全 文 ：苏北沿海土地利用变化对土壤易氧化碳含量的影响*
王国兵1 摇 赵小龙2 摇 王明慧1 摇 阮宏华1**摇 徐长柏2 摇 徐亚明2
( 1南京林业大学, 江苏省林业生态工程重点实验室, 南京 210037; 2江苏省东台市林场, 江苏东台 224242)
摘摇 要摇 土壤易氧化碳( readily oxidizable carbon, ROC)作为指示土壤有机碳(SOC)早期变化
的敏感指标,对研究人类干扰及全球变化背景下的土壤有机碳库稳定性及其动态具有重要的
指示意义.为深入了解土地利用变化对土壤易氧化碳含量的影响,本文对苏北沿海地区草地、
农田、杨鄄农复合经营及杨树纯林 4 种不同土地利用方式的土壤 ROC 含量及其相关因子进行
了测定.结果表明: 苏北沿海地区不同土地利用类型的 ROC 含量表现为草地<农田<杨鄄农复
合系统<杨树林,不同土地利用方式间 ROC 含量在 0 ~ 10 cm 土层差异最为显著;ROC 及
ROC / SOC随着土层深度的增加而递减,且不同土层之间差异显著;4 种土地利用方式 ROC 的
季节变化趋势一致,其值均为夏季最大,冬季次之,春季最小;ROC 与土壤 pH值、土壤容重呈
极显著负相关,与 SOC、土壤水溶性有机碳(WSOC)、全 N、土壤 C / N、Mg呈显著或极显著正相
关,而与土壤湿度、全 P的相关性不显著.土地利用方式的变化显著影响了土壤易氧化碳的空
间分布特征,土壤容重、pH值、全 N 和 SOC 是 ROC 在不同土地利用方式间产生差异的主要
原因.
关键词摇 土地利用变化摇 易氧化碳摇 土壤理化性质摇 苏北沿海地区
文章编号摇 1001-9332(2013)04-0921-06摇 中图分类号摇 S154. 1摇 文献标识码摇 A
Effects of land use change on soil readily oxidizable carbon in a coastal area of northern
Jiangsu Province, East China. WANG Guo鄄bing1, ZHAO Xiao鄄long2, WANG Ming鄄hui1, RUAN
Hong鄄hua1, XU Chang鄄bai2, XU Ya鄄ming2 ( 1Jiangsu Province Key Laboratory of Forestry and Eco鄄
logical Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China; 2Dongtai Forest Farm,
Dongtai 224242, Jiangsu, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2013,24(4): 921-926.
Abstract: Soil readily oxidizable carbon (ROC) is a sensitive index to indicate the early changes of
soil organic carbon (SOC), and has important value to research the stability and dynamics of SOC
pool under the backgrounds of human disturbance and global climate change. To further understand
the effects of land use change on soil ROC, an investigation was conducted on the soil ROC content
and related factors in four different land use types (grassland, farmland, poplar鄄agriculture system
and pure poplar plantation) in a coastal area of northern Jiangsu Province, East China. The soil
ROC content was in the order of grassland < farmland < poplar鄄agriculture system < pure poplar
plantation, and the difference was most significant in 0-10 cm soil layer. The ROC and ROC / SOC
ratio decreased with increasing soil depth, and had significant differences between different soil lay鄄
ers in any one of the land use types. The soil ROC in the four different land use types had the same
seasonal variation trend, with the maximum in summer, followed by in winter and autumn, and the
minimum in spring. The soil ROC was significantly negatively correlated with soil pH and soil bulk
density, positively correlated with SOC, soil water soluble organic carbon (WSOC), total nitrogen
(TN), C / N ratio, and Mg, but less correlated with soil moisture and soil total phosphorus (TP).
The results indicated that land use change had significant effects on the spatial distribution charac鄄
teristics of soil ROC, and soil bulk density, pH value, TN, and SOC were the main factors indu鄄
cing the differences of soil ROC content between different land use types.
Key words: land use change; readily oxidizable carbon; soil physical and chemical properties;
coastal area of northern Jiangsu Province.
