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岩溶区不同恢复方式下土壤有机碳组分及酶活性研究

哈文秀 周金星 庞丹波 关颖慧 崔明

引用本文:
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岩溶区不同恢复方式下土壤有机碳组分及酶活性研究

    作者简介: 哈文秀。主要研究方向:植被恢复。Email:763137396@qq.com   地址:100083  北京市海淀区清华东路35号北京林业大学水土保持学院.
    通讯作者: 崔明,博士,研究员。主要研究方向:石漠化治理。Email:cuiming4057@126.com   地址:100091  北京市海淀区槐树居路10号荒漠化所
  • 基金项目:

    国家重点研发计划 2016YFC0502504

    国家自然科学基金项目 41601279

  • 中图分类号: S714.6

Soil organic carbon fraction and enzyme activities under different restoration methods in karst area

  • 摘要: 目的 植被的自然恢复和人工重建是加速岩溶生态系统修复、提高土壤质量的主要措施。研究岩溶区不同恢复方式下土壤有机碳组分及酶活性可揭示不同恢复方式对土壤质量的影响,旨在为岩溶区植被恢复模式的筛选和恢复的效果评价提供科学依据。方法 以云南省建水县岩溶区自然恢复的天然次生林、人工恢复的云南松针叶林、桉树阔叶林为研究对象,分析不同土层的土壤有机碳组分、碳库管理指数和酶活性分布特征及其相关关系。结果 各植被恢复方式下土壤有机碳(SOC)含量为9.076~56.855 g/kg,可溶性有机碳(DOC)含量为822.311~1 175.778 mg/kg,微生物量碳(MBC)含量为332.933~2 035.244 mg/kg,易氧化有机碳(EOC)含量为2.381~6.094 g/kg。同一植被恢复方式下,除云南松林下的EOC含量外,各有机碳组分含量均随土层的加深而降低,局部土层深度出现波动。云南松林土壤亚表层(10~20 cm)的EOC含量显著高于表层(0~10 cm)和深层(20~30 cm)。不同植被恢复方式对DOC、EOC与SOC含量的影响大致均表现为:天然次生林>桉树林>云南松林,云南松林各土层的MBC含量始终显著高于桉树林。各有机碳组分与SOC均表现为极显著(P<0.01)或显著(P<0.05)正相关关系;不同植被恢复方式提升土壤碳库管理指数的能力大小为:天然次生林>桉树林>云南松林。SOC与CPI、CPMI呈极显著(P < 0.01)和显著(P < 0.05)正相关,EOC与CPAI、CPI、CPMI呈极显著(P<0.01)或显著(P<0.05)正相关。不同植被恢复方式通过增加土壤SOC、EOC等,从而提高了土壤碳库管理指数;整体上土壤酶活性随着土层的加深呈递减趋势,局部范围内有波动。不同植被恢复方式下土壤酶活性的变化不尽相同,过氧化氢酶和淀粉酶活性表现为天然次生林>云南松林>桉树林。各植被恢复方式下SOC、MBC、DOC、EOC含量与4种土壤酶活性均呈正相关关系,且多为显著或极显著水平。结论 3种植被恢复措施在不同程度上提高了土壤各有机碳组分含量、碳库管理指数和土壤酶活性。其中,天然次生林对土壤整体质量的提升能力最高,桉树林在提升总有机碳及活性碳组分含量方面较为显著,而云南松林对过氧化氢酶和淀粉酶活性的提升能力更为显著。因此,应该加快岩溶区宜林土地管理方式的转变,优先考虑自然恢复,选择人工造林时要注重对阔叶树的利用和优化管理。
  • 图 1  不同恢复方式下土壤有机碳组分分布特征

    Figure 1.  Distribution of soil organic carbon fractions under different vegetation restoration models

    图 2  不同恢复方式下土壤酶活性分布特征

    Figure 2.  Distribution characteristics of soil enzyme activities under different restoration models

    表 1  不同恢复方式样地的基本情况

    Table 1.  Basic information of sample plots of different vegetation restoration models

    样地
    Sample plot
    地理坐标
    Geographical coordinate
    海拔
    Elevation/m
    坡度
    Slope degree/(°)
    植被盖度
    Vegetation
    coverage/
    %
    土壤类型
    Soil type
    土层厚度
    Soil thickness/cm
    岩石裸露率
    Bare rock cover rate/%
    凋落物生物量
    Litter biomass/ (g·m-2)
    森林群落
    Forest community
    天然次生林
    Natural secondary forest
    102°55′03″E, 23°44′06″N 1 516 10 75 红色石灰土
    Red lime soil
    中厚
    Medium thickness<99
    55 1 443 铁橡栎Quercus cocciferoides+野山楂Crataegus cuneata—铁仔Myrsine africana+白枪杆Fraxinus malacophylla—刺芒野古草Arundinella setosa
    云南松林
    Pinus yunnanensis forest
    102°46′41″E, 23°40′30″N 1 560 15 80 红色石灰土
    Red lime soil
    中厚
    Medium thickness <99
    60 459 云南松Pinus yunnanensis—铁仔Myrsine africana+小石积Osteomeles anthyllidifolia—刺芒野古草Arundinella setosa
    桉树林
    Eucalyptus robusta forest
    102°57′11″E, 23°42′34″N 1 511 11 65 红色石灰土
    Red lime soil
    中厚
    Medium thickness <99
    60 530 桉树Eucalyptus robusta—铁仔Myrsine africana+白枪杆Fraxinus malacophylla—刺芒野古草Arundinella setosa
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    表 2  不同恢复方式样地的土壤理化性质

