河南省典型土壤類型及土地利用方式對土壤活性有機(jī)質(zhì)及碳庫管理指數(shù)的影響

羅 瀾,席 源,華仲臣,姚林林,姜桂英,申鳳敏,劉 芳,劉世亮

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,450002,鄭州)

土壤有機(jī)質(zhì)(soil organic matter, SOM)是評價土壤肥力高低的重要指標(biāo),但是,SOM變化比較緩慢;因此,為了更加直接有效地研究SOM,研究者提出活性有機(jī)質(zhì)(labile organic matter, LOM)的概念,即在一定的環(huán)境條件下,存在于土壤中有效性較高、易被土壤微生物分解、對植物所需養(yǎng)分有直接作用的那部分SOM[1]。LOM對農(nóng)業(yè)措施反應(yīng)較敏感,能快速表征土壤質(zhì)量水平。Loginow等[2]提出用3種不同濃度的KMnO4(33、167和333 mmol/L)測定土壤LOM含量的方法,將其分為4種級別:高活性有機(jī)質(zhì)(highly labile organic matter, HLOM)、中活性有機(jī)質(zhì)(moderately labile organic matter, MLOM)、低活性有機(jī)質(zhì)(lowly labile organic matter, LLOM)和非活性有機(jī)質(zhì)(non-labile organic matter, NLOM)。Blair等[3]進(jìn)一步將土壤總有機(jī)碳與其活性相結(jié)合,首次提出土壤碳庫管理指數(shù)(carbon pool management index, CPMI)的概念。CPMI既可以指示外界環(huán)境對SOM數(shù)量變化的影響,也可以表征土壤中LOM數(shù)量的變化情況。

土地利用是人類直接干預(yù)土壤肥力變化的主要活動因素,不同土地利用方式可以改變土壤中的養(yǎng)分循環(huán)。國內(nèi)外學(xué)者研究表明土壤LOM含量與土壤的成土母質(zhì)、地形地貌、氣候以土地利用方式相關(guān),具有空間異質(zhì)性[4]。孟慶峰[5]研究發(fā)現(xiàn),雞糞施用明顯提高了堿性草甸土SOM、LOM及CPMI。Lal[6]研究發(fā)現(xiàn)天然生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為農(nóng)林用地或者其他人為管理的生態(tài)系統(tǒng)后,土壤有機(jī)碳庫最高可以減少320 Pg。Hu等[7]研究得出,不合理的土地利用方式導(dǎo)致我國土壤SOC損失量達(dá)到人為排放的30%以上。Zhang等[8]研究發(fā)現(xiàn)三江平原濕地土壤表土活性組分有機(jī)碳含量顯著高于旱林地、撂荒耕地和耕地土壤。因此,研究不同土壤類型不同土地利用方式下LOM和CPMI的變化,對我國土壤有機(jī)質(zhì)組分的動態(tài)變化及完善碳循環(huán)平衡機(jī)制具有重要的指導(dǎo)意義。

目前,眾多學(xué)者在森林、草地與農(nóng)田等土地利用方式變化對土壤有機(jī)質(zhì)的影響方面開展了研究,但尚不清楚在特定區(qū)域內(nèi),關(guān)于不同土壤類型、不同土地利用方式下對土壤活性有機(jī)質(zhì)分布特征和碳庫管理指數(shù)有何影響及異同之處; 因此,筆者選取河南省3種典型土壤類型(潮土、褐土和砂姜黑土)和與之對應(yīng)的4種主要土地利用方式(農(nóng)田、菜地、果園和荒地),研究不同土壤類型不同土地利用方式對土壤活性有機(jī)質(zhì)和碳庫管理指數(shù)變化特征,以期為揭示不同土壤類型及不同土地利用方式對土壤肥力和碳庫質(zhì)量的影響提供科學(xué)的理論依據(jù),并為河南省土地資源利用及可持續(xù)發(fā)展提供理論支撐。

1 試驗區(qū)概況

本研究選取河南省分布面積最廣的3中土壤類型:潮土、褐土和砂姜黑土[9]為研究對象。潮土在河南省分布面積最大,成土母質(zhì)為河流沖積沉積物,占全省土壤總面積的25.97%,占全省耕地面積的37.14%。主要分布在鄭州、安陽、濮陽等豫東北地區(qū),屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年平均氣溫14.2 ℃,年降水量500～900 mm,無霜期240 d;褐土是第2大土類,成土母質(zhì)為洪積物母質(zhì)和黃土與紅土母質(zhì),占全省土壤總面積的20.33%,占全省耕地面積的20.92%。多分布于三門峽、焦作、洛陽等豫西地區(qū),屬于暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候,年平均氣溫13.8 ℃,年降水量600～800 mm,無霜期216 d;砂姜黑土的成土母質(zhì)為河湖相沉積物,占全省土壤總面積的9.25%,占全省耕地面積的13.94%,廣泛分布于駐馬店、南陽、信陽等豫南地區(qū),屬于北亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候,年降水量850～980 mm,年平均氣溫14.6 ℃,無霜期225 d。

