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不同土地利用类型下土壤活性有机碳库的变化 宇万太 1 马 强 1 赵 鑫 1 2 周 桦 1 李建东 2 1中国科学院沈阳应用生态研究所 沈阳 110016 2沈阳农业大学 沈阳 110161 摘 要 分析了中国科学院沈阳生态试验站不同土地利用类型长期定位试验土壤 0 40 cm活性有机碳含量 结果表明 0 20 c m 土层内荒地土壤有机碳 易氧化碳 微生物生物 量碳 溶解性有机碳和轻组有机碳含量高于割草地和裸地 而割草地颗粒有机碳含量略高 于荒地 在 20 40 cm土层 割草地土壤有机碳 易氧化碳和颗粒有机碳含量较高 而荒地 微生物量碳 溶解性有机碳和轻组有机碳含量较高 不同土地利用类型土壤活性有机碳含 量均随着土层加深而递减 土壤微生物量碳 溶解性有机碳和轻组有机碳的分配比例为荒 地 割草地 裸地 易氧化碳和颗粒有机碳的分配比例为割草地 荒地 裸地 土壤活性 有机碳的分配比例随土层加深而下降 但溶解性有机碳的分配比例变化趋势相反 关键词 土地利用类型 土壤活性有机碳 活性有机碳分配比例 中图分类号 S963 文献标识码 A 文章编号 1000 4890 2007 12 2013 05 Changes of soil active organic carbon pool under different land use types YU W an tai 1 MA Qiang 1 ZHAO Xin 1 2 ZHOU Hua1 LI Jan dong 2 1Institute of Applied Ecology ChineseA cademy of Sciences Shenyang 110016 China 2Shenyang Agricultural University Shenyang 110161 China ChineseJournal of Ecology 2007 26 12 2013 2016 Abstract Themeasurement of active organic carbon content in 0 40 c m soil layer under differ ent land use types in Shenyang Eco experi m ent Station of Chinese Acade my of Sciences showed that in 0 20 c m soil layer the contents of organic carbon OC readily oxidizable carbon ROC m icrobial biomass carbon MBC dissolved organic carbon DOC and light fraction organic carbon LFOC were higher in fallow field than inmow ing field and bare field while the content of particulate organic carbon POC was relatively higher in mow ing field than in fallow field In 20 40 cm soil layer the contents of OC ROC and POC were higher in mow ing field while those ofMBC DOC and LFOC were higher in fallow field The profile distribution of soil active organic carbon under different land use types appeared a declining trend w ith soil depth The allocation proportion ofMBC DOC and LFOC in soil active organic carbon followed the or der of fallow field mow ing field bare field while that of ROC and POC was in the order of mow ing field fallow field bare field The allocation proportion of soil active organic carbon had a declining trend with depth while that ofDOC was in adverse Key words land use type soil active organic carbon allocation proportion of active organic car bon 中国科学院知识创新工程项目 KZCX2 YW 407和 KZCX3 S W 433 国家科技支撑计划课题 2006BAD05B01 和中国科学院野外 台站基金资助项目 通讯作者 E mai l qma iae ac cn 收稿日期 2007 03 23 接受日期 2007 08 28 1 引 言 土壤活性有机碳是指土壤中移动快 稳定性差 易氧化 矿化 并对植物和土壤微生物活性较高的那 部分有机态碳 沈宏等 1999 虽然它只占土壤有 机碳总量的较小部分 