中亚热带主要农业土壤有机碳及其组分特征

袁红 李菡 张亮 段良霞 黄运湘 王辉

摘要：為了解中亚热带主要粮油产区土壤肥力状况，本文通过野外采样和室内测定，对研究区主要农业土壤的有机碳及其组分含量特征展开研究。结果表明：研究区土壤有机碳（SOC）含量在紫色土上含量最高，红壤地区则偏低，肥力水平不高。易氧化有机碳（EOC）与SOC变化趋势一致。轻组有机碳（LFOC）、粗颗粒有机碳（CPOC）、细颗粒有机碳（FPOC）分别在红壤、河潮土、水稻土中比重最大，这与土壤母质及发育年龄有关。不同利用方式下，茶园土壤SOC含量最高，SOC含量变化序列表现为：茶园地>玉米地>水稻-油菜地>棉花地>菜园土。茶园土壤EOC/TOC值为36.85%，表明该土壤SOC的稳定性高。其他农业土壤EOC/SOC值变化不大，在22.48%～25.52%之间，平均值为23.44%。LFOC与CPOC比SOC对土地利用方式的变化更为敏感，受SOC、CEC、NO3--N、NH4+-N的影响显著（P<0.01）。

关键词：中亚热带；农业土壤；有机碳及其组分；稳定性

中图分类号：S153.3文献标志码：A论文编号：cjas20190800173

基金项目：国家自然科学基金青年项目“南方岩溶区峰丛土壤自然风化演替过程中微结构变化及其应变机理”（41701252）；湖南省教育厅双一流学科优秀青年项目“湖南石灰岩母质旱地土壤发育特征定量评价与地力提升技术研究”（19B282）；国家自然科学基金面上项目“再生水灌溉亚热带土壤水力特性演化及水盐运移模拟研究”（41471185）。

Characteristics of Soil Organic Carbon Fractions of Main Agricultural Soils in Mid-subtropical Areas

Yuan Hong1， Li Han1， Zhang Liang1， Duan Liangxia1， Huang Yunxiang1， Wang Hui2

（1College of Resources and Environment， Hunan Agricultural University， Changsha 410128， Hunan， China；

2College of Water Rresources&Civil Engineering， Hunan Agricultural University， Changsha 410128， Hunan， China）

Abstract： In main agricultural regions of mid-subtropical zone， to understand soil fertility status， the authors studied the content and accumulation characteristics of soil organic carbon components by field sampling and indoor analysis. The results showed that： the content of organic carbon （SOC） in purple soil was the highest， while the red soil had low organic matter content and the fertility level was not high. The variation tendency of soil easily oxidized organic carbon （EOC） was consistent with SOC. Light fraction organic carbon （LFOC）， coarse particulate organic carbon（CPOC）， fine particulate organic carbon（FPOC） had the largest proportion in red soil， river tidal soil and rice soil， respectively， which were related to soil parent material and development age. Under different utilizing ways， the content of SOC in tea garden was the highest. The sequence of SOC was tea garden > corn field > rice-rape field > cotton field > vegetable garden. The value of EOC/SOC in tea garden was 36.85%， which indicated that the soil organic carbon was stable. The value of EOC/SOC of other agricultural soils changed a little， ranging from 22.48% to 25.52%， with an average value of 23.44%. LFOC and CPOC were more sensitive to land use change than SOC， and were significantly affected by SOC， CEC， NO3--N and NH4+-N （P<0.01）.

Keywords： Mid-subtropical Areas； Agricultural Soil； Soil Organic Carbon and Its Fractions； Stability

0引言

作为连接大气圈、水圈、生物圈以及岩石圈的纽带，与全球的CO2总释放量相比，土壤圈的土壤呼吸已被认为是全球碳循环的最大通量之一[1]。全球土壤碳库达到2.2×103～32×103Pg，为植被碳库的2～3倍，是全球大气碳库的2倍[2]。土壤有机碳（SOC）是全球碳循环和气候变化研究的核心内容，其动态平衡不仅在物理、化学和生物学特性中起着极其重要的作用，直接影响土壤肥力和作物产量，而且，其固存与排放对温室气体含量、全球气候变化也有重要影响。

