作为土壤碳库中最为活跃的部分, 农田土壤碳库是唯一在较短时间尺度上受人类活动调节和干扰的碳库, 其稳定性较低, 易受到气候、植被、土壤类型和农田管理措施等差异的影响^{[1, 2]}.土壤碳库包含土壤有机碳库和土壤无机碳库, 农田土壤碳库中土壤有机碳是重要的组成部分, 其对农业措施敏感性高, 能直接反映土壤肥力和土壤质量水平^[3].在不同耕作模式及土壤其它理化因子间的交互作用下, 土壤物理、化学性状均会发生变化, 土壤有机碳组分也相应改变.研究农田土壤有机碳组分及其与土壤其它理化因子的相互作用关系, 有助于揭示农田土壤有机碳组分分配特征及其稳定性机制, 可为区域土壤资源管理和农业可持续发展提供科学依据.

土壤有机碳库特征研究一直是土壤碳循环与全球变化研究的热点领域.国内外学者主要从土壤有机碳及其组分含量的时空分布、有机碳储量、稳定性和转化规律等方面开展了广泛研究, 讨论了不同土地利用方式、土壤类型、海拔高度和土壤微环境对土壤碳库的影响, 研究对象涉及森林、草地、湿地和农田等不同生态系统类型^[4~8].干旱半干旱地区生态系统净初级生产力较低, 其土壤碳库含量明显低于湿润地区^{[9, 10]}.绿洲是干旱区生态系统的关键组分, 其土壤碳库在系统内外的物质循环中发挥着重要作用.学者们针对绿洲土壤有机碳含量的时空分布特征开展了一定研究^[11~18], 但针对农业活动作用下人工绿洲土壤碳循环的研究相对不足, 需要进一步明确不同耕作制度、种植模式、施肥等行为对土壤碳库的影响.开展人工绿洲土壤碳库特征研究, 可作为评价绿洲土壤“源/汇”效应的基础, 同时为干旱区碳循环研究提供丰富而准确的信息.

阿拉尔垦区位于塔里木盆地北缘, 是新疆典型的农业绿洲, 也是全国重要产棉基地.该区域地处极端干旱区, 生境脆弱^[12].自20世纪50年代开垦以来, 大规模开发利用水土资源, 棉田布局集中且连作时间长, 原始荒漠土壤在耕作、灌溉和施肥等农业活动的作用下逐步演变为耕作土壤, 其土壤有机碳随之产生增高或降低的变化趋势^[13].本文以新疆阿拉尔垦区为研究区, 系统分析2、5、12、20和35 a等不同连作年限棉田土壤有机碳组分特征, 讨论土壤有机碳组分与土壤其它理化因子的相互关系, 通过深入理解连作对农业绿洲土壤碳库的影响, 以期为提高塔里木河流域绿洲土壤固碳潜力、促进土壤资源的可持续利用提供可靠数据.

阿拉尔垦区地处塔里木盆地北缘、天山中段南麓(80°30′~81°58′E、40°22′~40°57′N).属塔里木河冲积细土平原, 沿河岸及冲沟两侧略有抬升, 地势由西北向东南倾斜, 东西相距281 km, 南北相距180 km, 海拔平均值为1 012 m^[19].雨量稀少, 冬季少雪, 地表蒸发强烈, 年均降水量为40.1~82.5 mm, 年均蒸发量1 876.6~2 558.9 mm; 光热条件良好, 昼夜温差大, 年平均温度为12.4℃, 属典型的暖温带大陆性干旱荒漠气候.土壤母质主要为棕漠土, 土壤偏碱性, 含盐量高.主要土地利用类型为棉田、果园、人工林、天然林、荒草地、盐碱地和沙地等, 适宜种植长绒棉和细绒棉, 是我国重要的长绒棉和细绒棉生产基地.

