2020, Vol. 52
2. 元谋干热河谷植物园，云南元谋 651399;
3. 云南猫哆哩集团食品有限责任公司，云南玉溪 659288
有机碳在全球碳循环中处于核心地位[1]。森林是陆地生态系统最大的有机碳库之一，对于调节全球碳平衡和减缓大气CO2浓度上升具有不可替代的作用[2]。干热河谷区域干旱少雨，土壤侵蚀强烈，植被退化严重，是我国西南一类特殊的脆弱生态系统。长久以来，植被恢复困难是制约干热河谷区域生态环境治理的重要因素，目前这一问题已引起社会和学界广泛关注，并在植被恢复的理论及模式构建、物种筛选、综合治理评价等方面开展了深入研究，为区域生态治理奠定了重要基础。然而，目前尚缺乏干热河谷植被恢复对我国西南、全国、乃至全球碳库构建的有效评估，亦缺乏对该区土壤碳库特征的认识，制约了干热河谷及其相关区域植被恢复措施的宏观决策过程。酸角(Tamarindus indica L.)，又称罗望子、酸梅(海南)、木罕(傣语)，属豆科(Leguminosae)罗望子属(Tamarindus)多年生植物，主要分布于云南金沙江、怒江、元江干热河谷及西双版纳一带。酸角树耐干旱、喜光照，适宜炎热气候，根系庞大、树形优美、枝繁叶茂，是防止水土流失较好的树种，同时也是净化空气、美化环境较好的观赏性植物。因而成为区域植被恢复的重要乔木树种，在干热河谷典型区金沙江流域元谋段、红河流域元江段等区域进行了大面积的乡土乔木造林。然而，目前尚缺乏酸角树种植对干热河谷土壤碳库影响的有效评价。
土壤有机碳(SOC)是土壤碳库的容量指标，但其对短期内的人为活动和环境因子变化的响应不敏感[3]，需要通过一些活性指标反映SOC和土壤质量的变化[4]，如颗粒态有机碳(POC)、易氧化有机碳(ROC)、可溶性有机碳(DOC)等。ROC周转时间短，能反映土壤碳库的短期变化，控制着土壤养分的流失[5]。DOC是土壤微生物分解的活性底物，是有机碳中最易变的组分[6]。POC周转期5 ~ 20年，属于慢变库(slow pool)，对土壤环境和管理措施的变化十分敏感[7]。土壤中活性碳组分占SOC的比例，可在一定程度上反映SOC的质量和稳定程度[8]。自然界中，SOC及其组分特征会受到环境因素的影响，地形作为成土过程中的一个重要因素，它不但支配着地表和土壤中水热资源的重新分配，而且影响着土壤生态系统的物质循环过程和强度，对SOC分布和储量有着深远影响[9]。坡位是描述地形特征的主要指标，是影响SOC坡面尺度变异的重要地形因素，通过土壤侵蚀与堆积作用，使有机碳在坡面上重新分配[10]。干热河谷地形破碎、土壤侵蚀严重，因此，研究不同坡位SOC及其不同组分的动态变化与分配比例，对认识土壤碳固定过程及维持土壤碳库平衡具有重要意义。
本试验以元江干热河谷7年龄酸角人工林为对象，通过野外调查采样与室内分析相结合的方法，对酸角林SOC含量及其组分进行研究，在分析不同坡位(坡顶、坡中和坡脚)酸角林SOC及其组分含量变化特征的基础上，探讨干热河谷植被恢复中乡土乔木酸角为主体的植被恢复模式的碳固定效益，旨在为相关区域退化土壤有机碳库重建及生产力提升提供参考。
1 材料与方法 1.1 研究区概况研究区位于玉溪市新平县漠沙镇曼线村委会大曼线村牛独山上的猫哆哩庄园。该区为气候干燥酷热、终年无霜的干热河谷坝区，属于亚热带季风气候。平均海拔564 m，年平均气温24.9℃，年降雨量711.8 mm，降雨量多集中在6—10月。试验地的猫哆哩庄园始建于2012年，地处哀牢山东麓，为红河流域干热河谷典型地段，是目前全国最大的人工酸角连片林区。试验区酸角引种自云南省农业科学院热区生态农业研究所，引种时树龄2年。建林早期采用埋管灌溉管理，成林后以雨养林管理为主。酸角林在建植期，距树约1 m处大量使用有机肥(羊粪)进行沟施，后期未再施肥。酸角林树种单一，林下无其他配置，株距6 m。土壤类型为砂质黏壤土，土壤由岩石风化、土壤沙化等方式形成，土层浅薄，其渗水性较好，为易发生土壤水蚀类型。该地区地质结构复杂，河谷区成土母质为第四纪洪积冲积物和近代河流冲积物[11]。
