不同土地利用方式对寿光市农业土壤有机碳分子结构和稳定性的影响

陶宝先，张保华，董杰，刘晨阳

1. 聊城大学环境与规划学院，山东 聊城 252059；2. 聊城大学科学技术处，山东 聊城 252059

不同土地利用方式对寿光市农业土壤有机碳分子结构和稳定性的影响

陶宝先1*，张保华2，董杰1，刘晨阳1

1. 聊城大学环境与规划学院，山东 聊城 252059；2. 聊城大学科学技术处，山东 聊城 252059

农田转变为设施菜地后，耕作措施的改变显著影响土壤有机碳的特征。为揭示不同土地利用方式变化对土壤有机碳分子结构及其稳定性的影响，以寿光市农业土壤为例，采用13C核磁共振技术分析农田转变化为不同种植年限设施菜地（种植6、12年）及设施菜地撂荒后土壤有机碳分子结构特征及其稳定性。结果表明，（1）农田转变化为设施菜地后土壤有机碳贮量显著增加，且种植6年设施菜地（4.50 kg∙m-2）土壤有机碳贮量明显高于种植12年设施菜地（3.91 kg∙m-2），设施菜地撂荒后（3.33 kg∙m-2）土壤有机碳贮量降至农田水平（3.07 kg∙m-2）。（2）相对于农田，种植6年设施菜地土壤烷基碳相对含量、疏水碳/亲水碳比值及芳香碳/烷基碳比值明显低于农田，其他土地利用类型与农田无显著差异。（3）农田转变为设施菜地及设施菜地撂荒后，土壤易分解碳组分（烷氧碳+羰基碳）、难分解碳组分（烷基碳+芳香碳）贮量均有所增加，但种植6年设施菜地易分解碳组分贮量的增加量大于难分解碳组分的增加量，种植12年设施菜地及撂荒设施菜地则呈现相反的趋势。农田转变为设施菜地初期（种植6年）所增加的土壤有机碳主要为易分解组分，但随着种植年限延长及设施菜地撂荒，土壤有机碳稳定性逐渐增强。（4）烷氧碳相对含量、疏水碳/亲水碳比值及芳香碳/烷基碳比值可作为该区域土壤有机碳响应于土地利用方式转变的敏感性指标。

设施菜地；土壤有机碳；分子结构；固态13C核磁共振；寿光市

土壤是陆地生态系统中重要的碳库，地表土壤中存贮约2500 Pg碳，其中1550 Pg为有机碳（Lal，2004），土壤碳库的轻微改变将对大气CO2浓度及全球变化产生较大影响（William et al.，2000）。土地利用方式变化是影响土壤有机碳循环的主要因素之一，并对全球变化具有重要影响（He et al.，2008；Li et al.，2010）。关于土地利用方式对土壤碳含量的影响主要集中在森林、草地、农田等主要土地利用方式间的转换方面（Conti et al.，2016；Guo et al.，2002），而对设施菜地利用年限及自然撂荒等方式下土壤有机碳变化的研究相对较少。设施栽培是中国蔬菜生产的重要方式之一，相对于大田农业生产，设施菜地具有土地利用强度大，复种指数高，灌溉及施肥量大且频繁，土壤温度及湿度较高等特点（高新昊等，2015）。农田转变为设施菜地将对土壤碳贮量及其组分产生较大影响，但关于农田转变为设施菜地对土壤碳组分的影响研究仍不充分。

土地利用方式变化对土壤有机碳的影响已有大量的研究，主要集中在土壤总有机碳（文雯等，2015；郝翔翔等，2015）、活性有机碳（李鉴霖等，2015；张帅等，2015；Lyu et al.，2016）、团聚体有机碳（李娟等，2013）等方面，而有机碳分子是决定土壤有机碳稳定性和周转特征的重要分子机制，但目前针对不同土地利用方式下土壤有机碳分子构成的研究还较少。土地利用方式的变化不仅能影响土壤有机碳的数量（Conti et al.，2016），而且能改变土壤有机碳的分子结构（杭子清等，2014）。此外，土壤有机碳分子结构是影响有机碳质量和功能的重要内在因素（张勇等，2015）。13C核磁共振技术作为一种非破坏性研究手段，可以研究化合物的结构特征，已被用于土壤及凋落物有机碳结构及稳定性的研究（张勇等，2015；郭素春等，2013；Bonanomi et al.，2013）。它能清晰地反映不同碳官能团（碳组分）的相对比例，有助于进一步了解土壤有机碳质量的变化，深入分析土壤有机碳的稳定性，同时有助于探讨反映有机碳质量变化的敏感指标。

