商丘市区不同土地利用方式对土壤有机碳含量的影响

2020-05-12文孝丽朱新玉

商丘师范学院学报 2020年6期

文孝丽，朱新玉

(商丘师范学院测绘与规划学院，河南商丘 476000)

土壤有机碳(SOC)是土壤固相部分的重要组成成分，是一种稳定而长效的碳源物质，是土壤氮、磷最重要的营养库.SOC经矿质化过程释放大量的营养元素为植物生长提供养分，对土壤物理、化学、生物特征的变化起着重要作用.土壤可溶性有机碳(DOC)在土壤全碳含量中所占的比例很小，但却是土壤有机质中最为重要和活跃的部分[1]，在土壤中移动较快、不稳定、易于氧化分解，是SOC中最易被植物和微生物利用的部分[2]，在土壤生态系统碳循环过程中具有重要作用.

土地利用方式是影响农田土壤养分含量的重要因素之一，不同的土地利用方式改变着土壤原有的物质循环过程，故土地利用方式的变化会对陆地生态系统碳循环及储量的变化有着重要的影响.SOC、DOC作为土壤中最活跃的组分，对土地利用方式变化的响应较其它土壤因子更为迅速和敏感[1].土地利用方式的变化不仅直接改变土壤有机质的含量和分布，而且还通过影响土壤有机质的形成和转化因子来改变土壤有机质的含量与分布[3].

目前，国内外的研究中，主要关注了SOC和DOC在荒地、林地、农田等不同生态系统土壤中的积累过程、分解、转化及其影响机理等[1].研究认为在陆地生态系统碳循环过程中，作为易被微生物利用的重要碳源，SOC、DOC主要来源于腐殖化的有机质，其在土壤中的积累与土壤中的微生物活性密切相关[1].近年来，国内对SOC、DOC展开了较多研究，但主要集中在森林和农田生态系统中，关于不同土地利用方式对SOC、DOC含量的影响研究仍不是很全面.鉴于此，为探讨不同土地利用方式对SOC和DOC含量的影响，本研究以商丘市区为研究对象，通过野外实地采样及实验室分析，研究不同土地利用方式下SOC、DOC的含量及其变化，探讨SOC及DOC对当地几种主要土地利用方式的响应及其两者之间的关系，为合理开发和利用商丘市区土地资源提供理论依据.

1 研究区域及研究方法

1.1 研究区域概况

研究地点为位于河南省东部的商丘市(114°49′～116°39′ E，33°44′～34°52′ N)，全市总面积为10704 km2，约占河南省总面积的6.4 %，东西横跨168 km，南北纵贯128 km.商丘属淮河流域，河流大多呈西北东南流向，大致平行相间分布，多属季节性雨源型，地势基本平坦，由西北向东南微倾.该地气候属暖温带半温润大陆性季风气候，四季分明，雨热同期，夏季降水量最多，冬季降水量最少.年平均气温14.2 ℃，一般最高温度39 ℃，一般最低温度零下9 ℃.年平均降水量623 mm，年平均日照时数1944 h，无霜期约211 d.该区土壤耕层较厚，以潮土、石灰性砂姜黑土、盐土和碱土等土壤类型为主，土壤肥沃[4].

1.2 研究方法

1.2.1 样本采集

土壤样品采自商丘市区，共选择林地、农田、荒地三种土地利用方式，其中林地为暖温带落叶阔叶林，主要树种是杨树；农田为玉米地；荒地为弃耕多年的土地，地面植被为生长旺盛的杂草，无灌木和乔木.林地和荒地无人为活动的管理和干扰.每种土地利用方式选择3个样地(分别选择中、西、南三个不同的方位)，每个样地设置3个采样点，利用挖剖面取样法在各采样点分层取0-10 cm、10-20 cm的土样.土样采好后，马上带回实验室，除去其中砾石、植物根系和一些可见的动物残体，将土壤风干研磨后过孔径0.15 mm的筛.

1.2.2 测定方法

土壤有机碳的测定：采用高温外热重铬酸钾氧化-容量法[5]，首先称取0.5 g土样，加入10 ml浓度为1 mol/L的(1/6 K2Cr2O7)溶液，再加入20 ml浓H2SO4，使其混合均匀，冷却后加入邻菲罗啉指示剂，用浓度为0.5 mol/L的FeSO4标准溶液滴定，直至溶液颜色变成砖红色.

土壤可溶性有机碳的测定：首先将5 g干土与蒸馏水混合摇匀(土水比例为1∶5)，在温度为25 ℃的状态下，使用震荡机振荡1 h(速度为250 r/min)，然后在转速为15000 r/min离心10 min，然后使用0.45 μm的滤膜过滤上部悬浮液，最后用高温外热重铬酸钾氧化法测定滤液[6].

