黃土臺塬土地利用方式對土壤有機碳礦化及溫室氣體排放的影響

吳健利，劉夢云，趙國慶，虞亞楠，劉麗雯，劉　歡（西北農林科技大學資源環境學院，農業部西北植物營養與農業環境重點實驗室，陜西楊凌712100）

?

黃土臺塬土地利用方式對土壤有機碳礦化及溫室氣體排放的影響

吳健利，劉夢云*，趙國慶，虞亞楠，劉麗雯，劉歡
（西北農林科技大學資源環境學院，農業部西北植物營養與農業環境重點實驗室，陜西楊凌712100）

摘要：以黃土臺塬區耕地、天然草地、灌木林地、喬灌混交林和喬木林地為研究對象，采用靜態箱-氣相色譜法、室內密閉培養法對其土壤溫室氣體及有機碳礦化動態進行了監測和分析。結果表明：土壤總有機碳和各種活性碳組分含量分布規律一致，均表現為草地顯著高于林地，林地顯著高于耕地（P＜0.05）；土壤有機碳礦化量趨勢為培養初期增長迅速，后期增速緩慢，0～5 cm土層草地土壤有機碳礦化累積量是林地的1.26～1.34倍，是耕地的1.82倍，5～20 cm土層較0～5 cm土層有所降低，耕地降幅高達48%；不同土地利用土壤礦化碳潛力Cp值在0.81～2.70 mg·kg-1之間且差異顯著（P＜0.05），而不同土地利用土壤有機碳分解速率常數k差異不顯著；五種土地利用方式的土壤可礦化碳累計分配比例表明，耕地土壤有機碳礦化能力最高，固存量最小，而草地土壤有機碳礦化能力最低，固存量最多；耕地土壤釋放的主要溫室氣體CO2和N2O強度顯著高于其他用地類型，而CH4的吸收強度為林地＞天然草地＞耕地。綜上，退耕還林還草極大地推動了該區土壤有機碳的固定，減弱了土壤向大氣排放溫室氣體的潛力。

關鍵詞：黃土臺塬；土地利用；礦化；活性碳；溫室氣體

吳健利，劉夢云，趙國慶，等.黃土臺塬土地利用方式對土壤有機碳礦化及溫室氣體排放的影響［J］.農業環境科學學報, 2016, 35（5）：1006-1015.

WU Jian-li, LIU Meng-yun, ZHAO Guo-qing, et al. Effects of land-use types on soil organic carbon mineralization and greenhouse gas emissions in Loess tableland［J］. Journal of Agro-Environment Science, 2016, 35（5）:1006-1015.

土壤是溫室氣體產生的重要來源之一，其產生與呼吸排放溫室氣體是陸地生態系統碳氮循環的一個重要過程，也是土壤碳氮庫的主要輸出途徑［1］，全球土壤碳庫約2.5×1015kg，是大氣碳庫的3.3倍和全球生物體碳庫的4.5倍［2］。由于土壤碳的庫容巨大，土壤有機碳較小的變化將會對大氣中二氧化碳的濃度和全球碳循環產生深遠的影響。最為易變的有機碳是土壤可礦化碳，土壤有機碳礦化是土壤生物通過自身活動、分解和利用土壤中活性有機組分來完成自身代謝，同時釋放CO2的過程［3］，它是土壤中重要的生物化學過程，直接關系到土壤養分元素的釋放與供應，CO2、N2O、CH4等氣體的排放以及土壤質量的維持［4］。

土壤總有機碳（TOC）是土壤中一切生物殘體及其轉化、降解的有機化合物，可分為活性有機碳和惰性有機碳。其中活性有機碳組分有可溶性有機碳（DOC）、易氧化態有機碳（ROC）、顆粒有機碳（POC）和輕組有機碳（LFOC）等［5］。土壤活性有機碳是對微生物有較高活性的那部分碳素，是礦化過程中重要的碳源物質，容易被分解利用，變成CO2，其含量及組分影響著有機碳的礦化特征［6］。因此，土壤有機碳礦化必將受到土壤活性有機碳庫的影響［7］。當前人類活動帶來的土地利用的變化，是全球碳循環動力的主要驅動因子。不同土地利用方式下，有機物質輸入和輸出的不同導致土壤理化和生物學性狀的差異，根系和土壤動物呼吸的來源也發生顯著變化，影響土壤有機碳的組成和微生物對有機碳的礦化過程［8］。土地利用方式的改變對土壤有機碳礦化速率的增加或減少，直接決定土壤在全球碳收支過程中的碳源/匯作用［9］。

目前，針對我國不同土地利用條件下土壤有機碳礦化特征的研究較多［10-14］，而關于不同土地利用方式土壤溫室氣體排放的研究報道較少［15-16］。本研究通過對黃土臺塬植被恢復過程中的土壤溫室氣體排放和土壤有機碳礦化進行動態監測，綜合分析了耕地、天然草地、灌木林地、喬灌混交林地和喬木林地五種典型土地利用方式對研究區土壤有機碳礦化及主要溫室氣體CO2、NO2和CH4排放特征的影響，探討了植被恢復過程中不同土地利用方式下土壤碳、氮的變異狀況，以期為研究區土壤溫室氣體減排提供數據支持，為正確理解植被恢復對陸地生態系統碳氮循環的作用提供科學依據。

