小溶洞随处可见，地理结构比较独特，为地垒式岩地隆起，四周峡谷深陷，顶部平坦而形成台地。本研究主要的土地利用类型是稻田和林地，稻田主要以种植水稻为主，林地主要以乔木和低矮的灌木为主，如马尾松、大叶女贞和铺地柏。荒草地为弃耕多年的坡耕地，地面植被为生长旺盛的杂草，无乔木和灌木。

1.2 土壤样品采集

土壤样品采自贵州高坡喀斯特小流域，土壤呈酸性。选择稻田、林地和荒草地三种土地利用方式进行土壤样品的采集。采样前根据实地考察并结合小流域地形图，按照规则网格法进行采样，采样时，根据实地情况进行小范围移动以避开路边、裸岩等特殊地物，用手持式GPS定位并记录采样点经度、海拔、土地利用类型等信息。采集表层（0～20 cm）土壤样品稻田197个，林地12个，荒草地14个，每个土样从不同方位采土并进行混合，四分法留取1 kg左右土样，装入棉布袋中，并记下采样编号，土样带回实验室后把它放在阴凉处风干，每种土地利用方式随机抽取5个土样，共15个，过孔径2 mm筛用于土壤有机碳分组。

1.3 土壤有机碳分组

按照Stewart等在之前土壤有机碳物理分组方法的基础上，进一步引入化学分组提出来的物理-化学联合分组方法对土壤有机碳进行分组。首先，将过了2 mm筛的土壤用微团聚体分离器分为三个部分：>250 um的非保护粗颗粒有机碳，53～250 um的微团聚体部分（uagg），以及<53 um游离态粉粒（dSilt）和粘粒（dClay）；称取20 g过2 mm筛的风干土样于250 um筛中，其下放置53 um筛子，在上层筛子中放入50颗直径为4 mm的玻璃珠，将其整个装置放入不锈钢桶中进行湿筛，待大团聚体完全破坏后，留在250 um筛子上的为粗颗粒有机碳（cPOM）、留在53 um筛子上的是微团聚体（uagg），过53 um筛子即不锈钢桶中的是游离的粉粒和粘粒，再用离心法将其进行分离，得到游离态的粉粒和粘粒，所有组分在60℃下烘干并称重。其次，将第一步得到的微团聚体部分先经过密度浮选得到非保护细颗粒有机碳（fPOM），再将剩余部分震荡过筛分为微团聚体保护颗粒有机碳（iPOM）和来源于微团聚体的粉粒和粘粒组分，与第一步一样采用离心法将来源于微团聚体的粉粒和粘粒进行分组，得到来源于微团聚体的粉粒（uSilt）和粘粒组分（uClay）。最后将前两步得到的游离态粉粒、粘粒和来源于微团聚体的粉粒、粘粒进行酸性水解，得到可以酸解的组分（H-dSilt、H-dClay、H-uSilt、H-uClay）和不能酸解的组分分（NH-dSilt、NH-dClay、NH-uSilt、NH-uClay）。

通过该方法共分离出4个土壤有机碳组分：未保护游离活性有机碳（cPOM+fPOM）、物理保护有机碳（iPOM）、化学保护有机碳（H-dSilt、H-dClay、H-μSilt、H-μClay）和生物化学保护有机碳（NH-dSilt、NH-dClay、NH-μSilt、NH-Clay）。

土壤物理-化学联合分组方法的具体流程为：首先将过2 mm筛的风干土样湿筛得到未保护粗颗粒有机碳cPOM（>250 um）、微团聚uagg（53～250 um）、游离粉粒dSilt（2～53 um）、游离粘粒dClay（<2 um）四个组分，再将游离粉粒和游离粘粒经过酸性水解得到游离酸解性粉粒（H-dSilt）、游离酸解性粘粒（H-dClay）和游离非酸解性粉粒（NH-dSilt）、游离非酸解性粘（NH-dClay）四个组分；其次将第一步得到的微团聚uagg（53～250 um）經过密度浮选得到未保护细颗粒有机碳fPOM和重组两个组分，再将重组经过筛分得到微团聚体保护颗粒有机碳iPOM、微团聚体粉粒uSilt（2～53 um）和微团聚体粘粒uClay（<2 um）三个组分；最后将微团聚体粉粒和微团聚体粘粒经过酸水解得到微团聚体酸解性粉粒（H-uSilt）、微团聚体酸解性粘粒（H-uClay）和微团聚体非酸解性粉粒（NH-uSilt）、微团聚体非酸解性粘粒（NH-uClay）四个组分。

