摘要:
探析砒砂岩与沙复配土有机碳活性库和惰性库的演替特征及垂直分布规律，对新成土的肥力提升以及土体有机重构理论具有指导意义。试验选取砒砂岩与沙复配比分别为0:1 (CK)、1:5 (C1)、1:2 (C2)和1:1 (C3)的四个处理，种植年限分别为3年和10年。结果表明，仅复配比对重组有机碳含量有显著影响，以C3处理的重组有机碳含量最高。种植10年较3年，土壤易氧化有机碳含量和潜在可矿化有机碳含量呈现逐渐递增的变化趋势，年增加速率分别为0.05 g/kg和0.06 g/kg，0~10 cm土层显著高于其他土层(P < 0.05)。在种植3年的复配土中，潜在可矿化有机碳平均含量以C3处理最高，随着种植年限的增加，C1处理优势显著，较其他处理表现出明显差异。可见复配措施促进了0~10 cm土层活性碳库的积累，以1:1复配措施较优。
Abstract:
Analyzing the succession characteristics and vertical distribution of organic carbon active pool and inert pool of arsenic and sand composite soil, which has guiding significance for the fertility improvement of newly formed soil and the theory of soil organic reconstruction, the experiment selected four treatments with the compound ratio of arsenic sandstone and sand of 0:1 (CK), 1:5 (C1), 1:2 (C2) and 1:1 (C3), and the planting period was 3 years and 10 years. The results showed that only the compound ratio had a significant effect on the recombinant organic carbon content, and the C3 treatment had the highest recombinant organic carbon content. Compared with 3 years of planting for 10 years, the content of easily oxidizable organic carbon and potential mineralized organic carbon in the soil showed a gradual increase trend, with an annual increase rate of 0.05 g/kg and 0.06 g/kg, respectively, and the 0~10 cm soil layer was significant higher than other soil layers (P < 0.05). In the compound soil planted for 3 years, the average content of potential mineralizable organic carbon was the highest in C3 treatment. With the increase of planting years, C1 treatment had a significant advantage, which showed obvious difference compared with other treatments. It can be seen that the compounding measures promoted the accumulation of activated carbon pool in the 0~10 cm soil layer, and the 1:1 compounding measure is better.
1. 引言
农田中的土壤有机碳是缓解全球气候变化的潜在碳汇，并且是维持土壤肥力的基础。土壤有机碳动力学受土壤特性，土地利用和耕作实践之间的相互作用控制 [1]。在这些因素中，土地利用会影响有机质投入的数量和质量，因此对土壤有机碳周转起关键作用 [2]。土壤有机碳作为土壤中的重要组成部分，影响着土壤中养分的储存与供应，其数量和分布反映了地表植物群落的空间分布、时间上的演替和人为干扰，在全球碳循环中也起着至关重要的作用 [3]。
土壤中不稳定、易分解、易氧化、易矿化、移动较快，对地表植物和土壤微生物有显著影响的有机碳定义为土壤活性有机碳 [4]。土壤易氧化有机碳作为土壤中易被氧化且活性较高的有机碳，能够敏感反映群落植被环境与土壤环境的早期变化 [5]。惰性有机碳是指周转时间为50~3000 a，比较稳定，对土壤利用的短期变化几乎没有响应的有机碳，而重组有机碳则属于这一范畴 [6]。土壤有机碳是成土的主要标志，而土壤中有机碳的腐殖化，进而形成分子量高、相对稳定的腐殖质是土壤发育程度的主要标志。尽管关于砒砂岩与沙复配土体中有机碳积累已有学者做过研究 [7] [8]，但有机碳的状态是否发生了腐殖化过程，是否与土壤矿物颗粒存在结合状态却研究较少。因此，本研究以砒砂岩与沙复配土为研究基础，分析不同种植年限砒砂岩与沙复配土体中有机碳库组分的演替规律，为实现复配土体良好的土体结构提供依据。
