陶寶先，張保華，董杰，劉晨陽

1. 聊城大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，山東 聊城 252059；2. 聊城大學(xué)科學(xué)技術(shù)處，山東 聊城 252059

不同土地利用方式對(duì)壽光市農(nóng)業(yè)土壤有機(jī)碳分子結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性的影響

陶寶先1*，張保華2，董杰1，劉晨陽1

1. 聊城大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，山東 聊城 252059；2. 聊城大學(xué)科學(xué)技術(shù)處，山東 聊城 252059

農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地后，耕作措施的改變顯著影響土壤有機(jī)碳的特征。為揭示不同土地利用方式變化對(duì)土壤有機(jī)碳分子結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性的影響，以壽光市農(nóng)業(yè)土壤為例，采用13C核磁共振技術(shù)分析農(nóng)田轉(zhuǎn)變化為不同種植年限設(shè)施菜地（種植6、12年）及設(shè)施菜地撂荒后土壤有機(jī)碳分子結(jié)構(gòu)特征及其穩(wěn)定性。結(jié)果表明，（1）農(nóng)田轉(zhuǎn)變化為設(shè)施菜地后土壤有機(jī)碳貯量顯著增加，且種植6年設(shè)施菜地（4.50 kg?m-2）土壤有機(jī)碳貯量明顯高于種植12年設(shè)施菜地（3.91 kg?m-2），設(shè)施菜地撂荒后（3.33 kg?m-2）土壤有機(jī)碳貯量降至農(nóng)田水平（3.07 kg?m-2）。（2）相對(duì)于農(nóng)田，種植6年設(shè)施菜地土壤烷基碳相對(duì)含量、疏水碳/親水碳比值及芳香碳/烷基碳比值明顯低于農(nóng)田，其他土地利用類型與農(nóng)田無顯著差異。（3）農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地及設(shè)施菜地撂荒后，土壤易分解碳組分（烷氧碳+羰基碳）、難分解碳組分（烷基碳+芳香碳）貯量均有所增加，但種植6年設(shè)施菜地易分解碳組分貯量的增加量大于難分解碳組分的增加量，種植12年設(shè)施菜地及撂荒設(shè)施菜地則呈現(xiàn)相反的趨勢。農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地初期（種植6年）所增加的土壤有機(jī)碳主要為易分解組分，但隨著種植年限延長及設(shè)施菜地撂荒，土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)。（4）烷氧碳相對(duì)含量、疏水碳/親水碳比值及芳香碳/烷基碳比值可作為該區(qū)域土壤有機(jī)碳響應(yīng)于土地利用方式轉(zhuǎn)變的敏感性指標(biāo)。

設(shè)施菜地；土壤有機(jī)碳；分子結(jié)構(gòu)；固態(tài)13C核磁共振；壽光市

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中重要的碳庫，地表土壤中存貯約2500 Pg碳，其中1550 Pg為有機(jī)碳（Lal，2004），土壤碳庫的輕微改變將對(duì)大氣CO2濃度及全球變化產(chǎn)生較大影響（William et al.，2000）。土地利用方式變化是影響土壤有機(jī)碳循環(huán)的主要因素之一，并對(duì)全球變化具有重要影響（He et al.，2008；Li et al.，2010）。關(guān)于土地利用方式對(duì)土壤碳含量的影響主要集中在森林、草地、農(nóng)田等主要土地利用方式間的轉(zhuǎn)換方面（Conti et al.，2016；Guo et al.，2002），而對(duì)設(shè)施菜地利用年限及自然撂荒等方式下土壤有機(jī)碳變化的研究相對(duì)較少。設(shè)施栽培是中國蔬菜生產(chǎn)的重要方式之一，相對(duì)于大田農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，設(shè)施菜地具有土地利用強(qiáng)度大，復(fù)種指數(shù)高，灌溉及施肥量大且頻繁，土壤溫度及濕度較高等特點(diǎn)（高新昊等，2015）。農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地將對(duì)土壤碳貯量及其組分產(chǎn)生較大影響，但關(guān)于農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地對(duì)土壤碳組分的影響研究仍不充分。

