李玉進，王百群，，3，丁婷婷

（1．西北農(nóng)林科技大學 水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，陜西 楊凌712100；2．西北農(nóng)林科技大學 資源環(huán)境學院，陜西 楊凌712100；3．中國科學院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌712100）

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)有機碳變化是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究的重要方面之一。農(nóng)田土壤有機碳的含量和組成不僅反映了土壤有機質(zhì)含量水平，而且還與農(nóng)田的可持續(xù)利用密切相關［1］。Parton等［2］將土壤有機碳分為活性庫（active pool）、緩性庫（slow pool）和鈍性庫（passive pool）。依據(jù)物理分散方法，顆粒分組中的聯(lián)合分組方法和生物學分組方法分別將土壤有機碳組分劃分為顆粒有機碳（POC）和土壤微生物量碳（MBC）［3］。土壤顆粒有機質(zhì)（POM）是指粒徑大小為53～2 000μm土壤顆粒中的有機質(zhì)，主要由不同分解階段植物殘體和微生物分解產(chǎn)物組成，具有比重小、C／N高、易被微生物分解等特征［4］，是一個能夠有效反映土壤整體質(zhì)量的指標［5］。土壤微生物量碳作為土壤有機碳中最活躍的部分，參與土壤中有機質(zhì)的分解、腐殖質(zhì)的形成、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)等過程，是更具敏感性的土壤質(zhì)量指標［6］。

隴東黃土高原溝壑區(qū)地貌主要由塬面和溝壑構成，塬面地形平坦，土地利用方式以農(nóng)田為主，主要種植糧食作物，對于區(qū)域糧食生產(chǎn)和食物安全起著重要的作用。但是，由于該區(qū)降水分布不均，水分條件是限制塬面農(nóng)田作物產(chǎn)量的重要因素之一。在塬面以外的溝壑區(qū)，地形支離破碎，千溝萬壑，土壤侵蝕嚴重，對生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成明顯的影響。合理利用當?shù)赜邢薜霓r(nóng)業(yè)土壤資源，提高土壤質(zhì)量，增加作物產(chǎn)量成為重要目標。隴東塬面農(nóng)田具有悠久的農(nóng)耕歷史，該區(qū)農(nóng)田土壤有機碳庫變化對于區(qū)域有機碳循環(huán)具有重要的影響。土壤微生物量碳和顆粒有機碳是土壤有機碳庫的重要組成部分，也可作為反映土壤質(zhì)量的重要指標，在研究農(nóng)田土壤質(zhì)量動態(tài)變化方面起重要作用。本研究選取隴東黃土高原塬面農(nóng)田土壤的典型剖面，通過研究土壤微生物量碳和顆粒有機碳的剖面分布特征，為評價區(qū)域農(nóng)田土壤質(zhì)量狀況和探求適合區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的農(nóng)田管理措施提供基礎依據(jù)。

1 材料與方法

1．1 研究區(qū)概況

選取地處隴東黃土高原溝壑區(qū)的寧縣為研究區(qū)域，寧縣位于東經(jīng)107°40′—109°34′，北緯35°15′—35°52′，地勢表現(xiàn)為東北高，西南低，海拔高度為885～1 687m，總土地面積2 633km2。寧縣年平均氣溫8．0～9．0℃，氣溫年際變化明顯，年均降水量500～625mm，降雨時空分布不均，降水東多西少，主要集中在7—9月，占年降水量的54．8%，屬溫帶和半濕潤氣候。表層土壤溫度的變化比較劇烈，深層比較穩(wěn)定。寧縣境內(nèi)的黃土塬區(qū)主要有早勝塬、和盛塬、盤克塬、南義塬、春榮塬和一些小的殘塬，塬面平坦開闊，土壤侵蝕微弱，是地帶性黑壚土的主要分布區(qū)域，種植的作物主要有小麥、玉米、谷子、糜子、大豆等。

