袁紅 李菡 張亮 段良霞 黃運湘 王輝

摘要：為了解中亞熱帶主要糧油產(chǎn)區(qū)土壤肥力狀況，本文通過野外采樣和室內(nèi)測定，對研究區(qū)主要農(nóng)業(yè)土壤的有機碳及其組分含量特征展開研究。結(jié)果表明：研究區(qū)土壤有機碳（SOC）含量在紫色土上含量最高，紅壤地區(qū)則偏低，肥力水平不高。易氧化有機碳（EOC）與SOC變化趨勢一致。輕組有機碳（LFOC）、粗顆粒有機碳（CPOC）、細顆粒有機碳（FPOC）分別在紅壤、河潮土、水稻土中比重最大，這與土壤母質(zhì)及發(fā)育年齡有關(guān)。不同利用方式下，茶園土壤SOC含量最高，SOC含量變化序列表現(xiàn)為：茶園地>玉米地>水稻-油菜地>棉花地>菜園土。茶園土壤EOC/TOC值為36.85%，表明該土壤SOC的穩(wěn)定性高。其他農(nóng)業(yè)土壤EOC/SOC值變化不大，在22.48%～25.52%之間，平均值為23.44%。LFOC與CPOC比SOC對土地利用方式的變化更為敏感，受SOC、CEC、NO3--N、NH4+-N的影響顯著（P<0.01）。

關(guān)鍵詞：中亞熱帶；農(nóng)業(yè)土壤；有機碳及其組分；穩(wěn)定性

中圖分類號：S153.3文獻標志碼：A論文編號：cjas20190800173

基金項目：國家自然科學基金青年項目“南方巖溶區(qū)峰叢土壤自然風化演替過程中微結(jié)構(gòu)變化及其應(yīng)變機理”（41701252）；湖南省教育廳雙一流學科優(yōu)秀青年項目“湖南石灰?guī)r母質(zhì)旱地土壤發(fā)育特征定量評價與地力提升技術(shù)研究”（19B282）；國家自然科學基金面上項目“再生水灌溉亞熱帶土壤水力特性演化及水鹽運移模擬研究”（41471185）。

Characteristics of Soil Organic Carbon Fractions of Main Agricultural Soils in Mid-subtropical Areas

Yuan Hong1， Li Han1， Zhang Liang1， Duan Liangxia1， Huang Yunxiang1， Wang Hui2

（1College of Resources and Environment， Hunan Agricultural University， Changsha 410128， Hunan， China；

2College of Water Rresources&Civil Engineering， Hunan Agricultural University， Changsha 410128， Hunan， China）

Abstract： In main agricultural regions of mid-subtropical zone， to understand soil fertility status， the authors studied the content and accumulation characteristics of soil organic carbon components by field sampling and indoor analysis. The results showed that： the content of organic carbon （SOC） in purple soil was the highest， while the red soil had low organic matter content and the fertility level was not high. The variation tendency of soil easily oxidized organic carbon （EOC） was consistent with SOC. Light fraction organic carbon （LFOC）， coarse particulate organic carbon（CPOC）， fine particulate organic carbon（FPOC） had the largest proportion in red soil， river tidal soil and rice soil， respectively， which were related to soil parent material and development age. Under different utilizing ways， the content of SOC in tea garden was the highest. The sequence of SOC was tea garden > corn field > rice-rape field > cotton field > vegetable garden. The value of EOC/SOC in tea garden was 36.85%， which indicated that the soil organic carbon was stable. The value of EOC/SOC of other agricultural soils changed a little， ranging from 22.48% to 25.52%， with an average value of 23.44%. LFOC and CPOC were more sensitive to land use change than SOC， and were significantly affected by SOC， CEC， NO3--N and NH4+-N （P<0.01）.

