土地利用變化是全球環(huán)境變化的主要來源和組成部分。不合理的土地利用和人為干擾對(duì)土壤質(zhì)量具有諸多不利影響，如土壤結(jié)構(gòu)破壞、養(yǎng)分流失和土壤侵蝕；減少土壤碳氮固持，加速溫室氣體（CO2和N2O）排放；并影響土壤微生物活動(dòng)和生物過程的變化。作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單位，土壤團(tuán)聚體與上述土壤要素和過程的關(guān)系非常密切，對(duì)土地利用的變化也十分敏感，對(duì)土壤養(yǎng)分生物地球化學(xué)過程具有重要的調(diào)控作用。
我國西南喀斯特地區(qū)是世界上最大的喀斯特連片分布區(qū)之一，也是我國重要經(jīng)濟(jì)帶珠江經(jīng)濟(jì)帶的生態(tài)屏障區(qū)。上世紀(jì)八十年代以來，特殊的地質(zhì)背景，生態(tài)環(huán)境的脆弱性，加上人類不合理的土地利用，該地區(qū)石漠化現(xiàn)象不斷加劇，成為制約西南地區(qū)可持續(xù)發(fā)展最嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題，也影響著珠江下游的生態(tài)安全?？λ固刈匀簧鷳B(tài)系統(tǒng)土壤碳氮含量顯著高于同緯度紅壤，但一旦遭受人為干擾或開墾利用，土壤養(yǎng)分含量顯著降低。前期研究發(fā)現(xiàn)，在開墾兩年后，喀斯特坡地土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）丟失率高達(dá)42%，表現(xiàn)出急劇丟失的特征。然而，農(nóng)業(yè)土地利用如何引起土壤結(jié)構(gòu)變化，進(jìn)而促發(fā)了碳氮養(yǎng)分的快速響應(yīng)？土壤微生物在這一過程中有何協(xié)變特征？目前對(duì)這些問題還缺乏清晰的認(rèn)識(shí)。針對(duì)這一科學(xué)問題，中國科學(xué)院環(huán)江喀斯特站王克林研究員團(tuán)隊(duì)博士研究生肖霜霜，選取5種喀斯特地區(qū)常見的土地利用/干擾方式為研究對(duì)象（封育、火燒、砍伐、牧草及玉米地），通過分析不同土地利用/干擾方式下土壤團(tuán)聚體、團(tuán)聚體碳氮及其微生物活性特征，探討了團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)如何影響土壤碳氮及微生物活性對(duì)土地利用/干擾的響應(yīng)，初步揭示了人類干擾導(dǎo)致土壤碳氮變化的作用機(jī)制。
研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，土地利用/干擾對(duì)土壤團(tuán)聚體影響主要作用于大粒級(jí)。其中牧草和玉米等擾動(dòng)土壤的利用方式對(duì)土壤各粒級(jí)團(tuán)聚體碳氮影響最為顯著，干擾后土壤碳氮的丟失主要來源于大團(tuán)聚體（>2mm）碳氮貯量的減少。相比封育，其他處理方式土壤團(tuán)聚體微生物生物量碳（除火燒）降低，團(tuán)聚體微生物熵增加。土地利用對(duì)大粒級(jí)（>2mm）團(tuán)聚體微生物活性的影響程度小于小粒級(jí)（0.25-2、0.053-0.25mm）。各方式下微生物生物量碳和微生物熵在中等粒級(jí)（0.25-2mm）團(tuán)聚體中均呈現(xiàn)最高值，這表明該粒級(jí)更適合微生物活動(dòng)，具有相對(duì)較高的有機(jī)碳氮含量和微生物活性，預(yù)示著更活躍的碳氮?jiǎng)討B(tài)變化。以上結(jié)果表明，團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)調(diào)控土地利用對(duì)土壤碳氮及微生物活性的影響，喀斯特地區(qū)農(nóng)業(yè)田間管理應(yīng)減少對(duì)土壤擾動(dòng)，調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)，調(diào)減玉米種植面積，構(gòu)建以牧草免耕種植和生態(tài)高值經(jīng)濟(jì)林果為核心的喀斯特農(nóng)林牧復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)。
該研究以題為Soil aggregate mediates the impacts of land uses on organic carbon, total nitrogen, and microbial activity in a Karst ecosystem發(fā)表在Scientific Report上。該研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。
圖1 團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)調(diào)控土地利用對(duì)土壤碳氮及微生物活性的影響