商丘市區(qū)不同土地利用方式對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響

文孝麗，朱新玉

(商丘師范學(xué)院 測(cè)繪與規(guī)劃學(xué)院，河南 商丘 476000)

土壤有機(jī)碳(SOC)是土壤固相部分的重要組成成分，是一種穩(wěn)定而長(zhǎng)效的碳源物質(zhì)，是土壤氮、磷最重要的營(yíng)養(yǎng)庫(kù).SOC經(jīng)礦質(zhì)化過(guò)程釋放大量的營(yíng)養(yǎng)元素為植物生長(zhǎng)提供養(yǎng)分，對(duì)土壤物理、化學(xué)、生物特征的變化起著重要作用.土壤可溶性有機(jī)碳(DOC)在土壤全碳含量中所占的比例很小，但卻是土壤有機(jī)質(zhì)中最為重要和活躍的部分[1]，在土壤中移動(dòng)較快、不穩(wěn)定、易于氧化分解，是SOC中最易被植物和微生物利用的部分[2]，在土壤生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過(guò)程中具有重要作用.

土地利用方式是影響農(nóng)田土壤養(yǎng)分含量的重要因素之一，不同的土地利用方式改變著土壤原有的物質(zhì)循環(huán)過(guò)程，故土地利用方式的變化會(huì)對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)及儲(chǔ)量的變化有著重要的影響.SOC、DOC作為土壤中最活躍的組分，對(duì)土地利用方式變化的響應(yīng)較其它土壤因子更為迅速和敏感[1].土地利用方式的變化不僅直接改變土壤有機(jī)質(zhì)的含量和分布，而且還通過(guò)影響土壤有機(jī)質(zhì)的形成和轉(zhuǎn)化因子來(lái)改變土壤有機(jī)質(zhì)的含量與分布[3].

目前，國(guó)內(nèi)外的研究中，主要關(guān)注了SOC和DOC在荒地、林地、農(nóng)田等不同生態(tài)系統(tǒng)土壤中的積累過(guò)程、分解、轉(zhuǎn)化及其影響機(jī)理等[1].研究認(rèn)為在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過(guò)程中，作為易被微生物利用的重要碳源，SOC、DOC主要來(lái)源于腐殖化的有機(jī)質(zhì)，其在土壤中的積累與土壤中的微生物活性密切相關(guān)[1].近年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)SOC、DOC展開(kāi)了較多研究，但主要集中在森林和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，關(guān)于不同土地利用方式對(duì)SOC、DOC含量的影響研究仍不是很全面.鑒于此，為探討不同土地利用方式對(duì)SOC和DOC含量的影響，本研究以商丘市區(qū)為研究對(duì)象，通過(guò)野外實(shí)地采樣及實(shí)驗(yàn)室分析，研究不同土地利用方式下SOC、DOC的含量及其變化，探討SOC及DOC對(duì)當(dāng)?shù)貛追N主要土地利用方式的響應(yīng)及其兩者之間的關(guān)系，為合理開(kāi)發(fā)和利用商丘市區(qū)土地資源提供理論依據(jù).

1 研究區(qū)域及研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究地點(diǎn)為位于河南省東部的商丘市(114°49′～116°39′ E，33°44′～34°52′ N)，全市總面積為10704 km2，約占河南省總面積的6.4 %，東西橫跨168 km，南北縱貫128 km.商丘屬淮河流域，河流大多呈西北東南流向，大致平行相間分布，多屬季節(jié)性雨源型，地勢(shì)基本平坦，由西北向東南微傾.該地氣候?qū)倥瘻貛О霚貪?rùn)大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，雨熱同期，夏季降水量最多，冬季降水量最少.年平均氣溫14.2 ℃，一般最高溫度39 ℃，一般最低溫度零下9 ℃.年平均降水量623 mm，年平均日照時(shí)數(shù)1944 h，無(wú)霜期約211 d.該區(qū)土壤耕層較厚，以潮土、石灰性砂姜黑土、鹽土和堿土等土壤類型為主，土壤肥沃[4].

