土壤碳库对苹果幼树间作芳香植物的响应研究

韩明政，田 佶，姚允聪，张 杰

(北京农学院植物科学技术学院/农业应用新技术北京市重点实验室/北京林果业生态环境功能提升协同中心，北京 102206)

土壤是陆地碳库存储的主要载体，是地球上最大的碳库，土壤碳库的来源主要是植被的枯枝落叶等有机质的输入，经过土壤微生物的分解作用形成有机碳。土壤有机碳数量和质量决定土壤肥力状况、碳库稳定性，是土壤肥力的基础并且是全球碳循环的研究核心，它微小的变化足以影响大气中二氧化碳的浓度，能够敏感反映土壤碳库的变化，从而影响土壤肥力和全球气候[1-4]。土地利用方式、人为施肥、气温波动、降水变化等因素均可影响土壤有机碳的含量，其中土壤活性有机碳(可溶性有机碳、易氧化有机碳等)含量更加敏感。根据土壤有机碳的稳定性，将其分为活性有机碳和惰性有机碳。可溶性有机碳、易氧化有机碳等活性有机碳是土壤碳库稳定性评估的重要指标[5]。

间作芳香植物能够提高植物多样性，改良土壤团粒结构，增加土壤含水量，提高土壤氮磷钾营养元素含量及有机质含量，增强土壤酶活，如Zhang等[6]研究表明山药间作苜蓿可以提高土壤氮磷钾含量，增强土壤酶活性。张正群等[7]研究表明相对于绿肥处理和对照，间作芳香植物能够有效提高土壤中铵态氮、有效磷和速效钾的含量。王慧敏等[8]在茶园间作芳香植物试验中发现间作芳香植物能控制茶园土壤pH，增加茶园土壤相对含水量，增加土壤中有机质、氮磷钾的含量，改良土壤环境。对于间作芳香植物后土壤碳库如何响应研究甚少，本研究以平邑甜茶幼树为试验材料间作苜蓿、间作薄荷、间作薄荷与苜蓿，探究间作后土壤中碳库组分如何发生变化，为研究土壤碳库变化提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料与地点

植物材料是平邑甜茶幼树(Malushupehensis(Pamp.) Rehd)、薄荷(Menthaarvensis)、苜蓿(Medicagosativa)。

土壤材料是苹果园园土，蛭石，草碳，混合比例为体积比1∶1∶1。

试验在北京农学院科技园玻璃连栋温室内进行，内部设置排风扇、水帘、暖气等设施，保证内部温度和湿度均匀一致。

1.2 试验设计

试验设置空白对照(CK)、清耕(Tr1)、间作苜蓿(Tr2)、间作薄荷(Tr3)、间作薄荷与苜蓿(Tr4)共5个处理，分别种植装有混匀基质的聚乙烯塑料花盆(上口径33 cm、下口径20 cm、高27 cm)中，每盆3株平邑甜茶，10株芳香植物。除空白对照外，其他4个处理各有10个重复。芳香植物在苹果幼树定植后沿着以3株苹果幼树间隙的连接线进行播种(2018年7月1日)，之后每隔7 d浇1次水，进行除草和适当的病虫害管理，保证植物材料正常生长。在播种芳香植物后第30天、第60天、第90天、第120天分别取样进行碳库指标测定。

1.3 试验方法

使用重铬酸钾-浓硫酸滴定法测定土壤有机碳和可溶性有机碳，使用高锰酸钾氧化法测定易氧化有机碳。

碳库管理指数=碳库指数×碳库活度指数×100。

1.4 统计分析

采用Microsoft Excel 2017、R语言对数据进行整理与分析。使用R包 agricolae中的邓肯新复极差检测方法在P<0.05水平上进行多重比较，得出显著性结果，使用agricolae、ggpubr、ggcorrplot等R包进行柱状图、箱线图、拟合曲线等图的制作。

