方 芳，靳振江，李 强，孙德伟，蒙芳艳，汤华峰，黄炳富，李 敏，张 煜，张 歆，冯行积

（1.桂林理工大学a.环境科学与工程学院；b.广西环境污染控制理论与技术重点实验室；c.岩溶区水污染控制与用水安全保障协同创新中心；d.广西矿冶与环境科学实验中心，广西　　桂林 541004；2.中国地质科学院岩溶地质研究所/国土资源部、广西岩溶动力学重点实验室，广西　　桂林 541004）

岩溶区与非岩溶区土壤有机碳、养分及特征元素对比

方 芳1a，靳振江1，2，李 强2，孙德伟2，蒙芳艳2，汤华峰1a，黄炳富1a，李 敏1a，张 煜1a，张 歆1a，冯行积1a

（1.桂林理工大学a.环境科学与工程学院；b.广西环境污染控制理论与技术重点实验室；c.岩溶区水污染控制与用水安全保障协同创新中心；d.广西矿冶与环境科学实验中心，广西桂林 541004；2.中国地质科学院岩溶地质研究所/国土资源部、广西岩溶动力学重点实验室，广西桂林 541004）

研究岩溶区与非岩溶区土壤有机碳及其与养分之间的关系异同，有利于揭示岩溶区土壤有机碳的积累机制。以广西桂林毛村岩溶试验场为采样点，采集岩溶区、混合区和非岩溶区典型水稻田、柑橘园和玉米地的表层土壤，采用常规方法测定土壤有机碳、养分和特征元素含量并分析它们之间的相关性。结果显示，3种土地利用方式下，岩溶区土壤有机碳、全氮、pH和交换性 Ca2+均显著高于非岩溶区。岩溶区水稻田中土壤溶解性有机碳和碱解氮含量显著低于非岩溶区，而土壤阳离子交换量和交换性Mg2+却显著较高。但是，这4个指标在柑橘园和玉米地中无显著差异。统计结果显示，3种土地利用方式下，土壤全氮含量与土壤有机碳含量呈极其显著正相关（p＜0.01）；就水稻田土壤而言，土壤有机碳与阳离子交换量和交换性Ca2+分别呈极其显著正相关（p＜0.01）和显著正相关（p＜0.05）。以上研究结果表明：较高pH、全氮和交换性Ca2+含量是维持岩溶区较高土壤有机碳含量的重要因素，而3种土地利用方式中水稻田土壤有机碳积累量最高。

土壤；有机碳；养分；土地利用方式；岩溶区；非岩溶区

0 引 言

岩溶动力系统是地球表层系统的重要组成部分［1-2］。在岩溶动力系统中，一方面，土壤有机碳是系统中碳流通的主要途径，是系统运行的重要驱动力之一［3-4］；另一方面，促进土壤有机碳的固定和积累能够减少温室气体排放［5-6］。因此，研究岩溶区土壤有机碳的积累对促进岩溶动力系统的运行及减缓气候变化具有双重意义［7］。

土地利用方式是影响土壤有机碳动态平衡最主要的人为因素［8］。随着土地利用方式的改变，土壤有机碳、养分及土壤结构和pH等理化因素以及它们之间的关系均发生相应的变化［9-10］。

