干旱荒漠綠洲區(qū)不同土地利用方式對(duì)土壤易氧化及溶解性有機(jī)碳的影響

王衛(wèi)霞，阿麗婭·阿力木，楊 光，王振錫

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園藝學(xué)院/新疆教育廳干旱區(qū)林業(yè)生態(tài)與產(chǎn)業(yè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】土壤活性有機(jī)碳組分是土壤微生物活動(dòng)的能源物質(zhì)，也是土壤養(yǎng)分的主要驅(qū)動(dòng)力[1]，雖然其占土壤總有機(jī)碳的比例較小，但可以直接參與土壤化學(xué)反應(yīng)并調(diào)節(jié)碳素轉(zhuǎn)化[2-3]?；钚杂袡C(jī)碳是土壤中易被微生物分解，有效性較高的那部分有機(jī)碳[4]，對(duì)土地利用改變反應(yīng)更加敏感[5]，能更實(shí)際地反映出土地利用改變對(duì)土壤碳庫(kù)的影響[6-8]。土壤易氧化有機(jī)碳(Liable Organic Carbon, LOC)和溶解性有機(jī)碳(Dissolved Organic Carbon, DOC)是土壤活性有機(jī)碳的重要組分，對(duì)周?chē)h(huán)境變化的響應(yīng)更為敏感，常被作為評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量變化的有效指標(biāo)[9]。研究這些更具活性或更具代表性的有機(jī)碳組分含量，對(duì)因土地利用改變而引起土壤質(zhì)量及土壤碳庫(kù)的差異具有重要意義。【前人研究進(jìn)展】土壤易氧化有機(jī)碳、溶解性有機(jī)碳能夠作為外部環(huán)境改變引起土壤碳庫(kù)變化做出迅速響應(yīng)的敏感指標(biāo)[10-11]。張仕吉等[8]研究表明，不同土地利用方式下土壤溶解性有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳均可作為土壤活性有機(jī)碳庫(kù)的重要組分，其含量的變化均將會(huì)導(dǎo)致土壤總有機(jī)碳含量的變化，其中易氧化有機(jī)碳含量具有較強(qiáng)指示作用。在寧夏六盤(pán)山地區(qū)，農(nóng)田和草地營(yíng)造人工林后，在0～50 cm土層人工林土壤易氧化有機(jī)碳比農(nóng)田和草地分別提高129%和29%[12]。巖溶山區(qū)不同利用方式土壤易氧化有機(jī)碳含量依次為竹林>菜地>草地>林地>園地>棄耕地[13]。溶解性有機(jī)碳與土壤總有機(jī)碳之比是表征土壤生物活性有機(jī)碳庫(kù)周轉(zhuǎn)的較好指標(biāo)[14-15]。土地利用方式的變化可引起土壤溶解性有機(jī)碳含量顯著的變化[16-17]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】近年來(lái)，隨著新疆特色林果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的過(guò)程中，多數(shù)農(nóng)田被更替為果園亦或果農(nóng)間作，這種土地利用方式的變化對(duì)土壤活性有機(jī)碳組分產(chǎn)生怎樣的影響，目前還不清楚。亟需研究干旱荒漠綠洲區(qū)不同土地利用方式對(duì)土壤易氧化及溶解性有機(jī)碳的影響?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】在新疆阿克蘇地區(qū)，選擇種植背景、管理方式及土壤理化性質(zhì)等基本一致的小麥地、棗園、棗麥間作園等3種不同的土地利用方式作為研究對(duì)象，分析不同土地利用方式對(duì)土壤易氧化及溶解性有機(jī)碳的影響，為選擇優(yōu)化土地利用方式、提高該區(qū)土壤生產(chǎn)力和土地管理水平提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

野外調(diào)查研究區(qū)位于新疆阿克蘇地區(qū)溫宿縣克孜勒鎮(zhèn)。E79°28′～81°30′，N40°52′～42°21′?？h境地貌北高南低，分為北部山區(qū)和南部平原2大部分，屬典型大陸性暖溫帶干旱氣候，晝夜溫差懸殊較大，年均氣溫10.10℃，年均降水量65.4 mm，年均無(wú)霜期185 d。

2018年7～8月，采用典型樣方法在阿克蘇地區(qū)溫宿縣克孜勒鎮(zhèn)設(shè)置樣方進(jìn)行調(diào)查。依據(jù)溫宿縣林業(yè)局和克孜勒鎮(zhèn)林管站歷史記載數(shù)據(jù)及走訪(fǎng)調(diào)查結(jié)果，選取種植背景、管理方式及土壤理化性質(zhì)等基本一致的小麥地、棗園、棗麥間作園等3種不同土地利用方式為研究對(duì)象，其中棗園和棗麥間作園均為農(nóng)田改建后形成的棗園，棗樹(shù)年齡均為15年左右，以小麥地作為對(duì)照樣地。

