江漢平原不同土地利用方式下農(nóng)田土壤有機碳組成特點

汪明霞，朱志鋒，劉 凡，譚文峰，2

（1.農(nóng)業(yè)部 長江中下游耕地保育重點實驗室，華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，武漢430070；2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，陜西 楊凌712100）

土壤有機碳不僅是土壤質(zhì)量的核心，還是土壤圈調(diào)節(jié)大氣CO2濃度的主要媒介，其變化將影響大氣CO2濃度，是大氣碳素的重要源或匯［1－4］。京都協(xié)議中將土壤固碳作為緩解溫室效應(yīng)的可選方案之一［5］。人類活動引起的土地利用變化是影響土壤碳循環(huán)和碳庫的最直接因素。與植物生長相比，土壤中94%～98%的有機碳含量都是因土地利用方式的變化而引起的［6］。目前，有關(guān)土地利用變化對土壤有機碳影響的研究已有較多報道，主要集中在：（1）自然土壤變成耕地土壤、天然林變成農(nóng)田、農(nóng)田變成草地或草地變成農(nóng)田等變化對土壤有機碳含量的影響，以及不同利用方式間土壤有機碳含量的比較［7－10］；（2）不同農(nóng)業(yè)管理措施（包括少耕、免耕、覆蓋、合理輪作、施肥條件等）對土壤有機碳動態(tài)變化的影響［11－12］；（3）不同利用方式下，土壤有機碳密度和貯量的變化特點［13－17］。但直接涉及農(nóng)田土壤不同利用方式下有機碳組成特點、活性有機碳變化及其碳匯效應(yīng)的報道并不多見，而這些問題可能涉及到因土地利用變化引起的土壤有機碳積累或損失的機制、以及影響因素等。

土壤有機碳可分為易分解的活性有機碳和不易分解的穩(wěn)定性有機碳（含植物有機質(zhì)和被黏粒保護的腐殖質(zhì)）［18］。在土地利用變化過程中，響應(yīng)最快的應(yīng)是土壤中有效性較高、易被土壤微生物分解利用、對植物養(yǎng)分供應(yīng)有直接作用的那部分易分解有機碳，其含量的高低明顯影響植物對土壤養(yǎng)分的吸收利用；同時，由于它活躍的性質(zhì)和重要作用，土壤活性有機碳組分對土地利用變化的響應(yīng)，已成為當前土壤碳庫和養(yǎng)分循環(huán)領(lǐng)域研究的熱點［7，19］。也有學(xué)者根據(jù)密度的差異和在水中溶解性的不同，將土壤有機碳分為輕組（light fraction）和重組（heavy fraction）兩部分；輕組部分的有機碳主要是游離態(tài)的有機碳，與黏土礦物結(jié)合不強烈，缺乏土壤膠體的保護，隨著耕作制度或管理措施的改變，此部分有機碳容易損失，它對土地利用方式較為敏感；重組部分的有機碳與黏土礦物結(jié)合緊密，形成有機無機復(fù)合體，起到有效的保護作用［20－21］。因此，明確土壤有機碳不同組分的特點，將有助于闡明有機碳積累或損失的機制。本文在已明確江漢平原不同土地利用方式下土壤團聚體中有機碳的分布與積累的基礎(chǔ)上［22］，深入分析果園、旱地、水田和水旱輪作下土壤有機碳的活性與穩(wěn)定性、輕重組組成特點，以闡明土地利用方式對土壤有機碳性質(zhì)的影響，為提高土壤肥力、指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、制定環(huán)境產(chǎn)業(yè)政策等提供重要數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于江漢平原后湖農(nóng)場。該農(nóng)場地處江漢平原四湖水網(wǎng)湖區(qū)，北依漢水、南近長江，面積72km2。全農(nóng)場地貌懸殊不大，平坦連片，海拔高度27.5～30m，坡度一般小于1‰。地下水位季節(jié)性升降，秋冬1～2m，夏季1m以內(nèi)，氧化還原頻繁，水質(zhì)良好，屬重碳酸鹽型。該區(qū)域年均氣溫16.3℃，≥10℃積溫5 222℃，年降雨量1 450～1 500mm，為濕熱土壤水熱狀況，具有一年三熟的氣候條件。土壤由長江和漢江的近代沉積物構(gòu)成，土層深厚肥沃，質(zhì)地為黏土和黏壤土，排灌條件較好。母質(zhì)均為Q4石灰性河流沖積物，其黏土礦物組成較為一致：以水云母為主，其次為高嶺石和1.4nm礦物，還含有少量的蒙脫石。該區(qū)主要采用無壁犁機械化耕作，耕作過程中表層土壤只有部分翻轉(zhuǎn)。

1.2 樣品采集

采樣區(qū)土壤在20世紀50s－60s進行過土地平整，前期的土壤條件較為一致。本實驗在選定的每一種利用類型（果園、旱地、水田、水旱輪作）樣地田塊上，隨機選擇2～3個具有代表性的樣點，共采集10個剖面，不同利用類型土壤剖面相距200～500m。根據(jù)土壤發(fā)生層特點，每個剖面采集1～6土樣，重復(fù)采樣3次，表層厚度主要分布于0～16cm，采樣點基本情況見表1。土樣采好后，自然風(fēng)干，分別過0.25，0.045mm篩于干燥器中備用。

