典型黑土區不同生態系統土壤團聚體有機碳分布特征

苑亞茹, 李 娜, 鄒文秀, 尤孟陽, 韓曉增,*, 馬大龍

1 哈爾濱師范大學地理科學學院,哈爾濱 150025 2 中國科學院東北地理與農業生態研究所,黑土區農業生態院重點實驗室,哈爾濱 150081

土壤有機碳(SOC)對于維持土壤肥力和農業可持續發展,緩解溫室氣體增加和全球氣候變化的影響具有重要的雙重意義[1]。SOC取決于土壤有機物質的輸入量和輸出量的動態平衡,不同生態系統既可以通過影響地表凈初級生產量和死亡有機物質的滯留量直接影響植物殘體的輸入,也可以通過潛在改變土壤的生物、化學與物理過程而間接影響輸出[2],因此,生態系統類型是影響SOC水平的重要因素。關于生態系統類型對SOC影響的研究已有大量報道,然而其對SOC的變化方向以及數量大小的影響仍存在很大的差異及不確定性,可能與區域自然條件、植被類型、土壤類型、管理措施、試驗時間的長短等因素有關[3]。

土壤有機碳變化對不同生態系統的響應通常是相對較慢的過程,同時相對于SOC背景值較高的土壤,其變化又是很小的。因此,將SOC分為具有不同周轉周期和生物穩定性的有機碳組分,并定量相應碳庫的容量是進行SOC動態變化研究的基礎。目前,基于土壤團聚體分級的物理分組方法被廣泛應用于SOC的動態研究之中[4- 5]。由于土壤團聚體對SOC保護機制的不同,有機碳在不同粒徑團聚體以及團聚體內部組分中的穩定程度不同。一般而言,粉粘粒通過物理或物理化學機制與有機碳緊密結合,比大團聚體和微團聚體更具穩定性；微團聚體對土壤有機碳的保護程度大于大團聚體[6]。土壤團聚體可進一步分為顆粒有機質和粉粘粒兩種組分。由于微團聚體和大團聚體本身穩定性的差異,微團聚體,尤其是閉蓄態微團聚體中細顆粒有機質穩定性較強[7],而大團聚體中粗顆粒有機質穩定性相對較差[8]。因此,從土壤有機碳物理穩定性上,基于團聚體分級得到的粗顆粒有機質、細顆粒有機質和粉粘粒組分,分別對應活性碳庫、慢性碳庫和惰性碳庫等3個概念庫[9]?；趫F聚體分級將土壤有機碳進行分組并定量研究相應碳庫的容量,將有助于理解不同生態系統下土壤有機碳的變化及潛在機制。

東北自然黑土富含有機質,土壤結構良好,0—12 cm表土層>250 μm水穩性團聚體比例可達88%[10]。但黑土開墾為農田后,表層水穩性大團聚體含量迅速減少[11],土壤有機質急劇下降。前人已開展了生態系統類型對黑土總有機碳儲量和團聚體粒級分布的影響研究[12- 14],然而尚缺乏對不同生態系統下土壤團聚體,尤其團聚體內部組分有機碳的定量研究。本研究利用典型黑土區27年長期定位試驗,在氣候、母質、地形和開墾歷史等因素相同的條件下,研究草地生態系統、農田生態系統和裸地生態系統下土壤團聚體及團聚體內部組分中有機碳的分布,解析不同生態系統類型下黑土團聚體和有機碳固持間的關系,從團聚體尺度揭示黑土有機碳的物理穩定性機制。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

試驗位于海倫農田生態系統國家野外科學觀測研究站(47°26′N,126°38′E),地處我國東北黑土帶的中心區域,海拔240 m。該區域屬于溫帶大陸性季風氣候,年均氣溫1.5℃,年均降水量550 mm,80%集中在5—9月。作物有效生長季為120—130 d,生長季≥10℃有效積溫為2450—2500℃,全年日照時數2600—2800 h,無霜期120 d左右。季節性凍層發育時間從每年10月末開始,最大凍層發育深度為185—227 cm,翌年3月開始融凍,直至7月上旬化通,歷時240 d左右。土壤為第四紀黃土狀亞粘土發育而成的中厚黑土。研究區有100 年以上的墾殖歷史,開墾前自然植被類型為草原化草甸。

