江汉平原不同土地利用方式下农田土壤有机碳组成特点

汪明霞，朱志锋，刘 凡，谭文峰，2

（1.农业部 长江中下游耕地保育重点实验室，华中农业大学 资源与环境学院，武汉430070；2.中国科学院 水利部 水土保持研究所，黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西 杨凌712100）

土壤有机碳不仅是土壤质量的核心，还是土壤圈调节大气CO2浓度的主要媒介，其变化将影响大气CO2浓度，是大气碳素的重要源或汇［1－4］。京都协议中将土壤固碳作为缓解温室效应的可选方案之一［5］。人类活动引起的土地利用变化是影响土壤碳循环和碳库的最直接因素。与植物生长相比，土壤中94%～98%的有机碳含量都是因土地利用方式的变化而引起的［6］。目前，有关土地利用变化对土壤有机碳影响的研究已有较多报道，主要集中在：（1）自然土壤变成耕地土壤、天然林变成农田、农田变成草地或草地变成农田等变化对土壤有机碳含量的影响，以及不同利用方式间土壤有机碳含量的比较［7－10］；（2）不同农业管理措施（包括少耕、免耕、覆盖、合理轮作、施肥条件等）对土壤有机碳动态变化的影响［11－12］；（3）不同利用方式下，土壤有机碳密度和贮量的变化特点［13－17］。但直接涉及农田土壤不同利用方式下有机碳组成特点、活性有机碳变化及其碳汇效应的报道并不多见，而这些问题可能涉及到因土地利用变化引起的土壤有机碳积累或损失的机制、以及影响因素等。

土壤有机碳可分为易分解的活性有机碳和不易分解的稳定性有机碳（含植物有机质和被黏粒保护的腐殖质）［18］。在土地利用变化过程中，响应最快的应是土壤中有效性较高、易被土壤微生物分解利用、对植物养分供应有直接作用的那部分易分解有机碳，其含量的高低明显影响植物对土壤养分的吸收利用；同时，由于它活跃的性质和重要作用，土壤活性有机碳组分对土地利用变化的响应，已成为当前土壤碳库和养分循环领域研究的热点［7，19］。也有学者根据密度的差异和在水中溶解性的不同，将土壤有机碳分为轻组（light fraction）和重组（heavy fraction）两部分；轻组部分的有机碳主要是游离态的有机碳，与黏土矿物结合不强烈，缺乏土壤胶体的保护，随着耕作制度或管理措施的改变，此部分有机碳容易损失，它对土地利用方式较为敏感；重组部分的有机碳与黏土矿物结合紧密，形成有机无机复合体，起到有效的保护作用［20－21］。因此，明确土壤有机碳不同组分的特点，将有助于阐明有机碳积累或损失的机制。本文在已明确江汉平原不同土地利用方式下土壤团聚体中有机碳的分布与积累的基础上［22］，深入分析果园、旱地、水田和水旱轮作下土壤有机碳的活性与稳定性、轻重组组成特点，以阐明土地利用方式对土壤有机碳性质的影响，为提高土壤肥力、指导农业生产、制定环境产业政策等提供重要数据和理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区域位于江汉平原后湖农场。该农场地处江汉平原四湖水网湖区，北依汉水、南近长江，面积72km2。全农场地貌悬殊不大，平坦连片，海拔高度27.5～30m，坡度一般小于1‰。地下水位季节性升降，秋冬1～2m，夏季1m以内，氧化还原频繁，水质良好，属重碳酸盐型。该区域年均气温16.3℃，≥10℃积温5 222℃，年降雨量1 450～1 500mm，为湿热土壤水热状况，具有一年三熟的气候条件。土壤由长江和汉江的近代沉积物构成，土层深厚肥沃，质地为黏土和黏壤土，排灌条件较好。母质均为Q4石灰性河流冲积物，其黏土矿物组成较为一致：以水云母为主，其次为高岭石和1.4nm矿物，还含有少量的蒙脱石。该区主要采用无壁犁机械化耕作，耕作过程中表层土壤只有部分翻转。

1.2 样品采集

采样区土壤在20世纪50s－60s进行过土地平整，前期的土壤条件较为一致。本实验在选定的每一种利用类型（果园、旱地、水田、水旱轮作）样地田块上，随机选择2～3个具有代表性的样点，共采集10个剖面，不同利用类型土壤剖面相距200～500m。根据土壤发生层特点，每个剖面采集1～6土样，重复采样3次，表层厚度主要分布于0～16cm，采样点基本情况见表1。土样采好后，自然风干，分别过0.25，0.045mm筛于干燥器中备用。