野外土样采集于2020年6~7月进行.采样地点为阿拉尔垦区的十二团附近农田, 当地种植品种为“新陆中82号”, 由当地兵团统筹管理耕作方式, 采用地膜滴灌, 生育期滴灌5~7次, 基肥为磷酸二铵、尿素、硫酸钾和混合有机肥等.在该区域选择地理位置相近且土壤质地一致的5种不同连作年限棉田, 分别为2年(2 a)棉田、5年(5 a)棉田、12年(12 a) 棉田、20年(20 a)棉田和35年(35 a)棉田, 采样前15 d无灌溉; 对照组(即荒草地, CK)为荒草地, 植被覆盖主要为骆驼刺(Alhagi sparsifolia)、柽柳(Tamarix spp.)和花花柴(Karelinia caspica)等荒漠植被.每块样地约0.12 hm², 以上每种类型分别选取3个1 m×1 m的典型样方, 采集表土层(0~20 cm)、心土层(20~40 cm)和底土层(40~60 cm)土样, 去除较明显的根茬、石块等杂物, 将土块捏碎后充分混匀, 每层土样用四分法取土带回实验室.将一部分新鲜土样过筛冷藏保存, 用于测定土壤可溶性有机碳与土壤微生物量碳含量.另一部分风干处理, 过筛装袋保存, 用于测定其他指标.

本研究选择的土壤碳组分包括土壤有机碳、土壤易氧化有机碳、土壤可溶性有机碳和土壤微生物量碳.土壤有机碳采用重铬酸钾外加热法; 易氧化有机碳采用高锰酸钾氧化-比色法; 可溶性有机碳采用冷水浸提法; 微生物量碳采用氯仿熏蒸-提取法^[20].

选择的土壤其它理化因子包括土壤含水量、容重、pH值、全盐、全氮、有效磷和速效钾, 共7个指标.具体测定方法为^[21]：土壤含水量采用烘干法; 容重采用环刀法; pH值采用电位法; 全盐由CO₃^2-、HCO₃^-、Cl^-、SO₄^2-、Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺和K⁺这8种离子加和得出：CO₃^2-和HCO₃^-采用双指示剂中和法^[21], Cl^-采用AgNO₃滴定法^[21], SO₄^2-采用EDTA间接滴定法^[21], Ca²⁺和Mg²⁺采用EDTA络合滴定法^[21], Na⁺和K⁺采用火焰光度法^[21]; 全氮采用半微量凯氏法^[21]; 有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法^[21]; 速效钾采用醋酸铵浸提-火焰光度计法^[21].

对本研究的数据首先采用Excel 2012进行整理和基本统计学分析, 其次通过SPSS 17.0软件对不同连作年限和不同土层土壤有机碳组分含量和土壤其它理化因子进行最小显著性差异法检验(least-significant difference, LSD), 检验其含量的差异性(α=0.05), 并对土层深度和连作年限之间交互作用进行分析.选用Canoco 4.5进行冗余分析(redundancy analysis, RDA), 对土壤有机碳组分含量与土壤其它理化因子之间的相关性进行研究.

研究区土壤有机碳组分与土壤其它理化因子统计学分析结果如表 1所示.研究区土壤有机碳组分含量均不高, 土壤有机碳、易氧化有机碳、可溶性有机碳和微生物量碳均值分别为3.83 g·kg^-1、1.36 g·kg^-1、0.10 g·kg^-1和116.54 mg·kg^-1.土壤其它理化因子中, 含水量较低, 均值为21.22%; 容重在1.23~1.45 g·cm^-3之间; 研究区土壤偏碱性, 盐渍化程度较高, pH值均值为8.04, 全盐变化幅度较大, 范围在0.79~34.77 g·kg^-1; 全氮、有效磷和速效钾的均值分别为0.38 g·kg^-1、16.11 mg·kg^-1和197.20 mg·kg^-1.变异系数是描述变量空间变异程度的主要指标, 综合分析土壤有机碳及其组分以及土壤其它理化因子的变异性可知, 容重和pH值变异系数小于0.1, 为弱变异, 其余指标变异系数均在0.19~0.97之间, 为中等变异.

