2018, Vol. 24 
doi: 
2. 吉林省农业科学院农业环境与资源研究所，长春 130033;
3. 陕西地建土地工程技术研究院，西安 7110075
2. Jilin Academy of Agricultural Sciences, Changchun 130033, China;
3. Institute of Land Engineering and Technology, Shaanxi Provincial Land Engineering Construction Group, Xi’an 710075
随着全球气候变暖，土壤作为最大的碳库受到了前所未有的关注[1–2], 其中，1米深土壤贮存约1500 Pg有机碳，750 Pg无机碳[3]。当前，我国东北农田土壤，尤其是黑土土壤有机碳损失严重[4]，黑土层变薄，土壤酸化趋势严重[5]，这势必将进一步加速土壤无机碳的损失。因此，研究东北集约化土壤耕层和耕层以下土壤有机碳和无机碳变化，有助于了解东北集约化农田土壤碳贮存现状及碳损失主要原因。土壤有机碳库 (SOM) 可分为活性库和稳定库。活性碳库能够敏感反映农田管理措施[6]。这部分易变异库可以由颗粒有机碳 (POC)、微生物生物量碳 (SMBC) 和可溶性有机碳 (DOC) 表示，这些库连接着土壤物理、生物和化学的功能[7]。土壤颗粒有机碳可用作土壤质量变化和固碳能力评价的有效指标, 其对管理措施的响应更敏感[8]，它不仅是土壤活性有机碳的组分[9–10]和有机碳长期变化的累积性指标[11]，而且可以为微生物提供碳源和栖息场所[12]。土壤微生物生物量碳是土壤有机质中最活跃和最易变化的部分[13]，是土壤有机碳转化的驱动力[14]。可溶性有机碳主要来源于植物凋落物、土壤腐殖质、微生物和根系及其分泌物[15]，是土壤微生物代谢的重要中间产物和微生物碳同化的重要能源物质，因此，土壤POC、SMBC、DOC之间紧密联系。与土壤有机碳库相对应的是土壤无机碳 (IC)，与土壤母质和土壤风化成土过程密切联系。自上世纪80年代以来，东北黑土耕层土壤有机碳损失较为严重，肥料不合理施用使得黑土的酸化也较为严重[4]。例如，20年的黑土长期定位试验显示，表层土壤pH从6.4降到了4.8～5.3之间[16]。诱导土壤酸化的氢离子与土壤中碳酸盐相结合发生化学反应，最终土壤无机碳以气体的形式损失到大气中，导致土壤无机碳含量的降低，进一步降低了土壤全碳的含量。目前，有关土壤有机碳的研究大部分集中在表层土壤 (0—20 cm)，然而，农田作物根系不仅作用于表层土壤，也可以作用于土壤剖面深层土壤，崔振岭等[17]将90 cm或100 cm以内土壤剖面称为根层土壤，也有报道指出根层土壤储存了70%以上的有机碳，能够反映土壤有机碳储量[18]。尽管当前有一些对0—90 cm土层土壤有机碳库研究的报道，但并没有认识到无机碳库的重要性，以及农田长期施肥对土壤无机碳库的影响和土壤总碳储量在土壤碳贮存的作用，综合探讨东北集约化农田有机碳库、无机碳含量以及总碳含量的研究，有利于明确当前东北集约化农田土壤碳储量，农田长期施肥后无机碳在土壤剖面中的变化。为此，本研究选择东北三省典型春玉米种植区域，定点跟踪了黑龙江、吉林、辽宁各17个农户总计51户农民习惯施肥管理的农田土壤，通过分析0—90 cm土壤剖面中活性碳库的变化特征以及有机碳库和无机碳库的储量，有助于进一步明确东北三省典型春玉米种植区土壤碳素贮存现状，为我国东北农田碳固持和进一步分析深层土壤碳贮存提供必要的数据支持。
1 材料与方法 1.1 试验地概况供试土壤样品采自我国东北三省典型春玉米垄作种植区。东北三省属于寒温带湿润、半湿润气候，冬季气温低，≥ 10℃积温2000～3600℃，无霜期130～170 d，夏季平均气温在20～25℃，适宜玉米生长发育的有效积温 (≥ 10℃) 日数和积温，北部120 d左右，积温2000℃，南部170 d左右，积温3200℃。全年降水量400～800 mm，从西向东递减，其中60%降雨集中在7—9月。东北三省春玉米播种时间大都为4月底5月初，收获时间为9月底10月初。供试土壤中黑龙江省和吉林省土壤均为黑土，辽宁省土壤为棕壤。
本研究基于东北三省不同农户习惯施肥管理，在春玉米全生育期定点跟踪了51个农户施肥量、产量，并于2012年春玉米播种前用长1 m、直径为3 cm的荷兰进口土钻分层采集了0—90 cm剖面土壤，每30 cm为一层，分别采集黑龙江、吉林和辽宁省各17户，共采取51户，其中黑龙江省桦川县梨丰乡 (131°15′ E、47°02′ N ) 4户，庆安县庆安乡 (127°67′ E、46°95′ N) 4户，宾县宾州乡 (127°49′ E、45°79′ N) 4户，哈尔滨市民主乡 (126°85′ E、45°84′ N) 1户，双城市水泉乡 (126°37′ E、45°43′ N) 4户；吉林省土壤采自公主岭市 (124°54′ E、43°43′ N) 刘房子镇4户，陶家屯乡3户，黑林子镇5户，朝阳坡镇5户；辽宁省土壤采自昌图县老城镇8户 (23°57′ E、42°46′ N)，朝阳县胜利乡9户 (120°02′ E、41°16′ N)。地块选取前，调查了各地块施肥情况，试验开始前近5年内无有机物料施用。
每个乡镇挖取一户土壤剖面测定土壤容重，以此为该乡镇的土壤容重值。黑龙江省土壤基本理化性质分别为：pH范围为5.2～7.0，容重变化范围为1.1～1.4 g/cm3，全氮变化范围为0.2～2.4 g/kg。吉林省土壤pH、容重、全氮变化范围为4.7～8.0、1.4～1.7 g/cm3、0.3～1.3 g/kg。辽宁省土壤pH、容重、全氮变化范围分别为5.2～8.1、1.4～1.7 g/cm3、0.2～1.0 g/kg。试验点不同农户的施肥量、施肥种类、施肥时间和作物产量等信息见文献[19]。
1.2 田间取样与测定方法采用“S”法采取每户农田土壤5钻，均匀混合。采集的土壤放在保温盒中带回实验室，然后均匀过 2 mm筛，并拣出可见石头、残茬以及根系。一部分保存于4℃冰箱，用于测定SMBC、DOC，剩余样品风干后测定土壤SOC、土壤全碳 (TC) 和POC。
