不同利用方式黑鈣土有機碳組分剖面分布特征

李春麗， 董 軍， 王鴻斌， 王麗群， 趙蘭坡

(1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，吉林省商品糧基地土壤資源可持續(xù)利用重點實驗室，長春 130118；2.吉林省土地整治中心，長春 130061)

土地利用方式不同影響植被的物種多樣性和生產(chǎn)力，使得進入土壤中的有機質(zhì)數(shù)量和性質(zhì)明顯不同,有機質(zhì)的分解速率及循環(huán)過程也發(fā)生顯著變化，進而影響土壤固碳潛力，并且能夠改變土壤有機質(zhì)各種保護機制的相對重要性。土壤有機碳(SOC)含量及組分的變化是不同土地利用方式下土壤質(zhì)量演變的重要標(biāo)志。

輕組有機碳(LFOC)、水溶性有機碳(WSOC)等是表征活性有機碳的重要指標(biāo)，可以通過改變土壤微生物活性來影響土壤碳庫的周轉(zhuǎn)。重組有機碳(HFOC)是惰性有機碳的主要部分，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定復(fù)雜，抗干擾能力強。不同土地利用對土壤有機碳組分的影響不同，LFOC、WSOC對土地利用變化的響應(yīng)比HFOC更加敏感。很多學(xué)者就不同土地利用對LFOC的影響研究發(fā)現(xiàn)，森林土壤LFOC含量高于耕地，天然草地和林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦睾笸寥繪FOC含量顯著降低，而退耕還林還草能明顯增加土壤LFOC的含量以及分配比例。土壤WSOC含量一般不超過200 mg/kg，但不同利用方式差異較大。盡管WSOC占SOC的比例很小，但WSOC是土壤微生物可直接利用的有機碳源，參與土壤生物化學(xué)循環(huán)，影響土壤中有機、無機物質(zhì)的轉(zhuǎn)化、遷移和降解。

黑鈣土是我國東北地區(qū)主要的土壤資源和重要的農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)基地，近年在人為因素的干擾下，天然草地多被轉(zhuǎn)換為人工林地或開墾為耕地，造成土壤有機質(zhì)層變薄，土壤肥力下降，嚴(yán)重影響黑鈣土資源的可持續(xù)利用和國家糧食安全。不同利用方式黑鈣土有機質(zhì)積累機制尚不清楚，缺乏對不同利用方式下黑鈣土有機質(zhì)組分變化的系統(tǒng)研究。以往對有機質(zhì)及其組分的研究多是在耕層或土壤剖面的0—30 cm，并且采用機械分層方法(固定深度)取樣，忽略了土壤成因?qū)τ袡C質(zhì)在剖面分布中的影響，同時對不同利用方式下黑鈣土l m土體內(nèi)各土壤發(fā)生層有機質(zhì)組分的分布特征研究較少。本文通過研究黑鈣土區(qū)天然草地、人工林地和耕地0—100 cm土體中各土壤發(fā)生層有機碳組分的含量及分布特征，有助于理解、估計和預(yù)測不同利用方式黑鈣土有機碳組分?jǐn)?shù)量變化特征和穩(wěn)定機制，從而為改善土壤質(zhì)量、提高土壤肥力提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于吉林省西部黑鈣土區(qū)(43°53′—44°54′N，123°59′—124°59′E)，屬溫帶半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，平均海拔約150～200 m，為波狀起伏臺地。多年平均降水量約370～470 mm，但蒸發(fā)強烈，年蒸發(fā)量約為年降水量的2～3倍。年平均氣溫4.6 ℃，冬季漫長，微生物活性低，制約了進入土壤中的有機質(zhì)礦化和積累。母質(zhì)以沖積、湖積物為主，多為黃土狀堆積物。自然植被為草甸草原，一般植物株體比較矮小，具有耐旱、耐鹽堿特性，主要有針茅、兔毛蒿草原和堿草草原兩類。目前，黑鈣土區(qū)自然植被已有相當(dāng)部分被開墾為耕地或栽植為人工林。

