黃淮海平原不同土地利用方式對土壤有機碳及微生物呼吸的影響

李英，韓紅艷，王文娟，楊光菲，趙燦燦

河南大學生命科學學院，河南 開封 475004

黃淮海平原不同土地利用方式對土壤有機碳及微生物呼吸的影響

李英，韓紅艷，王文娟，楊光菲，趙燦燦*

河南大學生命科學學院，河南 開封 475004

土壤是陸地生態系統最大的碳庫，有機碳通過微生物分解作用向大氣釋放CO2，土壤碳庫的微小變化將會對大氣CO2濃度和全球碳循環產生巨大的影響。在當前人類活動頻繁和土地利用與土地覆被變化的背景下，研究不同土地利用方式對土壤有機碳等理化性質和土壤微生物呼吸等功能的影響，可以闡明影響土壤碳匯功能的關鍵因子，為未來土地利用管理提供科學依據。以開封市為例，研究了黃淮海平原不同土地利用方式（包括棄耕地、草地、果園、農田和森林）下土壤濕度、pH值、銨態氮、硝態氮、總碳、總氮、有機碳、可溶性有機碳、微生物生物量碳氮、微生物呼吸及其溫度敏感性的變化規律。研究結果表明，（1）森林土壤濕度、總碳、總氮、有機碳（1.48%）、微生物生物量碳氮含量顯著高于其他土地利用方式，但其微生物呼吸（101.06 mg·kg-1·d-1）和溫度敏感性（1.18）最小。（2）農田土壤的總碳、總氮、有機碳、微生物生物量碳氮含量均次于森林且高于其他土地利用方式，微生物呼吸速率較大（128.55 mg·kg-1·d-1）。（3）棄耕地、草地和果園土壤碳氮和微生物碳氮較小。（4）結構方程模型表明土地利用方式可以直接解釋土壤有機碳積累的68%，且可通過土壤濕度間接地影響土壤有機碳和微生物呼吸。土壤有機碳和微生物呼吸分別被土壤濕度和硝態氮含量等因子解釋了93%和54%。該研究表明森林生態系統利于土壤有機碳固持，其較小的微生物呼吸溫度敏感性對應對未來全球氣候變化具有重大意義；農田占地面積廣大，農業經營中在保障糧食生產的同時要采取免耕或秸稈還田等措施充分發揮其碳匯作用。

土壤理化性質；有機碳礦化；碳匯；土地管理；結構方程模型

自工業革命以來，由于人類活動的加劇包括土地利用方式的改變和大量化石燃料的燃燒等引起的大氣CO2濃度升高和全球氣候變暖，正對人類賴以生存的陸地生態系統結構和功能產生長遠而深刻地影響，進而影響其提供的生態服務功能以及人類社會經濟的可持續發展（Falkowski et al.，2000；Moss et al.，2010）。土壤是陸地生態系統最大的碳庫，全球約1500 Pg的碳是以有機質形式存儲于土壤中，相當于陸地植被碳庫的2～3倍，大氣碳庫的2倍（Lal，2004）。土壤有機碳通過微生物分解（微生物呼吸）作用每年向大氣中釋放的碳量是68～100 Pg，約為大氣CO2儲量的10%（Raich et al.，2002）。因此土壤碳庫的微小變化都將會對大氣CO2濃度和全球碳循環起重要作用。

土地利用與土地覆被變化作為人類干擾活動的主要形式，是影響陸地生態系統土壤碳儲量和碳交換的關鍵因素。不同的土地利用方式會影響固、液和氣三相的比例，改變土壤團聚結構和物理性質（張玉斌等，2009；Acin-Carrera et al.，2013），也會影響凋落物的數量和質量、土壤微生物量和活性以及營養物質的存在形式和可利用性（Castro et al.，2010；Kara et al.，2014），進而影響土壤有機碳庫和土壤向大氣釋放的CO2通量（Janzen，2004；Fuchs et al.，2016）。黃淮海平原是我國最重要的農業區之一，農業開發歷史悠久，人口密集，土地資源類型多。本研究以黃淮海平原開封市為例，選取5種不同土地利用方式（包括棄耕地、草地、果園、農田和森林）為研究對象，通過測定土壤有機碳等理化性質和土壤微生物呼吸等功能參數，探討不同土地利用方式對土壤有機碳及其礦化的影響，以期為黃淮海平原土地管理提供科學的參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