SMBC采用氯仿熏蒸—K2SO4浸提法[20]，熏蒸浸提前，采集的新鲜土壤含水量调整为45%田间持水量，并在25℃暗室中预培养7 d。用0.5 mol/L K2SO4溶液以1︰4土水比浸提30 min后，熏蒸和不熏蒸的土壤碳含量用TOC仪 (TOCII，Elementar，德国) 测定。SMBC = (熏蒸碳 − 不熏蒸碳)/K E，KE为转换系数，SMBC的KE值为0.45[14, 21]。DOC即为0.5 mol/L K2SO4 溶液浸提的不熏蒸碳。
POM采用Bronson等[22]介绍的方法测定，将25 g风干土样用5%的六偏磷酸钠溶液在震荡机上分散1 h后，用0.053 mm的筛子过滤该悬浊液，并用去离子水将筛子上的样品洗涤至水清为止，然后转移至烧杯内在60℃烘箱内烘干，并拣去可见的石砾和根系。
土壤SOC分析测定首先用0.3 mol/L HCl浸泡24 h，移去CaCO3，然后用去离子水清洗HCl，使pH上升到6以上，并在60℃烘干。
土壤样品过0.15 mm筛后，用碳氮分析仪 (macro cube CN，Elementar，德国) 测定POC、TC和SOC含量，土壤无机碳为TC和SOC的差值。
每个定点追踪的试验点收割10 m2 测定玉米产量和秸秆生物量，同时取5株玉米植株用于测定玉米籽粒和秸秆含水量。玉米产量为烘干重折算成15.5%的含水量后的重量。
作物残茬碳还田量估算公式为：地下生物量 (t/hm2) = (籽粒产量 × 0.93+1.35) × 0.19 × 0.4 [23]。
土壤重量数据全部换算为105℃烘干土壤。
采用SPSS16.0软件进行统计分析，LSD法检验，不同字母代表平均值间5%的显著水平。回归分析采用SPSS线性回归，enter方法。箱图采用SigmaPlot软件制作。
2 结果与分析 2.1 东北三省典型春玉米种植区0—90 cm土壤全碳 (TC)、有机碳 (SOC)、无机碳 (IC) 的变化 2.1.1 土壤TC、SOC、IC储量黑龙江、吉林、辽宁0—90 cm土壤剖面TC储量变化范围分别为115.1～240.8、99.1～153.0、78.5～140.9 t/hm2，各省TC储量平均值分别为159.8、128.5、108.1 t/hm2，黑龙江省显著高于吉林省、辽宁省 (P < 0.05)( 图1-A)。0—90 cm土壤剖面SOC储量总体趋势是黑龙江最高，吉林次之，辽宁最低，变化范围分别为102.0～213.7、93.9～148.6、69.6～114.6 t/hm2，且3个省份所采集农户0—90 cm剖面土壤SOC储量平均值差异达显著水平 (P < 0.05)( 图1-B)，各省SOC储量平均值分别为141.7、120.5、90.2 t/hm2。0—90 cm土壤剖面吉林IC储量显著低于黑龙江、辽宁 (P < 0.05)( 图1-C)，所采集黑龙江、吉林、辽宁土壤剖面IC储量变化范围分别为 7.8～42.4、3.9～15.1、5.8～31.6 t/hm2，相应的黑龙江、吉林、辽宁各省IC储量平均值分别为18.2、8.0、17.9 t/hm2。
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| 图1 黑龙江、吉林、辽宁典型春玉米种植区0—90 cm土层全碳、有机碳、无机碳储量 Fig. 1 Stock of total C, soil organic C and inorganic C in 0–90 cm soil layer in Heilongjiang, Jilin and Liaoning Province [注（Note）：图中不同小写字母表示东北三省间的差异显著性达P < 0.05 水平，箱体之内的实线、虚线以及箱体的上边缘线、下边缘线、上误差线、下误差线分别表示中值、平均值、第25、75、5、95百分位数。Small letter denotes difference among Heilongjiang, Jilin and Liaoning provinces at P < 0.05 level. Solid line and break line, lower edge and upper edge, bars represent median and mean values, 25th and 75th, 5th and 95th percentiles of all data, respectively.] |
0—30 cm土层TC含量平均值以黑龙江最高，吉林次之，辽宁最低，且三省份TC含量平均值差异达显著水平 (P < 0.05)( 图2-A)，黑龙江、吉林、辽宁TC含量平均值分别为20.0、13.5、9.7 g/kg。30—60 cm、60—90 cm土层黑龙江TC含量显著高于吉林、辽宁 (P < 0.05)( 图2-B、图2-C)，30—60 cm土层黑龙江、吉林、辽宁TC含量平均值分别为14.4、8.6、7.2 g/kg，对应的60—90 cm分别为11.2、7.1、6.4 g/kg。每个省份0—90 cm每层土壤TC含量都随着剖面深度的增加而降低。
0—90 cm各土层土壤SOC含量平均值以黑龙江最高，吉林次之，辽宁最低。黑龙江、吉林、辽宁三省0—30 cm土层SOC含量平均值差异达显著水平 (P < 0.05)( 图2-D)，黑龙江、吉林、辽宁土壤SOC含量平均值分别为18.2、13.0、8.5 g/kg；在30—60、60—90 cm土层，黑龙江土壤SOC含量平均值显著高于吉林省、辽宁省 (P < 0.05)( 图2-E、图2-F)。黑龙江、吉林、辽宁三省在30—60 cm土层SOC含量平均值分别为12.3、8.2、6.2 g/kg；对应的60—90 cm分别为10.3、6.2、4.7 g/kg。每个省份0—90 cm每层土壤SOC含量都随着剖面深度的增加而降低。从每层土壤SOC占0—90 cm土壤剖面SOC平均值 (图2-D、图2-F)可以看出，黑龙江、吉林、辽宁0—30 cm分别为44.6%、47.4%、43.8%，30—60 cm分别为30.1%、29.9%、32.0%，60—90 cm分别为25.2%、22.6%、24.2%。
