全球1m深土层的有机碳贮量大约是陆地植被碳贮量的3倍、大气碳贮量的2倍(Lal, 1998), 森林土壤碳贮量为全球土壤碳贮量的73 %(Dixon et al., 1994), 这些碳库的变化被认为是导致大气碳库和全球气候变化的主要原因(Schlesinger, 1993; Watson et al., 2000; 徐德应, 1994)。当前, 对土壤碳库的动态过程与影响因素的认识仍有许多不清楚的地方, 主要表现在土地利用变化对土壤有机碳影响的机理方面(Houghton et al., 1993; Lal, 1998; Jackson et al., 2000)。究其原因主要是因为土壤碳库是由活跃库(active pool, 周转期在0.1~4.5 a)、慢变库(slow pool, 周转期在5~50 a)和惰性库(passive Pool, 周转期在50~3000 a)(Parton et al., 1987)或者保护性库与非保护性库等异质有机多组分矿质复合体组成, 并且这些复合体的变化与土壤内复杂的动态过程密切相关(Christensen, 1998)。因此, 揭示土地利用变化影响有机碳机理的关键之一, 就是要准确对土壤有机碳中不同的组分进行研究。

对土壤有机碳组分的研究早就是土壤学研究的一项内容。以前主要是用化学分析方法把土壤有机碳分为胡敏酸(包括胡敏素)和富里酸, 这对认识土壤有机质化学结构起到很大作用, 但这些方法对土壤有机质原状结构有破坏性, 所以分离的有机碳组分不能解释土壤有机碳库的稳定性, 也不能反映土地利用方式对有机碳影响的机制。由于应用物理分组方法对有机质结构破坏程度极小, 分离的有机碳组分能够反映原状有机质结构与功能, 尤其反映有机质周转特征(Christensen, 1992), 所以这种方法在土壤有机碳的研究中受到更多的重视。物理分组方法包括对土壤有机碳密度分组(density separates)和大小分组(size separates)。密度分组用来分开与矿质部分结合相对松散的部分(典型密度在1.8~2.0 g·cm^-3), 其中轻组有机质(light-fraction organic matter, LF-OM), 土粒密度小于1.8~2.0 g·cm^-3组分中的土壤有机质, 包括游离腐殖酸和植物残体及其腐解产物等, 周转期1~15 a, 是植物残体分解后形成的一种过渡有机质库, 它代表了中等分解速度的有机碳库, 其有机碳分配比例在0.4左右; 重组有机质(heavyfraction organic matter, 土粒密度大于1.8~2.0 g·cm^-3的土壤有机质组分, 主要由与粘土矿物牢固复合的腐殖物质组成)是一种有机矿质复合体, 属于分解速度极慢的有机碳库。用大小分组方法分出的颗粒有机质(particulate organic matter, POM), 周转期5~20 a, 是与沙粒结合(53~2000 μm)的有机碳部分, 属于有机质中慢库(slow pool), 这个库中有机碳主要来源于分解速度中等的植物残体分解产物(Camberdella et al., 1994)。近来, 一些研究者(Bernoux et al., 1998; Wang et al., 1999; Solomon et al., 2000; Motavalli et al., 2000)应用土壤有机质物理分组和同位素¹⁴C方法研究了土地利用变化对土壤碳库中不同定性组分的影响及土地利用变化过程中土壤碳稳定机制和影响因素(Skjemstad et al., 1999), 这些研究表明土地利用变化主要影响的是土壤有机碳组分中分解相对快的部分, 即轻组有机碳和颗粒有机碳。因此用物理方法分离土壤有机质不同组分, 对于准确评价土地利用变化影响土壤碳过程具有重要意义。

本文选择宁夏六盘山林区为研究地点, 应用土壤有机碳物理分组方法(密度与颗粒大小的物理分组方法), 通过对比分析典型灌木林、次生乔灌林和由这些类型转变的农田、牧草地及农田或牧草地转变的人工林土壤中物理组分有机碳分配及其在剖面分布差异, 对这个地区天然林变成农田、草地及农田、草地中造林对土壤有机碳影响的机理进行初步研究。为进一步深入开展土地利用变化影响土壤有机碳的研究和准确评价我国土地利用变化对土壤碳库影响提供一些依据。