1.2 試驗設計與樣品采集

長期定位試驗始于1985年,設置3種生態系統：(1)草地生態系統(Grassland),退耕休閑至今,不加任何管理,草原化草甸植被自然恢復,主要植被有狗尾草(Leymuschinesis)、苔草(Caressp.)、問荊(Equisetumarvense)等；(2)裸地生態系統(Bare land), 每年在植物生長初期定期將植物人工鏟除,保持土壤裸露狀態；(3)農田生態系統 (Farmland),作物種植方式為小麥-玉米-大豆輪作,一年一熟制,采用傳統耕作方式,作物生長季進行4—6次耕作,耕作深度為20 cm,秋季收獲后作物地上部全部移除。作物施肥量為小麥120.0 kg N/hm2、55.0 kg P2O5/hm2；玉米150.0 kg N/hm2、75.0 kg P2O5/hm2； 大豆32.3 kg N/hm2、82.4 kg P2O5/hm2。農田生態系統設置3個試驗小區即3次重復,小區面積為224 m2；草地和裸地面積分別為10000 m2和6670 m2,由于兩者面積較大,因此,分別隨機選擇3個樣方作為重復。土壤樣品于作物收獲后采集,采樣深度為0—20 cm。采樣時將土壤表面的植被和枯草小心鏟除,每個小區/樣方隨機選擇5個取樣點,然后將土壤樣品均勻混合為1個混合土樣,用硬紙盒將土樣帶回實驗室,手動剔除礫石、侵入體及粗有機體。當土塊含水量達到塑限時,用手把大土塊沿自然破碎面扳開,待樣品完全風干后,備用。1985年試驗開始時耕層土壤肥力性狀如下：pH 6.2,有機碳31.3 g/kg,全氮 3.0 g/kg,有效磷25.8 mg/kg,速效鉀191 mg/kg。供試土壤基礎理化性質見表1。

表1 供試土壤的基本性質

1.3 土壤分級方法

土壤樣品按圖1所示流程進行分級[9]。第一步：團聚體分級采用濕篩法,得到>2000 μm團聚體(LM),250—2000 μm團聚體(SM)、微團聚體(m, 53—250 μm)和粉粘粒(S&C, <53 μm)；第二步：按全土中>2000 μm團聚體 (LM) 和250—2000 μm團聚體 (SM) 的質量百分比稱取大團聚體(M,>250 μm)15 g,采用微團聚體分離裝置進行分離,得到粗顆粒有機質(cPOM_M)、閉蓄態微團聚體(mM)和粉粘粒(S&C_M)；第三步：采用0.5%六偏磷酸鈉溶液分離微團聚體(m),得到細顆粒有機質(fPOM_m)和粉粘粒(S&C_m)；第四步：采用0.5%六偏磷酸鈉溶液分離閉蓄態微團聚體(mM),得到細顆粒有機質(fPOM_mM)和粉粘粒(S&C_mM)。所有組分于60℃烘干稱重。將各步篩分后得到的組分按粒徑大小進行歸類統計,得到總粗顆粒有機質(>250 μm, total cPOM)、總細顆粒有機質(53—250 μm, total fPOM)和總粉粘粒(<53 μm, total S&C)。

圖1 土壤篩分流程圖Fig.1 Fractionation scheme to isolate aggregate and aggregate associated C fractionstotal cPOM：總粗顆粒有機質,total coarse particulate organic matter；total fPOM：總細顆粒有機質,total fine particulate organic matter；total S&C：總粉黏粒,total silt and clay particles

1.4 分析方法與數據處理

土壤全土、團聚體及團聚體內部組分有機碳采用元素分析儀測定(Heraeus Elementar Vario EL,Hanau,Germany),因黑土中不含碳酸鹽,土壤總碳即有機碳；團聚體穩定性指標采用平均重量直徑(Mean Weight Diameters, MWD)進行描述[4]。不同處理間的差異顯著性通過SPSS 16.0采用LSD法進行統計分析,顯著性檢驗設P<0.05。

2 結果與分析2.1 土壤團聚體及團聚體內部組分的質量分布

不同生態系統下土壤各粒級水穩性團聚體及其內部組分的質量分布如表2所示。草地土壤以大團聚體與農田相比,草地土壤大團聚體含量顯著增加,尤其是>2000 μm團聚體含量增加明顯,約為農田處理的15倍,而微團聚體和粉黏粒含量顯著降低,分別下降70%和51%。草地大團聚體內部組分較農田均有顯著增加,其中cPOM_M、mM和S&C_M分別為農田土壤的10.8倍、1.6倍和1.8倍；mM內部組分中fPOM_mM和S&C_mM分別為農田的2.4倍和1.4倍。微團聚體內部組分fPOM_m和S&C_m含量均顯著下降,分別降低48%和76%。裸地土壤大團聚體和微團聚體較農田均有所下降,粉黏粒含量顯著增加。裸地土壤大團聚體含量的下降主要表現為大團聚體中mM的減少,其中粉黏粒(S&C_mM)減少明顯。

