粵北山區不同土地利用方式下土壤有機碳及其組分特征

付志藍 盧瑛

摘? 要：土壤碳庫影響土壤肥力和全球氣候變化，土壤有機碳及其組分能夠敏感地反映土壤碳庫的變化。研究不同土地利用方式下土壤有機碳及其組分特征對指導土壤資源的合理利用與管理具有重要意義。采集粵北山區6種土地利用方式（林地、茶園、果園、棄耕地、水田、水旱輪作）的表層土壤（0～20 cm），測定土壤有機碳（SOC）及其易氧化有機碳（EOC）、顆粒有機碳（POC）、胡敏酸碳（HAC）、富里酸碳（FAC）和胡敏素碳（HMC）等組分，分析SOC及其組分對不同土地利用的響應以及SOC各組分之間的關系。研究結果表明：（1）水田和林地土壤SOC含量（16.70和16.42 g/kg）比茶園、果園和棄耕地土壤分別高出28.86%和26.99%、21.54%和20.56%、37.79%和35.48%（P<0.05）;（2）水田土壤EOC（4.83 g/kg）、HAC（2.81 g/kg）、胡/富比（0.83），HAC占SOC比例（16.80%）顯著高于其他5種利用方式土壤;而林地土壤FAC（5.01 g/kg）含量顯著高于其他5種利用方式土壤;（3）SOC與EOC、fPOC、POC、HAC、FAC、HMC呈顯著正相關。綜上所述，粵北山區HMC是土壤有機碳優勢組分，土壤有機碳各組分含量隨著有機碳含量增加而增加。種植水稻和林業利用有利于SOC的積累，可增加土壤有機碳庫、提高土壤肥力。

關鍵詞：土壤有機碳;有機碳組分;利用方式;粵北山區

中圖分類號：S153.6? ? ? 文獻標識碼：A

Characteristics of Soil Organic Carbon and Its Fractions under Different Land Uses in Northern Guangdong

FU Zhilan， LU Ying*

College of Natural Resources and Environment， South China Agricultural University / Key Laboratory of Arable Land Conservation in South China， Ministry of Agriculture and Rural Affairs / Guangdong Province Key Laboratory of Land Use and Consolidation， Guangzhou， Guangdong 510642， China

Abstract： Soil carbon pool affects soil fertility and global climate change. Soil organic carbon and its fractions are sensitive indicators of changes in soil carbon pool. Therefore，the study on soil organic carbon and its fractions under different land uses is of great significance to guide reasonable utilization and management of soil resource. Topsoil samples （0～20 cm） were collected under six land uses （woodland， tea garden， orchard land， abandoned land， paddy field and paddy-upland rotation） in northern Guangdong， soil organic carbon （SOC） and its fractions including easy oxidation of organic carbon （EOC）， particulate organic carbon （POC）， humic acid C （HAC）， humic acid C （FAC） and humin C （HMC） were determined. The respond of SOC and its fractions to different land uses and the relationship among SOC fractions were evaluated. SOC in paddy field （16.70 g/kg） and woodland （16.42 g/kg） was the highest， which was 28.86% and 26.99%， 21.54% and 20.56%， 37.79% and 35.48% higher compared with tea plantations， orchards and abandoned farmland respectively， with significant difference （P<0.05）. （2） Soil EOC （4.83 g/kg）， POC （0.98 g/kg）， HAC （2.81 g/kg）. The ratio of HAC to FAC （0.83）， the proportion of HAC to SOC （16.8%） in paddy field and FAC in wood land were significantly higher than the other five land uses. SOC was significantly positively correlated with EOC， fPOC， POC， HAC， FAC and HMC. Therefore， in mountainous areas of northern Guangdong， humin C was the dominant fraction of SOC， and the content of SOC fractions increased with the increase of SOC content. Rice planting and woodland utilization are beneficial to SOC accumulation， and can increase soil organic carbon pool and improve soil fertility.