1　材料與方法

1.1研究區概況

研究區位于陜西省咸陽市永壽縣馬蓮灘林場，林場所屬區域是國家科技攻關項目“黃河中游黃土高原區（永壽）水土保持型植被建設技術研究與示范”試驗基地。該區位于黃土高原渭北臺塬溝壑區，海拔高度900～1300 m，塬面地形波狀起伏，溝坡崎嶇破碎，溝谷深切，水土流失嚴重，氣候屬溫帶大陸季風性氣候，干旱指數為1.73～1.80，平均氣溫10.8℃，無霜期210 d，平均降水量601.6 mm，年均風速2 m·s-1。該區總面積26.27 km2，其中山地、溝壑面積8.20 km2，塬面10.87 km2，耕地開墾年限在1000年以上，農田為一年一熟制，常規管理方式，植被恢復前均為農地，造林后采用封山禁牧、自然恢復的管理措施。該區主要土壤類型為黑壚土。

1.2土壤樣品采集

本研究包括耕地、天然草地、灌木林地、喬灌混交林地和喬木林地5種土地利用方式，遵循典型性及恢復階段相近兩個原則，在所選樣地內選取長勢具有代表性、恢復階段相近的采樣區域。選取17個具有代表性的采樣點，除去地表凋落物后，用不銹鋼锨采集0～5 cm和5～20 cm土層土樣并分層混合，每層為1個土樣，每個采樣點做三次重復，0～5 cm和5～20 cm土層的土樣分別有51個樣品，共計102個土壤樣品。用四分法取足樣品后裝入密封的塑料袋中帶回實驗室。去除混入土樣中的凋落物和根系，一部分土樣風干至約40%的飽和含水量，保存在冰箱中用于可礦化碳的培養；一部分土樣陰干后，去除根系、可見植物殘體和石塊，研磨過2 mm和0. 25 mm的篩以供測定土壤有機碳組分。具體采樣環境見表1。

1.3氣體樣品采集與分析

土壤溫室氣體采集用靜態箱-氣相色譜法，關于箱的大小、形狀細節和實驗過程參考文獻［17］。箱體是由PVC材料制成的直徑15 cm、高25 cm的圓柱體，箱蓋中心為橡皮塞，便于針管插入采集氣體樣品。安置前將基座內綠色植物齊地剪掉，盡可能不擾動地表凋落物，降低對土壤表層的破壞。安置時，將箱體插入地下10 cm，地上部分保留15 cm左右，防止因周圍土壤松動而造成氣體泄漏，氣體采集用10 mL醫用針管分別在安置好箱體后的0、10、30、60、90、120 min抽取氣室內的空氣樣品，在抽取氣體之前，將箱蓋擰緊，并在橡皮塞周圍加水密封。待氣體樣品采集完成后，帶回實驗室用氣相色譜儀7890A測定其中CO2、CH4和N2O濃度。CO2、CH4和N2O的通量計算公式參考文獻［18］。

實驗于2015年4—5月進行，氣體樣品采集時間為晴朗天氣的11：00—15：00之間，此時間段溫度變化最小［19-20］，采樣頻率為每月一次。

表1　土壤采樣點基本情況Table 1 Basic situations of soil sampling sites

1.4土壤有機碳礦化培養

采用室內恒溫培養、堿液吸收法測定。稱取新鮮土樣50 g，與盛放10 mL NaOH溶液的小培養皿共同放入大培養皿中，上面倒扣同樣大的培養皿，并密封大培養皿相接觸的縫隙，同時設置4個空白，于28℃恒溫下培養。分別于培養第0.5、1.5、3、5、15、39、111、159、327、399、519、1215、1575 h進行可礦化碳測定。密封前通入新鮮空氣，以滿足土壤好氧微生物的呼吸需要，維持整個培養過程中土壤水分狀況近似。用濃度為0.5 mol·L-1的硫酸測定NaOH吸收的有機碳分解釋放CO2的量。培養過程中CO2-C的釋放量計算參考文獻［21］。

1.5供試土壤基本理化性質測定

土壤總有機碳的測定采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法；全氮用開氏法消解，K2300型全自動定氮儀測定。

可溶性有機碳測定：取過1 mm篩風干土12.5 g，加50 mL 0.5 mol·L-1K2SO4溶液浸提，在振蕩機上以180 r·min-1振蕩30 min后過濾，用TOC儀測定濾液中有機碳，即為可溶性有機碳；土壤輕組有機碳測定參照徐尚起等［22］的方法；土壤顆粒有機碳的測定參考劉夢云等［23］的測定方法；土壤易氧化有機碳測定方法參考文獻［5］。

1.6數據分析

因為土壤培養時間較短（僅1575 h），土壤有機碳礦化主要是活性有機碳分解，所以應用一級動力學方程分析土壤有機碳礦化動態［3，12］：

y=Cp（1-e-kx）

式中：Cp表示土壤有機碳礦化潛力，g·kg-1；k表示有機碳礦化速率常數，h-1；y表示培養時間為x時土壤有機碳礦化累積CO2-C量，g·kg-1；x表示培養時間，h。

采用SPSS 19.0和Excel 2007進行數據處理。用SPSS 19.0進行單因素方差分析（One-Way ANOVA），判斷不同土地利用方式和土層深度對土壤有機碳礦化量的影響。不同土地利用土壤有機碳累計礦化量、礦化率和Cp的多重比較采用Duncan新復極差法，然后經過t檢驗（P=0.05和P=0.01）。用Pearson法對土壤有機碳礦化參數與其他碳組分進行相關性分析，繪圖均采用Origin 9.0軟件。

