龍娟，廖宇琴，文首鑫，木志堅(jiān)，3*，楊志敏

（1.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400716；2.重慶市農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400716；3.農(nóng)業(yè)部西南耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400716）

由于人類過度使用化石燃料，大氣中CO2濃度從工業(yè)化前的 280 μmol·mol-1上升到 2018 年的 407 μmol·mol-1。在過去的 10 a 中，人們觀察到的 CO2濃度以每年2.3 μmol·mol-1的速度增長(zhǎng)，約為自然變化速度的100 倍[1-3]。同時(shí)，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，溫室氣體的排放仍將持續(xù)升高[4-5]。土壤有機(jī)碳庫(kù)作為全球陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫(kù)，其碳含量（約1 550 Gt）遠(yuǎn)高于大氣碳庫(kù)與陸地植被碳庫(kù)[6-8]，其微小的變化就會(huì)導(dǎo)致大氣中CO2濃度發(fā)生較大波動(dòng)，土壤固定碳的能力在很大程度上決定著大氣中CO2的濃度[8-11]。因此，增加土壤固碳量是降低土壤碳排放的有效措施。

有機(jī)碳在土壤中的固定主要通過以下3 種方式：一是物理保護(hù)作用，即有機(jī)碳與土壤團(tuán)聚體等發(fā)生閉塞、嵌入作用；二是化學(xué)保護(hù)作用，即土壤礦物通過配位體交換、范德華力和高階陽(yáng)離子鍵橋等作用固定土壤有機(jī)碳；三是生物化學(xué)保護(hù)作用，即有機(jī)碳通過自身的分子組成產(chǎn)生的抗降解性[12-13]。土壤活性鐵鋁礦物（如水鋁英石、水鐵礦、鐵鋁水合氧化物等）[14]作為土壤礦物的重要組成部分，是土壤中最常見的次生礦物，其表面活性高，常以配位交換、陽(yáng)離子架橋等方式固定有機(jī)碳。目前，已經(jīng)有大量研究發(fā)現(xiàn)鐵鋁礦物對(duì)沉積物[15]、凍土[16]、森林土壤[17]和農(nóng)業(yè)土壤的有機(jī)碳固定起著重要作用[18-19]。

Aran 等[20]對(duì)水稻土壤的研究發(fā)現(xiàn)與鐵鋁結(jié)合的有機(jī)碳具有較高的穩(wěn)定性。周萍等[21]對(duì)南方典型稻田土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳的結(jié)合狀態(tài)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，稻田土壤中的有機(jī)碳主要以鐵鋁結(jié)合態(tài)有機(jī)碳在土壤中固存。Huang 等[18]的研究表明，施有機(jī)肥可以有效提高水稻土的鐵礦物固碳量。盡管現(xiàn)有的研究表明活性鐵鋁礦物固碳是農(nóng)田土壤中碳長(zhǎng)期積累的重要機(jī)制，但目前還是缺少對(duì)不同耕作制度與土壤類型下的農(nóng)田土壤中活性鐵鋁礦物固碳的定量分析及影響因素的研究。

渝西地區(qū)耕地面積約1.19×106hm2，占全市耕地總面積的46.53%，是重慶市的農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)[22-23]，其土壤類型和種植作物類型基本涵蓋了重慶地區(qū)主要土壤類型和作物品種，具有一定的代表性。選擇渝西典型農(nóng)田土壤作為研究對(duì)象，量化渝西不同地區(qū)的農(nóng)田土壤中活性鐵鋁礦物固碳量（OCFe-Al），并探討不同耕作制度與土壤類型下農(nóng)田土壤TOC、OCFe-Al的差異性特征，對(duì)于深刻認(rèn)識(shí)土壤碳的固持狀態(tài)及其可持續(xù)管理具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為渝西地區(qū)（105°17′25″～107°27′33″E，28°27′28″～30°50′03″N），包括北碚、合川、璧山、潼南、銅梁、大足、榮昌、永川、江津、綦江、南川11 個(gè)區(qū)縣，其總面積約為19 580 km2，海拔在168～900 m，屬于典型的亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，年均氣溫為15～18 ℃，年均降雨量為1 000～1 210 mm，是重慶市的農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)。

