不同利用方式下土壤活性有机碳含量及其分配特征

不同利用方式下土壤活性有机碳含量及其分配特征_干热河谷植被恢复

不同利用方式下土壤活性有机碳含量及其分配特征

唐国勇，李昆

（中国林业科学研究院资源昆虫研究所国家林业局云南元谋荒漠生态系统定位观测站，昆明，650224）

摘要：对比研究了干热河谷新银合欢林地、大叶相思林地、旱耕地和荒地土壤有机碳（SOC）、易氧化有机碳（ROC）、微生物生物量碳（MBC）和可溶性有机碳（DOC）含量及其分配比例。结果表明，4类利用方式下SOC含量在4.22～5.19 g·kg^-1之间，其差异不显著。新银合欢（2.14 g·kg^-1）和大叶相思林地ROC含量（2.03 g·kg^-1）显著高于旱耕地（1.38 g·kg^-1）和荒地（1.34 g·kg^-1）；4类利用方式下，旱耕地MBC和DOC含量均最高，荒地最低。林地ROC分配比例是荒地和旱耕地的1.3～1.6倍；旱耕地MBC和DOC的分配比例均高于其他3类利用方式，林地和荒地MBC、DOC分配比例接近。植被凋落量和管理措施是不同利用方式下ROC含量差异的主要原因，而土壤含水量和植被凋落性质是4类利用方式下MBC、DOC含量变异的主要影响因素。干热河谷ROC含量变化可以敏感地指示SOC动态，但MBC、DOC含量变化则不能反映SOC动态。

关键词：干热河谷；利用方式；土壤有机碳；活性有机碳；分配比例

土壤有机碳（SOC）是土壤肥力的物质基础，其含量水平在一定程度上决定土壤肥力状况。然而土壤中有机碳背景值较高，变化趋势在短期内难以监测。SOC数量和质量动态最初主要还是通过其活性部分的变化表现出来，而且活性有机碳的变化易于监测和测定^[1～4]。因此，不少研究者用土壤活性有机碳的变化来指示SOC库的动态特征^[5～8]。土壤活性有机碳是指土壤中移动快、稳定性差、易分解和矿化，并具有较高植物和土壤微生物活性的那部分有机碳^{[1, 3, 5]}，包括易氧化有机碳（ROC）、微生物生物量碳（MBC）和可溶性有机碳（DOC）等组分。研究表明利用方式对土壤有机碳及其活性组分分配比例有明显的影响^{[3, 5, 8～11]}。已有研究探讨了干热河谷不同利用方式下SOC含量状况^{[12, 13]}，但未涉及不同利用方式下活性有机碳含量及其分配特征。探究土壤活性有机碳含量及其分配特征对于理解干热河谷土壤固碳机制及其对生态恢复的响应具有重要意义。基于此，本研究以国家林业局云南元谋荒漠生态系统定位观测站为基地，对比分析了林地、旱耕地和荒地SOC、ROC、MBC和DOC含量及其分配比例，以期为合理利用干热河谷土地资源和阐明土壤固碳机制提供理论依据。

1　材料与方法

1.1　研究区概况

地处101°35′～102°06′E、25°23′～26°06′N的云南元谋县，属于南亚热带季风干热气候区，是干热河谷的典型代表。该县气候炎热干燥，光热资源充足，干湿季分明，年均温为21.9℃，年降水量630.7mm，雨季（6～10月）降水量占全年降水量的90%以上，年蒸发量约为3426.3mm，年干燥度高达4.4。地貌类型齐全，中部为盆地，东、西、南、北部均为山地。1350m以下地区（干热河谷）土壤类型主要为燥红土，有少量的水稻土和紫色土，其中燥红土呈现严重的变性化。干热河谷水土流失严重，土林林立，山崩、塌方、滑坡等自然灾害发生频繁，生态环境恶劣。植被稀疏，以车桑子（Dodonaea viscose (L.) Jacp）、余甘子（Phyllanthus emblica L.）、苦刺（Sophora viciifolia Hance）、扭黄茅（Heteropogon contortus (L.) Beauv.）、三芒草（Aristida adscensionis Linn.）等为主的“河谷型半萨王纳”植被。

在国家林业局云南元谋荒漠生态系统定位观测站（101° 46′E、25° 39′N）选取面积约2.2hm²的严重退化区域，该区域立地条件相对一致，最大相对高差25m，坡度在12～15°之间，以阳坡为主，土壤类型主要为普通燥红土和变性燥红土。于2001年5月（雨季初期）选择新银合欢（Leucaena leucocephala (Lam.) dewit）和大叶相思（Acacia auriculiformis A. Cunn.）等速生生态树种，撩壕整地、容器苗造林，采取封禁管理措施。同时，选取植被状况相对较好的样区进行自然恢复（荒地），开垦土表相对平整的样区进行旱耕作（旱耕地）。参照当地习惯，旱耕地一年三熟，主要种植玉米和蔬菜（西红柿、辣椒、豆角等）。生态恢复前测定了各样地土壤主要理化性质。生态恢复8a后（2009年）荒地植被主要为扭黄茅，植被盖度由0%（即“光板地”）到80%。

1.2　样品采集与野外调查

2009年4月在新银合欢林地、大叶相思林地、旱耕地和荒地采集土壤表层样（0～20cm），采样方法参照中国生态系统研究网络科学委员会^[14]推荐的方法。具体方法为：在4类利用方式的研究样区内分别随机设置一定数量的15 m×15m样方，样方密度为每公顷10～13个，在每个样方内按“S”形多点（不少于7个）采集表层土样（0～20cm），采样时除去土表凋落物，样方内土样混合形成一个混合样。共采集土壤混合样24个，具体采样数见表1。取样时旱耕地种植玉米（2009年3月中旬种植）。同时用环刀法测定土壤容重。

2009年4月测定了林地郁闭度和荒地植被盖度。由于旱耕地作物生长周期短、种植密度各异等原因，未测定旱耕地郁闭度或植被盖度。

在干热河谷，新银合欢是旱季落叶植物，每年11月底开始落叶，翌年1月底应该落的叶基本落光。大叶相思属旱季换叶植物，每年11月中旬至翌年3月换叶量占全年的80%以上。2008年10月至2009年4月在林地和荒地样区内分别随机设置3～4个1m×1m的样方，每3～5天收集样方内植被凋落物，除去杂质后风干称重取其平均值。旱耕地作物凋落量极低，本研究根据作物经济学产量、经济系数、根茎比、根茬返还比例等估算根茬残留量。

