楊 光，阿麗婭·阿力木，王衛(wèi)霞

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園藝學(xué)院/新疆教育廳干旱區(qū)林業(yè)生態(tài)與產(chǎn)業(yè)技術(shù)重點實驗室，烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】土壤有機碳直接影響著土壤的物理化學(xué)及生物學(xué)特征，是土壤質(zhì)量評價的重要指標(biāo)之一，也是維持土壤生態(tài)系統(tǒng)碳平衡、功能穩(wěn)定、健康與可持續(xù)的關(guān)鍵因素[1-3]。土壤有機碳是土壤生物地球化學(xué)碳循環(huán)的主要內(nèi)容[4]，土壤有機碳儲量是有機碳的輸入與損失之間平衡的結(jié)果[5]。土壤有機碳隨土地利用改變而周轉(zhuǎn)變化是引起全球氣候和大氣碳庫變化的主要原因[6]。近年來，隨著新疆特色林果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的過程中，多數(shù)農(nóng)田被更替為果園和果農(nóng)間作。研究阿克蘇地區(qū)不同土地利用方式對土壤有機碳含量及碳儲量的影響，對選擇優(yōu)化土地利用方式、提高該區(qū)土壤生產(chǎn)力和土地管理水平有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】土地利用方式發(fā)生變化后會導(dǎo)致植被類型、土壤微生物以及土壤理化性質(zhì)隨之發(fā)生變化，影響輸入土壤的有機質(zhì)數(shù)量和有機質(zhì)分解速率，進而對土壤有機碳含量和碳儲量產(chǎn)生不同程度的影響[7-8]。有研究表明，林地轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ち只蛘咿r(nóng)田會導(dǎo)致土壤有機碳庫大量損失[9-11]。農(nóng)用地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?，土壤有機碳儲量有增加的趨勢[12]。土地利用方式不同導(dǎo)致土壤有機碳的變化，是引起土壤肥力變化的重要原因[13]?！颈狙芯壳腥朦c】已有研究主要集中于森林生態(tài)系統(tǒng)與農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)。果園作為一種重要的土地利用類型，其在區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護和農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展中占有重要地位。由于對果園產(chǎn)量及品質(zhì)的追求，采用不同的土地管理模式，增加了果園生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究的復(fù)雜性和不確定性[14-16]，相關(guān)研究表明，果園生態(tài)系統(tǒng)比一年生草本作物具有更高的CO2固定量[17]，因此，果園生態(tài)系統(tǒng)對經(jīng)濟發(fā)展、生態(tài)改善以及陸地生態(tài)系統(tǒng)中的碳循環(huán)與固定起到極為重要的作用[18]?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以新疆阿克蘇地區(qū)單作小麥、棗麥間作、單作棗園、荒地單作棗園、撂荒地等5種典型的土地利用方式作為研究對象，采集樣品測定不同土地利用方式的土壤有機碳指標(biāo)。研究阿克蘇地區(qū)不同土地利用方式對土壤有機碳含量及碳儲量的影響。

1 材料與方法

1.1 材 料

野外調(diào)查研究區(qū)位于新疆阿克蘇地區(qū)溫宿縣克孜勒鎮(zhèn)。溫宿縣位于阿克蘇地區(qū)西北部、天山中段的托木爾峰南麓，塔里木盆地北緣，地處E79°28′～81°30′，N40°52′～42°21′。屬典型的溫帶大陸性氣候，四季分明，晝夜溫差大，且水熱同季，光照充足，熱量豐富。年均氣溫10℃，年均降水量65.4 mm。根據(jù)土壤普查資料顯示，全縣土壤分為10個土類，69個土種。全縣耕地土層深厚，質(zhì)地適中，有機質(zhì)含量在1.5%以上的耕地占28.5%，有機質(zhì)含量在1%～1.5%的耕地占43.5%，有機質(zhì)含量在1%以下的耕地占28%[19]。

1.2 方 法

1.2.1 樣地布設(shè)與土壤樣品采集

2018年7～8月，采用典型樣方法在阿克蘇地區(qū)溫宿縣克孜勒鎮(zhèn)設(shè)置樣方進行調(diào)查。依據(jù)溫宿縣林業(yè)局和克孜勒鎮(zhèn)林管站歷史記載數(shù)據(jù)及走訪調(diào)查結(jié)果，選取種植背景、管理水平和方式及土壤基本性狀、理化性質(zhì)等基本一致的單作小麥、棗麥間作、單作棗園、荒地單作棗園、撂荒地為研究對象，其中棗麥間作、單作棗園均為農(nóng)田改建的棗園，荒地單作棗園為開荒種植的棗園，棗樹樹齡均為10年左右，以單作小麥和撂荒地作為對照樣地。所有樣地的水肥管理基本為1年4肥5水,即每年的發(fā)芽期、花期、結(jié)果期及果實膨大期分別施1次肥，以農(nóng)家肥、磷酸二銨、尿素為主，每年灌水5次，荒地單作棗園由于沙地不耐旱，每年灌水約8次。

