不同土地利用方式對黑土團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳紅外光譜特征的影響

龍靜泓，雷琬瑩，李 娜，滕培基，韓曉增，何 朋，李祿軍

(1.中國科學(xué)院黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)重點實驗室，東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，黑龍江 哈爾濱 150081；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 引 言

土壤碳庫是一個巨大的動態(tài)碳庫，是全球碳庫的重要組成部分。土壤團(tuán)聚體是影響有機(jī)碳(Soil organic carbon，SOC)的重要因素，一方面，其通過對土壤有機(jī)質(zhì)提供物理保護(hù)，影響土壤固碳能力和SOC穩(wěn)定性；另一方面，通過影響土壤的物理結(jié)構(gòu)和微生物活動，影響土壤養(yǎng)分的遷移轉(zhuǎn)化和土壤肥力[1]。土地利用方式可能影響土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)及有機(jī)碳在不同組分中的分配和穩(wěn)定，不同土地利用方式下植物根系和微生物菌絲與土壤顆粒的纏繞也會反過來影響團(tuán)聚體的穩(wěn)定程度[2]。不同土地利用方式對團(tuán)聚體及其內(nèi)有機(jī)碳含量的影響已有研究：如林地開墾會導(dǎo)致團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳的損失，而坡耕地撂荒有助于有機(jī)碳的恢復(fù)；草地恢復(fù)處理是改善土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和碳固存的有效手段，且土地利用變化過程中大團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳不穩(wěn)定，更容易發(fā)生變化等[3-4]。黑土經(jīng)過長期不同土地利用方式后，土壤碳庫儲量提高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增強(qiáng)且有機(jī)碳含量按團(tuán)聚體粒徑由大到小依次分布[5]，同時土壤團(tuán)聚體對有機(jī)碳的物理組分和腐殖質(zhì)組分具有明顯的分餾效應(yīng)[6]。在南方紫色土上也發(fā)現(xiàn)竹林和荒草地土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性較好，且團(tuán)聚體穩(wěn)定性與團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳呈極顯著正相關(guān)關(guān)系[7]。

土壤團(tuán)聚體作為土壤養(yǎng)分的重要貯存庫，其穩(wěn)定性指標(biāo)可表征土壤結(jié)構(gòu)的優(yōu)良程度，是影響土壤肥力的重要指標(biāo)。團(tuán)聚體的穩(wěn)定性可分為機(jī)械穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性和生物穩(wěn)定性[8]。不同穩(wěn)定性的團(tuán)聚體對碳的保護(hù)機(jī)制不同，不同粒徑團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳的活性組分也不同，相應(yīng)的，內(nèi)部有機(jī)碳的化學(xué)結(jié)構(gòu)必然產(chǎn)生差異。大團(tuán)聚體內(nèi)主要以結(jié)構(gòu)簡單、易分解組分的碳為主，微團(tuán)聚體中以穩(wěn)定性較強(qiáng)的芳香族碳為主[9]。脂肪族官能團(tuán)被證明可能與有機(jī)碳活性有關(guān)，對團(tuán)聚體穩(wěn)定性有顯著影響[10]。

盡管針對不同土地利用方式對團(tuán)聚體的影響及團(tuán)聚體與其內(nèi)部有機(jī)碳化學(xué)結(jié)構(gòu)的關(guān)系已有研究，但由于氣候條件、土壤類型、原始土地利用方式及恢復(fù)方式和年限等因素不同，不同土地利用方式研究間可比性較低，在同一氣候環(huán)境條件下，土壤背景值相同的不同土地利用方式對土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳紅外光譜特征研究也相對較少。為此，本文基于1985年建立在黑龍江海倫農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站(以下簡稱海倫站)內(nèi)的不同土地利用方式長期定位試驗，利用團(tuán)聚體篩分(干篩和濕篩)和傅里葉變換紅外光譜分析技術(shù)(Fourier Transform Infrared Spectroscopy，F(xiàn)TIR)，將團(tuán)聚體區(qū)分為力穩(wěn)性團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體，分析長期不同土地利用方式對黑土不同粒徑團(tuán)聚體及其內(nèi)碳含量的影響，進(jìn)一步利用傅里葉紅外光譜技術(shù)對不同穩(wěn)定性團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳的化學(xué)官能團(tuán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性和半定量測量，嘗試探究團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳的紅外光譜結(jié)構(gòu)特征，深入解析黑土團(tuán)聚體對碳的固持和穩(wěn)定機(jī)制。研究結(jié)果將有助于評價不同土地利用方式對黑土團(tuán)聚體和有機(jī)碳穩(wěn)定性的影響，為探明黑土固碳潛力、提升黑土有機(jī)碳穩(wěn)定性和優(yōu)化農(nóng)田黑土肥力管理措施提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 采樣地點和試驗設(shè)計