寿光市是中国重要的蔬菜生产基地，近年来大量农田转变为设施菜地（Song et al.，2009）。设施菜地种植过程中被施加了大量的有机肥（曾路生等，2009），这可能改变土壤有机碳的数量及质量，进而影响农业土壤有机碳库的稳定性。然而，不同土地利用方式对寿光市农业土壤有机碳组分影响的研究仍较少见。本研究以寿光市农田（小麦Triticum aestivum-玉米Zea mays轮作）为对照，利用13C核磁共振技术研究农田转变为设施菜地后土壤有机碳分子结构的变化，以期明确农田转变为设施菜地对土壤有机碳稳定性的影响，确定对土地利用方式变化较敏感的碳组分，为设施菜地土壤碳减排提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于山东省寿光市。该区年均降水量594 mm，年均气温12.7 ℃。农田为玉米-冬小麦轮作，年均施化肥量（N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15）为1.27 t∙hm-2。研究区设施菜地为蔬菜大棚（长×宽=80 m×10 m），1年种植2茬蔬菜，换茬蔬菜主要为黄瓜Cucumis sativus、辣椒Capsicum annuum。7月中旬—8月下旬为休耕期，施加1次有机肥（干鸡粪）作为底肥，期间无灌溉及施加化肥等耕作措施。12月底—次年1月初（蔬菜换茬），再施加等量的有机肥（干鸡粪）。种植 6年设施菜地年施加有机肥量为75 t∙hm-2，种植12年设施菜地年施加有机肥量为72 t∙hm-2。生长季定期施加水溶性复合肥（N∶P2O5∶K2O=22∶14∶14），每次施加量分别为187.5 kg∙hm-2（种植 6 年设施菜地）、125 kg∙hm-2（种植12年设施菜地），每隔7～10 d施加1次，随同灌溉施用。撂荒设施菜地的大棚已撤除，生长杂草。本研究的设施菜地为蔬菜大棚。

1.2 样品采集与测试

1.2.1 样品采集及测试

选取农田（对照）、种植6年、12年设施菜地及撂荒12年设施菜地为研究对象。上述4类样地处于1 km×1 km范围内，以保证设施菜地、撂荒设施菜地与农田具有相似的土壤本底特征。农田设置3块样地，每类设施菜地选择3个相邻的大棚。在每块样地（或每个大棚）中按“S”形布点采集10个表层土样（0～20 cm）、混匀，作为1个混合样。实验室内去除根系、石块及土壤动物等非土壤部分，风干。一部分风干样品研磨、过0.15 mm筛，采用重铬酸钾容量法测定土壤有机碳含量（鲁如坤，2000），凯氏定氮法测定全氮含量；采用环刀法测定土壤容重（鲁如坤，2000）；取部分过2 mm筛风干土样提取土壤颗粒碳（POM；Cambardella et al.，1992），并采用重铬酸钾容量法测定其有机碳含量。土壤理化性质见表 1。根据土壤有机碳、全氮含量及容重计算表层土壤有机碳、全氮贮量，具体如下：