本試驗研究地點位于河南省開封市。開封市位于黃河中下游、太行山脈東南方，北緯34°11′～35°01′，東經113°52′～115°15′，海拔73 m，地勢較平坦。屬于暖溫帶大陸性季風氣候，近60年年均降水量為627 mm，87.8%降水分布在4—10月。年均氣溫為14.3 ℃，月平均最高氣溫出現在7月（為27.1 ℃），最低氣溫出現在1月（-0.2 ℃）。開封市土地總面積為近6300 km2，其中耕地面積占69.2%，草地和果園面積占1.7%，森林面積占3.9%，棄耕地占1.7%。土壤呈現弱堿性。

1.2 樣品采集

在2015年4月對開封市5種土地利用方式包括棄耕地、草地、果園、農田和森林進行了全面的調查并采集土壤樣品。草地選取黃河河畔未被干擾的天然草地；果園選取梨樹園作為代表，（開封市大部分果園種植梨樹）；農田選取冬小麥-夏玉米輪作耕地（該耕作制度是黃淮海平原最典型的耕作方式）；森林選取楊樹林（楊樹耐性好，生長迅速，被廣泛種植于黃淮海平原）。在每種土地利用方式上分別隨機選取了8個1 m×1 m的樣方（n=8），在每個樣方中移除表層的枯枝落葉，利用內徑為5 cm的土鉆采集3鉆0～10 cm的表層土壤，并充分混勻為1個土壤樣品。去除較大的石塊和植物根系并過2 mm篩后，裝入密封袋置于冷藏箱中，帶回實驗室用于土壤理化性質和微生物指標的測定分析。

1.3 測定方法

1.4 數據處理與分析

采用SAS 9.0進行單因素方差分析，檢驗各項指標在不同土地利用方式下的差異。采用AMOS 21.0做結構方程模型，分析變量之間的路徑系數和相關系數，分析前對變量進行對數轉換，使各變量滿足正態分布。

2 結果與分析

2.1 不同土地利用方式對土壤理化性質的影響

不種土地利用方式對土壤pH值無顯著影響，土壤均呈偏堿性。表層0～10 cm土壤濕度差異顯著，森林土壤濕度顯著高于其他土地利用方式。土壤速效氮含量在不同土地利用方式間存在差異，棄耕地土壤銨態氮含量顯著高于其他土地利用方式，果園土壤硝態氮含量顯著高于其他土地利用方式。土壤碳氮含量差異顯著，森林土壤總碳和總氮遠遠高于其他土地利用方式，農田和森林土壤可溶性有機碳含量顯著高于其他土地利用方式（表1）。森林土壤有機碳含量為1.48%，遠遠高于其他土地利用方式（圖1）。

圖1 不同土地利用方式對土壤有機碳的影響Fig. 1 Effects of different land use types on soil organic carbon

表1 不同土地利用方式對土壤理化性質的影響Table 1 Effects of different land use types on soil physico-chemical properties

2.2 不同土地利用方式對土壤微生物特性的影響

不種土地利用方式對微生物生物量碳、氮影響顯著，森林微生物生物量碳、氮顯著高于其他土地利用方式。森林微生物呼吸的溫度敏感性（Q10）為1.18，顯著低于其他土地利用方式（表2）。在20 ℃條件下培養，果園和農田的土壤微生物呼吸較高（分別為133.50 mg·kg-1·d-1和128.55 mg·kg-1·d-1），森林土壤微生物呼吸低于其他土地利用方式（圖2）。

表2 不同土地利用方式對土壤微生物學性質的影響Table 2 Effects of different land use types on soil microbial properties

圖2 不同土地利用方式對土壤微生物呼吸速率的影響Fig. 2 Effects of different land use types on soil microbial respiration rate

2.3 土壤理化性質與土壤微生物特性的相互關系

土地利用方式顯著影響土壤濕度（37%）、土壤有機碳（68%）和可溶性有機碳（89%）。土壤濕度與土壤有機碳呈正相關關系（35%），與微生物呼吸呈負相關關系（-71%）。硝態氮與微生物呼吸呈正相關關系，與微生物生物量碳呈負相關關系。土壤pH與可溶性有機碳呈負相關關系，可溶性有機碳與銨態氮呈負相關關系，微生物呼吸與土壤有機碳呈負相關關系。土地利用方式、土壤理化性質和微生物特性分別解釋了土壤有機碳的93%、微生物呼吸的54%以及可溶性有機碳的77%（圖3）。

圖3 結構方程模型顯示土地利用方式、土壤理化性質和微生物特性之間的關系Fig. 3 Structural equation model showing the relationships among different land use types, soil and microbial properties

