摘要：荒漠灰鈣土是天山北麓地帶性土壤，富含碳酸鹽和硫酸鈣，是優(yōu)質(zhì)土地后備資源。本研究采用野外調(diào)查取樣與室內(nèi)實驗相結(jié)合的方法，對新疆奇臺綠洲不同耕作年限（lt;3 a、10 a、20 a、30 a、gt;40 a）荒漠灰鈣土無機(jī)碳變化及其影響因素進(jìn)行分析，探討了土壤無機(jī)碳與土壤理化參數(shù)間的關(guān)系，特別是石膏對土壤無機(jī)碳的增匯作用。結(jié)果表明：①耕作層和犁底層的無機(jī)碳，對人類活動十分敏感。土壤無機(jī)碳隨耕作年限先降低后升高，在耕作后的前10 a迅速下降表現(xiàn)為碳源，而后逐漸上升超過初始含量重新轉(zhuǎn)為碳匯，耕作gt;40 a后土壤無機(jī)碳含量較耕作lt;3 a增加超過10 g·kg-1；②土壤無機(jī)碳的穩(wěn)定性同位素813C隨著耕作年限的增加持續(xù)負(fù)向偏移，表現(xiàn)出具有截存現(xiàn)代大氣CO2的潛力；③荒漠灰鈣土中含有極易風(fēng)化且儲量可觀的石膏，為次生碳酸鹽淀積提供了大量的鈣源，這些Ca2+含量決定了研究區(qū)土壤無機(jī)碳庫最終的儲量大小。綜上說明，富含石膏的荒漠灰鈣土耕作后，具有較強(qiáng)的土壤無機(jī)碳增匯潛力，重視和準(zhǔn)確估算這部分碳增匯潛力有助于我國“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：荒漠灰鈣土；土壤無機(jī)碳；耕作年限；次生碳酸鹽；碳匯潛力

中圖分類號：S153.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1672-2043（2024）01-0091-11 doi：10.11654/jaes.2023-0298

IPCC報告指出土壤碳固定在CO2減排中占有較高比重，應(yīng)當(dāng)重視人類土地耕作活動對溫室氣體的影響。關(guān)于土壤固碳的研究和論述多集中于濕潤／半濕潤地區(qū)的農(nóng)田、草地、濕地和森林等土壤有機(jī)碳（Soil organic carbon，SOC），認(rèn)為土壤無機(jī)碳（Soil inorganic carbon，SIC）相對穩(wěn)定，在碳循環(huán)中的作用以及對氣候變化的貢獻(xiàn)度較小，可幾乎忽略，但近年來的研究發(fā)現(xiàn)，在荒漠土壤存在非生物途徑的CO2吸收現(xiàn)象，推測荒漠地區(qū)可能存在一個巨大碳匯，即土壤無機(jī)碳匯。目前，干旱／半干旱區(qū)土壤碳庫中的無機(jī)碳逐漸成為研究熱點。

干旱區(qū)面積占地球陸地表面的40％以上，這些地區(qū)土壤中含有的無機(jī)碳是有機(jī)碳的2-5倍。由于干旱／半干旱區(qū)土壤植被覆蓋度低、生命過程微弱、有機(jī)質(zhì)含量少，土壤中有機(jī)碳分解釋放的CO2經(jīng)過一系列反應(yīng)最終也轉(zhuǎn)化為無機(jī)碳，而以CaCO3為主要形式存在于土壤中的無機(jī)碳，可占其土壤碳庫總量的90％。因此，客觀準(zhǔn)確地評估干旱區(qū)土壤無機(jī)碳的固碳潛力和貢獻(xiàn)及其對人類活動的響應(yīng)具有重要的科學(xué)價值和現(xiàn)實意義。

