焦俊黨，李保蓮，蔡太義

（1.河南省國(guó)土資源調(diào)查規(guī)劃院，鄭州 450016；2.河南理工大學(xué)國(guó)土資源部野外科學(xué)觀測(cè)研究基地，河南 焦作 454000）

在全球環(huán)境變化研究中，土地利用變化是一個(gè)關(guān)鍵而迫切的研究課題［1，2］。土地利用是人類干預(yù)土壤肥力最重要、最直接的活動(dòng)，通過(guò)改變土壤營(yíng)養(yǎng)循環(huán)強(qiáng)度、總量及路徑，從而使土壤供應(yīng)作物的營(yíng)養(yǎng)發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致土壤肥力變化［1］。合理的土地利用方式可以改善土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤對(duì)外界環(huán)境的抵抗力，不合理的土地利用則會(huì)導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降或退化［3，4］。土壤肥力由于能夠體現(xiàn)土壤質(zhì)量的變化而被用來(lái)表征土壤特性［5］，土壤有機(jī)碳是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)，同時(shí)也是影響土壤生產(chǎn)力的主要因素［6］。土壤有機(jī)碳的變化受土地利用方式影響較大［2］，關(guān)于土地利用方式對(duì)土壤碳的影響，國(guó)內(nèi)外研究已取得較大進(jìn)展。但涉及到不同利用方式對(duì)糧食主產(chǎn)區(qū)土壤活性有機(jī)質(zhì)組分及其碳庫(kù)變化方面的研究較為匱乏。中部糧食主產(chǎn)區(qū)土地利用變化尤其是耕地變化關(guān)系糧食生產(chǎn)和糧食安全，在中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中具有重要地位［7，8］。因此，探明土地利用方式的作用機(jī)理與后果，對(duì)提升中部糧食主產(chǎn)區(qū)土地利用效率及土地綜合整治均具有重大現(xiàn)實(shí)意義。然而，由于土壤肥力對(duì)土地利用變化的響應(yīng)具有一定的滯后性［9，10］，采用土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分指標(biāo)如有機(jī)碳、全氮和全磷等研究土地利用方式變化對(duì)中部糧食主產(chǎn)區(qū)土壤質(zhì)量的影響存在一定局限性。鑒于此，本研究選取中部糧食主產(chǎn)區(qū)典型區(qū)域，探明不同土地利用方式對(duì)土壤碳庫(kù)質(zhì)量的影響，具有一定的新穎性和較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值，旨在為中部糧食主產(chǎn)區(qū)土地資源合理利用及綜合整治提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河南省中南部的新鄭市（北緯34°16′－34°39′，東經(jīng) 113°30′－113°54′），近 50 年平均降水量為 689.0 mm，年均積溫為 2 926.6 ℃，年均氣溫為14.1 ℃，極端最高和最低氣溫分別為 42.5、－17.9 ℃。土地總面積886.72 km2。新鄭市屬河南省省會(huì)鄭州市的衛(wèi)星城市，區(qū)位優(yōu)勢(shì)明顯，境內(nèi)地貌類型齊全，山、丘、崗和平原兼有，土地利用方式多樣。近年來(lái)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛，為全國(guó)百?gòu)?qiáng)縣、河南省縣域經(jīng)濟(jì)發(fā)展排頭兵，建設(shè)任務(wù)繁重，用地需求加劇，土地資源綜合利用在河南省糧食主產(chǎn)區(qū)具有典型代表性。

1.2 樣品采集

于2015年6月在研究區(qū)選取自然狀態(tài)旱作耕地（T1）、葡萄園地（T2）、棗樹園地（T3）和露天蔬菜地（T4）4種類型作為研究樣地，在不同土地利用類型內(nèi)，分別設(shè)置有代表性的面積為10 m×10 m的樣地，3次重復(fù)。

土壤樣品采集：每個(gè)土地類型小區(qū)按“∽”形選取5點(diǎn)，用土鉆法采集0～100 cm（取樣間隔為20 cm）土層的土壤樣品，同一小區(qū)每個(gè)點(diǎn)打3鉆，然后把土樣混合作為一個(gè)樣本，室溫（25℃）下自然風(fēng)干，風(fēng)干后過(guò) 0.15、0.25 mm 篩備用。