1.4 土壤样品测定

土壤样品及其各组分有机碳采用重铬酸钾外加热法进行测定，土壤有机碳及各组分有机碳含量和有机碳分配比例的计算公式如下：

土壤有机碳含量=各有机质组分有机碳的分配比例（%）=各有机质组分有机碳含量/SOC×100

敏感性指标[9]=（变量最大值-变量最小值）/变量最小值

1.5 数据处理

用Microsoft Excel 2003和DPS统计软件对数据进行整理与分析。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用方式下SOC分布特征

不同土地利用方式下土壤表层的植被覆盖、环境条件和人为干扰程度不同，其SOC含量也不同。从表1可以看出，研究区稻田、林地和草地3种土地利用类型中，SOC含量范围分别为11.37～37.30 g/kg，27.17～60.32 g/kg，26.28～59.98 g/kg。在表层土壤中，不同土地利用方式下SOC含量高低顺序为：林地（46.45 g/kg）>荒草地（39.45 g/kg）>稻田（26.65 g/kg），且都达到显著性差异水平（P<0.05）。这是因为植被、土壤微生物分解、土地利用、土地覆盖和人为干扰等因素对SOC的累计过程及存储产生的影响。对于人为干扰较小的林地和草地，土壤表层各种各样发达的植物根系以及植物凋落物的积累促进了表层土壤有机碳的积累，稻田受人为干扰强度较大，定期翻耕增加了土壤的通透性，土壤微生物活性较大，分解土壤有机碳的能力增强，因此稻田有机碳稍低于林地和草地。

2.2 不同土地利用方式对土壤有机碳组分含量的影响

图2为不同土地利用方式下3种土地利用方式土壤组分有机碳含量，3个条形统计图分别表示对土壤进行分组第一步、第二步和第三步所得到的土壤组分有机碳含量，经过三次分组所得土壤组分有机碳含量各不相同并呈现出递减规律，不管土地利用方式如何，相同土地利用方式下第一步分组样（非保护粗颗粒有机碳cPOM、微团聚体uagg、粉粒dSilt、粘粒dClay）有机碳含量基本都高于第二步分组样（非保护细颗粒有机碳fPOM、微团聚体保护颗粒有机碳iPOM、微团聚体粉粒uSilt、微团聚体粘粒uClay）和第三步分组样（非酸解粉粒NH-dSilt、非酸解粘粒NH-dClay、非酸解微团聚体粉粒NH-uSilt、非酸解微团聚体粘NH-uClay）。

3种土地利用方式下非保护粗颗粒有机碳（cPOM）、微团聚体（uagg）、粉粒（dSilt）、粘粒（dClay）、非保护细颗粒有机碳（fPOM）、微团聚体保护颗粒有机碳（iPOM）、微团聚体粉粒（uSilt）、微团聚体粘粒（uClay）、非酸解粉粒（NH-dSilt）、非酸解粘粒（NH-dClay）、非酸解微团聚体粉粒（NH-uSilt）以及非酸解微团聚体粘（NH-uClay）都随着进一步的分组，其有机碳含量降低，并大多表现出明显的垂直分布现象（图2），在第一步分组样中，cPOM、uagg、dSilt、dClay这4种组分有机碳含量均为林地显著高于其它2种土地利用方式，但林地和荒草地粘粒有机碳之间差异不显著（P>0.05），第二步分组样中，荒草地微团聚体保护颗粒有机碳（iPOM）显著高于稻田和林地，稻田和荒草地微团聚体粘粒之间差异不显著（P>0.05），第三步分组样，稻田和荒草地非酸解粉粒（NH-dSilt）有机碳以及3种土地利用方式下的非酸解粘粒（NH-dClay）差异不显著（P>0.05），其它组分有机碳含量之间均存在显著差异（P<0.05）。在整个表层土壤中，非保护粗颗粒有机碳（土cPOM）、微团聚体（uagg）、粉粒（dSilt）、粘粒（dClay）均为林地>荒草地>稻田，在剩下的8个土壤组分中，除微团聚体保护颗粒有机碳（iPOM）荒草地（4.48 g/kg）>林地（3.45 g/kg）>稻田（2.66 g/kg），微团聚体粘粒（uClay）林地（1.92 g/kg）>稻田（1.32 g/kg）>荒草地（1.05 g/kg），非酸解粉粒（NH-dSilt）林地（1.55 g/kg）>稻田（1.04 g/kg）>荒草地（0.99 g/kg），非酸解粘粒（NH-dClay）林地（0.98 g/kg）>稻田（0.91 g/kg）>荒草地（0.89 g/kg），非酸解微团聚体粉粒（NH-uSilt）稻田（0.76 g/kg）>荒草地（0.65 g/kg）>林地（0.61 g/kg），非酸解微團聚体粘粒（NH-uClay）荒草地（0.49 g/kg）>稻田（0.44 g/kg）>林地（0.41 g/kg），剩余两组分都是林地>荒草地>稻田。