0—30 cm、30—60 cm土层IC含量平均值黑龙江最高、辽宁次之、吉林最低，且黑龙江土壤IC含量平均值显著高于吉林的 (P < 0.05)( 图2-G、图2-H)，0—30 cm黑龙江、吉林、辽宁土壤IC含量平均值分别为1.7、0.6、1.2 g/kg，对应的30—60 cm分别为2.1、0.4、0.9 g/kg。辽宁60—90 cm土层土壤IC含量平均值显著高于黑龙江、吉林的，黑龙江、吉林、辽宁土壤IC含量平均值在60—90 cm土层分别为1.0、0.8、1.7 g/kg (P < 0.05)( 图2-I)。从每层土壤IC占0—90 cm土壤剖面IC平均值的变化 (图2-G、图2-H、图2-I)可以看出，黑龙江、吉林、辽宁三省0—30 cm土层分别为35.4%、33.3%、31.6%，30—60 cm分别为43.8%、22.2%、23.7%，60—90 cm分别为20.8%、44.4%、44.7%。从每层土壤IC/TC值可知黑龙江、吉林、辽宁0—30 cm土层分别为8.5%、4.4%、12.4%，30—60 cm土层分别为14.6%、4.7%、12.5%，60—90 cm土层分别为8.9%、11.3%、26.6%。
2.2 东北三省典型春玉米种植区土壤POC变化0—30、30—60 cm土层POC含量平均值黑龙江最低，吉林次之，辽宁最高，且在0—30、30—60 cm土层黑龙江POC含量平均值均显著低于吉林、辽宁 (P < 0.05)( 图3-A、图3-B)；黑龙江、吉林、辽宁土壤POC含量平均值0—30 cm分别为0.4、0.7、0.9 g/kg，对应的30—60 cm分别为0.2、0.3、0.4 g/kg。60—90 cm土层POC含量平均值吉林最高，辽宁次之，黑龙江最低，且黑龙江POC含量平均值均显著低于吉林、辽宁 (P < 0.05)( 图3-C)，相应的黑龙江、吉林、辽宁在60—90 cm土层POC含量平均值分别为0.2、0.4、0.3 g/kg。
POC/SOC在90 cm以上各土层变化趋势是黑龙江最低，吉林次之，辽宁最高。在0—30、30—60 cm土层POC/SOC平均值3省间差异均达显著水平 (P < 0.05)( 图3-D、图3-E)。黑龙江、吉林、辽宁0—30 cm土层POC/SOC平均值分别为2.0%、5.6%、10.6%，相应的 30—60 cm土层分别为1.5%、3.5%、6.1%。60—90 cm土层黑龙江POC/SOC显著低于吉林、辽宁 (P < 0.05)( 图3-F)，黑龙江、吉林、辽宁POC/SOC平均值分别为1.8%、4.5%、5.2%。
2.3 东北三省典型春玉米种植区土壤SMBC变化0—30 cm土层SMBC含量平均值以黑龙江最高，吉林次之，辽宁最低，且0—30 cm三省间SMBC含量平均值差异均达显著性水平 (P < 0.05)( 图4-A)，分别为88.3、66.4、43.4 mg/kg。在30—60 cm土层，黑龙江SMBC含量平均值显著高于吉林、辽宁 (P < 0.05)( 图4-B)，相应的黑龙江、吉林、辽宁的SMBC含量平均值分别为49.3、32.5、34.9 mg/kg。在60—90 cm土层，吉林SMBC含量平均值显著高于辽宁 (P < 0.05)( 图4-C)，该层SMBC含量平均值黑龙江、吉林、辽宁分别为23.6、27.5、17.8 mg/kg。黑龙江、吉林、辽宁每个省份0—90 cm各土层中SMBC含量随着剖面深度的增加而降低。
0—30 cm土层黑龙江、吉林、辽宁SMBC/SOC平均值分别为0.49%、0.52%、0.53%，30—60 cm土层辽宁SMBC/SOC平均值显著高于吉林 (P < 0.05)( 图4-E)，相应的黑龙江、吉林、辽宁在30—60 cm土层SMBC/SOC平均值分别为0.5%、0.4%、0.6%，60—90 cm分别为0.3%、0.5%、0.4%。60—90 cm土层黑龙江SMBC/SOC平均值显著低于吉林、辽宁 (P < 0.05)( 图4-F)。
2.4 东北三省典型春玉米种植区土壤DOC变化0—90 cm各土层DOC含量平均值吉林显著高于黑龙江、辽宁；黑龙江、吉林、辽宁土壤DOC含量平均值0—30 cm分别为34.3、41.3、32.4 mg/kg (P < 0.05)( 图5-A)，30—60 cm分别为29.5、36.6、31.1 mg/kg (P < 0.05)( 图5-B)，60—90 cm分别为26.3、33.3、27.2 mg/kg(P < 0.05)( 图5-C)。
DOC/SOC在0—90 cm各土层变化趋势是辽宁最高，吉林次之，黑龙江最低。在0—30 cm土层三省份DOC/SOC平均值差异达显著水平 (P < 0.05)( 图5-D)，黑龙江、吉林、辽宁DOC/SOC平均值分别为0.19%、0.32%、0.40%。30—60 cm、60—90 cm土层黑龙江DOC/SOC平均值显著低于吉林、辽宁 (P < 0.05)( 图5-E、图5-F)，30—60 cm土层黑龙江、吉林、辽宁DOC/SOC平均值分别为0.29%、0.46%、0.52%，60—90 cm分别为0.33%、0.59%、0.63%。
根据东北三省典型春玉米种植区春玉米产量计算得到残茬碳还田量平均值 (表1)，黑龙江、吉林、辽宁三省试验点产量分别为11.9、11.3和10.8 t/hm2，但总体而言，三省产量基本维持在11 t/hm2左右，相应的黑龙江、吉林、辽宁的残茬还田量分别为0.94、0.90和0.87 t/hm2。黑龙江产量和残茬碳还田量平均值显著高于其他两个省份 (P < 0.05)。0—30 cm土壤有机碳与试验点温度、降雨和残茬碳有以下回归关系：SOC = –1.25 T * + 30.8C – 4.75。从中可以看出，SOC与试验点温度达到显著负相关 (P < 0.05)，与降雨无关，与残茬碳投入关系不显著，常数项可看作土壤自身特性对SOC的影响，对SOC表现为负水平，但差异不显著。
