典型干旱荒漠绿洲区不同年限枣园土壤碳库特征

孙霞++杜俊龙++黄长福++李志军++金俊香

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2016.10.139

摘要：为揭示干旱荒漠绿洲区不同种植年限枣园土壤碳库的变化特征，以新疆南部典型干旱荒漠区麦盖提县枣园为研究对象，采用野外采样和室内分析方法，研究不同种植年限下枣园土壤碳库变化特征。结果表明：随着种植年限的增加，枣园土壤活性碳、土壤非活性碳表现为先增长后下降的趋势，总体表现为10年>15年>5年>3年；随着种植年限的增加，碳库管理指数（CPMI）有所增长，10年时增幅最大，15年次之，3年最小；各土层碳库活度（A）随种植年限的增加变化不大；各土壤深度的碳库指数（CPI）有不同程度地变化，碳库活度与活性有机碳、非活性有机碳极显著相关，与有机碳显著相关，碳库管理指数（CPMI）与碳库活度指数（AI）和碳库指数（CPI）极显著相关。

关键词：种植年限；土壤有机碳；碳库活度；碳库管理指数

中图分类号： S153.6+1文献标志码： A文章编号：1002-1302（2016）10-0484-03

收稿日期：2015-09-01

基金项目：新疆维吾尔自治区高校科研计划重点项目（编号：XJUEDU2013I15）；新疆维吾尔自治区土壤学重点学科建设项目；新疆维吾尔自治区重点实验室干旱区土壤与植物生态过程实验室联合资助。

作者简介：孙霞（1975—），女，江苏建湖人，博士，副教授，主要从事果园土壤质量研究。E-mail：sunxia1127@163.com。土壤有机碳是土壤肥力的物质基础，是全球碳循环和气候变化研究的核心内容。活性有机质是土壤有机质的活性部分，它是指土壤中有效性较高，易被土壤微生物分解矿化，对植物养分供应有最直接作用的有机质[1-4]。Lefroy等研究认为，能被333 mmol/L KMnO4氧化的土壤有机碳为活性有机碳，不能被氧化的为非活性有机碳，并提出土壤碳库管理指数的概念[5]。碳库管理指数是土壤生态系统碳动力学变化的一个指标，表示土壤生态系统对不同管理措施下碳的响应，结合了人为影响下的土壤碳库指标和碳库活度，反映了外界管理措施对土壤有机碳总量的影响，也反映了土壤有机碳各组分的变化情况，故能够较全面和动态地反映外界条件对土壤有机碳性质的影响[6-7]。目前，国内已对不同施肥、不同地带典型土壤的有机碳活性组成和碳库管理指数已有报道，多集中于农田管理措施，包括耕作方式[7-9]、施肥[6，10]以及秸秆覆盖[11-12]、土地利用变化[13-14]等，而关于对果园土壤有机碳及碳库管理指数的研究报道不多。

位于塔里木盆地麦盖提县是新疆红枣生产基地之一，种植红枣历史久远，枣园种植管理已形成了较为成熟的体系。果园土壤扰动较农田少，有利于土壤有机碳的累积，且果树生产具有较高的经济附加值，施肥量一般较农田高并具备土壤有机碳累积的条件，研究果园土壤活性有机碳特征以及碳库管理指数，不仅是揭示果园土壤质量演化趋势的需要，也是探索不同生态环境条件下土壤碳素平衡机理、以及获得土壤碳素累积措施的迫切需求。本研究分析了典型干旱荒漠绿洲区活性有机碳、非活性有机碳及其碳库管理指数的变化趋势，丰富土壤碳库平衡理论，为该地区果业可持续发展提供理论依据。

