武 琳，黃尚書，葉 川*，鐘義軍，黃欠如，成艷紅，鄭 偉，孫永明，高 蕊，周 鶯

(1 江西省紅壤研究所，南昌 331717；2 江西省吉安市農(nóng)業(yè)局，江西吉安 343000)

紅壤是我國重要的土壤資源，廣泛分布于南方15省，但由于長期不合理利用，紅壤主要形成了酸、瘦、黏、瘠、板等主要肥力特征[1-2]。同時(shí)，紅壤分布地形、光照和水熱等優(yōu)勢條件又決定了其恢復(fù)利用的可能性很大，是 21世紀(jì)以來農(nóng)業(yè)開發(fā)的重點(diǎn)[3]。土壤有機(jī)質(zhì)是土壤肥力的重要內(nèi)容，也是紅壤旱地土壤質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)之一。有機(jī)碳則是土壤有機(jī)質(zhì)的重要組成部分，但是土壤有機(jī)碳含量的多少并不能很好地反映土壤質(zhì)量的轉(zhuǎn)化速率[4]，因此，目前常用對耕作措施更為敏感的土壤活性有機(jī)碳的含量來表征[5-6]?；钚杂袡C(jī)碳雖然僅占總有機(jī)碳的一小部分，且穩(wěn)定性差、易氧化和分解[5]，但能夠在土壤全碳變化之前反映人類活動所引起的土壤的微小變化，是土壤碳循環(huán)的關(guān)鍵和動力[7-8]。Lefroy 等[9]綜合了土壤有機(jī)碳的總量與活性，首次提出了土壤碳庫管理指數(shù)(CPMI) 的概念，有效評價(jià)外部因素對土壤碳庫的影響。研究表明，土壤碳庫管理指數(shù)能有效反映土壤中有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化速率，更為全面地反映耕作措施對土壤碳庫的影響，是比土壤有機(jī)碳總量更能反映土壤質(zhì)量變化的敏感指標(biāo)[10-11]。目前已廣泛應(yīng)用于施肥[12-14]、保護(hù)性耕作[15]和不同土地利用方式[16]對土壤碳庫影響的研究中。但是，從土壤碳庫管理指數(shù)變化來考慮合理耕層構(gòu)建的研究則尚未見報(bào)道。

本研究以歷史上未曾開墾的紅壤荒地為對照，在分析農(nóng)地、果園和茶園等不同土地利用方式下0～40 cm土層總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳分布規(guī)律基礎(chǔ)上，探討不同土地利用方式對土壤碳庫管理指數(shù)的影響，為深入研究和評價(jià)該區(qū)土地利用變化對土壤有機(jī)碳的影響提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)設(shè)在江西省紅壤研究所(116°20′24″ E，28°15′30″ N)，該地區(qū)氣候溫和、雨量豐富、日照充足、無霜期長，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，年均降雨量1 537 mm，年蒸發(fā)量1 100～1 200 mm；年均氣溫17.7 ～18.5 ℃，最冷月(1月)平均氣溫為4.6 ℃；最熱月(7月)平均氣溫一般在28.0～29.8 ℃。地形為典型低丘，海拔在25～30 m，坡度5°。土壤類型為第四紀(jì)紅黏土母質(zhì)發(fā)育的紅壤。

1.2 研究方法

本研究選取4種土地利用方式，每種土地利用方式設(shè)置3個(gè)重復(fù)，具體為：①對照(CK)：歷史上未開墾的紅壤荒地；②農(nóng)地：1990年開墾的紅壤旱地，開墾初期種植花生，現(xiàn)在主要種植制度是紅薯-油菜；③茶園：1992年開墾建立的茶園；④果園：1993年開墾建立的桔園。2014年11月在研究區(qū)各樣方內(nèi)采用“五點(diǎn)法”取 0～10、10～20、20～40 cm 的散狀土，最后將樣方內(nèi)各采樣點(diǎn)土壤樣品按土層混合，作為分析樣品。樣品經(jīng)室內(nèi)風(fēng)干后，研磨并過篩，用于土壤相關(guān)理化性質(zhì)、總有機(jī)碳以及活性有機(jī)碳等指標(biāo)的測定。

土壤pH測定采用電位法(水∶土=2.5∶1)，土壤容重測定采用環(huán)刀法，土壤養(yǎng)分分析采用常規(guī)方法[17]，土壤總有機(jī)碳測定采用 K2CrO7外加熱法，土壤活性有機(jī)碳測定采用333 mmol/L KMnO4氧化法[18]。

