王衛(wèi)霞，楊 光，阿麗婭·阿力木，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，新疆 烏魯木齊 830052)

【研究意義】土壤有機(jī)碳是反映土壤質(zhì)量和健康的關(guān)鍵因素[1-2]，對(duì)土壤肥力和土壤生產(chǎn)力起著重要的作用，可以作為評(píng)價(jià)土壤潛在肥力的一個(gè)重要指標(biāo)。土地利用方式的改變對(duì)土壤有機(jī)碳的儲(chǔ)存和動(dòng)態(tài)變化具有重要的影響[3-4]，國(guó)外研究學(xué)者Christensen認(rèn)為研究有機(jī)碳不同組分的變化，有利于揭示土地利用變化對(duì)土壤有機(jī)碳的影響機(jī)制[5]。利用密度分組技術(shù)可以將土壤有機(jī)碳分成輕組有機(jī)碳(Light fraction organic carbon, LFOC) 和重組有機(jī)碳(Heavy fraction organic carbon, HFOC)，輕組有機(jī)碳雖然只占土壤質(zhì)量的很小一部分，但是輕組有機(jī)碳含量一般都顯著高于全土有機(jī)碳含量[6-7]，同時(shí)輕組有機(jī)碳分解率高，周轉(zhuǎn)周期短，在碳循環(huán)中起顯著作用，具有很強(qiáng)的生物活性，是土壤養(yǎng)分的重要來源[8-11]。重組有機(jī)碳是與輕組有機(jī)碳相對(duì)的一種穩(wěn)定有機(jī)碳類型，主要吸附在礦物表面或隱藏在土壤微團(tuán)聚體內(nèi)部，受土地利用方式變化的影響較小，但是重組有機(jī)碳在一定程度上反映了土壤長(zhǎng)期積累和保持有機(jī)碳的能力[11-15]。因此，研究土壤輕組有機(jī)碳有利于探索土壤有機(jī)碳組分的周轉(zhuǎn)過程，而對(duì)土壤重組有機(jī)碳的研究則對(duì)認(rèn)識(shí)土壤碳匯功能具有重要意義。【前人研究進(jìn)展】土地利用變化對(duì)不同有機(jī)碳組分的影響不同[16]，有研究表明原狀草地變?yōu)檗r(nóng)田后，土壤中的輕組有機(jī)碳含量表現(xiàn)為降低[17]，而農(nóng)田改造為林地后使土壤輕組有機(jī)碳含量明顯增加[18]，雷利國(guó)等[4]研究表明，林地轉(zhuǎn)變?yōu)槠赂睾?，土壤中輕組有機(jī)碳含量顯著降低，但轉(zhuǎn)變?yōu)楣麍@后降低不顯著?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】不同土地利用類型和管理措施會(huì)影響土壤有機(jī)碳在密度組分中的分配[19]。近年來，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，這種土地利用方式巨大的變化無疑會(huì)對(duì)土壤有機(jī)碳組分產(chǎn)生一定的影響，但目前這些影響還不是很清楚?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本文在新疆阿克蘇地區(qū)選擇小麥地、棗園及棗麥間作園三種不同農(nóng)作方式作為研究對(duì)象，分析不同農(nóng)作方式對(duì)土壤輕組、重組有機(jī)碳的影響，旨在為增強(qiáng)土壤的固碳能力提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究野外調(diào)查研究區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)阿克蘇地區(qū)溫宿縣克孜勒鎮(zhèn)。溫宿縣位于阿克蘇地區(qū)西北部，東與拜城、新和兩縣交界，南和阿克蘇市毗鄰。地處79°28′～81°30′ E，40°52′～42°21′ N之間。屬于典型的大陸性暖溫帶干旱氣候，四季分明，晝夜溫差大，春季升溫快而不穩(wěn)，秋季短暫而降溫迅速，多晴少雨，光照充足。年均氣溫10.10 ℃，年均降水量65.4 mm，年均無霜期185 d。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地布設(shè)與土壤樣品的采集 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)及走訪調(diào)查結(jié)果，選取小麥地、棗園、棗麥間作園3種不同農(nóng)作方式為研究對(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，棗樹年齡均為15年左右，以小麥地作為對(duì)照樣地。

