民勤綠洲棄耕地土壤活性有機(jī)碳和氮變化特征及影響因素

王軍強(qiáng)，施志國(guó)，趙旭，李彥榮

(1.中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所，甘肅 蘭州　730000；2.甘肅省農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究院，甘肅 武威　733006)

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民勤綠洲棄耕地土壤活性有機(jī)碳和氮變化特征及影響因素

王軍強(qiáng)1,2，施志國(guó)2，趙旭2，李彥榮2

(1.中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所，甘肅 蘭州730000；2.甘肅省農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究院，甘肅 武威733006)

摘要：【目的】 了解民勤綠洲棄耕地不同土層土壤活性有機(jī)碳、氮演變特征.【方法】 以民勤綠洲區(qū)不同年限棄耕地為研究對(duì)象，以常規(guī)耕地為參照，通過(guò)野外調(diào)查取樣和室內(nèi)測(cè)試分析，測(cè)定土壤微生物量碳(MBC)、微生物量氮(MBN)、顆粒有機(jī)碳(POC)、顆粒有機(jī)氮(PON)、易氧化碳(ROC)含量.【結(jié)果】 棄耕后土壤活性有機(jī)碳、氮含量呈現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，短期棄耕(3 a)后0～20 cm土層土壤MBC、MBN、POC、PON和ROC分配比例高于常規(guī)耕地(0 a)，并和其他棄耕地構(gòu)成顯著差異(P<0.05).20～40 cm土層，棄耕地土壤POC、PON和ROC分配比例和常規(guī)耕地差異不顯著，但是MBC和MBN的分配比例和常規(guī)耕地差異顯著(P<0.05).深層土壤氧化穩(wěn)定系數(shù)(Kos)明顯高于表層土壤，而且長(zhǎng)期棄耕地Kos值顯著高于常規(guī)耕地和短期棄耕地(3 a).【結(jié)論】 棄耕有利于土壤活性有機(jī)碳、氮在0～20 cm土層中的形成和累積，而且該土層中活性有機(jī)質(zhì)的分配比例也明顯高于常規(guī)耕地，棄耕能提高土壤有機(jī)質(zhì)的氧化穩(wěn)定性，深層土壤表現(xiàn)的尤為突出.

關(guān)鍵詞：民勤綠洲；棄耕地；活性有機(jī)碳;活性有機(jī)氮；土壤

土壤總有機(jī)碳(TOC)和全氮(TN)由于背景值較高，對(duì)氣候變化、土地管理措施和利用方式的反應(yīng)表現(xiàn)出一定的滯后性，因此，在短期內(nèi)很難檢測(cè)出其發(fā)生的微小變化[1].然而，土壤有機(jī)碳和氮中的一些組分對(duì)土地利用方式反應(yīng)比TOC和TN更敏感，這部分碳和氮被稱為活性有機(jī)碳和活性有機(jī)氮.表征土壤活性有機(jī)碳和活性有機(jī)氮的指標(biāo)很多，土壤微生物量碳(MBC)、土壤微生物量氮(MBN)、顆粒有機(jī)碳(POC)、顆粒有機(jī)氮(PON)和易氧化碳(ROC)是常用指標(biāo)[2].

研究發(fā)現(xiàn)，土壤活性有機(jī)碳和活性有機(jī)氮不僅是土壤微生物生命活動(dòng)的能源，對(duì)土壤養(yǎng)分的有效化也有著十分重要的作用[3]，且在經(jīng)營(yíng)管理或土壤受到干擾之后產(chǎn)生較大波動(dòng).宇萬(wàn)太等[4]研究表明，不同土地利用類型下土壤活性有機(jī)碳含量均隨著土層加深而遞減，主要原因是土壤活性有機(jī)碳含量很大程度上取決于土壤TOC含量，而深層土壤受生物等影響較少，因此TOC含量較上層土壤低.另外，深層土壤枯枝落葉殘?bào)w和根系相對(duì)較少，而植物枯枝落葉殘?bào)w和根系正是土壤活性碳的來(lái)源[5]，故深層土壤活性有機(jī)碳含量也較低.周晨霓等[6]研究后發(fā)現(xiàn)，TOC、POC、ROC和MBC含量均具有顯著的表聚性.土壤活性有機(jī)碳和氮還受植被類型及動(dòng)態(tài)、土壤性質(zhì)和氣候特點(diǎn)等的影響[7].土壤活性有機(jī)碳占土壤總有機(jī)碳的比率稱為該種活性有機(jī)碳的分配比例[8]，它比活性有機(jī)碳總量更能反映不同土地利用類型下植被對(duì)土壤碳、氮過(guò)程的影響.