在对亚热带典型岩溶峰丛洼地不同土地利用方式的研究中发现，土地利用变化后（由灌草地和次生林地转变为果园、牧草地和旱地）土壤有机碳、全氮和碱解氮含量都有所下降，但是土壤全磷、全钾以及速效磷、速效钾受土地利用方式影响较小，粗放的农业耕作降低了土壤养分［11-12］。在亚热带岩溶生态系统中，随着植被的正向演替（沿着耕地、草地、灌丛、次生林地、原生林地方向演替），土壤有机碳逐渐积累，土壤理化性质得以改善，有利于微生物生长，提高了微生物的多样性，增强了土壤微生物对有机碳的利用能力，多种因素的综合作用下，使得亚热带喀斯特区的退化土壤生态系统的恢复过程得以加快［13］。在喀斯特溶洞湿地系统的不同土地利用情形下，碱解氮、阳离子交换量、交换性钙和交换性镁与土壤有机碳之间均呈显著的正相关关系，而且旱地土壤的各项指标与湿地和稻田的各项指标具有显著的差异，表明这些指标在维持湿地系统较高的土壤有机碳含量中具有重要的作用［14］。赵仕花等以毛村岩溶试验场为研究样点，岩溶区和非岩溶区的对比研究表明，林地、灌草丛地和耕地土壤剖面表层中，土壤有机质、全氮和有效氮的含量均高于下层土壤；在相同土地利用类型下，岩溶区土壤指标均高于非岩溶区，且林地＞灌草丛地＞耕地［15］。周莉等［16］指出岩溶区土壤有机质、全氮和碱解氮含量表现为林地＞灌草丛地＞柚子园＞银杏园，而在非岩溶区土壤各项指标差异较大，没有明显的变化规律。单就果园（桃树园、板栗园、银杏园）而言，非岩溶区土壤溶解有机碳（DOC）与土壤有机碳、全氮含量呈显著正相关关系；而在岩溶区，除了以上3个指标以外，DOC与碱解氮呈显著正相关关系［17］。成兆文等［18］采集了桂林市5个公园（均为岩溶区）的表层土壤，研究了土壤pH、有机质、碱解氮、速效磷、速效钾等肥力特性，结果表明：公园土壤总体上呈弱碱性，pH平均值为7.61；土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾平均含量分别为19.37 g·kg-1、83.96 mg·kg-1、34.96 mg·kg-1、117.29 mg·kg-1，经改进的内梅罗指数法评价，桂林市公园土壤综合肥力指数在1.22～1.69，整体属于中等水平。

综上所述，岩溶区和非岩溶区之间，土壤有机碳及其与养分的关系明显不同；而且，岩溶区土壤中钙镁含量较高［19］，在维持土壤有机碳积累过程中具有重要的作用［2］。但是，在岩溶区和非岩溶区之间，土壤有机碳及其与土壤养分及特征元素之间是否具有显著的差异，目前并没有明确的结论。

因此，本研究以毛村岩溶试验场为研究样区，选择岩溶区、混合区和非岩溶区水稻田、柑橘园和玉米地3种人为干扰较为强烈的表层土壤为研究对象，分析土壤有机碳含量、养分含量和特征元素含量以及它们之间的相关性，研究人为干扰下岩溶区和非岩溶区土壤有机碳的积累规律，为明晰岩溶区土壤有机碳的积累机制提供科学依据。

1　材料与方法

1.1研究区概况

本研究的长期定位试验点为广西桂林市灵川县潮田乡的毛村岩溶试验场，该区属亚热带季风区，年均气温18.8℃、降雨量1 915.2 mm。该场区包括岩溶区、混合区和非岩溶区三大类区域。岩溶区土壤是母岩为石灰岩和白云岩的黑色或棕色石灰土，石灰土上覆盖植被主要由以青冈（Cyclobalanopsis glauca（Thunb.）Oerst.）为主的林地和以黄荆（Vitex negundo Linn.）、檵木（Loropetalum chinensis（R.Br.）Oliv.）为主的灌木林组成；非岩溶区土壤是母岩为砂页岩的地带性红壤，植被是以栲树为主的林地［19-20］。岩溶区和非岩溶区之间有一些过渡性的土壤，作为混合区。在该试验场，水稻田、旱地和果园是3种受人为干扰较重的土地利用类型。

1.2采样方法

2013年12月，在毛村岩溶试验场的岩溶区、混合区及非岩溶区分别选取有代表性的水稻田、柑橘园和玉米地3种土地利用类型为样地，在每块样地随机选取2～4个采样区，每个采样区设置3个近1 m2的采样点，分别采集0～20 cm的表层土，当天带回实验室，去除植物根系和碎片等侵入体，研磨过2 mm筛，一部分置于4℃冰箱冷藏备用；另一部分自然风干后混匀，再过0.15 mm筛备用。

