3種不同農作方式對土壤輕組有機碳的影響

王衛霞，楊 光，阿麗婭·阿力木，王振錫

(新疆農業大學 林學與園藝學院/新疆教育廳干旱區林業生態與產業技術重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830052)

【研究意義】土壤有機碳是反映土壤質量和健康的關鍵因素[1-2]，對土壤肥力和土壤生產力起著重要的作用，可以作為評價土壤潛在肥力的一個重要指標。土地利用方式的改變對土壤有機碳的儲存和動態變化具有重要的影響[3-4]，國外研究學者Christensen認為研究有機碳不同組分的變化，有利于揭示土地利用變化對土壤有機碳的影響機制[5]。利用密度分組技術可以將土壤有機碳分成輕組有機碳(Light fraction organic carbon, LFOC) 和重組有機碳(Heavy fraction organic carbon, HFOC)，輕組有機碳雖然只占土壤質量的很小一部分，但是輕組有機碳含量一般都顯著高于全土有機碳含量[6-7]，同時輕組有機碳分解率高，周轉周期短，在碳循環中起顯著作用，具有很強的生物活性，是土壤養分的重要來源[8-11]。重組有機碳是與輕組有機碳相對的一種穩定有機碳類型，主要吸附在礦物表面或隱藏在土壤微團聚體內部，受土地利用方式變化的影響較小，但是重組有機碳在一定程度上反映了土壤長期積累和保持有機碳的能力[11-15]。因此，研究土壤輕組有機碳有利于探索土壤有機碳組分的周轉過程，而對土壤重組有機碳的研究則對認識土壤碳匯功能具有重要意義。【前人研究進展】土地利用變化對不同有機碳組分的影響不同[16]，有研究表明原狀草地變為農田后，土壤中的輕組有機碳含量表現為降低[17]，而農田改造為林地后使土壤輕組有機碳含量明顯增加[18]，雷利國等[4]研究表明，林地轉變為坡耕地后，土壤中輕組有機碳含量顯著降低，但轉變為果園后降低不顯著。【本研究切入點】不同土地利用類型和管理措施會影響土壤有機碳在密度組分中的分配[19]。近年來，隨著新疆特色林果產業的發展，在農業產業結構調整的過程中，多數農田被更替為果園亦或果農間作，這種土地利用方式巨大的變化無疑會對土壤有機碳組分產生一定的影響，但目前這些影響還不是很清楚。【擬解決的關鍵問題】本文在新疆阿克蘇地區選擇小麥地、棗園及棗麥間作園三種不同農作方式作為研究對象，分析不同農作方式對土壤輕組、重組有機碳的影響，旨在為增強土壤的固碳能力提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究野外調查研究區位于新疆維吾爾自治區阿克蘇地區溫宿縣克孜勒鎮。溫宿縣位于阿克蘇地區西北部，東與拜城、新和兩縣交界，南和阿克蘇市毗鄰。地處79°28′～81°30′ E，40°52′～42°21′ N之間。屬于典型的大陸性暖溫帶干旱氣候，四季分明，晝夜溫差大，春季升溫快而不穩，秋季短暫而降溫迅速，多晴少雨，光照充足。年均氣溫10.10 ℃，年均降水量65.4 mm，年均無霜期185 d。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地布設與土壤樣品的采集 2018年7-8月，采用典型樣方法在阿克蘇地區溫宿縣克孜勒鎮設置樣方進行調查。依據溫宿縣林業局和克孜勒鎮林管站歷史記載數據及走訪調查結果，選取小麥地、棗園、棗麥間作園3種不同農作方式為研究對象，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。

