不同经营年限对柑橘果园土壤有机碳及其组分的影响

王义祥，叶菁，王成己，翁伯琦，黄毅斌

福建省农业科学院农业生态研究所，福建 福州 350013

不同经营年限对柑橘果园土壤有机碳及其组分的影响

王义祥，叶菁，王成己，翁伯琦*，黄毅斌*

福建省农业科学院农业生态研究所，福建 福州 350013

土壤有机碳库是全球碳循环的重要组成部分，其积累和分解的变化直接影响全球的碳平衡。果园是我国重要的土地利用类型之一，果园面积占我国土地总面积的1.15%。因此，研究果园土壤有机碳库的演变规律，对于准确评估我国陆地生态系统的固碳潜力具有重要的科学意义。利用时空替代和物理、化学分组的方法比较研究不同经营年限对柑橘果园土壤有机碳库及其组分的影响，旨为果园土壤固碳增汇机理研究提供科学依据。利用时空替代法和物理化学分组的方法比较研究经营年限对柑橘果园土壤有机碳库及其组分的影响。结果表明：50年代柑橘果园0～20 cm和20～40 cm土层颗粒有机碳和轻组有机碳含量分别比80年代柑橘果园提高了9.6%和23.60%、2.57%和3.63%，其中对0～20 cm土层的影响显著高于20～40 cm，说明果园经营干扰对土壤活性有机碳的影响随着土层的加深而降低。50年代柑橘果园0～20 cm土层土壤有机碳含量比80年代果园提高27.2%，可溶性有机碳提高20.1%，微生物生物量碳提高5.3%；50年代柑橘园0～100 cm土层有机碳储量比80年代柑橘园提高30.3%，但50年代柑橘园的土壤颗粒有机碳、轻组有机碳、可溶性有机碳和微生物量碳占总有机碳的比率均低于80年代柑橘园，说明当种植年限超过30年后，随着种植年限增加，果园土壤有机碳质量存在退化的风险。

经营年限；柑橘果园；土壤；有机碳；组分

土壤有机碳的平衡状况取决于每年有机碳的分解量与积累量之间的盈亏，而由有机碳的分解与转化所构成的土壤有机碳循环受许多因素影响，如温度、水分、质地、土壤微生物、耕作制度与耕作方式等（于君宝等，2004）。当自然土壤经垦殖后，其土壤有机碳的含量及其在土壤中的驻留时间等将受到很大的影响，而长期的农业耕作与管理，也使得土壤有机碳具有自己的变异特征（吴乐知和蔡祖聪，2007）。果园作为我国南方红黄壤丘陵区重要的土地利用方式，土壤碳的输入、输出方式与农田有明显差异。葛玺祖（2011）对黄土高原南部沟壑区果园与农田土壤有机碳差异的研究表明，果园的松结态、稳结态有机碳高于农田。目前已有一些土地利用方式变化和土壤管理措施，如生草、施肥等对果园土壤有机碳库影响的研究，(Eduardo等，2011；翁伯琦等，2013；张林森等，2013)，但有关果园长期利用过程中土壤有机碳库的演变规律研究还少见报道。土壤活性有机碳是指在土壤中不稳定、易氧化、分解、矿化，其形态和空间位置对植物和微生物有较高活性的那部分土壤碳素，通常利用颗粒有机碳、轻组有机碳、易氧化态有机碳、水溶性有机碳和微生物量有机碳等进行表征。土壤活性有机碳虽然只占土壤有机碳的较小部分，但它对植物养分供应有最直接的作用，可以灵敏地反应不同技术措施对土壤碳库和潜在生产力的影响，指示土壤有机质的早期变化（Blair等，1995）。故此，本研究采用时空替代法比较研究不同经营年限条件下果园土壤有机碳库及其组分的变化，旨为果园土壤固碳增汇机理研究和合理经营措施的制定提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地选择