新疆的荒漠土、鹽漬土等是我國重要的耕地后備資源，墾種后人類耕作活動對其大量賦存的土壤無機(jī)碳的影響，目前還知之甚少，亟待通過更多的實驗提供數(shù)據(jù)支持。奇臺綠洲位于新疆天山北坡經(jīng)濟(jì)帶，是優(yōu)質(zhì)小麥主產(chǎn)區(qū)之一，其平原區(qū)地帶性土壤類型為荒漠灰鈣土，富含硫酸鹽和碳酸鹽，兼具荒漠土和灰鈣土特征，上世紀(jì)八九十年代以來，大面積的荒漠灰鈣土被開墾為耕地，但耕作活動對其土體內(nèi)無機(jī)碳的影響尚不明確，因此，本研究基于奇臺綠洲不同耕作年限荒漠灰鈣土實測數(shù)據(jù)，探討了耕作過程中土壤無機(jī)碳的變化及其影響因素，以期為干旱區(qū)土壤碳循環(huán)研究以及我國“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)提供參考依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概括

奇臺綠洲地處天山北麓、準(zhǔn)噶爾盆地東南緣，縣域跨山地、平原、沙漠、戈壁，地理坐標(biāo)42°25′-45°29′N、89°13′-91°22′E（圖1）。該綠洲屬于中溫帶大陸性干旱半干旱氣候，冬季長而寒冷，夏季短而炎熱，氣候干燥，年平均溫度約5.5℃，年平均降水量176 mm，蒸發(fā)量可達(dá)2 141mm，無霜期153 d（4月下旬到10月上旬）。奇臺綠洲耕地面積為15.93萬hm2，最主要的農(nóng)作物是小麥，采樣區(qū)位于綠洲北緣平原地區(qū)，農(nóng)業(yè)用水以井灌為主，由于長期超采，該區(qū)域地下水位較低，近幾十年來，地下水埋深一直低于地表10m以下并持續(xù)下降，因此，地下水位的季節(jié)性變化對農(nóng)田土壤無影響。研究區(qū)未墾種過的自然土壤中，水溶性鹽類以硫酸鹽為主，在1m深度的剖面上，SO2在陰離子中的占比均在75％以上。

1.2樣地選擇與樣品采集

為保證耕作年限數(shù)據(jù)的客觀性，使用逐年Landsat遙感影像確定備選耕作田塊出現(xiàn)時間，并在采樣前進(jìn)行田野訪查（確保耕作年限、作物類型、灌溉模式、化肥施用等一致）確定最終采樣樣地。根據(jù)耕作年限確定5類樣地土壤：lt;3 a、10 a、20 a、30 a、gt;40 a。由于年代久遠(yuǎn)的耕地年限缺乏足夠的有效記錄而難以確定，gt;40 a的樣地是依據(jù)1976年Landsat MSS影像上已經(jīng)存在的耕地來確定的，通過田間訪查，這些耕地耕作時間可能遠(yuǎn)長于40 a。樣點位置如圖1所示，集中分布于綠洲平原區(qū)，地形平坦，氣候、母質(zhì)等成土因子相同，耕作方式與化肥配給、施用相同，種植作物均為小麥，灌溉水來源于機(jī)井抽取的地下水，灌溉水質(zhì)和灌溉定額相同，其中，地下水中的Ca2+、Mg2+、HCO-3、CO2-含量分別為61.54、10.20、123.96 mg·L-1和0mg·L-1，目前每公頃耕地的年灌溉定額是4 500m3。

根據(jù)土壤樣品采集的方法與標(biāo)準(zhǔn)，攜帶GPS定位儀（型號為eTrex 309X）于2018年8月末，在作物收割后、翻耕前且采樣前至少一周內(nèi)未受降雨影響的樣地，采集土壤剖面樣品并記錄樣點和剖面信息。樣地景觀見圖2a，剖面發(fā)生層分布見圖2b，使用10010稀鹽酸觀察土壤的石灰反應(yīng)見圖2c。每種年限耕地選取2個樣地（均gt;1 000 m2），每個樣地從中心向兩端挖取3個土壤剖面，深1.2 m、長1m、寬0.8 m，觀察面向陽，挖出的表土和底土分別堆放在坑的兩旁，取樣完畢后按土層順序回填。每個剖面按耕作層（Arable layer，A）、犁底層（Plow layer，P）、心土層（Subsoil layer，B）采集土壤樣本。其中A層厚度為26-33 cm，P層厚度為13-24 cm，B層厚度為26-47 cm，分別對同一樣地各發(fā)生層正面及兩側(cè)等量取樣后采用四分法混合，取600 g作為土壤樣品，帶回實驗室并在干燥通風(fēng)處陰干，而后篩除根莖及碎石，經(jīng)研磨、過篩（依次過2、0.3、0.2、0.097 mm尼龍網(wǎng)篩）后留存?zhèn)溆谩?/p>

