退耕还草对土壤碳库活度及团聚体活性有机碳组分分布的影响.pdf

第3 0卷第5期2 0 2 3年1 0月水土保持研究R e s e a r c ho fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o nV o l.3 0,N o.5O c t.,2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-0 7-2 4 修回日期:2 0 2 2-0 8-2 1 资助项目:国家自然科学基金面上项目“黄土高原退耕还草土壤有机无机碳耦合过程对团聚体稳定性的影响机制”(4 1 8 7 7 0 3 7)第一作者:李映雪(1 9 9 5),女,内蒙古包头人,在读硕士研究生,主要从事草地土壤生态学研究。E-m a i l:l i y i n g x u e n w a f u.e d u.c n 通信作者:赵巍(1 9 7 9),男,湖北赤壁人,博士,副研究员,博士生导师,主要从事土壤化学与生态研究。E-m a i l:a o e i n w a f u.e d u.c nh t t p:s t b c y j.p a p e r o n c e.o r gD O I:1 0.1 3 8 6 9/j.c n k i.r s w c.2 0 2 3.0 5.0 0 7.李映雪,臧真凤,张瑜,等.退耕还草对土壤碳库活度及团聚体活性有机碳组分分布的影响J.水土保持研究,2 0 2 3,3 0(5):2 4 1-2 4 9.L IY i n g x u e,Z A N GZ h e n f e n g,Z HA N GY u,e ta l.C h a n g e s i nS o i lC a r b o nP o o lA c t i v i t ya n dD i s t r i b u t i o no fL a b i l eO r g a n i cC a r b o nC o m p o s i t i o ni nS o i lA g g r e g a t e sF o l l o w i n gC o n v e r s i o no fF a r m l a n d t oG r a s s l a n do n t h eL o e s sP l a t e a uJ.R e s e a r c ho fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o n,2 0 2 3,3 0(5):2 4 1-2 4 9.退耕还草对土壤碳库活度及团聚体活性有机碳组分分布的影响李映雪1,2,臧真凤1,2,张 瑜1,2,王怡楠1,2,赵 巍1,2,3(1.西北农林科技大学 草业与草原学院,陕西 杨凌7 1 2 1 0 0;2.西北农林科技大学 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西 杨凌7 1 2 1 0 0;3.中国科学院 水利部 水土保持研究所,陕西 杨凌7 1 2 1 0 0)摘 要:目的 揭示黄土高原地区退耕还草对土壤团聚体活性有机碳的影响,阐明植被恢复过程中土壤碳库质量和稳定性的调控因素,为评估土壤碳固存潜力和有机碳积累机制提供理论参考。方法 以安塞纸坊沟流域不同退耕年限(7a,1 8a,3 5a和4 5a)土壤为研究对象,选取耕地作对照,分析了01 0c m土层团聚体分布及其稳定性、不同粒级团聚体(52mm,20.2 5mm,0.2 50.0 5 3mm和0.2 5mm粒级大团聚体中,低活性有机碳主要存在于0.2 5mm粒级微团聚体中。团聚体不同活性有机碳组分的积累主要受土壤总有机碳、可溶性有机碳、全氮和全磷等营养元素含量调控。结论 在黄土高原植被恢复过程中,土壤结构和营养元素的综合效应共同决定活性有机碳在团聚体中的分布。关键词:土壤团聚体;活性有机碳;退耕还草;黄土高原中图分类号:S 1 5 3.6 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 5-3 4 0 9(2 0 2 3)0 5-0 2 4 1-0 9C h a n g e s i nS o i lC a r b o nP o o lA c t i v i t ya n dD i s t r i b u t i o no fL a b i l eO r g a n i cC a r b o nC o m p o s i t i o n i nS o i lA g g r e g a t e sF o l l o w i n gC o n v e r s i o no fF a r m l a