1.3分析方法

测定方法参考《土壤农化分析方法》［21］。土壤pH值用无CO2蒸馏水作为浸提剂，按照土水比1∶2.5的比例混匀后用pH计直接测定；土壤有机碳（SOC）采用浓硫酸-重铬酸钾氧化外加热法，土壤全氮（TN）采用浓硫酸消煮-凯氏定氮法；土壤碱解氮（TN）采用碱解扩散法；速效磷（AP）采用0.5 mol/L碳酸氢钠提取-钼锑抗显色-分光光度法；速效钾（AK）采用乙酸铵浸提-火焰光度法；阳离子交换量（CEC）采用乙酸铵浸提-凯氏蒸馏法；交换性Ca2+和交换性Mg2+采用乙酸铵交换-EDTA络合滴定法。溶解性有机碳（DOC）先用0.5 mol/L的K2SO4溶液浸提，再用TOC-5000总有机碳仪直接测定［22-23］。以上各指标（除pH）均重复测定3次，取算数平均值作为分析数据。

1.4数据处理和分析方法

用SPSS 17.0统计软件对所测定的数据进行描述性统计分析、相关性分析和单因素方差分析（One-way ANOVA），并进行LSD检验（lowest standard deviation test，p=0.05）。

2　结果与分析

2.1土壤有机碳和土壤养分含量特征

从表1可以看出，岩溶区水稻田中土壤有机碳的质量分数显著高于柑橘园和玉米地，且3种土地利用方式下，岩溶区土壤有机碳（SOC）和全氮（TN）的含量要显著高于混合区和非岩溶区。在水稻田土壤中，非岩溶区土壤溶解性有机碳（DOC）和碱解氮（AN）的含量要显著高于混合区和岩溶区，而在柑橘园和玉米地中，三者之间没有显著差异。3种土地利用方式下，土壤碳氮比（C/N）、有效磷（AP）和速效钾（AK）含量在岩溶区、混合区和非岩溶区之间均没有显著差异。

表1　3种土地利用方式下岩溶区、混合区及非岩溶区土壤有机碳含量和养分含量Table 1 SOC and nutrients content in karst area，mixed zone and non-karst area under three land-use types

表2　3种土地利用方式下岩溶区、混合区及非岩溶区土壤特征元素含量Table 2 Content soil characteristics elements in karst area，mixed zone and non-karst area under three land-use types　cmol/kg

2.2 土壤pH、阳离子交换量、交换性钙和镁含量特征

从表2可以看出，3种土地利用方式下，土壤pH和交换性Ca2+均表现为岩溶区显著高于混合区和非岩溶区；水稻田中，土壤阳离子交换量和交换性Mg2+在混合区和非岩溶区均没有显著差异，但显著低于岩溶区；而在柑橘园和玉米地中，三者之间没有显著差异。

2.3土壤养分、特征元素及土壤有机碳含量之间的相关性

从表3可以看出，在水稻田中，土壤全氮与土壤有机碳呈极其显著正相关（p＜0.01）；碱解氮与溶解性有机碳含量呈极其显著正相关，而这两个指标均与pH呈极其显著负相关；土壤阳离子交换量与土壤有机碳和全氮含量分别呈极其显著正相关和显著正相关；交换性Ca2+分别与土壤有机碳、全氮、pH及阳离子交换量呈显著正相关；交换性Mg2+与pH和阳离子交换量呈显著正相关，与交换性Ca2+呈极其显著正相关。

从表4可以看出，在柑橘园中，土壤全氮与土壤有机碳呈极显著正相关；碱解氮与溶解性有机碳含量呈显著正相关；交换性Ca2+与土壤有机碳和pH呈显著正相关；交换性Mg2+与阳离子交换量呈显著正相关。

