全 文 ：宁南山区不同年限苜蓿地土壤有机质官能团特征*
李摇 婷1,2,3 摇 赵世伟1,2**摇 李晓晓2 摇 马摇 帅2
( 1西北农林科技大学 /黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 陕西杨凌 712100; 2中国科学院鄄水利部水土保持研究
所,陕西杨凌 712100; 3四川省泸州市环保局, 四川泸州 646608)
摘摇 要摇 应用同步辐射红外光谱技术,分析了宁南山区不同种植年限苜蓿地的不同粒径团聚
体中土壤有机碳(soil organic carbon, SOC)官能团的变化.结果表明: 种植苜蓿改变了 SOC官
能团的含量及其在团聚体中的分布.随着种植年限增加,SOC和大团聚体(>0. 25 mm)含量增
加,土壤团聚体的稳定性增强;饱和烷烃相对含量提高,且主要分布在 0. 25 ~ 1 mm团聚体中;
脂肪鄄C、醇鄄C相对含量随着粒径增大而减少,增加的脂肪鄄C、醇鄄C 主要分布在大团聚体中,芳
香鄄C主要分布于<0. 25 mm微团聚体中.大团聚体中各官能团相对含量变化幅度大于微团聚
体,微团聚体中有机碳稳定性高于大团聚体.连续种植苜蓿使 SOC 中易氧化官能团(脂肪鄄C、
醇鄄C)的增幅大于芳香鄄C,土壤有机碳化学稳定性提高,以苜蓿生长 8 年时的效果最好. SOC
中的脂肪鄄C、醇鄄C、饱和烷烃比例较高,且最为活跃,对土壤有机碳增加的贡献明显.
关键词摇 宁南山区摇 苜蓿摇 土壤有机碳官能团摇 稳定性
文章编号摇 1001-9332(2012)12-3266-07摇 中图分类号摇 S153. 6摇 文献标识码摇 A
Characters of soil organic matter functional groups in the fields planted with alfalfa (Medi鄄
cago sativa) for different years in hilly regions of south Ningxia, Northwest China. LI
Ting1,2,3, ZHAO Shi鄄wei1,2, LI Xiao鄄xiao2, MA Shuai2 ( 1State Key Laboratory of Soil Erosion and
Dryland Farming on the Loess Plateau, Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A & F
University, Yangling 712100, Shaanxi, China; 2 Institute of Soil and Water Conservation, Chinese
Academy of Science and Ministry of Water Resource, Yangling 712100, Shaanxi, China; 3 Environ鄄
mental Protection Bureau of Luzhou, Luzhou 646608, Sichuan, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,
2012,23(12): 3266-3272.
Abstract: Soil samples were collected from the fields planted with alfalfa for different years in the
hilly region of southern Ningxia, and the technique of synchrotron radiation鄄fourier transform infra鄄
red spectroscopy ( SR鄄FTIR) was adopted to study the characters of soil organic carbon ( SOC)
functional groups in different sizes of soil aggregates. Planting alfalfa changed the contents of SOC
functional groups and their distribution in soil aggregates. With the increasing year of planting alfal鄄
fa, the SOC content, percentage of macro鄄aggregates (>0. 25 mm), aggregates stability, and rela鄄
tive content of SOC saturated alkyl all increased, and the saturated alkyl was mainly distributed in
0. 25-1 mm aggregates. However, the relative contents of SOC aliphatic鄄C and alcohol鄄C decreased
with the increase of soil aggregate size. The increased aliphatic鄄C and alcohol鄄C were mainly dis鄄
tributed in macro鄄aggregates, whereas the aromatic鄄C was mainly distributed in <0. 25 mm aggre鄄
gates. The variation range of the relative contents of the functional groups in macro鄄aggregates was
larger than that in <0. 25 mm aggregates, showing that the SOC stability in micro鄄aggregates was
higher than that in macro鄄aggregates. Continuous planting of alfalfa made the increment of SOC eas鄄
ily oxidizable functional groups (aliphatic鄄C and alcohol鄄C) be larger than that of aromatic鄄C and
the chemical stability of SOC increased, with the best effect observed in 8鄄year planting. The ali鄄
phatic鄄C, alcohol鄄C, and saturated alkyl in SOC had higher percentages, their variation was most
active, and had great contribution to the increase of SOC content.
Key words: alfalfa; soil organic carbon functional groups; stability; hilly south region of Ningxia.
*黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室自主研究项目(10502鄄z11)和中国科学院“西部之光冶人才计划项目资助.
**通讯作者. E鄄mail: swzhao@ ms. iswc. ac. cn
2012鄄04鄄12 收稿,2012鄄09鄄07 接受.
应 用 生 态 学 报摇 2012 年 12 月摇 第 23 卷摇 第 12 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 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Dec. 2012,23(12): 3266-3272
摇 摇 在半干旱黄土丘陵区,通过种植苜蓿,可促进草
畜产业发展,增加农民收入,防治水土流失,改善生
态环境.随着退耕还林(草)工程的实施,宁夏南部
山区各级政府将苜蓿(Medicago sativa)生产作为调
整产业结构的主要措施,目前苜蓿种植面积已达
12郾 2 万 hm2,占人工草地面积的 74% [1] . 有研究表
明,随着种植年限的延长,人工草地土壤有机碳
(SOC)和全氮含量增加, 表层土壤(0 ~ 10 cm)SOC
显著增加[2] .然而,种植苜蓿达到一定年限时,土壤
有机碳含量持续下降[3-4] .另外,长期种植苜蓿的土
壤还会出现干土层,并且随着苜蓿生长年限的增加,
干土层深度与厚度先增加后减少[5] . 其中,生长年
限低于 8 年(含 8 年)的苜蓿草地出现轻度干层;生
长年限超过 8 年时出现中度干层;而生长年限超过
18 年的苜蓿已进入衰败期,其生物量锐减,对土壤
水分利用强度虽然逐步减少,但只能使土壤上层的
水分得到恢复,而深层土壤水分仍然难以恢复,深层
土壤通体呈现干化[6] . 种植苜蓿可以改善土壤结
构,水稳性团聚体团粒指数随着苜蓿种植年限的增
加而增加[7] .然而,目前对团聚体土壤有机质分布
及其分子结构的影响,特别是土壤有机碳化学稳定
机制缺乏研究,这不利于对土壤固碳机制的了解和
对土壤碳库稳定性的评价.
植被恢复影响土壤有机碳官能团的种类、数量
和结构的变化,而 SOC官能团变化在某种程度上可
以揭示在腐殖化与矿化过程中土壤有机碳组成和性
质的变化规律. 近年来,有关黄土区土壤 SOC 结构
化学特性研究,如子午岭人工和天然油松林土壤腐
殖质的组成、形态及胡敏酸光学特征研究[8-9],植被
恢复下土壤有机碳的物理保护机制研究[10-14]较多,
但对该区域大面积种植苜蓿背景下,土壤有机碳官
能团特征的变化鲜见报道,难以揭示其对土壤有机
碳化学稳定性的作用和影响.现有的 SOC 分子结构
的研究方法主要有化学提纯腐殖质和用红外、核磁
共振或色谱等方法分析其结构特征[15-17] .化学提纯
过程可能破坏 SOC分子结构,不能真实地反映 SOC
结构[18-20];而同步辐射红外光谱比普通红外光谱的
亮度高、信噪比高,能较好地反映 SOC 结构的信
息[21] .为此,本文应用同步辐射红外光谱方法,测定
宁夏南部地区不同种植年限紫花苜蓿土壤中 SOC
官能团,以期为揭示种植苜蓿地土壤有机碳化学稳
定机制提供依据.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
宁夏南部宽谷丘陵区的固原市原州区河川乡上
黄村多年连续种植苜蓿,是黄土丘陵区进行苜蓿研
究的 典 型 代 表 区, 位 于 35毅 59忆—36毅 03忆 N,
106毅26忆—106毅30忆 E,海拔 1534 ~ 1824 m. 该地区属
半干旱中温带向暖温带过渡的季风气候,年均气温
7. 0 益,年均降雨量 472 mm,年总辐射量 5342郾 4
MJ·m-2,干燥度指数 1. 55,无霜期 152 d.土壤类型
为黄绵土.
根据苜蓿产量与植物学性状,3、4、6、8 年生苜
蓿构成产量的植物学性状突出,具有较高的生产潜
力;苜蓿生长超过 8 年,构成生物产量的植物学性状
衰退;苜蓿生长至 18 年,草地衰败严重,构成生物产
量的植物学性状最差[6] . 因此,本研究选择处于苜
蓿生长初期的 2 年生苜蓿,处于生长顶盛期的 8 年
生苜蓿,以及处于衰退期的 18 年生苜蓿为对象. 其
中,2 和 8 年生苜蓿生长较旺盛,地面覆盖度较大;
18 年生苜蓿地地表裸露现象严重. 7 月下旬和 9 月
下旬刈割 2 次,测定年产草量.样地基本概况如表 1
所示.