表2 不同生態系統土壤團聚體及其內部組分的質量分數/%

M: 大團聚體(>250 μm) macroaggregate; LM: >2000 μm 團聚體large macroaggregate; SM: 250—2000 μm團聚體small macroaggregate; m: 微團聚體(53—250 μm) microaggregate; S&C: 粉黏粒 (<53 μm) free silt and clay particles; cPOM_M: 大團聚體中粗顆粒有機質 (>250 μm) coarse particulate organic matter (POM) within macroaggregate; mM: 閉蓄態微團聚體 (53—250 μm) microaggregate within macroaggregate; S&C_M: 粉黏粒(<53 μm) silt and clay particles within macroaggregate; fPOM_mM: 閉蓄態微團聚體中細顆粒有機質(53—250 μm) fine POM within mM; S&C_mM: 閉蓄態微團聚體中粉黏粒 (<53 μm) silt and clay particles within mM; fPOM_m: 微團聚體中細顆粒有機質(53—250 μm) fine POM within microaggregate; S&C_m: 微團聚體中粉黏粒(<53 μm) silt and clay particles within microaggregate. 同行不同字母代表不同處理間同一組分顯著差異(P<0.05) Different letters in the same column mean significant difference among treatments at 0.05 level(M, >250 μm)為主要存在形式,>2000 μm團聚體(LM)和250—2000 μm團聚體(SM)之和達77%,而微團聚體(m)和粉黏粒(S&C)所占比例相對較小,占土壤總重的10%—12%；農田和裸地各粒級土壤團聚體含量的大小趨勢相同,均為m> SM > S&C> LM。

圖2 不同生態系統下土壤水穩性團聚體的平均重量直徑 Fig.2 The mean weight diameters (MWD) of water-stable aggregates of soils of different ecosystems

不同生態系統下土壤水穩性團聚體的平均重量直徑比較指出,與農田相比,草地土壤團聚體的平均重量直徑顯著增加,約為農田處理的3.2倍, 增加了土壤團聚體的穩定性；裸地土壤團聚體的平均重量直徑略低于農田,但統計上差異并不顯著(圖2)。

2.2 土壤總有機碳、土壤團聚體及團聚體內部組分中有機碳的分布

不同生態系統下土壤總有機碳(TOC)含量以如下趨勢遞減：草地>農田>裸地(表3)。與農田相比,草地土壤有機碳顯著增加至32.7 g C/kg土,增幅7.6%；裸地土壤有機碳顯著下降至26.1 g C/kg土,降幅為14.1%。不同生態系統下有機碳在不同粒徑團聚體中的分布存在明顯差異(表3)。草地土壤有機碳主要賦存于大團聚體(>250 μm),所占比例高達80%,而微團聚體和粉黏粒中有機碳比例相對較小,分別為13%和7%；農田和裸地土壤有機碳主要分布于微團聚體和大團聚體,兩者所占比例相當,為35%—42%。

草地大團聚體中有機碳含量顯著高于農田,為農田土壤的2.1倍,且內部各組分有機碳含量均有顯著增加,其中cPOM_M、mM和S&C_M有機碳含量增幅分別為600%、54%和65%；微團聚體和粉黏粒有機碳含量均顯著下降,分別降低66%和54%；微團聚體內部組分fPOM_m和S&C_m中有機碳分別降低45%和79%。與農田相比,裸地土壤粉黏粒(S&C)中有機碳含量增加,大團聚體和微團聚體及其內部各組分有機碳均有所下降。

表3 不同生態系統下土壤總有機碳、土壤團聚體及團聚體內部組分中有機碳的分布/ (g C/kg土)

2.3 土壤總粗顆粒有機質、總細顆粒有機質和總粉粘粒含量及其有機碳含量

如圖3所示,不同生態系統土壤均以總粉黏粒(total S&C)含量最高。 total S&C含量大小趨勢為裸地>農田>草地,質量分數分別為87%、84%和67%；與total S&C含量趨勢相反,總細顆粒有機質(total fPOM)大小順序為草地>農田>裸地,質量分數分別為17%、15%和12%；總粗顆粒有機質(total cPOM)草地含量最高,約占16%,農田和裸地含量很小,僅占1%左右。

