引用本文
连玉珍, 刘合满, 曹丽花, 韩晓浩, 马和平. 西藏林芝不同土地利用方式的土壤团聚体及其有机碳分布[J]. 浙江农业学报, 2019,31(8): 1353-1360.
LIAN Yuzhen, LIU Heman, CAO Lihua, HAN Xiaohao, MA Heping. Distribution of soil aggregate and organic carbon under different land use types in Linzhi, Tibet[J]. ACTA AGRICULTURAE ZHEJIANGENSIS, 2019,31(8): 1353-1360.
  
Doi: 10.3969/j.issn.1004-1524.2019.08.17
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西藏林芝不同土地利用方式的土壤团聚体及其有机碳分布
连玉珍1,2,3, 刘合满4, 曹丽花5, 韩晓浩5, 马和平1,2,3,*
1.西藏农牧学院 高原生态研究所,西藏 林芝 860000
2.西藏高原森林生态教育部重点实验室,西藏 林芝 860000
3.西藏林芝高山森林生态系统国家野外科学观测研究站,西藏 林芝 860000
4.信阳农林学院,河南 信阳 464000
5.西藏农牧学院 资源与环境学院,西藏 林芝 860000
*通信作者,马和平,E-mail: maheping2006@21cn.com

作者简介:连玉珍(1993—),女,河南周口人,硕士研究生,主要从事土壤有机碳研究。E-mail: 15738775940@163.com

收稿日期: 2019-04-04
基金资助: 国家自然科学基金(41561052,41461055); 西藏农牧学院研究生创新计划(YJS2018-13)
摘要

为揭示西藏林芝地区不同土地利用方式对土壤团聚体及其有机碳含量的影响,以八一镇耕地(FL)、蔬菜大棚(VG)、撂荒地(AL)、草地(GL)、次生林地(SF)为研究对象,采用干筛法对土壤团聚体进行分级,分析团聚体及其有机碳、易氧化有机碳的含量和分布。结果表明:在0~20 cm土层,各土地利用方式下基本以≥2 mm团聚体为主,其含量大致表现为GL、AL高于VG和FL,表明与农用地(FL、VG)相比,自然生态系统的土壤结构较好。土壤团聚体有机碳和易氧化有机碳的含量在不同土地利用方式下整体表现为0~10 cm>10~20 cm,大团聚体(≥0.25 mm)高于微团聚体(<0.25 mm),并以≥2 mm团聚体的贡献率最高,碳汇能力较强。结果说明,自然生态系统的土壤结构较好,草地、林地的开垦行为将导致土壤结构变差。实施保护性耕作措施,减少草地、林地的人为干扰有利于提高土壤有机碳库的稳定性,发挥土壤“碳汇”功能。

关键词: 西藏; 土壤团聚体; 有机碳; 易氧化有机碳; 土地利用方式
中图分类号:S152.4 文献标志码:A 文章编号:1004-1524(2019)08-1353-08
Distribution of soil aggregate and organic carbon under different land use types in Linzhi, Tibet
LIAN Yuzhen1,2,3, LIU Heman4, CAO Lihua5, HAN Xiaohao5, MA Heping1,2,3,*
1. Research Institute of Tibet Plateau Ecology, Tibet Agriculture & Animal Husbandry University, Linzhi 860000, China;
2. Key Laboratory of Forest Ecology in Tibet, Ministry of Education, Linzhi 860000, China
3. National Key Station for Field Scientific Observation & Experiment, Linzhi 860000, China;
4. Xinyang Agriculture and Forestry University, Xinyang 464000, China
5. Faculty of Resources and Environmental Science, Tibet Agriculture & Animal Husbandry University, Linzhi 860000, China;
Abstract

In order to reveal the impact of land use types on soil aggregates and soil organic carbon in Linzhi, farm land (FL), vegetable greenhouse (VG), abandoned land (AL), grass land (GL) and secondary forestland (SF) of Bayi Town were selected as the research objects, dry sieving method was introduced to classify soil aggregates, and the aggregates as well as the content and distribution of soil organic carbon and labile organic carbon were explored. It was shown that soil aggregate with the size ≥2 mm constituted the majority at 0-20 cm, and its content was higher in GL and AL than that of VG and FL, indicating that the soil structure of natural ecosystem was better than agriculture land (FL and VG). The content of organic carbon and labile organic carbon in soil aggregate was higher in 0-10 cm layer than that in 10-20 cm layer, and was higher in macroaggregate (≥0.25 mm) than that in microaggregate (<0.25 mm). The aggregate with size ≥2 mm showed the highest contribution rate to organic carbon and labile organic carbon in soil aggregate, and possessed strong capacity of carbon sink. The soil structure of natural ecosystems was good, and the reclamation of GL and SF would lead to deterioration of soil structure. Protective farming measures or reducing artificial interruption to forest lands and grass lands should be carried out, to enhance the stability of soil organic carbon storage, and ensure its role as soil carbon sink.