1．2 樣品采集與分析

在不同的塬面上分別選取有代表性的1～2個田塊，每一個田塊挖取1個1m深土壤剖面，基本情況如表1所示。土壤類型為黑壚土，共選取5個采樣剖面，每個剖面分層取樣，每20cm土層作為采樣層，在采樣土層中，多點取樣，樣品充分混勻并剔除土壤中的植物根系及植物殘體，土壤樣品帶回實驗室風干，過2mm篩備用。

在測定風干土壤微生物量碳（Microbial biomass carbon，MBC）時，為了消除采樣時溫度和水分對土壤微生物量碳的影響，對土壤進行預培養(yǎng)［7］，稱取120g風干土樣，加入去離子水，使土壤含水量保持在田間持水量的40%左右，置于150ml燒杯中，在25℃下培養(yǎng)7d后，充分混勻，用于測定土壤 MBC。采用氯仿熏蒸浸提法測定土壤MBC［8］。

表1 土壤剖面采樣點基本情況

依據(jù)Wander等［9］提供的方法測定土壤顆粒有機碳（Particulate organic carbon，POC）。稱取過2mm 篩的風干土樣20g，放入塑料瓶，加入50ml的5g／L的六偏磷酸鈉溶液，手搖5min，再在往復式震蕩機上振蕩1h。然后將分散的土樣過53μm篩，不斷用蒸餾水沖洗，直到獲得澄清溶液，收集通過篩的泥水樣品。然后將篩上物轉(zhuǎn)移到蒸發(fā)皿中，在80℃條件下，將篩上物和泥水樣烘干，分別稱重烘干樣品，分別計算其占土壤的百分含量。原狀風干土和泥水樣烘干土樣磨碎并過0．25mm篩，用重鉻酸鉀外加熱法分別測定有機碳含量，差減法即得土壤顆粒有機碳含量。

1．3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 16．0對測定數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，采用Excel 2007進行作圖。

2 結果與分析

2．1 土壤微生物量碳的分布特征

從圖1可以看出，各剖面0—20cm和20—40cm土層土壤微生物量碳含量均顯著高于其它土層，呈明顯表聚現(xiàn)象；0—60cm土層，隨著土層深度增加，MBC含量降低，這與黨亞愛等的研究結果一致［7］；隨海拔高度升高，0—20cm土層MBC含量整體呈增加趨勢，變化范圍為180．92～282．53mg／kg。對于各個塬面，和盛塬H1和H2兩個剖面點MBC含量在0—80cm土層隨著土層深度增加呈遞減趨勢，80—100cm土層含量又增加；100cm深度內(nèi)，早勝塬Z1剖面點MBC含量隨土層深度增加呈現(xiàn)先減后增再減的變化趨勢，但40—60cm和60—80cm土層 MBC含量相差不大；0—80cm土層，Z2剖面點MBC含量隨土層深度增加而減小，在80—100cm含量又增加；100cm深度內(nèi)，盤克塬P剖面點MBC含量隨土層深度增加而減小，40—60cm和60—80cm相差不大。

圖1 不同剖面土壤微生物量碳含量隨土層的變化

由圖2可以看出，0—20cm和20—40cm土層MBC／SOC均顯著或極顯著高于其它土層，其變化范圍分別為2．29%～3．70%和1．00%～2．11%，其它土層MBC／SOC為0．17%～0．63%。從圖1和圖2可以看出各剖面MBC／SOC與MBC隨土層的變化規(guī)律一致，說明MBC／SOC可以作為反映土壤剖面質(zhì)量變化的指標。