1研究区概况与方法

1.1研究区概况

试验区位于新疆南部喀什地区麦盖提县新疆生产建设兵团45团果树连，地理位置为77°28′～79°05′E，38°25′～39°22′N，位于塔里木盆地西部，叶尔羌河下游和提孜那甫河下游。属温带大陆性干燥气候，热量丰富、日照充足、昼夜温差大，年均日照2 806 h以上，降水量39.4 mm，年积温 4 550 h 以上，平均气温22.4 ℃，无霜期214 d。果园由连队统一管理，枣园种植背景、管理方式、施肥、灌溉几乎一致，土壤的基本性状、理化性质很相似，该地区种植土壤为粉沙土，通透性好，种植品种均为灰枣。土壤有机质含量9.47 g/kg、速效氮含量22.10 mg/kg、速效磷含量14.71 mg/kg、速效钾含量120.66 mg/kg，pH值为8.14，总盐含量3.46 g/kg。

1.2研究方法

1.2.1试验设计采样时间在2014年4月果树萌发期进行，采样地点位于45团果树连，以种植年限3、5、10、15年生枣树为研究对象，各年限果园面积4～6.67 hm2，各年限枣园里选取长势、大小、树相等一致有代表性的枣树各3棵，与树冠垂直投影范围内距树干2/3处作为布设采样点，挖取1 m深土壤剖面，按照0～5、5～10、10～20、20～30、30～50、50～70、70～100 cm间距逐层采集土样，同时各层用环刀取原状土测定土壤容重，共3次重复，编号后置于密封袋带回实验室分析。

1.2.2测定指标与方法土壤有机碳含量的测定用重铬酸钾外加热法，土壤活性有机碳含量的测定采用KMnO4氧化法，以撂荒地土壤为参考土壤，土壤碳库计算方法如下：

土壤非活性碳含量=土壤有机碳含量-土壤活性碳含量；

碳库活度（A）=活性碳含量/非活性碳含量；

碳库活度指数（AI）=碳库活度/参考土壤碳库活度；

碳库指数（CPI）=土壤有机碳含量/参考土壤有机碳含量；

碳库管理指数（CPMI）=碳库指数×碳库活度指数×100[6]；

1.2.3数据处理用SPSS 22.0和Excel 2013进行数据分析和处理，多重比较采用Duncans法，Orgin 8制图。

2结果与分析

2.1不同种植年限土壤活性碳变化趋势及特征

由图1可见，枣园土壤活性碳含量介于0.27～0.88 g/kg之间，平均含量为0.59 g/kg，其中最大值是最小值的3.26倍。4种年限的枣园土壤活性碳平均含量在0.53～0.64 g/kg 之间，总体上显示出先增加后减少的趋势，其中10年果园达到最大值0.64 g/kg，3年时含量最少，为0.53 g/kg。进一步对不同年限的枣园土壤活性碳含量进行分析可知，在0～5、5～10、10～20、20～30、30～50 cm的层次上土壤活性碳含量增长趋势明显，而在50～70、70～100 cm虽然有所增长但趋势并不明显。在时间尺度上，枣园土壤活性碳含量表现为先增加后减少的趋势，总体表现为10年>15年>5年>3年。从图1还可以看出，枣园土壤活性碳含量表层最大，随着土层厚度的增加呈现出逐层降低的趋势且降低幅度各不相同，在0～30 cm之间降幅比较大，而30～100 cm时降幅有所下降但幅度不大。在30～100 cm范围上土壤活性碳含量随年限增长表现出增加的趋势，在10年时达到最大。

2.2不同种植年限土壤非活性碳变化趋势及特征

由图2可见，4种年限的枣园土壤非活性碳平均含量在4.67～5.25 g/kg之间，随种植年限的增加，总体上表现出先增加后减少的趋势，其中10年果园达到最大值，3年时为最小。对不同年限的枣园土壤非活性碳含量进行分析可知，在0～5、5～10、20～30 cm的层次上土壤非活性碳含量增长趋势明显，而在10～20、30～50、50～70、70～100 cm虽然有所增长但增长的趋势不明显。枣园土壤非活性碳含量在时间尺度上表现为先增加后有所减少的趋势，总体表现为10年>15年>5年>3年。对同一种植年限不同深度土层进行分析，枣园土壤非活性碳含量表层最大，随着土层厚度的增加呈现出逐层降低的趋势且降低幅度各不相同，在0～30 cm之间降幅比较大，而30～100 cm时降幅有所下降但幅度不大。