3 討論

黃淮海平原是人類文明的發源地，至今仍然人口眾多，人類活動干擾極其頻繁，土地資源類型豐富，探討不同土地利用方式對土壤有機碳和微生物呼吸的影響對于理解黃淮海平原的碳循環過程及其對氣候變化地響應和適應具有重要意義。土壤有機碳是土壤有機質的重要組分之一，是衡量土壤肥力的指標。不同土地利用方式下的土壤有機碳存在顯著的差異，森林土壤有機碳是其他土地利用方式的4～12倍（圖1），說明森林生態系統具有巨大的碳匯作用，這與嚴毅萍等（2011）、吳秀坤等（2013）的研究結果類似。森林的枯枝落葉較多，可以直接向土壤輸送有機營養物質；另外森林樹木高大、枝繁葉茂，白天能夠進行較強的光合作用，凈積累較多，且樹木的根系十分發達，能夠將其固定的養分通過根系分泌到土壤中，從而促進森林土壤有機碳的積累。本研究結果顯示森林土壤微生物生物量碳、氮亦高于其他土地利用方式（表2），是因為森林地表較厚的腐殖質層使歸還土壤的有機質增多，且具有明顯的蓄水和保水作用（表1），利于土壤微生物的繁殖而導致微生物生物量升高（張增信等，2011）。盡管樹木的凋落物和根系向土壤輸送大量有機物質，致使土壤積累了較多的有機碳并支持了較大的微生物生物量，但是森林土壤微生物呼吸速率僅為101.06 mg·kg-1·d-1，顯著低于其他土地利用方式（圖2）。可能原因是：第一，森林土壤沒有翻耕等人為干擾，團聚體結構不受破壞，使得包裹在團聚體中的有機質得到了很好地保護，減緩了有機碳的礦化分解（Groffman et al.，1996）；第二，森林土壤濕度較高，降低了土壤溶氧量，使得微生物處于相對缺氧的狀態，從而降低微生物的活性（Zhao et al.，2016）。因此除森林巨大的凈光合積累之外，土壤的低礦化速率也是土壤有機碳積累的原因之一。森林土壤有機碳礦化的溫度敏感性顯著低于其它土地利用方式（表2），說明森林有機碳礦化與溫度之間的反饋作用小，在未來氣候變暖的背景下，森林生態系統在減緩氣候變化進程方面較其他土地利用方式更具重要意義（楊毅等，2011）。

黃淮海平原是我國糧食主產區之一，農田面積達到70%，探明農田土壤的碳匯能力和碳循環過程不僅有利于指導糧食生產的可持續發展，更對整個陸地生態系統的碳估算以及對未來全球氣候變暖程度的預測具有重要意義。本研究結果顯示，農田土壤的總碳、有機碳、總氮、微生物生物量碳氮含量均次于森林且高于其他土地利用方式（表1，表2，圖1）。一方面，近年來為顯著提高糧食產量，農民施用了大量化肥，特別是在黃淮海平原土壤本身肥力水平不高的情況下，施肥較大幅度提高了土壤有機質含量。黃淮海平原的主要耕作方式是冬小麥-夏玉米輪作，絕大部分小麥和玉米秸稈還田，保障了除糧食以外的有機質不被帶走。另一方面，翻耕破壞了土壤團聚體結構，迫使原本包裹在土壤團聚體中的有機碳不斷暴露在空氣中，降低了有機碳的物理保護性（房飛等，2013），致使可溶性有機碳含量增加（表1），提高了碳的微生物可利用性，從而提高了微生物生物量碳和有機碳的礦化速率（圖2）。除翻耕外，灌溉也會加速有機碳礦化。黃淮海平原是水分虧缺區（劉明等，2010），天然降水不能滿足作物對水分的需求，灌溉成為水分補給的重要來源。然而灌溉后微生物為適應迅速增加的土壤水勢而迅速分解之前所積累的有機質，然后近一步分解釋放CO2。因此，一般灌溉后會出現微生物生物量和呼吸的激增效應。在農業生產經營中，我們提倡通過免耕或少耕等保護性耕作措施減少土壤有機質損失，提倡通過秸稈還田、增施有機肥、增加作物種植密度等措施增加農田土壤有機物料的輸入（金琳等，2008），在保障農業可持續發展的同時，發揮農田土壤的碳匯能力是一項雙贏策略（姜勇等，2007）。