S=H×B×C×10-2（1）

式中，S为土壤有机碳或全氮贮量，kg∙m-2；H为土层深度，cm；B为土壤容重，g∙cm-3；C为土壤有机碳或全氮含量，g∙kg-1。

1.2.2 土壤有机碳分子结构测试

进行核磁共振波谱分析前，先对土样进行 HF预处理，以提高仪器分析的信噪比及分析效率，具体如下：称取5 g过0.15 mm筛的土样于100 mL离心管中，加入50 mL 10% HF溶液，振荡1 h，4000 r∙min-1离心10 min，移去上清液，继续用HF处理，共处理8次，前4次每次振荡时间为1 h，第5～7次每次振荡时间为12 h，第8次振荡时间为24 h。然后用50 mL去离子水清洗至中性（约5～7次），风干后研磨过0.15 mm筛，应用13C-NMR分析土壤有机碳分子结构（郭素春等，2013）。样品测试采用核磁共振仪（AVANCE Ⅲ 400 MH，布鲁克公司）、固态13C-交叉极化魔角旋转技术，转子直径4 mm，13C谱共振频率为100.62 MHz，旋转频率5000 Hz，接触时间2 ms，循环延迟时间3 s。核磁共振功能基团面积积分采用MestReNova软件分析。共划分4个功能区：烷基碳区（0～45 ppm，Alkyl-C），主要来自角质、蜡质等植物聚合物及微生物代谢物；烷氧碳区（45～110 ppm，O-Alkyl-C），主要来自纤维素、半纤维素等碳水化合物；芳香碳区（110～160 ppm，Aromatic-C），主要来自木质素等；羰基碳区（160～190 ppm，Carbonyl-C），主要来自脂肪酸、氨基酸、酰胺、酯等。其中，烷基碳+芳香碳=疏水碳，烷氧碳+羰基碳=亲水碳，烷基碳+烷氧碳=脂肪碳（张勇等，2015；郭素春等，2013；Bonanomi et al.，2013；杭子清等，2014；Bonanomi et al.，2011）。根据土壤有机碳贮量及有机碳官能基团相对含量计算土壤有机碳官能基团贮量，具体如下：

表1 土壤理化性质Table 1 Basic characteristics of soil in research sites

A=Cs×Cr（2）

式中，A为土壤有机碳官能基团（即烷基碳、烷氧碳、芳香碳及羰基碳）贮量，kg∙m-2；Cs为土壤有机碳贮量，kg∙m-2；Cr为土壤有机碳官能基团相对含量，%。

1.3 数据分析

土壤理化性质、功能基团相对含量在不同样地类型间的差异采用单因素方差分析进行检验，统计显著水平P=0.05。采用Excel 2007及SPSS 13.0软件对相关数据进行统计分析。采用Origin 9.0软件作图，图中误差棒代表标准差（P＜0.05）。

2 结果与分析

农田转变为设施菜地显著增加土壤有机碳、颗粒有机碳含量及土壤有机碳贮量，且种植6年设施菜地明显大于种植12年设施菜地（P＜0.05）。设施菜地撂荒12年后，上述指标降至农田水平（表1）。农田、种植6年及12年设施菜地土壤有机碳组分相对含量大小顺序为：烷氧碳＞烷基碳＞芳香碳＞羰基碳，撂荒设施菜地土壤有机碳组分相对含量大小顺序为：烷基碳＞烷氧碳＞芳香碳＞羰基碳。农田、种植6年及12年设施菜地、撂荒设施菜地土壤烷基碳与芳香碳相对含量之和分别为 55.74%、49.72%、55.27%、56.73%，而烷氧碳与羰基碳相对含量之和分别为44.26%、50.29%、44.73%、43.27%（图 1、图 2）。土地利用方式变化对烷基碳、芳香碳及羰基碳相对含量无显著影响，但种植6年设施菜地土壤烷氧碳相对含量较农田、种植 12年设施菜地及撂荒设施菜地分别增加了12.82%、13.73%、16.66%（P＜0.05；图2）。由此表明，农田转变为设施菜地初期（6年）显著增加了土壤纤维素、半纤维素等易分解碳组分的相对含量，这与颗粒有机碳含量的变化趋势相同。

图1 农田、种植6年及12年设施菜地、撂荒12年设施菜地土壤有机碳13C-NMR谱图Fig. 1 13C-NMR spectrogram of soil organic carbon in farmland, greenhouse soil and abandoned greenhouse soil

相对于农田，种植 6年设施菜地土壤疏水碳/亲水碳、芳香碳/烷氧碳比值明显降低，脂肪碳/芳香碳比值显著升高（P＜0.05），种植12年设施菜地及撂荒设施菜地则无显著变化。此外，烷基碳/烷氧碳比值随种植年限的延长呈下降趋势（种植6年设施菜地），当种植年限延长至12年或设施菜地撂荒后，该比值明显大于种植6年设施菜地，且恢复至农田水平。4类样地土壤有机碳芳香度无显著差异（图2B）。农田转变为设施菜地显著增加烷基碳、烷氧碳、芳香碳、羰基碳贮量，且种植6年设施菜地烷氧碳与羰基碳贮量均显著高于种植 12年设施菜地（P＜0.05）；设施菜地撂荒12年后4类有机碳官能团贮量均降至农田水平（图3）。