Keyword: Tibet; soil aggregates; organic carbon; labile organic carbon; land use type

土壤有机碳是土壤的重要质量指标之一, 是土壤颗粒团聚的重要胶结物质, 可以将土壤中的细小颗粒团聚胶结成为大颗粒, 即土壤团聚体, 从而起到稳定土壤结构的作用。土壤团聚体是指存在于土壤中的大小不同、形状不一, 有不同孔隙度、机械稳定性和水稳性的团聚体总和[1]。土壤团聚体可以有效隔离内部有机碳与土壤微生物及空气, 从而有效降低有机碳分解损失的风险。根据粒径大小, 土壤团聚体可分为大团聚体(≥ 0.25 mm)和微团聚体(< 0.25 mm)。

研究表明, 土壤团聚体有机碳(soil aggregates organic carbon, SAOC)含量在不同粒径团聚体之间存在差异, 并受人类活动的显著影响[2]。周恒等[3]对不同生长年限紫花苜蓿土壤团聚体的研究发现, 粒径< 0.106 mm的团聚体是土壤有机碳的主要载体; 肖霜霜等[4]研究表明, 大团聚体的有机碳含量要高于微团聚体。不同土地利用方式对土壤的物理扰动不同, 会显著影响土壤的团聚属性, 同时决定有机物质输入的数量和质量, 使得输入到土壤中的有机碳量及赋存状态表现出一定的差异。因此, 不同土地利用和管理方式下土壤团聚体的分布及有机碳含量特征等受到了相关研究的广泛重视:Wang等[5]研究表明, 水稻土中土壤有机碳(soil organic carbon, SOC)含量与水稳性大团聚体的相关性高于蔬菜土壤; Qian等[6]关于撂荒地和由撂荒地转变而来的10 a耕地的对比研究发现, 耕地土壤中微团聚体有机碳含量高于撂荒地。

西藏是青藏高原的核心区和气候变化的敏感区, 生态系统极其脆弱, 土地利用方式一旦改变很难自然恢复。研究不同土地利用方式对土壤团聚体及其有机碳含量的影响, 对于进一步认识陆地生态系统土壤碳库的稳定性和碳循环意义重大。目前已有学者就西藏的农田[7]、草地[8]、林地[9]等单一土地利用方式下的土壤团聚体进行了研究, 并以土壤抗蚀性等物理特性为研究重点, 但鲜有针对同一区域不同土地利用方式土壤有机碳差异性的研究报道。为此, 本研究以西藏东南部林芝市八一镇为研究区域, 选择农用地(耕地、蔬菜大棚)、撂荒地、草地、次生林地为研究对象, 对比分析各土地利用方式对0~10、10~20 cm土层土壤团聚体及其有机碳(soil organic carbon, SOC)、易氧化有机碳(labile organic carbon, LOC)含量与分布的影响, 旨在揭示不同土地利用方式对土壤结构及有机碳库的扰动差异, 以期为提高土壤质量、最大限度地发挥土地生态效益提供理论指导。

1 材料与方法
1.1 研究区概况

研究区位于西藏林芝市巴宜区八一镇(26° 52'~30° 40'N, 92° 09'~98° 47'E), 该区地处西藏东南部, 雅鲁藏布江中下游, 受印度洋暖湿气流的影响, 属温带湿润与半湿润性季风气候。气候特点主要表现为:日照充足, 年平均气温8.7 ℃; 雨水充沛, 年降水量650 mm, 集中在6— 9月; 年均无霜期180 d。该区地形落差较大, 最高处海拔7 756 m, 最低处仅500 m, 平均海拔3 000 m。林芝地区植被类型丰富, 森林覆盖率达46.09%[10]。土壤主要有黄棕壤、棕壤、暗棕壤等类型。农业生产模式为一年一熟制。

