不同土地利用方式對壽光市農業土壤有機碳分子結構和穩定性的影響

陶寶先，張保華，董杰，劉晨陽

1. 聊城大學環境與規劃學院，山東 聊城 252059；2. 聊城大學科學技術處，山東 聊城 252059

不同土地利用方式對壽光市農業土壤有機碳分子結構和穩定性的影響

陶寶先1*，張保華2，董杰1，劉晨陽1

1. 聊城大學環境與規劃學院，山東 聊城 252059；2. 聊城大學科學技術處，山東 聊城 252059

農田轉變為設施菜地后，耕作措施的改變顯著影響土壤有機碳的特征。為揭示不同土地利用方式變化對土壤有機碳分子結構及其穩定性的影響，以壽光市農業土壤為例，采用13C核磁共振技術分析農田轉變化為不同種植年限設施菜地（種植6、12年）及設施菜地撂荒后土壤有機碳分子結構特征及其穩定性。結果表明，（1）農田轉變化為設施菜地后土壤有機碳貯量顯著增加，且種植6年設施菜地（4.50 kg?m-2）土壤有機碳貯量明顯高于種植12年設施菜地（3.91 kg?m-2），設施菜地撂荒后（3.33 kg?m-2）土壤有機碳貯量降至農田水平（3.07 kg?m-2）。（2）相對于農田，種植6年設施菜地土壤烷基碳相對含量、疏水碳/親水碳比值及芳香碳/烷基碳比值明顯低于農田，其他土地利用類型與農田無顯著差異。（3）農田轉變為設施菜地及設施菜地撂荒后，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年設施菜地及撂荒設施菜地則呈現相反的趨勢。農田轉變為設施菜地初期（種植6年）所增加的土壤有機碳主要為易分解組分，但隨著種植年限延長及設施菜地撂荒，土壤有機碳穩定性逐漸增強。（4）烷氧碳相對含量、疏水碳/親水碳比值及芳香碳/烷基碳比值可作為該區域土壤有機碳響應于土地利用方式轉變的敏感性指標。

設施菜地；土壤有機碳；分子結構；固態13C核磁共振；壽光市

土壤是陸地生態系統中重要的碳庫，地表土壤中存貯約2500 Pg碳，其中1550 Pg為有機碳（Lal，2004），土壤碳庫的輕微改變將對大氣CO2濃度及全球變化產生較大影響（William et al.，2000）。土地利用方式變化是影響土壤有機碳循環的主要因素之一，并對全球變化具有重要影響（He et al.，2008；Li et al.，2010）。關于土地利用方式對土壤碳含量的影響主要集中在森林、草地、農田等主要土地利用方式間的轉換方面（Conti et al.，2016；Guo et al.，2002），而對設施菜地利用年限及自然撂荒等方式下土壤有機碳變化的研究相對較少。設施栽培是中國蔬菜生產的重要方式之一，相對于大田農業生產，設施菜地具有土地利用強度大，復種指數高，灌溉及施肥量大且頻繁，土壤溫度及濕度較高等特點（高新昊等，2015）。農田轉變為設施菜地將對土壤碳貯量及其組分產生較大影響，但關于農田轉變為設施菜地對土壤碳組分的影響研究仍不充分。

土地利用方式變化對土壤有機碳的影響已有大量的研究，主要集中在土壤總有機碳（文雯等，2015；郝翔翔等，2015）、活性有機碳（李鑒霖等，2015；張帥等，2015；Lyu et al.，2016）、團聚體有機碳（李娟等，2013）等方面，而有機碳分子是決定土壤有機碳穩定性和周轉特征的重要分子機制，但目前針對不同土地利用方式下土壤有機碳分子構成的研究還較少。土地利用方式的變化不僅能影響土壤有機碳的數量（Conti et al.，2016），而且能改變土壤有機碳的分子結構（杭子清等，2014）。此外，土壤有機碳分子結構是影響有機碳質量和功能的重要內在因素（張勇等，2015）。13C核磁共振技術作為一種非破壞性研究手段，可以研究化合物的結構特征，已被用于土壤及凋落物有機碳結構及穩定性的研究（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（碳組分）的相對比例，有助于進一步了解土壤有機碳質量的變化，深入分析土壤有機碳的穩定性，同時有助于探討反映有機碳質量變化的敏感指標。

