隴中黃土高原不同草田輪作模式土壤碳組分的差異研究

趙靖靜，羅珠珠，，張仁陟，蔡立群，，李玲玲，牛伊寧（.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅蘭州730070；.甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730070）

隴中黃土高原不同草田輪作模式土壤碳組分的差異研究

趙靖靜1，羅珠珠1，2，張仁陟2*，蔡立群1，2，李玲玲2，牛伊寧2
（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅蘭州730070；2.甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730070）

通過(guò)田間定位試驗(yàn)，研究黃土高原西部旱農(nóng)區(qū)多年生苜蓿草地（L-L）及苜蓿耕翻輪作處理苜蓿-休閑（L-F）、苜蓿-小麥（L-W）、苜蓿-玉米（L-C）、苜蓿-馬鈴薯（L-P）、苜蓿-谷子（L-M）對(duì)土壤總有機(jī)碳（TOC）、易氧化有機(jī)碳（ROC）、輕組有機(jī)碳（LFOC）及重組有機(jī)碳（HFOC）的影響。結(jié)果表明，在0～200 cm土層，不同輪作模式下土壤總有機(jī)碳含量及土壤各有機(jī)碳組分均表現(xiàn)為隨土層加深呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，其中TOC、ROC、HFOC含量最高值和最低值分別出現(xiàn)在苜蓿連作表層（0～5 cm）和苜蓿輪作（小麥）中層（30～50 cm），LFOC最高值和最低值分別出現(xiàn)在苜蓿輪作（馬鈴薯）表層（0～5 cm）和苜蓿輪作（玉米）底層（170～200 cm）。與苜蓿連作模式相比，苜蓿輪作（小麥、玉米、馬鈴薯、谷子）會(huì)降低TOC、ROC、HFOC含量，增加LFOC含量，其中TOC含量分別降低17.44%，9.25%，18.40%和9.34%；ROC含量分別降低28.10%，8.52%，29.75%和23.17%；HFOC含量分別降低18.80%，10.06%，20.53%和12.50%；LFOC分別增加7.41%，5.56%，22.22%和57.41%。可見(jiàn)，苜蓿種植多年耕翻輪作糧食作物后降低了土壤總有機(jī)碳水平，且對(duì)有機(jī)碳各組分的影響存在顯著差異。

黃土高原；苜蓿；輪作；土壤有機(jī)碳組分

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趙靖靜，羅珠珠，張仁陟，蔡立群，李玲玲，牛伊寧.隴中黃土高原不同草田輪作模式土壤碳組分的差異研究.草業(yè)學(xué)報(bào)，2016，25（2）：58-67.

ZHAO Jing-Jing，LUO Zhu-Zhu，ZHANG Ren-Zhi，CAI Li-Qun，LI Ling-Ling，NIU Yi-Ning.Soil carbon fraction differences under different grasscrop rotations on the Loess Plateau，Central Gansu.Acta Prataculturae Sinica，2016，25（2）：58-67.

土壤有機(jī)質(zhì)中所含的碳稱為土壤有機(jī)碳（soil organic carbon，SOC），是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)［1］，其儲(chǔ)量取決于輸入土壤的生物殘?bào)w等有機(jī)物質(zhì)的數(shù)量與以土壤微生物分解作用為主的有機(jī)質(zhì)損失之間的平衡結(jié)果，受到氣候、土壤、植被、人類活動(dòng)等多種因素的影響。土壤有機(jī)碳含量作為一項(xiàng)重要的土壤肥力性質(zhì)，在很大的程度上影響著土壤的持水性能、土壤結(jié)構(gòu)的形態(tài)和穩(wěn)定性、土壤的緩沖性能、土壤多樣性以及植物營(yíng)養(yǎng)的生物有效性，具有緩解和調(diào)節(jié)與土壤退化以及與土壤生產(chǎn)力有關(guān)的一系列土壤過(guò)程，是維持農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)和環(huán)境安全的基本條件之一［2］。