試驗位于海倫站內(nèi)(47°27′N，126°55′E)，地處我國東北黑土區(qū)的中心地帶(世界四大黑土區(qū)之一)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，海拔240 m，年均降水量550 mm，年均氣溫1.5 ℃，年有效積溫(≥10 ℃)2 450～2 500 ℃，年日照時數(shù)2 600～2 800 h，土壤為黃土狀亞黏土發(fā)育而成的厚層黑土。

不同土地利用方式定位試驗始于1985年，起始為耕作農(nóng)田土壤，設(shè)置4種土地利用方式：(1)草地(Glassland，GL)：退耕后經(jīng)過自然恢復(fù)為黑土區(qū)典型自然草原化草甸植被(104 m×16 m)；(2)林地(Forestland，F(xiàn)L)：人工落葉林，在原有耕地上種植落葉松，種植密度2 100株·hm-2，株高約4.5 m(485 m×57 m)；(3)農(nóng)田(Cropland，CL)：農(nóng)田小麥-玉米-大豆輪作，不施用任何肥料，一年一熟制，作物生長季進(jìn)行3次中耕，耕作深度20 cm，每年秋季收獲后將所有作物地上部分全部移除且旋耕20 cm(120 m×5.6 m)；(4)裸地(Bareland，BL)：退耕休閑，每年定期在植被生長期將地上植物鏟除并移出土壤，保持土壤無植被覆蓋，模擬裸地?zé)o植被覆蓋條件下的黑土演化過程(16 m×5.6 m)。試驗前初始表層土壤基本養(yǎng)分性質(zhì)如表1：

表1 試驗前0～20 cm土層土壤基本養(yǎng)分性質(zhì)Table 1 Soil basic nutrient properties of the initial soil at surface 0～20 cm depth

1.2 土壤樣品的采集與制備

試驗樣品采集于2020年7月，將每個處理的試驗區(qū)分為3部分，模擬3次重復(fù)，每個重復(fù)內(nèi)5點取樣法采集0～20 cm土壤。采樣前先將土壤表面植被和凋落物移除，在采集和轉(zhuǎn)移過程中盡量保持土壤自然狀態(tài)。所采土樣帶回實驗室，小心去除肉眼可見的動植物殘體后，一部分土樣風(fēng)干，過0.25 mm篩用于測定土壤元素含量及紅外光譜特征；另一部分鮮樣4 ℃保存，用于團(tuán)聚體篩分。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 團(tuán)聚體篩分及元素測定。土壤團(tuán)聚體的篩分參考Six等[11]和Upendra[12]的方法。為更加接近原位狀態(tài)下的自然土壤，干篩濕篩均采用新鮮土樣進(jìn)行篩分。濕篩方法如下：將土壤緩慢潤濕后以32 r·min-1轉(zhuǎn)速濕篩2 min，分別得到>2 mm、2～0.25 mm、0.25～0.053 mm和<0.053 mm四個粒徑的團(tuán)聚體；干篩篩分速度和時間與濕篩相同，得到>2 mm、2～0.25 mm、<0.25 mm三個粒徑的團(tuán)聚體。將篩分后得到的不同粒級團(tuán)聚體組分稱重后，一部分轉(zhuǎn)移至鋁盒中105℃烘干至恒重，測定含水量，用于計算不同粒徑團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；另一部分風(fēng)干后研磨過0.25 mm篩用于測定土壤元素含量及紅外光譜特征。全土和各級團(tuán)聚體的有機(jī)碳及全氮(Total nitrogen，TN)含量用元素分析儀(EA 3000，意大利Euro Vector公司)進(jìn)行測定。