土壤活性碳和氮是微生物生長(zhǎng)的速效基質(zhì)，其含量的高低直接影響土壤微生物的活性，從而影響溫室氣體的排放[9-10]，并且能實(shí)時(shí)實(shí)地的反應(yīng)土壤的物理性質(zhì)和肥力的變化.目前，關(guān)于土地利用方式[11]和施肥措施[12]對(duì)土壤活性有機(jī)碳和氮的影響已開(kāi)展了大量的研究，而從荒漠綠洲區(qū)棄耕地角度研究不同土層活性有機(jī)碳分布規(guī)律的報(bào)道較少，對(duì)土壤活性有機(jī)氮的研究更少.因而研究民勤綠洲區(qū)農(nóng)耕地轉(zhuǎn)變?yōu)闂壐睾蟛煌翆油寥阑钚杂袡C(jī)碳和氮含量演變，對(duì)于正確評(píng)價(jià)該地區(qū)棄耕地土壤質(zhì)量，了解棄耕后土壤碳、氮變化過(guò)程都具有重要意義.

1材料與方法

1.1樣地概況

在以1995年的1∶15萬(wàn)土地利用現(xiàn)狀圖為基本信息源，結(jié)合2011年9月對(duì)民勤縣東湖鎮(zhèn)當(dāng)?shù)鼐用竦脑L問(wèn)調(diào)查結(jié)果，在民勤縣東湖鎮(zhèn)西歲四社和五社(N 38°56′50.3″，E 103°42′)選取棄耕面積較大且連片、耕作痕跡清楚、表層沙化不明顯、棄耕時(shí)間序列明晰和耕地利用方式基本一致的已棄耕3、12、20、30、40 a土地為采樣點(diǎn).選擇毗鄰的常規(guī)耕地為對(duì)照，對(duì)照地的耕作方式為作物收獲后翻耕并漫灌，播種前旋耕后地膜覆蓋.種植的主要作物為大麥、茴香和棉花.為了保證土壤背景值和耕地利用方式的盡可能一致，取樣點(diǎn)選在棄耕較為集中的2個(gè)自然村(半徑不超過(guò)6 km).耕地棄耕之前采用傳統(tǒng)秋翻(約20 cm)后冬灌，耕地棄耕之前種植的主要作物為棉花、茴香和大麥.由于采樣區(qū)耕作環(huán)境差、灌溉水源不足以及生態(tài)移民等原因，棄耕后沒(méi)有再進(jìn)行復(fù)墾.取樣地具體情況見(jiàn)表1.

1.2土壤樣品的采集

采樣時(shí)間為2012年4月下旬，隨機(jī)選取3個(gè)具有相同棄耕年限的獨(dú)立樣地(距離約為1.0～1.5 km)作為重復(fù).每一個(gè)樣地采用S形的布點(diǎn)方法隨機(jī)建立5個(gè)采樣區(qū)(10 m×10 m)，每個(gè)采樣區(qū)距離大約100 m，分別在每個(gè)采樣區(qū)利用土鉆采集土樣15個(gè)點(diǎn)，采樣深度分別為0～20、20～40、40～60 cm.同一樣地的土樣按照土層混合后成為一個(gè)混合樣本，總共采集54個(gè)混合樣本(3個(gè)獨(dú)立樣地×5個(gè)棄耕年限加1個(gè)對(duì)照×3個(gè)土層).取樣過(guò)程中棄去大的植物根系和砂礫.采回的新鮮土樣分為2部分，一部分新鮮土樣過(guò)2mm篩后，放置于樣品冷藏箱中(4 ℃左右，不超過(guò)4 d)供測(cè)定土壤微生物生物量碳(氮)，另一部分過(guò)0.5 mm篩，裝入保鮮袋，用于土壤中總有機(jī)碳(氮)、易氧化碳和其他理化指標(biāo)的測(cè)定.