表 1 (Table 1)

表 1 土壤有机碳组分含量与土壤其它理化因子的统计学参数 Table 1 Statistical parameters of soil organic carbon content and other soil physical and chemical factors 变量指标 最大值 最小值 均值 标准差 偏度 峰度 变异系数 含水量/% 31.70 9.37 21.22 5.53 -0.41 -0.64 0.26 容重/g·cm-3 1.45 1.23 1.33 0.06 0.32 -0.99 0.05 pH 8.79 7.59 8.04 0.24 0.78 1.33 0.03 ω(土壤有机碳)/g·kg-1 7.06 0.95 3.83 1.70 0.20 -1.16 0.44 ω(易氧化有机碳)/g·kg-1 2.48 0.58 1.36 0.63 0.22 -1.48 0.47 ω(可溶性有机碳)/g·kg-1 0.15 0.05 0.10 0.03 -0.13 -1.03 0.28 ω(微生物量碳)/mg·kg-1 175.96 52.31 116.54 36.07 -0.02 -1.37 0.31 ω(全盐)/g·kg-1 34.77 0.79 6.40 6.20 2.25 7.15 0.97 ω(全氮)/g·kg-1 0.63 0.15 0.38 0.13 0.31 -1.00 0.33 ω(有效磷)/mg·kg-1 35.93 2.693 16.11 9.23 0.24 -0.93 0.57 ω(速效钾)/mg·kg-1 311.77 133.90 197.20 36.91 1.00 1.17 0.19

表 1 土壤有机碳组分含量与土壤其它理化因子的统计学参数 Table 1 Statistical parameters of soil organic carbon content and other soil physical and chemical factors

阿拉尔垦区不同连作年限棉田土壤有机碳组分含量特征如图 1所示.各年限棉田土壤有机碳组分含量均在0~20 cm土层最高, 且大部分有机碳组分含量均随着土层的加深呈下降趋势.荒草地土壤有机碳、微生物量碳含量及连作35 a棉田土壤有机碳含量表现为40~60 cm略高于20~40 cm.同一土层不同连作年限棉田间土壤有机碳组分含量也呈现出一定差异性.在0~20 cm土层中, 有机碳组分呈现相同的变化趋势：20 a＞35 a＞12 a＞5 a＞2 a＞荒草地, 且连作20 a棉田中ω(有机碳)最高, 为7.06 g·kg^-1, 显著高于连作5 a、2 a棉田和荒草地.在20~40 cm土层中, 土壤有机碳和微生物量碳呈现出和表层相同的规律, 易氧化有机碳含量在连作12、20和35 a棉田间差异不显著, 可溶性有机碳含量表现为连作20 a和12 a棉田显著高于其它年限.在40~60 cm土层中, 连作35 a棉田中ω(有机碳)最大, 为5.81 g·kg^-1, ω(易氧化有机碳)在20 a达到最大, 为1.68 g·kg^-1, 连作12 a棉田和连作35 a棉田次之, 且均显著高于其它年限, 可溶性有机碳和微生物量碳含量表现为：20 a＞12 a＞35 a＞2 a＞5 a＞荒草地.

图 1

Fig. 1

SOC：土壤有机碳; EOC：易氧化有机碳; DOC：可溶性有机碳; MBC：微生物量碳; 不同大写字母表示同一连作年限棉田不同土层之间土壤有机碳组分的显著性差异(P < 0.05), 不同小写字母表示同一土层不同连作年限棉田之间土壤有机碳组分的显著性差异(P < 0.05) 图 1 不同连作年限棉田土壤有机碳组分含量 Fig. 1 Content of soil organic carbon components in cotton fields with different continuous cropping years

随着土层深度的变化不同连作年限土壤其它理化因子呈现出不同的动态变化, 如图 2.连作棉田土壤含水量显著高于荒草地, 随着连作年限增加呈先增大后减小趋势, 并随着土层加深而增大.连作12 a和20 a棉田土壤容重显著低于其他类型, 在各土层间变化不大.研究区土壤偏碱性, pH值整体随连作年限的增加而减小, 荒草地显著高于其它连作年限棉田.全盐含量随连作年限的增加而增大, 且表现为表层含盐量较高.土壤全氮及有效磷含量整体呈现为连作12、20和35 a棉田显著高于2 a和5 a棉田和荒草地, 其中全氮和有效磷分别在5、12、35 a和12、20、35 a中表现为随土层加深逐渐降低.连作12 a棉田速效钾含量显著高于荒草地, 各土层速效钾含量无显著性差异.