1.3測試指標(biāo)與方法

本研究的測試指標(biāo)包括土壤無機(jī)碳、土壤養(yǎng)分、不同形態(tài)鹽分離子、土壤鹽類礦物方解石和石膏以及土壤無機(jī)碳的穩(wěn)定碳同位素13C。測試方法如下：

（1）依據(jù)土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)檢測標(biāo)準(zhǔn)與實驗方法，對所采集的土樣進(jìn)行了以下指標(biāo)測定：pH、CaCO3、土壤速效鉀（Available kalium，AK）、速效氮（Available nitrogen，AN）、速效磷（Available phosphorus，AP）、水溶性離子（K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-、HCO3、CO2-）。其中：pH值選用F2型pH計測定（測定精度：0.01）；CaCO3含量采用氣量法測定；AK使用中性NH4OAC浸提的火焰光度計法測定；AN采用堿解擴(kuò)散法測定；AP采用NaHCO3浸提的硫酸鉬銻抗比色法測定；K+和Na+采用火焰光度法測定；Ca2+、Mg2+采用EDTA絡(luò)合滴定法測定；Cl-采用硝酸銀滴定法測定；S02-采用容量法測定；HCO3和CO2-采用雙指示劑中和法測定。

（2）采用提取能力強(qiáng)弱不同的試劑測定元素在土壤中存在的形態(tài)。上述水溶性八大離子常規(guī)含量檢測采用過2 mm篩孔土樣，使用1：5的土水比制作懸液，振蕩3 min后抽濾，將得到的濾液進(jìn)行離子測定，這種處理是通過速溶方式讓土壤本體溶液中的易溶鹽完全溶解，使難溶鹽和中溶鹽不溶或少溶，同時避免溶出的離子與土壤膠粒吸附的離子發(fā)生交換反應(yīng)。為了進(jìn)一步觀察二價硫酸鹽（中溶鹽）和碳酸鹽（難溶鹽）溶解情況，本研究參照《土壤和沉積物13個微量元素形態(tài)順序提取程序》（GB/T 25282-2010）和歐共體標(biāo)準(zhǔn)順序提取方案，提取了土壤樣本中八大離子的水溶態(tài)含量以及四個陽離子的弱酸態(tài)含量。GB/T 25282-2010是基于歐共體標(biāo)準(zhǔn)順序提取方案制定的，處理方式一致，該方案主要針對不同形態(tài)土壤重金屬的提取，也可以用于土壤常量元素如K、Na、Ca、Mg、Fe、Mn的提取。其中，水溶態(tài)離子含量檢測是將過0.097 mm的土樣按照1：20的土水比制作懸液，振蕩16 h后離心30 min，取上層清液測定八大離子，這些操作可使中溶鹽如硫酸鈣以及被較弱吸附在土壤膠體上的元素轉(zhuǎn)移至清液。弱酸態(tài)（Weak acid，WA）離子含量檢測使用0.11 mol·L-1乙酸作為溶劑，按照1：40的比例溶解0.097 mm的土樣，振蕩16 h后離心15 min，傾析出上層清液進(jìn)行檢測，提取的離子主要是指因靜電作用被強(qiáng)吸附在土壤膠體表面以及被束縛在難溶鹽（主要是二價碳酸鹽）中的陽離子。為了避免中間環(huán)節(jié)誤差，三種形態(tài)元素提取時均使用了原樣。

（3）樣品中以鹽結(jié)晶礦物存在的石膏和方解石含量采用X-射線衍射進(jìn)行測定，由新疆礦產(chǎn)實驗研究所完成檢測，儀器為德制Bruker D8 ADVANCE X-射線衍射儀，二者數(shù)值是由特征峰的峰強(qiáng)歸一化后得到相對百分含量。