1郾 2摇 土壤样品采集及测定方法
以坡耕地为对照,选择立地条件和地上植被生
长状况相近,连续种植 2 年(苜蓿生长初期)、8 年
(苜蓿生长顶盛期)、18 年(苜蓿生长衰败期)的苜
蓿地为采样地,在每个典型样地随机挖取 3 个剖面,
按土层深度 0 ~ 10 cm 采集原状土,用采样盒收集,
避免破坏土壤结构.土样经室内风干后,待测.
SOC测定采用改进的外加热重铬酸钾氧化
法[22] .土壤团聚体含量测定:将采样盒中原状土自
然风干,期间用手将大块沿纹理轻轻地掰成 10 ~ 12
mm小土块.取 100 g 风干土样,采用沙维诺夫湿筛
法[23]筛分土壤团聚体.为收集足够多的各粒径团聚
表 1摇 样地基本概况
Table 1摇 Basic situation of sites
样地
Sample
site
海拔
Altitude
(m)
坡向
Aspect
坡度
Slope
degree
(毅)
鲜草产量
Fresh
biomass
(kg·hm-2)
有机质
SOC
(g·
kg-1)
CK 1643 南 South 12 - 12. 89
Alf 2 1609 南 South 23 11000 11. 72
Alf 8 1633 南 South 12 12250 19. 60
Alf 18 1590 南 South 18 3000 13. 61
CK:坡耕地 Slope鄄farmland; Alf 2:2 年生苜蓿地 Alfalfa land planted for
2 years; Alf 8:8 年生苜蓿地 Alfalfa land planted for 8 years; Alf 18:18
年生苜蓿地 Alfalfa land planted for 18 years. 下同 The same below.
762312 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 李摇 婷等: 宁南山区不同年限苜蓿地土壤有机质官能团特征摇 摇 摇 摇 摇 摇
体,每个样品重复 4 次,筛分粒级分别为:>5 mm、
2郾 0 ~ 5郾 0 mm、2郾 0 ~ 1郾 0 mm、1郾 0 ~ 0郾 5 mm、0郾 5 ~
0郾 25 mm和<0郾 25 mm,然后收集不同粒级团聚体,
称量.
SR鄄FTIR测定样品官能团. SR鄄FTIR 测定样品:
扫描波长区间为 4000 ~ 400 cm-1,分束片 KBr,狭逢
7 mm,分辨率 4 cm-1 .土壤样品:KBr为 1 颐 200 的比
例在玛瑙研钵中混磨后压片,上机测定. 测定样品
FTIR吸收图谱时,各重复样吸收图谱一致性较好.
1郾 3摇 数据处理
SR鄄FTIR吸收图谱应用 Originpro 7. 5 软件进行
规一化,选基线(吸收峰谷底的连线),利用高斯函
数拟合实际样品 SR鄄FTIR 吸收图谱,对每个官能团
特征峰进行面积积分[24],应用 Excel 2003 计算每个
官能团吸收峰面积占样品有机碳官能团吸收峰总面
积百分比(% ).半定量分析数据取重复样平均值.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 种植苜蓿对土壤团聚体分布的影响
由表 2 可以看出,供试的 0 ~ 10 cm 土壤中,
85%以上土壤是<0. 25 mm 粒级微团聚体,大团聚
体含量较少.种植苜蓿后,降低了<0. 25 mm 粒级土
壤团聚体含量,提高了>0. 25 mm 粒级团聚体含量,
尤其是 0. 25 ~ 2 mm 粒级团聚体的增幅较大. 说明
种植苜蓿后,在一定程度上改善了土壤团粒结构.
2郾 2摇 不同年限苜蓿地土壤有机碳官能团的变化
对土壤有机碳官能团 SR鄄FTIR图谱(图 1)中的
特征峰进行指认(表 3),在坡耕地与 2、8、18 年生苜
蓿地中,<0. 25 mm 微团聚体与原土图谱中官能团
种类一致,而 0. 25 ~ 0. 5、0. 5 ~ 1、1 ~ 2、2 ~ 5 和
>5 mm团聚体中官能团种类一致,说明各粒级团聚
体中有机碳官能团种类并不完全一致.