1.2 研究方法

1.2.1 样地选择与样品采集

采样于2018年7月进行, 选择八一镇耕地(FL)、蔬菜大棚(VG)、撂荒地(AL)、草地(GL)、次生林地(SF)为研究样地。

耕地:主要种植青稞(Hordeum vulgare L.)、油菜(Brassica napus L.)、小麦(Triticum aestivuml L.), 耕种年限10 a以上, 施肥以化学肥料, 如碳酸氢铵、过磷酸钙等为主。研究样地前茬均撂荒, 采样时种植油菜与青稞, 且处于成熟期。

蔬菜大棚:由农用地改建而来, 主要种植青菜, 如油麦菜(Lactuca sativa var. longifoliaf. Lam)、阔白菜(Brassica pekinensis L.)、上海青(Brassica chinensis L.)、番茄(Lycopersicon esculentum Mill.)、茄子(Solanum melongena L.)等, 已有10 a种植年限, 施肥以农家肥(猪粪、牛粪)为主, 采样时蔬菜处于已收获或待收获时期。

撂荒地:撂荒前种植青稞、小麦, 采样时已撂荒3 a, 植被以紧贴地面生长的禾草类、苔草类为主, 其次是委陵菜(Potentilla chinensis Ser.)、槲蕨(Drynaria roosii Nakaike)、老鹳草(Geranium wilfordii Maxim.)等植物。

次生林地:系部分砍伐后的天然林地经自然恢复形成的以川滇高山栎(Quercus aquifolioides)、杨树(Populus L.)、三花杜鹃(Rhododendron triflorum Hook.)、云南锦鸡儿(Caragana franchetiana Kom.)等植物为主的林灌地。

草地:主要生长禾草类、苔草类、宽柱鸢尾(Iris latistyla)、草玉梅(Anemone rivularis)等植物。

各研究样地的基本情况见表1, 其中干扰强度依据样地附近有无农业活动及牲畜粪便所占样地的比例确定[11]。

表1 研究样地的基本情况 Table 1 Basic condition of the sample plots

采样时, 在每类土地分别选择3个地貌特征相似(无明显坡度差异)的样地, 每个样地沿“ S” 型设置5个采样点, 分别采集0~10、10~20 cm两层原状土壤, 5个点混合成一个土样, 尽量保持原状土壤结构, 同时采集环刀土。将土样带回实验室, 捡去可见的树根、石砾、动植物体等, 放置于室内阴凉通风处自然风干。研究区土壤的物理性质如表2所示。

表2 研究区土壤的物理性质 Table 2 Physical properties of soil in research area

1.2.2 团聚体分离方法

在土样风干过程中, 沿土壤自然裂隙将土样中的大土块剥成直径约1 cm的小土块[12], 完全风干后, 采用干筛法[13]分离得到≥ 2 mm、0.5~2 mm、0.25~0.5 mm、< 0.25 mm共4级土壤团聚体(风干土样均分成4份, 对角土样各筛一次, 每次干筛土样在200 g左右), 将筛分的各级团聚体分别称量, 计算各级团聚体的比例, 再将每一级团聚体研磨后过0.147 mm筛孔, 测定各粒径团聚体中的有机碳含量。

1.2.3 样品分析方法

全土及团聚体中有机碳、LOC含量分别采用K2Cr2O7-浓H2SO4氧化法[14]、KMnO4(333 mmoL· L-1)氧化法[15]测定; 土壤含水率、容重分别采用105 ℃烘干法、环刀法测定; 土壤pH值采用酸度计测定(浸提液水土质量比2.5∶ 1)。

1.3 数据分析

采用SPSS 17.0对数据进行正态分布检验和单因素方差分析, 对有显著(P< 0.05)差异的处理采用LSD法进行多重比较。

团聚体对土壤有机碳、LOC的贡献率参照李娟等[16]所用公式计算。

2 结果与分析
2.1 团聚体含量特征

研究区不同土层的土壤团聚体含量在5.80%~66.98%和4.45%~63.51%(表3)。不同土地利用方式不同土层下, 都以0.25~0.5 mm的团聚体含量最低。在0~10 cm土层, 不同土地利用方式下≥ 2 mm团聚体的含量表现为GL> AL> SF> VG> FL, 从农用地、次生林地、撂荒地到草地基本呈增加趋势, GL、AL、SF与农用地之间差异显著(P< 0.05); < 0.25 mm团聚体的分布规律基本与之相反, 表现为GL< SF< AL< VG< FL。在10~20 cm土层, ≥ 2 mm团聚体含量以AL和GL较高(二者之间差异不显著), 农用地次之(FL与VG差异不显著), SF最低, 且显著(P< 0.05)低于其他土地利用方式。