1.2 土壤樣品采集

以土壤分布比例為基礎(chǔ)，按照區(qū)縣和土壤類型確定采樣點(diǎn)（圖1），選擇遠(yuǎn)離工業(yè)區(qū)和城區(qū)的典型農(nóng)田作為樣地，按0～30、30～60 cm 和60～100 cm 深度分層采樣。樣品采集遵守等量、隨機(jī)和多點(diǎn)混合的原則，每個(gè)剖面同一層次、不同位置分別采集4 個(gè)樣品作為該層的混合土樣。本研究共計(jì)61塊采樣地，183個(gè)剖面土樣。樣地按土壤類型分，包括紫色土25 塊、水稻土20塊、石灰?guī)r土4塊、黃壤5塊、潮土7塊；按耕作制度分，包括旱地 41 塊、水田 8 塊、水旱輪作12 塊；按作物類型分，長(zhǎng)期種植 C3 作物的有 26 塊、C4 作物 4 塊、C3 和C4 作物輪作31 塊（附表1，掃描文章首頁(yè)OSID碼瀏覽）。

1.3 土樣分析

將采集的土壤樣品自然風(fēng)干后，去除其中的石礫、動(dòng)植物殘?bào)w等雜質(zhì)，按四分法取樣，研磨后，過10目和200目篩。

1.3.1 pH的測(cè)定

稱取過10 目篩的土樣2.000 g，加入10 mL 純水，用雷磁PHS-3E型pH計(jì)測(cè)定土壤pH值。

1.3.2 總有機(jī)碳（TOC）的測(cè)定

稱取 pH＞6.5 的過 200 目篩的土樣 0.500 g，加入過量2 mol·L-1的鹽酸，反應(yīng)24 h以去除土壤中的碳酸鹽，低溫烘干后用元素分析儀（Elementar Vario Pyro Cube）測(cè)定土樣總有機(jī)碳含量。pH＜6.5 的土樣不經(jīng)過鹽酸處理，直接稱樣測(cè)定[17]。

1.3.3 OCFe-Al的測(cè)定

活性鐵鋁礦物固定的有機(jī)碳參考Kramer 等[14]的方法進(jìn)行提取，具體步驟如下：稱取過10 目篩的土樣1.000 g，加入事先調(diào)節(jié) pH 至 7.3 的 0.1 mol·L-1連二亞硫酸鈉-0.2 mol·L-1焦磷酸鈉混合溶液（簡(jiǎn)稱DP 溶液）20 mL。50 ℃水浴30 min，每隔5 min 振蕩一次。用碳氮分析儀（Multi N/C 2100）測(cè)定浸提后溶液中有機(jī)碳含量（OCA），每個(gè)樣品測(cè)3組平行。改用純水，以上述同樣步驟測(cè)定水溶性有機(jī)碳含量（OCw）。同時(shí)，測(cè)定DP 溶液的有機(jī)碳含量（OCDP）。則OCFe-Al=OCAOCw-OCDP。

用石墨爐-原子吸收分光光度計(jì)（AA-6880G）測(cè)定上述兩種浸提后溶液中的Fe、Al含量。

1.4 氣象及地形參數(shù)

采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度及海拔高度信息由GPS 儀采集記錄。采樣點(diǎn)的坡度信息以重慶地區(qū)分辨率10 m×10 m 的數(shù)字高程模型（DEM）為源數(shù)據(jù)，由ArcGIS 10.2 的 3D Analyst 模塊計(jì)算獲得（DEM 數(shù)據(jù)由成都水經(jīng)注信息科技有限公司提供）；根據(jù)我國(guó)《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》對(duì)耕地坡度進(jìn)行劃分[24]，坡度≤6°的土地為平地，6°～25°為緩坡地，＞25°為陡坡地。

1.5 數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用Origin 8.0 對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行作圖，利用SPSS 22.0 對(duì)OCFe-Al與土壤理化性質(zhì)進(jìn)行Pearson 相關(guān)性分析，采用單因素方差分析（ANOVA）加多重比較（LSD）法分析不同土壤類型、耕作制度、地形下TOC、OCFe-Al及OCFe-Al/TOC的差異。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤有機(jī)碳的剖面分布特征