每種樣地各選擇3個(gè)作為試驗(yàn)的重復(fù)。在棗園的每個(gè)果園內(nèi)選擇6株具有代表性的棗樹，在樹冠投影面距樹干1 m處布設(shè)采樣點(diǎn)；在棗麥間作的每個(gè)間作園內(nèi)選擇6株具有代表性的棗樹，在樹冠投影面距樹干1 m處布設(shè)采樣點(diǎn)，在間作的農(nóng)作物行，以“S”形布點(diǎn)；在果園旁邊選取具有常規(guī)管理模式的3塊小麥地，以“S”形布點(diǎn)。在每個(gè)采樣點(diǎn)內(nèi)均按照0～10、10～20、20～30、30～40、40～60、60～80、80～100 cm進(jìn)行采樣，并把同一個(gè)試驗(yàn)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進(jìn)行混合后作為處理的一個(gè)重復(fù)備用。采用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重。將采集的土壤樣品帶回室內(nèi)自然風(fēng)干，研磨后過篩，放入密封塑料袋中待測(cè)定。

1.2.2 測(cè)定指標(biāo)與方法 土壤總有機(jī)碳含量的測(cè)定采用重鉻酸鉀-外加熱法測(cè)定[20]。土壤輕組有機(jī)碳和重組有機(jī)碳含量的測(cè)定采用土壤密度分組方法[8, 21-23]，輕組有機(jī)碳含量(g/kg soil) = 輕組物質(zhì)中土壤有機(jī)碳(g/kg LF) × (輕組物質(zhì)占土壤的質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (g/kg soil)；重組有機(jī)碳含量為原土壤有機(jī)碳含量減去輕組有機(jī)碳含量的差值求得。輕組有機(jī)碳分配比例(%) = 輕組有機(jī)碳含量/土壤總有機(jī)碳含量 × 100 %；輕組有機(jī)碳儲(chǔ)量根據(jù)土壤輕組有機(jī)碳含量、土壤容重和土壤深度計(jì)算得出。

1.2.3 統(tǒng)計(jì)分析 采用SPSS21.0軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，不同土地利用方式之間及不同土層之間的土壤總有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳含量差異顯著性采用一元方差及LSD多重比較進(jìn)行分析。采用SigmaPlot10.0 軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用方式下土壤各組分有機(jī)碳含量的分布特征

從表1可知，不同土地利用方式下，土壤總有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳含量總體上均表現(xiàn)為隨土壤深度的增加呈下降的趨勢(shì)，相關(guān)性分析也表明，兩者之間呈顯著性正相關(guān)(圖1，R2= 0.76，P< 0.0001)。其中0～10、10～20 cm土層總有機(jī)碳和輕組有機(jī)碳含量均顯著高于20 cm以下土層(P< 0.05)，在小麥、棗園及棗麥間作園土壤中，20 cm以下土層土壤輕組有機(jī)碳含量分別比表層土壤下降了73.41 %、65.78 %和78.44 %，總有機(jī)碳含量分別比表層土壤下降了45.71 %、50.37 %和61.66 %，說明隨著土層深度的增加，輕組有機(jī)碳比總有機(jī)碳在土壤剖面變化更為劇烈，且農(nóng)田總有機(jī)碳和輕組有機(jī)碳主要富集在0～20 cm土層，果園和果農(nóng)間作園則主要富集在0～30 cm土層。重組有機(jī)碳含量在土層中的分布同樣是隨著土壤深度的增加而降低，但其下降幅度小于輕組有機(jī)碳，也小于總有機(jī)碳在不同土層的下降幅度。