平均重量直徑(Mean weight diameter，MWD)采用以下公式計算：

式中：Wi為第i個粒級團(tuán)聚體的平均直徑，Mi為第i個篩上團(tuán)聚體的百分比。

1.3.2 紅外光譜測定。紅外光譜特征采用傅里葉紅外光譜儀(Nicolet 6700，美國Thermo Fisher公司)溴化鉀(KBr)壓片法測定。稱取上述風(fēng)干過篩土樣2 mg、光譜純KBr 200 mg于瑪瑙研缽中磨勻后壓片。紅外光譜測試范圍500～4 000 cm-1，掃描次數(shù)64次，分辨率4 cm-1，采集時空氣背景自動扣除。

1.3.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。使用Omnic 8.0軟件對紅外光譜圖進(jìn)行處理分析。實驗數(shù)據(jù)用SPSS 20.0軟件進(jìn)行單因素方差(顯著性水平P<0.05)和相關(guān)性分析，文中數(shù)據(jù)為ˉx±SE，圖表用Origin 2018繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機(jī)碳和全氮含量變化

由于試驗設(shè)置初始時所有土地利用方式均為農(nóng)田，故本文中所有處理以農(nóng)田處理作為對照。經(jīng)過35年不同土地利用方式的管理，土壤碳氮含量發(fā)生變化。與農(nóng)田CL處理相比，GL處理的SOC和TN含量顯著增加，分別增加了22.9%和28.5%(P<0.05)；BL處理SOC和TN含量均顯著減少，分別減少了15.2%和12.2%(P<0.05)；FL處理中SOC增加了10.2%，TN減少了1.7%，差異不顯著(圖1)。除FL處理C/N顯著升高外，其他處理無顯著差異。

注：圖中數(shù)值為平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤不同小寫字母表示處理在P<0.05水平上差異顯著。下同。Note: Values are mean±standard error of (n=3),different small letters indicate significant differences between treatments at P<0.05.The same is as below.圖1 不同土地利用方式下土壤全氮、有機(jī)碳含量和C/N比Fig.1 The contents of soil total nitrogen,organic carbon,and C/N ratio under different land use patterns

2.2 土壤團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)和平均重量直徑

經(jīng)過35年不同土地利用方式的恢復(fù)，處理間土壤團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異明顯。與CL處理相比，在干篩方式下，GL中>2 mm的超大團(tuán)聚體顯著增加，2～0.25 mm的大團(tuán)聚體顯著減少(P<0.05)；FL中超大團(tuán)聚體顯著減少，大團(tuán)聚體和0.25～0.053 mm的微團(tuán)聚體顯著增加(P<0.05)；BL中除2～0.25 mm的大團(tuán)聚體稍有增加外，其他粒徑團(tuán)聚體含量沒有顯著變化(圖2A)。在濕篩方式下，GL中超大團(tuán)聚體和大團(tuán)聚體顯著增加，<0.053 mm的粉黏粒顯著減少(P<0.05)；FL中超大團(tuán)聚體和粉黏粒顯著減少，大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體顯著增加(P<0.05)；BL中超大團(tuán)聚體顯著減少，其余所有粒徑團(tuán)聚體都顯著增加(圖2B)(P<0.05)。在干篩方式中，GL和FL的平均重量直徑都顯著增加(P<0.05)，BL的平均重量直徑降低了7.8%(圖2C)。在濕篩中，GL的平均重量直徑顯著增加(P<0.05)；BL的平均重量直徑顯著降低(P<0.05)；FL沒有顯著差別(圖2D)。

圖2 不同土地利用方式下土壤團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)和平均重量直徑(MWD)Fig.2 Aggregate size distribution and mean weight diameter (MWD) under different land use patterns

