干旱荒漠綠洲區(qū)不同土地利用方式對土壤易氧化及溶解性有機碳的影響

王衛(wèi)霞，阿麗婭·阿力木，楊 光，王振錫

(新疆農業(yè)大學林學與園藝學院/新疆教育廳干旱區(qū)林業(yè)生態(tài)與產業(yè)技術重點實驗室，烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】土壤活性有機碳組分是土壤微生物活動的能源物質，也是土壤養(yǎng)分的主要驅動力[1]，雖然其占土壤總有機碳的比例較小，但可以直接參與土壤化學反應并調節(jié)碳素轉化[2-3]?；钚杂袡C碳是土壤中易被微生物分解，有效性較高的那部分有機碳[4]，對土地利用改變反應更加敏感[5]，能更實際地反映出土地利用改變對土壤碳庫的影響[6-8]。土壤易氧化有機碳(Liable Organic Carbon, LOC)和溶解性有機碳(Dissolved Organic Carbon, DOC)是土壤活性有機碳的重要組分，對周圍環(huán)境變化的響應更為敏感，常被作為評價土壤質量變化的有效指標[9]。研究這些更具活性或更具代表性的有機碳組分含量，對因土地利用改變而引起土壤質量及土壤碳庫的差異具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】土壤易氧化有機碳、溶解性有機碳能夠作為外部環(huán)境改變引起土壤碳庫變化做出迅速響應的敏感指標[10-11]。張仕吉等[8]研究表明，不同土地利用方式下土壤溶解性有機碳、易氧化有機碳均可作為土壤活性有機碳庫的重要組分，其含量的變化均將會導致土壤總有機碳含量的變化，其中易氧化有機碳含量具有較強指示作用。在寧夏六盤山地區(qū)，農田和草地營造人工林后，在0～50 cm土層人工林土壤易氧化有機碳比農田和草地分別提高129%和29%[12]。巖溶山區(qū)不同利用方式土壤易氧化有機碳含量依次為竹林>菜地>草地>林地>園地>棄耕地[13]。溶解性有機碳與土壤總有機碳之比是表征土壤生物活性有機碳庫周轉的較好指標[14-15]。土地利用方式的變化可引起土壤溶解性有機碳含量顯著的變化[16-17]?！颈狙芯壳腥朦c】近年來，隨著新疆特色林果產業(yè)的發(fā)展，在農業(yè)產業(yè)結構調整的過程中，多數農田被更替為果園亦或果農間作，這種土地利用方式的變化對土壤活性有機碳組分產生怎樣的影響，目前還不清楚。亟需研究干旱荒漠綠洲區(qū)不同土地利用方式對土壤易氧化及溶解性有機碳的影響?！緮M解決的關鍵問題】在新疆阿克蘇地區(qū)，選擇種植背景、管理方式及土壤理化性質等基本一致的小麥地、棗園、棗麥間作園等3種不同的土地利用方式作為研究對象，分析不同土地利用方式對土壤易氧化及溶解性有機碳的影響，為選擇優(yōu)化土地利用方式、提高該區(qū)土壤生產力和土地管理水平提供基礎數據與科學依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

野外調查研究區(qū)位于新疆阿克蘇地區(qū)溫宿縣克孜勒鎮(zhèn)。E79°28′～81°30′，N40°52′～42°21′?？h境地貌北高南低，分為北部山區(qū)和南部平原2大部分，屬典型大陸性暖溫帶干旱氣候，晝夜溫差懸殊較大，年均氣溫10.10℃，年均降水量65.4 mm，年均無霜期185 d。

2018年7～8月，采用典型樣方法在阿克蘇地區(qū)溫宿縣克孜勒鎮(zhèn)設置樣方進行調查。依據溫宿縣林業(yè)局和克孜勒鎮(zhèn)林管站歷史記載數據及走訪調查結果，選取種植背景、管理方式及土壤理化性質等基本一致的小麥地、棗園、棗麥間作園等3種不同土地利用方式為研究對象，其中棗園和棗麥間作園均為農田改建后形成的棗園，棗樹年齡均為15年左右，以小麥地作為對照樣地。

1.2 方 法

1.2.1 土壤樣品采集

每一種土地利用方式下都選擇3個作為試驗樣地的重復，共計9個樣地。在每個果園內選擇6株具有代表性的果樹，在樹冠投影面距樹干1 m處布設采樣點，在間作的農作物行、小麥樣地內，以“S”形布設采樣點，在每個采樣點采集土壤剖面0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm的土壤樣品各2份，把同一個樣地內不同采樣點上采集的土壤樣品按照相同層次分別混合后作為處理的一個重復備用。用環(huán)刀采集原狀土樣測定土壤容重。將采集的土壤樣品1份帶回室內自然風干，研磨后過篩，測定土壤總有機碳及易氧化有機碳含量，另1份土壤樣品放入便攜式冰盒中，帶回實驗室于4℃冰箱低溫保存用于測定土壤溶解性有機碳含量。