    Table 2.  Soil physical and chemical properties of sample plots of different vegetation restoration models

    样地
    Sample plot
    土壤密度
    Bulk density/(g·cm-3)
    土壤含水量
    Soil moisture content/%
    pH 全氮含量
    Total nitrogen content/(g·kg-1)
    全磷含量
    Total phosphorus content/(g·kg-1)
    硝态氮含量
    Nitrate nitrogen content/(g·kg-1)
    速效磷含量
    Available phosphorus content/(g·kg-1)
    天然次生林
    Natural secondary forest
    1.11 31.76 5.64 10.83 0.89 10.57 1.24
    云南松林
    Pinus yunnanensis forest
    1.21 23.79 5.99 4.61 0.57 12.51 0.89
    桉树林
    Eucalyptus robusta forest
    1.15 33.86 5.95 5.29 1.34 11.63 1.99
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    表 3  不同恢复方式下土壤碳库活度及碳库管理指数

    Table 3.  Carbon pool activity and carbon pool management indexes

    土层
    Soil layer/cm
    恢复方式
    Restoration model
    碳库活度
    Carbon pool activity (CPA)
    碳库活度指数
    Carbon pool activity index (CPAI)
    碳库指数
    Carbon pool index (CPI)
    碳库管理指数
    Carbon pool management index (CPMI)
    0~10 天然次生林Natural secondary forest 0.142A 1.216A 1.989A 238.293A
    桉树林Eucalyptus robusta forest 0.116AB 0.991AB 1.685AB 162.188B
    云南松林Pinus yunnanensis forest 0.092B 0.784B 1.301B 98.769C
    10~20 天然次生林Natural secondary forest 0.194A 1.342A 1.993A 264.633A
    桉树林Eucalyptus robusta forest 0.224A 1.554A 1.432AB 203.931B
    云南松林Pinus yunnanensis forest 0.170A 1.179A 1.368A 160.801C
    20~30 天然次生林Natural secondary forest 0.183B 0.685B 1.732A 115.828B
    桉树林Eucalyptus robusta forest 0.392A 1.465A 1.205B 169.401A
    云南松林Pinus yunnanensis forest 0.206B 0.770B 1.750A 134.260A
    0~30 天然次生林Natural secondary forest 0.173A 1.081A 1.905A 206.252A
    桉树林Eucalyptus robusta forest 0.244A 1.337A 1.441B 178.507A
    云南松林Pinus yunnanensis forest 0.156A 0.911A 1.413B 131.277A
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    表 4  土壤有机碳含量与碳库管理指数间的相关系数

    Table 4.  Correlations between soil organic carbon content and carbon pool management index

    指标Index SOC MBC DOC EOC CPA CPAI CPI
    MBC 0.790**
    DOC 0.633** 0.459*
    EOC 0.411* 0.116 0.386*
    CPA -0.667** -0.565** -0.270 -0.055
    CPAI -0.115 -0.079 0.204 0.425* 0.651**
    CPI 0.578** 0.139 0.287 0.492** -0.490** -0.448*
    CPMI 0.426* 0.099 0.505** 0.914** 0.192 0.648** 0.349
    注:***分别表示在0.05、0.01水平相关显著。下同。Notes: * and ** stand for significant correlations at P<0.05 and P<0.01 level,respectively. The same as below.
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    表 5  土壤有机碳含量与土壤酶活性间的相关系数

    Table 5.  Correlations between soil organic carbon content and soil enzyme activity

    指标Index 蔗糖酶Invertase 过氧化氢酶Catalase 磷酸酶Phosphatase 淀粉酶Amylase
    SOC 0.756** 0.624** 0.553** 0.481*
    MBC 0.584** 0.340 0.893** 0.552**
    DOC 0.747** 0.653** 0.422* 0.367
    EOC 0.839** 0.499** 0.312 0.432*
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-05-30
  • 录用日期:  2018-09-27
  • 刊出日期:  2019-02-01

岩溶区不同恢复方式下土壤有机碳组分及酶活性研究

    通讯作者: 崔明, cuiming4057@126.com
    作者简介: 哈文秀。主要研究方向:植被恢复。Email:763137396@qq.com   地址:100083  北京市海淀区清华东路35号北京林业大学水土保持学院
  • 1. 北京林业大学水土保持学院,云南建水荒漠生态系统国家定位观测研究站,北京 100083
  • 2. 中国林业科学研究院荒漠化研究所,北京 100091
基金项目:  国家重点研发计划 2016YFC0502504国家自然科学基金项目 41601279