2.3 土壤團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳和全氮含量變化

土壤團(tuán)聚體內(nèi)碳氮濃度與全土碳氮含量趨勢相近。與CL處理相比，在干篩方式下，GL中>2 mm、2～0.25 mm和<0.25 mm粒徑團(tuán)聚體內(nèi)碳氮濃度顯著增加(P<0.05)；FL處理>2 mm和2～0.25 mm團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳分別增加9.5%和2.9%，<0.25 mm團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳減少2.8%，TN分別減少9.4%、8.4%和11.2%；BL處理團(tuán)聚體內(nèi)碳氮濃度均顯著降低(P<0.05)(圖3A、3C)。在濕篩方式下，GL處理所有粒徑團(tuán)聚體內(nèi)碳氮濃度均顯著高于CL處理(P<0.05)；FL處理中>2 mm的團(tuán)聚體有機(jī)碳濃度增加2.9%，其余團(tuán)聚體有機(jī)碳及TN濃度均減少但差異不顯著；BL處理團(tuán)聚體碳氮濃度均顯著低于CL處理(P<0.05)(圖3B、3D)。

圖3 不同土地利用方式對土壤團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳和全氮濃度的影響Fig.3 Effects of different land use patterns on organic carbon and total nitrogen concentrations within soil aggregates

由各粒級團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)和相應(yīng)團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳和全氮濃度可計算得出土壤團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳和全氮含量，這一指標(biāo)可以更加直觀地比較不同粒徑團(tuán)聚體對全土碳氮的貢獻(xiàn)程度(圖4)。在干篩方式下，GL處理中碳氮主要來源于超大團(tuán)聚體；其他處理中碳氮主要來源于大團(tuán)聚體；FL處理中超大團(tuán)聚體貢獻(xiàn)的碳氮較少，<0.25 mm團(tuán)聚體的碳氮含量顯著高于其他處理(P<0.05)，這與FL處理中該粒徑團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高有關(guān)。在濕篩方式下，全土碳氮含量的差異主要來自超大團(tuán)聚體，具體表現(xiàn)為GL處理中超大團(tuán)聚體碳氮含量最高，BL處理中最低；GL和FL大團(tuán)聚體碳氮含量都顯著增加(P<0.05)，粉黏粒的碳氮含量顯著降低且GL處理變化更明顯(P<0.05)；BL在<2 mm的三個粒級上與CL碳氮含量差異不明顯。

圖4 不同土地利用方式對土壤團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳和全氮含量的影響Fig.4 Effects of different land use patterns on organic carbon and total nitrogen contents within soil aggregates

2.4 全土和團(tuán)聚體內(nèi)的有機(jī)碳紅外光譜結(jié)構(gòu)特征

紅外光譜圖中，波數(shù)4 000 ～ 1 300 cm-1屬于特征區(qū)，可反映有機(jī)碳特定官能團(tuán)差異。本文選取2 920 cm-1、1 630 cm-1和1 420 cm-1三處峰分別揭示甲基/亞甲基、芳香族和脂肪族官能團(tuán)的特征[9,13]，以探究不同土地利用方式對土壤有機(jī)碳化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響。不同土地利用方式下，土壤全土有機(jī)碳骨架紅外光譜吸收峰情況基本一致(圖5)。

圖5 長期不同土地利用方式下表層土壤紅外光譜特征Fig.5 Infrared spectrum of surface soils under different land use patterns

經(jīng)過35年不同土地利用方式的恢復(fù)，土壤有機(jī)碳的脂肪族和芳香族相對吸收峰面積發(fā)生改變(圖6)。在1 420 cm-1處，GL和FL處理全土甲基/亞甲基相對吸收峰面積分別增加了6.18%和13.0%，BL處理減少了2.7%；在1 630 cm-1處，GL、FL、BL處理分別使芳香族C=C官能團(tuán)相對吸收峰面積減少17.0%、5.6%、6.6%；在2 920 cm-1處，GL、FL、BL處理分別使脂肪族官能團(tuán)相對吸收峰面積增加了912%、177.8%、55.5%。GL和FL處理不同程度地增加了活性有機(jī)碳水平，降低了芳香族穩(wěn)定性有機(jī)碳水平。

圖6 全土和不同粒級團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳主要官能團(tuán)吸收峰相對面積Fig.6 FTIR relative area of main organic carbon functional groups of bulk soil and aggregate fractions

