典型干旱荒漠綠洲區(qū)不同年限棗園土壤碳庫(kù)特征

孫霞++杜俊龍++黃長(zhǎng)福++李志軍++金俊香

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2016.10.139

摘要：為揭示干旱荒漠綠洲區(qū)不同種植年限棗園土壤碳庫(kù)的變化特征，以新疆南部典型干旱荒漠區(qū)麥蓋提縣棗園為研究對(duì)象，采用野外采樣和室內(nèi)分析方法，研究不同種植年限下棗園土壤碳庫(kù)變化特征。結(jié)果表明：隨著種植年限的增加，棗園土壤活性碳、土壤非活性碳表現(xiàn)為先增長(zhǎng)后下降的趨勢(shì)，總體表現(xiàn)為10年>15年>5年>3年；隨著種植年限的增加，碳庫(kù)管理指數(shù)（CPMI）有所增長(zhǎng)，10年時(shí)增幅最大，15年次之，3年最小；各土層碳庫(kù)活度（A）隨種植年限的增加變化不大；各土壤深度的碳庫(kù)指數(shù)（CPI）有不同程度地變化，碳庫(kù)活度與活性有機(jī)碳、非活性有機(jī)碳極顯著相關(guān)，與有機(jī)碳顯著相關(guān)，碳庫(kù)管理指數(shù)（CPMI）與碳庫(kù)活度指數(shù)（AI）和碳庫(kù)指數(shù)（CPI）極顯著相關(guān)。

關(guān)鍵詞：種植年限；土壤有機(jī)碳；碳庫(kù)活度；碳庫(kù)管理指數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)： S153.6+1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2016）10-0484-03

收稿日期：2015-09-01

基金項(xiàng)目：新疆維吾爾自治區(qū)高?？蒲杏?jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（編號(hào)：XJUEDU2013I15）；新疆維吾爾自治區(qū)土壤學(xué)重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目；新疆維吾爾自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室干旱區(qū)土壤與植物生態(tài)過(guò)程實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合資助。

作者簡(jiǎn)介：孫霞（1975—），女，江蘇建湖人，博士，副教授，主要從事果園土壤質(zhì)量研究。E-mail：sunxia1127@163.com。土壤有機(jī)碳是土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)，是全球碳循環(huán)和氣候變化研究的核心內(nèi)容。活性有機(jī)質(zhì)是土壤有機(jī)質(zhì)的活性部分，它是指土壤中有效性較高，易被土壤微生物分解礦化，對(duì)植物養(yǎng)分供應(yīng)有最直接作用的有機(jī)質(zhì)[1-4]。Lefroy等研究認(rèn)為，能被333 mmol/L KMnO4氧化的土壤有機(jī)碳為活性有機(jī)碳，不能被氧化的為非活性有機(jī)碳，并提出土壤碳庫(kù)管理指數(shù)的概念[5]。碳庫(kù)管理指數(shù)是土壤生態(tài)系統(tǒng)碳動(dòng)力學(xué)變化的一個(gè)指標(biāo)，表示土壤生態(tài)系統(tǒng)對(duì)不同管理措施下碳的響應(yīng)，結(jié)合了人為影響下的土壤碳庫(kù)指標(biāo)和碳庫(kù)活度，反映了外界管理措施對(duì)土壤有機(jī)碳總量的影響，也反映了土壤有機(jī)碳各組分的變化情況，故能夠較全面和動(dòng)態(tài)地反映外界條件對(duì)土壤有機(jī)碳性質(zhì)的影響[6-7]。目前，國(guó)內(nèi)已對(duì)不同施肥、不同地帶典型土壤的有機(jī)碳活性組成和碳庫(kù)管理指數(shù)已有報(bào)道，多集中于農(nóng)田管理措施，包括耕作方式[7-9]、施肥[6，10]以及秸稈覆蓋[11-12]、土地利用變化[13-14]等，而關(guān)于對(duì)果園土壤有機(jī)碳及碳庫(kù)管理指數(shù)的研究報(bào)道不多。