圖2 不同剖面MBC／SOC隨土層的變化

土壤微生物量碳是比土壤有機碳更敏感的指標，可用來指示土壤肥力的動態(tài)變化和反映土壤質(zhì)量狀況［10，13］。土壤微生物量碳含量和分布受到氣候（溫度和降雨）和農(nóng)田管理措施（施肥措施、耕作措施）的影響，表層土壤受人為干擾作用最強，土壤有機碳和土壤微生物量碳含量受到的影響作用較其它土層強烈。土壤溫度的變化可以直接影響微生物的生長、礦化速率和酶的活性以及群落組成，尤其是對表層土壤微生物的影響更為明顯［11］。Schimel等［12］研究表明經(jīng)歷長時間干旱的土壤降雨后，土壤微生物量和土壤呼吸瞬間激增。隴東黃土高原寧縣黃土塬區(qū)土壤溫度的變化表層比較劇烈，深層比較穩(wěn)定，一年中降水主要集中在夏秋之間，春冬干旱少雨，同時降雨的時空分布不均，從地域上看，降雨東多西少，土壤有機碳和土壤微生物量碳含量極易受到土壤溫度和降雨的影響，影響 土 壤 碳 的 活 性 和 存 儲 。 大 量 研 究 表 明［6，11，13－15］，施肥可提高土壤微生物量碳含量，而長期有機無機肥料配施提高土壤微生物量碳含量的效果更顯著，同時不同秸稈還田方式對土壤微生物量碳含量也影響較大。寧縣黃土塬區(qū)作為隴東黃土高原重要的農(nóng)作區(qū)，長期以來主要以傳統(tǒng)的增施化肥來提高土壤質(zhì)量和保證作物的產(chǎn)量，施肥對土壤有機碳和土壤微生物量碳含量的影響主要集中在耕層。保護性耕作對土壤微生物量有重要影響，且集中在土壤表層。徐陽春等［16］研究表明與常規(guī)耕翻相比長期免耕處理表土層土壤微生物量碳、氮含量分別增加了25．4%和45．4%。高云超等［17］研究表明秸稈覆蓋免耕能提高表層土壤微生物量，0—7．5cm土層比翻耕處理年平均增高51．7%。干旱是寧縣黃土塬區(qū)固有的氣候特點，加上黃土高原土壤侵蝕嚴重，保水、保肥和提高作物產(chǎn)量成為重中之重，鞏杰等［18］研究表明秸稈覆蓋對表層（0—10cm）土溫變化有明顯的調(diào)節(jié)作用，覆蓋對0—40cm土層可抑蒸保墑、保水和增加土壤中有機質(zhì)含量，同時形成了不同時期新的土壤微生物區(qū)系，改變了土壤生物學活性，嚴昌榮等［19］通過實施5a的耕作措施研究表明不同耕作措施對土壤有機碳的影響主要集中在0—40cm土層。在0—5cm土層中，免耕覆蓋處理的顆粒有機碳、可溶性有機碳和微生物碳含量最高，其次為秸稈還田、淺旋耕和常規(guī)耕作處理。與常規(guī)耕作處理相比，秸稈還田處理20—40cm土層的顆粒有機碳、可溶性有機碳和微生物碳含量提高。從圖1可以看出，各剖面0—40cm土層微生物含量相對較高，這與長期施肥和作物殘茬在土壤中的分解密切相關，而40cm以下各土層土壤微生物量碳含量較低，一方面說明土壤微生物數(shù)量相對較少和微生物活性較低，另一方面說明40cm以下土層有機碳基本處于一種穩(wěn)定狀態(tài)。

2．2 土壤顆粒有機碳分布特征

從圖3可以看出，各剖面100cm深度內(nèi)隨土層深度增加土壤顆粒有機碳含量減小，0—20cm和20—40cm顆粒有機碳含量與其它土層差異均極顯著（P＜0．01）；各剖面土壤顆粒（53～2 000μm）質(zhì)量百分含量為2．13%～5．76%，其中0—20cm和20—40cm土層百分含量較高；0—20cm和20—40cm土層土壤顆粒有機碳含量變化范圍分別為（1．02±0．05）～（1．68±0．01）g／kg，（0．25±0．02）～（0．96±0．03）g／kg，40cm以下土層顆粒有機碳含量較低。