1.2 研究方法

1.2.1 樣本采集

土壤樣品采自商丘市區(qū)，共選擇林地、農(nóng)田、荒地三種土地利用方式，其中林地為暖溫帶落葉闊葉林，主要樹(shù)種是楊樹(shù)；農(nóng)田為玉米地；荒地為棄耕多年的土地，地面植被為生長(zhǎng)旺盛的雜草，無(wú)灌木和喬木.林地和荒地?zé)o人為活動(dòng)的管理和干擾.每種土地利用方式選擇3個(gè)樣地(分別選擇中、西、南三個(gè)不同的方位)，每個(gè)樣地設(shè)置3個(gè)采樣點(diǎn)，利用挖剖面取樣法在各采樣點(diǎn)分層取0-10 cm、10-20 cm的土樣.土樣采好后，馬上帶回實(shí)驗(yàn)室，除去其中礫石、植物根系和一些可見(jiàn)的動(dòng)物殘?bào)w，將土壤風(fēng)干研磨后過(guò)孔徑0.15 mm的篩.

1.2.2 測(cè)定方法

土壤有機(jī)碳的測(cè)定：采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法[5]，首先稱取0.5 g土樣，加入10 ml濃度為1 mol/L的(1/6 K2Cr2O7)溶液，再加入20 ml濃H2SO4，使其混合均勻，冷卻后加入鄰菲羅啉指示劑，用濃度為0.5 mol/L的FeSO4標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，直至溶液顏色變成磚紅色.

土壤可溶性有機(jī)碳的測(cè)定：首先將5 g干土與蒸餾水混合搖勻(土水比例為1∶5)，在溫度為25 ℃的狀態(tài)下，使用震蕩機(jī)振蕩1 h(速度為250 r/min)，然后在轉(zhuǎn)速為15000 r/min離心10 min，然后使用0.45 μm的濾膜過(guò)濾上部懸浮液，最后用高溫外熱重鉻酸鉀氧化法測(cè)定濾液[6].

土壤容重測(cè)定：采用環(huán)刀法[6]，環(huán)刀容積為100 cm3，將所采土樣放烘箱烘干，環(huán)刀內(nèi)干土重(g)=環(huán)刀與干土重量(g)-環(huán)刀重量(g)，土壤容重(g/cm3)=環(huán)刀內(nèi)干土重(g)/環(huán)刀容積(cm3).

土壤水分測(cè)定：采用恒溫箱烘干法[7]，土壤含水率(%)=(濕土重-烘干土重)/土壤干重(g)×100%.

1.3 數(shù)據(jù)分析

用SPSS 24.0 對(duì)不同土地利用方式之間以及同一土地利用方式不同土層深度之間的土壤DOC含量和 SOC 含量分別進(jìn)行方差分析(ANOVA)，當(dāng)其通過(guò)方差齊次性檢驗(yàn)時(shí)，則進(jìn)行均值間最小顯著差異法(Least- Significant Difference，LSD)檢驗(yàn)；若其不能通過(guò)方差齊次性檢驗(yàn)，則采用 Tamhane’s T2進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn).文章插圖中字母相同代表差異不顯著(P>0.05)，字母不同代表差異顯著(P<0.05).不同土地利用方式下土壤理化性質(zhì)間的相關(guān)性用Pearson相關(guān)系數(shù)法進(jìn)行分析.

所有數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析與檢驗(yàn)均采用Excel 2010與SPSS 24.0軟件進(jìn)行，采用Origin9.0進(jìn)行繪圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用方式土壤水分含量及容重

由表1可以看出，農(nóng)田和林地的土壤水分含量隨著土層的加深呈現(xiàn)出逐漸變小的趨勢(shì)，而荒地的土壤水分含量隨土層的加深而增加，這可能是因?yàn)榛牡刂脖桓采w度低，表層土壤受到風(fēng)力侵蝕，從而導(dǎo)致0-10 cm土層的土壤水分含量低于10-20 cm土層.

