不同利用方式黑钙土有机碳组分剖面分布特征

李春丽， 董 军， 王鸿斌， 王丽群， 赵兰坡

(1.吉林农业大学资源与环境学院，吉林省商品粮基地土壤资源可持续利用重点实验室，长春 130118；2.吉林省土地整治中心，长春 130061)

土地利用方式不同影响植被的物种多样性和生产力，使得进入土壤中的有机质数量和性质明显不同,有机质的分解速率及循环过程也发生显著变化，进而影响土壤固碳潜力，并且能够改变土壤有机质各种保护机制的相对重要性。土壤有机碳(SOC)含量及组分的变化是不同土地利用方式下土壤质量演变的重要标志。

轻组有机碳(LFOC)、水溶性有机碳(WSOC)等是表征活性有机碳的重要指标，可以通过改变土壤微生物活性来影响土壤碳库的周转。重组有机碳(HFOC)是惰性有机碳的主要部分，结构稳定复杂，抗干扰能力强。不同土地利用对土壤有机碳组分的影响不同，LFOC、WSOC对土地利用变化的响应比HFOC更加敏感。很多学者就不同土地利用对LFOC的影响研究发现，森林土壤LFOC含量高于耕地，天然草地和林地转变为耕地后土壤LFOC含量显著降低，而退耕还林还草能明显增加土壤LFOC的含量以及分配比例。土壤WSOC含量一般不超过200 mg/kg，但不同利用方式差异较大。尽管WSOC占SOC的比例很小，但WSOC是土壤微生物可直接利用的有机碳源，参与土壤生物化学循环，影响土壤中有机、无机物质的转化、迁移和降解。

黑钙土是我国东北地区主要的土壤资源和重要的农牧业生产基地，近年在人为因素的干扰下，天然草地多被转换为人工林地或开垦为耕地，造成土壤有机质层变薄，土壤肥力下降，严重影响黑钙土资源的可持续利用和国家粮食安全。不同利用方式黑钙土有机质积累机制尚不清楚，缺乏对不同利用方式下黑钙土有机质组分变化的系统研究。以往对有机质及其组分的研究多是在耕层或土壤剖面的0—30 cm，并且采用机械分层方法(固定深度)取样，忽略了土壤成因对有机质在剖面分布中的影响，同时对不同利用方式下黑钙土l m土体内各土壤发生层有机质组分的分布特征研究较少。本文通过研究黑钙土区天然草地、人工林地和耕地0—100 cm土体中各土壤发生层有机碳组分的含量及分布特征，有助于理解、估计和预测不同利用方式黑钙土有机碳组分数量变化特征和稳定机制，从而为改善土壤质量、提高土壤肥力提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于吉林省西部黑钙土区(43°53′—44°54′N，123°59′—124°59′E)，属温带半干旱季风气候区，平均海拔约150～200 m，为波状起伏台地。多年平均降水量约370～470 mm，但蒸发强烈，年蒸发量约为年降水量的2～3倍。年平均气温4.6 ℃，冬季漫长，微生物活性低，制约了进入土壤中的有机质矿化和积累。母质以冲积、湖积物为主，多为黄土状堆积物。自然植被为草甸草原，一般植物株体比较矮小，具有耐旱、耐盐碱特性，主要有针茅、兔毛蒿草原和碱草草原两类。目前，黑钙土区自然植被已有相当部分被开垦为耕地或栽植为人工林。

1.2 样品采集与分析

经过野外实地踏勘，设立天然草地、人工林地和耕地3种不同土地利用方式。天然草地(Grassland)，自然植被为羊草((Trin.) Tzvel)，无耕作，不施任何肥料，只在秋季割干草、秋冬放牧。人工林地(Woodland)，属小叶杨(Carr.)，20世纪60年代天然草地直接转换为人工林，或者在20世纪80年代左右作为“三北防护林”工程形成人工林地，不施肥，也不进行耕作，自然生长，林分结构单一，林分密度约为860株/hm，株高平均约7.6 m。耕地(cropland)，20世纪60年代由天然草地开垦而来，施用常规氮肥和磷肥，种植作物为玉米(L.)，一年一熟制，玉米秋季收获后根茬部分进行还田。