5種不同土地利用方式各選擇3個作為試驗的重復(fù)。在單作棗園的每個果園內(nèi)選擇6株具有代表性的果樹，在樹冠投影面距樹干1 m處布設(shè)采樣點，0～40 cm土層按10 cm 間隔采樣，40～100 cm 土層按20 cm間隔采樣。把同一個果園6個采樣點上采集的土壤樣品按照相同層次分別進行混合后作為處理的一個重復(fù)備用；在棗麥間作的每個間作園內(nèi)選擇6株具有代表性的果樹，在樹冠投影面距樹干1 m處布設(shè)采樣點，在間作的農(nóng)作物行，以“S”形布點，0～40 cm土層按10 cm間隔采樣，40～100 cm土層按20 cm間隔采樣，把同一個間作園不同采樣點上采集的土壤樣品按照相同層次分別進行混合后作為處理的一個重復(fù)備用；在果園旁邊選取具有常規(guī)管理模式的3塊單作小麥的農(nóng)田以及3塊撂荒地，以“S”形布點，按相同土層采集土壤樣品。與此同時用環(huán)刀采集原狀土樣測定土壤容重。將采集的土壤樣品帶回室內(nèi)自然風(fēng)干，研磨后過篩，測定土壤的基本理化性質(zhì)、有機碳含量并估算碳儲量。

1.2.2 土壤有機碳含量測定

土壤樣品中有機碳含量的測定采用重鉻酸鉀-外加熱法測定[20]。

1.2.3 土壤有機碳儲量估算

不同土壤層次土壤有機碳儲量S(g/cm2)采用以容重BD(g/cm3)、有機碳含量C(%)及土層厚度T(cm)進行計算，其計算公式為[21]：

S=BD×C×T.

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)采用SPSS21.0和Excel 2016進行處理分析，不同土地利用方式之間及不同土層之間的土壤有機碳含量及碳儲量的差異顯著性采用一元方差及LSD多重比較進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1不同土地利用方式對土壤容重的影響

研究表明,不同土地利用方式下土壤容重總體上隨著土壤深度的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的變化趨勢，即土壤表現(xiàn)為先緊實而后疏松的特點。

在0～10、10～20 cm土層中棗麥間作和單作棗園的土壤容重與其它3種土地利用類型之間存在顯著差異(P<0.05)， 20～30 cm土層單作小麥和單作棗園之間差異顯著(P<0.05)，30～40、40～60 cm土層不同土地利用方式間差異不顯著，60～80 cm土層中棗麥間作與撂荒地之間具有顯著差異(P<0.05)，單作小麥、單作棗園和荒地單作棗園之間的土壤容重?zé)o顯著差異，80～100 cm土層中棗麥間作、單作棗園與單作小麥、撂荒地之間有顯著差異(P<0.05)。表1

表1 不同土地利用方式下土壤容重Table 1 Soil bulk density under different land use patterns (g/cm3)

Notes: The data are mean ± standard error. Different capital letters in the same line indicate that the soil bulk density of different land use patterns in the same soil depth is significantly different (P<0.05); Different lowercase letters in the same column indicate significant differences in soil bulk density at different soil depths in the same land use pattern (P<0.05)，the same as below

2.2 不同土地利用方式對土壤有機碳含量影響

研究表明,不同土地利用方式下，土壤有機碳含量均隨土壤深度的增加而下降，其中0～10 、10～20 cm土層有機碳含量顯著高于20 cm以下土層(P<0.05)。在0～100 cm土層內(nèi)，農(nóng)田(單作小麥)土壤有機碳含量為1.48～5.74 g/kg，果園和果農(nóng)間作園(單作棗園和棗麥間作)土壤有機碳含量為3.03～10.30 g/kg。由農(nóng)田更替為果園及果農(nóng)間作后，提高了各層土壤有機碳含量，其中0～40 cm土層各層土壤有機碳均顯著提高(P<0.05)。在0～100 cm土層范圍內(nèi)，撂荒地土壤有機碳含量為0.23～1.57 g/kg，荒地改建為果園(荒地單作棗園)的土壤有機碳含量為0.75～4.17 g/kg。由荒地改建為果園后，各層土壤有機碳均有提高，其中0～10、10～20、20～30和60～80 cm土層提高顯著(P<0.05)，30～40、40～60和80～100 cm土層提高幅度不顯著。不同土地利用方式下各土層土壤有機碳含量均表現(xiàn)為棗麥間作>單作棗園>單作小麥>荒地單作棗園>撂荒地，且土壤有機碳均主要富集在0～20 cm土層。表2

