不同农业土地利用年限干旱区土壤剖面碳存储动态变化

雒 琼，王玉刚，邓彩云，牛子儒，李 彦



不同农业土地利用年限干旱区土壤剖面碳存储动态变化

雒 琼1,2,3，王玉刚1,2※，邓彩云1,2,3，牛子儒1,2,3，李 彦1,2

（1. 中国科学院新疆生态与地理研究所，荒漠与绿洲生态国家重点实验室，乌鲁木齐 830011； 2. 中国科学院阜康荒漠生态系统国家野外科学观测站，阜康 831505；3. 中国科学院大学，北京 100049）

干旱区农业土地开发利用对土壤碳库的源汇效应一直存有争议，为研究该过程对土壤剖面碳存储作用，该文以新疆三工河流域阜北农场不同土地开发利用时段的农田为研究对象，对比分析近50 a 0～200 cm土壤剖面有机碳和无机碳分布格局及其变化。结果表明：土壤碳含量随利用年限增加而增大，但有机碳与无机碳变化趋势相反；长期的农业土地利用显著影响0～80 cm土壤碳的分布，其变异性在80～100 cm有明显的突变现象，即变异系数均减小40%以上；无机碳与有机碳的比例随土层深度和利用年限增加，变化率从荒地的0.028到50 a的0.088（<0.01），增幅达2.14倍；随土地利用年限，有机碳和无机碳的碳储效应在土层间与时间尺度上不同，但剖面土壤碳密度为典型的碳汇进程。研究可为干旱区农业土地开发提供依据。

土地利用；土壤；有机碳；无机碳；碳聚积；变异性

0 引 言

温室气体排放的增加被认为是气候变暖的主要原因,这使得碳循环研究成为目前重要的研究方向之一[1]。土壤碳库作为陆地生态系统最大的碳库，同时也是与人类活动联系最紧密的一个碳库，其微小的变化都将对大气CO2的浓度有着深刻的影响[2]。因此，增加土壤碳汇已经被认为是换取工业CO2减排的有效途径之一[3-4]。随着人类活动对自然资源利用的逐步加剧，土地开发利用成为了一个显著的事实[5]，土地利用方式的改变不仅改变了地表景观，同时也改变了物质的汇集过程，通常这种变化通过改变生态系统的结构和功能来影响碳循环过程，同时也随着时间的推移不断影响着土壤碳分布和碳储格局[6-7]。

在全球碳循环研究中，干旱区农业土地利用对土壤碳库的源汇效应一直存有争议。在农业土地开发利用对土壤碳储作用方面的研究，时间尺度上，由于长期定点、定位监测通常受制于作物类型、种植方式和管理措施等多个要素，以往的研究多集中在年内生长季节和年际间较小的尺度[8]或更长的地质时期的千年时间尺度，而对于近50 a的时序性研究相对较少；土壤剖面上，多选择表层0～20 cm或1 m的剖面深度[9-10]，并且探讨的是不同土地利用类型对土壤碳储的影响，缺乏剖面层次间的特征分析。对于农田土壤，尤其是在干旱区，土壤背景具有盐碱性，为了防止土壤盐渍化的发生，以往农业灌溉的润湿深度通常接近或超过1 m范围。农业灌溉作用的加强带动了碳向下层的运输，显然这种作用显著增强了深层土壤碳储。因此，以往用1 m土层厚度来评估区域土壤剖面碳储其结果具有显著的低估作用[11-12]。由于土壤具有一定的空间异质性，不同土地利用方式会影响生态系统的碳储量[13]，同一土地利用类型对于生态系统碳循环的作用也可能不同[14]。显然，综合考虑时间尺度和土层厚度，将有助于准确评估农业土地利用对土壤碳库的影响。

近50 a以来，西北干旱区以牺牲荒漠植被为代价所开展的大规模土地开发，通过耕作、施肥和灌溉等措施，使原有的荒漠植被逐步被绿洲农田所替代，这必然改变土壤剖面的碳储格局。新疆位于中国西北地区，是中国最大的干旱区。随着人口和经济的迅猛增长，自20世纪60年代开始, 新疆大面积土地被开垦，农田面积显著增加[15]。本文以具有典型代表性干旱区农业土地开发利用过程的新疆三工河流域阜北农场为研究对象，通过对荒地和不同利用年限的农田调查取样，分析不同土地利用年限0～2 m土壤剖面的碳分布格局和土壤理化性质，研究近50 a农业土地开发利用进程中于土壤碳存储的动态变化，以期深入了解干旱区农业土地开发利用对碳吸收和储量的影响机制，并为后备的土地开发利用和生态建设提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于准噶尔盆地南缘，毗邻新疆博格达峰北麓，三工河流域的冲、洪积平原上，地理位置为87°49′E～88°16′E，43°50′N～44°22′N。该区气候属于干旱大陆性气候，降水量少，蒸发量大，夏季炎热干燥，冬季严寒。年均气温为6.6 ℃，最高气温42.3 ℃，最低气温-41.5 ℃，多年平均降水约为163 mm，多年平均潜在水面蒸发量约为900 mm。三工河流域地势南高北低，由东南向西北倾斜，海拔430～710 m。其中，流域平原区面积为942 km2，绿洲区面积为700 km2。

