黄淮海平原不同土地利用方式对土壤有机碳及微生物呼吸的影响

李英，韩红艳，王文娟，杨光菲，赵灿灿

河南大学生命科学学院，河南 开封 475004

黄淮海平原不同土地利用方式对土壤有机碳及微生物呼吸的影响

李英，韩红艳，王文娟，杨光菲，赵灿灿*

河南大学生命科学学院，河南 开封 475004

土壤是陆地生态系统最大的碳库，有机碳通过微生物分解作用向大气释放CO2，土壤碳库的微小变化将会对大气CO2浓度和全球碳循环产生巨大的影响。在当前人类活动频繁和土地利用与土地覆被变化的背景下，研究不同土地利用方式对土壤有机碳等理化性质和土壤微生物呼吸等功能的影响，可以阐明影响土壤碳汇功能的关键因子，为未来土地利用管理提供科学依据。以开封市为例，研究了黄淮海平原不同土地利用方式（包括弃耕地、草地、果园、农田和森林）下土壤湿度、pH值、铵态氮、硝态氮、总碳、总氮、有机碳、可溶性有机碳、微生物生物量碳氮、微生物呼吸及其温度敏感性的变化规律。研究结果表明，（1）森林土壤湿度、总碳、总氮、有机碳（1.48%）、微生物生物量碳氮含量显著高于其他土地利用方式，但其微生物呼吸（101.06 mg·kg-1·d-1）和温度敏感性（1.18）最小。（2）农田土壤的总碳、总氮、有机碳、微生物生物量碳氮含量均次于森林且高于其他土地利用方式，微生物呼吸速率较大（128.55 mg·kg-1·d-1）。（3）弃耕地、草地和果园土壤碳氮和微生物碳氮较小。（4）结构方程模型表明土地利用方式可以直接解释土壤有机碳积累的68%，且可通过土壤湿度间接地影响土壤有机碳和微生物呼吸。土壤有机碳和微生物呼吸分别被土壤湿度和硝态氮含量等因子解释了93%和54%。该研究表明森林生态系统利于土壤有机碳固持，其较小的微生物呼吸温度敏感性对应对未来全球气候变化具有重大意义；农田占地面积广大，农业经营中在保障粮食生产的同时要采取免耕或秸秆还田等措施充分发挥其碳汇作用。

土壤理化性质；有机碳矿化；碳汇；土地管理；结构方程模型

自工业革命以来，由于人类活动的加剧包括土地利用方式的改变和大量化石燃料的燃烧等引起的大气CO2浓度升高和全球气候变暖，正对人类赖以生存的陆地生态系统结构和功能产生长远而深刻地影响，进而影响其提供的生态服务功能以及人类社会经济的可持续发展（Falkowski et al.，2000；Moss et al.，2010）。土壤是陆地生态系统最大的碳库，全球约1500 Pg的碳是以有机质形式存储于土壤中，相当于陆地植被碳库的2～3倍，大气碳库的2倍（Lal，2004）。土壤有机碳通过微生物分解（微生物呼吸）作用每年向大气中释放的碳量是68～100 Pg，约为大气CO2储量的10%（Raich et al.，2002）。因此土壤碳库的微小变化都将会对大气CO2浓度和全球碳循环起重要作用。

土地利用与土地覆被变化作为人类干扰活动的主要形式，是影响陆地生态系统土壤碳储量和碳交换的关键因素。不同的土地利用方式会影响固、液和气三相的比例，改变土壤团聚结构和物理性质（张玉斌等，2009；Acin-Carrera et al.，2013），也会影响凋落物的数量和质量、土壤微生物量和活性以及营养物质的存在形式和可利用性（Castro et al.，2010；Kara et al.，2014），进而影响土壤有机碳库和土壤向大气释放的CO2通量（Janzen，2004；Fuchs et al.，2016）。黄淮海平原是我国最重要的农业区之一，农业开发历史悠久，人口密集，土地资源类型多。本研究以黄淮海平原开封市为例，选取5种不同土地利用方式（包括弃耕地、草地、果园、农田和森林）为研究对象，通过测定土壤有机碳等理化性质和土壤微生物呼吸等功能参数，探讨不同土地利用方式对土壤有机碳及其矿化的影响，以期为黄淮海平原土地管理提供科学的参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本试验研究地点位于河南省开封市。开封市位于黄河中下游、太行山脉东南方，北纬34°11′～35°01′，东经113°52′～115°15′，海拔73 m，地势较平坦。属于暖温带大陆性季风气候，近60年年均降水量为627 mm，87.8%降水分布在4—10月。年均气温为14.3 ℃，月平均最高气温出现在7月（为27.1 ℃），最低气温出现在1月（-0.2 ℃）。开封市土地总面积为近6300 km2，其中耕地面积占69.2%，草地和果园面积占1.7%，森林面积占3.9%，弃耕地占1.7%。土壤呈现弱碱性。