2 材料與方法

2.1 樣品采集和處理

本試驗于2019年7月進(jìn)行土樣采集,潮土采自鄭州市中牟縣(E 113°46′,N 34°26′,平均海拔78 m);砂姜黑土采自駐馬店(E 114°11′,N 32°56.5′,平均海拔84 m);褐土采自三門峽(E111°11′,N 34°18′,平均海拔377 m)。每種土地利用方式設(shè)置3個重復(fù)。采樣點(diǎn)布設(shè)情況見圖1。各采樣點(diǎn)的基本情況見表1。用S形取樣法采集0～20 cm土層土樣。為了減小地形地勢的影響,同一土壤類型中4種土地利用方式的采樣地盡量選擇在同一海拔,且4種采樣地鄰近。土樣帶至實(shí)驗室風(fēng)干,剔除植物根,砂礫等雜物后研磨、過篩,保存于自封袋中備用。

表1 采樣點(diǎn)基本情況

圖1 采樣點(diǎn)分布圖

提取活性有機(jī)質(zhì)的方法采用KMnO4氧化法[10]。具體操作為:稱取過0.25 mm篩的風(fēng)干土樣1.5 g,將其置于50 mL離心管中,在離心管中加入 333 mmol/L(或33和167 mmol/L)的KMnO4溶液 25 mL。在溫度25 ℃的條件下振蕩1 h,在轉(zhuǎn)速為2 000 r/min的條件下離心5 min。取其上清液,用去離子水按照1∶250的比例稀釋,最后將稀釋液在565 nm的波長下比色。以荒地作為對照土壤,通過以下公式計算CPMI:

y=x/x0;

(1)

y1=x-x1;

(2)

L=x1/y1;

(3)

L1=L/L0;

(4)

y2=100yL1。

(5)

式中:y為碳庫指數(shù)(carbon pool index, CPI),量綱為1;x為樣品總有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù),g/kg;x0為對照土壤總有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù),g/kg;y1為非活性有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù),g/kg;x1為活性有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù),g/kg;L為碳庫活度(carbon pool lability, L),量綱為1;L1為活度指數(shù)(lability index, LI),量綱為1;L0為對照土壤為碳庫活度,量綱為1;y2為碳庫管理指數(shù)(carbon pool management index, CPMI),量綱為1。

2.2 數(shù)據(jù)處理

使用SPSS 17.0(SPSS Inc., Chicago, Illinois, USA)進(jìn)行統(tǒng)計分析。采用單因素方差分析和最小顯著性差異進(jìn)行多重比較(P<0.05),對3種不同土壤類型和4種不同土地利用方式所對應(yīng)的土壤總有機(jī)質(zhì)和活性有機(jī)質(zhì)進(jìn)行顯著性差異比較。使用雙因素方差分析研究不同土壤類型和不同土地利用方式對土壤活性有機(jī)質(zhì)和碳庫管理指數(shù)的影響及交互作用。使用Origin 2018(Origin Lab Inc.)制圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 對土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

如圖2所示,總體上,潮土有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)略高于褐土和砂姜黑土。在褐土中,果園土壤的SOM質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于其他土地利用方式,為15.99 g/kg。在砂姜黑土中,農(nóng)田土壤的SOM質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高,為23.61 g/kg。在潮土中,果園和農(nóng)田土壤的SOM質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于菜地和荒地。綜上所述,在褐土中,果園利用方式有助于SOM的積累;在砂姜黑土中,農(nóng)田利用方式提高SOM的效果最佳;在潮土中,果園和農(nóng)田利用方式均有利于SOM的積累。

柱狀上方不同小寫字母表示各處理間差異顯著(P<0.05)。下同。Different lowercase letters above the bars indicate significant differences among treatments (P<0.05). The same below。

3.2 對土壤活性有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

由圖3可知,在褐土中,果園土壤的HLOM質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于其他3種土地利用方式,為 2.13 g/kg。在砂姜黑土和潮土中,農(nóng)田土壤的LLOM、MLOM和HLOM質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著高于果園、菜地和荒地土壤,其值的變化范圍均在 1.94～5.21 g/kg。綜上,在褐土中,果園利用方式顯著提高土壤HLOM質(zhì)量分?jǐn)?shù);在砂姜黑土和潮土中,農(nóng)田利用方式能顯著提高土壤的各LOM質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

SOM: Soil organic matter. LLOM: Lowly labile organic matter. MLOM: Moderately labile organic matter. HLOM: Highly labile organic matter. The same below.

