黑龙江地区不同类型水稻土活性有机碳的特征

蒙冠霖，张玉玲，顾婉萱，张玉龙，虞娜，邹洪涛

沈阳农业大学土地与环境学院//农业部东北耕地保育重点实验室，辽宁 沈阳 110866

黑龙江地区不同类型水稻土活性有机碳的特征

蒙冠霖，张玉玲*，顾婉萱，张玉龙，虞娜，邹洪涛

沈阳农业大学土地与环境学院//农业部东北耕地保育重点实验室，辽宁 沈阳 110866

通过野外实地调查取样和室内分析相结合的方法，研究黑龙江地区4种类型（起源土壤分别为黑土、草甸土、白浆土和沼泽土）水稻土活性有机碳含量及其分配比例、碳库活度。结果表明，4种类型水稻土易氧化有机碳（ROC）含量及其分配比例均明显高于可溶性有机碳（DOC）和微生物量碳（MBC），ROC、DOC和MBC质量分数分别为1 390.3～15 685.1、533.4～1 329.7和138.5～1 052.1 mg·kg-1，其分配比例分别为10.1%～34.9%、1.8%～7.7%和0.5%～3.3%；不同类型对土壤DOC、MBC、ROC含量及其分配比例和碳库活度（aR）均具有显著性影响，4种类型水稻土间DOC、MBC、ROC含量及其比例和aR均达显著性差异（P<0.01），不同类型水稻土的ROC/TOC比例和aR的大小顺序相同，依次为黑土型>草甸土型>沼泽土型>白浆土型；4种类型水稻土的ROC含量与TOC含量之间均呈极显著的正相关关系（P<0.01）。

不同类型水稻土；可溶性有机碳；微生物量碳；易氧化有机碳；碳库活度

土壤有机碳是由不同活性的碳库组成，这些不同的碳库在土壤中的存留时间和降解程度各不相同（Buyanovsky等，1994；Christensen，2001），其性质可能也有很大的差异。在研究土壤碳库时，活性碳的研究尤为重要，土壤有机碳的活性组分在土壤养分循环转化方面起重要作用，可用来反映土壤有机碳的有效性和土壤质量（Haynes，2000；倪进治等，2001；Huang等，2007；Cookson等，2008）。因此，土壤活性有机碳库的研究对保持土壤肥力、改善土壤质量，维持土壤碳库平衡具有重要意义。土壤活性有机碳指能够溶解在土壤中移动较快、不稳定、易氧化、易矿化、易被微生物分解利用的那一部分土壤碳素（沈宏等，1999）；常用土壤可溶性有机碳（Dissolved Organic Carbon，DOC）、微生物量碳（Microbial Biomass Carbon，MBC）、易氧化态碳（Readily Oxidized Carbon，ROC）等指标来表征。近年来，中国关于水稻土活性有机碳的研究较多，多集中于长期施肥措施（袁颖红等，2007；周萍等，2008；廖敏等，2011；陈小云等，2011）和耕作方式（宋国菡，2005；吴艳等，2011；慈恩等，2013）对水稻土活性有机碳的影响研究，而有关不同类型水稻土活性有机碳的研究则鲜见报道。

东北地区气候寒冷，生长期短，淹水时间只有4─5个月，土壤冻结时间长，土壤有机质分解缓慢；另外，由于水稻种植年限较短，水稻土的发育程度不高。该地区不同类型（不同起源土壤演变而成）水稻土有机碳含量具有明显差异（贾树海等，2013），但其活性有机碳的差异如何？目前为止还不清楚。因此，开展东北地区不同类型水稻土活性有机碳的研究对于深入了解该地区水稻土有机碳库的变化具有重要的科学意义。为此，本文拟以黑龙江地区4种类型（起源土壤分别为黑土、草甸土、白浆土和沼泽土）水稻土为研究对象，探讨不同类型水稻土活性有机碳（可溶性有机碳、微生物量碳和易氧化有机碳）特征，为明确不同类型水稻土有机碳的有效性和固碳潜力提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