土壤不同粒徑團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳官能團(tuán)相對吸收峰面積存在差異。在1 420 cm-1處，濕篩方式下4種土地利用方式除粉黏粒相對峰面積沒有顯著差異外，GL處理在其他三個粒級中均顯著高于CL處理，F(xiàn)L處理的大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體相對峰面積顯著高于CL處理，而BL處理在2～0.25 mm粒級顯著高于CL，0.25～0.053 mm顯著低于CL處理(P<0.05)；在1 630 cm-1處，干篩方式下超大團(tuán)聚體相對峰面積CL處理最高，BL處理最低，F(xiàn)L與GL均顯著低于CL處理(P<0.05)，微團(tuán)聚體相對峰面積為BL處理最高，GL處理最低。濕篩方式下超大團(tuán)聚體和大團(tuán)聚體兩個粒徑不同處理間沒有顯著差異，BL處理微團(tuán)聚體和粉黏粒相對峰面積都顯著高于其他處理(P<0.05)。在2 920 cm-1處，干篩方式下各處理超大團(tuán)聚體相對峰面積均顯著高于CL處理且BL處理最高，各處理大團(tuán)聚體相對峰面積均顯著低于CL處理且BL處理最低，GL和FL處理微團(tuán)聚體相對峰面積顯著增加(P<0.05)。

2.5 土壤有機(jī)碳含量及其主要化學(xué)官能團(tuán)相對吸收峰面積的關(guān)系分析

單個粒徑的土壤團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳主要官能團(tuán)相對峰面積與碳含量的相關(guān)性不顯著(數(shù)據(jù)未顯示)，為此分別將濕篩和干篩得到的所有團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳主要官能團(tuán)相對峰面積與碳含量做了相關(guān)性分析。如圖7所示，在濕篩方式下，隨有機(jī)碳含量的增加，1 420 cm-1處甲基亞甲基相對峰面積增加，1 630 cm-1處芳香族化合物相對峰面積減少；在干篩方式下，隨有機(jī)碳含量的增加，1 420 cm-1處相對峰面積稍有增加趨勢，1 630 cm-1處相對峰面積減少，2 920 cm-1脂肪族相對峰面積增加，說明隨有機(jī)碳含量的增加，活性有機(jī)碳組分的相對比例上升，穩(wěn)定性有機(jī)碳組分相對比例降低。

圖7 有機(jī)碳主要官能團(tuán)吸收峰相對面積與碳含量相關(guān)散點圖Fig.7 Correlation scatter diagram of carbon contents and FTIR relative area of main organic carbon functional groups

進(jìn)一步進(jìn)行相關(guān)性分析(表2)，1 630/2 920兩處相對峰面積的比值可以表征土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性水平。無論是否篩分或何種篩分方式下，全土和團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳含量均與1 420 cm-1、2 920 cm-1處相對峰面積呈正相關(guān)關(guān)系，與1 630 cm-1處相對峰面積和1630/2920呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中篩分后的團(tuán)聚體碳含量與1 630 cm-1處相對峰面積呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，濕篩團(tuán)聚體有機(jī)碳含量與1 420 cm-1處相對峰面積呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，干篩團(tuán)聚體有機(jī)碳含量與2 920 cm-1處相對峰面積呈顯著正相關(guān)關(guān)系、與1 630/2 920呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。隨有機(jī)碳含量的增加，活性有機(jī)碳組分的相對比例上升，穩(wěn)定性有機(jī)碳組分相對比例降低，說明有機(jī)碳含量高的土壤中有機(jī)碳更多以活性組分形式存在，其有機(jī)碳穩(wěn)定性相對較低。

表2 主要官能團(tuán)吸收峰相對面積與全土和團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳含量的相關(guān)分析Table 2 Correlation analysis between organic carbon content and FTIR relative area of main organic carbon functional groups