表1　樣地概況

1.3分析方法

土壤POC和PON含量測(cè)定參照Cambardella等[13]的方法.

土壤MBC和MBN含量測(cè)定采用氯仿熏蒸加0.5 mol/L K2SO4浸提法[14].MBC和MBN含量由以下公式計(jì)算而得[15]：

MBC=EC/KEC

式中：EC為熏蒸后提取液中TOC含量和未熏蒸(對(duì)照)提取液中TOC含量的差值，KEC=0.45，MBC為微生物量碳，單位為mg/kg.

MBN=EN/KEN

式中：EN為熏蒸后提取液中TN含量和未熏蒸對(duì)照提取液中TN含量的差值，KEN=0.54，MBN為微生物量氮，單位為mg/kg.

采用土壤微生物商[16]來(lái)評(píng)價(jià)有機(jī)碳穩(wěn)定性，微生物熵是指MBC與土壤TOC的比值.

土壤易氧化碳(ROC)測(cè)定參照Blair[17]的方法.氧化穩(wěn)定系數(shù)(Kos)=穩(wěn)定性有機(jī)碳/易氧化碳，穩(wěn)定性有機(jī)碳=總有機(jī)碳-易氧化碳[18].

土壤有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀(K2Cr2O7)氧化-滴定法測(cè)定.全氮用半微量凱氏定氮法測(cè)定.速效鉀采用中性NH4Ac浸提、火焰光度法測(cè)定.有效磷采用鉬銻抗比色法.土壤pH值采用PHS-6210 pH計(jì)測(cè)定.EC采用DDSJ-318電導(dǎo)率儀測(cè)定.土壤容重(BD)用環(huán)刀法測(cè)定.土壤粘粒(Clay)、粉粒(Silt)和沙粒(Sand)含量采用篩析-吸管法測(cè)定.以上指標(biāo)在測(cè)定過(guò)程中都進(jìn)行了3次重復(fù).

根生物量(BG-b)的測(cè)定參照Du Pont等[19]的方法：用內(nèi)徑6 cm的根鉆在所選的各樣地取樣點(diǎn)隨機(jī)鉆取土芯45個(gè)，鉆孔深度分別為0～20、20～40、40～60 cm.將土芯用塑料袋裝好后帶回實(shí)驗(yàn)室，土芯樣品用流水沖洗、除去泥土和雜物，于 65 ℃烘48 h后稱質(zhì)量，計(jì)算根生物量.利用以下公式對(duì)根生物量進(jìn)行估算:

根生物量(kg/hm2)=[平均每根土芯根質(zhì)量(g)×105]/[π ( 6 /2)2]

1.4數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2010初處理，所有數(shù)據(jù)測(cè)定結(jié)果均以平均值表示，采用SPSS 19.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，差異顯著性分析利用單因素方差分析(ANOVA)和雙因素方差分析(two-way ANOVA).相關(guān)性分析采用Pearson相關(guān)系數(shù)評(píng)價(jià)不同因子間的相關(guān)性.以土壤總活性有機(jī)碳和氮為自變量，土壤其他指標(biāo)為應(yīng)變量進(jìn)行逐步回歸分析.統(tǒng)一采用Sigma Plot 10.0做圖.

2結(jié)果與分析

2.1棄耕地土壤MBC和MBN的變化

0～60 cm土層MBC和MBN含量變異較大，分別在39.11～273.32、9.16～33.35 mg/kg之間.0～20 cm土層MBC和MBN含量隨棄耕年限呈減少趨勢(shì)，常規(guī)耕地(0 a)和短期棄耕地(3 a)土壤MBC和MBN含量顯著高于40 a長(zhǎng)期棄耕地(圖1).20～40 cm土層MBC和MBN含量隨棄耕年限呈增加趨勢(shì)，常規(guī)耕地土壤MBC和MBN含量顯著低于40 a長(zhǎng)期棄耕地.40～60 cm土層MBC和MBN含量的變化趨勢(shì)和0～20 cm土層相似，而且棄耕20 a后其含量趨于穩(wěn)定.

