土壤有机碳(SOC)是土壤的重要组成部分,不是土壤质量的重要基础,而且在全球碳循环中也起着至关重要的作用[1]。土地利用或管理方式的变化不仅直接改变有机碳的含量和分布,还通过影响有机碳形成及转化的因子而间接改变有机碳的含量与分布。然而,土壤有机碳含量是土壤中有机物质矿化分解与合成的平衡结果,且由于土壤具有高背景值与固有的分异性因素,短期的土地利用变化所引起的土壤碳微小变化很难察觉,因此很难反映土壤短期质量变化[2]。研究发现,土壤有机碳中的一些组分循环周期较短、抗干扰能力较弱且相对不稳定,同时与土壤养分供给及作物生长紧密相关,能够敏感地反映外部环境变化对它的影响,这部分组分被称为活性有机碳[3]。通常可用易氧化有机碳(EOC)、溶解性有机碳(DOC)等来表征[4],它虽然仅占总有机碳含量的一小部分,却是生态系统中最重要的能量来源之一,能指示土壤有机质的早期变化,且会在经营管理或其它土壤扰动之后产生较大波动,可以在不同程度上反映土壤有机碳的有效性和土壤质量[5]。

近年来,国内针对土地利用变化对土壤活性有机碳的影响开展了大量的研究工作,并取得了较为丰硕的研究成果,但这些研究大多集中在山地[6,7]、农地[8,9,10]和流域[11,12],对于草原特别是荒漠草原不同土地利用方式下土壤有机碳的分布特征和影响因素研究相对较少。SAGGAR等[13]研究耕作对土壤有机碳动态的影响时发现,草地变为耕地后,土壤的有机碳含量减少了60%,微生物有机碳降低了83%。研究内蒙农牧交错带土地利用方式对土壤有机碳的影响发现,退耕还灌/还草后,土壤有机碳含量较耕地均有显著提高[14]。房飞等[15]研究不同土地利用方式对土壤有机碳及其组分的影响发现,在不同土地利用方式下,土壤有机碳含量随着深度的增加而逐渐降低。邱璇等[16]、蒲宁宁[17]和杨合龙等[18]均发现放牧降低了活性有机碳占有机碳的比例,活性有机碳含量显著低于围封区。由于退耕还林/还草进而禁止放牧政策的实施,近年来土地利用变化有了新的表现(耕地-弃耕地-草地-柠条地),草地围栏封育建设也取得一定成效,退化草地/柠条地在排除外界人畜干扰后将进行自我恢复[19]。无疑这些活动对土壤活性有机碳都将产生一定影响,但目前还不清楚。因此该试验以4种不同土地利用方式下的土壤活性有机碳为研究对象,测定不同土壤层次的活性有机碳及土壤因子的含量,以期为科学的利用和保护草原资源,持续发展草原经济奠定理论和实际基础,同时为草原碳库的经营和管理提供参考依据。

1、材料与方法

1.1试验区概况

试验区位于宁夏省盐池县皖记沟村(东经107°22′～107°33′,北纬37°47′～37°57′),地貌为鄂尔多斯缓坡起伏高原,地势南高北低,土壤主要类型为灰钙土、风沙土和基岩风化残积土等。土壤质地以沙壤、粉沙壤和沙土为主。该地区属于中温带半干旱区,典型中温带大陆性气候。年平均气温8.2℃,年平均降水量289mm,降水的年际和年内变化剧烈,7—9月降水量占全年的60%以上,潜在年蒸发量2014mm。年无霜期为165d。不同利用方式的土地概况及基本理化性质见表1和表2。

表1试验样地基本概况

表2样地土壤基本理化性质

1.2试验方法

2017年10月在宁夏省盐池县皖记沟村选择弃耕地、耕地、草地和柠条地4种土地利用方式。各个土地利用方式分别选取3个样地,在每个样地内按照三点取样法选定1m×1m样方3个,采样时先除去地面凋落物,采集0～5、5～10、10～20、20～40cm和40～60cm土层土壤,分层均匀混合,四分法取样,于室内自然风干,过2mm筛备用。

1.3项目测定

采用凯氏定氮法测定全氮含量;采用钼锑抗比色法测定全磷含量;采用0.5mol·L-1NaHCO3法测定速效磷含量;采用火焰光度法测定速效钾含量;采用碱解扩散法测定碱解氮含量[20];采用电位法测定土壤pH;采用伏安法测定电导率值[21];用K2CrO7氧化法测定土壤有机碳;采用333nmol·L-1KMnO4氧化比色法测定易氧化有机碳[22];土壤水溶性有机碳采用水土比为4∶1,蒸馏水浸提,在25℃下恒温震荡3min,用0.45μm滤膜抽滤,滤液直接在TOC-1020A分析仪上测定[23]。