土地利用方式變化對(duì)土壤有機(jī)碳的影響已有大量的研究，主要集中在土壤總有機(jī)碳（文雯等，2015；郝翔翔等，2015）、活性有機(jī)碳（李鑒霖等，2015；張帥等，2015；Lyu et al.，2016）、團(tuán)聚體有機(jī)碳（李娟等，2013）等方面，而有機(jī)碳分子是決定土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性和周轉(zhuǎn)特征的重要分子機(jī)制，但目前針對(duì)不同土地利用方式下土壤有機(jī)碳分子構(gòu)成的研究還較少。土地利用方式的變化不僅能影響土壤有機(jī)碳的數(shù)量（Conti et al.，2016），而且能改變土壤有機(jī)碳的分子結(jié)構(gòu)（杭子清等，2014）。此外，土壤有機(jī)碳分子結(jié)構(gòu)是影響有機(jī)碳質(zhì)量和功能的重要內(nèi)在因素（張勇等，2015）。13C核磁共振技術(shù)作為一種非破壞性研究手段，可以研究化合物的結(jié)構(gòu)特征，已被用于土壤及凋落物有機(jī)碳結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性的研究（張勇等，2015；郭素春等，2013；Bonanomi et al.，2013）。它能清晰地反映不同碳官能團(tuán)（碳組分）的相對(duì)比例，有助于進(jìn)一步了解土壤有機(jī)碳質(zhì)量的變化，深入分析土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性，同時(shí)有助于探討反映有機(jī)碳質(zhì)量變化的敏感指標(biāo)。

壽光市是中國重要的蔬菜生產(chǎn)基地，近年來大量農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地（Song et al.，2009）。設(shè)施菜地種植過程中被施加了大量的有機(jī)肥（曾路生等，2009），這可能改變土壤有機(jī)碳的數(shù)量及質(zhì)量，進(jìn)而影響農(nóng)業(yè)土壤有機(jī)碳庫的穩(wěn)定性。然而，不同土地利用方式對(duì)壽光市農(nóng)業(yè)土壤有機(jī)碳組分影響的研究仍較少見。本研究以壽光市農(nóng)田（小麥Triticum aestivum-玉米Zea mays輪作）為對(duì)照，利用13C核磁共振技術(shù)研究農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地后土壤有機(jī)碳分子結(jié)構(gòu)的變化，以期明確農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地對(duì)土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性的影響，確定對(duì)土地利用方式變化較敏感的碳組分，為設(shè)施菜地土壤碳減排提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東省壽光市。該區(qū)年均降水量594 mm，年均氣溫12.7 ℃。農(nóng)田為玉米-冬小麥輪作，年均施化肥量（N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15）為1.27 t?hm-2。研究區(qū)設(shè)施菜地為蔬菜大棚（長×寬=80 m×10 m），1年種植2茬蔬菜，換茬蔬菜主要為黃瓜Cucumis sativus、辣椒Capsicum annuum。7月中旬—8月下旬為休耕期，施加1次有機(jī)肥（干雞糞）作為底肥，期間無灌溉及施加化肥等耕作措施。12月底—次年1月初（蔬菜換茬），再施加等量的有機(jī)肥（干雞糞）。種植 6年設(shè)施菜地年施加有機(jī)肥量為75 t?hm-2，種植12年設(shè)施菜地年施加有機(jī)肥量為72 t?hm-2。生長季定期施加水溶性復(fù)合肥（N∶P2O5∶K2O=22∶14∶14），每次施加量分別為187.5 kg?hm-2（種植 6 年設(shè)施菜地）、125 kg?hm-2（種植12年設(shè)施菜地），每隔7～10 d施加1次，隨同灌溉施用。撂荒設(shè)施菜地的大棚已撤除，生長雜草。本研究的設(shè)施菜地為蔬菜大棚。

1.2 樣品采集與測試

1.2.1 樣品采集及測試

選取農(nóng)田（對(duì)照）、種植6年、12年設(shè)施菜地及撂荒12年設(shè)施菜地為研究對(duì)象。上述4類樣地處于1 km×1 km范圍內(nèi)，以保證設(shè)施菜地、撂荒設(shè)施菜地與農(nóng)田具有相似的土壤本底特征。農(nóng)田設(shè)置3塊樣地，每類設(shè)施菜地選擇3個(gè)相鄰的大棚。在每塊樣地（或每個(gè)大棚）中按“S”形布點(diǎn)采集10個(gè)表層土樣（0～20 cm）、混勻，作為1個(gè)混合樣。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)去除根系、石塊及土壤動(dòng)物等非土壤部分，風(fēng)干。一部分風(fēng)干樣品研磨、過0.15 mm篩，采用重鉻酸鉀容量法測定土壤有機(jī)碳含量（魯如坤，2000），凱氏定氮法測定全氮含量；采用環(huán)刀法測定土壤容重（魯如坤，2000）；取部分過2 mm篩風(fēng)干土樣提取土壤顆粒碳（POM；Cambardella et al.，1992），并采用重鉻酸鉀容量法測定其有機(jī)碳含量。土壤理化性質(zhì)見表 1。根據(jù)土壤有機(jī)碳、全氮含量及容重計(jì)算表層土壤有機(jī)碳、全氮貯量，具體如下：