由圖2可知，0～20 cm土層MBC分配比例介于2.22%～5.28%之間，MBN的分配比例介于2.68%～4.98%之間，短期棄耕地(3 a)土壤MBC的分配比例高于常規(guī)耕地(0 a)，并和其他棄耕地構(gòu)成顯著差異(P<0.05).20～40 cm土層MBC和MBN分配比例小于0～20 cm土層，而且棄耕地MBC和MBN分配比例顯著高于常規(guī)耕地(0 a).在垂直分布來(lái)看，40～60 cm土層MBC和MBN分配比例最小，常規(guī)耕地和長(zhǎng)期棄耕地之間差異顯著.

圖1　棄耕地土壤微生物量碳(MBC)、微生物量氮(MBN)、顆粒有機(jī)碳(POC)、顆粒有機(jī)氮(PON)和易氧化碳(ROC)的垂直分布Fig.1　Vertical distribution of the MBC，MBN，POC，PON and ROC on abandoned agricultural lands

棄耕年限，土層以及這2個(gè)變量的交互作用對(duì)MBC和土壤微生物商產(chǎn)生極顯著的影響(表2，P<0.001).棄耕對(duì)土壤MBN產(chǎn)生顯著影響，對(duì)MBN分配比例不產(chǎn)生影響，而土層以及土層和棄耕的交互作用對(duì)MBN和MBN分配比例產(chǎn)生極顯著影響(表2，P<0.001).

2.2棄耕地土壤POC和PON的變化

0～60 cm土層POC和PON含量分別介于0.35～2.13和0.04～0.14 g/kg之間.土壤POC和PON在垂直剖面上的分布規(guī)律與MBC和MBN基本一致.0～20 cm土層POC和PON含量隨棄耕年限而減少，常規(guī)耕地(0 a)和棄耕地之間差異顯著(圖1，P<0.05).20～40 cm土層POC和PON含量隨棄耕年限呈增加趨勢(shì).40～60 cm土層POC和PON的變化趨勢(shì)和0～20 cm土層相似.

由圖2可知，0～20 cm土層POC分配比例介于22.61%～43.57%之間，PON的分配比例在16.08%～19.78%之間，短期棄耕地(3 a)土壤POC和PON的分配比例顯著高于常規(guī)耕地和其他棄耕地(P<0.05).20～60 cm土層POC和PON的分配比例介于8.04%～17.41%之間，低于0～20 cm土層，而且，棄耕30 a之前，差異不顯著.

棄耕年限，土層以及這兩個(gè)變量的交互作用對(duì)POC和PON及其分配比例產(chǎn)生顯著或極顯著的影響(表2).

圖2　棄耕地土壤微生物量碳(MBC)、微生物量氮(MBN)、顆粒有機(jī)碳(POC)、顆粒有機(jī)氮(PON)、易氧化碳(ROC)和氧化穩(wěn)定系數(shù)(Kos)在垂直剖面上的分配比例Fig.2　Vertical distribution ratio of the MBC，MBN，POC，PON ，ROC and Kos on abandoned farmlands

變量土壤理化指標(biāo)MBCMBNPOCPONROCMBC/TOCMBN/TNPOC/TOCPON/TNROC/TOCKos棄耕年限/A11.95***3.13*8.63***10.51***5.13**11.41***0.95n.s7.08***2.95*3.80**6.54***土層/B48.66***33.50***21.68***43.69***39.93***58.95***35.89***25.17***64.27***46.62***43.88***A×B12.07***11.76***8.74***10.24***1.09n.s5.70***4.84***3.20**3.86**0.12n.s1.79n.s

表中顯示的數(shù)據(jù)為檢驗(yàn)值.*、** 和*** 分別表示P<0.05，P<0.01 和P<0.001 的顯著性水平，n.s 表示差異不顯著.A×B表示棄耕時(shí)間和土層之間的交互效應(yīng).BD:土壤容重；CaS:土壤粘粉粒含量;Sand:沙粒含量;aP:有效磷;aK:速效鉀，下同.

