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土壤是陆地生态系统最大的碳储存库,其储量是大气碳储量的2倍、植被碳储量的3倍,土壤碳库的微小变化可引起大气CO2浓度的显著改变[1-2]。土壤碳库是构成土壤肥力的基础,也是驱动土壤养分循环和能量流动的物质基础[3]。土壤有机碳作为土壤碳库的主要组成部分,占土壤总碳量的50%以上,是评价土壤质量和土地生产力的重要指标[4-5]。但土壤有机碳总量变化缓慢,具有一定的滞后性,短期内难以反映土壤性质的变化,而以微生物生物量碳、易氧化碳和可溶性碳为主要表征指标的活性有机碳库组分能对土壤管理措施、气候等变化快速作出响应[2]。活性有机碳能直接参与土壤生物化学转化过程,在表征土壤质量方面有着重要意义[6]。土壤碳库管理指数(CPMI)是碳库不稳定性指数与碳库指数的乘积,综合评价总有机碳和活性有机碳在土壤中的分布情况[7],更全面地反映外界因素对土壤有机碳的影响[8],可作为衡量土壤碳库动态变化的指标。
喀斯特生态环境问题逐渐成为国际生态环境研究的热点之一[9]。我国喀斯特地区主要分布在以贵州为中心的西南八省,面积约54万km2,是世界三大喀斯特集中分布区之一[10]。喀斯特生态系统极为脆弱,其独特的双层地质结构,导致土壤严重侵蚀、退化,地表基岩大面积裸露,形成石漠化[11]。20世纪90年代以来,我国先后启动实施一系列重大生态工程开展石漠化治理[12]。近年来,喀斯特生态保护与修复已初见成效,石漠化土地面积持续减少[13],然而,受自然环境和人为因素等影响,石漠化治理面临治理技术和模式缺乏针对性、水资源利用率低、生态恢复可持续性差等问题[14]。对自然坡地进行改造,是有效保持水土,减少土壤侵蚀、提高土壤肥力的重要途径。土壤活性有机碳库和碳库管理指数的分布对土壤质量的维持以及生态环境的变化起到重要作用。目前,对喀斯特地区有关土壤活性有机碳库的研究主要集中于植被恢复[15-16]、施用有机肥[17-18]和土地利用[19]等方面,针对喀斯特自然坡地改造中土壤活性有机碳变化规律的研究相对较少。因此,本文选取3种石漠化治理措施,分析了不同治理措施下土壤活性有机碳和储量的分布及碳库管理指数的响应,为喀斯特地区活性有机碳库估算、土地合理利用等提供科学依据。
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土壤易氧化碳含量、可溶性碳含量、微生物量碳含量在3种石漠化治理措施下表现出不同的分布差异(图1)。0~20 cm层鱼鳞坑土壤易氧化碳平均含量显著高于其它治理措施,较对照显著提高113.69%;梯田嵌套鱼鳞坑和梯田措施土壤易氧化碳平均含量较对照分别下降13.50%、40.14%。鱼鳞坑、梯田嵌套鱼鳞坑和梯田措施下不同土层间土壤易氧化碳含量随土层深度增加而下降。鱼鳞坑土壤可溶性碳含量显著高于其它措施,其中,0~20 cm层可溶性碳平均含量较对照提高85.78%;梯田嵌套鱼鳞坑土壤可溶性碳平均含量较对照提高15.68%;梯田措施土壤可溶性碳平均含量较对照下降75.02%。鱼鳞坑、梯田嵌套鱼鳞坑和梯田措施下不同土层间土壤可溶性碳含量随土层深度增加而增加。0~20 cm层鱼鳞坑土壤微生物量碳平均含量较对照提高29.78%;梯田嵌套鱼鳞坑土壤微生物量碳平均含量较对照降低12.56%,梯田措施土壤微生物量碳平均含量则较对照下降82.63%。石漠化治理措施土壤微生物量碳含量均随土层深度增加而下降,差异均不显著。
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土壤活性有机碳储量在3种石漠化治理措施下表现出不同的分布差异(图2)。土壤活性有机碳储量最大值均出现在鱼鳞坑措施,其中,土壤易氧化碳储量在0~10 cm和10~20 cm均显著高于其他措施,土壤可溶性碳储量仅在10~20 cm显著高于其它措施,而土壤微生物量碳储量在0~10 cm和10~20 cm与其他措施差异不显著;土壤活性有机碳储量最小值均出现在梯田措施,其中,梯田措施的土壤易氧化碳储量和微生物量碳储量在0~10 cm和10~20 cm均显著低于鱼鳞坑措施而与梯田嵌套鱼鳞坑措施差异不显著,土壤可溶性碳储量在0~10 cm和10~20 cm均显著低于其它措施。0~20 cm层鱼鳞坑土壤易氧化碳平均储量较对照显著提高104.90%,梯田嵌套鱼鳞坑和梯田措施平均储量较对照分别下降8.41%、32.56%;0~20 cm层鱼鳞坑土壤可溶性碳平均储量较对照显著提高79.17%,梯田嵌套鱼鳞坑较对照提高18.29%,梯田较对照显著下降65.85%;0~20 cm层鱼鳞坑土壤微生物量碳平均储量较对照提高20.01%,梯田和梯田嵌套鱼鳞坑较对照则分别下降77.69%、8.10%。