1.2 样地设置与样品采集2017年6月，选择3座东北向的酸角人工林山坡，地理坐标23.76° N、101.80° E，平均坡长约305 m，坡度约为27° ~ 35°，平均海拔为600.83 m。在每个山坡的坡顶、坡中和坡脚随机选取3个样地，采集土样包括环刀样，采样深度为0 ~ 20、20 ~ 40 cm；将同一坡位0 ~ 20 cm土层3个取样点的土壤进行充分混合，四分法保留约500 g带回实验室待分析；20 ~ 40 cm土层土样按照相同方法处理。共采得不同坡位、不同土层的18个混合样。采样后的土壤剖面坑进行回填处理，防止土壤流失。为避免建植期所施肥料的影响，采样时开挖的土壤剖面应当远离肥料沟。
1.3 测定项目及方法将土壤样品去除杂物和植物根系后，自然风干，过2 mm筛待测。土壤含水量采用烘干法测定，容重采用环刀法测定，土壤pH使用pH计进行测定，土壤全氮含量采用凯氏蒸馏法测定，土壤全磷含量采用NaOH熔融–钼锑抗比色法测定，具体测定方法参照鲁如坤的《土壤农业化学分析方法》[12]。土壤基本理化性质见表 1。
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表 1 不同坡位土壤基本理化性质 Table 1 Basic physiochemical properties of tested soils at different slope sites |
另一部分风干样品用于测定SOC、ROC、POC和DOC。SOC含量采用油浴加热后，重铬酸钾–硫酸氧化法测定[13]；ROC含量采用KMnO4氧化法测定[14]；DOC含量采用水土质量比2:1，重铬酸钾容量法–外加热法测定；POC含量采用六偏磷酸钠分散，重铬酸钾氧化–外加热法测定[15]。
SOC活性组分在SOC中的分配比例计算公式为：
| $ {\rm{POC}}\;的分配比例:{P_{\rm{P}}}{\rm{ = POC/SOC}} $ | (1) |
| $ {\rm{ROC}}\;的分配比例:{P_{\rm{R}}}{\rm{ = ROC/SOC}} $ | (2) |
| $ {\rm{DOC}}\;的分配比例:{P_{\rm{D}}}{\rm{ = DOC/SOC}} $ | (3) |
采用Excel 2016和SPSS 20.0进行数据处理和统计分析，采用单因素方差分析和LSD多重比较对不同坡位酸角林土壤的SOC、DOC、POC、ROC及其分配比例进行差异显著性检验，采用Pearson相关法分析SOC、DOC、POC和ROC的相关关系。显著性水平α=0.05。用Origin 8.0进行绘图。
2 结果 2.1 不同坡位土壤有机碳的变化0 ~ 20 cm土层坡顶SOC含量显著大于坡中、坡脚(P < 0.05，图 1)，坡中与坡脚的SOC相近(P > 0.05)；20 ~ 40 cm土层的SOC含量在坡顶与坡脚位置差异不明显(P > 0.05)，但都显著大于坡中(P < 0.05)。
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(图中不同大写字母表示同一土层不同坡位间差异显著(P < 0.05)，不同小写字母表示同一坡位不同土层间的差异显著(P < 0.05)；下同。) 图 1 不同坡位的SOC含量变化 Fig. 1 SOC contents at different slope sites |