1.2 方 法

1.2.1 土壤樣品采集

每一種土地利用方式下都選擇3個(gè)作為試驗(yàn)樣地的重復(fù)，共計(jì)9個(gè)樣地。在每個(gè)果園內(nèi)選擇6株具有代表性的果樹(shù)，在樹(shù)冠投影面距樹(shù)干1 m處布設(shè)采樣點(diǎn)，在間作的農(nóng)作物行、小麥樣地內(nèi)，以“S”形布設(shè)采樣點(diǎn)，在每個(gè)采樣點(diǎn)采集土壤剖面0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm的土壤樣品各2份，把同一個(gè)樣地內(nèi)不同采樣點(diǎn)上采集的土壤樣品按照相同層次分別混合后作為處理的一個(gè)重復(fù)備用。用環(huán)刀采集原狀土樣測(cè)定土壤容重。將采集的土壤樣品1份帶回室內(nèi)自然風(fēng)干，研磨后過(guò)篩，測(cè)定土壤總有機(jī)碳及易氧化有機(jī)碳含量，另1份土壤樣品放入便攜式冰盒中，帶回實(shí)驗(yàn)室于4℃冰箱低溫保存用于測(cè)定土壤溶解性有機(jī)碳含量。

1.2.2 測(cè)定指標(biāo)

土壤總有機(jī)碳的測(cè)定采用重鉻酸鉀-外加熱法測(cè)定[18]，土壤易氧化有機(jī)碳采用333 mmol/L KMnO4氧化比色法測(cè)定[10]，土壤溶解性有機(jī)碳采用鮮土10 g，按水土比4∶1，蒸餾水浸提，在25℃下恒溫振蕩30 min，后用0.45 μm的微孔濾膜抽濾，濾液直接測(cè)定[19]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS21.0軟件統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)，利用SigmaPlot10.0 軟件作圖。不同土地利用方式的土壤總有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳、溶解性有機(jī)碳含量及各活性有機(jī)碳的分配比例均采用單因素方差分析方法檢驗(yàn)在P= 0.05水平上的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用方式下土壤剖面總有機(jī)碳含量的分布特征

研究表明，在新疆阿克蘇干旱荒漠綠洲區(qū)0～100 cm的土壤剖面上土壤總有機(jī)碳含量為0.74～11.2 g/kg，平均值為(5.17±0.36)g/kg，變異系數(shù)為0.55。在0～100 cm土壤剖面上，不同土地利用方式下土壤總有機(jī)碳含量的平均值表現(xiàn)為棗園>棗麥間作 >小麥。棗園和棗麥間作園的土壤總有機(jī)碳含量差異不顯著(P>0.05)，但兩者均顯著高于小麥地的土壤總有機(jī)碳含量(P< 0.05)，農(nóng)田改建為果園或果農(nóng)間作園后顯著提高了土壤總有機(jī)碳含量。土壤總有機(jī)碳含量均表現(xiàn)為隨土壤深度的增加呈逐漸降低的趨勢(shì)，0～20 cm土層總有機(jī)碳含量均顯著高于20 cm以下土層(P< 0.05)。表1，表2

表1 不同土地利用方式下0～100 cm土壤剖面總有機(jī)碳含量平均值Table 1 Descriptive statistics of total organic carbon content of 0-100 cm under different land use types

2.2 不同土地利用方式下土壤易氧化及溶解性有機(jī)碳含量的分布特征

研究表明，0～100 cm土層小麥、棗園及棗麥間作園土壤易氧化有機(jī)碳和非活性有機(jī)碳含量的變幅分別為0.17～1.62和1.31～4.12、0.23～2.10和2.77～7.46 g/kg及0.31～2.15和1.96～8.44 g/kg。在0～100 cm土壤剖面上，不同土地利用方式下土壤易氧化有機(jī)碳含量除10～20 cm土層外，其它各土層均表現(xiàn)為棗麥間作>棗園>小麥，非活性有機(jī)碳則表現(xiàn)為棗園 >棗麥間作>小麥。不同土地利用方式下土壤易氧化有機(jī)碳和非活性有機(jī)碳在土壤剖面垂直分布上與總有機(jī)碳含量變化一致，均是表層0～10 cm土層含量最高，隨土層加深呈逐漸減少趨勢(shì)。在各個(gè)土層，土壤易氧化有機(jī)碳含量均比非活性有機(jī)碳含量低，土壤有機(jī)碳大多是以非活性有機(jī)碳的形式儲(chǔ)存于土壤中。由農(nóng)田更替為棗園或棗麥間作后，除30～40 cm土層外，其它各土層土壤易氧化有機(jī)碳含量均有顯著提高(P< 0.05)，非活性有機(jī)碳含量各土層也均有提高。圖1