S=H×B×C×10-2（1）

式中，S為土壤有機(jī)碳或全氮貯量，kg?m-2；H為土層深度，cm；B為土壤容重，g?cm-3；C為土壤有機(jī)碳或全氮含量，g?kg-1。

1.2.2 土壤有機(jī)碳分子結(jié)構(gòu)測試

進(jìn)行核磁共振波譜分析前，先對(duì)土樣進(jìn)行 HF預(yù)處理，以提高儀器分析的信噪比及分析效率，具體如下：稱取5 g過0.15 mm篩的土樣于100 mL離心管中，加入50 mL 10% HF溶液，振蕩1 h，4000 r?min-1離心10 min，移去上清液，繼續(xù)用HF處理，共處理8次，前4次每次振蕩時(shí)間為1 h，第5～7次每次振蕩時(shí)間為12 h，第8次振蕩時(shí)間為24 h。然后用50 mL去離子水清洗至中性（約5～7次），風(fēng)干后研磨過0.15 mm篩，應(yīng)用13C-NMR分析土壤有機(jī)碳分子結(jié)構(gòu)（郭素春等，2013）。樣品測試采用核磁共振儀（AVANCE Ⅲ 400 MH，布魯克公司）、固態(tài)13C-交叉極化魔角旋轉(zhuǎn)技術(shù)，轉(zhuǎn)子直徑4 mm，13C譜共振頻率為100.62 MHz，旋轉(zhuǎn)頻率5000 Hz，接觸時(shí)間2 ms，循環(huán)延遲時(shí)間3 s。核磁共振功能基團(tuán)面積積分采用MestReNova軟件分析。共劃分4個(gè)功能區(qū)：烷基碳區(qū)（0～45 ppm，Alkyl-C），主要來自角質(zhì)、蠟質(zhì)等植物聚合物及微生物代謝物；烷氧碳區(qū)（45～110 ppm，O-Alkyl-C），主要來自纖維素、半纖維素等碳水化合物；芳香碳區(qū)（110～160 ppm，Aromatic-C），主要來自木質(zhì)素等；羰基碳區(qū)（160～190 ppm，Carbonyl-C），主要來自脂肪酸、氨基酸、酰胺、酯等。其中，烷基碳+芳香碳=疏水碳，烷氧碳+羰基碳=親水碳，烷基碳+烷氧碳=脂肪碳（張勇等，2015；郭素春等，2013；Bonanomi et al.，2013；杭子清等，2014；Bonanomi et al.，2011）。根據(jù)土壤有機(jī)碳貯量及有機(jī)碳官能基團(tuán)相對(duì)含量計(jì)算土壤有機(jī)碳官能基團(tuán)貯量，具體如下：

表1 土壤理化性質(zhì)Table 1 Basic characteristics of soil in research sites

A=Cs×Cr（2）

式中，A為土壤有機(jī)碳官能基團(tuán)（即烷基碳、烷氧碳、芳香碳及羰基碳）貯量，kg?m-2；Cs為土壤有機(jī)碳貯量，kg?m-2；Cr為土壤有機(jī)碳官能基團(tuán)相對(duì)含量，%。