1.2 样品采集

在2015年4月对开封市5种土地利用方式包括弃耕地、草地、果园、农田和森林进行了全面的调查并采集土壤样品。草地选取黄河河畔未被干扰的天然草地；果园选取梨树园作为代表，（开封市大部分果园种植梨树）；农田选取冬小麦-夏玉米轮作耕地（该耕作制度是黄淮海平原最典型的耕作方式）；森林选取杨树林（杨树耐性好，生长迅速，被广泛种植于黄淮海平原）。在每种土地利用方式上分别随机选取了8个1 m×1 m的样方（n=8），在每个样方中移除表层的枯枝落叶，利用内径为5 cm的土钻采集3钻0～10 cm的表层土壤，并充分混匀为1个土壤样品。去除较大的石块和植物根系并过2 mm筛后，装入密封袋置于冷藏箱中，带回实验室用于土壤理化性质和微生物指标的测定分析。

1.3 测定方法

1.4 数据处理与分析

采用SAS 9.0进行单因素方差分析，检验各项指标在不同土地利用方式下的差异。采用AMOS 21.0做结构方程模型，分析变量之间的路径系数和相关系数，分析前对变量进行对数转换，使各变量满足正态分布。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用方式对土壤理化性质的影响

不种土地利用方式对土壤pH值无显著影响，土壤均呈偏碱性。表层0～10 cm土壤湿度差异显著，森林土壤湿度显著高于其他土地利用方式。土壤速效氮含量在不同土地利用方式间存在差异，弃耕地土壤铵态氮含量显著高于其他土地利用方式，果园土壤硝态氮含量显著高于其他土地利用方式。土壤碳氮含量差异显著，森林土壤总碳和总氮远远高于其他土地利用方式，农田和森林土壤可溶性有机碳含量显著高于其他土地利用方式（表1）。森林土壤有机碳含量为1.48%，远远高于其他土地利用方式（图1）。

图1 不同土地利用方式对土壤有机碳的影响Fig. 1 Effects of different land use types on soil organic carbon

表1 不同土地利用方式对土壤理化性质的影响Table 1 Effects of different land use types on soil physico-chemical properties

2.2 不同土地利用方式对土壤微生物特性的影响

不种土地利用方式对微生物生物量碳、氮影响显著，森林微生物生物量碳、氮显著高于其他土地利用方式。森林微生物呼吸的温度敏感性（Q10）为1.18，显著低于其他土地利用方式（表2）。在20 ℃条件下培养，果园和农田的土壤微生物呼吸较高（分别为133.50 mg·kg-1·d-1和128.55 mg·kg-1·d-1），森林土壤微生物呼吸低于其他土地利用方式（图2）。

表2 不同土地利用方式对土壤微生物学性质的影响Table 2 Effects of different land use types on soil microbial properties

图2 不同土地利用方式对土壤微生物呼吸速率的影响Fig. 2 Effects of different land use types on soil microbial respiration rate

2.3 土壤理化性质与土壤微生物特性的相互关系

土地利用方式显著影响土壤湿度（37%）、土壤有机碳（68%）和可溶性有机碳（89%）。土壤湿度与土壤有机碳呈正相关关系（35%），与微生物呼吸呈负相关关系（-71%）。硝态氮与微生物呼吸呈正相关关系，与微生物生物量碳呈负相关关系。土壤pH与可溶性有机碳呈负相关关系，可溶性有机碳与铵态氮呈负相关关系，微生物呼吸与土壤有机碳呈负相关关系。土地利用方式、土壤理化性质和微生物特性分别解释了土壤有机碳的93%、微生物呼吸的54%以及可溶性有机碳的77%（图3）。

图3 结构方程模型显示土地利用方式、土壤理化性质和微生物特性之间的关系Fig. 3 Structural equation model showing the relationships among different land use types, soil and microbial properties