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3种石漠化治理措施在0~20 cm土层土壤平均易氧化碳占比为16.90%~66.60%(图3),梯田土壤中易氧化碳占比显著高于其它2种措施。0~10 cm土层土壤易氧化碳占比在治理措施和对照间无显著差异。10~20 cm土层梯田土壤易氧化碳占比显著高于对照,梯田嵌套鱼鳞坑土壤易氧化碳占比较对照显著下降。3种石漠化治理措施在0~20 cm层土壤平均可溶性碳占比为0.40%~0.90%,最大值出现在梯田措施,最小值出现在梯田嵌套鱼鳞坑。0~10 cm土层土壤可溶性碳占比在治理措施和对照间无显著差异。10~20 cm土层梯田土壤可溶性碳占比显著高于对照,梯田嵌套鱼鳞坑和鱼鳞坑措施土壤可溶性碳占比与对照差异不显著。3种石漠化治理措施在0~20 cm层土壤平均微生物量碳占比为1.80%~5.20%,最大值出现在梯田措施,最小值出现在鱼鳞坑措施。0~10 cm层土壤微生物量碳占比在治理措施和对照间无显著差异,10~20 cm土层梯田土壤微生物量碳占比显著高于对照,梯田嵌套鱼鳞坑和鱼鳞坑土壤微生物量碳占比显著低于对照。
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3种石漠化治理措施下,土壤碳库不稳定性指数为0.23~3.92,以自然坡地为参考,梯田措施碳库不稳定性指数高于1.00,鱼鳞坑和梯田嵌套鱼鳞坑措施碳库不稳定性指数则小于1.00。碳库不稳定性指数在3种治理措施中均表现出随土壤深度增加而下降的趋势(表1)。碳库指数表现为鱼鳞坑>梯田嵌套鱼鳞坑>梯田,在不同治理措施间差异显著,其中,鱼鳞坑和梯田嵌套鱼鳞坑措施碳库指数大于1.00,梯田措施碳库指数小于1.00,且均随土壤深度增加呈下降趋势。土壤碳库管理指数在不同石漠化治理措施中表现为:鱼鳞坑最大,梯田次之,梯田嵌套鱼鳞坑最小,其中,0~10 cm土层3种治理措施土壤碳库管理指数均大于100.00%,10~20 cm土层仅鱼鳞坑措施土壤碳库管理指数大于100.00%。垂直分布上,土壤碳库管理指数在不同土层间随土壤深度增加而显著下降。
治理措施
Measure土层
Soil layers/cm碳库不稳定性
L碳库不稳定性指数
LI碳库指数
CPI土壤碳库管理指数
CPMI/%梯田 TR 0~10 1.64±0.36 Aa 3.92±0.51 Aa 0.50±0.07 Ac 193.71±20.24 Aab 10~20 1.56±0.70 Aa 2.14±0.48 Ba 0.31±0.03 Ac 66.34±12.36 Bb 鱼鳞坑 FSP 0~10 0.41±0.21 Ab 0.93±0.27 Ab 2.67±0.43 Aa 250.10±96.36 Aa 10~20 0.54±0.10 Ab 0.79±0.09 Ab 2.33±0.27 Ba 187.06±41.60 Ba 梯田嵌套鱼鳞坑NL 0~10 0.26±0.12 Ab 0.60±0.14 Ab 1.80±0.07 Ab 108.07±25.48 Ab 10~20 0.16±0.03 Ab 0.23±0.02 Ac 1.75±0.35 Ab 41.07±11.85 Bb 自然坡地 CK 0~10 0.42±0.09 Ab — — — 10~20 0.69±0.19 Ab — — — 注:表中不同大写字母表示同一治理措施不同土层间差异显著(P<0.05),不同小写字母表示同一土层不同治理措施间差异显著(P<0.05)。
Notes: In the table, different uppercase letters indicate significant differences betwen diferent soil layers of the rocky desertification control measures (P<0.05),while different lowercase leters indicate significant differences between different rocky desertification control measures of the same soil layer (P<0.05).Table 1. The changes of carbon management index in different rocky desertification control measures
Response of Active Organic Carbon and Carbon Pool Management Index of Karst Soil to Rocky Desertification Control Measures
- Received Date: 2022-01-27
- Accepted Date: 2022-03-08
- Available Online: 2022-10-20
Abstract: