黑龍江地區(qū)不同類型水稻土活性有機碳的特征

蒙冠霖，張玉玲，顧婉萱，張玉龍，虞娜，鄒洪濤

沈陽農(nóng)業(yè)大學土地與環(huán)境學院//農(nóng)業(yè)部東北耕地保育重點實驗室，遼寧 沈陽 110866

黑龍江地區(qū)不同類型水稻土活性有機碳的特征

蒙冠霖，張玉玲*，顧婉萱，張玉龍，虞娜，鄒洪濤

沈陽農(nóng)業(yè)大學土地與環(huán)境學院//農(nóng)業(yè)部東北耕地保育重點實驗室，遼寧 沈陽 110866

通過野外實地調(diào)查取樣和室內(nèi)分析相結(jié)合的方法，研究黑龍江地區(qū)4種類型（起源土壤分別為黑土、草甸土、白漿土和沼澤土）水稻土活性有機碳含量及其分配比例、碳庫活度。結(jié)果表明，4種類型水稻土易氧化有機碳（ROC）含量及其分配比例均明顯高于可溶性有機碳（DOC）和微生物量碳（MBC），ROC、DOC和MBC質(zhì)量分數(shù)分別為1 390.3～15 685.1、533.4～1 329.7和138.5～1 052.1 mg·kg-1，其分配比例分別為10.1%～34.9%、1.8%～7.7%和0.5%～3.3%；不同類型對土壤DOC、MBC、ROC含量及其分配比例和碳庫活度（aR）均具有顯著性影響，4種類型水稻土間DOC、MBC、ROC含量及其比例和aR均達顯著性差異（P<0.01），不同類型水稻土的ROC/TOC比例和aR的大小順序相同，依次為黑土型>草甸土型>沼澤土型>白漿土型；4種類型水稻土的ROC含量與TOC含量之間均呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系（P<0.01）。

不同類型水稻土；可溶性有機碳；微生物量碳；易氧化有機碳；碳庫活度

土壤有機碳是由不同活性的碳庫組成，這些不同的碳庫在土壤中的存留時間和降解程度各不相同（Buyanovsky等，1994；Christensen，2001），其性質(zhì)可能也有很大的差異。在研究土壤碳庫時，活性碳的研究尤為重要，土壤有機碳的活性組分在土壤養(yǎng)分循環(huán)轉(zhuǎn)化方面起重要作用，可用來反映土壤有機碳的有效性和土壤質(zhì)量（Haynes，2000；倪進治等，2001；Huang等，2007；Cookson等，2008）。因此，土壤活性有機碳庫的研究對保持土壤肥力、改善土壤質(zhì)量，維持土壤碳庫平衡具有重要意義。土壤活性有機碳指能夠溶解在土壤中移動較快、不穩(wěn)定、易氧化、易礦化、易被微生物分解利用的那一部分土壤碳素（沈宏等，1999）；常用土壤可溶性有機碳（Dissolved Organic Carbon，DOC）、微生物量碳（Microbial Biomass Carbon，MBC）、易氧化態(tài)碳（Readily Oxidized Carbon，ROC）等指標來表征。近年來，中國關(guān)于水稻土活性有機碳的研究較多，多集中于長期施肥措施（袁穎紅等，2007；周萍等，2008；廖敏等，2011；陳小云等，2011）和耕作方式（宋國菡，2005；吳艷等，2011；慈恩等，2013）對水稻土活性有機碳的影響研究，而有關(guān)不同類型水稻土活性有機碳的研究則鮮見報道。

東北地區(qū)氣候寒冷，生長期短，淹水時間只有4─5個月，土壤凍結(jié)時間長，土壤有機質(zhì)分解緩慢；另外，由于水稻種植年限較短，水稻土的發(fā)育程度不高。該地區(qū)不同類型（不同起源土壤演變而成）水稻土有機碳含量具有明顯差異（賈樹海等，2013），但其活性有機碳的差異如何？目前為止還不清楚。因此，開展東北地區(qū)不同類型水稻土活性有機碳的研究對于深入了解該地區(qū)水稻土有機碳庫的變化具有重要的科學意義。為此，本文擬以黑龍江地區(qū)4種類型（起源土壤分別為黑土、草甸土、白漿土和沼澤土）水稻土為研究對象，探討不同類型水稻土活性有機碳（可溶性有機碳、微生物量碳和易氧化有機碳）特征，為明確不同類型水稻土有機碳的有效性和固碳潛力提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