相较于0 ~ 20 cm土层，20 ~ 40 cm土层的SOC含量在坡顶和坡中都显著减少(P < 0.05)，在坡脚略增加但两土层间没有显著差异(P > 0.05)。
2.2 不同坡位土壤有机碳各组分的变化 2.2.1 POC、ROC和DOC的含量0 ~ 40 cm土层SOC活性组分DOC、ROC含量随坡位的变化均表现为坡顶 > 坡脚 > 坡中(图 2A、C)。0 ~ 20 cm土层的ROC含量坡顶显著大于坡中(P < 0.05，图 2A)，与坡脚差异不显著(P > 0.05)；20 ~ 40 cm土层坡顶、坡脚ROC含量显著大于坡中(P < 0.05)，坡顶与坡脚差异不显著(P > 0.05)。0 ~ 20 cm土层的DOC含量在坡中和坡脚没有明显差异(P > 0.05，图 2C)，在坡顶DOC含量显著大于坡中、坡脚(P < 0.05)；20 ~ 40 cm土层变化比表层更明显(P < 0.05)，DOC含量坡顶 > 坡脚 > 坡中。
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图 2 不同坡位的DOC、ROC和POC含量变化 Fig. 2 Contents of DOC, ROC and POC at different slope sites |
0 ~ 20 cm土层的POC含量随坡位的变化与ROC相似(图 2B)；20 ~ 40 cm土层的POC含量变化则很不相同，在坡脚处最大(P < 0.05)，坡顶和坡中没有显著差异(P > 0.05)。
坡顶和坡中的酸角林随着土层深度增加，ROC、POC、DOC含量均显著减少(P < 0.05，图 2)；坡脚的酸角林在0 ~ 20 cm和20 ~ 40 cm土层没有显著变化(P > 0.05)。
2.2.2 POC、ROC和DOC的分配比例0 ~ 20 cm土层的ROC/SOC值在各个坡位没有显著性差异(P > 0.05，图 3A)，20 ~ 40 cm土层坡中大于坡顶(P > 0.05)，显著大于坡脚(P < 0.05)。0 ~ 20 cm和20 ~ 40 cm土层POC/SOC值随坡位均没有显著变化(P > 0.05，图 3B)。0 ~ 20 cm土层的DOC/SOC值在各个坡位没有显著性差异(P > 0.05)，但在20 ~ 40 cm土层随坡位下降DOC/SOC值明显减小，坡顶与坡脚具有显著差异(P < 0.05，图 3C)。
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图 3 不同坡位的ROC/SOC、POC/SOC和DOC/SOC的变化 Fig. 3 Ratios of ROC/SOC, POC/SOC and DOC/SOC at different slope sites |
0 ~ 20 cm和20 ~ 40 cm土层的ROC/SOC值在坡顶和坡中没有显著差异(P > 0.05)，在坡脚表层明显高于20 ~ 40 cm土层(P < 0.05)。0 ~ 20 cm和20 ~ 40 cm土层的POC/SOC值和DOC/SOC值在坡顶、坡中、坡脚均无显著性差异(P > 0.05)。
整体上，研究区酸角林土壤ROC/SOC比值介于33.11% ~ 47.00%，POC/SOC比值介于20.10% ~ 26.51%，DOC/SOC比值介于1.27% ~ 1.89%。
2.3 土壤有机碳及其组分的相关性不同坡位的酸角林SOC活性组分ROC、POC和DOC含量均与SOC含量呈极显著的正相关关系(P < 0.01，表 2)。由此可见，土壤活性有机碳组分含量在很大程度上取决于SOC的含量。