1 研究地点概况

研究地位于宁夏固原县的赵千户林场, 属于六盘山自然保护区与农牧业活动区交错带(东经106°09′~106°30′、北纬35°15′~35°41′)。气候类型为暖温带半湿润区向半干旱区过渡的边缘地带。地形以石质山地为主, 海拔1800~2100m, 土壤以灰褐土为主。地带性植被为草甸草原和落叶阔叶林, 植被区系具有明显的过渡特征。年平均气温为5.8 ℃、年降水量为400~676 mm。本区天然植被开发利用始于春秋战国时期, 经几千年人类活动到现在已经形成了落叶阔叶次生林、杂灌林、人工林、农田、牧草地等多种土地利用方式镶嵌的格局(宁夏森林编辑委员会, 1990)。

2 研究方法 2.1 样地选择

根据宁夏固原地区近25a的历史资料, 本文将土地利用类型分为:天然次生林, 含山杨(Populus davidiana)、辽东栎(Quercus liaotungensis)及灌木; 次生林砍伐后形成的牧草地和农田; 农田或牧草地上营造的华北落叶松(Larix principis-rupprechtii)人工林。为了减少选择样地之间地形及气候的差异性, 在平缓的中上坡地段, 选择最为邻近、相同坡向和土壤类型的13 a、18 a和25 a生华北落叶松人工林各8块, 每块200m²; 辽东栎与山杨天然乔灌次生林各2块, 每块400m²; 虎榛子与荀子灌木为主的杂灌林8块, 每块为100m²; 牧草地和退耕农田各为8块, 每块为100m²。牧草地和农田为天然林破坏后形成的。

2.2 土壤有机碳测定

在秋末采集土样。对每块样地, 先挖取典型土壤剖面, 观察剖面特征, 用100 cm³环刀测定土壤容重。采用S形的布设方法, 在各个样地内布设25个点, 除去枯枝落叶层后, 用5 cm内径的土钻分0~10、10~20、20~30、30~40、40~50、50~70、70~90、90~110 cm采集土壤样品。将各个样地的土样按照层次进行分层混合, 然后用四分法取出足够样品, 自然风干后过2mm孔径的土壤筛, 以K₂Cr₂O₇(稀释热法)测定有机碳含量(见表 1)。

2.3 颗粒有机质中有机碳分配

土壤中颗粒有机质组分指土壤中与沙粒结合的有机质(直径53~2000 μm), 并进一步可能结合在土壤大团聚体(macroaggregates)与微团聚体(microaggregates)中。这类有机质组分主要由与沙粒结合的植物残体半分解产物组成, 相对与土壤粘粒和粉粒结合的土壤有机质被认为是有机碳中的非保护性部分(Gregorich et al., 1992)。非保护性部分最易受到土地利用方式的影响。测定方法:取20.00 g干土, 过2 mm孔径土壤筛, 然后把土样放在100mL (NaPO₃)₆(5 g·L^-1)的水溶液中, 先手摇15min, 再用震荡器(90 r·min^-1)震荡18 h。把土壤悬液过53 μm筛, 反复用蒸馏水冲洗, 把所有留在筛子上的物质, 在60 ℃下过夜烘干称量, 计算这些部分占整个土壤样品质量的比例。通过分析烘干样品中有机碳含量, 计算颗粒有机质中的有机碳含量, 再换算为单位质量土壤样品的对应组分有机碳含量。以颗粒有机质中有机碳含量值除以土壤有机碳总含量得到颗粒有机碳的分配比例(Garten et al., 1999)。