Keywords： Mid-subtropical Areas； Agricultural Soil； Soil Organic Carbon and Its Fractions； Stability

0引言

作為連接大氣圈、水圈、生物圈以及巖石圈的紐帶，與全球的CO2總釋放量相比，土壤圈的土壤呼吸已被認為是全球碳循環(huán)的最大通量之一[1]。全球土壤碳庫達到2.2×103～32×103Pg，為植被碳庫的2～3倍，是全球大氣碳庫的2倍[2]。土壤有機碳（SOC）是全球碳循環(huán)和氣候變化研究的核心內(nèi)容，其動態(tài)平衡不僅在物理、化學和生物學特性中起著極其重要的作用，直接影響土壤肥力和作物產(chǎn)量，而且，其固存與排放對溫室氣體含量、全球氣候變化也有重要影響。

土壤有機碳的積累過程涉及有機物質(zhì)分解、各組分之間轉(zhuǎn)化、以及在微域空間上的分配等復雜環(huán)節(jié)，并受溫度、水分、物料組成、土壤性質(zhì)等環(huán)境因素的影響。因此，土壤有機碳的組成成分比較復雜，目前尚沒有統(tǒng)一的有機碳組分劃分方法。依據(jù)土壤有機碳分解速率，一般將土壤有機碳庫分為活性碳庫、緩性碳庫和惰性碳庫3種組分碳庫[3]。從土壤有機碳周轉(zhuǎn)速率來看，不同有機碳組分之間也有著不同的特征，活性有機碳的周轉(zhuǎn)速率最快。不同土壤有機碳組分對土地利用變化的響應(yīng)和敏感度大有差異。作為養(yǎng)分循環(huán)中具有重要作用的部分，土壤活性有機碳雖然在有機碳中所占的比例較小，但易被生物直接利用，是土壤有機碳中最為活躍的組分，因而能反映土壤有機碳的有效性，對不同農(nóng)業(yè)管理措施如施肥、秸稈還田及耕作方式等的變化也更加敏感，并最終指示土壤質(zhì)量[4]。按照不同的劃分方式，土壤活性碳組分通常可分為溶解性有機碳、微生物量碳、可礦化碳、輕組有機碳、顆粒有機碳[5-6]。目前土壤有機碳的組分研究主要側(cè)重于活性有機碳。

近年來，國內(nèi)外關(guān)于土壤有機碳及其組分的研究較多集中于中、微域不同土地利用方式、施肥/耕作方式[7-9]，或不同經(jīng)營管理模式[10]等前提條件下，或自然演替條件下不同海拔、不同森林覆被[11]等對土壤有機碳及其組分的影響。如何偉等[12]借助長期定位試驗，研究了不同施肥處理對潮土有機碳組分的影響發(fā)現(xiàn)施肥能顯著提高土壤易氧化有機碳（EOC）含量。哈文秀等[13]對巖溶區(qū)不同林地土壤有機碳及其組分展開研究，結(jié)果表明天然林植被對土壤碳組分影響大于人工林植被。包建平等[14]研究認為秸稈直接還田或制備成生物炭都有利于提高紅壤旱地有機碳及組分含量。系統(tǒng)地針對同一氣候帶內(nèi)，對比分析主要農(nóng)業(yè)土壤有機碳及其組分含量特征的研究較少，不利于主要糧食產(chǎn)區(qū)土壤最大生產(chǎn)潛力的發(fā)揮。因此，本研究選取中亞熱帶中部棉糧油主要產(chǎn)區(qū)（重慶、湖南、江西）的主要農(nóng)業(yè)土壤（紅壤菜地、紅壤玉米地、河潮土棉花地、水稻土—油菜輪作地、紫色土茶園地）為研究對象，采用聯(lián)合分組的方法，對比分析不同土壤有機碳及其組分，闡明研究區(qū)農(nóng)業(yè)土壤有機碳的主要影響因子，以期為中亞熱帶棉糧油產(chǎn)區(qū)農(nóng)業(yè)土壤碳循環(huán)及改良、利用提供一定的理論基礎(chǔ)。

1材料與方法

1.1樣區(qū)確定與試驗安排

利用中國土地利用現(xiàn)狀圖、土壤母質(zhì)分布圖、行政管理圖確定野外踏勘地區(qū)，于2015年6月—11月進行野外踏勘，確定樣品采集具體縣/區(qū)及地塊。樣品采集、風干后，于2016年5月—10月展開實驗室室內(nèi)樣品分析與檢測。