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表 2 SOC及其组分的相关性 Table 2 Correlations of SOC and its components |
POC与ROC、DOC与ROC、POC与DOC含量之间也呈极显著的正相关关系(P < 0.01，表 2)。
3 讨论 3.1 酸角林土壤有机碳的基本特征酸角林0 ~ 20 cm土层SOC含量(7.08 ± 2.46) g/kg，ROC含量为(2.88 ± 1.02) g/kg，POC含量为(1.67 ± 0.54) g/kg，DOC含量为(0.10 ± 0.04) g/kg。20 ~ 40 cm土层的SOC、ROC、POC和DOC含量分别为(5.58 ± 2.46)、(1.90 ± 1.02)、(1.23 ± 0.54)、(0.08 ± 0.03) g/kg。与在元谋干热河谷生态恢复区的人工林相比较，本研究酸角林SOC含量高于印楝[16]、大叶相思[16-17]、新银合欢林[16]土壤。与在元阳干热河谷区的9年生麻疯树人工林[18]相比，0 ~ 40 cm土层麻疯树林SOC (10.57 ~ 20.51 g/kg)和DOC含量(259.55 ~ 736.92 mg/kg)更高，但ROC含量(1.63 ~ 3.56 g/kg)与本研究的酸角林相差不大。树种、林龄、坡位、不同水热条件等都可能是造成干热河谷地区SOC及其组分含量差异的原因，研究区酸角林也表现出了良好的有机碳积累效益，起到“碳汇”的作用。有研究表明[19]，在植被恢复过程中，选择豆科植物，辅以乡土树种营造常绿阔叶林，有利于提高森林潜在碳汇功能。干热河谷地区生态极端脆弱进行生态恢复或造林时需慎重选择树种，相较于外引树种(银合欢、印楝、大叶相思、麻疯树等)，乡土树种更能适应干旱环境。因此从植物适应性和土壤固碳能力的角度综合考虑，建议在元江干热河谷优先选择用豆科的酸角进行生态恢复或造林，实现当地退化生态系统植被的可持续恢复。
3.2 坡位对酸角林土壤有机碳的影响坡位作为重要的地形因子，主要通过水土流失和土壤侵蚀影响SOC的空间分布，进而对SOC储量产生深远影响。在土壤侵蚀或雨水冲刷作用下，坡位由上至下SOC含量会逐渐增加[20]。但是本研究中，SOC含量从坡顶到坡中呈现明显的降低，从坡中到坡脚逐渐增加(图 1)。研究表明，从坡脚到坡中再到坡顶，分解系数(枯枝落叶量/枯枝落叶层)略减小，分解率明显降低[21]，导致上坡位SOC含量要高于下坡位[22]。研究区属于半干旱地区，缺乏定期灌溉，土壤水分来源于降雨，降雨冲刷坡面并产生侵蚀，坡顶土壤含水量最低(表 1)，水分丧失较快无法为微生物分解提供足够的水分，土壤微生物对碳的分解速率低，保证了坡顶SOC的富集。相较于坡顶位置，坡中和坡脚的成土过程和淋溶过程较弱，地表侵蚀则相对较强[23]。根据坡面侵蚀理论，水蚀主要发生在中坡与下坡，因为这两个位置是坡面径流汇集的场所[24]，因此酸角林坡中和坡脚的SOC会明显减少。而坡脚由于接受了来自于坡顶和坡中的侵蚀土壤，导致其SOC含量有所上升。对于SOC含量较低的坡下区域，尤其是坡中，应该增施有机肥，减少除草等耕作行为，减小侵蚀及径流携带的泥沙，从而增加区域内SOC含量。
酸角林土壤剖面SOC分布存在差异，坡顶和坡中表层0 ~ 20 cm土层的SOC含量显著大于20 ~ 40 cm土层(图 1)，说明外源有机物质的输入和枯枝落叶分解输入的有机碳均主要聚集在土壤表层，随着土层深度的增加，有机碳来源减少。而坡脚20 ~ 40 cm土层的SOC含量略高于0 ~ 20 cm土层，是因为元江流域25°以上的陡坡山地极易带来土壤侵蚀[25]，因而推测这一结果是由于坡顶、坡中的土壤在侵蚀作用下被搬运迁移、堆积在坡脚，将原始的富含有机碳的土壤掩埋所致。有研究表明，土壤侵蚀导致的被掩埋的土壤，其养分和碳库更稳定[26]，这也可能是造成酸角林坡脚POC含量相对较高的原因。
