粤北山区不同土地利用方式下土壤有机碳及其组分特征

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　　摘  要：土壤碳庫影响土壤肥力和全球气候变化，土壤有机碳及其组分能够敏感地反映土壤碳库的变化。研究不同土地利用方式下土壤有机碳及其组分特征对指导土壤资源的合理利用与管理具有重要意义。采集粤北山区6种土地利用方式（林地、茶园、果园、弃耕地、水田、水旱轮作）的表层土壤（0～20 cm），测定土壤有机碳（SOC）及其易氧化有机碳（EOC）、颗粒有机碳（POC）、胡敏酸碳（HAC）、富里酸碳（FAC）和胡敏素碳（HMC）等组分，分析SOC及其组分对不同土地利用的响应以及SOC各组分之间的关系。研究结果表明：（1）水田和林地土壤SOC含量（16.70和16.42 g/kg）比茶园、果园和弃耕地土壤分别高出28.86%和26.99%、21.54%和20.56%、37.79%和35.48%（P<0.05）;（2）水田土壤EOC（4.83 g/kg）、HAC（2.81 g/kg）、胡/富比（0.83），HAC占SOC比例（16.80%）显著高于其他5种利用方式土壤;而林地土壤FAC（5.01 g/kg）含量显著高于其他5种利用方式土壤;（3）SOC与EOC、fPOC、POC、HAC、FAC、HMC呈显著正相关。综上所述，粤北山区HMC是土壤有机碳优势组分，土壤有机碳各组分含量随着有机碳含量增加而增加。种植水稻和林业利用有利于SOC的积累，可增加土壤有机碳库、提高土壤肥力。
　　关键词：土壤有机碳;有机碳组分;利用方式;粤北山区
　　中图分类号：S153.6      文献标识码：A
　　Characteristics of Soil Organic Carbon and Its Fractions under Different Land Uses in Northern Guangdong
　　FU Zhilan， LU Ying*
　　College of Natural Resources and Environment， South China Agricultural University / Key Laboratory of Arable Land Conservation in South China， Ministry of Agriculture and Rural Affairs / Guangdong Province Key Laboratory of Land Use and Consolidation， Guangzhou， Guangdong 510642， China
　　Abstract： Soil carbon pool affects soil fertility and global climate change. Soil organic carbon and its fractions are sensitive indicators of changes in soil carbon pool. Therefore，the study on soil organic carbon and its fractions under different land uses is of great significance to guide reasonable utilization and management of soil resource. Topsoil samples （0～20 cm） were collected under six land uses （woodland， tea garden， orchard land， abandoned land， paddy field and paddy-upland rotation） in northern Guangdong， soil organic carbon （SOC） and its fractions including easy oxidation of organic carbon （EOC）， particulate organic carbon （POC）， humic acid C （HAC）， humic acid C （FAC） and humin C （HMC） were determined. The respond of SOC and its fractions to different