通過主成分分析(圖7A)可知，四種不同土地利用方式在PC1和PC2進(jìn)行區(qū)分；不同特征峰的相對峰面積在因子載荷圖(圖7B)中分布不同，表征芳香族化合物的1 630 cm-1處相對峰面積與PC1負(fù)相關(guān)，而表征活性組分碳的1 420 cm-1處相對峰面積與PC1正相關(guān)，同樣表征活性脂肪族有機(jī)碳的2 920 cm-1處相對峰面積主要分布在坐標(biāo)系右下方，代表從左上到右下為有機(jī)碳組分從穩(wěn)定性較強(qiáng)到活性較強(qiáng)變化，對應(yīng)處理的有機(jī)碳穩(wěn)定性為：BL>CL>FL>GL。BL和CL主要與PC1負(fù)相關(guān)，與PC2正相關(guān)，由因子載荷圖可知BL和CL兩個處理與1 630 cm-1處相對峰面積相對比例較高，表示這兩個處理土壤有機(jī)碳更加穩(wěn)定(圖8)。CL和FL兩個處理脂肪族官能團(tuán)和甲基、亞甲基相對比例較高，說明退耕還林還草增加了土壤有機(jī)碳活性組分。這與通過碳氮含量及相對峰面積比例得到的結(jié)果相同，土壤有機(jī)碳含量及化學(xué)結(jié)構(gòu)與不同土地利用方式密切相關(guān)。

注：圖A中不同顏色表示不同土地利用方式；圖B中不同顏色表示不同波數(shù)處的相對吸收峰面積，不同形狀表示不同篩分方式(實心圓形為干篩、空心圓形為濕篩、空心方形為未篩分的全土)，圖標(biāo)大小表示篩分后從大到小的不同粒徑。Note: In Figure A,different colors represent different land use patterns.In Figure B,different colors represent the FTIR relative areas at different wavenumbers,different shapes represent different sieving methods (solid circle,hollow circle and hollow square represent dry sieving,wet sieving,and bulk soil,respectively).The size of the icon represents different aggregate sizes after sieving.圖8 不同土地利用方式下土壤有機(jī)碳的特征峰面積的主成分分析和因子載荷圖Fig.8 Principal component analysis and loading factors of FTIR peak of SOC under different land use patterns

3 討論

3.1 長期不同土地利用方式對土壤碳氮及團(tuán)聚體分布的影響

土地利用變化是影響SOC動態(tài)平衡的主要人為因素[14]，它通過影響外源碳的輸入數(shù)量和質(zhì)量影響土壤養(yǎng)分和團(tuán)聚結(jié)構(gòu)變化。本研究中農(nóng)田(CL)選用1985年布置的無肥耕作處理，海倫站施用化肥的長期定位試驗于1993年布置，經(jīng)過16年長期定位試驗，無肥和有肥處理SOC含量無顯著差異[15]。在本文中，草地(GL)、林地(FL)和裸地(BL)處理均沒有化學(xué)肥料施用，故本文以不施肥的農(nóng)田處理作為對照，能排除施肥因素的影響，更好地比較不同土地利用方式對土壤碳的影響。農(nóng)田處理的外源有機(jī)物輸入減少，不利于土壤養(yǎng)分的積累，同時耕作過程中翻耕措施會破壞團(tuán)聚體，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)礦化分解速度加快[11]，故農(nóng)田處理碳氮含量低于草地及林地處理，其團(tuán)聚體穩(wěn)定性也不如草地處理。苑亞茹等[16]發(fā)現(xiàn)草地促進(jìn)大團(tuán)聚體的形成，且草地大團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳含量顯著高于農(nóng)田。本研究中草地處理生物量較大，每年向土壤輸入大量的地上凋落物、地下根系殘體及其分泌物，為土壤提供了豐富的養(yǎng)分來源，其碳氮含量顯著高于其他處理，同時繁密的地下根系促進(jìn)了大團(tuán)聚體的形成[17]。由于林地土壤有機(jī)碳含量受還林時間、樹種、林分密度等因素影響，不同研究中還林土壤養(yǎng)分含量和團(tuán)聚體分布情況差異較大[18-19]。本研究中，林地土壤有機(jī)碳含量稍有增加，C/N顯著升高，這可能與人工落葉松林每年凋落物量有限且土壤酸度大，不利于凋落物分解歸還至土壤有關(guān)[5]。而裸地處理由于地上沒有任何植被覆蓋，缺乏有機(jī)物輸入和根系的擾動，加之大團(tuán)聚體受風(fēng)蝕和水蝕破碎作用，土壤失去了大團(tuán)聚體的物理保護(hù)，團(tuán)聚體穩(wěn)定性較差[20]，全土和團(tuán)聚體內(nèi)碳氮含量及團(tuán)聚體水穩(wěn)性都顯著低于其他處理。Sheng等[6]也發(fā)現(xiàn)農(nóng)田轉(zhuǎn)化為裸地會導(dǎo)致土壤總有機(jī)碳、大團(tuán)聚體及大團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳濃度的大量減少。本研究證明草地是提高土壤有機(jī)碳的有效恢復(fù)方式，且超大團(tuán)聚體是處理間有機(jī)碳含量差異的主要貢獻(xiàn)者，粉黏粒中碳氮含量較少，說明>0.25 mm大團(tuán)聚體比微團(tuán)聚體固碳能力強(qiáng)，對有機(jī)碳的累積貢獻(xiàn)更大。超大團(tuán)聚體對土地利用方式變化響應(yīng)敏感，可作為反映SOC潛在變化的基本指標(biāo)[21-22]。