摘要: 目的植被的自然恢复和人工重建是加速岩溶生态系统修复、提高土壤质量的主要措施。研究岩溶区不同恢复方式下土壤有机碳组分及酶活性可揭示不同恢复方式对土壤质量的影响,旨在为岩溶区植被恢复模式的筛选和恢复的效果评价提供科学依据。方法以云南省建水县岩溶区自然恢复的天然次生林、人工恢复的云南松针叶林、桉树阔叶林为研究对象,分析不同土层的土壤有机碳组分、碳库管理指数和酶活性分布特征及其相关关系。结果各植被恢复方式下土壤有机碳(SOC)含量为9.076~56.855 g/kg,可溶性有机碳(DOC)含量为822.311~1 175.778 mg/kg,微生物量碳(MBC)含量为332.933~2 035.244 mg/kg,易氧化有机碳(EOC)含量为2.381~6.094 g/kg。同一植被恢复方式下,除云南松林下的EOC含量外,各有机碳组分含量均随土层的加深而降低,局部土层深度出现波动。云南松林土壤亚表层(10~20 cm)的EOC含量显著高于表层(0~10 cm)和深层(20~30 cm)。不同植被恢复方式对DOC、EOC与SOC含量的影响大致均表现为:天然次生林>桉树林>云南松林,云南松林各土层的MBC含量始终显著高于桉树林。各有机碳组分与SOC均表现为极显著(P<0.01)或显著(P<0.05)正相关关系;不同植被恢复方式提升土壤碳库管理指数的能力大小为:天然次生林>桉树林>云南松林。SOC与CPI、CPMI呈极显著(P < 0.01)和显著(P < 0.05)正相关,EOC与CPAI、CPI、CPMI呈极显著(P<0.01)或显著(P<0.05)正相关。不同植被恢复方式通过增加土壤SOC、EOC等,从而提高了土壤碳库管理指数;整体上土壤酶活性随着土层的加深呈递减趋势,局部范围内有波动。不同植被恢复方式下土壤酶活性的变化不尽相同,过氧化氢酶和淀粉酶活性表现为天然次生林>云南松林>桉树林。各植被恢复方式下SOC、MBC、DOC、EOC含量与4种土壤酶活性均呈正相关关系,且多为显著或极显著水平。结论3种植被恢复措施在不同程度上提高了土壤各有机碳组分含量、碳库管理指数和土壤酶活性。其中,天然次生林对土壤整体质量的提升能力最高,桉树林在提升总有机碳及活性碳组分含量方面较为显著,而云南松林对过氧化氢酶和淀粉酶活性的提升能力更为显著。因此,应该加快岩溶区宜林土地管理方式的转变,优先考虑自然恢复,选择人工造林时要注重对阔叶树的利用和优化管理。

English Abstract

  • 土壤有机碳作为土壤的重要组成成分,既为植物生长提供所需养分,也为土壤微生物活动提供能源[1],是评价土壤质量或健康程度的重要指标之一[2]。目前学者多采用土壤碳库管理指数对土壤有机碳库进行科学定量的评价[3]。土壤碳库管理指数结合了碳库活度与碳库总碳量两方面的内容,其数值的变化直接反映土壤的肥力状况[4]。研究表明,土壤有机碳受土地利用和管理方式、自然与人为干扰等影响较强[5]。不同土地利用和管理方式通过影响植物凋落物和残留[6],从而影响土壤微生物活动以及有机质数量和质量[7],造成土壤有机碳库发生相应的变化[8]

    土壤酶活性也是反映土壤质量变化的一个重要指标。土壤酶主要来源于土壤微生物的分泌,动植物的分泌及其残体等[9],其活性大小反映了土壤中物质代谢的旺盛程度[2]。土壤酶参与了土壤活性有机碳的分解和转化过程[10],对土壤碳循环有着至关重要的作用。研究土壤酶活性与土壤活性有机碳组分之间的关系可进一步探明和解释不同植被恢复方式下土壤碳库差异的来源。

    岩溶生态系统是陆地生态系统的重要组成部分,也是典型的生态脆弱区[11]。岩溶地区的石漠化问题既加剧了生态环境的恶化,也限制了岩溶生态系统生产力和生态服务功能的发挥[12]。植被的自然恢复和人工重建是加速岩溶生态系统修复、提高土壤质量的主要措施。目前关于不同土地管理和利用方式对土壤有机碳组分和土壤酶的影响已有较多研究[6, 13-14],然而关于岩溶区不同植被恢复方式下土壤有机碳组分和酶活性的相关研究比较薄弱。本研究以云南省建水县岩溶区自然恢复的天然次生林,人工恢复的云南松(Pinus yunnanensis)针叶林、桉树(Eucalyptus robusta)阔叶林为研究对象,通过测定不同植被恢复方式下土壤有机碳、活性有机碳组分和参与土壤碳循环的相关酶活性,分析不同植被恢复方式下的土壤活性有机碳组分、碳库管理指数和酶活性的分布特征及其相关关系,旨在揭示不同恢复方式对土壤质量及碳库的影响,为岩溶区植被恢复模式筛选和恢复效果评价提供科学依据。