1.2 樣品采集與分析

經(jīng)過野外實地踏勘，設(shè)立天然草地、人工林地和耕地3種不同土地利用方式。天然草地(Grassland)，自然植被為羊草((Trin.) Tzvel)，無耕作，不施任何肥料，只在秋季割干草、秋冬放牧。人工林地(Woodland)，屬小葉楊(Carr.)，20世紀(jì)60年代天然草地直接轉(zhuǎn)換為人工林，或者在20世紀(jì)80年代左右作為“三北防護林”工程形成人工林地，不施肥，也不進行耕作，自然生長，林分結(jié)構(gòu)單一，林分密度約為860株/hm，株高平均約7.6 m。耕地(cropland)，20世紀(jì)60年代由天然草地開墾而來，施用常規(guī)氮肥和磷肥，種植作物為玉米(L.)，一年一熟制，玉米秋季收獲后根茬部分進行還田。

土樣采集工作于2017年10—11月農(nóng)作物收獲后進行，設(shè)立了3個自然條件相近的采樣點(吉林省前郭縣孤楊村和大父屯，吉林省農(nóng)安縣萬順村)，選擇代表性地塊采集以上各處理土壤剖面樣品。3個采樣點皆位于平原之上，地勢平緩，相對高差5～15 m，土壤亞類皆為草甸黑鈣土。采樣時先清除表層凋落物，土壤剖面分為A(腐殖質(zhì)層)、AB(過渡層)、B(淀積層)、BC(過渡層)和C(母質(zhì)層)5個土層。每個采樣地塊再在中心區(qū)域以15～30 m間隔選取3個土壤剖面，3個剖面的土壤樣品隨后分別在5個土層中混合制成1個土樣，共采集45份土樣。3個采樣點土壤剖面層次發(fā)育略有差異，孤楊村5個土層對應(yīng)的土壤深度分別為0—30，30—55，55—76，76—90，90—100 cm，大父屯為0—27，27—49，49—70，70—84，84—100 cm，萬順村為0—20，20—45，45—72，72—84，84—100 cm。土樣在實驗室自然風(fēng)干，過2 mm篩后備用。各樣點基本情況見表1。

表1 土壤采樣點基本情況

土壤理化指標(biāo)采用常規(guī)方法測定，全氮含量采用半微量凱氏法測定，碳酸鈣含量采用酸堿中和滴定法測定，pH采用電位法(水氯化鈣比2.5∶1)測定，土壤機械組成采用吸管法測定。土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀氧化法測定。土壤輕、重組有機碳的提取方法采用相對密度分組法，重液為1.8 g/cm的ZnBr，然后根據(jù)重鉻酸鉀氧化法測定土樣重組有機碳(HFOC)含量，并用差減法測算輕組有機碳(LFOC)含量。水溶性有機碳(WSOC)按照土水比1∶6浸提，采用TOC分析儀(島津TOC-VCPH)測定有機碳量。草地、林地和耕地土壤理化性質(zhì)見表2。

表2 不同土地利用方式土壤理化性質(zhì)

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Office Excel 2007軟件對數(shù)據(jù)進行分析處理及繪圖。不同處理間數(shù)據(jù)的差異顯著性采用LSD法(最小顯著性法)進行比較，所有統(tǒng)計分析采用SPSS 17.0軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同利用方式土壤有機碳含量的變化

由圖1可知，土壤有機碳(SOC)含量為1.31～18.20 g/kg，平均值為6.96 g/kg，草地、林地、耕地SOC含量平均值分別為7.62，6.89，6.38 g/kg。3種利用方式黑鈣土剖面有機碳分布既有共性，又有不同點。共性是：SOC含量均為A層最高，SOC分布由A至C層均呈減少趨勢，均存在明顯的AB和BC 2個過渡層，直至C層(母質(zhì)層)仍有一定量的SOC，林地和耕地剖面均保留草地SOC剖面分布特征。不同的是：(1)3種利用方式SOC含量隨剖面深度的增加減少程度顯著不同。草地SOC從A～C層分別減少37%，42%，41%和36%，呈逐漸減少趨勢。林地SOC含量從A～C層分別減少53%，54%，32%和50%，呈急劇減少趨勢。耕地SOC含量從A～C層分別減少20%，47%，54%和39%，呈緩慢減少趨勢；(2)腐殖質(zhì)層(A)SOC含量存在顯著差異，分布規(guī)律為林地>草地>耕地。與草地相比，林地A層SOC增加11.8%，耕地則減少22.4%。其余土層(AB、B、BC、C)的SOC含量均呈草地>耕地>林地的趨勢。