2008年10月（旱季初期）和2009年4月（旱季末期）用TDR水分仪（Field Scout TDR 200 Probe，美国）测定0～20cm土层土壤含水量。测定前3d旱耕地未灌溉。

表1　研究样区基本情况

1） 旱耕地郁闭度未测，郁闭度一栏中荒地数值为植被盖度；2） 旱耕地植被凋落量极少，数据为作物根茬残留量

1.3　样品分析与数据处理

土样采回后，用手选法除去活体根系和可见植物残体，碾碎过10目筛，混匀，调节含水量至最大持水量的40%，用于测定土壤微生物生物量碳和可溶性有机碳。取部分样品在室内风干、磨细过100目筛，用于测定其他理化性质。

土壤有机碳含量采用重铬酸钾氧化-外加热法测定，土壤易氧化有机碳含量采用重铬酸钾氧化-稀释热法测定^[14]，微生物生物量碳含量采用熏蒸提取-容量分析法测定^[15]，土壤可溶性有机碳含量的测定方法为：称取20 g新鲜土样加入50 mL蒸馏水，振荡30 min，在4000 r·min^-1的条件下离心10 min，上清液用孔径为0.45 μm的玻璃纤维滤膜过滤，滤液中有机碳用容量分析法测定^[15]。通过单因素方差分析（LSD法）比较不同利用方式之间土壤有机碳活性组分、分配比例差异的显著性；通过一元线性回归分析不同土地利用方式下土壤活性有机碳组分之间的关系。以上分析在SPSS11.0软件上完成。

2　结果与分析

2.1　土壤有机碳和活性有机碳含量

金沙江干热河谷土壤有机碳（SOC）平均含量为4.78 g·kg^-1，4类利用方式下SOC变化范围在4.22～5.19 g·kg^-1之间（表2）。方差分析表明利用方式之间SOC含量差异均未达到95%显著水平。干热河谷土壤易氧化有机碳（ROC）平均含量为1.79 g·kg^-1（表2）。4类利用方式下ROC含量大小顺序为：新银合欢林地（2.14 g·kg^-1）＞大叶相思林地（2.03 g·kg^-1）＞旱耕地（1.38 g·kg^-1）＞荒地（1.34 g·kg^-1），荒地ROC含量不足新银合欢和大叶相思林地的70%。新银合欢和大叶相思林地ROC含量差异未达到显著水平，但均显著高于其他两类利用方式，旱耕地和荒地ROC差异不显著。

表2　四类利用方式下土壤有机碳及其活性组分含量

1）　各列中字母不同表示均值差异达95%显著水平，括号内数字为标准差

研究区土壤微生物生物量碳（MBC）平均含量为41.88 mg·kg^-1（表2）。旱耕地MBC含量最高（50.07 mg·kg^-1），其次为新银合欢（45.63 mg·kg^-1）和大叶相思林地（41.65 mg·kg^-1），而荒地MBC含量最低（33.14 mg·kg^-1），是其他利用方式的55%～80%。统计结果表明除旱耕地MBC含量显著高于荒地外，其他利用方式之间MBC含量差异不显著。本研究中土壤可溶性有机碳（DOC）平均含量为43.64 mg·kg^-1，各利用方式之间DOC含量变化范围在32.01～56.27 mg·kg^-1，其含量大小顺序与MBC含量顺序极为一致（表2）。旱耕地DOC含量（65.27 mg·kg^-1）显著高于大叶相思林地（39.43 mg·kg^-1）和荒地（32.01 mg·kg^-1），其他利用方式间DOC含量差异不显著。

2.2　土壤活性有机碳分配关系

对SOC含量及其活性组分进行线性回归，结果表明ROC与SOC、DOC与MBC之间具有极显著（P＜0.01）的线性相关关系，相关系数（R²）分别为0.678和0.658，而其他组分间的相关关系不明确，相关系数低（图1）。

图1　土壤活性有机碳各组分之间关系

干热河谷4类利用方式下土壤活性有机碳分配比例见表3，其中ROC与SOC的比值（ROC分配比例）范围在27.7%～44.4%之间，平均值为37.3%，2类林地ROC分配比例较大，均超过40%，旱耕地ROC分配比例最低，为27.7%，稍低于荒地（31.3%）。本研究4类利用方式下MBC与SOC的比值（MBC分配比例）相对接近（0.92%～1.00%），平均值为0.94%，旱耕地MBC分配比例稍高于其他利用方式。DOC与SOC之比（DOC分配比例）的平均值为1.00%，旱耕地DOC分配比例最大（1.30%），是其他利用方式的1.3～1.5倍。