试验地位于永春县猛虎柑橘场内，属亚热带湿润性季风气候，年平均温度18.5 ℃，年降雨量1700～1800 mm。猛虎柑橘场原为1953年印尼归国华侨尤扬祖在达埔乡创办的猛虎华侨垦殖场。1954年春建植0.27 hm2芦柑，为福建省建植最早的永春芦柑。1978年，更名为永春县猛虎柑桔场，占地总面积36.67 hm2，其中柑橘面积31.67 hm2。本研究在供试果园的相邻近区域选取20世纪50年代和80年代建植的两个芦柑（Citrus reticulate Blanco）果园作为试验地，其地形、成土母质及土壤类型等条件基本一致，坡向东南，坡度为20°，成土母质为花岗岩坡积物，土壤类型为赤红壤。每年或隔年对果园0～20 cm的表层土壤进行中耕翻土，每公顷年施纯氮1275 kg，其中有机氮平均占施氮量的17%。2010年两个试验地土壤的基本理化性状见表1。

表1 试验地土壤基本理化性状表1 The basic physical and chemical properties of the experimental soil

1.2 土壤取样

于2010年3月下旬分别在2个种植年限的试验地内设立3个20 m × 20 m样区，研究样区按照邻近原则进行布置。在每个样区按S形布设取样点5个，挖取0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 5个层次的土壤剖面，分不同层次采集土壤，用环刀法采样并测定土壤容重。将每个样区不同层次的5个样点样品混合均匀，采用多点采集方法形成混合样品，样品过2 mm筛，去除石砾和根系。一份鲜样置于冰箱内4 ℃保存，供土壤水溶性有机碳、微生物量碳的测定；另一份风干后，过0.25 mm筛分别用于土壤有机碳、易氧化碳、颗粒有机碳、轻组有机碳和土壤理化性状分析。

1.3 测定内容与方法

土壤颗粒有机碳（(Particle Organic Carbon，POC）的测定按照Franzluebbers和Stuedemann（2002）的方法，通过湿筛法获得53～2000 μm的颗粒组分；土壤轻组有机碳(Light fraction organic carbon，LFOC)测定参照Besnard等（1996）的相对密度分组法，所用重液是密度为1.7 g·cm-3的NaI溶液。土壤水溶性有机碳（Dissolved Organic Carbon，DOC）分析用Ghani等（2003）的方法，土壤微生物生物量碳（Microbial Biomass Carbon, MBC）测定采用氯仿熏蒸－K2SO4浸提法（鲁如坤，2000）。浸提液有机碳浓度用岛津TOC-VCPH仪测定，土壤有机碳测定采用重铬酸钾－外加热法（鲍士旦，1999）。

1.5 数据处理

利用Microsoft Excel 2003和DPS 7.05统计分析软件进行数据计算处理及差异显著性检验和相关性分析，多重比较采用LSD法。

2 结果分析

2.1 柑橘园土壤有机碳含量变化

土壤有机碳含量取决于有机物料输入与输出之间的平衡，而气候特点、土壤性质以及耕作方式的差异，均会导致土层内有机碳含量的大小及分布。由图1可以看出，20世纪50年代建植的柑橘园不同土层的有机碳含量均高于80年代建植的柑橘园；其中50年代建植柑橘园0～20 cm土层有机碳含量比80年代的高27.19%，且差异达到显著水平。除0～20 cm和80～100 cm土层外，50年代和80年代柑橘园其它土层间有机碳含量的差异不显著，表明经营年限的提高可不同程度地促进果园土壤有机碳的积累。就垂直分布而言，50年代和80年代柑橘园的有机碳含量随着土层深度变化均呈相似的变化规律，即随土层的加深呈现先减后增的趋势，60 cm土层处为土壤有机碳含量变化的拐点。

图1 不同经营年限柑橘园土壤总有机碳含量Fig. 1 Total organic carbon contents in orchard soils under diferent reclamation periods

