苑亞茹, 李 娜, 鄒文秀, 尤孟陽(yáng), 韓曉增,*, 馬大龍

1 哈爾濱師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,哈爾濱 150025 2 中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱 150081

土壤有機(jī)碳(SOC)對(duì)于維持土壤肥力和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展,緩解溫室氣體增加和全球氣候變化的影響具有重要的雙重意義[1]。SOC取決于土壤有機(jī)物質(zhì)的輸入量和輸出量的動(dòng)態(tài)平衡,不同生態(tài)系統(tǒng)既可以通過(guò)影響地表凈初級(jí)生產(chǎn)量和死亡有機(jī)物質(zhì)的滯留量直接影響植物殘?bào)w的輸入,也可以通過(guò)潛在改變土壤的生物、化學(xué)與物理過(guò)程而間接影響輸出[2],因此,生態(tài)系統(tǒng)類型是影響SOC水平的重要因素。關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)類型對(duì)SOC影響的研究已有大量報(bào)道,然而其對(duì)SOC的變化方向以及數(shù)量大小的影響仍存在很大的差異及不確定性,可能與區(qū)域自然條件、植被類型、土壤類型、管理措施、試驗(yàn)時(shí)間的長(zhǎng)短等因素有關(guān)[3]。

土壤有機(jī)碳變化對(duì)不同生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)通常是相對(duì)較慢的過(guò)程,同時(shí)相對(duì)于SOC背景值較高的土壤,其變化又是很小的。因此,將SOC分為具有不同周轉(zhuǎn)周期和生物穩(wěn)定性的有機(jī)碳組分,并定量相應(yīng)碳庫(kù)的容量是進(jìn)行SOC動(dòng)態(tài)變化研究的基礎(chǔ)。目前,基于土壤團(tuán)聚體分級(jí)的物理分組方法被廣泛應(yīng)用于SOC的動(dòng)態(tài)研究之中[4- 5]。由于土壤團(tuán)聚體對(duì)SOC保護(hù)機(jī)制的不同,有機(jī)碳在不同粒徑團(tuán)聚體以及團(tuán)聚體內(nèi)部組分中的穩(wěn)定程度不同。一般而言,粉粘粒通過(guò)物理或物理化學(xué)機(jī)制與有機(jī)碳緊密結(jié)合,比大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體更具穩(wěn)定性；微團(tuán)聚體對(duì)土壤有機(jī)碳的保護(hù)程度大于大團(tuán)聚體[6]。土壤團(tuán)聚體可進(jìn)一步分為顆粒有機(jī)質(zhì)和粉粘粒兩種組分。由于微團(tuán)聚體和大團(tuán)聚體本身穩(wěn)定性的差異,微團(tuán)聚體,尤其是閉蓄態(tài)微團(tuán)聚體中細(xì)顆粒有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定性較強(qiáng)[7],而大團(tuán)聚體中粗顆粒有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定性相對(duì)較差[8]。因此,從土壤有機(jī)碳物理穩(wěn)定性上,基于團(tuán)聚體分級(jí)得到的粗顆粒有機(jī)質(zhì)、細(xì)顆粒有機(jī)質(zhì)和粉粘粒組分,分別對(duì)應(yīng)活性碳庫(kù)、慢性碳庫(kù)和惰性碳庫(kù)等3個(gè)概念庫(kù)[9]?；趫F(tuán)聚體分級(jí)將土壤有機(jī)碳進(jìn)行分組并定量研究相應(yīng)碳庫(kù)的容量,將有助于理解不同生態(tài)系統(tǒng)下土壤有機(jī)碳的變化及潛在機(jī)制。