土样采集工作于2017年10—11月农作物收获后进行，设立了3个自然条件相近的采样点(吉林省前郭县孤杨村和大父屯，吉林省农安县万顺村)，选择代表性地块采集以上各处理土壤剖面样品。3个采样点皆位于平原之上，地势平缓，相对高差5～15 m，土壤亚类皆为草甸黑钙土。采样时先清除表层凋落物，土壤剖面分为A(腐殖质层)、AB(过渡层)、B(淀积层)、BC(过渡层)和C(母质层)5个土层。每个采样地块再在中心区域以15～30 m间隔选取3个土壤剖面，3个剖面的土壤样品随后分别在5个土层中混合制成1个土样，共采集45份土样。3个采样点土壤剖面层次发育略有差异，孤杨村5个土层对应的土壤深度分别为0—30，30—55，55—76，76—90，90—100 cm，大父屯为0—27，27—49，49—70，70—84，84—100 cm，万顺村为0—20，20—45，45—72，72—84，84—100 cm。土样在实验室自然风干，过2 mm筛后备用。各样点基本情况见表1。

表1 土壤采样点基本情况

土壤理化指标采用常规方法测定，全氮含量采用半微量凯氏法测定，碳酸钙含量采用酸碱中和滴定法测定，pH采用电位法(水氯化钙比2.5∶1)测定，土壤机械组成采用吸管法测定。土壤有机碳含量采用重铬酸钾氧化法测定。土壤轻、重组有机碳的提取方法采用相对密度分组法，重液为1.8 g/cm的ZnBr，然后根据重铬酸钾氧化法测定土样重组有机碳(HFOC)含量，并用差减法测算轻组有机碳(LFOC)含量。水溶性有机碳(WSOC)按照土水比1∶6浸提，采用TOC分析仪(岛津TOC-VCPH)测定有机碳量。草地、林地和耕地土壤理化性质见表2。

表2 不同土地利用方式土壤理化性质

1.3 数据处理

采用Microsoft Office Excel 2007软件对数据进行分析处理及绘图。不同处理间数据的差异显著性采用LSD法(最小显著性法)进行比较，所有统计分析采用SPSS 17.0软件。

2 结果与分析

2.1 不同利用方式土壤有机碳含量的变化

由图1可知，土壤有机碳(SOC)含量为1.31～18.20 g/kg，平均值为6.96 g/kg，草地、林地、耕地SOC含量平均值分别为7.62，6.89，6.38 g/kg。3种利用方式黑钙土剖面有机碳分布既有共性，又有不同点。共性是：SOC含量均为A层最高，SOC分布由A至C层均呈减少趋势，均存在明显的AB和BC 2个过渡层，直至C层(母质层)仍有一定量的SOC，林地和耕地剖面均保留草地SOC剖面分布特征。不同的是：(1)3种利用方式SOC含量随剖面深度的增加减少程度显著不同。草地SOC从A～C层分别减少37%，42%，41%和36%，呈逐渐减少趋势。林地SOC含量从A～C层分别减少53%，54%，32%和50%，呈急剧减少趋势。耕地SOC含量从A～C层分别减少20%，47%，54%和39%，呈缓慢减少趋势；(2)腐殖质层(A)SOC含量存在显著差异，分布规律为林地>草地>耕地。与草地相比，林地A层SOC增加11.8%，耕地则减少22.4%。其余土层(AB、B、BC、C)的SOC含量均呈草地>耕地>林地的趋势。

注：图柱上方不同大写字母表示同一土层不同利用方式间差异显著(p<0.05)；不同小写字母表示同一利用方式不同土层间差异显著(p<0.05)。下同。图1 不同利用方式土壤有机碳含量的剖面分布

耕地土壤AB和B层SOC含量比林地呈现出略高的趋势，可能是耕地土壤中作物根系残体的贡献造成的。林地和耕地SOC剖面分布虽保留着天然草地的某些特征(有2个明显的过渡层)，但仍表现出明显差异。与草地相比，在AB、B、BC和C层中，林地和耕地SOC分别减少17%，1%，35%，10%，24%，30%，43%，35%。