1.2.2 測定指標

土壤總有機碳的測定采用重鉻酸鉀-外加熱法測定[18]，土壤易氧化有機碳采用333 mmol/L KMnO4氧化比色法測定[10]，土壤溶解性有機碳采用鮮土10 g，按水土比4∶1，蒸餾水浸提，在25℃下恒溫振蕩30 min，后用0.45 μm的微孔濾膜抽濾，濾液直接測定[19]。

1.3 數據處理

采用SPSS21.0軟件統(tǒng)計分析數據，利用SigmaPlot10.0 軟件作圖。不同土地利用方式的土壤總有機碳、易氧化有機碳、溶解性有機碳含量及各活性有機碳的分配比例均采用單因素方差分析方法檢驗在P= 0.05水平上的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 不同土地利用方式下土壤剖面總有機碳含量的分布特征

研究表明，在新疆阿克蘇干旱荒漠綠洲區(qū)0～100 cm的土壤剖面上土壤總有機碳含量為0.74～11.2 g/kg，平均值為(5.17±0.36)g/kg，變異系數為0.55。在0～100 cm土壤剖面上，不同土地利用方式下土壤總有機碳含量的平均值表現(xiàn)為棗園>棗麥間作 >小麥。棗園和棗麥間作園的土壤總有機碳含量差異不顯著(P>0.05)，但兩者均顯著高于小麥地的土壤總有機碳含量(P< 0.05)，農田改建為果園或果農間作園后顯著提高了土壤總有機碳含量。土壤總有機碳含量均表現(xiàn)為隨土壤深度的增加呈逐漸降低的趨勢，0～20 cm土層總有機碳含量均顯著高于20 cm以下土層(P< 0.05)。表1，表2

表1 不同土地利用方式下0～100 cm土壤剖面總有機碳含量平均值Table 1 Descriptive statistics of total organic carbon content of 0-100 cm under different land use types

2.2 不同土地利用方式下土壤易氧化及溶解性有機碳含量的分布特征

研究表明，0～100 cm土層小麥、棗園及棗麥間作園土壤易氧化有機碳和非活性有機碳含量的變幅分別為0.17～1.62和1.31～4.12、0.23～2.10和2.77～7.46 g/kg及0.31～2.15和1.96～8.44 g/kg。在0～100 cm土壤剖面上，不同土地利用方式下土壤易氧化有機碳含量除10～20 cm土層外，其它各土層均表現(xiàn)為棗麥間作>棗園>小麥，非活性有機碳則表現(xiàn)為棗園 >棗麥間作>小麥。不同土地利用方式下土壤易氧化有機碳和非活性有機碳在土壤剖面垂直分布上與總有機碳含量變化一致，均是表層0～10 cm土層含量最高，隨土層加深呈逐漸減少趨勢。在各個土層，土壤易氧化有機碳含量均比非活性有機碳含量低，土壤有機碳大多是以非活性有機碳的形式儲存于土壤中。由農田更替為棗園或棗麥間作后，除30～40 cm土層外，其它各土層土壤易氧化有機碳含量均有顯著提高(P< 0.05)，非活性有機碳含量各土層也均有提高。圖1

由農田更替為果園或果農間作后，顯著提高了土壤溶解性有機碳含量，這和土壤總有機碳含量變化趨勢一致。0～100 cm土層，棗園和棗麥間作園土壤溶解性有機碳含量分別比小麥地提高31.2%～85.3% 和57.7%～94.6%。圖2

注：同列數據后不同小寫字母表示同一土層不同土地利用方式之間差異顯著(P<0.05)，下同

圖2 不同土地利用方式下土壤溶解性有機碳含量的分布特征Fig.2 Distribution characteristics of dissolved organic carbon content under different land use types

2.3 不同土地利用方式下土壤易氧化及溶解性有機碳的分配比例及相關性

研究表明，不同土地利用方式下土壤易氧化及溶解性有機碳的分配比例變化，不同土地利用方式下土壤易氧化有機碳分配比例在0～40 cm土層高于40～100 cm土層，隨土壤深度的增加其分配比例逐漸減少。由農田更替為果園后，降低了各土層易氧化有機碳分配比例，降低幅度為1.83%～36.08%。農田更替為果農間作園后，降低了0～10 cm和10～20 cm土層的易氧化有機碳分配比例，其余土層表現(xiàn)為增加。溶解性有機碳分配比例大致隨土層深度增加呈先減少后增加的變化趨勢。由農田更替為果園后，增加了20～30 cm、30～40 cm和40～60 cm土層的溶解性有機碳分配比例，其他土層均表現(xiàn)為下降。農田更替為果農間作后，除0～10 cm和80～100 cm土層外，其余土層土壤溶解性有機碳分配比例均增加。表2

