黄土丘陵区不同土地利用方式对土壤碳库及碳库管理指数的影响

Effects of different land-use practices on soil carbon pool and its management index in loess hilly region

摘要

目的 探讨黄土丘陵区土壤有机碳组分及碳库在不同土地利用方式下的分布特征和变化规律。 方法 以黄土丘陵区撂荒地为对照、选取云杉林地、沙棘灌木林、苜蓿地、小麦地等5种土地利用方式为研究对象，分析其土壤有机碳组分及碳库的变化。 结果 5种土地利用方式下，随着土层深度增加土壤有机碳和活性有机碳含量逐渐降低，且活性有机碳含量在各处理间较有机碳含量差异显著。在0~100 cm土层云杉林地土壤有机碳（SOC）、土壤易氧化有机碳（EOC）、土壤可溶性有机碳（DOC）含量及土壤碳库管理指数（CPMI）最高，云杉林地CPMI分别比撂荒地、沙棘灌木林、小麦地、苜蓿地的碳库管理指数高出42.69%、56.65%、156.41%、173.40%。相关性分析表明，CPMI指数与土壤容重、含水量、TN和碳组分之间均存在显著正相关关系（P<0.05）。 结论 不同土地利用方式土壤理化性质的差异可能显著影响了土壤活性有机碳组分，进而影响了土壤碳库管理指数。在本试验条件下，云杉林地能够通过增加土壤有机碳组分含量来提高土壤碳库管理指数，对土壤有机碳的储存有积极作用。

Abstract

Objective The study aimed to explore the distribution characteristics and change patterns of soil organic carbon fraction and carbon pool in the loess hills under different land use practices. Method Five types of land use，including spruce woodland，sea buckthorn shrubland，alfalfa land，wheat land，and abandoned land in the loess hilly area as the control，were selected to determine the changes in soil organic carbon fraction and carbon pool. Result 1) Under the five land-use practices，soil organic carbon and active organic carbon contents gradually decreased with increasing soil depth，and the active organic carbon content differed significantly among treatments compared to the organic carbon content.2) The highest SOC，EOC，DOC contents and soil CPMI were found in spruce woodland in the 0~100 cm layer of soil，and the CPMI of spruce woodland was 42.69%，56.65%，156.41% and 173.40% higher than that of the abandoned land，buckthorn shrubland，wheat land and alfalfa land，respectively.3) Correlation analysis showed that CPMI index was significantly positively correlated with soil bulk，soil water content，TN and carbon fraction (P<0.05). Conclusion The differences in soil physicochemical properties among different land-use practices significantly affected the soil active organic carbon fraction and thus the soil carbon pool management index.Under the present experimental conditions，spruce woodland could improve the soil carbon pool management index by increasing the content of soil organic carbon fraction，which had a positive effect on soil organic carbon storage.

Graphical abstract

关键词

黄土丘陵区 / 土地利用方式 / 活性有机碳 / 碳库管理指数

Key words

loess hilly region / land use types / activated organic carbon / carbon management index

Author summay

姚武扬眉，硕士研究生。E-mail：[e-mail]

土地利用方式是影响陆地生态系统碳循环的因素之一^［1］，能够影响土壤有机碳的含量，进而影响其分解速率和稳定性^［2］。已有研究表明，土地利用方式对生态系统碳循环的影响仅次于化石燃料燃烧^［3］，因此土地利用方式对土壤碳库的影响成为了国内外研究的热点领域。黄土丘陵区由于人为不断干扰及不合理的土地利用方式，导致土壤贫瘠，土地承载力低下，水土流失情况十分严重，是中国生态环境最脆弱的区域之一^［4］。近年来，大量国家退耕还林还草项目使得黄土丘陵区的植被覆盖率得到了显著提高^［5］，改善了水土流失情况，提高了土壤质量。国家通过实施土地整治，对传统的土地利用结构进行优化和调整，黄土丘陵区生态环境得到改善，使得目前黄土丘陵区的土地利用方式呈现多元化特征^［6］。因此对黄土丘陵区不同土地利用方式下的土壤碳库进行研究，有利于了解该区域的土壤养分情况，对正向调节有机碳库，增加土壤的固碳能力有积极影响。