土壤有機(jī)碳是動(dòng)植物和微生物殘?bào)w在各個(gè)階段降解物質(zhì)的混合體，且不同組分的有機(jī)碳儲(chǔ)存能力不同，生態(tài)服務(wù)功能亦有顯著差異。研究發(fā)現(xiàn)［3-7］土壤活性有機(jī)碳（labile organic carbon，LOC）較總有機(jī)碳對(duì)農(nóng)業(yè)管理措施改變導(dǎo)致的變化反應(yīng)更迅速，故將土壤活性有機(jī)碳作為反映土壤質(zhì)量變化的敏感性指標(biāo)之一。Blair等［8］研究發(fā)現(xiàn)，被333 mmol/L高錳酸鉀氧化的有機(jī)質(zhì)在作物生長(zhǎng)期間最易發(fā)生變化，被稱之為易氧化有機(jī)碳（ROC），常用作表征土壤肥力變化的重要指標(biāo)之一。易氧化有機(jī)碳由于其直接參與土壤生物化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程，對(duì)碳循環(huán)和土壤生物化學(xué)、化學(xué)肥力保持具有重要意義，是土壤有機(jī)碳中周轉(zhuǎn)最快的組分［9］，也是土壤有機(jī)質(zhì)動(dòng)態(tài)變化的敏感性指標(biāo)［10］和土壤活性有機(jī)碳的指示因子［11］，可用于反映土壤有機(jī)質(zhì)的早期變化［12］。Christensen［13］認(rèn)為研究有機(jī)碳不同組分的變化，有利于揭示農(nóng)業(yè)措施對(duì)土壤有機(jī)碳的影響機(jī)制，土壤有機(jī)碳的物理分組方法由于破壞性小而成為近年來(lái)研究有機(jī)碳組分的主流，密度分組法是其中最常見(jiàn)的一種。有機(jī)碳密度分組法是利用一定體積的相對(duì)密度液（相對(duì)密度1.6～2.2 g/cm3）將土壤分成輕組和重組［14］，該方法分離的有機(jī)碳組分能反映原狀態(tài)有機(jī)質(zhì)的性質(zhì)與功能，尤其能夠反映其周轉(zhuǎn)特征［13］，土壤輕組有機(jī)質(zhì)主要包括孢子、種子、動(dòng)植物殘?bào)w、微生物殘?bào)w及一些礦質(zhì)顆粒，具有相對(duì)較快的轉(zhuǎn)化速度，作為活性碳庫(kù)中最活躍的成分之一。土壤呼吸速率、微生物量等均與輕組含量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，表明輕組有機(jī)碳對(duì)土壤的質(zhì)量存在較顯著的影響，從而影響土壤肥力，進(jìn)而影響作物產(chǎn)量，在土壤有機(jī)碳的研究中受到越來(lái)越多的重視。重組有機(jī)碳（HFOC）很可能是土壤中重要的穩(wěn)定碳庫(kù)，它是與礦物結(jié)合的有機(jī)碳，主要成分是腐殖質(zhì)，分解程度較高，具有較低的C/N［15］，是土壤有機(jī)碳的主要儲(chǔ)存庫(kù)，同時(shí)HFOC反映了有機(jī)碳的長(zhǎng)期含量水平，研究重組有機(jī)碳對(duì)于認(rèn)識(shí)土壤碳匯功能具有較為重要的意義［16］。輕組主要是游離態(tài)的有機(jī)質(zhì)，是土壤中不穩(wěn)定有機(jī)碳庫(kù)的重要組成部分［17］，它對(duì)農(nóng)業(yè)管理方式較敏感，達(dá)到平衡狀態(tài)的時(shí)間比土壤總有機(jī)碳要短［18］，研究輕組有機(jī)碳有利于探明土壤有機(jī)碳組分的周轉(zhuǎn)過(guò)程。

隴中黃土高原屬于半干旱區(qū)，以小麥（Triticum aestivum）和玉米（Zea mays）輪作為主的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)和自然資源過(guò)度利用造成土壤有機(jī)碳耗竭和土壤侵蝕。一些研究人員［19-21］認(rèn)為，草田輪作是一種最完善、最豐產(chǎn)、最穩(wěn)定和最容易取得生態(tài)平衡的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，有助于形成良好的土壤結(jié)構(gòu)，改善土壤的滲透性能，促進(jìn)土壤物理質(zhì)量的提高。所以，在傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中引入豆科牧草，一方面通過(guò)豆科牧草的固氮功能，可有效地提高系統(tǒng)氮素的利用效率，另一方面其根瘤菌和大量的須根給土壤留下的腐殖質(zhì)可增加土壤有機(jī)質(zhì)，改善土壤結(jié)構(gòu)，降低侵蝕。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于苜蓿（Medicago sativa）-作物輪作系統(tǒng)的研究主要集中于土壤水分消耗特征及其水分恢復(fù)效應(yīng)方面，而針對(duì)土壤有機(jī)碳的研究相對(duì)較少。因此，本研究以定西市安定區(qū)李家堡鎮(zhèn)土地為例，主要探究黃土高原半干旱區(qū)不同草田輪作模式對(duì)土壤有機(jī)碳庫(kù)的影響，通過(guò)分析多年生苜蓿草地及耕翻輪作不同糧食作物后總有機(jī)碳和土壤活性碳的變化，以期揭示草田輪作系統(tǒng)土壤肥力的演變規(guī)律，為黃土高原半干旱區(qū)苜蓿草地的管理、可持續(xù)利用和旱地作物穩(wěn)產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

