不同經營年限對柑橘果園土壤有機碳及其組分的影響

王義祥，葉菁，王成己，翁伯琦，黃毅斌

福建省農業科學院農業生態研究所，福建 福州 350013

不同經營年限對柑橘果園土壤有機碳及其組分的影響

王義祥，葉菁，王成己，翁伯琦*，黃毅斌*

福建省農業科學院農業生態研究所，福建 福州 350013

土壤有機碳庫是全球碳循環的重要組成部分，其積累和分解的變化直接影響全球的碳平衡。果園是我國重要的土地利用類型之一，果園面積占我國土地總面積的1.15%。因此，研究果園土壤有機碳庫的演變規律，對于準確評估我國陸地生態系統的固碳潛力具有重要的科學意義。利用時空替代和物理、化學分組的方法比較研究不同經營年限對柑橘果園土壤有機碳庫及其組分的影響，旨為果園土壤固碳增匯機理研究提供科學依據。利用時空替代法和物理化學分組的方法比較研究經營年限對柑橘果園土壤有機碳庫及其組分的影響。結果表明：50年代柑橘果園0～20 cm和20～40 cm土層顆粒有機碳和輕組有機碳含量分別比80年代柑橘果園提高了9.6%和23.60%、2.57%和3.63%，其中對0～20 cm土層的影響顯著高于20～40 cm，說明果園經營干擾對土壤活性有機碳的影響隨著土層的加深而降低。50年代柑橘果園0～20 cm土層土壤有機碳含量比80年代果園提高27.2%，可溶性有機碳提高20.1%，微生物生物量碳提高5.3%；50年代柑橘園0～100 cm土層有機碳儲量比80年代柑橘園提高30.3%，但50年代柑橘園的土壤顆粒有機碳、輕組有機碳、可溶性有機碳和微生物量碳占總有機碳的比率均低于80年代柑橘園，說明當種植年限超過30年后，隨著種植年限增加，果園土壤有機碳質量存在退化的風險。

經營年限；柑橘果園；土壤；有機碳；組分

土壤有機碳的平衡狀況取決于每年有機碳的分解量與積累量之間的盈虧，而由有機碳的分解與轉化所構成的土壤有機碳循環受許多因素影響，如溫度、水分、質地、土壤微生物、耕作制度與耕作方式等（于君寶等，2004）。當自然土壤經墾殖后，其土壤有機碳的含量及其在土壤中的駐留時間等將受到很大的影響，而長期的農業耕作與管理，也使得土壤有機碳具有自己的變異特征（吳樂知和蔡祖聰，2007）。果園作為我國南方紅黃壤丘陵區重要的土地利用方式，土壤碳的輸入、輸出方式與農田有明顯差異。葛璽祖（2011）對黃土高原南部溝壑區果園與農田土壤有機碳差異的研究表明，果園的松結態、穩結態有機碳高于農田。目前已有一些土地利用方式變化和土壤管理措施，如生草、施肥等對果園土壤有機碳庫影響的研究，(Eduardo等，2011；翁伯琦等，2013；張林森等，2013)，但有關果園長期利用過程中土壤有機碳庫的演變規律研究還少見報道。土壤活性有機碳是指在土壤中不穩定、易氧化、分解、礦化，其形態和空間位置對植物和微生物有較高活性的那部分土壤碳素，通常利用顆粒有機碳、輕組有機碳、易氧化態有機碳、水溶性有機碳和微生物量有機碳等進行表征。土壤活性有機碳雖然只占土壤有機碳的較小部分，但它對植物養分供應有最直接的作用，可以靈敏地反應不同技術措施對土壤碳庫和潛在生產力的影響，指示土壤有機質的早期變化（Blair等，1995）。故此，本研究采用時空替代法比較研究不同經營年限條件下果園土壤有機碳庫及其組分的變化，旨為果園土壤固碳增匯機理研究和合理經營措施的制定提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地選擇