由農(nóng)田更替為果園或果農(nóng)間作后，顯著提高了土壤溶解性有機(jī)碳含量，這和土壤總有機(jī)碳含量變化趨勢(shì)一致。0～100 cm土層，棗園和棗麥間作園土壤溶解性有機(jī)碳含量分別比小麥地提高31.2%～85.3% 和57.7%～94.6%。圖2

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫(xiě)字母表示同一土層不同土地利用方式之間差異顯著(P<0.05)，下同

圖2 不同土地利用方式下土壤溶解性有機(jī)碳含量的分布特征Fig.2 Distribution characteristics of dissolved organic carbon content under different land use types

2.3 不同土地利用方式下土壤易氧化及溶解性有機(jī)碳的分配比例及相關(guān)性

研究表明，不同土地利用方式下土壤易氧化及溶解性有機(jī)碳的分配比例變化，不同土地利用方式下土壤易氧化有機(jī)碳分配比例在0～40 cm土層高于40～100 cm土層，隨土壤深度的增加其分配比例逐漸減少。由農(nóng)田更替為果園后，降低了各土層易氧化有機(jī)碳分配比例，降低幅度為1.83%～36.08%。農(nóng)田更替為果農(nóng)間作園后，降低了0～10 cm和10～20 cm土層的易氧化有機(jī)碳分配比例，其余土層表現(xiàn)為增加。溶解性有機(jī)碳分配比例大致隨土層深度增加呈先減少后增加的變化趨勢(shì)。由農(nóng)田更替為果園后，增加了20～30 cm、30～40 cm和40～60 cm土層的溶解性有機(jī)碳分配比例，其他土層均表現(xiàn)為下降。農(nóng)田更替為果農(nóng)間作后，除0～10 cm和80～100 cm土層外，其余土層土壤溶解性有機(jī)碳分配比例均增加。表2

表2 土壤有機(jī)碳含量及各活性有機(jī)碳組分的分配比例Table 2 Soil organic carbon content and distribution ratio of active organic carbon components

研究表明，研究區(qū)內(nèi)土壤易氧化有機(jī)碳及非活性有機(jī)碳與土壤總有機(jī)碳均呈極顯著相關(guān)關(guān)系(P< 0.01)。其中小麥、棗園和棗麥間作園的土壤易氧化有機(jī)碳與土壤總有機(jī)碳的相關(guān)系數(shù)分別為0.69、0.86和0.95，不同土地利用方式土壤易氧化有機(jī)碳和總有機(jī)碳含量的相關(guān)性是存在差異的，而且土壤易氧化有機(jī)碳與總有機(jī)碳含量的相關(guān)系數(shù)均小于非活性有機(jī)碳與總有機(jī)碳含量的相關(guān)系數(shù)。圖3，圖4

圖3 土壤易氧化和非活性有機(jī)碳與總有機(jī)碳相關(guān)關(guān)系Fig.3 Relationship between the liable organic carbon, non- liable organic carbon and total organic carbon

圖4 土壤溶解性有機(jī)碳與總有機(jī)碳相關(guān)關(guān)系Fig.4 Relationship between the dissolved organic carbon and total organic carbon

不同土地利用方式下土壤溶解性有機(jī)碳與總有機(jī)碳均顯著相關(guān)。其中，小麥地土壤溶解性有機(jī)碳與總有機(jī)碳含量呈顯著正相關(guān)(P< 0.05)，棗園和棗麥間作園土壤溶解性有機(jī)碳與總有機(jī)碳含量呈極顯著正相關(guān)(P< 0.01)，小麥、棗園和棗麥間作園土壤溶解性有機(jī)碳與總有機(jī)碳含量的相關(guān)系數(shù)分別為0.50、0.59和0.66。圖4