不同生態系統影響有機碳在土壤各組分中的分布(圖4)。草地、農田和裸地有機碳在total cPOM、total fPOM和total S&C分配比例分別為25%∶23%∶52%、3%∶23%∶73%和 2%∶19%∶79%。各處理均以total S&C有機碳含量最高,所占比例為52%—79%。與農田相比,草地并沒有改變total fPOM有機碳含量,盡管小幅度降低了total S&C有機碳含量,但顯著提高了total cPOM有機碳含量,其有機碳的增量為6.8 g C/kg土,約為草地與農田土壤總有機碳增量的3倍,因此,從總體看,草地土壤有機碳的累積主要歸因于total cPOM有機碳的增加。裸地與農田土壤total cPOM和total S&C有機碳含量差異不顯著,而total fPOM有機碳含量顯著低于農田?？梢?裸地土壤有機碳的損失主要歸因于total fPOM的減少,對總有機碳損失的貢獻率為60%。

圖3 不同生態系統土壤總粗顆粒有機質、總細顆粒有機質和總粉粘粒的質量分數Fig.3 Weight proportion of total coarse particulate organic matter, total fine particulate organic matter and total silt and clay particles in soils of different ecosystems

圖4 不同生態系統土壤總粗顆粒有機質、總細顆粒有機質和總粉粘粒中有機碳含量Fig.4 Carbon amount in total coarse particulate organic matter, total fine particulate organic matter and total silt and clay particles in soils of different ecosystems

3 討論

土壤有機碳水平取決于土壤有機物質輸入量與輸出量之間的動態平衡,其對不同生態系統類型的響應明顯。經過27年3種生態系統類型土壤有機碳總量發生明顯分異,植被自然恢復的草地生態系統最高,農田生態系統居中,無植被覆蓋的裸地生態系統最低。從碳輸入量看,農田生態系統的作物收獲后秸稈全部移除生態系統,僅有部分根茬歸田,而草地作為自然生態系統每年有大量的植物殘體及根系歸還土壤,草地碳輸入量(6872 kg C/hm2)顯著高于農田(242 kg C/hm2)[15]；從碳輸出量看,草地生態系統全年土壤碳排放總量(4786 kg C/hm2)顯著高于農田生態系統(4224 kg C/hm2)[15]。表明,草地生態系統碳累積量(碳輸入與碳輸出之差)高于農田生態系統,土壤處于碳積累的過程。裸地生態系統盡管全年土壤碳排放總量3種生態系統中最低(2025 kg C/hm2)[15],但由于長期無外源有機碳的輸入,因此,土壤處于碳損失過程。農田土壤總有機碳高于裸地體現了在傳統耕作和秸稈移除的條件下,源于作物根系及根系分泌物的碳輸入對農田土壤有機碳的保持起著重要的作用。

不同生態系統下土壤有機膠結物質的變化驅動土壤團聚體組成發生分異,進而影響SOC在不同粒徑團聚體中的分配。農田經過27年植被自然恢復為草地后,土壤有機碳含量增加至32.7 g/kg,土壤團聚化程度大幅度提高,平均重量直徑達1.74 mm(圖2)。苑亞茹等[16]基于鄰近地塊長期定位試驗的結果顯示,在傳統耕作條件下,長期有機無機配施的農田黑土有機碳含量為39.4 g/kg,而平均重量直徑僅為0.74 mm。對比分析表明,不同耕作體系下土壤團聚化程度的高低取決于有機碳的質量即有機膠結劑的類型,而不是有機碳的數量。根據團聚體等級發育模型,根系和真菌菌絲是大團聚體的主要膠結劑,而腐殖性有機物是微團聚體的膠結劑[17]。草地土壤以大團聚體占有絕對優勢,尤其>2000 μm團聚體含量顯著高于農田和裸地,這與草被植物根系的作用直接相關。作為自然生態系統的草地生態系統根密度顯著高于農田,約為農田的23倍[18],草被植物根系包括死亡根系通過纏繞和聯結土壤顆粒并釋放分泌物,促進了土壤大團聚體的形成與穩定；相反,農田頻繁的耕作擾動一是直接破壞了大團聚體,二是影響了植物根系的生長發育,從而影響了大團聚體,尤其是>2000 μm團聚體的形成和穩定；而無根系作用的裸地幾乎不存在>2000 μm團聚體。草地在促進粉黏粒和微團聚體形成大團聚體的同時,使更多的SOC向大團聚體富集,使大團聚體成為碳賦存的主體。裸地土壤由于長期沒有有機碳的投入而只有輸出,這使得土壤中的微生物只能依靠土壤中原有有機質作為能量,從而加速了土壤有機質的分解,而作為黑土團聚體的主要膠結物質被分解利用的結果,必然導致穩定性相對較差的較大團聚體的崩解,進而降低了其中有機碳含量,增加了粉黏粒組分及其有機碳含量。