相關(guān)指標(biāo)的計(jì)算[14]：碳庫指數(shù)(CPI)=耕作土壤總有機(jī)碳/參考土壤總有機(jī)碳；碳庫活度(A)=活性有機(jī)碳/穩(wěn)態(tài)碳含量；碳庫活度指數(shù)(AI)=土壤碳庫活度/參考土壤碳庫活度；碳庫管理指數(shù)(CPMI)=碳庫指數(shù)×碳庫活度指數(shù)×100。本研究中，參考土壤為歷史上未開墾紅壤荒地，設(shè)定其碳庫管理指數(shù)為100，若土地利用方式轉(zhuǎn)變后，土壤碳庫管理指數(shù)超過100，則說明土壤碳庫有所改善，反之則說明土壤碳庫變差。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用DPS7.05進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采用Origin 8.1軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用方式對土壤基本理化性質(zhì)的影響

由表1可以看出，不同土地利用方式下土壤基本理化性質(zhì)變化顯著。各土地利用方式下3個(gè)層次土壤pH均比CK低，尤其是10～20 cm和20～40 cm土層中達(dá)到顯著性差異(P＜0.05)，如與CK 相比，農(nóng)地、茶園、果園10～20 cm和20～40 cm土層土壤pH 分別降低 8.72%、10.77%、6.94% 和 13.13%、19.27%、16.53%。耕作有利于土壤容重降低，表現(xiàn)為農(nóng)地、茶園和果園不同層次的土壤容重均顯著低于CK(P＜0.05)，均呈現(xiàn)CK＞茶園＝果園＞農(nóng)地的趨勢。如0～10 cm土層，農(nóng)地、茶園、果園土壤容重較CK分別降低13.13%、6.46%、4.62%(P＜0.05)，10～20 cm 土層土壤容重降低幅度為 3.58% ～10.24%，20～40 cm土層降低幅度為3.43%～9.31%(P＜0.05)。就堿解氮含量而言，農(nóng)地、茶園、果園不同層次土壤均較CK高，0～10 cm土層分別比CK高25.29%、15.90%、19.57%(P＜0.05)，農(nóng)地、果園10 ～20 cm和 20～40 cm土層土壤堿解氮比 CK高117.65%、67.06% 和 142.33%、114.01%(P＜0.05)。有效磷和堿解氮含量表現(xiàn)出一致趨勢。

表1 不同土地利用方式下土壤的基本理化性質(zhì)

2.2 不同土地利用方式對土壤總有機(jī)碳分布的影響

由圖1可以看出，不同土地利用方式0～40 cm土層土壤的總有機(jī)碳存在顯著差異(P＜0.05)，在0 ～10 cm土層中，農(nóng)地、茶園、果園總有機(jī)碳分別比CK高30.29%、17.94%、17.35%；在10～20 cm土層中，農(nóng)地、茶園、果園總有機(jī)碳分別比 CK高50.10%、39.28%、43.49%；在20～40 cm土層中，農(nóng)地、茶園、果園總有機(jī)碳分別比 CK高87.75%、72.74%、76.57%。從圖 1 還可以看出，同一土地利用方式土壤總有機(jī)碳含量隨土層加深而降低，且CK降低幅度最高，如CK 在20～40 cm土層土壤總有機(jī)碳僅為0～10 cm土層的44.19%，農(nóng)地、茶園、果園則分別高達(dá) 63.68%、64.72%、66.48%(P＜0.05)。土壤有機(jī)碳的提高可能是耕層培肥措施等起主導(dǎo)作用，如有機(jī)肥的使用、秸桿還田、果園套種綠肥等[19-20]，造成土壤中總有機(jī)碳含量顯著提高。在耕層培肥的同時(shí)，配套翻耕和輪作等方式也有可能提升土壤剖面總有機(jī)碳含量，這也是農(nóng)用地對土壤總有機(jī)碳含量提升效果較桔園和茶園好的原因所在；另外，地上部分的植被類型也在一定程度上決定了有機(jī)物質(zhì)的輸入量，從而影響到土壤中有機(jī)碳的含量。