3 討 論

3.1 不同土地利用方式下土壤易氧化有機(jī)碳的變化特征

土壤易氧化有機(jī)碳是土壤養(yǎng)分的潛在來(lái)源，同時(shí)也是土壤微生物活動(dòng)的主要能源，是有機(jī)碳中穩(wěn)定性相對(duì)較差的有機(jī)碳組分，其移動(dòng)速度快、性質(zhì)不穩(wěn)定和易被微生物分解利用的特性在土壤碳循環(huán)和土壤肥力提高方面具有重要意義[20]。研究中農(nóng)田更替為果園或果農(nóng)間作園后，0～10 cm和10～20 cm土層土壤總有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳含量均顯著提高。這和趙世偉等[21]研究結(jié)果較為一致。相對(duì)于農(nóng)田，果園和果農(nóng)間作模式下土壤擾動(dòng)較小，地表覆蓋度及果樹(shù)郁閉度相對(duì)較高，土壤溫度下降，保持了一定的土壤濕度和水分含量，不利于土壤有機(jī)碳的礦化分解，反而促進(jìn)了土壤有機(jī)碳的積累[22]，而土壤易氧化有機(jī)碳的含量主要來(lái)自于土壤總有機(jī)碳含量，因此，果園和果農(nóng)間作園土壤易氧化有機(jī)碳含量也提高。另外，也有研究表明，土壤中的易氧化有機(jī)碳含量與其對(duì)應(yīng)的土壤濕度呈顯著正相關(guān)[23]。在濕度較高的土壤中，土壤處于嫌氣狀態(tài)，使得微生物活性降低，土壤有機(jī)碳分解速率下降，有利于易氧化有機(jī)碳的積累[24-26]，這可能也是研究中果園和果農(nóng)間作園土壤易氧化有機(jī)碳高于農(nóng)田的原因之一。不同土地利用方式下土壤易氧化有機(jī)碳含量的空間分布也有所差異。在0～100 cm土壤剖面上，農(nóng)田、果園及果農(nóng)間作園土壤易氧化有機(jī)碳含量與總有機(jī)碳含量變化趨勢(shì)類(lèi)似，均隨著土層厚度的加深呈逐漸減少的趨勢(shì)。土壤易氧化有機(jī)碳含量在很大程度上取決于土壤總有機(jī)碳的含量，而植被類(lèi)型、凋落物數(shù)量和質(zhì)量及根系分布均會(huì)影響土壤總有機(jī)碳的分布[27]，隨著土壤深度的增加，植物殘?bào)w和根系分泌物的輸入越來(lái)越少，導(dǎo)致下層土壤有機(jī)碳的來(lái)源逐漸減少，因此，土壤易氧化有機(jī)碳含量也越低。

土壤易氧化有機(jī)碳占總有機(jī)碳的比率稱(chēng)為易氧化有機(jī)碳的分配比例[28]，它比易氧化有機(jī)碳總量更能反映土地利用變化對(duì)土壤碳行為的影響[29-30]，土壤易氧化有機(jī)碳分配比例大小可用于表征土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性，其分配比例越高，土壤有機(jī)碳的活性越強(qiáng)，養(yǎng)分循環(huán)越快，但有機(jī)碳的穩(wěn)定性越差，越不利于土壤有機(jī)碳的累積[31]。一般土壤易氧化有機(jī)碳的分配比例介于15%～25%，在不同的生態(tài)系統(tǒng)中表現(xiàn)有所不同[32]。研究區(qū)土壤易氧化有機(jī)碳分配比例范圍為8.43%～28.23%。與農(nóng)田土壤相比，果園土壤0～100 cm土層范圍內(nèi)，除40～60 cm土層外，其余土層易氧化有機(jī)碳占總有機(jī)碳比例均表現(xiàn)為下降，而果農(nóng)間作園土壤則表現(xiàn)為0～20 cm土層易氧化有機(jī)碳占總有機(jī)碳比例下降，其余土層易氧化有機(jī)碳分配比例均增加，說(shuō)明農(nóng)田轉(zhuǎn)化為果園提高了土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性，促進(jìn)了土壤有機(jī)碳的積累且主要以非活性有機(jī)碳成分為主；而農(nóng)田轉(zhuǎn)化為果農(nóng)間作園僅提高了表層0～20 cm土層有機(jī)碳的穩(wěn)定性，不利于深層土壤有機(jī)碳的積累。