位于塔里木盆地麥蓋提縣是新疆紅棗生產(chǎn)基地之一，種植紅棗歷史久遠(yuǎn)，棗園種植管理已形成了較為成熟的體系。果園土壤擾動(dòng)較農(nóng)田少，有利于土壤有機(jī)碳的累積，且果樹(shù)生產(chǎn)具有較高的經(jīng)濟(jì)附加值，施肥量一般較農(nóng)田高并具備土壤有機(jī)碳累積的條件，研究果園土壤活性有機(jī)碳特征以及碳庫(kù)管理指數(shù)，不僅是揭示果園土壤質(zhì)量演化趨勢(shì)的需要，也是探索不同生態(tài)環(huán)境條件下土壤碳素平衡機(jī)理、以及獲得土壤碳素累積措施的迫切需求。本研究分析了典型干旱荒漠綠洲區(qū)活性有機(jī)碳、非活性有機(jī)碳及其碳庫(kù)管理指數(shù)的變化趨勢(shì)，豐富土壤碳庫(kù)平衡理論，為該地區(qū)果業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1研究區(qū)概況與方法

1.1研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于新疆南部喀什地區(qū)麥蓋提縣新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)45團(tuán)果樹(shù)連，地理位置為77°28′～79°05′E，38°25′～39°22′N(xiāo)，位于塔里木盆地西部，葉爾羌河下游和提孜那甫河下游。屬溫帶大陸性干燥氣候，熱量豐富、日照充足、晝夜溫差大，年均日照2 806 h以上，降水量39.4 mm，年積溫 4 550 h 以上，平均氣溫22.4 ℃，無(wú)霜期214 d。果園由連隊(duì)統(tǒng)一管理，棗園種植背景、管理方式、施肥、灌溉幾乎一致，土壤的基本性狀、理化性質(zhì)很相似，該地區(qū)種植土壤為粉沙土，通透性好，種植品種均為灰棗。土壤有機(jī)質(zhì)含量9.47 g/kg、速效氮含量22.10 mg/kg、速效磷含量14.71 mg/kg、速效鉀含量120.66 mg/kg，pH值為8.14，總鹽含量3.46 g/kg。

1.2研究方法

1.2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)采樣時(shí)間在2014年4月果樹(shù)萌發(fā)期進(jìn)行，采樣地點(diǎn)位于45團(tuán)果樹(shù)連，以種植年限3、5、10、15年生棗樹(shù)為研究對(duì)象，各年限果園面積4～6.67 hm2，各年限棗園里選取長(zhǎng)勢(shì)、大小、樹(shù)相等一致有代表性的棗樹(shù)各3棵，與樹(shù)冠垂直投影范圍內(nèi)距樹(shù)干2/3處作為布設(shè)采樣點(diǎn)，挖取1 m深土壤剖面，按照0～5、5～10、10～20、20～30、30～50、50～70、70～100 cm間距逐層采集土樣，同時(shí)各層用環(huán)刀取原狀土測(cè)定土壤容重，共3次重復(fù)，編號(hào)后置于密封袋帶回實(shí)驗(yàn)室分析。

1.2.2測(cè)定指標(biāo)與方法土壤有機(jī)碳含量的測(cè)定用重鉻酸鉀外加熱法，土壤活性有機(jī)碳含量的測(cè)定采用KMnO4氧化法，以撂荒地土壤為參考土壤，土壤碳庫(kù)計(jì)算方法如下：

土壤非活性碳含量=土壤有機(jī)碳含量-土壤活性碳含量；

碳庫(kù)活度（A）=活性碳含量/非活性碳含量；

碳庫(kù)活度指數(shù)（AI）=碳庫(kù)活度/參考土壤碳庫(kù)活度；

碳庫(kù)指數(shù)（CPI）=土壤有機(jī)碳含量/參考土壤有機(jī)碳含量；

碳庫(kù)管理指數(shù)（CPMI）=碳庫(kù)指數(shù)×碳庫(kù)活度指數(shù)×100[6]；

1.2.3數(shù)據(jù)處理用SPSS 22.0和Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，多重比較采用Duncans法，Orgin 8制圖。