1.3 數(shù)據(jù)分析

土壤理化性質(zhì)、功能基團(tuán)相對(duì)含量在不同樣地類型間的差異采用單因素方差分析進(jìn)行檢驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)顯著水平P=0.05。采用Excel 2007及SPSS 13.0軟件對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用Origin 9.0軟件作圖，圖中誤差棒代表標(biāo)準(zhǔn)差（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地顯著增加土壤有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳含量及土壤有機(jī)碳貯量，且種植6年設(shè)施菜地明顯大于種植12年設(shè)施菜地（P＜0.05）。設(shè)施菜地撂荒12年后，上述指標(biāo)降至農(nóng)田水平（表1）。農(nóng)田、種植6年及12年設(shè)施菜地土壤有機(jī)碳組分相對(duì)含量大小順序?yàn)椋和檠跆迹就榛迹痉枷闾迹爵驶迹袒脑O(shè)施菜地土壤有機(jī)碳組分相對(duì)含量大小順序?yàn)椋和榛迹就檠跆迹痉枷闾迹爵驶?。農(nóng)田、種植6年及12年設(shè)施菜地、撂荒設(shè)施菜地土壤烷基碳與芳香碳相對(duì)含量之和分別為 55.74%、49.72%、55.27%、56.73%，而烷氧碳與羰基碳相對(duì)含量之和分別為44.26%、50.29%、44.73%、43.27%（圖 1、圖 2）。土地利用方式變化對(duì)烷基碳、芳香碳及羰基碳相對(duì)含量無顯著影響，但種植6年設(shè)施菜地土壤烷氧碳相對(duì)含量較農(nóng)田、種植 12年設(shè)施菜地及撂荒設(shè)施菜地分別增加了12.82%、13.73%、16.66%（P＜0.05；圖2）。由此表明，農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地初期（6年）顯著增加了土壤纖維素、半纖維素等易分解碳組分的相對(duì)含量，這與顆粒有機(jī)碳含量的變化趨勢相同。

圖1 農(nóng)田、種植6年及12年設(shè)施菜地、撂荒12年設(shè)施菜地土壤有機(jī)碳13C-NMR譜圖Fig. 1 13C-NMR spectrogram of soil organic carbon in farmland, greenhouse soil and abandoned greenhouse soil

相對(duì)于農(nóng)田，種植 6年設(shè)施菜地土壤疏水碳/親水碳、芳香碳/烷氧碳比值明顯降低，脂肪碳/芳香碳比值顯著升高（P＜0.05），種植12年設(shè)施菜地及撂荒設(shè)施菜地則無顯著變化。此外，烷基碳/烷氧碳比值隨種植年限的延長呈下降趨勢（種植6年設(shè)施菜地），當(dāng)種植年限延長至12年或設(shè)施菜地撂荒后，該比值明顯大于種植6年設(shè)施菜地，且恢復(fù)至農(nóng)田水平。4類樣地土壤有機(jī)碳芳香度無顯著差異（圖2B）。農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地顯著增加烷基碳、烷氧碳、芳香碳、羰基碳貯量，且種植6年設(shè)施菜地烷氧碳與羰基碳貯量均顯著高于種植 12年設(shè)施菜地（P＜0.05）；設(shè)施菜地撂荒12年后4類有機(jī)碳官能團(tuán)貯量均降至農(nóng)田水平（圖3）。

圖2 土壤有機(jī)碳各組分相對(duì)含量（A）及比值（B）Fig. 2 Proportions (A) and ratios (B) of the components of soil organic carbon

圖3 土壤有機(jī)碳各組分貯量Fig. 3 Storage of different soil organic carbon components

3 討論

烷基碳及芳香碳是頑固性高、難分解的有機(jī)碳組分，而烷氧碳、羰基碳則是最易分解、最不穩(wěn)定的有機(jī)碳組分（張勇等，2015；郭素春等，2013；Bonanomi et al.，2013）。農(nóng)田及設(shè)施菜地（種植6、12年）土壤有機(jī)碳以烷氧碳為主（圖1、圖2A），這與郭素春等（2013）的研究結(jié)果相似。早期研究也發(fā)現(xiàn)，長期施用有機(jī)肥顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)中烷氧碳比例（Mikha et al.，2004）。在本研究區(qū)，設(shè)施菜地種植過程中為了獲取較高產(chǎn)量而大量施加有機(jī)肥，顯著增加土壤有機(jī)碳含量及貯量，這有利于設(shè)施菜地土壤有機(jī)碳累積。而且，禽畜糞便等有機(jī)肥中含有大量易分解碳組分（Smith et al.，2008），這可能是導(dǎo)致種植6年設(shè)施菜地土壤烷氧碳相對(duì)含量顯著增加的主要原因。然而，設(shè)施菜地連續(xù)種植10年以上，由于連作障礙影響蔬菜產(chǎn)量（曾路生等，2009），施肥量較種植10年以下設(shè)施菜地有所降低（高新昊等，2015），致使土壤有機(jī)碳含量、貯量及烷氧碳相對(duì)含量較種植 6年設(shè)施菜地明顯下降（P＜0.05，表 1、圖 2）。