    • 研究区位于云南省建水县(23°42′~24°10′N、102°33′~103°11′E),县境地貌形态分盆地(坝子)、河谷、山地3种类型,其间碳酸岩岩溶地貌分布广泛。受成土母质影响,红壤为主要土壤类型。气候特点为夏季多雨,冬春干旱。年均气温为17.7 ℃,年均降雨量为783.6 mm,降雨时空分布不均,多集中在6—8月,年均蒸发量为2 343 mm,蒸发量远远大于降雨量。

    • 在云南建水荒漠生态系统国家定位观测研究站附近的岩溶区,分别选取20世纪90年代初开始恢复的,位置相邻或相近的天然次生林、人工云南松针叶林和人工桉树阔叶林样地,以降低地形及气候的影响,在相近的土壤环境条件下进行相关研究。分别在每个样地内设置3个30 m×30 m样方,在每个样方内沿对角线五点混合取样,取样深度为0~30 cm,自下而上每隔10 cm取样一次。由于位于岩溶区,样地内土层分布不连续,岩石裸露度较高,有些剖面土壤深度没有10 cm或者20 cm以下,采用其余剖面的样品混合。样品去除杂物后充分混匀,分成两部分,一部分放于室内自然分干,另一部分置于冰箱中(4 ℃)备用。风干土样碾磨后分为两部分,部分过2 mm筛用于易氧化有机碳的测定,部分过2.5 mm筛用于土壤有机碳的测定。冰箱中的鲜土过2 mm筛用于测定微生物碳、可溶性有机碳及酶活性。样地基本情况及土壤理化性质见表 12

      表 1  不同恢复方式样地的基本情况

      Table 1.  Basic information of sample plots of different vegetation restoration models

      样地
      Sample plot
      地理坐标
      Geographical coordinate
      海拔
      Elevation/m
      坡度
      Slope degree/(°)
      植被盖度
      Vegetation
      coverage/
      %
      土壤类型
      Soil type
      土层厚度
      Soil thickness/cm
      岩石裸露率
      Bare rock cover rate/%
      凋落物生物量
      Litter biomass/ (g·m-2)
      森林群落
      Forest community
      天然次生林
      Natural secondary forest
      102°55′03″E, 23°44′06″N 1 516 10 75 红色石灰土
      Red lime soil
      中厚
      Medium thickness<99
      55 1 443 铁橡栎Quercus cocciferoides+野山楂Crataegus cuneata—铁仔Myrsine africana+白枪杆Fraxinus malacophylla—刺芒野古草Arundinella setosa
      云南松林
      Pinus yunnanensis forest
      102°46′41″E, 23°40′30″N 1 560 15 80 红色石灰土
      Red lime soil
      中厚
      Medium thickness <99
      60 459 云南松Pinus yunnanensis—铁仔Myrsine africana+小石积Osteomeles anthyllidifolia—刺芒野古草Arundinella setosa
      桉树林
      Eucalyptus robusta forest
      102°57′11″E, 23°42′34″N 1 511 11 65 红色石灰土
      Red lime soil
      中厚
      Medium thickness <99
      60 530 桉树Eucalyptus robusta—铁仔Myrsine africana+白枪杆Fraxinus malacophylla—刺芒野古草Arundinella setosa

      表 2  不同恢复方式样地的土壤理化性质

      Table 2.  Soil physical and chemical properties of sample plots of different vegetation restoration models

      样地
      Sample plot
      土壤密度
      Bulk density/(g·cm-3)
      土壤含水量
      Soil moisture content/%
      pH 全氮含量
      Total nitrogen content/(g·kg-1)
      全磷含量
      Total phosphorus content/(g·kg-1)
      硝态氮含量
      Nitrate nitrogen content/(g·kg-1)
      速效磷含量
      Available phosphorus content/(g·kg-1)
      天然次生林
      Natural secondary forest
      1.11 31.76 5.64 10.83 0.89 10.57 1.24
      云南松林
      Pinus yunnanensis forest
      1.21 23.79 5.99 4.61 0.57 12.51 0.89
      桉树林
      Eucalyptus robusta forest
      1.15 33.86 5.95 5.29 1.34 11.63 1.99
    • 土壤有机碳(SOC)的测定采用重铬酸钾氧化—分光光度法[2];可溶性有机碳(DOC)采用鲜土提取液过0.45 μm滤膜,用总有机碳分析仪(日本岛津TOC-VCPH)进行测定[15]。微生物量碳(MBC)测定采用氯仿熏蒸—K2SO4浸提法[16];土壤易氧化有机碳(EOC)采用K2MnO4氧化法—比色法测定[17]。过氧化氢酶活性的测定采用高锰酸钾容量法[17],单位以mg/(g·d)表示;磷酸酶活性以磷酸苯二钠比色法测定[18],单位以mg/(g·d)表示;蔗糖酶,淀粉酶活性以3, 5-二硝基水杨酸比色法测定[19],蔗糖酶单位以mg/(g·d)表示,淀粉酶单位以mg/(g·d)表示。