图2 土壤有机碳各组分相对含量（A）及比值（B）Fig. 2 Proportions (A) and ratios (B) of the components of soil organic carbon

图3 土壤有机碳各组分贮量Fig. 3 Storage of different soil organic carbon components

3 讨论

烷基碳及芳香碳是顽固性高、难分解的有机碳组分，而烷氧碳、羰基碳则是最易分解、最不稳定的有机碳组分（张勇等，2015；郭素春等，2013；Bonanomi et al.，2013）。农田及设施菜地（种植6、12年）土壤有机碳以烷氧碳为主（图1、图2A），这与郭素春等（2013）的研究结果相似。早期研究也发现，长期施用有机肥显著提高土壤有机质中烷氧碳比例（Mikha et al.，2004）。在本研究区，设施菜地种植过程中为了获取较高产量而大量施加有机肥，显著增加土壤有机碳含量及贮量，这有利于设施菜地土壤有机碳累积。而且，禽畜粪便等有机肥中含有大量易分解碳组分（Smith et al.，2008），这可能是导致种植6年设施菜地土壤烷氧碳相对含量显著增加的主要原因。然而，设施菜地连续种植10年以上，由于连作障碍影响蔬菜产量（曾路生等，2009），施肥量较种植10年以下设施菜地有所降低（高新昊等，2015），致使土壤有机碳含量、贮量及烷氧碳相对含量较种植 6年设施菜地明显下降（P＜0.05，表 1、图 2）。

设施菜地撂荒后土壤有机碳以烷基碳为主（图1、图 2A）。表明设施菜地撂荒后，有机碳烷基化程度增加，难分解碳组分比例增多。张勇等（2015）也发现，不同森林类型下层土壤主要为烷基碳，主要原因是含易分解碳组分较多的新鲜凋落物主要集中在表层，而下层土壤有机碳多为经土壤酶和微生物生化反应生成的更稳定的代谢产物。设施菜地撂荒后停止施肥，荒草凋落物为土壤有机质主要来源，凋落物有机质归还量明显小于农业土壤施肥量，致使土壤有机碳含量、贮量及烷氧碳等易分解碳组分相对含量下降。此外，设施菜地撂荒后，原来施加于土壤中的有机肥及凋落物中的易分解有机碳组分会逐渐分解，可能导致烷基碳等难分解碳组分的累积。

农田、种植 12年设施菜地及撂荒设施菜地土壤烷基碳与芳香碳相对含量之和大于烷氧碳与羰基碳相对含量之和，而种植6年设施菜地的结果恰恰相反（图1、图2A），表明种植6年设施菜地一半以上的土壤有机碳为易分解碳组分，而农田、种植 12年设施菜地及撂荒设施菜地土壤有机碳则以难分解碳组分为主。这与设施菜地施加有机肥的数量有关。随着设施菜地种植年限的延长（种植 12年），有机肥施用量下降，土壤有机碳含量及贮量、颗粒有机碳含量也随之下降（表1），这可能导致易分解碳组分的含量有所下降。然而，农田转变为设施菜地后，烷基碳及芳香碳的相对含量虽然无明显变化（图2A），但土壤有机碳贮量明显增加（P＜0.05；表1）。相对于农田，种植6、12年设施菜地及撂荒设施菜地难分解碳组分（即烷基碳+芳香碳）贮量分别增加 0.51、0.45、0.17 kg∙m-2（图 3）。有研究表明，长期施用N、P等无机肥提高了微生物活性，促进了有机质分解及难分解烷基积聚（Zhang et al.，2009）。据此推断，农田转变为设施菜地及设施菜地撂荒后，土壤中难分解碳组分的贮量有所增加，这对土壤碳固持起到一定的积极作用。

农田转变为6年设施菜地后土壤易分解碳组分（烷氧碳、羰基碳）相对含量增加，尤其是烷氧碳相对含量增幅更为明显（P＜0.05；图2A）。种植12年设施菜地土壤易分解碳组分相对含量（44.73%）虽然低于种植 6年设施菜地（50.29%），但仍高于农田（44.26%）。而且，种植 6、12年设施菜地土壤有机碳贮量显著大于农田（P＜0.05；表1）。因此，相对于农田，种植6、12年设施菜地及撂荒设施菜地易分解碳组分贮量分别增加了 0.89、0.38、0.08 kg∙m-2（图3）。由此表明，农田转变为设施菜地将大幅增加土壤中易分解碳组分的贮量，尤其以种植6年设施菜地更为明显。