東北自然黑土富含有機(jī)質(zhì),土壤結(jié)構(gòu)良好,0—12 cm表土層>250 μm水穩(wěn)性團(tuán)聚體比例可達(dá)88%[10]。但黑土開墾為農(nóng)田后,表層水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量迅速減少[11],土壤有機(jī)質(zhì)急劇下降。前人已開展了生態(tài)系統(tǒng)類型對(duì)黑土總有機(jī)碳儲(chǔ)量和團(tuán)聚體粒級(jí)分布的影響研究[12- 14],然而尚缺乏對(duì)不同生態(tài)系統(tǒng)下土壤團(tuán)聚體,尤其團(tuán)聚體內(nèi)部組分有機(jī)碳的定量研究。本研究利用典型黑土區(qū)27年長(zhǎng)期定位試驗(yàn),在氣候、母質(zhì)、地形和開墾歷史等因素相同的條件下,研究草地生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)和裸地生態(tài)系統(tǒng)下土壤團(tuán)聚體及團(tuán)聚體內(nèi)部組分中有機(jī)碳的分布,解析不同生態(tài)系統(tǒng)類型下黑土團(tuán)聚體和有機(jī)碳固持間的關(guān)系,從團(tuán)聚體尺度揭示黑土有機(jī)碳的物理穩(wěn)定性機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗(yàn)位于海倫農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站(47°26′N,126°38′E),地處我國(guó)東北黑土帶的中心區(qū)域,海拔240 m。該區(qū)域?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候,年均氣溫1.5℃,年均降水量550 mm,80%集中在5—9月。作物有效生長(zhǎng)季為120—130 d,生長(zhǎng)季≥10℃有效積溫為2450—2500℃,全年日照時(shí)數(shù)2600—2800 h,無(wú)霜期120 d左右。季節(jié)性凍層發(fā)育時(shí)間從每年10月末開始,最大凍層發(fā)育深度為185—227 cm,翌年3月開始融凍,直至7月上旬化通,歷時(shí)240 d左右。土壤為第四紀(jì)黃土狀亞粘土發(fā)育而成的中厚黑土。研究區(qū)有100 年以上的墾殖歷史,開墾前自然植被類型為草原化草甸。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與樣品采集

長(zhǎng)期定位試驗(yàn)始于1985年,設(shè)置3種生態(tài)系統(tǒng)：(1)草地生態(tài)系統(tǒng)(Grassland),退耕休閑至今,不加任何管理,草原化草甸植被自然恢復(fù),主要植被有狗尾草(Leymuschinesis)、苔草(Caressp.)、問(wèn)荊(Equisetumarvense)等；(2)裸地生態(tài)系統(tǒng)(Bare land), 每年在植物生長(zhǎng)初期定期將植物人工鏟除,保持土壤裸露狀態(tài)；(3)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng) (Farmland),作物種植方式為小麥-玉米-大豆輪作,一年一熟制,采用傳統(tǒng)耕作方式,作物生長(zhǎng)季進(jìn)行4—6次耕作,耕作深度為20 cm,秋季收獲后作物地上部全部移除。作物施肥量為小麥120.0 kg N/hm2、55.0 kg P2O5/hm2；玉米150.0 kg N/hm2、75.0 kg P2O5/hm2； 大豆32.3 kg N/hm2、82.4 kg P2O5/hm2。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)設(shè)置3個(gè)試驗(yàn)小區(qū)即3次重復(fù),小區(qū)面積為224 m2；草地和裸地面積分別為10000 m2和6670 m2,由于兩者面積較大,因此,分別隨機(jī)選擇3個(gè)樣方作為重復(fù)。土壤樣品于作物收獲后采集,采樣深度為0—20 cm。采樣時(shí)將土壤表面的植被和枯草小心鏟除,每個(gè)小區(qū)/樣方隨機(jī)選擇5個(gè)取樣點(diǎn),然后將土壤樣品均勻混合為1個(gè)混合土樣,用硬紙盒將土樣帶回實(shí)驗(yàn)室,手動(dòng)剔除礫石、侵入體及粗有機(jī)體。當(dāng)土塊含水量達(dá)到塑限時(shí),用手把大土塊沿自然破碎面扳開,待樣品完全風(fēng)干后,備用。1985年試驗(yàn)開始時(shí)耕層土壤肥力性狀如下：pH 6.2,有機(jī)碳31.3 g/kg,全氮 3.0 g/kg,有效磷25.8 mg/kg,速效鉀191 mg/kg。供試土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤的基本性質(zhì)