表2 土壤有機碳含量及各活性有機碳組分的分配比例Table 2 Soil organic carbon content and distribution ratio of active organic carbon components

研究表明，研究區(qū)內土壤易氧化有機碳及非活性有機碳與土壤總有機碳均呈極顯著相關關系(P< 0.01)。其中小麥、棗園和棗麥間作園的土壤易氧化有機碳與土壤總有機碳的相關系數分別為0.69、0.86和0.95，不同土地利用方式土壤易氧化有機碳和總有機碳含量的相關性是存在差異的，而且土壤易氧化有機碳與總有機碳含量的相關系數均小于非活性有機碳與總有機碳含量的相關系數。圖3，圖4

圖3 土壤易氧化和非活性有機碳與總有機碳相關關系Fig.3 Relationship between the liable organic carbon, non- liable organic carbon and total organic carbon

圖4 土壤溶解性有機碳與總有機碳相關關系Fig.4 Relationship between the dissolved organic carbon and total organic carbon

不同土地利用方式下土壤溶解性有機碳與總有機碳均顯著相關。其中，小麥地土壤溶解性有機碳與總有機碳含量呈顯著正相關(P< 0.05)，棗園和棗麥間作園土壤溶解性有機碳與總有機碳含量呈極顯著正相關(P< 0.01)，小麥、棗園和棗麥間作園土壤溶解性有機碳與總有機碳含量的相關系數分別為0.50、0.59和0.66。圖4

3 討 論

3.1 不同土地利用方式下土壤易氧化有機碳的變化特征

土壤易氧化有機碳是土壤養(yǎng)分的潛在來源，同時也是土壤微生物活動的主要能源，是有機碳中穩(wěn)定性相對較差的有機碳組分，其移動速度快、性質不穩(wěn)定和易被微生物分解利用的特性在土壤碳循環(huán)和土壤肥力提高方面具有重要意義[20]。研究中農田更替為果園或果農間作園后，0～10 cm和10～20 cm土層土壤總有機碳和易氧化有機碳含量均顯著提高。這和趙世偉等[21]研究結果較為一致。相對于農田，果園和果農間作模式下土壤擾動較小，地表覆蓋度及果樹郁閉度相對較高，土壤溫度下降，保持了一定的土壤濕度和水分含量，不利于土壤有機碳的礦化分解，反而促進了土壤有機碳的積累[22]，而土壤易氧化有機碳的含量主要來自于土壤總有機碳含量，因此，果園和果農間作園土壤易氧化有機碳含量也提高。另外，也有研究表明，土壤中的易氧化有機碳含量與其對應的土壤濕度呈顯著正相關[23]。在濕度較高的土壤中，土壤處于嫌氣狀態(tài)，使得微生物活性降低，土壤有機碳分解速率下降，有利于易氧化有機碳的積累[24-26]，這可能也是研究中果園和果農間作園土壤易氧化有機碳高于農田的原因之一。不同土地利用方式下土壤易氧化有機碳含量的空間分布也有所差異。在0～100 cm土壤剖面上，農田、果園及果農間作園土壤易氧化有機碳含量與總有機碳含量變化趨勢類似，均隨著土層厚度的加深呈逐漸減少的趨勢。土壤易氧化有機碳含量在很大程度上取決于土壤總有機碳的含量，而植被類型、凋落物數量和質量及根系分布均會影響土壤總有機碳的分布[27]，隨著土壤深度的增加，植物殘體和根系分泌物的輸入越來越少，導致下層土壤有機碳的來源逐漸減少，因此，土壤易氧化有機碳含量也越低。

土壤易氧化有機碳占總有機碳的比率稱為易氧化有機碳的分配比例[28]，它比易氧化有機碳總量更能反映土地利用變化對土壤碳行為的影響[29-30]，土壤易氧化有機碳分配比例大小可用于表征土壤有機碳的穩(wěn)定性，其分配比例越高，土壤有機碳的活性越強，養(yǎng)分循環(huán)越快，但有機碳的穩(wěn)定性越差，越不利于土壤有機碳的累積[31]。一般土壤易氧化有機碳的分配比例介于15%～25%，在不同的生態(tài)系統(tǒng)中表現(xiàn)有所不同[32]。研究區(qū)土壤易氧化有機碳分配比例范圍為8.43%～28.23%。與農田土壤相比，果園土壤0～100 cm土層范圍內，除40～60 cm土層外，其余土層易氧化有機碳占總有機碳比例均表現(xiàn)為下降，而果農間作園土壤則表現(xiàn)為0～20 cm土層易氧化有機碳占總有機碳比例下降，其余土層易氧化有機碳分配比例均增加，說明農田轉化為果園提高了土壤有機碳的穩(wěn)定性，促進了土壤有機碳的積累且主要以非活性有機碳成分為主；而農田轉化為果農間作園僅提高了表層0～20 cm土層有機碳的穩(wěn)定性，不利于深層土壤有機碳的積累。