表3 不同土地利用方式0~20 cm土层的团聚体含量(干筛) Table 3 Proportion of soil aggregate under different land use types in 0-20 cm soil layer (dry sieving) %

计算大团聚体含量, 结果表明:在0~10 cm土层, 大团聚体含量从大到小为GL> SF> AL> VG> FL; 在10~20 cm土层, 大团聚体含量从大到小为GL> AL> VG> FL> SF。由此可见, 自然生态系统, 如草地、撂荒地含有较高比例的大团聚体。

2.2 团聚体有机碳含量及分布

如表4所示, 不同土地利用方式不同土层各粒径的团聚体有机碳含量均表现为0~10 cm> 10~20 cm。在0~10 cm土层:VG处理的0.5~2 mm和0.25~0.5 mm的团聚体SAOC含量显著(P< 0.05)高于< 0.25 mm的团聚体; SF处理的0.25~0.5 mm的团聚体SAOC含量显著(P< 0.05)高于< 0.25 mm的团聚体; 其他土地利用方式下不同粒径的团聚体SAOC含量无显著差异。在10~20 cm土层, 各土地利用方式下不同粒径的团聚体SAOC含量均无显著差异。

表4 不同土地利用方式0~20 cm土层SAOC含量 Table 4 SAOC content in 0-20 soil layer under different land use types g· kg-1

在0~10 cm土层, 各粒径团聚体的SAOC含量均表现为GL> SF> VG> FL> AL, 含量范围为13.49~63.26 g· kg-1, 且GL、SF各粒径团聚体的SAOC含量均显著(P< 0.05)高于其他土地利用方式, 说明自然生态系统的SAOC含量较高。不同土地利用方式下不同粒径团聚体的SAOC含量最大值分布如下:FL和VG均出现在0.5~2 mm, AL和SF均出现在0.25~0.5 mm, GL出现在≥ 2 mm, 即都出现在大团聚体中。在10~20 cm土层, 不同土地利用方式下各粒径团聚体SAOC含量在7.56~25.33 g· kg-1, 各粒径下都以AL的显著(P< 0.05)低于其他土地利用方式。

除SF外, 其他土地利用方式不同粒径团聚体SAOC含量的最大值均出现在大团聚体中。

不同土地利用方式各粒径团聚体SAOC含量随土层加深降幅不同, 农用地各粒径团聚体SAOC含量的降幅最小, 可能与耕层土壤受物理扰动较大及地面枯落物较少有关。

2.3 团聚体易氧化有机碳含量及分布

LOC是土壤中易被氧化分解、周转较快的一部分碳, 可以反映土壤有机碳库早期的变化特征。研究区0~10 cm和10~20 cm土壤团聚体的LOC含量在2.31~10.41 g· kg-1和1.26~3.51 g· kg-1(表5)。农用地各粒径团聚体未表现出明显的土层差异, 其他土地利用方式下各粒径团聚体的LOC含量均表现为0~10 cm土层高于10~20 cm土层, 土壤碳库稳定性较差。

表5 不同土地利用方式0~20 cm土层LOC含量 Table 5 LOC content in 0-20 cm soil layer under different land use types g· kg-1

在0~10 cm土层, 团聚体LOC含量以GL最高, AL最低, 两者差异显著(P< 0.05)。各土地利用方式下各粒径团聚体LOC的最大值均分布于大团聚体中。整体来看, 与微团聚体相比, 大团聚体富集的LOC含量较高。

2.4 团聚体对土壤有机碳和易氧化有机碳的贡献

不同土地利用方式下, 团聚体对SOC和LOC的贡献率差异较大(表6、7), 但除0~10 cm FL和10~20 cm SF外, 基本以≥ 2 mm团聚体对SOC和LOC含量的贡献率最大。结合SOC、LOC含量最大值主要分布在大团聚体中(SF 10~20 cm土层除外)(表4、5), 可以认为, 大团聚体是土壤有机碳的主要贮存场所, 其在土壤中的稳定性及含量变化可能影响土壤碳循环。

