喀斯特山区不同植被类型土壤有机碳的变化
廖洪凯摇龙摇健
**
*
(贵州师范大学贵州省山地环境重点实验室,贵阳550001)
摘摇要摇研究了贵州西南部典型喀斯特山区不同植被类型下常规土壤及小生境土壤中有机碳及不同粒径土壤颗粒有机碳的变化.结果表明:不同植被类型下,常规及小生境土壤有机碳含量均表现为:裸地<草丛<灌木林<乔木林,常规土壤变幅在7郾18~43郾42g·kg-1,土面和石坑土壤有机碳变幅分别为6郾62~46郾47g·kg-1和9郾01~52郾07g·kg-1;颗粒有机碳(POC)/矿物结合态有机碳(MOC)值均为:裸地<草丛<乔木林<灌木林,同一植被类型下,与常规及土面相比,石坑中土壤POC/MOC值最高;植被在由裸地-草丛-灌木林-乔木林的变化过程中,不同粒径土壤颗粒有机碳含量增加,而土壤有机碳主要以砂粒及粉砂粒有机碳形式存在,说明喀斯特地区土壤的固碳能力及有机碳稳定性较弱,土壤易受外界干扰而引发有机碳流失,土壤质量存在下降或退化的风险.
关键词摇喀斯特摇植被类型摇小生境摇有机碳摇土壤颗粒
文章编号摇1001-9332(2011)09-2253-06摇中图分类号摇S153.6摇文献标识码摇A
VariationofsoilorganiccarbonunderdifferentvegetationtypesinKarstmountainareasofGuizhouProvince,SouthwestChina.LIAOHong鄄kai,LONGJian(GuizhouProvinceKeyLabo鄄ratoryofMountainEnvironment,GuizhouNormalUniversity,Guiyang550001,China).鄄Chin.J.Appl.Ecol.,2011,22(9):2253-2258.
Abstract:Thispaperstudiedthevariationcharacteristicsofsoilorganiccarbon(SOC)anddiffer鄄entparticlesizessoilparticulateorganiccarbon(POC)innormalsoilandinmicro鄄habitatsunderdifferentvegetationtypesintypicalKarstmountainareasofsouthwestGuizhou.Underdifferentveg鄄etationtypes,theSOCcontentinnormalsoilandinmicro鄄habitatswasallintheorderofbareland *国家自然科学基金项目(40971160)、贵州省优秀青年科技人才项目(黔科合人字[2009]21号)、贵州省高层次人才科研特助经费项目(TZJF鄄2008鄄40)和贵州省科学技术基金项目(黔科合J字LKS[2009]20号). **通讯作者.E鄄mail:longjian33@163.com2011鄄03鄄26收稿,2011鄄06鄄15接受. 组成,根据其平均的驻留时间大致可以分为活性、缓性和惰性碳组分[2].近年来在研究土壤有机碳的分组时,土壤有机碳的物理分组方法成为生态学及土壤学的研究热点.这是因为这些方法很少破坏有机碳的化学结构,分离的组分能直接反映土壤有机碳的原状结构和功能,尤其是能揭示土壤有机碳的周转特征[3-4].基于有机碳物理分离手段,可将土壤有机碳分成与砂粒(53~2000滋m)结合的颗粒有机碳(particulateorganiccarbon,POC)和与土壤细颗粒 重要指标,在调节土壤理化性质、提供作物养分、改 2254应摇用摇生摇态摇学摇报摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇22卷 (<53滋m)结合的矿物结合态有机碳(mineral鄄asso鄄分解的最终产物,周转速度慢,是非活性有机碳[5] ciatedorganiccarbon,MOC)两部分.后者是有机碳并可进一步细分为粉砂粒(2~53滋m)和黏粒(<2滋m)有机碳.POC/MOC是表征土壤有机碳的稳定和质量的重要指标,POC/MOC值大,表明土壤有机碳较易矿化、周转期较短或活性高;POC/MOC值小则表明土壤有机碳较稳定,不易被生物所利用[6]. 