通过对比难、易分解碳组分贮量的变化可知：相对于农田，种植6年设施菜地土壤易分解碳组分贮量的增加量大于难分解碳组分贮量的增加量，而种植 12年设施菜地及撂荒设施菜地呈现相反的趋势。这意味着，农田转变为设施菜地虽然能增加土壤难分解碳组分的贮量，但易分解碳组分贮量的增幅更大，这将大幅提升设施菜地土壤碳排放水平，尤其以种植6年设施菜地最为显著。此外，设施菜地种植过程中的保温措施使其土壤温度高于农田及撂荒设施菜地（高新昊等，2015），且设施菜地大量施加含有较多易分解碳组分的有机肥，这可能提高了设施菜地土壤CO2排放速率。早期研究也发现，设施菜地土壤呼吸速率明显高于农田土壤（曾路生等，2009）。因此，设施菜地的施肥措施虽然能增加土壤碳贮量，但也能加速其土壤CO2排放，这在一定程度上减弱了设施菜地的土壤固碳能力。

烷基碳/烷氧碳比值能够反映土壤有机碳的稳定性，通常比值越大有机碳稳定性越好（张勇等，2015；郭素春等，2013；Bonanomi et al.，2013；杭子清等，2014）。本研究发现，种植 6、12年设施菜地颗粒有机碳含量虽然显著高于农田（P＜0.05；图1），但种植6、12年设施菜地及撂荒设施菜地烷基碳/烷氧碳比值与农田无明显差异，仅种植6年设施菜地与撂荒菜地间存在显著差异（P＜0.05；图2B）。由此表明，烷基碳/烷氧碳比值并不是反映研究区土地利用方式变化影响土壤有机碳稳定性的敏感指标。

疏水碳/亲水碳及芳香碳/烷氧碳比值也能反映有机碳的分解程度（Wagai et al.，2013），其值越大，有机碳越稳定。有研究发现，施肥降低水稻土有机碳的疏水性，增加有机碳的矿化程度（Zhou et al.，2010）。本研究发现，农田变为种植6年设施菜地后疏水碳/亲水碳、芳香碳/烷氧碳比值显著下降（P＜0.05；图 2B）。其原因可能是设施菜地种植初期增施有机肥，导致土壤中活性较强的低分子有机碳累积所致。随着种植年限延长（种植12年）及设施菜地撂荒，该比值显著增加，并与农田无显著差异（图2B），表明其土壤有机碳稳定性随种植年限延长及设施菜地撂荒而明显提高。这可能是随种植年限延长有机肥施加量减少及设施菜地撂荒后停止施加有机肥所致。此外，随着研究区农业土地利用类型的变化，仅烷氧碳相对含量表现出显著变化（P＜0.05；图2A），表明烷氧碳相对含量及疏水碳/亲水碳比值、芳香碳/烷氧碳比值是反映研究区农业土地利用方式变化影响土壤有机碳稳定性的敏感指标。

脂肪碳/芳香碳比值反映有机碳分子结构的复杂程度，比值越大，表明该物质中芳香结构越少、脂肪族侧链越多、缩合程度越低、分子结构越简单（杭子清等，2014）。本研究发现，农田转变为种植6年设施菜地后，该比值显著增加；随着种植年限延长及设施菜地撂荒，该比值降至农田水平（图2B）。由此推断：短期的设施菜地种植（种植6年）促使土壤中结构简单的有机碳组分累积，有机碳更加不稳定。

4 结论

（1）农田转变为设施菜地显著增加土壤有机碳贮量及颗粒有机碳含量，且种植6年设施菜地明显高于种植12年设施菜地。设施菜地撂荒12年后，土壤有机碳贮量及颗粒有机碳含量降至农田水平。

（2）短期的设施菜地种植（种植 6年）显著增加土壤易分解碳组分相对含量及贮量，并降低了疏水碳/亲水碳比值及芳香碳/烷氧碳比值，削弱了土壤有机碳的稳定性。但随着种植年限延长（种植12年）及设施菜地撂荒，土壤有机碳的稳定性逐渐增强。

（3）烷氧碳相对含量、疏水碳/亲水碳比值及芳香碳/烷基碳比值可作为该区域土壤有机碳响应于土地利用方式转变的敏感性指标。

BONANOMI G, INCERTI G, BARILE E, et al. 2011. Phytotoxicity, not nitrogen immobilization, explains plant litter inhibitory effects:evidence from solid-state13C NMR spectroscopy [J]. New Phytologist,191(4): 1018-1030.