在全球陆地生态系统中，土壤碳库是最大的有机碳库，约占全球陆地碳库总量的67%~75%^［7］，土壤活性有机碳是土壤有机碳中较为活跃、易矿化分解的部分^［8］，主要由进入土壤的动植物部分残体、微生物代谢物及植物根系分泌物等分解形成^［9］，一般包括微生物量碳（Microbial biomass carbon，MBC）、易氧化碳（Easily oxidized organic carbon，EOC）和可溶性碳（Dissolved organic carbon，DOC）^［10-11］。土壤活性有机碳能够直接参与土壤生物化学转化过程，但易受到气候、植被类型等生态因子的复合关联反应，导致土壤养分循环存在显著差异^［12］，可以用来反映因外界环境微变化引起的土壤碳组变化^［13］。Blair等^［14］提出了土壤碳库管理指数（CPMI）概念，考虑了总有机碳和活性有机碳在土壤中的分布情况^［15］，能够相对全面地反映外界因素对土壤碳库的影响，是评价土壤活性有机质的重要指标^［16］。前期研究发现，土壤水分、温度、养分含量等因素都将影响到土壤活性有机碳的含量^［17］。有研究表明，不同林分类型中的光照、水分等微环境条件存在差异，使得土壤养分供应状况及理化性质等不同，导致土壤活性碳库间的差异^［18］，同时植被的丰富度将促进土壤活性碳库的稳定^［19］。诸多研究表明，土壤可溶性有机碳的量和结构特征对农林系统养分供应起着至关重要的作用^［20］。也有研究指出，土地利用方式、植被类型、人为干扰等诸多因素均在一定程度上影响到土壤微生物碳、易氧化有机碳等含量^［21］。而对于黄土丘陵区不同土地利用方式的变化会引起土壤活性碳组分以及CPMI发生怎样的变化，其变化原因又是什么，值得深入研究。

目前关于陇中黄土丘陵区不同土地利用方式对土壤影响的研究多集中于土壤理化性质^［22］、土壤总有机碳的变化^［23］、土壤氮素研究^［24］等方面，在土壤活性碳组分和CPMI对不同土地利用方式的响应方面鲜有报道。因此，本研究以陇中黄土丘陵区5种不同土地利用方式为对象，分析了不同处理下土壤碳组分含量与分布特征，阐明了土地利用方式对土壤碳组分和碳库管理指数的影响，为揭示该地区不同土地利用方式对土壤碳库的影响机理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

对黄土高原丘陵区域进行文献等资料查阅以及野外区域调查，选择甘肃省定西市安定区（E 103°52′~105°13′，N 34°26′~35°35′）水土保持监测站为主要试验研究区（图1）。该区域属于黄河流域关川河的支流安家沟流域。试验区地处温带干旱、半干旱气候区，降雨量集中在7~9月，年均降水量390.99 mm。该流域的土壤以黄绵土为主，质地绵软，抗侵蚀能力较弱。试验地区由于干旱，常年少雨，植被稀疏，当地的乔木树种分布多以云杉（Picea asperata）和侧柏（Plapclacus orientalis）为主，草本植物多为紫花苜蓿（Medicago sativa）、沙棘（Hippophae rhamnoides）。

1.2 试验设置与样品采集

通过对研究区生态环境特征和植被特征实地调查及相关资料查阅的基础上，以撂荒地作为对照组，选择乔木（云杉）、灌木（沙棘）、草地（紫花苜蓿）、农田（小麦）5种不同土地利用类型，确定其为不同土地利用方式的典型实验区。采用完全随机设计，各试验区随机选择3个样方，大小根据植被类型进行确定，其中撂荒地、苜蓿地、沙棘灌木地、小麦地为4 m×6 m，云杉林地为10 m×10 m，各样方间间隔5 m以上。在2022年7月植被生长旺季^［25］，按照对角线五点法在各样方中选取具有代表性的5个样点，分别按0~10、10~20、20~40、40~60及60~100 cm层次分层采集土样。将土样中的石块、根系等杂质去除后，同一层次的土样均匀混合为一个土样装到无菌自封袋，于4 ℃保存，并进行土壤理化性质和土壤碳组分的测定。

