不同農(nóng)業(yè)土地利用年限干旱區(qū)土壤剖面碳存儲動態(tài)變化

雒 瓊，王玉剛，鄧彩云，牛子儒，李 彥

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不同農(nóng)業(yè)土地利用年限干旱區(qū)土壤剖面碳存儲動態(tài)變化

雒 瓊1,2,3，王玉剛1,2※，鄧彩云1,2,3，牛子儒1,2,3，李 彥1,2

（1. 中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，荒漠與綠洲生態(tài)國家重點實驗室，烏魯木齊 830011； 2. 中國科學(xué)院阜康荒漠生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測站，阜康 831505；3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

干旱區(qū)農(nóng)業(yè)土地開發(fā)利用對土壤碳庫的源匯效應(yīng)一直存有爭議，為研究該過程對土壤剖面碳存儲作用，該文以新疆三工河流域阜北農(nóng)場不同土地開發(fā)利用時段的農(nóng)田為研究對象，對比分析近50 a 0～200 cm土壤剖面有機(jī)碳和無機(jī)碳分布格局及其變化。結(jié)果表明：土壤碳含量隨利用年限增加而增大，但有機(jī)碳與無機(jī)碳變化趨勢相反；長期的農(nóng)業(yè)土地利用顯著影響0～80 cm土壤碳的分布，其變異性在80～100 cm有明顯的突變現(xiàn)象，即變異系數(shù)均減小40%以上；無機(jī)碳與有機(jī)碳的比例隨土層深度和利用年限增加，變化率從荒地的0.028到50 a的0.088（<0.01），增幅達(dá)2.14倍；隨土地利用年限，有機(jī)碳和無機(jī)碳的碳儲效應(yīng)在土層間與時間尺度上不同，但剖面土壤碳密度為典型的碳匯進(jìn)程。研究可為干旱區(qū)農(nóng)業(yè)土地開發(fā)提供依據(jù)。

土地利用；土壤；有機(jī)碳；無機(jī)碳；碳聚積；變異性

0 引 言

溫室氣體排放的增加被認(rèn)為是氣候變暖的主要原因,這使得碳循環(huán)研究成為目前重要的研究方向之一[1]。土壤碳庫作為陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫，同時也是與人類活動聯(lián)系最緊密的一個碳庫，其微小的變化都將對大氣CO2的濃度有著深刻的影響[2]。因此，增加土壤碳匯已經(jīng)被認(rèn)為是換取工業(yè)CO2減排的有效途徑之一[3-4]。隨著人類活動對自然資源利用的逐步加劇，土地開發(fā)利用成為了一個顯著的事實[5]，土地利用方式的改變不僅改變了地表景觀，同時也改變了物質(zhì)的匯集過程，通常這種變化通過改變生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能來影響碳循環(huán)過程，同時也隨著時間的推移不斷影響著土壤碳分布和碳儲格局[6-7]。

在全球碳循環(huán)研究中，干旱區(qū)農(nóng)業(yè)土地利用對土壤碳庫的源匯效應(yīng)一直存有爭議。在農(nóng)業(yè)土地開發(fā)利用對土壤碳儲作用方面的研究，時間尺度上，由于長期定點、定位監(jiān)測通常受制于作物類型、種植方式和管理措施等多個要素，以往的研究多集中在年內(nèi)生長季節(jié)和年際間較小的尺度[8]或更長的地質(zhì)時期的千年時間尺度，而對于近50 a的時序性研究相對較少；土壤剖面上，多選擇表層0～20 cm或1 m的剖面深度[9-10]，并且探討的是不同土地利用類型對土壤碳儲的影響，缺乏剖面層次間的特征分析。對于農(nóng)田土壤，尤其是在干旱區(qū)，土壤背景具有鹽堿性，為了防止土壤鹽漬化的發(fā)生，以往農(nóng)業(yè)灌溉的潤濕深度通常接近或超過1 m范圍。農(nóng)業(yè)灌溉作用的加強(qiáng)帶動了碳向下層的運輸，顯然這種作用顯著增強(qiáng)了深層土壤碳儲。因此，以往用1 m土層厚度來評估區(qū)域土壤剖面碳儲其結(jié)果具有顯著的低估作用[11-12]。由于土壤具有一定的空間異質(zhì)性，不同土地利用方式會影響生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量[13]，同一土地利用類型對于生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的作用也可能不同[14]。顯然，綜合考慮時間尺度和土層厚度，將有助于準(zhǔn)確評估農(nóng)業(yè)土地利用對土壤碳庫的影響。