n dt oG r a s s l a n do nt h eL o e s sP l a t e a uL IY i n g x u e1,2,Z ANGZ h e n f e n g1,2,Z HANGY u1,2,WANGY i n a n1,2,Z HAO W e i1,2,3(1.C o l l e g eo fG r a s s l a n dA g r i c u l t u r e,N o r t h w e s tA&FU n i v e r s i t y,Y a n g l i n g,S h a a n x i7 1 2 1 0 0,C h i n a;2.S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fS o i lE r o s i o na n dD r y l a n dF a r m i n go nt h eL o e s sP l a t e a u,N o r t h w e s tA&FU n i v e r s i t y,Y a n g l i n g,S h a a n x i7 1 2 1 0 0,C h i n a;3.I n s t i t u t eo fS o i la n dW a t e rC o n s e r v a t i o n,C h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e sa n dM i n i s t r yo f W a t e rR e s o u r c e s,Y a n g l i n g,S h a a n x i7 1 2 1 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:O b j e c t i v eT h e a i m so f t h i s s t u d ya r e t oe x a m i n e t h e i m p a c t o f c o n v e r s i o no f f a r m l a n d t og r a s s l a n di nt h er e g i o no ft h eL o e s sP l a t e a uo nl a b i l eo r g a n i cc a r b o n(h i g h,m o d e r a t e,a n dl o wl e v e l)i ns o i la g g r e-g a t e s,c l a r i f yt h er e g u l a t o r yf a c t o r sf o rs o i lc a r b o np o o lq u a l i t ya n ds t a b i l i t yd u r i n gv e g e t a t i o nr e s t o r a t i o n,a n dp r o v i d e t h e o r e t i c a l r e f e r e n c ef o re v a l u a t i n gs o i lc a r b o ns e q u e s t r a t i o np o t e n t i a la n do r g a n i cc a r b o na c c u-m u l a t i o nm e c h a n i s m.M e t h o d sS o i l s a m p l e s i n f o u r g r a s s l a n d r e s t o r a t i o ny e a r s(7y e a r s,1 8y e a r s,3 5y e a r sa n d4 5y e a r s)a n do n es a m p l e f r o mf a r m l a n d i nt h e01 0c ms o i l l a y e r i nZ h i f a n g g o uw a t e r s h e d i nt h eh i l l ya n dg u l l yr e g i o no f t h eL o e s sP l a t e a uw e r e c o l l e c t e d.T h ed i s t r i b u t i o na n ds t a b i l i t yo f a g g r e g a t e s,t h eo r g a n i cc a r b o n(S O C)a n d l a b i l eo r g a n i cc a r b o n(L O C)c o n t e n t s i ns o i l a g g r e g a t e s(52mm,20.2 5mm,0.2 50.0 5 3mma n d 0.2 5mm),L O C-L i nm i c r o-a g g r e g a t e s(0.2 5mm),而微团聚体(0.2 5mm)的有机碳矿化率较低1 7。