| 表1 黑龙江、吉林、辽宁典型春玉米残茬碳还田量估算以及气候参数 Table 1 Averaged yield and residue C returned to soil and climate data in Heilongjiang, Jilin, and Liaoning province |
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农田生态系统土壤有机碳含量是土壤母质、气候条件和碳氮投入等因素综合影响的结果。本研究中黑龙江、吉林土壤为典型黑土，土壤有机质明显高于辽宁棕壤，相关文献报道也有相同的结果[24–25]，首先，黑土主要由上世纪40～50年代由草原开垦成农田[26]，黑土耕种历史较短，积累了大量的有机碳。其次，黑土区所处的气候环境条件有利于土壤有机碳积累[27] ，与辽宁棕壤相比，黑土区较低的年均温度以及较长的霜冻期降低了黑土SOC的矿化，为SOC积累创造了有利条件，许信旺等 [28]研究也报道黑土有机碳区域分布特点表现为由北向南随温度升高逐渐递减，回归分析 (表1) 也表明温度对SOC呈显著负作用，因此，各土层全碳、有机碳含量在黑、吉、辽三省间呈显著降低趋势 (图2)。农田适宜的氮肥投入能够维持或增加土壤有机碳含量 [29]，因为氮肥在增加作物产量的同时也增加了地上部生物量，进而增加残茬还田量，但东北较低的年均气温不利于秸秆腐解，进而导致大量的秸秆被焚烧或者从农田移走，这也是近些年来东北黑土SOC下降的重要原因之一。回归分析表明 (表1) 尽管碳投入对SOC有积极作用，但并不显著，这也说明东北SOC下降与其它因素有关，如翻耕等耕作措施。
土壤无机碳也与土壤母质、气温和氮素投入紧密关联。土壤无机碳主要来源于母质层，其主要成分是土壤碳酸根离子与矿质养分 (如Ca2+、Mg2+) 形成的碳酸盐。气温的升高会加速土壤碳酸盐的风化[30]，同样，农田施用的化肥氮素发生硝化后，形成的NO3–促进H2O的水解形成H+，进一步导致土壤碳酸盐的溶解[31]，从而使CO32–、HCO3– 和盐基离子随土壤水分向土壤深层剖面迁移，可以在深层剖面中重新结合形成碳酸盐[11]，这可能是辽宁省60—90 cm无机碳含量高于其他两个省份的主要原因。在农田土壤采集区，吉林化肥氮素施用高于另外两个省份[32](表1)，过量或不合理施肥能导致土壤pH下降[5]，剖面中硝态氮迁移过程中促进H+的形成以维持电荷平衡，进而溶解剖面中的碳酸盐，降低土壤无机碳含量[16]，这可能是吉林0—30、30—60 cm剖面黑土无机碳含量和0—90 cm无机碳储量显著低于黑龙江的主要原因。Yang等[3]也发现我国南方土壤无机碳损失严重，酸化是引起土壤无机碳损失的主要成因，且氮肥不合理施用是引起我国土壤酸化的首要因素[5]。三个省份无机碳和有机碳的变化决定了全碳含量及储量的差异性变化 (图2、图1)。
POM是土壤主要活性碳库，主要来源于作物残茬降解物，能够敏感地反映土壤管理措施[33–34]，增加农田有机物料的投入能增加POC含量[9, 35]。本研究中东北三省典型春玉米种植区剖面每层土壤的POC含量辽宁和吉林显著 (P < 0.05) 高于黑龙江，且POC/SOC的比值0—30 cm、30—60 cm由北向南显著升高 ( P < 0.05，图3-D, 图3-E)，其原因可能是从北到南有效积温的升高增加了作物残茬还田数量[36–37]，因为东北地区气温是限制秸秆还田数量的主要因子，高的气温有利于农田还田秸秆的降解，不影响次年种植春玉米的萌发，这些还田的作物残茬腐解后是POC的主要组成成分。
土壤微生物是土壤有机质周转的驱动力。SMBC与土壤有机碳含量呈显著正相关[38]，本研究中0—30 cm SMBC含量黑龙江最高，辽宁最低，与这三省SOC变化趋势相一致 (图4-A)，但60—90 cm土壤中的SMBC/SOC比值辽宁和吉林显著高于黑龙江 (图4-F)，这可能与气候温度、成土母质以及化肥投入有关。有研究表明[39]化肥的投入能够显著增加SMBC/SOC，而东北三省辽宁和吉林的化肥施用量高于黑龙江[32]。
DOC是土壤腐殖质、植物残体、植物根系分泌物以及微生物的代谢产物[15]，也是微生物同化的重要底物。在东北这种寒温带地区，温度适当升高和碳氮投入增加都能够促进微生物周转[40]，进而有利于土壤DOC的释放[41–42]。低温和低的肥料投入可能是黑龙江地区不同剖面DOC/SOC显著低于吉林和辽宁的原因 (图5)。另外化肥的不合理施用能够促进土壤有机碳的矿化[43]，在本研究土壤采集区，吉林地区施肥量最高，超出了作物氮素吸收量[32]，而且NO3-N的淋洗过程中也能促进土壤DOC的释放[44]，这可能是吉林地区不同剖面DOC含量显著高于另外两个省份的原因 (图5)。
此外，根据不同碳库每层土壤碳含量占整个0—90 cm各自土壤碳库比例计算结果 (图2、图3、图4、图5)发现，东北三省表层土壤 (0—30 cm)SOC含量以及各活性碳库占各自0—90 cm整个碳库比例最大，每层土壤IC/TC中黑龙江最大值出现在30—60 cm，吉林和辽宁出现在60—90 cm(图2G–I)。而且，随着土壤剖面深度增加，每层土壤IC/TC增加 (图2)。Qiu等[33]在长期不同施肥措施下土壤剖面中无机碳库变化研究中发现，深层土壤剖面中无机碳含量变化高于表层土壤。可见，土壤剖面中无机碳库是重要的碳贮存库。