2.2 柑橘园土壤有机碳密度的变化

由图2可以看出，50年代和80年代柑橘园土壤有机碳密度随土层的加深也呈先减后增的变化趋势。其中50年柑橘园土壤有机碳密度以80～100 cm土层最高，且与其它土层间的差异达到显著水平；而80年代柑橘园以0～20 cm土层最高，其次为80～100 cm土层，但0～20 cm和80～100 cm土层间的差异不显著。图2还表明，50年代柑橘园不同土层的土壤有机碳密度均显著高于80年代果园，比80年代柑橘园土壤有机碳密度高15.08%～49.29%。50年代柑橘园0～100 cm土层的土壤有机碳储量比80年代柑橘园提高30.30%，且差异达显著水平。

2.3 柑橘园土壤颗粒有机碳的变化

图2 不同经营年限柑橘园土壤有机碳密度Fig. 2 Organic carbon density in orchard soils under diferent reclamation periods

颗粒有机碳（Particulate organic carbon，POC）为砂粒（2000～53 µm）有机碳。由图3可知，20世纪50年代和80年代柑橘园0～20 cm土层土壤颗粒有机碳含量分别比20～40 cm土层增加64.5%和75.8%，上下层之间的土壤颗粒有机碳含量差异性均达显著水平，表现出随着土层加深而降低的变化规律。就经营年限的影响而言，50年代柑橘园0～20 cm和20～40 cm土层的土壤颗粒有机碳含量分别比80年代柑橘园相应土层提高9.6%和2.6%，但两者间的差异未达显著水平。POC/土壤有机碳（SOC）值可在一定程度上反映土壤有机碳的质量和稳定程度。一般认为，POC/SOC值大，表明土壤有机碳较易矿化、周转期较短或活性高，POC/SOC值小则表明土壤有机碳较稳定，不易被生物所利用。由图4可以看出，50年代柑橘园POC/SOC均随着土层的加深而减小，其中0～20 cm土层50年代柑橘园土壤POC/SOC比80年代柑橘园的降低19.4%，两者间的差异达显著水平；20～40 cm土层50年代柑橘园土壤POC/SOC比80年代柑橘园的降低1.6%，但两者之间差异未达显著水平，表明随着经营时限的延长，果园土壤POC/SOC下降，土壤大团聚体结构向细小颗粒转变，粉砂粒和黏粒增多，其固持的有机碳含量增加，土壤有机碳较稳定，不易被生物所利用。

图3 不同经营年限柑橘园土壤颗粒有机碳含量Fig. 3 POC contents of orchard soils under different tillage periods

图4 不同经营年限柑橘园土壤颗粒有机碳和轻组有机碳占土壤有机碳的比例Fig. 4 POC/SOC and LFOC/SOC in orchard soils under different tillage periods

2.4 柑橘园土壤轻组有机碳的变化

轻组有机碳（Light fraction organic carbon，LFOC）介于动植物残体和腐殖化有机质之间的有机碳库，是土壤不稳定有机碳库的重要组成（Christensen，2001）。由图5可知，20世纪50年代柑橘园0～20 cm土层轻组有机碳含量比80年代果园增加23.6%，差异性未达显著水平；20～40 cm土层则比80年代果园增加3.6%，表现为随着经营年限的增加，轻组有机碳含量呈现增加的趋势。就土层变化而言，50年代和80年代柑橘园0～20 cm土层轻组有机碳含量分别比20～40 cm土层增加了35.5%和14.0%，差异性达显著水平，表现为随土层深度的增加，轻组有机碳含量降低的趋势。就轻组有机碳占总有机碳的比例而言，50年代和80年代柑橘园土壤LFOC/SOC均随着土层的加深而降低（图4），其中50年代柑橘园0～20 cm和20～40 cm土层土壤LFOC/SOC分别比80年代柑橘园降低了4.4%和3.1%，说明随着经营年限的增加，由于有机肥和凋落物的输入，导致归还果园土壤的动植物残体和腐殖化物质增加，土壤有机碳含量增加，但伴随着干扰活动的加剧，果园土壤活性有机碳逐渐被分解矿化，土壤非保护性碳库的比例降低，而惰性或者缓效性有机碳的比例则增加。

图5 不同经营年限柑橘园土壤轻组有机碳含量Fig. 5 LFOC contents of orchard soils under different tillage period