      土壤碳库管理指数计算方法如下:

      $ \mathrm{CPI}=\mathrm{SOC}_{\text { sample }} / \mathrm{SOC}_{\text { reference }} $

      (1)

      $ \mathrm{CPA}=\mathrm{SOC}-\mathrm{EOC} $

      (2)

      $ \mathrm{CPAI}=\mathrm{CPA}_{\mathrm{sample}} / \mathrm{CP} \mathrm{A}_{\mathrm{reference}} $

      (3)

      $ \mathrm{CPMI}=\mathrm{CPI} \times \mathrm{CPAI} \times 100 $

      (4)

      式中:CPI为碳库指数(carbon pool index),CPA为碳库活度(carbon pool activity),CPAI为碳库活度指数(carbon pool activity index),CPMI为碳库管理指数(carbon pool management index),SOCsample为样品总有机碳含量,SOCreference为参考土壤总有碳含量,CPAsample为样品碳库活度,CPAreference为参考土壤碳库活度。其中,以撂荒地土壤作为参考土壤。

      采用Microsoft Excel 2016和SPSS 19.0软件对数据进行统计分析,多重比较采用Duncan法,相关分析采用Pearson相关系数法进行分析。

    • 图 1A表明,3种植被恢复方式下SOC含量的变化趋势大致表现为天然次生林>桉树林>云南松林。同一土层不同植被恢复方式下SOC差异显著。表层(0~10 cm)和亚表层(10~20 cm)土壤中,天然次生林的SOC含量显著高于云南松林(P<0.05),桉树林与天然次生林和云南松林差异不显著(P>0.05)。深层(20~30 cm)土壤中桉树林显著低于天然次生林和云南松林(P<0.05)。各植被恢复方式下SOC含量为9.076~56.855 g/kg,同一植被恢复方式SOC含量在垂直剖面上表现为随土层深度的增加而降低的趋势,且表层含量显著高于亚表层和深层(P<0.05)。

      图  1  不同恢复方式下土壤有机碳组分分布特征

      Figure 1.  Distribution of soil organic carbon fractions under different vegetation restoration models

    • 图 1B表明,各植被恢复方式下DOC含量表现为天然次生林>桉树林>云南松林。同一土层不同植被恢复方式下SOC差异显著。表层土壤中,天然次生林含量显著高于桉树林和云南松林(P<0.05),而桉树林和云南松林无明显差异。亚表层和深层土壤中,各恢复方式下土壤DOC差异显著(P<0.05)。3种不同植被恢复方式下土壤DOC含量为822.311~1 175.778 mg/kg,各恢复方式下DOC含量剖面分布总体趋势表现为表层和亚表层显著高于深层,体现了其“表聚性”,其中桉树林土壤垂直剖面DOC含量随土层加深呈先增加后减少的趋势,并在土壤亚表层达到最大值。

    • 图 1C表明,同一土层土壤MBC含量在不同植被恢复方式下存在不同程度差异。在土壤表层,天然次生林显著高于云南松林和桉树林(P<0.05),并达到了最大值(2 035.244 mg/kg)。在土壤亚表层和深层,土壤MBC平均含量变化趋势表现为云南松林>桉树林>天然次生林,并达到显著水平。3种植被恢复方式下土壤MBC含量为332.933~2 035.244 mg/kg。垂直方向上,天然次生林、桉树林、云南松林MBC含量均随土层深度的增加而降低,表层土壤的含量显著高于亚表层和深层,且分别占整个土层的71.67%、55.12%、53.60%。

    • 图 1表明,同一土层土壤EOC含量在不同恢复方式间存在显著差异。其中,表层和亚表层的土壤EOC含量表现为天然次生林>桉树林>云南松林,且差异显著。而深层土壤中的EOC含量表现为桉树林>云南松林>天然次生林,差异显著。3种植被恢复方式下土壤EOC含量为2.381~6.094 g/kg。土壤垂直剖面上,天然次生林和桉树林呈相同的分布特征,即随土层的加深而降低,表层和亚表层的EOC含量显著高于深层。但云南松林土壤垂直剖面上DOC的含量表现为随土层加深先增加后减少的趋势,EOC含量在亚表层达到最大(3.486 g/kg),且显著高于表层和深层。

    • 表 3可知,表层土壤中,天然次生林的碳库活度和碳库活度指数最大,云南松林最低,桉树林与两者差异不显著。亚表层土壤中,各恢复方式下土壤碳库活度和碳库活度指数差异均不显著。深层土壤中,桉树林的碳库活度和碳库活度指数显著高于天然次生林和云南松林(P<0.05),后两者差异不显著。整体来看,0~30 cm土壤中,3种恢复方式下碳库活度与碳库活度指数均表现为:桉树林>天然次生林>云南松林,但差异不显著。