*国家林业公益性科研专项(200804006,201104006)和江苏高校优势学科建设工程项目资助.
**通讯作者. E鄄mail: hhruan@ njfu. edu. cn
2012鄄08鄄10 收稿,2013鄄01鄄24 接受.
应 用 生 态 学 报摇 2013 年 4 月摇 第 24 卷摇 第 4 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Apr. 2013,24(4): 921-926
摇 摇 土壤易氧化碳(readily oxidizable carbon, ROC)
是土壤中易被氧化且活性较高的有机碳[1-2] . 虽然
ROC只占土壤总有机碳的小部分,却是土壤生态系
统中最为重要的能量来源之一,对土壤碳库平衡和
土壤化学、生物学稳定性维持具有重要的意义[3] .
研究表明,由于土地利用方式的变化造成陆地生态
系统向大气输入的净碳量为 2 Pg·a-1 . 随着对“碳
失汇冶问题研究的深入,人们越来越关注土地利用
变化对陆地生态系统碳贮量的影响[4] . 土壤易氧化
碳作为指示土壤有机碳早期变化的敏感指标,对研
究人类干扰及全球变化背景下的土壤有机碳库稳定
性及其动态具有重要的指示意义.
目前国内外关于土壤 ROC的研究报道较少,且
主要集中在有机碳组分研究[5-6]、施肥影响[7-9]、环
境影响因子[10-11]及测定方法[12-13]等方面. 此外,也
有部分学者研究了土壤 ROC 沿海拔梯度的变
化[14-15],而有关土地利用变化对 ROC 影响的研究
报道较少[16-17] .本文以苏北沿海地区农田、杨鄄农复
合系统、杨树林、草地 4 种土地利用方式为研究对
象,分析了土地利用变化对土壤易氧化碳含量特征
的影响,以期为进一步研究人类活动对土壤碳循环
的影响提供理论参考.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
研究区位于江苏省盐城市境内的东台林场,地
理位置为 32毅52忆 N,120毅49忆 E. 该地区属于北亚热
带海洋性气候,四季分明,年均气温 14郾 6 益,年平均
降雨量 1051郾 0 mm,年日照时数 2169郾 6 h,年均无霜
期 220 d;土壤为脱盐草甸土,土壤质地为沙质壤土,
偏碱性.
1郾 2摇 样地布置及采样
本研究主要在东台林场及附近选取农田、杨鄄农
复合系统、杨树林和草地 4 种不同土地利用方式为
研究对象.每种土地利用方式选取 3 个立地条件一
致的 20 m伊20 m 重复试验样地,共计 12 个样地. 4
种土地利用方式为:1)草地:为自然海岸滩涂草地,
草本覆盖度 70% 左右,优势植物主要有大米草
(Spartina anglica)、盐地碱蓬(Suaeda salsa)和芦苇
(Phragmites australis);2)农田:夏季种植大豆(Gly鄄
cine max)、玉米 (Zea mays)、南瓜 (Cucurbita mos鄄
chata)、棉花(Gossypium spp)等不定农作物,冬季轮
作种植大麦(Hordeum vulgare);3)农林复合生态系
统:杨树栽植时间为 2007 年,品种为 35鄄杨(Populus
lasiocarpa).第 1 年夏季为杨树与棉花复作,第 2、3
年夏季为杨树与玉米复作,第 4 年及第 5 年夏季为
杨树与小豆(Vigna angularis)复作;冬季轮作种植大
麦;4)杨树林:1996 年种植的 35鄄杨,造林密度为
5 m伊8 m,树高平均 27郾 3 m,胸径平均 33郾 2 m,林分
郁闭度 0郾 7,林分面积 6郾 7 hm2 .
分别在每个样地挖取 2 个土壤剖面,按照 0 ~
10、10 ~ 25 和 25 ~ 40 cm 分层采集土样;另外,在土
壤剖面中分层打入环刀采集土样,测定容重.样品采
集分别于 2010 年 9 月、2010 年 12 月、2011 年 3 月、
2011 年 6 月分 4 次进行.