2.4 轻组有机质中有机碳分配

轻组有机质起源于植物残体, 可利用一定密度(1.8~2.0 g·cm^-3)的重液(heavy liquids)从土壤有机质中分离。选用的重液的密度和种类不同, 分离的效果会有一定差异, 但是, 采用相同(密度)的重液, 则对不同土地利用方式的评价是比较合理的(Christensen, 1992)。分离方法:称取经过2mm筛子的风干土样5.00 g, 放在25mL的CaCl₂(1.80 g·cm^-3)重液中, 震荡18 h, 然后用真空管吸取悬浮部分, 把它用3号砂芯漏斗过滤, 并用重液反复(3次)冲洗在瓶底的样品, 用同样方法吸取悬液部分和过滤。把在漏斗上的部分在60 ℃下烘干16 h, 称取烘干后质量, 计算这些烘干样品质量占总土壤样品质量的比例后, 再取出部分样品用于分析有机碳含量。根据计算的比例和有机碳含量, 计算轻组中有机碳在整个样品中的含量。以轻组有机碳含量值除以土壤有机碳总含量得到轻组有机碳的分配比例(Garten et al., 1999)。

2.5 非保护性有机碳分配

物理保护是土壤有机碳的重要保护机制, 这种保护机制主要是通过土壤有机质与土壤中不同大小粒子结合成复合体或团聚体, 起到隔离微生物的作用, 使微生物难于靠近有机质进行分解而起到保护作用。有机质与土壤颗粒结合的强度、方式不同, 保护的程度也不同。用密度或大小分组的方法, 可以把不同的非保护性部分分离出来(Christensen, 1998), 颗粒有机质和轻组有机质就代表了土壤有机质中的非保护性组分。由于分离方法不同, 以上两个单独部分都不能充分代表土壤有机碳中的非保护性部分, 因此以有机碳在颗粒有机质中和轻组有机质中的分配比例的平均值来表示土壤有机碳在非保护性库中的分配比例(Garten et al., 1999)。

3 结果分析 3.1 土地利用变化对土壤轻组有机碳的影响 3.1.1 不同土地利用方式下土壤轻组有机碳

表 2为不同土地利用方式下0~110 cm土层轻组有机碳分配比例。可以看出, 在0~110 cm土层轻组有机碳分配比例为0.231~0.304, 天然次生林为0.23~0.35, 而落叶松人工林为0.307~0.344, 不同样地间变异系数为0.24~0.51, 其中天然林0.25~0.44, 人工林0.23~0.51。在不同土地利用方式之间, 人工林(13 a、18 a和25 a生华北落叶松林)、农田与牧草地中比天然次生林(杂灌木林, 山杨林和辽东栎林)高(表 2)。这说明天然林破坏后形成农田或牧草地, 使轻组有机碳分配比例增加。轻组有机碳含量反映轻组有机碳的绝对数量。根据图 1数据计算, 人工林在0~110 cm土层轻组有机碳含量比农田和牧草地分别高100 %和27 %以上, 而农田和牧草地分别比天然次生林低46 %和14 %以上。说明天然林变成农田使轻组有机碳含量显著减少, 而农田退耕还林能够明显增加轻组有机碳含量。

3.1.2 轻组有机碳在土壤剖面的分布

在不同土层, 由于植被根系分布、生物活动、人工扰动等影响不同, 轻组有机碳在土壤剖面分布也不同。从表 3和图 2可以看出, 轻组有机碳分配比例总体随土层深度增加而降低, 而且在土壤剖面表现明显层次性。即:0~10 cm为一个土层组, 称为表层组, 10~20、20~30、30~40 3个土层为一组, 称为主根系层组; 40~50、50~70、70~90 cm 3个土层为一组, 称为次根系层组; 90 cm以下为一组, 称为根系底层组。各个土层组内差异不显著, 而组间差异显著(表 3)。轻组有机碳含量在土壤剖面分布也表现出类似的趋势(表 4)。