設(shè)施菜地撂荒后土壤有機(jī)碳以烷基碳為主（圖1、圖 2A）。表明設(shè)施菜地撂荒后，有機(jī)碳烷基化程度增加，難分解碳組分比例增多。張勇等（2015）也發(fā)現(xiàn)，不同森林類型下層土壤主要為烷基碳，主要原因是含易分解碳組分較多的新鮮凋落物主要集中在表層，而下層土壤有機(jī)碳多為經(jīng)土壤酶和微生物生化反應(yīng)生成的更穩(wěn)定的代謝產(chǎn)物。設(shè)施菜地撂荒后停止施肥，荒草凋落物為土壤有機(jī)質(zhì)主要來源，凋落物有機(jī)質(zhì)歸還量明顯小于農(nóng)業(yè)土壤施肥量，致使土壤有機(jī)碳含量、貯量及烷氧碳等易分解碳組分相對(duì)含量下降。此外，設(shè)施菜地撂荒后，原來施加于土壤中的有機(jī)肥及凋落物中的易分解有機(jī)碳組分會(huì)逐漸分解，可能導(dǎo)致烷基碳等難分解碳組分的累積。

農(nóng)田、種植 12年設(shè)施菜地及撂荒設(shè)施菜地土壤烷基碳與芳香碳相對(duì)含量之和大于烷氧碳與羰基碳相對(duì)含量之和，而種植6年設(shè)施菜地的結(jié)果恰恰相反（圖1、圖2A），表明種植6年設(shè)施菜地一半以上的土壤有機(jī)碳為易分解碳組分，而農(nóng)田、種植 12年設(shè)施菜地及撂荒設(shè)施菜地土壤有機(jī)碳則以難分解碳組分為主。這與設(shè)施菜地施加有機(jī)肥的數(shù)量有關(guān)。隨著設(shè)施菜地種植年限的延長（種植 12年），有機(jī)肥施用量下降，土壤有機(jī)碳含量及貯量、顆粒有機(jī)碳含量也隨之下降（表1），這可能導(dǎo)致易分解碳組分的含量有所下降。然而，農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地后，烷基碳及芳香碳的相對(duì)含量雖然無明顯變化（圖2A），但土壤有機(jī)碳貯量明顯增加（P＜0.05；表1）。相對(duì)于農(nóng)田，種植6、12年設(shè)施菜地及撂荒設(shè)施菜地難分解碳組分（即烷基碳+芳香碳）貯量分別增加 0.51、0.45、0.17 kg?m-2（圖 3）。有研究表明，長期施用N、P等無機(jī)肥提高了微生物活性，促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)分解及難分解烷基積聚（Zhang et al.，2009）。據(jù)此推斷，農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地及設(shè)施菜地撂荒后，土壤中難分解碳組分的貯量有所增加，這對(duì)土壤碳固持起到一定的積極作用。

農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)?年設(shè)施菜地后土壤易分解碳組分（烷氧碳、羰基碳）相對(duì)含量增加，尤其是烷氧碳相對(duì)含量增幅更為明顯（P＜0.05；圖2A）。種植12年設(shè)施菜地土壤易分解碳組分相對(duì)含量（44.73%）雖然低于種植 6年設(shè)施菜地（50.29%），但仍高于農(nóng)田（44.26%）。而且，種植 6、12年設(shè)施菜地土壤有機(jī)碳貯量顯著大于農(nóng)田（P＜0.05；表1）。因此，相對(duì)于農(nóng)田，種植6、12年設(shè)施菜地及撂荒設(shè)施菜地易分解碳組分貯量分別增加了 0.89、0.38、0.08 kg?m-2（圖3）。由此表明，農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地將大幅增加土壤中易分解碳組分的貯量，尤其以種植6年設(shè)施菜地更為明顯。