每種樣地各選擇3個作為試驗的重復。在棗園的每個果園內選擇6株具有代表性的棗樹，在樹冠投影面距樹干1 m處布設采樣點；在棗麥間作的每個間作園內選擇6株具有代表性的棗樹，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，以“S”形布點；在果園旁邊選取具有常規管理模式的3塊小麥地，以“S”形布點。在每個采樣點內均按照0～10、10～20、20～30、30～40、40～60、60～80、80～100 cm進行采樣，并把同一個試驗樣地內不同采樣點上采集的土壤樣品按照相同層次分別進行混合后作為處理的一個重復備用。采用環刀法測定土壤容重。將采集的土壤樣品帶回室內自然風干，研磨后過篩，放入密封塑料袋中待測定。

1.2.2 測定指標與方法 土壤總有機碳含量的測定采用重鉻酸鉀-外加熱法測定[20]。土壤輕組有機碳和重組有機碳含量的測定采用土壤密度分組方法[8, 21-23]，輕組有機碳含量(g/kg soil) = 輕組物質中土壤有機碳(g/kg LF) × (輕組物質占土壤的質量分數) (g/kg soil)；重組有機碳含量為原土壤有機碳含量減去輕組有機碳含量的差值求得。輕組有機碳分配比例(%) = 輕組有機碳含量/土壤總有機碳含量 × 100 %；輕組有機碳儲量根據土壤輕組有機碳含量、土壤容重和土壤深度計算得出。

1.2.3 統計分析 采用SPSS21.0軟件對實驗數據進行統計分析，不同土地利用方式之間及不同土層之間的土壤總有機碳、輕組有機碳含量差異顯著性采用一元方差及LSD多重比較進行分析。采用SigmaPlot10.0 軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同土地利用方式下土壤各組分有機碳含量的分布特征

從表1可知，不同土地利用方式下，土壤總有機碳、輕組有機碳含量總體上均表現為隨土壤深度的增加呈下降的趨勢，相關性分析也表明，兩者之間呈顯著性正相關(圖1，R2= 0.76，P< 0.0001)。其中0～10、10～20 cm土層總有機碳和輕組有機碳含量均顯著高于20 cm以下土層(P< 0.05)，在小麥、棗園及棗麥間作園土壤中，20 cm以下土層土壤輕組有機碳含量分別比表層土壤下降了73.41 %、65.78 %和78.44 %，總有機碳含量分別比表層土壤下降了45.71 %、50.37 %和61.66 %，說明隨著土層深度的增加，輕組有機碳比總有機碳在土壤剖面變化更為劇烈，且農田總有機碳和輕組有機碳主要富集在0～20 cm土層，果園和果農間作園則主要富集在0～30 cm土層。重組有機碳含量在土層中的分布同樣是隨著土壤深度的增加而降低，但其下降幅度小于輕組有機碳，也小于總有機碳在不同土層的下降幅度。

表1 土壤有機碳及其在不同土壤組分中的分布特征

比較同一土層不同土地利用方式下土壤輕組有機碳含量可以看出，不同土地利用方式下土壤輕組有機碳含量在0～10、10～20和20～30 cm土層中均存在顯著差異(P< 0.05)，在各土層中均為棗園最高，農田均為最低。在0～100 cm土壤深度內，土壤輕組有機碳的平均含量為棗園(1.10 g/kg)>棗麥間作(0.82 g/kg)>小麥(0.75 g/kg)；方差分析結果表明，農田轉變為果園或果農間作后，土壤中輕組有機碳含量顯著增加了46.12 %和9.45 %。不同土地利用方式下，土壤重組有機碳含量的差異主要表現在0～30和80～100 cm土層。在0～10及10～20 cm土層，各土地利用方式下土壤重組有機碳含量為棗麥間作>棗園>小麥；其余土層表現為棗園>棗麥間作>小麥。