BONANOMI G, INCERTI G, GIANNINO F, et al. 2013. Litter quality assessed by solid state 13C NMR spectroscopy predicts decay rate better than C/N and Lignin/N ratios [J]. Soil Biology & Biochemistry,56: 40-48.

CAMBARDELLA C A, ELLIOTT E T. 1992. Particulate soil organic-matter changes across a grassland cultivation sequence [J]. Soil Science Society of America Journal, 56(3): 777-783.

CONTI G, KOWALJOW E, BAPTIST F, et al. 2016. Altered soil carbon dynamics under different land-use regimes in subtropical seasonally-dry forests of central Argentina [J]. Plant Soil, 403(1-2):375-387.

GUO L B, GIFFORD R M. 2002. Soil carbon stocks and land use change: a meta analysis [J]. Global Change Biology, 8(4): 345-360.

HE N P, YU Q, WU L, et al. 2008. Carbon and nitrogen store and storage potential as affected by land-use in a Leymus chinensis grassland of northern China [J]. Soil Biology & Biochemistry, 40(12): 2952-2959.

LAL R. 2004. Soil carbon sequestration impacts on global climate change and food security [J]. Science, 304(5677): 1623-1627.

LI Y, MATHEWS B W. 2010. Effects of conversion of sugarcane plantation to forest and pasture on soil carbon in Hawaii [J]. Plant Soil, 335(1-2):245-253.

LYU M, XIE J S, UKONMAANAHO L, et al. 2016. Land use change exerts a strong impact on deep soil C stabilization in subtropical forests[J]. Journal of Soil and Sediment, doi: 10.1007/S11368-01601428-z.

MIKHA M M, RICE C W. 2004. Tillage and manure effects on soil and aggregate-associated carbon and nitrogen [J]. Soil Science Society of America Journal, 68(3): 809-816.

SMITH P, MARTINO D, CAI Z, et al. 2008. Greenhouse gas mitigation in agriculture [J]. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 363(1492): 789-813.

SONG X Z, ZHAO C X, WANG X L, et al. 2009. Study of nitrate leaching and nitrogen fate under intensive vegetable production pattern in northern China [J]. Comptes Rendus Biologies, 332(4): 385-392.

WAGAI R, KISHIMOTO-MO A W, YONEMURA S, et al. 2013. Linking temperature sensitivity of soil organic matter decomposition to its molecular structure, accessibility, and microbial physiology [J]. Global Change Biology, 19(4): 1114-1125.

WILLIAM H, SCGLESINGER W H, JEFFREY A. 2000. Soil respiration and the global carbon cycle [J]. Biogeochemistry, 48(1): 7-20.

ZHANG J J, DOU S, SONG X Y. 2009. Effect of long-term combined nitrogen and phosphorus fertilizer application on13C CPMAS NMR spectra of humin in a Typic Hapludoll of northeast China [J]. European Journal of Soil Science, 60(6): 966-973.

ZHOU P, PAN G X, SPACCINI R, et al. 2010. Molecular changes in particulate organic matter (POM) in a typical Chinese paddy soil under different long-term fertilizer treatments [J]. European Journal of Soil Science, 61(2): 231-242.

高新昊, 张英鹏, 刘兆辉, 等. 2015. 种植年限对寿光设施大棚土壤生态环境的影响[J]. 生态学报, 35(5): 1452-1459.

郭素春, 郁红艳, 朱雪竹, 等. 2013. 长期施肥对潮土团聚体有机碳分子结构的影响[J]. 土壤学报, 50(5): 921-929 .

杭子清, 王国祥, 刘金娥, 等. 2014. 互花米草盐沼土壤有机碳库组分及结构特征[J]. 生态学报, 34(15): 4175-4182.

郝翔翔, 韩晓增, 李禄军, 等. 2015. 土地利用方式对黑土剖面有机碳分布及碳储量的影响[J]. 应用生态学报, 26(4): 965-972.

李鉴霖, 江长胜, 郝庆菊. 2015. 缙云山不同土地利用方式土壤有机碳组分特征[J]. 生态学报, 35(11): 3733-3742.