表3　四类利用方式下土壤活性有机碳分配比例

3　讨论

3.1　利用方式对土壤有机碳及其活性组分的影响

研究区内4类利用方式之间SOC含量差异均不显著（表2），这可能与生态恢复时间不长（8a）、土壤理化性质接近和凋落物特性有关。除旱耕地外，其他利用方式之间SOC起始值、pH值、容重和含水量等土壤理化因子相对接近（表1），这在一定程度上导致了利用方式间SOC含量的均一性。大叶相思林植被凋落量是新银合欢林的3倍左右（表1），但大叶相思林SOC含量反而稍低于后者（两者差异不显著），这可能由于大叶相思叶片厚而大、纤维含量高，叶片落地后不易分解，易被河谷风吹出林地或于某一低凹处堆积；新银合欢小型叶片落地后更紧贴地表，不易被风搬运并且容易分解^[16]。尽管旱耕地作物根系残留量和施肥量大（表1），但旱耕地土壤含水量较高、作物秸秆和根茬就地焚烧、无机肥使用比例高、耕作和灌溉频繁等不利因素限制了旱耕地SOC含量的提高幅度。荒地SOC含量较低可能是由于荒地植被盖度较低（32%），裸露荒地中的土壤有机碳在干热河谷高温条件下处于耗竭状况，但旱季枯死的扭黄茅对SOC含量也起到一定的维持和提高作用。陈奇伯等^[12]研究发现金沙江干热河谷水土保持重点区域内，盖度为30%的稀疏扭黄茅荒地土壤有机质含量为0.85%（换算成SOC约为4.93 g·kg^-1），略高于本研究荒地SOC含量。郭玉红等^[13]对金沙江干热河谷封禁10a的地区进行研究，得出盖度为98%的草地（植被以扭黄茅等为主）0～15cm土层中有机质范围为0.689%～2.065%，光板地0～15cm土层中有机质含量范围为0.109%～0.586%，其草地SOC含量高于本研究的荒地，而光板地则低于本研究的荒地。结合本研究荒地SOC含量可以推断植被盖度对荒地SOC含量有明显影响，SOC呈现随植被盖度增加而增加的趋势。这也显示了干热河谷生态脆弱区尽可能维护荒地植被对SOC含量维持或提高的重要性。唐国勇等^[17]研究显示植被恢复4a后新银合欢林和大叶相思林SOC含量分别为3.60 g·kg^-1和3.52 g·kg^-1，明显低于本研究（恢复8a）的结果，甚至略低于本研究中的荒地（自然恢复）。表明恢复时间对SOC含量有明显的影响，恢复时间越长越有利于SOC的积累。此外，整地方式也可能是导致这一现象的主要原因之一。本研究荒地（自然恢复）是在原有植被相对较好的样地上进行封禁管理，没采取任何整地措施；而唐国勇等^[17]的研究中林地是在去除扭黄茅植被、撩壕整地等措施后进行容器苗育林，这些整地措施可能导致生态恢复初期SOC含量相对丰富的表土流失。张晓林等^[18]研究发现干热河谷缓坡耕地（基本农田）土壤有机质含量为21.1 g·kg^-1（换算成SOC为12.2 g·kg^-1），是本研究旱耕地SOC的3倍。其原因可能是本研究旱耕地由严重退化的荒地开垦而成，土壤耕作熟化时间不长（少于10a）。

ROC是土壤中有效性较高、易被土壤微生物分解利用、对植物养分供应有最直接作用的那部分有机碳^{[2, 7]}。本研究4类利用方式下ROC含量差异可能与植被凋落量和管理措施有关。林地植被凋落量较高，凋落物分解可补充ROC的消耗^[8]。荒地ROC含量低则可能是由于植物残体输入量有限，ROC分解矿化后缺乏补充所致。旱耕地利用强度大（一年三熟）、翻耕和灌溉频繁等耕作措施改变了土壤温度、湿度、孔隙状况和土壤微生物活性，相对林地和荒地而言旱耕地土壤湿润、疏松（表1），更适合微生物活动，加速了SOC的分解，尤其是易氧化的那部分有机碳。林地ROC含量显著高于旱耕地和荒地，这与他人的研究结果类似^{[5, 9]}。如王清奎等^[5]研究发现南方红壤丘陵地区阔叶林土壤活性有机质含量最高，杉木人工林其次，竹林和水田最低。吴建国等^[9]得出西北半湿润半干旱灰褐土地区人工林ROC含量最高，天然次生林其次，草地和农田ROC最低。

研究区4类利用方式下MBC含量不高，平均值仅为41.88 mg·kg^-1，明显低于全国其他地区MBC含量^{[6, 19, 20]}，这可能与干热河谷特殊的气候环境有关。干热河谷总体气候特点是：气候干热、年干燥度高达4.4；旱季长达6～7个月、期间降雨量不足全年的10%；土壤含水量在旱季常处于凋萎含水量以下，而同期的土壤温度却远超过活动温度，土壤水热矛盾突出^[21]，严重影响了土壤微生物的生长和群落的形成^[22]，甚至在施肥条件下土壤微生物数量也没有显著的增加^[23]，这必然会降低MBC含量。因此，干热河谷突出的水热矛盾可能是本研究土壤MBC含量低的主要原因。旱耕地MBC含量是其他3类利用方式的1.1～1.5倍，显著高于荒地（表2），这可能与土壤含水量和植物根系残体（根系分泌物）性质等有关。旱耕地灌溉量大，土壤经常处于湿润状况，土壤含水量明显高于其他利用方式，是林地和荒地的3.6～4.6倍（表1）。在干热河谷特殊气候条件下，含水量较高的旱耕地更有利于土壤微生物的生长和群落的形成。旱耕地根茬残留量明显高于林地和荒地植被凋落量，而且旱耕地频繁翻耕，植物残体、根茬和根系分泌物与土粒接触面积大，加之土壤含水量高，激发了土壤微生物的生长。根系残留物和根分泌物中低分子生物聚合物含量高，木质素等微生物难以利用的成分含量低，腐质化程度低而易被微生物分解利用^{[24, 25]}。微生物对根系分泌物的利用率远高于对土壤原有有机质或植被凋落物^[26]。植被凋落量较高可能是林地MBC含量高于荒地的主要原因。

土壤DOC具有一定的溶解性、在土壤中移动较快、易分解矿化，因而极易流失，是SOC损失的重要途径之一^[27]。DOC形态和空间位置对植物和微生物来说活性比较高，在提供土壤养分方面起到重要作用^{[28, 29]}。本研究中旱耕地DOC含量显著高于大叶相思林地和荒地，是其他3类样地DOC含量的1.4～2.0倍，这与他人的研究结果不一致。如李玲等^[10]研究发现红壤丘陵和红壤低山景观单元内林地DOC含量分别是旱地的1.1倍和1.3倍。干热河谷土壤干化严重，旱季土壤含水量极低（表1），这可能限制了SOC的溶解和团聚体的分散，导致该地区DOC含量相对偏低。在一定程度上，增加土壤含水量能提高SOC的溶出、导致团聚体的分散，进而增加DOC含量^[29～31]。DOC主要来源于植物残体分解产物和土壤微生物代谢产物^[28]，而本研究区土壤MBC含量低，这将影响植物残体的分解和微生物自身的周转，限制了DOC含量。在干热河谷土壤干化、MBC含量低的状况下，旱耕地土壤含水量和MBC含量相对较高，这可能是旱耕地土壤DOC含量相对较高的主要原因。

