吉林西部盐碱稻田土壤有机碳及活性组分时空分布特征

刘 骞，汤 洁，王静静，曲云柯

（1.吉林大学新能源与环境学院，长春 130012；2.长春大学园林学院，长春 130022）

随着全球温室气体浓度升高，陆地碳循环变化研究渐受重视[1-2]。农田生态系统是陆地生态系统重要组成部分，贮存碳量占陆地土壤碳贮量8%～10%[3]。农田碳库数量和质量变化改变土壤肥力水平和大气CO2浓度，影响气候变化[4-5]。

稻田土壤作为我国特有土壤类型，面积约占我国耕作土壤面积25%，研究表明稻田土壤具有较高碳密度及固碳能力[6-7]，分析稻田土壤有机碳组成及其影响因子，确定稻田生态系统碳循环及演变具有重要意义[8-9]。

一般认为，开垦年限和耕作措施是影响土壤碳含量和储量重要因素[10-11]，而土壤有机碳活性组分反映土壤质量，对土壤耕作年限及管理措施改变更敏感[12-13]。

我国稻田土壤有机碳库研究多集中在耕作措施、施肥、土地利用方式对稻田土壤有机碳含量及分布影响[14-15]，盐碱稻田土壤有机碳组分研究鲜有报道。因此本文以吉林西部盐碱稻田为研究对象，系统研究不同开垦年限不同土层土壤有机碳及其活性组分分布特征及变化规律，为明确盐碱稻田土壤有机碳有效性和固碳潜力提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

松嫩平原苏打盐碱土是世界三大盐碱土集中分布区之一，也是全球碳循环研究重点[16]。吉林西部位于松嫩平原南侧，科尔沁草原东部，是我国重要农牧业和能源生产基地，该地区前郭尔罗斯（前郭）灌区颇具规模，是中国东北四大灌区之一。该地区属半干旱半湿润大陆性季风气候区，受西风带和东亚夏季天气系统影响，气候敏感，四季差异明显[17]。该区以种植水稻为改良盐碱土主要方式，且水稻种植面积正逐年扩大[18]。灌区内种植单季稻，一般5月中旬插秧，10月收获，生长期以尿素、钾肥、磷肥为主。

1.2 供试土壤与样品采集

根据Landsat MSS/TM遥感解译数据，以土壤类型图和土地利用类型图为基础，通过调查前郭县区域确定条件基本一致稻田地块，每个地块采用蛇形取样法分5层（0～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm）采集种植水稻1、10、20、30和 55年的稻田土壤样品。水稻播种前（5月初）采样。土壤样地基本信息见表1。

表1 土壤采样地基本信息Table 1 Basic information of soil samples

各样地不同取样点土样等量混合后装袋编号，采集样品分为2份，一份在室温下自然风干后，剔除可见动植物残体和碎石等杂质，过2 mm和0.25 mm筛，密封备用。一份4℃低温保存用于土壤微生物数量分析。供试土壤剖面基本性质如表2所示。

表2 土壤剖面基本化学性质Table 2 Basic chemical properties of the soil profiles

1.3 测试指标及方法

土壤pH、盐分、电导率采用常规分析法测定[19]。

土壤有机碳（SOC）采用H2SO4-K2CrO7外加热法测定[20]。

水溶性有机碳（WSOC）测定：称取风干土样10 g于塑料离心管中，按土水比1∶5加入50 mL蒸馏水，振荡30 min，在离心机上以4 500 r·min-1离心20 min，所有悬液过0.45μm微孔滤膜，得到水溶性有机碳[21]。

易氧化有机碳（ROOC）测定：采用333 mmol·L-1KMnO4氧化-分光光度计法测定。精确称取含15 mg总碳土样，加入333 mmol·L-1KMnO4溶液反应1 h，土壤中ROOC含量由被还原KMnO4数量决定[22]。

土壤微生物量碳（MBC）测定：采用鲜土氯仿熏蒸-0.5 mol·L-1K2SO4浸提-水浴法测定。以熏蒸土样与不熏蒸土样提取有机碳差值除以转换系数KC（0.38）计算土壤微生物生物量碳[23]。

1.4 数据处理与分析

采用SPSS 24.0和Excel 2003软件统计数据、分析和制图。采用一元线性回归模型及Pearson相关系数分析SOC含量与各组分间关系，显著性水平设为0.05。

