干旱荒漠绿洲区不同土地利用方式对土壤易氧化及溶解性有机碳的影响

王卫霞，阿丽娅·阿力木，杨 光，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，乌鲁木齐 830052)

0 引 言

【研究意义】土壤活性有机碳组分是土壤微生物活动的能源物质，也是土壤养分的主要驱动力[1]，虽然其占土壤总有机碳的比例较小，但可以直接参与土壤化学反应并调节碳素转化[2-3]。活性有机碳是土壤中易被微生物分解，有效性较高的那部分有机碳[4]，对土地利用改变反应更加敏感[5]，能更实际地反映出土地利用改变对土壤碳库的影响[6-8]。土壤易氧化有机碳(Liable Organic Carbon, LOC)和溶解性有机碳(Dissolved Organic Carbon, DOC)是土壤活性有机碳的重要组分，对周围环境变化的响应更为敏感，常被作为评价土壤质量变化的有效指标[9]。研究这些更具活性或更具代表性的有机碳组分含量，对因土地利用改变而引起土壤质量及土壤碳库的差异具有重要意义。【前人研究进展】土壤易氧化有机碳、溶解性有机碳能够作为外部环境改变引起土壤碳库变化做出迅速响应的敏感指标[10-11]。张仕吉等[8]研究表明，不同土地利用方式下土壤溶解性有机碳、易氧化有机碳均可作为土壤活性有机碳库的重要组分，其含量的变化均将会导致土壤总有机碳含量的变化，其中易氧化有机碳含量具有较强指示作用。在宁夏六盘山地区，农田和草地营造人工林后，在0～50 cm土层人工林土壤易氧化有机碳比农田和草地分别提高129%和29%[12]。岩溶山区不同利用方式土壤易氧化有机碳含量依次为竹林>菜地>草地>林地>园地>弃耕地[13]。溶解性有机碳与土壤总有机碳之比是表征土壤生物活性有机碳库周转的较好指标[14-15]。土地利用方式的变化可引起土壤溶解性有机碳含量显著的变化[16-17]。【本研究切入点】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，这种土地利用方式的变化对土壤活性有机碳组分产生怎样的影响，目前还不清楚。亟需研究干旱荒漠绿洲区不同土地利用方式对土壤易氧化及溶解性有机碳的影响。【拟解决的关键问题】在新疆阿克苏地区，选择种植背景、管理方式及土壤理化性质等基本一致的小麦地、枣园、枣麦间作园等3种不同的土地利用方式作为研究对象，分析不同土地利用方式对土壤易氧化及溶解性有机碳的影响，为选择优化土地利用方式、提高该区土壤生产力和土地管理水平提供基础数据与科学依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

野外调查研究区位于新疆阿克苏地区温宿县克孜勒镇。E79°28′～81°30′，N40°52′～42°21′。县境地貌北高南低，分为北部山区和南部平原2大部分，属典型大陆性暖温带干旱气候，昼夜温差悬殊较大，年均气温10.10℃，年均降水量65.4 mm，年均无霜期185 d。

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，选取种植背景、管理方式及土壤理化性质等基本一致的小麦地、枣园、枣麦间作园等3种不同土地利用方式为研究对象，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。

1.2 方 法

1.2.1 土壤样品采集

每一种土地利用方式下都选择3个作为试验样地的重复，共计9个样地。在每个果园内选择6株具有代表性的果树，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、小麦样地内，以“S”形布设采样点，在每个采样点采集土壤剖面0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm的土壤样品各2份，把同一个样地内不同采样点上采集的土壤样品按照相同层次分别混合后作为处理的一个重复备用。用环刀采集原状土样测定土壤容重。将采集的土壤样品1份带回室内自然风干，研磨后过筛，测定土壤总有机碳及易氧化有机碳含量，另1份土壤样品放入便携式冰盒中，带回实验室于4℃冰箱低温保存用于测定土壤溶解性有机碳含量。

1.2.2 测定指标

土壤总有机碳的测定采用重铬酸钾-外加热法测定[18]，土壤易氧化有机碳采用333 mmol/L KMnO4氧化比色法测定[10]，土壤溶解性有机碳采用鲜土10 g，按水土比4∶1，蒸馏水浸提，在25℃下恒温振荡30 min，后用0.45 μm的微孔滤膜抽滤，滤液直接测定[19]。