本研究采用了干篩和濕篩兩種團(tuán)聚體分級方法，干篩主要得到抗機(jī)械力分散的力穩(wěn)性土壤團(tuán)聚體，表征田間耕作或其他機(jī)械力擾動下的土壤團(tuán)聚體狀態(tài)；濕篩得到抗水力分散的水穩(wěn)性團(tuán)聚體，可表征降水地表徑流等其他水分運動遷移作用下土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定狀態(tài)。土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性是衡量土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，平均重量直徑(MWD)為評定土壤團(tuán)聚性的指標(biāo)，MWD值越高代表土壤團(tuán)聚體越穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)越好。干篩MWD均高于相應(yīng)的濕篩MWD，說明本研究中團(tuán)聚體以力穩(wěn)性團(tuán)聚體為主。草地中團(tuán)聚體力穩(wěn)性和水穩(wěn)性都顯著高于其他處理，而裸地以力穩(wěn)性團(tuán)聚體為主，水穩(wěn)性較差，林地團(tuán)聚體水穩(wěn)性與農(nóng)田相似而力穩(wěn)性顯著降低。造成團(tuán)聚體穩(wěn)定性差異的原因可能為地上植被及凋落物的不同，林地降水首先被樹冠截留，且地表凋落物較多，降水通過枯枝落葉層滲入地下，減少了地表徑流，有效減少降水對表層土壤的沖刷，利于土壤中大團(tuán)聚體的形成和保持，相反裸地由于沒有植被覆蓋，降水直接對表層土壤沖刷，大團(tuán)聚體受到破壞，且沒有植物根系及其他擾動，土壤比較黏重，團(tuán)聚體力穩(wěn)性較強(qiáng)但水穩(wěn)性差。草地既有繁茂的植被覆蓋阻擋降水，又有豐富的地下根系及分泌物促進(jìn)大團(tuán)聚體的形成，團(tuán)聚體力穩(wěn)性和水穩(wěn)性都得到了提升，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性增強(qiáng)。

3.2 長期不同土地利用方式對土壤有機(jī)碳紅外光譜特征的影響

不同土地利用方式也影響了全土和團(tuán)聚體有機(jī)碳紅外特征。土壤有機(jī)碳在2 920 cm-1和1 420 cm-1處的相對峰面積可以表征土壤有機(jī)碳活性組分含量，1 630 cm-1處的相對峰面積可以表征穩(wěn)定性組分含量。外源有機(jī)物輸入可以促進(jìn)土壤大團(tuán)聚體的形成，增加活性碳相關(guān)的紅外相對峰面積，提高脂肪族碳的相對含量，增強(qiáng)團(tuán)聚體對碳的保護(hù)能力[9-10]。本研究中草地處理顯著增加了2 920 cm-1處的相對峰面積，草地處理在1 420 cm-1處、林地處理在2 920 cm-1和1 420 cm-1處相對峰面積均有增加。1 630 cm-1處芳香族官能團(tuán)相對峰面積在草地中顯著減少，林地和裸地官能團(tuán)相對峰面積也相應(yīng)減少，表明草地和林地處理均增加了活性有機(jī)碳比例，相對降低了有機(jī)碳的芳香性?？赡茉驗檗r(nóng)田缺乏新鮮有機(jī)物輸入，沒有足夠的活性有機(jī)質(zhì)來源，造成農(nóng)田有機(jī)碳活性組分較低，穩(wěn)定性組分相對較多。草地和林地處理向土壤中輸入更多的有機(jī)物，活性有機(jī)碳組分的來源更加豐富，故增加了活性有機(jī)碳比例。