然而,黄土高原退耕还草过程中指示土壤碳库稳定性的活性有机碳组分含量如何变化,活性有机碳组分在团聚体中的分布特征及其驱动因子尚不清楚。因此,本研究以黄土高原不同退耕还草年限土壤为研究对象,探究退耕还草过程中土壤团聚体特征及恢复年限和团聚体大小对活性有机碳组分含量及分布的影响,阐明植被恢复过程对土壤碳库质量和稳定性的影响,为评估植被恢复过程中土壤碳库质量和理解有机碳积累机制提供理论参考。1 材料与方法1.1 研究区概况研究区位于陕西省延安市安塞区纸坊沟流域内(3 6 7 4 3 6 8 0 N,1 0 9 2 3 1 0 9 2 5 E),海拔11 1 312 4 1m,多年平均气温8.8,年降水量5 4 1.2mm,集中于79月。流域内土壤类型以由黄土母质发育而来的黄绵土为主,结构疏松,抗侵蚀能力差。由于过度开垦植被遭到严重破坏,流域生态系统严重退化。1 9 7 3年开展生态修复综合治理后,该地一些废弃陡坡耕地逐渐演替为天然草地,主要优势物种为铁杆蒿(A r t e m i s i a242 水 土 保 持 研 究 第3 0卷g m e l i n i i)、阿尔泰狗娃花(H e t e r o p a p p u sa l t a i c u s)、兴安胡枝子(L e s p e d e z ad a u r i c a)、糙隐子草(C l e i s-t o g e n e s s q u a r r o s a)和赖草(L e y m u s s e c a l i n u s)等。1.2 样品采集2 0 2 1年1 0月,在全面踏查的基础上,根据文献查阅与居民走访的结果采集土壤样品。选取流域内不同退耕年限的自然恢复草地(分别退耕还草7a,1 8a,3 5a和4 5a)开展试验,各样地退耕前管理措施相似,主要种植作物是玉米(Z e a m a y s)和谷子(S e t a r i ai t a l i c a),自退耕后未受人为干扰,植被自然定植和生长。同时选取立地条件相似的坡耕地作为对照样地,耕地实行一年两熟玉米谷子轮作种植制度,采样当年种植玉米。所有选定的样地都具有相似的坡向、坡度、海拔和土质,样地具体信息见表1。表1 样地基本概况和土壤特征指标 处理耕地退耕7 a退耕1 8 a退耕3 5 a退耕4 5 a地理坐标3 6 7 4 3 9 N3 6 7 4 4 0 N3 6 7 4 4 0 N3 6 7 5 7 4 N3 6 8 0 0 6 N1 0 9 2 4 1 7 E1 0 9 2 4 2 8 E1 0 9 2 4 2 2 E1 0 9 2 5 1 5 E1 0 9 2 3 8 7 E坡度/()1 81 02 72 5坡向N b y E 1 0 N b y E 9 N b y E 2 6 N b y E 2 7 海拔/m1 2 3 51 2 3 21 2 4 11 2 1 01 1 1 3p H8.2 70.0 2 a8.3 50.0 4 a8.2 70.0 5 a8.3 10.0 2 a8.1 10.0 7 b总有机碳/(gk g-1)5.3 80.2 0 b4.2 30.0 5 b5.9 40.4 0 b6.7 60.6 8 b1 3.0 51.2 1 a全氮/(gk g-1)0.3 30.0 2 b0.2 10.0 1 b0.2 80.0 3 b0.3 50.0 2 b0.5 70.0 8 a全磷/(gk g-1)0.4 50.0 2 a0.3 40.0 1 b0.2 70.0 1 b0.2 40.0 1 b0.3 20.0 1 b可溶性有机碳/(gk g-1)0.2 70.0 2 b0.2 10.0 1 b0.2 50.0 2 b0.2 30.0 2 b0.4 50.0 2 a注:同行不同字母表示差异显著(p0.0 5)。在这些研究地点随机建立3个重复样地(1m1m),由于纸坊沟流域退耕还草样地大多以山坡为主,因此采样时选的所有退耕还草样地包含了上坡、中坡和下坡。去除地表凋落物后,在每个样地内按“S”型取样法用土钻(直径5c m)随机钻取9个表层(01 0c m)土壤样品,过2mm筛后混合成一份样品,在4储存下立刻运到实验室,一部分自然风干,一部分保存在4,用于土壤理化性质分析。在每个样地按照“五点取样法”采集原状土样装入铝制饭盒运回实验室,剔除小石块和植物残体,沿自然裂缝将土壤掰成直径8mm后过5mm土壤筛,将同一样地内的5个原状土混匀成一个土壤样品,最后风干土样。