1.3 土壤分級(jí)方法

土壤樣品按圖1所示流程進(jìn)行分級(jí)[9]。第一步：團(tuán)聚體分級(jí)采用濕篩法,得到>2000 μm團(tuán)聚體(LM),250—2000 μm團(tuán)聚體(SM)、微團(tuán)聚體(m, 53—250 μm)和粉粘粒(S&C, <53 μm)；第二步：按全土中>2000 μm團(tuán)聚體 (LM) 和250—2000 μm團(tuán)聚體 (SM) 的質(zhì)量百分比稱取大團(tuán)聚體(M,>250 μm)15 g,采用微團(tuán)聚體分離裝置進(jìn)行分離,得到粗顆粒有機(jī)質(zhì)(cPOM_M)、閉蓄態(tài)微團(tuán)聚體(mM)和粉粘粒(S&C_M)；第三步：采用0.5%六偏磷酸鈉溶液分離微團(tuán)聚體(m),得到細(xì)顆粒有機(jī)質(zhì)(fPOM_m)和粉粘粒(S&C_m)；第四步：采用0.5%六偏磷酸鈉溶液分離閉蓄態(tài)微團(tuán)聚體(mM),得到細(xì)顆粒有機(jī)質(zhì)(fPOM_mM)和粉粘粒(S&C_mM)。所有組分于60℃烘干稱重。將各步篩分后得到的組分按粒徑大小進(jìn)行歸類統(tǒng)計(jì),得到總粗顆粒有機(jī)質(zhì)(>250 μm, total cPOM)、總細(xì)顆粒有機(jī)質(zhì)(53—250 μm, total fPOM)和總粉粘粒(<53 μm, total S&C)。

圖1 土壤篩分流程圖Fig.1 Fractionation scheme to isolate aggregate and aggregate associated C fractionstotal cPOM：總粗顆粒有機(jī)質(zhì),total coarse particulate organic matter；total fPOM：總細(xì)顆粒有機(jī)質(zhì),total fine particulate organic matter；total S&C：總粉黏粒,total silt and clay particles

1.4 分析方法與數(shù)據(jù)處理

土壤全土、團(tuán)聚體及團(tuán)聚體內(nèi)部組分有機(jī)碳采用元素分析儀測(cè)定(Heraeus Elementar Vario EL,Hanau,Germany),因黑土中不含碳酸鹽,土壤總碳即有機(jī)碳；團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)采用平均重量直徑(Mean Weight Diameters, MWD)進(jìn)行描述[4]。不同處理間的差異顯著性通過(guò)SPSS 16.0采用LSD法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,顯著性檢驗(yàn)設(shè)P<0.05。

2 結(jié)果與分析2.1 土壤團(tuán)聚體及團(tuán)聚體內(nèi)部組分的質(zhì)量分布

不同生態(tài)系統(tǒng)下土壤各粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體及其內(nèi)部組分的質(zhì)量分布如表2所示。草地土壤以大團(tuán)聚體與農(nóng)田相比,草地土壤大團(tuán)聚體含量顯著增加,尤其是>2000 μm團(tuán)聚體含量增加明顯,約為農(nóng)田處理的15倍,而微團(tuán)聚體和粉黏粒含量顯著降低,分別下降70%和51%。草地大團(tuán)聚體內(nèi)部組分較農(nóng)田均有顯著增加,其中cPOM_M、mM和S&C_M分別為農(nóng)田土壤的10.8倍、1.6倍和1.8倍；mM內(nèi)部組分中fPOM_mM和S&C_mM分別為農(nóng)田的2.4倍和1.4倍。微團(tuán)聚體內(nèi)部組分fPOM_m和S&C_m含量均顯著下降,分別降低48%和76%。裸地土壤大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體較農(nóng)田均有所下降,粉黏粒含量顯著增加。裸地土壤大團(tuán)聚體含量的下降主要表現(xiàn)為大團(tuán)聚體中mM的減少,其中粉黏粒(S&C_mM)減少明顯。

表2 不同生態(tài)系統(tǒng)土壤團(tuán)聚體及其內(nèi)部組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%