贵州省地处我国西南腹地,其中喀斯特面积占 生长有:香椿(Toonasinensis)、圆果化香(Plotycaryalongipes)、核桃(Juglansregia)和小叶榕(Ficusconci鄄na);灌木林中主要有:花椒(Zanthoxylumbungea鄄num)、火棘(Pyracanthafloruneana)、小蔷薇果(Rosacymosa);草丛以五节芒(Miscanthusfloridulus)、扭黄茅(Heteropogoncontortus)和狗芽根(Cynodondac鄄tylon)为优势种.该地区植被总体覆盖率<3%,岩石裸露率为70%以上,林冠覆盖率低,生境干旱显著,非耕地资源丰富,发育有较完善的土面、石坑等小生1郾2摇样品采集与分析 境类型,属重度石漠化脆弱生态系统[12]. 全省土地总面积的73郾6%,全省95%的县(市)有喀斯特分布,属于典型的生态脆弱区.土壤有机碳作为岩溶系统中碳转移的动力学媒介,是岩溶系统中碳流通的主要途径[7].同时,喀斯特地区岩溶溶蚀作用强烈,小生境类型多样,其土壤与小气候存在较大差异[8].研究该地区土壤有机碳有助于揭示喀斯特地区有机碳的空间分布特征.目前,对喀斯特地区有机碳的研究多集中于人为干扰、土地利用方式和空间变异等方面[9-11],而对土壤有机碳的物理性分组进行系统地研究还较为少见.本研究采用物理分组法,通过研究贵州喀斯特地区不同植被类型下常规土壤和典型小生境土壤中有机碳及不同粒径土壤颗粒有机碳的变化,旨在为进一步了解该地区土壤有机碳的变化规律,促进喀斯特地区生态系统碳库的保护提供科学依据.1摇研究地区与研究方法1郾1摇研究区概况 研究区位于贵州省安顺地区关岭县花江干热河106毅41郾5忆E),海拔600~800m.该地区碳酸岩盐广布,河流深切,地下水深埋,热量丰沛,降水分布极其不均,5—10月降水量达全年降水量的83%,气候垂直变异明显,海拔850m以下为南亚带干热河谷气候,900m以上为中亚热带河谷气候.调查区域内成土母岩以白云质灰岩和泥质灰岩为主,土壤类型多以黑色石灰土和棕黄色石灰土为主.乔木林中主要 表1摇样地基本情况 Table1摇Basicpropertiesofstudyplots(0~20cm) 植被类型Vegetationtype 海拔Altitude(m) 纬度Latitude(N) 经度Longitude(E) 选取了裸地、草从、灌木林和乔木林4种植被类型作为研究对象.由于研究区域坡度较大,为保证立地条件的可比性,在每种植被类型中设置相对平坦的20m伊20m样地1个,并分常规土壤和小生境土壤样品进行采集.常规土壤采集按照“S冶形在每个样地中设置5~7个样点.采样时,先将土体表面枯枝落叶除掉,取样深度在0~20cm,并在每个样点附近采集3~5个点混合制成一个样,样品的质量约1kg,用自封袋密封.同时,根据研究区域内小生境分布特点,在各样地内随机选取具有代表性的土面(连续平整的土体表面)和石坑(出露基岩的溶蚀凹地),去除表层枯枝落叶后,采集表层(0~20cm)土壤与附近3~5个点混合制成一个样,在每种植被类型下采集土面和石坑土壤样品各3个.本次研究共采集土壤样品46个,其中常规土壤22个,土面和石坑土壤各12个.将采集的土样带回实验室后自然风干,分别研磨过2mm和0.149mm筛,备用.样地信息如表1所示. 摇摇不同粒径土壤颗粒有机碳组分的分离,采用武2mm筛的土样于250mL烧杯中,加去离子水150天云等[13]的改进方法.具体分离流程:1)加20g过mL用超声波发生器在300W条件下处理8min,将悬浮液倾倒在孔径为53滋m筛上,用450mL左右蒸馏水洗涤至滤液清亮,留在筛上的部分为砂粒 2010年7月,通过野外植被和土壤调查,分别 谷小流域内(25毅38郾9忆—25毅40郾3忆N,105毅39郾0忆— A64125毅39郾860忆105毅39郾310忆0B63125毅39郾994忆105毅40郾190忆0郾37C67425毅39郾684忆105毅38郾986忆0郾69D71125毅39郾539忆105毅39郾031忆0郾83A:裸地Bareland;B:草丛Grassland;C:灌木林Shrub;D:乔木林Forest.