表2 不同土地利用方式下的土壤有機碳含量Table 2 Soil organic carbon content under different land use patterns(g/kg)

2.3 不同土地利用方式下土壤層有機碳儲量及分配格局

研究表明,不同土地利用方式下0～40 cm土層有機碳儲量大于40～100 cm土層，0～40和40～100 cm土層內(nèi)，土壤有機碳儲量隨土壤深度的增加而減少。農(nóng)田(單作小麥)土壤0～100 cm土層土壤有機碳儲量為4.53～10.18 t/hm2，果園和果農(nóng)間作園(單作棗園和棗麥間作)土壤0～100 cm土層土壤有機碳儲量為7.10～14.31 t/hm2。由農(nóng)田更替為果園及果農(nóng)間作后，提高了各層土壤有機碳儲量，其中0～10和10～20 cm土層土壤有機碳儲量均顯著提高(P<0.05)。在0～100 cm土層內(nèi)，撂荒地土壤有機碳儲量為0.72～2.47 t/hm2，荒地改建為果園(荒地單作棗園)的土壤有機碳儲量為2.21～6.20 t/hm2。由荒地改建為果園后，各層土壤有機碳儲量均有提高，其中0～10、10～20、20～30 cm土層提高顯著(P<0.05)。不同土地利用方式下各土層土壤有機碳儲量均表現(xiàn)為棗麥間作>單作棗園>單作小麥>荒地單作棗園>撂荒地，這和土壤有機碳含量變化趨勢一致。圖1

注：不同小寫字母表示同一土壤深度不同土地利用方式的有機碳儲量差異顯著(P<0.05)

研究表明,計算不同土地利用方式下各土層有機碳儲量占土壤0～100 cm土層總有機碳儲量的百分比，根據(jù)計算結(jié)果進行分析。0～40 cm土層范圍是土壤有機碳儲量的主要土層(份額比均大于56.9% )，40～100 cm土層間差異不大。由農(nóng)田或荒地更替為果園亦或果農(nóng)間作后，0～40 cm土層有機碳儲量的百分比占絕對優(yōu)勢。40～100 cm土層隨土層深度的增加，土壤有機碳儲量份額比逐漸降低。圖2

圖2 不同土地利用方式下各土層有機碳儲量占土層總有機碳儲量的比例Fig. 2 Proportion of soil organic carbon storage in each soil layer to total soil organic carbon storage

3 討 論

土壤有機碳是反映土壤肥力及植被生產(chǎn)力的重要指標(biāo)之一，也是制約土壤理化性質(zhì)的關(guān)鍵因素，對實現(xiàn)土地可持續(xù)利用及土地生產(chǎn)力的保持起著重要的作用[22-23]。土壤有機碳隨土地利用方式改變而變化，其含量主要取決于植物每年的歸還量和分解速率[24]，而地表枯枝落葉及細微根系的周轉(zhuǎn)是土壤有機碳輸入的主要途徑[25]。

研究中，由農(nóng)田更替為果園及果農(nóng)間作后，提高了各層土壤有機碳含量，其中0～40 cm土層各層土壤有機碳含量均有顯著提高(P<0.05)，由荒地改建為果園后，0～30 cm土層各層及60～80 cm土層土壤有機碳含量均有顯著提高(P<0.05)。不同土地利用方式下各土層土壤有機碳含量均表現(xiàn)為棗麥間作>單作棗園>單作小麥>荒地單作棗園>撂荒地。其原因一方面可能和農(nóng)田與果園土壤施肥管理措施不同有關(guān)，另一方面可能與果園里果樹的郁閉度及植被根系分布、根系分泌物有關(guān)。在果園及果農(nóng)間作模式下，果樹的郁閉度相對較高，從而使地表溫度降低，保持了一定的土壤濕度和水分含量，導(dǎo)致土壤有機碳分解速率下降，促進了土壤有機碳的積累[26-27]，另外，棗麥間作模式下，棗樹可以從小麥作物根系分布范圍以下的土層中吸收營養(yǎng)，將凋落物歸還于表層土壤[28]，而農(nóng)田則由于耕作破壞土壤結(jié)構(gòu)，增加了土壤碳庫的礦化，加速了土壤有機碳的分解[29]，同時由于棗麥間作模式比單一農(nóng)田有更高的系統(tǒng)多樣性，隨著系統(tǒng)生物多樣性的增加就有細根超產(chǎn)現(xiàn)象[30]，在細根周轉(zhuǎn)過程中會有更多的碳被積累在土壤中，再加上棗樹的凋落物也會增加土壤碳的積累，這可能是農(nóng)田向果農(nóng)間作轉(zhuǎn)變過程中土壤有機碳獲得顯著提高的主要原因[31]。另外，研究中撂荒地土質(zhì)主要以沙壤土為主，由于沙地水土流失嚴重，植被覆蓋率低以及草本植物細根的根系分布較淺，腐解轉(zhuǎn)化快等原因[32]，導(dǎo)致土壤表層有機質(zhì)無法進行垂直滲透、積累，所以土壤有機碳含量少且上下土層差異小[33]。有研究表明，土壤粘土與粉沙顆粒對控制土壤有機碳含量起著重要作用[34]，碳濃度隨著粘土含量的增加而增加?；牡馗慕楣麍@是撂荒地沙壤土通過添加粘土改造土質(zhì)后種植棗樹，其大部分是沙壤土，含有一定量的粘土，對碳的保護能力較強，土壤有機碳含量自然較高?；牡貑巫鳁棃@中種植的棗樹起到了固沙的作用，保留了一部分水土，使地表枯枝落葉、植物根系殘留物及根系分泌物所形成的有機碳進入土壤。