本研究4種類型水稻土（起源土壤分別為沼澤土、白漿土、草甸土和黑土）采自黑龍江地區(qū)的松嫩平原和三江平原；其中，黑土型水稻土主要采自三江平原的樺川縣和松嫩平原的慶安縣、草甸土型水稻土主要采自松嫩平原的慶安縣、五常市和三江平原的密山市，白漿土型水稻土主要采自松嫩平原的五常市和三江平原的密山市，沼澤土型水稻土主要采自三江平原的密山市、雞東縣。黑龍江地區(qū)位于121°11′～135°05′ E，43°25′～53°33′ N，屬于溫帶大陸性季風氣候，年均溫在-5～5 ℃，冬季漫長寒冷，夏季短暫涼爽，無霜凍期為100～150 d，年降水量為400～600 mm。

研究以第二次全國土壤普查——黑龍江省土壤類型分布圖為基礎(chǔ)，用Arcgis軟件提取確定4種類型水稻土的主要分布區(qū)域，每一類型以水稻種植年限較長（大于 30年）且分布面積較大的區(qū)域作為樣本采集區(qū)域。2011年10月進行土壤調(diào)查及其樣品采集，各采樣區(qū)均采集不同肥力的土壤樣品，樣品采集時用GPS記錄實際采樣點的位置，以這一點為中心放射性再向四周500 m左右的距離隨機采集4個樣點，5個樣點均勻混合后為1個供試土壤樣品，采樣深度為0～20 cm。每一采樣區(qū)采集不同肥力的土壤樣本，每一類型水稻土按不同采樣區(qū)土壤有機碳含量確定高、中、低供試土壤，每一類型供試土壤樣品均為10個。實驗于2013年秋季進行，其基本理化性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Chemical-physical properties of experimental soils

1.2 測定項目與方法

（1）可溶性有機碳（DOC）：采用0.01 mol·L-1CaCl2溶液浸提（Zsolnay和 Gorlitz，1994），浸提液用外加熱K2CrO4容量法測定。

（2）微生物量碳（MBC）：采用氯仿熏蒸—0.5 mol·L-1K2SO4溶液浸提—水浴法（陳果等，2006）。未熏蒸和熏蒸濾液均用外加熱K2CrO4容量法測定。

（3）易氧化有機碳（ROC）：采用333 mmol·L-1KMnO4溶液氧化—分光光度計法測定（Blair等，1995）。碳庫活度(aR)=易氧化有機碳含量/(有機碳含量－易氧化有機碳含量)。

（4）其它理化性質(zhì)：土壤有機碳采用外加熱K2CrO4容量法；土壤全氮采用濃H2SO4消煮—半自動開氏定氮法（FOSS KjeltecTM 8100，丹麥）；其它理化性質(zhì)均采用常規(guī)方法。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel2007和DPS 7.5軟件進行數(shù)據(jù)處理，采用LSD法進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同類型水稻土活性有機碳含量

2.1.1 土壤可溶性有機碳（DOC）

不同類型水稻土DOC含量具有明顯差異（圖1）。黑土型、草甸土型、白漿土型和沼澤土型水稻土DOC的質(zhì)量分數(shù)范圍分別為 533.4～665.1、652.3～906.5、684.2～1069.2和968.6～1329.7 mg·kg-1，平均質(zhì)量分數(shù)分別為605.6、767.3、897.0和1160.0 mg·kg-1；4種類型水稻土 DOC平均含量的大小依次為沼澤土型>白漿土型>草甸土型>黑土型。方差分析表明，不同類型和不同樣本均對 DOC含量有顯著影響（P<0.01），且不同類型的影響作用大于不同樣本的影響作用（F不同類型=852.5，F(xiàn)不同樣本=40.2），4種類型水稻土之間DOC含量差異均達1%顯著水平。