Keywords： soil organic carbon; carbon fractions; land use type; mountainous area of northern Guangdong

DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2020.03.029

土壤有機碳（SOC）是土壤肥力的物質基礎和全球碳循環研究的核心內容[1-2]。土壤有機碳庫約占地表碳庫的61%[3]，其中與大氣成分進行的活性交換量約占陸地生態系統碳的2/3[4]。SOC的微小變化就能影響大氣中CO2的濃度，進而影響全球碳循環和氣候變化。不同SOC組分對土地利用方式的敏感度不同，不穩定組分對土地利用方式變化尤其敏感，能及時反映土地利用方式對土壤質量的影響[5]。土地利用作為人類干擾活動的主要形式，主要通過管理措施影響土壤有機物質的輸入量和分解速率進而影響SOC的含量和積累，在土壤固碳過程中起著重要作用[4]。同時，土地利用和土地覆被變化是僅次于化石燃料燃燒進入大氣的人為碳源[6]，因此，研究土地利用方式對SOC及其組分特征的影響，對提高土壤肥力和緩解全球氣候變化有重要意義。

有關土地利用方式對SOC及其組分分布的影響的研究報道有許多。Gelaw等[7]對埃塞俄比亞北部半干旱地區研究表明，放牧區SOC含量顯著高于耕地，與房飛等[8]在內蒙古多倫縣的研究結果相反。其表明不同區域SOC對土地利用和管理方式的響應不同。王芳麗等[9]對重慶西部紫色土的研究發現，林地SOC含量顯著高于耕地，與陳高起等[10]在重慶市中梁山巖溶區的研究結果相反。其表明土地利用方式對相同區域不同土壤類型的SOC的累積影響不同。李鑒霖等[11]對縉云山林地、果園、坡耕地和棄耕地4種土地利用方式下SOC及其組分特征的研究發現，細顆粒有機碳（fPOC）對土地利用方式的敏感程度明顯高于SOC及其他組分，與劉夢云等[12]相反。這表明SOC組分對土地利用響應的敏感程度不同[5]。因此，有必要開展不同區域土地利用方式對土壤有機碳庫影響的研究。

粵北山區地處中亞熱帶，土地利用類型多樣。前人在該區域開展了土地利用方式對表層土壤養分分布特征[13]、土壤微生物碳氮特征[14]的研究;也有關于SOC隨海拔梯度的變化[15]、人工次生林SOC密度分布特征及其主要影響因子[16-17]研究報道。但針對該區不同土地利用下SOC及其組分特征的研究鮮見報道。本研究以不同土地利用方式下的表層土壤為對象，研究SOC及其組分特征，揭示土地利用方式對土壤碳庫影響，為該區域土壤資源合理利用和管理提供參考。

1? 材料與方法

1.1? 供試土壤

選取廣東省韶關市樂昌市河南鎮排子村林地（WL）、茶園（TG）、果園（OL）、棄耕地（AL）、水田（PF）、水旱輪作（PU）的代表性地（田）塊各3塊，分別采集表層（0～20 cm）的土壤。土壤類型為花崗巖風化物發育的紅壤和水稻土，土壤樣品經風干、研磨過篩后保存待測。供試土壤的基本理化性質見表1。

1.2? 測定指標與方法

土壤pH采用電位法（水土比為2.5∶1）測定;土壤機械組成采用吸管法測定;土壤全氮（TN）采用凱氏定氮法測定;土壤堿解氮采用堿解擴散法;土壤總有機碳采用重鉻酸鉀硫酸消化法測定;土壤腐殖質碳采用0.1 mol/L焦磷酸鈉和0.1 mol/L氫氧化鈉溶液浸提;并采用重鉻酸鉀-硫酸消化法測定胡敏酸碳（HAC）、富里酸碳（FAC），胡敏素碳（HMC）=SOC?HAC?FAC[18]。易氧化有機碳（EOC）采用高錳酸鉀氧化法-比色法測定[19]。顆粒有機碳（POC）提取采用濕篩法將土壤顆粒物質分為粗顆粒物質和細顆粒物質，采用重鉻酸鉀硫酸消化法測定粗顆粒有機碳（cPOC）、細顆粒有機碳（fPOC）[20]。顆粒態有機碳含量的計算公式如下：