1.3 测定方法土壤团聚体采用湿筛法1 8进行分级,得到52mm,20.2 5mm,0.2 50.0 5 3mm和0.2 5)/MT(3)式中:xi为各粒级平均直径(mm);wi为各粒级水稳定性团聚体质量百分比(%);n为水稳定性团聚体总粒级数;Mr0.2 5为大于0.2 5 mm土壤团 聚体质量(g);MT为土壤团聚体总质量(g)。使用p H计测定土壤p H(土水比1 2.5);土壤总有机碳(T o t a lo r g a n i cc a r b o n,T O C)含量、团聚体有机碳(S o i l o r g a n i c c a r b o n,S O C)含量采用重铬酸钾氧化法测定2 0;土壤全氮(T o t a ln i t r o g e n,T N)采用凯式定氮法测定2 0;土壤全磷(T o t a lp h o s p h o r u s,T P)采用硫酸高氯酸钼锑抗比色法测定2 0;采用岛津T O C-L有机碳分 析 仪 测 定 土 壤 可 溶 性 有 机 碳(D i s s o l v e do r g a n i cc a r b o n,D O C)浓 度2 1。不 同 活 性 有 机 碳 组 分 采 用L o g n i n o w1 5提出的高锰酸钾氧化法测定,并进行了一些修改,具体方法如下1 3:称取含1 5 3 0m g碳的土壤样品于5 0 m l离心管,加入不同浓度(3 3.3,1 6 7,3 3 3mm o l/L)的KM n O4溶液2 5m l,密封震荡1h后,放入离心机以40 0 0r/m i n的转速离心5m i n,取上清液用去离子水稀释2 5 0倍,然后将稀释液于分光光度计5 6 5n m波长处比色,根据KM n O4消耗量得出3种活性有机碳的含量,分别记为C1,C2,C3,单位为g/k g(氧化过程中1mm o l/LKM n O4消耗9m g碳)。C1为高活性有机碳(H i g h-l a b i l eo r g a n i c c a r b o n,L O C-H)含量,C2和C1的差值为 中 活 性 有 机 碳(M o d e r a t e-l a b i l eo r g a n i cc a r b o n,L O C-M)含量,C3和C2的差值为低活性有机碳(L o w-l a b i l eo r g a n i cc a r b o n,L O C-L)含 量。土 壤 碳 库 活 度(C a r b o np o o l a c t i v i t y,A)依照以下公式计算:342第5期 李映雪等:退耕还草对土壤碳库活度及团聚体活性有机碳组分分布的影响A=L O C/(TO C-L O C)(4)式中:L O C为土壤总活性有机碳含量(g/k g),等于C3测定值;TO C为土壤总有机碳含量(g/k g)。1.4 统计分析采用S P S S2 4.0软件进行数据处理,采用单因素方差分析(o n e-w a yA N O V A)和D u n c a n检验比较不同处理下的参数差异(=0.0 5)。采用P e a r s o n相关系数评价不同因子间的相关关系,采用逐步回归分析不同活性有机碳的主要影响因素。使用O r i g i n2 0 2 1绘制柱状图和折线图,R4.1.0绘制主成分分析(P C A)图。2 结果与分析2.1 土壤水稳性团聚体分布及稳定性的变化随着草地恢复,土壤5 2mm团聚体占比不断增加,在退耕4 5a达到最高值(2 5.6 7%),而0.2 50.0 5 3mm团聚体占比整体呈降低趋势(图1)。退耕还草后,团聚体MW D,GM D和W A S值均高于耕地,并随退耕年限增加表现为先增加后略减小的分布特征,在退耕3 5a达到最大值。退耕3 5a的MW D,GM D和WA S较耕地分别增加1 7 7.1 5%,1 1 5.8 0%和8 2.5 8%。注:图中不同字母表示同一处理间差异显著(p0.0 5);误差棒为标准差。图1 不同退耕年限下团聚体粒级组成和稳定性的动态变化2.2 恢复年限对团聚体有机碳和活性有机碳的影响团聚体S O C含量显著受恢复年限影响(p 3 5a(6.2 3g/k g)耕地(5.7 1g/k g)1 8 a(4.7 5g/k g)7 a(4.1 1g/k g)。随退耕年限增加,除L O C-L外,其余两种活性有机碳组分含量均呈先降低后升高趋势,并在退耕4 5a达到最大。退耕4 5a L O C-M较耕地增幅近两倍(1 6 5.9 6%),其次是L O C-H(6 8.3 0%)和L O C-L(4 8.2 3%)。