3.2 不同土地利用方式下土壤溶解性有機碳的變化特征

土壤溶解性有機碳主要來自枯枝落葉、土壤腐殖質及根系分泌物等，雖然只占土壤總有機碳的很小部分，但它卻是土壤微生物活動的重要物質條件和能量來源，是土壤微生物可以直接利用的有機碳源，易受土壤淋溶作用的影響[33-35]。研究中由農田更替為果園或果農間作園后，均顯著提高了土壤溶解性有機碳含量，不同土地利用方式下，土壤溶解性有機碳含量的變化趨勢與土壤總有機碳含量的變化趨勢一致。徐秋芳等[36]研究也表明，土壤總有機碳高的土壤溶解性有機碳含量也常常較高。此外在0～100 cm土壤剖面上，土壤溶解性有機碳含量隨著土壤深度的增加呈減少的趨勢，這主要是由于隨著土壤深度的增加，溶解性有機碳的重要來源植物根系、根系分泌物及微生物代謝產物等均在逐漸減少[37]。從不同土壤層次來看，不同土地利用方式下土壤溶解性有機碳的分配比例從上到下表現(xiàn)為先減少后上升的趨勢，這與溶解性有機碳的可溶性和隨水流動性特點及隨下滲水遷移是密切相關的[38-39]。

土壤活性有機碳主要來源于土壤總有機碳，但易受微生物分解和利用的影響。對不同土地利用方式下0～100 cm土層土壤總有機碳含量與土壤易氧化有機碳及溶解性有機碳含量之間的相關性進行了分析。研究區(qū)內土壤易氧化有機碳與土壤總有機碳均呈極顯著相關性(P< 0.01)。其中棗園和棗麥間作園中土壤易氧化有機碳與土壤總有機碳的相關系數均大于農田小麥地。棗園和棗麥間作園中土壤溶解性有機碳與總有機碳含量的相關性也達到極顯著水平(P< 0.01)，這一方面說明土壤總有機碳的變化制約著各活性有機碳的變化，另一方面也說明各土壤活性有機碳雖然表述和測定方法不同，但它們均從不同角度在一定程度上表征了土壤中活性較高的那部分有機碳含量[33, 40-41]。研究還發(fā)現(xiàn)，不同土地利用方式下，溶解性有機碳與總有機碳含量的相關系數要小于易氧化有機碳與總有機碳含量的相關系數，這可能與土壤的氧化物和粘土礦物對溶解性有機碳的吸附作用及溶解性有機碳隨滲透水的遷移有關[42-43]。

4 結 論

在新疆阿克蘇干旱荒漠綠洲區(qū)不同土地利用方式0～100 cm的土壤剖面上土壤總有機碳含量為0.74～11.2 g/kg，平均值為(5.17±0.36)g/kg，變異系數為0.55。0～100 cm土層小麥、棗園及棗麥間作園土壤易氧化有機碳和溶解性有機碳含量的變幅分別為0.17～1.62 g/kg、115.28～329.67 mg/kg、0.23～2.10 g/kg和206.84～432.48 mg/kg、0.31～2.15 g/kg、181.74～593.04 mg/kg。由農田更替為棗園或棗麥間作園后，土壤易氧化有機碳和溶解性有機碳含量均有顯著提高(P< 0.05)，0～100 cm土層，棗園和棗麥間作園土壤溶解性有機碳含量分別比小麥地提高31.2%～85.3% 和57.7%～94.6%。在0～100 cm土層土壤剖面上，不同土地利用方式下土壤易氧化有機碳、溶解性有機碳含量及易氧化有機碳分配比例均表現(xiàn)為隨土壤深度的增加而下降，溶解性有機碳分配比例則表現(xiàn)為先減少后增加的趨勢。不同土地利用方式下，小麥、棗園和棗麥間作園的土壤易氧化有機碳、溶解性有機碳含量均與土壤總有機碳含量顯著正相關，且不同土地利用方式土壤易氧化有機碳和總有機碳含量的相關性是存在差異的，而且土壤易氧化有機碳與總有機碳含量的相關系數均小于非活性有機碳與總有機碳含量的相關系數。