1.2供試土樣采集

研究區(qū)屬亞熱帶季風氣候區(qū)，地域廣闊，人口眾多，水熱條件優(yōu)越，自然資源豐富，土地利用類型繁多，農(nóng)業(yè)用地人為干擾強烈，代表性農(nóng)業(yè)土壤利用方式主要為水田、旱地，種植模式有水稻—油菜輪作、菜地、玉米地、茶園、棉花地等。土樣分別采集于中亞熱帶中部棉糧油核心地區(qū)：湖南長沙和華容地區(qū)、江西南昌、重慶巴南和永川等地。

根據(jù)地形地勢特點，劃分不同采樣區(qū)。任一采樣區(qū)內(nèi)，采用隨機取樣的方法，在每一采樣區(qū)隨機選取10～20個樣點，去掉地表的雜草等物，用鐵鏟等采樣工具多點挖取表層0～20 cm耕層土壤，采集的土壤放入預先準備好的干凈塑料布上，按土壤自然破碎面掰成合適大?。怀浞诛L干、混勻、磨細后，分別過孔徑為1、0.25、0.149 mm篩，裝袋，貼上標簽后，備分析用。采樣點基本情況，見表1。

1.3測定項目及方法

1.3.1土壤常規(guī)分析項目土壤樣品理化性質(zhì)項目分析方法參照《土壤農(nóng)化分析》[15]一書：土壤pH值的測定采用電極法；土壤含水量的測定采用烘干法；土壤堿解氮（AN）采用NaOH擴散法；土壤速效鉀（AK）采用1 mol/L NH4OAC浸提—火焰光度法；土壤有效磷（AP）采用0.5 mol/L NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法；土壤有機碳（SOC）采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法測定；土壤銨態(tài)氮（NH4+-N）含量的測定采用靛酚藍比色法；土壤硝態(tài)氮（NO3--N）的含量采用紫外分光光度法；土壤陽離子交換量（CEC）采用乙酸銨交換法。

1.3.2土壤有機碳組分[16]

（1）輕組有機碳（LFOC）。稱取過2 mm篩的風干土樣25.00～30.00 g，置于100 mL離心管中，加入密度為1.7 g/cm3的NaI溶液50～60 mL，于振速為280次/min的往復式振蕩機上振蕩60 min，隨后在離心機上離心10 min （3000 r/min）；離心后的上清液過0.45的微孔濾膜并于布氏漏斗上進行真空抽濾，重復該過程2～3次，直到?jīng)]有可見的輕組物質(zhì)為止，然后用75 mL的CaCl2溶液（0.l mol/L）沖洗，最后用至少150～200 mL去離子水多次沖洗，直至重液沖洗干凈，收集濾膜上的輕組物質(zhì)，在35℃溫度下烘干至恒重并記錄收集的輕組物質(zhì)干重。若收集的輕組物質(zhì)不足時，可重復上述過程多次收集，收集的輕組物質(zhì)研磨過0.149 mm篩，其碳含量釆用燒失量法進行測定即稱取約0.1000 g烘干土樣于瓷坩堝中，轉(zhuǎn)移到馬弗爐升溫至550℃，灼燒5 h，干燥器中冷卻后稱量，記錄燒失前后的質(zhì)量差。

（2）易氧化有機碳（EOC）。稱取含有15～30 mg C的土壤樣品3份，裝入100 mL離心管內(nèi)，加入25 mL 333 mmol/L的KMnO4溶液，密封瓶口混勻，于25℃條件下以250 r/min振蕩1 h，振蕩后的樣品在離心機上離心5 min （2000 r/min），然后取其1 mL上清液于250 mL容量瓶按1：250稀釋定容，上述稀釋液在565 nm的可見分光光度計上比色，根據(jù)KMnO4的消耗量，可求出土壤樣品中的易氧化碳含量。