图 2

Fig. 2

SWC：含水量; BD：容重; TS：全盐; TN：全氮; AP：有效磷; AK：速效钾; 不同大写字母表示同一连作年限棉田不同土层之间土壤其它理化因子的显著性差异(P < 0.05), 不同小写字母表示同一土层不同连作年限棉田之间土壤其它理化因子的显著性差异(P < 0.05) 图 2 不同连作年限棉田土壤其它理化因子特征 Fig. 2 Characteristics of other physical and chemical factors in cotton soil with different continuous cropping years

土层深度和连作年限以及两因素交互作用对土壤有机碳组分含量影响程度各不相同.如表 2, 土层深度和连作年限对土壤有机碳组分的影响均达到极显著水平(P < 0.01), 土壤有机碳、易氧化有机碳、可溶性有机碳和微生物量碳受连作年限影响较大, 其Ⅲ型平方和分别为115.553、20.979、0.036和55 403.473; 微生物量碳含量除受到土层深度、连作年限的影响, 还受到土层深度和连作年限两因素交互作用的影响, 其Ⅲ型平方和为4 367.133.两因素的交互作用对其它有机碳组分未达到显著影响水平.

表 2 (Table 2)

表 2 层深度和连作年限对土壤有机碳组分的变异来源分析1) Table 2 Analysis of variation sources of soil layer depth and continuous cropping years on soil organic carbon components 源 因变量 Ⅲ型平方和 df 均方 F Sig. 土层深度 土壤有机碳 18.727 2 9.362 21.809 0.000** 易氧化有机碳 1.161 2 0.581 30.769 0.000** 可溶性有机碳 0.004 2 0.002 29.293 0.000** 微生物量碳 7 654.414 2 3 827.207 48.349 0.000** 连作年限 土壤有机碳 115.553 5 23.111 53.837 0.000** 易氧化有机碳 20.979 5 4.196 222.306 0.000** 可溶性有机碳 0.036 5 0.007 94.093 0.000** 微生物量碳 55 403.473 5 11 080.695 139.981 0.000** 土层×连作年限 土壤有机碳 6.407 10 0.641 1.493 0.182 易氧化有机碳 0.170 10 0.017 0.902 0.541 可溶性有机碳 0.001 10 9.963 1.312 0.261 微生物量碳 4 367.133 10 436.713 5.517 0.000** 1)**表示P < 0.01

表 2 层深度和连作年限对土壤有机碳组分的变异来源分析1) Table 2 Analysis of variation sources of soil layer depth and continuous cropping years on soil organic carbon components

从RDA排序和相关性热图可见(图 3), 各土壤有机碳组分含量和土壤其它理化因子中全氮、有效磷和含水量的连线最长, 且和土壤有机碳、易氧化有机碳、可溶性有机碳、微生物量碳含量的夹角余弦值较大, 说明这3种理化因子与土壤有机碳组分含量相关系数较大且呈正相关, 土壤氮磷含量以及含水量对土壤中有机碳的转化有较大影响; 全盐连线较长但夹角余弦值较小, 全盐与土壤有机碳组分含量呈正相关关系, 但相关性小; 速效钾与土壤有机碳组分含量呈正相关关系, 相关性较小; pH值和容重与土壤有机碳组分含量呈负相关关系.

