3种不同农作方式对土壤轻组有机碳的影响

2020-02-25王卫霞阿丽娅阿力木王振锡

西南农业学报 2020年11期

王卫霞，杨光，阿丽娅·阿力木，王振锡

(新疆农业大学林学与园艺学院/新疆教育厅干旱区林业生态与产业技术重点实验室，新疆乌鲁木齐 830052)

【研究意义】土壤有机碳是反映土壤质量和健康的关键因素[1-2]，对土壤肥力和土壤生产力起着重要的作用，可以作为评价土壤潜在肥力的一个重要指标。土地利用方式的改变对土壤有机碳的储存和动态变化具有重要的影响[3-4]，国外研究学者Christensen认为研究有机碳不同组分的变化，有利于揭示土地利用变化对土壤有机碳的影响机制[5]。利用密度分组技术可以将土壤有机碳分成轻组有机碳(Light fraction organic carbon, LFOC) 和重组有机碳(Heavy fraction organic carbon, HFOC)，轻组有机碳虽然只占土壤质量的很小一部分，但是轻组有机碳含量一般都显著高于全土有机碳含量[6-7]，同时轻组有机碳分解率高，周转周期短，在碳循环中起显著作用，具有很强的生物活性，是土壤养分的重要来源[8-11]。重组有机碳是与轻组有机碳相对的一种稳定有机碳类型，主要吸附在矿物表面或隐藏在土壤微团聚体内部，受土地利用方式变化的影响较小，但是重组有机碳在一定程度上反映了土壤长期积累和保持有机碳的能力[11-15]。因此，研究土壤轻组有机碳有利于探索土壤有机碳组分的周转过程，而对土壤重组有机碳的研究则对认识土壤碳汇功能具有重要意义。【前人研究进展】土地利用变化对不同有机碳组分的影响不同[16]，有研究表明原状草地变为农田后，土壤中的轻组有机碳含量表现为降低[17]，而农田改造为林地后使土壤轻组有机碳含量明显增加[18]，雷利国等[4]研究表明，林地转变为坡耕地后，土壤中轻组有机碳含量显著降低，但转变为果园后降低不显著。【本研究切入点】不同土地利用类型和管理措施会影响土壤有机碳在密度组分中的分配[19]。近年来，随着新疆特色林果产业的发展，在农业产业结构调整的过程中，多数农田被更替为果园亦或果农间作，这种土地利用方式巨大的变化无疑会对土壤有机碳组分产生一定的影响，但目前这些影响还不是很清楚。【拟解决的关键问题】本文在新疆阿克苏地区选择小麦地、枣园及枣麦间作园三种不同农作方式作为研究对象，分析不同农作方式对土壤轻组、重组有机碳的影响，旨在为增强土壤的固碳能力提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究野外调查研究区位于新疆维吾尔自治区阿克苏地区温宿县克孜勒镇。温宿县位于阿克苏地区西北部，东与拜城、新和两县交界，南和阿克苏市毗邻。地处79°28′～81°30′ E，40°52′～42°21′ N之间。属于典型的大陆性暖温带干旱气候，四季分明，昼夜温差大，春季升温快而不稳，秋季短暂而降温迅速，多晴少雨，光照充足。年均气温10.10 ℃，年均降水量65.4 mm，年均无霜期185 d。

1.2 研究方法

1.2.1 样地布设与土壤样品的采集 2018年7-8月，采用典型样方法在阿克苏地区温宿县克孜勒镇设置样方进行调查。依据温宿县林业局和克孜勒镇林管站历史记载数据及走访调查结果，选取小麦地、枣园、枣麦间作园3种不同农作方式为研究对象，其中枣园和枣麦间作园均为农田改建后形成的枣园，枣树年龄均为15年左右，以小麦地作为对照样地。

每种样地各选择3个作为试验的重复。在枣园的每个果园内选择6株具有代表性的枣树，在树冠投影面距树干1 m处布设采样点；在枣麦间作的每个间作园内选择6株具有代表性的枣树，在树冠投影面距树干1 m处布设采样点，在间作的农作物行，以“S”形布点；在果园旁边选取具有常规管理模式的3块小麦地，以“S”形布点。在每个采样点内均按照0～10、10～20、20～30、30～40、40～60、60～80、80～100 cm进行采样，并把同一个试验样地内不同采样点上采集的土壤样品按照相同层次分别进行混合后作为处理的一个重复备用。采用环刀法测定土壤容重。将采集的土壤样品带回室内自然风干，研磨后过筛，放入密封塑料袋中待测定。

1.2.2 测定指标与方法土壤总有机碳含量的测定采用重铬酸钾-外加热法测定[20]。土壤轻组有机碳和重组有机碳含量的测定采用土壤密度分组方法[8, 21-23]，轻组有机碳含量(g/kg soil) = 轻组物质中土壤有机碳(g/kg LF) × (轻组物质占土壤的质量分数) (g/kg soil)；重组有机碳含量为原土壤有机碳含量减去轻组有机碳含量的差值求得。轻组有机碳分配比例(%) = 轻组有机碳含量/土壤总有机碳含量 × 100 %；轻组有机碳储量根据土壤轻组有机碳含量、土壤容重和土壤深度计算得出。