但由于它可以在土壤全碳变 化之前反映土壤微小变化 又直接参与土壤生物化 学转化过程 Cole m an et al 1983 W ander et al 1994 因而 它对土壤碳库平衡和土壤化学 生物 化学肥力保持具有重要意义 土壤活性有机碳常可用微生物量碳 易氧化碳 溶解性有机碳 颗粒有机碳 轻组有机碳等来进行表 生态学杂志 Chinese Journal ofEcology 2007 26 12 2013 2016 征 在特定的生物 气候带中 随着地上植被的生 长 土壤碳库及碳形态将会达到稳定状态 因而 土 壤碳素状况常可作为生态功能的标志或控制器 Pau l 1984 不同地面覆被下土壤由于承接其凋 落物和根系分泌物类型不同 因而形成的土壤碳库 特别是活性碳状况会存在差别 本文研究同一地区 不同土地利用类型下土壤活性碳含量与分布 揭示 不同土地利用类型下植被对土壤碳库的影响 为评 价该地区土地利用类型变化对土壤有机碳的影响提 供科学依据 2 研究地区与研究方法 2 1 研究区概况 本试验在中国科学院沈阳生态试验站进行 中 国科学院沈阳生态试验站位于沈阳市以南 35 km处 41 32 N 122 23 E 地处下辽河平原 属于暖温 带半湿润大陆性季风气候 四季分明 雨热同季 夏 天炎热 冬天寒冷 年平均温度 7 8 夏季平 均气温 24 最高温度 39 3 最低温度 33 1 10 活动积温为 3 300 3 400 太阳总 辐射量为 5 409 9 5 599 8 kJ c m 2 年降雨量为 700mm 左右 年蒸发量 1480 1756 mm 干燥度为 0 9 无霜期为 147 164 d 平均早霜期出现在 9月 下旬 10月中旬后常有严霜 试验开始前该土壤主 要化学性质见表 1 表 1 试验地土壤主要化学性质 Tab 1 Selected chem icalproperties of test soil 土壤类型 有机碳 g kg 1 全氮 g kg 1 全磷 g kg 1 全钾 g kg 1 速效磷 mg kg 1 p H 潮棕壤10 960 710 4113 128 986 7 2 2 试验方法 2 2 1 样地试验 试验始于 1990年 已连续进行 16年 试验共 3个处理 裸地处理 不耕作 不施 肥 手工除草 尽可能保持地表呈裸露状态 割 草地处理 不耕作 不施肥 植物自然生长 每年秋季 收获季节将地上生物量移出该处理 称恒量 分析其 养分含量 荒地处理 不耕作 不施肥 植物自然 生长 不收割 3处理 植被覆盖完全不同 可以探 讨植被对土壤有机碳库和活性有机碳库的贡献 各 处理面积均为 350 m 2 无重复 2 2 2 样品采集与分析方法 2006年秋季 10 月 采集土壤样品 每个处理采集 0 20和 20 40 c m 2个层次 每个层次采集 5个样品 每个样品均 为多点采集混合而成 样品过 2 mm 筛 去除石砾 和根系 分成 2份 一份鲜样供土壤水溶性有机碳 微生物量碳的测定 另一份风干后 进一步处理 供 土壤有机碳 易氧化碳 颗粒有机碳 轻组有机碳和 土壤养分分析 土壤有机碳 soil organic carbon SOC 采用碳 氮元素自动分析仪 E le m entarVerio 德国 测定 土壤微生物量碳 m icrobial biomass carbon MBC 采 用氯仿熏蒸 K2SO4浸提法 重铬酸钾氧化滴定法测 定 鲁如坤 1999 土壤溶解性有机碳 dissolved organic carbon DOC 采用稀盐溶液 0 5 mol L 1 K2SO4提取 土水比为 1 2 5 振荡 30m in 重铬酸钾 氧化滴定法测定 鲁如坤 1999 土壤易氧化碳 readily oxidizable carbon ROC 采用 333 mmol L 1的高锰酸钾氧化法测定 Blair et al 1995 土 壤轻组有机碳 light fraction organic carbon LFOC 采用相对密度分组法测定 鲁如坤 1999 颗粒有 机碳 particulate organic carbon POC 采用 5 g L 1 六偏磷 酸钠分散 法测定 Cambardella 植被的贡献率 割草地或荒地土壤活性有 机碳增量 割草地或荒地土壤活性有机碳组分含量 生物量多少有关 进而存在差异 由表 3可见 割草地表层 0 20 cm 土壤有机 碳及其组分含量的增加量要低于荒地 植被对割草 地和荒地土壤有机碳及其组分含量增加的贡献主要 来自植被地下残留部分 其中残留生物量对割草地 土壤微生物量碳 溶解性有机碳 轻组有机碳 0 20 cm土层 颗粒有机碳含量增加的贡献较大 贡 献率在 47 81 由于荒地的植被地上及地下生 物量全部归还土壤 因此残留物对其土壤微生物量 碳 溶解性有机碳 轻组有机碳 0 20 c m 土层 颗 粒有机碳含量增加的贡献率高于割草地 介于 54 84 可见 植被归还土壤的生物量多少对土壤 有机碳及其组分含量的影响明显 长期的定位试验 表明 割草地和荒地各活性有机碳组分含量相对于 裸地都有明显的提高 土壤碳库库容变大 土壤有机 碳得到一定累积 荒地表现尤为突出 3 2 土壤活性有机碳的分配比率 土壤活性有机碳占土壤总有机碳的比率被称为 该种活性有机碳的分配比例 Garten et al 1999 它比活性有机碳总量更能反映不同土地利用类型下 植被对土壤碳行为的影响结果 研究表明 土壤易 氧化态碳含量与土壤总有机碳的比率是反映土壤碳 稳定性的指标 土壤全碳中易氧化态碳所占比例越 