土地利用方式對中部糧食主產區土壤活性有機碳和碳庫管理指數的影響
——以新鄭市為例

焦俊黨，李保蓮，蔡太義

（1.河南省國土資源調查規劃院，鄭州 450016；2.河南理工大學國土資源部野外科學觀測研究基地，河南 焦作 454000）

在全球環境變化研究中，土地利用變化是一個關鍵而迫切的研究課題［1，2］。土地利用是人類干預土壤肥力最重要、最直接的活動，通過改變土壤營養循環強度、總量及路徑，從而使土壤供應作物的營養發生變化，進而導致土壤肥力變化［1］。合理的土地利用方式可以改善土壤結構，增強土壤對外界環境的抵抗力，不合理的土地利用則會導致土壤質量下降或退化［3，4］。土壤肥力由于能夠體現土壤質量的變化而被用來表征土壤特性［5］，土壤有機碳是衡量土壤肥力的重要指標，同時也是影響土壤生產力的主要因素［6］。土壤有機碳的變化受土地利用方式影響較大［2］，關于土地利用方式對土壤碳的影響，國內外研究已取得較大進展。但涉及到不同利用方式對糧食主產區土壤活性有機質組分及其碳庫變化方面的研究較為匱乏。中部糧食主產區土地利用變化尤其是耕地變化關系糧食生產和糧食安全，在中國經濟社會發展中具有重要地位［7，8］。因此，探明土地利用方式的作用機理與后果，對提升中部糧食主產區土地利用效率及土地綜合整治均具有重大現實意義。然而，由于土壤肥力對土地利用變化的響應具有一定的滯后性［9，10］，采用土壤基礎養分指標如有機碳、全氮和全磷等研究土地利用方式變化對中部糧食主產區土壤質量的影響存在一定局限性。鑒于此，本研究選取中部糧食主產區典型區域，探明不同土地利用方式對土壤碳庫質量的影響，具有一定的新穎性和較強的應用價值，旨在為中部糧食主產區土地資源合理利用及綜合整治提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于河南省中南部的新鄭市（北緯34°16′－34°39′，東經 113°30′－113°54′），近 50 年平均降水量為 689.0 mm，年均積溫為 2 926.6 ℃，年均氣溫為14.1 ℃，極端最高和最低氣溫分別為 42.5、－17.9 ℃。土地總面積886.72 km2。新鄭市屬河南省省會鄭州市的衛星城市，區位優勢明顯，境內地貌類型齊全，山、丘、崗和平原兼有，土地利用方式多樣。近年來經濟發展迅猛，為全國百強縣、河南省縣域經濟發展排頭兵，建設任務繁重，用地需求加劇，土地資源綜合利用在河南省糧食主產區具有典型代表性。

1.2 樣品采集

于2015年6月在研究區選取自然狀態旱作耕地（T1）、葡萄園地（T2）、棗樹園地（T3）和露天蔬菜地（T4）4種類型作為研究樣地，在不同土地利用類型內，分別設置有代表性的面積為10 m×10 m的樣地，3次重復。

土壤樣品采集：每個土地類型小區按“∽”形選取5點，用土鉆法采集0～100 cm（取樣間隔為20 cm）土層的土壤樣品，同一小區每個點打3鉆，然后把土樣混合作為一個樣本，室溫（25℃）下自然風干，風干后過 0.15、0.25 mm 篩備用。

土壤總有機碳（TOC）、全氮（TN）、全磷（TP）、速效鉀（AK）采用常規農業化學分析方法［11］。

土壤活性有機碳（LOC）測定［12］：秤取過 0.25 mm篩的風干土樣1.5 g于100 mL離心管中，加入333 mmoL/L KMnO425 mL，在室溫（25℃）條件下振蕩1 h，2 000 r/min離心5 min，取上清液用去離子水按1∶250稀釋，在分光光度計565 nm波長處進行比色。計算出LOC。

所有處理均以2012年土壤為參照土壤，計算不同土地利用方式下土壤 CMI［12］。

式（1）～（4）中，CPI為碳庫指數；TOC 為樣本總有機碳含量 （g/kg）；TOC0為對照總有機碳含量（g/kg）；L為樣本碳庫活度；LOC為樣本活性有機碳含量 （g/kg）；NLOC為樣本非活性有機碳含量（g/kg）；LI為碳庫活度指數；L0為對照碳庫活度；CMI為碳庫管理指數。

1.3 數據統計

各處理數據采取SAS 8.01進行單因素方差（ANOVA）分析，LSD 法（The least significant difference）顯著性檢驗（P＜0.05），Sigma plot 12.5 制圖。

2 結果與分析

2.1 不同土地利用方式下TOC變化情況

0～100 cm土層不同土地利用方式的TOC存在明顯差異（圖1），表現為隨土層深度增加而降低。0～20 cm土層各土地利用方式的TOC質量分數差異最大，表現為 T4＞T3＞T2＞T1，T4、T3、T2 較 T1 分別提高60.0%、53.3%和 13.3%。 20～40 cm 土層不同土地利用方式間差異次之，40～80 cm土層不同土地利用方式差異不大，80～100 cm土層不同土地利用方式間差異最小。