1.3 测定方法

采用环刀法测定土壤容重；采用电位法（土水比为1∶2.5）测定土壤pH值；采用半微量凯氏定氮法测定土壤全氮（TN）、重铬酸钾高温—外加热法测定土壤有机碳^［26］。土壤可溶性有机碳采用0.5 mol/L K₂SO₄提取，重铬酸钾氧化滴定法测定^［27］；土壤易氧化有机碳采用高锰酸钾氧化法测定^［14］；土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸—K₂SO₄浸提法测定^［28］。

1.4 数据处理与分析

将本试验中的撂荒地作为对照组，计算不同的土地利用方式土壤碳库管理指数^［29］：

A=易氧化有机碳含量（g/kg）/（总有机碳-易氧化有机碳）含量（g/kg）

AI=样品碳库活度/参照样品碳库活度

CPI=样品总碳含量（g/kg）/参照样品总碳含量（g/kg）

CPMI（%）=CPI×AI×100

式中：A为碳库活度；AI为碳库活度指数；CPI为碳库指数；CPMI为土壤碳库管理指数。

采用SPSS20.0汇总数据统一处理，One-way ANOVA得出的数据方差，LSD多重比较法进行显著性分析，使用Pearson进行相关性检验，利用 Origin 2021绘制图表。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用方式下土壤基本理化性质的分布特征

5种土地利用方式下，0~100 cm土壤pH值在撂荒地最大且显著高于其它处理（P<0.05）（表1），具体表现为撂荒地>小麦地>苜蓿地>沙棘灌木林>云杉林地；土壤含水量、全氮和容重均表现为云杉林地最大且显著高于其他处理（P<0.05），其中含水量在小麦地最小，容重和全氮在撂荒地最小。

2.2 不同土地利用方式下土壤有机碳的分布特征

5种土地利用方式下SOC含量均随土层深度加深而下降（图2），0~10 cm层SOC含量均显著大于其他土层（P<0.05），而在不同处理下的相同土层间，均为云杉林地SOC含量最大（P<0.05）。此外，从0~100 cm土层来看，SOC含量表现为云杉林地最大，较其它处理分别高出30.39%、54.69%、115.08%、161.50%，具体表现为云杉林地>撂荒地>沙棘林地>小麦地>苜蓿地，且不同处理间差异显著（P<0.05）。

2.3 不同土地利用方式下土壤活性有机碳的分布特征

2.3.1 不同土地利用方式下土壤MBC的分布特征

随着土层深度的增加，土壤MBC含量在沙棘林地0~100 cm呈现出“升—降”的变化规律（图3），而在其他4种土地利用方式中呈随土层增加而降低的趋势，且同一处理的MBC含量在不同土层间差异显著（P<0.05）。0~100 cm层沙棘灌木地MBC含量分别是其它处理的1.22、1.80、2.88、2.91倍，具体表现为沙棘灌木地>云杉林地>撂荒地>苜蓿地>小麦地，且不同处理间差异显著（P<0.05）。

2.3.2 不同土地利用方式下土壤EOC的分布特征

土壤EOC含量最高值出现在云杉林地0~10 cm层，最低值出现在小麦地60~100 cm层（图 3）。0~100 cm层云杉林地土壤EOC含量分别比撂荒地、沙棘灌木地、小麦地、苜蓿地显著高出了40.83%、59.43%、141.43%、164.06%（P<0.05）。5种处理下土壤EOC含量随土层深度增加逐渐降低，除撂荒地20~40、40~60 cm层EOC含量差异不显著，其余处理不同土层间土壤EOC含量均具有明显的差异性（P<0.05）。

2.3.3 不同土地利用方式下土壤DOC的分布特征

5种土地利用方式土壤DOC含量均随土层深度的增加显著降低（图3）。0~100 cm层土壤DOC含量云杉林地最大，具体表现为云杉林地>撂荒地>沙棘灌木地>苜蓿地>小麦地，且各处理间存在显著差异（P<0.05）。各土地利用方式土壤DOC含量均在0~10 cm土层最大，分别为96.59、86.99、86.41、37.93、35.78 mg/kg。