      表 3  不同恢复方式下土壤碳库活度及碳库管理指数

      Table 3.  Carbon pool activity and carbon pool management indexes

      土层
      Soil layer/cm
      恢复方式
      Restoration model
      碳库活度
      Carbon pool activity (CPA)
      碳库活度指数
      Carbon pool activity index (CPAI)
      碳库指数
      Carbon pool index (CPI)
      碳库管理指数
      Carbon pool management index (CPMI)
      0~10 天然次生林Natural secondary forest 0.142A 1.216A 1.989A 238.293A
      桉树林Eucalyptus robusta forest 0.116AB 0.991AB 1.685AB 162.188B
      云南松林Pinus yunnanensis forest 0.092B 0.784B 1.301B 98.769C
      10~20 天然次生林Natural secondary forest 0.194A 1.342A 1.993A 264.633A
      桉树林Eucalyptus robusta forest 0.224A 1.554A 1.432AB 203.931B
      云南松林Pinus yunnanensis forest 0.170A 1.179A 1.368A 160.801C
      20~30 天然次生林Natural secondary forest 0.183B 0.685B 1.732A 115.828B
      桉树林Eucalyptus robusta forest 0.392A 1.465A 1.205B 169.401A
      云南松林Pinus yunnanensis forest 0.206B 0.770B 1.750A 134.260A
      0~30 天然次生林Natural secondary forest 0.173A 1.081A 1.905A 206.252A
      桉树林Eucalyptus robusta forest 0.244A 1.337A 1.441B 178.507A
      云南松林Pinus yunnanensis forest 0.156A 0.911A 1.413B 131.277A

      表层和亚表层土壤中碳库指数和碳库管理指数表现为:天然次生林>桉树林>云南松林,各恢复方式下的土壤碳库管理指数差异显著(P<0.05)。深层土壤中,桉树林的碳库管理指数最大。0~30 cm土壤中,不同恢复方式下的碳库指数和碳库管理指数表现为:天然次生林>桉树林>云南松林,其中天然次生林的碳库指数显著高于桉树林和云南松林(P<0.05)。

    • 图 2可知,不同植被恢复方式下不同土壤酶活性存在一定的差异性。图 2A显示在土壤表层,过氧化氢酶活性表现为天然次生林显著高于桉树林和云南松林(P<0.05),但后两者无显著差异。亚表层和深层土壤中过氧化氢酶活性大小表现为:天然次生林>云南松林>桉树林,差异显著(P<0.05)。整体上,不同恢复方式下土壤过氧化氢酶活性均随土层深度的增加而降低,其中天然次生林和桉树林的表层过氧化氢酶活性显著高于亚表层和深层(P<0.05),而云南松林各土层间差异不显著。

      图  2  不同恢复方式下土壤酶活性分布特征

      Figure 2.  Distribution characteristics of soil enzyme activities under different restoration models

    • 图 2表明,同一土层不同植被恢复方式下土壤磷酸酶活性未表现出一致的规律性,在表层和亚表层,不同植被恢复方式下土壤碱性磷酸酶活性差异显著(P<0.05),深层土壤中无显著差异。垂直剖面上,各恢复方式下土壤磷酸酶的活性变化趋势也各不相同,随着土层加深,天然次生林表现为先降低后增加的趋势,桉树林则与之相反,呈先增大后降低的趋势。云南松林的土壤磷酸酶活性随土层深度的增加而降低,且表层显著高于亚表层和深层(P<0.05),后两者间差异不显著。

    • 图 2C显示在土壤表层和亚表层,蔗糖酶活性均表现为天然次生林>桉树林>云南松林,且差异显著(P<0.05)。在深层土壤中,天然次生林和云南松林的蔗糖酶活性显著高于桉树林(P<0.05)。随着土层加深,天然次生林和桉树林的土壤蔗糖酶活性逐渐降低,且各土层差异显著(P<0.05)。云南松林的变化趋势有所不同,土壤蔗糖酶活性随土层加深呈先降低后增加的趋势,各土层差异显著(P<0.05)。

    • 图 2D表明,在土壤表层和亚表层,天然次生林的淀粉酶活性显著高于桉树林(P<0.05),深层土壤则相反。云南松林的土壤淀粉酶活性始终介于天然次生林和桉树林之间,与两者差异不显著。天然次生林和云南松林的土壤淀粉酶活性随土层加深呈下降趋势,且表层显著高于深层(P<0.05)。而桉树林的土壤淀粉酶活性随土层加深表现出先降低再增大的趋势,亚表层土壤显著低于表层和深层(P<0.05)。

    • 对土壤有机碳组分及碳库管理指数进行相关性分析,结果表明(表 4),土壤各有机碳组分之间均呈正相关关系,其中有机碳(SOC)与微生物量碳(MBC)、可溶性有机碳(DOC)存在极显著的正相关关系(P<0.01),与易氧化有机碳(EOC)的相关性达到显著水平(P<0.05)。DOC与MBC、EOC表现为显著正相关(P<0.05);碳库活度(CPA)与SOC、MBC呈极显著负相关(P<0.01),而碳库活度指数(CPAI)与EOC表现为显著正相关(P<0.05)。CPI与SOC、EOC表现为极显著正相关关系(P<0.01),与其他有机碳组分指标的相关性未达显著水平。碳库管理指数(CPMI)与除MBC以外的其他有机碳组分均达到显著或极显著正相关;CPAI与CPA、CPMI均表现为极显著正相关(P<0.01),而CPI与CPA、CPAI分别呈极显著(P<0.01)、显著负相关(P<0.05)。

