河南省典型土壤类型及土地利用方式对土壤活性有机质及碳库管理指数的影响.pdf
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1、摇第 21 卷摇 第 5 期2023 年 10 月中 国 水 土 保 持 科 学Science of Soil and Water ConservationVol.21摇 No.5Oct.2023河南省典型土壤类型及土地利用方式对土壤活性有机质及碳库管理指数的影响罗摇 澜,席摇 源,华仲臣,姚林林,姜桂英覮,申凤敏,刘摇 芳,刘世亮覮(河南农业大学资源与环境学院,450002,郑州)摘要:基于河南省典型土壤类型和不同土地利用方式,研究其对土壤活性有机质和碳库管理指数变化影响特征,为河南省土壤的开发利用及可持续发展提供理论依据。结果表明:1)在褐土和潮土中,果园土壤有机质质量分数最高,分别比荒地
2、高 70郾 12%和 29郾 04%。在砂姜黑土中,农田土壤有机质质量分数显著高于其他土地利用方式,为23郾 61 g/kg。2)在褐土中,果园利用方式有利于提高土壤低活性有机质(LLOM)和高活性有机质(HLOM)质量分数,但荒地土壤的总活性有机质占总有机质的比例高达 67郾 79%;在砂姜黑土和潮土中,农田利用方式显著提高土壤各活性有机质的质量分数,其总活性有机质的比例分别为 48郾 66%和 41郾 08%。3)不同土壤类型下,农田土壤的碳库指数(CPI)数值均 1。在褐土中,菜地利用方式有利于 LLOM 和中活性有机质(MLOM)的土壤碳库管理指数(CPMI)的提高,分别为 95、13
3、7。在砂姜黑土和潮土中,农田利用方式有助于土壤各活性有机质的 CPMI 的增高,值的范围分别为 183 202 和 154 171。土地利用方式和土壤类型 伊 土地利用方式互作均对土壤各活性有机质和碳库管理指数的影响达到极显著水平。综上,在褐土中,果园利用方式提高土壤 LLOM 和 HLOM 含量效果最佳;在砂姜黑土和潮土中,农田利用方式有助于提高土壤各活性有机质质量分数。土地利用方式及土壤类型 伊 土地利用方式互作对土壤总有机质、各活性有机质和碳库管理指数均产生极显著的影响。关键词:土壤类型;土地利用方式;活性有机质;碳库管理指数;双因素方差分析中图分类号:S158郾 2文献标志码:A文章编
4、号:2096鄄2673(2023)05鄄0029鄄09DOI:10.16843/j.sswc.2023.05.004收稿日期:2021 05 06摇 修回日期:2022 05 02项目名称:国家重点研发计划重点专项项目“北方集约化农区氮素面源污染发生过程与调控机制冶(2021YFD1700900);河南省科技厅基金“秸秆还田对不同肥力土壤有机碳组分和固碳减排的影响研究及应用冶(192102110161);河南省教育厅基金“长期施肥对土壤可溶性有机物组成结构及生物降解的研究及应用冶(20A210024);河南农业大学本科实验室开放创新项目“河南省典型土壤类型不同土地利用方式下土壤团聚体分布特征研
5、究冶(201916)第一作者简介:罗澜(1997),女,硕士研究生。主要研究方向:土壤肥力与营养调控。E鄄mail:343493032 覮 通信作者简介:姜桂英(1983),女,博士,副教授,硕士研究生导师。主要研究方向:土壤肥力与营养调控。E鄄mail:刘世亮(1970),男,博士,教授,博士研究生导师。主要研究方向:土壤肥力与营养调控。E鄄mail:Effects of typical soil types and land use patterns on soil labile organic matterand carbon pool management index in Henan
6、 provinceLUO Lan,XI Yuan,HUA Zhongchen,YAO Linlin,JIANG Guiying,SHEN Fengmin,LIU Fang,LIU Shiliang(College of Resources and Environmental Science,Henan Agricultural University,450002,Zhengzhou,China)Abstract:Background Labile organic matter(LOM)is a vital index to soil fertility,and it is moresensit
7、ive than soil organic matter to human and nature activities in short term.Soil type and land use arethe main factors on LOM.Therefore,the study on the effect of different soil types and land use patternson LOM and carbon pool management index(CPMI)will provide a scientific theoretical basis for soil
8、摇中国水土保持科学2023 年sustainable development in Henan province.Methods Based on the typical soil types and differentland use patterns in Henan province,the characteristics of LOM and soil CPMI by soil types and land usepatterns were studied.In this study,three typical soil types(fluvo鄄aquic soil,Shajiang