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| 图2 黑龙江、吉林、辽宁典型春玉米种植区0—90 cm各层土壤全碳、有机碳、无机碳含量 Fig. 2 Concentration of total C, soil organic C and inorganic C in 0–90 cm in Heilongjiang, Jilin and Liaoning provinces [注（Note）：图中不同小写字母表示东北三省间的差异显著性达P < 0.05 水平，箱体之内的实线、虚线以及箱体的上边缘线、下边缘线、上误差线、下误差线分别表示中值、平均值、第25、75、5、95百分位数。Small letter denotes difference among Heilongjiang, Jilin and Liaoning provinces at P < 0.05 level. Solid line and break line, lower edge and upper edge, bars represent median and mean values, 25th and 75th, 5th and 95th percentiles of all data, respectively.] |
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| 图3 黑龙江、吉林、辽宁典型春玉米种植区0—90 cm土层土壤颗粒有机碳含量及其在土壤有机碳中的比例 Fig. 3 Concentration of POC and their percentage in SOC in 0–90 cm soil layer in Heilongjiang, Jilin and Liaoning provinces [注（Note）：图中不同小写字母表示东北三省间的差异显著性达P < 0.05 水平，箱体之内的实线、虚线以及箱体的上边缘线、下边缘线、上误差线、下误差线分别表示中值、平均值、第25、75、5、95百分位数。Small letter denotes difference among Heilongjiang, Jilin and Liaoning provinces at P < 0.05 level. Solid line and break line, lower edge and upper edge, bars represent median and mean values, 25th and 75th, 5th and 95th percentiles of all data, respectively.] |
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| 图4 黑龙江、吉林、辽宁典型春玉米种植区0—90 cm 各土层土壤SMBC及其在SOC中的百分比 Fig. 4 Concentration of SMBC and the percentage of SMBC to SOC in 0–90 cm soil profile in Heilongjiang, Jilin and Liaoning provinces [注（Note）：图中不同小写字母表示东北三省间的差异显著性达P < 0.05 水平，箱体之内的实线、虚线以及箱体的上边缘线、下边缘线、上误差线、下误差线分别表示中值、平均值、第25、75、5、95百分位数。Small letter denotes difference among Heilongjiang, Jilin and Liaoning provinces at P < 0.05 level. Solid line and break line, lower edge and upper edge, bars represent median and mean values, 25th and 75th, 5th and 95th percentiles of all data, respectively.] |
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| 图5 黑龙江、吉林、辽宁0—90 cm土壤剖面溶解性有机碳含量及其在土壤有机碳中的比例 Fig. 5 Concentration of DOC and their percentage in SOC in 0–90 cm soil in Heilongjiang, Jilin and Liaoning provinces [注（Note）：图中不同小写字母表示东北三省间的差异显著性达P < 0.05 水平，箱体之内的实线、虚线以及箱体的上边缘线、下边缘线、上误差线、下误差线分别表示中值、平均值、第25、75、5、95百分位数。Small letter denotes difference among Heilongjiang, Jilin and Liaoning provinces at P < 0.05 level. Solid line and break line, lower edge and upper edge, bars represent median and mean values, 25th and 75th, 5th and 95th percentiles of all data, respectively.] |
东北三省土壤有机碳、全碳以及土壤活性碳库的变化与土壤母质、气候变化和施肥密切相关。黑龙江、吉林、辽宁春玉米种植区0—90 cm剖面土壤和0—30 cm表层土壤有机碳和全碳从北到南逐渐降低，且达显著水平 (P < 0.05)。相应地，黑龙江、吉林、辽宁三省从北到南0—30 cm土壤POC、POC/SOC、DOC/SOC呈增加趋势，SMBC含量呈降低趋势。在土壤深层 (30—60 cm和60—90 cm)，IC/TC总体上高于表层 (0—30 cm)的。在关注土壤有机碳的同时，也需关注土壤无机碳和土壤剖面碳含量对土壤全碳贮存的影响。