2.2 不同利用方式土壤有机碳组分分布特征

3种利用方式土壤水溶性有机碳(WSOC)含量为84.22～271.80 mg/kg(图2),平均值为154.85 mg/kg，草地、林地、耕地WSOC含量平均值分别为212.91，139.98，111.65 mg/kg。草地WSOC含量在剖面中的分布呈现先增加后减少趋势，在B层达最大值；林地和耕地WSOC含量随着剖面深度增加呈持续减少趋势。草地、林地和耕地WSOC含量，从A～C层平均减少分别为3%，21%和9%。草地转换为林地和开垦为耕地后，WSOC含量大幅减少，分别减少34%，48%。尤其是B及以下土层，林地和耕地WSOC含量显著低于草地(<0.05)。这可能与草地腐殖质层植物残体、凋落物数量较大，以及草地碳酸钙含量较高有关(尤其淀积层)。

土壤轻组有机碳(LFOC)含量为0.05～3.48 g/kg(图2),平均值为1.12 g/kg，草地、林地、耕地LFOC含量平均值分别为2.14，1.77，1.40 g/kg。从A～C层，3种利用方式LFOC含量均呈逐渐降低趋势，但草地LFOC含量下降速度最慢。草地转换为林地和开垦为耕地对土壤剖面中的LFOC含量产生显著影响(<0.05)。在A层，草地与耕地LFOC含量差异显著(<0.05)，表现为草地>林地>耕地，耕地LFOC含量最低，其LFOC含量比草地、林地分别低31%和30%。由于草地和林地地上生物量繁茂，凋落物丰富，以有机质形式输入到土壤中的植物残体数量较多，草地和林地土壤腐殖质层(A层)的LFOC含量显著高于耕地。在A层以下的土壤，草地的LFOC含量显著高于林地和耕地，反映草地对土壤剖面中LFOC的积累具有积极作用。林地与草地相比，林地LFOC含量除A层略低于草地外，其余各层均显著低于草地；但与耕地相比，林地LFOC含量除A层明显高于耕地，林地与耕地LFOC含量在A层以下土层无显著差异，这可能与林地特有的根系分布特征有关。

图2 不同利用方式土壤剖面中有机碳组分的分布特征

土壤重组有机碳(HFOC)含量在1.23～14.74 g/kg(图2)，平均值为5.84 g/kg，草地、林地、耕地HFOC含量平均值分别为6.23，5.78，5.50 g/kg。3种利用方式HFOC剖面分布规律与SOC基本一致，均随剖面深度的增加而降低。总体上，草地HFOC含量高于林地和耕地。草地HFOC含量除A层低于林地，AB层低于耕地外，其余土层的HFOC含量普遍高于林地和耕地，反映草地在土壤有机碳的周转过程中发挥着重要作用，植被丰富的草地被转换为其他土地利用方式后，不仅LFOC含量降低，而且不利于稳定性较高的HFOC的积累。

2.3 不同利用方式土壤有机碳组分分配比例

3种利用方式土壤WSOC/SOC值为1.03%～6.49%(表3)，从A～C层WSOC/SOC均呈升高趋势，总体上表现为草地>林地>耕地。在A层，草地土壤WSOC/SOC比林地、耕地高，可能与草地土壤腐殖质层(A层)植物残体数量较大有关。在B、C层，草地土壤WSOC/SOC比林地、耕地高，因为草地土壤该层WSOC含量较高而SOC含量减少，导致WSOC比例较高。

表3 不同利用方式土壤剖面中有机碳组分的分配比例 单位：%

3种利用方式土壤LFOC/SOC值为3.58%～21.33%，从A～C层LFOC/SOC呈逐渐降低趋势。3种利用方式土壤HFOC/SOC值为78.67%～96.42%，HFOC是SOC的主要组成部分，随剖面深度的增加HFOC/SOC值增大。虽然A层林地和草地土壤LFOC含量相差不大，但林地SOC含量显著高于草地，致使LFOC/SOC低于草地(HFOC比例呈现与LFOC比例相反趋势)。在C层，母质环境趋于一致，3种利用方式WSOC/SOC、LFOC/SOC和HFOC/SOC均无显著差异。

2.4 土壤有机碳及组分含量影响因素

从表4可以看出，土地利用方式和土壤发生层对SOC及各组分含量的显著影响(<0.05)，但土地利用方式对HFOC的影响并不显著。同时，土地利用方式和土壤发生层对SOC和HFOC含量的影响具有叠加效应(<0.01)，然而对WSOC和LFOC的叠加效应微弱。