2　結果與分析

2.1不同土地利用土壤有機碳礦化累積量

土壤有機碳礦化累積釋放的CO2-C量是指在一定時間內土壤有機碳礦化為無機碳后所釋放的CO2數量（以每千克干土釋放CO2-C的毫克數計），它是土壤有機碳礦化速率的表征之一。如圖1所示，在土壤礦化培養的前519 h，土壤礦化累積的CO2-C量增長迅速；隨著培養時間的延長，土壤礦化累積的CO2-C量增長速度急劇下降；培養1215 h之后，增長速度又呈略微增加趨勢。0～5 cm和5～20 cm土層土壤在室內培養519 h時，各利用方式土壤累積礦化碳含量分別占總礦化碳量的79.43%～86.81%、80.59%～86.80%，由此可知，土壤有機碳礦化主要發生在培養的前519 h。

土地利用方式對土壤有機碳礦化累積CO2-C量的影響較大，0～5 cm土層土壤可礦化碳累積量表現為天然草地＞喬木林地＞喬灌混交林地＞灌木林地＞耕地。天然草地在培養結束時礦化碳累積量達到3 063.14 mg·kg-1，是耕地的1.82倍；林地礦化累積CO2-C量在2200～2400 mg·kg-1之間。5～20 cm土層土壤有機碳礦化累積CO2-C量以天然草地與灌木林地為最高，均在2200 mg·kg-1以上，且差異不明顯；喬灌混交林地和喬木林地次之，耕地最少，為879.01 mg·kg-1，是天然草地的38%。這五種土地利用5～20 cm土層土壤有機碳礦化累積CO2-C量較0～5 cm土層均有不同程度的下降，其中喬木林地下降幅度最大（下降了848.77 mg·kg-1），而灌木林地下降幅度最小（下降了29.54 mg·kg-1）。

2.2不同土地利用土壤有機碳累計礦化分配比例

土壤有機碳累計礦化分配比例是指在一定時間內土壤有機碳累計礦化量占土壤有機碳含量的比例，能在一定程度上反映土壤的固碳能力［24］。培養1575 h 的0～5 cm土層耕地土壤累計礦化分配比例顯著高于其他用地類型（圖2），而其他四種土地利用類型差異不顯著（P＞0.05）。說明耕地較其他用地類型土壤有機碳分解能力強，固碳作用差。5～20 cm土層耕地的土壤有機碳累計礦化分配比顯著低于林地31%～39% （P＜0.05），三種不同林型之間差異不顯著（P＞0.05）。除耕地（5～20 cm土層土壤有機碳累計礦化分配比例低于0～5 cm土層39%）外，其他用地類型土壤有機碳累計礦化分配比例在5～20 cm土層較0～5 cm土層有所增加，增加幅度在25%～76%之間。

圖1　不同土地利用方式土壤可礦化碳累積量Figure 1 Cumulative amount of mineralizable soil carbon under different land use types

圖2　不同土地利用土壤有機碳累計礦化量分配比例Figure 2 Percentages of cumulative carbon mineralization to soil organic carbon content under different land use types

不同大、小寫字母分別表示5～20 cm和0～5 cm土層不同

土地利用之間差異顯著（P＜0.05）

Different lowercase and capital letters represent significant differences between different land uses for 0～5 cm and 5～20 cm soil depths，respectively（P＜0.05）

2.3不同土地利用土壤有機碳礦化模擬

用一級動力學方程擬合土壤有機碳礦化動態均達到較好效果（R2＞0.80）［25］。如表2所示，黃土臺塬不同土地利用方式土壤礦化碳潛力Cp值存在較大差異，供試土壤Cp值在0.811～2.704 g·kg-1之間，草地的Cp值在1.90～2.70 g·kg-1之間，顯著高于林地和耕地。但5～20 cm土層土壤有機碳礦化潛力較0～5 cm土層有不同程度的降低。不同土地利用土壤有機碳礦化速率常數k差異不顯著（P＞0.05）。各利用方式土壤有機碳礦化速率常數k除灌木林地外均表現為5～20 cm土層高于0～5 cm土層。

不同土地利用土壤有機碳礦化潛力與土壤有機碳含量的比值（Cp/SOC值）能夠反映土壤有機碳的固存能力，該值越高，土壤有機碳礦化能力越強，有機碳的固存量越小［4］。土地利用方式對土壤Cp/SOC值有顯著影響，整體上耕地最高（0～5 cm土層為林地和草地的近2倍），灌木林地與喬灌混交林地次之，草地和喬木林地最低，說明耕地土壤有機碳礦化能力高，有機碳的固存量小；而草地和喬木林地土壤有機碳礦化能力較低，有機碳的固存量大。林地和草地土壤Cp/SOC值表現為5～20 cm土層相較于0～5 cm土層土壤有機碳礦化能力提高，而固碳能力降低。

2.4土地利用對土壤不同碳組分含量的影響

如表3所示，不同土地利用土壤各種碳組分含量之間差異明顯。0～5 cm土層土壤各種活性碳組分和總有機碳含量均表現為草地＞灌木林地＞喬灌混交林地＞喬木林地＞耕地，天然草地、灌木林地、喬灌混交林地、喬木林地土壤總有機碳含量分別是耕地的3.52、2.71、2.52、2.45倍，且5～20 cm土層土壤有機碳各組分含量均低于0～5 cm土層土壤。

表2　不同土地利用土壤有機碳分解一級反應方程擬合參數Table 2 Fitting parameters of soil organic carbon decomposition by first-order reaction equation under different land use types