2 结果与分析

2.1 不同开垦年限土壤有机碳垂直分布特征

土壤有机碳含量及分布均受气候特点、土壤性质及耕作方式影响，其含量可表征土壤肥力及潜力。由图1可知，吉林西部盐碱稻田土壤有机碳含量随开垦年限增加整体呈递增趋势，随土壤剖面逐渐加深呈递减趋势。就垂直分布而言，各土壤剖面有机碳呈R55（11.09～16.27 g·kg-1）显著高于R1（8.19～12.78 g·kg-1）和 R10（8.57～13.87 g·kg-1）（P＜0.05），而R10、R20、R30在各土层分布规律不一致，SOC 含量：R20＞R30＞R10；10～20 cm 土层：R30＞R10＞R20； 20～30 cm 土 层 ： R10＞R20＞30；30～40 cm 土层：R10＞R30＞R20；40～50 cm 土层：R30＞R20＞R10。

2.2 不同开垦年限土壤水溶性有机碳垂直分布特征

水溶性有机碳（WSOC）在总有机碳中占比较小，但可灵敏指示土壤肥力动态变化。由图2可知，吉林西部盐碱稻田土壤WSOC含量随耕作年限增加呈递增趋势，具体表现为R55（0.45～0.46 g·kg-1）＞R20（0.42～0.49 g·kg-1）＞R30（0.42～0.47 g·kg-1）＞R10（0.39～0.47 g·kg-1）＞R1（0.38～0.46 g·kg-1），其中R20、R30、R55土壤WSOC含量在各土壤剖面下均差异显著（P＜0.05）。土壤WSOC含量垂直分布特征表现为随深度增加均呈逐渐降低趋势。

图1 不同开垦年限土壤有机碳垂直分布特征Fig.1 Characteristics of vertical distribution of SOC in soil during different reclamation years

图2 不同开垦年限土壤水溶性有机碳垂直分布特征Fig.2 Characteristicsof vertical distribution of WSOC in soil during different reclamation years

2.3 不同开垦年限土壤易氧化有机碳垂直分布特征

由图3可知，开垦年限和土壤剖面对ROOC含量均有影响，具体表现为随土壤剖面加深ROOC含量逐渐减少。R55表层土壤ROOC含量可达11.37 g·kg-1，较R1深层土壤ROOC含量高约3倍。在0～40 cm土壤剖面，R1的ROOC含量均显著低于其他开垦年限（P＜0.05），在40～50 cm土层，R1、R10的ROOC含量无显著差异。此外，随耕作年限增加ROOC含量呈逐渐升高趋势，但在开垦30年时出现回落，而后又呈上升态势。

图3 不同开垦年限土壤易氧化有机碳垂直分布特征Fig.3 Characteristics of vertical distribution of ROOC in soil during different reclamation years

2.4 不同开垦年限土壤微生物量碳垂直分布特征

土壤微生物量碳（MBC）对土壤培肥措施非常敏感，且不受无机氮直接影响，适合作为土壤生物学评价指标。由图4可知，开垦年限对吉林西部盐碱稻田土壤MBC含量影响明显，具体呈R55＞R30＞R20＞R10＞R1，除 R30 土壤 MBC 出现略低，R20整体呈逐年增加态势。就垂直分布而言，吉林西部盐碱稻田土壤MBC含量随土层加深而逐渐减少，在0～10 cm土层，各开垦年限土壤MBC含量差异显著（P＜0.05），在 10～40 cm 土层上，除R20、R30土壤MBC含量无显著差异，其他各开发年限土壤MBC含量均差异显著（P＜0.05）。

图4 不同开垦年限土壤微生物量碳垂直分布特征Fig.4 Characteristics of vertical distribution of MBC in soil during different reclamation years

2.5 土壤有机碳与各组分间相关性分析

本研究结果显示，盐碱稻田土壤SOC与WSOC、ROOC、MBC呈线性相关，说明各开发年限稻田土壤有机碳与水溶性有机碳、易氧化有机碳及微生物量碳在土壤开发过程中总体变化趋势一致。由图5可知，在开垦年限和土层等因素影响下，SOC与MBC拟合系数最高（R2=0.8367）。

由表3可进一步明确，不同开垦年限下土壤有机碳与各组分均极显著相关（P＜0.01）。对比不同开发年限各组分占有机碳比例情况，WSOC占SOC比例在各开垦年限均随土层加深而逐渐增加；ROOC占SOC比例相比较大，ROOC占SOC比例平均值底层低于表层；R1土壤MBC占SOC比例随土层加深而逐渐增加，其他开垦年限则随土层加深而逐渐减少（见表4）。

分析土壤有机碳及各组分影响效应，如表5所示，土层及开垦年限变化对土壤有机碳及各组分影响均达显著水平（P≤0.001）。

图5 土壤有机碳与各组分间相关性Fig.5 Correlation between soil organic carbon and components

表3 土壤有机碳及其组分相关分析Table 3 Correlation analysis of soil organic carbon and itscomponents