試驗(yàn)設(shè)在隴中黃土高原半干旱丘陵溝壑區(qū)的定西縣李家堡鄉(xiāng)麻子川村。試區(qū)屬中溫帶偏旱區(qū)，平均海拔2000 m左右，年均太陽(yáng)輻射592.9 kJ/cm2，日照時(shí)數(shù)2476.6 h，年均氣溫6.4℃，≥0℃年積溫2933.5℃，≥10℃年積溫2239.1℃；無(wú)霜期140 d。多年平均降水390.9 mm，年蒸發(fā)量1531 mm，干燥度2.53，80%保證率的降水量為365 mm，變異系數(shù)為24.3%，為典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。試區(qū)農(nóng)田土壤為典型的黃綿土，土質(zhì)綿軟，土層深厚，質(zhì)地均勻，貯水性能良好；試驗(yàn)初期0～200 cm土壤容重平均為1.17 g/cm3，凋萎含水率7.3%，飽和含水率21.9%。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)6個(gè)模式，3次重復(fù)，小區(qū)面積3.0 m×7.0 m，隨機(jī)區(qū)組排列。供試作物為紫花苜蓿、春小麥、玉米、馬鈴薯（Solanum tuberosum）和谷子（Setaria italica）。各處理詳細(xì)描述見(jiàn)表1。

表1　實(shí)驗(yàn)處理描述Table1　Treatments description

其中，除L-L模式外，其他各處理苜蓿均為人工挖除之后耕翻，且耕翻20 cm以上。在苜蓿耕翻種植不同糧食作物處理中，L-W、L-P、L-M模式均施純氮105 kg/hm2（尿素1.8375 kg/區(qū)），純過(guò)磷酸鈣1.8375 kg/區(qū)；L-C模式施純氮200 kg/hm2，純P2O5105 kg/hm2，所有肥料均作為基肥在播種的同時(shí)施入，生育期沒(méi)有再追肥。

1.3土壤樣品的采集及測(cè)定方法

土壤取樣方法及樣品保存：在作物收獲后（2014年10月）對(duì)0～200 cm土層分9個(gè)層次采樣，分別為0～5cm、5～10 cm、10～30 cm、30～50 cm、50～80 cm、80～110 cm、110～140 cm、140～170 cm和170～200 cm，每個(gè)小區(qū)的樣品均為三點(diǎn)采集混合而成，供試土樣帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干后，剔除石礫及植物殘茬等雜物，過(guò)0.25 mm篩，放入密封塑料袋中待測(cè)。

土壤總有機(jī)碳（TOC）的測(cè)定［14］：采用外加熱重鉻酸鉀氧化法。

易氧化有機(jī)碳（ROC）的測(cè)定［22］：是根據(jù)Blair等［8］描述的方法進(jìn)行測(cè)定，稱取一定量的待測(cè)土壤樣品（約含有機(jī)碳15～30 mg）與333 mmol/L的KMn O4溶液反應(yīng)1 h，土壤中ROC的含量利用分光光度計(jì)法，由被還原的KMn O4數(shù)量所決定。

輕組有機(jī)碳（LFOC）和重組有機(jī)碳（HFOC）的測(cè)定［17］：取過(guò)2 mm篩風(fēng)干土20.0 g，加入50 m L NaI（密度1.8 g/cm3）溶液，震蕩60 min。分散后的懸濁液在離心機(jī)上（3000 r/min）離心10 min，如果懸濁液比較渾濁則加大離心機(jī)的轉(zhuǎn)速或增加離心時(shí)間。混合物表面懸浮的輕組有機(jī)物包括上清液輕輕倒入抽濾裝置，在剩余的懸浮液中加入30 m L NaI溶液，輕組殘留物在離心管中再次懸浮，重復(fù)上述過(guò)程2～3次，直至無(wú)可見(jiàn)輕組有機(jī)物。離心管中所剩物質(zhì)為土壤重組有機(jī)碳，最后將濾膜上的輕組物用0.01 mol/L CaCl2（1.11 g定容1 L）沖洗，當(dāng)濾液變成無(wú)色再用蒸餾水沖洗數(shù)次，直至用Ag NO3檢驗(yàn)無(wú)沉淀產(chǎn)生為止。然后將其沖入預(yù)先稱重的器皿中，于55℃烘干，測(cè)定輕組物中的有機(jī)碳含量，乘以它所占土壤的百分比計(jì)算出LFOC，而HFOC為原土壤有機(jī)碳含量減去LFOC。