1.3 数据处理

采用SPSS21.0软件统计分析数据，利用SigmaPlot10.0 软件作图。不同土地利用方式的土壤总有机碳、易氧化有机碳、溶解性有机碳含量及各活性有机碳的分配比例均采用单因素方差分析方法检验在P= 0.05水平上的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用方式下土壤剖面总有机碳含量的分布特征

研究表明，在新疆阿克苏干旱荒漠绿洲区0～100 cm的土壤剖面上土壤总有机碳含量为0.74～11.2 g/kg，平均值为(5.17±0.36)g/kg，变异系数为0.55。在0～100 cm土壤剖面上，不同土地利用方式下土壤总有机碳含量的平均值表现为枣园>枣麦间作 >小麦。枣园和枣麦间作园的土壤总有机碳含量差异不显著(P>0.05)，但两者均显著高于小麦地的土壤总有机碳含量(P< 0.05)，农田改建为果园或果农间作园后显著提高了土壤总有机碳含量。土壤总有机碳含量均表现为随土壤深度的增加呈逐渐降低的趋势，0～20 cm土层总有机碳含量均显著高于20 cm以下土层(P< 0.05)。表1，表2

表1 不同土地利用方式下0～100 cm土壤剖面总有机碳含量平均值Table 1 Descriptive statistics of total organic carbon content of 0-100 cm under different land use types

2.2 不同土地利用方式下土壤易氧化及溶解性有机碳含量的分布特征

研究表明，0～100 cm土层小麦、枣园及枣麦间作园土壤易氧化有机碳和非活性有机碳含量的变幅分别为0.17～1.62和1.31～4.12、0.23～2.10和2.77～7.46 g/kg及0.31～2.15和1.96～8.44 g/kg。在0～100 cm土壤剖面上，不同土地利用方式下土壤易氧化有机碳含量除10～20 cm土层外，其它各土层均表现为枣麦间作>枣园>小麦，非活性有机碳则表现为枣园 >枣麦间作>小麦。不同土地利用方式下土壤易氧化有机碳和非活性有机碳在土壤剖面垂直分布上与总有机碳含量变化一致，均是表层0～10 cm土层含量最高，随土层加深呈逐渐减少趋势。在各个土层，土壤易氧化有机碳含量均比非活性有机碳含量低，土壤有机碳大多是以非活性有机碳的形式储存于土壤中。由农田更替为枣园或枣麦间作后，除30～40 cm土层外，其它各土层土壤易氧化有机碳含量均有显著提高(P< 0.05)，非活性有机碳含量各土层也均有提高。图1

由农田更替为果园或果农间作后，显著提高了土壤溶解性有机碳含量，这和土壤总有机碳含量变化趋势一致。0～100 cm土层，枣园和枣麦间作园土壤溶解性有机碳含量分别比小麦地提高31.2%～85.3% 和57.7%～94.6%。图2

注：同列数据后不同小写字母表示同一土层不同土地利用方式之间差异显著(P<0.05)，下同

图2 不同土地利用方式下土壤溶解性有机碳含量的分布特征Fig.2 Distribution characteristics of dissolved organic carbon content under different land use types

2.3 不同土地利用方式下土壤易氧化及溶解性有机碳的分配比例及相关性

研究表明，不同土地利用方式下土壤易氧化及溶解性有机碳的分配比例变化，不同土地利用方式下土壤易氧化有机碳分配比例在0～40 cm土层高于40～100 cm土层，随土壤深度的增加其分配比例逐渐减少。由农田更替为果园后，降低了各土层易氧化有机碳分配比例，降低幅度为1.83%～36.08%。农田更替为果农间作园后，降低了0～10 cm和10～20 cm土层的易氧化有机碳分配比例，其余土层表现为增加。溶解性有机碳分配比例大致随土层深度增加呈先减少后增加的变化趋势。由农田更替为果园后，增加了20～30 cm、30～40 cm和40～60 cm土层的溶解性有机碳分配比例，其他土层均表现为下降。农田更替为果农间作后，除0～10 cm和80～100 cm土层外，其余土层土壤溶解性有机碳分配比例均增加。表2

表2 土壤有机碳含量及各活性有机碳组分的分配比例Table 2 Soil organic carbon content and distribution ratio of active organic carbon components

