華北地區土地利用類型對土壤呼吸、有機碳組分和水穩性團聚體的影響

王 蕓, 趙鵬祥

(1.河北廣播電視大學 數字化學習資源中心, 石家莊 050080; 2.西北農林科技大學 林學院, 陜西 楊凌 712100)

人類在對自然資源進行不斷的開發利用過程中產生了明顯的環境問題，對于生態系統健康發展產生了不利影響，原有的氣候生態被改變[1-2]，氣溫上升、冰川融化等問題日益突出，使得可持續發展受到了較大挑戰。在CO2排放量不斷上升的情況下，局地氣溫呈現明顯的上升趨勢[3-4]，呈現了典型的氣候變暖問題，這不僅導致冰川融化加劇，迫使海平面上升，最終導致溫室效應的產生[5]，并帶來了較大的影響，不僅直接影響植被生長發育，還影響動植物新陳代謝等。相關統計數據表明，CO2含量的增長速度保持在0.4%以上[6-7]，其中起著關鍵作用的是陸地碳循環，而作為重要的碳通量途徑，土壤呼吸起著較大制約作用，并成為陸地最大碳源，即使其變化較小，但仍然能引起大氣CO2的較大變化[8-9]。通過研究發現，在全球氣溫出現明顯變化的情況下，土壤呼吸也出現了明顯的響應，其反饋效果明顯。大量的研究表明，在土地利用類型存在較大差異的情況下，其蒸騰作用也發生較大差異，土壤的濕度及溫度也會存在較大不同，其有機質含量發生著變化，對于微生物活動產生不同的影響，進而也對根系生長產生制約，最終對土壤呼吸形成明顯的制約效果，從而形成了較大的碳循環變化。通過相關數據分析得知，從20世紀90年代開始，隨著土地利用方式的改變，大氣中的碳源大幅增加，其含量較接近化石燃料形成的碳源，這是人類開發利用自然過程中形成的較大碳源之一。在這種情況下，越來越多的學者開展土壤呼吸相關研究，并從土地利用的角度開展相應試驗研究分析，并取得了較大的研究成果。

在土地利用方式不斷改變的情況下，土壤結構也隨之改變，其理化特征呈現顯著差異，尤其是肥力下降、活性降低成為主要的土壤問題，也是農業生產面臨的主要壓力之一，對于植被生長起著嚴重不利影響，其在結構退化的同時伴隨著有機碳的大幅下降，團聚體降低嚴重制約了其穩定性[10-11]。對于土壤團聚體而言，作為土壤重要構成，其在促進土壤結構穩定方面起著積極作用，能夠有效降低水土流失；此外，其能夠有效保護有機碳，進而在肥力保持方面發揮關鍵作用，提升土壤質量，對于植被生長及農作物生產起著積極作用，因此來說，團聚體常常被作為衡量土壤質量的標準之一[12]，目前對于分類，常常通過濕篩法加以區分大團聚體及微團聚體，劃分標準一般是250 μm[13]；其級別的不同，則在養分保持等方面的作用會發生較大差異，對于改善土壤孔隙度也存在較大不同，能夠對土壤理化特征產生較大影響，進而改變著土壤質量[14]。對于華北地區而言，其在糧食安全生產方面起著關鍵作用，其大面積的作物種植，成為糧食主產區之一[15]，同時也是人口密集區，在城鎮化不斷深入發展的過程中，出現了大面積的土地利用，大量的耕地被占用，原有的土地利用類型發生了巨變，農田資源逐漸降低，與此同時，土壤質量出現了較大下降，對于農業發展起著不利影響。然而對于該區域而言，其土地利用類型改變下土壤呼吸等方面的研究相對較少，對于其團聚體的研究并不多[16-17]，因此，本研究將立足于華北地區，從土地利用類型的角度來對土壤呼吸等進行探究，以分析其土壤質量方面的影響，以為農業生產提供有益參考和借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究區域選擇在河南省濟源，并在小浪底生態研究站開始具體試驗，該區域屬于地山丘陵地帶，接近小浪底樞紐，北靠太行山區域，多分布地山丘陵，受所處地理位置影響，其氣候特點呈現明顯的溫帶大陸季風特點，其近70%的降雨集中在夏季，而冬季氣溫較低，統計近年來該地區氣象數據分析得知，其年日照基本在2 300 h左右，該區域擁有近650 mm的年降雨量；對于該試驗區域而言，其土質多為褐色土，該土質屬于石灰巖風化淋溶而成，其厚度并不高，一般在50 cm左右；該試驗區域不僅分布著農田及果園，同時還分布不少人工林，整體而言呈現較多的土地利用類型。