土壤總有機(jī)碳（TOC）、全氮（TN）、全磷（TP）、速效鉀（AK）采用常規(guī)農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法［11］。

土壤活性有機(jī)碳（LOC）測(cè)定［12］：秤取過(guò) 0.25 mm篩的風(fēng)干土樣1.5 g于100 mL離心管中，加入333 mmoL/L KMnO425 mL，在室溫（25℃）條件下振蕩1 h，2 000 r/min離心5 min，取上清液用去離子水按1∶250稀釋，在分光光度計(jì)565 nm波長(zhǎng)處進(jìn)行比色。計(jì)算出LOC。

所有處理均以2012年土壤為參照土壤，計(jì)算不同土地利用方式下土壤 CMI［12］。

式（1）～（4）中，CPI為碳庫(kù)指數(shù)；TOC 為樣本總有機(jī)碳含量 （g/kg）；TOC0為對(duì)照總有機(jī)碳含量（g/kg）；L為樣本碳庫(kù)活度；LOC為樣本活性有機(jī)碳含量 （g/kg）；NLOC為樣本非活性有機(jī)碳含量（g/kg）；LI為碳庫(kù)活度指數(shù)；L0為對(duì)照碳庫(kù)活度；CMI為碳庫(kù)管理指數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

各處理數(shù)據(jù)采取SAS 8.01進(jìn)行單因素方差（ANOVA）分析，LSD 法（The least significant difference）顯著性檢驗(yàn)（P＜0.05），Sigma plot 12.5 制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用方式下TOC變化情況

0～100 cm土層不同土地利用方式的TOC存在明顯差異（圖1），表現(xiàn)為隨土層深度增加而降低。0～20 cm土層各土地利用方式的TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異最大，表現(xiàn)為 T4＞T3＞T2＞T1，T4、T3、T2 較 T1 分別提高60.0%、53.3%和 13.3%。 20～40 cm 土層不同土地利用方式間差異次之，40～80 cm土層不同土地利用方式差異不大，80～100 cm土層不同土地利用方式間差異最小。

2.2 不同土地利用方式下的LOC變化情況

圖1 不同土地利用方式0～100 cm土層TOC變化

不同土地利用方式0～20 cm土層LOC含量情況見圖2。由圖2可見，不同土地利用類型0～20 cm土層 LOC 含量較未利用地（T0）均顯著（P＜0.05）提高。 T4、T3、T2 較 T0 分別提高 68.8%、59.9%和25.4%，較 T1 分別提高 42.4%、34.9%和 5.7%。

圖2 不同土地利用方式0～20 cm土層LOC含量

2.3 不同土地利用方式對(duì)土壤碳庫(kù)組分和CMI的影響

CMI受土地利用方式影響且存在明顯差異（表1）， 與 T0 相比，T1、T2、T3 和 T4均明顯高于 T0，具體為 T4＞T3＞T2＞T1＞T0。

表1 不同土地利用方式0～20 cm土層LOC與CMI

2.4 不同土地利用方式下LOC和CMI與土壤化學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性分析

不同土地利用方式TOC、LOC、CMI和土壤化學(xué)性質(zhì)的相關(guān)分析 （表2）表明，LOC與NLOC、CMI、TOC 極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與速效氮顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）。 產(chǎn)量與速效氮、碳庫(kù)活度（L）顯著正相關(guān)（P＜0.05），與速效鉀顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）。 CMI與LOC、NLOC 顯著正相關(guān)（P＜0.05），與速效氮顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）。

表2 不同土地利用方式下土壤化學(xué)性質(zhì)與產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)

2.5 主成分分析

由表3可知，13個(gè)指標(biāo)中第一主成分貢獻(xiàn)較大的是 NLOC、TOC、CPI、LOC 和 CMI，負(fù)相關(guān)較大貢獻(xiàn)的是L、LI、產(chǎn)量和速效氮。第二主成分中沒(méi)有一個(gè)因子累計(jì)貢獻(xiàn)超過(guò)0.900 0，說(shuō)明13個(gè)指標(biāo)中第一主成分貢獻(xiàn)度最大。