2.1.2 土壤微生物量碳（MBC）

不同類型水稻土MBC含量也具有明顯差異，但MBC含量明顯低于DOC含量（圖2）。黑土型、草甸土型、白漿土型和沼澤土型水稻土MBC的質(zhì)量分數(shù)范圍分別為 213.9～720.2、205.4～1052.1、168.8～603.5和188.6～384.2 mg·kg-1，平均質(zhì)量分數(shù)分別為413.4、475.8、255.2和243.8 mg·kg-1；4種類型水稻土MBC平均含量的大小順序與DOC含量的順序明顯不同，依次為草甸土型>黑土型>白漿土型>沼澤土型。方差分析表明，不同類型和不同樣本對MBC含量均有顯著影響（P<0.01），且不同類型的影響作用大于不同樣本的影響作用（F不同類型=30.4，F(xiàn)不同樣本=11.5），草甸土型、黑土型與白漿土型、沼澤土型水稻土之間MBC含量差異達1%顯著水平，草甸土型與黑土型水稻土之間MBC含量差異達5%顯著水平。

2.1.3 土壤易氧化有機碳（ROC）

不同類型水稻土ROC含量顯著高于DOC含量和MBC含量，且不同類型水稻土ROC含量也具有明顯差異（圖3）。黑土型、草甸土型、白漿土型和沼澤土型水稻土 ROC的質(zhì)量分數(shù)范圍分別為2264.6～13349.8、3508.8～9168.6、1390.3～6505.7和3151.5～15685.1 mg·kg-1，平均質(zhì)量分數(shù)分別為6377.3、5895.8、4068.5和6738.1 mg·kg-1；4種類型水稻土ROC平均含量大小順序與DOC和MBC的順序均不相一致，依次為沼澤土型>黑土型>草甸土型>白漿土型。方差分析表明：不同類型和不同樣本均對ROC含量有顯著影響（P<0.01），且不同樣本的影響作用大于不同類型的影響作用（F不同類型=195.4，F(xiàn)不同樣本=350.9）。4種類型水稻土之間ROC含量差異均達1%顯著水平。

圖1 不同類型水稻土DOC含量Fig. 1 The DOC content in different types of paddy soil

圖2 不同類型水稻土MBC含量Fig. 2 The MBC content in different types of paddy soil

表2 不同類型水稻土活性有機碳的分配比例Table 2 The percentage of active organic carbon in different types of paddy soil

2.2 不同類型水稻土活性有機碳的分配比例

由表2可以看出，相同類型水稻土活性有機碳的分配比例均為ROC/TOC>DOC/TOC>MBC/TOC，這與各活性有機碳組分含量的變化規(guī)律相同；但 4種類型水稻土各活性有機碳組分的分配比例的變化規(guī)律與其含量的變化規(guī)律不相一致。方差分析表明：不同類型和不同樣本對DOC/TOC、MBC/TOC和ROC/TOC均有顯著影響（P<0.01），但對于DOC而言，不同樣本的影響作用大于不同類型的影響作用，且4種類型水稻土之間DOC/TOC差異達到1%顯著水平；對于MBC而言，不同類型的影響作用大于不同樣本的影響作用，黑土型和草甸土型水稻土MBC的分配比例大小相近，且黑土型、草甸土型水稻土MBC的分配比例極顯著高于白漿土型和沼澤土型（P<0.01）；而對于ROC而言，不同類型的影響作用大于不同樣本的影響作用，4種類型水稻ROC的分配比例存在極顯著的差異（P<0.01）。

圖3 不同類型水稻土ROC含量Fig. 3 The ROC content in different types of paddy soil

圖4 不同類型水稻土碳庫活度Fig. 4 The aRin different types of paddy soil

2.3 不同類型水稻土的碳庫活度(aR)

由圖 4可知，4種類型水稻土碳庫活庫與其ROC分配比例的規(guī)律相同，即黑土型水稻土最大，其次依次為草甸土型、沼澤土型，且二者的aR大小相接近，白漿土型的aR最小。黑土型水稻土aR極顯著高于其它3種類型（P<0.01），分別約為草甸土型、沼澤土型、白漿土型的1.4、1.5和2.0倍；草甸土型、沼澤土型的 aR則極顯著高于白漿土型（P<0.01）。方差分析表明：不同類型和不同樣本均對碳庫活度有顯著影響（P<0.01），且不同類型的影響作用大于不同樣本的影響作用（F不同類型=53.7，F(xiàn)不同樣本=4.0）。草甸土型、沼澤土型分別與黑土型、白漿土型水稻土aR之間差異達1%顯著水平。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