3.2　利用方式对土壤活性有机碳分配的影响

研究表明土壤活性有机碳含量变化可以敏感地指示SOC动态^{[2, 6, 7, 32]}。本研究中ROC与SOC含量呈极显著的正线性相关关系，而MBC与SOC、DOC与SOC的相关性差（相关系数分别为0.042和0.105），相关关系均未达到显著水平（图1）。表明在干热河谷生态脆弱地区并不是所有SOC活性组分含量的变化都可以指示SOC动态，只有ROC含量变化可以敏感地反映SOC动态。从本质上来看，ROC含量高低或分配比例大小表明土壤有机质的质量，尤其是土壤有机质的潜在分解性质^[3]。在干热河谷，MBC和DOC含量受土壤干化的制约（表1），而受土壤原有有机碳含量的影响不明显。在SOC活性组分之间，MBC与DOC含量具有极显著的正线性相关关系，而MBC、DOC与ROC含量之间的相关关系不明显（图1）。有机物分解产物和微生物自身代谢产物是DOC主要来源^[28]，而DOC则是形态和空间位置上对微生物来说活性较高^{[28, 29]}，因此两者具有内在的较好的相关性，本研究表明这一相关性亦适合于我国干热河谷。

用分配比例来表示土壤过程的变化，比单独使用SOC或活性有机碳具有一定的优势，因为分配比例能够避免在使用绝对量或SOC含量不同的土壤进行比较时出现的一些问题^{[6, 9, 32]}。ROC、MBC和DOC虽然都是SOC的活性组分，但其在含量、来源和去向、影响因素等方面存在差异，是从不同角度反映有机碳的活性特征。ROC分配比例（ROC/SOC）从SOC自身分解特征方面指示有机碳活性强度，比值越大说明SOC活度越强，SOC被分解矿化的潜力大^{[2, 7, 9]}。其局限是ROC分配比例只反映SOC自身的分解特性，不能反映SOC与外界环境的关系。而事实上SOC分解矿化能力更主要的还是受外界环境条件的影响。本研究中旱耕地ROC分配比例明显低于其他三类利用方式，不足林地的70%（表3），表明相对林地和荒地而言旱耕地SOC活度低，SOC自身被分解矿化的潜力小。MBC分配比例（MBC/SOC）主要从分解转化有机碳的能力方面指示SOC活性特征，该值大表明土壤微生物活性高，容易分解和利用SOC^[6]。表3显示旱耕地MBC分配比例稍高于其他利用方式，说明旱耕地土壤微生物活性高，微生物容易分解和利用SOC。DOC分配比例（DOC/SOC）显示SOC的溶解能力，反映SOC流失水平，与SOC的矿化量具有较好的正相关性^{[10, 29, 30]}。研究区旱耕地DOC分配比例是其他利用方式的1.3～1.5倍，表明相对其他利用方式而言旱耕地SOC容易流失和矿化。MBC和DOC分配比例不仅可以反映SOC自身被分解矿化的能力，还能综合反映外界环境条件对SOC分解矿化的影响。综合以上分析可以得出本研究中旱耕地SOC自身分解矿化能力差，但灌溉、翻耕、土地利用强度大等外界环境条件有利于微生物活性和DOC含量的提高，反而导致旱耕地SOC容易分解矿化。林地和荒地SOC自身分解矿化能力强这也为干热河谷土壤碳库管理提供了有益启示，即若由于人为活动或者气候变化等原因导致土壤环境变化，使土壤微生物数量和活性提高、DOC含量增加，则可能导致林地和荒地SOC含量的迅速下降。因此，在干热河谷生态环境脆弱地区应减少林地和荒地的人为干扰和破坏。

4　结论

（1）干热河谷四类利用方式下（新银合欢林地、大叶相思林地、旱耕地和荒地）SOC含量差异均不显著，但利用方式对土壤活性有机碳含量有显著的影响。植被凋落量和管理措施是不同利用方式下ROC含量差异的主要原因，而土壤含水量和植被凋落物性质是4类利用方式下MBC、DOC含量变异的主要影响因素。

（2）干热河谷生态脆弱地区并不是所有SOC活性组分含量变化都可以指示SOC动态，只有ROC含量变化可以敏感地反映SOC动态。林地SOC自身分解矿化潜力大，但在干热河谷特殊条件下被分解矿化能力较差。旱耕地SOC自身分解矿化能力不强，受耕作管理等的影响易分解矿化。

参考文献

[1] Blair G J, Lefroy R D. Soil carbon fractions based on their degree of oxidation and the development of a C management index for agricultural systems [J]. Aust J Agri Res, 1995, 46: 1459-1466.

[2] 徐明岗，于荣，孙小凤，等. 长期施肥对我国典型土壤活性有机质及碳库管理指数的影响[J]. 植物营养与肥料学报，2006，12(4)：459-465.

[3] Soon Y K, Arshad M A, Haq A, et al. The influence of 12 years of tillage and crop rotation on total and labile organic carbon in a sandy loam soil [J]. Soil Till Res, 2007, 95: 38-46.

[4] Belay-Tedla A, Zhou X H, Su B, et al. Labile, recalcitrant, and microbial carbon and nitrogen pools of a tallgrass prairie soil in the US Great Plains subjected to experimental warming and clipping [J]. Soil Biol Biochem, 2009, 41: 110-116.

[5] 王清奎，汪思龙，高洪，等. 土地利用方式对土壤有机质的影响[J]. 生态学杂志，2005，24(4): 360-363.

[6] 唐国勇，黄道友，童成立，等. 红壤丘陵景观单元土壤有机碳和微生物生物量碳含量特征[J]. 应用生态学报，2006，17(3)：429-433.

[7] 戴全厚，刘国彬，薛萐，等. 侵蚀环境坡耕地改造对土壤活性有机碳与碳库管理指数的影响[J]. 水土保持通报，2008，28(4)：17-21.

[8] Laik R, Kumar K, Das D K, et al. Labile soil organic matter pools in a calciorthent after 18 years of afforestation by different plantations [J]. Appl Soil Ecol, 2009, 42: 71-78.

[9] 吴建国，张小全，徐德应. 六盘山林区几种土地利用方式下土壤活性有机碳的比较[J]. 植物生态学报，2004，28(5)：657-664.