由实验结果可以看出，上述12种土壤有机碳组分含量的高低顺序大致为林地、荒草地、稻田，表明林地开垦为稻田后，将导致这12种土壤组分有机碳含量降低，而稻田撂荒后，则有助于土壤组分有机碳含量累积增加。

2.3 不同土地利用方式对土壤有机碳组分分配比例的影响

图3为稻田、荒草地和林地三种不同土地利用方式下土壤有机碳组分的碳分布比例。图中3个条形统计图分别表示在对土壤进行分组时第一步、第二步和第三步所得组分占土壤总有机碳含量大小的分配比例统计图，经过三次分组所得土壤组分有机碳含量占总有机碳含量的比例基本呈现出递减规律。第一步分组样中，稻田、荒草地和林地三种土地利用方式下非保护粗颗粒有机碳（cPOM）所占比例最大分别为20.04%、19.62%和20.59%；其次是微团聚体（uagg），其所占比例分别为15.08%、14.27%和17.82%；游离态粘粒（dClay）所占比例最小，分别为9.14%、12.25%和10.53%；稻田中的游离态粉粒（dSilt）和粘粒（dClay）与林地、荒草地中的游离态粉粒、粘粒所占比例差异显著（P<0.05），稻田中的非保护粗颗粒有机碳（cPOM）和微团聚体有机碳（uagg）与林地、荒草地中的cPOM、uagg所占比例差异不显著（P>0.05）；第二步分组样中，微团聚体保护颗粒有机碳（iPOM）在稻田和荒草地中所占土壤有机碳比例最大，分别为10%和11%，两者之间差异不显著（P>0.05），林地iPOM所占比例最小，为7%，且与稻田、荒草地所占比例差异显著（P<0.05），稻田、荒草地、林地三种土地利用方式下非保护细颗粒有机碳（fPOM）所占比例分别为8%、10%、9%，且差异不显著（P>0.05），荒草地中的微团聚体粉粒（uSilt）和粘粒（uClay）所占比例低于稻田和林地且与之差异显著（P<0.05）；第三步分组样中，非酸解粉粒（NH-dSilt）占土壤有机碳比例稻田（3.89%）>林地（3.34%）>荒草地（2.51%），荒草地中的NH-dSilt所占土壤有机碳比例与稻田和林地的NH-dSilt所占土壤有机碳比例差异显著（P<0.05），而稻田和林地之间差异不显著（P>0.05）；非酸解粘粒（NH-dClay）、非酸解微团聚体粉粒（NH-uSilt）非酸解微团聚体粘粒（NH-uClay）、占土壤有机碳比例分别为稻田（3.41%）>荒草地（2.25%）>林地（2.10%）、稻田（2.83%）>荒草地（1.66%）>林地（1.31%）和稻田（1.64%）>荒草地（1.25%）>林地（0.88%），稻田中的NH-dClay、NH-uSilt所占土壤有机碳比例与荒草地和林地的NH-dClay、NH-uSilt所占土壤有机碳比例以及三种土地利用方式下非酸解微团聚体粘粒（NH-uClay）所占土壤有机碳比例差异显著（P<0.05），荒草地和林地NH-dClay、NH-uSilt所占土壤有机碳比例差异不显著（P>0.05），表明荒草地和林地开耕后有利于该组分所占有机碳比例的提高。

2.4 不同土地利用方式下土壤总有机碳及其各组分有机碳含量敏感性分析

表2为不同土地利用方式下表层（0～20 cm）土壤不同有机碳组分的敏感性分析，可以看出，不同土地利用方式下各组分有机碳含量对不同土地利用方式变化的响应各不相同。在整个小流域内，各组分有机碳对土地利用方式变化的敏感性为非保护细颗粒有机碳fPOM（0.51）>非酸解粉粒NH-dSil（0.28）>微团聚体粘粒uClay（0.22）>非酸解粘粒NH-dClay（0.21）>非酸解微团聚体粉粒NH-uSilt（0.20）>微团聚体保护颗粒有机碳iPOM（0.18）、非酸解微团聚体粘粒NH-uClay（0.18）><2 um粘粒dClay（0.17）>2-53 um粉粒dSilt（0.13）>53 um～250 um微团聚体uagg（0.12）>微团聚体粉粒uSilt（0.09）、非保护粗颗粒有机碳cPOM（0.09）>有机碳SOC（0.04），由此可以看出非保护细颗粒有机碳fPOM对土地利用方式的改变最为敏感，而土壤有机碳含量SOC对土地利用方式改变的敏感性最差，因此fPOM可以作为评价不同土地利用方式对土壤有机碳含量影响的重要指标。