天然次生林、人工林轻组有机碳比例随土层深度增加而递减, 变化幅度比农田、牧草地大。在相同土层中, 不同土地利用方式轻组有机碳分配不同。天然林与农田、牧草地的分配比例差异主要在0~40 cm土层, 人工林与农田、牧草地的分配比例差异主要在0~30 cm土层(图 2)。同样, 与农田、草地相比, 天然次生林、人工林轻组有机碳含量随土层加深而递减的幅度也较大, 而且天然林与农田、牧草地轻组有机碳含量差异也主要在0~40 cm土层, 人工林与农田、牧草地差异主要在0~30 cm土层(表 4)。说明天然次生林变成农田或牧草地, 主要使0~40 cm土层的轻组有机碳发生改变, 而农田或牧草地中造林, 则主要使0~30 cm土层的轻组有机碳发生改变。

3.2 土地利用变化对颗粒有机碳的影响 3.2.1 不同土地利用方式下土壤颗粒有机碳

颗粒有机碳是与土壤结构具有密切关系的有机碳组分, 也是一种非保护性有机碳组分。它很容易受到土地利用方式的影响, 颗粒有机碳分配比例反映这个组分有机碳的相对数量。表 5是不同土地利用方式在0~110 cm土层中颗粒有机碳平均分配比例, 从表中可以看出不同土地利用方式颗粒有机碳分配比例在0.270~0.328之间, 样地之间的变异系数在0.12~0.37之间。在不同土地利用方式间, 天然林比人工及农田低, 牧草地与天然林接近。这说明天然次生林破坏后, 若变成农田使颗粒有机碳的相对数量增加, 而变成牧草地对颗粒有机碳的相对数量影响不大; 退耕造林对颗粒有机碳的相对数量影响不大, 而牧草地中造林能够使颗粒有机碳的相对数量增加。不同土地利用方式的0~110 cm土层颗粒有机碳含量也显著不同(图 3)。从图 3数据计算, 13 a、18 a、25 a生落叶松人工林比农田分别高79 %、197 %、147 %, 人工林比牧草地高47 %以上; 而农田和牧草地比天然林(辽东栎、山杨林、灌木林)分别低38 %和25 %以上。说明天然林变成农田使颗粒有机碳含量显著降低, 而退耕还林却使颗粒有机碳含量增加。

3.2.2 土壤颗粒有机碳在土壤剖面的分布

与轻组有机碳类似, 由于根系分布及受其它因素的影响, 颗粒有机碳的分配比例在土壤剖面上也表现一定的层次性。表 6和图 4是不同土地利用方式在不同土壤深度的颗粒有机碳分配比例变化。可以看出, 颗粒有机碳分配比例随土层加深而递减, 其范围为0.18~0.32。与轻组有机碳相同, 各个测定土层按照颗粒有机碳的分配比例同样可以归并为表层组, 主根系层组, 次根系层组和根系底层组。组内的各层之间差异不显著, 组间差异显著。

不同土地利用方式下颗粒有机碳的含量在土壤剖面分布也表现出一定的层次性(表 7)。表 7中显示, 颗粒有机碳含量总体上也随土层加深而下降。各个测定土层同样可以归并为表层组, 主根系层组, 次根系层组和根系底层组, 组内的各层之间差异不显著, 组间差异显著(表 7)。

不同土地利用方式颗粒有机碳分配比例随土层加深而递减的幅度不同(图 4), 天然次生林和人工林幅度的递减较大, 天然次生林与农田、牧草地的差异主要在0~70 cm土层, 人工林与农田、草地的差异主要在0~50 cm土层。

3.3 土地利用变化对非保护性有机碳的影响 3.3.1 不同土地利用方式下非保护性有机碳分配比例

颗粒有机碳和轻组有机碳是用不同方法分离出的非保护性有机碳组分, 虽然它们性质类似, 但是起源和组成不同, 单独应用其一不能全面代表土壤有机碳中非保护性组分, 把两种组分结合起来则能比较全面反映有机碳非保护性组分性质。

