汪明霞，朱志鋒，劉 凡，譚文峰，2

（1.農(nóng)業(yè)部 長江中下游耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，武漢430070；2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌712100）

土壤有機(jī)碳不僅是土壤質(zhì)量的核心，還是土壤圈調(diào)節(jié)大氣CO2濃度的主要媒介，其變化將影響大氣CO2濃度，是大氣碳素的重要源或匯［1－4］。京都協(xié)議中將土壤固碳作為緩解溫室效應(yīng)的可選方案之一［5］。人類活動(dòng)引起的土地利用變化是影響土壤碳循環(huán)和碳庫的最直接因素。與植物生長相比，土壤中94%～98%的有機(jī)碳含量都是因土地利用方式的變化而引起的［6］。目前，有關(guān)土地利用變化對(duì)土壤有機(jī)碳影響的研究已有較多報(bào)道，主要集中在：（1）自然土壤變成耕地土壤、天然林變成農(nóng)田、農(nóng)田變成草地或草地變成農(nóng)田等變化對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響，以及不同利用方式間土壤有機(jī)碳含量的比較［7－10］；（2）不同農(nóng)業(yè)管理措施（包括少耕、免耕、覆蓋、合理輪作、施肥條件等）對(duì)土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化的影響［11－12］；（3）不同利用方式下，土壤有機(jī)碳密度和貯量的變化特點(diǎn)［13－17］。但直接涉及農(nóng)田土壤不同利用方式下有機(jī)碳組成特點(diǎn)、活性有機(jī)碳變化及其碳匯效應(yīng)的報(bào)道并不多見，而這些問題可能涉及到因土地利用變化引起的土壤有機(jī)碳積累或損失的機(jī)制、以及影響因素等。

土壤有機(jī)碳可分為易分解的活性有機(jī)碳和不易分解的穩(wěn)定性有機(jī)碳（含植物有機(jī)質(zhì)和被黏粒保護(hù)的腐殖質(zhì)）［18］。在土地利用變化過程中，響應(yīng)最快的應(yīng)是土壤中有效性較高、易被土壤微生物分解利用、對(duì)植物養(yǎng)分供應(yīng)有直接作用的那部分易分解有機(jī)碳，其含量的高低明顯影響植物對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收利用；同時(shí)，由于它活躍的性質(zhì)和重要作用，土壤活性有機(jī)碳組分對(duì)土地利用變化的響應(yīng)，已成為當(dāng)前土壤碳庫和養(yǎng)分循環(huán)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)［7，19］。也有學(xué)者根據(jù)密度的差異和在水中溶解性的不同，將土壤有機(jī)碳分為輕組（light fraction）和重組（heavy fraction）兩部分；輕組部分的有機(jī)碳主要是游離態(tài)的有機(jī)碳，與黏土礦物結(jié)合不強(qiáng)烈，缺乏土壤膠體的保護(hù)，隨著耕作制度或管理措施的改變，此部分有機(jī)碳容易損失，它對(duì)土地利用方式較為敏感；重組部分的有機(jī)碳與黏土礦物結(jié)合緊密，形成有機(jī)無機(jī)復(fù)合體，起到有效的保護(hù)作用［20－21］。因此，明確土壤有機(jī)碳不同組分的特點(diǎn)，將有助于闡明有機(jī)碳積累或損失的機(jī)制。本文在已明確江漢平原不同土地利用方式下土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳的分布與積累的基礎(chǔ)上［22］，深入分析果園、旱地、水田和水旱輪作下土壤有機(jī)碳的活性與穩(wěn)定性、輕重組組成特點(diǎn)，以闡明土地利用方式對(duì)土壤有機(jī)碳性質(zhì)的影響，為提高土壤肥力、指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、制定環(huán)境產(chǎn)業(yè)政策等提供重要數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于江漢平原后湖農(nóng)場(chǎng)。該農(nóng)場(chǎng)地處江漢平原四湖水網(wǎng)湖區(qū)，北依漢水、南近長江，面積72km2。全農(nóng)場(chǎng)地貌懸殊不大，平坦連片，海拔高度27.5～30m，坡度一般小于1‰。地下水位季節(jié)性升降，秋冬1～2m，夏季1m以內(nèi)，氧化還原頻繁，水質(zhì)良好，屬重碳酸鹽型。該區(qū)域年均氣溫16.3℃，≥10℃積溫5 222℃，年降雨量1 450～1 500mm，為濕熱土壤水熱狀況，具有一年三熟的氣候條件。土壤由長江和漢江的近代沉積物構(gòu)成，土層深厚肥沃，質(zhì)地為黏土和黏壤土，排灌條件較好。母質(zhì)均為Q4石灰性河流沖積物，其黏土礦物組成較為一致：以水云母為主，其次為高嶺石和1.4nm礦物，還含有少量的蒙脫石。該區(qū)主要采用無壁犁機(jī)械化耕作，耕作過程中表層土壤只有部分翻轉(zhuǎn)。