land uses and the relationship among SOC fractions were evaluated. SOC in paddy field （16.70 g/kg） and woodland （16.42 g/kg） was the highest， which was 28.86% and 26.99%， 21.54% and 20.56%， 37.79% and 35.48% higher compared with tea plantations， orchards and abandoned farmland respectively， with significant difference （P<0.05）. （2） Soil EOC （4.83 g/kg）， POC （0.98 g/kg）， HAC （2.81 g/kg）. The ratio of HAC to FAC （0.83）， the proportion of HAC to SOC （16.8%） in paddy field and FAC in wood land were significantly higher than the other five land uses. SOC was significantly positively correlated with EOC， fPOC， POC， HAC， FAC and HMC. Therefore， in mountainous areas of northern Guangdong， humin C was the dominant fraction of SOC， and the content of SOC fractions increased with the increase of SOC content. Rice planting and woodland utilization are beneficial to SOC accumulation， and can increase soil organic carbon pool and improve soil fertility. 　　Keywords： soil organic carbon; carbon fractions; land use type; mountainous area of northern Guangdong
　　DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2020.03.029
　　土壤有机碳（SOC）是土壤肥力的物质基础和全球碳循环研究的核心内容[1-2]。土壤有机碳库约占地表碳库的61%[3]，其中与大气成分进行的活性交换量约占陆地生态系统碳的2/3[4]。SOC的微小变化就能影响大气中CO2的浓度，进而影响全球碳循环和气候变化。不同SOC组分对土地利用方式的敏感度不同，不稳定组分对土地利用方式变化尤其敏感，能及时反映土地利用方式对土壤质量的影响[5]。土地利用作为人类干扰活动的主要形式，主要通过管理措施影响土壤有机物质的输入量和分解速率进而影响SOC的含量和积累，在土壤固碳过程中起着重要作用[4]。同时，土地利用和土地覆被变化是仅次于化石燃料燃烧进入大气的人为碳源[6]，因此，研究土地利用方式对SOC及其组分特征的影响，对提高土壤肥力和缓解全球气候变化有重要意义。
　　有关土地利用方式对SOC及其组分分布的影响的研究报道有许多。Gelaw等[7]对埃塞俄比亚北部半干旱地区研究表明，放牧区SOC含量显著高于耕地，与房飞等[8]在内蒙古多伦县的研究结果相反。其表明不同区域SOC对土地利用和管理方式的响应不同。王芳丽等[9]对重庆西部紫色土的研究发现，林地SOC含量显著高于耕地，與陈高起等[10]在重庆市中梁山岩溶区的研究结果相反。其表明土地利用方式对相同区域不同土壤类型的SOC的累积影响不同。李鉴霖等[11]对缙云山林地、果园、坡耕地和弃耕地4种土地利用方式下SOC及其组分特征的研究发现，细颗粒有机碳（fPOC）对土地利用方式的敏感程度明显高于SOC及其他组分，与刘梦云等[12]相反。这表明SOC组分对土地利用响应的敏感程度不同[5]。因此，有必要开展不同区域土地利用方式对土壤有机碳库影响的研究。