本研究4种类型水稻土（起源土壤分别为沼泽土、白浆土、草甸土和黑土）采自黑龙江地区的松嫩平原和三江平原；其中，黑土型水稻土主要采自三江平原的桦川县和松嫩平原的庆安县、草甸土型水稻土主要采自松嫩平原的庆安县、五常市和三江平原的密山市，白浆土型水稻土主要采自松嫩平原的五常市和三江平原的密山市，沼泽土型水稻土主要采自三江平原的密山市、鸡东县。黑龙江地区位于121°11′～135°05′ E，43°25′～53°33′ N，属于温带大陆性季风气候，年均温在-5～5 ℃，冬季漫长寒冷，夏季短暂凉爽，无霜冻期为100～150 d，年降水量为400～600 mm。

研究以第二次全国土壤普查——黑龙江省土壤类型分布图为基础，用Arcgis软件提取确定4种类型水稻土的主要分布区域，每一类型以水稻种植年限较长（大于 30年）且分布面积较大的区域作为样本采集区域。2011年10月进行土壤调查及其样品采集，各采样区均采集不同肥力的土壤样品，样品采集时用GPS记录实际采样点的位置，以这一点为中心放射性再向四周500 m左右的距离随机采集4个样点，5个样点均匀混合后为1个供试土壤样品，采样深度为0～20 cm。每一采样区采集不同肥力的土壤样本，每一类型水稻土按不同采样区土壤有机碳含量确定高、中、低供试土壤，每一类型供试土壤样品均为10个。实验于2013年秋季进行，其基本理化性质见表1。

表1 供试土壤基本理化性质Table 1 Chemical-physical properties of experimental soils

1.2 测定项目与方法

（1）可溶性有机碳（DOC）：采用0.01 mol·L-1CaCl2溶液浸提（Zsolnay和 Gorlitz，1994），浸提液用外加热K2CrO4容量法测定。

（2）微生物量碳（MBC）：采用氯仿熏蒸—0.5 mol·L-1K2SO4溶液浸提—水浴法（陈果等，2006）。未熏蒸和熏蒸滤液均用外加热K2CrO4容量法测定。

（3）易氧化有机碳（ROC）：采用333 mmol·L-1KMnO4溶液氧化—分光光度计法测定（Blair等，1995）。碳库活度(aR)=易氧化有机碳含量/(有机碳含量－易氧化有机碳含量)。

（4）其它理化性质：土壤有机碳采用外加热K2CrO4容量法；土壤全氮采用浓H2SO4消煮—半自动开氏定氮法（FOSS KjeltecTM 8100，丹麦）；其它理化性质均采用常规方法。

1.3 数据处理

采用Excel2007和DPS 7.5软件进行数据处理，采用LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同类型水稻土活性有机碳含量

2.1.1 土壤可溶性有机碳（DOC）

不同类型水稻土DOC含量具有明显差异（图1）。黑土型、草甸土型、白浆土型和沼泽土型水稻土DOC的质量分数范围分别为 533.4～665.1、652.3～906.5、684.2～1069.2和968.6～1329.7 mg·kg-1，平均质量分数分别为605.6、767.3、897.0和1160.0 mg·kg-1；4种类型水稻土 DOC平均含量的大小依次为沼泽土型>白浆土型>草甸土型>黑土型。方差分析表明，不同类型和不同样本均对 DOC含量有显著影响（P<0.01），且不同类型的影响作用大于不同样本的影响作用（F不同类型=852.5，F不同样本=40.2），4种类型水稻土之间DOC含量差异均达1%显著水平。