研究表明，研究区内土壤易氧化有机碳及非活性有机碳与土壤总有机碳均呈极显著相关关系(P< 0.01)。其中小麦、枣园和枣麦间作园的土壤易氧化有机碳与土壤总有机碳的相关系数分别为0.69、0.86和0.95，不同土地利用方式土壤易氧化有机碳和总有机碳含量的相关性是存在差异的，而且土壤易氧化有机碳与总有机碳含量的相关系数均小于非活性有机碳与总有机碳含量的相关系数。图3，图4

图3 土壤易氧化和非活性有机碳与总有机碳相关关系Fig.3 Relationship between the liable organic carbon, non- liable organic carbon and total organic carbon

图4 土壤溶解性有机碳与总有机碳相关关系Fig.4 Relationship between the dissolved organic carbon and total organic carbon

不同土地利用方式下土壤溶解性有机碳与总有机碳均显著相关。其中，小麦地土壤溶解性有机碳与总有机碳含量呈显著正相关(P< 0.05)，枣园和枣麦间作园土壤溶解性有机碳与总有机碳含量呈极显著正相关(P< 0.01)，小麦、枣园和枣麦间作园土壤溶解性有机碳与总有机碳含量的相关系数分别为0.50、0.59和0.66。图4

3 讨 论

3.1 不同土地利用方式下土壤易氧化有机碳的变化特征

土壤易氧化有机碳是土壤养分的潜在来源，同时也是土壤微生物活动的主要能源，是有机碳中稳定性相对较差的有机碳组分，其移动速度快、性质不稳定和易被微生物分解利用的特性在土壤碳循环和土壤肥力提高方面具有重要意义[20]。研究中农田更替为果园或果农间作园后，0～10 cm和10～20 cm土层土壤总有机碳和易氧化有机碳含量均显著提高。这和赵世伟等[21]研究结果较为一致。相对于农田，果园和果农间作模式下土壤扰动较小，地表覆盖度及果树郁闭度相对较高，土壤温度下降，保持了一定的土壤湿度和水分含量，不利于土壤有机碳的矿化分解，反而促进了土壤有机碳的积累[22]，而土壤易氧化有机碳的含量主要来自于土壤总有机碳含量，因此，果园和果农间作园土壤易氧化有机碳含量也提高。另外，也有研究表明，土壤中的易氧化有机碳含量与其对应的土壤湿度呈显著正相关[23]。在湿度较高的土壤中，土壤处于嫌气状态，使得微生物活性降低，土壤有机碳分解速率下降，有利于易氧化有机碳的积累[24-26]，这可能也是研究中果园和果农间作园土壤易氧化有机碳高于农田的原因之一。不同土地利用方式下土壤易氧化有机碳含量的空间分布也有所差异。在0～100 cm土壤剖面上，农田、果园及果农间作园土壤易氧化有机碳含量与总有机碳含量变化趋势类似，均随着土层厚度的加深呈逐渐减少的趋势。土壤易氧化有机碳含量在很大程度上取决于土壤总有机碳的含量，而植被类型、凋落物数量和质量及根系分布均会影响土壤总有机碳的分布[27]，随着土壤深度的增加，植物残体和根系分泌物的输入越来越少，导致下层土壤有机碳的来源逐渐减少，因此，土壤易氧化有机碳含量也越低。

土壤易氧化有机碳占总有机碳的比率称为易氧化有机碳的分配比例[28]，它比易氧化有机碳总量更能反映土地利用变化对土壤碳行为的影响[29-30]，土壤易氧化有机碳分配比例大小可用于表征土壤有机碳的稳定性，其分配比例越高，土壤有机碳的活性越强，养分循环越快，但有机碳的稳定性越差，越不利于土壤有机碳的累积[31]。一般土壤易氧化有机碳的分配比例介于15%～25%，在不同的生态系统中表现有所不同[32]。研究区土壤易氧化有机碳分配比例范围为8.43%～28.23%。与农田土壤相比，果园土壤0～100 cm土层范围内，除40～60 cm土层外，其余土层易氧化有机碳占总有机碳比例均表现为下降，而果农间作园土壤则表现为0～20 cm土层易氧化有机碳占总有机碳比例下降，其余土层易氧化有机碳分配比例均增加，说明农田转化为果园提高了土壤有机碳的稳定性，促进了土壤有机碳的积累且主要以非活性有机碳成分为主；而农田转化为果农间作园仅提高了表层0～20 cm土层有机碳的稳定性，不利于深层土壤有机碳的积累。

