內(nèi)蒙農(nóng)牧交錯(cuò)帶地區(qū)土地利用方式和施肥對(duì)土壤碳庫(kù)影響

1、10 1內(nèi)蒙農(nóng)牧交錯(cuò)帶地區(qū)土地利用方式和施肥對(duì)土壤碳庫(kù)的影響*張 煜 1 張 琳 1 吳文良 1 孟凡喬 1?（1 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193）摘 要 內(nèi)蒙武川是我國(guó)典型的內(nèi)蒙農(nóng)牧交錯(cuò)帶地區(qū)，土地利用方式轉(zhuǎn)變和施肥是影響該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和土壤碳儲(chǔ)量的重要人類活動(dòng)。選取內(nèi)蒙武川地區(qū)，針對(duì)不同土地利用方式（耕地、退耕還林/還草）和施肥措施（化肥、有機(jī)肥）的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)土壤，分析土壤有機(jī)碳（SOC） 、

2、土壤無(wú)機(jī)碳（SIC）和全氮（TN）含量和儲(chǔ)量，結(jié)合 13C 和 15N 穩(wěn)定同位素方法，研究土地利用方式和施肥措施對(duì)于該地區(qū)土壤碳氮轉(zhuǎn)化的影響規(guī)律。研究表明，退耕還灌/還草后，SOC 儲(chǔ)量較耕地均有顯著提高（提高幅度0.60~0.98 Mg hm-2 a-1） ，SIC 儲(chǔ)量也增加或保持相同水平（檸條地除外） 。相比不施肥處理，施用有機(jī)肥能顯著增加 SOC（1.08~1.19 Mg hm-2 a-1） ，施化肥處理則會(huì)降低 SIC（0.

3、06~0.16 Mg hm-2 a-1） ，且主要影響次生碳酸鹽。施肥 SIC 中原生碳酸鹽比例（0~23%）低于自然土壤（3%~29%） 。施肥措施對(duì)于土壤碳氮的轉(zhuǎn)化強(qiáng)度遠(yuǎn)大于土地利用方式的改變。對(duì)于內(nèi)蒙等干旱半干旱地區(qū)土壤，土地利用和施肥措施對(duì)于土壤有機(jī)和無(wú)機(jī)碳的影響應(yīng)該在區(qū)域固碳管理中給予全面考慮。關(guān)鍵詞 施肥措施；土地利用；有機(jī)碳；無(wú)機(jī)碳；同位素；固碳中圖分類號(hào) S158.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 土壤碳庫(kù)是

4、地球表層系統(tǒng)中最大的碳庫(kù)，其變化將顯著影響溫室氣體濃度與陸地生態(tài)系統(tǒng)功能[1]，因此土壤碳循環(huán)越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外科學(xué)界的關(guān)注。土壤碳特別是土壤有機(jī)碳（soil organic carbon，SOC） ，對(duì)于提供作物養(yǎng)分、創(chuàng)造作物生長(zhǎng)所需的良好結(jié)構(gòu)以及影響全球碳平衡等方面具有重要作用，主要影響因素包括土地利用方式、農(nóng)田管理措施等。一般認(rèn)為，農(nóng)田恢復(fù)為草地后，土壤碳最終能達(dá)到或接近原始植被條件下的碳水平，并保持一個(gè)新平衡[2]。施肥作為主要的

5、農(nóng)田管理措施，通過(guò)兩條途徑影響 SOC 含量及動(dòng)態(tài)：一是提高農(nóng)作物生物產(chǎn)量，增加植物殘?jiān)透妮斎?；二是影響土壤微生物的?shù)量和活性，進(jìn)而影響 SOC 的生物降解過(guò)程[3]。在土壤碳循環(huán)過(guò)程中，碳穩(wěn)定同位素 13C 含量可以反映 SOC 分解程度、土壤碳形態(tài)變化，常用于 SOC 的來(lái)源、周轉(zhuǎn)速率以及氣候變化與植被重建等方面的研究。15N 自然豐度法是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的估計(jì)自然生態(tài)系統(tǒng)中固氮貢獻(xiàn)的一種新方法，也是迄今在估計(jì)無(wú)干擾自然生態(tài)系統(tǒng)中

6、固氮研究中使用最多的方法[4]。由于化學(xué)轉(zhuǎn)化、物理運(yùn)輸?shù)仍颍匮h(huán)的諸過(guò)程均可能使得氮素發(fā)生同位素分餾，進(jìn)而反映土壤有機(jī)質(zhì)的周轉(zhuǎn)變化特點(diǎn)。因＊國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31261140367，31370527） 、國(guó)家科技支撐項(xiàng)目（2012BAD14B01）資助Supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 31261140367，31370527)

