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土壤質量具有諸多不利影響，如土壤結構破壞、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和生物過程的變化。作為土壤結構的基本單位，土壤團聚體與上述土壤要素和過程的關系非常密切，對土地利用的變化也十分敏感，對土壤養(yǎng)分生物地球化學過程具有重要的調控作用。
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)濟帶珠江經(jīng)濟帶的生態(tài)屏障區(qū)。上世紀八十年代以來，特殊的地質背景，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質（SOM）丟失率高達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構變化，進而促發(fā)了碳氮養(yǎng)分的快速響應？土壤微生物在這一過程中有何協(xié)變特征？目前對這些問題還缺乏清晰的認識。針對這一科學問題，中國科學院環(huán)江喀斯特站王克林研究員團隊博士研究生肖霜霜，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/干擾方式下土壤團聚體、團聚體碳氮及其微生物活性特征，探討了團聚體結構如何影響土壤碳氮及微生物活性對土地利用/干擾的響應，初步揭示了人類干擾導致土壤碳氮變化的作用機制。
研究結果發(fā)現(xiàn)，土地利用/干擾對土壤團聚體影響主要作用于大粒級。其中牧草和玉米等擾動土壤的利用方式對土壤各粒級團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聚體（>2mm）碳氮貯量的減少。相比封育，其他處理方式土壤團聚體微生物生物量碳（除火燒）降低，團聚體微生物熵增加。土地利用對大粒級（>2mm）團聚體微生物活性的影響程度小于小粒級（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（0.25-2mm）團聚體中均呈現(xiàn)最高值，這表明該粒級更適合微生物活動，具有相對較高的有機碳氮含量和微生物活性，預示著更活躍的碳氮動態(tài)變化。以上結果表明，團聚體結構調控土地利用對土壤碳氮及微生物活性的影響，喀斯特地區(qū)農(nóng)業(yè)田間管理應減少對土壤擾動，調整農(nóng)業(yè)結構，調減玉米種植面積，構建以牧草免耕種植和生態(tài)高值經(jīng)濟林果為核心的喀斯特農(nóng)林牧復合生態(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研發(fā)計劃、國家自然科學基金等項目的資助。
圖1 團聚體結構調控土地利用對土壤碳氮及微生物活性的影響