2.2 不同土地利用方式下土壤輕組、重組有機碳分配比例

從表2可以看出，在0～100 cm土層土壤輕組有機碳分配比例農田為14.18 %～29.37 %，果園為5.93 %～20.94 %，果農間作園為6.94 %～18.13 %。不同土地利用方式下土壤輕組有機碳分配比例沿土壤剖面的垂直分布有所差異。小麥、棗園及棗麥間作園土壤輕組有機碳分配比例隨著土壤深度的增加基本呈下降趨勢。在0～100 cm土壤深度內，不同土地利用方式下土壤輕組有機碳分配比例平均值為小麥(16.65 %)>棗園(14.88 %)>棗麥間作(11.24 %)。農田轉變為果園或果農間作后，輕組有機碳分配比例分別降低了10.61 %和32.46 %。不同土地利用方式下土壤重組有機碳分配比例隨土壤深度的增加呈逐漸增加的趨勢。結合表1～2 可以看出，對干旱荒漠綠洲區果園或果農間作園土壤總有機碳的積累來說，重組有機碳的作用大于輕組有機碳。通過表1～2和圖1也可以看出，在0～40 cm土層，輕組有機碳及重組有機碳增加均是總有機碳積累的重要來源，但隨著土壤深度的增加，輕組有機碳的作用逐漸減弱。

圖1 土壤輕組有機碳與總有機碳的關系Fig.1 Relationship between the LFOC and the SOC

表2 不同土地利用下土壤輕組、重組有機碳分配比例

2.3 不同土地利用方式下土壤輕組有機碳儲量

通過公式估算出各土層土壤輕組有機碳儲量如圖2。不同土地利用方式下0～40 cm土層土壤輕組有機碳儲量大于40～100 cm土層，0～40 cm土層范圍內，土壤輕組有機碳儲量表現為隨土壤深度的增加而減少，40～100 cm土層土壤輕組有機碳儲量無顯著差異(P>0.05)。除60～80和80～100 cm土層外，其它各土層中均為棗園土壤輕組有機碳儲量最高。在1 m土壤深度內，土壤輕組有機碳總儲量為棗園(12.56 t/hm2)>小麥(10.04 t/hm2)>棗麥間作(9.55 t/hm2)；農田轉變為果園后，土壤中輕組有機碳儲量增加了25.10 %，而農田轉變為果農間作園后，土壤輕組有機碳儲量則下降了4.88 %。

圖2 土地利用變化對土壤輕組有機碳儲量的影響Fig.2 Effect of land use change on soil storage of LFOC

3 討 論

利用密度分組方法進行土壤有機碳分離時，可以根據有機碳穩定性的差異把土壤有機碳分為輕組有機碳和重組有機碳。輕組有機碳主要由處于不同分解階段的植物殘體組成[24-25]，國外已有研究者通過改變凋落物輸入數量研究證實了地上凋落物和地下根系是土壤輕組有機碳的主要來源物質[26]，而國內研究學者楊玉盛等[27]也證實了活細根生物量的分布變化可以解釋不同土層土壤輕組有機碳含量和儲量變化的80 %。輕組有機碳的性質、數量和組成，反映了土壤中動植物殘體物質的投入、固持與分解之間的平衡程度與水平，其含量和分布的差異與其凋落物和枯死細根歸還量密切相關[21]。重組有機碳是輕組有機碳徹底分解后殘留的亦或重新進行合成的有機物質，存在于有機-無機復合體中[11]，其含量反映了有機碳的長期含量水平。本研究中，農田改建為果園或果農間作后，土壤總有機碳、輕組有機碳及重組有機碳含量總體上均表現為隨土壤深度的增加呈下降的趨勢，這主要與不同土層中土壤中植物根系的分布、細根生物量及凋落物輸入的數量、質量密切相關[21, 28]。不同土地利用方式下，土壤中各組分有機碳含量盡管隨土層深度加深而減少的趨勢一致[2, 21, 28-31]，但不同組分有機碳含量隨土壤深度的增加而下降的幅度是不同的，本研究中，小麥、棗園及棗麥間作園中，20 cm以下土層土壤輕組有機碳含量分別比表層土壤下降了73.41 %、65.78 %和78.44 %，總有機碳含量分別下降了45.71 %、50.37 %和61.66 %，說明隨著土層深度的增加，輕組有機碳比總有機碳在土壤剖面變化更為劇烈。但是隨土壤深度的增加，細根生物量和微生物數量逐漸越少，土地利用方式的變化對輕組有機碳含量的影響程度也逐漸下降。在40 cm深度以下土壤輕組有機碳含量逐漸趨于穩定，土地利用方式對輕組有機碳含量基本沒有影響，這和謝錦升等[30]研究結果一致。