高 说明土壤碳的活性越大 稳定性越差 朱志建 等 2006 从表 4可以看出 割草地和荒地土壤易 氧化碳的分配比例高于裸地 说明割草地和荒地 2 种利用类型土壤有机碳活性大 易转化 从土壤微 生物量碳的分配比例来看 荒地与割草地相差不大 但二者均明显高于裸地 这与溶解性有机碳的变化 趋势相似 荒地和割草地轻组有机碳和颗粒有机碳 的分配比例明显高于裸地 但轻组有机碳的分配比 例荒地 割草地 而颗粒有机碳的分配比例割草地 荒地 从不同层次土壤来看 不同土地利用类型 2015宇万太等 不同土地利用类型下土壤活性有机碳库的变化 表 4 不同土地利用类型土壤活性有机碳的分配比率 Tab 4 Percentages of different active organic carbon to total soilorganic carbon under different land use types 土地利 用类型 土层深度 cm SOC g kg 1 ROC SOC M BC SOC DOC SOC LFOC SOC POC SOC 裸地0 2013 254 380 320 269 9425 02 20 408 584 120 290 287 0711 32 割草地0 2016 035 471 320 4429 6145 79 20 409 815 181 290 467 1525 48 荒地0 2017 435 151 460 5346 5641 86 20 409 745 031 390 587 3922 31 下土壤溶解性有机碳的分配比例从上到下均表现出 上升趋势 这与溶解性有机碳随下渗水迁移分不开 而土壤易氧化碳和土壤微生物量碳不同 它们的分 配比例随土层加深而小幅度下降 土壤轻组有机碳 和土壤颗粒有机碳的分配比例总体上是从上到下大 幅度下降 以土壤轻组有机碳的分配比例表现最为 明显 3 3 土壤活性有机碳之间的相关性 对土壤总有机碳量与各活性有机碳以及各活性 有机碳之间进行了相关分析 表 5 从表 5可见 土壤总有机碳含量与易氧化碳 微生物量碳 溶解性 有机碳 轻组有机碳和颗粒有机碳之间的相关性均 达到极显著水平 土壤易氧化碳 微生物量碳 溶解 性有机碳 轻组有机碳和颗粒有机碳两两之间也均 存在着极显著相关关系 这一方面说明土壤活性有 机碳较大程度上依赖土壤有机碳总贮量 另一方面 也说明各类土壤活性有机碳之间关系密切 它们虽 然表述与测定方法不同 但它们都在一定程度上表 征了土壤中活性较高部分的有机碳含量 表 5 土壤各种形态有机碳之间的相关关系 Tab 5 Correlations between different fractions of soil or ganic carbon 有机碳 形态 SOCROCMBCDOCLFOCPOC SOC1 ROC0 908 1 MBC0 953 0 899 1 DOC0 742 0 839 0 851 1 LFOC0 829 0 885 0 907 0 964 1 POC0 953 0 907 0 977 0 857 0 909 1 为相关性达 5 显著水平 为相关性达 1 极显著水平 4 结 论 对潮棕壤不同利用方式长期定位试验分析表 明 0 20 cm土层内土壤有机碳 易氧化碳 微生物 量碳 溶解性有机碳和轻组有机碳以荒地最高 而土 壤颗粒有机碳割草地的要略高于荒地 20 40 cm 土层土壤有机碳 易氧化碳和颗粒有机碳割草地的 较高 土壤微生物量碳 溶解性有机碳和轻组有机碳 荒地的较高 但在 0 20 cm 或 20 40 cm 土层 裸 地各种类型土壤活性有机碳含量均最低 不同土地 利用类型土壤活性有机碳含量均随着土层加深而递 减 随植被归还土壤生物量的增加 土壤有机碳及 其组分含量增幅变大 土壤微生物量碳 溶解性有机碳和轻组有机碳 的分配比例为荒地 割草地 裸地 易氧化碳和颗 粒有机碳的分配比例为割草地 荒地 裸地 不同 土地利用类型下 只有土壤溶解性有机碳的分配比 例随土层从上到下表现出上升趋势 其它几种形态 活性有机碳的分配比例均随土层加深而下降 参考文献 鲁如坤 土壤农业化学分析方法 1999 北京 中国农业科 技出版社 沈 宏 曹志洪 胡正义 1999 土壤活性碳的表征及其生 态意义 生态学杂志 18 3 32 38 徐秋芳 姜培坤 2004 不同森林植被下土壤水溶性有机碳 研究 水土保持学报 18 6 84 87 朱志建 姜培坤 徐秋芳 2006 不同森林植被下土壤微生 物量碳和易氧化态碳的比较 林业科学研究 19 4 523 526 Anderson TH Do msch KH 1989 Ratios ofm icrobialbiomass carbon to total organic carbon in arable soils SoilBiology Biochem istry 21 471 479 Blair GJ Lefroy RDB L isle L 1995 Soil carbon fractions based on their degree of oxidation and the development of a carbon manage ment index for agricultural syste ms Aus tralian Journal of Agricultural Research 46 7 1459 1466 Cambardella CA ElliottET 1992 Particulate soilorganicmat ter ch