土地利用方式對江西紅壤旱地碳庫管理指數的影響①

武 琳，黃尚書，葉 川*，鐘義軍，黃欠如，成艷紅，鄭 偉，孫永明，高 蕊，周 鶯

(1 江西省紅壤研究所，南昌 331717；2 江西省吉安市農業局，江西吉安 343000)

紅壤是我國重要的土壤資源，廣泛分布于南方15省，但由于長期不合理利用，紅壤主要形成了酸、瘦、黏、瘠、板等主要肥力特征[1-2]。同時，紅壤分布地形、光照和水熱等優勢條件又決定了其恢復利用的可能性很大，是 21世紀以來農業開發的重點[3]。土壤有機質是土壤肥力的重要內容，也是紅壤旱地土壤質量好壞的重要指標之一。有機碳則是土壤有機質的重要組成部分，但是土壤有機碳含量的多少并不能很好地反映土壤質量的轉化速率[4]，因此，目前常用對耕作措施更為敏感的土壤活性有機碳的含量來表征[5-6]。活性有機碳雖然僅占總有機碳的一小部分，且穩定性差、易氧化和分解[5]，但能夠在土壤全碳變化之前反映人類活動所引起的土壤的微小變化，是土壤碳循環的關鍵和動力[7-8]。Lefroy 等[9]綜合了土壤有機碳的總量與活性，首次提出了土壤碳庫管理指數(CPMI) 的概念，有效評價外部因素對土壤碳庫的影響。研究表明，土壤碳庫管理指數能有效反映土壤中有機質的轉化速率，更為全面地反映耕作措施對土壤碳庫的影響，是比土壤有機碳總量更能反映土壤質量變化的敏感指標[10-11]。目前已廣泛應用于施肥[12-14]、保護性耕作[15]和不同土地利用方式[16]對土壤碳庫影響的研究中。但是，從土壤碳庫管理指數變化來考慮合理耕層構建的研究則尚未見報道。

本研究以歷史上未曾開墾的紅壤荒地為對照，在分析農地、果園和茶園等不同土地利用方式下0～40 cm土層總有機碳和活性有機碳分布規律基礎上，探討不同土地利用方式對土壤碳庫管理指數的影響，為深入研究和評價該區土地利用變化對土壤有機碳的影響提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區設在江西省紅壤研究所(116°20′24″ E，28°15′30″ N)，該地區氣候溫和、雨量豐富、日照充足、無霜期長，屬中亞熱帶季風氣候，年均降雨量1 537 mm，年蒸發量1 100～1 200 mm；年均氣溫17.7 ～18.5 ℃，最冷月(1月)平均氣溫為4.6 ℃；最熱月(7月)平均氣溫一般在28.0～29.8 ℃。地形為典型低丘，海拔在25～30 m，坡度5°。土壤類型為第四紀紅黏土母質發育的紅壤。

1.2 研究方法

本研究選取4種土地利用方式，每種土地利用方式設置3個重復，具體為：①對照(CK)：歷史上未開墾的紅壤荒地；②農地：1990年開墾的紅壤旱地，開墾初期種植花生，現在主要種植制度是紅薯-油菜；③茶園：1992年開墾建立的茶園；④果園：1993年開墾建立的桔園。2014年11月在研究區各樣方內采用“五點法”取 0～10、10～20、20～40 cm 的散狀土，最后將樣方內各采樣點土壤樣品按土層混合，作為分析樣品。樣品經室內風干后，研磨并過篩，用于土壤相關理化性質、總有機碳以及活性有機碳等指標的測定。

土壤pH測定采用電位法(水∶土=2.5∶1)，土壤容重測定采用環刀法，土壤養分分析采用常規方法[17]，土壤總有機碳測定采用 K2CrO7外加熱法，土壤活性有機碳測定采用333 mmol/L KMnO4氧化法[18]。

相關指標的計算[14]：碳庫指數(CPI)=耕作土壤總有機碳/參考土壤總有機碳；碳庫活度(A)=活性有機碳/穩態碳含量；碳庫活度指數(AI)=土壤碳庫活度/參考土壤碳庫活度；碳庫管理指數(CPMI)=碳庫指數×碳庫活度指數×100。本研究中，參考土壤為歷史上未開墾紅壤荒地，設定其碳庫管理指數為100，若土地利用方式轉變后，土壤碳庫管理指數超過100，則說明土壤碳庫有所改善，反之則說明土壤碳庫變差。

1.3 數據處理

采用DPS7.05進行數據分析，采用Origin 8.1軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同土地利用方式對土壤基本理化性質的影響

由表1可以看出，不同土地利用方式下土壤基本理化性質變化顯著。各土地利用方式下3個層次土壤pH均比CK低，尤其是10～20 cm和20～40 cm土層中達到顯著性差異(P＜0.05)，如與CK 相比，農地、茶園、果園10～20 cm和20～40 cm土層土壤pH 分別降低 8.72%、10.77%、6.94% 和 13.13%、19.27%、16.53%。耕作有利于土壤容重降低，表現為農地、茶園和果園不同層次的土壤容重均顯著低于CK(P＜0.05)，均呈現CK＞茶園＝果園＞農地的趨勢。如0～10 cm土層，農地、茶園、果園土壤容重較CK分別降低13.13%、6.46%、4.62%(P＜0.05)，10～20 cm 土層土壤容重降低幅度為 3.58% ～10.24%，20～40 cm土層降低幅度為3.43%～9.31%(P＜0.05)。就堿解氮含量而言，農地、茶園、果園不同層次土壤均較CK高，0～10 cm土層分別比CK高25.29%、15.90%、19.57%(P＜0.05)，農地、果園10 ～20 cm和 20～40 cm土層土壤堿解氮比 CK高117.65%、67.06% 和 142.33%、114.01%(P＜0.05)。有效磷和堿解氮含量表現出一致趨勢。