表1 不同土地利用類型土壤水分含量及容重

隨土層深度的增加，林地土壤的水分含量變化幅度最大，這與地表植被的種類及覆蓋度有關(guān).林地的植被覆蓋程度相對(duì)較高，地表根系發(fā)達(dá)，涵養(yǎng)水分能力較強(qiáng)，因此林地的土壤水分含水量最多；農(nóng)田次之；荒地最少.商丘市南部地區(qū)的這三種土地利用方式的土壤水分含量整體高于中部和西部地區(qū)，這與商丘市呈西北高，東南低的微傾地勢(shì)有關(guān).這三種土地利用方式的土壤容重變化趨勢(shì)則與土壤水分含量變化趨勢(shì)相反，即農(nóng)田和林地的土壤容重隨著土層的加深呈現(xiàn)出逐漸變大的趨勢(shì)，荒地的土壤容重隨土層的加深而減少.

2.2 不同土地利用方式對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響

土地利用方式不同，土壤有機(jī)碳含量有明顯差異.在0-10 cm土層中，農(nóng)田和荒地、農(nóng)田和林地的SOC含量無(wú)顯著差異(P>0.05)，荒地和林地的SOC含量具有顯著差異(P<0.05)，表現(xiàn)為林地的SOC含量大于荒地.在10-20 cm土層中，三種不同土地利用方式的SOC含量無(wú)顯著差異(P>0.05).在0-20 cm的整個(gè)土層中，農(nóng)田和荒地的SOC含量無(wú)顯著差異(P>0.05)，而林地的SOC含量在0-10 cm和10-20 cm土層中有顯著差異，表現(xiàn)為10-20 cm土層中的林地的SOC含量遠(yuǎn)低于0-10 cm土層.

從圖 1可以看出，在0-10 cm土層中，林地的SOC含量明顯高于其他土地利用方式，為12.9 g/kg，荒地表層的有機(jī)碳含量最低，為5.63 g/kg.在10-20 cm土層中，SOC含量以農(nóng)田最高，為5.2 g/kg；以荒地最低，為2.97 g/kg，這可能與人為耕作施肥管理有關(guān).這3種土地利用方式的SOC含量均呈現(xiàn)出明顯的垂直遞減的剖面分布特征，但是SOC含量在各個(gè)土地利用方式之間的降低幅度不盡相同，其中，林地的有機(jī)碳減少量最多，為8.1 g/kg；荒地次之，為2.66 g/kg；農(nóng)田最少，為2.2 g/kg.

2.3 不同土地利用方式對(duì)土壤可溶性有機(jī)碳含量的影響

在0-10 cm和10-20 cm的土層中，同一土層不同土地利用方式的土壤DOC含量均無(wú)顯著差異(P>0.05).同一土地利用方式在不同土層中的土壤DOC含量也無(wú)顯著差異(P>0.05).

在圖 2中，對(duì)同一土層不同土地利用方式間土壤DOC含量進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，在 0-10 cm和10-20 cm的土層上DOC含量均為林地高于其他2種土地利用方式.林地土壤的DOC含量均值最高，高達(dá)0.117 g/kg；農(nóng)田次之，為0.113 g/kg；荒地最低，為0.092 g/kg.與有機(jī)碳相似，不同土地利用方式下土壤DOC含量也呈現(xiàn)出垂直分布的剖面特征，即隨著土層深度的增加，農(nóng)田和林地土壤的DOC含量呈逐漸增加的趨勢(shì)，其中，農(nóng)田的土壤DOC含量增幅為8.6%，林地的土壤DOC含量增幅為5.6%，而荒地土壤的DOC含量則呈下降趨勢(shì)，其下降幅度為1.2%.