棄耕地、草地和果園占地面積較小，總共不超過4%。這3種土地利用方式的土壤碳氮和微生物碳氮均低于森林和農田（表1，表2，圖1），這可以歸因于較少的光合產物和較少的有機物料歸還。棄耕地土壤銨態氮含量較高（表1），這是因為棄耕地雜草覆蓋低，銨態氮不能較好地被植物吸收，并且植被稀疏導致總蒸騰量較少，土壤濕度高，使得銨態氮在通氣不好的狀況下難以轉化。綜上所述，不同土地利用方式導致的不同地上植被顯著地影響了地下生物多樣性和生態系統功能（Chen et al.，2013；Chen et al.，2015），且不同地上植被可通過調節土壤濕度、氮素的可利用性以及土壤pH等影響微生物生物量和微生物呼吸（圖3；Wang et al.，2014；Xu et al.，2015），因此科學合理地管理土地對生態系統功能的發揮具有重要意義。

4 結論

不同土地利用方式對土壤有機碳及其微生物呼吸的影響極其顯著。森林土壤總有機碳和可溶性有機碳含量最高，也支持了最大的微生物生物量碳，同時其微生物呼吸速率和溫度敏感性最低，森林生態系統有利于土壤有機碳固持，其較小的微生物呼吸溫度敏感性對應對未來全球氣候變化具有重大意義。農田土壤總碳、有機碳、總氮、微生物生物量碳和氮含量均次于森林且高于其他土地利用方式，在農業生產中可以通過免耕、少耕、秸稈還田、增施有機肥、增加作物種植密度等措施，在保障農業可持續發展的同時發揮農田土壤的碳匯潛力。

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Effects of Different Land Use Types on Soil Organic Carbon and Microbial Respiration in Huang-Huai-Hai Plain

LI Ying, HAN Hongyan, WANG Wenjuan, YANG Guangfei, ZHAO Cancan*
College of Life Sciences, Henan University, Kaifeng 475004, China

Soils are the largest carbon pools in terrestrial ecosystems. Soil organic carbon can be decomposed by microorganisms and release CO2to atmosphere. Minor changes in soil carbon pool will significantly affect atmospheric CO2concentration and global carbon cycling. Under the current background of frequent human activities and land use/cover changes (LUCC), it is necessary to study the effects of different land use types on soil physico-chemical properties and microbial functions (such as soil organic carbon and microbial respiration) to illuminate the key factors of influence soil carbon sequestration function and provide scientific evidence for future land use management. This study chose Kaifeng as pilot city and measured soil moisture, soil pH, NH4+, NO3-, total carbon, total nitrogen, organic carbon, dissolved organic carbon, microbial biomass carbon, microbial biomass nitrogen, microbial respiration and its temperature sensitivity in different land use types, including old-field, grassland, orchard, farmland, and forest in Huang-Huai-Hai Plain. The results showed that: (1) All soil moisture, total carbon, total nitrogen, organic carbon (1.48%), microbial biomass carbon and nitrogen in forest were significantly higher than that in other land use types. However, microbial respiration (101.06 mg·kg-1·d-1) and its temperature sensitivity (1.18) were minimum. (2) Soil total carbon, total nitrogen, organic carbon, microbial biomass carbon and nitrogen in farmland were lower than that in forest, but higher than that in other land use types. Microbial respiration rate (128.55 mg·kg-1·d-1) was high in farmland. (3) Soil carbon, nitrogen, and microbial carbon and nitrogen contents in old-field, grassland, and orchard were less than forest and farmland. And (4) structural equation model showed that land use type directly explained 68% of soil organic carbon and indirectly influenced soil organic carbon and microbial respiration through soil moisture. Soil organic carbon and microbial respiration were explained 93% and 54%, respectively, by soil moisture and NO3-. The results indicate that forest ecosystem will facilitate soil organic carbon sequestration, and their minor temperature sensitivity of microbial respiration will be of great importance in countermeasure of global climatic change in future. Farmland cover larger area. Carbon sink function should be developed by no-tillage and straw return in agricultural management in the meantime of crop production are protected.

soil physico-chemical properties; organic carbon mineralization; carbon sequestration; land management; structural equation model

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.01.010

X144; S154.1

A

1674-5906（2017）01-0062-05

李英, 韓紅艷, 王文娟, 楊光菲, 趙燦燦. 2017. 黃淮海平原不同土地利用方式對土壤有機碳及微生物呼吸的影響[J]. 生態環境學報, 26(1): 62-66.

LI Ying, HAN Hongyan, WANG Wenjuan, YANG Guangfei, ZHAO Cancan. 2017. Effects of different land use types on soil organic carbon and microbial respiration in Huang-Huai-Hai Plain [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(1): 62-66.

國家自然科學基金項目（31640011）

李英（1990年生），女，碩士研究生，主要從事生態系統碳循環研究。E-mail: yli2014henu@163.com

*通信作者：趙燦燦（1982年生），女，講師，博士，主要從事地下生態系統過程研究。E-mail: cczhao2008@163.com收稿日期：2016-11-29