近50 a以來，西北干旱區(qū)以犧牲荒漠植被為代價所開展的大規(guī)模土地開發(fā)，通過耕作、施肥和灌溉等措施，使原有的荒漠植被逐步被綠洲農(nóng)田所替代，這必然改變土壤剖面的碳儲格局。新疆位于中國西北地區(qū)，是中國最大的干旱區(qū)。隨著人口和經(jīng)濟(jì)的迅猛增長，自20世紀(jì)60年代開始, 新疆大面積土地被開墾，農(nóng)田面積顯著增加[15]。本文以具有典型代表性干旱區(qū)農(nóng)業(yè)土地開發(fā)利用過程的新疆三工河流域阜北農(nóng)場為研究對象，通過對荒地和不同利用年限的農(nóng)田調(diào)查取樣，分析不同土地利用年限0～2 m土壤剖面的碳分布格局和土壤理化性質(zhì)，研究近50 a農(nóng)業(yè)土地開發(fā)利用進(jìn)程中于土壤碳存儲的動態(tài)變化，以期深入了解干旱區(qū)農(nóng)業(yè)土地開發(fā)利用對碳吸收和儲量的影響機(jī)制，并為后備的土地開發(fā)利用和生態(tài)建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地南緣，毗鄰新疆博格達(dá)峰北麓，三工河流域的沖、洪積平原上，地理位置為87°49′E～88°16′E，43°50′N～44°22′N。該區(qū)氣候?qū)儆诟珊荡箨懶詺夂颍邓可?，蒸發(fā)量大，夏季炎熱干燥，冬季嚴(yán)寒。年均氣溫為6.6 ℃，最高氣溫42.3 ℃，最低氣溫-41.5 ℃，多年平均降水約為163 mm，多年平均潛在水面蒸發(fā)量約為900 mm。三工河流域地勢南高北低，由東南向西北傾斜，海拔430～710 m。其中，流域平原區(qū)面積為942 km2，綠洲區(qū)面積為700 km2。

研究區(qū)阜北農(nóng)場地處流域的末端（圖1），建立于1959年，面積約180 km2，至今區(qū)域土地利用已超過50 a，行政區(qū)劃屬于新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)222團(tuán)。區(qū)域內(nèi)主要有潮土、灰漠土、鹽土3種土壤類型。在20世紀(jì)90年代以前，以小麥和玉米糧食作物為主，此后主要以小麥和棉花為主，作物結(jié)構(gòu)調(diào)整主要依據(jù)新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)區(qū)劃。土地耕作的方式為春季種植，秋季翻耕。由于地處古爾班通古特沙漠南緣，土壤相對比較貧瘠。農(nóng)田種植過程中，農(nóng)業(yè)肥料主要以施用化肥為主。由于受水源條件的限制，農(nóng)業(yè)灌溉自2012年以后，由原有的溝、漫灌方式，變?yōu)楦鼮楣?jié)水的滴灌。目前流域內(nèi)耕種面積較大的農(nóng)作物有棉花、小麥、玉米、打瓜，生長季為5—10月，灌溉方式多采用滴灌，耕作為機(jī)耕。原始荒地中的植被主要為琵琶柴（）、梭梭（）、駱駝刺（）以及眾多短命植物。

圖1 阜北農(nóng)場研究區(qū)位置及采樣點位置

1.2 試驗設(shè)計

研究區(qū)域土地的開發(fā)利用均有詳細(xì)的背景記載，并且采用較為統(tǒng)一的集約化管理模式，因此農(nóng)業(yè)土地開發(fā)利用的時間具有梯度性和可比性。研究開始于2015年4月，期間查詢兵團(tuán)222團(tuán)部土地管理部門條田資料并進(jìn)行實地走訪，結(jié)合20世紀(jì)70年代以來不同時段的圖片確定阜北農(nóng)場的土地利用歷史。通過調(diào)查篩選，采樣點土壤類型相同，均為灰漠土，土地利用類型均為農(nóng)業(yè)土地。研究選取土地利用歷史分別為1、5、15、30和50 a的代表性土地以及與樣地土壤類型相同、位置相近、受人為干擾較少的荒地作為參照土地。

