吉林西部鹽堿稻田土壤有機(jī)碳及活性組分時(shí)空分布特征

劉 騫，湯 潔，王靜靜，曲云柯

（1.吉林大學(xué)新能源與環(huán)境學(xué)院，長(zhǎng)春 130012；2.長(zhǎng)春大學(xué)園林學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

隨著全球溫室氣體濃度升高，陸地碳循環(huán)變化研究漸受重視[1-2]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要組成部分，貯存碳量占陸地土壤碳貯量8%～10%[3]。農(nóng)田碳庫(kù)數(shù)量和質(zhì)量變化改變土壤肥力水平和大氣CO2濃度，影響氣候變化[4-5]。

稻田土壤作為我國(guó)特有土壤類型，面積約占我國(guó)耕作土壤面積25%，研究表明稻田土壤具有較高碳密度及固碳能力[6-7]，分析稻田土壤有機(jī)碳組成及其影響因子，確定稻田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)及演變具有重要意義[8-9]。

一般認(rèn)為，開(kāi)墾年限和耕作措施是影響土壤碳含量和儲(chǔ)量重要因素[10-11]，而土壤有機(jī)碳活性組分反映土壤質(zhì)量，對(duì)土壤耕作年限及管理措施改變更敏感[12-13]。

我國(guó)稻田土壤有機(jī)碳庫(kù)研究多集中在耕作措施、施肥、土地利用方式對(duì)稻田土壤有機(jī)碳含量及分布影響[14-15]，鹽堿稻田土壤有機(jī)碳組分研究鮮有報(bào)道。因此本文以吉林西部鹽堿稻田為研究對(duì)象，系統(tǒng)研究不同開(kāi)墾年限不同土層土壤有機(jī)碳及其活性組分分布特征及變化規(guī)律，為明確鹽堿稻田土壤有機(jī)碳有效性和固碳潛力提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

松嫩平原蘇打鹽堿土是世界三大鹽堿土集中分布區(qū)之一，也是全球碳循環(huán)研究重點(diǎn)[16]。吉林西部位于松嫩平原南側(cè)，科爾沁草原東部，是我國(guó)重要農(nóng)牧業(yè)和能源生產(chǎn)基地，該地區(qū)前郭爾羅斯（前郭）灌區(qū)頗具規(guī)模，是中國(guó)東北四大灌區(qū)之一。該地區(qū)屬半干旱半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，受西風(fēng)帶和東亞夏季天氣系統(tǒng)影響，氣候敏感，四季差異明顯[17]。該區(qū)以種植水稻為改良鹽堿土主要方式，且水稻種植面積正逐年擴(kuò)大[18]。灌區(qū)內(nèi)種植單季稻，一般5月中旬插秧，10月收獲，生長(zhǎng)期以尿素、鉀肥、磷肥為主。

1.2 供試土壤與樣品采集

根據(jù)Landsat MSS/TM遙感解譯數(shù)據(jù)，以土壤類型圖和土地利用類型圖為基礎(chǔ)，通過(guò)調(diào)查前郭縣區(qū)域確定條件基本一致稻田地塊，每個(gè)地塊采用蛇形取樣法分5層（0～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm）采集種植水稻1、10、20、30和 55年的稻田土壤樣品。水稻播種前（5月初）采樣。土壤樣地基本信息見(jiàn)表1。

表1 土壤采樣地基本信息Table 1 Basic information of soil samples

各樣地不同取樣點(diǎn)土樣等量混合后裝袋編號(hào)，采集樣品分為2份，一份在室溫下自然風(fēng)干后，剔除可見(jiàn)動(dòng)植物殘?bào)w和碎石等雜質(zhì)，過(guò)2 mm和0.25 mm篩，密封備用。一份4℃低溫保存用于土壤微生物數(shù)量分析。供試土壤剖面基本性質(zhì)如表2所示。

表2 土壤剖面基本化學(xué)性質(zhì)Table 2 Basic chemical properties of the soil profiles

1.3 測(cè)試指標(biāo)及方法

土壤pH、鹽分、電導(dǎo)率采用常規(guī)分析法測(cè)定[19]。

土壤有機(jī)碳（SOC）采用H2SO4-K2CrO7外加熱法測(cè)定[20]。

水溶性有機(jī)碳（WSOC）測(cè)定：稱取風(fēng)干土樣10 g于塑料離心管中，按土水比1∶5加入50 mL蒸餾水，振蕩30 min，在離心機(jī)上以4 500 r·min-1離心20 min，所有懸液過(guò)0.45μm微孔濾膜，得到水溶性有機(jī)碳[21]。

