河南省典型土壤类型及土地利用方式对土壤活性有机质及碳库管理指数的影响

罗 澜,席 源,华仲臣,姚林林,姜桂英,申凤敏,刘 芳,刘世亮

(河南农业大学资源与环境学院,450002,郑州)

土壤有机质(soil organic matter, SOM)是评价土壤肥力高低的重要指标,但是,SOM变化比较缓慢;因此,为了更加直接有效地研究SOM,研究者提出活性有机质(labile organic matter, LOM)的概念,即在一定的环境条件下,存在于土壤中有效性较高、易被土壤微生物分解、对植物所需养分有直接作用的那部分SOM[1]。LOM对农业措施反应较敏感,能快速表征土壤质量水平。Loginow等[2]提出用3种不同浓度的KMnO4(33、167和333 mmol/L)测定土壤LOM含量的方法,将其分为4种级别:高活性有机质(highly labile organic matter, HLOM)、中活性有机质(moderately labile organic matter, MLOM)、低活性有机质(lowly labile organic matter, LLOM)和非活性有机质(non-labile organic matter, NLOM)。Blair等[3]进一步将土壤总有机碳与其活性相结合,首次提出土壤碳库管理指数(carbon pool management index, CPMI)的概念。CPMI既可以指示外界环境对SOM数量变化的影响,也可以表征土壤中LOM数量的变化情况。

土地利用是人类直接干预土壤肥力变化的主要活动因素,不同土地利用方式可以改变土壤中的养分循环。国内外学者研究表明土壤LOM含量与土壤的成土母质、地形地貌、气候以土地利用方式相关,具有空间异质性[4]。孟庆峰[5]研究发现,鸡粪施用明显提高了碱性草甸土SOM、LOM及CPMI。Lal[6]研究发现天然生态系统转换为农林用地或者其他人为管理的生态系统后,土壤有机碳库最高可以减少320 Pg。Hu等[7]研究得出,不合理的土地利用方式导致我国土壤SOC损失量达到人为排放的30%以上。Zhang等[8]研究发现三江平原湿地土壤表土活性组分有机碳含量显著高于旱林地、撂荒耕地和耕地土壤。因此,研究不同土壤类型不同土地利用方式下LOM和CPMI的变化,对我国土壤有机质组分的动态变化及完善碳循环平衡机制具有重要的指导意义。

目前,众多学者在森林、草地与农田等土地利用方式变化对土壤有机质的影响方面开展了研究,但尚不清楚在特定区域内,关于不同土壤类型、不同土地利用方式下对土壤活性有机质分布特征和碳库管理指数有何影响及异同之处; 因此,笔者选取河南省3种典型土壤类型(潮土、褐土和砂姜黑土)和与之对应的4种主要土地利用方式(农田、菜地、果园和荒地),研究不同土壤类型不同土地利用方式对土壤活性有机质和碳库管理指数变化特征,以期为揭示不同土壤类型及不同土地利用方式对土壤肥力和碳库质量的影响提供科学的理论依据,并为河南省土地资源利用及可持续发展提供理论支撑。

1 试验区概况

本研究选取河南省分布面积最广的3中土壤类型:潮土、褐土和砂姜黑土[9]为研究对象。潮土在河南省分布面积最大,成土母质为河流冲积沉积物,占全省土壤总面积的25.97%,占全省耕地面积的37.14%。主要分布在郑州、安阳、濮阳等豫东北地区,属于暖温带大陆性季风气候,年平均气温14.2 ℃,年降水量500～900 mm,无霜期240 d;褐土是第2大土类,成土母质为洪积物母质和黄土与红土母质,占全省土壤总面积的20.33%,占全省耕地面积的20.92%。多分布于三门峡、焦作、洛阳等豫西地区,属于暖温带半湿润季风气候,年平均气温13.8 ℃,年降水量600～800 mm,无霜期216 d;砂姜黑土的成土母质为河湖相沉积物,占全省土壤总面积的9.25%,占全省耕地面积的13.94%,广泛分布于驻马店、南阳、信阳等豫南地区,属于北亚热带大陆性季风气候,年降水量850～980 mm,年平均气温14.6 ℃,无霜期225 d。