2.3不同种植年限下枣园土壤碳库指标变化

果园土壤有机碳主要来源于根系分泌物，并且大多转化成非活性部分贮存于土壤中。土壤碳库活度是土壤活性有机碳和非活性有机碳含量的比值，它用来反映土壤碳素活跃程度，碳库活度越大，表示有机碳越容易被微生物分解，土壤质量越高[15-16]。从表1可以看出，随土壤深度的增加，土壤碳库活度相同年限不同土壤层次表现不尽相同，总体表现为先

增加后减少。各年限果园各土层有机碳含量的变幅不一致，其中0～20、70～100 cm土层相对稳定。各种植年限土壤碳库活度的最大值均出现在10～20 cm土层，说明枣园土壤体系中10～20 cm层次土壤质量较高，随着土壤深度增加，土壤质量呈下降趋势；随种植年限的增加，各个层次的土壤碳库活度变化不大。

随着土壤深度的增加，相同年限不同土壤层次的碳库指数有不同程度地变化；同一年限不同土壤深度的碳库指数变化也不相同，最大值为1.18，最小值为0.88；随着种植年限的增加，各土壤深度的碳库指数，除10年土壤深度20～30 cm与5年土壤深度50～70 cm、70～100 cm，碳库指数略有下降外，其他表现为增大趋势，与3年相比，5、10、15年分别增加1.8%、56%、17.5%。

碳库管理指数除在种植年限10年，土壤深度30～50 cm处表现出最大值外，其他种植年限为15年时，碳库管理指数达到最大值。较3年相比，5、10、15年的CPMI分别增加163%、158%、26.5%。

表2显示，碳库活度与活性有机碳含量、非活性有机碳含量极显著相关，与有机碳含量显著相关，且与有机碳含量的相关系数大于非活性有机碳含量。碳库管理指数与碳库活度指数和碳库指数极显著相关。

3结论与讨论

影响土壤活性有机碳的因素有很多，例如土壤环境因子、土地利用方式以及施肥等土壤管理措施，通过影响土壤有机碳的输入量、转化速率以及输出量，都会引起土壤活性有机碳含量的变化。本研究发现，研究区土壤活性碳和非活性碳活性都较低，这与当地土壤性质与果园管理有关。从本试验结果来看，树龄为10年时，土壤中活性碳以及非活性碳含量达到最高，到15年时开始下降，表明随着枣树种植年限逐步增加，土壤活性碳以及非活性碳含量也增加，枣树在10年树龄时土壤有机碳活性达到最大，对果园土壤有机碳的积累效率也最大。种植年限超过10年时，有机碳活性和有机碳的增长效率开始下降。这与甘卓婷等的研究结果[17]相似，不同的是甘卓婷认为15年时，果园对有机碳的积累效率最大。在长期的果园利用中，果园土壤碳素水平在不同年限间存在差异，年限之间的差异可能与研究对象、气候、地域环境的不同有关。

碳库管理指数结合了土壤碳库指数和土壤活度指数，所以它既反映了外界管理措施对土壤有机碳总量的影响，也反映了土壤有机碳各组分的变化情况。碳库管理指数上升则表明土壤肥力上升，下降则表明土壤肥力开始下降。通过对不同种植年限枣园土壤碳库管理指数进行分析，研究区枣园土壤肥力随种植年限的增加而有所变化，表现为15年最大（除土壤深度30～50 cm外），10年与15年差异不大，表明枣园枣树生产力在10年时最大，树龄超过10年以后枣园土壤碳积累趋于平缓，3～10年树龄的枣树处于上升期，其生产力旺盛，有机碳积累能力最强。因此，在植果期间更应该注重深层土壤的管理。

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