表3　不同土地利用土壤各組分有機碳含量Table 3 Content of soil organic carbon components under different land use types

2.5土壤有機碳礦化參數與其他碳組分的關系

如表4所示，土壤有機碳礦化碳潛力Cp值與可溶性有機碳和輕組有機碳之間極顯著正相關（P＜0.01），與土壤總有機碳、全氮、粗顆粒有機碳、細顆粒有機碳、易氧化有機碳顯著正相關（P＜0.05），土壤有機碳礦化碳潛力Cp值與土壤可溶性有機碳含量的相關系數最大，高達0.996，而土壤有機碳礦化速率常數k與各碳組分之間的相關性均未達到顯著水平（P＞0.05）。

表4　土壤有機碳礦化參數Cp、k與土壤各理化性質的相關系數Table 4 Correlations of Cpand k with soil physical and chemical properties

2.6土地利用對土壤溫室氣體排放速率的影響

如圖3所示，土地利用對黃土臺塬土壤主要溫室氣體CO2、N2O和CH4排放量影響較大。耕地土壤CO2排放最高，達0.55 μmol·m-2·s-1，顯著高于林地和草地26%～67%；其次為灌木林地、喬木林地、天然草地，喬灌混交林地最低，為0.29 μmol·m-2·s-1。灌木林地、喬木林地、天然草地三種利用方式土壤CO2排放量差異不顯著，而與耕地和喬灌混交林地之間差異顯著（P＜0.05）。耕地土壤N2O的排放強度最高，為16.13 mol· m-2·s-1，喬灌混交林地次之，二者差異不顯著；其次為灌木林地、喬木林地；草地最低，為2.71 mol·m-2·s-1，分別是耕地、喬灌混交林地、灌木林地、喬木林地的16.79%、17.76%、28.19%、44.37%。CH4的排放通量均為負值，土壤CH4的吸收強度為林地＞天然草地＞耕地，且各土地利用之間差異不顯著。

圖3　不同土地利用土壤CO2、N2O、CH4排放通量Figure 3 Soil CO2, N2O and CH4emissions under different land use types

不同小寫字母表示不同土地利用方式之間差異顯著（P＜0.05）

Different lowercase represent significant differences between different land uses（P＜0.05）

3　討論

3.1土地利用對土壤有機碳礦化的影響

本研究中，土壤有機碳礦化累積量呈現出兩個階段，培養初期增長迅速，后期緩慢。土地利用方式的改變，造成土壤理化性質尤其是土壤有機碳含量的改變，加之其他生物要素和非生物要素以及人類干擾方式的差異，從而對土壤有機碳的礦化過程和礦化速率產生影響［24］。在礦化培養初期（519 h內），不同土地利用土壤有機碳礦化累積CO2-C量較高，達到總礦化量的79.43%～86.81%，與張鵬等［11］的研究結果一致。這主要是因為在礦化培養早期，分解的土壤有機碳主要來源于由大部分植物殘體、相當數量的微生物和周轉迅速的微小動物碎片等組成的活性碳，這些易分解組分快速分解，其中大量養分迅速釋放，促進了微生物活性，因此土壤中碳的礦化速率和礦化量增長迅速。隨著培養時間的延長，土壤中易分解組分被微生物完全利用后，開始轉向較難分解的木質素和纖維素等成分，釋放給微生物的能源物質緩慢，微生物活動也相應緩和，礦化速率隨之減緩，碳分解量隨之下降［13］。

土壤有機碳分解速率常數k介于3.47×10-3～12.80× 10-3h-1之間，土壤Cp值在0.81～2.70 g·kg-1之間。Moscatelli等［26］發現土地利用方式的改變能對土壤有機碳礦化產生較大影響，農田的礦化累積CO2-C量比草地高。也有研究認為土地利用方式影響了黑土有機碳的分解速率，但有機碳分解速率常數與有機碳含量之間并沒有呈現明顯的規律性［27］。本研究結果表明，土地利用方式對黃土臺塬區土壤有機碳礦化有較大影響，但有機碳分解速率常數與有機碳含量之間并沒有呈現明顯的相關性，與Parton等［27］的研究結果一致。整體來看，土壤有機碳礦化潛力Cp、有機碳分解速率常數k和固碳能力表現為草地＞林地＞耕地，且5～20 cm土層較0～5 cm土層土壤有機碳礦化累積量有所降低，其中耕地的降幅最大，高達48.2%，可能是由于土壤表層有機碳含量較高、活性有機碳含量所占比例較高所致［28］。土壤有機碳礦化累積量、礦化潛力均隨土層的加深而降低，而土壤有機碳礦化分配比例和有機碳礦化速率常數則隨著土層加深而增加（耕地與林地、草地剛好相反）。這與其他研究結果不一致，可能與本研究中土地利用方式的差異有關。本研究中，林地和草地封閉管理，0～5 cm土層積累了大量的有機物質，為微生物的繁殖和生長提供了有利條件，因而增加了可礦化碳的含量，但由于占有機碳比例低，與耕地相比，總體上增加了碳的固定。5～20 cm土層回歸土壤的腐殖物質減少，微生物活性減弱，降低了其對土壤碳的礦化能力，但礦化碳占總有機碳的比例有所增加，因而5～20 cm土層林地和草地固碳能力較0～5 cm土層有所降低；而耕地由于采用傳統耕作方式，0～20 cm不斷深耕及農產品回歸土壤的量少，所以微生物活性強，可礦化碳占有機碳比例高，有機碳固定能力弱。5～20 cm與0～5 cm土層相比，碳的礦化程度減少反而使其固碳能力增加。