2郾 2郾 1 坡耕地摇 坡耕地<0. 25 mm 粒级土壤团聚体
与原土 SOC芳香鄄C特征峰吸收强度较其他粒径弱,
表 2摇 不同种植年限苜蓿地 0 ~ 10 cm土层各粒级团聚体所
占的比例
Table 2摇 Percentages of water鄄stable aggregates in 0-10 cm
soil layer with growing alfalfa for different years (%)
样地
Sample
site
粒 级 Size (mm)
<0. 25 0. 25 ~
0. 5
0. 5 ~
1. 0
1 ~ 2 2 ~ 5 >5
CK 92. 4 3. 8 2. 2 0. 6 0. 8 0. 2
Alf 2 85. 6 4. 3 4. 6 2. 6 2. 2 0. 7
Alf 8 86. 5 7. 0 4. 3 1. 3 0. 9 -
Alf 18 84. 2 7. 1 5. 7 2. 1 0. 9 -
表 3摇 SR鄄FTIR测定 SOC官能团吸收峰识别
Table 3摇 Peak assignment for SOC obtained from SR鄄FTIR
spectroscopy
波数
Wave number
(cm-1)
SOC官能团
SOC functional groups
吸收峰
Absorption peak
3424 酚类化合物鄄OH的 O鄄H 伸缩振动或酚类
化合物胺分枝 N鄄H伸缩振动[25]
弱
2979,2872 脂肪鄄C的 CH3、CH2伸缩振动[26] 弱
2514 羧基鄄C的鄄OH伸缩振动 弱
1878,1793 酮鄄C[24] 弱
1633 芳香鄄C [25,27] 较强
1493 饱和烷烃 CH面内弯曲振动 弱
1437 脂肪鄄C的 CH3、CH2变形振动[25] 较强
1174 醇鄄C伸缩振动 强肩吸收峰
1088 多糖 C鄄O伸缩振动 较强肩吸收峰
1025 硅酸盐矿物 较强
925 羧基 O鄄H面外弯曲振动 弱
877 CO32- 较强
饱和烷烃 CH面内弯曲振动吸收峰不明显,而脂肪鄄
C、醇鄄C与多糖鄄C吸收峰强度较其他粒径土壤团聚
体强(图 1). 0. 25 ~ 0. 5、0. 5 ~ 1、2 ~ 1 和 2 ~ 5 mm
粒径土壤团聚体 SOC饱和烷烃 CH面内弯曲振动吸
收峰(925 cm-1)特征峰较明显,但并未明显影响全
土有机碳官能团的组成.因为全土 SOC 吸收图谱中
并没有显示此特征吸收峰,其主要受<0. 25 mm 粒
级土壤团聚体的影响.
坡耕地(表 4)变形振动脂肪鄄C 相对百分比随
团聚体粒径增大而减少;0. 25 ~ 0. 5 mm粒径土壤团
聚体中醇鄄C (24. 6% ) 较其他粒径少,而芳香鄄C
(10郾 8% )较其他粒径团聚体多. >5 mm粒径土壤团
聚体的 SOC含量、醇鄄C(54. 0% )、酮鄄C(3. 9% )较其
他粒径团聚体多.羧基 O鄄H面外弯曲振动吸收峰积
分面积相对百分比随着粒径增大而增加. 这说明大
团聚体中易氧化官能团(脂肪鄄C、醇鄄C)较多,微团
聚体中稳定性较强的芳香鄄C较其他粒径团聚体多.
2郾 2郾 2摇 2年生苜蓿地摇 2 年生苜蓿地不同粒径团聚
体土壤中,芳香鄄C、变形振动脂肪鄄C 相对百分比随着
团聚体粒径增大而减少,其他官能团在不同粒级土壤
团聚体中相对百分比并无明显差异.与坡耕地相比,2
年生苜蓿地 <0. 25 mm团聚体及原土中芳香鄄C 百分
比增加; > 5 mm 团聚体土壤中变形振动脂肪鄄C
(30郾 5%)、1 ~2 mm团聚体中饱和烷烃相对百分比例
(18. 0%)、0. 25 ~ 0. 5 mm 土壤醇鄄C 相对百分比
(36郾 7%)显著增加.坡耕地与 2 年生苜蓿地 >5 mm
团聚体中 SOC 醇鄄C 相对百分比较其他粒径团聚体
多. 2年生苜蓿地<0. 25 mm团聚体土壤中,变形振动
脂肪鄄C、酮鄄C、芳香鄄C相对百分比均较高(图1,表4).