2.1.2 土壤微生物量碳（MBC）

不同类型水稻土MBC含量也具有明显差异，但MBC含量明显低于DOC含量（图2）。黑土型、草甸土型、白浆土型和沼泽土型水稻土MBC的质量分数范围分别为 213.9～720.2、205.4～1052.1、168.8～603.5和188.6～384.2 mg·kg-1，平均质量分数分别为413.4、475.8、255.2和243.8 mg·kg-1；4种类型水稻土MBC平均含量的大小顺序与DOC含量的顺序明显不同，依次为草甸土型>黑土型>白浆土型>沼泽土型。方差分析表明，不同类型和不同样本对MBC含量均有显著影响（P<0.01），且不同类型的影响作用大于不同样本的影响作用（F不同类型=30.4，F不同样本=11.5），草甸土型、黑土型与白浆土型、沼泽土型水稻土之间MBC含量差异达1%显著水平，草甸土型与黑土型水稻土之间MBC含量差异达5%显著水平。

2.1.3 土壤易氧化有机碳（ROC）

不同类型水稻土ROC含量显著高于DOC含量和MBC含量，且不同类型水稻土ROC含量也具有明显差异（图3）。黑土型、草甸土型、白浆土型和沼泽土型水稻土 ROC的质量分数范围分别为2264.6～13349.8、3508.8～9168.6、1390.3～6505.7和3151.5～15685.1 mg·kg-1，平均质量分数分别为6377.3、5895.8、4068.5和6738.1 mg·kg-1；4种类型水稻土ROC平均含量大小顺序与DOC和MBC的顺序均不相一致，依次为沼泽土型>黑土型>草甸土型>白浆土型。方差分析表明：不同类型和不同样本均对ROC含量有显著影响（P<0.01），且不同样本的影响作用大于不同类型的影响作用（F不同类型=195.4，F不同样本=350.9）。4种类型水稻土之间ROC含量差异均达1%显著水平。

图1 不同类型水稻土DOC含量Fig. 1 The DOC content in different types of paddy soil

图2 不同类型水稻土MBC含量Fig. 2 The MBC content in different types of paddy soil

表2 不同类型水稻土活性有机碳的分配比例Table 2 The percentage of active organic carbon in different types of paddy soil

2.2 不同类型水稻土活性有机碳的分配比例

由表2可以看出，相同类型水稻土活性有机碳的分配比例均为ROC/TOC>DOC/TOC>MBC/TOC，这与各活性有机碳组分含量的变化规律相同；但 4种类型水稻土各活性有机碳组分的分配比例的变化规律与其含量的变化规律不相一致。方差分析表明：不同类型和不同样本对DOC/TOC、MBC/TOC和ROC/TOC均有显著影响（P<0.01），但对于DOC而言，不同样本的影响作用大于不同类型的影响作用，且4种类型水稻土之间DOC/TOC差异达到1%显著水平；对于MBC而言，不同类型的影响作用大于不同样本的影响作用，黑土型和草甸土型水稻土MBC的分配比例大小相近，且黑土型、草甸土型水稻土MBC的分配比例极显著高于白浆土型和沼泽土型（P<0.01）；而对于ROC而言，不同类型的影响作用大于不同样本的影响作用，4种类型水稻ROC的分配比例存在极显著的差异（P<0.01）。

图3 不同类型水稻土ROC含量Fig. 3 The ROC content in different types of paddy soil

图4 不同类型水稻土碳库活度Fig. 4 The aRin different types of paddy soil

2.3 不同类型水稻土的碳库活度(aR)

由图 4可知，4种类型水稻土碳库活库与其ROC分配比例的规律相同，即黑土型水稻土最大，其次依次为草甸土型、沼泽土型，且二者的aR大小相接近，白浆土型的aR最小。黑土型水稻土aR极显著高于其它3种类型（P<0.01），分别约为草甸土型、沼泽土型、白浆土型的1.4、1.5和2.0倍；草甸土型、沼泽土型的 aR则极显著高于白浆土型（P<0.01）。方差分析表明：不同类型和不同样本均对碳库活度有显著影响（P<0.01），且不同类型的影响作用大于不同样本的影响作用（F不同类型=53.7，F不同样本=4.0）。草甸土型、沼泽土型分别与黑土型、白浆土型水稻土aR之间差异达1%显著水平。