1.3 土樣采集和測定分析

由于農(nóng)業(yè)土壤受年際耕作、施肥和管理等影響較大，為避免再次耕作帶來的誤差，土壤樣品采集在2015年農(nóng)業(yè)耕作前（4月20日）完成。分別在不同土地利用年限的農(nóng)田中隨機(jī)選取5塊樣地，設(shè)置10 m′10 m的樣方，按照“Z”型曲線，隨機(jī)選取5個點，利用GPS定位后，用土鉆以20 cm為間隔分層取樣，深度為200 cm。將采集好的土壤帶回實驗室，去除雜物，放置在陰涼的通風(fēng)室自然風(fēng)干后充分研磨、過2 mm篩保存?zhèn)溆谩?/p>

分析方法：參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[16]，土壤無機(jī)碳采用氣量法測定，該方法主要依據(jù)土壤中的碳酸鹽與鹽酸作用產(chǎn)生的氣候體積，根據(jù)二氧化碳在一定溫度和氣壓下的密度，計算得到二氧化碳的質(zhì)量；土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀容量法–外加熱法測定；pH值和電導(dǎo)率采用pH計（雷磁PHS-3C，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司）和電導(dǎo)儀（雷磁DDB-303A，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司，）分別測定5:1水土的浸提液，根據(jù)經(jīng)驗公式[17]換算確定土壤含鹽量。土壤容重采用環(huán)刀法（100 cm3）采集，深度間隔為20 cm，置于烘箱烘干 （105 ℃，24 h）測定?？偺迹╰otal carbon，TC）為有機(jī)碳（soil organic carbon ，SOC）和無機(jī)碳（soil inorganic carbon，SIC）之和。無機(jī)及有機(jī)碳密度[18-19]、鹽分分別為

式中SICD為土壤無機(jī)碳密度，kg/m2；SOCD為土壤有機(jī)碳密度，kg/m2；為土層數(shù)目；SIC為第層土壤無機(jī)碳含量，g/kg；D為第層土壤容重，g/cm3；H為第層土層厚度，cm；為土壤鹽分含量，g/kg；EC1:5為土水為1∶5的土壤浸提液電導(dǎo)率，mS/cm。基于土壤分層特征，研究集中在表層0～20 cm及中層>20～100 cm以及深層>100～200 cm進(jìn)行土樣分析。

采用Excel軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和計算，SPSS19.0和SAS 9.2進(jìn)行統(tǒng)計分析，Origin 2016繪制圖形。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用年限土壤剖面碳分布及其變異性

不同土地利用年限土壤TC分布如圖2所示。

由圖2可得知，TC含量在0～200 cm剖面上總體而言隨深度增加具有明顯的增加趨勢，而且TC隨著土地利用年限的增加而不斷增大，TC質(zhì)量分?jǐn)?shù)由荒地的12.18 g/kg到50 a的16.58 g/kg，在剖面上最高達(dá)到22.64 g/kg。SIC含量在各剖面均顯著表現(xiàn)為上層少下層多的特征，隨著土地利用年限的增加，表層0～20 cm SIC呈現(xiàn)增加-減少的趨勢，在30 a時達(dá)到最大值7.10 g/kg；深層>100～ 200 cm土壤中各土壤剖面（除5 a）上SIC質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著土壤深度的增加表現(xiàn)為逐漸增加的趨勢，最大值為 20.96 g/kg。SOC在剖面上呈現(xiàn)與土壤無機(jī)碳大體相反的趨勢，隨深度增加而減少，其中最大值出現(xiàn)在表層為 9.51 g/kg，最小值出現(xiàn)在深層為1.46 g/kg，并且表層SOC隨著土地利用年限的增加表現(xiàn)為逐漸增大的趨勢。