表1 不同土地利用方式下土壤的基本理化性質

2.2 不同土地利用方式對土壤總有機碳分布的影響

由圖1可以看出，不同土地利用方式0～40 cm土層土壤的總有機碳存在顯著差異(P＜0.05)，在0 ～10 cm土層中，農地、茶園、果園總有機碳分別比CK高30.29%、17.94%、17.35%；在10～20 cm土層中，農地、茶園、果園總有機碳分別比 CK高50.10%、39.28%、43.49%；在20～40 cm土層中，農地、茶園、果園總有機碳分別比 CK高87.75%、72.74%、76.57%。從圖 1 還可以看出，同一土地利用方式土壤總有機碳含量隨土層加深而降低，且CK降低幅度最高，如CK 在20～40 cm土層土壤總有機碳僅為0～10 cm土層的44.19%，農地、茶園、果園則分別高達 63.68%、64.72%、66.48%(P＜0.05)。土壤有機碳的提高可能是耕層培肥措施等起主導作用，如有機肥的使用、秸桿還田、果園套種綠肥等[19-20]，造成土壤中總有機碳含量顯著提高。在耕層培肥的同時，配套翻耕和輪作等方式也有可能提升土壤剖面總有機碳含量，這也是農用地對土壤總有機碳含量提升效果較桔園和茶園好的原因所在；另外，地上部分的植被類型也在一定程度上決定了有機物質的輸入量，從而影響到土壤中有機碳的含量。

圖1 不同土地利用方式下土壤總有機碳分布特征

2.3 不同土地利用方式對土壤活性有機碳分布的影響

不同土地利用方式下不同層次土壤活性有機碳含量差異明顯(圖 2)，均表現為農地、茶園、果園顯著高于CK，其中，0～10 cm土層土壤活性有機碳含量分別比CK高54.35%、37.40%、33.65%，10～20 cm土層分別比CK高62.27%、46.03%、36.15%，20～40 cm土層分別比CK高61.61%、59.91%、53.97%。同時，從圖2還可以看出，農地0～20 cm土層土壤活性有機碳含量顯著高于茶園和果園，20～40 cm土層土壤活性有機碳含量則相當；農地0～10 cm土層土壤活性有機碳含量比茶園和果園分別高 10.98% 和13.41%，10～20 cm土層分別高10.01% 和16.09%。原因可能是人為因素及植被類型影響著土壤中總有機碳含量，而總有機碳含量的高低在很大程度決了活性有機碳的豐缺[21]。同時，不同土地利用方式下土壤承接根系分泌物類型不同，因此形成的土壤碳庫，特別是活性碳庫會存在差別[22]。另外，土壤活性有機碳與土壤中氮素含量關系密切[23]，土壤中氮素隨著土地利用方式發生改變而發生變化，對活性有機碳庫產生一定程度的影響。對紅壤旱地不同土地利用方式來說，土壤活性有機碳提升的具體原因有待于進一步研究。

圖2 不同土地利用方式下土壤活性有機碳的分布特征

2.4 不同土地利用方式對土壤碳庫管理指數的影響

將對照作為參照土壤，采用時空替代法，對不同土地利用方式下不同層次的碳庫管理指數進行計算，結果見表2。從表2中可以看出，在0～10 cm土層，不同土地利用方式的土壤碳庫管理指數存在顯著差異(P＜0.05)，與CK相比，農地、茶園、果園利用方式下的土壤碳庫管理指數分別提高59.37%、41.32%、36.69%，且農地土壤碳庫管理指數顯著高于茶園和果園(P＜0.05)；在10～20 cm土層，盡管農地、茶園和果園的土壤碳庫管理指數顯著高于未開墾紅壤旱地(P＜0.05)，但農地和茶園、茶園和果園的土壤碳庫管理指數沒有明顯差異(P＞0.05)，而農地土壤碳庫管理指數則比果園的土壤碳庫管理指數高 22.31%，達到顯著差異(P＜0.05)；在20～40 cm土層，農地、茶園、果園的土壤碳庫管理指數則無明顯差異(P＞0.05)，這說明從提高土壤碳庫管理角度考慮紅壤旱地有機質提升時，需要考慮耕作深度這一影響因素，這也在一定程度上為紅壤旱地合理耕層構建研究提供了依據。

表2 不同土地利用方式下各土層的土壤碳庫管理指數

3 結論

1) 本次調查表明，與紅壤荒地相比，農地、果園、茶園降低了0～40 cm土壤pH和容重，尤其是對10 cm以下土壤pH和容重有顯著影響，分別降低了 6.94%～19.27% 和 3.58%～13.13%；土壤堿解氮含量提高15.90%～142.33%，有效磷含量和堿解氮表現趨勢一致。

2) 紅壤旱地不同土地利用方式下各土層土壤總有機碳、活性有機碳含量隨土層加深而降低，均表現為農地＞果園≈茶園＞未開墾的紅壤荒地，相比于未開墾的紅壤荒地，其他3種土地利用方式下土壤總有機碳含量提高了17.35%～87.75%，活性有機碳含量提高了 33.65%～62.27%。

3) 紅壤旱地開墾利用能顯著提高土壤碳庫管理指數，在選取的3種不同利用方式下，土壤碳庫管理指數在0～10 cm土層差異顯著，表現為農地＞果園≈茶園；在0～20 cm土層表現為農地與茶園相當，與果園有顯著差異；在20～40 cm土層3種不同土地方式無明顯差異。

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