研究区阜北农场地处流域的末端（图1），建立于1959年，面积约180 km2，至今区域土地利用已超过50 a，行政区划属于新疆生产建设兵团222团。区域内主要有潮土、灰漠土、盐土3种土壤类型。在20世纪90年代以前，以小麦和玉米粮食作物为主，此后主要以小麦和棉花为主，作物结构调整主要依据新疆生产建设兵团农业种植结构区划。土地耕作的方式为春季种植，秋季翻耕。由于地处古尔班通古特沙漠南缘，土壤相对比较贫瘠。农田种植过程中，农业肥料主要以施用化肥为主。由于受水源条件的限制，农业灌溉自2012年以后，由原有的沟、漫灌方式，变为更为节水的滴灌。目前流域内耕种面积较大的农作物有棉花、小麦、玉米、打瓜，生长季为5—10月，灌溉方式多采用滴灌，耕作为机耕。原始荒地中的植被主要为琵琶柴（）、梭梭（）、骆驼刺（）以及众多短命植物。

图1 阜北农场研究区位置及采样点位置

1.2 试验设计

研究区域土地的开发利用均有详细的背景记载，并且采用较为统一的集约化管理模式，因此农业土地开发利用的时间具有梯度性和可比性。研究开始于2015年4月，期间查询兵团222团部土地管理部门条田资料并进行实地走访，结合20世纪70年代以来不同时段的图片确定阜北农场的土地利用历史。通过调查筛选，采样点土壤类型相同，均为灰漠土，土地利用类型均为农业土地。研究选取土地利用历史分别为1、5、15、30和50 a的代表性土地以及与样地土壤类型相同、位置相近、受人为干扰较少的荒地作为参照土地。

1.3 土样采集和测定分析

由于农业土壤受年际耕作、施肥和管理等影响较大，为避免再次耕作带来的误差，土壤样品采集在2015年农业耕作前（4月20日）完成。分别在不同土地利用年限的农田中随机选取5块样地，设置10 m´10 m的样方，按照“Z”型曲线，随机选取5个点，利用GPS定位后，用土钻以20 cm为间隔分层取样，深度为200 cm。将采集好的土壤带回实验室，去除杂物，放置在阴凉的通风室自然风干后充分研磨、过2 mm筛保存备用。

分析方法：参照《土壤农业化学分析方法》[16]，土壤无机碳采用气量法测定，该方法主要依据土壤中的碳酸盐与盐酸作用产生的气候体积，根据二氧化碳在一定温度和气压下的密度，计算得到二氧化碳的质量；土壤有机碳采用重铬酸钾容量法–外加热法测定；pH值和电导率采用pH计（雷磁PHS-3C，上海仪电科学仪器股份有限公司）和电导仪（雷磁DDB-303A，上海仪电科学仪器股份有限公司，）分别测定5:1水土的浸提液，根据经验公式[17]换算确定土壤含盐量。土壤容重采用环刀法（100 cm3）采集，深度间隔为20 cm，置于烘箱烘干 （105 ℃，24 h）测定。总碳（total carbon，TC）为有机碳（soil organic carbon ，SOC）和无机碳（soil inorganic carbon，SIC）之和。无机及有机碳密度[18-19]、盐分分别为

式中SICD为土壤无机碳密度，kg/m2；SOCD为土壤有机碳密度，kg/m2；为土层数目；SIC为第层土壤无机碳含量，g/kg；D为第层土壤容重，g/cm3；H为第层土层厚度，cm；为土壤盐分含量，g/kg；EC1:5为土水为1∶5的土壤浸提液电导率，mS/cm。基于土壤分层特征，研究集中在表层0～20 cm及中层>20～100 cm以及深层>100～200 cm进行土样分析。

采用Excel软件对数据进行整理和计算，SPSS19.0和SAS 9.2进行统计分析，Origin 2016绘制图形。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用年限土壤剖面碳分布及其变异性

不同土地利用年限土壤TC分布如图2所示。

由图2可得知，TC含量在0～200 cm剖面上总体而言随深度增加具有明显的增加趋势，而且TC随着土地利用年限的增加而不断增大，TC质量分数由荒地的12.18 g/kg到50 a的16.58 g/kg，在剖面上最高达到22.64 g/kg。SIC含量在各剖面均显著表现为上层少下层多的特征，随着土地利用年限的增加，表层0～20 cm SIC呈现增加-减少的趋势，在30 a时达到最大值7.10 g/kg；深层>100～ 200 cm土壤中各土壤剖面（除5 a）上SIC质量分数随着土壤深度的增加表现为逐渐增加的趋势，最大值为 20.96 g/kg。SOC在剖面上呈现与土壤无机碳大体相反的趋势，随深度增加而减少，其中最大值出现在表层为 9.51 g/kg，最小值出现在深层为1.46 g/kg，并且表层SOC随着土地利用年限的增加表现为逐渐增大的趋势。