M: 大團(tuán)聚體(>250 μm) macroaggregate; LM: >2000 μm 團(tuán)聚體large macroaggregate; SM: 250—2000 μm團(tuán)聚體small macroaggregate; m: 微團(tuán)聚體(53—250 μm) microaggregate; S&C: 粉黏粒 (<53 μm) free silt and clay particles; cPOM_M: 大團(tuán)聚體中粗顆粒有機(jī)質(zhì) (>250 μm) coarse particulate organic matter (POM) within macroaggregate; mM: 閉蓄態(tài)微團(tuán)聚體 (53—250 μm) microaggregate within macroaggregate; S&C_M: 粉黏粒(<53 μm) silt and clay particles within macroaggregate; fPOM_mM: 閉蓄態(tài)微團(tuán)聚體中細(xì)顆粒有機(jī)質(zhì)(53—250 μm) fine POM within mM; S&C_mM: 閉蓄態(tài)微團(tuán)聚體中粉黏粒 (<53 μm) silt and clay particles within mM; fPOM_m: 微團(tuán)聚體中細(xì)顆粒有機(jī)質(zhì)(53—250 μm) fine POM within microaggregate; S&C_m: 微團(tuán)聚體中粉黏粒(<53 μm) silt and clay particles within microaggregate. 同行不同字母代表不同處理間同一組分顯著差異(P<0.05) Different letters in the same column mean significant difference among treatments at 0.05 level(M, >250 μm)為主要存在形式,>2000 μm團(tuán)聚體(LM)和250—2000 μm團(tuán)聚體(SM)之和達(dá)77%,而微團(tuán)聚體(m)和粉黏粒(S&C)所占比例相對(duì)較小,占土壤總重的10%—12%；農(nóng)田和裸地各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體含量的大小趨勢(shì)相同,均為m> SM > S&C> LM。

圖2 不同生態(tài)系統(tǒng)下土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的平均重量直徑 Fig.2 The mean weight diameters (MWD) of water-stable aggregates of soils of different ecosystems

不同生態(tài)系統(tǒng)下土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的平均重量直徑比較指出,與農(nóng)田相比,草地土壤團(tuán)聚體的平均重量直徑顯著增加,約為農(nóng)田處理的3.2倍, 增加了土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性；裸地土壤團(tuán)聚體的平均重量直徑略低于農(nóng)田,但統(tǒng)計(jì)上差異并不顯著(圖2)。

2.2 土壤總有機(jī)碳、土壤團(tuán)聚體及團(tuán)聚體內(nèi)部組分中有機(jī)碳的分布

不同生態(tài)系統(tǒng)下土壤總有機(jī)碳(TOC)含量以如下趨勢(shì)遞減：草地>農(nóng)田>裸地(表3)。與農(nóng)田相比,草地土壤有機(jī)碳顯著增加至32.7 g C/kg土,增幅7.6%；裸地土壤有機(jī)碳顯著下降至26.1 g C/kg土,降幅為14.1%。不同生態(tài)系統(tǒng)下有機(jī)碳在不同粒徑團(tuán)聚體中的分布存在明顯差異(表3)。草地土壤有機(jī)碳主要賦存于大團(tuán)聚體(>250 μm),所占比例高達(dá)80%,而微團(tuán)聚體和粉黏粒中有機(jī)碳比例相對(duì)較小,分別為13%和7%；農(nóng)田和裸地土壤有機(jī)碳主要分布于微團(tuán)聚體和大團(tuán)聚體,兩者所占比例相當(dāng),為35%—42%。

草地大團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量顯著高于農(nóng)田,為農(nóng)田土壤的2.1倍,且內(nèi)部各組分有機(jī)碳含量均有顯著增加,其中cPOM_M、mM和S&C_M有機(jī)碳含量增幅分別為600%、54%和65%；微團(tuán)聚體和粉黏粒有機(jī)碳含量均顯著下降,分別降低66%和54%；微團(tuán)聚體內(nèi)部組分fPOM_m和S&C_m中有機(jī)碳分別降低45%和79%。與農(nóng)田相比,裸地土壤粉黏粒(S&C)中有機(jī)碳含量增加,大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體及其內(nèi)部各組分有機(jī)碳均有所下降。

表3 不同生態(tài)系統(tǒng)下土壤總有機(jī)碳、土壤團(tuán)聚體及團(tuán)聚體內(nèi)部組分中有機(jī)碳的分布/ (g C/kg土)

2.3 土壤總粗顆粒有機(jī)質(zhì)、總細(xì)顆粒有機(jī)質(zhì)和總粉粘粒含量及其有機(jī)碳含量

如圖3所示,不同生態(tài)系統(tǒng)土壤均以總粉黏粒(total S&C)含量最高。 total S&C含量大小趨勢(shì)為裸地>農(nóng)田>草地,質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為87%、84%和67%；與total S&C含量趨勢(shì)相反,總細(xì)顆粒有機(jī)質(zhì)(total fPOM)大小順序?yàn)椴莸?農(nóng)田>裸地,質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為17%、15%和12%；總粗顆粒有機(jī)質(zhì)(total cPOM)草地含量最高,約占16%,農(nóng)田和裸地含量很小,僅占1%左右。