3.2土地利用對土壤溫室氣體排放的影響

土壤產生CO2是土壤呼吸的結果。土壤呼吸是一個復雜的生物學過程，受到土壤溫度、濕度、有機質以及人為活動等多種生物和非生物因素的綜合影響，不同土地利用方式土壤溫度、微生物數量及酶活性等的不同導致土壤呼吸的差異［29］。陳書濤等［30］研究認為土地利用方式對土壤呼吸的影響作用大于土壤溫度、濕度等環境因子。Larionova等［31］研究發現林地土壤CO2釋放速率顯著高于草地和農田，并且認為造成林地土壤呼吸速率顯著高于草地和農田的主要原因是林地土壤與草地和農田土壤碳密度之間的差異。本研究發現耕地土壤CO2排放強度顯著高于林地和天然草地，草地有機碳含量顯著高于林地，耕地土壤有機碳含量最低。這與土壤CO2排放速率的變化規律不一致，可能是由于土壤質地以及人為活動對耕地土壤結構造成干擾，使得土壤孔隙度變大，有利于土壤微生物及土壤動物的呼吸。

土壤中N2O的產生主要是在微生物的參與下，通過硝化和反硝化作用完成，而土壤基本性質的改變影響了土壤微生物硝化和反硝化過程，最終使得土壤的N2O排放量在不同土地利用方式下存在一定的差異［32］。林杉等［33］研究認為N2O年排放通量為菜地＞果園＞旱地＞水改旱地＞林地，并且認為此結果主要是由果園有較高的施肥量而林地不施肥，以及林地土壤溫度較低造成的。本研究區土壤N2O的排放強度為耕地最高（16.13 mol·m-2·s-1），林地次之，草地最低（2.71 mol·m-2·s-1），說明耕地是黃土臺塬區土壤N2O的主要排放源。這可能是因為耕地長期增施氮肥增加了農田中氮素含量，從而促進了N2O的排放，而且耕地經過系統翻耕能夠促進礦化作用，進而生成銨態氮及硝態氮，增加土壤氮素的積累，待土壤溫度、濕度等條件適宜情況下，N2O會大量釋放［31］。這與Dheri等［34］的研究結果一致。

CH4是僅次于CO2的溫室氣體，土壤產生CH4主要分為兩個步驟：首先，在厭氧環境中厭氧細菌將土壤中有機物質分解為簡單的小分子化合物；其次，產甲烷細菌進一步將小分子化合物轉化為CH4［32］。土壤CH4的吸收匯強度為林地＞天然草地＞耕地，且各土地利用之間差異不顯著（P＜0.05），與劉慧峰等［16］的研究結果一致。目前關于CH4產生和排放的影響機制報道較少且不一致，有待于進一步研究和討論。

3.3不同土地利用土壤有機碳礦化潛力Cp值與其他碳組分之間的相關性

土壤活性有機碳是易被土壤微生物分解礦化，對植物養分供應有最直接作用的那部分有機碳，如植物殘茬、根類物質、真菌菌絲、微生物及其滲出物（如多糖）等。本研究測定了黃土臺塬不同土地利用土壤總有機碳和活性有機碳組分含量，結果表明土壤各種活性碳組分和總有機碳含量均表現為草地＞林地＞耕地的趨勢，且5～20 cm土層土壤有機碳各組分含量低于0～5 cm土層。

已有研究結果表明，土壤有機碳的礦化速率動態與可溶性有機碳含量的變化趨勢一致，特別是黃泥土二號，可溶性有機碳含量與土壤有機碳日均礦化量達到極顯著相關水平［35］。另外，土壤有機碳礦化也受活性有機碳組分初始含量的影響，土壤有機碳中活性較高的那部分易被微生物分解利用，是潛在的可礦化有機碳［7］。本研究發現，土壤Cp值與可溶性有機碳、輕組有機碳極顯著正相關（P＜0.01），這是由于水溶性的有機碳較易為微生物利用。一般認為，有機碳的解聚和溶解是其礦化的先決條件，有機碳在轉化為CO2、CH4前必須先進入溶液中，因此可溶性有機碳的含量動態和周轉應與土壤有機碳的礦化有密切關系。土壤Cp值與土壤總有機碳、全氮、易氧化態有機碳之間的相關性顯著（P＜0.05）。通過回歸分析發現，盡管不同土地利用土壤有機碳組分含量差別很大（表3），但土壤有機碳礦化潛力Cp值與土壤輕組有機碳之間的一元回歸方程y=1.081+0.242x的決定系數R2為0.818，達到了極顯著水平（P＜0.01），這說明土壤輕組有機碳可解釋有機碳礦化的81.8%。二元回歸方程y=1.183-0.001x1+0.293x2中，在保留土壤輕組有機碳含量的同時，引入變量土壤可溶性有機碳含量，回歸方程的決定系數R2增加到0.824，也達到了極顯著水平（P＜0.01），表明土壤輕組有機碳含量和可溶性有機碳含量共同解釋土壤有機碳礦化的82.4%的變異。因此，黃土臺塬區土壤礦化碳潛力受土壤中輕組有機碳和可溶性有機碳共同作用的影響。