8623 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 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 23 卷
图 1摇 不同种植年限苜蓿地 0 ~ 10 cm层土壤有机碳官能团红外吸收图谱
Fig. 1摇 SR鄄FTIR spectra of SOC (0-10 cm) functional groups from alfalfa land with different years.
CK:坡耕地 Slope鄄farmland; Alf 2:2 年生苜蓿地 Alfalfa land planted for 2 years; Alf 8:8 年生苜蓿地 Alfalfa land planted for 8 years; Alf 18:18 年生
苜蓿地 Alfalfa land planted for 18 years. 1)<0. 25 mm; 2)0. 25 ~ 0. 5 mm; 3)0. 5 ~ 1. 0 mm; 4)1 ~ 2 mm; 5)2 ~ 5 mm; 6)>5 mm; 7)原土 Original
soil. 下同 The same below.
表 4摇 坡耕地与苜蓿地 0 ~ 10 cm层土壤团聚体中有机碳官能团相对比例
Table 4摇 Relative percentage of SOC functional groups in soil and different aggregates from slope鄄farmland and alfalfa land
样地
Sample
site
团聚体
Aggregate
(mm)
酮鄄C
Ketone鄄C
(% )
芳香鄄C
Aromatic鄄C
(% )
饱和烷烃
Saturated
alkyl (% )
脂肪鄄C
Aliphatic鄄C
(% )
醇鄄C
Alcohol鄄C
(% )
多糖鄄C
Polysaccharides鄄
C (% )
羧基鄄C
Carboxyl鄄C
(% )
SOC
(g·kg-1)
CK <0. 25 1. 3 5. 6 41. 3 45. 6 6. 1 9. 43
0. 25 ~ 0. 5 0. 8 10. 8 12. 2 40. 0 24. 6 6. 9 4. 7 10. 60
1 ~ 0. 5 0. 6 7. 5 10. 1 40. 1 29. 1 7. 3 5. 3 9. 04
2 ~ 1 0. 8 6. 1 11. 4 30. 2 40. 9 4. 5 6. 1 9. 35
5 ~ 2 1. 4 5. 9 11. 6 32. 0 35. 6 6. 5 6. 9 6. 26
>5 3. 9 7. 8 18. 6 54. 0 5. 7 10. 0 12. 13
S 0. 4 2. 4 54. 8 36. 0 6. 4 12. 89
Alf 2 <0. 25 1. 5 7. 3 42. 3 43. 0 6. 0 7. 10
0. 25 ~ 0. 5 1. 8 2. 1 17. 8 29. 8 36. 7 6. 0 5. 9 11. 06
1 ~ 0. 5 0. 5 3. 8 13. 4 35. 9 35. 2 5. 6 5. 7 8. 57
2 ~ 1 0. 4 2. 3 18. 0 31. 7 35. 9 6. 2 5. 6 8. 77
5 ~ 2 0. 3 2. 1 9. 8 33. 5 44. 3 4. 5 5. 5 10. 01
>5 0. 5 2. 7 11. 8 30. 5 44. 5 5. 2 4. 9 11. 08
S 0. 3 3. 9 46. 6 42. 1 7. 1 11. 72
Alf 8 <0. 25 0. 3 4. 4 44. 6 44. 0 6. 7 8. 07
0. 5 ~ 0. 25 0. 4 3. 5 11. 0 32. 1 42. 3 4. 5 6. 2 10. 61
1 ~ 0. 5 0. 5 3. 8 11. 9 34. 7 38. 2 4. 8 6. 2 12. 76
2 ~ 1 1. 3 5. 8 9. 7 34. 7 39. 0 4. 7 4. 8 13. 77
5 ~ 2 0. 9 11. 5 12. 6 28. 8 36. 3 5. 2 4. 8 15. 57
S 0. 3 4. 7 48. 2 38. 9 7. 9 19. 60
Alf 18 <0. 25 0. 2 5. 4 32. 2 55. 3 5. 2 1. 7 11. 02
0. 25 ~ 0. 5 0. 3 4. 0 20. 9 33. 3 29. 3 6. 1 6. 0 21. 76
1 ~ 0. 5 0. 5 4. 4 22. 5 33. 2 31. 0 5. 8 2. 6 23. 84
2 ~ 1 1. 1 3. 7 22. 0 31. 8 30. 4 6. 2 4. 8 23. 05
5 ~ 2 0. 7 5. 0 20. 5 27. 7 34. 9 5. 9 5. 4 15. 58
S 0. 3 1. 8 47. 5 43. 8 6. 7 13. 61
S:原土 Original soil. 下同 The same below.