2.4 不同土地利用方式下土壤理化性質(zhì)間的關(guān)系

從表2可以看出，不同土地利用方式下各土壤性質(zhì)間的相關(guān)關(guān)系也呈現(xiàn)出一定的差異性.在0-10 cm的土層中，SOC含量與土壤容重呈顯著的負(fù)相關(guān)性，與其他土壤理化性質(zhì)均無(wú)顯著的相關(guān)性.在10-20 cm 的土層中，SOC含量與其它三個(gè)土壤理化性質(zhì)均無(wú)顯著的相關(guān)性.在0-10 cm 和10-20 cm的整個(gè)土層中，土壤DOC含量與其他土壤理化性質(zhì)均無(wú)顯著的相關(guān)性.

圖1 不同土地利用方式下的SOC含量注：圖中大寫(xiě)英文字母代表同一種土地利用方式的 不同土層的差異顯著性，小寫(xiě)英文字母代表同一土層的 不同土地利用方式SOC含量的差異顯著性.

圖2 不同土地利用方式下的土壤DOC含量注：圖中大寫(xiě)英文字母代表同一種土地利用方式的 不同土層的差異顯著性，小寫(xiě)英文字母代表同一土層的不同 土地利用方式土壤DOC含量的差異顯著性.

表2 不同土地利用方式下各土壤性質(zhì)間的Pearson相關(guān)系數(shù)

土壤性質(zhì)土層深度/(cm)SOC含量/(g/kg)DOC含量/(g/kg)水分含量/(%)土壤容重/(g/cm3)SOC含量0-10110-201DOC含量0-100.245110-200.0731水分含量0-100.3310.526110-200.1610.6591土壤容重0-10-0.712?-0.216-0.459110-20-0.223-0.227-0.2251

注：*.在 0.05 級(jí)別(雙尾)，相關(guān)性顯著.

3 討 論

DOC作為具有生物活性的碳形態(tài)，是土壤溶液中最主要的碳存在形態(tài)和運(yùn)輸載體之一，其在土壤中的含量受到各種因素的影響.不同土地利用方式對(duì)土壤有機(jī)碳有較大的影響，而植被物種的組成，土地利用方式以及管理措施等都會(huì)影響到SOC含量[8].

研究結(jié)果顯示，在三種不同的土地利用方式中，0-10 cm和10-20 cm兩個(gè)土層間SOC的減少量以林地最多，農(nóng)田次之，荒地最少.林地土壤表層由于地上生物殘?bào)w和枯枝落葉物的不斷輸入以及根系分泌物的累積，為土壤有機(jī)碳庫(kù)提供了大量的有機(jī)碳組分，而且由于林地位于土壤表層之下的植物根系比較粗大，不利于分解，土壤有機(jī)質(zhì)來(lái)源缺乏[3]，從而導(dǎo)致10-20 cm土層的SOC含量遠(yuǎn)低于0-10 cm土層，即在整個(gè)土層中林地土壤SOC減少量最多.農(nóng)田屬于耕作土壤，其表層土壤受人為耕作管理和施肥的影響最深刻，同時(shí)，農(nóng)作物根系主要集中分布于土壤表層，隨著土層加深，植被根系逐漸減少，受耕作施肥、植物根系分布的影響，整個(gè)土層中農(nóng)田土壤SOC減少量相對(duì)較多[9].

不同土層深度的土壤SOC和DOC含量在不同土地利用方式下大多表現(xiàn)出同樣的趨勢(shì)，即在整個(gè) 0-20 cm 的土層深度內(nèi)，土壤SOC和DOC含量的高低順序大致均為林地、農(nóng)田、荒地.這與林地植物根系發(fā)達(dá)、植被生長(zhǎng)良好，且廣泛分布于地表，每年有較多的枯枝落葉歸還到土壤中，參與土壤有機(jī)質(zhì)的積累有關(guān)[9]，因而其SOC和DOC含量高；農(nóng)田由于常年翻耕，水土流失嚴(yán)重，致使其中包含的有機(jī)碳流失嚴(yán)重，而且由于農(nóng)作物的地上部分多被移出，導(dǎo)致植物中的碳不能還田，地下根系也因翻耕等因素被部分或全部移出，這些原因都導(dǎo)致農(nóng)田不利于土壤碳的積累[3]，所以，農(nóng)田土壤的SOC和DOC含量都相對(duì)較低；而荒地為棄耕多年的土地，其植被覆蓋度較低，水土流失嚴(yán)重，表層土壤受到一定程度的侵蝕，不利于SOC和DOC的積累[10]，因此荒地土壤的SOC和DOC含量最低.