圖2 不同土地利用年限土壤碳含量分布

對剖面土壤碳含量進(jìn)行變異性分析，如圖3示。在剖面上，土壤碳含量的變異性在80～100 cm有明顯的突變，即變異系數(shù)（coefficient of variation，CV）均減小40%以上，并且有機(jī)碳CV均值大于無機(jī)碳CV，表明有機(jī)碳的變異性要強(qiáng)于無機(jī)碳。在0～60 cm范圍內(nèi)SIC、SOC和TC都出現(xiàn)逐漸增大的趨勢，SOC在40～60 cm深度時達(dá)到最大值51%；深度在80 cm以下CV迅速下降并且呈現(xiàn)“S”型變化趨勢，整體數(shù)值小于35%，屬于弱變異和中等強(qiáng)度變異（當(dāng)CV<10%為弱變異，10%≤CV<100%時為中等變異，當(dāng)CV≥100%時為強(qiáng)變異[20]），表明長期的農(nóng)業(yè)土地開發(fā)利用顯著影響0～80 cm土壤碳的剖面分布。近50 a來，隨土地開發(fā)利用時間的增加，SIC和TC的CV變化趨勢相同，而與SOC的CV變化趨勢相反，即TC和SIC變異性呈現(xiàn)減小-增加的趨勢，在15 a時TC的變異系數(shù)達(dá)到最小值12%，隨后趨于增強(qiáng)，而有機(jī)碳則呈現(xiàn)增加-減小特征，在30 a時達(dá)到最大值74%，隨后趨于減弱（圖3 b）

Note： *，P<0.05; **，P<0.01; Same as below.

2.2 不同土地利用年限土壤無機(jī)碳與有機(jī)碳的關(guān)系

0～100 cm剖面上SIC/SOC比值各剖面大體均表現(xiàn)為隨深度增加而增加的趨勢，且增加幅度較小（圖4 a）。隨著土地利用年限的增加，SIC/SOC的比值在該區(qū)域剖面上逐漸減小，其中在1 a深度為80～100 cm時SIC/SOC值為3.78，大于50 a時相同深度為1.18，是后者的3倍以上；在>100～200 cm剖面上（除5 a），各剖面SIC/SOC均表現(xiàn)為增加趨勢，并且隨著土地利用年限的增加，增加趨勢逐漸變大，其中50 a時140～160 cm土層的SIC/SOC值為11.94，幾乎是荒地相同深度的SIC/SOC比3.16的4倍。對不同土地利用年限剖面上的SIC/SOC進(jìn)行線性回歸得到各土地利用年限擬合曲線（R在[0.73～0.90]之間，<0.05）的斜率，代表剖面比值的變化率。其斜率隨土地年限的變化如圖4b所示，隨著土地利用年限增加，剖面SIC/SOC變化率在逐漸增大，從荒地的變化率0.028到50 a的0.088，增加2.14倍（<0.01），說明近50 a的農(nóng)業(yè)土地開發(fā)利用進(jìn)程中，隨著農(nóng)業(yè)土地利用時間的增加，無機(jī)碳比例增大，表明在干旱區(qū)長期的農(nóng)業(yè)土地利用進(jìn)程中非生物過程顯著增強(qiáng)。

2.3 不同土地利用年限土壤碳密度變化

由表1所示，剖面上SICD隨著深度增加而不斷增大，主要集中>100～200 cm，并且隨著土地利用年限的增加，無機(jī)碳密度逐漸增加，在深層>100～200 cm中，無機(jī)碳密度從土地利用1 a的19.09 kg/m2到50 a的38.37 kg/m2，增長幅度為107%（<0.05）；有機(jī)碳主要儲存在0～100 cm的土壤表層和中層，在近50 a的研究范圍中，有機(jī)碳密度在0～20 cm范圍內(nèi)從荒地的1.35 kg/m2到30 a的2.26 kg/m2，碳密度增加了0.91 kg/m2，在深層>100～ 200 cm有機(jī)碳密度明顯下降。隨著土地利用年限的增加，0～20 cm的總碳密度比例（碳密度比指各土層總碳密度與0～200 cm土層總碳密度之百分比）出現(xiàn)增加-減小的變化，到50 a達(dá)到最小值3.86%；與之相反，>100～ 200 cm的碳密度比例呈現(xiàn)減少-增加的趨勢，并且始終大于56%，在50 a時達(dá)到了81.09%。

圖4 土壤無機(jī)有機(jī)碳比值及其變化率隨土地利用年限的變化

表1 不同土地利用年限各土層土壤無機(jī)碳密度（SICD）、有機(jī)碳密度（SOCD）和總碳密度比（TCD）

注：同列不同字母表明不同土地利用年限顯著差異 (< 0.05)。

Note: Different letters show significant difference (<0.05) among land use years.