2. 材料与方法
2.1. 试验地概况
砒砂岩与沙复配土试验小区位于富平中试基地(108˚57'~109˚26'E，34˚42'~35˚06'N)是关中平原和陕北高原的过渡地带，自西北向东南倾斜，境内海拔375.8~1420.7 m，属大陆性季风温暖带半干旱型气候，年总辐射量5187.4 MJ/m2，年平均日照时数约2389.6 h，年均气温13.1℃，年平均降水量527.2 mm (1990~1995)。
2.2. 试验设计
田间试验小区为模拟毛乌素沙地砒砂岩与沙混合层的土地状况，试验小区在0~30 cm铺设砒砂岩与沙的混合物质，30~70 cm填充风沙土。选取整治年限为3年和10年的砒砂岩与沙复配比分别为0:1 (CK)、1:1 (C1)、1:2 (C2)、1:5 (C3)的土壤，每个处理重复3次，共24个小区。小区面积为2 m × 2 m，根据小区立地条件，考虑光照、微地形等因素的均一性，试验小区采取自南向北“一”字型布设，通常土壤耕层深度为30~40 cm，因此试验小区将砒砂岩与沙的混合深度设计为0~30 cm，模拟实地条件，30-70 cm完全用沙填充。试验田为玉米(金诚508)–小麦(小偃22)一年两熟轮作，全部采用人工播种。
2.3. 土壤样品的采集
2019年5月份小麦收获后，采集各小区0~30 cm土层样品，间隔10 cm，每个小区均匀采集5点组成一个混合样。将采集的土壤样品去除动、植物残体，过孔径2 mm筛后经自然风干后研磨过0.25 mm筛，用于易氧化有机碳、重组有机碳和潜在可矿化有机碳的测定。易氧化有机碳采用333 mmol/L高锰酸钾氧化-分光光度计法测定 [9]，重组有机碳采用密度浮选(1.7 g/cm3 NaI) TOC-VCPH分析仪测定 [10]，潜在可矿化有机碳采用恒温室内培养法进行测定 [11]。
2.4. 数据处理
数据采用Microsoft Excel 2013进行相关计算并且进行作图，用SPSS 13.0软件进行Duncan显著性检验和相关性分析。
3. 结果与分析
3.1. 土壤易氧化有机碳的演替与变化
多因素方差分析结果表明(表1)，在多因素综合作用下，复配比、种植年限、土层均对易氧化有机碳含量变化产生显著的影响。在种植3年的复配土中，0~10 cm和10~20 cm土层的易氧化有机碳含量在C1、C2和C3处理间均无显著性差异，但均显著高于CK处理，增幅分别为41.83%~66.41%和122.63%~166.11%，20~30 cm土层各处理易氧化有机碳含量均无显著性差异。各土层易氧化有机碳平均含量表现为0~10 cm (0.29 g/kg) > 10~20 cm (0.19 g/kg) > 20~30 cm (0.12 g/kg) (图1)。在种植10年的复配土中，0~10 cm土层的易氧化有机碳含量在CK、C1和C2处理间无显著性差异，在C1、C2和C3处理间也无显著性差异，可见C3较CK处理的易氧化有机碳含量显著增加了109.86%，10~30 cm土层各处理易氧化有机碳含量均无显著性差异。各土层易氧化有机碳平均含量表现为0~10 cm (0.64 g/kg) > 10~20 cm (0.57 g/kg) > 20~30 cm (0.39 g/kg)。种植10年较3年，各土层易氧化有机碳含量呈现逐渐递增的变化趋势，年增加速率分别为0.05 g/kg (0~10 cm)、0.05 g/kg (10~20 cm)和0.04 g/kg (20~30 cm)。
Table 1. Variance analysis of easily oxidizable organic carbon of arsenic sandstone and sand composite soil under the influence of multiple factors
表1. 砒砂岩与沙复配土易氧化有机碳在多因素影响下的方差分析
Figure 1. The vertical distribution characteristics of the oxidizable organic carbon content of the compound soil for 3 years (A) and 10 years (B). Note: CK, C1, C2, and C3 indicate the volume ratio of arsenic sandstone to sand is 0:1, 1:5, 1:2, and 1:1, respectively
图1. 复配土种植3年(A)和10年(B)土壤易氧化有机碳含量的垂直分布特征。注：CK、C1、C2和C3分别表示砒砂岩与沙的体积比为0:1、1:5、1:2和1:1
3.2. 土壤重组有机碳的演替与变化
多因素方差分析结果表明(表2)，在复配比、种植年限、土层的综合作用下仅复配比对重组有机碳含量变化有显著的影响。在不同种植年限下，各土层复配土重组有机碳含量均无显著差异(图2)。但0~30 cm土层中，不同复配比处理的重组有机碳含量表现出显著差异，以C3处理的含量最高，显著高于CK处理，而C1、C2和C3处理间差异不显著。