土壤分析样品分成 2 份,一份鲜样去杂、过
2 mm钢筛后,贮藏于 4 益的冰箱内,用于测定土壤
易氧化碳(ROC)和土壤水溶性有机碳(WSOC);另
一份风干、去杂、过筛后,用于土壤有机碳、全氮、全
磷、pH等理化指标的测定.
1郾 3摇 测定方法
土壤易氧化碳:采用 KMnO4氧化法、分光光度
计 Aurius 2022 比色测定[6,8,14];土壤水溶性有机碳:
采用去离子水振荡浸提新鲜土壤样品(水土比 2 颐
1)30 min,4000 r·min-1离心 20 min,用 0郾 45 滋m的
滤膜抽滤,用 TOC鄄VCPH自动分析仪(日本岛津)测定
滤液中有机碳含量.
土壤总有机碳、全氮、全硫、碳氮比采用元素分
析仪(Elementar Vario EL,德国)测定;pH 值采用电
位法测定;土壤全磷、全钙、全镁采用 ICP鄄等离子发
射光谱仪(SPECTRO GENESIS,德国)测定;土壤容
重采用环刀法测定;土壤含水率采用烘干称量法
测定.
1郾 4摇 数据处理
采用 Excel 2003 和 SPSS 16郾 0 统计软件进行数
据统计分析,采用 one鄄way ANOVA分析不同土地利
用方式及不同土层间 ROC 含量的差异(琢 = 0郾 05),
采用线性回归方法分析土壤 ROC与 SOC、土壤容重
及与其他土壤理化性质的相关性;采用 SigmaPlot
9郾 0 软件绘图.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 不同土地利用方式下土壤易氧化碳的分布
特征
由图 1 可以看出,不同土地利用方式的土壤易
氧化碳含量表现为:草地<农田<杨鄄农复合系统<杨
树林.在 0 ~ 10 cm 土层,不同土地利用方式的土壤
易氧化碳含量在2郾 89 ~ 5郾 47 g·kg-1之间变化,且
229 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
图 1摇 不同土地利用方式土壤易氧化碳分布
Fig. 1摇 Soil readily oxidizable carbon contents in different land鄄
use types (mean依SE)郾
玉:草地 Grassland; 域:农田 Farmland; 芋:杨鄄农复合系统 Poplar鄄ag鄄
riculture system; 郁:杨树林 Pure poplar plantation郾 不同字母表示同一
土层不同土地利用类型间的差异达显著性水平(P臆0郾 05) Different
letters indicated significant difference between the different land use types
at the same soil layer at 0郾 05 level郾 下同 The same below郾
不同土地利用方式间土壤易氧化碳含量差异显著;
在 10 ~ 25 cm 土层,不同土地利用方式土壤易氧化
碳含量变化在 2郾 19 ~ 4郾 44 g·kg-1之间,且杨鄄农复
合系统和杨树林土壤易氧化碳含量存在显著性差
异,同时杨树林和杨鄄农复合系统土壤易氧化碳含量
均显著高于农田和草地,而农田与草地间土壤易氧
化碳含量差异不显著;在 25 ~ 40 cm土层中,不同土
地利用方式土壤易氧化碳含量变化在 1郾 12 ~ 2郾 27
g·kg-1之间,且杨树林土壤易氧化碳含量显著高于
农田和草地,同时也高于杨鄄农复合系统,但其差异
不显著.在土壤垂直方向上,随土层深度的增加土壤
易氧化碳含量均呈递减趋势,不同土壤层次之间土
壤易氧化碳含量差异显著.
2郾 2摇 不同土地利用方式土壤易氧化碳的季节动态
由图 2 可以看出,不同土地利用方式下 3 个土
层的土壤易氧化碳季节变化趋势一致. 土壤易氧化
碳含量最大值出现在夏季,冬季次之,最小值出现在
春季.在 0 ~ 10 cm 和 10 ~ 25 cm 土层,不同土地利
用方式的季节变化规律一致,均表现为夏季土壤易
氧化碳含量显著高于其他 3 个季节,而其他 3 个季
节间没有显著性差异.在 25 ~ 40 cm土层,草地土壤
的易氧化碳含量为夏季显著大于秋季,秋季显著大
于春、冬季,春、冬季之间没有显著性差异;农田和杨
树林生态系统的季节变化均表现为夏季显著大于冬
季,冬季显著大于春、秋季,春、秋季之间没有显著性
差异;在杨鄄农复合系统中,夏、冬季显著大于春、秋
季,而夏与冬、春与秋之间没有显著性差异.