[10] 李玲，肖和艾，苏以荣，等. 土地利用对亚热带红壤区典型景观单元土壤溶解有机碳含量的影响[J]. 中国农业科学，2008，41(1)：122-128.

[11] 唐国勇，吴金水，苏以荣，等. 亚热带典型景观单元土壤有机碳含量和密度特征[J]. 环境科学，2009，30(7)：177-182.

[12] 陈奇伯，王克勤，李艳梅，等. 金沙江干热河谷不同类型植被改良土壤效应研究[J]. 水土保持学报，2003，17(2)：67-70, 113.

[13] 郭玉红，郎南军，和丽萍，等. 元谋干热河谷8种植被类型的林地土壤特性研究[J]. 西部林业科学，2007，36(2)：56-64.

[14] 中国生态系统研究网络科学委员会. 陆地生态系统土壤观测规范[M]. 北京：中国环境科学出版社，2007. 160-162.

[15] 吴金水，林启美，黄巧云，等. 土壤微生物生物量测定方法及其应用[M]. 北京：气象出版社，2006. 54-64.

[16] 李昆，曾觉民. 元谋干热河谷地区不同造林树种对土壤的改良作用研究[J]. 西南林学院学报，1999，19(3)：161-164.

[17] 唐国勇，李昆，张昌顺. 施肥对干热河谷生态恢复区林木生长和土壤碳氮含量的影响[J]. 水土保持学报，2009，23(4)：185-189.

[18] 张晓林，王红华，潘艳华，等. 云南3个基本农田环境质量动态监测结果及分析[J]. 西南农业学报，2006，19(4)：

616-620.

[19] Wang Y, Shen Q R, Yang Z M, et al. Size of microbial biomass in soils of China [J]. Pedosphere, 1996, 6(3): 265-272.

[20] 贾国梅，方向文，刘秉儒，等. 黄土高原弃耕地自然恢复过程中微生物碳的大小和活性的动态[J]. 中国沙漠，2006，26(4)：580-584.

[21] 何毓蓉，黄成敏，杨忠，等. 云南省元谋干热河谷的土壤退化及旱地农业研究[J]. 土壤侵蚀与水土保持学报，1997，3(1)：57-61.

[22] 赵之伟，任立成，李涛，等. 金沙江干热河谷（元谋段）的丛枝菌根[J]. 云南植物研究，2003，25(2)：199-204.

[23] 张彦东，孙志虎，沈有信. 施肥对金沙江干热河谷退化草地土壤微生物的影响[J]. 水土保持学报，2005，19(2)：88-91.

[24] Dignac MF, Kögel-Knabner I, Michel K, et al. Chemistry of soil organic matter as related to C: N in Norway spruce forest floors and mineral soils [J]. J Plant Nutr Soil Sci, 2002, 165: 281-289.

[25] 莫彬，曹建华，徐祥明，等. 岩溶山区不同土地利用方式对土壤活性有机碳动态的影响[J]. 生态环境，2006，15(6)：1224-1230.

[26] Thuries L, Pansu M, Larre-Larrouy M C, et al. Biochemical composition and mineralization kinetics of organic inputs in a sandy soil [J]. Soil Biol Biochem, 2002, 34: 239-250.

[27] Maize N, Watanabe A, Kimura M. Chemical characteristics and potential source of fulvic acids leached from the plow layer of paddy soil [J]. Geoderma, 2004, 120: 309-323.

[28] He Z L, Wu J, O’Donmell A G, et al. Seasonal responses in microbial biomass carbon, phosphorus, sulphur in soils under pasture [J]. Biol Fertil of Soils, 1997, 24: 421-428.

[29] Zhao M X, Zhou J B, Kalbitz K. Carbon mineralization and properties of water-extractable organic carbon in soils of the south Loess Plateau in China [J]. Eur J Soil Biol, 2008, 44: 158-165.

[30] 李忠佩，张桃林，陈碧云. 可溶性有机碳的含量动态及其与土壤有机碳矿化的关系[J]. 土壤学报，2004，41(4)：544-551.

[31] Chow A T, Tanji K K, Gao S D, et al. Temperature, water content and wet-dry cycle effects on DOC production and carbon mineralization in agricultural peat soils [J]. Soil Biol Biochem, 2006, 38: 477-488.

[32] Muñoz C, Monreal C M, Schnitzer M, et al. Influence of Acacia Caven (Mol) coverage on carbon distribution and its chemical composition in soil organic carbon fractions in a Mediterranean-type climate region [J]. Geoderma, 2008, 144: 352-360.

Soil Labile Organic Carbon Contents and Their Allocation Characteristics Under Different Land Uses

TANG Guo-yong, LI Kun(Yuanmou Desertification Ecosystem Research Station, State Forestry Administration, Research Institute of Insect Resources,

Chinese Academy of Forestry, Kunming 650224, China)

Abstract: Soil organic carbon (SOC), readily oxidation organic carbon (ROC), microbial biomass carbon (MBC) and dissolved organic carbon (DOC) contents and their allocation ratios were comparatively investigated under Leucaena leucocephala woodland, Acacia auriculiformis woodland, dry cropland and wasteland in dry-hot valley. Results showed that SOC contents were not significant differences among the four land uses with the range of 4.22-5.19 g·kg-1. ROC contents under L. leucocephala(2.14 g·kg-1) and A. auriculiformis woodland (2.03 g·kg-1) were both significantly higher than those under dry cropland (1.38 g·kg-1) and wasteland (1.34 g·kg^-1). The highest MBC and DOC contents both presented under dry cropland among the four land uses, whereas the lowest occurred under wasteland. ROC allocation ratios under woodlands were 1.3 to 1.6 times to those under dry cropland and wasteland. MBC and DOC allocation ratios under cropland were higher than those under other three land uses, and the ratios were closely among woodlands and wasteland. Plant residue amounts and management were primarily determined ROC contents, and soil water content and plant residue quantity were mainly affected the variation of MBC and DOC contents under the four land uses. The change of ROC contents could sensitively indicate SOC dynamics in dry-hot valley, but the change of MBC or DOC could not.