表 8是不同土地利用方式0~110 cm土层深度非保护性有机碳组分分配比例。可以看出, 非保护性有机碳分配比例在0.224~0.320之间, 不同样地的变异系数在0.19~0.41之间。不同土地利用方式之间, 农田与人工林比天然林高, 牧草地比杂灌林和山杨林高, 但与辽东栎林接近(表 8)。说明天然林破坏形成农田导致非保护性有机碳分配比例增加, 退耕造林对非保护性有机碳分配比例影响不大。天然林变成牧草地总体上对非保护性有机碳分配比例影响不大, 而牧草地中造林则使非保护性有机碳的相对数量增加。

3.3.2 非保护性有机碳分配比例在土壤剖面的分布

不同土层深度土壤碳受土地利用方式的影响程度不同, 非保护性有机碳分配比例也不同。表 9和图 5是不同土地利用方式土壤有机碳在非保护性库分配比例随土层深度变化趋势。可以看出, 非保护性有机碳分配比例随土层加深而下降, 其中在10~20、20~30、30~40 cm 3个土层之间、40~50、50~70、70~90 cm 3个土层之间差异不显著, 而在0~10、10~40、40~90和90~110 cm土层组之间差异显著(表 9)。说明非保护性有机碳占总有机碳的比例在土壤剖面分布与颗粒有机碳和轻组有机碳表现出类似层次性。

在不同土地利用方式中, 非保护性有机碳分配比例随土层加深而下降。天然次生林和人工林非保护性有机碳分配比例随土层深度变化幅度较大。农田、牧草地与天然林之间差异主要在0~50 cm土层, 人工林与农田、牧草地的非保护性有机碳分配比例差异主要在0~40 cm土层。说明天然次生林变成农田或牧草地, 主要使0~50 cm土层的非保护有机碳改变, 而农田或牧草地中造林则主要使0~40 cm土层的非保护有机碳改变。

4 讨论

轻组有机碳是土壤有机碳易于改变的部分。Dalal和Mayer(1987)发现轻组有机碳含量容易受到植被类型、土地利用变化和枯枝落叶层类型及其分解的影响, 尤其耕作能够减少轻组有机碳含量。本文研究发现不同土层深度轻组有机碳平均含量在人工林比农田高, 而农田比天然次生林低。同样, Conteh等(1997)发现天然植被土壤中轻组有机碳含量比耕作土壤中高, 认为轻组有机碳变化主要和土壤团聚体关系密切, 耕作主要通过减少土壤团聚体的稳定性而改变轻组有机碳含量及分配比例。当然, 人工林与天然林的有机碳输入量比农田与牧草地大, 会使有机碳总的含量改变。这些变化进一步影响轻组有机碳的分配比例(Camberdella et al., 1993)。由于不同土层深度根系分布及相关土壤性质的差异, 轻组有机碳分配比例在土壤剖面表现出明显层次性。Spycher等(1983)发现轻组有机碳分配比例随土层加深而下降, 其中在0~3 cm占到0.53, 在这个土层以下占到0.25~0.35。Skjemstad等(1999)发现表层土壤有机碳最容易受土地利用变化的影响, 并且随着土层加深土壤有机碳的非保护性碳库所占比例减小。本文的结果和这些结果基本相符。Garten等(1999)发现, 在不同土地利用方式中, 轻组有机碳分配比例类似, 变化范围为0.21~0.29。本研究结果表明, 这个分配比例随土层加深而递减, 变化范围为0.23~0.35。本研究还发现天然次生林变成农田或草地使轻组有机碳含量降低, 但是轻组有机碳的比例却增加。这可能因为牧草地和农田中的输入量比天然次生林低, 导致轻组有机碳含量和总有机碳含量的降低, 而耕作可能导致土壤团聚体破坏使轻组有机碳部分增加, 这样使其比例部分增加, 牧草地对土壤团聚体的影响相对较小。人工林虽然通过生物量增加使轻组有机碳和总有机碳含量都增加, 但是植被单一, 在造林中土壤受到了较大扰动, 形成的土壤团聚体大小和数量均低于天然林, 所以总体上人工林中的轻组有机碳也比天然林高。