試驗地位于永春縣猛虎柑橘場內，屬亞熱帶濕潤性季風氣候，年平均溫度18.5 ℃，年降雨量1700～1800 mm。猛虎柑橘場原為1953年印尼歸國華僑尤揚祖在達埔鄉創辦的猛虎華僑墾殖場。1954年春建植0.27 hm2蘆柑，為福建省建植最早的永春蘆柑。1978年，更名為永春縣猛虎柑桔場，占地總面積36.67 hm2，其中柑橘面積31.67 hm2。本研究在供試果園的相鄰近區域選取20世紀50年代和80年代建植的兩個蘆柑（Citrus reticulate Blanco）果園作為試驗地，其地形、成土母質及土壤類型等條件基本一致，坡向東南，坡度為20°，成土母質為花崗巖坡積物，土壤類型為赤紅壤。每年或隔年對果園0～20 cm的表層土壤進行中耕翻土，每公頃年施純氮1275 kg，其中有機氮平均占施氮量的17%。2010年兩個試驗地土壤的基本理化性狀見表1。

表1 試驗地土壤基本理化性狀表1 The basic physical and chemical properties of the experimental soil

1.2 土壤取樣

于2010年3月下旬分別在2個種植年限的試驗地內設立3個20 m × 20 m樣區，研究樣區按照鄰近原則進行布置。在每個樣區按S形布設取樣點5個，挖取0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 5個層次的土壤剖面，分不同層次采集土壤，用環刀法采樣并測定土壤容重。將每個樣區不同層次的5個樣點樣品混合均勻，采用多點采集方法形成混合樣品，樣品過2 mm篩，去除石礫和根系。一份鮮樣置于冰箱內4 ℃保存，供土壤水溶性有機碳、微生物量碳的測定；另一份風干后，過0.25 mm篩分別用于土壤有機碳、易氧化碳、顆粒有機碳、輕組有機碳和土壤理化性狀分析。

1.3 測定內容與方法

土壤顆粒有機碳（(Particle Organic Carbon，POC）的測定按照Franzluebbers和Stuedemann（2002）的方法，通過濕篩法獲得53～2000 μm的顆粒組分；土壤輕組有機碳(Light fraction organic carbon，LFOC)測定參照Besnard等（1996）的相對密度分組法，所用重液是密度為1.7 g·cm-3的NaI溶液。土壤水溶性有機碳（Dissolved Organic Carbon，DOC）分析用Ghani等（2003）的方法，土壤微生物生物量碳（Microbial Biomass Carbon, MBC）測定采用氯仿熏蒸－K2SO4浸提法（魯如坤，2000）。浸提液有機碳濃度用島津TOC-VCPH儀測定，土壤有機碳測定采用重鉻酸鉀－外加熱法（鮑士旦，1999）。

1.5 數據處理

利用Microsoft Excel 2003和DPS 7.05統計分析軟件進行數據計算處理及差異顯著性檢驗和相關性分析，多重比較采用LSD法。

2 結果分析

2.1 柑橘園土壤有機碳含量變化

土壤有機碳含量取決于有機物料輸入與輸出之間的平衡，而氣候特點、土壤性質以及耕作方式的差異，均會導致土層內有機碳含量的大小及分布。由圖1可以看出，20世紀50年代建植的柑橘園不同土層的有機碳含量均高于80年代建植的柑橘園；其中50年代建植柑橘園0～20 cm土層有機碳含量比80年代的高27.19%，且差異達到顯著水平。除0～20 cm和80～100 cm土層外，50年代和80年代柑橘園其它土層間有機碳含量的差異不顯著，表明經營年限的提高可不同程度地促進果園土壤有機碳的積累。就垂直分布而言，50年代和80年代柑橘園的有機碳含量隨著土層深度變化均呈相似的變化規律，即隨土層的加深呈現先減后增的趨勢，60 cm土層處為土壤有機碳含量變化的拐點。

圖1 不同經營年限柑橘園土壤總有機碳含量Fig. 1 Total organic carbon contents in orchard soils under diferent reclamation periods