由圖 3 可知，LOC、CMI、TOC、NLOC 與 CPI為第一聚類，說(shuō)明LOC、CMI可以表征TOC，LOC和CMI在反映土壤養(yǎng)分供應(yīng)狀況方面較TOC更為快速和準(zhǔn)確，能夠作為指示土壤質(zhì)量變化和評(píng)價(jià)土地利用方式的快速反應(yīng)指標(biāo)。產(chǎn)量、速效氮、LI、L為第二聚類，說(shuō)明產(chǎn)量主要受速效氮、LI與L三個(gè)因子影響。全氮、全磷、速效鉀、速效磷為第三聚類，說(shuō)明全量養(yǎng)分（N與P）主要受速效養(yǎng)分（K和P）的影響。

3 結(jié)論與討論

1）不同土地利用方式0～20 cm土層活性有機(jī)碳（LOC）及碳庫(kù)管理指數(shù)（CMI）較未利用土地（T0）均明顯提高，這與前人結(jié)論［13］相似。本研究耕地（T1）TOC、LOC 和 CMI均低于葡萄園地（T2）、棗樹園地（T3）和蔬菜地（T4），這可能與耕地的頻繁耕作致使土壤有機(jī)質(zhì)加速礦化有關(guān)，一方面由于翻耕地（包括撂荒翻耕地和農(nóng)用地）植物根系分布淺，土壤有機(jī)物料輸入少；另一方面，翻耕加速了土壤有機(jī)質(zhì)的分解，顯著影響有機(jī)質(zhì)礦化和積累［4］。

表3 主成分分析

圖3 主成分聚類分析

2）研究結(jié)果還表明，作物產(chǎn)量與速效氮、碳庫(kù)活度（L）顯著正相關(guān)（P＜0.05），與速效鉀顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），但與 LOC 和 CMI相關(guān)性不顯著。 這與參考文獻(xiàn)［3，9］結(jié)論不同，本研究不同土地利用方式的作物產(chǎn)量分別來(lái)源于耕地、葡萄園地、棗樹園地與蔬菜地，致使產(chǎn)量的統(tǒng)計(jì)口徑不同，而參考文獻(xiàn)研究的作物產(chǎn)量統(tǒng)一來(lái)自于耕地，統(tǒng)計(jì)口徑相對(duì)統(tǒng)一，因此產(chǎn)量的不同統(tǒng)計(jì)口徑可能是造成結(jié)論差異的原因。下一步需深入探明同一種作物種植模式下作物產(chǎn)量與不同土地利用方式的LOC和CMI的相關(guān)關(guān)系。

3）LOC、CMI與TOC具有顯著相關(guān)關(guān)系，然而，TOC僅是一個(gè)礦化分解和合成的平衡結(jié)果，短時(shí)期內(nèi)數(shù)量的變化不能得到靈敏的反映［14］，而LOC具有移動(dòng)快、穩(wěn)定性差、易氧化、易分解、易礦化，能被微生物直接利用的特點(diǎn)，故與土壤水溫效應(yīng)和作物生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)系更為密切［13］，從而能準(zhǔn)確快速地反映不同土地利用方式對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響。綜合考慮到指標(biāo)的代表性及試驗(yàn)成本，本研究認(rèn)為，如果沒(méi)有特殊要求，建設(shè)選擇LOC或CMI任何一個(gè)指標(biāo)即可快速反應(yīng)不同土地利用方式對(duì)農(nóng)田地力及作物產(chǎn)量的影響。關(guān)于LOC和CMI在表征土壤碳庫(kù)質(zhì)量變化方面的優(yōu)劣，仍需進(jìn)一步作比較研究。此外，本研究中作物產(chǎn)量與碳庫(kù)活度指數(shù)（LI）是和樣本碳庫(kù)活度（L）均顯著正相關(guān)，而碳庫(kù)活度指數(shù)（LI）是作物土壤碳庫(kù)管理指數(shù)（CMI）代表性指標(biāo)之一，可能由于本研究土壤類型（潮土）及取樣原因，掩蓋了指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系，下一步需用結(jié)構(gòu)方程模型深入探討指標(biāo)間的直接相關(guān)和間接相關(guān)關(guān)系，闡明相關(guān)指標(biāo)對(duì)農(nóng)田地力及作物生長(zhǎng)的影響機(jī)理。

綜上，不同土地利用方式對(duì)土壤TOC、LOC和CMI的影響存在較大差異，LOC和CMI可以作為不同土地利用方式和土壤碳庫(kù)質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)。