土壤有机碳的积累过程涉及有机物质分解、各组分之间转化、以及在微域空间上的分配等复杂环节，并受温度、水分、物料组成、土壤性质等环境因素的影响。因此，土壤有机碳的组成成分比较复杂，目前尚没有统一的有机碳组分划分方法。依据土壤有机碳分解速率，一般将土壤有机碳库分为活性碳库、缓性碳库和惰性碳库3种组分碳库[3]。从土壤有机碳周转速率来看，不同有机碳组分之间也有着不同的特征，活性有机碳的周转速率最快。不同土壤有机碳组分对土地利用变化的响应和敏感度大有差异。作为养分循环中具有重要作用的部分，土壤活性有机碳虽然在有机碳中所占的比例较小，但易被生物直接利用，是土壤有机碳中最为活跃的组分，因而能反映土壤有机碳的有效性，对不同农业管理措施如施肥、秸秆还田及耕作方式等的变化也更加敏感，并最终指示土壤质量[4]。按照不同的划分方式，土壤活性碳组分通常可分为溶解性有机碳、微生物量碳、可矿化碳、轻组有机碳、颗粒有机碳[5-6]。目前土壤有机碳的组分研究主要侧重于活性有机碳。

近年来，国内外关于土壤有机碳及其组分的研究较多集中于中、微域不同土地利用方式、施肥/耕作方式[7-9]，或不同经营管理模式[10]等前提条件下，或自然演替条件下不同海拔、不同森林覆被[11]等对土壤有机碳及其组分的影响。如何伟等[12]借助长期定位试验，研究了不同施肥处理对潮土有机碳组分的影响发现施肥能显著提高土壤易氧化有机碳（EOC）含量。哈文秀等[13]对岩溶区不同林地土壤有机碳及其组分展开研究，结果表明天然林植被对土壤碳组分影响大于人工林植被。包建平等[14]研究认为秸秆直接还田或制备成生物炭都有利于提高红壤旱地有机碳及组分含量。系统地针对同一气候带内，对比分析主要农业土壤有机碳及其组分含量特征的研究较少，不利于主要粮食产区土壤最大生产潜力的发挥。因此，本研究选取中亚热带中部棉粮油主要产区（重庆、湖南、江西）的主要农业土壤（红壤菜地、红壤玉米地、河潮土棉花地、水稻土—油菜轮作地、紫色土茶园地）为研究对象，采用联合分组的方法，对比分析不同土壤有机碳及其组分，阐明研究区农业土壤有机碳的主要影响因子，以期为中亚热带棉粮油产区农业土壤碳循环及改良、利用提供一定的理论基础。

1材料与方法

1.1样区确定与试验安排

利用中国土地利用现状图、土壤母质分布图、行政管理图确定野外踏勘地区，于2015年6月—11月进行野外踏勘，确定样品采集具体县/区及地块。样品采集、风干后，于2016年5月—10月展开实验室室内样品分析与检测。

1.2供试土样采集

研究区属亚热带季风气候区，地域广阔，人口众多，水热条件优越，自然资源丰富，土地利用类型繁多，农业用地人为干扰强烈，代表性农业土壤利用方式主要为水田、旱地，种植模式有水稻—油菜轮作、菜地、玉米地、茶园、棉花地等。土样分别采集于中亚热带中部棉粮油核心地区：湖南长沙和华容地区、江西南昌、重庆巴南和永川等地。

根据地形地势特点，划分不同采样区。任一采样区内，采用随机取样的方法，在每一采样区随机选取10～20个样点，去掉地表的杂草等物，用鐵铲等采样工具多点挖取表层0～20 cm耕层土壤，采集的土壤放入预先准备好的干净塑料布上，按土壤自然破碎面掰成合适大小；充分风干、混匀、磨细后，分别过孔径为1、0.25、0.149 mm筛，装袋，贴上标签后，备分析用。采样点基本情况，见表1。

1.3测定项目及方法

1.3.1土壤常规分析项目土壤样品理化性质项目分析方法参照《土壤农化分析》[15]一书：土壤pH值的测定采用电极法；土壤含水量的测定采用烘干法；土壤碱解氮（AN）采用NaOH扩散法；土壤速效钾（AK）采用1 mol/L NH4OAC浸提—火焰光度法；土壤有效磷（AP）采用0.5 mol/L NaHCO3浸提—钼锑抗比色法；土壤有机碳（SOC）采用重铬酸钾容量法—外加热法测定；土壤铵态氮（NH4+-N）含量的测定采用靛酚蓝比色法；土壤硝态氮（NO3--N）的含量采用紫外分光光度法；土壤阳离子交换量（CEC）采用乙酸铵交换法。