　　粤北山区地处中亚热带，土地利用类型多样。前人在该区域开展了土地利用方式对表层土壤养分分布特征[13]、土壤微生物碳氮特征[14]的研究;也有关于SOC随海拔梯度的变化[15]、人工次生林SOC密度分布特征及其主要影响因子[16-17]研究报道。但针对该区不同土地利用下SOC及其组分特征的研究鲜见报道。本研究以不同土地利用方式下的表层土壤为对象，研究SOC及其组分特征，揭示土地利用方式对土壤碳库影响，为该区域土壤资源合理利用和管理提供参考。
　　1  材料与方法
　　1.1  供试土壤
　　选取广东省韶关市乐昌市河南镇排子村林地（WL）、茶园（TG）、果园（OL）、弃耕地（AL）、水田（PF）、水旱轮作（PU）的代表性地（田）块各3块，分别采集表层（0～20 cm）的土壤。土壤类型为花岗岩风化物发育的红壤和水稻土，土壤样品经风干、研磨过筛后保存待测。供试土壤的基本理化性质见表1。
　　1.2  测定指标与方法
　　土壤pH采用电位法（水土比为2.5∶1）测定;土壤机械组成采用吸管法测定;土壤全氮（TN）采用凯氏定氮法测定;土壤碱解氮采用碱解扩散法;土壤总有机碳采用重铬酸钾硫酸消化法测定;土壤腐殖质碳采用0.1 mol/L焦磷酸钠和0.1 mol/L氢氧化钠溶液浸提;并采用重铬酸钾-硫酸消化法测定胡敏酸碳（HAC）、富里酸碳（FAC），胡敏素碳（HMC）=SOC?HAC?FAC[18]。易氧化有机碳（EOC）采用高锰酸钾氧化法-比色法测定[19]。颗粒有机碳（POC）提取采用湿筛法将土壤颗粒物质分为粗颗粒物质和细颗粒物质，采用重铬酸钾硫酸消化法测定粗颗粒有机碳（cPOC）、细颗粒有机碳（fPOC）[20]。颗粒态有机碳含量的计算公式如下：
　　颗粒有机碳含量（g/kg）=颗粒物中土壤有机碳含量（g/kg）×颗粒物占土壤的质量分数
　　颗粒有机碳分配比例=颗粒有机碳含量/土壤有机碳含量×100%
　　1.3  数据处理
　　采用Excel 2010软件进行数据处理和作图，利用SPSS 22软件进行方差分析（Duncan法，α=0.05）。
　　2  结果与分析
　　2.1  不同利用方式下土壤有机碳和全氮含量变化
　　不同土地利用方式下SOC和TN含量如图1，SOC含量为12.1～16.7 g/kg，其中水田和林地SOC含量显著高于茶园、果园和弃耕地土壤，与水旱轮作土壤差异不显著。不同土地利用方式下水田TN含量最高，为1.53 g/kg，显著高于其他利用方式下的土壤。
　　2.2  不同利用方式下土壤有机碳组分分布特征
　　由图2可知，土壤POC含量为0.71～0.98 g/kg，水田土壤（0.98 g/kg）显著高于茶园、果园和水旱轮作土壤，与林地和弃耕地土壤差异不显著;水田土壤fPOC（0.90 g/kg）显著高于茶园和水旱轮作土壤49.08%和39.13%;林地土壤cPOC含量显著高于果园、弃耕地、水田和水旱轮作土壤，与茶园土壤差异不显著。
　　不同利用方式下土壤EOC含量为2.89～4.83 g/ kg，水田EOC含量最高，为4.83 g/kg，显著高于林地（4.04 g/kg）、水旱轮作（3.95 g/kg）、果园（3.43 g/kg）、茶园（2.91 g/kg）和弃耕地（2.89 g/kg）土壤。
　　不同土地利用方式下土壤腐殖质碳均以不溶性的HMC为主，不同腐殖质碳组分含量大小均为HMC>FAC>HAC。水田土壤HAC含量最高（2.81 g/kg），显著高于林地（1.24 g/kg）、水旱轮作（2.09 g/kg）、弃耕地（1.59 g/kg）、茶园（0.97 g/kg）和果园（1.10 g/kg）土壤;林地土壤FAC含量最高（5.01 g/kg），显著高于其余利用方式土壤;林地和水田土壤HMC（10.16和10.48 g/kg）显著高于茶园、果园和弃耕地土壤，与水旱轮作差异不显著。 　　胡/富比（HAC/FAC）是衡量土壤腐殖质复杂程度的指标，供试土壤HAC/FAC均<1，水田土壤HAC/FAC最大，为0.82，显著高于其他利用方式土壤。
　　2.3  不同土壤有机碳组分占土壤有机碳的分配比例
　　SOC组分的分配比例是指SOC组分占土壤总有机碳的比例，与SOC含量相比，更能反映出不同利用方式对碳转化的影响，以及SOC的质量[21]。由表2可知，弃耕地土壤POC分配比例（7.12%）和fPOC分配比例（6.43%）均显著高于其他土地利用方式土壤;水田土壤EOC分配比例（28.99%）显著高于林地、茶园和弃耕地土壤，与果园和水旱轮作地差异不显著;HAC分配比例（16.80%）显著高于其他土地利用方式土壤;林地、茶园和果园土壤FAC分配比例均显著高于弃耕地、水田和水旱轮作土壤。6种土地利用方式下，土壤cPOC和HMC分配比例分别为0.41%～0.96%和59.82%～63.28%，不同利用方式间的差异不显著。