Key words: dry-hot valley； land use； soil organic carbon； labile organic carbon； allocation ratios

元谋干热河谷不同人工林地土壤培肥效果比较研究

张昌顺1,2，李昆1*，马姜明1,3，郑志新1

（1.中国林科院资源昆虫研究所,国家林业局云南元谋荒漠生态系统定位研究站,昆明 650224；

2.国际竹藤网络中心,北京 100102； 3.中国林科院森林生态环境与保护研究所, 北京 100091）

摘要：分析测定元谋干热河谷三个试验点，8种不同人工林地土壤的物理性质、化学性质、酶活性和微生物数量变化，运用因子分析方法对人工造林后的林地土壤肥力进行综合评价。结果表明，不同人工林地的土壤肥力均有提高，尤其小叶型豆科树种及其与非豆科树种的混交林，对干热河谷退化土壤生态系统的恢复具有重要作用。同时，呈现出造林时间越长，土壤生态系统的恢复效果越明显的趋势。但应加强林地土壤管理，减少和杜绝人为干扰。

关键词：干热河谷；人工林；土壤肥力恢复；

元谋干热河谷是云南省乃至我国生态建设的重点、难点。这里脆弱的生态环境已成为元谋可持续发展的瓶颈制约，植被恢复刻不容缓。随着西部大开发和各大林业工程的推进，元谋干热河谷植被恢复初现成效。深入研究人工林对林地的培肥效果，对了解人工林林地土壤矿质营养元素的供应状况、人工林土壤肥力的发展趋势、维护持续立地生产力、恢复生态环境以及对指导生产实践、调节和改善各种限制因素、加速养分的循环利用速率和最大限度地提高人工林的生产力等都具有深刻的理论和实践意义。众所周知，土壤肥力是多种因子的综合表现[1-4]，孤立地用某个或几个因子来反映人工林土壤肥力状况都是不科学的。因此，需要寻找全面合理的方法评价人工林培肥土壤的作用。而因子分析（Factor Analysis）是主成分分析的推广，它是从研究相关矩阵内部的依赖关系出发，把一些具有错综复杂关系的变量归结为少数几个综合变量的一种多变量统计分析方法[5]。本文运用因子分析和加乘法原理从土壤物理性质、化学性质、土壤酶活性和土壤微生物分析了干热河谷8种主要人工林的培肥效果。

1　试验区概况

试验地设在云南省元谋县盆地内三个试验点（小横山、岭庄、磨诃）上，属典型的南亚热带季风干热气候区，光热充足，气候炎热、干湿季分明，有“天然温室”之称；年平均温度为21.9 ℃，平均降水量为630.78㎜，降雨集中在6～8月，年平均蒸发量约为3 426.3㎜，年平均无霜期为350～365 d^[6]。盆地内水土流失十分严重，土林林立，山崩、塌方、滑坡等自然灾害发生频繁，生态环境日趋恶化。

本区土壤为地带性燥红土、褐红土和黄棕土。林下主要植被有苦刺（Sophora viciifolia Hance）、车桑子（Dodonaea viscose (L.) Jacq）、余甘子（Phyllanthus emblica L.）、扭黄茅（Heteropogon contortus （L.） Beauv.）、三芒草（Aristida adscensionis L.）等[7]。

2　 研究方法

2.1　样地设置及试验材料

在小横山试验点上选取了相似立地条件下的6种不同类型13年生人工林样地26块（3块荒山对照），其人工林类型为：赤桉（Eucalyptus camaldulensis Dehuh.）×新银合欢（Leucaena leucocephala (Lam.) Dewit）混交林、赤桉（E. camaldulensis Dehuh.）×苏门答腊金合欢（Acacia glauca （L.） Moench）混交林、苏门答腊金合欢纯林、新银合欢纯林、赤桉纯林和柠檬桉（E. citriodora Hook.）×新银合欢混交林，分别用1、2、3、4、5、6表示；在磨诃试验点上选取了相似立地条件下的6年生印楝（Azadirachta indica A. Juss.）人工纯林样地6块（3块荒山对照），6年生印楝纯林用7表示；在岭庄试验点上选取了相似立地条件下的13年生大叶相思（A. auriculiformis A.Cunn.）人工纯林样地5块（2块荒山对照），13年生大叶相思林用8表示。

2.2　采样及测定方法

2004年雨季（8月10日）按“S”形布点，先在0～20㎝土层用环刀分层取样，以测定土壤容重、孔隙度和土壤水分指标，再用无菌袋采集其土样，最后将相同林分的土样混合成（相应对照地的土样也混合），以测其土壤化学性质[8]；土壤酶活性采用周礼恺编的《土壤酶学》中的方法测定[9]。细菌用牛肉汁蛋白质琼脂培养基平板混菌法培养；真菌用马氏琼脂基平板混菌法培养；放线菌用高氏1号基平板混菌法培养[10]。

2.3　统计分析方法

采用SPSS统计软件对各项数据进行因子分析[11]。

3　结果与分析

3.1　土壤肥力变化

3.1.1　土壤物理性质的变化 土壤及时满足植物对水、肥、气、热要求的能力称为土壤肥力[2]。虽然土壤肥力是众多因子的综合，但土壤物理性质直接影响着土壤的透水、透气及养分在土壤胶体中的运输。因此，土壤物理性质是土壤肥力一个重要的方面。

由表1看出，营造人工林后，土壤物理性质明显优于对照地荒地。具体表现为，土壤容重降低了4.05%～15.61%，土壤容重是表征土壤物理结构的一个重要指标。由于林木枯落物及其根系的作用，林地变得疏松，其透气、透水性能均有不同程度的提高，总孔隙度提高了7.56%～24.31%，毛管孔隙度提高了4.69%～30.01%，土壤饱和含水量增加了16.52%～51.83%，毛管持水量提高17.63%～45.48%，土壤田间坚持水量提高了16.8%～45.89%，一定程度上降低了土壤水分蒸发。说明干热河谷营造人工林，对改善土壤物理性质效果明显。排除对照的基础性差异，苏门答腊金合欢纯林改良土壤物理性质效果较佳，其容重最小，总孔隙度、毛管孔隙度及土壤水分等指标的改善均高于其他林分，各类混交林的改良效果也比较好，而赤桉纯林和印楝纯林的土壤物理性质改良作用较差。