表1 為渝西地區(qū)土壤總有機(jī)碳（TOC）、活性鐵鋁礦物固碳量（OCFe-Al）以及水溶性有機(jī)碳（OCw）的剖面分布特征。表層、中層、底層土壤TOC 含量范圍分別為2.23～18.20、1.42～10.60、0.89～7.77 g·kg-1，均值分別為 8.05、4.64、3.03 g·kg-1。表層、中層、底層土壤OCFe-Al范圍分別為0.60～3.94、0.51～2.88、0.47～2.28 g·kg-1，均值分別為2.02、1.37、1.14 g·kg-1。表層、中層、底層土壤中OCW含量范圍分別為0.06～0.38、0.02～0.27、0～0.23 g·kg-1，均值分別為 0.19、0.10、0.07 g·kg-1。TOC、OCFe-Al以及OCW量均表現(xiàn)為表層＞中層＞底層。

對(duì)比可以看出，3個(gè)土層的OCFe-Al都遠(yuǎn)高于水溶性有機(jī)碳量，OCFe-Al占土壤總有機(jī)碳的12.8%～83.6%，3層平均為35.4%，而水溶性有機(jī)碳只占土壤總有機(jī)碳的0.1%～11.6%，3 層平均為2.6%。結(jié)果表明，40%左右的土壤有機(jī)碳以活性鐵鋁礦物固定的方式貯存在土壤中，鐵鋁礦物在提高土壤碳儲(chǔ)量上具有重大潛力。

活性鐵鋁礦物固碳量在總有機(jī)碳中的占比（OCFe-Al/TOC）表現(xiàn)為底層（均值為46.4%）＞中層（均值為33.5%）＞表層（均值為26.5%），隨著土壤深度增加呈上升趨勢(shì)。底層土中被鐵鋁礦物固定的有機(jī)碳占比顯著高于表層、中層土壤（P＜0.01），說明底土在增加土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量上有不可忽視的作用。Rachel等[25]的研究表明金屬礦物與有機(jī)碳的復(fù)合體不會(huì)在表層土壤中持續(xù)存在且可以在土壤剖面中遷移，這可能是底土OCFe-Al/TOC 更高的原因。同時(shí)，Bai 等[26]的研究表明，在淀積層土壤中，鐵鋁礦物對(duì)土壤有機(jī)碳固定的貢獻(xiàn)最大，而在淋溶層土壤中固碳主要是硅酸鹽礦物，所以底土的OCFe-Al/TOC更大。這可能指示了種植具有深生根形狀的農(nóng)作物或者深耕土壤在提高土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量上具有一定可行性。

表1 渝西地區(qū)土壤TOC、OCFe-Al以及OCw的剖面分布特征（g·kg-1）Table 1 Distribution characteristics of TOC and OCFe-Al and OCw profile in western Chongqing（g·kg-1）

2.2 土壤理化性質(zhì)對(duì)OCFe-Al的影響

對(duì)土壤OCFe-Al與土壤理化性質(zhì)進(jìn)行相關(guān)性分析（表2），結(jié)果表明，土壤OCFe-Al和Fe、Al 含量均呈顯著正相關(guān)（P＜0.01）。Chasse 等[27]的研究表明，鐵鋁礦物的形態(tài)與含量都與土壤固碳量密切相關(guān)，鐵鋁氧化物含量越高，土壤固碳量越高。土壤中鐵鋁礦物的含量越高，土壤對(duì)有機(jī)碳的固定量越高[28-29]。

土壤OCFe-Al和pH 之間呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）。即隨著土壤pH 的增加，OCFe-Al呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)。這與 Saidy 等[29]、Mayes 等[30]的研究結(jié)果相同，其原因是土壤pH 的降低會(huì)使得土壤活性鐵、鋁含量增加[31]，同時(shí)還會(huì)影響礦物表面的電荷，調(diào)節(jié)有機(jī)碳的酸性官能團(tuán)，從而促進(jìn)礦物與有機(jī)碳的相互作用[18]。

土壤OCFe-Al和TOC 之間呈顯著正相關(guān)（P＜0.01），隨著土壤TOC 的增加，OCFe-Al呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。這與Moore 等[32]的研究結(jié)果相同。這表明，在采用秸稈還田等保護(hù)性農(nóng)業(yè)管理措施時(shí)，能在一定程度上增加土壤OCFe-Al[10，33]，提高土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性。