从表5可以看出，在玉米地中，土壤全氮与土壤有机碳呈极其显著正相关，交换性Ca2+与土壤有机碳和全氮含量呈极其显著正相关，与pH呈显著正相关。

表3　水稻田中土壤养分与土壤有机碳含量之间的相关性Table 3 Correlation between soil nutrients and SOC content in paddy fields

表4　柑橘园中土壤养分与土壤有机碳含量之间的相关性Table 4 Correlation between soil nutrients and SOC content in citrus orchard

表5　玉米地中土壤养分与土壤有机碳含量之间的相关性Table 5 Correlation between soil nutrients and SOC content in maize fields

3　讨 论

土壤有机碳主要包括植物、动物及微生物的分解产物和土壤腐殖质［24-25］。而人为活动引起的土地利用方式的变化，能够改变进入土壤的植物残体数量和种类，从而影响土壤有机碳的含量与转化［26-27］。在本研究中，相同土地利用方式下，岩溶区土壤有机碳的含量均高于非岩溶区，且水稻田中的土壤有机碳含量显著高于柑橘园和玉米地，一方面，由于岩溶区土壤微生物数量要显著高于非岩溶区［20］，且岩溶区植被保护较好，动植物的残体较丰富［15］；另一方面，由于水稻田本身的残荏还田作用及较高的土壤粘粒，对碳的保护能力较强，使得土壤有机碳含量较高［28］。在本研究中，相比柑橘园和玉米地土壤而言，水稻田土壤具有显著的固定土壤有机碳能力，这与非岩溶区相关研究结果一致［5，29］。

3种土地利用方式下，岩溶区土壤全氮含量显著高于非岩溶区，且土壤全氮与土壤有机碳含量均呈极显著正相关关系。相关研究表明，氮素能够促进土壤有机碳的积累［14］，因此，适当的施用氮肥，改善土壤肥效，增加土壤有机质，对提高农作物产量和土壤固碳具有重要意义。溶解性有机碳是土壤有机碳中不稳定、易氧化分解的组成部分之一［30-31］，就水稻田土壤而言，非岩溶区土壤溶解性有机碳显著高于岩溶区，且溶解性有机碳与pH呈极显著负相关，这可能与吸附作用有关，俞元春等［32］认为当pH=5时土壤颗粒对DOC的吸附最强，当pH=7时吸附则较弱。此外，由于岩溶区土壤受雨水淋湿影响较大，可溶解的有机物随雨水流失较多，导致土壤中溶解性有机物质减少［31］；而非岩溶区较高的溶解性有机碳和碱解氮含量有利于微生物的利用，加速了二者的矿化速率，从而导致了非岩溶区总有机碳和全氮含量的降低，且显著低于岩溶区。另外，除了非岩溶区稻田中碱解氮含量高于岩溶区，3种土地利用方式下，岩溶区和非岩溶区土壤碱解氮、速效磷和速效钾均没有显著差异，这可能是由于土壤速效养分主要受施肥配比和农业管理措施等因素的影响［12，33］。

土壤pH值主要受成土母质的影响，岩溶区土壤（石灰土）是由碳酸盐岩石风化形成的，偏碱是其显著特征［19］。在本研究中，岩溶区土壤pH值显著高于非岩溶区。3种土地利用方式下，交换性Ca2+均表现为岩溶区显著高于非岩溶区；且交换性Ca2+与土壤有机碳呈显著正相关，由于岩溶区土壤表现为富钙偏碱，土壤腐殖质与大量的钙结合，生成不易被微生物分解的腐殖酸钙，从而增加了土壤有机碳的稳定性，促进土壤有机碳的积累［34-35］。土壤阳离子交换量是土壤胶体能吸附的各种阳离子的总量［36］，在本研究中阳离子交换量与交换性Mg2+在水稻田中均表现为岩溶区显著高于非岩溶区，且交换性Mg2+和交换性Ca2+均与阳离子交换量呈显著正相关，而阳离子交换量与土壤有机碳呈极其显著正相关，因而较高的pH值、阳离子交换量和交换性钙镁离子能够促进岩溶区土壤有机碳的积累。