2.5 柑橘园土壤可溶性有机碳的变化

土壤水溶性有机碳（Dissolved organic carbon, DOC）作为生物活性有机碳容易被土壤微生物分解，虽然它只占土壤有机碳的较小部分，却在维持土壤养分和生物学肥力方面发挥着重要作用（Jandl和Sollins，1997）。由图6可知，20世纪50年代和80年代柑橘园土壤可溶性有机碳含量均随着土层的加深而减少；其中50年代柑橘园0～20 cm土层土壤可溶性有机碳含量比20～40 cm土层高20.1%，但差异性未达显著水平；80年代柑橘园0～20 cm土层比20～40 cm土层高16.9%，但差异性未达显著水平。就不同经营年限比较而言，50年代柑橘园0～20 cm和20～40 cm土层可溶性有机碳含量分别比80年代柑橘园增加7.80%和4.92%，表现为随着经营年限的增加土壤可溶性有机碳含量呈增加的趋势，但两者间的差异不显著。土壤中活性碳库占总有机碳的百分比可以反映土壤有机碳的质量（倪进治等，2001）。从可溶性有机碳占总有机碳的比例可以看出（图7），0～20 cm和20～40 cm土层50年代柑橘园土壤可溶性有机碳占总有机碳的比例分别比80年代柑橘园降低18.0%和3.3%，说明随着经营年限的增加，土壤有机碳的质量降低。由图7还可以看出，50年代和80年代柑橘园0～20 cm土层DOC/SOC分别比20～40 cm土层高7.4%和6.4%，表现为随土层加深DOC/SOC呈降低的趋势，差异性达显著水平。

图6 不同经营年限柑橘园土壤可溶性有机碳含量Fig. 6 DOC contents of orchard soils under different tillage periods

图7 不同经营年限柑橘园土壤可溶性有机碳占土壤有机碳的比例Fig. 7 DOC/SOC in orchard soils under different tillage periods s

2.6 柑橘园土壤微生物量碳的变化

微生物量碳（Microbial biomass carbon，MBC）作为土壤活性碳的表征指标，可以反映出土壤能量循环、养分的转移和运输状况，同时也是土壤有效碳库的重要组成部分（Kandeler等，1999）。由图8可以看出，随着经营时间的延长，柑橘园土壤微生物量碳含量呈上升趋势，其中50年代柑橘园0～20 cm和20～40 cm土层微生物量碳含量分别比80年代柑橘园提高5.3%和2.6%，但两者间的差异不显著，这与土壤有机碳含量的变化规律相一致。就土层变化而言，50年代和80年代柑橘园0～20 cm微生物量碳含量均高于20～40 cm土层，但两土层间的差异也均不显著。土壤微生物量碳/全碳也称为微生物墒，是土壤碳库质量的敏感指示因子，可以推断碳素有效性（戴慧，2007）。由图9可以看出，50年代和80年代柑橘园微生物量碳占土壤有机碳的比例均随着土层深度的加深而降低，其中50年代柑橘园0～20 cm土层微生物量碳占土壤有机碳的比例相对80年代柑橘园下降了17.93%，且两者间的差异性达到显著水平，表明随着经营年限的增长，柑橘园土壤有机碳质量存在退化的风险。

图8 不同经营年限柑橘园土壤微生物量碳含量Fig. 8 MBC contents of orchard soils under different tillage period

图9 不同经营年限柑橘园土壤微生物量碳占土壤有机碳的比例Fig. 9 MBC/SOC in orchard soils under different tillage period