表4 土壤有机碳不同组分所占比例Table 4 Proportion of different components of soil organic carbon

表5 土层、开垦年限对盐碱稻田土壤有机碳及其组分双因素方差分析Table 5 Two-factor variance analysis of soil organic carbon and itscomponents in saline-alkalipaddy fieldsby soil layer and reclamation years

3 讨论与结论

3.1 盐碱稻田土壤有机碳空间分布特征及影响效应

本研究发现土层及开垦年限显著影响土壤有机碳及各组分。有机碳随土层加深而逐渐减少，说明作物凋落物、根系及分泌物分解、淋溶形成有机碳首先进入土壤表层，导致SOC减少。土壤有机碳随耕作年限延长，有机碳含量逐渐增加，说明以作物凋落物和有机肥等形式输入碳素除被植物吸收或分解进入大气外，更多有机碳在土壤中积累。因此，开垦年限有利于提高盐碱稻田土壤SOC碳汇功能，与区域内已有稻田土壤有机碳研究基本一致。

3.2 盐碱稻田土壤有机碳活性组分空间分布特征及其稳定性

土壤碳库含有不同活性碳组分，其在土壤中存留时间和降解程度不同[24]，在土壤养分循环转化过程中起重要作用，与土壤有机质、矿物质和生物成分之间平衡有关[25-26]。其中水溶性有机碳（WSOC）、易氧化态碳（ROOC）、微生物量碳（MBC）等指标在指示土壤肥力动态变化方面比土壤总有机碳更加灵敏。因此，活性碳组分研究尤为重要。

土壤WSOC来源土壤成分和外部输入。土壤腐殖质和枯枝落叶、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[27]。土壤WSOC是微生物获取生长和生存能量直接途径[28]，是土壤微生物有效碳源[29]。土壤WSOC/SOC是表征土壤碳库质量重要指标，反映有机碳稳定性、有效性和水溶性[30]。本研究中，土层和开垦年限均对吉林西部盐碱稻田WSOC含量影响显著。土壤WSOC含量随耕作年限延长呈递增趋势，垂直分布特征表现为随深度增加均呈逐渐降低。WSOC与SOC含量呈显著相关，说明WSOC依赖SOC含量，种植时间越长，土壤积累的植物凋谢物和根系分泌物越多。相比之下，表层（0～20 cm）WSOC含量稍高，而深层土壤（30～50 cm）WSOC含量变化平稳，表明一方面植物凋谢物主要集中在土壤表层，另一方面，稻田土壤WSOC亦可与铁锰氧化物或黏土矿物结合固定，随水分向下迁移[31]。

盐度导致微生物生存适宜环境改变，盐碱地微生物数量一般低于普通农用土壤，盐碱土壤微生物量碳（MBC）也比普通农用土壤有较大幅度下降，土壤盐碱度降低增加微生物对有机质分解作用[32-33]。本研究发现，盐碱稻田土壤MBC受开垦年限和土壤剖面影响，整体呈逐年增加态势。就垂直分布而言，吉林西部盐碱稻田土壤MBC含量随土层加深逐渐减少。土壤MBC占SOC比例随土层加深逐渐减少，结果与区域内稻田土壤微生物量碳研究基本一致[34]，由于作物残茬、根分泌物、有机肥等主要集中在表层，导致表层土壤有机碳含量相对较高，表层土壤结构、孔隙度、通气性、温度和湿度等物理性状适宜微生物种群生长。深层土壤受盐碱土壤环境影响，微生物生长受限，但由于土壤中水溶性物质向下淋溶迁移，深层土壤中仍有一定数量微生物生物量碳。

土壤ROOC是土壤碳库重要组分，土壤有机质短暂波动主要发生在易氧化分解部分，土壤中w（ROOC/SOC）可反映土壤有机碳氧化速率，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[35]。本研究表明，开垦年限和土壤剖面对盐碱稻田ROOC含量均有显著影响，具体表现为随土壤剖面加深ROOC含量逐渐减少。ROOC占SOC比例较大，ROOC占SOC比例平均值底层低于表层，说明研究区土壤活性有机碳含量较多，且表层土壤有机碳氧化速率较快。目前，通常用活性有机碳与非活性有机碳比值作为土壤碳库活度，反映土壤活性有机碳数量变化，其值越大表明土壤活性有机碳数量越多，反之，土壤稳定性有机碳数量越多[36]。因此，可深入研究盐碱稻田土壤易氧化有机碳活性组分，明确ROOC在维持盐碱稻田土壤有机碳平衡中作用。