注：圖柱上方不同大寫字母表示同一土層不同利用方式間差異顯著(p<0.05)；不同小寫字母表示同一利用方式不同土層間差異顯著(p<0.05)。下同。圖1 不同利用方式土壤有機碳含量的剖面分布

耕地土壤AB和B層SOC含量比林地呈現(xiàn)出略高的趨勢，可能是耕地土壤中作物根系殘體的貢獻造成的。林地和耕地SOC剖面分布雖保留著天然草地的某些特征(有2個明顯的過渡層)，但仍表現(xiàn)出明顯差異。與草地相比，在AB、B、BC和C層中，林地和耕地SOC分別減少17%，1%，35%，10%，24%，30%，43%，35%。

2.2 不同利用方式土壤有機碳組分分布特征

3種利用方式土壤水溶性有機碳(WSOC)含量為84.22～271.80 mg/kg(圖2),平均值為154.85 mg/kg，草地、林地、耕地WSOC含量平均值分別為212.91，139.98，111.65 mg/kg。草地WSOC含量在剖面中的分布呈現(xiàn)先增加后減少趨勢，在B層達最大值；林地和耕地WSOC含量隨著剖面深度增加呈持續(xù)減少趨勢。草地、林地和耕地WSOC含量，從A～C層平均減少分別為3%，21%和9%。草地轉(zhuǎn)換為林地和開墾為耕地后，WSOC含量大幅減少，分別減少34%，48%。尤其是B及以下土層，林地和耕地WSOC含量顯著低于草地(<0.05)。這可能與草地腐殖質(zhì)層植物殘體、凋落物數(shù)量較大，以及草地碳酸鈣含量較高有關(guān)(尤其淀積層)。

土壤輕組有機碳(LFOC)含量為0.05～3.48 g/kg(圖2),平均值為1.12 g/kg，草地、林地、耕地LFOC含量平均值分別為2.14，1.77，1.40 g/kg。從A～C層，3種利用方式LFOC含量均呈逐漸降低趨勢，但草地LFOC含量下降速度最慢。草地轉(zhuǎn)換為林地和開墾為耕地對土壤剖面中的LFOC含量產(chǎn)生顯著影響(<0.05)。在A層，草地與耕地LFOC含量差異顯著(<0.05)，表現(xiàn)為草地>林地>耕地，耕地LFOC含量最低，其LFOC含量比草地、林地分別低31%和30%。由于草地和林地地上生物量繁茂，凋落物豐富，以有機質(zhì)形式輸入到土壤中的植物殘體數(shù)量較多，草地和林地土壤腐殖質(zhì)層(A層)的LFOC含量顯著高于耕地。在A層以下的土壤，草地的LFOC含量顯著高于林地和耕地，反映草地對土壤剖面中LFOC的積累具有積極作用。林地與草地相比，林地LFOC含量除A層略低于草地外，其余各層均顯著低于草地；但與耕地相比，林地LFOC含量除A層明顯高于耕地，林地與耕地LFOC含量在A層以下土層無顯著差異，這可能與林地特有的根系分布特征有關(guān)。

圖2 不同利用方式土壤剖面中有機碳組分的分布特征

土壤重組有機碳(HFOC)含量在1.23～14.74 g/kg(圖2)，平均值為5.84 g/kg，草地、林地、耕地HFOC含量平均值分別為6.23，5.78，5.50 g/kg。3種利用方式HFOC剖面分布規(guī)律與SOC基本一致，均隨剖面深度的增加而降低?？傮w上，草地HFOC含量高于林地和耕地。草地HFOC含量除A層低于林地，AB層低于耕地外，其余土層的HFOC含量普遍高于林地和耕地，反映草地在土壤有機碳的周轉(zhuǎn)過程中發(fā)揮著重要作用，植被豐富的草地被轉(zhuǎn)換為其他土地利用方式后，不僅LFOC含量降低，而且不利于穩(wěn)定性較高的HFOC的積累。