图2 不同土地利用年限土壤碳含量分布

对剖面土壤碳含量进行变异性分析，如图3示。在剖面上，土壤碳含量的变异性在80～100 cm有明显的突变，即变异系数（coefficient of variation，CV）均减小40%以上，并且有机碳CV均值大于无机碳CV，表明有机碳的变异性要强于无机碳。在0～60 cm范围内SIC、SOC和TC都出现逐渐增大的趋势，SOC在40～60 cm深度时达到最大值51%；深度在80 cm以下CV迅速下降并且呈现“S”型变化趋势，整体数值小于35%，属于弱变异和中等强度变异（当CV<10%为弱变异，10%≤CV<100%时为中等变异，当CV≥100%时为强变异[20]），表明长期的农业土地开发利用显著影响0～80 cm土壤碳的剖面分布。近50 a来，随土地开发利用时间的增加，SIC和TC的CV变化趋势相同，而与SOC的CV变化趋势相反，即TC和SIC变异性呈现减小-增加的趋势，在15 a时TC的变异系数达到最小值12%，随后趋于增强，而有机碳则呈现增加-减小特征，在30 a时达到最大值74%，随后趋于减弱（图3 b）

Note： *，P<0.05; **，P<0.01; Same as below.

2.2 不同土地利用年限土壤无机碳与有机碳的关系

0～100 cm剖面上SIC/SOC比值各剖面大体均表现为随深度增加而增加的趋势，且增加幅度较小（图4 a）。随着土地利用年限的增加，SIC/SOC的比值在该区域剖面上逐渐减小，其中在1 a深度为80～100 cm时SIC/SOC值为3.78，大于50 a时相同深度为1.18，是后者的3倍以上；在>100～200 cm剖面上（除5 a），各剖面SIC/SOC均表现为增加趋势，并且随着土地利用年限的增加，增加趋势逐渐变大，其中50 a时140～160 cm土层的SIC/SOC值为11.94，几乎是荒地相同深度的SIC/SOC比3.16的4倍。对不同土地利用年限剖面上的SIC/SOC进行线性回归得到各土地利用年限拟合曲线（R在[0.73～0.90]之间，<0.05）的斜率，代表剖面比值的变化率。其斜率随土地年限的变化如图4b所示，随着土地利用年限增加，剖面SIC/SOC变化率在逐渐增大，从荒地的变化率0.028到50 a的0.088，增加2.14倍（<0.01），说明近50 a的农业土地开发利用进程中，随着农业土地利用时间的增加，无机碳比例增大，表明在干旱区长期的农业土地利用进程中非生物过程显著增强。

2.3 不同土地利用年限土壤碳密度变化

由表1所示，剖面上SICD随着深度增加而不断增大，主要集中>100～200 cm，并且随着土地利用年限的增加，无机碳密度逐渐增加，在深层>100～200 cm中，无机碳密度从土地利用1 a的19.09 kg/m2到50 a的38.37 kg/m2，增长幅度为107%（<0.05）；有机碳主要储存在0～100 cm的土壤表层和中层，在近50 a的研究范围中，有机碳密度在0～20 cm范围内从荒地的1.35 kg/m2到30 a的2.26 kg/m2，碳密度增加了0.91 kg/m2，在深层>100～ 200 cm有机碳密度明显下降。随着土地利用年限的增加，0～20 cm的总碳密度比例（碳密度比指各土层总碳密度与0～200 cm土层总碳密度之百分比）出现增加-减小的变化，到50 a达到最小值3.86%；与之相反，>100～ 200 cm的碳密度比例呈现减少-增加的趋势，并且始终大于56%，在50 a时达到了81.09%。

图4 土壤无机有机碳比值及其变化率随土地利用年限的变化

表1 不同土地利用年限各土层土壤无机碳密度（SICD）、有机碳密度（SOCD）和总碳密度比（TCD）

注：同列不同字母表明不同土地利用年限显著差异 (< 0.05)。

Note: Different letters show significant difference (<0.05) among land use years.

以荒地剖面碳密度为对照，由各土地利用年限碳密度减去荒地剖面碳密度即为土壤碳聚集量，如图5示。在>20～100 cm土壤碳聚集量出现先正后负的变化，在15 a时达到最大值7.21 kg/m2；在深层100～200 cm，碳聚集量表现为先负后正，从1 a的聚集量为-3.02 kg/m2逐渐增加到50 a的16.53 kg/m2，聚集量为1 a的6.5倍（<0.001）。剖面上的碳聚集量随年限增加而增大，从1 a的0.97 kg/m2到50 a的13.95 kg/m2，表现出明显的增加趋势（图5，<0.01）。通过0～200 cm土层不同时段碳聚积量的数值拟合，表明在40 a时碳聚集量达到最高水平14.89 kg/m2，属于典型的农业碳汇过程。

图5 不同土地利用年限下剖面碳聚集量变化

2.4 土壤碳含量与盐分的关系

随着土地利用年限的增加，盐分在各剖面呈现逐渐下降的趋势，含量均值到50 a时为1.58 g/kg，相比荒地减少了655%（0.001）。对各剖面盐分含量均值做拟合曲线得到指数方程，由此得到土地利用年限与盐分为明显的相关性，并且随着土地利用年限的增加，盐分减小的幅度不断降低（图6 a）。通过盐分与碳含量的线性拟合（图6b～图6d）得出，盐分与SIC和TC呈现显著的负相关的关系（<0.05），而与SOC无显著相关性（>0.05），说明土壤盐碱程度与SIC的含量有一定关系。