2結(jié)果與分析

2.1不同種植年限土壤活性碳變化趨勢(shì)及特征

由圖1可見(jiàn)，棗園土壤活性碳含量介于0.27～0.88 g/kg之間，平均含量為0.59 g/kg，其中最大值是最小值的3.26倍。4種年限的棗園土壤活性碳平均含量在0.53～0.64 g/kg 之間，總體上顯示出先增加后減少的趨勢(shì)，其中10年果園達(dá)到最大值0.64 g/kg，3年時(shí)含量最少，為0.53 g/kg。進(jìn)一步對(duì)不同年限的棗園土壤活性碳含量進(jìn)行分析可知，在0～5、5～10、10～20、20～30、30～50 cm的層次上土壤活性碳含量增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯，而在50～70、70～100 cm雖然有所增長(zhǎng)但趨勢(shì)并不明顯。在時(shí)間尺度上，棗園土壤活性碳含量表現(xiàn)為先增加后減少的趨勢(shì)，總體表現(xiàn)為10年>15年>5年>3年。從圖1還可以看出，棗園土壤活性碳含量表層最大，隨著土層厚度的增加呈現(xiàn)出逐層降低的趨勢(shì)且降低幅度各不相同，在0～30 cm之間降幅比較大，而30～100 cm時(shí)降幅有所下降但幅度不大。在30～100 cm范圍上土壤活性碳含量隨年限增長(zhǎng)表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，在10年時(shí)達(dá)到最大。

2.2不同種植年限土壤非活性碳變化趨勢(shì)及特征

由圖2可見(jiàn)，4種年限的棗園土壤非活性碳平均含量在4.67～5.25 g/kg之間，隨種植年限的增加，總體上表現(xiàn)出先增加后減少的趨勢(shì)，其中10年果園達(dá)到最大值，3年時(shí)為最小。對(duì)不同年限的棗園土壤非活性碳含量進(jìn)行分析可知，在0～5、5～10、20～30 cm的層次上土壤非活性碳含量增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯，而在10～20、30～50、50～70、70～100 cm雖然有所增長(zhǎng)但增長(zhǎng)的趨勢(shì)不明顯。棗園土壤非活性碳含量在時(shí)間尺度上表現(xiàn)為先增加后有所減少的趨勢(shì)，總體表現(xiàn)為10年>15年>5年>3年。對(duì)同一種植年限不同深度土層進(jìn)行分析，棗園土壤非活性碳含量表層最大，隨著土層厚度的增加呈現(xiàn)出逐層降低的趨勢(shì)且降低幅度各不相同，在0～30 cm之間降幅比較大，而30～100 cm時(shí)降幅有所下降但幅度不大。

2.3不同種植年限下棗園土壤碳庫(kù)指標(biāo)變化

果園土壤有機(jī)碳主要來(lái)源于根系分泌物，并且大多轉(zhuǎn)化成非活性部分貯存于土壤中。土壤碳庫(kù)活度是土壤活性有機(jī)碳和非活性有機(jī)碳含量的比值，它用來(lái)反映土壤碳素活躍程度，碳庫(kù)活度越大，表示有機(jī)碳越容易被微生物分解，土壤質(zhì)量越高[15-16]。從表1可以看出，隨土壤深度的增加，土壤碳庫(kù)活度相同年限不同土壤層次表現(xiàn)不盡相同，總體表現(xiàn)為先

增加后減少。各年限果園各土層有機(jī)碳含量的變幅不一致，其中0～20、70～100 cm土層相對(duì)穩(wěn)定。各種植年限土壤碳庫(kù)活度的最大值均出現(xiàn)在10～20 cm土層，說(shuō)明棗園土壤體系中10～20 cm層次土壤質(zhì)量較高，隨著土壤深度增加，土壤質(zhì)量呈下降趨勢(shì)；隨種植年限的增加，各個(gè)層次的土壤碳庫(kù)活度變化不大。