　　2.4  土壤有机碳及其组分与土壤特性的相关性分析
　　由表3可知，土壤SOC含量与EOC、fPOC、HAC、FAC和HMC含量均呈极显著正相关，与POC含量显著正相关，其中HMC与SOC的相关更为密切，这说明EOC、POC、fPOC、HAC、FAC和HMC含量主要依赖于土壤总有机碳含量，其中HMC含量对SOC含量依赖程度最大。土壤SOC、EOC、POC、fPOC、HAC和HMC含量与TN、碱解氮呈显著正相关，表明土壤SOC、EOC、POC、fPOC、HAC和HMC含量與土壤氮素含量高低密切相关。本研究FAC与其余SOC组分均无显著相关性，但土壤pH和砂粒呈极显著负相关关系，与黏粒呈极显著正相关关系，表明FAC受到周围环境如pH、质地等因素的影响程度较大。
　　3  讨论
　　本研究中水田和林地SOC含量显著高于、茶园、果园、弃耕地，但与水旱轮作的差异不显著，表明水田和林地均有利于SOC的积累。不同农业管理措施[21]，植被覆盖[5]以及土地利用类型[11]均会影响土壤有机碳库的储量和周转。水田处于季节性淹水状态，在淹水环境下，土壤中的铁、锰离子易与有机质发生络合[22]，且当地秸秆还田现象普遍，增加了土壤中有机物质的输入量。同时水田作为粤北山区主要的耕作方式，氮肥大量施用，提高了土壤氮供应水平。土壤微生物对土壤有机质的降解矿化速率降低，进而有利于SOC的积累[23]。Twongyirwe等[24]对乌干达西南部山区土壤研究发现，林地SOC显著高于农田，其解释为农田耕作过程中，土壤在耕层内上下扰动，土壤结构被破坏，加快SOC的分解速率，而林地凋落物聚集在土壤表层，分解后形成深厚的腐殖质层[11]，与本研究结论相似。茶园和果园凋落物总量偏少，且作物收获使其土壤有机物归还土壤量减少，造成SOC含量偏低;弃耕地由于长期无人管理，植被覆盖度低，且位于坡陡处，土壤侵蚀作用较强，水土流失严重，表层SOC也随之流失[25]。
　　本研究中EOC、HAC和HAC/FAC含量以及HAC的分配比例均表现为水田最高，而FAC含量则表现为林地最高。这与苏永中等[21]的研究结果相似。其原因可能是SOC活性组分含量在很大程度上取决于SOC总量[5]，进一步证明了不同利用方式通过影响SOC组分含量，进而影响SOC含量;另外，SOC组分与土壤有机质的输入来源、生物活性以及人为管理措施等因素密切相关[8]。EOC主要来源于生物残体，具有一定溶解性，稳定性较差，易被氧化[26]。EOC分配比例可以用来反映土壤质量，EOC分配比例越高，SOC活性越大。水田季节性还原条件下，土壤中氧气含量较少，有利于EOC的积累[23]。而与水田相比，林地表层土壤长期处在好气状态，强烈的微生物活动促进SOC的分解与矿化，不利于EOC的积累[27];另一方面可能由于EOC测定方法造成的。化学氧化主要是破坏颗粒表面，而未被破坏的颗粒内部的一些有机质无法被氧化[26]。POC是土壤非保护性碳，主要由新近凋落的、半分解的、与土壤矿物质结合不紧的植物残体组成[26]，分为fPOC（53～250 μm）和cPOC（250～2000 μm），其中cPOC对人为干扰和耕作措施的反映更加敏感[28]，林地人为干扰较少，有利于cPOC的积累。FAC相对于HAC分子较小且活性较大，是腐殖质中的活跃物质，胡敏酸碳/富啡酸碳比（HAC/FAC）可反映土壤腐殖质腐殖化程度的重要指标，其值越大说明胡敏酸碳含量越高，SOC质量越好[29]。水田为耕作土壤，根茬残留量大，且水稻残留物较易腐殖化[22]，土壤有机质的输入除了植物根系残渣归还外，当地水田施肥主要为有机无机肥配施，促进了土壤富里酸向胡敏酸转化，使土壤腐殖化程度增加[29]。
　　4  结论
　　土地利用方式影响粤北山区表层土壤有机碳及其组分的分布，水田和林地土壤有机碳含量显著高于茶园、果园和弃耕地，有利于土壤有机碳积累。6种土地利用方式下，水田土壤易氧化有机碳、胡敏酸碳含量及胡敏酸碳分配比例和胡/富比均最高，土壤有机质腐殖化程度较高。林地土壤富里酸碳含量最高，土壤有机碳组分对利用方式的响应比土壤有机碳总量更敏感。土壤有机碳及其组分之间呈现显著的相关性，不同腐殖质碳组分含量大小均为胡敏素碳>富里酸碳>胡敏酸碳，胡敏素碳是土壤有机碳碳的主要组分。
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