表1 土壤有機(jī)碳及其在不同土壤組分中的分布特征

比較同一土層不同土地利用方式下土壤輕組有機(jī)碳含量可以看出，不同土地利用方式下土壤輕組有機(jī)碳含量在0～10、10～20和20～30 cm土層中均存在顯著差異(P< 0.05)，在各土層中均為棗園最高，農(nóng)田均為最低。在0～100 cm土壤深度內(nèi)，土壤輕組有機(jī)碳的平均含量為棗園(1.10 g/kg)>棗麥間作(0.82 g/kg)>小麥(0.75 g/kg)；方差分析結(jié)果表明，農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)楣麍@或果農(nóng)間作后，土壤中輕組有機(jī)碳含量顯著增加了46.12 %和9.45 %。不同土地利用方式下，土壤重組有機(jī)碳含量的差異主要表現(xiàn)在0～30和80～100 cm土層。在0～10及10～20 cm土層，各土地利用方式下土壤重組有機(jī)碳含量為棗麥間作>棗園>小麥；其余土層表現(xiàn)為棗園>棗麥間作>小麥。

2.2 不同土地利用方式下土壤輕組、重組有機(jī)碳分配比例

從表2可以看出，在0～100 cm土層土壤輕組有機(jī)碳分配比例農(nóng)田為14.18 %～29.37 %，果園為5.93 %～20.94 %，果農(nóng)間作園為6.94 %～18.13 %。不同土地利用方式下土壤輕組有機(jī)碳分配比例沿土壤剖面的垂直分布有所差異。小麥、棗園及棗麥間作園土壤輕組有機(jī)碳分配比例隨著土壤深度的增加基本呈下降趨勢(shì)。在0～100 cm土壤深度內(nèi)，不同土地利用方式下土壤輕組有機(jī)碳分配比例平均值為小麥(16.65 %)>棗園(14.88 %)>棗麥間作(11.24 %)。農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)楣麍@或果農(nóng)間作后，輕組有機(jī)碳分配比例分別降低了10.61 %和32.46 %。不同土地利用方式下土壤重組有機(jī)碳分配比例隨土壤深度的增加呈逐漸增加的趨勢(shì)。結(jié)合表1～2 可以看出，對(duì)干旱荒漠綠洲區(qū)果園或果農(nóng)間作園土壤總有機(jī)碳的積累來說，重組有機(jī)碳的作用大于輕組有機(jī)碳。通過表1～2和圖1也可以看出，在0～40 cm土層，輕組有機(jī)碳及重組有機(jī)碳增加均是總有機(jī)碳積累的重要來源，但隨著土壤深度的增加，輕組有機(jī)碳的作用逐漸減弱。

圖1 土壤輕組有機(jī)碳與總有機(jī)碳的關(guān)系Fig.1 Relationship between the LFOC and the SOC

表2 不同土地利用下土壤輕組、重組有機(jī)碳分配比例

2.3 不同土地利用方式下土壤輕組有機(jī)碳儲(chǔ)量

通過公式估算出各土層土壤輕組有機(jī)碳儲(chǔ)量如圖2。不同土地利用方式下0～40 cm土層土壤輕組有機(jī)碳儲(chǔ)量大于40～100 cm土層，0～40 cm土層范圍內(nèi)，土壤輕組有機(jī)碳儲(chǔ)量表現(xiàn)為隨土壤深度的增加而減少，40～100 cm土層土壤輕組有機(jī)碳儲(chǔ)量無顯著差異(P>0.05)。除60～80和80～100 cm土層外，其它各土層中均為棗園土壤輕組有機(jī)碳儲(chǔ)量最高。在1 m土壤深度內(nèi)，土壤輕組有機(jī)碳總儲(chǔ)量為棗園(12.56 t/hm2)>小麥(10.04 t/hm2)>棗麥間作(9.55 t/hm2)；農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)楣麍@后，土壤中輕組有機(jī)碳儲(chǔ)量增加了25.10 %，而農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)楣r(nóng)間作園后，土壤輕組有機(jī)碳儲(chǔ)量則下降了4.88 %。