表4 土壤有机碳及各组分含量在土地利用方式和土壤发生层之间的统计差异

由表5可知，SOC及SOC各组分与土壤全氮、碳氮比呈显著正相关。WSOC与碳酸钙、pH呈显著正相关，而与土壤颗粒组成相关性不显著。SOC、LFOC、HFOC与CaCO、pH相关性不显著，与土壤黏粒和粉粒呈显著负相关，与土壤砂粒呈显著正相关。

表5 土壤理化性质与有机碳及各组分含量的关系

3 讨 论

3.1 不同利用方式对土壤有机碳剖面分布的影响

土地利用方式对土壤有机碳的固存具有重要影响。特别是从草地转换为其他用地，或从其他用地转换为草地，这些将促进土壤有机碳含量的显著变化，本研究结果也说明了这一点。在研究区，耕地土壤有机碳含量减少较多，其比例达到16%。林地由于林分结构单一且缺乏外源养分补充，土壤有机碳含量比草地减少约10%。一般来说，根系、根系分泌物和溶解的有机质被认为是深层土壤有机碳的主要来源。草地植被具有较发达的深层根系，1 m土层内根量干重达5.7 kg/m，根系生物量从表层到深层的减少速度比林地和耕地慢，深层土壤有机碳含量的减少速度也比林地和耕地慢。因此，在降水量为370～470 mm的半干旱区，草地可能是土壤固碳的较好选择。

自然土壤中，有机碳含量反映植物枯枝落叶、根系等有机物质的输入量与有机质分解而产生的输出量之间的动态平衡。自然土壤一旦被开垦为耕地以后，这种动态平衡关系即被破坏。本研究结果表明，草地开垦为耕地，使得A层土壤有机碳含量减少最多(22%)，这一发现与前人的研究结果一致。草地开垦为耕地后A层土壤有机碳含量的减少可能与农业活动有关，虽然作物秸秆和根茬总量与草地地下根量相差不大，但耕作结束后大部分地上生物量作为收获物被取走，土壤中只余作物根茬及根系分泌物，有机质输入数量减少。同时耕作过程中使下层土壤被翻到表层，有机质与空气充分接触，温湿度条件适宜的情况下，在微生物和土壤酶的作用下，有机碳的分解速度加快。耕作还可引起土壤侵蚀和土壤团聚体的破坏，从而冲走土壤有机质，这些都造成耕地土壤有机碳的大幅减少。此外，从B～C层，草地开垦为耕地后土壤有机碳含量也有所减少(图1)，说明农业措施也影响深层土壤有机碳含量。草地转换为林地，A层土壤有机碳积累12%，但其他土层土壤有机碳大量流失。已有研究表明，林地土壤有机碳含量显著高于草地，仅在土壤表层存在。因此，草地向林地的转换导致土壤有机碳平均减少0.73 g/kg。对于碳的固存，林地并不适合所有情况，因为在沙地和低丘应建立更多的草地，而不是林地。

3.2 不同利用方式对土壤有机碳组分剖面分布的影响

本研究表明，土地利用方式对水溶性有机碳的影响在整个剖面中都存在，其含量整体上表现为草地>林地>耕地，但A层为林地>草地>耕地。以往研究证实，耕地土壤水溶性有机碳含量一般低于草地、林地等自然生态系统，A层耕地土壤水溶性有机碳含量普遍低于林地和草地，因为耕地地上凋落物和植物残体的数量显著低于林地和草地。自然生态系统转变为其他利用方式后，往往伴随着土壤有机碳、水溶性有机碳等含量的减少。研究区耕地土壤水溶性有机碳含量为3种利用方式中最低，比草地和林地分别减少48%和20%，应考虑有机无机肥料配施，提高耕地土壤水溶性有机碳含量，进而改善立地条件和养分循环，促进作物产量提高。

由A～C层，研究区草地、林地和耕地土壤水溶性有机碳含量总体呈下降趋势，但草地呈现与林地和耕地不同的特征。可能与草地植被根系分布特征及土壤性质有关，与张丽华等的研究结果一致。本研究采样时间处于草地草本植物生长末期，植物群落产生大量细根，为土壤水溶性有机碳提供重要来源，使得土壤水溶性有机碳由A～B层呈现增加趋势，在B层以下缓慢下降。