不同生態系統下土壤有機碳在總粗顆粒有機質、總細顆粒有機質和總粉黏粒中的分配即在不同活性有機碳庫中的含量和比例不同,影響了土壤有機碳庫的穩定性。與農田相比,草地土壤相對穩定的總粉黏粒結合有機碳的含量和比例降低,活性較強的總粗顆粒有機質的含量和比例增加,土壤有機碳庫的穩定性降低；相反,裸地土壤總粗顆粒有機質和總細顆粒有機質中有機碳含量降低,總粉粘粒結合有機碳含量相對增加,因而,裸地土壤有機碳庫的穩定性相對增強。無論何種生態系統類型土壤均以總粉黏粒結合有機碳含量最高,占土壤總有機碳52%—79%(圖4)。這是由于東北黑土粘粒含量高[19]且以2∶1型黏土礦物為主[20]。相對于1∶1型黏土礦物,2∶1型黏土礦物CEC含量高,比表面積大,可為有機質的吸附提供足夠的場所[21]。因而,粉粘粒是黑土有機碳儲存的主體,其作為惰性碳庫是黑土有機碳的重要組成部分。與農田相比,草地土壤有機碳的增加主要歸因于大團聚體中粗顆粒有機質有機碳含量的增加。同樣,有研究顯示,糧田轉為菜田8年后土壤有機碳顯著增加,有機碳的累積主要源于團聚體中顆粒有機質的增加[9]。然而,本人相關研究顯示,黑土母質經過8年植被自然恢復,土壤總粗顆粒有機質、總細顆粒有機質和總粉粘粒均有顯著提高,對總有機碳增加量的貢獻率分別為40%、41%和19%[22]。由于粉粘粒的比表面積有限,其固持有機碳存在一個最大含量,即飽和值[23]。而對于成熟黑土而言,粉粘粒中有機碳已接近或達到飽和值,因而更多的新增有機碳向較大團聚體富集,固持在活性相對較強的有機碳庫—顆粒有機質(intra-aggregate POM, iPOM)之中。裸地土壤有機碳的下降主要歸因于微團聚體中總細顆粒有機質中有機碳的損失。綜上可以看出,草地與裸地有機碳的累積或損失主要表現為活性較強的有機碳庫—團聚體中顆粒有機質的增加或減少。顆粒有機碳對生態系統類型變化的響應比土壤總有機碳更為靈敏,可作為不同生態系統下土壤有機碳變化的一個敏感指示因子。

4 結論

(1)經過27年3種生態系統類型土壤有機碳總量發生明顯分異：與農田相比,草地土壤有機碳含量顯著提高7.6%；裸地土壤有機碳含量顯著下降14.1%。

(2)草地促進了大團聚體(>250 μm),尤其>2000 μm團聚體的形成,提高了土壤團聚體的穩定性；裸地則降低了土壤的團聚化程度及穩定性,大團聚體和微團聚體含量下降,粉粘粒含量相應增加。草地土壤有機碳主要賦存于大團聚體,占比達80%；農田和裸地土壤主要分布于微團聚體與大團聚體,兩者占比相當,為35%—42%。

(3)草地大團聚體中有機碳含量顯著高于農田,且其內部各組分有機碳含量均有顯著提高,粗顆粒有機質、閉蓄態微團聚體和粉黏粒有機碳含量增幅分別為600%、54%和65%；裸地增加了粉粘粒中有機碳含量,降低了大團聚體和微團聚體中有機碳含量,且大團聚體和微團聚體內部各組分有機碳含量均有所下降。

(4)3種生態系統類型土壤均以總粉粘粒結合有機碳為主,占土壤總有機碳的52%—79%,其作為惰性碳庫是黑土有機碳的重要組成部分。與農田相比,草地土壤有機碳的累積主要歸因于大團聚體中粗顆粒有機質的增加,為總有機碳增量的3倍；裸地土壤有機碳的損失主要歸因于微團聚體中總細顆粒有機質的減少,對總有機碳損失的貢獻率為60%。表明,黑土有機碳的累積或損失主要表現為活性較強的有機碳庫—團聚體中顆粒有機質的增加或減少。