3.2 不同土地利用方式下土壤溶解性有機(jī)碳的變化特征

土壤溶解性有機(jī)碳主要來(lái)自枯枝落葉、土壤腐殖質(zhì)及根系分泌物等，雖然只占土壤總有機(jī)碳的很小部分，但它卻是土壤微生物活動(dòng)的重要物質(zhì)條件和能量來(lái)源，是土壤微生物可以直接利用的有機(jī)碳源，易受土壤淋溶作用的影響[33-35]。研究中由農(nóng)田更替為果園或果農(nóng)間作園后，均顯著提高了土壤溶解性有機(jī)碳含量，不同土地利用方式下，土壤溶解性有機(jī)碳含量的變化趨勢(shì)與土壤總有機(jī)碳含量的變化趨勢(shì)一致。徐秋芳等[36]研究也表明，土壤總有機(jī)碳高的土壤溶解性有機(jī)碳含量也常常較高。此外在0～100 cm土壤剖面上，土壤溶解性有機(jī)碳含量隨著土壤深度的增加呈減少的趨勢(shì)，這主要是由于隨著土壤深度的增加，溶解性有機(jī)碳的重要來(lái)源植物根系、根系分泌物及微生物代謝產(chǎn)物等均在逐漸減少[37]。從不同土壤層次來(lái)看，不同土地利用方式下土壤溶解性有機(jī)碳的分配比例從上到下表現(xiàn)為先減少后上升的趨勢(shì)，這與溶解性有機(jī)碳的可溶性和隨水流動(dòng)性特點(diǎn)及隨下滲水遷移是密切相關(guān)的[38-39]。

土壤活性有機(jī)碳主要來(lái)源于土壤總有機(jī)碳，但易受微生物分解和利用的影響。對(duì)不同土地利用方式下0～100 cm土層土壤總有機(jī)碳含量與土壤易氧化有機(jī)碳及溶解性有機(jī)碳含量之間的相關(guān)性進(jìn)行了分析。研究區(qū)內(nèi)土壤易氧化有機(jī)碳與土壤總有機(jī)碳均呈極顯著相關(guān)性(P< 0.01)。其中棗園和棗麥間作園中土壤易氧化有機(jī)碳與土壤總有機(jī)碳的相關(guān)系數(shù)均大于農(nóng)田小麥地。棗園和棗麥間作園中土壤溶解性有機(jī)碳與總有機(jī)碳含量的相關(guān)性也達(dá)到極顯著水平(P< 0.01)，這一方面說(shuō)明土壤總有機(jī)碳的變化制約著各活性有機(jī)碳的變化，另一方面也說(shuō)明各土壤活性有機(jī)碳雖然表述和測(cè)定方法不同，但它們均從不同角度在一定程度上表征了土壤中活性較高的那部分有機(jī)碳含量[33, 40-41]。研究還發(fā)現(xiàn)，不同土地利用方式下，溶解性有機(jī)碳與總有機(jī)碳含量的相關(guān)系數(shù)要小于易氧化有機(jī)碳與總有機(jī)碳含量的相關(guān)系數(shù)，這可能與土壤的氧化物和粘土礦物對(duì)溶解性有機(jī)碳的吸附作用及溶解性有機(jī)碳隨滲透水的遷移有關(guān)[42-43]。

4 結(jié) 論

在新疆阿克蘇干旱荒漠綠洲區(qū)不同土地利用方式0～100 cm的土壤剖面上土壤總有機(jī)碳含量為0.74～11.2 g/kg，平均值為(5.17±0.36)g/kg，變異系數(shù)為0.55。0～100 cm土層小麥、棗園及棗麥間作園土壤易氧化有機(jī)碳和溶解性有機(jī)碳含量的變幅分別為0.17～1.62 g/kg、115.28～329.67 mg/kg、0.23～2.10 g/kg和206.84～432.48 mg/kg、0.31～2.15 g/kg、181.74～593.04 mg/kg。由農(nóng)田更替為棗園或棗麥間作園后，土壤易氧化有機(jī)碳和溶解性有機(jī)碳含量均有顯著提高(P< 0.05)，0～100 cm土層，棗園和棗麥間作園土壤溶解性有機(jī)碳含量分別比小麥地提高31.2%～85.3% 和57.7%～94.6%。在0～100 cm土層土壤剖面上，不同土地利用方式下土壤易氧化有機(jī)碳、溶解性有機(jī)碳含量及易氧化有機(jī)碳分配比例均表現(xiàn)為隨土壤深度的增加而下降，溶解性有機(jī)碳分配比例則表現(xiàn)為先減少后增加的趨勢(shì)。不同土地利用方式下，小麥、棗園和棗麥間作園的土壤易氧化有機(jī)碳、溶解性有機(jī)碳含量均與土壤總有機(jī)碳含量顯著正相關(guān)，且不同土地利用方式土壤易氧化有機(jī)碳和總有機(jī)碳含量的相關(guān)性是存在差異的，而且土壤易氧化有機(jī)碳與總有機(jī)碳含量的相關(guān)系數(shù)均小于非活性有機(jī)碳與總有機(jī)碳含量的相關(guān)系數(shù)。