土壤容重测定：采用环刀法[6]，环刀容积为100 cm3，将所采土样放烘箱烘干，环刀内干土重(g)=环刀与干土重量(g)-环刀重量(g)，土壤容重(g/cm3)=环刀内干土重(g)/环刀容积(cm3).

土壤水分测定：采用恒温箱烘干法[7]，土壤含水率(%)=(湿土重-烘干土重)/土壤干重(g)×100%.

1.3 数据分析

用SPSS 24.0 对不同土地利用方式之间以及同一土地利用方式不同土层深度之间的土壤DOC含量和 SOC 含量分别进行方差分析(ANOVA)，当其通过方差齐次性检验时，则进行均值间最小显著差异法(Least- Significant Difference，LSD)检验；若其不能通过方差齐次性检验，则采用 Tamhane’s T2进行差异显著性检验.文章插图中字母相同代表差异不显著(P>0.05)，字母不同代表差异显著(P<0.05).不同土地利用方式下土壤理化性质间的相关性用Pearson相关系数法进行分析.

所有数据的统计分析与检验均采用Excel 2010与SPSS 24.0软件进行，采用Origin9.0进行绘图.

2 结果与分析

2.1 不同土地利用方式土壤水分含量及容重

由表1可以看出，农田和林地的土壤水分含量随着土层的加深呈现出逐渐变小的趋势，而荒地的土壤水分含量随土层的加深而增加，这可能是因为荒地植被覆盖度低，表层土壤受到风力侵蚀，从而导致0-10 cm土层的土壤水分含量低于10-20 cm土层.

表1 不同土地利用类型土壤水分含量及容重

随土层深度的增加，林地土壤的水分含量变化幅度最大，这与地表植被的种类及覆盖度有关.林地的植被覆盖程度相对较高，地表根系发达，涵养水分能力较强，因此林地的土壤水分含水量最多；农田次之；荒地最少.商丘市南部地区的这三种土地利用方式的土壤水分含量整体高于中部和西部地区，这与商丘市呈西北高，东南低的微倾地势有关.这三种土地利用方式的土壤容重变化趋势则与土壤水分含量变化趋势相反，即农田和林地的土壤容重随着土层的加深呈现出逐渐变大的趋势，荒地的土壤容重随土层的加深而减少.

2.2 不同土地利用方式对土壤有机碳含量的影响

土地利用方式不同，土壤有机碳含量有明显差异.在0-10 cm土层中，农田和荒地、农田和林地的SOC含量无显著差异(P>0.05)，荒地和林地的SOC含量具有显著差异(P<0.05)，表现为林地的SOC含量大于荒地.在10-20 cm土层中，三种不同土地利用方式的SOC含量无显著差异(P>0.05).在0-20 cm的整个土层中，农田和荒地的SOC含量无显著差异(P>0.05)，而林地的SOC含量在0-10 cm和10-20 cm土层中有显著差异，表现为10-20 cm土层中的林地的SOC含量远低于0-10 cm土层.

从图 1可以看出，在0-10 cm土层中，林地的SOC含量明显高于其他土地利用方式，为12.9 g/kg，荒地表层的有机碳含量最低，为5.63 g/kg.在10-20 cm土层中，SOC含量以农田最高，为5.2 g/kg；以荒地最低，为2.97 g/kg，这可能与人为耕作施肥管理有关.这3种土地利用方式的SOC含量均呈现出明显的垂直递减的剖面分布特征，但是SOC含量在各个土地利用方式之间的降低幅度不尽相同，其中，林地的有机碳减少量最多，为8.1 g/kg；荒地次之，为2.66 g/kg；农田最少，为2.2 g/kg.

2.3 不同土地利用方式对土壤可溶性有机碳含量的影响

在0-10 cm和10-20 cm的土层中，同一土层不同土地利用方式的土壤DOC含量均无显著差异(P>0.05).同一土地利用方式在不同土层中的土壤DOC含量也无显著差异(P>0.05).

在图 2中，对同一土层不同土地利用方式间土壤DOC含量进行比较发现，在 0-10 cm和10-20 cm的土层上DOC含量均为林地高于其他2种土地利用方式.林地土壤的DOC含量均值最高，高达0.117 g/kg；农田次之，为0.113 g/kg；荒地最低，为0.092 g/kg.与有机碳相似，不同土地利用方式下土壤DOC含量也呈现出垂直分布的剖面特征，即随着土层深度的增加，农田和林地土壤的DOC含量呈逐渐增加的趋势，其中，农田的土壤DOC含量增幅为8.6%，林地的土壤DOC含量增幅为5.6%，而荒地土壤的DOC含量则呈下降趋势，其下降幅度为1.2%.