圖2 土地利用變化對(duì)土壤輕組有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響Fig.2 Effect of land use change on soil storage of LFOC

3 討 論

利用密度分組方法進(jìn)行土壤有機(jī)碳分離時(shí)，可以根據(jù)有機(jī)碳穩(wěn)定性的差異把土壤有機(jī)碳分為輕組有機(jī)碳和重組有機(jī)碳。輕組有機(jī)碳主要由處于不同分解階段的植物殘?bào)w組成[24-25]，國(guó)外已有研究者通過改變凋落物輸入數(shù)量研究證實(shí)了地上凋落物和地下根系是土壤輕組有機(jī)碳的主要來源物質(zhì)[26]，而國(guó)內(nèi)研究學(xué)者楊玉盛等[27]也證實(shí)了活細(xì)根生物量的分布變化可以解釋不同土層土壤輕組有機(jī)碳含量和儲(chǔ)量變化的80 %。輕組有機(jī)碳的性質(zhì)、數(shù)量和組成，反映了土壤中動(dòng)植物殘?bào)w物質(zhì)的投入、固持與分解之間的平衡程度與水平，其含量和分布的差異與其凋落物和枯死細(xì)根歸還量密切相關(guān)[21]。重組有機(jī)碳是輕組有機(jī)碳徹底分解后殘留的亦或重新進(jìn)行合成的有機(jī)物質(zhì)，存在于有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體中[11]，其含量反映了有機(jī)碳的長(zhǎng)期含量水平。本研究中，農(nóng)田改建為果園或果農(nóng)間作后，土壤總有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳及重組有機(jī)碳含量總體上均表現(xiàn)為隨土壤深度的增加呈下降的趨勢(shì)，這主要與不同土層中土壤中植物根系的分布、細(xì)根生物量及凋落物輸入的數(shù)量、質(zhì)量密切相關(guān)[21, 28]。不同土地利用方式下，土壤中各組分有機(jī)碳含量盡管隨土層深度加深而減少的趨勢(shì)一致[2, 21, 28-31]，但不同組分有機(jī)碳含量隨土壤深度的增加而下降的幅度是不同的，本研究中，小麥、棗園及棗麥間作園中，20 cm以下土層土壤輕組有機(jī)碳含量分別比表層土壤下降了73.41 %、65.78 %和78.44 %，總有機(jī)碳含量分別下降了45.71 %、50.37 %和61.66 %，說明隨著土層深度的增加，輕組有機(jī)碳比總有機(jī)碳在土壤剖面變化更為劇烈。但是隨土壤深度的增加，細(xì)根生物量和微生物數(shù)量逐漸越少，土地利用方式的變化對(duì)輕組有機(jī)碳含量的影響程度也逐漸下降。在40 cm深度以下土壤輕組有機(jī)碳含量逐漸趨于穩(wěn)定，土地利用方式對(duì)輕組有機(jī)碳含量基本沒有影響，這和謝錦升等[30]研究結(jié)果一致。