下同Thesamebelow. 郁闭度Crowndensity 砂壤Sandyloam砂壤Sandyloam壤质Loam壤质Loam 土壤质地Soiltexture 土壤容重Soilbulkdensity(g·cm3)1郾52依0郾061郾34依0郾101郾22依0郾071郾08依0郾07 9期摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇廖洪凯等:喀斯特山区不同植被类型土壤有机碳的变化摇摇摇摇摇2255 (>53滋m)部分,滤液收集在容器中供进一步分离之用;2)将上一步滤液在760r·min-1条件下离心4min后,将悬浮液倾倒在收集容器中,加蒸馏水100mL,充分振荡,在550r·min-1条件下离心2min,将悬浮液倾倒出并与之前的悬浮液合并备用,后一步骤重复3次可分离出土壤中黏粒(<2滋m)和粉砂粒(2~53滋m)部分.将分离出的组分用蒸馏水清洗,在55益条件下烘干72h冷却,称量、研磨、过筛.采用该方法对不同粒径颗粒有机碳的分离效果良好, 在7郾18~43郾42g·kg-1,土面和石坑中土壤有机碳含量分别在6郾62~46郾47g·kg-1和9郾01~52郾07g·kg-1变化.随着植被复杂程度的提高,不仅常规土壤中有机碳含量总体呈增加趋势,而且土面及石坑小生境中土壤有机碳含量也明显增加.在同一植被类型下,除乔木林中土面小生境有机碳含量稍高于常规土壤外,其余植被类型下土壤有机碳含量大小均表现为:土面<常规<石坑.这表明小生境对土壤中有机碳含量分配产生了一定的影响. 供试土壤回收率均在97%以上. 土壤有机碳的分析采用浓硫酸鄄重铬酸钾外加热法[14]及分配比例为.不同粒径土壤颗粒有机碳含量:不同粒径土壤颗粒有机碳含量(g·kg-1=不) 同粒径土壤颗粒物中有机碳(g·kg-1粒物占土壤的百分比(%);不同粒径土壤颗粒有机)伊不同粒径颗碳分(g·kg配比例=不同粒径土壤颗粒有机碳含量-1 -1 1郾3摇数据处理 )/土壤总有机碳含量(g·kg)伊100%. 利用SPSS16郾0软件对数据进行单因素方差分析(one鄄wayANOVA)和最小显著差异法(LSD)比较不同处理数据组间的差异0郾05.数据的变异性用标准差,显著(SD)水表示平设. 定为琢=2摇结果与分析 2郾1摇不同植被类型土壤有机碳的变化 由图1可以看出,不同植被类型常规及小生境土壤中有机碳含量表现为:裸地<草丛<灌木林<乔木林,达到显著差异水平.其中常规土壤有机碳含量图Fig.1摇vegetation1摇不同植被类型下土壤有机碳含量的变化ChangeofsoilorganiccarbonNS:土壤常规土壤typesNormal(mean依SD).contentunderdifferentsoil;EF:土面土壤Shrub;Stone0郾D:乔木林pitsoil.Forest.A:裸地Bareland;B:Earth草丛flatlandGrassland;soil;C:SP:灌木林石坑ments05)atDifferent0.05level.small下同letter不同小写字母代表处理间显著差异Theindicatedsamebelow. significantdifferenceamongtreat鄄(P<2郾2摇不同植被类型各粒径土壤颗粒有机碳的分布 由图2可以看出,不同植被类型下,常规土壤及小生境土壤中各粒径颗粒有机碳的含量均表现为:裸地<草丛<灌木林<乔木林.其中,土壤黏粒有机碳16郾在1郾1064g·kg~9郾26g·kg-1-1-草丛-,灌木林砂粒有机碳在,粉砂-乔木林变化过程中2郾粒41有~机26郾碳58在g·kg2郾17-1~在裸地,植被土.壤有机碳含量明显增加,而且不同粒径土壤颗粒有机碳含量也随之增加.同一植被类型下,除裸地中各粒径土壤颗粒有机碳含量无明显差异外,草丛、灌木林和乔木林中不同粒径颗粒有机碳含量均达到显著差异水平,为砂粒>粉砂粒>黏粒;土面和石坑小生境土壤也表现为砂粒>粉砂粒>黏粒,其中土面土壤中各粒径颗粒有机碳在裸地、灌木林和乔木林中达到显著差异水平,而石坑在裸地和乔木林下达到显著差异水平.