1.4数据分析

采用SPSS21.0软件进行数据统计分析,运用单因素方差(One-wayANOVA)对不同土地利用方式下各土层土壤有机碳及组分含量进行统计分析,处理之间的显著性差异分析均设P=0.05水平,且平均值比较采用最小显著差异法(leastsignificantdifferernce,LSD);使用Excel2016软件完成数据整理及制图。

2、结果与分析

2.1不同土地利用方式土壤总有机碳含量

由图1可知,不同土地利用方式土壤总有机碳含量范围为1.78～6.17g·kg-1,不同土地利用方式下土壤总有机碳平均含量总体表现为弃耕地>柠条地>草地>耕地。在0～5cm和10～20cm土层内,弃耕地、柠条地、草地和耕地土壤总有机碳含量依次减少且相互之间没有显著性差异(P>0.05)。在5～10cm土层内,土壤总有机碳含量大小表现为弃耕地>草地>柠条地>耕地,其中弃耕地、草地和柠条地分别比耕地高103.0%、96.6%和85.9%,差异性显著(P<0.05)。在20～40cm土层内,弃耕地有机碳含量高于草地47.1%、耕地80.3%,差异显著(P<0.05)。在40～60cm土层内,土壤有机碳含量大小表现为弃耕地>柠条地>草地>耕地,除弃耕地与柠条地,柠条地与草地,草地与耕地之间未表现出显著性差异(P>0.05),其余两两之间差异显著(P<0.05)。

不同土地利用方式的表层(0～5cm土层)土壤总有机碳含量显著高于深层(10～60cm)(P<0.05),说明土壤有机碳主要富集在表层。在弃耕地中,0～5cm土层的总有机碳含量高于10～20cm土层59.23%、20～40cm土层50.21%和40～60cm土层45.53%,差异显著(P<0.05)。在耕地中,0～5cm土层的总有机碳含量高于5～10cm土层112.92%、10～20cm土层66.62%、20～40cm土层116.10%和40～60cm土层183.49%,差异显著(P<0.05)。10～20cm土层总有机碳含量高于20～40cm土层29.70%和40～60cm土层65.84%,差异显著(P<0.05)。在草地中,土壤总有机碳含量表现出垂直分布特征,即随着土壤深度的增加总有机碳含量降低。在柠条地中,0～5cm土层总有机碳含量高于10～20cm土层79.78%、20～40cm土层46.77%和40～60cm土层74.11%,差异显著(P<0.05)。

图1不同土地利用方式土壤总有机碳含量

图2不同土地利用方式土壤易氧化有机碳含量

2.2不同土地利用方式土壤易氧化有机碳含量

从图2可以看出,宁夏省荒漠草原不同土地利用方式下土壤易氧化有机碳含量范围为0.57～1.38mg·g-1,其平均含量大小具体表现为柠条地>草地>耕地>弃耕地,其中柠条地的每个土层内易氧化有机碳含量都高于其它3种土地利用方式。其中在5～10cm土层内,柠条地与草地、耕地之间差异不显著(P>0.05),其余两两之间差异显著(P<0.05)。在40～60cm土层内,耕地和弃耕地之间差异不显著(P<0.05),其余不同土地利用方式两两之间差异显著(P<0.05)。在0～5cm和10～20cm土层内,不同土地利用方式下土壤易氧化有机碳含量大小顺序为柠条地>耕地>弃耕地>草地。在0～5cm土层,柠条地的易氧化有机碳含量分别比耕地、弃耕地和草地高29.8%、38.6%和53.9%,差异显著(P<0.05)。10～20cm土层内,柠条地的土壤易氧化有机碳含量高于草地42.37%,差异显著(P<0.05)。在20～40cm土层内,不同土地利用方式土壤易氧化有机碳含量大小为柠条地>草地>弃耕地>耕地,耕地含量最低(0.57mg·g-1),耕地和弃耕地之间差异不显著(P<0.05),其余不同土地利用方式两两之间差异显著(P<0.05)。

在耕地中,不同土层土壤易氧化有机碳平均含量大小为0～5cm>10～20cm>40～60cm>5～10cm>20～40cm,其中0～5cm土层易氧化有机碳含量分别比5～10cm和20～40cm高57.9%和84.2%,差异显著(P<0.05)。在草地中,不同土层土壤易氧化有机碳平均含量大小为5～10cm>40～60cm>20～40cm>0～5cm>10～20cm,10～20cm土层与其余4层之间存在显著性差异(P<0.05),其余4层两两之间未表现出显著性差异(P<0.05)。弃耕地和柠条地的易氧化有机碳含量在不同土层之间均无显著性差异(P>0.05)。