表1 采樣點基本情況

1.3 樣品測定與分析

土壤有機碳含量測定用重鉻酸鉀外加熱法［23］；土壤腐殖質(zhì)組成用焦磷酸鈉與氫氧化鈉混合液提?。?4］；土壤pH 值（水土比例2.5∶1）采用奧立龍酸度計（型號410）測定。土壤輕重組的分離：稱取通過0.25mm篩風(fēng)干土樣5.00g，置于已稱重的100ml離心管中，加入密度為1.8的溴仿—乙醇混合重液，于21.5kHz、300mA超聲分散10min，然后以3 000 rpm離心10min。將懸浮有輕組有機碳的重液倒入鋪有濾紙的玻璃漏斗中過濾。離心管中繼續(xù)加入密度為1.8g／cm3的重液，重復(fù)上述過程2～3次至離心后重液中無輕組有機物為止。離心管中的重組用95%乙醇洗滌3次、再用去離子水洗滌2次后，將盛有重組的離心管于40℃烘干、稱重，采用差減法計算重組質(zhì)量。根據(jù)全土有機碳含量、全土質(zhì)量、重組有機碳含量、重組質(zhì)量計算出輕組有機碳含量［23］。

土壤活性有機碳的測定：稱取約含15mg有機碳的土樣，置于100ml塑料瓶中，加入25ml 333 mmol／L的KMnO4溶液，25℃下震蕩處理1h后，離心5min（4 000rpm），保留上清液，用去離子水按1∶250稀釋，然后用可見分光光度計（北京瑞利分析儀器公司，VIS—7220）在565nm 比色測定，由KMnO4濃度的變化計算出活性有機碳含量，再根據(jù)相應(yīng)土壤有機碳的含量計算其分配比例（即活性有機碳與總有機碳含量的比值）［25］。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用方式下土壤有機碳的含量

由土壤剖面有機碳分布曲線（圖1），不同土地利用方式下表層土壤有機碳含量差異較大，其中以水田最高（39.0g／kg），其次為水旱輪作（20.8g／kg）、旱地（19.4g／kg），果園最小（僅為14.7g／kg）。有機碳在土壤表層的含量最高，有明顯富集；隨著土壤深度的增加，有機碳含量逐步降低；剖面40—50cm處有機碳含量約為6.0～28.4g／kg，只有表層土壤的27%～71%。水田的犁底層中有機碳積累較明顯，比表層略有增加（40.6g／kg）；而水旱輪作方式中犁底層有機碳含量銳減（12.4g／kg），僅為表層的60%。

2.2 不同土地利用方式下土壤腐殖質(zhì)含量及組成特點

土地利用方式不僅影響土壤有機碳含量，而且影響腐殖質(zhì)碳的含量和組成。由表2可見，不同利用方式下土壤表層腐殖質(zhì)碳含量約為14.19～30.31g／kg，其含量順序為：水田＞水旱輪作＞旱地＞果園，與土壤有機碳含量順序基本一致。供試土壤的腐殖質(zhì)碳占總有機碳的比例較高，其中果園和旱地大于91%，水旱輪作略低，而水田僅為78%。這說明水耕利用方式下非腐殖質(zhì)部分明顯增加，即含有較多的碳水化合物和含氮化合物，此部分在土壤中一般穩(wěn)定性較差。不同利用方式下土壤腐殖質(zhì)碳在組成上均為：胡敏素（HU—C）＞胡敏酸（HA—C）＞富里酸（FA—C）。其中 HU—C含量高達9.99～21.93g／kg，占腐殖質(zhì)總碳的69%～74%；HA—C和FA—C含量分別為2.62%～5.24g／kg和1.31%～3.14g／kg，兩者之和只占腐殖質(zhì)總碳的26%～31%。不同利用方式下，各形態(tài)的腐殖質(zhì)碳含量存在差異，活性較高的富里酸以水田和水旱輪作方式較高。這些數(shù)據(jù)表明，水耕條件下土壤有機碳中活性部分明顯增加。

圖1 不同土地利用方式下土壤有機碳含量的剖面分布

表2 不同土地利用方式表層土壤腐殖質(zhì)碳含量

2.3 不同土地利用方式下土壤的活性、穩(wěn)定性有機碳組成特點

4種土地利用方式下表層土壤有機碳（SOC）、活性有機碳（ASOC）、穩(wěn)定性有機碳（SSOC）含量、以及穩(wěn)定性有機碳百分比見表3。表3說明，SOC、ASOC和SSOC含量均表現(xiàn)為：水田＞水旱輪作＞旱地＞果園，而穩(wěn)定性有機碳占土壤總有機碳的百分比表現(xiàn)為：旱地≈水旱輪作＞果園＞水田。盡管水田土壤中SOC、ASOC、SSOC含量均高于其它利用方式下的土壤，但其土壤穩(wěn)定性有機碳比例為68%，低于其它利用方式，說明水田耕作模式下土壤有機碳的穩(wěn)定性相對較差，隨著外界環(huán)境的改變，土壤中的有機碳可能更易降解和損失；而旱地和水旱輪作條件下，土壤穩(wěn)定性有機碳占總有機碳比例較高，均為73%?？梢姡递喿飨碌耐寥烙袡C碳穩(wěn)定性明顯不同于完全水耕模式。