图6 不同土地利用年限的盐分含量及其与碳含量间的关系

3 讨 论

3.1 农业土地开发利用对剖面碳含量和碳储量的影响

耕作、施肥和灌溉是农业土地开发利用的主要方式，在一定程度上会影响碳储在层次上的聚积。在该研究50 a范围中，这3种方式在不断改变着土壤剖面碳的分布和碳储量：1）翻耕是新疆农田土地的重要管理措施，通过翻耕可以使表层土壤避免结块，增加有机碳的矿化速率[21]。在剖面0～60 cm范围内，SIC和SOC的变异系数均呈现不断增加的趋势，且在60～80 cm深度都达到了最大值，而在80 cm以下迅速降低至弱变异范围，变异系数减小达40%，这说明农业土地利用主要引起0～80 cm土壤的碳含量变异，这与农业耕作模式基本相同。2）施肥主要是通过提高农作物生物产量，增加植物残渣和根的输入以及影响土壤微生物的数量和活性，进而影响SOC的生物降解过程这2个方面引起SOC含量的变化[22]。在研究中，在各剖面SOC均表现为最大值出现在表层，并且随着土地利用年限增加而增大的趋势，这表明施肥增加了土壤中有机物的含量，进而通过耕作优化了土壤结构使其更好的形成土壤团聚体，而好的土壤结构会使得更多的SOC出现[23]。Li等[24]通过研究长期施肥对绿洲农田土壤SOC的影响也证实了这一结论。3）灌溉是干旱区盐碱土改良必不可少的手段，通过这一手段将土壤中的可溶性盐不断向下层输送。研究得到结论，在土地利用过程中土壤表层和部分中层SIC含量不断下降，而深层SIC含量逐渐增加（图2），其原因一方面是由于溶于水中的无机碳随重力向土壤深层运动并且不断积累，另一方面可能是由于灌溉水中含有大量的钠离子，而增加钠离子的含量会使得HCO3-和CO32-的活性不断增加[21]，因此土壤无机碳密度和土壤碳密度都随着土地利用年限的延长而不断增加（图5），这一结论和Wu等[25]的结论相同。

此外，土壤类型和作物种植类型的差异也会引起土壤碳密度的不同。陈冲等[13]对冲积平原区碳密度的研究中，证实了不同土壤类型的碳密度存在明显不同，并且Zhang等[26]认为土壤质地对土壤碳密度的影响也存在差异。另外，Zanatta等[27]通过对比不同作物类型对土壤有机碳密度变化的影响表明，不同作物的土壤有机碳密度变化有显著差异，这在Xu等[28]关于中国农田耕层土壤有机碳的研究中也得到了相同结论。然而，本研究中选取的是具有相同背景土壤类型的样地，并且研究区为集约化农业管理的新疆建设生产兵团，其农业作物类型为统一的集约化管理模式。因此，本研究工作的背景基础在时间上具有梯度性，并且由此量化的剖面土壤碳密度也具有可比性。

通过以上方式的综合作用，土壤剖面的碳储效应发生变化（图5）。Pan等[29]通过对江苏省表层有机碳储量的研究显示在1950—1970年表层有机碳储呈现下降趋势，是碳流失过程，而在之后表现出持续上升的趋势，即碳聚积过程；而在李晨华等[30]的研究中，通过对开垦前后碳储量的比较，在表层有机碳储减少了27%，而在20～250 cm储量却明显增加。这些差异产生的原因就在于研究选择年限和深度的不同，使碳源/汇作用的结果发生了改变。在近50 a的研究范围中，有机碳密度在0～ 20 cm范围内从荒地的1.35 kg/m2到30 a的2.26 kg/m2，碳密度增加了0.91 kg/m2，属于碳汇效应；而在50 a时相比于荒地表层有机碳密度却减少了0.03 kg/m2，是碳源效应。体现在深度上，50 a时0～100 cm的碳密度减少了2.44 kg/m2，是碳源效应，在100～200 cm范围内碳密度增加了16.52 kg/m2，属于碳汇效应。整体表现在0～200 cm剖面、50 a的时间序列内，土壤碳密度增加了13.95 kg/m2，以此换算，土壤剖面的碳储平均每年的增加量为280～974 g/(m2·a)，Baker等[31]的研究也说明了在评价土壤汇源效应时应考虑土壤深层或整个土层。显然，根据以上结论，在考虑足够深度和足够的时间序列时，干旱区长期的农业土地开发利用进程是一个明显的碳汇过程。