2.3不同土地利用方式土壤可溶性有机碳含量

由图3可知,不同土地利用方式土壤可溶性有机碳平均含量范围为6.8～11.1mg·kg-1,大小排序表现为草地>耕地>柠条地>弃耕地。其中草地在0～5cm土层内含量最高(0.011mg·kg-1),分别比弃耕地、耕地和柠条地高50.6%、60.0%和72.5%,差异显著(P<0.05)。在5～60cm土层内不同土地利用方式两两之间差异不显著(P>0.05)。

弃耕地和耕地的土壤可溶性有机碳含量在不同土层之间未表现出显著性差异(P>0.05)。柠条地的20～40cm土层土壤可溶性有机碳含量分别高于5～10cm土层48.2%和0～5cm土层50.8%,差异显著(P<0.05)。草地的0～5cm土层土壤可溶性有机碳含量分别高于20～40、40～60cm和10～20cm土层31.5%、32.8%和60.9%,差异显著(P<0.05),其余土层之间两两差异不显著(P>0.05)。

图3不同土地利用方式土壤可溶性有机碳含量

2.4不同土地利用方式土壤活性有机碳占总有机碳的比率

由表3可知,宁夏省荒漠草原4种土地利用方式土壤易氧化有机碳(EOC)含量占有机碳(SOC)含量的比例范围为13.7%～43.1%,不同土地利用方式土壤EOC含量占SOC含量的比例大小为柠条地>耕地>草地>弃耕地。除弃耕地外其它3种土地利用方式在40～60cm土层内土壤EOC含量占SOC含量的比例最高。宁夏省荒漠草原4种土地利用方式土壤可溶性有机碳(DOC)含量占SOC含量的比例范围为0.11%～0.48%,不同土地利用方式土壤DOC含量占SOC含量的比例大小为耕地>草地>柠条地>弃耕地,耕地和草地除5～10cm土层其它土层土壤DOC含量占SOC含量比例均高于弃耕地和柠条地。4种土地利用方式在0～5cm土层内土壤DOC含量占SOC含量比例最低。耕地和草地中土壤DOC含量占SOC比例随着土壤深度的增加而减小,这与有机碳在耕地和草地中变化趋势一致。

3、讨论

3.1不同土地利用方式对土壤总有机碳的影响

土壤有机碳含量及动态平衡直接影响着土壤肥力和生产力以及土壤质量重要的评价指标,而且显著影响全球碳循环和全球气候变化[24]。土壤有机碳含量是土壤、植被覆盖、母质、气候和人类活动等因素综合作用下有机碳输入与输出之间动态平衡的结果[25]。土地利用方式的不同不仅导致进入土壤植物残体的数量和性质发生差异,而且会引起植被覆盖类型、耕作方式等管理措施的差异,从而引起土壤性质和生态系统作用过程的变化,因此必将影响和改变土壤有机碳的含量。4种土地利用方式中弃耕地的土壤有机碳含量最高,这与陈高起等[26]和房飞等[15]的研究结果相悖,而与李鉴霖等[30]对于缙云山区弃耕地土壤研究中有机碳含量最高结果一致。由于该研究中的弃耕地闲置比较短,ROBLES等[27]对怀俄明州的耕地进行研究后,发现休6年后土壤有机碳含量并没有显著增加,说明土壤有机碳含量的恢复需要较长的时间。因此就排除了有机碳恢复使得弃耕地土壤有机碳含量升高的可能性,那么原因可能是弃耕地之前使用了有机-无机复合肥料[28],人为增加了土壤中有机碳的含量,又加上宁夏省全区退耕还林还草,禁止放牧的政策颁布,使得弃耕地的土壤有机碳得到保留,因此弃耕地在0～60cm土层下土壤有机碳含量最高。柠条地和草地土壤有机碳含量较高,原因可能是草地和柠条地受人类活动影响较少,地表植被凋落物可通过分解补充土壤碳库,根系是下层土壤有机碳周转的重要驱动力,是将光合产物直接输入到地下的唯一途径[29],而且灌木和草本植物根系的转化也是土壤碳的主要来源[30]。5～10cm土层草地的有机碳含量高于柠条地,这可能是草本植物的根系特别是细根分布较浅,根系的腐解转化快,而灌木地表的根系较为粗大难以分解[31]。耕地的土壤有机碳含量最低,这是由于耕作活动,土壤团聚体遭到了破坏,增加了土壤的通透性,土壤有机碳失去了保护,加剧了土壤有机碳的矿化。又因农作物的收获,使得植物中的碳不能还田,这些都不利于土壤有机碳含量的积累。该研究还发现0～5cm土层内的有机碳含量显著高于其它3层,这说明了土壤有机碳主要富集在表层,这与大多数的研究结果一致[7,19,30]。