3.1.2　土壤化学性质的变化 土壤pH值是影响土壤肥力的重要因素之一，也是影响土壤生态系统的一个重要指标[12、13]。土壤微生物的活动、有机质的分解、营养元素的释放与转化、土壤酶活性的高低等都与土壤pH值有关。而土壤养分是地质大循环和生物小循环共同作用的结果，其含量的高低直接影响林分的生产力。

营造人工林后，虽然土壤ph值变化不显著，但原造林地碱性或弱碱性的土壤有酸性有增强态势；不同林分的林地土壤全磷、全钾和有机质含量均较对照地增加，其它指标的变化各有差异。就不同林分而言，赤桉×苏门答腊金合欢混交林和柠檬桉×新银合欢混交林的土壤养分含量均较其对照有明显增加，赤桉×新银合欢混交林、苏门答腊金合欢纯林、新银合欢纯林、赤桉纯林和大叶相思纯林，除少数几种养分含量较相应对照低外，其他养分含量均较相应对照增加；而印楝纯林除全氮、全钾、有机质、水解氮和有效磷含量高于对照外，其他养分含量则低于对照，这可能与印楝人工林前期生长快，养分消耗多有关。说明，在干热河谷植被恢复中，营造豆科与非豆树种混交林对改善土壤化学性质有明显的效果和重要的意义。

表1　各林分土壤肥力指标

3.1.3　土壤酶活性的变化 土壤中一切生化反应，实际都是在酶的参与下进行的，土壤酶活性的高低反映了土壤中各种生化反应进行的程度和方向。大量研究表明，土壤酶活性与土壤理化性质、水热状况、碳水化合物含量、吸收性复合体特征以及营林抚育措施等密切相关，是土壤肥力的一个重要指标[14]。对不同树种人工林地的测定结果表明，不同树种林地的不同土壤酶活性变化不一。苏门答腊金合欢林分除脲酶活性较对照低外，其他酶的活性均高于对照荒地；其他林分除少数（如脲酶等）酶活性外，其余酶活性指标也都优于各自的对照地荒地。同时，除赤桉纯林的蛋白酶、印楝纯林的过氧化氢酶外，其它林地的此二项指标均较相应对照高，说明人工林对提高和改善干热河谷退化土壤的酶活性具有重要作用。

不过，赤桉×新银合欢、赤桉×苏门答腊金合欢、新银合欢和大叶相思人工林的土壤多酚氧化酶活性较相应对照有所降低。多酚氧化酶活性的降低会导致林地土壤酚类物质积累，有可能引起地力衰退，对此应予以重视。从整体来看，苏门答腊金合欢人工林对提高土壤酶活性效果较佳，赤桉×苏门答腊金合欢混交林也有较好效果；大叶相思纯林则较差，不仅多酚氧化酶活性低于对照，脲酶活性还高于对照，而脲酶活性增强会导致土壤NH4+的积累，从而加剧土壤中氨的挥发和NO2-的积累。

表2　各肥力因子的隶属度值、公因子方差和权重值

3.1.4　土壤微生物的变化 微生物参与土壤有机质的分解、腐殖质的合成、养分转化和加速土壤的发育与形成，因此，土壤微生物组成及其数量的变化，一般反映了林地土壤肥力的变化[15]。试验表明，林地土壤微生物变化因树种而异。赤桉×苏门答腊金合欢、苏门答腊金合欢、新银合欢和柠檬桉×新银合欢等人工林地的土壤细菌、真菌和放线菌数量均较其对照高，而印楝和大叶相思林地的细菌和真菌，赤桉和赤桉×新银合欢林地的放线菌数量较相应对照荒地低，尤其印楝和大叶相思纯林，其微生物总数均较各自对照少。其原因可能与树种生物学特性及林下土壤裸露、干燥，叶片厚大不易分解，容易被河谷风吹出林地有关。由于缺少有效养分的归还，且水土流失又严重，使得林地微环境不利现有微生物的生存繁殖。一般具小型叶片的豆科树种对增加干热河谷土壤有机质有明显作用[16]，因而，柠檬桉×新银合欢、赤桉×苏门答腊金合欢、苏门答腊金合欢和新银合欢等林地对增加土壤微生物数量效果明显。

3.2　土壤肥力综合评价

3.2.1　土壤肥力因子隶属度值与权重、负荷量的计算 土壤肥力是土壤物理性质、土壤化学性质、土壤酶活性和土壤微生物等指标的综合反映。据此，本研究根据各单项肥力指标的代表性和对植被影响的主导性，选择土壤表层(0～20 cm)各肥力因子的数据，建立不同人工林土壤肥力评价指标体系。

由于土壤肥力因子变化具有连续性质，故各评价指标采用连续性质的隶属度函数，并从主成分因子负荷量值的正负性，确定隶属度函数分布的升降性，这与各因子对植被的效应相符合。对于pH值、容重采用降型分布函数^[16]，即

而对土壤养分因子和生物因子,采用升型函数^[16]，即：

其中F（Xⁱ）表示各肥力因子的隶属度值，X^{i j}表示各肥力因子值，X^{i max}和X^{i min}分别表示第i项肥力因子中的最大值和最小值。根据式(1)和(2)计算了各处理土壤肥力因子的隶属度值(表2)。

以往研究普遍采用专家打分来确定各单项肥力指标的权重系数。为避免人为影响，本文运用SPSS软件对各处理土壤肥力因子的隶属度值进行因子分析，以计算公因子方差确定权重系数^[17]。因子分析结果，前6个公因子对于总方差的累积贡献率达88.58%，再经公因子旋转得公因子载荷矩阵，通过计算得土壤各肥力指标的公因子方差，其值表示对土壤肥力总体变异的贡献，据此确定各指标权重值(表2)。3.2.2土壤肥力综合指标值计算 根据模糊数学中的加乘法原则，求得土壤肥力综合评价指标IFI^[17]。

式中, Wⁱ表示各肥力因子的权重向量；F（Xⁱ）表示各肥力因子的隶属度值；计算结果如下（表3）。

表3　　土壤肥力综合指标值(IFI)