表3 供試表層土壤活性有機碳、穩(wěn)定性有機碳組成特點

2.4 不同土地利用方式下土壤輕重組組成及其碳含量

表4為不同地利用方式下表層土壤的輕重組組成。供試土壤輕組組分約占4.9%～6.9%，重組組分約占93.1%～95.1%，重組組分顯著高于輕組組分，說明土壤中游離態(tài)或顆粒態(tài)有機碳較少，大部分有機碳是與土壤無機礦物結(jié)合在一起，形成有機無機復(fù)合體。土地利用方式對輕重組組分產(chǎn)生影響，輕組組分在各利用方式下表現(xiàn)為：水田＞旱地＞果園＞水旱輪作；重組組分以水旱輪作方式最高（95.1%）、水田最低（93.1%）。

不同土地利用方式下輕組有機碳含量為95.9～180.5g／kg，重組有機碳含量為10.2～28.6g／kg，輕組有機碳含量明顯高于重組有機碳含量（表4）。輕重組有機碳含量在各土地利用方式下均表現(xiàn)為：水田＞水旱輪作＞旱地＞果園，與總有機碳含量的順序基本一致，而與輕組占總碳的比例順序不同。在輕重組有機碳占總SOC的比例中，有65.8%～72.9%的SOC分布在重組中，27.1%～34.2%的SOC分布在輕組中。重組中分布的SOC數(shù)量顯著高于輕組，這表明重組SOC對總SOC的積累作用較大。而在重組有機碳容量占總碳百分比例中，水旱輪作＞旱地≈水田＞果園。已有研究表明［20－21］，土壤活性有機碳、輕組有機碳是植物重要的速效養(yǎng)分庫，在實際表現(xiàn)中可指示土壤的肥力水平，對耕作、施肥等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施的響應(yīng)較快；同時，由于這部分有機碳與土壤呼吸速率、土壤碳礦化速率、微生物量氮等呈顯著正相關(guān)，有較高的潛在生物活性，從而影響溫室氣體的排放。而重組中的有機碳與不同粒徑的礦物顆粒結(jié)合緊密，主要吸附在礦物表面或隱蔽在土壤微團聚體內(nèi)部，使其礦化速率減慢，在實際表現(xiàn)中可能反映了土壤固定穩(wěn)定性有機碳的能力。盡管土地利用方式在由旱地向水田或水旱輪作轉(zhuǎn)變過程中，使土壤有機碳的積累更為便利、土壤碳匯增加，但在水田利用方式下土壤活性碳、非腐殖質(zhì)碳、輕組組分明顯增加，從而導(dǎo)致土壤碳庫容量也易發(fā)生變化?？梢?，水田條件下的土壤有機質(zhì)對全球氣候變化的貢獻是雙重的。李向陽等［26］報道不同構(gòu)型水稻土隨潛育度的增加，表層土壤的有機質(zhì)含量上升，土壤松結(jié)態(tài)、穩(wěn)結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)中的胡敏酸、富里酸含量和緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)的含量也升高，而緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)在重組有機質(zhì)中的比例下降。這些數(shù)據(jù)都表明不同土地利用方式對土壤固碳的影響可能主要是通過改變有機碳的形態(tài)來影響有機碳的穩(wěn)定性，進而影響有機碳的分解率和農(nóng)田土壤碳匯效應(yīng)。但值得注意的是，水旱輪作方式下表層土壤的穩(wěn)定性有機碳比例（73%）和重組有機碳容量占總有機碳的比例（72.9%）都是最高的，這暗示了在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，通過水旱輪作的方式既可增加有機碳的含量，又可增強有機碳的穩(wěn)定性，但其機理還有待深入研究。

表4 不同利用方式下表層土壤輕重組組成及其碳含量

3 結(jié)論

果園、旱地、水田和水旱輪作是江漢平原地區(qū)常見的土地利用方式。由本實驗可知水田的土壤有機碳含量可達39.0g／kg，明顯高于其它利用方式，表明此利用方式可顯著提高土壤有機質(zhì)的含量，有利于農(nóng)田土壤固碳，增強土壤的生態(tài)效應(yīng)。但水田利用方式下土壤的活性有機碳含量也較高（12.46g／kg）、輕組組分比例（6.9%）較大，同時土壤腐殖質(zhì)、穩(wěn)定性有機碳比例較低，可通過水旱輪作的方式增加有機碳的含量和增強有機碳的穩(wěn)定性。

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