活性有機碳只占土壤有機碳的一小部分，但它可以在土壤有機碳變化之前反映土壤微小的變化，是評價土壤碳平衡和土壤生物化學過程的重要指標。土壤活性有機碳來源于動植物及微生物殘體，是生物、土壤、氣候綜合作用的產(chǎn)物（王新建，2006）。

土壤DOC的來源一般認為是土壤自身含有的有機質(zhì)中的腐殖質(zhì)和枯枝落葉、植物殘體或通過施用有機肥等經(jīng)淋溶帶入土壤的可溶性有機碳，其含量受季節(jié)、溫度、濕度、成土條件、土壤養(yǎng)分狀況、pH等因素影響。土壤微生物是土壤有機質(zhì)分解和轉(zhuǎn)化的直接作用者（吳金水和肖和艾，2004），土壤DOC是微生物獲取生長和生存能量的直接途徑（曹建華等，2005），是土壤微生物的有效碳源（倪進治等，2001；李輝信等，2006）。土壤DOC/TOC是表征土壤碳庫質(zhì)量的重要指標，可反映有機碳的穩(wěn)定性、有效性和水溶性（汪太明等，2011）；土壤MBC/TOC被稱為微生物熵，其值的變化反映了土壤中有機碳向微生物量碳的轉(zhuǎn)化效率（李太魁等，2012）。王清奎等（2005）的研究得出了各土層土壤內(nèi)DOC含量與土壤全氮等土壤養(yǎng)分含量存在著不同程度的相關(guān)性。在本研究中，4種類型水稻土DOC平均含量與其平均的全氮、堿解氮含量、pH 值之間呈顯著或極顯著的正相關(guān)關(guān)系（rTN=0.994**，r堿解氮=0.990**，rpH=0.967*；n=4，r0.01=0.990，r0.05=0.950），沼澤土型水稻土DOC含量與速效鉀含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系（r=0.713*；n=10，r0.05=0.632）；黑土型水稻土MBC含量與其有機碳、全氮、堿解氮和速效磷含量呈顯著性正相關(guān)（有機碳 r=0.859**，全氮 r=0.840**，堿解氮r=0.780**，速效磷 r=0.688*；n=10，r0.01=0.765，r0.05=0.632），白漿土型水稻土MBC含量與有機碳、堿解氮和速效磷呈顯著性正相關(guān)（有機碳r=0.634*，堿解氮r=0.669*，速效磷r=0.821**，n=10，r0.01=0.765，r0.05=0.632）；但 4種類型水稻土的MBC含量與DOC含量之間均無顯著的相關(guān)性，這表明不同類型水稻土DOC和MBC含量受土壤環(huán)境條件、養(yǎng)分狀況及人為耕作管理等因素的綜合影響較大。

土壤 ROC是土壤碳庫很重要的組分，土壤有機質(zhì)的短暫波動主要發(fā)生在易氧化、分解部分，土壤ROC/TOC可反映土壤有機碳氧化速率的快慢，比例越大，說明土壤有機碳越易被微生物分解，養(yǎng)分循環(huán)越快，土壤質(zhì)量越高（梁愛珍等，2006）。本研究中，不同類型水稻土間有機碳、全氮、速效氮磷鉀含量和pH值均存在著顯著性差異，且不同類型ROC含量與其有機碳、全氮、堿解氮含量之間均呈極顯著相關(guān)關(guān)系，其中，黑土型、草甸土型、白漿土型、沼澤土型水稻土ROC含量與其TOC含量的相關(guān)系數(shù)分別為 0.950**、0.929**、0.978**、0.959**（n=10，r0.01=0.765），這表明不同類型水稻土的養(yǎng)分狀況影響著土壤活性有機碳數(shù)量，而土壤有機碳則是影響活性有機碳的重要因素。李戀卿等（2000）研究發(fā)現(xiàn)太湖地區(qū) 3種水稻土表層有機碳的氧化活潑性接近，ROC/TOC比例為62%～66%。宋國涵（2005）研究發(fā)現(xiàn)太湖地區(qū)黃泥土型稻田土壤表層的ROC/TOC比例為39%～47%。與之相比，本研究中4種類型水稻土ROC/TOC的范圍要小得多，其值為10.1%～34.9%，這可能是由于東北地區(qū)氣候寒冷，土壤凍結(jié)時間長，致使土壤有機碳氧化速率變慢，較難被土壤微生物分解，進而導致有機碳的累積，但不同類型水稻土間有機碳的氧化速率仍具有顯著性差異（表2）。