3.2 不同土地利用方式下土壤溶解性有机碳的变化特征

土壤溶解性有机碳主要来自枯枝落叶、土壤腐殖质及根系分泌物等，虽然只占土壤总有机碳的很小部分，但它却是土壤微生物活动的重要物质条件和能量来源，是土壤微生物可以直接利用的有机碳源，易受土壤淋溶作用的影响[33-35]。研究中由农田更替为果园或果农间作园后，均显著提高了土壤溶解性有机碳含量，不同土地利用方式下，土壤溶解性有机碳含量的变化趋势与土壤总有机碳含量的变化趋势一致。徐秋芳等[36]研究也表明，土壤总有机碳高的土壤溶解性有机碳含量也常常较高。此外在0～100 cm土壤剖面上，土壤溶解性有机碳含量随着土壤深度的增加呈减少的趋势，这主要是由于随着土壤深度的增加，溶解性有机碳的重要来源植物根系、根系分泌物及微生物代谢产物等均在逐渐减少[37]。从不同土壤层次来看，不同土地利用方式下土壤溶解性有机碳的分配比例从上到下表现为先减少后上升的趋势，这与溶解性有机碳的可溶性和随水流动性特点及随下渗水迁移是密切相关的[38-39]。

土壤活性有机碳主要来源于土壤总有机碳，但易受微生物分解和利用的影响。对不同土地利用方式下0～100 cm土层土壤总有机碳含量与土壤易氧化有机碳及溶解性有机碳含量之间的相关性进行了分析。研究区内土壤易氧化有机碳与土壤总有机碳均呈极显著相关性(P< 0.01)。其中枣园和枣麦间作园中土壤易氧化有机碳与土壤总有机碳的相关系数均大于农田小麦地。枣园和枣麦间作园中土壤溶解性有机碳与总有机碳含量的相关性也达到极显著水平(P< 0.01)，这一方面说明土壤总有机碳的变化制约着各活性有机碳的变化，另一方面也说明各土壤活性有机碳虽然表述和测定方法不同，但它们均从不同角度在一定程度上表征了土壤中活性较高的那部分有机碳含量[33, 40-41]。研究还发现，不同土地利用方式下，溶解性有机碳与总有机碳含量的相关系数要小于易氧化有机碳与总有机碳含量的相关系数，这可能与土壤的氧化物和粘土矿物对溶解性有机碳的吸附作用及溶解性有机碳随渗透水的迁移有关[42-43]。

4 结 论

在新疆阿克苏干旱荒漠绿洲区不同土地利用方式0～100 cm的土壤剖面上土壤总有机碳含量为0.74～11.2 g/kg，平均值为(5.17±0.36)g/kg，变异系数为0.55。0～100 cm土层小麦、枣园及枣麦间作园土壤易氧化有机碳和溶解性有机碳含量的变幅分别为0.17～1.62 g/kg、115.28～329.67 mg/kg、0.23～2.10 g/kg和206.84～432.48 mg/kg、0.31～2.15 g/kg、181.74～593.04 mg/kg。由农田更替为枣园或枣麦间作园后，土壤易氧化有机碳和溶解性有机碳含量均有显著提高(P< 0.05)，0～100 cm土层，枣园和枣麦间作园土壤溶解性有机碳含量分别比小麦地提高31.2%～85.3% 和57.7%～94.6%。在0～100 cm土层土壤剖面上，不同土地利用方式下土壤易氧化有机碳、溶解性有机碳含量及易氧化有机碳分配比例均表现为随土壤深度的增加而下降，溶解性有机碳分配比例则表现为先减少后增加的趋势。不同土地利用方式下，小麦、枣园和枣麦间作园的土壤易氧化有机碳、溶解性有机碳含量均与土壤总有机碳含量显著正相关，且不同土地利用方式土壤易氧化有机碳和总有机碳含量的相关性是存在差异的，而且土壤易氧化有机碳与总有机碳含量的相关系数均小于非活性有机碳与总有机碳含量的相关系数。