9、black soil,andcinnamon soil)and four land use patterns(orchard,farmland,vegetable land,and wasteland)wereselected.The LOM was measured and divided into different components by KMnO4oxidation method.Two鄄way ANOVA was used to analyze the influence and interaction of LOM and CPMI by soil types andland
10、use patterns.Results 1)In cinnamon soil and fluvo鄄aquic soil,the SOM content in orchard soilwas the highest,which was 70郾 12%and 29郾 04%higher than that in wasteland soil,respectively.Inshajiang black soil,the SOM content in farmland soil was significantly higher than that in other land usepatterns,
11、which was 23郾 61 g/kg.2)In cinnamon soil,the orchard use pattern was beneficial to increasethe content of LLOM(Lowly LOM)and HLOM(Highly LOM),but the proportion of TLOM(TotalLOM)to SOM in wasteland soil was as high as 67郾 79%.In Shajiang black soil and fluvo鄄aquic soil,LOM content increased in farml
12、and soil,and the proportion of TLOM was 48郾 66%and 41郾 08%,respectively.3)The carbon pool index(CPI)in farmland under different soil types was higher than 1,indicating that farmland was more conducive to improving SOM accumulation than the other land usetypes.In cinnamon soil,the vegetable land was
13、beneficial to increasing the CPMI of LLOM and MLOM(Moderately LOM)with the value as 95 and 137,respectively.In Shajiang black soil and fluvo鄄aquicsoil,the farmland contributed to CPMI increase of LOM,with the values ranging from 183 to 202 and 154to 171,respectively.Two鄄way ANOVA showed that the int
14、eraction of land use type and soil type 伊 landuse pattern had an extremely significant effect on LOM and CPMI.Conclusions The orchard had thebest effect on improving LLOM and HLOM content,followed by vegetable in cinnamon soil.The farmlandwas helpful to increase LOM in Shajiang black soil and fluvo鄄
15、aquic soil.The interaction of land use andsoil type 伊 land use significantly affected SOM,LOM,and CPMI.Keywords:soil types;land use patterns;labile organic matter;carbon pool management index;Two鄄way ANOVA摇 摇土壤有机质(soil organic matter,SOM)是评价土壤肥力高低的重要指标,但是,SOM 变化比较缓慢;因此,为了更加直接有效地研究 SOM,研究者提出活性有机质(lab
16、ile organic matter,LOM)的概念,即在一定的环境条件下,存在于土壤中有效性较高、易被土壤微生物分解、对植物所需养分有直接作用的那部分 SOM1。LOM 对农业措施反应较敏感,能快速表征土壤质量水平。Loginow 等2提出用 3 种不同浓度的 KMnO4(33、167 和 333 mmol/L)测定土壤 LOM 含量的方法,将其分为 4 种级别:高活性有机质(highly labile organic matter,HLOM)、中活性有机质(moderately labile organic matter,MLOM)、低活性有机质(lowly labile organic
17、matter,LLOM)和非活性有机质(non鄄labile organic matter,NLOM)。Blair等3进一步将土壤总有机碳与其活性相结合,首次提出土壤碳库管理指数(carbon pool management in鄄dex,CPMI)的概念。CPMI 既可以指示外界环境对SOM 数量变化的影响,也可以表征土壤中 LOM 数量的变化情况。土地利用是人类直接干预土壤肥力变化的主要活动因素,不同土地利用方式可以改变土壤中的养分循环。国内外学者研究表明土壤 LOM 含量与土壤的成土母质、地形地貌、气候以土地利用方式相关,具有空间异质性4。孟庆峰5研究发现,鸡粪施用明显提高了碱性草甸土