1.3.2土壤有机碳组分[16]

（1）轻组有机碳（LFOC）。称取过2 mm筛的风干土样25.00～30.00 g，置于100 mL离心管中，加入密度为1.7 g/cm3的NaI溶液50～60 mL，于振速为280次/min的往复式振荡机上振荡60 min，随后在离心机上离心10 min （3000 r/min）；离心后的上清液过0.45的微孔滤膜并于布氏漏斗上进行真空抽滤，重复该过程2～3次，直到没有可见的轻组物质为止，然后用75 mL的CaCl2溶液（0.l mol/L）冲洗，最后用至少150～200 mL去离子水多次冲洗，直至重液冲洗干净，收集滤膜上的轻组物质，在35℃温度下烘干至恒重并记录收集的轻组物质干重。若收集的轻组物质不足时，可重复上述过程多次收集，收集的轻组物质研磨过0.149 mm筛，其碳含量釆用烧失量法进行测定即称取约0.1000 g烘干土样于瓷坩埚中，转移到马弗炉升温至550℃，灼烧5 h，干燥器中冷却后称量，记录烧失前后的质量差。

（2）易氧化有机碳（EOC）。称取含有15～30 mg C的土壤样品3份，装入100 mL离心管内，加入25 mL 333 mmol/L的KMnO4溶液，密封瓶口混匀，于25℃条件下以250 r/min振荡1 h，振荡后的样品在离心机上离心5 min （2000 r/min），然后取其1 mL上清液于250 mL容量瓶按1：250稀释定容，上述稀释液在565 nm的可见分光光度计上比色，根据KMnO4的消耗量，可求出土壤样品中的易氧化碳含量。

（3）颗粒有机碳（POC）。取过2 mm筛的风干土20.00 g，放入250 mL塑料瓶，加入0.5 mol/L NaOH 100 mL，手摇1 min混合均匀，再置于往复式恒温振荡器振荡4～5 h （90 r/min），土壤悬液分别过53μm和250μm孔径筛，并用蒸馏水反复冲洗，收集筛中剩余的物质于预先称重的器皿中，得到细颗粒物和粗颗粒物。颗粒物在60℃下烘至恒重，然后测定其有机碳含量，得到细颗粒有机碳（FPOC）和粗颗粒有机碳（CPOC）。

敏感性指数及各组分有机碳比例计算如式（1）～（2）所示。

敏感性指数=（变量最大值-变量最小值）/变量最小值[17]………………………………………………（1）

各组分有机碳分配比例=（各组分有机碳含量/土壤总有机碳含量）×100%[17]…………………………（2）

1.3.3数据处理将所有试验数据进行特异值处理后，采用Microsoft Excel软件进行绘图和制表，采用SPSS软件进行相关性分析。

2结果与分析

2.1中亚热带主要农业土壤有机碳含量的分布差异

SOC是土壤的重要组成物质，对改善土壤理化性质以及植物的生长发育起着重要作用，其含量的多少与土壤肥力有关，是评价土壤肥力的生物学指标[18]。

由图1可知，研究区不同农业土壤的有机碳含量各异，介于6.19～16.64 g/kg之间，农业土壤肥力处于中等偏低水平。其中，广西红壤玉米地和重庆永川紫色土土壤有机碳含量相对较高，有机质含量在25.00～ 30.00 g/kg，其次是水稻-油轮作地和湖南重壤型棉花地，最低的是菜园土（10.96 g/kg）。玉米地的有机质含量比油菜地的有机质含量高36.5%，比菜园土高出了128%。这主要体现了土地管理方式之间的差异。

2.2中亚热带主要农业土壤的有机碳组分含量特征

由图2可知，研究区主要农业土壤有机碳组分含量差异明显。CPOC含量较其他有机碳组分含量较高（1.25～7.81 g/kg），FPOC含量（1.04～5.31 g/kg）与LFOC含量（1.08～6.95g/kg）次之，EOC（1.43～6.13g/kg）含量较低。LFOC、EOC、CPOC在紫色茶园土中含量最高。紫色页岩风化物母质发育的茶园土壤LFOC含量达到6.95 g/kg，远高于水稻土和种植棉花的河潮土，其平均值仅为1.60 g/kg，第四纪红土风化物母质发育的菜地红壤LFOC含量居中间水平，在3.47～ 5.26 g/kg之间变化。EOC含量由高到低序列为紫色茶园土>红壤玉米地>水稻土>河潮土棉花地>蔬菜地，其碳库活度指数分别为0.58、0.34、0.31、0.30、0.29。CPOC含量由高到低序列为紫色茶园土>红壤玉米地>河潮土棉花地>水稻土>蔬菜地。FPOC含量在水稻土中最高，其次是紫色茶园土、红壤玉米地、河潮土棉花地、蔬菜地。

