典型干旱荒漠綠洲區不同年限棗園土壤碳庫特征

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麥蓋提縣棗園為研究對象，采用野外采樣和室內分析方法，研究不同種植年限下棗園土壤碳庫變化特征。結果表明：隨著種植年限的增加，棗園土壤活性碳、土壤非活性碳表現為先增長后下降的趨勢，總體表現為10年>15年>5年>3年；隨著種植年限的增加，碳庫管理指數（CPMI）有所增長，10年時增幅最大，15年次之，3年最小；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（CPI）有不同程度地變化，碳庫活度與活性有機碳、非活性有機碳極顯著相關，與有機碳顯著相關，碳庫管理指數（CPMI）與碳庫活度指數（AI）和碳庫指數（CPI）極顯著相關。

關鍵詞：種植年限；土壤有機碳；碳庫活度；碳庫管理指數

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

收稿日期：2015-09-01

基金項目：新疆維吾爾自治區高校科研計劃重點項目（編號：XJUEDU2013I15）；新疆維吾爾自治區土壤學重點學科建設項目；新疆維吾爾自治區重點實驗室干旱區土壤與植物生態過程實驗室聯合資助。

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量研究。E-mail：sunxia1127@163.com。土壤有機碳是土壤肥力的物質基礎，是全球碳循環和氣候變化研究的核心內容。活性有機質是土壤有機質的活性部分，它是指土壤中有效性較高，易被土壤微生物分解礦化，對植物養分供應有最直接作用的有機質[1-4]。Lefroy等研究認為，能被333 mmol/L KMnO4氧化的土壤有機碳為活性有機碳，不能被氧化的為非活性有機碳，并提出土壤碳庫管理指數的概念[5]。碳庫管理指數是土壤生態系統碳動力學變化的一個指標，表示土壤生態系統對不同管理措施下碳的響應，結合了人為影響下的土壤碳庫指標和碳庫活度，反映了外界管理措施對土壤有機碳總量的影響，也反映了土壤有機碳各組分的變化情況，故能夠較全面和動態地反映外界條件對土壤有機碳性質的影響[6-7]。目前，國內已對不同施肥、不同地帶典型土壤的有機碳活性組成和碳庫管理指數已有報道，多集中于農田管理措施，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，而關于對果園土壤有機碳及碳庫管理指數的研究報道不多。

位于塔里木盆地麥蓋提縣是新疆紅棗生產基地之一，種植紅棗歷史久遠，棗園種植管理已形成了較為成熟的體系。果園土壤擾動較農田少，有利于土壤有機碳的累積，且果樹生產具有較高的經濟附加值，施肥量一般較農田高并具備土壤有機碳累積的條件，研究果園土壤活性有機碳特征以及碳庫管理指數，不僅是揭示果園土壤質量演化趨勢的需要，也是探索不同生態環境條件下土壤碳素平衡機理、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活性有機碳、非活性有機碳及其碳庫管理指數的變化趨勢，豐富土壤碳庫平衡理論，為該地區果業可持續發展提供理論依據。

1研究區概況與方法

1.1研究區概況

試驗區位于新疆南部喀什地區麥蓋提縣新疆生產建設兵團45團果樹連，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。果園由連隊統一管理，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、理化性質很相似，該地區種植土壤為粉沙土，通透性好，種植品種均為灰棗。土壤有機質含量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試驗設計采樣時間在2014年4月果樹萌發期進行，采樣地點位于45團果樹連，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距樹干2/3處作為布設采樣點，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，同時各層用環刀取原狀土測定土壤容重，共3次重復，編號后置于密封袋帶回實驗室分析。

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

土壤非活性碳含量=土壤有機碳含量-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（AI）=碳庫活度/參考土壤碳庫活度；

碳庫指數（CPI）=土壤有機碳含量/參考土壤有機碳含量；

碳庫管理指數（CPMI）=碳庫指數×碳庫活度指數×100[6]；

1.2.3數據處理用SPSS 22.0和Excel 2013進行數據分析和處理，多重比較采用Duncans法，Orgin 8制圖。

2結果與分析

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年果園達到最大值0.64 g/kg，3年時含量最少，為0.53 g/kg。進一步對不同年限的棗園土壤活性碳含量進行分析可知，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。在時間尺度上，棗園土壤活性碳含量表現為先增加后減少的趨勢，總體表現為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出增加的趨勢，在10年時達到最大。

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，總體上表現出先增加后減少的趨勢，其中10年果園達到最大值，3年時為最小。對不同年限的棗園土壤非活性碳含量進行分析可知，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間尺度上表現為先增加后有所減少的趨勢，總體表現為10年>15年>5年>3年。對同一種植年限不同深度土層進行分析，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變化

果園土壤有機碳主要來源于根系分泌物，并且大多轉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碳和非活性有機碳含量的比值，它用來反映土壤碳素活躍程度，碳庫活度越大，表示有機碳越容易被微生物分解，土壤質量越高[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不盡相同，總體表現為先

增加后減少。各年限果園各土層有機碳含量的變幅不一致，其中0～20、70～100 cm土層相對穩定。各種植年限土壤碳庫活度的最大值均出現在10～20 cm土層，說明棗園土壤體系中10～20 cm層次土壤質量較高，隨著土壤深度增加，土壤質量呈下降趨勢；隨種植年限的增加，各個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有不同程度地變化；同一年限不同土壤深度的碳庫指數變化也不相同，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，除10年土壤深度20～30 cm與5年土壤深度50～70 cm、70～100 cm，碳庫指數略有下降外，其他表現為增大趨勢，與3年相比，5、10、15年分別增加1.8%、56%、17.5%。

碳庫管理指數除在種植年限10年，土壤深度30～50 cm處表現出最大值外，其他種植年限為15年時，碳庫管理指數達到最大值。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碳含量、非活性有機碳含量極顯著相關，與有機碳含量顯著相關，且與有機碳含量的相關系數大于非活性有機碳含量。碳庫管理指數與碳庫活度指數和碳庫指數極顯著相關。

3結論與討論

影響土壤活性有機碳的因素有很多，例如土壤環境因子、土地利用方式以及施肥等土壤管理措施，通過影響土壤有機碳的輸入量、轉化速率以及輸出量，都會引起土壤活性有機碳含量的變化。本研究發現，研究區土壤活性碳和非活性碳活性都較低，這與當地土壤性質與果園管理有關。從本試驗結果來看，樹齡為10年時，土壤中活性碳以及非活性碳含量達到最高，到15年時開始下降，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年樹齡時土壤有機碳活性達到最大，對果園土壤有機碳的積累效率也最大。種植年限超過10年時，有機碳活性和有機碳的增長效率開始下降。這與甘卓婷等的研究結果[17]相似，不同的是甘卓婷認為15年時，果園對有機碳的積累效率最大。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、地域環境的不同有關。

碳庫管理指數結合了土壤碳庫指數和土壤活度指數，所以它既反映了外界管理措施對土壤有機碳總量的影響，也反映了土壤有機碳各組分的變化情況。碳庫管理指數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進行分析，研究區棗園土壤肥力隨種植年限的增加而有所變化，表現為15年最大（除土壤深度30～50 cm外），10年與15年差異不大，表明棗園棗樹生產力在10年時最大，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，其生產力旺盛，有機碳積累能力最強。因此，在植果期間更應該注重深層土壤的管理。

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