表1 采样点基本情况

1.3 样品测定与分析

土壤有机碳含量测定用重铬酸钾外加热法［23］；土壤腐殖质组成用焦磷酸钠与氢氧化钠混合液提取［24］；土壤pH 值（水土比例2.5∶1）采用奥立龙酸度计（型号410）测定。土壤轻重组的分离：称取通过0.25mm筛风干土样5.00g，置于已称重的100ml离心管中，加入密度为1.8的溴仿—乙醇混合重液，于21.5kHz、300mA超声分散10min，然后以3 000 rpm离心10min。将悬浮有轻组有机碳的重液倒入铺有滤纸的玻璃漏斗中过滤。离心管中继续加入密度为1.8g／cm3的重液，重复上述过程2～3次至离心后重液中无轻组有机物为止。离心管中的重组用95%乙醇洗涤3次、再用去离子水洗涤2次后，将盛有重组的离心管于40℃烘干、称重，采用差减法计算重组质量。根据全土有机碳含量、全土质量、重组有机碳含量、重组质量计算出轻组有机碳含量［23］。

土壤活性有机碳的测定：称取约含15mg有机碳的土样，置于100ml塑料瓶中，加入25ml 333 mmol／L的KMnO4溶液，25℃下震荡处理1h后，离心5min（4 000rpm），保留上清液，用去离子水按1∶250稀释，然后用可见分光光度计（北京瑞利分析仪器公司，VIS—7220）在565nm 比色测定，由KMnO4浓度的变化计算出活性有机碳含量，再根据相应土壤有机碳的含量计算其分配比例（即活性有机碳与总有机碳含量的比值）［25］。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用方式下土壤有机碳的含量

由土壤剖面有机碳分布曲线（图1），不同土地利用方式下表层土壤有机碳含量差异较大，其中以水田最高（39.0g／kg），其次为水旱轮作（20.8g／kg）、旱地（19.4g／kg），果园最小（仅为14.7g／kg）。有机碳在土壤表层的含量最高，有明显富集；随着土壤深度的增加，有机碳含量逐步降低；剖面40—50cm处有机碳含量约为6.0～28.4g／kg，只有表层土壤的27%～71%。水田的犁底层中有机碳积累较明显，比表层略有增加（40.6g／kg）；而水旱轮作方式中犁底层有机碳含量锐减（12.4g／kg），仅为表层的60%。

2.2 不同土地利用方式下土壤腐殖质含量及组成特点

土地利用方式不仅影响土壤有机碳含量，而且影响腐殖质碳的含量和组成。由表2可见，不同利用方式下土壤表层腐殖质碳含量约为14.19～30.31g／kg，其含量顺序为：水田＞水旱轮作＞旱地＞果园，与土壤有机碳含量顺序基本一致。供试土壤的腐殖质碳占总有机碳的比例较高，其中果园和旱地大于91%，水旱轮作略低，而水田仅为78%。这说明水耕利用方式下非腐殖质部分明显增加，即含有较多的碳水化合物和含氮化合物，此部分在土壤中一般稳定性较差。不同利用方式下土壤腐殖质碳在组成上均为：胡敏素（HU—C）＞胡敏酸（HA—C）＞富里酸（FA—C）。其中 HU—C含量高达9.99～21.93g／kg，占腐殖质总碳的69%～74%；HA—C和FA—C含量分别为2.62%～5.24g／kg和1.31%～3.14g／kg，两者之和只占腐殖质总碳的26%～31%。不同利用方式下，各形态的腐殖质碳含量存在差异，活性较高的富里酸以水田和水旱轮作方式较高。这些数据表明，水耕条件下土壤有机碳中活性部分明显增加。

图1 不同土地利用方式下土壤有机碳含量的剖面分布

表2 不同土地利用方式表层土壤腐殖质碳含量

2.3 不同土地利用方式下土壤的活性、稳定性有机碳组成特点

4种土地利用方式下表层土壤有机碳（SOC）、活性有机碳（ASOC）、稳定性有机碳（SSOC）含量、以及稳定性有机碳百分比见表3。表3说明，SOC、ASOC和SSOC含量均表现为：水田＞水旱轮作＞旱地＞果园，而稳定性有机碳占土壤总有机碳的百分比表现为：旱地≈水旱轮作＞果园＞水田。尽管水田土壤中SOC、ASOC、SSOC含量均高于其它利用方式下的土壤，但其土壤稳定性有机碳比例为68%，低于其它利用方式，说明水田耕作模式下土壤有机碳的稳定性相对较差，随着外界环境的改变，土壤中的有机碳可能更易降解和损失；而旱地和水旱轮作条件下，土壤稳定性有机碳占总有机碳比例较高，均为73%。可见，水旱轮作下的土壤有机碳稳定性明显不同于完全水耕模式。