不同生態(tài)系統(tǒng)影響有機(jī)碳在土壤各組分中的分布(圖4)。草地、農(nóng)田和裸地有機(jī)碳在total cPOM、total fPOM和total S&C分配比例分別為25%∶23%∶52%、3%∶23%∶73%和 2%∶19%∶79%。各處理均以total S&C有機(jī)碳含量最高,所占比例為52%—79%。與農(nóng)田相比,草地并沒(méi)有改變total fPOM有機(jī)碳含量,盡管小幅度降低了total S&C有機(jī)碳含量,但顯著提高了total cPOM有機(jī)碳含量,其有機(jī)碳的增量為6.8 g C/kg土,約為草地與農(nóng)田土壤總有機(jī)碳增量的3倍,因此,從總體看,草地土壤有機(jī)碳的累積主要?dú)w因于total cPOM有機(jī)碳的增加。裸地與農(nóng)田土壤total cPOM和total S&C有機(jī)碳含量差異不顯著,而total fPOM有機(jī)碳含量顯著低于農(nóng)田?？梢?裸地土壤有機(jī)碳的損失主要?dú)w因于total fPOM的減少,對(duì)總有機(jī)碳損失的貢獻(xiàn)率為60%。

圖3 不同生態(tài)系統(tǒng)土壤總粗顆粒有機(jī)質(zhì)、總細(xì)顆粒有機(jī)質(zhì)和總粉粘粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.3 Weight proportion of total coarse particulate organic matter, total fine particulate organic matter and total silt and clay particles in soils of different ecosystems

圖4 不同生態(tài)系統(tǒng)土壤總粗顆粒有機(jī)質(zhì)、總細(xì)顆粒有機(jī)質(zhì)和總粉粘粒中有機(jī)碳含量Fig.4 Carbon amount in total coarse particulate organic matter, total fine particulate organic matter and total silt and clay particles in soils of different ecosystems

3 討論

土壤有機(jī)碳水平取決于土壤有機(jī)物質(zhì)輸入量與輸出量之間的動(dòng)態(tài)平衡,其對(duì)不同生態(tài)系統(tǒng)類型的響應(yīng)明顯。經(jīng)過(guò)27年3種生態(tài)系統(tǒng)類型土壤有機(jī)碳總量發(fā)生明顯分異,植被自然恢復(fù)的草地生態(tài)系統(tǒng)最高,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)居中,無(wú)植被覆蓋的裸地生態(tài)系統(tǒng)最低。從碳輸入量看,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的作物收獲后秸稈全部移除生態(tài)系統(tǒng),僅有部分根茬歸田,而草地作為自然生態(tài)系統(tǒng)每年有大量的植物殘?bào)w及根系歸還土壤,草地碳輸入量(6872 kg C/hm2)顯著高于農(nóng)田(242 kg C/hm2)[15]；從碳輸出量看,草地生態(tài)系統(tǒng)全年土壤碳排放總量(4786 kg C/hm2)顯著高于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)(4224 kg C/hm2)[15]。表明,草地生態(tài)系統(tǒng)碳累積量(碳輸入與碳輸出之差)高于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng),土壤處于碳積累的過(guò)程。裸地生態(tài)系統(tǒng)盡管全年土壤碳排放總量3種生態(tài)系統(tǒng)中最低(2025 kg C/hm2)[15],但由于長(zhǎng)期無(wú)外源有機(jī)碳的輸入,因此,土壤處于碳損失過(guò)程。農(nóng)田土壤總有機(jī)碳高于裸地體現(xiàn)了在傳統(tǒng)耕作和秸稈移除的條件下,源于作物根系及根系分泌物的碳輸入對(duì)農(nóng)田土壤有機(jī)碳的保持起著重要的作用。