2 材料与方法

2.1 样品采集和处理

本试验于2019年7月进行土样采集,潮土采自郑州市中牟县(E 113°46′,N 34°26′,平均海拔78 m);砂姜黑土采自驻马店(E 114°11′,N 32°56.5′,平均海拔84 m);褐土采自三门峡(E111°11′,N 34°18′,平均海拔377 m)。每种土地利用方式设置3个重复。采样点布设情况见图1。各采样点的基本情况见表1。用S形取样法采集0～20 cm土层土样。为了减小地形地势的影响,同一土壤类型中4种土地利用方式的采样地尽量选择在同一海拔,且4种采样地邻近。土样带至实验室风干,剔除植物根,砂砾等杂物后研磨、过筛,保存于自封袋中备用。

表1 采样点基本情况

图1 采样点分布图

提取活性有机质的方法采用KMnO4氧化法[10]。具体操作为:称取过0.25 mm筛的风干土样1.5 g,将其置于50 mL离心管中,在离心管中加入 333 mmol/L(或33和167 mmol/L)的KMnO4溶液 25 mL。在温度25 ℃的条件下振荡1 h,在转速为2 000 r/min的条件下离心5 min。取其上清液,用去离子水按照1∶250的比例稀释,最后将稀释液在565 nm的波长下比色。以荒地作为对照土壤,通过以下公式计算CPMI:

y=x/x0;

(1)

y1=x-x1;

(2)

L=x1/y1;

(3)

L1=L/L0;

(4)

y2=100yL1。

(5)

式中:y为碳库指数(carbon pool index, CPI),量纲为1;x为样品总有机质质量分数,g/kg;x0为对照土壤总有机质质量分数,g/kg;y1为非活性有机质质量分数,g/kg;x1为活性有机质质量分数,g/kg;L为碳库活度(carbon pool lability, L),量纲为1;L1为活度指数(lability index, LI),量纲为1;L0为对照土壤为碳库活度,量纲为1;y2为碳库管理指数(carbon pool management index, CPMI),量纲为1。

2.2 数据处理

使用SPSS 17.0(SPSS Inc., Chicago, Illinois, USA)进行统计分析。采用单因素方差分析和最小显著性差异进行多重比较(P<0.05),对3种不同土壤类型和4种不同土地利用方式所对应的土壤总有机质和活性有机质进行显著性差异比较。使用双因素方差分析研究不同土壤类型和不同土地利用方式对土壤活性有机质和碳库管理指数的影响及交互作用。使用Origin 2018(Origin Lab Inc.)制图。

3 结果与分析

3.1 对土壤有机质质量分数的影响

如图2所示,总体上,潮土有机质质量分数略高于褐土和砂姜黑土。在褐土中,果园土壤的SOM质量分数显著高于其他土地利用方式,为15.99 g/kg。在砂姜黑土中,农田土壤的SOM质量分数最高,为23.61 g/kg。在潮土中,果园和农田土壤的SOM质量分数显著高于菜地和荒地。综上所述,在褐土中,果园利用方式有助于SOM的积累;在砂姜黑土中,农田利用方式提高SOM的效果最佳;在潮土中,果园和农田利用方式均有利于SOM的积累。

柱状上方不同小写字母表示各处理间差异显著(P<0.05)。下同。Different lowercase letters above the bars indicate significant differences among treatments (P<0.05). The same below。

3.2 对土壤活性有机质质量分数的影响

由图3可知,在褐土中,果园土壤的HLOM质量分数显著高于其他3种土地利用方式,为 2.13 g/kg。在砂姜黑土和潮土中,农田土壤的LLOM、MLOM和HLOM质量分数均显著高于果园、菜地和荒地土壤,其值的变化范围均在 1.94～5.21 g/kg。综上,在褐土中,果园利用方式显著提高土壤HLOM质量分数;在砂姜黑土和潮土中,农田利用方式能显著提高土壤的各LOM质量分数。

SOM: Soil organic matter. LLOM: Lowly labile organic matter. MLOM: Moderately labile organic matter. HLOM: Highly labile organic matter. The same below.