1.2 樣品采集

采樣區(qū)土壤在20世紀(jì)50s－60s進(jìn)行過土地平整，前期的土壤條件較為一致。本實(shí)驗(yàn)在選定的每一種利用類型（果園、旱地、水田、水旱輪作）樣地田塊上，隨機(jī)選擇2～3個(gè)具有代表性的樣點(diǎn)，共采集10個(gè)剖面，不同利用類型土壤剖面相距200～500m。根據(jù)土壤發(fā)生層特點(diǎn)，每個(gè)剖面采集1～6土樣，重復(fù)采樣3次，表層厚度主要分布于0～16cm，采樣點(diǎn)基本情況見表1。土樣采好后，自然風(fēng)干，分別過0.25，0.045mm篩于干燥器中備用。

表1 采樣點(diǎn)基本情況

1.3 樣品測(cè)定與分析

土壤有機(jī)碳含量測(cè)定用重鉻酸鉀外加熱法［23］；土壤腐殖質(zhì)組成用焦磷酸鈉與氫氧化鈉混合液提?。?4］；土壤pH 值（水土比例2.5∶1）采用奧立龍酸度計(jì)（型號(hào)410）測(cè)定。土壤輕重組的分離：稱取通過0.25mm篩風(fēng)干土樣5.00g，置于已稱重的100ml離心管中，加入密度為1.8的溴仿—乙醇混合重液，于21.5kHz、300mA超聲分散10min，然后以3 000 rpm離心10min。將懸浮有輕組有機(jī)碳的重液倒入鋪有濾紙的玻璃漏斗中過濾。離心管中繼續(xù)加入密度為1.8g／cm3的重液，重復(fù)上述過程2～3次至離心后重液中無輕組有機(jī)物為止。離心管中的重組用95%乙醇洗滌3次、再用去離子水洗滌2次后，將盛有重組的離心管于40℃烘干、稱重，采用差減法計(jì)算重組質(zhì)量。根據(jù)全土有機(jī)碳含量、全土質(zhì)量、重組有機(jī)碳含量、重組質(zhì)量計(jì)算出輕組有機(jī)碳含量［23］。

土壤活性有機(jī)碳的測(cè)定：稱取約含15mg有機(jī)碳的土樣，置于100ml塑料瓶中，加入25ml 333 mmol／L的KMnO4溶液，25℃下震蕩處理1h后，離心5min（4 000rpm），保留上清液，用去離子水按1∶250稀釋，然后用可見分光光度計(jì)（北京瑞利分析儀器公司，VIS—7220）在565nm 比色測(cè)定，由KMnO4濃度的變化計(jì)算出活性有機(jī)碳含量，再根據(jù)相應(yīng)土壤有機(jī)碳的含量計(jì)算其分配比例（即活性有機(jī)碳與總有機(jī)碳含量的比值）［25］。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用方式下土壤有機(jī)碳的含量

由土壤剖面有機(jī)碳分布曲線（圖1），不同土地利用方式下表層土壤有機(jī)碳含量差異較大，其中以水田最高（39.0g／kg），其次為水旱輪作（20.8g／kg）、旱地（19.4g／kg），果園最小（僅為14.7g／kg）。有機(jī)碳在土壤表層的含量最高，有明顯富集；隨著土壤深度的增加，有機(jī)碳含量逐步降低；剖面40—50cm處有機(jī)碳含量約為6.0～28.4g／kg，只有表層土壤的27%～71%。水田的犁底層中有機(jī)碳積累較明顯，比表層略有增加（40.6g／kg）；而水旱輪作方式中犁底層有機(jī)碳含量銳減（12.4g／kg），僅為表層的60%。