不同生態(tài)系統(tǒng)下土壤有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)的變化驅(qū)動(dòng)土壤團(tuán)聚體組成發(fā)生分異,進(jìn)而影響SOC在不同粒徑團(tuán)聚體中的分配。農(nóng)田經(jīng)過(guò)27年植被自然恢復(fù)為草地后,土壤有機(jī)碳含量增加至32.7 g/kg,土壤團(tuán)聚化程度大幅度提高,平均重量直徑達(dá)1.74 mm(圖2)。苑亞茹等[16]基于鄰近地塊長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的結(jié)果顯示,在傳統(tǒng)耕作條件下,長(zhǎng)期有機(jī)無(wú)機(jī)配施的農(nóng)田黑土有機(jī)碳含量為39.4 g/kg,而平均重量直徑僅為0.74 mm。對(duì)比分析表明,不同耕作體系下土壤團(tuán)聚化程度的高低取決于有機(jī)碳的質(zhì)量即有機(jī)膠結(jié)劑的類型,而不是有機(jī)碳的數(shù)量。根據(jù)團(tuán)聚體等級(jí)發(fā)育模型,根系和真菌菌絲是大團(tuán)聚體的主要膠結(jié)劑,而腐殖性有機(jī)物是微團(tuán)聚體的膠結(jié)劑[17]。草地土壤以大團(tuán)聚體占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì),尤其>2000 μm團(tuán)聚體含量顯著高于農(nóng)田和裸地,這與草被植物根系的作用直接相關(guān)。作為自然生態(tài)系統(tǒng)的草地生態(tài)系統(tǒng)根密度顯著高于農(nóng)田,約為農(nóng)田的23倍[18],草被植物根系包括死亡根系通過(guò)纏繞和聯(lián)結(jié)土壤顆粒并釋放分泌物,促進(jìn)了土壤大團(tuán)聚體的形成與穩(wěn)定；相反,農(nóng)田頻繁的耕作擾動(dòng)一是直接破壞了大團(tuán)聚體,二是影響了植物根系的生長(zhǎng)發(fā)育,從而影響了大團(tuán)聚體,尤其是>2000 μm團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定；而無(wú)根系作用的裸地幾乎不存在>2000 μm團(tuán)聚體。草地在促進(jìn)粉黏粒和微團(tuán)聚體形成大團(tuán)聚體的同時(shí),使更多的SOC向大團(tuán)聚體富集,使大團(tuán)聚體成為碳賦存的主體。裸地土壤由于長(zhǎng)期沒(méi)有有機(jī)碳的投入而只有輸出,這使得土壤中的微生物只能依靠土壤中原有有機(jī)質(zhì)作為能量,從而加速了土壤有機(jī)質(zhì)的分解,而作為黑土團(tuán)聚體的主要膠結(jié)物質(zhì)被分解利用的結(jié)果,必然導(dǎo)致穩(wěn)定性相對(duì)較差的較大團(tuán)聚體的崩解,進(jìn)而降低了其中有機(jī)碳含量,增加了粉黏粒組分及其有機(jī)碳含量。