2 结果与分析

2.1 间作不同芳香植物对土壤总有机碳的影响

清耕的土壤总有机碳含量显著高于空白对照，见图1。间作芳香植物的第30天和第90天，间作薄荷和苜蓿相对于清耕和其他两个处理能够显著提高土壤总有机碳含量，比清耕分别提高了18.16%、4.89%。第60天时三个间作处理的土壤总有机碳含量均显著大于清耕，其大小顺序为间作苜蓿>间作薄荷>间作薄荷与苜蓿，平均提高14.12%；在整个生长期，清耕和间作处理的总有机碳含量与时间呈正相关，但间作处理的增长率大于清耕的增长率(图1，图2)。

2.2 间作不同芳香植物对土壤可溶性有机碳的影响

可溶性有机碳能够溶解于水中并且直接参与土壤的生物和化学转化过程，在一定条件下产生甲烷和二氧化碳，是温室气体的重要来源和土壤有机碳储存的主要形式。与清耕相比，间作芳香植物的第30天和第90天只有间作薄荷与苜蓿的可溶性有机碳含量显著大于清耕，第60天间作苜蓿和间作薄荷与苜蓿的可溶性有机碳含量比清耕显著高出54.45%，41.58%。第120天间作薄荷和间作薄荷与苜蓿的可溶性有机碳含量显著高于清耕的含量；清耕和间作处理的可溶性有机碳含量随着时间的增长而增长，其中间作薄荷和间作薄荷与苜蓿增长速度快且含量高(图1，图2)。

2.3 间作不同芳香植物对土壤易氧化有机碳的影响

因为易氧化有机碳易氧化，对外界环境变化敏感，所以能够反映土壤中有机碳对外界条件变化的响应。清耕的土壤易氧化有机碳含量显著高于空白对照。在间作芳香植物的30～90 d，间作苜蓿和间作薄荷的土壤中易氧化有机碳含量显著高于清耕,第120天处理间无显著差异(图1)。随着生长期的进行，清耕土壤中易氧化有机碳含量逐渐增长但最终含量还是小于间作处理，间作薄荷和间作薄荷与苜蓿土壤中易氧化有机碳含量对间作处理的响应和可溶性有机碳含量一致，仍是增长速度快，含量高(图2)。

注：SOC是总有机碳，DOC是可溶性有机碳，ROC是易氧化有机碳，NLOC是非活性有机碳；不同字母表示在邓肯新复极差检测P<0.05水平上有显著差异。Note:SOC is soil organic carbon, DOC is dissolve organic carbon, ROC is readily oxidizable carbon, NLOC is none-labile organic carbon; Different letters indicate significant differences at P<0.05 by Duncan’s multiple range test.图1 间作芳香植物土壤不同有机碳含量Fig.1 Different organic carbon content in soils when intercropping aromatic plants

图2 间作芳香植物土壤不同有机碳含量拟合Fig.2 Different soil organic carbon content fitting after intercropping aromatic plants

2.4 间作不同芳香植物对不同区域各形态有机碳的影响

各种形态的有机碳含量在盆栽体系的不同区域中存在显著差异，见图3。清耕中平邑甜茶根际土和非根际土中有机碳含量没有显著差异，间作苜蓿和间作薄荷中平邑甜茶根际土中有机碳含量显著大于芳香植物根际土，且大于清耕中有机碳含量。间作薄荷与苜蓿中芳香植物根际土和非根际土中有机碳含量显著高于果树根际土。清耕对于果树根际土和非根际土中可溶性有机碳没有显著影响，而间作苜蓿和间作薄荷与苜蓿中芳香植物根际土的可溶性有机碳含量大于果树根际土的含量，但是只有间作薄荷与苜蓿显著；间作芳香植物的果树根际土中可溶性有机碳含量比清耕中果树根际土高。间作对于果树根际土的易氧化有机碳含量没有显著影响。间作苜蓿和间作薄荷能够固定果树根际土中的非活性有机碳，但是间作薄荷与苜蓿之后作用减弱。