7、and the National Key Technology Support Program (No. 2012BAD14B01)?通訊作者 Corresponding author，E-mail：mengfq@cau.edu.cn 作者簡(jiǎn)介：張 煜（1993-） ，女，河北邢臺(tái)人，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域土壤碳氮循環(huán)。E-mail： zhangqiqi43@163.com 收稿日期：年-月-日；收到修改稿日期：10 3NPK+O

8、RG 60 45 30 7500N 60 0 0 0CK 0 0 0 0土地利用方式試驗(yàn)：始于 2005 年，主要退耕方式包括撂荒、種植黑麥草（Lolium perenne L.）和種植檸條（Caragana korshinskii Kom.） 。撂荒后地表植物為本地種，主要包括冰草（Agropyron cristatum（L.） Gaertn.） 、羊草（Leymus chinensis（Trin.）Tzvel.） 、阿爾泰狗娃花（H

9、eteropappus altaicus （Willd.） Novopokr.） 、冷蒿（Artemisia frigida Willd.） 。本研究選取以上三種典型退耕地塊，并與相鄰的農(nóng)田進(jìn)行對(duì)比。農(nóng)田的生產(chǎn)方式為向日葵－馬鈴薯－小麥輪作，一年一季，每年施用尿素、磷酸二銨，折合氮肥 N 300 kg hm-2，磷肥 P2O5 150 kg hm-2。1.3 樣品采集與分析土壤樣品采集：在 2013 年秋季用土鉆（直徑 3.5

10、cm，采樣器深度 20 cm）進(jìn)行表土（0～20 cm）采樣。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)按對(duì)角線取樣，每條對(duì)角線取 3 鉆，每個(gè)樣品由 6 鉆土混合而成，同時(shí)用環(huán)刀法測(cè)定容重。每種土地利用方式采集 5 個(gè)重復(fù)。土壤樣品運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后風(fēng)干，過(guò) 2 mm 篩并用四分法取 3~4 g 研磨至全部通過(guò) 0.15 mm 篩，烘箱 105℃烘至恒重。土壤理化性質(zhì)測(cè)定參照魯如坤[10]的方法。土壤容重：將自封袋密封的土樣轉(zhuǎn)移至已知質(zhì)量鋁盒中，于 105℃下，烘干至恒

11、重，測(cè)定此時(shí)的土壤樣品和鋁盒的總質(zhì)量，計(jì)算得出土壤容重。土壤 pH：將風(fēng)干土樣過(guò) 2 mm 篩后，配制成水土比（1:2.5）的懸液，用 pH 計(jì)測(cè)定。土壤粒徑質(zhì)地：用吸管法測(cè)定土壤粒級(jí)分布，根據(jù)美國(guó)制劃分土壤質(zhì)地類型。土壤基本理化性質(zhì)見(jiàn)表 2。表 2 供試土壤基本理化性質(zhì)Table 2 Physical and chemical properties of the soils testedpH1)容重/g cm-3Bulk densit

12、y砂粒Sand(%)>0.05mm粉粒Silt(%)0.002~0.05 mm黏粒Clay(%)<0.002 mm耕地Crop land 8.11 1.44 53.3 31.1 15.6撂荒地Deserted land 8.27 1.59 64.3 26.3 9.38黑麥草地Ryegrass land 8.26 1.62 55.6 31.2 13.2檸條地Horqin peashrub land 8.18 1.67 55.2

13、 20.4 24.4土壤全氮（TN）和全碳（TC）：元素分析儀（Thermo Elemental Analyzer 1112）測(cè)定。SIC 采用壓力傳感器方法測(cè)定[11]。SOC 采用差減法，即 SOC=TC?SIC。土壤碳氮同位素豐度測(cè)定：利用同位素質(zhì)譜儀（Mass spectrometry DELTA plus（Thermo Fisher Scientific，USA）及（DELTA V ADVANTAGE，Thermo 公司

14、） ）測(cè)定。1.4 土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量和次生碳酸鹽的計(jì)算土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量：以某一采樣深度為計(jì)算參考標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)比不同土壤管理方式下在某一土層碳儲(chǔ)量的差異。一般對(duì)于分 n 層的土壤剖面而言，有機(jī)碳儲(chǔ)量的計(jì)算公式為：SOC= ） （1）110∑ni = 1（SOCi × BDi × Ti式中，SOC 為一定深度土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，Mg hm-2；SOCi 為第 i 層土壤有機(jī)碳含量，g kg-1；BDi 為第 i 層土壤容重，g cm