顆粒有機碳含量（g/kg）=顆粒物中土壤有機碳含量（g/kg）×顆粒物占土壤的質量分數

顆粒有機碳分配比例=顆粒有機碳含量/土壤有機碳含量×100%

1.3? 數據處理

采用Excel 2010軟件進行數據處理和作圖，利用SPSS 22軟件進行方差分析（Duncan法，α=0.05）。

2? 結果與分析

2.1? 不同利用方式下土壤有機碳和全氮含量變化

不同土地利用方式下SOC和TN含量如圖1，SOC含量為12.1～16.7 g/kg，其中水田和林地SOC含量顯著高于茶園、果園和棄耕地土壤，與水旱輪作土壤差異不顯著。不同土地利用方式下水田TN含量最高，為1.53 g/kg，顯著高于其他利用方式下的土壤。

2.2? 不同利用方式下土壤有機碳組分分布特征

由圖2可知，土壤POC含量為0.71～0.98 g/kg，水田土壤（0.98 g/kg）顯著高于茶園、果園和水旱輪作土壤，與林地和棄耕地土壤差異不顯著;水田土壤fPOC（0.90 g/kg）顯著高于茶園和水旱輪作土壤49.08%和39.13%;林地土壤cPOC含量顯著高于果園、棄耕地、水田和水旱輪作土壤，與茶園土壤差異不顯著。

不同利用方式下土壤EOC含量為2.89～4.83 g/ kg，水田EOC含量最高，為4.83 g/kg，顯著高于林地（4.04 g/kg）、水旱輪作（3.95 g/kg）、果園（3.43 g/kg）、茶園（2.91 g/kg）和棄耕地（2.89 g/kg）土壤。

不同土地利用方式下土壤腐殖質碳均以不溶性的HMC為主，不同腐殖質碳組分含量大小均為HMC>FAC>HAC。水田土壤HAC含量最高（2.81 g/kg），顯著高于林地（1.24 g/kg）、水旱輪作（2.09 g/kg）、棄耕地（1.59 g/kg）、茶園（0.97 g/kg）和果園（1.10 g/kg）土壤;林地土壤FAC含量最高（5.01 g/kg），顯著高于其余利用方式土壤;林地和水田土壤HMC（10.16和10.48 g/kg）顯著高于茶園、果園和棄耕地土壤，與水旱輪作差異不顯著。

胡/富比（HAC/FAC）是衡量土壤腐殖質復雜程度的指標，供試土壤HAC/FAC均<1，水田土壤HAC/FAC最大，為0.82，顯著高于其他利用方式土壤。

2.3? 不同土壤有機碳組分占土壤有機碳的分配比例

SOC組分的分配比例是指SOC組分占土壤總有機碳的比例，與SOC含量相比，更能反映出不同利用方式對碳轉化的影響，以及SOC的質量[21]。由表2可知，棄耕地土壤POC分配比例（7.12%）和fPOC分配比例（6.43%）均顯著高于其他土地利用方式土壤;水田土壤EOC分配比例（28.99%）顯著高于林地、茶園和棄耕地土壤，與果園和水旱輪作地差異不顯著;HAC分配比例（16.80%）顯著高于其他土地利用方式土壤;林地、茶園和果園土壤FAC分配比例均顯著高于棄耕地、水田和水旱輪作土壤。6種土地利用方式下，土壤cPOC和HMC分配比例分別為0.41%～0.96%和59.82%～63.28%，不同利用方式間的差異不顯著。

2.4? 土壤有機碳及其組分與土壤特性的相關性分析

由表3可知，土壤SOC含量與EOC、fPOC、HAC、FAC和HMC含量均呈極顯著正相關，與POC含量顯著正相關，其中HMC與SOC的相關更為密切，這說明EOC、POC、fPOC、HAC、FAC和HMC含量主要依賴于土壤總有機碳含量，其中HMC含量對SOC含量依賴程度最大。土壤SOC、EOC、POC、fPOC、HAC和HMC含量與TN、堿解氮呈顯著正相關，表明土壤SOC、EOC、POC、fPOC、HAC和HMC含量與土壤氮素含量高低密切相關。本研究FAC與其余SOC組分均無顯著相關性，但土壤pH和砂粒呈極顯著負相關關系，與黏粒呈極顯著正相關關系，表明FAC受到周圍環境如pH、質地等因素的影響程度較大。