易氧化有機(jī)碳（ROOC）測(cè)定：采用333 mmol·L-1KMnO4氧化-分光光度計(jì)法測(cè)定。精確稱取含15 mg總碳土樣，加入333 mmol·L-1KMnO4溶液反應(yīng)1 h，土壤中ROOC含量由被還原KMnO4數(shù)量決定[22]。

土壤微生物量碳（MBC）測(cè)定：采用鮮土氯仿熏蒸-0.5 mol·L-1K2SO4浸提-水浴法測(cè)定。以熏蒸土樣與不熏蒸土樣提取有機(jī)碳差值除以轉(zhuǎn)換系數(shù)KC（0.38）計(jì)算土壤微生物生物量碳[23]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS 24.0和Excel 2003軟件統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、分析和制圖。采用一元線性回歸模型及Pearson相關(guān)系數(shù)分析SOC含量與各組分間關(guān)系，顯著性水平設(shè)為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同開(kāi)墾年限土壤有機(jī)碳垂直分布特征

土壤有機(jī)碳含量及分布均受氣候特點(diǎn)、土壤性質(zhì)及耕作方式影響，其含量可表征土壤肥力及潛力。由圖1可知，吉林西部鹽堿稻田土壤有機(jī)碳含量隨開(kāi)墾年限增加整體呈遞增趨勢(shì)，隨土壤剖面逐漸加深呈遞減趨勢(shì)。就垂直分布而言，各土壤剖面有機(jī)碳呈R55（11.09～16.27 g·kg-1）顯著高于R1（8.19～12.78 g·kg-1）和 R10（8.57～13.87 g·kg-1）（P＜0.05），而R10、R20、R30在各土層分布規(guī)律不一致，SOC 含量：R20＞R30＞R10；10～20 cm 土層：R30＞R10＞R20； 20～30 cm 土 層 ： R10＞R20＞30；30～40 cm 土層：R10＞R30＞R20；40～50 cm 土層：R30＞R20＞R10。

2.2 不同開(kāi)墾年限土壤水溶性有機(jī)碳垂直分布特征

水溶性有機(jī)碳（WSOC）在總有機(jī)碳中占比較小，但可靈敏指示土壤肥力動(dòng)態(tài)變化。由圖2可知，吉林西部鹽堿稻田土壤WSOC含量隨耕作年限增加呈遞增趨勢(shì)，具體表現(xiàn)為R55（0.45～0.46 g·kg-1）＞R20（0.42～0.49 g·kg-1）＞R30（0.42～0.47 g·kg-1）＞R10（0.39～0.47 g·kg-1）＞R1（0.38～0.46 g·kg-1），其中R20、R30、R55土壤WSOC含量在各土壤剖面下均差異顯著（P＜0.05）。土壤WSOC含量垂直分布特征表現(xiàn)為隨深度增加均呈逐漸降低趨勢(shì)。

圖1 不同開(kāi)墾年限土壤有機(jī)碳垂直分布特征Fig.1 Characteristics of vertical distribution of SOC in soil during different reclamation years

圖2 不同開(kāi)墾年限土壤水溶性有機(jī)碳垂直分布特征Fig.2 Characteristicsof vertical distribution of WSOC in soil during different reclamation years

2.3 不同開(kāi)墾年限土壤易氧化有機(jī)碳垂直分布特征

由圖3可知，開(kāi)墾年限和土壤剖面對(duì)ROOC含量均有影響，具體表現(xiàn)為隨土壤剖面加深ROOC含量逐漸減少。R55表層土壤ROOC含量可達(dá)11.37 g·kg-1，較R1深層土壤ROOC含量高約3倍。在0～40 cm土壤剖面，R1的ROOC含量均顯著低于其他開(kāi)墾年限（P＜0.05），在40～50 cm土層，R1、R10的ROOC含量無(wú)顯著差異。此外，隨耕作年限增加ROOC含量呈逐漸升高趨勢(shì)，但在開(kāi)墾30年時(shí)出現(xiàn)回落，而后又呈上升態(tài)勢(shì)。

圖3 不同開(kāi)墾年限土壤易氧化有機(jī)碳垂直分布特征Fig.3 Characteristics of vertical distribution of ROOC in soil during different reclamation years