以荒地剖面碳密度為對照，由各土地利用年限碳密度減去荒地剖面碳密度即為土壤碳聚集量，如圖5示。在>20～100 cm土壤碳聚集量出現(xiàn)先正后負(fù)的變化，在15 a時達(dá)到最大值7.21 kg/m2；在深層100～200 cm，碳聚集量表現(xiàn)為先負(fù)后正，從1 a的聚集量為-3.02 kg/m2逐漸增加到50 a的16.53 kg/m2，聚集量為1 a的6.5倍（<0.001）。剖面上的碳聚集量隨年限增加而增大，從1 a的0.97 kg/m2到50 a的13.95 kg/m2，表現(xiàn)出明顯的增加趨勢（圖5，<0.01）。通過0～200 cm土層不同時段碳聚積量的數(shù)值擬合，表明在40 a時碳聚集量達(dá)到最高水平14.89 kg/m2，屬于典型的農(nóng)業(yè)碳匯過程。

圖5 不同土地利用年限下剖面碳聚集量變化

2.4 土壤碳含量與鹽分的關(guān)系

隨著土地利用年限的增加，鹽分在各剖面呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，含量均值到50 a時為1.58 g/kg，相比荒地減少了655%（0.001）。對各剖面鹽分含量均值做擬合曲線得到指數(shù)方程，由此得到土地利用年限與鹽分為明顯的相關(guān)性，并且隨著土地利用年限的增加，鹽分減小的幅度不斷降低（圖6 a）。通過鹽分與碳含量的線性擬合（圖6b～圖6d）得出，鹽分與SIC和TC呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)的關(guān)系（<0.05），而與SOC無顯著相關(guān)性（>0.05），說明土壤鹽堿程度與SIC的含量有一定關(guān)系。

圖6 不同土地利用年限的鹽分含量及其與碳含量間的關(guān)系

3 討 論

3.1 農(nóng)業(yè)土地開發(fā)利用對剖面碳含量和碳儲量的影響

耕作、施肥和灌溉是農(nóng)業(yè)土地開發(fā)利用的主要方式，在一定程度上會影響碳儲在層次上的聚積。在該研究50 a范圍中，這3種方式在不斷改變著土壤剖面碳的分布和碳儲量：1）翻耕是新疆農(nóng)田土地的重要管理措施，通過翻耕可以使表層土壤避免結(jié)塊，增加有機(jī)碳的礦化速率[21]。在剖面0～60 cm范圍內(nèi)，SIC和SOC的變異系數(shù)均呈現(xiàn)不斷增加的趨勢，且在60～80 cm深度都達(dá)到了最大值，而在80 cm以下迅速降低至弱變異范圍，變異系數(shù)減小達(dá)40%，這說明農(nóng)業(yè)土地利用主要引起0～80 cm土壤的碳含量變異，這與農(nóng)業(yè)耕作模式基本相同。2）施肥主要是通過提高農(nóng)作物生物產(chǎn)量，增加植物殘渣和根的輸入以及影響土壤微生物的數(shù)量和活性，進(jìn)而影響SOC的生物降解過程這2個方面引起SOC含量的變化[22]。在研究中，在各剖面SOC均表現(xiàn)為最大值出現(xiàn)在表層，并且隨著土地利用年限增加而增大的趨勢，這表明施肥增加了土壤中有機(jī)物的含量，進(jìn)而通過耕作優(yōu)化了土壤結(jié)構(gòu)使其更好的形成土壤團(tuán)聚體，而好的土壤結(jié)構(gòu)會使得更多的SOC出現(xiàn)[23]。Li等[24]通過研究長期施肥對綠洲農(nóng)田土壤SOC的影響也證實了這一結(jié)論。3）灌溉是干旱區(qū)鹽堿土改良必不可少的手段，通過這一手段將土壤中的可溶性鹽不斷向下層輸送。研究得到結(jié)論，在土地利用過程中土壤表層和部分中層SIC含量不斷下降，而深層SIC含量逐漸增加（圖2），其原因一方面是由于溶于水中的無機(jī)碳隨重力向土壤深層運動并且不斷積累，另一方面可能是由于灌溉水中含有大量的鈉離子，而增加鈉離子的含量會使得HCO3-和CO32-的活性不斷增加[21]，因此土壤無機(jī)碳密度和土壤碳密度都隨著土地利用年限的延長而不斷增加（圖5），這一結(jié)論和Wu等[25]的結(jié)論相同。