3 讨论

黄淮海平原是人类文明的发源地，至今仍然人口众多，人类活动干扰极其频繁，土地资源类型丰富，探讨不同土地利用方式对土壤有机碳和微生物呼吸的影响对于理解黄淮海平原的碳循环过程及其对气候变化地响应和适应具有重要意义。土壤有机碳是土壤有机质的重要组分之一，是衡量土壤肥力的指标。不同土地利用方式下的土壤有机碳存在显著的差异，森林土壤有机碳是其他土地利用方式的4～12倍（图1），说明森林生态系统具有巨大的碳汇作用，这与严毅萍等（2011）、吴秀坤等（2013）的研究结果类似。森林的枯枝落叶较多，可以直接向土壤输送有机营养物质；另外森林树木高大、枝繁叶茂，白天能够进行较强的光合作用，净积累较多，且树木的根系十分发达，能够将其固定的养分通过根系分泌到土壤中，从而促进森林土壤有机碳的积累。本研究结果显示森林土壤微生物生物量碳、氮亦高于其他土地利用方式（表2），是因为森林地表较厚的腐殖质层使归还土壤的有机质增多，且具有明显的蓄水和保水作用（表1），利于土壤微生物的繁殖而导致微生物生物量升高（张增信等，2011）。尽管树木的凋落物和根系向土壤输送大量有机物质，致使土壤积累了较多的有机碳并支持了较大的微生物生物量，但是森林土壤微生物呼吸速率仅为101.06 mg·kg-1·d-1，显著低于其他土地利用方式（图2）。可能原因是：第一，森林土壤没有翻耕等人为干扰，团聚体结构不受破坏，使得包裹在团聚体中的有机质得到了很好地保护，减缓了有机碳的矿化分解（Groffman et al.，1996）；第二，森林土壤湿度较高，降低了土壤溶氧量，使得微生物处于相对缺氧的状态，从而降低微生物的活性（Zhao et al.，2016）。因此除森林巨大的净光合积累之外，土壤的低矿化速率也是土壤有机碳积累的原因之一。森林土壤有机碳矿化的温度敏感性显著低于其它土地利用方式（表2），说明森林有机碳矿化与温度之间的反馈作用小，在未来气候变暖的背景下，森林生态系统在减缓气候变化进程方面较其他土地利用方式更具重要意义（杨毅等，2011）。

黄淮海平原是我国粮食主产区之一，农田面积达到70%，探明农田土壤的碳汇能力和碳循环过程不仅有利于指导粮食生产的可持续发展，更对整个陆地生态系统的碳估算以及对未来全球气候变暖程度的预测具有重要意义。本研究结果显示，农田土壤的总碳、有机碳、总氮、微生物生物量碳氮含量均次于森林且高于其他土地利用方式（表1，表2，图1）。一方面，近年来为显著提高粮食产量，农民施用了大量化肥，特别是在黄淮海平原土壤本身肥力水平不高的情况下，施肥较大幅度提高了土壤有机质含量。黄淮海平原的主要耕作方式是冬小麦-夏玉米轮作，绝大部分小麦和玉米秸秆还田，保障了除粮食以外的有机质不被带走。另一方面，翻耕破坏了土壤团聚体结构，迫使原本包裹在土壤团聚体中的有机碳不断暴露在空气中，降低了有机碳的物理保护性（房飞等，2013），致使可溶性有机碳含量增加（表1），提高了碳的微生物可利用性，从而提高了微生物生物量碳和有机碳的矿化速率（图2）。除翻耕外，灌溉也会加速有机碳矿化。黄淮海平原是水分亏缺区（刘明等，2010），天然降水不能满足作物对水分的需求，灌溉成为水分补给的重要来源。然而灌溉后微生物为适应迅速增加的土壤水势而迅速分解之前所积累的有机质，然后近一步分解释放CO2。因此，一般灌溉后会出现微生物生物量和呼吸的激增效应。在农业生产经营中，我们提倡通过免耕或少耕等保护性耕作措施减少土壤有机质损失，提倡通过秸秆还田、增施有机肥、增加作物种植密度等措施增加农田土壤有机物料的输入（金琳等，2008），在保障农业可持续发展的同时，发挥农田土壤的碳汇能力是一项双赢策略（姜勇等，2007）。

弃耕地、草地和果园占地面积较小，总共不超过4%。这3种土地利用方式的土壤碳氮和微生物碳氮均低于森林和农田（表1，表2，图1），这可以归因于较少的光合产物和较少的有机物料归还。弃耕地土壤铵态氮含量较高（表1），这是因为弃耕地杂草覆盖低，铵态氮不能较好地被植物吸收，并且植被稀疏导致总蒸腾量较少，土壤湿度高，使得铵态氮在通气不好的状况下难以转化。综上所述，不同土地利用方式导致的不同地上植被显著地影响了地下生物多样性和生态系统功能（Chen et al.，2013；Chen et al.，2015），且不同地上植被可通过调节土壤湿度、氮素的可利用性以及土壤pH等影响微生物生物量和微生物呼吸（图3；Wang et al.，2014；Xu et al.，2015），因此科学合理地管理土地对生态系统功能的发挥具有重要意义。