（4）土壤碳酸鹽的穩(wěn)定碳同位素13C分析，由中國科學(xué)院地質(zhì)和地球物理研究所的穩(wěn)定同位素地球化學(xué)實驗室完成，質(zhì)譜型號為MAT-253，將土壤與磷酸反應(yīng)生成的CO2，通過He載氣轉(zhuǎn)移到質(zhì)譜儀中，所報數(shù)據(jù)為相對于Vienna Pee Dee箭石（V-PDB）之值（國際標(biāo)準(zhǔn)），標(biāo)準(zhǔn)偏差優(yōu)于0.15‰。

1.4數(shù)據(jù)說明

本研究中土壤無機(jī)碳組分包括：氣量法測定的土壤碳酸鹽（主要為CaCO3，其中亦含有少量MgCO3，由于其占比不足5％，因此本文使用CaCO3表示氣量法測定的土壤碳酸鹽含量）、常規(guī)速溶檢測的土壤水溶性無機(jī)碳（Dissolved inorganic carbon，DIC）以及通過長時間振蕩、離心處理后的水溶態(tài)無機(jī)碳（Water-sol-uble inorganic carbon，WIC）。DIC和WIC分別為各自測得的HCO3和CO2-之和，由于土壤pHgt;8.5時，土壤溶液中CO2-含量才會從0開始增加，實驗測得pH均小于8.5，DIC和WIC為HCO-3含量。研究區(qū)氣候干冷，土壤有機(jī)質(zhì)難以積累，相關(guān)鹽類如硝酸鹽、有機(jī)酸鹽、硅酸鹽等含量很低，土壤中的鹽類主要是氯化物鹽、硫酸鹽和碳酸鹽，因此，本研究采用離子加和法計算全鹽含量，水溶性全鹽（Dissolved total salt，DTS）和水溶態(tài)全鹽（Water-soluble total salt，WTS）含量分別為水溶性和水溶態(tài)八大離子（K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、HCO3、SO2-、CO2-）之和。

利用SPSS 25.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析（Oneway ANOVA）和Duncan多重比較分析，顯著性差異水平設(shè)置為0.05。數(shù)據(jù)繪圖在Origin 2023b中進(jìn)行。

2結(jié)果與分析

2.1不同耕作年限土壤無機(jī)碳變化

樣地土壤中CaC03、DIC和WIC隨耕作年限的變化，表現(xiàn)出共同的規(guī)律（表1）：先降低后升高，最小值均出現(xiàn)在耕作10 a的土壤中。研究區(qū)土壤墾種后的前10 a，土壤無機(jī)碳處于下降狀態(tài)，之后隨著耕作年限增加，無機(jī)碳含量開始轉(zhuǎn)變?yōu)樯仙厔?，耕?0 a后，土壤中的無機(jī)碳含量已經(jīng)回升到開墾lt;3 a時的水平。CaC03、DIC和WIC最大值均出現(xiàn)在耕作時間gt;40 a的樣本上，相較于剛墾種lt;3 a的田塊，分別平均高出16.06％、140.91％、80.97％?？梢姡芯繀^(qū)土壤無機(jī)碳對人類的耕作活動很敏感，耕作gt;40 a土壤中的CaCO3較lt;3 a的土壤平均增加超過10 g·kg-1。

土體中次生碳酸鹽的形成需要土壤溶液中HCO3與陽離子的結(jié)合，耕地中HC03主要來自土壤空氣中CO2的溶解以及地下水的灌溉輸入。當(dāng)土壤中有機(jī)質(zhì)含量增加以及微生物、根系等呼吸作用增強(qiáng)，釋放的CO2濃度也隨之增高，使得土壤溶液中的HCO-3含量增加，結(jié)合表1中DIC和WIC隨著耕作年限的增加而增加，表明在長期人為耕作和灌溉過程中，土體中持續(xù)有次生碳酸鹽淀積，為現(xiàn)代大氣CO2的長期固定提供了條件。