2.2 柑橘園土壤有機碳密度的變化

由圖2可以看出，50年代和80年代柑橘園土壤有機碳密度隨土層的加深也呈先減后增的變化趨勢。其中50年柑橘園土壤有機碳密度以80～100 cm土層最高，且與其它土層間的差異達到顯著水平；而80年代柑橘園以0～20 cm土層最高，其次為80～100 cm土層，但0～20 cm和80～100 cm土層間的差異不顯著。圖2還表明，50年代柑橘園不同土層的土壤有機碳密度均顯著高于80年代果園，比80年代柑橘園土壤有機碳密度高15.08%～49.29%。50年代柑橘園0～100 cm土層的土壤有機碳儲量比80年代柑橘園提高30.30%，且差異達顯著水平。

2.3 柑橘園土壤顆粒有機碳的變化

圖2 不同經營年限柑橘園土壤有機碳密度Fig. 2 Organic carbon density in orchard soils under diferent reclamation periods

顆粒有機碳（Particulate organic carbon，POC）為砂粒（2000～53 μm）有機碳。由圖3可知，20世紀50年代和80年代柑橘園0～20 cm土層土壤顆粒有機碳含量分別比20～40 cm土層增加64.5%和75.8%，上下層之間的土壤顆粒有機碳含量差異性均達顯著水平，表現出隨著土層加深而降低的變化規律。就經營年限的影響而言，50年代柑橘園0～20 cm和20～40 cm土層的土壤顆粒有機碳含量分別比80年代柑橘園相應土層提高9.6%和2.6%，但兩者間的差異未達顯著水平。POC/土壤有機碳（SOC）值可在一定程度上反映土壤有機碳的質量和穩定程度。一般認為，POC/SOC值大，表明土壤有機碳較易礦化、周轉期較短或活性高，POC/SOC值小則表明土壤有機碳較穩定，不易被生物所利用。由圖4可以看出，50年代柑橘園POC/SOC均隨著土層的加深而減小，其中0～20 cm土層50年代柑橘園土壤POC/SOC比80年代柑橘園的降低19.4%，兩者間的差異達顯著水平；20～40 cm土層50年代柑橘園土壤POC/SOC比80年代柑橘園的降低1.6%，但兩者之間差異未達顯著水平，表明隨著經營時限的延長，果園土壤POC/SOC下降，土壤大團聚體結構向細小顆粒轉變，粉砂粒和黏粒增多，其固持的有機碳含量增加，土壤有機碳較穩定，不易被生物所利用。

圖3 不同經營年限柑橘園土壤顆粒有機碳含量Fig. 3 POC contents of orchard soils under different tillage periods

圖4 不同經營年限柑橘園土壤顆粒有機碳和輕組有機碳占土壤有機碳的比例Fig. 4 POC/SOC and LFOC/SOC in orchard soils under different tillage periods

2.4 柑橘園土壤輕組有機碳的變化

輕組有機碳（Light fraction organic carbon，LFOC）介于動植物殘體和腐殖化有機質之間的有機碳庫，是土壤不穩定有機碳庫的重要組成（Christensen，2001）。由圖5可知，20世紀50年代柑橘園0～20 cm土層輕組有機碳含量比80年代果園增加23.6%，差異性未達顯著水平；20～40 cm土層則比80年代果園增加3.6%，表現為隨著經營年限的增加，輕組有機碳含量呈現增加的趨勢。就土層變化而言，50年代和80年代柑橘園0～20 cm土層輕組有機碳含量分別比20～40 cm土層增加了35.5%和14.0%，差異性達顯著水平，表現為隨土層深度的增加，輕組有機碳含量降低的趨勢。就輕組有機碳占總有機碳的比例而言，50年代和80年代柑橘園土壤LFOC/SOC均隨著土層的加深而降低（圖4），其中50年代柑橘園0～20 cm和20～40 cm土層土壤LFOC/SOC分別比80年代柑橘園降低了4.4%和3.1%，說明隨著經營年限的增加，由于有機肥和凋落物的輸入，導致歸還果園土壤的動植物殘體和腐殖化物質增加，土壤有機碳含量增加，但伴隨著干擾活動的加劇，果園土壤活性有機碳逐漸被分解礦化，土壤非保護性碳庫的比例降低，而惰性或者緩效性有機碳的比例則增加。

圖5 不同經營年限柑橘園土壤輕組有機碳含量Fig. 5 LFOC contents of orchard soils under different tillage period