2.3棄耕地土壤ROC的變化

0～60 cm土層ROC含量分別介于0.30～1.70 g/kg之間.0～20 cm土層ROC含量隨棄耕年限增加而減少，常規(guī)耕地(0 a)和12 a棄耕土之間差異不顯著，但二者均顯著高于其他棄耕地(圖1,P<0.05).20～40 cm土層ROC隨棄耕年限呈現(xiàn)先減少后增加趨勢(shì)，土壤ROC含量以棄耕3 a最高(1.49 g/kg)，棄耕40 a最低(1.20 g/kg).40～60 cm土層ROC的變化趨勢(shì)和0～20 cm土層相似，常規(guī)耕地(0 a)和短期棄耕地(3 a)ROC含量最高，和其他棄耕地差異顯著(P<0.05).

由圖2可知，0～20 cm土層ROC分配比例在25.72%～30.58%之間，各棄耕地之間差異不顯著.20～40 cm土層ROC分配比例隨棄耕年限呈先增加后減少趨勢(shì)，棄耕3 aROC分配比例最高(36.90%)，和其他棄耕地構(gòu)成顯著差異(P<0.05).40～60 cm土層ROC分配比例明顯小于其他土層，其變化趨勢(shì)和20～40 cm土層相似，常規(guī)耕地(0 a)和短期棄耕地最高，分別為17.31和19.72%，和其他棄耕地差異顯著(P<0.05).

隨棄耕年限增加，土壤有機(jī)碳的氧化穩(wěn)定系數(shù)(Kos)提高(圖2)，深層土壤(40～60 cm)的Kos值顯著高于表層土壤(0～20 cm).棄耕年限對(duì)ROC和Kos產(chǎn)生顯著影響(表 2，P<0.05).土層對(duì)ROC和Kos產(chǎn)生及顯著影響(表2，P<0.05).棄耕和土層的交互作用對(duì)ROC和Kos不產(chǎn)生影響.

2.4土壤活性有機(jī)碳和氮與其他主要理化指標(biāo)之間的關(guān)系

由表3可知，土壤活性有機(jī)碳和氮和土壤TOC、TN以及根生物量(BG-b)呈極顯著正相關(guān)(P<0.01).逐步回歸分析表明(表4)，所有土壤理化指標(biāo)中，BG-b對(duì)MBC、MBN和ROC都產(chǎn)生較大的影響，TOC對(duì)PON和POC的影響較為明顯，進(jìn)一步說(shuō)明土壤現(xiàn)有碳庫(kù)和碳庫(kù)補(bǔ)充來(lái)源對(duì)土壤中MBC、MBN、PON和POC含量及其穩(wěn)定性都起到關(guān)鍵的作用.MBC、MBN和PON與EC呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05).POC和Clay呈顯著正相關(guān)關(guān)系，PON和CaS呈顯著正相關(guān)(P<0.05).土壤活性碳氮的分配比例都與aP呈顯著或極顯著正相關(guān)(P<0.01)，而Kos和BD呈極顯著正相關(guān)(P<0.01).

2.5棄耕地土壤活性有機(jī)碳和氮與土壤其他主要理化指標(biāo)的RDA排序

棄耕地土壤活性有機(jī)碳和氮與土壤主要理化指標(biāo)的RDA排序結(jié)果見(jiàn)圖3.活性有機(jī)碳和氮分別用帶箭頭的線段(矢量)表示.三角形代表?xiàng)壐晗藓屯翆?，土壤理化指?biāo)用圓圈表示.由圖3-A可知.綜合RDA第一、二排序軸的生態(tài)意義，在RDA二維排序空間中，沿著RDA第一排序軸從左至右，隨著B(niǎo)G-b、TOC和TN的不斷減少，EC不斷提高，土壤活性有機(jī)碳和氮含量不斷減少；沿著RDA第二排序軸從下至上，土壤Clay和BD逐漸升高，活性有機(jī)碳和氮含量逐漸降低.綜合RDA排序的生態(tài)學(xué)意義，沿著土層40～60、20～40、0～20 cm，土壤質(zhì)地逐步粗化，土壤粘粉粒比例減少，土壤緊實(shí)度降低，土壤堿化程度提高，不利于土壤活性有機(jī)碳氮的固持.由圖3-B可以看出，沿著RDA第一排序軸從左至右，隨著B(niǎo)G-b、TOC和CaS的不斷提高，土壤活性有機(jī)碳和氮含量不斷提高；沿著RDA第二排序軸從上至下，隨棄耕年限不斷延長(zhǎng)，土壤中粘粒和容重逐漸降低，土壤鹽堿化不斷增加，土壤活性有機(jī)碳氮含量不斷減少.