隨著土壤深度的增加，相同年限不同土壤層次的碳庫(kù)指數(shù)有不同程度地變化；同一年限不同土壤深度的碳庫(kù)指數(shù)變化也不相同，最大值為1.18，最小值為0.88；隨著種植年限的增加，各土壤深度的碳庫(kù)指數(shù)，除10年土壤深度20～30 cm與5年土壤深度50～70 cm、70～100 cm，碳庫(kù)指數(shù)略有下降外，其他表現(xiàn)為增大趨勢(shì)，與3年相比，5、10、15年分別增加1.8%、56%、17.5%。

碳庫(kù)管理指數(shù)除在種植年限10年，土壤深度30～50 cm處表現(xiàn)出最大值外，其他種植年限為15年時(shí)，碳庫(kù)管理指數(shù)達(dá)到最大值。較3年相比，5、10、15年的CPMI分別增加163%、158%、26.5%。

表2顯示，碳庫(kù)活度與活性有機(jī)碳含量、非活性有機(jī)碳含量極顯著相關(guān)，與有機(jī)碳含量顯著相關(guān)，且與有機(jī)碳含量的相關(guān)系數(shù)大于非活性有機(jī)碳含量。碳庫(kù)管理指數(shù)與碳庫(kù)活度指數(shù)和碳庫(kù)指數(shù)極顯著相關(guān)。

3結(jié)論與討論

影響土壤活性有機(jī)碳的因素有很多，例如土壤環(huán)境因子、土地利用方式以及施肥等土壤管理措施，通過(guò)影響土壤有機(jī)碳的輸入量、轉(zhuǎn)化速率以及輸出量，都會(huì)引起土壤活性有機(jī)碳含量的變化。本研究發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)土壤活性碳和非活性碳活性都較低，這與當(dāng)?shù)赝寥佬再|(zhì)與果園管理有關(guān)。從本試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，樹(shù)齡為10年時(shí)，土壤中活性碳以及非活性碳含量達(dá)到最高，到15年時(shí)開(kāi)始下降，表明隨著棗樹(shù)種植年限逐步增加，土壤活性碳以及非活性碳含量也增加，棗樹(shù)在10年樹(shù)齡時(shí)土壤有機(jī)碳活性達(dá)到最大，對(duì)果園土壤有機(jī)碳的積累效率也最大。種植年限超過(guò)10年時(shí)，有機(jī)碳活性和有機(jī)碳的增長(zhǎng)效率開(kāi)始下降。這與甘卓婷等的研究結(jié)果[17]相似，不同的是甘卓婷認(rèn)為15年時(shí)，果園對(duì)有機(jī)碳的積累效率最大。在長(zhǎng)期的果園利用中，果園土壤碳素水平在不同年限間存在差異，年限之間的差異可能與研究對(duì)象、氣候、地域環(huán)境的不同有關(guān)。

碳庫(kù)管理指數(shù)結(jié)合了土壤碳庫(kù)指數(shù)和土壤活度指數(shù)，所以它既反映了外界管理措施對(duì)土壤有機(jī)碳總量的影響，也反映了土壤有機(jī)碳各組分的變化情況。碳庫(kù)管理指數(shù)上升則表明土壤肥力上升，下降則表明土壤肥力開(kāi)始下降。通過(guò)對(duì)不同種植年限棗園土壤碳庫(kù)管理指數(shù)進(jìn)行分析，研究區(qū)棗園土壤肥力隨種植年限的增加而有所變化，表現(xiàn)為15年最大（除土壤深度30～50 cm外），10年與15年差異不大，表明棗園棗樹(shù)生產(chǎn)力在10年時(shí)最大，樹(shù)齡超過(guò)10年以后棗園土壤碳積累趨于平緩，3～10年樹(shù)齡的棗樹(shù)處于上升期，其生產(chǎn)力旺盛，有機(jī)碳積累能力最強(qiáng)。因此，在植果期間更應(yīng)該注重深層土壤的管理。

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