此外，土壤類型和作物種植類型的差異也會引起土壤碳密度的不同。陳沖等[13]對沖積平原區(qū)碳密度的研究中，證實了不同土壤類型的碳密度存在明顯不同，并且Zhang等[26]認(rèn)為土壤質(zhì)地對土壤碳密度的影響也存在差異。另外，Zanatta等[27]通過對比不同作物類型對土壤有機(jī)碳密度變化的影響表明，不同作物的土壤有機(jī)碳密度變化有顯著差異，這在Xu等[28]關(guān)于中國農(nóng)田耕層土壤有機(jī)碳的研究中也得到了相同結(jié)論。然而，本研究中選取的是具有相同背景土壤類型的樣地，并且研究區(qū)為集約化農(nóng)業(yè)管理的新疆建設(shè)生產(chǎn)兵團(tuán)，其農(nóng)業(yè)作物類型為統(tǒng)一的集約化管理模式。因此，本研究工作的背景基礎(chǔ)在時間上具有梯度性，并且由此量化的剖面土壤碳密度也具有可比性。

通過以上方式的綜合作用，土壤剖面的碳儲效應(yīng)發(fā)生變化（圖5）。Pan等[29]通過對江蘇省表層有機(jī)碳儲量的研究顯示在1950—1970年表層有機(jī)碳儲呈現(xiàn)下降趨勢，是碳流失過程，而在之后表現(xiàn)出持續(xù)上升的趨勢，即碳聚積過程；而在李晨華等[30]的研究中，通過對開墾前后碳儲量的比較，在表層有機(jī)碳儲減少了27%，而在20～250 cm儲量卻明顯增加。這些差異產(chǎn)生的原因就在于研究選擇年限和深度的不同，使碳源/匯作用的結(jié)果發(fā)生了改變。在近50 a的研究范圍中，有機(jī)碳密度在0～ 20 cm范圍內(nèi)從荒地的1.35 kg/m2到30 a的2.26 kg/m2，碳密度增加了0.91 kg/m2，屬于碳匯效應(yīng)；而在50 a時相比于荒地表層有機(jī)碳密度卻減少了0.03 kg/m2，是碳源效應(yīng)。體現(xiàn)在深度上，50 a時0～100 cm的碳密度減少了2.44 kg/m2，是碳源效應(yīng)，在100～200 cm范圍內(nèi)碳密度增加了16.52 kg/m2，屬于碳匯效應(yīng)。整體表現(xiàn)在0～200 cm剖面、50 a的時間序列內(nèi)，土壤碳密度增加了13.95 kg/m2，以此換算，土壤剖面的碳儲平均每年的增加量為280～974 g/(m2·a)，Baker等[31]的研究也說明了在評價土壤匯源效應(yīng)時應(yīng)考慮土壤深層或整個土層。顯然，根據(jù)以上結(jié)論，在考慮足夠深度和足夠的時間序列時，干旱區(qū)長期的農(nóng)業(yè)土地開發(fā)利用進(jìn)程是一個明顯的碳匯過程。

3.2 剖面SOC與SIC之間的關(guān)系

在該研究中，隨著土壤深度的增加SIC含量呈現(xiàn)不斷增大的趨勢，而SOC含量的趨勢與之相反，呈現(xiàn)不斷減小的趨勢（圖2）。隨著土壤剖面深度的增加，SIC/SOC不斷增大，并且隨著土地利用年限的增加，剖面比值的變化率也不斷增大（圖4），這表明隨著剖面深度的增加和土地利用年限的增長，農(nóng)業(yè)土地利用進(jìn)程中土壤無機(jī)過程即土壤非生物作用在增強(qiáng)，而有機(jī)過程即生物過程則減弱[32]。由此，在剖面上SIC與SOC呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系，這與黃斌等[33]的結(jié)論相同。解懷亮等[34]通過研究灌溉淋溶對土壤無機(jī)碳和有機(jī)碳的分布影響，也得出了土壤有機(jī)碳和土壤無機(jī)碳呈顯著負(fù)相關(guān)的結(jié)論。這一現(xiàn)象出現(xiàn)的原因可能是由于在耕作、灌溉等過程中大氣中的CO2溶于水中使得土壤中CO2濃度和土壤含水率容易發(fā)生較大變化，土壤中SOC分解，而分解產(chǎn)生的一部分CO2溶于水生成重碳酸根，當(dāng)與鈣離子結(jié)合時最終轉(zhuǎn)化成沉積型碳酸鹽，這一過程形成土壤內(nèi)部的“SOC—CO2— SIC”微碳循環(huán)系統(tǒng)[2]。但是也有一部分研究的結(jié)論與上述結(jié)論相反，Wang等[35]在新疆和甘肅關(guān)于農(nóng)田土壤碳的研究表示土壤無機(jī)碳和有機(jī)碳呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，這一點在Guo等[19]的結(jié)論中也得到了認(rèn)可，而這一矛盾結(jié)果出現(xiàn)的原因可能是由于不同的氣候條件和土壤性質(zhì)使碳酸鹽的形成發(fā)生逆向反應(yīng)，從而影響了土壤碳的運輸和累積過程。