3.2 剖面SOC与SIC之间的关系

在该研究中，随着土壤深度的增加SIC含量呈现不断增大的趋势，而SOC含量的趋势与之相反，呈现不断减小的趋势（图2）。随着土壤剖面深度的增加，SIC/SOC不断增大，并且随着土地利用年限的增加，剖面比值的变化率也不断增大（图4），这表明随着剖面深度的增加和土地利用年限的增长，农业土地利用进程中土壤无机过程即土壤非生物作用在增强，而有机过程即生物过程则减弱[32]。由此，在剖面上SIC与SOC呈现负相关的关系，这与黄斌等[33]的结论相同。解怀亮等[34]通过研究灌溉淋溶对土壤无机碳和有机碳的分布影响，也得出了土壤有机碳和土壤无机碳呈显著负相关的结论。这一现象出现的原因可能是由于在耕作、灌溉等过程中大气中的CO2溶于水中使得土壤中CO2浓度和土壤含水率容易发生较大变化，土壤中SOC分解，而分解产生的一部分CO2溶于水生成重碳酸根，当与钙离子结合时最终转化成沉积型碳酸盐，这一过程形成土壤内部的“SOC—CO2— SIC”微碳循环系统[2]。但是也有一部分研究的结论与上述结论相反，Wang等[35]在新疆和甘肃关于农田土壤碳的研究表示土壤无机碳和有机碳呈现正相关的关系，这一点在Guo等[19]的结论中也得到了认可，而这一矛盾结果出现的原因可能是由于不同的气候条件和土壤性质使碳酸盐的形成发生逆向反应，从而影响了土壤碳的运输和累积过程。

3.3 盐分与土壤碳含量的关系

盐碱性是干旱区土地的普遍属性，在农业开发利用的过程中，通过灌溉控制土壤的盐分是保证农业可持续发展的必要手段。在研究中已得到结论，在整个剖面上，随着土地利用年限的增加，盐分的含量相对减少（图6 a，<0.05）。周丽等[36]通过对三工河流域不同土地利用历史的土壤盐分进行研究得到了相同的结论。另外在研究中通过对盐分与碳含量的拟合曲线（图6）得到盐分分别与TC和SIC之间呈现负相关的关系（< 0.05），而与SOC无明显相关性（>0.05），Zhao等[37]通过研究盐分对0～30 cm碳含量和储量的影响也得到了相同的结论，这一方面可能由于盐分含量降低对于SIC中主要成分CaCO3形成过程中的盐离子的抑制作用减小；另一方面，Setia 等[38]在研究中得到了盐分和有机物质的分解速率有着明显的负相关关系，这主要是由于盐分含量降低对土壤中的植物和微生物的呼吸、消化分解等过程的盐毒害作用减少，从而增加了土壤生物的活动，提高了土壤中有机物向无机物的转化过程，从而使SIC含量升高。但贡璐等[39]通过对塔里木盆地南缘典型绿洲SOC和SIC的环境因子进行冗余分析，得到了盐分与SIC呈现显著正相关，就这一现象目前没有明确的解释。但有研究表明[40]，干旱区土壤可能通过非生物作用固定大部分无机碳。与金雯晖等[41]通过研究0～30 cm土层得到的盐分与SOC负相关结论不同，本文得到盐分与SOC无显著相关性（>0.05），这一现象出现的可能是由于研究剖面深度不同，在0～200 cm的范围中，SOC在各层的主要影响因子都不相同，而综合反映在整个剖面上就表现为盐分与SOC无明显相关性。

4 结 论

1）在干旱区长期农业土地利用进程中，土壤碳含量随土地利用年限的延长而不断增加。土壤无机碳含量和有机碳含量随深度有着相反的变化趋势，最大值分别出现在深层的20.96 g/kg和表层的9.51 g/kg。

2）土壤碳含量的变异系数在剖面上有明显的分层现象，在0～60 cm土壤碳变异系数逐渐增大至中等强度变异，在80 cm以下迅速降低40%以上，并且呈现“S”型分布，表明干旱区人类活动对土壤碳分布影响效果显著，并且随土地利用时间的延长，无机碳的变异性趋于增强，而有机碳趋于减弱。

3）SIC/SOC随剖面深度不断增加，且随土地利用年限的延长，剖面SIC/SOC变化率从荒地的0.028到50 a的0.088（<0.01），说明干旱区SIC的比例随深度和年限逐渐加大，无机作用即非生物作用随年限逐渐增强。

4）在干旱区近50 a农业土地开发利用进程中，剖面土壤碳储显著增加，土壤无机碳储和有机碳储主要分别集中在>100～200和0～100 cm，但在层次上不同时段的碳源/汇特征却不同，因此不能分割层次间和时间尺度上的碳储效应。

从碳循环角度来看，干旱区长期的农业土地利用过程为明显的碳汇过程，但是短期的农业土地利用（小于5 a）过程却没有显著的碳汇效应，因此短时间内大面积的农业土地开发并不是增加农业碳汇的最好措施。建议控制农业土地开发面积以及避免选择在长期农业土地上进行退耕还林，以期能够在此研究基础上，进一步增大研究的时间尺度，为干旱区农业碳汇提供指导。

[1] Reichstein M, Bahn M, Ciais P, et al. Climate extremes and the carbon cycle[J]. Nature, 2013, 500: 287－295.

[2] 潘根兴. 中国干旱性地区土壤发生性碳酸盐及其在陆地系统碳转移上的意义[J]. 南京农业大学学报，1999，22(1)：51－57. Pan Genxing. Pedogenic carbonates in aridic soils of China and the significance in terrestrial carbon transfer[J]. Journal of Nanjing Agricultural University, 1999, 22(1): 51－57. (in Chinese with English abstract)

[3] Lal R S. Carbon sequestration impacts on global climate exchange and food security[J]. Science, 2004, 304(5677): 1623－1627.

[4] Lal R. World cropland soils as a source or sink for atmospheric carbon[J]. Advances in Agronomy, 2001, 71: 145－191.