4　結論

（1）土壤有機碳礦化總量表現為草地最高，林地次之，耕地最低，0～5 cm土層土壤可礦化碳含量顯著高于5～20 cm土層。

（2）土壤總有機碳含量與其他各種活性碳組分含量分布規律一致：草地顯著高于林地，林地顯著高于耕地，0～5 cm土層明顯高于5～20 cm土層，可溶性有機碳和輕組有機碳與土壤有機碳礦化潛力Cp值存在極顯著正相關關系，總有機碳、全氮、大中顆粒態有機碳、易氧化態有機碳與土壤有機碳礦化潛力Cp值存在顯著正相關關系。

（3）土地利用方式對黃土臺塬區土壤主要溫室氣體CO2、N2O和CH4的釋放速率具有重要影響，土壤溫室氣體通量表現為CO2、N2O的排放和CH4的吸收。耕地CO2和N2O的排放強度明顯高于其他利用方式，各利用方式CH4的吸收強度差異不明顯。

參考文獻：

［1］李海防,夏漢平,熊燕梅,等.土壤溫室氣體產生與排放影響因素研究進展［J］.生態環境, 2007, 16（6）：1781-1788. LI Hai-fang, XIA Han-ping, XIONG Yan-mei, et al. Mechanisim of greenhouse gases fluxes from soil and its controlling factors：A review［J］. Ecology and Environment, 2007, 16（6）：1781-1788.

［2］陳濤,郝曉暉,杜麗君,等.長期施肥對水稻土土壤有機碳礦化的影響［J］.應用生態學報, 2008, 19（7）：1494-1500. CHEN Tao, HAO Xiao-hui, DU Li-jun, et al. Effects of long-term fertilization on paddy soil organic carbon mineralization［J］. Chinese Journal of Applied Ecology, 2008, 19（7）：1494-1500.

［3］羅友進,趙光,高明,等.不同植被覆蓋對土壤有機碳礦化及團聚體碳分布的影響［J］.水土保持學報, 2010, 24（6）：117-122. LUO You-jin, ZHAO Guang, GAO Ming, et al. Organic carbon distribution in aggregates and soil organic carbon mineralization in different vegetation covering［J］. Journal of Soil and Water Conservation, 2010, 24 （6）：117-122.

［4］李順姬,邱莉萍,張興昌.黃土高原土壤有機碳礦化及其與土壤理化性質的關系［J］.生態學報, 2010, 30（5）：1217-1226. LI Shun-ji, QIU Li-ping, ZHANG Xing-chang, Mineralization of soil organic carbon and its relations with soil physical and chemical properties on the Loess Plateau［J］. Acta Ecologica Sinica, 2010, 30（5）：1217-1226.

［5］吳秀坤,李永梅,李朝麗,等.納版河流域土地利用方式對土壤總有機碳以及活性有機碳的影響［J］.生態環境學報, 2013, 22（1）：6-11. WU Xiu-kun, LI Yong-mei, LI Chao-li, et al. Effects of land use type on soil total organic carbon and soil labile organic carbon in Naban River watershed［J］. Ecology and Environmental Sciences, 2013, 22（1）：6-11.

［6］張文娟,廖洪凱,龍健,等.種植花椒對喀斯特石漠化地區土壤有機碳礦化及活性有機碳的影響［J］.環境科學, 2015, 36（3）：1053-1059. ZHANG Wen-juan, LIAO Hong-kai, LONG Jian, et al. Effects of Chinese prickly ash orchard on soil organic carbon mineralization and labile organic carbon in karst rocky desertification region of Guizhou Province ［J］. Enviromental Science, 2015, 36（3）：1053-1059.

［7］王清奎,汪思龍,于小軍,等.常綠闊葉林與杉木林的土壤碳礦化潛力及其對土壤活性有機碳的影響［J］.生態學雜志, 2007, 26（12）：1918-1923. WANG Qing-kui, WANG Si-long, YU Xiao-jun, et al. Soil carbon mineralization potential and its effect on soil active organic carbon in evergreen broad leaved forest and Chinese fir plantation［J］. ChineseJournal of Ecology, 2007, 26（12）：1918-1923.

［8］羅友進,魏朝富,李渝,等.土地利用對石漠化地區土壤團聚體有機碳分布及保護的影響［J］.生態學報, 2011, 31（1）：257-266. LUO You-jin, WEI Zhao-fu, LI Yu, et al. Effects of land use on distribution and protection of organic carbon in soil aggregates in karst rocky desertification area［J］. Acta Ecologica Sinica, 2011, 31（1）：257-266.

［9］鄔建紅,潘劍君,葛序娟,等.不同土地利用方式下土壤有機碳礦化及其溫度敏感性［J］.水土保持學報, 2015, 29（3）：130-135. WU Jian-hong, PAN Jian-jun, GE Xu-juan, et al. Variations of soil organic carbon mineralization and temperature sensitivity under different land use type［J］. Journal of Soil and Water Conservation, 2015, 29（3）：130-135.

［10］吳建國,張小全,徐德應.六盤山林區幾種土地利用方式對土壤有機碳礦化影響的比較［J］.植物生態學報, 2004, 28（4）：530-538. WU Jian-guo, ZHANG Xiao-quan, XU De-ying. The mineralization of soil organic carbon under different land uses in the Liupan Mountain forest zone［J］. Acta Phytoecologica Sinica, 2004, 28（4）：530-538.

［11］張鵬,李涵,賈志寬,等.秸稈還田對寧南旱區土壤有機碳含量及土壤碳礦化的影響［J］.農業環境科學學報, 2011, 30（12）：2518-2525. ZHANG Peng, LI Han, JIA Zhi-kuan, et al. Effects of straw returning on soil organic carbon and carbon mineralization in semi-arid areas of southern Ningxia,China［J］. Journal of Agro-Environment Science, 2011, 30（12）：2518-2525.