圖3　土壤活性有機(jī)碳氮與土壤其他主要屬性的RDA排序Fig.3　The RDA order for soil active organic caron and nitrogen with the main physical andchemical indicators for all samples

TOCTNBG-bBDSandClaySiltCaSC∶NpHECaPaKMBC0.562**0.548**0.557**-0.125-0.1340.152-0.0650.1340.120.173-0.280*-0.16-0.220MBN0.619**0.503**0.654**-0.209-0.1580.14-0.0210.1580.2680.157-0.333*-0.078-0.165POC0.586**0.466**0.496**-0.092-0.1370.284*-0.1080.277*0.283*-0.056-0.426**0.309*0.084PON0.557**0.439**0.536**-0.261-0.1610.299*0.0410.261*0.277*0.097-0.345*0.2130.130ROC0.419**0.467**0.397**-0.1160.0540.038-0.114-0.0540.0170.143-0.0070.255-0.034MBC/TOC0.294*0.367**0.349**-0.2070.0530.005-0.066-0.053-0.0430.228-0.0740.281*0.086MBN/TN0.342*0.1340.439**-0.405**0.073-0.1170.085-0.0730.349**0.249-0.1840.474**0.332*POC/TOC0.2520.1920.231-0.2210.085-0.016-0.073-0.0850.148-0.022-0.2030.407**0.208PON/TN0.232-0.0010.271*-0.492**0.086-0.1980.185-0.0860.384**0.222-0.1570.274*0.247ROC/TOC0.0920.2470.122-0.1860.269*-0.137-0.109-0.269-0.1820.1680.2650.361**0.086Kos-0.158-0.274*-0.2550.375**-0.20.1190.0580.20.121-0.344*-0.2170.347*0.207

n(樣本數(shù))=54；*表示在0.05水平顯著相關(guān)，**表示表示在0.01水平極顯著相關(guān).

表4　土壤不同土層土壤活性有機(jī)碳和氮和土壤其他理化性質(zhì)逐步回歸分析

***代表極顯著性水平(P<0.001).

3討論

3.1土壤微生物量碳和氮變化及其影響因素

本研究表明，棄耕顯著影響了0～20 cm土層土壤微生物量碳和氮的含量及其分配比例，常規(guī)耕地與長(zhǎng)期棄耕地之間存在顯著性差異(圖1).說(shuō)明農(nóng)田的耕作管理活動(dòng)顯著提高了土壤微生物活性，加速了土壤有機(jī)碳的分解，減弱了農(nóng)田的碳匯功能[20]，棄耕后土壤微生物量碳含量較低.

對(duì)不同有機(jī)質(zhì)含量的土壤進(jìn)行比較時(shí)，作為土壤微生物量碳與總有機(jī)碳的比值，微生物商比有機(jī)碳或微生物量碳更具有一定優(yōu)勢(shì)[21].一般土壤的微生物商值在1%～4%[22]，因?yàn)橥寥李愋汀⒐芾泶胧?、分析方法、采樣時(shí)間等的不同，文獻(xiàn)報(bào)道中微生物商的范圍擴(kuò)大為0.27%～7%[23].有學(xué)者對(duì)我國(guó)土壤微生物商的研究表明，其變幅為1%～5%，這些數(shù)據(jù)與國(guó)外報(bào)道結(jié)果十分的相近[24].本研究中微生物商的范圍為0.97%～5.28%(圖2)，與文獻(xiàn)的報(bào)道數(shù)值范圍相符但稍微偏低，可能的原因是該區(qū)域土壤總有機(jī)碳偏低，而且微生物量碳周轉(zhuǎn)速率快，導(dǎo)致土壤微生物商偏低.