[5] Conti G, Pérez-Harguindeguy N, Quètier F, et al. Large changes in carbon storage under different land-use regimes in subtropical seasonally dry forests of southern South America[J]. Agriculture Ecosystems & Environment, 2014, 197: 68－76.

[6] Shevliakova E, Pacala S W, Malyshev S, et al. Carbon cycling under 300 years of land use change: Importance of the secondary vegetation sink[J]. Global Biogeochemical Cycles, 2009, 23(2): 91－100.

[7] Wang Yugang, Li Yan, Ye Xuehua, et al. Profile storage of organic/inorganic carbon in soil: From forest to desert[J]. Science of the Total Environment, 2010, 408(8): 1925－1931.

[8] 张新厚，范志平，孙学凯，等. 半干旱区土地利用方式变化对生态系统碳储量的影响[J]. 生态学杂志，2009，28(12)：2424－2430. Zhang Xinhou, Fan Zhiping, Sun Xuekai, et al. Effects of land use change on ecosystem carbon stock in semi-arid region[J]. Chinese Journal of Ecology, 2009, 28(12): 2424－2430. (in Chinese with English abstract)

[9] Wang Yugang, Wang Zhongyuan, Li Yan. Storage/turnover rate of inorganic carbon and its dissolvable part in the profile of saline/alkaline soils[J]. Plos One, 2013, 8(11): e82029.

[10] Novelli L E, Caviglia O P, Piñeiro G. Increased cropping intensity improves crop residue inputs to the soil and aggregate- associated soil organic carbon stocks[J]. Soil & Tillage Research, 2017, 165: 128－136.

[11] 李晨华，唐立松. 长期施肥对绿洲农田土壤剖面有机碳及其组分的影响[J]. 干旱区地理，2013，36(4)：637－644. Li Chenhua, Tang Lisong. Long-term effect of fertilization application on soil organic carbon and its fractions in soil profiles of an oasis farmland[J]. Arid Land Geography, 2013, 36(4): 637－644. (in Chinese with English abstract)

[12] 张明园，魏燕华，孔凡磊，等. 耕作方式对华北农田土壤有机碳储量及温室气体排放的影响[J]. 农业工程学报，2012，28(6)：203－209. Zhang Mingyuan, Wei Yanhua, Kong Fanlei, et al. Effects of tillage practices on soil carbon storage and greenhouse gas emission of farmland in North China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(6): 203－209. (in Chinese with English abstract)

[13] 陈冲，胡克林，张玲娥，等. 冲积平原区土壤碳密度估算及其空间分布[J]. 农业工程学报，2014，30(7)：64－71. Chen Chong, Hu Kelin, Zhang Ling′e, et al. Estimation and spatial distribution of soil organic carbon density in alluvial plain area[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(7): 64－71. (in Chinese with English abstract)

[14] Li Chaofan, Zhang Chi, Luo Geping, et al. Carbon stock and its responses to climate change in Central Asia[J]. Global Change Biology, 2015, 21: 1951－1967.

[15] 周宏飞，吴波，王玉刚，等. 新疆生产建设兵团农垦生态建设的成就、问题及对策刍议[J]. 中国科学院院刊，2017，22(1)：55－63. Zhou Hongfei, Wu Bo, Wang Yugang, et al. Ecological achievement of Xinjiang production and construction corps and its problems and countermeasures[J]. Bulletin of Chinese Academy of Sciences, 2017, 22(1): 55－63. (in Chinese with English abstract)

[16] 鲁如坤. 土壤农业化学分析方法[M]. 北京：中国农业科技出版社，1999：1－324.

[17] 王玉刚，郑新军，李彦. 干旱区不同景观单元土壤盐分的变化特征[J]. 生态学杂志，2009，28(11)：2293－2298. Wang Yugang, Zheng Xinjun, Li Yan. Change characteristics of soil salt content in different landscape units in arid region [J]. Chinese Journal of Ecology, 2009, 28(11): 2293－2298. (in Chinese with English abstract)

[18] Wang Yuhui, Zhou Gangsheng, Jia Bingrui. Modeling SOC and NPP responses of meadow steppe to different grazing intensities in Northeast China[J]. Ecological Modelling, 2008, 217(1/2): 72－78.

[19] Guo Yang, Wang Xiujun, Li Xianglan, et al. Dynamics of soil organic and inorganic carbon in the cropland of upper Yellow River Delta, China[J]. Scientific Reports, 2016, 6: 36105.

[20] 胡伟，邵明安，王全九. 黄土高原退耕坡地土壤水分空间变异的尺度性研究[J]. 农业工程学报，2005，21(8)：11－16. Hu Wei, Shao Mingan, Wang Quanjiu. Scale-dependency of spatial variability of soil moisture on a degraded slope-land on the Loess Plateau[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2005, 21(8): 11－16. (in Chinese with English abstract)

[21] Wong V N L, Greene R S B, Dalal R C, et al. Soil carbon dynamics in saline and sodic soils: A review[J]. Soil Use & Management, 2010, 26(1): 2－11.