图 2摇 不同土地利用方式土壤易氧化碳季节动态
Fig. 2 摇 Seasonal dynamics of soil readily oxidizable carbon in
different land鄄use types (mean依SE)郾
不同小写字母表示同一土地利用方式下不同季节间差异显著(P臆
0郾 05) Different small letters indicated significant difference among sea鄄
sons under the same land鄄use type at 0郾 05 level郾
2郾 3摇 不同土地利用方式土壤易氧化碳占总有机碳
的比例
不同土地利用方式土壤易氧化碳占总有机碳的
比例在 12郾 0% ~ 37郾 2% (图 3),4 种土地利用方式
土壤易氧化碳占有机碳的比例随土层加深均呈显著
下降趋势.在 0 ~ 10 cm 和 10 ~ 25 cm 土层,杨树林
和杨鄄农复合系统土壤 ROC分配比例显著大于农田
和草地,而且 10 ~ 25 cm土层杨树林土壤 ROC 分配
比例显著大于杨鄄农复合系统,其他土地利用类型间
土壤 ROC分配比例没有显著性差异;在 25 ~ 40 cm
土层,杨树林土壤 ROC分配比例显著大于农田和草
地,而其他土地利用类型间土壤 ROC分配比例没有
显著性差异.
2郾 4摇 土壤易氧化碳与土壤有机碳、土壤理化性质的
关系
由表1可以看出,4种土地利用方式下ROC与
3294 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 王国兵等: 苏北沿海土地利用变化对土壤易氧化碳含量的影响摇 摇 摇 摇 摇 摇
表 1摇 土壤易氧化碳(ROC)与有机碳(SOC)、水溶性有机碳(WSOC)及土壤理化性质的关系
Table 1摇 Relationships of ROC with SOC, WSOC and other soil properties
土层
Layer
(cm)
pH 湿度
Moisture
容重
Bulk
density
全 P
Total P
全 Ca
Total Ca
全 Mg
Total Mg
全 S
Total S
全 N
Total N
WSOC SOC C / N
ROC Pearson 相关系数 0 ~ 10 -0郾 89** -0郾 560 -0郾 90** 0郾 313 0郾 572 0郾 65* 0郾 576 0郾 77** 0郾 87** 0郾 89** -0郾 700*
Pearson correlation 10 ~ 25 -0郾 85** -0郾 100 -0郾 94** 0郾 173 0郾 660* 0郾 71** 0郾 650* 0郾 69* 0郾 80** 0郾 76** -0郾 650*
coefficient 25 ~ 40 -0郾 80** -0郾 366 -0郾 71** 0郾 320 0郾 620* 0郾 67* 0郾 328 0郾 62* 0郾 64* 0郾 69* -0郾 526
显著性水平(双尾) 0 ~ 10 0 0郾 058 0 0郾 322 0郾 052 0郾 023 0郾 050 0郾 004 0 0 0郾 011
Sig郾 (2鄄tailed) 10 ~ 25 0郾 001 0郾 758 0 0郾 591 0郾 020 0郾 009 0郾 022 0郾 014 0郾 002 0郾 004 0郾 021
25 ~ 40 0郾 002 0郾 242 0郾 009 0郾 310 0郾 032 0郾 018 0郾 298 0郾 032 0郾 033 0郾 015 0郾 079
样本数
Number
每层
Each layer 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12
*P<0郾 05; **P<0郾 01郾
图 3摇 不同土地利用方式的土壤易氧化碳占总有机碳的比例
Fig. 3摇 Ratios of readily oxidizable carbon to soil organic carbon
in different land鄄use types (mean依SE)郾
不同字母表示同层土壤不同土地利用方式间差异显著(P<0郾 05)
Different letters indicated significant difference among land鄄use types at
the same soil layer at 0郾 05 level郾
土壤 pH值、土壤容重在 3 个土层均呈极显著负相
关,并与土壤 SOC、WSOC、全 N、Mg呈显著或极显著
正相关.此外,4 种不同土地利用方式下 ROC 在 0 ~
10 cm和 10 ~ 25 cm 土层与土壤 C / N 呈显著正相
关,在 10 ~ 25 cm和 25 ~ 40 cm土层与土壤全 Ca 呈
显著正相关,在 10 ~ 25 cm 土层与土壤全 S 呈显著
正相关.而 ROC 与土壤湿度、全 P 均不存在显著相
关关系.