2.3 不同土壤類型對(duì)OCFe-Al的影響

本研究的土壤類型包括紫色土、石灰?guī)r土、黃壤、潮土以及水稻土。各層土壤的OCFe-Al的大小有一定差異（圖2a）。整體而言，3 層土壤的OCFe-Al表現(xiàn)為石灰?guī)r土最高，平均為1.83 g·kg-1，紫色土最低，平均為1.39 g·kg-1。研究區(qū)不同土壤類型的 OCFe-Al在 3 個(gè)土壤剖面中存在差異；表層土中，石灰?guī)r土顯著高于紫色土、黃壤和潮土（P＜0.05），具體表現(xiàn)為石灰?guī)r土＞水稻土＞黃壤＞潮土＞紫色土。中層土中，表現(xiàn)為石灰?guī)r土＞黃壤＞水稻土＞紫色土＞潮土，但不同類型間差異未達(dá)顯著水平。各土壤類型的底層土壤OCFe-Al差異均未達(dá)到顯著性水平。不同剖面上，黃壤、石灰?guī)r土和水稻土的OCFe-Al3 層之間均存在顯著性差異（P＜0.05），而紫色土、石灰?guī)r土、潮土及水稻土的表層OCFe-Al與中層、底層均有顯著差異（P＜0.05），但中層、底層間OCFe-Al差異不顯著。

表2 土壤理化性質(zhì)與OCFe-Al的相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis between soil physical and chemical properties and OCFe-Al

不同土壤類型的 TOC、OCFe-Al及 OCFe-Al/TOC 表現(xiàn)出相似的趨勢(shì)（圖2），說明各土壤類型間OCFe-Al的差異主要不是由TOC 含量決定的。除底層土外，石灰?guī)r土中OCFe-Al的含量顯著高于其他土壤類型，且OCFe-Al/TOC 在3 層中均為最高。石灰?guī)r土中含有更多的Ca2+，鈣能夠以三元絡(luò)合物的形式促進(jìn)鐵礦物對(duì)有機(jī)碳的固定[34]。Sowers等[35]分析了在無鈣和有鈣的情況下，鐵礦物吸附的有機(jī)碳量，顯示其吸附有機(jī)碳量與Ca2+高度相關(guān)（R2=0.91）且能促進(jìn)芳香族和酚類部分的吸附；其研究表明Ca2+與有機(jī)碳具有很高的共締合作用，能夠增加結(jié)晶性差的鐵礦物對(duì)有機(jī)碳的吸附。Setia 等[36]的研究結(jié)果也表明Ca2+能夠強(qiáng)烈促進(jìn)有機(jī)碳與礦物表面的橋連，減少有機(jī)碳淋失，提高土壤固碳量。同時(shí)，分析發(fā)現(xiàn)，石灰?guī)r土相比其他土壤類型而言，鋁含量顯著高，鐵含量無顯著差異（附表2，掃描文章首頁(yè)OSID 碼瀏覽）。因此，其OCFe-Al的含量高于其他土壤類型的原因可能是更多的鋁礦物與有機(jī)碳間的固定作用。其次，石灰?guī)r土的TOC是顯著高于其他土壤類型的（圖2b），由于OCFe-Al與TOC呈顯著正相關(guān)（表1），所以石灰?guī)r土的OCFe-Al的含量更高。

2.4 不同耕作制度對(duì)OCFe-Al的影響

研究區(qū)內(nèi)耕作制度有3 種：水田、旱地以及水旱輪作用地。不同耕作制度對(duì)土壤OCFe-Al的影響因土壤深度不同而有所差異，表層土壤OCFe-Al表現(xiàn)為水旱輪作＞水田＞旱地；中層為水旱輪作＞旱地＞水田；底層為水田＞旱地＞水旱輪作（圖3a）。3 層土壤的OCFe-Al表現(xiàn)為水旱輪作用地最高，平均為1.65 g·kg-1，旱地最低，平均為1.50 g·kg-1。水旱輪作用地的OCFe-Al在表層、中層土壤中高于水田與旱地，而中層、底層土的OCFe-Al在不同耕作制度下均無顯著差異。不同剖面上，表層與中層、底層之間OCFe-Al存在顯著性差異（P＜0.01），而中層與底層土壤中OCFe-Al的差異未達(dá)顯著水平。