壽光市是中國重要的蔬菜生產基地，近年來大量農田轉變為設施菜地（Song et al.，2009）。設施菜地種植過程中被施加了大量的有機肥（曾路生等，2009），這可能改變土壤有機碳的數量及質量，進而影響農業土壤有機碳庫的穩定性。然而，不同土地利用方式對壽光市農業土壤有機碳組分影響的研究仍較少見。本研究以壽光市農田（小麥Triticum aestivum-玉米Zea mays輪作）為對照，利用13C核磁共振技術研究農田轉變為設施菜地后土壤有機碳分子結構的變化，以期明確農田轉變為設施菜地對土壤有機碳穩定性的影響，確定對土地利用方式變化較敏感的碳組分，為設施菜地土壤碳減排提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于山東省壽光市。該區年均降水量594 mm，年均氣溫12.7 ℃。農田為玉米-冬小麥輪作，年均施化肥量（N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15）為1.27 t?hm-2。研究區設施菜地為蔬菜大棚（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），再施加等量的有機肥（干雞糞）。種植 6年設施菜地年施加有機肥量為75 t?hm-2，種植12年設施菜地年施加有機肥量為72 t?hm-2。生長季定期施加水溶性復合肥（N∶P2O5∶K2O=22∶14∶14），每次施加量分別為187.5 kg?hm-2（種植 6 年設施菜地）、125 kg?hm-2（種植12年設施菜地），每隔7～10 d施加1次，隨同灌溉施用。撂荒設施菜地的大棚已撤除，生長雜草。本研究的設施菜地為蔬菜大棚。

1.2 樣品采集與測試

1.2.1 樣品采集及測試

選取農田（對照）、種植6年、12年設施菜地及撂荒12年設施菜地為研究對象。上述4類樣地處于1 km×1 km范圍內，以保證設施菜地、撂荒設施菜地與農田具有相似的土壤本底特征。農田設置3塊樣地，每類設施菜地選擇3個相鄰的大棚。在每塊樣地（或每個大棚）中按“S”形布點采集10個表層土樣（0～20 cm）、混勻，作為1個混合樣。實驗室內去除根系、石塊及土壤動物等非土壤部分，風干。一部分風干樣品研磨、過0.15 mm篩，采用重鉻酸鉀容量法測定土壤有機碳含量（魯如坤，2000），凱氏定氮法測定全氮含量；采用環刀法測定土壤容重（魯如坤，2000）；取部分過2 mm篩風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碳含量。土壤理化性質見表 1。根據土壤有機碳、全氮含量及容重計算表層土壤有機碳、全氮貯量，具體如下：

S=H×B×C×10-2（1）

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

1.2.2 土壤有機碳分子結構測試

進行核磁共振波譜分析前，先對土樣進行 HF預處理，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，繼續用HF處理，共處理8次，前4次每次振蕩時間為1 h，第5～7次每次振蕩時間為12 h，第8次振蕩時間為24 h。然后用50 mL去離子水清洗至中性（約5～7次），風干后研磨過0.15 mm篩，應用13C-NMR分析土壤有機碳分子結構（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13C-交叉極化魔角旋轉技術，轉子直徑4 mm，13C譜共振頻率為100.62 MHz，旋轉頻率5000 Hz，接觸時間2 ms，循環延遲時間3 s。核磁共振功能基團面積積分采用MestReNova軟件分析。共劃分4個功能區：烷基碳區（0～45 ppm，Alkyl-C），主要來自角質、蠟質等植物聚合物及微生物代謝物；烷氧碳區（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（110～160 ppm，Aromatic-C），主要來自木質素等；羰基碳區（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）。根據土壤有機碳貯量及有機碳官能基團相對含量計算土壤有機碳官能基團貯量，具體如下：

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

A=Cs×Cr（2）

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

1.3 數據分析

土壤理化性質、功能基團相對含量在不同樣地類型間的差異采用單因素方差分析進行檢驗，統計顯著水平P=0.05。采用Excel 2007及SPSS 13.0軟件對相關數據進行統計分析。采用Origin 9.0軟件作圖，圖中誤差棒代表標準差（P＜0.05）。

2 結果與分析

農田轉變為設施菜地顯著增加土壤有機碳、顆粒有機碳含量及土壤有機碳貯量，且種植6年設施菜地明顯大于種植12年設施菜地（P＜0.05）。設施菜地撂荒12年后，上述指標降至農田水平（表1）。農田、種植6年及12年設施菜地土壤有機碳組分相對含量大小順序為：烷氧碳＞烷基碳＞芳香碳＞羰基碳，撂荒設施菜地土壤有機碳組分相對含量大小順序為：烷基碳＞烷氧碳＞芳香碳＞羰基碳。農田、種植6年及12年設施菜地、撂荒設施菜地土壤烷基碳與芳香碳相對含量之和分別為 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烷基碳、芳香碳及羰基碳相對含量無顯著影響，但種植6年設施菜地土壤烷氧碳相對含量較農田、種植 12年設施菜地及撂荒設施菜地分別增加了12.82%、13.73%、16.66%（P＜0.05；圖2）。由此表明，農田轉變為設施菜地初期（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含量，這與顆粒有機碳含量的變化趨勢相同。

圖1 農田、種植6年及12年設施菜地、撂荒12年設施菜地土壤有機碳13C-NMR譜圖Fig. 1 13C-NMR spectrogram of soil organic carbon in farmland, greenhouse soil and abandoned greenhouse soil

相對于農田，種植 6年設施菜地土壤疏水碳/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年設施菜地及撂荒設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年設施菜地），當種植年限延長至12年或設施菜地撂荒后，該比值明顯大于種植6年設施菜地，且恢復至農田水平。4類樣地土壤有機碳芳香度無顯著差異（圖2B）。農田轉變為設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年設施菜地烷氧碳與羰基碳貯量均顯著高于種植 12年設施菜地（P＜0.05）；設施菜地撂荒12年后4類有機碳官能團貯量均降至農田水平（圖3）。