1.4數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2003整理后，采用SPSS 13.0（Statistical Product and Service Solutions，SPSS）軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2　結(jié)果與分析

2.1不同草田輪作模式對(duì)土壤總有機(jī)碳的影響

由表2可知，與苜蓿-苜蓿相比，除苜蓿-休閑之外，苜蓿草地輪作其他作物后土壤有機(jī)碳含量均呈下降趨勢(shì)。其中0～5 cm土層以苜蓿連作模式TOC最高，比苜蓿-小麥、苜蓿-玉米、苜蓿-馬鈴薯和苜蓿-谷子分別高出42.73%，20.79%，59.17%和30.17%，且達(dá)到了顯著水平。在5～80 cm土層以苜蓿-休閑模式TOC最高，其中苜蓿-休閑與苜蓿-小麥、苜蓿-馬鈴薯、苜蓿-谷子存在顯著差異；80～140 cm以苜蓿-苜蓿模式TOC最高，140～200 cm以苜蓿-休閑模式TOC最高，且各模式之間存在顯著差異。就0～200 cm土層有機(jī)碳平均含量而言，表現(xiàn)為苜蓿-休閑＞苜蓿-苜蓿＞苜蓿-谷子＞苜蓿-玉米＞苜蓿-小麥＞苜蓿-馬鈴薯。與苜蓿連作和苜蓿-休閑相比，苜蓿-小麥、苜蓿-玉米、苜蓿-馬鈴薯、苜蓿-谷子的TOC含量分別降低了17.44%～19.15%，9.25%～11.13%，18.40%～20.09%和9.34%～11.23%。

土壤總有機(jī)碳在0～200 cm剖面的分布表明，各模式均表現(xiàn)為隨著土層深度的增加呈現(xiàn)先降后升再降的趨勢(shì)，其中30～80 cm土層TOC含量達(dá)到相對(duì)較低的范圍，之后呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，在140 cm以下土層的TOC含量又開(kāi)始下降。

2.2不同草田輪作模式對(duì)土壤易氧化有機(jī)碳的影響

由表3可以看出，苜蓿草地輪作其他作物后土壤易氧化有機(jī)碳含量均呈下降趨勢(shì)。與苜蓿-苜蓿相比，表層0～5 cm土壤ROC在苜蓿-休閑、苜蓿-小麥、苜蓿-玉米、苜蓿-馬鈴薯和苜蓿-谷子處理?xiàng)l件下分別降低了17.40%，40.31%，16.37%，37.82%和37.51%，且差異達(dá)顯著水平。在5～80 cm土層以苜蓿-休閑模式ROC最高，且與其他輪作模式差異達(dá)到顯著水平；80～200 cm土層以苜蓿-苜蓿模式ROC最高，且與苜蓿-休閑以外的其他處理差異達(dá)顯著水平。在0～200 cm土層易氧化有機(jī)碳平均含量表現(xiàn)為苜蓿-苜蓿＞苜蓿-休閑＞苜蓿-玉米＞苜蓿-谷子＞苜蓿-小麥＞苜蓿-馬鈴薯。與苜蓿-休閑和苜蓿連作相比，苜蓿-小麥、苜蓿-玉米、苜蓿-馬鈴薯、苜蓿-谷子ROC含量分別降低了27.56%～28.10%，7.83%～8.52%，29.21%～29.75%和22.59%～23.17%。

在0～200 cm剖面的土壤易氧化有機(jī)碳含量介于3.58～9.65 g/kg之間，以苜蓿連作含量最高，顯著高于苜蓿作物輪作模式，主要集中在表層（0～30 cm），呈現(xiàn)由表層向下層逐漸減少的趨勢(shì)，具體表現(xiàn)為ROC在30～80 cm土層中苜蓿小麥含量最低，在110～140 cm土層呈上升趨勢(shì)，在140 cm以下土層又開(kāi)始下降。