3.2土壤顆粒有機(jī)碳和氮變化及影響因素

而本研究表明，該試驗(yàn)區(qū)長(zhǎng)期棄耕地土壤顆粒有機(jī)碳和氮含量顯著小于常規(guī)耕地和短期棄耕地(圖1)，顆粒有機(jī)碳和氮及分配比例自上向下呈遞減的趨勢(shì).主要原因是，其一，土壤顆粒有機(jī)碳與土壤總有機(jī)碳以及土壤粘粒含量呈顯著或極顯著相關(guān)性.有機(jī)物質(zhì)在粘粒含量低的土壤中分解較快，并隨土壤粘粒含量的增加分解趨于緩慢[25].在相同的氣候和管理?xiàng)l件下，粘粒含量高的土壤往往含有更多的有機(jī)碳，而且能保護(hù)顆粒有機(jī)質(zhì)免于生物降解[26].其二，這應(yīng)該與顆粒有機(jī)碳的來(lái)源有關(guān)[27]，隨著土層深度的增加，植物殘?bào)w輸入量減少，導(dǎo)致外源性有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤顆粒有機(jī)碳的補(bǔ)償減少.

土壤顆粒有機(jī)碳分配比例(POC/TOC)可以表明不同土地管理方式下土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定強(qiáng)度[28]，POC/TOC值大，表明土壤有機(jī)碳比較易被礦化、周轉(zhuǎn)期較短或活性高，值小則表明土壤有機(jī)碳較穩(wěn)定，易被生物所利用.研究表明，顆粒有機(jī)碳的分配比例一般在10%以上[29]，可高達(dá)30%～85%[30]，土壤顆粒有機(jī)氮的分配比例為30%～49%[31].本研究表明，民勤綠洲區(qū)棄耕地土壤顆粒有機(jī)碳和氮的分配比例范圍分別為8.63%～43.57%和8.04～24.41%(圖2)，基本和以往的研究結(jié)果相一致，但PON的分配比例較小，可能的原因是該地區(qū)土壤全氮和活性有機(jī)氮含量都偏低，而且外源性有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤活性有機(jī)質(zhì)的補(bǔ)償不足，導(dǎo)致土壤顆粒有機(jī)氮含量隨棄耕年限的增加而持續(xù)下降.

3.3土壤易氧化碳變化及影響因素

易氧化碳是對(duì)植物和微生物具有較高可利用性的化學(xué)活性組分[32]，主要位于土壤團(tuán)聚體的表面或大團(tuán)聚體之間或處于游離狀態(tài)，容易被氧化分解[33].本研究表明，長(zhǎng)期棄耕地0～20 cm土層土壤易氧化碳含量顯著低于常規(guī)耕地和短期棄耕地，這主要與植物根系分布、產(chǎn)生凋落物數(shù)量和質(zhì)量及其與土壤易氧化碳的相關(guān)程度有關(guān)[34].民勤綠洲區(qū)短期棄耕地和常規(guī)耕地根系分布比長(zhǎng)期棄耕地密，土壤表層形成的殘?bào)w或分泌物多，因此，土壤易氧化碳形成量多.研究結(jié)果顯示，20～40 cm土層易氧化碳含量各棄耕地之間差異不顯著，但其含量和分配比例都高于0～20 cm土層(圖1-2)，說(shuō)明棄耕措施雖然能使20～40 cm土層有機(jī)質(zhì)提高，但其穩(wěn)定性下降.

土壤有機(jī)質(zhì)的氧化穩(wěn)定性是表征土壤有機(jī)碳抵抗氧化分解能力的一種指標(biāo)，是土壤有機(jī)碳的一項(xiàng)重要性質(zhì)[35-36].氧化穩(wěn)定系數(shù)越大，則有機(jī)質(zhì)的氧化穩(wěn)定性越大，反之則越小[37].本研究結(jié)果顯示(圖2)，整個(gè)取樣剖面有機(jī)質(zhì)氧化穩(wěn)定性隨棄耕年限而增加，各土層之間的排序?yàn)?0～60 cm>0～20 cm>20～40 cm，進(jìn)一步證明雖然20～40 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量較高，但其穩(wěn)定性較低，因此，不建議對(duì)該區(qū)域土壤進(jìn)行深耕作業(yè).