| [1] | Shcherbak I, Millar N, Robertson G P. Global meta-analysis of the nonlinear response of soil nitrous oxide (N2O) emissions to fertilizer nitrogen [J]. PNAS, 2014, 111: 9199–9204. DOI:10.1073/pnas.1322434111 |
| [2] | Fontaine S, Barot S, Barré P, et al. Stability of organic carbon in deep soil layers controlled by fresh carbon supply[J]. Nature, 2007, 450: 277–281. DOI:10.1038/nature06275 |
| [3] | Yang Y, Fang J, Ji C, et al. Widespread decreases in topsoil inorganic carbon stocks across China’s grasslands during 1980s−2000s[J]. Global Change Biology, 2012, 18: 3672–3680. DOI:10.1111/gcb.12025 |
| [4] |
黄耀, 孙文娟. 近20年来中国大陆农田表土有机碳含量的变化趋势[J].
科学通报, 2006, 51(7): 1785–1803.
Huang Y, Sun W J. Changes in topsoil organic carbon of croplands in main land China over the last two decades[J]. Chinese Science Bulletin, 2006, 51(7): 1785–1803. |
| [5] | Guo J H, Liu X J, Zhang Y, et al. Significant acidification in major Chinese croplands[J]. Science, 2010, 327: 1008–1010. DOI:10.1126/science.1182570 |
| [6] | Mrabet R, Saber N, El-Brahli A, et al. Total particulate organic matter and structural stability of a Calcixeroll soil under different wheat rotations and tillage systems in a semiarid area of Morocco[J]. Soil Tillage Research, 2001, 57: 225–235. DOI:10.1016/S0167-1987(00)00180-X |
| [7] | Magdoff F R, Weil R R. Soil organic matter in sustainable agriculture[M]. CRC, Boca Raton, 2004. |
| [8] |
邱牡丹, 盛浩, 颜雄, 等. 湘东丘陵4种林地深层土壤颗粒有机碳及其组分的分配特征[J].
农业现代化研究, 2014, 35(4): 493–499.
Qiu M D, Sheng H, Yan X, et al. The characteristics of particulate organic carbon and its components in deep soil of different forests in eastern hilly region of Hunan Province[J]. Research of Agricultural Modernization, 2014, 35(4): 493–499. |
| [9] | Marriott E E, Wander M. Qualitative and quantitative differences in particulate organic matter fractions in organic and conventional farming systems[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2006, 38: 1527–1536. DOI:10.1016/j.soilbio.2005.11.009 |
| [10] |
宇万太, 马强, 赵鑫, 等. 不同土地利用类型下土壤活性有机碳库的变化[J].
生态学杂志, 2007, 26(12): 2013–2016.
Yu W T, Ma Q, Zhao X, et al. Changes of soil active organic carbon pool under different land use types[J]. Chinese Journal of Ecology, 2007, 26(12): 2013–2016. |
| [11] |
于建光, 李辉信, 陈小云, 胡锋. 秸秆施用及蚯蚓活动对土壤活性有机碳的影响[J].
应用生态学报, 2007, 18(4): 818–824.
Yu J G, Li H X, Chen X Y, Hu F. Effects of straw application and earthworm inoculation on soil labile organic carbon[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2007, 18(4): 818–824. DOI:10.3321/j.issn:1001-9332.2007.04.019 |
| [12] |
李维福, 解宏图, 何洪波, 等. 颗粒有机质的来源、测定及其影响因素[J].