表2　不同草田輪作模式對(duì)土壤總有機(jī)碳的影響Table2　Soil organic carbon under the different grass-crop rotation systems g/kg

表3　不同草田輪作模式對(duì)土壤易氧化碳的影響Table3　Soil readily oxidation organic carbon under the different grass-crop rotation systems g/kg

2.3不同草田輪作模式對(duì)土壤輕組有機(jī)碳的影響

由表4可見(jiàn)，0～5 cm土層以苜蓿-馬鈴薯模式LFOC最高，比苜蓿-苜蓿、苜蓿-休閑、苜蓿-小麥、苜蓿-玉米和苜蓿-谷子分別高出了3.59%，36.22%，36.22%，4.85%和4.29%，統(tǒng)計(jì)分析表明苜蓿-馬鈴薯與苜蓿-休閑、苜蓿-小麥、苜蓿-苜蓿之間差異達(dá)到顯著水平。5～10 cm土層以苜蓿-馬鈴薯模式LFOC最高，苜蓿-苜蓿模式LFOC最低，其中苜蓿-馬鈴薯與苜蓿-苜蓿、苜蓿-小麥、苜蓿-玉米差異達(dá)顯著水平；10～80 cm以苜蓿-谷子模式LFOC最高，且與其他處理間差異達(dá)顯著水平；80～200 cm苜蓿-休閑模式LFOC最高，且與其他模式間差異達(dá)顯著水平。就0～200 cm土層平均含量而言，表現(xiàn)為苜蓿-谷子＞苜蓿-休閑＞苜蓿-馬鈴薯＞苜蓿-小麥＞苜蓿-玉米＞苜蓿-苜蓿，且與苜蓿連作相比，苜蓿-小麥，苜蓿-玉米，苜蓿-馬鈴薯，苜蓿-谷子LFOC含量分別提高了7.41%，5.56%，22.22%和57.41%。

在0～200 cm剖面的土壤輕組有機(jī)碳表現(xiàn)為隨土層深度增加而呈現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì)，但在10～80 cm下降幅度較大，80 cm以下土層下降趨勢(shì)不顯著。

表4　不同草田輪作模式對(duì)土壤輕組有機(jī)碳的影響Table4　Soil light fraction organic carbon under the different grass-crop rotation systems g/kg

2.4不同草田輪作模式對(duì)土壤重組有機(jī)碳的影響

由表5可知，在0～5 cm土層中，以苜蓿連作模式的HFOC含量最高，苜蓿-休閑、苜蓿-小麥、苜蓿-玉米、苜蓿-馬鈴薯、苜蓿-谷子較苜蓿連作模式分別降低了12.97%，30.62%，19.23%，42.23%和23.08%；5～80 cm土層以苜蓿-休閑模式最高，且除30～50 cm層次之外，其余土層均與苜蓿連作以外的其他處理差異達(dá)顯著水平；80～200 cm土層深度以苜蓿連作模式HFOC最高，但僅在80～110 cm，170～200 cm表現(xiàn)為顯著差異，其余土層各模式間差異均未達(dá)到顯著水平。0～200 cm土壤平均HFOC含量分別為6.44～13.26 g/kg之間，表現(xiàn)為苜蓿-休閑＞苜蓿-苜蓿＞苜蓿-玉米＞苜蓿-谷子＞苜蓿-小麥＞苜蓿-馬鈴薯。與苜蓿連作和苜蓿-休閑相比，苜蓿-小麥、苜蓿-玉米、苜蓿-馬鈴薯、苜蓿-谷子的HFOC含量分別降低18.80%～19.29%，10.06%～10.60%，20.53%～21.01%和12.50%～13.03%。

在0～200 cm剖面的土壤重組有機(jī)碳分布表現(xiàn)為隨著土層深度的增加其含量逐漸下降，30～80 cm土層遞減趨勢(shì)明顯，甚至表現(xiàn)為整個(gè)剖面的最低值，50～140 cm出現(xiàn)小范圍的上升，140 cm以下土層下降趨勢(shì)不顯著。

表5　不同草田輪作模式對(duì)土壤重組有機(jī)碳的影響Table5　Soil high fraction organic carbon under the different grass-crop rotation systems g/kg

3　討論

3.1土壤總有機(jī)碳對(duì)輪作模式的響應(yīng)