［12］尹云鋒,蔡祖聰.不同類型土壤有機碳分解速率的比較［J］.應用生態學報, 2007, 18（10）：2251-2255. YIN Yun-feng, CAI Zu-cong. The comparison of different types of soil organic carbon decomposition rate［J］. Chinese Journal of Applied Ecology, 2007, 18（10）：2251-2255.

［13］宋媛,趙溪竹,毛子軍,等.小興安嶺4種典型闊葉紅松林土壤有機碳分解特性［J］.生態學報, 2013, 33（2）：443-453. SONG Yuan, ZHAO Xi-zhu, MAO Zi-jun, et al. SOC decomposition of four typical broad -leaved Korean pine communities in Xiaoxing′an Mountain［J］. Acta Ecologica Sinica, 2013, 33（2）：443-453.

［14］李忠佩,吳曉晨,陳碧云.不同利用方式下土壤有機碳轉化及微生物群落功能多樣性變化［J］.中國農業科學, 2007, 40（8）：1712-1721. LI Zhong-pei, WU Xiao-chen, CHEN Bi-yun. Changes in transformation of soil organic carbon and functional diversity of soil microbial community under different land use patterns［J］. Scientia Agricultura Sinica, 2007, 40（8）：1712-1721.

［15］王海飛,賈興永,高兵,等.不同土地利用方式土壤溫室氣體排放對碳氮添加的響應［J］.土壤學報, 2013, 50（6）：1172-1182. WANG Hai-fei, JIA Xing-yong, GAO Bing, et al. Response of greenhouse gas emission to application of carbon and nitrogen in soils different in land use［J］. Acta Pedologica Sinica, 2013, 50（6）：1172-1182.

［16］劉慧峰,伍星,李雅,等.土地利用變化對土壤溫室氣體排放通量影響研究進展［J］.生態學雜志, 2014, 33（7）：1960-1968. LIU Hui-feng, WU Xing, LI Ya, et al. Effects of land use change on greenhouse gas fluxes from soils：A review［J］. Chinese Journal of Ecology, 2014, 33（7）：1960-1968.

［17］Shrestha R K, Lal R, Rimal B. Soil carbon fluxes and balances and soil properties of organically amended no-till corn production systems［J］. Geoderma, 2013, 197/198（3）：177-185.

［18］李新華,朱振林,董紅云,等.秸稈不同還田模式對玉米田溫室氣體排放和碳固定的影響［J］.農業環境科學學報, 2015, 34（11）：2228-2235. LI Xin-hua, ZHU Zhen-lin, DONG Hong-yun, et al. Effects of different return modes of wheat straws on greenhouse gas emissions and carbon sequestration of maize fields［J］. Journal of Agro-Environment Science, 2015, 34（11）：2228-2235.

［19］Bajracharya R M, Lal R, Kmble J M. Diurnal and seasonal CO2-C flux from soil as related to erosion phases in central Ohio［J］. Soil Science Society of America Journal, 2000, 64（1）：286-293.

［20］Benasher J, Cardon G E, Peters D, et al. Determining root activity distribution by measuring surface carbon dioxide fluxes［J］. Soil Science Society of America Journal, 1994, 58（3）, 926-930.

［21］李媛媛,齊璐,劉夢云,等.黃土臺塬不同土地利用方式下土壤有機碳分解特性［J］.生態與農村環境學報, 2015, 31（3）：346-352. LI Yuan-yuan, QI Lu, LIU Meng-yun, et al. Decomposition of soil organic carbon in loess tableland relative to type of land use［J］. Journal of Ecology and Rural Environment, 2015, 31（3）：346-352.

［22］徐尚起,崔思遠,陳阜,等.耕作方式對稻田土壤有機碳組分含量及其分布的影響［J］.農業環境科學學報, 2011, 30（1）：127-132. XU Shang-qi, CUI Si-yuan, CHEN Fu, et al. Effect of tillage on content of density fractions of paddy soil organic carbon and its spatial distribution［J］. Journal of Agro-Environment Science, 2011, 30（1）：127-132.

［23］劉夢云,常慶瑞,齊雁冰,等.黃土臺塬不同土地利用土壤有機碳與顆粒有機碳［J］.自然資源學報, 2010, 25（2）：218-226. LIU Meng-yun, CHANG Qing-rui, QI Yan-bing, et al. Soil organic carbon and particulate organic carbon under different land use types on the Loess Plateau［J］. Journal of Natural Resources, 2010, 25（2）：218-226.

［24］戴慧,王希華,閻恩榮.浙江天童土地利用方式對土壤有機碳礦化的影響［J］.生態學雜志, 2007, 26（7）：1021-1026. DAI Hui, WANG Xi-hua, YAN En-rong. Effects of land use type on soil organic carbon mineralization in Tiantong Zhejiang Province［J］. Chinese Journal of Ecology, 2007, 26（7）：1021-1026.

［25］Hanson P, Edwards N, Garten C, et al. Separating root and soil microbial contributions to soil respiration：A review of methods and observations［J］. Biogeochemistry, 2000, 48（1）：115-146.

［26］Moscatelli M C, TizioA D, Marinari S, et al. Microbial indicators related to soil carbon in Mediterranean land use systems［J］. Soil & Tillage Research, 2007, 97（1）：51-59.

［27］Parton W J, Schimel D S, Coleand C V, et a1. Analysis of factors controlling soil organic mater levels in Great Plains grasslands［J］. Soil Science Society of America Journal, 1987, 51（5）：1173-1179.