表6 各粒径团聚体对土壤有机碳含量的贡献率 Table 6 Contribution rates of soil aggregate to SOC content %
表7 各粒径团聚体对土壤易氧化有机碳含量的贡献率 Table 7 Contribution rates of soil aggregate to LOC content %
3 讨论
3.1 不同土地利用方式对土壤团聚体含量的影响

土壤有机质是土壤有机碳的主要来源, 同时为土壤颗粒团聚提供胶结物质, 决定着土壤中的大团聚体含量。≥ 0.25 mm团聚体是土壤中最好的结构体[17], 是决定土壤结构稳定性的关键团聚体。本研究发现, GL、AL、SF表层土壤中≥ 2 mm团聚体含量显著高于农用地, 说明自然生态系统的土壤结构较好, 这是由表层土壤较多的有机质输入量和较少的人为干扰决定的, 与魏亚伟等[18]研究结果类似。农用地团聚体之间的比较显示, VG表层土壤中≥ 0.25 mm团聚体含量高于FL, 说明VG土壤结构优于FL, 这与2种农用地的翻耕强度及施肥种类有关。经调查得知, 研究区蔬菜大棚靠近藏猪、牛养殖场, 施肥以猪粪、牛粪为主, 而耕地则施用化肥。这一结果与Huang等[19]一致。有学者认为, 由农耕地转变而来的撂荒地随撂荒时间延长, 表层土壤将首先趋于粗质化, 粉、黏粒下降[20], 不利于土壤团聚结构的形成; 但另有研究显示, 坡耕地撂荒后导致粉、黏团聚体含量下降, 并主要向2~0.25 mm团聚体转化[21], 本研究结果与之相似, 相比耕地, 撂荒地< 0.25 mm微团聚体含量下降, 并主要向≥ 2 mm的大团聚体转化, 导致大团聚体含量增加。

本研究还发现, 草地、次生林地和撂荒地的开垦将导致≥ 2 mm大团聚体的破碎, 并主要向微团聚体转化, FL、VG与GL、SF、AL相比, ≥ 2 mm团聚体含量分别下降107%、72%、85%, 51%、25%、35%, 而< 0.25 mm团聚体含量分别上升81%、57%、52%, 70%、32%、24%, 说明草地、林地有利于大团聚体结构的形成, 开垦后会导致其原有的土壤结构变差, 而农用地撂荒后有利于改善其土壤结构, 这与张祎等[22]研究结果基本一致。

3.2 不同土地利用方式对团聚体有机碳与易氧化有机碳的影响

本研究发现, 八一镇不同土地利用方式对表层土壤有机碳的含量影响明显, SOC、LOC含量以草地最高, 其次是次生林地, 且二者与农用地和撂荒地SOC、LOC含量差异显著, 这一结果与王浩等[23]相似。这是因为, 研究区草地、林地具有较高的植被覆盖度和较少的人为干扰, 丰富的植被凋落物和根系分泌物增加了土壤有机碳来源。耕地与蔬菜大棚SAOC和团聚体LOC含量均低于草地和林地, 主要是因为前者土层的频繁扰动破坏了大团聚体结构, 同时增加了土壤与空气的接触面积, 加速了有机碳的分解, 且作物秸秆多用于饲养猪、牛等牲畜, 还田量较少, 导致农用地土壤有机碳贮存量较少。因此, 八一镇耕地应转变现有的管理方式, 通过配施有机肥或秸秆还田以改善土壤结构, 提高土壤肥力[24]。撂荒地SAOC和LOC含量较低, 可能是因为撂荒年限尚短(3 a), 地上植被生物量和地下根系生物量低于草地和林地, 导致其有机质输入相对较少[25]。

团聚体对土壤有机碳的物理保护作用使其成为土壤有机碳的重要贮存库[26]。已有研究表明, 不同粒径团聚体的物理保护能力存在差异[27], 可能对土壤碳汇功能产生影响。本研究发现, 不同土地利用方式下大团聚体的有机碳含量总体高于微团聚体, 但这种差异未达显著水平, 这与Gelaw等[28]的研究结果一致。团聚体对土壤SOC和LOC的贡献率显示, ≥ 2 mm团聚体的贡献率最高, 说明其对土壤有机碳的固定能力较强, 具有一定的碳汇效应, 这与李辉信等[27]研究结果基本一致。但由于大团聚体易受土地利用方式的影响而分离破碎, 因此应实施保护性耕作方式, 减少对草地、林地的人为干扰, 这对于维持土壤有机碳库的稳定性至关重要。

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