土壤有機(jī)碳含量的提高，主要來(lái)源于動(dòng)植物殘?bào)w、植物枯落物和根系，一般認(rèn)為，種植苜?？梢源蠓忍岣咄寥赖挠袡C(jī)碳含量［23-27］。李文靜等［28］認(rèn)為與全國(guó)水平的土壤碳密度8.5 kg C/m2相比，黃土高原區(qū)人工種植紫花苜蓿期間土壤有機(jī)碳含量的各年限單位面積土壤固碳量平均值為13.01 kg/m2，說(shuō)明苜蓿草地土壤具有較高的固碳能力。本實(shí)驗(yàn)分析對(duì)比了苜蓿連作、苜蓿-休閑與苜蓿-作物輪作模式條件下土壤有機(jī)碳含量的差異。研究發(fā)現(xiàn)，各輪作模式土壤有機(jī)碳含量隨土層加深變化規(guī)律不同，土壤有機(jī)碳含量均隨土壤深度的增加而降低，這與崔星和師尚禮［29］研究一致。對(duì)多年種植苜蓿地進(jìn)行翻耕，輪作小麥、玉米、馬鈴薯和谷子4種作物后均在一定程度上降低了土壤有機(jī)碳含量，而苜蓿連作模式和苜蓿-休閑在一定程度上維持了較高的土壤有機(jī)碳水平，表明了苜蓿連作模式更能有效地提高土壤有機(jī)碳的含量。主要原因是連作苜蓿后，土壤處于免耕狀態(tài)，土壤免受擾動(dòng)，苜蓿表現(xiàn)出明顯的碳固存能力，使土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。雖然與苜蓿連作、苜蓿-作物輪作模式相比，苜蓿-休閑模式也提高了土壤TOC含量，但地表沒(méi)有附著物，無(wú)法降低土壤表層溫度，增加了外界對(duì)土壤表層的擾動(dòng)，使有機(jī)碳因長(zhǎng)期暴露在空氣中而被氧化和風(fēng)蝕，因此這種休閑的方式也有可能增加TOC淋失的潛在危險(xiǎn)［30］。在不同輪作模式中，種植苜蓿與種植玉米、谷子、小麥和馬鈴薯對(duì)土壤TOC含量的影響顯著不同，苜蓿翻耕后種植馬鈴薯土壤TOC含量迅速下降，與輪作其他作物相比，馬鈴薯生物學(xué)產(chǎn)量較高，對(duì)土壤養(yǎng)分消耗相應(yīng)較大，導(dǎo)致對(duì)TOC含量消耗較多，種植谷子對(duì)土壤TOC含量消耗最小。這表明在苜蓿-作物輪作模式中，輪作谷子為宜，避免種植馬鈴薯等耗費(fèi)量較大的作物。從實(shí)現(xiàn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)自身可持續(xù)發(fā)展性角度來(lái)看，在隴中黃土高原半干旱區(qū)進(jìn)行苜蓿連作對(duì)提高土壤的TOC有效性具有積極作用。

3.2土壤有機(jī)碳組分對(duì)輪作模式的響應(yīng)