2.4 不同開(kāi)墾年限土壤微生物量碳垂直分布特征

土壤微生物量碳（MBC）對(duì)土壤培肥措施非常敏感，且不受無(wú)機(jī)氮直接影響，適合作為土壤生物學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)。由圖4可知，開(kāi)墾年限對(duì)吉林西部鹽堿稻田土壤MBC含量影響明顯，具體呈R55＞R30＞R20＞R10＞R1，除 R30 土壤 MBC 出現(xiàn)略低，R20整體呈逐年增加態(tài)勢(shì)。就垂直分布而言，吉林西部鹽堿稻田土壤MBC含量隨土層加深而逐漸減少，在0～10 cm土層，各開(kāi)墾年限土壤MBC含量差異顯著（P＜0.05），在 10～40 cm 土層上，除R20、R30土壤MBC含量無(wú)顯著差異，其他各開(kāi)發(fā)年限土壤MBC含量均差異顯著（P＜0.05）。

圖4 不同開(kāi)墾年限土壤微生物量碳垂直分布特征Fig.4 Characteristics of vertical distribution of MBC in soil during different reclamation years

2.5 土壤有機(jī)碳與各組分間相關(guān)性分析

本研究結(jié)果顯示，鹽堿稻田土壤SOC與WSOC、ROOC、MBC呈線性相關(guān)，說(shuō)明各開(kāi)發(fā)年限稻田土壤有機(jī)碳與水溶性有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳及微生物量碳在土壤開(kāi)發(fā)過(guò)程中總體變化趨勢(shì)一致。由圖5可知，在開(kāi)墾年限和土層等因素影響下，SOC與MBC擬合系數(shù)最高（R2=0.8367）。

由表3可進(jìn)一步明確，不同開(kāi)墾年限下土壤有機(jī)碳與各組分均極顯著相關(guān)（P＜0.01）。對(duì)比不同開(kāi)發(fā)年限各組分占有機(jī)碳比例情況，WSOC占SOC比例在各開(kāi)墾年限均隨土層加深而逐漸增加；ROOC占SOC比例相比較大，ROOC占SOC比例平均值底層低于表層；R1土壤MBC占SOC比例隨土層加深而逐漸增加，其他開(kāi)墾年限則隨土層加深而逐漸減少（見(jiàn)表4）。

分析土壤有機(jī)碳及各組分影響效應(yīng)，如表5所示，土層及開(kāi)墾年限變化對(duì)土壤有機(jī)碳及各組分影響均達(dá)顯著水平（P≤0.001）。

圖5 土壤有機(jī)碳與各組分間相關(guān)性Fig.5 Correlation between soil organic carbon and components

表3 土壤有機(jī)碳及其組分相關(guān)分析Table 3 Correlation analysis of soil organic carbon and itscomponents

表4 土壤有機(jī)碳不同組分所占比例Table 4 Proportion of different components of soil organic carbon

表5 土層、開(kāi)墾年限對(duì)鹽堿稻田土壤有機(jī)碳及其組分雙因素方差分析Table 5 Two-factor variance analysis of soil organic carbon and itscomponents in saline-alkalipaddy fieldsby soil layer and reclamation years

3 討論與結(jié)論

3.1 鹽堿稻田土壤有機(jī)碳空間分布特征及影響效應(yīng)

本研究發(fā)現(xiàn)土層及開(kāi)墾年限顯著影響土壤有機(jī)碳及各組分。有機(jī)碳隨土層加深而逐漸減少，說(shuō)明作物凋落物、根系及分泌物分解、淋溶形成有機(jī)碳首先進(jìn)入土壤表層，導(dǎo)致SOC減少。土壤有機(jī)碳隨耕作年限延長(zhǎng)，有機(jī)碳含量逐漸增加，說(shuō)明以作物凋落物和有機(jī)肥等形式輸入碳素除被植物吸收或分解進(jìn)入大氣外，更多有機(jī)碳在土壤中積累。因此，開(kāi)墾年限有利于提高鹽堿稻田土壤SOC碳匯功能，與區(qū)域內(nèi)已有稻田土壤有機(jī)碳研究基本一致。

3.2 鹽堿稻田土壤有機(jī)碳活性組分空間分布特征及其穩(wěn)定性

土壤碳庫(kù)含有不同活性碳組分，其在土壤中存留時(shí)間和降解程度不同[24]，在土壤養(yǎng)分循環(huán)轉(zhuǎn)化過(guò)程中起重要作用，與土壤有機(jī)質(zhì)、礦物質(zhì)和生物成分之間平衡有關(guān)[25-26]。其中水溶性有機(jī)碳（WSOC）、易氧化態(tài)碳（ROOC）、微生物量碳（MBC）等指標(biāo)在指示土壤肥力動(dòng)態(tài)變化方面比土壤總有機(jī)碳更加靈敏。因此，活性碳組分研究尤為重要。