3.3 不同活性有机质组分分布比例

如图4所示,从整体来看,褐土的总活性有机质质量分数略高于砂姜黑土和潮土。在褐土中,荒地土壤的总活性有机质比例最高(67.79%),果园土壤最低(53.73%)。其中,菜地土壤的MLOM比例最大,为18.70%。在砂姜黑土中,农田土壤的总活性有机质比例最大,为48.66%。其中,菜地土壤LLOM比例最高(22.55%),果园土壤最低(12.25%)。在潮土中,总活性有机质比例以农田最高(41.08%),且农田的LLOM、MLOM和HLOM的比例均最大,分别为18.83%、13.72%、8.54%。综上,在褐土中,荒地利用方式有利于提高土壤总活性有机质质量分数,农田次之;在砂姜黑土和潮土中,农田利用方式提高土壤总活性有机质占总有机质的比例效果最佳。

NLOM: Non-labile organic matter. The same below.

3.4 对碳库管理指数的影响

由表2得出,以荒地土壤作为对照土壤,3种不同土壤类型中的农田土地利用方式的CPI值均大于1。在褐土中,菜地土壤MLOM和LLOM的CPMI均为最大值,分别为137和95。在砂姜黑土中,农田土壤的LLOM、MLOM和HLOM的CPMI均为最大值,分别为197、183和202。在潮土中,农田利用方式对提高土壤LLOM的CPMI效果最明显,为171。

表2 不同土壤类型不同土地利用方式下碳库管理指数

由表3可知,土地利用方式及土壤类型均对SOM和LOM的影响达到极显著水平。对于LLOM和HLOM的CPMI来说,土壤类型对其影响达到显著水平。综上,在褐土中,菜地土壤MLOM和LLOM的CPMI数值最大,说明菜地利用方式有利于MLOM和LLOM的积累;在砂姜黑土和潮土中,农田土壤LLOM、MLOM和HLOM的CPMI数值均最大,说明农田利用方式更有助于土壤各活性有机质的提高。

表3 土壤类型和土地利用方式对活性有机质和碳库管理指数影响的方差分析

4 讨论

4.1 土壤有机质含量的差异

土壤有机质是评价土壤肥力的重要的指标,而土地利用方式是造成土壤碳库循环不平衡的主要因素之一。张旭博等[11]研究得出,在我国北方干旱半干旱地区,农田、草地、灌木和林地土壤中的秸秆、根茬及植株残渣等刺激微生物的分解,从而促进SOM的积累。笔者发现不同土壤类型不同土地利用方式下SOM含量具有明显差异。褐土果园表层SOM富集的现象最明显,这与张超博等[12]的研究一致。有研究表明,果园随着种植年限的增加,土壤的黏粒和粉粒含量增加,但土壤质地未改变[13]。褐土菜地SOM次之,宋蒙亚等[14]研究发现菜地可以在一定程度上提高SOM含量,可能是因为动植物残体和植物的根系分泌物不断地进入土壤中,进而增加SOM。Wang等[15]分析发现褐土多分布于降雨较少西北黄土丘陵一带,生物体腐解较慢,这就导致褐土本身的SOM含量较低,本研究结果与其一致。砂姜黑土的农田土壤较其他3种不同土地利用方式SOM含量最大。其主要的原因可能是砂姜黑土土壤质地黏重,耕性较差,所以其本身SOM含量较低[16],因此,外源肥料施用能明显提高土壤SOM含量。但高学振等[17]研究发现,砂姜黑土密度较大,总孔隙度较小,干缩湿胀,导致大部分SOM被包裹在土壤黏粒内部,且降解外来碳源转化为SOM的过程是较为困难。因此在增加外来碳源的同时,配合合理耕作措施对砂姜黑土SOM提升具有重要作用。潮土的果园和农田土壤SOM含量均较高,且二者比较没有显著性差异。造成上述现象的原因除果园表层土壤的枯枝落叶较多外,还有可能是果树根系发达,根系分泌物丰富,促使SOM积累;虽然人为活动对农田土壤的扰动较大,但任荣秀等[18]研究表明,农田土壤的有机碳大部分储存于黏粒+黏粉粒团聚体中,显著提高土壤的固碳能力。也可能是因为潮土主要分布的地区水热资源条件较为充足,微生物分解枯枝烂叶或动植物残体能力较强。