（3）顆粒有機碳（POC）。取過2 mm篩的風干土20.00 g，放入250 mL塑料瓶，加入0.5 mol/L NaOH 100 mL，手搖1 min混合均勻，再置于往復式恒溫振蕩器振蕩4～5 h （90 r/min），土壤懸液分別過53μm和250μm孔徑篩，并用蒸餾水反復沖洗，收集篩中剩余的物質(zhì)于預先稱重的器皿中，得到細顆粒物和粗顆粒物。顆粒物在60℃下烘至恒重，然后測定其有機碳含量，得到細顆粒有機碳（FPOC）和粗顆粒有機碳（CPOC）。

敏感性指數(shù)及各組分有機碳比例計算如式（1）～（2）所示。

敏感性指數(shù)=（變量最大值-變量最小值）/變量最小值[17]………………………………………………（1）

各組分有機碳分配比例=（各組分有機碳含量/土壤總有機碳含量）×100%[17]…………………………（2）

1.3.3數(shù)據(jù)處理將所有試驗數(shù)據(jù)進行特異值處理后，采用Microsoft Excel軟件進行繪圖和制表，采用SPSS軟件進行相關(guān)性分析。

2結(jié)果與分析

2.1中亞熱帶主要農(nóng)業(yè)土壤有機碳含量的分布差異

SOC是土壤的重要組成物質(zhì)，對改善土壤理化性質(zhì)以及植物的生長發(fā)育起著重要作用，其含量的多少與土壤肥力有關(guān)，是評價土壤肥力的生物學指標[18]。

由圖1可知，研究區(qū)不同農(nóng)業(yè)土壤的有機碳含量各異，介于6.19～16.64 g/kg之間，農(nóng)業(yè)土壤肥力處于中等偏低水平。其中，廣西紅壤玉米地和重慶永川紫色土土壤有機碳含量相對較高，有機質(zhì)含量在25.00～ 30.00 g/kg，其次是水稻-油輪作地和湖南重壤型棉花地，最低的是菜園土（10.96 g/kg）。玉米地的有機質(zhì)含量比油菜地的有機質(zhì)含量高36.5%，比菜園土高出了128%。這主要體現(xiàn)了土地管理方式之間的差異。

2.2中亞熱帶主要農(nóng)業(yè)土壤的有機碳組分含量特征

由圖2可知，研究區(qū)主要農(nóng)業(yè)土壤有機碳組分含量差異明顯。CPOC含量較其他有機碳組分含量較高（1.25～7.81 g/kg），F(xiàn)POC含量（1.04～5.31 g/kg）與LFOC含量（1.08～6.95g/kg）次之，EOC（1.43～6.13g/kg）含量較低。LFOC、EOC、CPOC在紫色茶園土中含量最高。紫色頁巖風化物母質(zhì)發(fā)育的茶園土壤LFOC含量達到6.95 g/kg，遠高于水稻土和種植棉花的河潮土，其平均值僅為1.60 g/kg，第四紀紅土風化物母質(zhì)發(fā)育的菜地紅壤LFOC含量居中間水平，在3.47～ 5.26 g/kg之間變化。EOC含量由高到低序列為紫色茶園土>紅壤玉米地>水稻土>河潮土棉花地>蔬菜地，其碳庫活度指數(shù)分別為0.58、0.34、0.31、0.30、0.29。CPOC含量由高到低序列為紫色茶園土>紅壤玉米地>河潮土棉花地>水稻土>蔬菜地。FPOC含量在水稻土中最高，其次是紫色茶園土、紅壤玉米地、河潮土棉花地、蔬菜地。

2.3有機碳及組分與土壤性質(zhì)的相關(guān)關(guān)系

由表2可知，EOC、CPOC與OM、CEC、NO3--N、NH4+-N之間，LFOC與AK之間，呈極顯著相關(guān)性（P< 0.01）；LFOC與AP、CPOC/FPOC與AN之間呈顯著性相關(guān)關(guān)系（P<0.05）。

3結(jié)論

（1）不同土地利用方式下，SOC含量從高到低的順序為：茶園地>玉米地>水稻—油菜地>棉花地>菜園土。LFOC與CPOC比SOC對土地利用方式的變化更為敏感，受SOC、CEC、NO3--N、NH4+-N的影響顯著（P<0.01）。