2.5 柑橘園土壤可溶性有機碳的變化

土壤水溶性有機碳（Dissolved organic carbon, DOC）作為生物活性有機碳容易被土壤微生物分解，雖然它只占土壤有機碳的較小部分，卻在維持土壤養分和生物學肥力方面發揮著重要作用（Jandl和Sollins，1997）。由圖6可知，20世紀50年代和80年代柑橘園土壤可溶性有機碳含量均隨著土層的加深而減少；其中50年代柑橘園0～20 cm土層土壤可溶性有機碳含量比20～40 cm土層高20.1%，但差異性未達顯著水平；80年代柑橘園0～20 cm土層比20～40 cm土層高16.9%，但差異性未達顯著水平。就不同經營年限比較而言，50年代柑橘園0～20 cm和20～40 cm土層可溶性有機碳含量分別比80年代柑橘園增加7.80%和4.92%，表現為隨著經營年限的增加土壤可溶性有機碳含量呈增加的趨勢，但兩者間的差異不顯著。土壤中活性碳庫占總有機碳的百分比可以反映土壤有機碳的質量（倪進治等，2001）。從可溶性有機碳占總有機碳的比例可以看出（圖7），0～20 cm和20～40 cm土層50年代柑橘園土壤可溶性有機碳占總有機碳的比例分別比80年代柑橘園降低18.0%和3.3%，說明隨著經營年限的增加，土壤有機碳的質量降低。由圖7還可以看出，50年代和80年代柑橘園0～20 cm土層DOC/SOC分別比20～40 cm土層高7.4%和6.4%，表現為隨土層加深DOC/SOC呈降低的趨勢，差異性達顯著水平。

圖6 不同經營年限柑橘園土壤可溶性有機碳含量Fig. 6 DOC contents of orchard soils under different tillage periods

圖7 不同經營年限柑橘園土壤可溶性有機碳占土壤有機碳的比例Fig. 7 DOC/SOC in orchard soils under different tillage periods s

2.6 柑橘園土壤微生物量碳的變化

微生物量碳（Microbial biomass carbon，MBC）作為土壤活性碳的表征指標，可以反映出土壤能量循環、養分的轉移和運輸狀況，同時也是土壤有效碳庫的重要組成部分（Kandeler等，1999）。由圖8可以看出，隨著經營時間的延長，柑橘園土壤微生物量碳含量呈上升趨勢，其中50年代柑橘園0～20 cm和20～40 cm土層微生物量碳含量分別比80年代柑橘園提高5.3%和2.6%，但兩者間的差異不顯著，這與土壤有機碳含量的變化規律相一致。就土層變化而言，50年代和80年代柑橘園0～20 cm微生物量碳含量均高于20～40 cm土層，但兩土層間的差異也均不顯著。土壤微生物量碳/全碳也稱為微生物墑，是土壤碳庫質量的敏感指示因子，可以推斷碳素有效性（戴慧，2007）。由圖9可以看出，50年代和80年代柑橘園微生物量碳占土壤有機碳的比例均隨著土層深度的加深而降低，其中50年代柑橘園0～20 cm土層微生物量碳占土壤有機碳的比例相對80年代柑橘園下降了17.93%，且兩者間的差異性達到顯著水平，表明隨著經營年限的增長，柑橘園土壤有機碳質量存在退化的風險。

圖8 不同經營年限柑橘園土壤微生物量碳含量Fig. 8 MBC contents of orchard soils under different tillage period

圖9 不同經營年限柑橘園土壤微生物量碳占土壤有機碳的比例Fig. 9 MBC/SOC in orchard soils under different tillage period