李娟, 廖洪凯, 龙健, 等. 2013. 喀斯特山区土地利用对土壤团聚体有机碳和活性有机碳特征的影响[J]. 生态学报, 33(7): 2148-2156.

鲁如坤. 2000. 土壤农业化学分析方法[M]. 北京: 中国农业科技出版社.

文雯, 周宝同, 汪亚峰, 等. 2015. 黄土高原羊圈沟小流域土地利用时空变化的土壤有机碳效应[J]. 生态学报, 35(18): 6060-6069.

曾路生, 崔德杰, 李俊良, 等. 2009. 寿光大棚菜地土壤呼吸强度、酶活性、pH与EC的变化研究[J]. 植物营养与肥料学报, 15(4): 865-870.

张帅, 许明祥, 张亚锋, 等. 2015. 黄土丘陵区土地利用变化对深层土壤活性碳组分的影响[J]. 环境科学, 36(2): 661-668.

张勇, 胡海波, 黄玉洁, 等. 2015. 不同植被恢复模式对土壤有机碳分子结构及其稳定性的影响[J]. 环境科学研究, 28(12): 1870-1878.

Effects of Land Use Change on the Molecular Structure and Stability of Agricultural Soil Organic Carbon in Shouguang City

TAO Baoxian1*, ZHANG Baohua2, DONG Jie1, LIU Chenyang1
1. College of Environment and Planing, Liaocheng University, Liaocheng 252059, China;
2. Department of Science and technology, Liaocheng University, Liaocheng 252059, China

Converting agricultural soil to greenhouse significantly affects the characteristics of soil organic carbon due to the changes of cultivation measures. In order to investigate the effects of land use change on the molecular structures and stability of soil organic carbon (SOC), the molecular structures of SOC in farmland (FL), greenhouse soils that cultivated for 6 (6GH) and 12 years (12GH)and the abandoned greenhouse soil (AG) in Shouguang City were tested using the13C nuclear magnetic resonance (13C-NMR)technique. The results showed that: (1) land use change from FL to 6GH significantly increased SOC storage. Moreover, the SOC storage in 6GH (4.50 kg∙m-2) was larger than that in 12GH (3.91 kg∙m-2). However, AG (3.33 kg∙m-2) had similar SOC storage with FL(3.07 kg∙m-2). (2) The concentration of O-alkyl-C in SOC and ratios of hydrophobic carbon/hydrophilic carbon and aromatic carbon/alkyl-C in 6GH were larger than those in FL, respectively. However, these indices in 12GH and AG were similar to FL. (3)Compared with FL, 6GH, 12GH and AG had larger storage of labile (i.e. O-alkyl-C and carbonyl-C) and recalcitrant (i.e. alkyl-C and aromatic-C) SOC. The increased storage of labile SOC was larger than increased storage of recalcitrant SOC in 6GH, whereas the increased storage of recalcitrant SOC was larger than increased storage of labile SOC in 12GH and AG. These indicate that, compared with FL, most of the increased SOC in 6GH was labile fractions. However, the SOC stability is enhanced when the greenhouse is cultivated for 12 years or is abandoned. (4) The concentration of O-alkyl-C in SOC and ratios of hydrophobic-C /hydrophilic-C and aromatic-C/alkyl-C are sensitive indices to inflect the impact of land use change on SOC stability in the research region.

greenhouse soils; soil organic carbon; molecular structure; solid13C-NMR; Shouguang City

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.10.022

S153; X144

A

1674-5906（2017）10-1801-06

陶宝先, 张保华, 董杰, 刘晨阳. 2017. 不同土地利用方式对寿光市农业土壤有机碳分子结构和稳定性的影响[J].生态环境学报, 26(10): 1801-1806.

TAO Baoxian, ZHANG Baohua, DONG Jie, LIU Chenyang. 2017. Effects of land use change on the molecular structure and stability of agricultural soil organic carbon in Shouguang City [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(10): 1801-1806.

国家自然科学基金项目（41501099）；山东省自然科学基金项目（ZR2014DQ015；ZR2016DM14）；聊城大学博士科研启动基金项目（318051430）

陶宝先，男，讲师，主要从事土壤碳氮循环研究。E-mail: taobaoxian@sina.com

*通信作者

2017-07-022