2.3 不同利用方式土壤有機碳組分分配比例

3種利用方式土壤WSOC/SOC值為1.03%～6.49%(表3)，從A～C層WSOC/SOC均呈升高趨勢，總體上表現(xiàn)為草地>林地>耕地。在A層，草地土壤WSOC/SOC比林地、耕地高，可能與草地土壤腐殖質(zhì)層(A層)植物殘體數(shù)量較大有關(guān)。在B、C層，草地土壤WSOC/SOC比林地、耕地高，因為草地土壤該層WSOC含量較高而SOC含量減少，導(dǎo)致WSOC比例較高。

表3 不同利用方式土壤剖面中有機碳組分的分配比例 單位：%

3種利用方式土壤LFOC/SOC值為3.58%～21.33%，從A～C層LFOC/SOC呈逐漸降低趨勢。3種利用方式土壤HFOC/SOC值為78.67%～96.42%，HFOC是SOC的主要組成部分，隨剖面深度的增加HFOC/SOC值增大。雖然A層林地和草地土壤LFOC含量相差不大，但林地SOC含量顯著高于草地，致使LFOC/SOC低于草地(HFOC比例呈現(xiàn)與LFOC比例相反趨勢)。在C層，母質(zhì)環(huán)境趨于一致，3種利用方式WSOC/SOC、LFOC/SOC和HFOC/SOC均無顯著差異。

2.4 土壤有機碳及組分含量影響因素

從表4可以看出，土地利用方式和土壤發(fā)生層對SOC及各組分含量的顯著影響(<0.05)，但土地利用方式對HFOC的影響并不顯著。同時，土地利用方式和土壤發(fā)生層對SOC和HFOC含量的影響具有疊加效應(yīng)(<0.01)，然而對WSOC和LFOC的疊加效應(yīng)微弱。

表4 土壤有機碳及各組分含量在土地利用方式和土壤發(fā)生層之間的統(tǒng)計差異

由表5可知，SOC及SOC各組分與土壤全氮、碳氮比呈顯著正相關(guān)。WSOC與碳酸鈣、pH呈顯著正相關(guān)，而與土壤顆粒組成相關(guān)性不顯著。SOC、LFOC、HFOC與CaCO、pH相關(guān)性不顯著，與土壤黏粒和粉粒呈顯著負(fù)相關(guān)，與土壤砂粒呈顯著正相關(guān)。

表5 土壤理化性質(zhì)與有機碳及各組分含量的關(guān)系

3 討 論

3.1 不同利用方式對土壤有機碳剖面分布的影響

土地利用方式對土壤有機碳的固存具有重要影響。特別是從草地轉(zhuǎn)換為其他用地，或從其他用地轉(zhuǎn)換為草地，這些將促進土壤有機碳含量的顯著變化，本研究結(jié)果也說明了這一點。在研究區(qū)，耕地土壤有機碳含量減少較多，其比例達到16%。林地由于林分結(jié)構(gòu)單一且缺乏外源養(yǎng)分補充，土壤有機碳含量比草地減少約10%。一般來說，根系、根系分泌物和溶解的有機質(zhì)被認(rèn)為是深層土壤有機碳的主要來源。草地植被具有較發(fā)達的深層根系，1 m土層內(nèi)根量干重達5.7 kg/m，根系生物量從表層到深層的減少速度比林地和耕地慢，深層土壤有機碳含量的減少速度也比林地和耕地慢。因此，在降水量為370～470 mm的半干旱區(qū)，草地可能是土壤固碳的較好選擇。