3.3 鹽分與土壤碳含量的關(guān)系

鹽堿性是干旱區(qū)土地的普遍屬性，在農(nóng)業(yè)開發(fā)利用的過程中，通過灌溉控制土壤的鹽分是保證農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必要手段。在研究中已得到結(jié)論，在整個剖面上，隨著土地利用年限的增加，鹽分的含量相對減少（圖6 a，<0.05）。周麗等[36]通過對三工河流域不同土地利用歷史的土壤鹽分進(jìn)行研究得到了相同的結(jié)論。另外在研究中通過對鹽分與碳含量的擬合曲線（圖6）得到鹽分分別與TC和SIC之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系（< 0.05），而與SOC無明顯相關(guān)性（>0.05），Zhao等[37]通過研究鹽分對0～30 cm碳含量和儲量的影響也得到了相同的結(jié)論，這一方面可能由于鹽分含量降低對于SIC中主要成分CaCO3形成過程中的鹽離子的抑制作用減?。涣硪环矫?，Setia 等[38]在研究中得到了鹽分和有機(jī)物質(zhì)的分解速率有著明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，這主要是由于鹽分含量降低對土壤中的植物和微生物的呼吸、消化分解等過程的鹽毒害作用減少，從而增加了土壤生物的活動，提高了土壤中有機(jī)物向無機(jī)物的轉(zhuǎn)化過程，從而使SIC含量升高。但貢璐等[39]通過對塔里木盆地南緣典型綠洲SOC和SIC的環(huán)境因子進(jìn)行冗余分析，得到了鹽分與SIC呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，就這一現(xiàn)象目前沒有明確的解釋。但有研究表明[40]，干旱區(qū)土壤可能通過非生物作用固定大部分無機(jī)碳。與金雯暉等[41]通過研究0～30 cm土層得到的鹽分與SOC負(fù)相關(guān)結(jié)論不同，本文得到鹽分與SOC無顯著相關(guān)性（>0.05），這一現(xiàn)象出現(xiàn)的可能是由于研究剖面深度不同，在0～200 cm的范圍中，SOC在各層的主要影響因子都不相同，而綜合反映在整個剖面上就表現(xiàn)為鹽分與SOC無明顯相關(guān)性。

4 結(jié) 論

1）在干旱區(qū)長期農(nóng)業(yè)土地利用進(jìn)程中，土壤碳含量隨土地利用年限的延長而不斷增加。土壤無機(jī)碳含量和有機(jī)碳含量隨深度有著相反的變化趨勢，最大值分別出現(xiàn)在深層的20.96 g/kg和表層的9.51 g/kg。

2）土壤碳含量的變異系數(shù)在剖面上有明顯的分層現(xiàn)象，在0～60 cm土壤碳變異系數(shù)逐漸增大至中等強(qiáng)度變異，在80 cm以下迅速降低40%以上，并且呈現(xiàn)“S”型分布，表明干旱區(qū)人類活動對土壤碳分布影響效果顯著，并且隨土地利用時間的延長，無機(jī)碳的變異性趨于增強(qiáng)，而有機(jī)碳趨于減弱。

3）SIC/SOC隨剖面深度不斷增加，且隨土地利用年限的延長，剖面SIC/SOC變化率從荒地的0.028到50 a的0.088（<0.01），說明干旱區(qū)SIC的比例隨深度和年限逐漸加大，無機(jī)作用即非生物作用隨年限逐漸增強(qiáng)。

4）在干旱區(qū)近50 a農(nóng)業(yè)土地開發(fā)利用進(jìn)程中，剖面土壤碳儲顯著增加，土壤無機(jī)碳儲和有機(jī)碳儲主要分別集中在>100～200和0～100 cm，但在層次上不同時段的碳源/匯特征卻不同，因此不能分割層次間和時間尺度上的碳儲效應(yīng)。