962312 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 李摇 婷等: 宁南山区不同年限苜蓿地土壤有机质官能团特征摇 摇 摇 摇 摇 摇
说明种植苜蓿后,稳定性较强的有机碳官能团主要分
布在微团聚体中;而易氧化的脂肪鄄C,醇鄄C,羧基鄄C多
分布在大团聚体中.与坡耕地相比,易氧化官能团有
明显增加,稳定性较强的官能团也有所增加.说明在
微团聚体形成大团聚体过程中,有机碳主要固定在大
团聚体中,且主要固定 SOC中易氧化官能团.
与坡耕地相比,不同种植年限的苜蓿地各粒级
团聚体土壤吸收峰特征相似(表 4). SOC 红外吸收
图谱显示(图 1),有机碳官能团主要组成部分依次
为脂肪鄄C、醇鄄C 吸收峰、饱和烷烃 C鄄H 面内弯曲振
动、芳香鄄C、多糖鄄C、羧基 O鄄H 面外弯曲振动、酮鄄C.
因土样中伸缩振动的脂肪鄄C、酚类化合物胺分枝 N鄄
H伸缩振动吸收峰极弱,部分<0. 25 mm、>5 mm 团
聚体和原土土壤样品中 C鄄H 面内弯曲振动饱和烷
烃、面外弯曲振动羧基 O鄄H 也极弱,所以没有对这
些吸收峰进行面积积分.
2郾 2郾 3摇 8 年生苜蓿地摇 随着团聚体粒径增大,8 年
生苜蓿地各粒径团聚体土壤有机碳中变形振动脂
肪鄄C、醇鄄C相对百分比减少,在<0. 25 mm团聚体土
壤中最多;多糖鄄C 在各粒级团聚体中分布较均一
(表 4).而芳香鄄C相对百分比随着团聚体粒径增大
而增加.与 2 年生苜蓿地相比,8 年生苜蓿地 SOC增
加,且芳香鄄C相对百分比也明显增加. 面内弯曲振
动饱和烷烃 C鄄H相对百分比有所下降,说明 8 年生
苜蓿地固定的 SOC中,芳香鄄C增加比例较其他有机
碳官能团高,且主要体现在大团聚体中,在 2 ~ 5 mm
团聚体(11郾 5% )中尤其突出. 8 年生苜蓿地 SOC、易
氧化官能团与稳定性较强的芳香鄄C 均明显增加,说
明连续种植苜蓿后,土壤有机碳化学稳定性明显
提高.
2郾 2郾 4摇 18 年生苜蓿地 摇 图 1 显示,随着种植苜蓿
年限增加,变形振动脂肪鄄C 与面内弯曲振动饱和烷
烃 C鄄H叠加的吸收峰强度明显增强.与 2、8 年生苜
蓿地相比,18 年生苜蓿地 SOC饱和烷烃百分比明显
增加;而变形振动脂肪鄄C百分比随着粒径的增大而
减少;芳香鄄C相对百分比减少. <0. 25 mm 团聚体土
壤中醇鄄C相对百分比明显比其他粒径团聚体多,且
其相对含量明显增加(表 4). 说明随着种植年限增
加,易氧化官能团增加幅度更大.