表3 供试表层土壤活性有机碳、稳定性有机碳组成特点

2.4 不同土地利用方式下土壤轻重组组成及其碳含量

表4为不同地利用方式下表层土壤的轻重组组成。供试土壤轻组组分约占4.9%～6.9%，重组组分约占93.1%～95.1%，重组组分显著高于轻组组分，说明土壤中游离态或颗粒态有机碳较少，大部分有机碳是与土壤无机矿物结合在一起，形成有机无机复合体。土地利用方式对轻重组组分产生影响，轻组组分在各利用方式下表现为：水田＞旱地＞果园＞水旱轮作；重组组分以水旱轮作方式最高（95.1%）、水田最低（93.1%）。

不同土地利用方式下轻组有机碳含量为95.9～180.5g／kg，重组有机碳含量为10.2～28.6g／kg，轻组有机碳含量明显高于重组有机碳含量（表4）。轻重组有机碳含量在各土地利用方式下均表现为：水田＞水旱轮作＞旱地＞果园，与总有机碳含量的顺序基本一致，而与轻组占总碳的比例顺序不同。在轻重组有机碳占总SOC的比例中，有65.8%～72.9%的SOC分布在重组中，27.1%～34.2%的SOC分布在轻组中。重组中分布的SOC数量显著高于轻组，这表明重组SOC对总SOC的积累作用较大。而在重组有机碳容量占总碳百分比例中，水旱轮作＞旱地≈水田＞果园。已有研究表明［20－21］，土壤活性有机碳、轻组有机碳是植物重要的速效养分库，在实际表现中可指示土壤的肥力水平，对耕作、施肥等农业生产措施的响应较快；同时，由于这部分有机碳与土壤呼吸速率、土壤碳矿化速率、微生物量氮等呈显著正相关，有较高的潜在生物活性，从而影响温室气体的排放。而重组中的有机碳与不同粒径的矿物颗粒结合紧密，主要吸附在矿物表面或隐蔽在土壤微团聚体内部，使其矿化速率减慢，在实际表现中可能反映了土壤固定稳定性有机碳的能力。尽管土地利用方式在由旱地向水田或水旱轮作转变过程中，使土壤有机碳的积累更为便利、土壤碳汇增加，但在水田利用方式下土壤活性碳、非腐殖质碳、轻组组分明显增加，从而导致土壤碳库容量也易发生变化。可见，水田条件下的土壤有机质对全球气候变化的贡献是双重的。李向阳等［26］报道不同构型水稻土随潜育度的增加，表层土壤的有机质含量上升，土壤松结态、稳结态腐殖质中的胡敏酸、富里酸含量和紧结态腐殖质的含量也升高，而紧结态腐殖质在重组有机质中的比例下降。这些数据都表明不同土地利用方式对土壤固碳的影响可能主要是通过改变有机碳的形态来影响有机碳的稳定性，进而影响有机碳的分解率和农田土壤碳汇效应。但值得注意的是，水旱轮作方式下表层土壤的稳定性有机碳比例（73%）和重组有机碳容量占总有机碳的比例（72.9%）都是最高的，这暗示了在农业生产中，通过水旱轮作的方式既可增加有机碳的含量，又可增强有机碳的稳定性，但其机理还有待深入研究。

表4 不同利用方式下表层土壤轻重组组成及其碳含量

3 结论

果园、旱地、水田和水旱轮作是江汉平原地区常见的土地利用方式。由本实验可知水田的土壤有机碳含量可达39.0g／kg，明显高于其它利用方式，表明此利用方式可显著提高土壤有机质的含量，有利于农田土壤固碳，增强土壤的生态效应。但水田利用方式下土壤的活性有机碳含量也较高（12.46g／kg）、轻组组分比例（6.9%）较大，同时土壤腐殖质、稳定性有机碳比例较低，可通过水旱轮作的方式增加有机碳的含量和增强有机碳的稳定性。

［1］ Trumbore S E，Chadwich O A，Amundson R.Rapid exchange between soil carbon and atmospheric carbon diox-ide driven by temperature change［J］.Science，1996，272（5260）：393-396.