2.4 不同土地利用方式土壤碳库特征的变化

土壤碳库活度（A）在不同土层深度，基本表现为苜蓿地>沙棘灌木地>云杉林地>撂荒地>小麦地（表2）。不同土地利用方式土壤碳库指数（CPI）的变化范围在0.29~1.33之间，最大值出现在云杉林地。在0~10 cm、10~20 cm和20~40 cm土层，云杉林地和沙棘灌木地CPMI均高于对照组；在40~60 cm和60~100 cm土层，仅云杉林地CPMI高于对照组。在0~100 cm中，云杉林地CPMI较对照组高出42.69 %，沙棘灌木地、小麦地和苜蓿地分别比对照组低8.91 %、44.35 %和47.81 %。

2.5 土壤理化性质及碳组分与CPMI之间的相关性

从土壤基本理化性质、各有机碳组分与土壤碳库管理指数之间的相关性分析（图4）可知，CPMI与土壤容重、含水量呈显著正相关关系（P<0.05）；CPMI与pH呈显著负相关（P<0.05）；与TN、SOC、MBC、EOC、DOC呈极显著正相关关系（P<0.01）。

3 讨论

3.1 不同土地利用方式土壤有机碳的变化特征

土壤有机碳是土壤养分中的基础组分之一^［30］，其含量的高低可以体现区域土壤养分的状况。本研究显示，随着土层加深，各土地利用方式土壤有机碳含量呈减小趋势，表明土壤有机碳含量的分布具有很强的表聚性。一方面这是由于植物的枝叶残体和根系大部分分布于表层土壤中，且表层土壤水热条件较好，土壤通气情况较好，微生物活动较强，容易将凋落物分解^［31］。另一方面随着土层加深，植物根系分布的减少，更加结实的下层土壤也阻挡了有机碳的下渗^［32］。在0~100 cm土壤有机碳含量在不同土地利用方式之间有明显差异，所以土地利用方式的差异会对土壤中有机碳的含量产生直接影响，不同土地利用方式由于其不同的水热条件、植物枯枝落叶的输入量、根系分泌物等对土壤有机碳产生不同影响^［33］。研究表明乔木林地土壤有机碳高于灌草地（图1），这与前人的研究结果表现一致^［34］。而造成这种现象的原因可能就是云杉树木的根系普遍都比较发达，对各层土壤有机碳的累积起重要作用；乔木生长茂盛，物种极其丰富，另外还有大量的草本植物共生^［35-36］，能通过表层土壤动植物残体、深层根系分泌及土壤微生物为土壤输送有机碳^［30］，这使得云杉林地各层土壤养分的含量要高于灌草地。

3.2 不同土地利用方式土壤活性有机碳的变化特征

土壤活性有机碳的来源包括植物凋落物、根系分泌物等，落叶、枝条等植物残体对于外部环境条件的反应比较敏感，会经微生物分解转化为腐殖质，而腐殖质是土壤碳库的重要部分^［37］；根系分泌物是根系生长过程中释放的有机物质^［38］，这些都会影响生态系统碳循环^［39］。土壤MBC是由土壤微生物活动决定的^［40］，试验结果表明，沙棘林地土壤MBC含量显著高于其它土地利用方式，与同类研究结果相符^［41］。这是因为沙棘林地的侧根系十分发达，根迹微生物数量及种类均高于其他4种土地利用方式^［42］。沙棘林地土壤MBC随土层加深表现出“升—降”的趋势，因为沙棘林地0~10 cm层枯落物较少，水分含量较20~40 cm层低，因此20~40 cm层微生物活性较高，有利于有机质的矿化分解，并且使有机质向MBC周转率速度得到了提高^［43］。土壤 MBC 显著受土表凋落物、有机物料、土壤水热效应等因素的影响，而植物残体等有机物料在腐解过程中对土壤温度、水分及微生物的生存环境也有一定调节作用，同时影响着微生物数量和活性，从而影响碳的分解、释放、转移与利用^［44］。土壤EOC作为评价土壤碳库的敏感性指标，是有机碳中最先被氧化且周转最快的部分^［45］。土壤DOC具有可溶性强、转移速度快的特点^［46］，主要来自于有机质的直接溶解^［47］。0~100 cm层云杉林地土壤EOC、DOC含量显著高于其它土地利用方式，与有机碳含量表现一致，与袁知洋等研究结果一致^［48］。这是由于云杉林地土壤表层枯落物和死亡草本增加，而凋落物经微生物作用的循环是EOC的重要来源^［49］，且云杉林地枯落物的淋溶产物、植物根系分泌物、土壤中积累的固态有机碳的淋溶、微生物的代谢产物都会使其有较高的DOC含量^［50］。5种土地利用方式间土壤活性有机碳较有机碳含量差异显著，这说明土壤活性有机碳更能反映出土壤性质的微小变化，与其他学者研究结论一致^［21］。