自然土壤中，有機碳含量反映植物枯枝落葉、根系等有機物質(zhì)的輸入量與有機質(zhì)分解而產(chǎn)生的輸出量之間的動態(tài)平衡。自然土壤一旦被開墾為耕地以后，這種動態(tài)平衡關(guān)系即被破壞。本研究結(jié)果表明，草地開墾為耕地，使得A層土壤有機碳含量減少最多(22%)，這一發(fā)現(xiàn)與前人的研究結(jié)果一致。草地開墾為耕地后A層土壤有機碳含量的減少可能與農(nóng)業(yè)活動有關(guān)，雖然作物秸稈和根茬總量與草地地下根量相差不大，但耕作結(jié)束后大部分地上生物量作為收獲物被取走，土壤中只余作物根茬及根系分泌物，有機質(zhì)輸入數(shù)量減少。同時耕作過程中使下層土壤被翻到表層，有機質(zhì)與空氣充分接觸，溫濕度條件適宜的情況下，在微生物和土壤酶的作用下，有機碳的分解速度加快。耕作還可引起土壤侵蝕和土壤團聚體的破壞，從而沖走土壤有機質(zhì)，這些都造成耕地土壤有機碳的大幅減少。此外，從B～C層，草地開墾為耕地后土壤有機碳含量也有所減少(圖1)，說明農(nóng)業(yè)措施也影響深層土壤有機碳含量。草地轉(zhuǎn)換為林地，A層土壤有機碳積累12%，但其他土層土壤有機碳大量流失。已有研究表明，林地土壤有機碳含量顯著高于草地，僅在土壤表層存在。因此，草地向林地的轉(zhuǎn)換導(dǎo)致土壤有機碳平均減少0.73 g/kg。對于碳的固存，林地并不適合所有情況，因為在沙地和低丘應(yīng)建立更多的草地，而不是林地。

3.2 不同利用方式對土壤有機碳組分剖面分布的影響

本研究表明，土地利用方式對水溶性有機碳的影響在整個剖面中都存在，其含量整體上表現(xiàn)為草地>林地>耕地，但A層為林地>草地>耕地。以往研究證實，耕地土壤水溶性有機碳含量一般低于草地、林地等自然生態(tài)系統(tǒng)，A層耕地土壤水溶性有機碳含量普遍低于林地和草地，因為耕地地上凋落物和植物殘體的數(shù)量顯著低于林地和草地。自然生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌梅绞胶?，往往伴隨著土壤有機碳、水溶性有機碳等含量的減少。研究區(qū)耕地土壤水溶性有機碳含量為3種利用方式中最低，比草地和林地分別減少48%和20%，應(yīng)考慮有機無機肥料配施，提高耕地土壤水溶性有機碳含量，進而改善立地條件和養(yǎng)分循環(huán)，促進作物產(chǎn)量提高。

由A～C層，研究區(qū)草地、林地和耕地土壤水溶性有機碳含量總體呈下降趨勢，但草地呈現(xiàn)與林地和耕地不同的特征?？赡芘c草地植被根系分布特征及土壤性質(zhì)有關(guān)，與張麗華等的研究結(jié)果一致。本研究采樣時間處于草地草本植物生長末期，植物群落產(chǎn)生大量細(xì)根，為土壤水溶性有機碳提供重要來源，使得土壤水溶性有機碳由A～B層呈現(xiàn)增加趨勢，在B層以下緩慢下降。

3種利用方式土壤由A～C層輕組有機碳和重組有機碳含量不斷減少的趨勢一致，但其下降幅度存在明顯差異。由A～C層，林地土壤輕組有機碳和重組有機碳含量隨土層加深急劇下降，而耕地呈逐漸下降趨勢。同時，輕組有機碳的變化比總有機碳，尤其是比重組有機碳的變化更為強烈。由A～C層，形成輕組的植物殘體(根系)和微生物數(shù)量逐漸減少，土地利用變化對深層土壤輕組有機碳的影響程度也逐漸減小。研究區(qū)B層以下土層輕組有機碳含量漸趨穩(wěn)定，土地利用變化對輕組有機碳的影響變?nèi)?，這與以往大部分研究結(jié)果一致。