輕組有機碳含量容易受植被類型、土地利用方式的變化、凋落物類型及其分解速率的影響[32]，尤其耕作能減少輕組有機碳含量[33]。本文研究發現在0～100 cm土壤深度內，土壤輕組有機碳的平均含量棗園最高，棗麥間作園次之，農田最低。有研究表明與傳統小麥-玉米農田土壤相比較，果園土壤輕組有機碳含量提高了136.4 %[34]。Conteh等[35]的研究也發現天然植被土壤中輕組有機碳含量比耕作土壤中高，主要是由于輕組有機碳含量的變化與土壤團聚體密切相關，而耕作減少了土壤團聚體的穩定性進而改變輕組有機碳的含量及分配比例。本文中棗園和棗麥間作園的有機碳輸入量比農田小麥地大，這可能會改變土壤總有機碳的含量，這些變化同時也會進一步影響土壤輕組有機碳的含量及分配比例[36]。由于不同土壤深度根系分布、細根生物量及相關土壤性質的差異，使得土壤輕組有機碳分配比例在土壤剖面上表現出不同的層次性。本研究中不同土地利用方式下土壤輕組有機碳分配比例隨土壤深度的加深基本呈下降的趨勢，這和Spycher等[24]、吳建國等[33]研究結果基本一致。重組有機碳分配比例則隨土層加深表現出上升的趨勢，這是由于隨著土壤深度的增加輕組有機碳越來越少。本研究還發現農田改建為果園或果農間作園后使輕組有機碳含量增加，但是輕組有機碳的分配比例卻在減少，重組有機碳的分配比例增加。這可能因為果園和果農間作園中的凋落物輸入量比農田高，導致輕組有機碳含量和總有機碳含量的增加，而農田由于耕作可能導致土壤團聚體破壞使輕組有機碳部分減少[37]，這樣使其比例部分增加。吳建國等[33]的研究也發現天然次生林變成農田或草地使土壤輕組有機碳含量降低，但是輕組有機碳的比例卻增加。

土地利用方式的變化對土壤輕組有機碳含量和儲量均有一定的影響，毛艷玲等[38]研究認為，林地轉變為農田后土壤輕組有機碳儲量損失高達90 %，而在本研究中農田轉變為棗園后，土壤輕組有機碳儲量增加了25.10 %，農田轉變為棗麥間作園后，土壤輕組有機碳儲量則下降了4.88 %。這可能和農地的常規耕作有關，耕作通過機械粉碎植物殘余物并與土壤結合，破壞了土壤團聚體結構，釋放出物理保護的有機物質，溫度和通氣性的增加加快了土壤有機質的分解，從而導致土壤有機碳的損失。

4 結 論

(1)不同土地利用方式下，土壤總有機碳、輕組有機碳及重組有機碳含量均隨土壤深度的增加呈下降的趨勢，其中輕組有機碳含量下降幅度最大。農田轉變為果園或果農間作后，土壤中輕組有機碳含量顯著增加了46.12 %和9.45 %。

(2)對干旱荒漠綠洲區果園或果農間作園土壤總有機碳的積累來說，重組有機碳的作用大于輕組有機碳。在0～40 cm土層，輕組有機碳及重組有機碳增加均是總有機碳積累的重要來源，但隨著土壤深度的增加，輕組有機碳的作用逐漸減弱。

(3)與對照樣地小麥地相比，棗園土壤中輕組有機碳儲量增加了25.10 %，而棗麥間作園土壤輕組有機碳儲量則下降了4.88 %。