不同耕作年限土壤中CaCO3、DIC與WIC含量在土壤剖面上的分布如圖3所示。在圖3a中，除耕作10 a外，所有樣本中的CaC03含量均以P層最高。在開墾10 a的樣本中，A、P、B中的CaCO3較開墾lt;3 a的降低，降幅分別為28.66％、24.06％、6.09％，之后，CaCO3開始轉(zhuǎn)為增加趨勢，耕作20 a樣本的CaCO3回升至lt;3 a時水平。耕作30 a樣本相較于20 a樣本，A層的CaCO3增加了14.67％；相較于30 a樣本，耕作gt;40a樣本中A層的CaCO3又增加了12.51％。A層受到人類耕作活動影響最大，所以CaCO3的變化劇烈程度也相對較大，其次是P層，而B層波動則相對較小。DIC和WIC在剖面上的分布總體表現(xiàn)為Agt;Pgt;B（圖3b、圖3c）。

2.2不同耕作年限土壤無機(jī)碳變化的影響因子分析

2.2.1土壤理化性質(zhì)對無機(jī)碳的影響

（1）土壤主要理化特性

不同耕作年限土壤主要理化參數(shù)如表2所示。方解石含量隨耕作年限增加而增加，其中，耕作10 a時方解石平均含量較墾種lt;3 a相差較小，10 a至20 a上升了1.58個百分點，之后增幅較平緩；石膏在耕作10 a時達(dá)到最高，而后隨著耕作年限的增加逐漸降低至0。研究區(qū)土壤pH的平均值在7.78-8.18之間，屬于堿性土，土壤pH均值隨耕作年限增加略有增加，總體變化較小。對土壤速效養(yǎng)分測定結(jié)果顯示，AK含量較高，供鉀能力遠(yuǎn)高于其豐缺標(biāo)準(zhǔn)（160 mg·kg-1），在不同耕作年限的樣本中波動較小，平均波動范圍最大約10％。AN和AP雖然波動較大，但其含量很低，總體來看，隨著耕作年限的增加，AN趨于增加，AP趨于減少。DTS和WTS均隨耕作年限先增后降，在耕作10 a時最高，分別為4.10 g·kg-1和26.78 g·kg-1，隨著耕作時間的增加，DTS和WTS總體處于下降趨勢，相較于耕作lt;3 a的樣本，30 a的樣本中分別下降了34.05％-75.90％和44.81％-92.91％，在gt;40 a的樣本中下降了83.39％-92.11％和93.64％-95.59％。從13C變化來看，lt;3 a、10 a、20 a、30 a、gt;40 a的13C值分別為-2.00‰、-2.44‰、-2.84‰、-3.88‰和-5.04‰，隨著耕作年限增加，13C持續(xù)負(fù)向偏移，土壤碳酸鹽中固定的輕碳逐漸增加。

（2）土壤理化參數(shù)與無機(jī)碳各組分的關(guān)系

CaCO3、DIC、WIC與表2中理化指標(biāo)的關(guān)系如圖4和圖5所示。CaCO3與pH具有顯著的正相關(guān)關(guān)系（Plt;0.05），相關(guān)系數(shù)為0.44，CaCO3主要存在于干旱半干旱土壤中，旱區(qū)土壤通常顯堿性；CaCO3與速效磷呈現(xiàn)極顯著的負(fù)相關(guān)性（Plt;0.01），相關(guān)系數(shù)為-0.53，這是由于磷酸鈣對磷有固定作用，而碳酸鈣與磷酸鈣對鈣離子又存在競爭關(guān)系且磷酸鈣的溶解度高于碳酸鈣造成的；DIC和WIC與pH呈極顯著正相關(guān)（Plt;0.01），二者與速效磷、13C呈負(fù)相關(guān)，其中DIC與13C之間呈極顯著的負(fù)相關(guān)（Plt;0.01），而WIC和13C之間呈顯著的負(fù)相關(guān)（Plt;0.05），即DIC和WIC含量越高，13C負(fù)向偏移越多。DIC和WIC與方解石之間呈顯著正相關(guān)（Plt;0.05），二者與石膏間均達(dá)到了極顯著負(fù)相關(guān)（Plt;0.01）。方解石是CaCO3的結(jié)晶礦物，二者之間呈極顯著正相關(guān)（Plt;0.01），相關(guān)系數(shù)為0.81；CaCO3與石膏之間呈極顯著負(fù)相關(guān)（Plt;0.01），相關(guān)系數(shù)為-0.66。石膏和CaCO3對Ca2+存在競爭關(guān)系，兩者在土壤中存在著直接或間接的化學(xué)轉(zhuǎn)化。