林地與耕地土壤輕組有機碳含量差異主要發(fā)生在A層，因為林地在地表每年產(chǎn)生大量凋落物，而A層以下無顯著差異，與二者根系分布狀況有著密切關(guān)系。林地輕組有機碳60%以上積聚在土壤A層，表聚現(xiàn)象明顯。與草地相比，林地和耕地A層以下輕組有機碳含量均處于顯著低水平，主要原因是黑鈣土自然植被為草甸草原，雨熱同季，地上和地下生物量均豐富，而研究區(qū)林地樹種為楊樹，屬于淺根系樹種，根系主要分布在土壤表層(20—40 cm)，耕地種植作物為玉米，其根系也僅達0～35 cm，林地和耕地的有機物質(zhì)返回土壤的數(shù)量明顯低于草地，因此導(dǎo)致林地和耕地土壤A層以下輕組有機碳含量明顯低于草地。

土壤活性有機碳的分配比例能夠反映不同利用方式對土壤有機碳的影響。由A～C層，3種利用方式水溶性有機碳占比均表現(xiàn)出增加的特征，而輕組有機碳占比呈減少趨勢，可能是因為水溶性有機碳活性較高，具有一定的移動性和溶解性，易發(fā)生溶解與遷移。

3.3 土壤有機碳及組分含量影響因素

(1)土地利用方式和土層。不同利用方式和土層對土壤有機碳及其組分的影響前文已展開論述，這里不再贅述。總體上，土層對土壤有機碳及其組分的影響程度比土地利用方式更加強烈，二者對活性有機碳(水溶性有機碳、輕組有機碳)的疊加效應(yīng)較弱，可能與土壤性質(zhì)有一定關(guān)系。

(2)土壤理化性質(zhì)。土壤全氮與有機碳變化規(guī)律基本一致，土壤有機碳及其組分與土壤全氮、碳氮比呈顯著正相關(guān)，與徐廣平等的研究結(jié)果一致。土壤顆粒組成與有機碳及其組分也存在一定關(guān)系，土壤黏粒和粉粒與有機碳、輕組有機碳和重組有機碳呈顯著負(fù)相關(guān)，砂粒則與有機碳、輕組有機碳和重組有機碳呈顯著正相關(guān)，黏粒、粉粒和砂粒與水溶性有機碳關(guān)系均較差。同時，土壤有機碳及其組分與顆粒組成相關(guān)性顯著，但與碳酸鈣和pH相關(guān)性不顯著，說明土壤顆粒組成與碳酸鈣、pH對土壤有機碳及其組分的影響不同?？赡苁且驗橥寥李w粒與有機碳及其組分直接形成不同穩(wěn)定性的有機-無機復(fù)合體，而土壤碳酸鈣含量影響pH，pH通過影響微生物和酶的活性來影響有機碳的分解速率，但這仍需進一步研究。

4 結(jié) 論

(1)黑鈣土區(qū)天然草地、人工林地和耕地剖面土壤有機碳含量存在顯著差異。林地土壤有機碳主要聚集在表層(A層)，草地土壤有機碳在深層仍較豐富，A層以下土壤有機碳含量呈草地>耕地>林地趨勢。3種利用方式土壤剖面中各組分有機碳含量均表現(xiàn)為從A～C層逐漸減少，但草地土壤減少趨勢比林地和耕地更加緩慢。

(2)草地轉(zhuǎn)換為林地和開墾為耕地后，水溶性有機碳減少34%和48%，輕組有機碳減少20%和37%，重組有機碳含量減少7%和5%，土地利用變化對土壤活性有機碳的影響遠(yuǎn)大于惰性有機碳。草地轉(zhuǎn)換為林地和開墾為耕地后，水溶性有機碳和輕組有機碳占比顯著降低，但重組有機碳占比卻提高，意味著草地被開墾后活性有機碳含量快速下降。

(3)土地利用方式和土層對土壤有機碳及其組分(土壤水溶性有機碳、輕組有機碳和重組有機碳)具有顯著影響，對土壤有機碳和重組有機碳疊加效應(yīng)較強。