2.2 不同土地利用方式下土壤腐殖質(zhì)含量及組成特點(diǎn)

土地利用方式不僅影響土壤有機(jī)碳含量，而且影響腐殖質(zhì)碳的含量和組成。由表2可見，不同利用方式下土壤表層腐殖質(zhì)碳含量約為14.19～30.31g／kg，其含量順序?yàn)椋核铮舅递喿鳎竞档兀竟麍@，與土壤有機(jī)碳含量順序基本一致。供試土壤的腐殖質(zhì)碳占總有機(jī)碳的比例較高，其中果園和旱地大于91%，水旱輪作略低，而水田僅為78%。這說明水耕利用方式下非腐殖質(zhì)部分明顯增加，即含有較多的碳水化合物和含氮化合物，此部分在土壤中一般穩(wěn)定性較差。不同利用方式下土壤腐殖質(zhì)碳在組成上均為：胡敏素（HU—C）＞胡敏酸（HA—C）＞富里酸（FA—C）。其中 HU—C含量高達(dá)9.99～21.93g／kg，占腐殖質(zhì)總碳的69%～74%；HA—C和FA—C含量分別為2.62%～5.24g／kg和1.31%～3.14g／kg，兩者之和只占腐殖質(zhì)總碳的26%～31%。不同利用方式下，各形態(tài)的腐殖質(zhì)碳含量存在差異，活性較高的富里酸以水田和水旱輪作方式較高。這些數(shù)據(jù)表明，水耕條件下土壤有機(jī)碳中活性部分明顯增加。

圖1 不同土地利用方式下土壤有機(jī)碳含量的剖面分布

表2 不同土地利用方式表層土壤腐殖質(zhì)碳含量

2.3 不同土地利用方式下土壤的活性、穩(wěn)定性有機(jī)碳組成特點(diǎn)

4種土地利用方式下表層土壤有機(jī)碳（SOC）、活性有機(jī)碳（ASOC）、穩(wěn)定性有機(jī)碳（SSOC）含量、以及穩(wěn)定性有機(jī)碳百分比見表3。表3說明，SOC、ASOC和SSOC含量均表現(xiàn)為：水田＞水旱輪作＞旱地＞果園，而穩(wěn)定性有機(jī)碳占土壤總有機(jī)碳的百分比表現(xiàn)為：旱地≈水旱輪作＞果園＞水田。盡管水田土壤中SOC、ASOC、SSOC含量均高于其它利用方式下的土壤，但其土壤穩(wěn)定性有機(jī)碳比例為68%，低于其它利用方式，說明水田耕作模式下土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性相對(duì)較差，隨著外界環(huán)境的改變，土壤中的有機(jī)碳可能更易降解和損失；而旱地和水旱輪作條件下，土壤穩(wěn)定性有機(jī)碳占總有機(jī)碳比例較高，均為73%?？梢姡递喿飨碌耐寥烙袡C(jī)碳穩(wěn)定性明顯不同于完全水耕模式。

表3 供試表層土壤活性有機(jī)碳、穩(wěn)定性有機(jī)碳組成特點(diǎn)

2.4 不同土地利用方式下土壤輕重組組成及其碳含量

表4為不同地利用方式下表層土壤的輕重組組成。供試土壤輕組組分約占4.9%～6.9%，重組組分約占93.1%～95.1%，重組組分顯著高于輕組組分，說明土壤中游離態(tài)或顆粒態(tài)有機(jī)碳較少，大部分有機(jī)碳是與土壤無機(jī)礦物結(jié)合在一起，形成有機(jī)無機(jī)復(fù)合體。土地利用方式對(duì)輕重組組分產(chǎn)生影響，輕組組分在各利用方式下表現(xiàn)為：水田＞旱地＞果園＞水旱輪作；重組組分以水旱輪作方式最高（95.1%）、水田最低（93.1%）。