3.3 不同活性有機(jī)質(zhì)組分分布比例

如圖4所示,從整體來看,褐土的總活性有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)略高于砂姜黑土和潮土。在褐土中,荒地土壤的總活性有機(jī)質(zhì)比例最高(67.79%),果園土壤最低(53.73%)。其中,菜地土壤的MLOM比例最大,為18.70%。在砂姜黑土中,農(nóng)田土壤的總活性有機(jī)質(zhì)比例最大,為48.66%。其中,菜地土壤LLOM比例最高(22.55%),果園土壤最低(12.25%)。在潮土中,總活性有機(jī)質(zhì)比例以農(nóng)田最高(41.08%),且農(nóng)田的LLOM、MLOM和HLOM的比例均最大,分別為18.83%、13.72%、8.54%。綜上,在褐土中,荒地利用方式有利于提高土壤總活性有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù),農(nóng)田次之;在砂姜黑土和潮土中,農(nóng)田利用方式提高土壤總活性有機(jī)質(zhì)占總有機(jī)質(zhì)的比例效果最佳。

NLOM: Non-labile organic matter. The same below.

3.4 對碳庫管理指數(shù)的影響

由表2得出,以荒地土壤作為對照土壤,3種不同土壤類型中的農(nóng)田土地利用方式的CPI值均大于1。在褐土中,菜地土壤MLOM和LLOM的CPMI均為最大值,分別為137和95。在砂姜黑土中,農(nóng)田土壤的LLOM、MLOM和HLOM的CPMI均為最大值,分別為197、183和202。在潮土中,農(nóng)田利用方式對提高土壤LLOM的CPMI效果最明顯,為171。

表2 不同土壤類型不同土地利用方式下碳庫管理指數(shù)

由表3可知,土地利用方式及土壤類型均對SOM和LOM的影響達(dá)到極顯著水平。對于LLOM和HLOM的CPMI來說,土壤類型對其影響達(dá)到顯著水平。綜上,在褐土中,菜地土壤MLOM和LLOM的CPMI數(shù)值最大,說明菜地利用方式有利于MLOM和LLOM的積累;在砂姜黑土和潮土中,農(nóng)田土壤LLOM、MLOM和HLOM的CPMI數(shù)值均最大,說明農(nóng)田利用方式更有助于土壤各活性有機(jī)質(zhì)的提高。

表3 土壤類型和土地利用方式對活性有機(jī)質(zhì)和碳庫管理指數(shù)影響的方差分析

4 討論

4.1 土壤有機(jī)質(zhì)含量的差異

土壤有機(jī)質(zhì)是評價土壤肥力的重要的指標(biāo),而土地利用方式是造成土壤碳庫循環(huán)不平衡的主要因素之一。張旭博等[11]研究得出,在我國北方干旱半干旱地區(qū),農(nóng)田、草地、灌木和林地土壤中的秸稈、根茬及植株殘渣等刺激微生物的分解,從而促進(jìn)SOM的積累。筆者發(fā)現(xiàn)不同土壤類型不同土地利用方式下SOM含量具有明顯差異。褐土果園表層SOM富集的現(xiàn)象最明顯,這與張超博等[12]的研究一致。有研究表明,果園隨著種植年限的增加,土壤的黏粒和粉粒含量增加,但土壤質(zhì)地未改變[13]。褐土菜地SOM次之,宋蒙亞等[14]研究發(fā)現(xiàn)菜地可以在一定程度上提高SOM含量,可能是因為動植物殘體和植物的根系分泌物不斷地進(jìn)入土壤中,進(jìn)而增加SOM。Wang等[15]分析發(fā)現(xiàn)褐土多分布于降雨較少西北黃土丘陵一帶,生物體腐解較慢,這就導(dǎo)致褐土本身的SOM含量較低,本研究結(jié)果與其一致。砂姜黑土的農(nóng)田土壤較其他3種不同土地利用方式SOM含量最大。其主要的原因可能是砂姜黑土土壤質(zhì)地黏重,耕性較差,所以其本身SOM含量較低[16],因此,外源肥料施用能明顯提高土壤SOM含量。但高學(xué)振等[17]研究發(fā)現(xiàn),砂姜黑土密度較大,總孔隙度較小,干縮濕脹,導(dǎo)致大部分SOM被包裹在土壤黏粒內(nèi)部,且降解外來碳源轉(zhuǎn)化為SOM的過程是較為困難。因此在增加外來碳源的同時,配合合理耕作措施對砂姜黑土SOM提升具有重要作用。潮土的果園和農(nóng)田土壤SOM含量均較高,且二者比較沒有顯著性差異。造成上述現(xiàn)象的原因除果園表層土壤的枯枝落葉較多外,還有可能是果樹根系發(fā)達(dá),根系分泌物豐富,促使SOM積累;雖然人為活動對農(nóng)田土壤的擾動較大,但任榮秀等[18]研究表明,農(nóng)田土壤的有機(jī)碳大部分儲存于黏粒+黏粉粒團(tuán)聚體中,顯著提高土壤的固碳能力。也可能是因為潮土主要分布的地區(qū)水熱資源條件較為充足,微生物分解枯枝爛葉或動植物殘體能力較強(qiáng)。