[22] 张煜，张琳，吴文良，等. 内蒙农牧交错带地区土地利用方式和施肥对土壤碳库的影响[J]. 土壤学报，2016，53(4)：930－941. Zhang Yu, Zhang Lin, Wu Wenliang, et al. Impact of land use and fertilization measures on soil C stock in farming- grazing interlacing zone of Inner Mongolia[J]. Acta Pedologica Sinica, 2016, 53(4): 930－941. (in Chinese with English abstract)

[23] 孙志强，王宗胜，鲍国军，等. 施肥对黄土高原旱地冬小麦根系生长的影响[J]. 水土保持研究，2003，10(1)：141－143. Sun Zhiqiang, Wang Zongsheng, Bao Guojun, et al. Effect of fertilization on the growth of winter wheat roots in dryland in Loses Plateau[J]. Research of Soil & Water Conservation, 2003, 10(1): 141－143. (in Chinese with English abstract)

[24] Li Chenhua, Li Yan, Tang Lisong. The effects of long-term fertilization on the accumulation of organic carbon in the deep soil profile of an oasis farmland[J]. Plant and Soil, 2013, 369(1): 645－656.

[25] Wu Habing, Guo Zhengtang, Gao Qiong, et al. Distribution of soil inorganic carbon storage and its changes due to agricultural land use activity in China[J]. Agriculture Ecosystems & Environment, 2009, 129(4): 413－421.

[26] Zhang Shiwen, Huang Yanfang, Shen Chongyang, et al. Spatial prediction of soil organic matter using terrain indices and categorical variables as auxiliary information[J]. Geoderma, 2012, 171: 35－43.

[27] Zanatta J A, Bayer C, Dieckow J, et al. Soil organic carbon accumulation and carbon costs related to tillage, cropping systems and nitrogen fertilization in a subtropical Acrisol[J]. Soil & Tillage Research, 2007, 94(2): 510－519.

[28] Xu Xinwang, Pan Genxing, Wang Yanlin, et al. Research of changing characteristics and control factors of farmland topsoil organic carbon in China[J]. Journal of Natural Resources, 2009, 28(1): 92－95.

[29] Pan Genxing, Li Lianqing, Zhang Qi, et al. Organic carbon stock in topsoil of Jiangsu Province, China, and the recent trend of carbon sequestration[J]. Journal of Environmental Sciences, 2005, 17(1): 1－7.

[30] 李晨华，李彦，唐立松，等. 盐化灰漠土开垦前后碳存贮与碳释放的分层特征[J]. 干旱区研究，2010，27(3)：385－391. Li Chenhua, Li Yan, Tang Lisong, et al. Layered characters of organic carbon storage and release in salinized gray desert soil before and after reclamation[J]. Arid Zone Research, 2010, 27(3): 385－391. (in Chinese with English abstract)

[31] Baker J M, Ochsner T E, Venterea R T, et al. Tillage and soil carbon sequestration: What do we really know?[J]. Agriculture Ecosystems & Environment, 2007, 118(1/2/34): 1－5.

[32] Monger H C, Gallegos R A. Biotic and Abiotic Processes and Rates of Pedogenic Carbonate Accumulation in the Southwestern United States—Relationship to Atmospheric CO2Sequestration[M]//Global Climate Change and Pedogenic Carbonates. New York: Lewis Publishers, 2000: 273－289.

[33] 黄斌，王敬国，金红岩，等. 长期施肥对我国北方潮土碳储量的影响[J]. 农业环境科学学报，2006，25(1)：161－164. Huang Bin, Wang Jingguo, Jin Hongyan, et al. Effects of long-term application fertilizer on carbon storage in calcareous meadow soil[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2006, 25(1):161－164. (in Chinese with English abstract)

[34] 解怀亮，王玉刚，李彦，等. 灌溉淋溶对土壤有机碳和无机碳及理化性质的影响[J]. 水土保持学报，2014，28(4)：188－193. Xie Huailiang, Wang Yugang, Li Yan, et al. Impact of irrigation process on soil organic/inorganic carbon and physicochemical properties[J]. Journal of Soil & Water Conservation, 2014, 28(4): 188－193. (in Chinese with English abstract)

[35] Wang Xiujun, Xu Minggang, Wang Jiaping, et al. Fertilization enhancing carbon sequestration as carbonate in arid cropland: Assessments of long-term experiments in northern China[J]. Plant and Soil, 2014, 380(1): 89－100.

[36] 周丽，王玉刚，李彦，等. 盐碱荒地土地利用年限对表层土壤盐分的影响[J]. 干旱区地理，2013，36(2)：285－291. Zhou Li, Wang Yugang, Li Yan, et al. Effects of cultivation on soil salinity in upper soil profiles of the saline-alkali land [J]. Arid Land Geography, 2013, 36(2): 285－291. (in Chinese with English abstract)

[37] Zhao Qingqing, Bai Junhong, Lu Qiongqiong, et al. Effects of salinity on dynamics of soil carbon in degraded coastal wetlands: Implications on wetland restoration[J]. Physics & Chemistry of the Earth Parts A/b/c, 2016: 1－7. http://dx.doi.org/10.1016/j.pce.2016.08.008

[38] Setia R, Marschner P, Baldock J, et al. Salinity effects on carbon mineralization in soils of varying texture[J]. Soil Biology & Biochemistry, 2011, 43(9): 1908－1916.