2.4 不同土地利用方式下土壤理化性质间的关系

从表2可以看出，不同土地利用方式下各土壤性质间的相关关系也呈现出一定的差异性.在0-10 cm的土层中，SOC含量与土壤容重呈显著的负相关性，与其他土壤理化性质均无显著的相关性.在10-20 cm 的土层中，SOC含量与其它三个土壤理化性质均无显著的相关性.在0-10 cm 和10-20 cm的整个土层中，土壤DOC含量与其他土壤理化性质均无显著的相关性.

图1 不同土地利用方式下的SOC含量注：图中大写英文字母代表同一种土地利用方式的不同土层的差异显著性，小写英文字母代表同一土层的不同土地利用方式SOC含量的差异显著性.

图2 不同土地利用方式下的土壤DOC含量注：图中大写英文字母代表同一种土地利用方式的不同土层的差异显著性，小写英文字母代表同一土层的不同土地利用方式土壤DOC含量的差异显著性.

表2 不同土地利用方式下各土壤性质间的Pearson相关系数

土壤性质土层深度/(cm)SOC含量/(g/kg)DOC含量/(g/kg)水分含量/(%)土壤容重/(g/cm3)SOC含量0-10110-201DOC含量0-100.245110-200.0731水分含量0-100.3310.526110-200.1610.6591土壤容重0-10-0.712∗-0.216-0.459110-20-0.223-0.227-0.2251

注：*.在 0.05 级别(双尾)，相关性显著.

3 讨论

DOC作为具有生物活性的碳形态，是土壤溶液中最主要的碳存在形态和运输载体之一，其在土壤中的含量受到各种因素的影响.不同土地利用方式对土壤有机碳有较大的影响，而植被物种的组成，土地利用方式以及管理措施等都会影响到SOC含量[8].

研究结果显示，在三种不同的土地利用方式中，0-10 cm和10-20 cm两个土层间SOC的减少量以林地最多，农田次之，荒地最少.林地土壤表层由于地上生物残体和枯枝落叶物的不断输入以及根系分泌物的累积，为土壤有机碳库提供了大量的有机碳组分，而且由于林地位于土壤表层之下的植物根系比较粗大，不利于分解，土壤有机质来源缺乏[3]，从而导致10-20 cm土层的SOC含量远低于0-10 cm土层，即在整个土层中林地土壤SOC减少量最多.农田属于耕作土壤，其表层土壤受人为耕作管理和施肥的影响最深刻，同时，农作物根系主要集中分布于土壤表层，随着土层加深，植被根系逐渐减少，受耕作施肥、植物根系分布的影响，整个土层中农田土壤SOC减少量相对较多[9].

不同土层深度的土壤SOC和DOC含量在不同土地利用方式下大多表现出同样的趋势，即在整个 0-20 cm 的土层深度内，土壤SOC和DOC含量的高低顺序大致均为林地、农田、荒地.这与林地植物根系发达、植被生长良好，且广泛分布于地表，每年有较多的枯枝落叶归还到土壤中，参与土壤有机质的积累有关[9]，因而其SOC和DOC含量高；农田由于常年翻耕，水土流失严重，致使其中包含的有机碳流失严重，而且由于农作物的地上部分多被移出，导致植物中的碳不能还田，地下根系也因翻耕等因素被部分或全部移出，这些原因都导致农田不利于土壤碳的积累[3]，所以，农田土壤的SOC和DOC含量都相对较低；而荒地为弃耕多年的土地，其植被覆盖度较低，水土流失严重，表层土壤受到一定程度的侵蚀，不利于SOC和DOC的积累[10]，因此荒地土壤的SOC和DOC含量最低.

国内外众多学者的研究也表明：DOC主要来源于地面归还物、根系分泌物和土壤有机质[11,12]，一般来说林地由于没有人类活动的干扰，可通过分解地表散落的动植物残体来补充土壤碳库，而且林木和草本植物根系的转化也是土壤碳的主要来源[13]，土壤总有机碳较高，DOC含量也常常较高.王淑平等认为DOC含量与施肥量有关，如果大量施肥，则DOC含量将会明显高于不施肥的土壤[14].本研究中农田土壤施肥可能是土壤DOC含量较高的原因之一，荒地无肥料施入，其DOC含量主要由自然环境因素所决定[1].

在土壤开发利用过程中土壤物理性质的变化对土壤肥力的保持具有重要作用.土地利用方式不同，土壤的理化特征会发生一定的变化，从而影响DOC的含量[15].土壤容重是土壤物理性质的综合反映，研究发现林地的土壤容重比其它土地利用方式明显偏低，荒地土壤容重最高.林地植被根系发育促进土壤孔隙结构的形成，使土壤容重降低.与有植被的土壤相比，荒地土壤没有耕作管理和外源有机物质的输入，土壤孔隙结构难以形成，从而让使土壤容重保持较高的水平[16].