通過對(duì)比難、易分解碳組分貯量的變化可知：相對(duì)于農(nóng)田，種植6年設(shè)施菜地土壤易分解碳組分貯量的增加量大于難分解碳組分貯量的增加量，而種植 12年設(shè)施菜地及撂荒設(shè)施菜地呈現(xiàn)相反的趨勢。這意味著，農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地雖然能增加土壤難分解碳組分的貯量，但易分解碳組分貯量的增幅更大，這將大幅提升設(shè)施菜地土壤碳排放水平，尤其以種植6年設(shè)施菜地最為顯著。此外，設(shè)施菜地種植過程中的保溫措施使其土壤溫度高于農(nóng)田及撂荒設(shè)施菜地（高新昊等，2015），且設(shè)施菜地大量施加含有較多易分解碳組分的有機(jī)肥，這可能提高了設(shè)施菜地土壤CO2排放速率。早期研究也發(fā)現(xiàn)，設(shè)施菜地土壤呼吸速率明顯高于農(nóng)田土壤（曾路生等，2009）。因此，設(shè)施菜地的施肥措施雖然能增加土壤碳貯量，但也能加速其土壤CO2排放，這在一定程度上減弱了設(shè)施菜地的土壤固碳能力。

烷基碳/烷氧碳比值能夠反映土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性，通常比值越大有機(jī)碳穩(wěn)定性越好（張勇等，2015；郭素春等，2013；Bonanomi et al.，2013；杭子清等，2014）。本研究發(fā)現(xiàn)，種植 6、12年設(shè)施菜地顆粒有機(jī)碳含量雖然顯著高于農(nóng)田（P＜0.05；圖1），但種植6、12年設(shè)施菜地及撂荒設(shè)施菜地烷基碳/烷氧碳比值與農(nóng)田無明顯差異，僅種植6年設(shè)施菜地與撂荒菜地間存在顯著差異（P＜0.05；圖2B）。由此表明，烷基碳/烷氧碳比值并不是反映研究區(qū)土地利用方式變化影響土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性的敏感指標(biāo)。

疏水碳/親水碳及芳香碳/烷氧碳比值也能反映有機(jī)碳的分解程度（Wagai et al.，2013），其值越大，有機(jī)碳越穩(wěn)定。有研究發(fā)現(xiàn)，施肥降低水稻土有機(jī)碳的疏水性，增加有機(jī)碳的礦化程度（Zhou et al.，2010）。本研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田變?yōu)榉N植6年設(shè)施菜地后疏水碳/親水碳、芳香碳/烷氧碳比值顯著下降（P＜0.05；圖 2B）。其原因可能是設(shè)施菜地種植初期增施有機(jī)肥，導(dǎo)致土壤中活性較強(qiáng)的低分子有機(jī)碳累積所致。隨著種植年限延長（種植12年）及設(shè)施菜地撂荒，該比值顯著增加，并與農(nóng)田無顯著差異（圖2B），表明其土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性隨種植年限延長及設(shè)施菜地撂荒而明顯提高。這可能是隨種植年限延長有機(jī)肥施加量減少及設(shè)施菜地撂荒后停止施加有機(jī)肥所致。此外，隨著研究區(qū)農(nóng)業(yè)土地利用類型的變化，僅烷氧碳相對(duì)含量表現(xiàn)出顯著變化（P＜0.05；圖2A），表明烷氧碳相對(duì)含量及疏水碳/親水碳比值、芳香碳/烷氧碳比值是反映研究區(qū)農(nóng)業(yè)土地利用方式變化影響土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性的敏感指標(biāo)。

脂肪碳/芳香碳比值反映有機(jī)碳分子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，比值越大，表明該物質(zhì)中芳香結(jié)構(gòu)越少、脂肪族側(cè)鏈越多、縮合程度越低、分子結(jié)構(gòu)越簡單（杭子清等，2014）。本研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)榉N植6年設(shè)施菜地后，該比值顯著增加；隨著種植年限延長及設(shè)施菜地撂荒，該比值降至農(nóng)田水平（圖2B）。由此推斷：短期的設(shè)施菜地種植（種植6年）促使土壤中結(jié)構(gòu)簡單的有機(jī)碳組分累積，有機(jī)碳更加不穩(wěn)定。

4 結(jié)論

（1）農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)施菜地顯著增加土壤有機(jī)碳貯量及顆粒有機(jī)碳含量，且種植6年設(shè)施菜地明顯高于種植12年設(shè)施菜地。設(shè)施菜地撂荒12年后，土壤有機(jī)碳貯量及顆粒有機(jī)碳含量降至農(nóng)田水平。

（2）短期的設(shè)施菜地種植（種植 6年）顯著增加土壤易分解碳組分相對(duì)含量及貯量，并降低了疏水碳/親水碳比值及芳香碳/烷氧碳比值，削弱了土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性。但隨著種植年限延長（種植12年）及設(shè)施菜地撂荒，土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)。

（3）烷氧碳相對(duì)含量、疏水碳/親水碳比值及芳香碳/烷基碳比值可作為該區(qū)域土壤有機(jī)碳響應(yīng)于土地利用方式轉(zhuǎn)變的敏感性指標(biāo)。

BONANOMI G, INCERTI G, BARILE E, et al. 2011. Phytotoxicity, not nitrogen immobilization, explains plant litter inhibitory effects:evidence from solid-state13C NMR spectroscopy [J]. New Phytologist,191(4): 1018-1030.