另外,石坑中土壤中砂粒有机碳含量明显高于常规和土面土壤,说明石坑对土壤中的砂粒有机碳存在一定的聚集作用摇粒有机碳占总有机碳中的分配存在较大差异摇由表2可以看出,不同植被类型下. ,不同粒径颗.其中常规土壤中砂粒有机碳在33郾6%~49郾4%,粉砂粒在29郾5%~34郾4%,黏粒在17郾4%~30郾2%之间.在土面及石面小生境土壤中16郾~51郾的赋存形式以砂粒和粉砂粒有机碳为主3%1%~24郾,粉8%砂之间粒在.说明研究区域内土壤有机碳28郾5%,砂粒有机碳在~36郾0%,黏40郾粒6%在 .2郾3摇不同植被类型土壤POC/MOC值的变化 由图3可以看出,不同植被类型下常规土壤与 小生境土壤中POC/MOC值介于2郾30~4郾37,小生境土壤在2郾59~4郾71.与裸地相比,常规土壤与小生境土壤在草丛、灌木林和乔木林中POC/MOC值均有所增加,并且POC/MOC的峰值出现在灌木林.而在同一植被类型下,石坑中土壤POC/MOC值大于常规及土面土壤. 2256应摇用摇生摇态摇学摇报摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇22卷 图2摇不同粒径土壤中颗粒结合有机碳含量的变化Fig.2摇Changeofsoilorganiccarboncontentinsoildifferentparticlesizedfractions(mean依SD).CY:黏粒Clay;ST:粉砂粒Silt;SD:砂粒Sand.表2摇不同粒径颗粒中土壤有机碳的比例 Table2摇Distributionratioofsoilorganiccarbonindifferentparticlesizefractions(%,mean依SD) ABCD NSCY30郾2依11郾0a17郾8依1郾2c17郾4依2郾9c21郾1依4郾6c SL32郾3依5郾2a34郾4依7郾4b34郾0依10郾1b29郾5依5郾0bSD33郾6依7郾7a45郾6依10郾4a49郾4依8郾0a48郾3依8郾2a总计Total96郾197郾8100郾898郾9CY24郾8依3郾2c22郾4依4郾4b16郾3依2郾8c16郾9依3郾1c EFSL32郾8依0郾3b34郾1依4郾7a36郾0依4郾3b34郾7依4郾2b SD40郾6依3郾4a45郾0依7郾6a49郾5依5郾3a47郾4依4郾6a总计Total98郾2101郾5101郾899郾0CY21郾3依3郾4c18郾6依5郾1b18郾6依3郾0b17郾8依3郾5c SPSL31郾9依4郾4b28郾5依5郾8b30郾2依7郾3b29郾8依4郾5b SD43郾8依7郾0a50郾5依9郾0a49郾0依6郾2a51郾1依8郾1a总计Total97郾097郾697郾898郾7 NS:常规土壤Normalsoil;EF:土面土壤Earthflatlandsoil;SP:石坑土壤Stonepitsoil.CY:黏粒Clay;ST:粉砂粒Silt;SD:砂粒Sand.同列不同小写字母代表处理间的显著差异(P<0.05)Differentsmalllettersinthesamecolumnmeantsignificantdifferenceamongtreatmentsat0郾05level.土壤类别Soiltype 土壤颗粒Soilparticle 有机碳比例Rateoforganiccarbon 3摇讨摇摇论 3郾1摇植被及生境类型对土壤有机碳的影响 有机碳作为土壤的一个重要组成部分,其在维持土壤的物理、化学和生物学特征中起着关键性的作用[15].在本研究中,植被由裸地-草丛-灌木林-因为土壤有机碳主要取决于植被凋落的释归量[16]. 图3摇不同植被类型下土壤POC/MOC的变化 Fig.3摇ChangeofsoilPOC/MOCunderdifferentvegetationtypes. 乔木林变化过程中,土壤有机碳含量增加明显.这是乔木林地表生物量丰富,生境湿润,凋落物来源广,每年均有大量凋落物的累积,故其土壤有机碳含量 9期摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇廖洪凯等:喀斯特山区不同植被类型土壤有机碳的变化摇摇摇摇摇2257 最高.