3 讨论与结论

3.1 讨论

活性有机碳只占土壤有机碳的一小部分，但它可以在土壤有机碳变化之前反映土壤微小的变化，是评价土壤碳平衡和土壤生物化学过程的重要指标。土壤活性有机碳来源于动植物及微生物残体，是生物、土壤、气候综合作用的产物（王新建，2006）。

土壤DOC的来源一般认为是土壤自身含有的有机质中的腐殖质和枯枝落叶、植物残体或通过施用有机肥等经淋溶带入土壤的可溶性有机碳，其含量受季节、温度、湿度、成土条件、土壤养分状况、pH等因素影响。土壤微生物是土壤有机质分解和转化的直接作用者（吴金水和肖和艾，2004），土壤DOC是微生物获取生长和生存能量的直接途径（曹建华等，2005），是土壤微生物的有效碳源（倪进治等，2001；李辉信等，2006）。土壤DOC/TOC是表征土壤碳库质量的重要指标，可反映有机碳的稳定性、有效性和水溶性（汪太明等，2011）；土壤MBC/TOC被称为微生物熵，其值的变化反映了土壤中有机碳向微生物量碳的转化效率（李太魁等，2012）。王清奎等（2005）的研究得出了各土层土壤内DOC含量与土壤全氮等土壤养分含量存在着不同程度的相关性。在本研究中，4种类型水稻土DOC平均含量与其平均的全氮、碱解氮含量、pH 值之间呈显著或极显著的正相关关系（rTN=0.994**，r碱解氮=0.990**，rpH=0.967*；n=4，r0.01=0.990，r0.05=0.950），沼泽土型水稻土DOC含量与速效钾含量呈显著正相关关系（r=0.713*；n=10，r0.05=0.632）；黑土型水稻土MBC含量与其有机碳、全氮、碱解氮和速效磷含量呈显著性正相关（有机碳 r=0.859**，全氮 r=0.840**，碱解氮r=0.780**，速效磷 r=0.688*；n=10，r0.01=0.765，r0.05=0.632），白浆土型水稻土MBC含量与有机碳、碱解氮和速效磷呈显著性正相关（有机碳r=0.634*，碱解氮r=0.669*，速效磷r=0.821**，n=10，r0.01=0.765，r0.05=0.632）；但 4种类型水稻土的MBC含量与DOC含量之间均无显著的相关性，这表明不同类型水稻土DOC和MBC含量受土壤环境条件、养分状况及人为耕作管理等因素的综合影响较大。

土壤 ROC是土壤碳库很重要的组分，土壤有机质的短暂波动主要发生在易氧化、分解部分，土壤ROC/TOC可反映土壤有机碳氧化速率的快慢，比例越大，说明土壤有机碳越易被微生物分解，养分循环越快，土壤质量越高（梁爱珍等，2006）。本研究中，不同类型水稻土间有机碳、全氮、速效氮磷钾含量和pH值均存在着显著性差异，且不同类型ROC含量与其有机碳、全氮、碱解氮含量之间均呈极显著相关关系，其中，黑土型、草甸土型、白浆土型、沼泽土型水稻土ROC含量与其TOC含量的相关系数分别为 0.950**、0.929**、0.978**、0.959**（n=10，r0.01=0.765），这表明不同类型水稻土的养分状况影响着土壤活性有机碳数量，而土壤有机碳则是影响活性有机碳的重要因素。李恋卿等（2000）研究发现太湖地区 3种水稻土表层有机碳的氧化活泼性接近，ROC/TOC比例为62%～66%。宋国涵（2005）研究发现太湖地区黄泥土型稻田土壤表层的ROC/TOC比例为39%～47%。与之相比，本研究中4种类型水稻土ROC/TOC的范围要小得多，其值为10.1%～34.9%，这可能是由于东北地区气候寒冷，土壤冻结时间长，致使土壤有机碳氧化速率变慢，较难被土壤微生物分解，进而导致有机碳的累积，但不同类型水稻土间有机碳的氧化速率仍具有显著性差异（表2）。