4 结论

不同土地利用方式对土壤有机碳及其微生物呼吸的影响极其显著。森林土壤总有机碳和可溶性有机碳含量最高，也支持了最大的微生物生物量碳，同时其微生物呼吸速率和温度敏感性最低，森林生态系统有利于土壤有机碳固持，其较小的微生物呼吸温度敏感性对应对未来全球气候变化具有重大意义。农田土壤总碳、有机碳、总氮、微生物生物量碳和氮含量均次于森林且高于其他土地利用方式，在农业生产中可以通过免耕、少耕、秸秆还田、增施有机肥、增加作物种植密度等措施，在保障农业可持续发展的同时发挥农田土壤的碳汇潜力。

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Effects of Different Land Use Types on Soil Organic Carbon and Microbial Respiration in Huang-Huai-Hai Plain

LI Ying, HAN Hongyan, WANG Wenjuan, YANG Guangfei, ZHAO Cancan*
College of Life Sciences, Henan University, Kaifeng 475004, China

Soils are the largest carbon pools in terrestrial ecosystems. Soil organic carbon can be decomposed by microorganisms and release CO2to atmosphere. Minor changes in soil carbon pool will significantly affect atmospheric CO2concentration and global carbon cycling. Under the current background of frequent human activities and land use/cover changes (LUCC), it is necessary to study the effects of different land use types on soil physico-chemical properties and microbial functions (such as soil organic carbon and microbial respiration) to illuminate the key factors of influence soil carbon sequestration function and provide scientific evidence for future land use management. This study chose Kaifeng as pilot city and measured soil moisture, soil pH, NH4+, NO3-, total carbon, total nitrogen, organic carbon, dissolved organic carbon, microbial biomass carbon, microbial biomass nitrogen, microbial respiration and its temperature sensitivity in different land use types, including old-field, grassland, orchard, farmland, and forest in Huang-Huai-Hai Plain. The results showed that: (1) All soil moisture, total carbon, total nitrogen, organic carbon (1.48%), microbial biomass carbon and nitrogen in forest were significantly higher than that in other land use types. However, microbial respiration (101.06 mg·kg-1·d-1) and its temperature sensitivity (1.18) were minimum. (2) Soil total carbon, total nitrogen, organic carbon, microbial biomass carbon and nitrogen in farmland were lower than that in forest, but higher than that in other land use types. Microbial respiration rate (128.55 mg·kg-1·d-1) was high in farmland. (3) Soil carbon, nitrogen, and microbial carbon and nitrogen contents in old-field, grassland, and orchard were less than forest and farmland. And (4) structural equation model showed that land use type directly explained 68% of soil organic carbon and indirectly influenced soil organic carbon and microbial respiration through soil moisture. Soil organic carbon and microbial respiration were explained 93% and 54%, respectively, by soil moisture and NO3-. The results indicate that forest ecosystem will facilitate soil organic carbon sequestration, and their minor temperature sensitivity of microbial respiration will be of great importance in countermeasure of global climatic change in future. Farmland cover larger area. Carbon sink function should be developed by no-tillage and straw return in agricultural management in the meantime of crop production are protected.

soil physico-chemical properties; organic carbon mineralization; carbon sequestration; land management; structural equation model

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.01.010

X144; S154.1

A

1674-5906（2017）01-0062-05

李英, 韩红艳, 王文娟, 杨光菲, 赵灿灿. 2017. 黄淮海平原不同土地利用方式对土壤有机碳及微生物呼吸的影响[J]. 生态环境学报, 26(1): 62-66.

LI Ying, HAN Hongyan, WANG Wenjuan, YANG Guangfei, ZHAO Cancan. 2017. Effects of different land use types on soil organic carbon and microbial respiration in Huang-Huai-Hai Plain [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(1): 62-66.

国家自然科学基金项目（31640011）

李英（1990年生），女，硕士研究生，主要从事生态系统碳循环研究。E-mail: yli2014henu@163.com

*通信作者：赵灿灿（1982年生），女，讲师，博士，主要从事地下生态系统过程研究。E-mail: cczhao2008@163.com收稿日期：2016-11-29