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的研究也表明：DOC主要來(lái)源于地面歸還物、根系分泌物和土壤有機(jī)質(zhì)[11,12]，一般來(lái)說(shuō)林地由于沒(méi)有人類活動(dòng)的干擾，可通過(guò)分解地表散落的動(dòng)植物殘?bào)w來(lái)補(bǔ)充土壤碳庫(kù)，而且林木和草本植物根系的轉(zhuǎn)化也是土壤碳的主要來(lái)源[13]，土壤總有機(jī)碳較高，DOC含量也常常較高.王淑平等認(rèn)為DOC含量與施肥量有關(guān)，如果大量施肥，則DOC含量將會(huì)明顯高于不施肥的土壤[14].本研究中農(nóng)田土壤施肥可能是土壤DOC含量較高的原因之一，荒地?zé)o肥料施入，其DOC含量主要由自然環(huán)境因素所決定[1].

在土壤開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中土壤物理性質(zhì)的變化對(duì)土壤肥力的保持具有重要作用.土地利用方式不同，土壤的理化特征會(huì)發(fā)生一定的變化，從而影響DOC的含量[15].土壤容重是土壤物理性質(zhì)的綜合反映，研究發(fā)現(xiàn)林地的土壤容重比其它土地利用方式明顯偏低，荒地土壤容重最高.林地植被根系發(fā)育促進(jìn)土壤孔隙結(jié)構(gòu)的形成，使土壤容重降低.與有植被的土壤相比，荒地土壤沒(méi)有耕作管理和外源有機(jī)物質(zhì)的輸入，土壤孔隙結(jié)構(gòu)難以形成，從而讓使土壤容重保持較高的水平[16].

4 結(jié) 論

本研究通過(guò)野外采樣、室內(nèi)測(cè)定及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，開(kāi)展不同土地利用方式對(duì)土壤主要物理性質(zhì)影響的研究，得到以下主要結(jié)論：

(1)土壤含水量與植物根系分布層次及密度有關(guān)系，林地的植被覆蓋程度最高，農(nóng)田次之，荒地最少，因此土壤含水量由高到低依次為林地>農(nóng)田>荒地.農(nóng)田和林地這兩種土地利用方式的土壤水分含量隨著土層的加深呈現(xiàn)出逐漸變小的趨勢(shì)，荒地的土壤水分含量隨土層的加深而增加.而土壤容重的變化則與之相反；

(2)商丘市3種土地利用方式下，SOC在垂直方向上的分布，基本上是隨著土層深度的增加而逐漸降低.在0-20 cm的土壤深度中，不同土地利用方式下SOC的平均含量均為林地>農(nóng)田>荒地.隨著土層的加深，林地土壤SOC減少量最多，農(nóng)田土壤SOC減少量最少；

(3)不同土地利用方式下，DOC的平均含量由高到低依次為林地>農(nóng)田>荒地.總體上農(nóng)田的DOC含量要低于林地，說(shuō)明農(nóng)業(yè)墾殖活動(dòng)將導(dǎo)致DOC含量降低，而荒地長(zhǎng)期受到侵蝕，不利于土壤有機(jī)碳的積累；

(4)在0-10 cm的土層中,SOC含量與土壤容重呈顯著負(fù)相關(guān)性，與其他指標(biāo)無(wú)顯著相關(guān)性.在10-20 cm的土層中，SOC、DOC、含水量和容重間無(wú)顯著相關(guān)性.