[39] 贡璐，朱美玲，刘曾媛，等. 塔里木盆地南缘典型绿洲土壤有机碳、无机碳与环境因子的相关性[J]. 环境科学，2016，37(4)：1516－1522. Gong Lu, Zhu Meiling, Liu Zengyuan, et al. Correlation among soil organic carbon, soil inorganic carbon and the environmental factors in a typical oasis in the southern edge of the Tarim Basin[J]. Environmental Science, 2016, 37(4): 1516－1522. (in Chinese with English abstract)

[40] Xie Jingxia, Li Yan, Zhai Cuixia, et al. CO2absorption by alkaline soils and its implication to the global carbon cycle[J]. Environmental Geology, 2009, 56(5):953－961.

[41] 金雯晖，杨劲松，王相平. 滩涂土壤有机碳空间分布与围垦年限相关性分析[J]. 农业工程学报，2013，29(5)：89－94. Jin Wenhui, Yang Jingsong, Wang Xiangping. Spatial distribution of organic carbon in coastal saline soil and its correlation with reclamation age[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(5): 89－94. (in Chinese with English abstract)

雒 琼，王玉刚，邓彩云，牛子儒，李 彦. 不同农业土地利用年限干旱区土壤剖面碳存储动态变化[J]. 农业工程学报，2017，33(19)：287－294. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.19.037 http://www.tcsae.org

Luo Qiong, Wang Yugang, Deng Caiyun, Niu Ziru, Li Yan. Dynamics of soil carbon storage under different land use years in arid agriculture[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(19): 287－294. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.19.037 http://www.tcsae.org

Dynamics of soil carbon storage under different land use years in arid agriculture

Luo Qiong1,2,3, Wang Yugang1,2※, Deng Caiyun1,2,3, Niu Ziru1,2,3, Li Yan1,2

(1.830011,;2.831505,;3.100049,)

The impact of agricultural land use on soil carbon storage is one of the international scientific focuses in climate-change mitigation. Aimed to understand the effect of agricultural land development and utilization on soil carbon storage, a study was conducted in different period of farmland at the Fubei Farm of Sangong River Basin in Xinjiang, northwest of China (87°49¢-88°16¢E, 43°50¢-44°22¢N). The agricultural lands were selected within different land use years such as 1, 5, 15, 30 and 50 a in the studied area, and the wasteland with little disturbance was selected as a reference land in the same soil type and near position of cropland. Soil samples from these sites were obtained by handy soil auger at 20 cm intervals in a depth of 200 cm and analyzed in the laboratory. Samples were air-dried and crushed to pass through a 2-mm mesh. The patterns of soil carbon storage and its dynamic change were analyzed and compared with the depth of 0-200 cm in recent 50 years, including soil organic carbon, soil inorganic carbon and soil salinity. The results revealed the following: 1) Soil carbon content generally increased with land use years. Soil inorganic carbon content changed by soil depth, with a maximum value of 20.96 g/kg at 180-200 cm. Soil organic carbon presented an opposite trend with the maximum value of 9.51 g/kg at 0-20 cm; 2) In the soil profile, The coefficients of variation of soil carbon content (including organic carbon and inorganic carbon) was gradually increased to moderate intensity variation in 0-80 cm, and then rapidly reduced by more than 40% underneath 80 cm, indicating that the long-term agricultural land development and utilization in arid area had a significant impact on the distribution of soil carbon at 0-80 cm. The variability of soil inorganic carbon and soil total carbon tended to be enhanced with the land use years, while the organic carbon tended to weaken in recent 50 years; 3) The ratio of SIC to SOC increased with the depths of soil layer, and it changed from 0.028 in wasteland to 0.08 in 50 years of cropland (<0.01). It suggested that the proportion of soil inorganic carbon increased with soil depth and land use years, indicating the role of soil inorganic carbon was enhanced in the long-term agricultural land use process in arid area; 4) During the development and utilization of agricultural land in the past 50 years, the soil carbon storage increased significantly at 0-200 cm depth of soil profile, which was a typical process of carbon sequestration in the studied area. The increased soil inorganic carbon storage and organic carbon storage were mainly showed in 100-200 cm and 0-100 cm respectively. But the amounts of carbon source/sink were different in the soil layer and land use years; 5) Soil salinity showed a decreasing trend along with land use years. Compared to value in wasteland, soil salinity decreased by 655% in land use of 50 a (<0.001). The linear fitting of salinity and carbon content showed that there was a significant negative correlation between salinity and soil inorganic carbon and total carbon (<0.10), while no significant correlation with the soil organic carbon (>0.05). The results showed that the agricultural use leads to an obvious C sink in the soil only in the long term.

land use; soils; organic carbon; inorganic carbon; carbon accumulation; variation

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.19.037

S153.6

A

1002-6819(2017)-19-0287-08

2017-03-23

2017-08-10

新疆自治区杰出青年科技创新人才培养项目（2014711009）；国家自然科学基金项目（41371200、41671114）；西部之光项目（2015-XBQN- A-06）。

雒 琼，新疆乌鲁木齐人，主要从事土壤生态研究。 Email：luoqiong15@mails.ucas.ac.cn。

※通信作者：王玉刚，新疆石河子人，副研究员，博士，主要从事干旱区景观地理与土壤碳循环方面研究。Email：wangyg@ms.xjb.ac.cn。