利用皮爾遜相關(guān)性檢驗發(fā)現(xiàn)，土壤無機(jī)碳組分與DTS、WTS間均具有極顯著的負(fù)相關(guān)性（Plt;0.01）（圖5）。CaCO3、DIC、WIC與DTS的R2值分別為0.579 7、0.6544、0.667 1，與WTS的R2值分別為0.565 9、0.6580、0.726 4，說明水溶性全鹽和水溶態(tài)全鹽對無機(jī)碳組分的影響程度相近。隨著無機(jī)碳各組分含量的增加，DTS和WTS減少，這可能是由于鹽分離子參與了土壤固碳，在CO2（g）-CO2（aq）-HCO3（aq）-CaC03（s）這一過程中，陰、陽離子作為反應(yīng)物不斷被消耗，生成物碳酸鹽不斷增加，因此，全鹽與無機(jī)碳間為負(fù)向關(guān)系。

2.2.2鹽分離子與土壤無機(jī)碳的關(guān)系

（1）不同形態(tài)鹽分離子分布特征

由于不同處理方法對離子的提取強(qiáng)度不同，土壤水溶性、水溶態(tài)以及弱酸態(tài)的鹽分離子含量存在顯著差異（表3）。土壤中的主要陽離子為Ca2+，其在水溶性和水溶態(tài)陽離子中的平均占比分別為72.18％和76.76％，在弱酸態(tài)陽離子中的平均占比高達(dá)95.29％。另一個二價陽離子Mg2+的占比很小，其在三種提取態(tài)陽離子中的占比僅為7.67％、5.52％和2.02％。一價陽離子K+、Na+主要以易溶鹽存在，它們在水溶性陽離子中的占比為20.15％，在水溶態(tài)陽離子中的占比為17.71％，但是在弱酸態(tài)中，它們各自的占比僅為1.64％和1.06％。同一種陽離子，隨著提取強(qiáng)度的增大，所測含量增加，特別是Ca2+，其水溶態(tài)含量相較于水溶性含量平均增加了303.94％，而其弱酸態(tài)含量較水溶態(tài)含量則平均增加高達(dá)1 865.77％，在耕作gt;40 a的樣本中，弱酸態(tài)提取到的Ca2+含量較水溶態(tài)增加了6 449.60％，說明在耕作gt;40 a的土壤中，Ca2+主要以膠體吸附和碳酸鹽形式存在。

從耕作時間變化來看，不同形態(tài)的陽離子在耕作gt;40 a的樣本中均較耕作lt;3 a的樣本顯著減少，其中降幅最大的是水溶性和水溶態(tài)的Ca24、Mg2+，水溶性Ca2+、Mg2+分別減少了88.12％、81.42％，水溶態(tài)Ca2+、Mg2+分別減少了92.88％、72.19％。相對而言，弱酸態(tài)Ca2+、Mg2+下降幅度相對較小，耕作gt;40 a的樣本中較耕作lt;3 a的分別減少了34.60％和40.97％。

除了gt;40 a的樣地以外，SO2-在水溶性和水溶態(tài)提取的陰離子中占比為91.40％-99.20％，處于絕對優(yōu)勢，土壤中的水溶性鹽類主要為硫酸鹽。水溶態(tài)提取到的SO2-含量是水溶性含量的3.50-10.70倍，結(jié)合Ca2+分布與變化，水溶態(tài)提取方法能夠提取到大部分的二價硫酸鹽。SO2-在耕作20 a及更長時間的土壤中下降很快，在耕作gt;40 a的樣本中，水溶性和水溶態(tài)SO2-含量較耕作lt;3 a的分別減少了97.29％和99.36％。