3种利用方式土壤由A～C层轻组有机碳和重组有机碳含量不断减少的趋势一致，但其下降幅度存在明显差异。由A～C层，林地土壤轻组有机碳和重组有机碳含量随土层加深急剧下降，而耕地呈逐渐下降趋势。同时，轻组有机碳的变化比总有机碳，尤其是比重组有机碳的变化更为强烈。由A～C层，形成轻组的植物残体(根系)和微生物数量逐渐减少，土地利用变化对深层土壤轻组有机碳的影响程度也逐渐减小。研究区B层以下土层轻组有机碳含量渐趋稳定，土地利用变化对轻组有机碳的影响变弱，这与以往大部分研究结果一致。

林地与耕地土壤轻组有机碳含量差异主要发生在A层，因为林地在地表每年产生大量凋落物，而A层以下无显著差异，与二者根系分布状况有着密切关系。林地轻组有机碳60%以上积聚在土壤A层，表聚现象明显。与草地相比，林地和耕地A层以下轻组有机碳含量均处于显著低水平，主要原因是黑钙土自然植被为草甸草原，雨热同季，地上和地下生物量均丰富，而研究区林地树种为杨树，属于浅根系树种，根系主要分布在土壤表层(20—40 cm)，耕地种植作物为玉米，其根系也仅达0～35 cm，林地和耕地的有机物质返回土壤的数量明显低于草地，因此导致林地和耕地土壤A层以下轻组有机碳含量明显低于草地。

土壤活性有机碳的分配比例能够反映不同利用方式对土壤有机碳的影响。由A～C层，3种利用方式水溶性有机碳占比均表现出增加的特征，而轻组有机碳占比呈减少趋势，可能是因为水溶性有机碳活性较高，具有一定的移动性和溶解性，易发生溶解与迁移。

3.3 土壤有机碳及组分含量影响因素

(1)土地利用方式和土层。不同利用方式和土层对土壤有机碳及其组分的影响前文已展开论述，这里不再赘述。总体上，土层对土壤有机碳及其组分的影响程度比土地利用方式更加强烈，二者对活性有机碳(水溶性有机碳、轻组有机碳)的叠加效应较弱，可能与土壤性质有一定关系。

(2)土壤理化性质。土壤全氮与有机碳变化规律基本一致，土壤有机碳及其组分与土壤全氮、碳氮比呈显著正相关，与徐广平等的研究结果一致。土壤颗粒组成与有机碳及其组分也存在一定关系，土壤黏粒和粉粒与有机碳、轻组有机碳和重组有机碳呈显著负相关，砂粒则与有机碳、轻组有机碳和重组有机碳呈显著正相关，黏粒、粉粒和砂粒与水溶性有机碳关系均较差。同时，土壤有机碳及其组分与颗粒组成相关性显著，但与碳酸钙和pH相关性不显著，说明土壤颗粒组成与碳酸钙、pH对土壤有机碳及其组分的影响不同。可能是因为土壤颗粒与有机碳及其组分直接形成不同稳定性的有机-无机复合体，而土壤碳酸钙含量影响pH，pH通过影响微生物和酶的活性来影响有机碳的分解速率，但这仍需进一步研究。

4 结 论

(1)黑钙土区天然草地、人工林地和耕地剖面土壤有机碳含量存在显著差异。林地土壤有机碳主要聚集在表层(A层)，草地土壤有机碳在深层仍较丰富，A层以下土壤有机碳含量呈草地>耕地>林地趋势。3种利用方式土壤剖面中各组分有机碳含量均表现为从A～C层逐渐减少，但草地土壤减少趋势比林地和耕地更加缓慢。

(2)草地转换为林地和开垦为耕地后，水溶性有机碳减少34%和48%，轻组有机碳减少20%和37%，重组有机碳含量减少7%和5%，土地利用变化对土壤活性有机碳的影响远大于惰性有机碳。草地转换为林地和开垦为耕地后，水溶性有机碳和轻组有机碳占比显著降低，但重组有机碳占比却提高，意味着草地被开垦后活性有机碳含量快速下降。

(3)土地利用方式和土层对土壤有机碳及其组分(土壤水溶性有机碳、轻组有机碳和重组有机碳)具有显著影响，对土壤有机碳和重组有机碳叠加效应较强。