3 结论与讨论

土壤有机碳含量受土地利用及其土地利用方式变化的影响较大[10]，地表不同植被类型、土地利用方式以及人为管理措施都会影响土壤及不同组分有机碳含量的变化。本研究结果表明，在整个小流域表层（0～20 cm）土壤内，土壤总有机碳及其各组分有机碳含量的高低顺序大致为林地（46.45 g/kg）>荒草地（39.45 k/kg）>稻田（26.65 k/kg），林地和荒草地由于没有受到人类活动的干扰或受其干扰程度较小，加上地表上多种植被凋落物可以经过长时间不间断分解以补充土壤碳含量，而且植被根系的转换也是土壤碳的主要来源[11]，林地由于植被类型较多，表层土壤常年被多种植被类型凋落物覆盖，其分解使林地表层土壤有机碳含量升高；荒草地主要以杂草为主，其枝叶和根系较细，分解速度较快，而稻田由于人们常年种植水稻并翻耕，导致表层土壤松软，同时也增加了土壤的通透性，使土壤微生物活性增强，加快了对土壤有机碳的分解速率，而且由于水稻的收割，致使作物中的碳不能还田，这些原因都导致了稻田不利于土壤碳的积累，因此，稻田土壤总有机碳及其组分含量都比林地和荒草地低。通过上述对不同土地利用下土壤有机碳含量变化的讨论得出，不同土地利用方式下SOC分布情况各不相同，并存在着一定的差异，表层土壤中受人为干扰程度较小的林地中SOC含量最高，其次是荒草地，SOC含量最低的是受人为干扰程度较大的稻田，说明外界因素如人为扰动和植被凋落物对SOC含量有重要影响，表层土壤对不同土地利用方式下SOC储量有着较大的贡献。

根据Stewart等[12-13]提出来的物理-化学联合分组方法的概念模型，cPOM和fPOM構成的碳库可定义为非保护游离活性有机碳，具有较强的生物活性，主要受土壤有机碳输入量的影响[14]；iPOM是微团聚体内的物理保护有机碳，是土壤中相对活跃的有机碳[15]；H-dSilt、H-dClay、H-μSilt、H-μClay组成了化学保护有机碳，NH-dSilt、NH-dClay、NH-μSilt、NH-Clay组成了生物化学保护有机碳，两者分解较慢，有利于长期保存[16]。通过分组所得土壤所有组分，林地和荒草地土壤有机碳及其各组分有机碳含量都显著高于稻田，说明林地和荒草地开垦后会造成土壤中有机碳含量的流失，而稻田撂荒后将有助于土壤有机碳的恢复和储存。

本研究发现稻田和荒草地的iPOM含量高于fPOM，而林地的iPOM含量低于fPOM，在表层土壤中，三种土地利用方式下iPOM含量分别为稻田10%、荒草地11%、林地7%，fPOM含量分别为稻田8%、荒草地10%、林地9%，表明不同土壤有机碳组分自身的浓度在其有机碳含量及其分配比例中发挥了重要作用；在稻田、林地和荒草地三种土地利用方式下未保护游离活性有机碳（cPOM+fPOM）占土壤有机碳比例最高，说明三种土地利用方式下该组分均具有较好的土壤肥力。通过研究由表2可知小流域内iPOM的敏感性指标较低，它对土地利用方式的变化不敏感，而fPOM的敏感性指标较高，iPOM和fPOM同为未保护游离活性有机碳，但其敏感性指标变化趋势不尽相同，这可能与不同的土地利用类型或者土壤类型、气候条件、海拔高低等条件有关。在土壤各组分有机碳中非保护细颗粒有机碳（fPOM）对土地利用方式变化的敏感度比土壤有机碳及其它各组分有机碳含量对土地利用方式变化的敏感度更高，因此可作为评价土地利用方式变化对土壤有机碳含量影响的良好指标。

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