图 3

Fig. 3

热图中红色表示正相关, 蓝色表示负相关, 颜色强度与相关系数成正比, **表示相关性呈显著水平 图 3 土壤有机碳组分含量与土壤其它理化因子相关性的RDA二维排序和相关性热图 Fig. 3 RDA two-dimensional ranking map and correlation heat map of the correlation between soil organic carbon content and other soil physical and chemical factors

7种土壤其它理化因子对各土壤有机碳组分含量的影响存在一定差异, 其重要性排序和显著性检验结果如表 3所示.其重要性排序为：全氮＞有效磷＞pH值＞容重＞含水量＞速效钾＞全盐.其中, 全氮、有效磷、pH值、容重、含水量、速效钾对土壤有机碳组分的影响达到显著水平(P=0.002＜0.05), 解释率分别为79.0%、73.9%、52.3%、38.2%、36.5%和18.2%, 而全盐对土壤有机碳组分含量的影响未达到显著水平(P=0.308>0.05), 其解释率为2.3%.

表 3 (Table 3)

表 3 土壤其它理化因子解释的重要性排序和显著性检验结果 Table 3 Importance ranking and significance test results of interpretation of other soil physical and chemical factors 土壤其它理化因子 重要性排序 解释率/% F P 全氮 1 79.0 195.295 0.002 有效磷 2 73.9 147.041 0.002 pH 3 52.3 56.978 0.002 容重 4 38.2 32.156 0.002 含水量 5 36.5 29.859 0.002 速效钾 6 18.2 11.532 0.002 全盐 7 2.3 1.2 0.308

表 3 土壤其它理化因子解释的重要性排序和显著性检验结果 Table 3 Importance ranking and significance test results of interpretation of other soil physical and chemical factors

土壤有机碳含量是土壤、植被类型和人为干扰等多重因素综合影响下有机碳动态平衡的体现, 在不同土地利用方式下, 土壤所受的干扰程度不同, 致使土壤有机碳含量存在显著差异^[10].本研究中, 不同年限连作对研究区土壤有机碳组分含量具有显著影响, 土壤有机碳组分含量整体表现为连作12、20和35 a棉田高于连作2 a、5 a棉田和荒草地, 并且多在20 a达到峰值.这与Mustafa等^[22]对连作玉米和Majhi等^[23]对连作水稻土壤有机碳的研究结果相似.土壤有机碳含量与地表覆被植物的归还量与分解速率密切相关.土地由荒草地转为耕地后, 伴随耕作、施肥和灌溉等农田管理活动, 作物长势不断转好, 生物量提升, 作物残体分解补充了土壤中的有机物质, 碳积累增多, 易氧化有机碳、可溶性有机碳和微生物量碳等活性有机碳不断增加.开垦一段时间后有机物的输入和输出之间达到相对均衡, 碳含量从增长趋于稳定状态^[24].然而, 随着耕作年限的增加, 35 a棉田的土壤有机碳组分含量出现了下降趋势, 尤其是相对活跃的活性有机碳组分如可溶性有机碳和微生物量碳在土壤各层均较20 a棉田有所降低.连作年限控制在一定时间内有利于土壤养分积累, 长期连作则导致土壤板结限制了棉花根系的生长, 同时土壤质量下降, 致使土壤有机碳储量降低^[25].但是, 也有学者对连作棉田土壤的研究发现^{[26, 27]}, 随着连作年限增大有机碳含量一直呈增加趋势, 未出现下降趋势.这可能是由耕作方式不同引起, 其研究对象采用秸秆机械还田方式, 秸秆中的碳素补充了土壤有机碳库.

在土壤垂直剖面中, 不同连作年限土壤有机碳组分含量均随着土层的加深而下降.表层土壤腐殖质较厚、通气性好、微生物丰富度较高^[28], 并且秸秆还田补充了有机质, 有利于有机碳的积累, 而土层越深微生物的活动相对较少, 同时外源性碳输入降低.陈春兰等^[29]和Wang等^[30]在对于土壤剖面有机碳组分分布特征的研究中得到了相同的结论.

耕作制度直接作用于土壤, 影响着土壤的物理和化学性质.土壤容重可反映土壤紧实程度, 表征了土壤孔隙度的大小, 也是评估不同耕作方式土壤质量的重要指标^[31].研究区中荒草地和初开垦农田土壤较为紧实, 随着连作年限增加, 翻耕等人为干扰导致容重减小, 这与孙小花等^[32]的研究结果相同.同时, 有学者在针对艾比湖流域连作棉田的研究中发现连作10 a后容重趋于增大^[33].事实上, 随着连作年限的持续增加, 有机肥补充不足及氮磷肥施入过多, 破坏了土壤团粒结构使土壤板结, 造成土壤容重变大, 因此本研究中30 a棉田的容重相对较高.