18、SOM、LOM 及 CPMI。Lal6研究发现天然生态系统转换为农林用地或者其他人为管理的生态系统后,土壤有机碳库最高可以减少 320 Pg。Hu 等7研究得出,不合理的土地利用方式导致我国土壤 SOC 损失量达到人为排放的30%以上。Zhang 等8研究发现三江平原湿地土壤表土活性组分有机碳含量显著高于旱林地、撂荒耕地和耕地土壤。因此,研究不同土壤类型不同土地利用方式下 LOM 和 CPMI 的变化,对我国土壤有机质组分的动态变化及完善碳循环平衡机制具有重要的指导意义。目前,众多学者在森林、草地与农田等土地利用03摇摇 第 5 期罗澜等:河南省典型土壤类型及土地利用方式对土壤活性有机质及碳库
19、管理指数的影响方式变化对土壤有机质的影响方面开展了研究,但尚不清楚在特定区域内,关于不同土壤类型、不同土地利用方式下对土壤活性有机质分布特征和碳库管理指数有何影响及异同之处;因此,笔者选取河南省 3 种典型土壤类型(潮土、褐土和砂姜黑土)和与之对应的 4 种主要土地利用方式(农田、菜地、果园和荒地),研究不同土壤类型不同土地利用方式对土壤活性有机质和碳库管理指数变化特征,以期为揭示不同土壤类型及不同土地利用方式对土壤肥力和碳库质量的影响提供科学的理论依据,并为河南省土地资源利用及可持续发展提供理论支撑。1摇 试验区概况本研究选取河南省分布面积最广的 3 中土壤类型:潮土、褐土和砂姜黑土9为研究
20、对象。潮土在河南省分布面积最大,成土母质为河流冲积沉积物,占全省土壤总面积的 25郾 97%,占全省耕地面积的37郾 14%。主要分布在郑州、安阳、濮阳等豫东北地区,属于暖温带大陆性季风气候,年平均气 温14郾 2 益,年降水量 500 900 mm,无霜期240 d;褐土是第 2 大土类,成土母质为洪积物母质和黄土与红土母质,占全省土壤总面积的 20郾 33%,占全省耕地面积的 20郾 92%。多分布于三门峡、焦作、洛阳等豫西地区,属于暖温带半湿润季风气候,年平均气温13郾 8 益,年降水量600 800 mm,无霜期216 d;砂姜黑土的成土母质为河湖相沉积物,占全省土壤总面积的 9郾 2
21、5%,占全省耕地面积的 13郾 94%,广泛分布于驻马店、南阳、信阳等豫南地区,属于北亚热带大陆性季风气候,年降水量 850 980 mm,年平均气温14郾 6 益,无霜期 225 d。2摇 材料与方法2郾 1摇 样品采集和处理本试验于 2019 年 7 月进行土样采集,潮土采自郑州市中牟县(E 113毅46忆,N 34毅26忆,平均海拔78 m);砂姜黑土采自驻马店(E 114毅11忆,N 32毅56郾 5忆,平均海拔84 m);褐土采自三门峡(E111毅11忆,N 34毅18忆,平均海拔 377 m)。每种土地利用方式设置 3 个重复。采样点布设情况见图 1。各采样点的基本情况见表 1。用
22、 S 形取样法采集 0 20 cm土层土样。为了减小地形地势的影响,同一土壤类型中 4 种土地利用方式的采样地尽量选择在同一海拔,且 4 种采样地邻近。土样带至实验室风干,剔除植物根,砂砾等杂物后研磨、过筛,保存于自封袋中备用。图 1摇 采样点分布图Fig.1摇 Distribution map of sampling points摇摇 摇 提取活性有机质的方法采用 KMnO4氧化法10。具体操作为:称取过 0郾 25 mm 筛的风干土样 1郾 5 g,将其 置 于 50 mL 离 心 管 中,在 离 心 管 中 加 入333 mmol/L(或 33 和 167 mmol/L)的 KMnO4溶
23、液25 mL。在温度 25 益 的条件下振荡 1 h,在转速为2 000 r/min 的条件下离心5 min。取其上清液,用去离子水按照 1颐 250 的比例稀释,最后将稀释液在565 nm 的波长下比色。以荒地作为对照土壤,通过以下公式计算 CPMI:y=x/x0;(1)y1=x-x1;(2)L=x1/y1;(3)L1=L/L0;(4)y2=100yL1。(5)式中:y 为碳库指数(carbon pool index,CPI),量纲为 1;x 为样品总有机质质量分数,g/kg;x0为对照土壤总有机质质量分数,g/kg;y1为非活性有机质质量分数,g/kg;x1为活性有机质质量分数,g/kg;
24、L 为碳库活度(carbon pool lability,L),量纲为1;L1为活度指数(lability index,LI),量纲为 1;L0为对照土壤为碳库活度,量纲为1;y2为碳库管理指数(carbon poolmanagement index,CPMI),量纲为 1。2郾 2摇 数据处理使用 SPSS 17郾 0(SPSS Inc.,Chicago,Illinois,USA)进行统计分析。采用单因素方差分析和最小显著性差异进行多重比较(P 0郾 05),对 3 种不同土壤类型和 4 种不同土地利用方式所对应的土壤总有机质和活性有机质进行显著性差异比较。使用双13摇中国水土保持科学202
25、3 年摇 摇 摇表 1摇 采样点基本情况Tab.1摇 Basic information of sampling points土地利用方式Land鄄use pattern种植情况Planting situation肥料种类及数量Type and quantity offertilizer/(kghm-2)地块面积Parcel area/hm2种植年限Planting years/a摇 果园 Orchard摇 桃树 Peach(Amyg鄄dalus persica)摇尿 素(N,225);磷 肥(P2O5,105);钾肥(K2O,225)Urea(N,225);phosphate fertili
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