L O C-L在耕地中含量最低,退耕还草7a,1 8a,3 5a和4 5a的L O C-L含量较耕地分别增长4 2.8 1%,3 2.1 4%,8 2.0 1%和4 8.2 3%。2.3 团聚体粒级对土壤有机碳和活性有机碳的影响团聚体中土壤有机碳和活性有机碳含量显著受团聚体粒级分布的影响(图2)。0.2 5mm粒级(p0.0 5,退耕1 8a除外)。各样地L O C-H均以储存在5 2mm粒级为主(退耕1 8a除外),5 2mm粒级L O C-H含量(0.9 1g/k g)显著高于0.2 50.0 5 3mm(0.6 9g/k g)和0.0 5 3mm(0.6 1g/k g),且随粒级减小含量逐渐降低(p0.0 5)。相同恢复年限下,0.0 5 3mm团聚体L O C-H和L O C-M含量最低,约为52mm团聚体浓度的2/3。L O C-L含量随粒级减小逐渐增大(退耕1 8a除外),0.0 5 3mm团聚体L O C-L含量显著高于其他粒级(p0.0 5),20.2 5mm,0.2 50.0 5 3mm和0.0 5,图3),呈整体波动变化的趋势,并在退耕3 5a达到峰值(0.7 7)。草地恢复对L O C-M和L O C-L组分分布有显著影响(p0.0 5),同时降低L O C-H的相对质量分数(图4)。退耕初期(7a)和中期(1 8a和3 5a)土壤L O C-M比例下降,L O C-M占比上升,退耕7a,1 8a和3 5a的L O C-L质量分数较耕地分别增加了7.2 1%,1 7.7 5%和1 4.9 6%;退耕后期(4 5a)土壤L O C-L显著向L O C-M转变(p0.0 5)。不同退耕年限下土壤理化性质与活性有机碳组分及碳库活度的P C A分析如图5所示,2个主坐标累计解释了8 0.7%的总方差。L O C-L相对质量分数及碳库活度与p H和团聚体稳定性(W A S,GM D,MW D)密切相关,L O C-H和L O C-M的 分 布 与 土 壤 营 养 元 素(TO C,D O C,T N,T P)具有较高的正相关性。2.5 土壤团聚体不同活性有机碳与土壤理化性质的相关性分析不同粒级团聚体中不同活性有机碳与土壤p H,T O C,T N,T P,D O C和团聚体稳定性显著相关(pr(20.2 5mm)r(r(0.2 50.0 5 3mm)。L O C-H,L O C-M与p H呈极显著负相关(p0.0 1),且以20.2 5mm团聚体的相关系数最大(0.9 0 7)。52mm团聚体和0.2 5 0.0 5 3mm团聚体L O C-L与T P显著负相关,而与WA S,MWD和GMD显著正相关。52mm粒级L O C-L与T P,WA S,MWD和GMD的相关性最大。注:S O C为土壤有机碳,L O C-H为高活性有机碳,L O C-M为中活性有机碳,L O C-L为低活性有机碳;图中不同小写字母表示同一处理各粒级间差异显著(p0.0 5);不同大写字母表示同一粒级各处理间差异显著(p0.0 5);误差棒为标准差。图2 不同年限土壤团聚体有机碳和活性有机碳组分变化2.6 土壤性质与团聚体不同活性有机碳分布的逐步回归对影响团聚体不同活性有机碳的土壤因子进行逐步回归,得出最优的多元线性回归模型,筛选出显著性影响因子(表3)。回归方程通过F检验均达到了显著水平(p0.0 1),说明团聚体活性有机碳含量542第5期 李映雪等:退耕还草对土壤碳库活度及团聚体活性有机碳组分分布的影响和全土理化性质间存在一定的相关关系。逐步回归结果 表 明,影 响L O C-H的 主 要 因 素 是D O C和TO C,D O C贡献较大;影响L O C-M的主要因素是T N;T P对L O C-L影响较大。表2 团聚体不同活性有机碳含量与全土理化性质的相关关系参数粒径p HTO CTNT PDO CWA SMWDGMDL O C-H52mm-0.8 2 9*0.9 4 1*0.9 3 9*-0.0 2 90.8 7 6*0.2 0 20.4 5 20.1 7 820.2 5mm-0.9 0 7*0.9 1 0*0.9 1 9*0.0 6 80.8 7 8*0.1 2 20.3 4 40.0 6 30.2 50.0 5 3mm-0.8 7 8*0.8 4 6*0.9 0 0*0.1 0 00.8 2 1*0.1 1 30.3 0 20.0 6 60.0 5 3mm-0.8 4 2*0.8 7 5*0.9 2 6*0.1 0 80.8 6 4*0.1 3 30.3 4 40.1 3 0L O C-M52mm-0.8 1 9*0.9 6 5*0.9 0 6*-0.0 6 10.9 2 5*0.2 2 60.4 2 70.1 2 820.2 5mm-0.8 4 7*0.9 5 5*0.9 6 0*0.0 3 60.9 3 