孫霞++杜俊龍++黃長福++李志軍++金俊香

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2016.10.139

摘要：為揭示干旱荒漠綠洲區(qū)不同種植年限棗園土壤碳庫的變化特征，以新疆南部典型干旱荒漠區(qū)麥蓋提縣棗園為研究對象，采用野外采樣和室內(nèi)分析方法，研究不同種植年限下棗園土壤碳庫變化特征。結(jié)果表明：隨著種植年限的增加，棗園土壤活性碳、土壤非活性碳表現(xiàn)為先增長后下降的趨勢，總體表現(xiàn)為10年>15年>5年>3年；隨著種植年限的增加，碳庫管理指數(shù)（CPMI）有所增長，10年時(shí)增幅最大，15年次之，3年最??；各土層碳庫活度（A）隨種植年限的增加變化不大；各土壤深度的碳庫指數(shù)（CPI）有不同程度地變化，碳庫活度與活性有機(jī)碳、非活性有機(jī)碳極顯著相關(guān)，與有機(jī)碳顯著相關(guān)，碳庫管理指數(shù)（CPMI）與碳庫活度指數(shù)（AI）和碳庫指數(shù)（CPI）極顯著相關(guān)。

關(guān)鍵詞：種植年限；土壤有機(jī)碳；碳庫活度；碳庫管理指數(shù)

中圖分類號： S153.6+1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2016）10-0484-03

收稿日期：2015-09-01

基金項(xiàng)目：新疆維吾爾自治區(qū)高?？蒲杏?jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（編號：XJUEDU2013I15）；新疆維吾爾自治區(qū)土壤學(xué)重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目；新疆維吾爾自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室干旱區(qū)土壤與植物生態(tài)過程實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合資助。

作者簡介：孫霞（1975—），女，江蘇建湖人，博士，副教授，主要從事果園土壤質(zhì)量研究。E-mail：sunxia1127@163.com。土壤有機(jī)碳是土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)，是全球碳循環(huán)和氣候變化研究的核心內(nèi)容?；钚杂袡C(jī)質(zhì)是土壤有機(jī)質(zhì)的活性部分，它是指土壤中有效性較高，易被土壤微生物分解礦化，對植物養(yǎng)分供應(yīng)有最直接作用的有機(jī)質(zhì)[1-4]。Lefroy等研究認(rèn)為，能被333 mmol/L KMnO4氧化的土壤有機(jī)碳為活性有機(jī)碳，不能被氧化的為非活性有機(jī)碳，并提出土壤碳庫管理指數(shù)的概念[5]。碳庫管理指數(shù)是土壤生態(tài)系統(tǒng)碳動(dòng)力學(xué)變化的一個(gè)指標(biāo)，表示土壤生態(tài)系統(tǒng)對不同管理措施下碳的響應(yīng)，結(jié)合了人為影響下的土壤碳庫指標(biāo)和碳庫活度，反映了外界管理措施對土壤有機(jī)碳總量的影響，也反映了土壤有機(jī)碳各組分的變化情況，故能夠較全面和動(dòng)態(tài)地反映外界條件對土壤有機(jī)碳性質(zhì)的影響[6-7]。目前，國內(nèi)已對不同施肥、不同地帶典型土壤的有機(jī)碳活性組成和碳庫管理指數(shù)已有報(bào)道，多集中于農(nóng)田管理措施，包括耕作方式[7-9]、施肥[6，10]以及秸稈覆蓋[11-12]、土地利用變化[13-14]等，而關(guān)于對果園土壤有機(jī)碳及碳庫管理指數(shù)的研究報(bào)道不多。

位于塔里木盆地麥蓋提縣是新疆紅棗生產(chǎn)基地之一，種植紅棗歷史久遠(yuǎn)，棗園種植管理已形成了較為成熟的體系。果園土壤擾動(dòng)較農(nóng)田少，有利于土壤有機(jī)碳的累積，且果樹生產(chǎn)具有較高的經(jīng)濟(jì)附加值，施肥量一般較農(nóng)田高并具備土壤有機(jī)碳累積的條件，研究果園土壤活性有機(jī)碳特征以及碳庫管理指數(shù)，不僅是揭示果園土壤質(zhì)量演化趨勢的需要，也是探索不同生態(tài)環(huán)境條件下土壤碳素平衡機(jī)理、以及獲得土壤碳素累積措施的迫切需求。本研究分析了典型干旱荒漠綠洲區(qū)活性有機(jī)碳、非活性有機(jī)碳及其碳庫管理指數(shù)的變化趨勢，豐富土壤碳庫平衡理論，為該地區(qū)果業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1研究區(qū)概況與方法