1.2.3 统计分析采用SPSS21.0软件对实验数据进行统计分析，不同土地利用方式之间及不同土层之间的土壤总有机碳、轻组有机碳含量差异显著性采用一元方差及LSD多重比较进行分析。采用SigmaPlot10.0 软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用方式下土壤各组分有机碳含量的分布特征

从表1可知，不同土地利用方式下，土壤总有机碳、轻组有机碳含量总体上均表现为随土壤深度的增加呈下降的趋势，相关性分析也表明，两者之间呈显著性正相关(图1，R2= 0.76，P< 0.0001)。其中0～10、10～20 cm土层总有机碳和轻组有机碳含量均显著高于20 cm以下土层(P< 0.05)，在小麦、枣园及枣麦间作园土壤中，20 cm以下土层土壤轻组有机碳含量分别比表层土壤下降了73.41 %、65.78 %和78.44 %，总有机碳含量分别比表层土壤下降了45.71 %、50.37 %和61.66 %，说明随着土层深度的增加，轻组有机碳比总有机碳在土壤剖面变化更为剧烈，且农田总有机碳和轻组有机碳主要富集在0～20 cm土层，果园和果农间作园则主要富集在0～30 cm土层。重组有机碳含量在土层中的分布同样是随着土壤深度的增加而降低，但其下降幅度小于轻组有机碳，也小于总有机碳在不同土层的下降幅度。

表1 土壤有机碳及其在不同土壤组分中的分布特征

比较同一土层不同土地利用方式下土壤轻组有机碳含量可以看出，不同土地利用方式下土壤轻组有机碳含量在0～10、10～20和20～30 cm土层中均存在显著差异(P< 0.05)，在各土层中均为枣园最高，农田均为最低。在0～100 cm土壤深度内，土壤轻组有机碳的平均含量为枣园(1.10 g/kg)>枣麦间作(0.82 g/kg)>小麦(0.75 g/kg)；方差分析结果表明，农田转变为果园或果农间作后，土壤中轻组有机碳含量显著增加了46.12 %和9.45 %。不同土地利用方式下，土壤重组有机碳含量的差异主要表现在0～30和80～100 cm土层。在0～10及10～20 cm土层，各土地利用方式下土壤重组有机碳含量为枣麦间作>枣园>小麦；其余土层表现为枣园>枣麦间作>小麦。

2.2 不同土地利用方式下土壤轻组、重组有机碳分配比例

从表2可以看出，在0～100 cm土层土壤轻组有机碳分配比例农田为14.18 %～29.37 %，果园为5.93 %～20.94 %，果农间作园为6.94 %～18.13 %。不同土地利用方式下土壤轻组有机碳分配比例沿土壤剖面的垂直分布有所差异。小麦、枣园及枣麦间作园土壤轻组有机碳分配比例随着土壤深度的增加基本呈下降趋势。在0～100 cm土壤深度内，不同土地利用方式下土壤轻组有机碳分配比例平均值为小麦(16.65 %)>枣园(14.88 %)>枣麦间作(11.24 %)。农田转变为果园或果农间作后，轻组有机碳分配比例分别降低了10.61 %和32.46 %。不同土地利用方式下土壤重组有机碳分配比例随土壤深度的增加呈逐渐增加的趋势。结合表1～2 可以看出，对干旱荒漠绿洲区果园或果农间作园土壤总有机碳的积累来说，重组有机碳的作用大于轻组有机碳。通过表1～2和图1也可以看出，在0～40 cm土层，轻组有机碳及重组有机碳增加均是总有机碳积累的重要来源，但随着土壤深度的增加，轻组有机碳的作用逐渐减弱。

图1 土壤轻组有机碳与总有机碳的关系Fig.1 Relationship between the LFOC and the SOC

表2 不同土地利用下土壤轻组、重组有机碳分配比例

2.3 不同土地利用方式下土壤轻组有机碳储量

通过公式估算出各土层土壤轻组有机碳储量如图2。不同土地利用方式下0～40 cm土层土壤轻组有机碳储量大于40～100 cm土层，0～40 cm土层范围内，土壤轻组有机碳储量表现为随土壤深度的增加而减少，40～100 cm土层土壤轻组有机碳储量无显著差异(P>0.05)。除60～80和80～100 cm土层外，其它各土层中均为枣园土壤轻组有机碳储量最高。在1 m土壤深度内，土壤轻组有机碳总储量为枣园(12.56 t/hm2)>小麦(10.04 t/hm2)>枣麦间作(9.55 t/hm2)；农田转变为果园后，土壤中轻组有机碳储量增加了25.10 %，而农田转变为果农间作园后，土壤轻组有机碳储量则下降了4.88 %。