4.2 土壤活性有机质含量及碳库管理指数的差异

土壤活性有机质和碳库管理指数是更加全面、灵敏地反映土壤有机质变化的重要指标。邓瑞芬等[19]研究认为不同土地利用方式通过影响植物的碳供给量而改变土壤中各碳组分及其比例。本研究发现,在褐土中,果园利用方式提高LLOM和HLOM,但是NLOM/TSOM明显升高,说明果园利用方式更有利于增加稳定态碳,促进土壤碳库积累,这与贾璇等[20]的研究一致。从褐土主要分布地区的气候来看,主要以落叶乔木为主,而乔木层和土壤层的碳储量占较大的比例,其根系促使碳稳定在土壤中。在砂姜黑土和潮土中,农田利用方式显著提高土壤高、中、低活性有机质的含量,这与倪进治等[21]的研究结果一致。沈晓琳等[22]研究得出,深耕+秸秆还田的耕作方式提高<0.25 mm粒级土壤团聚体中微生物的丰富度,在一定程度上增加土壤的固碳能力。

CPMI可以具体地、动态地反映LOM在数量上的变化,CPMI数值上升则表示土壤肥力的提高,土壤的理化性能向良好的方向发展。熊翱宇等[23]研究发现,长期施肥的土壤CPMI与SOM、LOM存在显著和极显著正相关关系,可以有效反映SOM的变化。我们研究发现褐土果园土壤的CPI和高、中、低活性有机质的CPMI相较于其他3种土地利用方式的值最大,说明果园土地利用方式有助于提高褐土的SOM含量。张玉岱[24]研究指出,生草极显著地提高果园土壤LLOM、MLOM的CPMI,但对HLOM的CPMI影响较小,本研究的结果与其不同。果园利用方式有效地提高土壤的高、中、低活性有机质的CPMI可能是因为果园土壤耕层扰动较小,土壤中碳素周转速率缓慢,而且果园土壤表面所积累的凋落物可以部分抵消掉地表碳的损失,从而增加土壤碳汇能力[25]。在砂姜黑土和潮土中,农田利用方式明显地提高了土壤高、中、低活性有机质的碳库活度(L)和CPMI。这有可能是因为化肥促进了作物生长增加外源碳的输入,有利于提高土壤CPMI[26]。

5 结论

1)同一土壤类型、不同土地利用方式下,LLOM、MLOM和HLOM的分布趋势与其对应的有机质分布大致是一样的。在褐土中,果园土壤的HLOM含量显著高于其他土地利用方式,但是荒地的总活性有机质占总有机质比例最高,为67.79%。在砂姜黑土和潮土中,农田土壤的各活性有机质的含量均显著高于其他土地利用方式,其中总活性有机质的比例分别为48.66%和41.08%。

2)不同土壤类型下,农田的CPI数值均>1,说明农田土地利用方式更有利于土壤碳库的积累。在褐土中,菜地利用方式有利于土壤低活性有机质和中活性有机质的CPMI的提升。在砂姜黑土和潮土中,农田利用方式有助于土壤各活性有机质的CPMI的提高。通过双因素方差分析可得,土地利用方式和土壤类型×土地利用方式互作对土壤总有机质、活性有机质和碳库管理指数的影响均达到极显著水平。因此,土壤类型和土地利用方式均会对土壤的有机质、活性有机质及碳库管理水平产生明显的影响,这对指导河南省的土壤生态环境、农业生产和土地可持续利用具有重大的意义。