（2）不同形態(tài)離子對土壤碳酸鹽淀積的影響

從表4可以看出，CaCO3、DIC和WIC與水溶性和水溶態(tài)Ca2+、Mg2+間呈極顯著的負(fù)相關(guān)性（Plt;0.01），說明無機(jī)碳的增加伴隨著其他易溶鹽、中溶鹽固定的Ca2+、Mg2+的減少。而CaCO3與弱酸態(tài)Ca2+無明顯的相關(guān)性，是因為弱酸態(tài)提取的Ca2+既包含碳酸鹽固定的Ca2+也包含大量被土壤膠體吸附的Ca2+。CaCO3與弱酸態(tài)Mg2+間為極顯著的負(fù)相關(guān)（Plt;0.01），因為Ca2+的含量和代換能力高于Mg2+，隨著耕作年限的增加，土壤膠體上的Mg2+被溶液中的Ca2+所代換，致使被土壤膠體靜電吸附的Ca2+的占比不斷增加，而Ca2+和Mg2+在形成碳酸鹽時存在競爭關(guān)系，由于二者溶解度不同，CaCO3會先于MgCO3生成。同時，土壤溶液中存在的HC03、OH-與Ca2+、Mg2+反應(yīng)，可能生成碳酸鹽、堿式碳酸鹽或氫氧化物沉淀，由于CaCO3的溶解度遠(yuǎn)小于Ca（OH）2，因此，生成物以CaCO3為主。

在表4中，水溶性和水溶態(tài)的Cl-與無機(jī)碳組分間無明顯相關(guān)性，而水溶性和水溶態(tài)的SO2-與CaCO3、DIC和WIC間皆為極顯著的負(fù)相關(guān)（Plt;0.01），相關(guān)系數(shù)均在-0.70左右，如前所述，二價SO2-結(jié)合的Ca2+被離解后參與了土壤固碳，故硫酸鈣鹽與無機(jī)碳關(guān)系密切。研究區(qū)土壤母質(zhì)中大量賦存的硫酸鹽（主要是石膏）中的Ca2+在灌溉耕作過程中不斷地被溶解然后向碳酸鹽轉(zhuǎn)移，為無機(jī)碳匯的增加提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

3討論

3.1荒漠灰鈣土耕作后的土壤無機(jī)碳變化與碳匯潛力

荒漠灰鈣土耕作后可能具有較強(qiáng)截存現(xiàn)代大氣CO2的潛力。開墾改變了荒漠灰鈣土原有的成土過程和碳庫平衡。隨著耕作年限的增加，研究區(qū)內(nèi)土壤無機(jī)碳含量整體呈先降后升的趨勢，均值在50-80 g·kg-1之間，處于我國西北干旱地區(qū)的平均水平（40-90g·kg-1）。耕作對土壤無機(jī)碳的影響主要存在于耕作層和犁底層，對心土層影響較小（圖3），并且在耕作的前10 a，土壤碳酸鹽溶解度增加表現(xiàn)為碳源，這與鄧彩云等的研究結(jié)果一致。之后，由于土體中含有大量鹽基離子以及土壤溶液中HCO-3含量增加，土壤碳酸鹽的淀積增加，重新轉(zhuǎn)為碳匯，其轉(zhuǎn)換符合土壤中CO2（g）-CO2（aq）-HCO3（aq）-CaCO3（S）這一無機(jī)碳形成過程，式中可以看出，HCO3（DIC、WIC）是影響無機(jī)碳溶解／再結(jié)晶的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是從大氣C到碳酸鹽C轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。但是HCO3中的C來源復(fù)雜，既包括無機(jī)過程如原生碳酸鹽的溶解、現(xiàn)代大氣CO2的溶解，也包括通過生物過程固定的有機(jī)碳向土壤溶液中的分餾轉(zhuǎn)移，如何量化HCO3中的C來源仍是相關(guān)領(lǐng)域的研究難點。