圖1 不同土地利用方式下土壤總有機(jī)碳分布特征

2.3 不同土地利用方式對土壤活性有機(jī)碳分布的影響

不同土地利用方式下不同層次土壤活性有機(jī)碳含量差異明顯(圖 2)，均表現(xiàn)為農(nóng)地、茶園、果園顯著高于CK，其中，0～10 cm土層土壤活性有機(jī)碳含量分別比CK高54.35%、37.40%、33.65%，10～20 cm土層分別比CK高62.27%、46.03%、36.15%，20～40 cm土層分別比CK高61.61%、59.91%、53.97%。同時(shí)，從圖2還可以看出，農(nóng)地0～20 cm土層土壤活性有機(jī)碳含量顯著高于茶園和果園，20～40 cm土層土壤活性有機(jī)碳含量則相當(dāng)；農(nóng)地0～10 cm土層土壤活性有機(jī)碳含量比茶園和果園分別高 10.98% 和13.41%，10～20 cm土層分別高10.01% 和16.09%。原因可能是人為因素及植被類型影響著土壤中總有機(jī)碳含量，而總有機(jī)碳含量的高低在很大程度決了活性有機(jī)碳的豐缺[21]。同時(shí)，不同土地利用方式下土壤承接根系分泌物類型不同，因此形成的土壤碳庫，特別是活性碳庫會存在差別[22]。另外，土壤活性有機(jī)碳與土壤中氮素含量關(guān)系密切[23]，土壤中氮素隨著土地利用方式發(fā)生改變而發(fā)生變化，對活性有機(jī)碳庫產(chǎn)生一定程度的影響。對紅壤旱地不同土地利用方式來說，土壤活性有機(jī)碳提升的具體原因有待于進(jìn)一步研究。

圖2 不同土地利用方式下土壤活性有機(jī)碳的分布特征

2.4 不同土地利用方式對土壤碳庫管理指數(shù)的影響

將對照作為參照土壤，采用時(shí)空替代法，對不同土地利用方式下不同層次的碳庫管理指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表2。從表2中可以看出，在0～10 cm土層，不同土地利用方式的土壤碳庫管理指數(shù)存在顯著差異(P＜0.05)，與CK相比，農(nóng)地、茶園、果園利用方式下的土壤碳庫管理指數(shù)分別提高59.37%、41.32%、36.69%，且農(nóng)地土壤碳庫管理指數(shù)顯著高于茶園和果園(P＜0.05)；在10～20 cm土層，盡管農(nóng)地、茶園和果園的土壤碳庫管理指數(shù)顯著高于未開墾紅壤旱地(P＜0.05)，但農(nóng)地和茶園、茶園和果園的土壤碳庫管理指數(shù)沒有明顯差異(P＞0.05)，而農(nóng)地土壤碳庫管理指數(shù)則比果園的土壤碳庫管理指數(shù)高 22.31%，達(dá)到顯著差異(P＜0.05)；在20～40 cm土層，農(nóng)地、茶園、果園的土壤碳庫管理指數(shù)則無明顯差異(P＞0.05)，這說明從提高土壤碳庫管理角度考慮紅壤旱地有機(jī)質(zhì)提升時(shí)，需要考慮耕作深度這一影響因素，這也在一定程度上為紅壤旱地合理耕層構(gòu)建研究提供了依據(jù)。

表2 不同土地利用方式下各土層的土壤碳庫管理指數(shù)

3 結(jié)論

1) 本次調(diào)查表明，與紅壤荒地相比，農(nóng)地、果園、茶園降低了0～40 cm土壤pH和容重，尤其是對10 cm以下土壤pH和容重有顯著影響，分別降低了 6.94%～19.27% 和 3.58%～13.13%；土壤堿解氮含量提高15.90%～142.33%，有效磷含量和堿解氮表現(xiàn)趨勢一致。

2) 紅壤旱地不同土地利用方式下各土層土壤總有機(jī)碳、活性有機(jī)碳含量隨土層加深而降低，均表現(xiàn)為農(nóng)地＞果園≈茶園＞未開墾的紅壤荒地，相比于未開墾的紅壤荒地，其他3種土地利用方式下土壤總有機(jī)碳含量提高了17.35%～87.75%，活性有機(jī)碳含量提高了 33.65%～62.27%。

3) 紅壤旱地開墾利用能顯著提高土壤碳庫管理指數(shù)，在選取的3種不同利用方式下，土壤碳庫管理指數(shù)在0～10 cm土層差異顯著，表現(xiàn)為農(nóng)地＞果園≈茶園；在0～20 cm土層表現(xiàn)為農(nóng)地與茶園相當(dāng)，與果園有顯著差異；在20～40 cm土層3種不同土地方式無明顯差異。