1.2 樣品采集

結合本區域達到土地特點，加以利用方式的不同，在研究過程中選取了較為典型的5種土地開發方式：不僅選擇農田及果園這兩種作物開發方式，還選擇了次生林、人工林這兩種林木類型，同時將灌木加以考慮。根據不同的開發方式，各設置5個樣地，要求各林地的長、寬均為20 m，而果園要求10 m，農田和灌木要求為5 m，為了最大程度降低試驗誤差，特對各樣地設置3種重復，對于每個采樣點而言，要進行重復五次的采樣，并形成平行，要求各平行間隔不低于兩米。在取樣的過程中，為了降低取樣方式差異造成的誤差，特將其坡度要求不超過5°，并結合剖面法開展土樣采集，取樣深度要求達到30 cm，將獲取的原樣土裝入保鮮盒，并將之分為兩部分：其中一部分首先對其進行風干處理，之后進行有機碳含量的測定，另一部分經過初步風干，待其出現自然裂縫的情況下將之掰成多個團聚體，要求直徑在1 cm左右，最后借助于濕篩法確定后續的粒徑分組：首先選取100 g經過風干的土樣，將5 ml純水對之進行緩慢浸濕，并放置過夜，然后通過不同的篩子進行濕篩，要求振幅達到3 cm，頻率達到每分鐘50次，最終得到不同的團具體，其中粒徑在2 mm以上的為大團聚體，介于0.25至2 mm的為中團聚體，介于53 μm至0.25 mm的為微團聚體，其他微小團聚體為粘團聚體，之后對不同的團聚體進行烘干，稱重后測定質量分數。對于有機碳的測定借助于加熱法[18]。

對于土壤輕組分有機碳而言，其既非穩固態有機質，也非新鮮作物殘體，而是介于二者的物質，在一定重液的參與下能夠借助于浮選法加以分離，首先取土樣20 g，并過2 mm篩后置于NaI溶液，要求濃度達到1.8 g/cm3，溶液達到200 ml，然后對溶液離心管進行震蕩，靜置時間達到0.5 h后進行離心處理，處理時間為40 min，轉速為825 rpm；之后利用濾紙對其進行過濾處理，將剩余的溶液借助于去離子水清洗，接下來對濾紙上物質開展烘干處理，要求溫度達到65 ℃，處理時間為12 h，稱重后測定有機碳[12]。

對于顆粒有機碳POC的測定如下：首先將風干土樣取出20 g，要求土樣粒徑在2 mm以下，將之置于100 ml NaPO3溶液，先進行手搖后進行長達18 h的震蕩處理，然后將懸浮液過53 μm篩，過篩物質進行長達12 h的烘干，最終對有機碳開展測定[14]。

對于土壤呼吸的測定借助于Li-8100測量系統，該系統原理主要是紅外分析法，首先在各測定點將PVC環縱向插入，要求深度達到7 cm，待7 d后開展呼吸測定。

1.3 數據分析

對團聚體穩定性的測定借助于以下方式[13-15]：

幾何平均直徑(GMD)=exp[∑WilnXi]

Msoil=ρb·T×1000

Tadd=[(Msoil,equit-Msoil,surf)×0.0001]/ρb,subsurface

Melement=Msoil·Cconc×0.001

式中：n代表分組數；平均直徑用Xi表示；Wi代表的是質量分數；pb，T分別代表其容重及深度；Msoil，Msoil，equit分別代表單位面積、最大土壤質量。

Excel 2003整理觀測數據，通過SPSS 18.0開展單因素方差進行分析和顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 土地利用類型對土壤呼吸的影響

由圖1可知，不同土地利用類型對土壤呼吸具有明顯的影響，其中，不同土地利用類型土壤呼吸隨著月份的增加呈先增加后降低趨勢，在7月份最大，呈倒V字型變化規律，7月以后，土壤呼吸急劇降低，其中在1月份土壤呼吸速率最小。在7月之前，土壤呼吸速率基本表現為人工林>次生林>灌木>農田>果園，7月份以后土壤呼吸速率基本表現為次生林>人工林>灌木>農田>果園。不同土地利用類型土壤呼吸速率大小基本表現為次生林>人工林>灌木>農田>果園，其中，次生林和人工林顯著高于其他土地利用類型(p<0.05)，灌木和農田差異不顯著(p>0.05)，果園顯著低于其他土地利用類型(p<0.05)。

2.2 不同土地利用類型對土壤Q10的影響

本研究分別計算不同土地利用類型一年的土壤Q10值。由表1可知，不同土地利用類型Q10值大小范圍在1.65～1.97之間，其大小基本表現為次生林>人工林>灌木>農田>果園。由于不同土地利用條件下的土壤水分較充足，且變化范圍較小，不足以影響植物根系和土壤微生物的活動，難以區分出土壤含水量對Q10值的影響，同時也存在土壤體積含水率對土壤呼吸速率的影響作用被其他影響因子所遮蔽的可能。