研究認為土壤有機碳能夠被 333 mmol·L-1KMnO4氧化的稱為活性有機碳，而不能被氧化的稱為非活性有機碳（Lefroy和Lisle，1997），并把活性有機碳與非活性有機碳的比值作為土壤碳庫活度（aR）（Blair等，1995），其值的大小常用來反映土壤活性有機碳數(shù)量的變化，其值越大，表明土壤活性有機碳數(shù)量越多；反之，則表明土壤穩(wěn)定性有機碳數(shù)量越多。從4種類型水稻土的aR結(jié)果來看，不同類型水稻土間土壤aR具有顯著性差異，其碳庫活度的大小與其有機碳的氧化速率大小相一致，這表明土壤有機碳的氧化速率越快，其土壤碳庫活度越大，有機碳穩(wěn)定性越差、越易分解。

3.2 結(jié)論

（1）4種類型水稻土ROC含量明顯高于DOC和MBC，ROC、DOC和MBC質(zhì)量分數(shù)分別為1390.3～15685.1、533.4～1329.7和 138.5～1052.1 mg·kg-1，其分配比例分別為 10.1%～34.9%、1.8%～7.7%和0.5%～3.3%。

（2）不同類型對土壤DOC、MBC、ROC含量及其分配比例均具有顯著性影響，4種類型水稻土間DOC、MBC、ROC含量及其比例均達顯著性差異（P<0.01）；4種類型水稻土的ROC含量與TOC含量之間均呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系（P<0.01）。

（3）4種類型水稻土土壤碳庫（aR）也具有顯著差異（P<0.01），且與ROC/TOC比例大小順序相同，依次為黑土型>草甸土型>沼澤土型>白漿土型水稻土。

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The Characteristics of Labile Organic Carbon in Paddy Soils in Hei Longjiang Province

MENG Guanlin, ZHANG Yuling*, GU Wanxuan, ZHANG Yulong, YU Na, ZOU Hongtao
College of Land and Environmental Science//Key Laboratory of Northeast Arable Land Conservation, Ministry of Agriculture, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China

The content, distribution proportion of labile organic carbon and carbon pool activity in four types of paddy soil which developed from black soil, meadow soil, albic soil and boggy soil in Hei Longjiang Provice were studied by the combination of field survey and lab analysis. The results showed that the content and distribution proportion of readily oxidized carbon (ROC) was significantly higher than dissolved organic carbon (DOC) and microbial biomass carbon (MBC) in four types of paddy soil. The content for ROC, DOC and MBC were 1390.3～15685.1, 533.4～1329.7 and 138.5～1052.1 mg·kg-1, respectively, and the distribution proportion was 10.1%～34.9%, 1.8%～7.7% and 0.5%～3.3%, respectively. Soil types had a significant effect on the content, distribution proportion of DOC, MBC, ROC and the carbon pool activity (aR). The content, distribution proportion of DOC, MBC, ROC and aRwere significant different (P<0.01) in the four types of paddy soil. The ratio of ROC to TOC and the value of aRof different type of paddy soils showed black soil> meadow soil> boggy soil> albic soil . There was a significant positive correlation between ROC and TOC in four types of paddy soil (P<0.01).

paddy soil; dissolved organic carbon; microbial biomass carbon; readily oxidized carbon; activity of carbon pool

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.05.010

S153.6+2；X144

A

1674-5906（2015）05-0785-06

蒙冠霖，張玉玲，顧婉萱，張玉龍，虞娜，鄒洪濤. 黑龍江地區(qū)不同類型水稻土活性有機碳的特征[J]. 生態(tài)環(huán)境學報, 2015, 24(5): 785-790.

MENG Guanlin, ZHANG Yuling, GU Wanxuan, ZHANG Yulong, YU Na, ZOU Hongtao. The Characteristics of Labile Organic Carbon in Paddy Soils in Hei Longjiang Province [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(5): 785-790.

國家自然科學基金項目（41101276）；國家“973”項目子課題（2011CB100500）

蒙冠霖（1989年生），男，碩士研究生，主要從事土壤肥力方面的研究工作。E-mail: guanlin_meng@163.com *通信作者：E-mail: yuling_zhang@163.com

2014-12-31