從垂直分布看，研究區(qū)域內(nèi)5種土地利用方式下土壤有機碳含量均隨著土壤深度的增加呈減少趨勢，且土壤有機碳含量均主要富集在0～20 cm土層，這與房飛[35]、石宗琳[16]、李柳瑩[36]以及張雪[37]等研究結(jié)果基本一致，其原因可能與人為耕作、根系分布和微生物活動有關(guān)[38]，凋落物和植物殘體在土壤表面形成腐殖質(zhì)層，保持水土的同時，為微生物維系生命活動提供足夠的能量，促進植被凋落物的分解和轉(zhuǎn)化形成有機碳從而進入土壤表層，使表土層有機碳含量明顯增高；而下層土壤有機碳的來源主要靠表層土壤有機碳向下遷移，使得土壤剖面中有機碳含量從上到下呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢[39]。

土地利用方式對土壤有機碳的影響也可以通過土壤有機碳儲量來反映。土壤有機碳儲量通常是輸入到土壤中的有機物質(zhì)與土壤微生物分解消耗的有機物之間的動態(tài)平衡[40-41]。一般情況下果園土壤有機碳儲量大于農(nóng)田土壤，這主要是由于常規(guī)耕作破壞了土壤結(jié)構(gòu)，增加了土壤碳庫的礦化，導(dǎo)致農(nóng)田土壤有機碳庫減少[42]，而果園土壤相對農(nóng)田土壤擾動較少，果園郁閉度較高，土壤溫度比農(nóng)田土壤低，有利于土壤有機碳的累積[43]，另一方面果樹屬于多年生植物，植被覆蓋度大，根系發(fā)達，根系分泌物質(zhì)較多且周轉(zhuǎn)較快[44-46]。不同土地利用方式下0～40 cm土層土壤有機碳儲量占總碳儲量的百分比占絕對優(yōu)勢，40～100 cm土層隨土層深度的增加，土壤有機碳含量逐漸減少，所以土壤有機碳儲量份額比也逐漸降低。

土地利用變化過程中，不同土地利用方式和管理措施對土壤有機碳的影響程度因氣候、土壤、生物和土地管理措施的不同而存在較大的差異[7]，正如與研究結(jié)果截然相反的結(jié)論：認為農(nóng)田轉(zhuǎn)化為果園降低了土壤有機碳含量[47]，這些研究說明土地利用變化對土壤有機碳的影響過程和影響機制是非常復(fù)雜的，研究時既要充分考慮區(qū)域的差異性，還要考慮時間的尺度效應(yīng)[48]。

4 結(jié) 論

阿克蘇地區(qū)不同土地利用方式下，土壤有機碳含量范圍0.23～10.30 g/kg，1 m深土層有機碳儲量范圍2.21～14.31 t/hm2，垂直分布看，0～40 cm土層是有機碳儲存的主要土層(份額比大于56.9%)，隨深度增加而減少。農(nóng)田轉(zhuǎn)化為果園或果農(nóng)間作及撂荒地改建為果園后，均有利于土壤有機碳含量的提高，其中0～30 cm土層各層土壤有機碳含量均有顯著提高(P<0.05)。不同土地利用方式下各土層土壤有機碳含量及碳儲量均表現(xiàn)為棗麥間作>單作棗園>單作小麥>荒地單作棗園>撂荒地。棗麥間作系統(tǒng)與其他土地利用方式相比均具有較高的固碳潛力。