注：不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)，下同。

表1 不同土地利用類型對土壤Q10的影響

2.3 不同土地利用類型對土壤有機碳的影響

由圖2可知，不同土地利用類型對土壤總有機碳(TOC)、顆粒有機碳(POC)和輕組分有機碳(SLFC)影響較為明顯，其中土壤總有機碳變化范圍在10.91～16.32 g/kg，其大小基本表現為次生林>人工林>灌木>農田>果園，其中次生林、人工林、灌木顯著高于農田和果園(p<0.05)，農田和果園差異不顯著(p>0.05)；輕組分有機碳(SLFC)變化范圍在4.18～6.23 g/kg，其大小基本表現為次生林>人工林>灌木>農田>果園，其中次生林、人工林、灌木顯著高于農田和果園(p<0.05)，次生林、人工林、灌木差異不顯著(p>0.05)，農田和果園差異不顯著(p>0.05)；顆粒有機碳(POC)變化范圍在3.02～5.69 g/kg，其大小基本表現為次生林>人工林>灌木>農田>果園，其中次生林、人工林、灌木顯著高于農田和果園(p<0.05)，農田和果園差異不顯著(p>0.05)。

圖2 不同土地利用類型對土壤有機碳的影響

2.4 不同土地利用類型對土壤團聚體組成的影響

圖3顯示，土壤團聚體組成受到不同土地利用類型的顯著影響。不同土地中的團聚體差異也比較大。粉+黏團聚體主要存在于果園以及農田中，比例高達40%；中間團聚體和粉+黏團聚體則主要存在于灌木之中；>0.25 mm的大團聚體則主要存在于人工林和次生林之中，比例為20%以上。>0.25 mm團聚體通常被稱為土壤團粒結構體，對土壤結構的穩定性有很大的決定作用，越高越好，因此被看做是土壤中最好的結構體。大團聚體會因為人工林和次生林開墾行為而出現破碎化的情形，林地中>0.25 mm的大團聚體含量都要比農田高47.3%和43.15%，這表明開墾的林地變成農田之后的土壤結構產生了極大的惡化；但是，如果農田轉化成果園之后，情況則相反，土壤中的中間團聚體和粒徑大的微團聚體增多，改善了土壤結構。

2.5 不同土地利用類型對土壤團聚體穩定性的影響

由圖4看出，與農田和果園相比，次生林和人工林的GMD高、MWD低。而果園與農田的GMD與MWD值跟林地比較，都顯著降低(p<0.05)。但是，當農田轉化成果園時，雖然GMD與MWD值都會呈現不同程度的下降，然后差異卻表現為不顯著(p>0.05)。這說明當林地轉化成農田以及果園的過程中，會極大的降低土壤團聚體的穩定性，但是當農田廢棄不耕種后期圖土壤團聚體的穩定性又會呈現增強的趨勢，這樣就會對其抵抗外力破壞的能力起到很大的提升作用。

圖3 不同土地利用類型各粒徑團聚體質量分數平均值

2.6 土壤水穩性團聚體和土壤呼吸與土壤有機碳相關分析

本文將土壤水穩性團聚體和土壤呼吸與土壤有機碳進行相關分析(表2)，結果表明：所測定的土壤中>0.25 mm團聚體含量、MWD，GMD和土壤呼吸均與土壤TOC，LFOC和POC皆呈現顯著正相關性(p<0.01)，其中>0.25 mm團聚體含量、MWD，GMD和土壤呼吸與LFOC和POC之間的相關關系達到極顯著水平(p<0.01)，且相關系數較大，說明與土壤TOC相比，LFOC和POC對土壤水穩性團聚體和穩定性的貢獻更大，并且LFOC和POC對土壤呼吸的貢獻更大。

圖4 不同土地利用類型下土壤團聚體平均質量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)