［2］ 贾松伟.黄土丘陵区不同坡度下土壤有机碳流失规律研究［J］.水土保持研究，2009，16（2）：30-33.

［3］ Lal R.Soil carbon dynamics in cropland and rangeland［J］.Environmental Pollution，2002，116（3）：353-362.

［4］ 潘根兴，赵其国.我国农田土壤碳库演变研究：全球变化和国家粮食安全［J］.地球科学进展，2005，20（4）：384-392.

［5］ United Nations.Report of the conference of the parties on its third session［R］.Kyoto Protocol，FCCC／CP／Add.United Nations，New York：1997.

［6］ Caspersen J P，Pacala S W，Jenkins J C，et al.Contributions of land-use history to carbon accumulation in US forests［J］.Science，2000，290（5494）：1148-1150.

［7］ 王宪帅，黄从德，王勇军.岷江上游山地森林—干旱河谷交错带不同土地利用类型土壤有机碳储量［J］.水土保持研究，2010，17（4）：148-152.

［8］ 李凌浩.土地利用变化对草原生态系统土壤碳储量的影响［J］.植物生态学报，1998，22（4）：300-302.

［9］ 刘梦云，安韶山，常庆瑞.宁南山区不同土地利用方式土壤有机碳特征研究［J］.水土保持研究，2005，12（3）：47-49.

［10］ 王百群，姜峻，都全胜，等.黄土丘陵区人工草地牧草营养元素累积土壤有机碳与养分特征［J］.水土保持研究，2010，17（6）：127-132.

［11］ 朱咏莉，韩建刚，吴金水.农业管理措施对土壤有机碳动态变化的影响［J］.土壤通报，2004，35（5）：648-651.

［12］ 张旭辉，李恋卿，潘根兴.不同轮作制度对淮北白浆土团聚体及其有机碳的积累与分布的影响［J］.生态学杂志，2001，20（2）：16-19.

［13］ 张国盛，黄高宝，Yin Chan.农田土壤有机碳固定潜力研究进展［J］.生态学报，2005，25（2）：351-357.

［14］ 吴建国，张小全，徐德应.土地利用变化对土壤有机碳贮量的影响［J］.应用生态学报，2004，15（4）：593-599.

［15］ 李忠佩，林心雄，车玉萍.中国东部主要农田土壤有机碳库的平衡与趋势分析［J］.土壤学报，2002，39（3）：351-360.

［16］ 张文菊，吴金水，童成立，等.三江平原湿地沉积有机碳密度和碳储量变异分析［J］.自然资源学报，2005，20（4）：537-544.

［17］ Pan G X，Li L Q，Wu L，et al.Storage and sequestration potential of topsoil organic carbon in China′s paddy soils［J］.Global Change Biology，2003，10（1）：79-92.

［18］ Biedenbender S H，McClaran M P，Quade J，et al.Landscape patterns of vegetation change indicated by soil carbon isotope composition［J］.Geoderma，2004，119（1／2）：69-83.

［19］ Biederbeck B O.Labile soil organic matter as influenced by cropping practices in an arid environment［J］.Soil Biology and Biochemistry，1994，26（12）：1656-1674.

［20］ Motavalli P P，Palm C A，Parton W J，et al.Comparison of laboratory and modeling simulation methods for estimating carbon pools in tropical forest soils［J］.Soil Biology and Biochemistry，1994，26（8）：935-944.

［21］ Hassink J.Density fractions of soil macroorganic matter and microbial biomass as predictors of C and N mineralization［J］.Soil Biology and Biochemistry，1995，27（8）：1099-1108.

［22］ 谭文峰，朱志锋，刘凡，等.江汉平原不同土地利用方式下土壤团聚体中有机碳的分布与积累特点［J］.自然资源学报，2006，21（6）：973-980.

［23］ 鲁如坤.土壤农业化学分析方法［M］.北京：中国农业科技出版社，1999.

［24］ 李学垣.土壤化学及实验指导［M］.北京：中国农业出版社，1997.

［25］ Blair G J，Lefroy R D B，Lisle L.Soil carbon fractions based on their degree of oxidation and the development of a carbon management index for agricultural systems［J］.Australian Journal of Agricultural Research，1995，46（7）：1459-1466.

［26］ 李向阳，胡红青，谭文峰，等.四湖地区不同水型水稻土的腐殖质分布特征［J］.华中农业大学学报，2004，23（6）：631-634.