（2）就不同母質(zhì)發(fā)育土壤而言，EOC與SOC變化趨勢一致，皆在紫色頁巖風化物上發(fā)育的紫色土中含量最高，敏感性也最強。LFOC在第四紀紅土紅壤中比重最大。CPOC在河流沉積物發(fā)育的河潮土中比重最大。FPOC在水稻土中含量最高。紅壤地區(qū)有機質(zhì)含量偏低，肥力水平不高，提高土壤有機質(zhì)含量，土壤質(zhì)量保育刻不容緩。

4討論

LFOC對土壤生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能具有重要作用，其轉(zhuǎn)化速率比重組有機碳快2～11倍，是有機物的能源物質(zhì)和植物養(yǎng)分的匯，同時輕組碳具有較高的土壤生物活性，能體現(xiàn)土壤碳的活性[19]。EOC/TOC值能夠反映土壤有機碳的穩(wěn)定性，值越高，表明有機碳的成熟度越低，土壤中碳的活性越大，穩(wěn)定性越差。本研究中，玉米地、茶園LFOC組分的敏感性指標明顯高于其他有機碳組分，達到5.44，最低的為EOC，為3.29。主要變化序列為：LFOC>CPOC>FPOC>EOC。土壤EOC/TOC值除紫色茶園土達到36.85%，處于較高水平外，其他農(nóng)業(yè)土壤EOC/SOC值變化不大，在22.48%～25.52%之間，平均值為23.44%。這主要是因為紫色砂頁巖風化物母質(zhì)礦質(zhì)元素含量較高，加之茶園利用主要為基肥緩釋，有利于有機碳存留轉(zhuǎn)化。

常規(guī)耕作頻繁攪動土壤，破壞土壤結(jié)構(gòu)，使原本被土壤結(jié)構(gòu)體保護的土壤有機物游離土壤結(jié)構(gòu)體之外，加之化學和生物的分解和攻擊，則加劇了土壤有機物質(zhì)分解礦化過程[20]，因此，不同利用方式下土壤有機碳組分的含量存在差異。另外，不同土壤在不同管理經(jīng)營模式下的有機碳變化明顯。由此可見，有機碳組分比總有機碳對土壤類型及農(nóng)業(yè)措施改變的敏感性更強[21-22]。如Xu等對黃綿土玉米地、何偉等對潮土旱地、哈文秀等對林地紅色石灰土的土壤有機碳組分展開研究，認為長期施肥、施有機肥、自然林等方式對提升土壤有機碳有明顯作用[23-25]。就紅壤而言，受南方地區(qū)高溫高濕氣候的影響，紅壤中有機質(zhì)的分解速度較快，在旱地好氣條件下有機質(zhì)的分解速度更是驚人；加之紅壤旱地的管理粗放、利用合理性有待提高，因此，有機質(zhì)含量低已成為其較顯著的特性之一[26]。研究區(qū)1號紅壤有機質(zhì)含量僅10.96 g/kg，EOC/SOC值為22.48%，與以上觀點一致。供試紫色茶園土壤LFOC明顯高于其他樣品，但各LFOC/TOC卻是紅壤蔬菜地最高，由高到低排序為：紅壤蔬菜地（82.7%）>紫色茶園土（41.8%）>河潮土棉花地（31.7%）>紅壤玉米地（23.5%）>水稻土（15.7%）。說明不同種植耕作模式中，蔬菜地新鮮殘留物和腐殖化過程的穩(wěn)定有機物組成的碳庫比例較大，是種植和耕作模式的敏感指標，這與他人的研究結(jié)果相一致[27-28]。土壤有機碳組分及分配比例的不同，揭示研究區(qū)不同母質(zhì)類型的土壤在相應(yīng)的耕作模式下，其保肥和供肥方式與過程存在一定的矛盾，進一步研究各組分轉(zhuǎn)發(fā)機制是研究區(qū)農(nóng)業(yè)土壤提質(zhì)增肥的重點與難點。

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