3.3 坡位对酸角林土壤有机碳活性组分的影响SOC的数量只是一个矿化输入和损失(矿化和流失)平衡的结果，研究SOC活性组分有利于揭示SOC质量的变化及其转化速率。不同活性有机碳组分差异表明有机碳库变化速率对不同环境变量的响应差异。ROC、POC、DOC含量依赖于SOC含量的变化，因此酸角林SOC含量的特殊变化规律，导致了其组分也发生相似的变化(图 2)。表 2结果也证明ROC、POC、DOC含量与总SOC含量呈极显著的正相关(P < 0.01)，这与石亚攀等[27]、邬建红等[28]的研究结果一致。
本研究中，酸角林土壤ROC和DOC含量在不同坡位、不同土壤剖面上的分布与SOC含量分布特征相近(图 2A、C)。有研究表明，土壤湿度的增加会加速SOC的分解，从而降低ROC含量[29]；DOC具有易溶于水、流动性强的特点，会在原位下渗或在径流、机械耕作作用下向下坡方向迁移。本研究结果显示，从坡顶到坡脚，酸角林土壤含水量逐渐增多(表 1)，导致坡中和坡脚的ROC、DOC含量变化符合这个规律，不同的是坡顶SOC的富集导致了其活性组分ROC、DOC含量的增多。
POC含量在0 ~ 20 cm土层不同坡位的变化与SOC含量变化相似，但在20 ~ 40 cm土层却有些不同，坡脚的POC含量明显高于坡顶和坡中(图 2B)。一方面，POC易受植物根系分布的影响，酸角林在水分含量最高的坡脚位置，根系生长更为旺盛，增加了POC含量。另一方面，POC是与砂粒(53 ~ 2 000 μm)结合的那部分有机碳，由于水蚀对土壤颗粒有分选作用[30]，在向下迁移过程中，细小的土壤颗粒携带大量养分在下坡位聚集，坡脚的0 ~ 20 cm土层是酸角林建植期机械扰动和近5年土壤侵蚀造成的新淤积土层，而20 ~ 40 cm土层POC含量最高是长期以来土壤颗粒自然分选造成的结果，进一步证明了坡脚土壤20 ~ 40 cm土层应是该坡位的原始表层。
土壤活性有机碳与总有机碳的比值称为活性有机碳的分配比例。表层0 ~ 20 cm由于人为干扰较大，坡位对ROC和DOC的分配比例均没有显著性影响(图 3A、C)。在20 ~ 40 cm土层，ROC/SOC比值变化：坡中 > 坡顶 > 坡脚(图 3A)，说明坡中养分循环速率越快，土壤碳的稳定性越差，不利于土壤碳库的积累。由此可知，坡中ROC含量低，但分配比例高，土壤碳库不稳定，也是导致坡中SOC含量低的原因之一。在20 ~ 40 cm土层，DOC/SOC比值坡顶 > 坡中 > 坡脚，DOC/SOC比值越小越不利于SOC的矿化，但可以提高SOC的稳定性[31]。在0 ~ 40 cm土层，不同坡位的POC分配比例没有显著差异(图 3B)。因此，根据ROC、POC和DOC的分配比例可知，坡脚土壤碳库的稳定性最好，可以增加碳储量。虽然目前坡脚SOC及其组分含量没有坡顶高，但是长期继续种植酸角林，坡脚的SOC及活性组分会逐渐积累。
4 结论1) 坡位显著影响酸角林SOC的分布，其含量坡顶 > 坡脚 > 坡中，SOC的明显损失主要发生在坡中位置，特别是在20 ~ 40 cm土层。
2) 酸角林SOC表聚特征在坡顶和中坡十分明显，在坡脚土层间没有显著差异。
3) ROC、POC、DOC含量与SOC含量呈极显著的正相关，ROC、POC、DOC含量变化与SOC含量变化相似。
4) ROC/SOC比值> POC/SOC比值> DOC/SOC比值，坡脚土壤有机碳库更稳定，易于积累更多的有机碳。
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