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

設施菜地撂荒后土壤有機碳以烷基碳為主（圖1、圖 2A）。表明設施菜地撂荒后，有機碳烷基化程度增加，難分解碳組分比例增多。張勇等（2015）也發現，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，而下層土壤有機碳多為經土壤酶和微生物生化反應生成的更穩定的代謝產物。設施菜地撂荒后停止施肥，荒草凋落物為土壤有機質主要來源，凋落物有機質歸還量明顯小于農業土壤施肥量，致使土壤有機碳含量、貯量及烷氧碳等易分解碳組分相對含量下降。此外，設施菜地撂荒后，原來施加于土壤中的有機肥及凋落物中的易分解有機碳組分會逐漸分解，可能導致烷基碳等難分解碳組分的累積。

農田、種植 12年設施菜地及撂荒設施菜地土壤烷基碳與芳香碳相對含量之和大于烷氧碳與羰基碳相對含量之和，而種植6年設施菜地的結果恰恰相反（圖1、圖2A），表明種植6年設施菜地一半以上的土壤有機碳為易分解碳組分，而農田、種植 12年設施菜地及撂荒設施菜地土壤有機碳則以難分解碳組分為主。這與設施菜地施加有機肥的數量有關。隨著設施菜地種植年限的延長（種植 12年），有機肥施用量下降，土壤有機碳含量及貯量、顆粒有機碳含量也隨之下降（表1），這可能導致易分解碳組分的含量有所下降。然而，農田轉變為設施菜地后，烷基碳及芳香碳的相對含量雖然無明顯變化（圖2A），但土壤有機碳貯量明顯增加（P＜0.05；表1）。相對于農田，種植6、12年設施菜地及撂荒設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等無機肥提高了微生物活性，促進了有機質分解及難分解烷基積聚（Zhang et al.，2009）。據此推斷，農田轉變為設施菜地及設施菜地撂荒后，土壤中難分解碳組分的貯量有所增加，這對土壤碳固持起到一定的積極作用。

農田轉變為6年設施菜地后土壤易分解碳組分（烷氧碳、羰基碳）相對含量增加，尤其是烷氧碳相對含量增幅更為明顯（P＜0.05；圖2A）。種植12年設施菜地土壤易分解碳組分相對含量（44.73%）雖然低于種植 6年設施菜地（50.29%），但仍高于農田（44.26%）。而且，種植 6、12年設施菜地土壤有機碳貯量顯著大于農田（P＜0.05；表1）。因此，相對于農田，種植6、12年設施菜地及撂荒設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，農田轉變為設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年設施菜地更為明顯。

通過對比難、易分解碳組分貯量的變化可知：相對于農田，種植6年設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年設施菜地及撂荒設施菜地呈現相反的趨勢。這意味著，農田轉變為設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，這將大幅提升設施菜地土壤碳排放水平，尤其以種植6年設施菜地最為顯著。此外，設施菜地種植過程中的保溫措施使其土壤溫度高于農田及撂荒設施菜地（高新昊等，2015），且設施菜地大量施加含有較多易分解碳組分的有機肥，這可能提高了設施菜地土壤CO2排放速率。早期研究也發現，設施菜地土壤呼吸速率明顯高于農田土壤（曾路生等，2009）。因此，設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碳的穩定性，通常比值越大有機碳穩定性越好（張勇等，2015；郭素春等，2013；Bonanomi et al.，2013；杭子清等，2014）。本研究發現，種植 6、12年設施菜地顆粒有機碳含量雖然顯著高于農田（P＜0.05；圖1），但種植6、12年設施菜地及撂荒設施菜地烷基碳/烷氧碳比值與農田無明顯差異，僅種植6年設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土地利用方式變化影響土壤有機碳穩定性的敏感指標。

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

脂肪碳/芳香碳比值反映有機碳分子結構的復雜程度，比值越大，表明該物質中芳香結構越少、脂肪族側鏈越多、縮合程度越低、分子結構越簡單（杭子清等，2014）。本研究發現，農田轉變為種植6年設施菜地后，該比值顯著增加；隨著種植年限延長及設施菜地撂荒，該比值降至農田水平（圖2B）。由此推斷：短期的設施菜地種植（種植6年）促使土壤中結構簡單的有機碳組分累積，有機碳更加不穩定。

4 結論

（1）農田轉變為設施菜地顯著增加土壤有機碳貯量及顆粒有機碳含量，且種植6年設施菜地明顯高于種植12年設施菜地。設施菜地撂荒12年后，土壤有機碳貯量及顆粒有機碳含量降至農田水平。

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

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

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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壽光市農業土壤有機碳分子結構和穩定性的影響[J].生態環境學報, 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.

國家自然科學基金項目（41501099）；山東省自然科學基金項目（ZR2014DQ015；ZR2016DM14）；聊城大學博士科研啟動基金項目（318051430）

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

*通信作者

2017-07-022