图2 土地利用变化对土壤轻组有机碳储量的影响Fig.2 Effect of land use change on soil storage of LFOC

3 讨论

利用密度分组方法进行土壤有机碳分离时，可以根据有机碳稳定性的差异把土壤有机碳分为轻组有机碳和重组有机碳。轻组有机碳主要由处于不同分解阶段的植物残体组成[24-25]，国外已有研究者通过改变凋落物输入数量研究证实了地上凋落物和地下根系是土壤轻组有机碳的主要来源物质[26]，而国内研究学者杨玉盛等[27]也证实了活细根生物量的分布变化可以解释不同土层土壤轻组有机碳含量和储量变化的80 %。轻组有机碳的性质、数量和组成，反映了土壤中动植物残体物质的投入、固持与分解之间的平衡程度与水平，其含量和分布的差异与其凋落物和枯死细根归还量密切相关[21]。重组有机碳是轻组有机碳彻底分解后残留的亦或重新进行合成的有机物质，存在于有机-无机复合体中[11]，其含量反映了有机碳的长期含量水平。本研究中，农田改建为果园或果农间作后，土壤总有机碳、轻组有机碳及重组有机碳含量总体上均表现为随土壤深度的增加呈下降的趋势，这主要与不同土层中土壤中植物根系的分布、细根生物量及凋落物输入的数量、质量密切相关[21, 28]。不同土地利用方式下，土壤中各组分有机碳含量尽管随土层深度加深而减少的趋势一致[2, 21, 28-31]，但不同组分有机碳含量随土壤深度的增加而下降的幅度是不同的，本研究中，小麦、枣园及枣麦间作园中，20 cm以下土层土壤轻组有机碳含量分别比表层土壤下降了73.41 %、65.78 %和78.44 %，总有机碳含量分别下降了45.71 %、50.37 %和61.66 %，说明随着土层深度的增加，轻组有机碳比总有机碳在土壤剖面变化更为剧烈。但是随土壤深度的增加，细根生物量和微生物数量逐渐越少，土地利用方式的变化对轻组有机碳含量的影响程度也逐渐下降。在40 cm深度以下土壤轻组有机碳含量逐渐趋于稳定，土地利用方式对轻组有机碳含量基本没有影响，这和谢锦升等[30]研究结果一致。

轻组有机碳含量容易受植被类型、土地利用方式的变化、凋落物类型及其分解速率的影响[32]，尤其耕作能减少轻组有机碳含量[33]。本文研究发现在0～100 cm土壤深度内，土壤轻组有机碳的平均含量枣园最高，枣麦间作园次之，农田最低。有研究表明与传统小麦-玉米农田土壤相比较，果园土壤轻组有机碳含量提高了136.4 %[34]。Conteh等[35]的研究也发现天然植被土壤中轻组有机碳含量比耕作土壤中高，主要是由于轻组有机碳含量的变化与土壤团聚体密切相关，而耕作减少了土壤团聚体的稳定性进而改变轻组有机碳的含量及分配比例。本文中枣园和枣麦间作园的有机碳输入量比农田小麦地大，这可能会改变土壤总有机碳的含量，这些变化同时也会进一步影响土壤轻组有机碳的含量及分配比例[36]。由于不同土壤深度根系分布、细根生物量及相关土壤性质的差异，使得土壤轻组有机碳分配比例在土壤剖面上表现出不同的层次性。本研究中不同土地利用方式下土壤轻组有机碳分配比例随土壤深度的加深基本呈下降的趋势，这和Spycher等[24]、吴建国等[33]研究结果基本一致。重组有机碳分配比例则随土层加深表现出上升的趋势，这是由于随着土壤深度的增加轻组有机碳越来越少。本研究还发现农田改建为果园或果农间作园后使轻组有机碳含量增加，但是轻组有机碳的分配比例却在减少，重组有机碳的分配比例增加。这可能因为果园和果农间作园中的凋落物输入量比农田高，导致轻组有机碳含量和总有机碳含量的增加，而农田由于耕作可能导致土壤团聚体破坏使轻组有机碳部分减少[37]，这样使其比例部分增加。吴建国等[33]的研究也发现天然次生林变成农田或草地使土壤轻组有机碳含量降低，但是轻组有机碳的比例却增加。

土地利用方式的变化对土壤轻组有机碳含量和储量均有一定的影响，毛艳玲等[38]研究认为，林地转变为农田后土壤轻组有机碳储量损失高达90 %，而在本研究中农田转变为枣园后，土壤轻组有机碳储量增加了25.10 %，农田转变为枣麦间作园后，土壤轻组有机碳储量则下降了4.88 %。这可能和农地的常规耕作有关，耕作通过机械粉碎植物残余物并与土壤结合，破坏了土壤团聚体结构，释放出物理保护的有机物质，温度和通气性的增加加快了土壤有机质的分解，从而导致土壤有机碳的损失。