4.2 土壤活性有機(jī)質(zhì)含量及碳庫管理指數(shù)的差異

土壤活性有機(jī)質(zhì)和碳庫管理指數(shù)是更加全面、靈敏地反映土壤有機(jī)質(zhì)變化的重要指標(biāo)。鄧瑞芬等[19]研究認(rèn)為不同土地利用方式通過影響植物的碳供給量而改變土壤中各碳組分及其比例。本研究發(fā)現(xiàn),在褐土中,果園利用方式提高LLOM和HLOM,但是NLOM/TSOM明顯升高,說明果園利用方式更有利于增加穩(wěn)定態(tài)碳,促進(jìn)土壤碳庫積累,這與賈璇等[20]的研究一致。從褐土主要分布地區(qū)的氣候來看,主要以落葉喬木為主,而喬木層和土壤層的碳儲量占較大的比例,其根系促使碳穩(wěn)定在土壤中。在砂姜黑土和潮土中,農(nóng)田利用方式顯著提高土壤高、中、低活性有機(jī)質(zhì)的含量,這與倪進(jìn)治等[21]的研究結(jié)果一致。沈曉琳等[22]研究得出,深耕+秸稈還田的耕作方式提高<0.25 mm粒級土壤團(tuán)聚體中微生物的豐富度,在一定程度上增加土壤的固碳能力。

CPMI可以具體地、動態(tài)地反映LOM在數(shù)量上的變化,CPMI數(shù)值上升則表示土壤肥力的提高,土壤的理化性能向良好的方向發(fā)展。熊翱宇等[23]研究發(fā)現(xiàn),長期施肥的土壤CPMI與SOM、LOM存在顯著和極顯著正相關(guān)關(guān)系,可以有效反映SOM的變化。我們研究發(fā)現(xiàn)褐土果園土壤的CPI和高、中、低活性有機(jī)質(zhì)的CPMI相較于其他3種土地利用方式的值最大,說明果園土地利用方式有助于提高褐土的SOM含量。張玉岱[24]研究指出,生草極顯著地提高果園土壤LLOM、MLOM的CPMI,但對HLOM的CPMI影響較小,本研究的結(jié)果與其不同。果園利用方式有效地提高土壤的高、中、低活性有機(jī)質(zhì)的CPMI可能是因為果園土壤耕層擾動較小,土壤中碳素周轉(zhuǎn)速率緩慢,而且果園土壤表面所積累的凋落物可以部分抵消掉地表碳的損失,從而增加土壤碳匯能力[25]。在砂姜黑土和潮土中,農(nóng)田利用方式明顯地提高了土壤高、中、低活性有機(jī)質(zhì)的碳庫活度(L)和CPMI。這有可能是因為化肥促進(jìn)了作物生長增加外源碳的輸入,有利于提高土壤CPMI[26]。

5 結(jié)論

1)同一土壤類型、不同土地利用方式下,LLOM、MLOM和HLOM的分布趨勢與其對應(yīng)的有機(jī)質(zhì)分布大致是一樣的。在褐土中,果園土壤的HLOM含量顯著高于其他土地利用方式,但是荒地的總活性有機(jī)質(zhì)占總有機(jī)質(zhì)比例最高,為67.79%。在砂姜黑土和潮土中,農(nóng)田土壤的各活性有機(jī)質(zhì)的含量均顯著高于其他土地利用方式,其中總活性有機(jī)質(zhì)的比例分別為48.66%和41.08%。

2)不同土壤類型下,農(nóng)田的CPI數(shù)值均>1,說明農(nóng)田土地利用方式更有利于土壤碳庫的積累。在褐土中,菜地利用方式有利于土壤低活性有機(jī)質(zhì)和中活性有機(jī)質(zhì)的CPMI的提升。在砂姜黑土和潮土中,農(nóng)田利用方式有助于土壤各活性有機(jī)質(zhì)的CPMI的提高。通過雙因素方差分析可得,土地利用方式和土壤類型×土地利用方式互作對土壤總有機(jī)質(zhì)、活性有機(jī)質(zhì)和碳庫管理指數(shù)的影響均達(dá)到極顯著水平。因此,土壤類型和土地利用方式均會對土壤的有機(jī)質(zhì)、活性有機(jī)質(zhì)及碳庫管理水平產(chǎn)生明顯的影響,這對指導(dǎo)河南省的土壤生態(tài)環(huán)境、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和土地可持續(xù)利用具有重大的意義。