生态学杂志, 2007, 26(11): 1849–1856.
Li W F, Xie H T, He H B, et al. Soil particulate organic matter: Origin, measurement, and factors affecting its functions[J]. Chinese Journal of Ecology, 2007, 26(11): 1849–1856. |
| [13] | Anderson T H, Domsch K H. Application of eco-physiological quotients (qCO2 and qD) on microbial biomasses from soils of different cropping histories [J]. Soil Biology & Biochemistry, 1990, 22: 251–255. DOI:10.1016/0038-0717(90)90094-G |
| [14] | Wu J, Joergensen R G, Pommerening B, et al. Measurement of soil microbial biomass C by fumigation-extraction: An automated procedure[J]. Soil Biology & Biochemistry, 1990, 22: 1167–1169. DOI:10.1016/0038-0717(90)90046-3 |
| [15] | Kalbitz K, Solinger S, Park J H. Controls on the dynamics of dissolved organic matter in soils: a review[J]. Soil Science, 2000, 165(4): 277–304. DOI:10.1097/00010694-200004000-00001 |
| [16] | Qiu S, Xie J, Zhao S, et al. Long-term effects of potassium fertilization on yield, efficiency, and soil fertility status in a rain-fed maize system in northeast China[J]. Field Crops Research, 2014, 163: 1–9. DOI:10.1016/j.fcr.2014.04.016 |
| [17] | Cui Z L, Zhang F S, Chen X P, et al. On-farm evaluation of an in-season nitrogen management strategy based on soil N-min test[J]. Field Crops Research, 2008, 105: 48–55. DOI:10.1016/j.fcr.2007.07.008 |
| [18] | Eswarran H, Vanden Berg E, Reich P. Organic carbon in soils of the world[J]. Soil Science Society of America Journal, 1993, 57: 192–194. DOI:10.2136/sssaj1993.03615995005700010034x |
| [19] | Xu X, He P, Pampolino M F, et al. Fertilizer recommendation for maize in China based on yield response and agronomic efficiency[J]. Field Crops Research, 2014, 157: 27–34. DOI:10.1016/j.fcr.2013.12.013 |
| [20] | Brookes P C, Landsman A, Pruden G, Jenkins D S. Chloroform fumigation and the release of soil nitrogen: A rapid direct extraction method to measure microbial biomass nitrogen in soil[J]. Soil Biology & Biochemistry, 1985, 17: 837–842. DOI:10.1016/0038-0717(85)90144-0 |
| [21] | Jenkenson D S. The determination of microbial biomass carbon and nitrogen in soil[A]. Wilson J R. Advances in nitrogen cycling in agricultural ecosystems[C]. Wallingford: CAB International, 1988. 368–386. |
| [22] | Bronson K F, Zobeck T M, Chua T T, et al. Carbon and nitrogen pools of southern high plains cropland and grassland soils[J]. Soil Science Society of America Journal, 2004, 68: 1695–1704. DOI:10.2136/sssaj2004.1695 |
| [23] | IPCC (International Panel on Climate Change). 2006 IPCC guidelines for national greenhouse gas inventories[M]. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2006. |
| [24] |
焦晓光, 魏丹, 隋跃宇. 长期施肥对黑土和棕壤酶活性及土壤养分的影响[J].
土壤通报, 2011, 42(3): 699–703.
Jiao X G, Wei D, Sui Y Y. Effects of long-term fertilization on the soil enzyme activities and soil nutrients of the black and dark brown soils[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2011, 42(3): 699–703. |
| [25] |
杨黎芳, 李贵桐. 土壤无机碳研究进展[J].
土壤通报, 2011, 42(4): 986–990.
Yang L F, Li G T. Advances in research of soil inorganic carbon[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2011, 42(4): 986–990. |
| [26] | Liang Z A, Zhang X P, Yang X M, et al. Estimation of total erosion in cultivated black soils in northeast China from vertical profiles of soil organic carbon[J]. European Journal of Soil Biology, 2009, 60: 223–229. |
| [27] |
史奕, 陈欣, 闻大中. 东北黑土团聚体水稳定性研究进展[J].
中国生态农业学报, 2005, 13(4): 95–98.
Shi Y, Chen X, Wen D Z. Advance in water stability of black soil aggregates in Northeast China[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2005, 13(4): 95–98. |
| [28] |
许信旺, 潘根兴, 汪艳林, 曹志宏. 中国农田耕层土壤有机碳变化特征及控制因素[J].
地理研究, 2009, 28(3): 601–612.
Xu X W, Pan G X, Wang Y L, Cao Z H. Research of changing characteristics and control factors of farmland top soil organic carbon in China[J]. Geographical Research, 2009, 28(3): 601–612. DOI:10.3321/j.issn:1000-0585.2009.03.005 |
| [29] |
李小涵, 李富翠, 刘金山, 等. 长期施氮引起的黄土高原旱地土壤不同形态碳变化[J].
中国农业科学, 2014, 47(14): 2795–2803.