1.1研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于新疆南部喀什地區(qū)麥蓋提縣新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)45團(tuán)果樹連，地理位置為77°28′～79°05′E，38°25′～39°22′N，位于塔里木盆地西部，葉爾羌河下游和提孜那甫河下游。屬溫帶大陸性干燥氣候，熱量豐富、日照充足、晝夜溫差大，年均日照2 806 h以上，降水量39.4 mm，年積溫 4 550 h 以上，平均氣溫22.4 ℃，無霜期214 d。果園由連隊(duì)統(tǒng)一管理，棗園種植背景、管理方式、施肥、灌溉幾乎一致，土壤的基本性狀、理化性質(zhì)很相似，該地區(qū)種植土壤為粉沙土，通透性好，種植品種均為灰棗。土壤有機(jī)質(zhì)含量9.47 g/kg、速效氮含量22.10 mg/kg、速效磷含量14.71 mg/kg、速效鉀含量120.66 mg/kg，pH值為8.14，總鹽含量3.46 g/kg。

1.2研究方法

1.2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)采樣時(shí)間在2014年4月果樹萌發(fā)期進(jìn)行，采樣地點(diǎn)位于45團(tuán)果樹連，以種植年限3、5、10、15年生棗樹為研究對象，各年限果園面積4～6.67 hm2，各年限棗園里選取長勢、大小、樹相等一致有代表性的棗樹各3棵，與樹冠垂直投影范圍內(nèi)距樹干2/3處作為布設(shè)采樣點(diǎn)，挖取1 m深土壤剖面，按照0～5、5～10、10～20、20～30、30～50、50～70、70～100 cm間距逐層采集土樣，同時(shí)各層用環(huán)刀取原狀土測定土壤容重，共3次重復(fù)，編號后置于密封袋帶回實(shí)驗(yàn)室分析。

1.2.2測定指標(biāo)與方法土壤有機(jī)碳含量的測定用重鉻酸鉀外加熱法，土壤活性有機(jī)碳含量的測定采用KMnO4氧化法，以撂荒地土壤為參考土壤，土壤碳庫計(jì)算方法如下：

土壤非活性碳含量=土壤有機(jī)碳含量-土壤活性碳含量；

碳庫活度（A）=活性碳含量/非活性碳含量；

碳庫活度指數(shù)（AI）=碳庫活度/參考土壤碳庫活度；

碳庫指數(shù)（CPI）=土壤有機(jī)碳含量/參考土壤有機(jī)碳含量；

碳庫管理指數(shù)（CPMI）=碳庫指數(shù)×碳庫活度指數(shù)×100[6]；

1.2.3數(shù)據(jù)處理用SPSS 22.0和Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，多重比較采用Duncans法，Orgin 8制圖。

2結(jié)果與分析

2.1不同種植年限土壤活性碳變化趨勢及特征

由圖1可見，棗園土壤活性碳含量介于0.27～0.88 g/kg之間，平均含量為0.59 g/kg，其中最大值是最小值的3.26倍。4種年限的棗園土壤活性碳平均含量在0.53～0.64 g/kg 之間，總體上顯示出先增加后減少的趨勢，其中10年果園達(dá)到最大值0.64 g/kg，3年時(shí)含量最少，為0.53 g/kg。進(jìn)一步對不同年限的棗園土壤活性碳含量進(jìn)行分析可知，在0～5、5～10、10～20、20～30、30～50 cm的層次上土壤活性碳含量增長趨勢明顯，而在50～70、70～100 cm雖然有所增長但趨勢并不明顯。在時(shí)間尺度上，棗園土壤活性碳含量表現(xiàn)為先增加后減少的趨勢，總體表現(xiàn)為10年>15年>5年>3年。從圖1還可以看出，棗園土壤活性碳含量表層最大，隨著土層厚度的增加呈現(xiàn)出逐層降低的趨勢且降低幅度各不相同，在0～30 cm之間降幅比較大，而30～100 cm時(shí)降幅有所下降但幅度不大。在30～100 cm范圍上土壤活性碳含量隨年限增長表現(xiàn)出增加的趨勢，在10年時(shí)達(dá)到最大。