土壤pH值和全盐对微生物活性、植物生长和土壤养分有效性等有直接影响.卢维宏等^[34]和Liang等^[35]的研究发现, 随着连作年限增加, 长期施用大量相同肥料使土壤中盐分不断积累, pH值降低, 土壤酸化现象加剧.本研究中, 阿拉尔垦区棉田土壤在长期施肥过程中酸化现象普遍, pH值由8.79下降至7.59.同时发生在农田内部的次生盐渍化现象加剧, 荒草地开垦为农田后, 全盐含量随连作年限增加而增加, 尤其在表土层较高, 呈现明显表聚性特征.

土壤全氮、有效磷和速效钾是土壤生态系统中重要的养分指标, 其含量表征了土壤持续供给氮磷钾的能力.研究区土壤全氮和有效磷含量总体随连作年限增加呈现上升趋势, 底土层和心土层在30 a略有降低, 而速效钾变化不大.这与已有的研究结论一致^{[36, 37]}, 主要是与耕作过程中长期施加氮肥和磷肥有关, 也有学者得出全氮和有效磷随连作年限增大呈先上升后下降趋势^[38], 这主要与农田种植作物类型和施肥方式不同有关.

不同连作年限棉田中, 土壤物理属性、盐渍化程度及水分和养分的利用率异质性较大, 土壤有机碳组分含量受土壤其它理化因子不同程度的影响.在本研究中, 全氮和有效磷与土壤有机碳组分的相互关系最为密切.外源氮、磷输入增加了根系生物量和分泌物的种类和数量, 显著促进了农田生态系统土壤有机碳积累, 因此全氮和有效磷与土壤有机碳组分呈显著正相关关系^[39~41].

除此以外, 对土壤有机碳组分含量变化作用较大的指标有pH值、容重和含水量.本研究发现, 土壤有机碳组分含量与含水量呈正相关, 与pH值和容重呈负相关.土壤pH值通过影响作物根系的成长发育, 以及土壤微生物活跃程度间接影响土壤中有机碳组分的积累.刘红宜等^[42]和Motavalli等^[43]的研究表明有机碳的周转受到土壤酸碱度影响, 在平原农田中有机碳组分与土壤pH值呈负相关关系.土壤容重通过影响孔隙度而影响土壤水分和土壤空气的关系, de Panl Obade等^[44]的研究发现在3种不同耕种模式下土壤容重的变化显著影响了土壤有机碳含量, 本文中连作年限增加容重增大抑制了土壤中碳转化过程, 因此土壤有机碳各组分含量与容重呈负相关.水分的升高有利于凋落物分解、有机碳矿化和微生物活性状态, 含水量的增加能够通过改善土壤环境的氧气条件从而对微生物活性产生影响, 进而促进土壤有机碳积累^{[45, 46]}, 因此连作棉田土壤有机碳组分含量与含水量表现为正相关.

(1) 不同年限的连作对研究区土壤有机碳组分含量具有显著影响, 土壤有机碳、易氧化有机碳、可溶性有机碳和微生物量碳含量整体表现为连作12、20和35 a棉田高于连作2 a、5 a棉田和荒草地, ω(土壤有机碳)在20 a棉田达到峰值(7.06 g·kg^-1)高出荒草地76.91%, 各土壤有机碳组分含量均随着土层的加深而下降.

(2) 基于对土壤有机碳组分含量与土壤其它理化因子的冗余分析结果表明, 土壤有机碳组分含量与全氮、有效磷和含水量呈正相关关系, 与pH值和容重呈负相关关系.土壤其它理化因子对土壤有机碳组分含量解释的重要性排序为：全氮＞有效磷＞pH值＞容重＞含水量＞速效钾＞全盐.