從碳循環(huán)角度來看，干旱區(qū)長期的農(nóng)業(yè)土地利用過程為明顯的碳匯過程，但是短期的農(nóng)業(yè)土地利用（小于5 a）過程卻沒有顯著的碳匯效應(yīng)，因此短時間內(nèi)大面積的農(nóng)業(yè)土地開發(fā)并不是增加農(nóng)業(yè)碳匯的最好措施。建議控制農(nóng)業(yè)土地開發(fā)面積以及避免選擇在長期農(nóng)業(yè)土地上進(jìn)行退耕還林，以期能夠在此研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步增大研究的時間尺度，為干旱區(qū)農(nóng)業(yè)碳匯提供指導(dǎo)。

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Dynamics of soil carbon storage under different land use years in arid agriculture

Luo Qiong1,2,3, Wang Yugang1,2※, Deng Caiyun1,2,3, Niu Ziru1,2,3, Li Yan1,2

(1.830011,;2.831505,;3.100049,)

The impact of agricultural land use on soil carbon storage is one of the international scientific focuses in climate-change mitigation. Aimed to understand the effect of agricultural land development and utilization on soil carbon storage, a study was conducted in different period of farmland at the Fubei Farm of Sangong River Basin in Xinjiang, northwest of China (87°49￠-88°16￠E, 43°50￠-44°22￠N). The agricultural lands were selected within different land use years such as 1, 5, 15, 30 and 50 a in the studied area, and the wasteland with little disturbance was selected as a reference land in the same soil type and near position of cropland. Soil samples from these sites were obtained by handy soil auger at 20 cm intervals in a depth of 200 cm and analyzed in the laboratory. Samples were air-dried and crushed to pass through a 2-mm mesh. The patterns of soil carbon storage and its dynamic change were analyzed and compared with the depth of 0-200 cm in recent 50 years, including soil organic carbon, soil inorganic carbon and soil salinity. The results revealed the following: 1) Soil carbon content generally increased with land use years. Soil inorganic carbon content changed by soil depth, with a maximum value of 20.96 g/kg at 180-200 cm. Soil organic carbon presented an opposite trend with the maximum value of 9.51 g/kg at 0-20 cm; 2) In the soil profile, The coefficients of variation of soil carbon content (including organic carbon and inorganic carbon) was gradually increased to moderate intensity variation in 0-80 cm, and then rapidly reduced by more than 40% underneath 80 cm, indicating that the long-term agricultural land development and utilization in arid area had a significant impact on the distribution of soil carbon at 0-80 cm. The variability of soil inorganic carbon and soil total carbon tended to be enhanced with the land use years, while the organic carbon tended to weaken in recent 50 years; 3) The ratio of SIC to SOC increased with the depths of soil layer, and it changed from 0.028 in wasteland to 0.08 in 50 years of cropland (<0.01). It suggested that the proportion of soil inorganic carbon increased with soil depth and land use years, indicating the role of soil inorganic carbon was enhanced in the long-term agricultural land use process in arid area; 4) During the development and utilization of agricultural land in the past 50 years, the soil carbon storage increased significantly at 0-200 cm depth of soil profile, which was a typical process of carbon sequestration in the studied area. The increased soil inorganic carbon storage and organic carbon storage were mainly showed in 100-200 cm and 0-100 cm respectively. But the amounts of carbon source/sink were different in the soil layer and land use years; 5) Soil salinity showed a decreasing trend along with land use years. Compared to value in wasteland, soil salinity decreased by 655% in land use of 50 a (<0.001). The linear fitting of salinity and carbon content showed that there was a significant negative correlation between salinity and soil inorganic carbon and total carbon (<0.10), while no significant correlation with the soil organic carbon (>0.05). The results showed that the agricultural use leads to an obvious C sink in the soil only in the long term.

land use; soils; organic carbon; inorganic carbon; carbon accumulation; variation

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.19.037

S153.6

A

1002-6819(2017)-19-0287-08

2017-03-23

2017-08-10

新疆自治區(qū)杰出青年科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)項目（2014711009）；國家自然科學(xué)基金項目（41371200、41671114）；西部之光項目（2015-XBQN- A-06）。

雒 瓊，新疆烏魯木齊人，主要從事土壤生態(tài)研究。 Email：luoqiong15@mails.ucas.ac.cn。

※通信作者：王玉剛，新疆石河子人，副研究員，博士，主要從事干旱區(qū)景觀地理與土壤碳循環(huán)方面研究。Email：wangyg@ms.xjb.ac.cn。