Li X H, Li F C, Liu J S, et al. Changes of different carbon fractions caused by long-term N fertilization in dry land soil of the Loess Plateau[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2014, 47(14): 2795–2803. DOI:10.3864/j.issn.0578-1752.2014.14.010 |
| [30] | Mi N, Wang S Q, Liu J Y, et al. Soil inorganic carbon storage pattern in China[J]. Global Change Biology, 2008, 14: 2380–2387. DOI:10.1111/gcb.2008.14.issue-10 |
| [31] | Malhi S S, Nyborg M, Harapiak J T. Effects of long-term N fertilizer-induced acidification and liming on micronutrients in soil and in brome grass hay[J]. Soil Tillage Research, 1998, 48: 91–101. DOI:10.1016/S0167-1987(98)00097-X |
| [32] |
王娜, 范美蓉, 刘双全, 等. 东北三省典型春玉米土壤剖面氮库变化及平衡特征[J].
中国农业科学, 2016, 49(5): 885–895.
Wang N, Fan M R, Liu S Q, et al. Characteristics of nitrogen pools and nitrogen balance in soil profile in typical spring maize planted regions in northeast China[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2016, 49(5): 885–895. |
| [33] | Qiu S, Gao H, Zhu P, et al. Changes in soil carbon and nitrogen pools in a Mollisol after long-term fallow or application of chemical fertilizers, straw or manures[J]. Soil Tillage Research, 2016, 163: 255–265. DOI:10.1016/j.still.2016.07.002 |
| [34] | Qiu S J, Ju X T, Ingwersen J, et al. Changes in soil carbon and nitrogen pools after shifting from conventional cereal to greenhouse vegetable production[J]. Soil Tillage Research, 2010, 107: 80–87. DOI:10.1016/j.still.2010.02.006 |
| [35] |
熊又升, 徐祥玉, 张志毅, 等. 垄作免根影响冷浸田水稻产量及土壤温度和团聚体分布[J].
农业工程学报, 2014, 30(15): 157–164.
Xiong Y S, Xu X Y, Zhang Z Y, et al. Influences of combing ridge and no-tillage on rice yield and soil temperature and distribution of aggregate in cold waterlogged field[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2014, 30(15): 157–164. DOI:10.3969/j.issn.1002-6819.2014.15.021 |
| [36] | Guntinas M E, Leircs M C, Trasar-Cepeda C, et al. Effects of moisture and temperature on net soil nitrogen mineralization: a laboratory study[J]. European Journal of Soil Biology, 2012, 48: 73–78. DOI:10.1016/j.ejsobi.2011.07.015 |
| [37] | Cookson W R, Comforth I S, Rowarth J S. Winter soil temperature effects on nitrogen transformations in clover green manure amended or unamended soils: a laboratory and field study[J]. Soil Biology & Biochemistry, 2002, 34(10): 1401–1415. DOI:10.1016/S0038-0717(02)00083-4 |
| [38] |
张海燕, 肖延华, 张旭东, 等. 土壤微生物量作为土壤肥力指标的探讨[J].
土壤通报, 2006, 37(3): 422–425.
Zhang H Y, Xiao Y H, Zhang X D, et al. Microbial biomass as an indicator for evaluation of soil fertility properties[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2006, 37(3): 422–425. DOI:10.3321/j.issn:0564-3945.2006.03.002 |
| [39] |
刘守龙, 苏以荣, 黄道友, 等. 微生物商对亚热带地区土地利用及施肥制度的响应[J].
中国农业科学, 2006, 39(7): 1411–1418.
Liu S L, Su Y R, Huang D Y, et al. Response of Cmic-to-Corg to land use and fertilization in subtropical region of China [J]. Scientia Agricultura Sinica, 2006, 39(7): 1411–1418. DOI:10.3321/j.issn:0578-1752.2006.07.016 |
| [40] |
杨宇虹, 晋艳, 黄建国, 等. 长期施肥对植烟土壤微生物的影响[J].
植物营养与肥料学报, 2014, 20(5): 1186–1193.
Yang Y H, Jin Y, Huang J G, et al. Effect of long -term fertilization on soil microorganisms in tobacco fields[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2014, 20(5): 1186–1193. |
| [41] |
李玲, 仇少君, 刘京涛, 等. 土壤溶解性有机碳在陆地生态系统碳循环中的作用[J].
应用生态学报, 2012, 23(5): 1407–1414.
Li L, Qiu S J, Liu J T, et al. Roles of soil dissolved organic carbon in carbon cycling of terrestrial ecosystems: A review[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2012, 23(5): 1407–1414. |
| [42] |
李文军, 彭保发, 杨奋勇. 长期施肥对洞庭湖双季稻区水稻土有机碳、氮积累及其活性的影响[J].
中国农业科学, 2015, 48(3): 488–500.
Li W J, Pen B F, Yang F Y. Effects of long-term fertilization on organic carbon and nitrogen accumulation and activity in a paddy soil in double cropping rice area in Dongting Lake of China[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2015, 48(3): 488–500. |
| [43] |
马泽成, 周勤, 何方. 不同肥料配合施用土壤有机碳盈亏分布[J].
土壤学报, 1994, 31(1): 34–41.
Ma Z C, Zhou Q, He F. Surplus-deficit distribution of organic carbon in soil under combined fertilization[J]. Acta Pedologica Sinica, 1994, 31(1): 34–41. DOI:10.3321/j.issn:0564-3929.1994.01.005 |
| [44] | Kalbitz K, Geyer S. Different effects of peat degradation on dissolved organic carbon and nitrogen[J]. Organic Geochemistry, 2002, 33: 319–326. DOI:10.1016/S0146-6380(01)00163-2 |