4　结 论

在水稻田、柑橘园和玉米地3种土地利用方式中，与柑橘园和玉米地相比，水稻田中土壤有机碳积累量最高，且各项指标在岩溶区和非岩溶区之间差异性显著。岩溶区土壤有机碳、全氮、pH、交换性Ca2+均显著高于非岩溶区，且土壤全氮与土壤有机碳均呈极显著正相关。水稻田中，阳离子交换量与土壤有机碳也呈极显著正相关，交换性Ca2+与土壤有机碳呈显著正相关。结果表明，较高pH、全氮和交换性Ca2+是维持岩溶区较高土壤有机碳含量的重要因素。

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Comparison of soil organic carbon nutrients and characteristic elements between karst and non-karst area

FANG Fang1a，JIN Zhen-jiang1，2，LI Qiang2，SUN De-wei2，MENG Fang-yan2，TANG Hua-feng1a，HUANG Bing-fu1a，LI Min1a，ZHANG Yu1a，ZHANG Xin1a，FENG Xing-ji1a
（1.a.College of Environmental Science and Engineering；b.Guangxi Key Laboratory of Environmental Pollution Control Theory and Technology；c.Collaborative Innovation Center for Water Pollution Control and Water Safety in Karst Area；d.Guangxi Scientific Experiment Center of Mining，Metallurgy and Environment，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China；2.Key Laboratory of Karst Dynamics，MLR&Guangxi，Institute of Karst Geology，GAGS，Guilin 541004，China）

The study reveals the accumulation mechanism of soil organic carbon（SOC）in karst region through comparing SOC and its relationship with nutrients between karst area and non-karst area.Soil samples in paddy field，citrus orchard and maize fields were collected from karst area，mixed zone and non-karst area in Maocun karst experimental site in Guilin.Contents of SOC and nutrients were detected using conventional methods and their correlations were also analyzed.The results show that contents of SOC，TN，pH and exchangeable Ca2+in karst area were significant higher than that in non-karst area under three land-use types.There were significant lower contents of dissolved SOC and alkali-hydrolyzale nitrogen，but higher contents of cation exchange capacity（CEC）and exchangeable Mg2+in paddy fields in karst area than that in non-karst area.However，the above four indicators in citrus orchard and maize fields show no significant differences among the three areas.Statistics show that a significant positive correlation（p＜0.01）was found between SOC and TN under three land-use types.There was also a significant positive correlation among SOC and CEC（p＜0.01）and exchangeable Ca2+（p＜0.05）respectively in paddy fields.These results indicate that higher contents of pH，TN and Ca2+were important factors in maintaining higher SOC content，and the amount of SOC accumulation in paddy field was highest under three land-use types in karst area.

karst area；non-karst area；soil organic carbon；nutrient；land-use

X825；S158.3

A

1674-9057（2016）03-0550-07

10.3969/j.issn.1674-9057.2016.03.021

2015-01-24

国家自然科学基金项目（41361054；41003038）；广西自然科学基金项目（2011GXNSFD018002；2011GXNSFA 018006；2014GXNSFCA118012）；广西科学研究与技术开发计划项目（桂科合14123001-13）；岩溶动力学重点实验室基金项目 （KDL2010-02和KDL2011-10）；广西高等学校立项科研项目（201204LX162；201106LX229）；桂林市科学研究与技术开发计划项目（20140122-1）；广西高等学校高水平创新团队及卓越学者计划项目（002401013001）；广西危险废物处置产业化人才小高地项目；大学生创新创业训练项目 （201410596026）

方 芳 （1990—），女，硕士研究生，环境工程专业，848094099@qq.com。

靳振江，博士，副教授，zhenjiangjinjin@163.com。

引文格式：方芳，靳振江，李强，等.岩溶区与非岩溶区土壤有机碳、养分及特征元素对比［J］.桂林理工大学学报，2016，36（3）：550-556.