相反,裸地地表生物量稀缺,生境相对干旱,基本无凋落物来源,所以有机碳含量最低.在同一植被类型下,与常规及土面土壤相比,石坑中土壤有机碳含量最高.这与罗海波等[17]和刘方等[18]的研究结果一致.这是因为石坑小生境易形成土壤和凋落物的聚集载体,同时,石坑土壤相对湿润,有利于土壤动物和微生物对植物凋落物的生化降解,因此,石坑3郾2摇植被及生境类型对不同粒径土壤颗粒有机碳中更易形成土壤有机碳的积累. 壤中,使得石坑中砂粒有机碳形成累积,从而增加了土壤POC/MOC值.但由于石坑小生境微环境的复杂性,石坑中砂粒有机碳的积累也可能是一系列生3郾3摇植被及生境类型对喀斯特环境的影响化作用的结果.其影响机理还需进一步深入研究. 植被修复是喀斯特地区生态恢复的重要内容.龙健等[27]研究表明,采用工程及生物措施相结合,乔、灌、草并举的措施,增加土地覆盖率,促进植被生长,可以降低喀斯特地区石漠化风险.相反,随植被及POC/MOC的影响 在研究区域内,土壤有机碳主要以土壤砂粒和粉砂粒有机碳的形式存在,并以砂粒有机碳居多,这与刘淑娟等[19]的研究结果一致.砂粒有机碳作为土壤中有机碳中的不稳定成分,通常占表层土壤总有机碳的10%左右[20]研究中,各植被类型下砂粒有机碳含量占总有机碳,也可高达30%~85%[21].本含量都在30%以上.李阳兵等[22]对贵州黔灵山岩溶自然林地及灌草地的研究发现,表层土壤中砂粒有机碳含量可占总有机碳的50%以上.喀斯特系统生态脆弱,土被浅薄,地表植被遭到破坏或开垦后,砂粒有机碳作为有机碳较易分解的部分,将在30~40年内消耗殆尽[23]及碱性元素形成有机,而粉砂粒和黏粒易与金属氧化物鄄无机复合体[24]在短时间内无法释放或被利用,从而增加了喀斯特地,使土壤有机碳区土壤质量及生态景观退化的风险. POC与裸地相比,草丛、灌木林和乔木林中土壤草丛/鄄MOC灌木林值均有所增加鄄乔木林变化过程中,这是因为植被在由裸地,土壤物理、化学和鄄微生物条件显著改善,归还至土壤中的动植物残体显著增加,土壤中砂粒有机碳增加迅速,从而增大了土壤POC/MOC的比值[6]峰值出现在灌木林中,而非乔木林.但在本研究中.有研究表明,POC,/MOC 过量的凋落物输入增加会促使土壤微生物呼吸速率加快,这不仅会使部分新输入土壤的碳分解释放,而且产生的“激发效应冶会加速土壤原有有机碳的分解[25]粒有机碳作为土壤有机碳的活性成分,易被微生物利.砂用分解.当乔木林中每年大量凋落物输入后,原有累积的砂粒有机碳加速分解POC/,可能是造成乔木林中在同一植被类型下MOC值较灌木林低的主要原因,与常规及土面土壤相比. ,石 坑中土壤砂粒有机碳更易形成积累.这是因为砂粒有机碳的密度较小(<1郾6g·cm-3迁移而流失[26].常规及土面小生境土壤中砂粒有机 ),易随地表径流碳易受雨水冲刷及地表风搬运作用而转移至石坑土退化度的提高,土壤性质衰减明显,不仅形成了植被稀疏分布的石漠化景观,并且小生境的恶劣程度也随地表暴露程度的增加而增加[28]特生境中地表植被资源的保护及修复.因此,是保证喀斯,注重喀斯特地区环境可持续发展的根本前提. 喀斯特生境是由多种小生境类型镶嵌构成的复合体,具有高度的异质性,并且不同的小生境具有不同的生态有效性[8]土壤有机碳含量最高.与常规及土面土壤相比,其土壤有机碳较易矿化,、石坑周转周期短,易被植物吸收利用,而且石坑小生境相对开放,易接纳外源物质的输入,如水分、土壤及植被凋落物等,为土壤动物和微生物提供了良好的栖息场所,有利于土壤养分的积累,表现出较高的生态有效性.因此,在喀斯特山区,对于土壤侵蚀作用强烈的坡地,人工设置一定量石坑,对缓解喀斯特土壤养分的流失压力,促进植被恢复重建具有一定的现实意义.4摇结摇摇论 在喀斯特地区植被由裸地-草丛-灌木林-乔木林变化过程中,土壤有机碳含量呈明显增加趋势,但各植被类型中土壤有机碳主要赋存于砂粒和粉砂粒中,说明有机碳的稳定程度较差,地表覆被遭到破坏后,土壤有机碳将在较短时间消耗殆尽,从而引起土壤质量的改变.因此,贯彻落实封山育林政策,并辅以必要的生物或工程手段,提高植被覆盖率,可降低土壤退化的风险. 参考文献 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