3*0.1 5 00.3 9 40.1 2 20.2 50.0 5 3mm-0.8 5 2*0.9 2 8*0.9 3 1*0.0 3 50.8 6 7*0.1 0 70.3 6 00.0 7 20.0 5 3mm-0.8 7 7*0.9 5 3*0.9 3 6*0.0 1 10.9 4 5*0.1 7 20.3 8 00.0 7 7L O C-L52mm0.2 2 1-0.0 1 6-0.0 4 1-0.6 5 1*-0.1 5 70.7 1 2*0.6 7 3*0.7 5 3*20.2 5mm-0.0 0 60.2 3 10.0 4 5-0.6 0 1*0.1 4 70.5 6 5*0.4 8 80.4 2 80.2 50.0 5 3mm0.1 5 70.2 4 50.0 9 1-0.6 0 9*0.1 1 70.5 3 3*0.6 3 4*0.5 3 2*0.0 5 3mm0.1 6 00.0 8 20.0 9 7-0.0 0 7-0.0 1 8-0.0 8 40.0 4 6-0.0 6 2注:*p0.0 1,*p0.0 5;样本数n=1 5;自由度d f=1 3;L O C-H为团聚体高活性有机碳,L O C-M为团聚体中活性有机碳,L O C-L为团聚体低活性有机碳。注:图中不同字母表示同一处理间差异显著(p 0.0 5);误差棒为标准差。图3 土壤碳库活度的变化注:L O C-H为 全 土 高 活 性 有 机 碳,L O C-M为 全 土 中 活 性 有 机 碳,L O C-L为全土低活性有机碳;图中不同字母表示同一处理间差异显著(p0.0 5)。图4 土壤活性有机碳库相对质量分数的变化3 讨 论3.1 退耕还草对土壤团聚体水稳定性的影响植被结构和物种多样性对土壤微环境的改善有重要贡献2 2,较小的人为扰动、较大的植被覆盖和较多的有机结合剂输入使恢复草地土壤更易形成团聚体结构。本研究中,退耕还草促使土壤0.2 5mm粒级的团聚体向52mm和20.2 5mm粒级的团聚体转变,从而显著增 加了土壤团 聚 体 水 稳 性 指 数(W S A,图1),提高土壤抗侵蚀能力1 7。退耕7 a,1 8 a和3 5a的MWD和GMD指数逐年上升,耕地的相应值处于较低水平(图1),这与王兴等2 3和李柏桥等2 4的研究具有相同趋势,可见退耕还草改善土壤团粒结构及稳定性的作用在黄土丘陵区具有普遍性。水稳性团聚体分布及稳定性的变化主要归因于土地利用方式的转变及植被恢复对土壤的改良效应。长期翻耕导致大量植物根系和大团聚体被破坏,从而降低土壤大团聚体含量,并释放微团聚体2 5。因此,当农田进行退耕还草时,植物残体和凋落物的积累覆盖有助于提升土壤水分和腐殖质含量9,促进微生物菌丝体及菌类分泌物与土壤颗粒胶结6,增加土壤团聚体水稳定性。注:L O C-H为全土高活性有机碳相对质量分数,L O C-M为全土中活性有机碳相对质量分数,L O C-L为全土低活性有机碳相对质量分数,A为碳库活度。图5 土壤理化性质与活性有机碳组分及碳库活度的P C A分析642 水 土 保 持 研 究 第3 0卷表3 全土理化性质和团聚体不同活性有机碳含量的逐步回归分析参数回归方程R2FpnL O C-Hy=1.2 1 2 D O C-0.0 5 2 T O C+0.7 0 50.6 2 39.9 1 70.0 0 36 0L O C-My=-1.5 5 2 T N+1.1 3 60.5 4 81 5.7 6 50.0 0 26 0L O C-Ly=-3.7 5 T P+1.8 1 40.5 4 51 5.5 4 20.0 0 26 0注:L O C-H为团聚体高活性有机碳,L O C-M为团聚体中活性有机碳,L O C-L为团聚体低活性有机碳。3.2 退耕还草对土壤团聚体有机碳和活性有机碳组分分布的影响团聚体的形成是土壤碳贮存的重要机制,尤其是对有机碳的物理保护2,4。本研究中,土壤团聚体有机碳和活性有机碳含量随退耕还草年限增加呈先降低后升高趋势(图2),即退耕7a 耕地退耕1 8a退耕3 5a 0.2 5mm的大团聚体中(图2),与前人研究结果类似2 4,2 6。草地系统中枯枝落叶和微生物代谢所需的碳氮等养分首先在大团聚体(0.2 5mm)中积累,因此S O C浓度较高1,2 7;而微团聚体(0.2 5mm)的形成依赖于大团聚体的分解,对新鲜有机质保护弱,S O C含量低于大团聚体5,2 8。活性有机碳组分能有效反映土壤中有机物质的转化速率和碳库稳定性1 5。本研究中,土壤团聚体L O C-H和L O C-M与团聚体S O C变化规律相似(图2),说明团 聚体中这3种碳组 分 密 切 相 关。华 娟等2 9人对宁夏云雾山草原区的相关研究也得出类似结论,即土壤团聚体中活性有机碳含量与有机碳含量呈极显著线性正相关关系。