Table 2. Variance analysis of heavy fraction organic carbon of arsenic sandstone and sand composite soil under the influence of multiple factors
表2. 砒砂岩与沙复配土重组有机碳在多因素影响下的方差分析
Figure 2. Vertical distribution characteristics of soil heavy fraction organic carbon n content after 3 years (A) and 10 years (B) planting in mixed soil. Note: CK, C1, C2, and C3 indicate the volume ratio of arsenic sandstone to sand is 0:1, 1:5, 1:2, and 1:1, respectively
图2. 复配土种植3年(A)和10年(B)土壤重组有机碳含量的垂直分布特征。注：CK、C1、C2和C3分别表示砒砂岩与沙的体积比为0:1、1:5、1:2和1:1。注：CK、C1、C2和C3分别表示砒砂岩与沙的体积比为0:1、1:5、1:2和1:1
3.3. 土壤潜在可矿化碳的演替与变化
多因素方差分析结果表明，在多因素综合作用下，复配比、种植年限、土层单因素及两两因素间的综合作用均对潜在可矿化有机碳含量变化产生显著的影响(表3)。在种植3年的复配土中，10~20 cm土层潜在可矿化有机碳平均含量最高，为0.78 g/kg，显著高于0~10 cm (0.62 g/kg)和20~30 cm (0.58 g/kg)；在种植10年的复配土中，0~10 cm土层潜在可矿化有机碳平均含量较高，为1.38 g/kg，显著高于10~20 cm土层(0.88 g/kg)和20~30 cm土层(0.97 g/kg) (表4)，20~30 cm土层较10~20 cm土层也显著增加了10.23%，可见随着种植年限的增加，复配土潜在可矿化有机碳含量逐年增加，年增加速率为0.06 g/kg，且0~10 cm和20~30 cm土层的潜在可矿化有机碳含量变的较高。在种植3年的复配土中，0~10 cm和20~30 cm土层C3处理的潜在可矿化有机碳含量最大，显著高于CK处理，而在10~20 cm土层中，以CK处理的潜在可矿化有机碳含量最大，显著高于其他复配比处理；10年复配土中，0~10 cm土层的潜在可矿化有机碳含量在各处理间差异显著，以C1处理最大，其次为CK、C3、C2，10~20 cm和20~30 cm土层中分别以C3处理和CK处理的潜在可矿化有机碳含量最大，显著高于其他处理(图3)。在种植3年的复配土中，潜在可矿化有机碳含量平均以C3处理最高，随着种植年限的增加，C1处理的潜在可矿化有机碳含量逐渐增多，较其他处理表现出显著差异(表4)。
Table 3. Variance analysis of potential mineralizable organic carbon of arsenic and sand composite soil under the influence of multiple factors
表3. 砒砂岩与沙复配土潜在可矿化有机碳在多因素影响下的方差分析
Table 4. Significant difference (5%) of the average content of potential mineralizable organic carbon in composite soils under the influence of multiple factors
表4. 复配土潜在可矿化有机碳平均含量在多因素影响下的显著性差异(5%)
Figure 3. Vertical distribution characteristics of the potential mineralizable organic carbon content of compound soil for 3 years (A) and 10 years (B). Note: CK, C1, C2, and C3 indicate the volume ratio of arsenic sandstone to sand is 0:1, 1:5, 1:2, and 1:1, respectively
图3. 复配土种植3年(A)和10年(B)潜在可矿化有机碳含量的垂直分布特征。注：CK、C1、C2和C3分别表示砒砂岩与沙的体积比为0:1、1:5、1:2和1:1
4. 结论
不同种植年限下，重组有机碳在各土层中均无显著性差异，仅复配比对其含量有显著影响，以C3处理的重组有机碳含量最高；复配比、年限、土层均对易氧化有机碳含量变化产生显著的影响，以0~10 cm土层的累积效应较好；复配比、种植年限、土层单因素及两两因素间的综合作用均对潜在可矿化有机碳含量变化产生显著的影响。随着种植年限的增加，复配土潜在可矿化有机碳平均含量逐年增加。