颗粒有机碳组分也容易受到土地利用方式, 尤其是耕作的影响。如Franzluebbers和Arshad (1997)发现耕作使颗粒有机碳加速分解。Chan(1997)发现在把草地变成农田之后, 首先流失的是颗粒有机碳, 在0~5 cm土层, 天然草地与农田的有机碳有70 %的差异。本文结果显示在不同土层深度的颗粒有机碳平均含量人工林比农田和牧草地分别高79 %和47 %以上; 农田和牧草地比天然林分别低38 %和25 %以上。这种变化主要和土壤团聚体关系密切, 天然次生林变成农田或草地之后, 有机碳输入量减少, 使总有机碳和颗粒有机碳形成量减少, 同时也使土壤团聚体的形成及原先土壤团聚体破坏, 导致了颗粒有机碳含量和分配比例改变。颗粒有机碳分配比例综合了土壤有机碳绝对含量与颗粒有机碳含量。从这个指标, 可以表明土地利用方式影响有机碳稳定性的强度, 排除有机碳总量的差异。Garten等(1999)发现颗粒有机碳的分配比例变化范围在0.11~0.44, 而且不同立地之间总体差异不显著。本文研究表明, 这些颗粒有机碳分配比例在农田和人工林比天然林高和牧草地高。这主要可能人工林和农田耕作导致了保护性有机碳组分被破坏, 形成了非保护性的颗粒有机碳。说明人工林与农田都可能导致土壤中保护性有机碳相对减少。

土地利用变化影响土壤有机碳的原因主要是通过改变有机碳的保护性而影响有机碳的稳定性, 进而改变有机碳的分解率。Motavalli等(2000)发现在森林皆伐清除和耕作后的5 a, 将导致游离有机碳迅速损失。Solomon等(2000)发现把热带森林变成农田后, 稳定有机质大量下降, 耕作使大量的活跃有机碳释放。Bernoux等(1998)发现森林燃烧变成草地后, 以前稳定的有机碳部分将变得不稳定。本文研究表明农田和人工林可能破坏了有机碳的稳定性使之变成非保护有机碳组分, 天然林使有机碳形成保护性部分而相对稳定。说明天然次生林能够增加有机碳的稳定性而有利于有机碳长期积累。

5 结论

土地利用变化对土壤轻组有机碳、颗粒有机碳及非保护性有机碳都有影响。天然次生林变成农田或牧草地使轻组和颗粒有机碳含量降低, 而变成农田使轻组和颗粒有机碳分配比例增加, 变成牧草地却对其影响较小。天然次生林变成农田使非保护性有机碳相对数量增加, 而农田中造林后却影响较小。天然次生林变成牧草地对非保护性有机碳相对数量影响较小, 而牧草地中造林则使非保护性有机碳相对数量增加。土地利用方式对土壤有机碳影响的重要机制可能就是改变土壤有机碳的稳定性。天然林变成农田使土壤有机碳稳定性降低, 而变成牧草地则影响较小。在农田中造林之后, 对土壤有机碳的稳定性影响较小, 而在牧草地中造林则使土壤有机碳稳定性降低。

土地利用变化主要对0~50 cm土层内的土壤物理组分有机碳产生影响。这些有机碳组分含量及分配比例总体上随土层深度增加而降低, 并在土壤剖面中分布表现为表层组(0~10 cm)、主根系层组、次根系层组、根系底层组(90 cm以下)几个土壤层次, 这些组分含量及分配比例在各个土壤层组内差异较小, 而在层组之间差异较大。

本文研究的土地利用变化类型有限, 对这些有机碳物理组分的性质研究的深度还不够, 上述结论可能有一定的误差。所以, 建议能够更加深入广泛研究这些用物理分组有机碳的性质, 以能够对深入认识土地利用变化影响有机碳的机制方面起到一定的推动作用。