圖3 不同剖面土壤顆粒有機碳含量隨土層的變化

由圖4可以看出，各個剖面POC／SOC與POC的整體變化規(guī)律一致，說明POC／SOC也可作為反映土壤剖面質(zhì)量變化的指標。0—20cm和20—40cm土層POC／SOC相對于其它土層較高，變化范圍分別為13．46%～19．13%和5．08%～16．16%。Franzluebbers等［20］研究表明寒冷和半干旱地區(qū)起源于森林的農(nóng)業(yè)土壤的POC占總SOC的比例為16%～44%，本研究POC／SOC相對較低，這可能與農(nóng)田土壤類型、農(nóng)田管理措施及耕種年限有關。由于POM在溫暖濕潤的氣候條件下更容易分解，因此POM含量一般在寒冷和半干旱地區(qū)較高［4］。隴東黃土高原屬于干旱、半干旱區(qū)，土壤顆粒有機碳的累積具有極大潛力。Cambardella等［21］研究表明免耕處理的POC占總有機碳的比例比休閑的18%和留茬覆蓋的19%更高，達到25%。Wander等［9］研究表明免耕土壤表層（0—5cm）的有機碳和POC含量比傳統(tǒng)耕作增加了25%和70%，但在5—17．5cm土層深度卻分別減少了4%和18%，孟凡喬等［22］研究表明秸稈還田使得0—20cm土壤顆粒有機碳含量明顯增加，且整株還田比粉碎還田更能增加10—20cm土壤顆粒的有機碳含量，而免耕對土壤顆粒有機碳的增加主要表現(xiàn)在0—10cm，進一步表明免耕或秸稈覆蓋對POC含量有重要影響，同時也影響了POC在土壤剖面中的分布。隴東黃土高原土壤侵蝕嚴重，嚴重影響農(nóng)田土壤質(zhì)量，推廣免耕或秸稈覆蓋等保護性耕作措施一方面可以減少土壤的擾動，提高了土壤顆粒有機碳的物理保護機制和維持了土壤微生物的活性，另一方面隔離降雨對土壤的直接接觸，增加土壤入滲，減少土壤養(yǎng)分的流失。施肥措施對POC有重要作用，從而影響其在土壤剖面中的分布，大量研究表明［23－25］，施用化肥、有機肥或者有機肥配合化肥均能增加土壤POC含量，但有機肥或者有機肥配施化肥效果更佳。從圖3可以看出，以傳統(tǒng)耕作為主的隴東黃土高原農(nóng)田土壤，長期的施肥和作物殘茬在土壤中的分解明顯增加了0—20cm和20—40cm土層POC含量，表聚現(xiàn)象也非常明顯。

圖4 不同剖面POC／SOC隨土層的變化

3 結 論

不同剖面土層土壤微生物量碳差異顯著，主要集中在0—20cm和20—40cm；在0—60cm土層，隨著土層深度增加，MBC含量降低；隨著海拔高度增加，0—20cm土層MBC含量整體呈增加趨勢，變化范圍為180．92～282．53mg／kg；在0—20cm 和20—40 cm土層，MBC／SOC均顯著或極顯著高于其它土層，其變化范圍分別為2．29%～3．70%和1．00%～2．11%，40cm 以 下 土 層 MBC／SOC 為 0．17% ～0．63%。剖面 MBC／SOC與 MBC隨土層的變化規(guī)律一致，說明MBC／SOC可以作為反映土壤剖面質(zhì)量變化的指標。

各剖面隨著土層深度增加，POC含量下降，0—20cm和20—40cm土層POC含量與其它土層差異極顯著；0—20cm和20—40cm土層POC變化范圍分別為1．02～1．681g／kg和0．25～0．96g／kg，40 cm以下土層顆粒有機碳含量較低；各個剖面POC／SOC與POC的變化規(guī)律一致，其中0—20cm和20—40cm土層POC／SOC相對于其它土層較高，變化范圍分別為13．46%～19．13%和5．08%～16．16%；POC／SOC也可以作為反映土壤剖面質(zhì)量變化的指標。

氣候（溫度和降雨）、施肥制度和耕作措施是影響土壤微生物量碳和顆粒有機碳剖面分布特征的重要因素。探求合理的農(nóng)業(yè)管理措施，如有機或有機無機配施的施肥制度、免耕或秸稈覆蓋等保護性耕作措施對增加作物產(chǎn)量，促進隴東黃土高原農(nóng)田土壤有機碳儲量和土壤質(zhì)量的提高，保障農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

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