不同土地利用方式下輕組有機(jī)碳含量為95.9～180.5g／kg，重組有機(jī)碳含量為10.2～28.6g／kg，輕組有機(jī)碳含量明顯高于重組有機(jī)碳含量（表4）。輕重組有機(jī)碳含量在各土地利用方式下均表現(xiàn)為：水田＞水旱輪作＞旱地＞果園，與總有機(jī)碳含量的順序基本一致，而與輕組占總碳的比例順序不同。在輕重組有機(jī)碳占總SOC的比例中，有65.8%～72.9%的SOC分布在重組中，27.1%～34.2%的SOC分布在輕組中。重組中分布的SOC數(shù)量顯著高于輕組，這表明重組SOC對(duì)總SOC的積累作用較大。而在重組有機(jī)碳容量占總碳百分比例中，水旱輪作＞旱地≈水田＞果園。已有研究表明［20－21］，土壤活性有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳是植物重要的速效養(yǎng)分庫，在實(shí)際表現(xiàn)中可指示土壤的肥力水平，對(duì)耕作、施肥等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施的響應(yīng)較快；同時(shí)，由于這部分有機(jī)碳與土壤呼吸速率、土壤碳礦化速率、微生物量氮等呈顯著正相關(guān)，有較高的潛在生物活性，從而影響溫室氣體的排放。而重組中的有機(jī)碳與不同粒徑的礦物顆粒結(jié)合緊密，主要吸附在礦物表面或隱蔽在土壤微團(tuán)聚體內(nèi)部，使其礦化速率減慢，在實(shí)際表現(xiàn)中可能反映了土壤固定穩(wěn)定性有機(jī)碳的能力。盡管土地利用方式在由旱地向水田或水旱輪作轉(zhuǎn)變過程中，使土壤有機(jī)碳的積累更為便利、土壤碳匯增加，但在水田利用方式下土壤活性碳、非腐殖質(zhì)碳、輕組組分明顯增加，從而導(dǎo)致土壤碳庫容量也易發(fā)生變化?？梢?，水田條件下的土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)全球氣候變化的貢獻(xiàn)是雙重的。李向陽等［26］報(bào)道不同構(gòu)型水稻土隨潛育度的增加，表層土壤的有機(jī)質(zhì)含量上升，土壤松結(jié)態(tài)、穩(wěn)結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)中的胡敏酸、富里酸含量和緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)的含量也升高，而緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)在重組有機(jī)質(zhì)中的比例下降。這些數(shù)據(jù)都表明不同土地利用方式對(duì)土壤固碳的影響可能主要是通過改變有機(jī)碳的形態(tài)來影響有機(jī)碳的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響有機(jī)碳的分解率和農(nóng)田土壤碳匯效應(yīng)。但值得注意的是，水旱輪作方式下表層土壤的穩(wěn)定性有機(jī)碳比例（73%）和重組有機(jī)碳容量占總有機(jī)碳的比例（72.9%）都是最高的，這暗示了在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，通過水旱輪作的方式既可增加有機(jī)碳的含量，又可增強(qiáng)有機(jī)碳的穩(wěn)定性，但其機(jī)理還有待深入研究。

表4 不同利用方式下表層土壤輕重組組成及其碳含量

3 結(jié)論

果園、旱地、水田和水旱輪作是江漢平原地區(qū)常見的土地利用方式。由本實(shí)驗(yàn)可知水田的土壤有機(jī)碳含量可達(dá)39.0g／kg，明顯高于其它利用方式，表明此利用方式可顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)的含量，有利于農(nóng)田土壤固碳，增強(qiáng)土壤的生態(tài)效應(yīng)。但水田利用方式下土壤的活性有機(jī)碳含量也較高（12.46g／kg）、輕組組分比例（6.9%）較大，同時(shí)土壤腐殖質(zhì)、穩(wěn)定性有機(jī)碳比例較低，可通過水旱輪作的方式增加有機(jī)碳的含量和增強(qiáng)有機(jī)碳的穩(wěn)定性。

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