BONANOMI G, INCERTI G, GIANNINO F, et al. 2013. Litter quality assessed by solid state 13C NMR spectroscopy predicts decay rate better than C/N and Lignin/N ratios [J]. Soil Biology & Biochemistry,56: 40-48.

CAMBARDELLA C A, ELLIOTT E T. 1992. Particulate soil organic-matter changes across a grassland cultivation sequence [J]. Soil Science Society of America Journal, 56(3): 777-783.

CONTI G, KOWALJOW E, BAPTIST F, et al. 2016. Altered soil carbon dynamics under different land-use regimes in subtropical seasonally-dry forests of central Argentina [J]. Plant Soil, 403(1-2):375-387.

GUO L B, GIFFORD R M. 2002. Soil carbon stocks and land use change: a meta analysis [J]. Global Change Biology, 8(4): 345-360.

HE N P, YU Q, WU L, et al. 2008. Carbon and nitrogen store and storage potential as affected by land-use in a Leymus chinensis grassland of northern China [J]. Soil Biology & Biochemistry, 40(12): 2952-2959.

LAL R. 2004. Soil carbon sequestration impacts on global climate change and food security [J]. Science, 304(5677): 1623-1627.

LI Y, MATHEWS B W. 2010. Effects of conversion of sugarcane plantation to forest and pasture on soil carbon in Hawaii [J]. Plant Soil, 335(1-2):245-253.

LYU M, XIE J S, UKONMAANAHO L, et al. 2016. Land use change exerts a strong impact on deep soil C stabilization in subtropical forests[J]. Journal of Soil and Sediment, doi: 10.1007/S11368-01601428-z.

MIKHA M M, RICE C W. 2004. Tillage and manure effects on soil and aggregate-associated carbon and nitrogen [J]. Soil Science Society of America Journal, 68(3): 809-816.

SMITH P, MARTINO D, CAI Z, et al. 2008. Greenhouse gas mitigation in agriculture [J]. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 363(1492): 789-813.

SONG X Z, ZHAO C X, WANG X L, et al. 2009. Study of nitrate leaching and nitrogen fate under intensive vegetable production pattern in northern China [J]. Comptes Rendus Biologies, 332(4): 385-392.

WAGAI R, KISHIMOTO-MO A W, YONEMURA S, et al. 2013. Linking temperature sensitivity of soil organic matter decomposition to its molecular structure, accessibility, and microbial physiology [J]. Global Change Biology, 19(4): 1114-1125.

WILLIAM H, SCGLESINGER W H, JEFFREY A. 2000. Soil respiration and the global carbon cycle [J]. Biogeochemistry, 48(1): 7-20.

ZHANG J J, DOU S, SONG X Y. 2009. Effect of long-term combined nitrogen and phosphorus fertilizer application on13C CPMAS NMR spectra of humin in a Typic Hapludoll of northeast China [J]. European Journal of Soil Science, 60(6): 966-973.

ZHOU P, PAN G X, SPACCINI R, et al. 2010. Molecular changes in particulate organic matter (POM) in a typical Chinese paddy soil under different long-term fertilizer treatments [J]. European Journal of Soil Science, 61(2): 231-242.

高新昊, 張英鵬, 劉兆輝, 等. 2015. 種植年限對(duì)壽光設(shè)施大棚土壤生態(tài)環(huán)境的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 35(5): 1452-1459.

郭素春, 郁紅艷, 朱雪竹, 等. 2013. 長期施肥對(duì)潮土團(tuán)聚體有機(jī)碳分子結(jié)構(gòu)的影響[J]. 土壤學(xué)報(bào), 50(5): 921-929 .

杭子清, 王國祥, 劉金娥, 等. 2014. 互花米草鹽沼土壤有機(jī)碳庫組分及結(jié)構(gòu)特征[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 34(15): 4175-4182.

郝翔翔, 韓曉增, 李祿軍, 等. 2015. 土地利用方式對(duì)黑土剖面有機(jī)碳分布及碳儲(chǔ)量的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 26(4): 965-972.