3摇 讨摇 摇 论
3郾 1摇 土壤易氧化碳对土地利用变化的响应
土地利用变化可显著改变植物群落的功能与结
构,进而改变地表凋落物和根系分泌物的数量及化
学组成性质,也会影响土壤生物的功能类群及其数
量,进而影响土壤易氧化碳含量的变化[14,18-20] . 本
研究中,不同土地利用方式之间 0 ~ 10 cm表层土壤
易氧化碳含量差异显著,主要是因为土地利用方式
发生改变可显著改变植物对表层土壤有机质的输
入[21],进而显著影响表层土壤活性有机碳的含
量[20,22] .而随着土层深度的增加,部分土地利用方
式间土壤易氧化碳差异显著性逐渐消失,主要是因
为植物对土壤有机质的输入主要集中在土壤表面.
此外,不同土地利用方式土壤易氧化碳均随土层深
度的增加而显著降低,并且与 SOC 的变化趋势一
致,表明土壤易氧化碳在较大程度上依赖于土壤总
有机碳[23-24] .土壤易氧化碳占土壤有机碳的比例在
不同土地利用方式间有一定的差异,其中部分差异
达到显著性水平,并且土壤易氧化碳占土壤有机碳
的比例随着土层深度的增加均呈现出显著下降趋
势,这与 Wang等[16,25]的研究结果基本一致.土壤易
氧化碳均表现出明显的季节变异,主要是因为不同
季节土壤微生物活性及土壤有机碳源输入发生了明
显变化[26-27],但是其季节变化规律在不同土地利用
方式间基本一致,因此土地利用变化对土壤易氧化
碳的季节变异没有产生影响.
3郾 2摇 土壤易氧化碳的影响因子
土壤易氧化碳与水溶性有机碳、总有机碳在
0 ~ 10 cm、10 ~ 25 cm 土层呈极显著正相关,表明土
壤易氧化碳与水溶性有机碳关系密切,同时也表明
土壤易氧化碳对土壤表层有机碳源的输入、固持和
分解具有较强的依赖性.土壤易氧化碳与土壤全 N
呈极显著相关,是因为土壤中氮的含量会影响微生
物对其分解和利用[14],也会影响植物的生长及向土
壤输入有机质的数量和质量,进而对土壤易氧化碳
含量产生一定的影响[28-29] .土壤容重影响土壤易氧
化碳含量,主要是因为土壤容重可以反映土壤粘粒
矿物组分及其含量,并进一步影响土壤有机质化学
组分及土壤微生物区系组成.此外,土壤容重可以定
性衡量土壤透气性及其孔隙度,影响根系的分
布[30],进而影响土壤易氧化碳的含量. 土壤 pH 值
可以影响土壤微生物的类群和活性,也会影响 ROC
429 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
的周转[31] . 土壤易氧化碳与 Mg、Ca、S 存在一定相
关性,目前尚未有相关理论去合理解释,有待于进一
步深入研究.
综上所述,土地利用变化显著影响了土壤易氧
化碳的空间分布特征,但对土壤易氧化碳的季节波
动没有显著影响. 土壤容重、pH 值、全 N 及有机碳
的变化可能是不同土地利用方式间土壤易氧化碳产
生差异的主要因子.
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作者简介 摇 王国兵,男,1979 年生,讲师. 主要从事土壤碳、
氮循环研究,发表论文 20 余篇. E鄄mail: wangguobing81@ ya鄄
hoo. com. cn
责任编辑摇 李凤琴
629 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