3.3 土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳及其紅外光譜特征關(guān)系

不同土地利用方式同時影響土壤有機(jī)碳含量及紅外光譜表征的有機(jī)碳穩(wěn)定性。在草地和林地處理全土及超大團(tuán)聚體中，土壤有機(jī)碳含量增加，有機(jī)碳活性增強(qiáng)，相關(guān)性分析表明碳含量與活性有機(jī)碳組分紅外相對峰面積呈正相關(guān)關(guān)系，與穩(wěn)定性有機(jī)碳組分紅外相對峰面積呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。這主要是因為草地和林地處理中豐富的新鮮有機(jī)物輸入促進(jìn)了有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)，使活性有機(jī)碳比例增加。而農(nóng)田和裸地分別受耕作擾動和沒有外源有機(jī)物輸入的影響，土壤礦化速率增強(qiáng)，大粒徑團(tuán)聚體被破壞，使土壤碳氮含量較低，甲基亞甲基官能團(tuán)代表的活性有機(jī)碳組分低于農(nóng)田及林地。大團(tuán)聚體有機(jī)碳活性較高，轉(zhuǎn)換速率快，而穩(wěn)定的芳香碳則趨向于被保護(hù)在微團(tuán)聚體中，外界進(jìn)入的新鮮殘體多，有機(jī)碳活性結(jié)構(gòu)比例大[23]。本研究結(jié)果表明草地和林地處理中更多的新鮮有機(jī)物輸入可以增加土壤大團(tuán)聚體內(nèi)碳氮含量，提高活性有機(jī)碳的相對比例；農(nóng)田和裸地土壤缺乏外源物質(zhì)的輸入，土壤碳氮含量較低，土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性較強(qiáng)且微團(tuán)聚體和粉黏粒中穩(wěn)定性碳較多。大團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳活性組分比例更大，相應(yīng)地穩(wěn)定性有機(jī)碳組分比例越小。

4 結(jié)論

(1)35年不同土地利用方式顯著影響土壤總碳氮含量、團(tuán)聚體穩(wěn)定性和有機(jī)碳的紅外光譜特征。

(2)與初始土壤相比，農(nóng)田無肥秸桿不還田處理顯著降低了土壤碳氮含量。草地和林地由于有較多的新鮮有機(jī)物輸入，表現(xiàn)出了較高的有機(jī)碳含量和有機(jī)碳的活性，草地團(tuán)聚體穩(wěn)定性最強(qiáng)，裸地由于缺乏新鮮外源物的輸入，土壤總碳氮含量最低，土壤團(tuán)聚體的水穩(wěn)性也較差，不利于土壤有機(jī)質(zhì)的積累。

(3)有機(jī)碳含量與有機(jī)碳活性組分呈正相關(guān)關(guān)系，與有機(jī)碳穩(wěn)定性組分呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，草地和林地處理主要與活性組分官能團(tuán)相關(guān)，而農(nóng)田和裸地處理主要與芳香族官能團(tuán)相關(guān)。

(4)與其他粒徑的團(tuán)聚體相比，大團(tuán)聚體對提高土壤有機(jī)碳含量的貢獻(xiàn)更大，有機(jī)碳活性更高，對不同土地利用方式的響應(yīng)也更敏感，可以作為反應(yīng)土壤有機(jī)質(zhì)變化的指標(biāo)。

(5)草地處理使全土和大粒徑團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳含量及活性碳組分增加最顯著，能顯著提升土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，可作為提升土壤有機(jī)質(zhì)及改善土壤結(jié)構(gòu)的主要農(nóng)藝措施。