[1] 張?zhí)伊? 魯如坤, 季國亮. 中國紅壤退化機(jī)制與防治[M].北京: 中國農(nóng)業(yè)出版版社, 1999

[2] 孫波, 張?zhí)伊? 趙其國. 我國東南丘陵山區(qū)土壤肥力的綜合評價(jià)[J]. 土壤學(xué)報(bào), 1995, 32(4): 362-369

[3] 王明珠, 石華. 江西省土壤資源的開發(fā)策略[C]//紅壤生態(tài)系統(tǒng)研究. 北京: 科學(xué)出版社, 1992: 22-26

[4] 徐明崗, 于榮, 王伯仁. 土壤活性有機(jī)質(zhì)的研究進(jìn)展[J].土壤肥料, 2000(6): 3-7

[5] Blair G J, Lefroy R D B, Lisle L. Soil carbon fractions based on their degree of oxidation, and the development of a carbon management index for agricultural systems[J].Crop and Pasture Science, 1995, 46(7): 1459-1466

[6] Janzen H H, Campbell C A, Brandt S A, et al. Light fraction organic matter in soils from long-term crop rotations[J]. Soil Science Society of America Journal,1994,58:751-758

[7] 柳敏, 宇萬太, 姜子紹, 等. 土壤活性有機(jī)碳[J]．生態(tài)學(xué)雜志, 2006, 25(11): 1412-1414

[8] 周程愛, 張于光. 肖燁. 等. 土地利用變化對川西米亞羅林土壤活性碳庫的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2009, 29(8):4542-4547

[9] Lefroy R D, Blair C, Strong W M. Changes in soil organic matter with cropping as measured by organic carbon fractions from 13C natural isotope abundance[J]. Plant and Soil, 1993, 155: 399-402

[10] Patra D D, Chand S, Anwar M. Seasonal changes in microbial biomass in soils cropped with palmarosa(Cymbopogon martiniiL.) and Japanese mint (Mentha arvensisL.) in subtropical India[J]. Biology and Fertility of Soils, 1995, 19(2): 193-196

[11] Jenkinson D S, Rayner J H. The turnover of soil organic matter in some of the Rothamsted classical experiments[J].Soil Science, 1977, 123(5): 298-305

[12] Blair G J, Lefroy R D, Lisle L. Soil carbon fractions based on their degree of oxidation, and the development of a carbon management index for agricultural systems[J].Australian Journal of Agricultural Research,1995, 46:1459-1466

[13] 沈宏, 曹志洪, 徐志紅. 施肥對土壤不同碳形態(tài)及碳庫管理指數(shù)的影響[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2000, 37(2): 166-173

[14] 徐明崗, 于榮, 孫小鳳, 等. 長期施肥對我國典型土壤活性有機(jī)質(zhì)及碳庫管理指數(shù)的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2006, 12(4): 459-465

[15] 呂瑞珍, 熊瑛, 李友軍, 等. 保護(hù)性耕作對農(nóng)田土壤碳庫特性的影響[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2014, 28(4):206-210

[16] 邱莉萍, 張興昌, 程積民. 土地利用方式對土壤有機(jī)質(zhì)及其碳庫管理指數(shù)的影響[J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2009, 29(1):84-89.

[17] 魯如坤. 土壤壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)科技出版社, 1999

[18] Blair G J, Lefroy R D B, Lisle L. Soil carbon fractions based on their degree of oxidation, and the development of a carbon management index for agricultural systems[J].Crop and Pasture Science, 1995, 46(7): 1459-1466

[19] 徐蔣來, 胡乃娟, 張政文, 等. 連續(xù)秸稈還田對稻麥輪作農(nóng)田土壤養(yǎng)分及碳庫的影響[J]. 土壤, 2016, 48(1): 1-5

[20] 趙金花, 張叢志, 張佳寶. 激發(fā)式秸稈深還對土壤養(yǎng)分和冬小麥產(chǎn)量的影響[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2016, 53(2): 438-449

[21] 杜滿義, 范少輝, 漆良華,等. 不同類型毛竹林土壤活性有機(jī)碳[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 2013, 32(3): 571-576

[22] 郭寶華, 范少輝, 杜滿義, 等. 土地利用方式對土壤活性碳庫和碳庫管理指數(shù)的影響[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 2014,33(3): 723-728

[23] 涂利華, 胡庭興, 張健, 等. 模擬氮沉降對華西雨屏區(qū)慈竹林土壤活性有機(jī)碳庫和根生物量的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2010, 30(9): 2286-2294