本研究发现,L O C-H和L O C-M含量随团聚体粒级降低有减少趋势,L O C-L则相反(图2)。以上结果证明,团聚体尺寸是土壤活性有机碳库稳定和转化的主要限制因素。大团聚体可保护植物根系、微生物菌丝及其分泌物等高、中活性有机物质3 0,避免被氧化;而微团聚体中与矿物结合的多糖等低活性有机碳组分稳定3 0,其碳周转率比大团聚体中的高、中活性有机物质慢3 1-3 2。3.3 土壤理化性质与活性有机碳组分的关系总体上看,退耕还草对土壤碳库活度影响不大(图3),总碳库增加的碳以非活性有机碳为主,土壤碳库质量得以维持并提升。虽然退耕还草过程碳库活度变化不明显,但由于活性有机碳对外界环境有较强的敏感性1 5-1 6,导致高、中和低活性有机碳分布发生显著变化(图4)。退耕初期(7a)和中期(1 8a),草地恢复在一定程度上促进L O C-M向L O C-L转化,降低土壤活性有机碳迁移,进而增强草地土壤储碳能力。但退耕还草中后期(3 5,4 5a),植被组成趋于稳定,大量凋落物的归还导致细根及其分泌物显著增加,由此显著促进土壤中等活性有机碳组分L O C-M的累积3 3。土壤碳库活度及活性有机碳组分的变化与土壤营养元素、p H和团聚体稳定性的相关性较强(图5)。碳氮磷元素作为土壤的养分元素,对碳固存起重要作用;各粒级团聚体含量变化能改变土壤孔隙结构,进而影响碳的固持和周转;土壤p H值对微生物活性影响较大,在一定程度上控制碳的周转速率3 4。在团聚体尺度,TO C和D O C是影响L O C-H的主要因素,T N是影响L O C-M的主要因素(表3)。以往研究表明1 3,1 4,2 7,土壤有机碳与高活性有机碳通常呈显著正相关,与本研究结果一致;同时姚旭等1 3研究发现,团聚体的中活性有机碳对短期氮添加响应最为敏感。团聚体L O C-H,L O C-M含量与土壤p H显著负相关(表2),这可能是由于黄土高原退耕还草后期(4 5a)p H的显著降低(p0.0 5,表1)减缓了微生物生 长 速 率,抑 制 土 壤 有 机 物 分 解3 5-3 6,导 致L O C-H,L O C-M含量上升。土壤团聚体水稳定性指数(MWD,GMD,WS A)和T P含量是影响团聚体L O C-L分布的重要指标(表3)。低活性有机碳包括颗粒有机碳、糖、脂类等有机化合物及部分复杂化合物,与团聚体的形成和稳定密切相关1,3 2。因此,团聚体稳定性越强,土壤对碳的保持能力越高。本研究中,团聚体L O C-L与T P含量呈负相关(表2),这可能与土壤微生物养分代谢限制存在关联。由于退耕还草后土壤TO C,T N含量显著增加,但T P含量增幅不大(表1),导致土壤磷利用率低,微生物代谢易受到磷限制3 7。研究表明,在黄土高原等土壤磷利用率低的生态系统中,微生物磷限制会促进土壤碳固存3 8,有助于团聚体对低活性有机碳的进一步积累。4 结 论(1)退耕还草促进0.2 5mm粒级团聚体中,低活性有机碳主要存在于0.2 5mm粒级。(4)逐步回归分析表明,退耕还草引起的土壤理化性质改变是团聚体活性有机碳组分变化的主要原因,影响团聚体高活性有机碳的主要因素为土壤有机碳和可溶性有机碳,土壤全氮影响中活性有机碳含量,而低活性有机碳受土壤全磷影响。综上所述,土壤结构和营养元素的综合效应共同决定活性有机碳在团聚体中的分布,研究结果对系统地了解黄土高原植被恢复过程土壤团聚体固碳机制具有重要参考意义。参考文献:1 S i xJ,C a l l e w a e r tP,L e n d e r sS,e ta l.M e a s u r i n ga n du n d e r s t a n d i n g c a r b o n s t o r a g ei n a f f o r e s t e d s o i l s b yp h y s i c a l f r a c t i o n a t i o nJ.S o i l S c i e n c eS o c i e t yo fAm e r-i c aJ o u r n a l,2 0 0 2,6 6(6):1 9 8 1-1 9 8 7.2 M u s t a f aA,X uM G,S h a hSAA,e ta l.S o i l a g g r e g a t i o na n ds o i l a g g r e g a t e s t a b i l i t y r e g u l a t e o r g a n i c c a r b o na n dn i t r o-g e ns t o r a g e 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