4結(jié)論

短期棄耕(3 a)后0～20 cm土層MBC、MBN、POC、PON和ROC分配比例高于常規(guī)耕地(0 a)，并和其他棄耕地構(gòu)成顯著差異(P<0.05).20～40 cm土層，棄耕地土壤POC、PON和ROC分配比例和常規(guī)耕地差異不顯著，但是MBC和MBN的分配比例和常規(guī)耕地差異顯著(P<0.05).棄耕40 a后，深層(40～60 cm)土壤MBC、MBN、POC、PON和ROC的分配比例明顯低于常規(guī)耕地和短期棄耕地(3 a)，但常規(guī)耕地和短期棄耕地(3 a)之間差異不顯著.

棄耕年限，土層以及這兩個(gè)變量的交互作用對(duì)MBC、MBN、POC、PON、Kos和ROC產(chǎn)生極顯著的影響，而棄耕和土層的交互作用對(duì)土壤ROC和Kos不產(chǎn)生影響.

土壤活性有機(jī)碳氮和土壤總有機(jī)碳(TOC)、全氮(TN)以及根生物量(BG-b)呈極顯著正相關(guān).

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(責(zé)任編輯李辛)

Characteristics and influencing factors for soil active organic carbon and nitrogen in abandoned cultivated lands in Minqin oasis

WANG Jun-qiang1,2，SHI Zhi-guo2,ZHAO Xu2,LI Yan-rong2

(1.Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute,Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000,China；2.Gansu Academy of Agricultural Engineering and Technology,Wuwei 733006,China)

Abstract：【Objective】 The aim of this study was to understand the changes of active organic carbon and nitrogen of different soil layers after arable land abandoned in Minqin oasis.【Method】 Based on the field investigation and laboratory analysis,the content of soil microbial biomass carbon(MBC),microbial biomass nitrogen(MBN),particulate organic carbon(POC),particulate organic nitrogen(PON) and easily oxidized carbon(ROC) were measured in abandoned cultivated lands in different years taking cultivated land as control in the Minqin oasis,northwest China.【Result】MBC,MBN,POC,PONandROCpresented significant stratification after cultivated land being abandoned.The distribution ratio ofMBC,MBN,POC,PONandROCat 0～20 cm soil depth were higher than that of cultivated land (0 a) after being abandoned short-term (3 a),and significantly differed from others (P<0.05).At 20～40 cm soil depth,the difference in the distribution ratio ofPOC,PONandROCwere not significantly between abandoned lands and cultivated land,but that ofMBCandMBNdiffered significantly (P<0.05).The coefficient of oxidation stability (Kos) in deeper soil was significantly higher than that of surface and it was significantly higher in long-term-abandoned land than cultivated land and short-term-abandoned land (3 a).【Conclusion】 Abandoned cultivation was in favor of formation and accumulation of active organic carbon and nitrogen at 0～20 cm depth,meanwhile could improve the distribution ratio of active organic carbon and nitrogen and increase organic matter oxidation stability and particularly obvious in deeper soil.

Key words：Minqin oasis;abandoned cultivated land;active organic carbon , active organic nitrogen;soil

通信作者：趙旭，男，碩士，主要從事農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)的研究.E-mail:zhaoxu512@163.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(3156020171)；甘肅省自然科學(xué)基金(1308RJZH222，145RJZH192)；甘肅省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(1104FKCH162).

收稿日期：2016-04-12；修回日期：2016-05-04

中圖分類號(hào)：S 154.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1003-4315(2016)03-0021-10

第一作者：王軍強(qiáng)(1979-)，男，助理研究員，研究方向?yàn)楦珊祬^(qū)土壤學(xué)和恢復(fù)生態(tài)學(xué).E-mail:wangjunq0303@163.com