圖3c 中，OCFe-Al/TOC 在3 個(gè)土壤剖面上均表現(xiàn)為水旱輪作＞旱地＞水田，這表明了在輸入相同的有機(jī)碳情況下，水田的OCFe-Al最低，水旱輪作用地最高，即在這3 種耕作制度中，OCFe-Al對(duì)水旱輪作土壤碳庫(kù)的貢獻(xiàn)率最大。水旱輪作用地OCFe-Al較高的原因，首先可能是水旱輪作的pH 低于旱地和水田（附表3，掃描文章首頁(yè)OSID 碼瀏覽），在酸性土壤中，較低的pH 條件更利于有機(jī)-礦物復(fù)合體的形成[18]；其次，水田的完全厭氧環(huán)境會(huì)導(dǎo)致還原反應(yīng)，更易于有機(jī)碳結(jié)合的三價(jià)鐵礦物還原，破壞Fe-OC 復(fù)合體的結(jié)構(gòu)，所以盡管水田的TOC含量最高（圖3b），但其OCFe-Al低于水旱輪作[37-38]。水旱輪作的干濕交替過程還會(huì)導(dǎo)致特殊的氧化還原電位波動(dòng)，增強(qiáng)土壤礦物的還原風(fēng)化和淋溶過程，鐵、鋁等元素離析而濃聚，使游離氧化鐵鋁礦物積累，在這個(gè)過程中，有機(jī)質(zhì)與礦物的相互作用更加活躍[39]。最后，由于活性鐵鋁礦物對(duì)含有不同官能團(tuán)的有機(jī)碳的固定能力不同，其更易吸附疏水性強(qiáng)的芳香族組分和含羧基官能團(tuán)的組分[40-41]，因此輸入土壤的有機(jī)碳官能團(tuán)種類及疏水性等[40]也會(huì)影響鐵鋁礦物固碳。

2.5 不同地形對(duì)OCFe-Al的影響

平地OCFe-Al范圍為 1.19～2.06 g·kg-1，平均1.53 g·kg-1；緩坡地OCFe-Al范圍為 1.14～2.06 g·kg-1，平均1.54 g·kg-1；陡坡地 OCFe-Al范圍為 0.88～1.14 g·kg-1，平均0.97 g·kg-1（圖4）；陡坡地OCFe-Al在表層、中層、底層都顯著低于平地與緩坡地（P＜0.05），而緩坡地與平地間無顯著差異。在不同剖面上，3 種坡度土壤的表層與中層、底層土OCFe-Al均有顯著差異（P＜0.05），除緩坡地外，中層、底層土壤OCFe-Al無顯著差異。

從圖 4可以看出，土壤 OCFe-Al、TOC 及 OCFe-Al/TOC的平均變化趨勢(shì)基本一致，表現(xiàn)為平地＞緩坡地＞陡坡地。分析發(fā)現(xiàn)，3 種地形下，土壤的 pH、Fe、Al 含量均無明顯差異（附表4，掃描文章首頁(yè)OSID 碼瀏覽），而緩坡地的TOC 顯著低于平地與緩坡地，有研究表明在水土流失嚴(yán)重的情況下，土壤有機(jī)碳的數(shù)量和組分等特征會(huì)受到不同程度的影響[42]，而活性鐵鋁礦物對(duì)含有不同類型有機(jī)碳的固定能力有差異，陡坡地相較于平地與緩坡地，水土流失嚴(yán)重，導(dǎo)致土壤TOC 含量以及組分與平地和緩坡地存在差異，這可能是緩坡地的OCFe-Al低于平地與緩坡地的原因。

3 結(jié)論

（1）平均而言，活性鐵鋁礦物固碳量占渝西農(nóng)田土壤總有機(jī)碳的35.4%，是農(nóng)田土壤碳庫(kù)的重要組成部分，表明活性鐵鋁礦物固碳對(duì)提高土壤碳庫(kù)量具有重要意義。

（2）土壤類型、耕作制度、地形的不同會(huì)影響活性鐵鋁礦物對(duì)有機(jī)碳的固定。在本研究中，石灰?guī)r土中的活性鐵鋁礦物平均固碳量最高，紫色土最低；水旱輪作用地的活性鐵鋁礦物平均固碳量最高，旱作用地最低；陡坡地中的活性鐵鋁礦物平均固碳量最低，平地與緩坡地?zé)o明顯差異。

（3）活性鐵鋁礦物固碳量與土壤TOC、Fe 和Al 含量均呈顯著正相關(guān)（P＜0.01），與土壤pH 呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）。