自然界中有機(jī)碳庫富集輕碳，而無機(jī)碳庫富集重碳。源自海相碳酸鹽的13C值常在0-3％0范圍內(nèi)變化，與大氣水有關(guān)的碳酸鹽13C在-1‰--5‰范圍內(nèi)變化，有機(jī)碳13C一般為-25‰，正常大氣CO2的13C平均約為-7.8‰。碳酸鹽發(fā)生負(fù)偏移，說明受到了有機(jī)影響，有輕碳同位素加入。本研究中，13C隨耕作年限增加持續(xù)負(fù)向偏移，說明土壤中含有輕碳的次生碳酸鹽含量在增加，這與李龍波等和張林等的研究相同。本研究中耕作20 a、30 a和gt;40 a的土壤樣本中CaCO3含量較耕作lt;3 a分別平均增加了1.40、3.70、10.86 g·kg-1，而這部分碳匯目前可能被忽視或者被低估，但是對于13C負(fù)向偏移與土壤碳酸鹽固定現(xiàn)代大氣CO2間的定量關(guān)系，仍有待進(jìn)一步結(jié)合地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)、生物學(xué)等多領(lǐng)域理論和技術(shù)方法進(jìn)行深入研究。

3.2土壤鹽分對土壤無機(jī)碳變化的影響

在盡可能考慮了樣地相關(guān)環(huán)境因子和人類耕作活動一致性的情況下，影響奇臺綠洲土壤無機(jī)碳變化的主要因素是土體中鹽類及其離子構(gòu)成，特別是與土壤中可用于碳酸鹽淀積的Ca2+、Mg2+等陽離子的供給密切相關(guān)。

（1）不同鹽類溶解度的差異?；哪意}土中富含硫酸鹽石膏，這為次生碳酸鹽的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。石膏和方解石均屬極易風(fēng)化礦物（風(fēng)化速度：石膏gt;方解石），但石膏的溶解度遠(yuǎn)高于方解石。由表2可知，石膏隨耕作年限增加最終下降為0，石膏溶解釋放的Ca2+與含C陰離子結(jié)合生成無機(jī)碳，這個過程使石膏含量下降，CaCO3及其品質(zhì)礦物方解石不斷增加。

（2）不同離子代換能力的差異。按照陽離子對土壤膠體凝聚力大小排序（H+gt;Ca2+gt;Mg2+gt;K+gt;Na+）可知，Ca2+、Mg2+代換能力強(qiáng)，可把原來膠體表面附著的一價陽離子交換出來，代換下來的K+和Na+形成的碳酸鹽因自身較大的溶解度而無法淀積在土體中，二者與土壤無機(jī)碳不具有相關(guān)性（表4）。乙酸中的H+可以更多地代換出被土壤膠體束縛的Ca2+、Mg2+，因此弱酸態(tài)提取的陽離子含量高于水溶性和水溶態(tài)離子，此時溶液中既包括被土壤膠體吸附的陽離子，也包括被碳酸鹽束縛的陽離子，從提取結(jié)果看，主要為Ca2+離子，因此，土壤實際起主要固碳作用的是含Ca碳酸鹽，這與Guo等和Bughio等的研究結(jié)果一致。

4結(jié)論

（1）奇臺綠洲荒漠灰鈣土墾種后，其土壤無機(jī)碳對人類耕作活動敏感，呈先降后增變化特征，耕作gt;40 a后，土壤中的無機(jī)碳匯較耕作lt;3 a的顯著增加超過10 g·kg-1。

（2）奇臺綠洲荒漠灰鈣土碳酸鹽的13C隨耕作年限增加表現(xiàn)為持續(xù)的負(fù)向偏移，耕作時間越長，負(fù)向偏移越大，表現(xiàn)出具有固定現(xiàn)代大氣CO2的潛力，這部分碳匯目前可能被低估。

（3）奇臺綠洲荒漠灰鈣土無機(jī)碳與石膏呈極顯著負(fù)相關(guān)性（Plt;0.01），含量豐富的石膏溶解釋放的Ca2+為次生碳酸鹽淀積提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，而Ca2+含量決定土壤無機(jī)碳庫儲量大小。