研究认为土壤有机碳能够被 333 mmol·L-1KMnO4氧化的称为活性有机碳，而不能被氧化的称为非活性有机碳（Lefroy和Lisle，1997），并把活性有机碳与非活性有机碳的比值作为土壤碳库活度（aR）（Blair等，1995），其值的大小常用来反映土壤活性有机碳数量的变化，其值越大，表明土壤活性有机碳数量越多；反之，则表明土壤稳定性有机碳数量越多。从4种类型水稻土的aR结果来看，不同类型水稻土间土壤aR具有显著性差异，其碳库活度的大小与其有机碳的氧化速率大小相一致，这表明土壤有机碳的氧化速率越快，其土壤碳库活度越大，有机碳稳定性越差、越易分解。

3.2 结论

（1）4种类型水稻土ROC含量明显高于DOC和MBC，ROC、DOC和MBC质量分数分别为1390.3～15685.1、533.4～1329.7和 138.5～1052.1 mg·kg-1，其分配比例分别为 10.1%～34.9%、1.8%～7.7%和0.5%～3.3%。

（2）不同类型对土壤DOC、MBC、ROC含量及其分配比例均具有显著性影响，4种类型水稻土间DOC、MBC、ROC含量及其比例均达显著性差异（P<0.01）；4种类型水稻土的ROC含量与TOC含量之间均呈极显著的正相关关系（P<0.01）。

（3）4种类型水稻土土壤碳库（aR）也具有显著差异（P<0.01），且与ROC/TOC比例大小顺序相同，依次为黑土型>草甸土型>沼泽土型>白浆土型水稻土。

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The Characteristics of Labile Organic Carbon in Paddy Soils in Hei Longjiang Province

MENG Guanlin, ZHANG Yuling*, GU Wanxuan, ZHANG Yulong, YU Na, ZOU Hongtao
College of Land and Environmental Science//Key Laboratory of Northeast Arable Land Conservation, Ministry of Agriculture, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China

The content, distribution proportion of labile organic carbon and carbon pool activity in four types of paddy soil which developed from black soil, meadow soil, albic soil and boggy soil in Hei Longjiang Provice were studied by the combination of field survey and lab analysis. The results showed that the content and distribution proportion of readily oxidized carbon (ROC) was significantly higher than dissolved organic carbon (DOC) and microbial biomass carbon (MBC) in four types of paddy soil. The content for ROC, DOC and MBC were 1390.3～15685.1, 533.4～1329.7 and 138.5～1052.1 mg·kg-1, respectively, and the distribution proportion was 10.1%～34.9%, 1.8%～7.7% and 0.5%～3.3%, respectively. Soil types had a significant effect on the content, distribution proportion of DOC, MBC, ROC and the carbon pool activity (aR). The content, distribution proportion of DOC, MBC, ROC and aRwere significant different (P<0.01) in the four types of paddy soil. The ratio of ROC to TOC and the value of aRof different type of paddy soils showed black soil> meadow soil> boggy soil> albic soil . There was a significant positive correlation between ROC and TOC in four types of paddy soil (P<0.01).

paddy soil; dissolved organic carbon; microbial biomass carbon; readily oxidized carbon; activity of carbon pool

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.05.010

S153.6+2；X144

A

1674-5906（2015）05-0785-06

蒙冠霖，张玉玲，顾婉萱，张玉龙，虞娜，邹洪涛. 黑龙江地区不同类型水稻土活性有机碳的特征[J]. 生态环境学报, 2015, 24(5): 785-790.

MENG Guanlin, ZHANG Yuling, GU Wanxuan, ZHANG Yulong, YU Na, ZOU Hongtao. The Characteristics of Labile Organic Carbon in Paddy Soils in Hei Longjiang Province [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(5): 785-790.

国家自然科学基金项目（41101276）；国家“973”项目子课题（2011CB100500）

蒙冠霖（1989年生），男，硕士研究生，主要从事土壤肥力方面的研究工作。E-mail: guanlin_meng@163.com *通信作者：E-mail: yuling_zhang@163.com

2014-12-31