3 討論

土壤有機碳的積累與新鮮有機物的輸入和土壤管理方式密切相關。果園經營過程中人為干擾，如施肥、除草、修剪以及間作套種等，均引起果園土壤有機碳貯存狀況的改變。已有研究表明，在農田生態系統中，長期施用化肥條件下，土壤有機碳的含量可以得到維持或提高，增施有機肥會顯著提高土壤有機碳的含量（Drury等，1998）。但在果園生態系統中，土壤有機碳含量的演變有不同的報道。甘卓亭等（2010）研究認為，在長期的果園利用過程中，果園固碳量在不同的年齡期存在差異，從5、10年到15年果園SOC逐步增加，而15年到20年減小；而郭恢財等（2010）對種植年限分別為9、20和31年臍橙果園的調查表明，隨著種植年限的增加，土壤有機碳含量呈增加的趨勢。本研究結果表明，50年代柑橘園土壤有機碳含量高于80年代柑橘園，表現為隨著經營年限增加，土壤有機碳含量呈增加的趨勢，這是由于隨著經營年限的延長，以凋落物和有機肥形式輸入的碳素除了部分被植物吸收或分解進入大氣外，更多的有機碳逐漸在土壤中累積下來，同時也說明本試驗條件下的經營模式有利于提高果園土壤的碳匯功能。

土壤活性有機碳系指土壤中不穩定、易氧化和礦化、其形態和空間位置對植物和微生物有較高活性的土壤碳素。許多研究認為，輕組有機碳或顆粒有機碳對土壤耕作比較敏感，是反映在不同農田管理措施下土壤質量變化較好的指標，對于準確評價耕作影響土壤碳過程具有重要意義（Chan等，2002）。楊長明等（2006）研究表明，與傳統小麥-玉米農田土壤相比較，果園土壤活性有機碳、顆粒有機碳、輕組有機碳和可溶性有機碳的含量分別提高了104.3%、124.6%、136.4%和106.4%。本研究結果表明，20世紀50年代果園0～20 cm和20～40 cm土層顆粒有機碳和輕組有機碳含量分別比80年代果園提高了9.6%和23.60%、2.57%和3.63%，其中對0～20 cm土層的影響顯著高于20～40 cm，說明果園經營干擾對土壤活性有機碳的影響主要體現在表層（蔡立群等，2000）。Sampson和Scholes（2000）通過數據收集計算得出，任何一個農業生態系統的耕作方式改變，在前20年中土壤碳都以穩定的速率積累，后20年碳積累速率成直線下滑，最終達到一個碳積累速率為零的另一個穩定狀態。本研究中50年代和80年代兩種果園間的差異不顯著，可能是由于兩個年代果園的經營年限均超過了20年，土壤有機碳的積累已經處于一種較穩定狀態。本研究結果還表明，50年代柑橘園0～20 cm土層POC/SOC、LFOC/SOC和DOC/SOC分別比80年代柑橘園降低了19.4%、4.4%和18.0%，說明隨著經營年限的延長，以凋落物和有機肥形式輸入土壤的碳素除滿足植被自身生長的需要外，大部分以非活性形態貯存下來。

許多研究認為，土壤微生物的生物量、土壤呼吸等生物特性比土壤有機質、養分含量等其他理化性狀能更敏感地對土壤質量的變化做出響應（Dilly和 Munch，1996）。土壤微生物的生物量既是土壤養分轉化與循環的動力，又是土壤中植物有效養分的儲備庫，能更靈敏地反映環境因子、經營模式和生態功能的變化（張成娥等，2002）。周國模等（2006）和鄔奇峰等（2005）的研究表明，集約經營過程中隨著經營年限的增加，毛竹林和板栗園的土壤微生物量碳含量均有不同程度地降低。本研究結果表明，隨著經營時間的延長，柑橘園土壤微生物量碳含量則呈上升趨勢，這與不同利用方式及其經營管理的年限和措施不同有關。果園經營過程中通過有機肥投入有利于土壤有機碳的積累，而集約化毛竹林和板栗園經營因大量施用化肥導致土壤有機碳損耗加劇。許多學者認為，土壤微生物熵是衡量一個生態系統土壤有機碳積累或損失的一個重要指標，比值越大，則說明有機碳周轉速率越快（Tarafdar等，2001）。據Zeller等（2001）研究報道，土壤微生物熵值為0.27%～7.00%。本研究50年代和80年代柑橘園土壤微生物熵值為5.37%～6.55%，均處于Zeller報道的范圍之內。另外，50年代柑橘園微生物熵值比80年代柑橘園的降低6.6%～17.19%。郭恢財等對臍橙園土壤酶活性的研究也表明，種植20年的臍橙果園土壤酶活性高于31年的臍橙果園（郭恢財等，2010），說明果園經營超過一定時限后，隨著經營年限的延長，果園土壤有機碳的周轉速率變慢，表現為有利于土壤有機碳的積累。