      表 4  土壤有机碳含量与碳库管理指数间的相关系数

      Table 4.  Correlations between soil organic carbon content and carbon pool management index

      指标Index SOC MBC DOC EOC CPA CPAI CPI
      MBC 0.790**
      DOC 0.633** 0.459*
      EOC 0.411* 0.116 0.386*
      CPA -0.667** -0.565** -0.270 -0.055
      CPAI -0.115 -0.079 0.204 0.425* 0.651**
      CPI 0.578** 0.139 0.287 0.492** -0.490** -0.448*
      CPMI 0.426* 0.099 0.505** 0.914** 0.192 0.648** 0.349
      注:***分别表示在0.05、0.01水平相关显著。下同。Notes: * and ** stand for significant correlations at P<0.05 and P<0.01 level,respectively. The same as below.
    • 研究结果显示(表 5),土壤酶与有机碳组分密切相关。蔗糖酶与各有机碳组分均表现为极显著正相关,相关系数范围为0.584~0.839,其中,与易氧化有机碳相关系数最高,为0.839。过氧化氢酶与各有机碳组分也表现为正相关关系,其中,与有机碳、可溶性有机碳、易氧化有机碳均达极显著水平。磷酸酶与有机碳、可溶性有机碳、微生物量碳呈显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)正相关,但与易氧化有机碳相关性不显著。淀粉酶与有机碳、微生物量碳及易氧化有机碳表现为显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)正相关。

      表 5  土壤有机碳含量与土壤酶活性间的相关系数

      Table 5.  Correlations between soil organic carbon content and soil enzyme activity

      指标Index 蔗糖酶Invertase 过氧化氢酶Catalase 磷酸酶Phosphatase 淀粉酶Amylase
      SOC 0.756** 0.624** 0.553** 0.481*
      MBC 0.584** 0.340 0.893** 0.552**
      DOC 0.747** 0.653** 0.422* 0.367
      EOC 0.839** 0.499** 0.312 0.432*
    • 土壤有机碳(SOC)主要来源于植物地表凋落物、根系分泌物以及细根周转所产生的碎屑等[20]。本研究中,不同植被恢复方式下的SOC含量均随土层的加深而显著下降,这与大多数学者的研究结果一致。这种现象可能与凋落物主要集中在土壤表层,分解的凋落物只有一小部分能进入深层土壤[21],植物根系密度随土层加深而降低等有关[22]。由于不同植被恢复方式下群落空间结构及林下土壤微环境不同,凋落物的数量和分解速率也均存在差异[2],从而导致不同恢复方式下SOC含量分布的差异性。

      土壤可溶性有机碳(DOC)、微生物量碳(MBC)、易氧化有机碳(EOC)主要来源于植被凋落物、土壤腐殖质、土壤微生物和根系及其分泌物。表层土壤中,植被凋落物和根系腐烂物分布较多,营养源丰富,利于微生物的生长和繁殖。随着土层加深,SOC含量下降,地下生物量也遵循相同规律,因而各有机碳组分含量显著降低[2, 23]。本研究中,不同恢复方式下,除云南松林下的EOC含量外,各有机碳组分含量均随土层深度的增加而降低,局部土层深度出现波动。邓坤枚等的研究表明,成熟云南松林根系生物量主要集中在0~30 cm,且大多数是粗根,其中0~20 cm土层对根系生物量的贡献率达62.0%,而小根生物量在各土层表现为:10~20 cm>20~30 cm>0~10 cm[24],根系分泌物又是土壤EOC的主要来源之一[25]。这与本研究中云南松林下亚表层土壤的EOC含量显著高于表层和深层的结果相吻合。通过相关分析发现,各有机碳组分与SOC均表现为极显著或显著正相关关系,这与前人研究结果一致[26-27],也再次证明了各有机碳组分含量很大程度上依赖于土壤有机碳总量。

      植被恢复方式在很大程度上决定了有机质的输入量。本研究中,不同植被恢复方式对DOC、EOC与SOC含量的影响大致均表现为:天然次生林>桉树林>云南松林。天然次生林以阔叶树铁橡栎和野山楂为优势种,群落结构相对复杂, 林下凋落物种类丰富,凋落物生物量达1 433 g/m2,为土壤有机碳的积累提供了良好的条件。此外,天然次生林的土壤微生物种类更具多样化且数量增加[28],利于土壤活性碳组分含量的增加。人工桉树林以阔叶树桉树为单一优势种,群落结构及凋落物成分较为简单,凋落物生物量仅有530 g/m2,因此有机碳及其活性碳组分含量相对较低。以针叶树云南松为单一优势种的人工云南松林,群落结构简单,凋落物生物量只有459 g/m2,而且其凋落物中含单宁、树脂、蜡质等较难分解的物质较多[29],因而其有机碳组分含量最低。不同植被恢复方式下的MBC含量有所不同,云南松林各土层的MBC含量始终显著高于桉树林。这是因为土壤MBC含量除了受土壤有机碳总量限制,还受植被盖度,光照强度,林分内部的微环境,微生物的数量和活性等影响[28]。研究区域内云南松林的植被综合覆盖度高于桉树林,局部微环境的遮阴作用更强,林下土壤湿度较大,利于微生物的生长和繁殖[2],因而云南松林下MBC含量相对较高。