2.3有机碳及组分与土壤性质的相关关系

由表2可知，EOC、CPOC与OM、CEC、NO3--N、NH4+-N之间，LFOC与AK之间，呈极显著相关性（P< 0.01）；LFOC与AP、CPOC/FPOC与AN之间呈显著性相关关系（P<0.05）。

3结论

（1）不同土地利用方式下，SOC含量从高到低的顺序为：茶园地>玉米地>水稻—油菜地>棉花地>菜园土。LFOC与CPOC比SOC对土地利用方式的变化更为敏感，受SOC、CEC、NO3--N、NH4+-N的影响显著（P<0.01）。

（2）就不同母质发育土壤而言，EOC与SOC变化趋势一致，皆在紫色页岩风化物上发育的紫色土中含量最高，敏感性也最强。LFOC在第四纪红土红壤中比重最大。CPOC在河流沉积物发育的河潮土中比重最大。FPOC在水稻土中含量最高。红壤地区有机质含量偏低，肥力水平不高，提高土壤有机质含量，土壤质量保育刻不容缓。

4讨论

LFOC對土壤生态系统结构和功能具有重要作用，其转化速率比重组有机碳快2～11倍，是有机物的能源物质和植物养分的汇，同时轻组碳具有较高的土壤生物活性，能体现土壤碳的活性[19]。EOC/TOC值能够反映土壤有机碳的稳定性，值越高，表明有机碳的成熟度越低，土壤中碳的活性越大，稳定性越差。本研究中，玉米地、茶园LFOC组分的敏感性指标明显高于其他有机碳组分，达到5.44，最低的为EOC，为3.29。主要变化序列为：LFOC>CPOC>FPOC>EOC。土壤EOC/TOC值除紫色茶园土达到36.85%，处于较高水平外，其他农业土壤EOC/SOC值变化不大，在22.48%～25.52%之间，平均值为23.44%。这主要是因为紫色砂页岩风化物母质矿质元素含量较高，加之茶园利用主要为基肥缓释，有利于有机碳存留转化。

常规耕作频繁搅动土壤，破坏土壤结构，使原本被土壤结构体保护的土壤有机物游离土壤结构体之外，加之化学和生物的分解和攻击，则加剧了土壤有机物质分解矿化过程[20]，因此，不同利用方式下土壤有机碳组分的含量存在差异。另外，不同土壤在不同管理经营模式下的有机碳变化明显。由此可见，有机碳组分比总有机碳对土壤类型及农业措施改变的敏感性更强[21-22]。如Xu等对黄绵土玉米地、何伟等对潮土旱地、哈文秀等对林地红色石灰土的土壤有机碳组分展开研究，认为长期施肥、施有机肥、自然林等方式对提升土壤有机碳有明显作用[23-25]。就红壤而言，受南方地区高温高湿气候的影响，红壤中有机质的分解速度较快，在旱地好气条件下有机质的分解速度更是惊人；加之红壤旱地的管理粗放、利用合理性有待提高，因此，有机质含量低已成为其较显著的特性之一[26]。研究区1号红壤有机质含量仅10.96 g/kg，EOC/SOC值为22.48%，与以上观点一致。供试紫色茶园土壤LFOC明显高于其他样品，但各LFOC/TOC却是红壤蔬菜地最高，由高到低排序为：红壤蔬菜地（82.7%）>紫色茶园土（41.8%）>河潮土棉花地（31.7%）>红壤玉米地（23.5%）>水稻土（15.7%）。说明不同种植耕作模式中，蔬菜地新鲜残留物和腐殖化过程的稳定有机物组成的碳库比例较大，是种植和耕作模式的敏感指标，这与他人的研究结果相一致[27-28]。土壤有机碳组分及分配比例的不同，揭示研究区不同母质类型的土壤在相应的耕作模式下，其保肥和供肥方式与过程存在一定的矛盾，进一步研究各组分转发机制是研究区农业土壤提质增肥的重点与难点。

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