大量研究表明，易氧化有機(jī)碳是土壤有機(jī)碳中周轉(zhuǎn)最快的組分［11］，是土壤有機(jī)質(zhì)動(dòng)態(tài)變化的敏感性指標(biāo)［12］，ROC含量可以作為衡量土壤含碳的重要因素。Chan等［31］研究了在澳大利亞因耕作而退化的紅壤，表明耕作覆草處理下種植豆科牧草的土壤比種植小麥的土壤中易氧化有機(jī)碳高10.49%，比免耕覆草高8.39%，比免耕高7.38%，比傳統(tǒng)耕作高7.05%，易氧化有機(jī)碳組分可有效地指示土壤質(zhì)量的變化。羅彩云等［32］研究認(rèn)為有豆科作物（或牧草）參與的輪作系統(tǒng)，土壤養(yǎng)分狀況都得到明顯的改善，如小麥-豌豆（Pisum sativum）輪作系統(tǒng)的土壤有機(jī)質(zhì)含量比小麥連作高。本研究結(jié)果表明，苜蓿連作模式下ROC維持較高含量，最大值達(dá)9.65 g/kg，而輪作其他作物后，ROC含量顯著減少。與苜蓿連作相比，苜蓿-玉米輪作模式土壤易氧化有機(jī)碳含量顯著增加；與苜蓿-作物輪作相比，苜蓿連作與苜蓿-休閑模式更有利于土壤易氧化有機(jī)碳的積累，改善土壤結(jié)構(gòu)，同時(shí)ROC對(duì)輪作模式變化的響應(yīng)具有較高的敏感性。王曉凌和李鳳民［33］通過(guò)大田試驗(yàn)研究了半干旱黃土高原地區(qū)苜蓿草地、苜蓿-作物輪作農(nóng)田以及常規(guī)耕作農(nóng)田中土壤有機(jī)碳與土壤輕組物質(zhì)的變化規(guī)律，結(jié)果表明土壤輕組有機(jī)碳含量苜蓿-作物輪作系統(tǒng)高于苜蓿草地，以及它們占土壤有機(jī)碳含量在苜蓿-作物輪作系統(tǒng)中高于常規(guī)耕作農(nóng)田。李小涵等［34］研究了作物種類和種植模式對(duì)土壤不同形態(tài)碳的影響，發(fā)現(xiàn)輕質(zhì)有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土層深度增加呈下降趨勢(shì)，苜蓿連作0～5 cm表層土壤輕質(zhì)有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，為8.0 g/kg，比＞30～40 cm土層高出7.6 g/kg，即苜蓿連作土壤輕質(zhì)有機(jī)碳下降幅度最快。與此結(jié)果一致，通過(guò)本研究表明，與苜蓿-作物輪作相比，苜蓿連作降低了土壤LFOC含量，苜蓿-谷子在整個(gè)輪作模式中LFOC含量最高。產(chǎn)生這種結(jié)果的原因可能是谷子是一年生草本植物，須根粗大，屬于耐旱穩(wěn)產(chǎn)作物，且實(shí)驗(yàn)地位于谷子主要產(chǎn)區(qū)黃河流域產(chǎn)量高，土壤有機(jī)質(zhì)含量高，因此苜蓿-谷子模式LFOC含量較高。這與Richard和Boone［23］研究結(jié)果基本一致，輕組有機(jī)質(zhì)主要是由未完全腐解的植物碎片、植物根系和木炭等組成，外界碳源投入量越多，LFOC含量越高，且對(duì)LFOC影響極為顯著，同時(shí)指出輕組有機(jī)碳含量在土壤總有機(jī)碳中所占的比例越大，就意味著有機(jī)碳中非保護(hù)性的碳越多，土壤有機(jī)碳越不穩(wěn)定，而不利于有機(jī)碳的長(zhǎng)期積累。在苜蓿作物不同輪作模式中，苜蓿-谷子輕組有機(jī)碳含量最高，將不利于有機(jī)碳的長(zhǎng)期積累。與之相反，重組有機(jī)碳含量在土壤總有機(jī)碳中所占的比例越大，就意味著有機(jī)碳中非保護(hù)性的碳越少，土壤有機(jī)碳越穩(wěn)定，有利于有機(jī)碳的長(zhǎng)期積累。本研究表明，與苜蓿連作相比，多年種植苜蓿地進(jìn)行翻耕后苜蓿-作物輪作模式降低了重組有機(jī)碳的含量，且不同作物輪作處理間，土壤HFOC含量呈現(xiàn)基本相同的交替下降趨勢(shì)，苜蓿連作維持較高的重組有機(jī)碳含量，這說(shuō)明苜蓿連作有利于HFOC的形成，可以增加土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性。

4　結(jié)論

在黃土高原半干旱農(nóng)區(qū)，與苜蓿連作模式相比，苜蓿-作物輪作模式不利于土壤總有機(jī)碳及土壤各有機(jī)碳組分含量的積累，且苜蓿-作物輪作模式下土壤有機(jī)碳下降，而下降的幅度、速率、剖面分布會(huì)隨著種植不同作物而變化，在各土層深度內(nèi)表現(xiàn)出一定的差異性。就整體而言，苜蓿-作物輪作模式對(duì)TOC含量的影響表現(xiàn)為：L-M（苜蓿-谷子）＞L-C（苜蓿-玉米）＞L-W（苜蓿-小麥）＞L-P（苜蓿-馬鈴薯），其中L-M模式在30～80 cm土層TOC含量下降明顯，L-C、L-W模式在30～50 cm土層含量明顯降低；與各輪作模式TOC最高含量相比，L-M、L-C、L-W、L-P模式降幅分別為30%，39.89%，36.69%，30.15%，L-C模式各土層TOC含量波動(dòng)最大。苜蓿-作物輪作模式對(duì)ROC含量的影響表現(xiàn)為：L-C（苜蓿-玉米）＞L-M（苜蓿-谷子）＞L-W（苜蓿-小麥）＞L-P（苜蓿-馬鈴薯），其中L-W、L-C模式下ROC含量在30～80 cm土層明顯下降，L-P、L-M模式分別在10～110 cm、50～80 cm土層明顯下降。苜蓿-作物輪作模式對(duì)LFOC含量的影響表現(xiàn)為：L-M（苜蓿-谷子）＞L-P（苜蓿-馬鈴薯）＞L-W（苜蓿-小麥）＞L-C（苜蓿-玉米），其中L-W、L-C、L-M模式下LFOC含量在80 cm以下土層明顯降低，L-P模式在50 cm以下土層明顯降低。苜蓿-作物輪作模式對(duì)HFOC含量的影響表現(xiàn)為：L-C（苜蓿-玉米）＞L-M（苜蓿-谷子）＞L-W（苜蓿-小麥）＞L-P（苜蓿-馬鈴薯），其中L-W、L-M模式下HFOC含量在30 ～80 cm土層明顯降低，L-P、L-C模式分別在10～80 cm、30～110 cm土層明顯降低。