4 結論

1）50年代柑橘果園不同土層的土壤有機碳含量和碳密度均高于80年代柑橘果園，表現為土壤有機碳隨著經營年限延長而增加的趨勢，這是果園經營過程中來自凋落物和有機肥等的外源碳素輸入而在果園土壤中逐漸累積的結果。

2）20世紀50年代柑橘園土壤顆粒有機碳（POC）、輕組有機碳（LFOC）、可溶性有機碳（DOC）和微生物量碳（MBC）含量均高于80年代柑橘園，表現為隨著經營年限的增長，土壤活性有機碳含量增加；但50年代柑橘園POC/SOC、LFOC/SOC、DOC/SOC和MBC/SOC均低于80年代柑橘園，說明隨著種植年限的增加，果園土壤有機碳質量存在退化的風險。

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Effect of Different Cultivation Years on Soil Organic Carbon Pools in Citrus Orchards

WANG Yixiang, YE Jing, WANG Chengji, WENG Boqi*, HUANG Yibin*

Institute of Agricultural Ecology, Fujian Academy of Agricultural Sciences, Fuzhou 350013, China

Soil organic carbon is an important component of the global carbon cycle，and it has direct effects on the global carbon balance. Orchard is an important part of the landscape land, the area of which accounts for 1.15% of the total land area in China. To study the dynamic of soil organic carbon stock in orchard，would provide an important scientific basis to accurately evaluate carbon sequestration potential of terrestrial ecosystems. Effect of different cultivation years on soil stable organic carbon pools and fractions in Citrus orchard was investigated to elucidate the mechanism responsible for orchard soil carbon sequestration using the temporal-spatial substitution and physical and chemical fractionation methods. The results showed that the particle organic carbon content of 60’ citrus orchards in the 0～20 cm and 20～40 cm soil layers increased by 9.6% and 2.57% than those of 30’ citrus orchards, respectively, the light fraction organic carbon content increased by 23.6% and 3.63%, respectively. The variation of labile organic carbon in the 0～20 cm soil layer was significantly higher than that of the 20～40 cm soil layer. It indicated that the effect of orchard management on labile soil organic carbon decreased with the increase of soil layer depth. The results also showed that the 60' s citrus orchard compared with 30's citrus orchard citrus orchard, the content of organic carbon in the 0～20 cm soil layer increased by 27.%, dissolved organic carbon content increased by 20.1%, microbial biomass carbon content increased by 5.3%. Soil organic carbon storage of 60's citrus orchard in 0～100 cm soil layer increased 30.30% more than that of 30's citrus orchard. Compared with 30's citrus orchard, soil particulate organic carbon, light fraction organic carbon, dissolved organic carbon and microbial biomass carbon in the ratio of total organic carbon in 60's citrus orchard were all lower. It showed that more than 30 years after planting period, there is degradation risk of soil organic carbon quality with the increasing of growing years.

cultivation years; citrus orchard; soil; organic carbon; fractions

S153.6

A

1674-5906（2014）10-1574-07

王義祥，葉菁，王成己，翁伯琦，黃毅斌. 不同經營年限對柑橘果園土壤有機碳及其組分的影響[J]. 生態環境學報, 2014, 23(10): 1574-1580.

WANG Yixiang, YE Jing, WANG Chengji, WENG Boqi, HUANG Yibin. Effect of different cultivation years on soil organic carbon pools in citrus orchards [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(10): 1574-1580.

國家科技支撐計劃課題（2012BAD14B15；2012BAD14B03）；福建省科技廳公益類項目（2014R1101013-3）；農業部福州農業環境科學觀測實驗站項目

王義祥（1978年生），男，副研究員，主要從事土壤碳氮循環研究。E-mail: sd_wolong@163.com

*通信作者：翁伯琦，E-mail: wengboqi@163.com；黃毅斌，ecohyb@163.com

2014-07-02