2.2不同種植年限土壤非活性碳變化趨勢及特征

由圖2可見，4種年限的棗園土壤非活性碳平均含量在4.67～5.25 g/kg之間，隨種植年限的增加，總體上表現(xiàn)出先增加后減少的趨勢，其中10年果園達(dá)到最大值，3年時(shí)為最小。對不同年限的棗園土壤非活性碳含量進(jìn)行分析可知，在0～5、5～10、20～30 cm的層次上土壤非活性碳含量增長趨勢明顯，而在10～20、30～50、50～70、70～100 cm雖然有所增長但增長的趨勢不明顯。棗園土壤非活性碳含量在時(shí)間尺度上表現(xiàn)為先增加后有所減少的趨勢，總體表現(xiàn)為10年>15年>5年>3年。對同一種植年限不同深度土層進(jìn)行分析，棗園土壤非活性碳含量表層最大，隨著土層厚度的增加呈現(xiàn)出逐層降低的趨勢且降低幅度各不相同，在0～30 cm之間降幅比較大，而30～100 cm時(shí)降幅有所下降但幅度不大。

2.3不同種植年限下棗園土壤碳庫指標(biāo)變化

果園土壤有機(jī)碳主要來源于根系分泌物，并且大多轉(zhuǎn)化成非活性部分貯存于土壤中。土壤碳庫活度是土壤活性有機(jī)碳和非活性有機(jī)碳含量的比值，它用來反映土壤碳素活躍程度，碳庫活度越大，表示有機(jī)碳越容易被微生物分解，土壤質(zhì)量越高[15-16]。從表1可以看出，隨土壤深度的增加，土壤碳庫活度相同年限不同土壤層次表現(xiàn)不盡相同，總體表現(xiàn)為先

增加后減少。各年限果園各土層有機(jī)碳含量的變幅不一致，其中0～20、70～100 cm土層相對穩(wěn)定。各種植年限土壤碳庫活度的最大值均出現(xiàn)在10～20 cm土層，說明棗園土壤體系中10～20 cm層次土壤質(zhì)量較高，隨著土壤深度增加，土壤質(zhì)量呈下降趨勢；隨種植年限的增加，各個(gè)層次的土壤碳庫活度變化不大。

隨著土壤深度的增加，相同年限不同土壤層次的碳庫指數(shù)有不同程度地變化；同一年限不同土壤深度的碳庫指數(shù)變化也不相同，最大值為1.18，最小值為0.88；隨著種植年限的增加，各土壤深度的碳庫指數(shù)，除10年土壤深度20～30 cm與5年土壤深度50～70 cm、70～100 cm，碳庫指數(shù)略有下降外，其他表現(xiàn)為增大趨勢，與3年相比，5、10、15年分別增加1.8%、56%、17.5%。

碳庫管理指數(shù)除在種植年限10年，土壤深度30～50 cm處表現(xiàn)出最大值外，其他種植年限為15年時(shí)，碳庫管理指數(shù)達(dá)到最大值。較3年相比，5、10、15年的CPMI分別增加163%、158%、26.5%。

表2顯示，碳庫活度與活性有機(jī)碳含量、非活性有機(jī)碳含量極顯著相關(guān)，與有機(jī)碳含量顯著相關(guān)，且與有機(jī)碳含量的相關(guān)系數(shù)大于非活性有機(jī)碳含量。碳庫管理指數(shù)與碳庫活度指數(shù)和碳庫指數(shù)極顯著相關(guān)。

3結(jié)論與討論

影響土壤活性有機(jī)碳的因素有很多，例如土壤環(huán)境因子、土地利用方式以及施肥等土壤管理措施，通過影響土壤有機(jī)碳的輸入量、轉(zhuǎn)化速率以及輸出量，都會(huì)引起土壤活性有機(jī)碳含量的變化。本研究發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)土壤活性碳和非活性碳活性都較低，這與當(dāng)?shù)赝寥佬再|(zhì)與果園管理有關(guān)。從本試驗(yàn)結(jié)果來看，樹齡為10年時(shí)，土壤中活性碳以及非活性碳含量達(dá)到最高，到15年時(shí)開始下降，表明隨著棗樹種植年限逐步增加，土壤活性碳以及非活性碳含量也增加，棗樹在10年樹齡時(shí)土壤有機(jī)碳活性達(dá)到最大，對果園土壤有機(jī)碳的積累效率也最大。種植年限超過10年時(shí)，有機(jī)碳活性和有機(jī)碳的增長效率開始下降。這與甘卓婷等的研究結(jié)果[17]相似，不同的是甘卓婷認(rèn)為15年時(shí)，果園對有機(jī)碳的積累效率最大。在長期的果園利用中，果園土壤碳素水平在不同年限間存在差異，年限之間的差異可能與研究對象、氣候、地域環(huán)境的不同有關(guān)。