    • 土壤碳库管理指数能够系统而敏感的反映土地利用和管理方式引起的土壤有机碳库变化,通过对土壤碳库管理指数的分析可以为提高土壤活性碳含量和土壤质量提供量化依据[4, 29]。本研究中,不同恢复方式下各土层的碳库管理指数表现有所差异,但从0~30 cm的整个土壤剖面来看,不同恢复方式下的土壤碳库管理指数均大于100%。说明相较于撂荒地,各恢复方式均能不同程度的提高土壤质量,这与前人研究结果一致[30-31]。同时,由于不同植被恢复方式下植被和土壤微环境的差异,提升土壤质量的能力大小表现为:天然次生林>桉树林>云南松林。结合上文关于不同植被恢复方式对土壤有机碳组分影响的讨论,可以得出,以阔叶树种为优势种的人工纯林比以针叶树为优势种的人工纯林对土壤的恢复效果更好,而以多种阔叶树为优势种的天然次生林对土壤的恢复效果最好。由此可见,土壤碳库管理水平的高低与植被恢复方式密切相关。从提高土壤碳库管理指数方面考虑,应该加快岩溶区宜林土地管理方式的转变,优先考虑自然恢复,选择人工造林时要注重对阔叶树的利用和优化管理。

      相关性分析表明,SOC与CPI、CPMI呈极显著(P<0.01)和显著(P<0.05)正相关,EOC与CPAI、CPI、CPMI呈极显著或显著正相关,不同植被恢复方式通过增加土壤SOC、EOC含量等,从而提高土壤碳库管理指数。

    • 土壤酶作为评价土壤生物活性及土壤肥力的重要指标,在土壤物质循环和能量转化过程中起着重要的催化作用,其活性的高低直接影响到物质循环的效率[32],对土壤肥力的提高具有重要影响[33]。本研究中,土壤酶活性整体上随着土层的加深呈下降趋势,局部范围内有波动,这与多数研究结果一致[34-35]。原因是土壤表层聚集了较多能够释放酶的动物、植物根系和微生物的细胞分泌物以及残体的分解物,营养源丰富[36],水热和通气状况也相对较好。随着土层加深,土壤有机质含量急剧下降,微生物生长受到限制,导致土壤酶活性降低。但是,不同植被恢复方式对土壤酶活性的影响不尽相同,过氧化氢酶和淀粉酶活性表现为天然次生林>云南松林>桉树林,结合上文得出的云南松林各土层的MBC含量始终显著高于桉树林,再由相关分析得知MBC与土壤酶活性均为正相关关系,说明MBC含量越高,过氧化氢酶和淀粉酶活性就越高。

      不同植被恢复方式下,土壤各有机碳组分和土壤酶活性因植被类型、凋落物、根系分泌物、土壤微生物数量等不同而存在差异[2]。作为土壤酶的载体,有机碳能够促进酶的合成以及微生物的生长和繁殖[37]。土壤有机碳对酶活性的影响程度与有机碳类型密切相关[38],本研究中各植被恢复方式下SOC、MBC、DOC、EOC含量与4种土壤酶活性均呈正相关关系,且多为显著或极显著水平。说明土壤活性有机碳对这几种酶活性的变化响应敏感,土壤酶活性的强弱与活性有机碳组分含量密切相关。

    • (1) 不同植被恢复方式对土壤DOC、EOC与SOC含量的影响大致均表现为:天然次生林>桉树林>云南松林,而云南松林对土壤MBC的提升能力显著高于桉树林。各有机碳组分很大程度上依赖于土壤有机碳总量。

      (2) 各植被恢复方式通过增加土壤总有机碳、易氧化有机碳含量等,从而提高了土壤碳库管理指数。其中,以阔叶树种为优势种的人工纯林比以针叶树为优势种的人工纯林对土壤的恢复效果更好,而以多种阔叶树为优势种的天然次生林对土壤的恢复效果最好。从提高土壤碳库管理指数方面考虑,应该加快岩溶区宜林土地管理方式的转变,优先考虑自然恢复,选择人工造林时要注重对阔叶树的利用和优化管理。

      (3) 不同植被恢复方式对土壤酶活性的影响不尽相同,过氧化氢酶和淀粉酶活性表现为天然次生林>云南松林>桉树林。土壤活性有机碳对四种酶活性的变化响应敏感,酶活性的强弱与土壤活性有机碳组分含量密切相关。

参考文献 (38)

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