李鑒霖, 江長勝, 郝慶菊. 2015. 縉云山不同土地利用方式土壤有機(jī)碳組分特征[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 35(11): 3733-3742.

李娟, 廖洪凱, 龍健, 等. 2013. 喀斯特山區(qū)土地利用對(duì)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳和活性有機(jī)碳特征的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 33(7): 2148-2156.

魯如坤. 2000. 土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)科技出版社.

文雯, 周寶同, 汪亞峰, 等. 2015. 黃土高原羊圈溝小流域土地利用時(shí)空變化的土壤有機(jī)碳效應(yīng)[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 35(18): 6060-6069.

曾路生, 崔德杰, 李俊良, 等. 2009. 壽光大棚菜地土壤呼吸強(qiáng)度、酶活性、pH與EC的變化研究[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 15(4): 865-870.

張帥, 許明祥, 張亞鋒, 等. 2015. 黃土丘陵區(qū)土地利用變化對(duì)深層土壤活性碳組分的影響[J]. 環(huán)境科學(xué), 36(2): 661-668.

張勇, 胡海波, 黃玉潔, 等. 2015. 不同植被恢復(fù)模式對(duì)土壤有機(jī)碳分子結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性的影響[J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 28(12): 1870-1878.

Effects of Land Use Change on the Molecular Structure and Stability of Agricultural Soil Organic Carbon in Shouguang City

TAO Baoxian1*, ZHANG Baohua2, DONG Jie1, LIU Chenyang1
1. College of Environment and Planing, Liaocheng University, Liaocheng 252059, China;
2. Department of Science and technology, Liaocheng University, Liaocheng 252059, China

Converting agricultural soil to greenhouse significantly affects the characteristics of soil organic carbon due to the changes of cultivation measures. In order to investigate the effects of land use change on the molecular structures and stability of soil organic carbon (SOC), the molecular structures of SOC in farmland (FL), greenhouse soils that cultivated for 6 (6GH) and 12 years (12GH)and the abandoned greenhouse soil (AG) in Shouguang City were tested using the13C nuclear magnetic resonance (13C-NMR)technique. The results showed that: (1) land use change from FL to 6GH significantly increased SOC storage. Moreover, the SOC storage in 6GH (4.50 kg?m-2) was larger than that in 12GH (3.91 kg?m-2). However, AG (3.33 kg?m-2) had similar SOC storage with FL(3.07 kg?m-2). (2) The concentration of O-alkyl-C in SOC and ratios of hydrophobic carbon/hydrophilic carbon and aromatic carbon/alkyl-C in 6GH were larger than those in FL, respectively. However, these indices in 12GH and AG were similar to FL. (3)Compared with FL, 6GH, 12GH and AG had larger storage of labile (i.e. O-alkyl-C and carbonyl-C) and recalcitrant (i.e. alkyl-C and aromatic-C) SOC. The increased storage of labile SOC was larger than increased storage of recalcitrant SOC in 6GH, whereas the increased storage of recalcitrant SOC was larger than increased storage of labile SOC in 12GH and AG. These indicate that, compared with FL, most of the increased SOC in 6GH was labile fractions. However, the SOC stability is enhanced when the greenhouse is cultivated for 12 years or is abandoned. (4) The concentration of O-alkyl-C in SOC and ratios of hydrophobic-C /hydrophilic-C and aromatic-C/alkyl-C are sensitive indices to inflect the impact of land use change on SOC stability in the research region.

greenhouse soils; soil organic carbon; molecular structure; solid13C-NMR; Shouguang City

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.10.022

S153; X144

A

1674-5906（2017）10-1801-06

陶寶先, 張保華, 董杰, 劉晨陽. 2017. 不同土地利用方式對(duì)壽光市農(nóng)業(yè)土壤有機(jī)碳分子結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性的影響[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 26(10): 1801-1806.

TAO Baoxian, ZHANG Baohua, DONG Jie, LIU Chenyang. 2017. Effects of land use change on the molecular structure and stability of agricultural soil organic carbon in Shouguang City [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(10): 1801-1806.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41501099）；山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（ZR2014DQ015；ZR2016DM14）；聊城大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目（318051430）

陶寶先，男，講師，主要從事土壤碳氮循環(huán)研究。E-mail: taobaoxian@sina.com

*通信作者

2017-07-022