3? 討論

本研究中水田和林地SOC含量顯著高于、茶園、果園、棄耕地，但與水旱輪作的差異不顯著，表明水田和林地均有利于SOC的積累。不同農業管理措施[21]，植被覆蓋[5]以及土地利用類型[11]均會影響土壤有機碳庫的儲量和周轉。水田處于季節性淹水狀態，在淹水環境下，土壤中的鐵、錳離子易與有機質發生絡合[22]，且當地秸稈還田現象普遍，增加了土壤中有機物質的輸入量。同時水田作為粵北山區主要的耕作方式，氮肥大量施用，提高了土壤氮供應水平。土壤微生物對土壤有機質的降解礦化速率降低，進而有利于SOC的積累[23]。Twongyirwe等[24]對烏干達西南部山區土壤研究發現，林地SOC顯著高于農田，其解釋為農田耕作過程中，土壤在耕層內上下擾動，土壤結構被破壞，加快SOC的分解速率，而林地凋落物聚集在土壤表層，分解后形成深厚的腐殖質層[11]，與本研究結論相似。茶園和果園凋落物總量偏少，且作物收獲使其土壤有機物歸還土壤量減少，造成SOC含量偏低;棄耕地由于長期無人管理，植被覆蓋度低，且位于坡陡處，土壤侵蝕作用較強，水土流失嚴重，表層SOC也隨之流失[25]。

本研究中EOC、HAC和HAC/FAC含量以及HAC的分配比例均表現為水田最高，而FAC含量則表現為林地最高。這與蘇永中等[21]的研究結果相似。其原因可能是SOC活性組分含量在很大程度上取決于SOC總量[5]，進一步證明了不同利用方式通過影響SOC組分含量，進而影響SOC含量;另外，SOC組分與土壤有機質的輸入來源、生物活性以及人為管理措施等因素密切相關[8]。EOC主要來源于生物殘體，具有一定溶解性，穩定性較差，易被氧化[26]。EOC分配比例可以用來反映土壤質量，EOC分配比例越高，SOC活性越大。水田季節性還原條件下，土壤中氧氣含量較少，有利于EOC的積累[23]。而與水田相比，林地表層土壤長期處在好氣狀態，強烈的微生物活動促進SOC的分解與礦化，不利于EOC的積累[27];另一方面可能由于EOC測定方法造成的。化學氧化主要是破壞顆粒表面，而未被破壞的顆粒內部的一些有機質無法被氧化[26]。POC是土壤非保護性碳，主要由新近凋落的、半分解的、與土壤礦物質結合不緊的植物殘體組成[26]，分為fPOC（53～250 μm）和cPOC（250～2000 μm），其中cPOC對人為干擾和耕作措施的反映更加敏感[28]，林地人為干擾較少，有利于cPOC的積累。FAC相對于HAC分子較小且活性較大，是腐殖質中的活躍物質，胡敏酸碳/富啡酸碳比（HAC/FAC）可反映土壤腐殖質腐殖化程度的重要指標，其值越大說明胡敏酸碳含量越高，SOC質量越好[29]。水田為耕作土壤，根茬殘留量大，且水稻殘留物較易腐殖化[22]，土壤有機質的輸入除了植物根系殘渣歸還外，當地水田施肥主要為有機無機肥配施，促進了土壤富里酸向胡敏酸轉化，使土壤腐殖化程度增加[29]。

4? 結論

土地利用方式影響粵北山區表層土壤有機碳及其組分的分布，水田和林地土壤有機碳含量顯著高于茶園、果園和棄耕地，有利于土壤有機碳積累。6種土地利用方式下，水田土壤易氧化有機碳、胡敏酸碳含量及胡敏酸碳分配比例和胡/富比均最高，土壤有機質腐殖化程度較高。林地土壤富里酸碳含量最高，土壤有機碳組分對利用方式的響應比土壤有機碳總量更敏感。土壤有機碳及其組分之間呈現顯著的相關性，不同腐殖質碳組分含量大小均為胡敏素碳>富里酸碳>胡敏酸碳，胡敏素碳是土壤有機碳碳的主要組分。

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