2.2 不同土地利用方式下的LOC變化情況

圖1 不同土地利用方式0～100 cm土層TOC變化

不同土地利用方式0～20 cm土層LOC含量情況見圖2。由圖2可見，不同土地利用類型0～20 cm土層 LOC 含量較未利用地（T0）均顯著（P＜0.05）提高。 T4、T3、T2 較 T0 分別提高 68.8%、59.9%和25.4%，較 T1 分別提高 42.4%、34.9%和 5.7%。

圖2 不同土地利用方式0～20 cm土層LOC含量

2.3 不同土地利用方式對土壤碳庫組分和CMI的影響

CMI受土地利用方式影響且存在明顯差異（表1）， 與 T0 相比，T1、T2、T3 和 T4均明顯高于 T0，具體為 T4＞T3＞T2＞T1＞T0。

表1 不同土地利用方式0～20 cm土層LOC與CMI

2.4 不同土地利用方式下LOC和CMI與土壤化學性質的相關性分析

不同土地利用方式TOC、LOC、CMI和土壤化學性質的相關分析 （表2）表明，LOC與NLOC、CMI、TOC 極顯著正相關（P＜0.01），與速效氮顯著負相關（P＜0.05）。 產量與速效氮、碳庫活度（L）顯著正相關（P＜0.05），與速效鉀顯著負相關（P＜0.05）。 CMI與LOC、NLOC 顯著正相關（P＜0.05），與速效氮顯著負相關（P＜0.05）。

表2 不同土地利用方式下土壤化學性質與產量的相關系數

2.5 主成分分析

由表3可知，13個指標中第一主成分貢獻較大的是 NLOC、TOC、CPI、LOC 和 CMI，負相關較大貢獻的是L、LI、產量和速效氮。第二主成分中沒有一個因子累計貢獻超過0.900 0，說明13個指標中第一主成分貢獻度最大。

由圖 3 可知，LOC、CMI、TOC、NLOC 與 CPI為第一聚類，說明LOC、CMI可以表征TOC，LOC和CMI在反映土壤養分供應狀況方面較TOC更為快速和準確，能夠作為指示土壤質量變化和評價土地利用方式的快速反應指標。產量、速效氮、LI、L為第二聚類，說明產量主要受速效氮、LI與L三個因子影響。全氮、全磷、速效鉀、速效磷為第三聚類，說明全量養分（N與P）主要受速效養分（K和P）的影響。

3 結論與討論

1）不同土地利用方式0～20 cm土層活性有機碳（LOC）及碳庫管理指數（CMI）較未利用土地（T0）均明顯提高，這與前人結論［13］相似。本研究耕地（T1）TOC、LOC 和 CMI均低于葡萄園地（T2）、棗樹園地（T3）和蔬菜地（T4），這可能與耕地的頻繁耕作致使土壤有機質加速礦化有關，一方面由于翻耕地（包括撂荒翻耕地和農用地）植物根系分布淺，土壤有機物料輸入少；另一方面，翻耕加速了土壤有機質的分解，顯著影響有機質礦化和積累［4］。

表3 主成分分析

圖3 主成分聚類分析

2）研究結果還表明，作物產量與速效氮、碳庫活度（L）顯著正相關（P＜0.05），與速效鉀顯著負相關（P＜0.05），但與 LOC 和 CMI相關性不顯著。 這與參考文獻［3，9］結論不同，本研究不同土地利用方式的作物產量分別來源于耕地、葡萄園地、棗樹園地與蔬菜地，致使產量的統計口徑不同，而參考文獻研究的作物產量統一來自于耕地，統計口徑相對統一，因此產量的不同統計口徑可能是造成結論差異的原因。下一步需深入探明同一種作物種植模式下作物產量與不同土地利用方式的LOC和CMI的相關關系。

3）LOC、CMI與TOC具有顯著相關關系，然而，TOC僅是一個礦化分解和合成的平衡結果，短時期內數量的變化不能得到靈敏的反映［14］，而LOC具有移動快、穩定性差、易氧化、易分解、易礦化，能被微生物直接利用的特點，故與土壤水溫效應和作物生長發育的關系更為密切［13］，從而能準確快速地反映不同土地利用方式對作物生長發育的影響。綜合考慮到指標的代表性及試驗成本，本研究認為，如果沒有特殊要求，建設選擇LOC或CMI任何一個指標即可快速反應不同土地利用方式對農田地力及作物產量的影響。關于LOC和CMI在表征土壤碳庫質量變化方面的優劣，仍需進一步作比較研究。此外，本研究中作物產量與碳庫活度指數（LI）是和樣本碳庫活度（L）均顯著正相關，而碳庫活度指數（LI）是作物土壤碳庫管理指數（CMI）代表性指標之一，可能由于本研究土壤類型（潮土）及取樣原因，掩蓋了指標間的相關關系，下一步需用結構方程模型深入探討指標間的直接相關和間接相關關系，闡明相關指標對農田地力及作物生長的影響機理。

綜上，不同土地利用方式對土壤TOC、LOC和CMI的影響存在較大差異，LOC和CMI可以作為不同土地利用方式和土壤碳庫質量的評價指標。