［28］吳建國,艾麗,朱高,等.祁連山北坡云杉林和草甸土壤有機碳礦化及其影響因素［J］.草地學報, 2007, 15（1）：20-28. WU Jian-guo, AI Li, ZHU Guo, et al. Mineralization of soil organic carbon and its motivating factors to the dragon spruce forest and alpinemeadows of the Qilian Mountains［J］. Acta Agrestia Sinica, 2007, 15 （1）：20-28.

［29］郭明英,朝克圖,尤金成,等.不同利用方式下草地土壤微生物及土壤呼吸特性［J］.草地學報, 2012, 20（1）：42-48. GUO Ming-ying, CHAO Ke-tu, YOU Jin-cheng, et al. Soil microbial characteristic and soil respiration in grassland under different use patterns［J］. Acta Agrestia Sinica, 2012, 20（1）：42-48.

［30］陳書濤,劉巧輝,胡正華,等.不同土地利用方式下土壤呼吸空間變異的影響因素［J］.環境科學, 2013, 34（3）：1017-1025. CHEN Shu-tao, LIU Qiao-hui, HU Zheng-hua, et al. Spatial variability of soil respiration under different land utilization way influence factors［J］. Environment Science, 2013, 34（3）：1017-1025.

［31］Larionova A A, Yermolayev A M, Blagodatsky S A, et al. Soil respiration and carbon balance of gray forest soils as affected by landuse［J］. Biol Fertil Soil, 1998, 27（3）：251-257.

［32］石洪艾,李祿軍,尤孟陽,等.不同土地利用方式下土壤溫度與土壤水分對黑土N2O排放的影響［J］.農業環境科學學報, 2013, 32（11）：2286-2292. SHI Hong-ai, LI Lu-jun, YOU Meng-yang, et al. Impact of soil temperature and moisture on soil N2O emission from mollisols under different land-use types［J］. Journal of Agro-Environment Science, 2013, 32 （11）：2286-2292.

［33］林杉,馮明磊,阮雷雷,等.三峽庫區不同土地利用方式下土壤氧化亞氮排放及其影響因素［J］.應用生態學報, 2008, 19（6）：1269-1276. LIN Shan, FENG Ming-lei, RUAN Lei-lei, et al. Soil N2O flux and its affecting factors under different land use patterns in Three Gorges Reservoir Area of China［J］. Chinese Journal of Applied Ecology, 2008, 19（6）：1269-1276.

［34］Dheri G S, Lal R, Verma S. Effects of nitrogen fertilizers on soil air concentration of N2O and corn growth in a greenhouse study［J］. Journal of Crop Improvement, 2015, 29（1）：95-105.

［35］李忠佩,張桃林,陳碧云.可溶性有機碳的含量動態及其與土壤有機碳礦化的關系［J］.土壤學報, 2004, 41（4）：544-552. LI Zhong-pei, ZHANG Tao-lin, CHEN Bi-yun. Soluble organic carbon content dynamic and its relationship with soil organic carbon mineralization［J］. Acta Pedologica Sinica, 2004, 41（4）：544-552.

中圖分類號：X511

文獻標志碼：A

文章編號：1672-2043（2016）05-1006-10

doi:10.11654/jaes.2016.05.027

收稿日期：2015-10-29

基金項目：農業部農業環境重點實驗室開放基金資助；中國科學院重點部署項目資助（KFZD-SW-306）

作者簡介：吳健利（1989—），女，陜西延安人，碩士研究生，主要研究領域為土地資源監測與評價。E-mail：wjl1053@163.com

*通信作者：劉夢云E-mail：lmy471993@163.com

Effects of land-use types on soil organic carbon mineralization and greenhouse gas emissions in Loess tableland

WU Jian-li, LIU Meng-yun*, ZHAO Guo-qing, YU Ya-nan, LIU Li-wen, LIU Huan
（College of Resources and Environment, Northwest A&F University, Key Laboratory of Plant Nutrition and the Agri-environment in Northwest China, Ministry of Agriculture,Yangling 712100, China）

Abstract：The present study was to investigate soil organic carbon（SOC）mineralization and greenhouse gas emissions under different landuse types. Five vegetation types, cultivated land, natural grassland, mixed forests, shrub land, shrubbery, and arboreal land, were chosen in Xianyang City in the Loess tableland area. SOC mineralization dynamics were examined by indoor airtight culture method and greenhouse gas emissions were determined by manually-closed static chamber technique. Results showed that soil total organic carbon（TOC）distribution pattern was consistent with that of active carbon component, which decreased in order of grassland＞forest land＞cultivated land. The SOC mineralization was faster at the early stage while became slower at the later stage. Cumulative SOC mineralization in grassland at the 0～5 cm depth was 1.26～1.34 times greater than that of woodland, and 1.82 times higher than that of cultivated land, whereas at the 5～20 cm soil SOC mineralization showed a decreased tendency compared to the 0～5 cm soil depth. A decrease of 48%was observed in cultivated land. The potential of soil SOC mineralization（Cp）under different land use types was between 0.81 and 2.70 mg·kg-1, with significant difference between different land use types（P＜0.05）. No differences in SOC decomposition rate constant k were found under different land use types. The ratios of soil carbon mineralization potential Cpto SOC showed that the cultivated land had the highest SOC mineralization but the

Keywords：Loess tableland; land use; carbon mineralization; active carbon; greenhouse gas（GHG）