表2 土壤水穩性團聚體和土壤呼吸與土壤有機碳的相關分析

3 討論與結論

通過對土壤呼吸速率的計算得知，土壤呼吸受到不同土地利用類型的顯著影響。月份的不同也會影響到土壤呼吸，其變化規律為倒V，即主要呈現先不斷增加而后不斷降低的情形，土壤呼吸速率最大的月份是7月，最小的月份是1月。土壤呼吸速率因土地利用類型的不同而不同，果園的土壤呼吸速率最低，接著從低到高依次是農田、灌木、人工林，呼吸速率最高的是次生林。在這些土地類型匯總，人工林和次生林是比較顯著的(p<0.05)，差異不顯著(p>0.05)的主要是農田和灌木，比其他土地類型都顯著較低(p<0.05)的是果園，這個結果與以往的研究相同[13-15]，此外，研究分析顯示，土壤有機質含量與土壤呼吸之間存在相關關系，一般表現為顯著正相關。這是因為，林地的樹木大、根系龐雜，自然比農田中植物的根系呼吸要強。此外，林地的凋落物也增多，提高了林地土壤有機質的含量，對林地中土壤微生物的呼吸和生長起到了極大的促進作用[19-20]。用來衡量土壤呼吸對溫度變化敏感性的一個重要指標就是Q10值。在本文的分析中的次生林、人工林、灌木、農田以及果園4種土地利用類型中，其Q10值主要在1.65～1.97，最小的是果園，其次依次是農田、灌木、人工林，Q10值最大的是次生林。這種變化次序和土壤呼吸的變化基本相同。

對于土壤結構穩定性的衡量能夠借助于團聚體結構，其能夠對土壤理化特征加以體現，能夠作為重要的衡量指標之一，一方面平均重量直徑MWD能夠對其加以體現，另一方面，常用幾何平均直徑GMD對團聚體結構加以反映，二者是團聚體的重要指標[21]；且其與穩定性呈現正向的變化關系，其值越大說明其團聚能力越強，越能體現更強的穩定性；作為其重要的膠結物質，有機碳在團聚體中扮演重要角色，對于其穩定性起著關鍵作用[22]。大量研究表明，在土地利用不同的情況下，有機碳含量會發生較大差異，從而制約著團聚體穩定性。通過研究得知，在土層30 cm深度內，次生林的土壤有機碳含量最高，其次是人工林及灌木，而農田及果園最低。主要原因在于農田開發的不斷深入，其大團聚體大福下降，MWD和GMD值均呈現明顯的下降趨勢，并在0.05檢驗水平下達到顯著，對于林地而言，其被開墾后有機碳含量迅速降低，團聚體被明顯分散，其穩定性被大幅降低，不少研究發現，在農田長期耕作后團聚體直徑逐漸變小，且更容易破裂；而在農田棄耕的情況下，微團聚體減少，反而使得團聚體直徑出現增大的情況，并形成了大量中間團聚體，這將明顯提升其穩定性，以往不少學者也通過試驗對比得出了此結論[23-24]。通過試驗對比分析可知，有機碳的保護能夠促進團聚體穩定，進而促進土壤穩定性，尤其是在化肥施用方面搭配有機肥，降低單純的氮肥等單一化肥施用，從而降低土壤板結[21-23]，此外，實行秸稈還田等措施也有利于改善土壤結構，這樣能夠明顯增加大團聚體含量，將土壤穩定性得以明顯提升。通過試驗對比可知，與林地相比而言，農田有機碳含量下降并不明顯，二者差異未達到顯著水平，但是大團聚體出現了大福降低，其MWD和GMD值亦明顯下降，這也與根系存在密切關系[25]。對于農田而言，其植被密度明顯低于林地，且根系遠不如林地發達，因此其根系難以充分分泌膠結物質等，不利于大團聚體的形成，無法增強團聚效果[18-19]，從而使得其穩定性較弱。

通過試驗對比分析可知，與林地及灌木對比而言，農田不僅出現了較低含量的顆粒有機碳POC，而且其輕組分有機碳SLFC較低，這表明在對林地不斷開墾的過程中，有機碳含量呈現了大幅下降，不利于土壤結構穩定性，另外，在農田撂荒的情況下，有機碳含量將出現較明顯的上升[15-16]。對于林地和果園而言，其并未受到過度的開發利用，加之較為充足的枯枝落葉，在微生物分解之下能夠形成較多含量的碳，從而對土壤碳庫形成了較大的補充作用[25-27]，另外，根系轉化也能夠明顯促進碳含量的上升。對于土壤團聚體而言，作為土壤重要構成，其在促進土壤結構穩定方面起著積極作用，能夠有效降低水土流失；此外，其能夠有效保護有機碳，進而在肥力保持方面發揮關鍵作用，提升土壤質量；對于農田來說，由于長期的耕作而導致其表層土壤較為疏松，從而使得其碳含量出現較大的流失，此外，加之孔隙度的增加，有機碳礦化現象更為突出；待農作物成熟收割后，其秸稈難以及時還田，也無法繼續增加碳含量[27]。通過相關分析得知，就MWD，GMD和土壤呼吸而言，其與TOC，LFOC和POC之間均呈現正向變化關系，并達到了極顯著水平。