2.5 间作不同芳香植物对碳库管理指数的影响

碳库管理指数在表征土壤碳库变化方面，常用以指示土地/土地管理措施变化引起土壤有机碳的变化[9-11]，因其结合碳库活度指数和碳库指数乘积所得，所以不仅能体现不同土壤利用措施对土壤有机碳总量的影响，还能体现土壤中有机碳组分的分配和变化情况。碳库管理指数变大说明土壤肥力上升，反之则表明土壤肥力下降[12-13]，见图4。间作的碳库管理指数均与时间呈正比，说明间作芳香植物能够随着时间逐渐增加土壤肥力；间作薄荷和间作薄荷与苜蓿的碳库管理指数增长速率快，第120天其碳库管理指数大于间作苜蓿和清耕，说明间作薄荷提高土壤肥力的能力更强。清耕的果树根际土碳库管理指数显著小于非根际土，说明果树根际的养分不如非根际土高；而间作芳香植物，除间作苜蓿的芳香植物与非根际土之间碳库管理指数没有显著差异外，间作薄荷及间作薄荷与苜蓿的芳香植物根际土的碳库管理指数均显著低于非根际土，说明间作苜蓿可以提高苜蓿根系周围的肥力(图4)。

注：SOC是总有机碳，DOC是可溶性有机碳，ROC是易氧化有机碳，NLOC是非活性有机碳；不同字母表示在邓肯新复极差检测P<0.05水平上有显著差异。Note:SOC is soil organic carbon, DOC is dissolve organic carbon, ROC is readily oxidizable carbon, NLOC is none-labile organic carbon; Different letters indicate significant differences at P<0.05 by Duncan’s multiple range test.图3 间作芳香植物不同有机碳指标柱状图Fig.3 Histogram of different organic carbon index after intercropping aromatic plants

注：不同字母表示在邓肯新复极差检测P<0.05水平上有显著差异。Note:Different letters indicate significant differences at P<0.05 by Duncan's multiple range test．图4 间作芳香植物碳库管理指数Fig.4 Carbon pool management index after intercropping aromatic plants

3 讨 论

能被333 mmol/L高锰酸钾氧化的有机碳组分称为土壤易氧化有机碳，是土壤碳库容量变化的主要表现，具有周转时间较短，供应养分快，能被作为微生物能源及碳源的特点，在种植作物时的变化最敏感，能够反映土壤有机质的早期变化[10,14-15]。在本试验中，间作芳香植物第30天，种植植物的土壤中易氧化有机碳的含量与空白对照土壤有显著差异(图1)，说明易氧化有机碳在种植植物后快速反应，对土壤环境变化敏感，并且随着发育阶段逐渐上升，这和前人研究结果一致[14-15]。

可溶性有机碳具有移动快、活跃、易氧化的特点，是土壤有机碳的组成部分之一，参与土壤中大多数的生物化学过程，它的流动影响生态系统中营养物质的流动和转化，是土壤养分转化的驱动力及土壤微生物活动的能量来源[16-17]。张坤[18]研究结果表明，在幼龄果园中间作能够有效提高土壤中可溶性有机碳的含量。在本试验中，与清耕相比间作芳香植物的第30天和第90天间作薄荷与苜蓿处理的可溶性有机碳含量显著大于清耕，第60天间作苜蓿和间作薄荷与苜蓿的可溶性有机碳含量比清耕显著高出54.45%，41.58%。第120天间作薄荷和间作薄荷与苜蓿的可溶性有机碳含量显著高于清耕的含量，这些结果与前人研究结果一致[18]。

Blair等[14]通过对土壤碳库和碳库活度在外在条件影响下对环境变化响应的研究，将能够反映外界条件对土壤有机碳组分转化和分配的影响的指数定义为碳库管理指数，其能够整体而快速反映土壤有机碳的变化，且能详细、实时反映外界条件对土壤有机质性质的影响和土壤质量更新的程度[19-20]。本研究中在间作芳香植物30～120 d中，清耕及间作的土壤碳库管理指数都与时间成正相关，清耕的碳库管理指数虽然增长，但增长速率及最终碳库管理指数均小于间作处理。与张洋等[21]研究中间作相对于清耕裸地能够有效提高碳库管理指数这一结果一致。每个间作方式之间果树根际的碳库管理指数的差异可能是由于芳香植物不同，其根际代谢物分泌的种类和含量不同。