土壤有機(jī)碳含量一方面受外部碳輸入（根系、凋落物等），另外也受土壤微生物活動(dòng)的強(qiáng)烈影響，而這二者均會(huì)受到種植不同作物以及翻耕施肥等管理措施的影響。通過(guò)翻耕后種植不同作物，作物生長(zhǎng)（扎根深度、土壤環(huán)境改變等）對(duì)土壤有機(jī)碳庫(kù)的影響最終反映到土壤各碳組分的含量，與苜蓿-作物輪作相比，苜蓿連作模式能顯著提高土壤各碳組分的含量，苜蓿翻耕后輪作作物的不同，對(duì)各碳組分的影響也不同，可見(jiàn)土壤碳組分含量的增加受輪作后茬作物選擇的影響。

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Soil carbon fraction differences under different grass-crop rotations on the Loess Plateau，Central Gansu

ZHAO Jing-Jing1，LUO Zhu-Zhu1，2，ZHANG Ren-Zhi2*，CAI Li-Qun1，2，LI Ling-Ling2，NIU Yi-Ning2
1.College of Resources and Environmental Sciences，Gansu Agricultural University，Lanzhou 730070，China；2.Gansu Key Laboratory of Aridland Crop Science，Lanzhou 730070，China

Field experiments investigating the effect of continuous lucerne（Medicago sativa）（L-L）and five rotation systems［lucerne-fallow（L-F），lucerne-wheat（L-W），lucerne-corn（L-C），lucerne-potato（L-P），lucerne-millet（L-M）］on total organic carbon（TOC），readily oxidation organic carbon（ROC），light fraction organic carbon（LFOC）and heavy fraction organic carbon（HFOC）in a typical arid area of the Western Loess Plateau.The results showed that under different rotation systems TOC and soil organic carbon fractions decreased with increasing soil depth（0-200 cm soil depth）.The highest TOC，ROC and HFOC values were found in the surface soil layer（0-5 cm）under the L-L rotation system，and the lowest values at mid depths （30-50 cm）under the L-W rotation system.The highest and lowest values for LFOC were found in the surface soil layer（0-5 cm）under the L-P rotation and the bottom soil layer（170-200 cm）under the L-C rotation，respectively.Compared with L-L rotation，the L-W，L-C，L-P and L-M rotations reduced TOC by 17.4%，9.3%，18.4%and 9.3%，respectively.Similarly，ROC was reduced by 28.1%，8.5%，28.1%and 23.2%and HFOC by 18.8%，10.1%，20.5%and 12.5%respectively.However，LFOC increased by 7.4%，5.3%，22.2%and 57.4%under L-W，L-C，L-P and L-M rotations，respectively.It was concluded that lucerne-grain rotation systems reduce TOC.

Loess Plateau；lucerne；rotation；soil organic carbon fractions

10.11686/cyxb2015292

2015-06-05；改回日期：2015-09-28

國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2012BAD14B03），國(guó)家自然科學(xué)基金（31171513，41461067），甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室-省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地基金（GSCS-2012-08），甘肅省科技計(jì)劃（145RJZA208），甘肅省財(cái)政廳高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目（037-041014）和甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)青年導(dǎo)師基金項(xiàng)目（gau-qnds-201402）資助。

趙靖靜（1990-），女，甘肅涇川人，在讀碩士。E-mail：sara＿zhao12@126.com

Corresponding author.E-mail：zhangrz@gsau.edu.cn