表3土壤活性有机碳占总有机碳的比率

3.2不同土地利用方式对活性有机碳的影响

土壤活性有机碳受环境条件影响强烈,是对土地利用变化较为敏感的部分,与土壤内在生产力高度相关。通常可用水溶性有机碳和易氧化有机碳等来表征。土地利用变化对活性土壤有机碳的影响趋势与对有机碳的影响并不一致,可能与影响这些组分的因素复杂有关[16]。

土壤易氧化碳是容易被土壤微生物利用、有效性较高且对植物营养供应最直接的那部分有机碳。作为土壤有机碳中周转最快的组分,是土壤有机质动态变化的敏感指标,可用于指示土壤有机质的早期变化[32]。该研究中拧条地的土壤易氧化碳含量较高,林间凋落物可以弥补易氧化有机碳的消耗。弃耕地土壤易氧化碳含量相对较低是由于植被覆盖度低,易氧化有机碳分解后缺少有效补充。这与陈高起等[26]的研究结果一致。该研究还发现柠条地易氧化有机碳在40～60cm土层含量最高,这是因为树木根系比较深,土壤表层形成的残体或分泌物多。而耕地、弃耕地和草地在0～5cm含量最高,这是因为土壤表层的易氧化有机碳输入量相对较多,而底层的易氧化有机碳得不到充分的补充[33]。土壤水溶性有机碳主要来源于植物凋落物、微生物活动、根系分泌物以及人为施肥等途径,具有可溶解、移动快和易矿化分解等特点。土壤水溶性有机碳的含量以及化学性质受多重因素的控制,其中最重要的影响因素之一就是土地利用类型。该研究中草地土壤水溶性碳含量最高,一方面这可能是因为在荒漠草原地区植被多为一二年生,且随着禁牧政策的实施使得植物凋落物累积,另一方面可能是因为草地人为扰动较少,土壤下层粘粒较高,可吸附的土壤水溶性有机碳较多。在草地0～5cm土层内显著高于其它4层,这可能是荒漠草原植被根系较浅,植物凋落物对于表层水溶性有机碳的输入能力较强。弃耕地土壤水溶性含量较低,这可能是因为长期裸露,植被覆盖低,更易受到降水、温度的影响,一方面凋落物等有机质的输入减少,另一方面土壤中的水溶性有机碳分解流失快。柠条地含量较低,这可能是因为林木的凋落物比草本植被更难分解,导致柠条地土壤水溶性有机碳含量较少。耕地含量仅次于草地,这是由于人为活动较大,土壤通透性增强,加上人为灌溉导致土壤水溶性有机碳流失,但由于有机无机化肥的使用,一部分转化为了水溶性有机碳,导致耕地中水溶性有机碳的含量并不是最低。

土壤活性有机碳占土壤总有机碳含量的比例总体不高,但对于维持土壤肥力及土壤碳贮量变化方面具有重要的作用。土壤易氧化有机碳占有机碳比例越高,说明养分循环速率越快,不利于土壤有机质的积累;土壤有机碳中易氧化有机碳所占比例越高,说明土壤碳的活性越大,稳定性越差[34]。该研究中耕地是易氧化有机碳和水溶性有机碳占土壤有机碳比例最高的,说明耕地土壤有机碳活性大,易转化。土壤易氧化碳和水溶性有机碳占总有机碳的比例与土壤易氧化有机碳和水溶性碳的含量顺序不一致,说明荒漠草原地区土壤易氧化有机碳和水溶性有机碳库的贡献率不仅取决于其本身含量的高低,还一定程度上受有机碳库总量的影响[35]。相同土地利用方式下,由于植物根系分布、枯落物积累程度和土壤有机碳含量等的差异,土壤活性有机碳分配比例在不同土层也不相同。在相同土层,由于不同土地利用方式土壤有机碳含量及活性有机碳含量的差异,土壤活性有机碳分配比例也不相同。同一土地利用方式下不同土壤活性有机碳分配比例明显不同,但均以土壤易氧化有机碳占总有机碳的比例最大[36]。无论是不同土地利用方式之间,还是不同土层之间有机碳和活性有机碳的变化都没有一致的规律。

土地利用变化主要通过影响土壤有机质的稳定[37]、土壤有机质的质量[38]和土壤微生物的功能多样性[39]而影响土壤有机碳的分解。如何解释土地利用方式对土壤活性有机碳的影响机制并不十分清楚,还需要更深入的研究,但是依旧看出土壤易氧化有机碳和土壤水溶性有机碳都是评价土地利用和管理方式变化引起土壤有机碳变化的有效指标[35],可以在早期预测土壤有机碳的变化趋势[40,41],在一定程度上反映土壤有机碳的有效性和土壤质量。

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基金:国家自然科学基金资助项目(31960359);宁夏自然科学基金资助项目(2020AAC03105);第三批宁夏青年科技人才托举工程资助项目(TJGC20180682018)