3 讨论

土壤有机碳的积累与新鲜有机物的输入和土壤管理方式密切相关。果园经营过程中人为干扰，如施肥、除草、修剪以及间作套种等，均引起果园土壤有机碳贮存状况的改变。已有研究表明，在农田生态系统中，长期施用化肥条件下，土壤有机碳的含量可以得到维持或提高，增施有机肥会显著提高土壤有机碳的含量（Drury等，1998）。但在果园生态系统中，土壤有机碳含量的演变有不同的报道。甘卓亭等（2010）研究认为，在长期的果园利用过程中，果园固碳量在不同的年龄期存在差异，从5、10年到15年果园SOC逐步增加，而15年到20年减小；而郭恢财等（2010）对种植年限分别为9、20和31年脐橙果园的调查表明，随着种植年限的增加，土壤有机碳含量呈增加的趋势。本研究结果表明，50年代柑橘园土壤有机碳含量高于80年代柑橘园，表现为随着经营年限增加，土壤有机碳含量呈增加的趋势，这是由于随着经营年限的延长，以凋落物和有机肥形式输入的碳素除了部分被植物吸收或分解进入大气外，更多的有机碳逐渐在土壤中累积下来，同时也说明本试验条件下的经营模式有利于提高果园土壤的碳汇功能。

土壤活性有机碳系指土壤中不稳定、易氧化和矿化、其形态和空间位置对植物和微生物有较高活性的土壤碳素。许多研究认为，轻组有机碳或颗粒有机碳对土壤耕作比较敏感，是反映在不同农田管理措施下土壤质量变化较好的指标，对于准确评价耕作影响土壤碳过程具有重要意义（Chan等，2002）。杨长明等（2006）研究表明，与传统小麦-玉米农田土壤相比较，果园土壤活性有机碳、颗粒有机碳、轻组有机碳和可溶性有机碳的含量分别提高了104.3%、124.6%、136.4%和106.4%。本研究结果表明，20世纪50年代果园0～20 cm和20～40 cm土层颗粒有机碳和轻组有机碳含量分别比80年代果园提高了9.6%和23.60%、2.57%和3.63%，其中对0～20 cm土层的影响显著高于20～40 cm，说明果园经营干扰对土壤活性有机碳的影响主要体现在表层（蔡立群等，2000）。Sampson和Scholes（2000）通过数据收集计算得出，任何一个农业生态系统的耕作方式改变，在前20年中土壤碳都以稳定的速率积累，后20年碳积累速率成直线下滑，最终达到一个碳积累速率为零的另一个稳定状态。本研究中50年代和80年代两种果园间的差异不显著，可能是由于两个年代果园的经营年限均超过了20年，土壤有机碳的积累已经处于一种较稳定状态。本研究结果还表明，50年代柑橘园0～20 cm土层POC/SOC、LFOC/SOC和DOC/SOC分别比80年代柑橘园降低了19.4%、4.4%和18.0%，说明随着经营年限的延长，以凋落物和有机肥形式输入土壤的碳素除满足植被自身生长的需要外，大部分以非活性形态贮存下来。

许多研究认为，土壤微生物的生物量、土壤呼吸等生物特性比土壤有机质、养分含量等其他理化性状能更敏感地对土壤质量的变化做出响应（Dilly和 Munch，1996）。土壤微生物的生物量既是土壤养分转化与循环的动力，又是土壤中植物有效养分的储备库，能更灵敏地反映环境因子、经营模式和生态功能的变化（张成娥等，2002）。周国模等（2006）和邬奇峰等（2005）的研究表明，集约经营过程中随着经营年限的增加，毛竹林和板栗园的土壤微生物量碳含量均有不同程度地降低。本研究结果表明，随着经营时间的延长，柑橘园土壤微生物量碳含量则呈上升趋势，这与不同利用方式及其经营管理的年限和措施不同有关。果园经营过程中通过有机肥投入有利于土壤有机碳的积累，而集约化毛竹林和板栗园经营因大量施用化肥导致土壤有机碳损耗加剧。许多学者认为，土壤微生物熵是衡量一个生态系统土壤有机碳积累或损失的一个重要指标，比值越大，则说明有机碳周转速率越快（Tarafdar等，2001）。据Zeller等（2001）研究报道，土壤微生物熵值为0.27%～7.00%。本研究50年代和80年代柑橘园土壤微生物熵值为5.37%～6.55%，均处于Zeller报道的范围之内。另外，50年代柑橘园微生物熵值比80年代柑橘园的降低6.6%～17.19%。郭恢财等对脐橙园土壤酶活性的研究也表明，种植20年的脐橙果园土壤酶活性高于31年的脐橙果园（郭恢财等，2010），说明果园经营超过一定时限后，随着经营年限的延长，果园土壤有机碳的周转速率变慢，表现为有利于土壤有机碳的积累。