虽然从上述各类林地土壤肥力的具体指标考察，其数值有增有减，不过，多元统计分析结果显示，这些林地土壤肥力综合指标值均高于相应对照荒地。其中，苏门答腊金合欢土壤肥力综合指数（IFI＝0.612）最高，柠檬桉×新银合欢混交林次之（IFI＝0.606），赤桉×新银合欢混交林的IFI值较低（IFI＝0.430）。充分说明，干热河谷的植被恢复不仅改善了地表生态环境，对促进退化土壤生态系统的恢复也具有重要作用，尤其采用苏门答腊金合欢、新银合欢、木豆、山毛豆等豆科树种，并选择适宜的乔木树种营造混交林，将加速该地区退化土壤生态系统的恢复和生态环境建设。

4　结论与讨论

（1）选择适宜树种在干热河谷人工恢复植被后，其林地土壤的容重最小，总孔隙度、毛管孔隙度及土壤水分等土壤物理性质有较大改善，尤以苏门答腊金合欢、新银合欢及其有关混交林的改良效果较佳。

（2）各类人工植被对提高土壤养分含量效果比较明显，尤其是土壤全磷、全钾和有机质含量提高幅度最大。同时，除赤桉纯林和柠檬桉×新银合欢混交林地外，其他林地的土壤pH值有降低趋势。

（3）各树种对林地土壤酶活性的影响存在差异。苏门答腊金合欢纯林对提高土壤酶活性效果最佳，其次是各类混交林，纯林的作用相对较差，尤其造林时间比较短的印楝纯林最差。但对于有些林地土壤多酚氧化酶活性降低的问题应予以重视，以防因酚类物质的积累影响林地肥力的提高。土壤微生物数量总是与林地的土壤有机质有紧密联系，赤桉×苏门答腊金合欢混交林对提高土壤微生物的作用最大，反映出营造混交林，尤其是选用小叶豆科树种，对恢复干热河谷退化土壤生态系统具有重要意义。另外，人工林地的土壤管理，是促进枯枝落叶分解，提高土壤有机质和林下植物多样性的重要技术措施，对此应加以重视。

（4）不同林地的土壤肥力综合分析表明，人工植被对干热河谷退化土壤生态系统的恢复有明显效果，各林地土壤肥力综合指标值均较各自对照高，尤以13年生苏门答腊金合欢林效果最佳。但退化土壤恢复的作用不可能一蹴而就，需要一定的恢复时间，而且已恢复植被应尽量减少或杜绝再次人为干扰破坏。

参考文献

[1] 江泽普,韦广泼,谭宏伟. 广西红壤果园土壤肥力演化与评[J]. 植物营养与肥料学报, 2004,10(3):312～318

[2] 北京林业大学.土壤学[M].中国林业出版社,1996.1～270

[3] 杨瑞吉,杨祁峰,牛俊义. 表征土壤肥力主要指标研究进展[J].甘肃农业大学学报,2004,39(1):86～91

[4] 骆伯胜,钟继洪,陈俊坚. 土壤肥力数值化综合评价研究[J].土壤,2004,36(1):104～106,111

[5] 唐守正. 多元统计分析方法[M].中国林业出版社,1986, 20～36

[6] 纪中华,李建增,沙毓沧. 金沙江干热河谷退化土地植被恢复模式及效益研究[J].中国水土保持,1999(7):27～29

[7] 金振洲,欧晓昆编.干热河谷植被[M].云南大学出版社, 2000:141～230

[8] 国家标准局.中华人民共和国国家标准森林土壤分析[M].北京: 标准出版社,1988

[9] 周礼恺. 土壤酶学[M]. 科学出版社，1987. 263～281

[10] 李阜棣. 土壤微生物学试验技术[M].中国农业出版社, 1996:1～318

[11] 薛薇.SPSS统计分析方法与应用[M].电子工业出版社, 2004:326～348

[12] 卢元添. 酸雨危害森林情况综述[J].福建林学院学报,1989,9(4):398～401

[13] Johnson DW. Atmospheric deposition, forest nutrient status and forest decline: Implications of the Integrated forest study[M]. Forest Decline in the Atlantic and Pacific Region , Berlin: Springer Verlag ,1993:66～88

[14] LiY(李勇)Discuss on soil enzyme activities and soil fertility[J]. Soil Bulletin (in Chinese)(土壤通报)，1989, 26 (4):190～192

[15] 阎德仁,刘永军,王晶莹. 落叶松人工林土壤微生物含量的研究[J]. 东北林业大学学报, 1996,24(3):46～50

[16] 李昆,曾觉民. 元谋干热河谷地区不同造林树种对土壤的改良作用研究[J]. 西南林学院学报,1999,19(3): 161～164

[17] 顾峰雪,潘晓玲,潘伯荣等. 塔克拉玛干沙漠腹地人工植被土壤肥力变化[J]. 生态学报, 2002,22(8):1179～1188

[18] 骆伯胜,钟继洪,陈俊坚. 土壤肥力数值化综合评价研究[J].土壤, 2004, 36 (1):104～106,111

Comparative Research on Soil Fertility Improvement of Different Artificial Plantations in Yuanmou Dry-hot Valley, Yunnan Province

ZHANG Chang-shun^1,2，LI Kun^1*，MA Jiang-ming^1,3，ZHENG Zhi-xin¹

(Research Institute of Resources Insects , CAF, Kunming, Desert Ecosystem Research Station of The State Forestry Administration, Yuanmou, 650224, china； 2.International Centre for Bamboo and Rattan, Beijing 100102,china； 3.Research Institute of Forest Ecology Environment and Protection, CAF, Beijing　100091,china)

Abstract: The paper analyzed the changes of soil physical and chemical properties, enzyme activities and the number of microbes of 8 different types of artificial forest in 3 experimental sites in Yuanmou County, Yunnan Province. At the same time, comprehensive evaluation of soil fertility in artificial forests was conducted by factor analysis. The results showed that soil fertilities have been improved in different artificial forests, especially in little-leaf acacia pure forests and in acacia and non-acacia mixed forests. It was very useful for the recovery of degraded soil ecological system in dry-hot valley. On the other hand, it was found that the time of afforestation and the recovery of soil ecological system have obvious positive correlation. So we suggest that we should enhance the management of the soil in artificial forest, and decrease or forbid external disturbance.

Key words: dry-hot valley, artificial forest, recovery of soil fertility