3.3 不同土地利用方式土壤理化性质、碳组分与CPMI的关系

碳库管理指数能敏感反映有机碳含量的变化^［51］，数值越高说明有机碳更易被微生物所降解和吸收，同时，碳库质量也会相应提高^［52］。本试验表明：5种不同的土地利用方式0~100 cm层云杉林地碳库管理指数高于对照组，沙棘灌木林、小麦地和苜蓿地土壤碳库管理指数都比对照组低。由此可得，林地更助于黄土丘陵区土壤系统的良性发展，这与崔东等^［53］研究结果一致。

本研究中土壤容重、含水量和CPMI呈显著正相关关系，这是因为容重增加意味着土壤紧实度增大，促进了土壤团聚体的形成，有助于有机碳进行固定，含水量增加提高了土壤微生物活性，从而导致活性有机碳组分含量增加^［54］进而使得碳库管理指增加。此外，土壤全氮含量与CPMI呈极显著相关，与曾从盛等^［55］的研究结果一致，这可能与微生物参与土壤氮和碳的转化有关。土壤pH是反映土壤质量的重要因子，其对土壤营养物质的生成与转换具有直接的作用，同时也与土壤的微生物活动有很大关系^［56］。本试验表明，土壤pH与土壤含水量、容重、TN相比，对于土壤有机碳组分含量影响较小，土壤pH与MBC、EOC之间存在显著或极显著负相关关系，这与其他研究结果一致^［57］。本研究还表明，土壤SOC、MBC、EOC、DOC与CPMI呈极显著正相关关系（P<0.01），且碳组分与SOC含量之间的相关性也达到了显著水平（P<0.05），这说明土壤活性碳组分含量与土壤有机碳含量密切相关，碳组分含量的高低能反映碳库管理指数，与滕臻等^［58］的研究结果一致。

4 结论

本研究通过对不同土地利用方式下土壤有机碳组分和碳库管理指数的分析，得出各处理间活性有机碳较有机碳含量差异显著，说明土壤活性有机碳对土壤性质变化的响应更敏感；不同土地利用方式下，SOC、MBC、EOC、DOC含量和CPMI差异显著（P<0.05），且云杉林地显著增加了土壤TN、含水量、SOC、EOC和DOC含量，提高了土壤碳库管理指数；土壤容重、含水量、TN和有机碳组分等是决定土壤碳库稳定性的重要原因。综上所述，在陇中黄土高原地区，不同土地利用方式显著影响了土壤有机碳组分和碳库管理指数。此外云杉林地能通过提高土壤有机碳组分来提升土壤碳库管理指数进而提高土壤的固碳能力和可持续生产能力，可作为陇中黄土高原生态修复和植被恢复的首选立地方式。

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基金资助

甘肃省优秀博士生项目(22JR5RA843)

甘肃省科技厅青年科技基金项目(20JR10RA493)

2019年甘肃省环境污染预警与控制重点实验室开放课题项目(kleppc-2019-01)

甘肃省优秀研究生“创新之星”项目(2022CXZX-641)

甘肃省产业支持计划项目(2021CYZC-15)