4 结论

1）50年代柑橘果园不同土层的土壤有机碳含量和碳密度均高于80年代柑橘果园，表现为土壤有机碳随着经营年限延长而增加的趋势，这是果园经营过程中来自凋落物和有机肥等的外源碳素输入而在果园土壤中逐渐累积的结果。

2）20世纪50年代柑橘园土壤颗粒有机碳（POC）、轻组有机碳（LFOC）、可溶性有机碳（DOC）和微生物量碳（MBC）含量均高于80年代柑橘园，表现为随着经营年限的增长，土壤活性有机碳含量增加；但50年代柑橘园POC/SOC、LFOC/SOC、DOC/SOC和MBC/SOC均低于80年代柑橘园，说明随着种植年限的增加，果园土壤有机碳质量存在退化的风险。

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Effect of Different Cultivation Years on Soil Organic Carbon Pools in Citrus Orchards

WANG Yixiang, YE Jing, WANG Chengji, WENG Boqi*, HUANG Yibin*

Institute of Agricultural Ecology, Fujian Academy of Agricultural Sciences, Fuzhou 350013, China

Soil organic carbon is an important component of the global carbon cycle，and it has direct effects on the global carbon balance. Orchard is an important part of the landscape land, the area of which accounts for 1.15% of the total land area in China. To study the dynamic of soil organic carbon stock in orchard，would provide an important scientific basis to accurately evaluate carbon sequestration potential of terrestrial ecosystems. Effect of different cultivation years on soil stable organic carbon pools and fractions in Citrus orchard was investigated to elucidate the mechanism responsible for orchard soil carbon sequestration using the temporal-spatial substitution and physical and chemical fractionation methods. The results showed that the particle organic carbon content of 60’ citrus orchards in the 0～20 cm and 20～40 cm soil layers increased by 9.6% and 2.57% than those of 30’ citrus orchards, respectively, the light fraction organic carbon content increased by 23.6% and 3.63%, respectively. The variation of labile organic carbon in the 0～20 cm soil layer was significantly higher than that of the 20～40 cm soil layer. It indicated that the effect of orchard management on labile soil organic carbon decreased with the increase of soil layer depth. The results also showed that the 60' s citrus orchard compared with 30's citrus orchard citrus orchard, the content of organic carbon in the 0～20 cm soil layer increased by 27.%, dissolved organic carbon content increased by 20.1%, microbial biomass carbon content increased by 5.3%. Soil organic carbon storage of 60's citrus orchard in 0～100 cm soil layer increased 30.30% more than that of 30's citrus orchard. Compared with 30's citrus orchard, soil particulate organic carbon, light fraction organic carbon, dissolved organic carbon and microbial biomass carbon in the ratio of total organic carbon in 60's citrus orchard were all lower. It showed that more than 30 years after planting period, there is degradation risk of soil organic carbon quality with the increasing of growing years.

cultivation years; citrus orchard; soil; organic carbon; fractions

S153.6

A

1674-5906（2014）10-1574-07

王义祥，叶菁，王成己，翁伯琦，黄毅斌. 不同经营年限对柑橘果园土壤有机碳及其组分的影响[J]. 生态环境学报, 2014, 23(10): 1574-1580.

WANG Yixiang, YE Jing, WANG Chengji, WENG Boqi, HUANG Yibin. Effect of different cultivation years on soil organic carbon pools in citrus orchards [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(10): 1574-1580.

国家科技支撑计划课题（2012BAD14B15；2012BAD14B03）；福建省科技厅公益类项目（2014R1101013-3）；农业部福州农业环境科学观测实验站项目

王义祥（1978年生），男，副研究员，主要从事土壤碳氮循环研究。E-mail: sd_wolong@163.com

*通信作者：翁伯琦，E-mail: wengboqi@163.com；黄毅斌，ecohyb@163.com

2014-07-02