不同生態(tài)系統(tǒng)下土壤有機(jī)碳在總粗顆粒有機(jī)質(zhì)、總細(xì)顆粒有機(jī)質(zhì)和總粉黏粒中的分配即在不同活性有機(jī)碳庫(kù)中的含量和比例不同,影響了土壤有機(jī)碳庫(kù)的穩(wěn)定性。與農(nóng)田相比,草地土壤相對(duì)穩(wěn)定的總粉黏粒結(jié)合有機(jī)碳的含量和比例降低,活性較強(qiáng)的總粗顆粒有機(jī)質(zhì)的含量和比例增加,土壤有機(jī)碳庫(kù)的穩(wěn)定性降低；相反,裸地土壤總粗顆粒有機(jī)質(zhì)和總細(xì)顆粒有機(jī)質(zhì)中有機(jī)碳含量降低,總粉粘粒結(jié)合有機(jī)碳含量相對(duì)增加,因而,裸地土壤有機(jī)碳庫(kù)的穩(wěn)定性相對(duì)增強(qiáng)。無(wú)論何種生態(tài)系統(tǒng)類型土壤均以總粉黏粒結(jié)合有機(jī)碳含量最高,占土壤總有機(jī)碳52%—79%(圖4)。這是由于東北黑土粘粒含量高[19]且以2∶1型黏土礦物為主[20]。相對(duì)于1∶1型黏土礦物,2∶1型黏土礦物CEC含量高,比表面積大,可為有機(jī)質(zhì)的吸附提供足夠的場(chǎng)所[21]。因而,粉粘粒是黑土有機(jī)碳儲(chǔ)存的主體,其作為惰性碳庫(kù)是黑土有機(jī)碳的重要組成部分。與農(nóng)田相比,草地土壤有機(jī)碳的增加主要?dú)w因于大團(tuán)聚體中粗顆粒有機(jī)質(zhì)有機(jī)碳含量的增加。同樣,有研究顯示,糧田轉(zhuǎn)為菜田8年后土壤有機(jī)碳顯著增加,有機(jī)碳的累積主要源于團(tuán)聚體中顆粒有機(jī)質(zhì)的增加[9]。然而,本人相關(guān)研究顯示,黑土母質(zhì)經(jīng)過(guò)8年植被自然恢復(fù),土壤總粗顆粒有機(jī)質(zhì)、總細(xì)顆粒有機(jī)質(zhì)和總粉粘粒均有顯著提高,對(duì)總有機(jī)碳增加量的貢獻(xiàn)率分別為40%、41%和19%[22]。由于粉粘粒的比表面積有限,其固持有機(jī)碳存在一個(gè)最大含量,即飽和值[23]。而對(duì)于成熟黑土而言,粉粘粒中有機(jī)碳已接近或達(dá)到飽和值,因而更多的新增有機(jī)碳向較大團(tuán)聚體富集,固持在活性相對(duì)較強(qiáng)的有機(jī)碳庫(kù)—顆粒有機(jī)質(zhì)(intra-aggregate POM, iPOM)之中。裸地土壤有機(jī)碳的下降主要?dú)w因于微團(tuán)聚體中總細(xì)顆粒有機(jī)質(zhì)中有機(jī)碳的損失。綜上可以看出,草地與裸地有機(jī)碳的累積或損失主要表現(xiàn)為活性較強(qiáng)的有機(jī)碳庫(kù)—團(tuán)聚體中顆粒有機(jī)質(zhì)的增加或減少。顆粒有機(jī)碳對(duì)生態(tài)系統(tǒng)類型變化的響應(yīng)比土壤總有機(jī)碳更為靈敏,可作為不同生態(tài)系統(tǒng)下土壤有機(jī)碳變化的一個(gè)敏感指示因子。

4 結(jié)論

(1)經(jīng)過(guò)27年3種生態(tài)系統(tǒng)類型土壤有機(jī)碳總量發(fā)生明顯分異：與農(nóng)田相比,草地土壤有機(jī)碳含量顯著提高7.6%；裸地土壤有機(jī)碳含量顯著下降14.1%。

(2)草地促進(jìn)了大團(tuán)聚體(>250 μm),尤其>2000 μm團(tuán)聚體的形成,提高了土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性；裸地則降低了土壤的團(tuán)聚化程度及穩(wěn)定性,大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體含量下降,粉粘粒含量相應(yīng)增加。草地土壤有機(jī)碳主要賦存于大團(tuán)聚體,占比達(dá)80%；農(nóng)田和裸地土壤主要分布于微團(tuán)聚體與大團(tuán)聚體,兩者占比相當(dāng),為35%—42%。

(3)草地大團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量顯著高于農(nóng)田,且其內(nèi)部各組分有機(jī)碳含量均有顯著提高,粗顆粒有機(jī)質(zhì)、閉蓄態(tài)微團(tuán)聚體和粉黏粒有機(jī)碳含量增幅分別為600%、54%和65%；裸地增加了粉粘粒中有機(jī)碳含量,降低了大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量,且大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體內(nèi)部各組分有機(jī)碳含量均有所下降。

(4)3種生態(tài)系統(tǒng)類型土壤均以總粉粘粒結(jié)合有機(jī)碳為主,占土壤總有機(jī)碳的52%—79%,其作為惰性碳庫(kù)是黑土有機(jī)碳的重要組成部分。與農(nóng)田相比,草地土壤有機(jī)碳的累積主要?dú)w因于大團(tuán)聚體中粗顆粒有機(jī)質(zhì)的增加,為總有機(jī)碳增量的3倍；裸地土壤有機(jī)碳的損失主要?dú)w因于微團(tuán)聚體中總細(xì)顆粒有機(jī)質(zhì)的減少,對(duì)總有機(jī)碳損失的貢獻(xiàn)率為60%。表明,黑土有機(jī)碳的累積或損失主要表現(xiàn)為活性較強(qiáng)的有機(jī)碳庫(kù)—團(tuán)聚體中顆粒有機(jī)質(zhì)的增加或減少。