輕組有機(jī)碳含量容易受植被類型、土地利用方式的變化、凋落物類型及其分解速率的影響[32]，尤其耕作能減少輕組有機(jī)碳含量[33]。本文研究發(fā)現(xiàn)在0～100 cm土壤深度內(nèi)，土壤輕組有機(jī)碳的平均含量棗園最高，棗麥間作園次之，農(nóng)田最低。有研究表明與傳統(tǒng)小麥-玉米農(nóng)田土壤相比較，果園土壤輕組有機(jī)碳含量提高了136.4 %[34]。Conteh等[35]的研究也發(fā)現(xiàn)天然植被土壤中輕組有機(jī)碳含量比耕作土壤中高，主要是由于輕組有機(jī)碳含量的變化與土壤團(tuán)聚體密切相關(guān)，而耕作減少了土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性進(jìn)而改變輕組有機(jī)碳的含量及分配比例。本文中棗園和棗麥間作園的有機(jī)碳輸入量比農(nóng)田小麥地大，這可能會(huì)改變土壤總有機(jī)碳的含量，這些變化同時(shí)也會(huì)進(jìn)一步影響土壤輕組有機(jī)碳的含量及分配比例[36]。由于不同土壤深度根系分布、細(xì)根生物量及相關(guān)土壤性質(zhì)的差異，使得土壤輕組有機(jī)碳分配比例在土壤剖面上表現(xiàn)出不同的層次性。本研究中不同土地利用方式下土壤輕組有機(jī)碳分配比例隨土壤深度的加深基本呈下降的趨勢(shì)，這和Spycher等[24]、吳建國(guó)等[33]研究結(jié)果基本一致。重組有機(jī)碳分配比例則隨土層加深表現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，這是由于隨著土壤深度的增加輕組有機(jī)碳越來越少。本研究還發(fā)現(xiàn)農(nóng)田改建為果園或果農(nóng)間作園后使輕組有機(jī)碳含量增加，但是輕組有機(jī)碳的分配比例卻在減少，重組有機(jī)碳的分配比例增加。這可能因?yàn)楣麍@和果農(nóng)間作園中的凋落物輸入量比農(nóng)田高，導(dǎo)致輕組有機(jī)碳含量和總有機(jī)碳含量的增加，而農(nóng)田由于耕作可能導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體破壞使輕組有機(jī)碳部分減少[37]，這樣使其比例部分增加。吳建國(guó)等[33]的研究也發(fā)現(xiàn)天然次生林變成農(nóng)田或草地使土壤輕組有機(jī)碳含量降低，但是輕組有機(jī)碳的比例卻增加。

土地利用方式的變化對(duì)土壤輕組有機(jī)碳含量和儲(chǔ)量均有一定的影響，毛艷玲等[38]研究認(rèn)為，林地轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田后土壤輕組有機(jī)碳儲(chǔ)量損失高達(dá)90 %，而在本研究中農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)闂棃@后，土壤輕組有機(jī)碳儲(chǔ)量增加了25.10 %，農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)闂楙滈g作園后，土壤輕組有機(jī)碳儲(chǔ)量則下降了4.88 %。這可能和農(nóng)地的常規(guī)耕作有關(guān)，耕作通過機(jī)械粉碎植物殘余物并與土壤結(jié)合，破壞了土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，釋放出物理保護(hù)的有機(jī)物質(zhì)，溫度和通氣性的增加加快了土壤有機(jī)質(zhì)的分解，從而導(dǎo)致土壤有機(jī)碳的損失。

4 結(jié) 論

(1)不同土地利用方式下，土壤總有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳及重組有機(jī)碳含量均隨土壤深度的增加呈下降的趨勢(shì)，其中輕組有機(jī)碳含量下降幅度最大。農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)楣麍@或果農(nóng)間作后，土壤中輕組有機(jī)碳含量顯著增加了46.12 %和9.45 %。

(2)對(duì)干旱荒漠綠洲區(qū)果園或果農(nóng)間作園土壤總有機(jī)碳的積累來說，重組有機(jī)碳的作用大于輕組有機(jī)碳。在0～40 cm土層，輕組有機(jī)碳及重組有機(jī)碳增加均是總有機(jī)碳積累的重要來源，但隨著土壤深度的增加，輕組有機(jī)碳的作用逐漸減弱。

(3)與對(duì)照樣地小麥地相比，棗園土壤中輕組有機(jī)碳儲(chǔ)量增加了25.10 %，而棗麥間作園土壤輕組有機(jī)碳儲(chǔ)量則下降了4.88 %。