土壤WSOC來(lái)源土壤成分和外部輸入。土壤腐殖質(zhì)和枯枝落葉、植物殘?bào)w或通過(guò)施用有機(jī)肥等經(jīng)淋溶帶入土壤的可溶性有機(jī)碳，其含量受季節(jié)、溫度、濕度、成土條件、土壤養(yǎng)分狀況、pH等因素影響[27]。土壤WSOC是微生物獲取生長(zhǎng)和生存能量直接途徑[28]，是土壤微生物有效碳源[29]。土壤WSOC/SOC是表征土壤碳庫(kù)質(zhì)量重要指標(biāo)，反映有機(jī)碳穩(wěn)定性、有效性和水溶性[30]。本研究中，土層和開(kāi)墾年限均對(duì)吉林西部鹽堿稻田WSOC含量影響顯著。土壤WSOC含量隨耕作年限延長(zhǎng)呈遞增趨勢(shì)，垂直分布特征表現(xiàn)為隨深度增加均呈逐漸降低。WSOC與SOC含量呈顯著相關(guān)，說(shuō)明WSOC依賴SOC含量，種植時(shí)間越長(zhǎng)，土壤積累的植物凋謝物和根系分泌物越多。相比之下，表層（0～20 cm）WSOC含量稍高，而深層土壤（30～50 cm）WSOC含量變化平穩(wěn)，表明一方面植物凋謝物主要集中在土壤表層，另一方面，稻田土壤WSOC亦可與鐵錳氧化物或黏土礦物結(jié)合固定，隨水分向下遷移[31]。

鹽度導(dǎo)致微生物生存適宜環(huán)境改變，鹽堿地微生物數(shù)量一般低于普通農(nóng)用土壤，鹽堿土壤微生物量碳（MBC）也比普通農(nóng)用土壤有較大幅度下降，土壤鹽堿度降低增加微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)分解作用[32-33]。本研究發(fā)現(xiàn)，鹽堿稻田土壤MBC受開(kāi)墾年限和土壤剖面影響，整體呈逐年增加態(tài)勢(shì)。就垂直分布而言，吉林西部鹽堿稻田土壤MBC含量隨土層加深逐漸減少。土壤MBC占SOC比例隨土層加深逐漸減少，結(jié)果與區(qū)域內(nèi)稻田土壤微生物量碳研究基本一致[34]，由于作物殘茬、根分泌物、有機(jī)肥等主要集中在表層，導(dǎo)致表層土壤有機(jī)碳含量相對(duì)較高，表層土壤結(jié)構(gòu)、孔隙度、通氣性、溫度和濕度等物理性狀適宜微生物種群生長(zhǎng)。深層土壤受鹽堿土壤環(huán)境影響，微生物生長(zhǎng)受限，但由于土壤中水溶性物質(zhì)向下淋溶遷移，深層土壤中仍有一定數(shù)量微生物生物量碳。

土壤ROOC是土壤碳庫(kù)重要組分，土壤有機(jī)質(zhì)短暫波動(dòng)主要發(fā)生在易氧化分解部分，土壤中w（ROOC/SOC）可反映土壤有機(jī)碳氧化速率，比例越大說(shuō)明土壤有機(jī)碳越易被微生物分解，養(yǎng)分循環(huán)越快，土壤質(zhì)量越高[35]。本研究表明，開(kāi)墾年限和土壤剖面對(duì)鹽堿稻田ROOC含量均有顯著影響，具體表現(xiàn)為隨土壤剖面加深ROOC含量逐漸減少。ROOC占SOC比例較大，ROOC占SOC比例平均值底層低于表層，說(shuō)明研究區(qū)土壤活性有機(jī)碳含量較多，且表層土壤有機(jī)碳氧化速率較快。目前，通常用活性有機(jī)碳與非活性有機(jī)碳比值作為土壤碳庫(kù)活度，反映土壤活性有機(jī)碳數(shù)量變化，其值越大表明土壤活性有機(jī)碳數(shù)量越多，反之，土壤穩(wěn)定性有機(jī)碳數(shù)量越多[36]。因此，可深入研究鹽堿稻田土壤易氧化有機(jī)碳活性組分，明確ROOC在維持鹽堿稻田土壤有機(jī)碳平衡中作用。