碳庫管理指數(shù)結(jié)合了土壤碳庫指數(shù)和土壤活度指數(shù)，所以它既反映了外界管理措施對土壤有機(jī)碳總量的影響，也反映了土壤有機(jī)碳各組分的變化情況。碳庫管理指數(shù)上升則表明土壤肥力上升，下降則表明土壤肥力開始下降。通過對不同種植年限棗園土壤碳庫管理指數(shù)進(jìn)行分析，研究區(qū)棗園土壤肥力隨種植年限的增加而有所變化，表現(xiàn)為15年最大（除土壤深度30～50 cm外），10年與15年差異不大，表明棗園棗樹生產(chǎn)力在10年時(shí)最大，樹齡超過10年以后棗園土壤碳積累趨于平緩，3～10年樹齡的棗樹處于上升期，其生產(chǎn)力旺盛，有機(jī)碳積累能力最強(qiáng)。因此，在植果期間更應(yīng)該注重深層土壤的管理。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐明崗，于榮，王伯仁. 土壤活性有機(jī)質(zhì)的研究進(jìn)展[J]. 土壤肥料，2000（6）：3-7.

[2]劉云慧，宇振榮，張風(fēng)榮，等. 縣域土壤有機(jī)質(zhì)動(dòng)態(tài)變化及其影響因素分析[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2005，11（3）：294-301.

[3]Janzen H H. Soil organic matter characteristics after long-term cropping to various spring wheat rotations[J]. Canadian Journal of Soil Science，1987，67（4）：845-856.

[4]Whitbread A M，Lefroy R D B，Blair G J. A survey of the impact of cropping on soil physical and chemical properties in north-western New South Wales[J]. Australian Journal of Soil Research，1998，36：669-681.

[5]Lefroy R D B，Blair G，Strong W M. Changes in soil organic matter with cropping as measured by organic carbon fractions and 13C natural isotope abundance[J]. Plant and Soil，1993，155-156（1）：399-402.

[6]徐明崗，于榮，王伯仁. 長期不同施肥下紅壤活性有機(jī)質(zhì)與碳庫管理指數(shù)變化[J]. 土壤學(xué)報(bào)，2006，43（5）：723-729.

[7]杜滿義，范少輝，劉廣路，等. 毛竹林混交經(jīng)營對土壤活性有機(jī)碳庫和碳庫管理指數(shù)的影響[J]. 南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，37（5）：49-54.

[8]羅友進(jìn)，王子芳，高明，等. 不同耕作制度對紫色水稻土活性有機(jī)質(zhì)及碳庫管理指數(shù)的影響[J]. 水土保持學(xué)報(bào)，2007，21（5）：55-81.

[9]李琳，伍芬琳，張海林，等. 雙季稻區(qū)保護(hù)性耕作下土壤有機(jī)碳及碳庫管理指數(shù)的研究[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，27（1）：248-253.

[10]趙紅，呂貽忠，楊希，等. 不同配肥方案對黑土有機(jī)碳含量及碳庫管理指數(shù)的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，42（9）：3164-3169.

[11]高飛，賈志寬，張鵬，等. 秸稈覆蓋對寧南旱作農(nóng)田活性有機(jī)質(zhì)及碳庫管理指數(shù)的影響[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2011，29（3）：107-117.

[12]陳尚洪，朱鐘麟，劉定輝，等. 秸稈還田和免耕對土壤養(yǎng)分及碳庫管理指數(shù)的影響研究[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2008，14

（4）：806-809.

[13]邱莉萍，張興昌，程積民. 土地利用方式對土壤有機(jī)質(zhì)及其碳庫管理指數(shù)的影響[J]. 中國環(huán)境科學(xué)，2009，29（1）：84-89.

[14]徐鵬，江長勝，郝慶菊，等. 縉云山土地利用方式對土壤活性有機(jī)質(zhì)及其碳庫管理指數(shù)的影響[J]. 環(huán)境科學(xué)，2013，34（10）：4009-4016.

[15]戴全厚，劉國彬，薛萐，等. 不同植被恢復(fù)模式對黃土丘陵區(qū)土壤碳庫及其管理指數(shù)的影響[J]. 水土保持研究，2008，15（3）：61-64.

[16]張貴龍，趙建寧，宋曉龍，等. 施肥對土壤有機(jī)碳含量及碳庫管理指數(shù)的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2012，18（2）：359-365.

[17]甘卓亭，張掌權(quán)，陳靜，等. 黃土塬區(qū)蘋果園土壤有機(jī)碳分布特征[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2010，30（8）：2135-2140.