3摇 讨摇 摇 论
3郾 1摇 种植苜蓿对土壤有机碳及团聚体分布的影响
以坡耕地为对照,种植苜蓿 8 年时,苜蓿生物量
最大,土壤 SOC 含量明显增加;到 18 年,SOC 有所
降低,可能是种植苜蓿达一定年限时,造成其土壤干
旱,土壤有机物质输入减少,从而导致 SOC 下降,但
仍比坡耕地高.有研究显示,苜蓿种植达 15 年时,进
入衰退期,而后又逐渐恢复[4] . 坡耕地、2 年生苜蓿
地 0. 25 ~ 0. 5 mm,>5 mm 团聚体土壤中 SOC 含量
最多;8 年生苜蓿地团聚体中 SOC 含量随着粒径增
大而增加;18 年生苜蓿地各粒径土壤团聚体中 SOC
含量都明显增加,以 0郾 25 ~ 2 mm 粒径土壤团聚体
SOC含量增加最多. 种植苜蓿后,随着土壤中 0. 25
~ 2 mm粒径土壤团聚体增加,0. 25 ~ 2 mm 粒径土
壤团聚体 SOC也明显增加,说明种植苜蓿改善了土
壤团粒结构,0. 25 ~ 2 mm 团聚体对 SOC 有物理保
护作用.宁南丘陵区坡耕地退耕后,随着植被的恢
复,土壤>0郾 25 mm水稳性团聚体含量增加,土壤入
渗性能提高, 改善了土壤结构[28] .这与在控制试验
条件下,苜蓿生长时间越长,土壤团聚体稳定性越
高[29]的研究结果一致.
3郾 2摇 种植苜蓿对土壤有机质官能团的影响
随着种植年限增加,SOC 中增加的易氧化官能
团(脂肪鄄C,饱和烷烃,醇鄄C)主要分布在大团聚中.
土壤有机碳中饱和烷烃增加比例最多,特别在 18 年
生苜蓿地明显增加,且主要分布在 0. 25 ~ 2 mm 粒
径土壤团聚体中,可能因为种植苜蓿后土壤物理性
质得到极大改善,增加>0. 25 mm 水稳性团聚体总
量,促进了易氧化有机碳的固定[30] . 这与 Jokic
等[31]提出土壤矿物颗粒表层吸附促进 SOM 积累结
果一致;脂肪鄄C、醇鄄C 随着团聚体粒径增大百分含
量减少,在<0. 25 mm 团聚体中相对百分比较大,这
与 Sch觟ning等[32]研究结果一致.应用核磁共振研究
不同类型有机质在土壤颗粒中的含量分布,表明粗
粘粒(0. 2 ~ 2 滋m)比细粘粒(<0. 2 滋m)含有较多的
羧基和氧烷基碳,而含有少量的氨基酸、脂肪酸、单
糖和氨基糖[33-34] . 周萍等[35]对黄泥土颗粒有机碳
含量分析也表明,增加的有机碳主要存在于粗团聚
体中,且其颗粒有机碳的粗团聚体具有物理保护
作用.
随着种植年限增加,稳定性较强的芳香鄄C 相对
含量呈增加趋势,且 8 年生苜蓿地中芳香鄄C 相对含
量较 2、18 年生苜蓿地多,说明 8 年生苜蓿地土壤有
机碳化学稳定性较强. 坡耕地、2 年生苜蓿地<0. 5
mm粒径土壤团聚体中芳香鄄C 分布较多;8 年生苜
蓿地 2 ~ 5 mm 团聚体中芳香鄄C 明显增加;18 年生
苜蓿地,土壤有机碳明显减少,2 ~ 5 mm团聚体中芳
香鄄C也明显减少,而小粒径团聚体中芳香鄄C 无明显
0723 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 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 23 卷
变化,说明微团聚体中的芳香鄄C 比大粒径团聚体中
的芳香鄄C稳定. 长期施肥对土壤微团聚体( <0郾 25
mm)中有机碳稳定性的影响高于大团聚体( >0郾 25
mm) [36] .可能是因为芳香鄄C、羧基鄄C、羰基鄄C来自木
质素和纤维素降解,它们吸附在粘粒上[30] . 种植苜
蓿后,SOC化学稳定机制表现为先增加 SOC 活性较
强的脂脂鄄C、醇鄄C、饱和烷烃,后增加稳定性较强的
芳香鄄C.这与 Brandes 等[37]研究海底沉积物颗粒有
机碳形成的蛋白质、脂肪富集阶段,羧基鄄C 富集阶
段,芳香鄄C、醌、酮阶段相似.
苜蓿地 SOC官能团红外图谱特征(图 1)与云
雾山自然恢复草地 SOC 官能团图谱[21] 相似,但
1493 cm-1出现了饱和烷烃 CH 面内弯曲振动,925
cm-1O鄄H面外弯曲振动的羧基吸收峰,且其伸缩振
动脂肪鄄C吸收峰较天然草地弱. 另外,芳香鄄C 吸收
峰强度较天然草地弱. 可能因天然草地比人工草地
SOC含量多[2],所以伸缩振动脂肪鄄C 吸收峰较强.
另一方面,可能因外界水热条件不同,不同植物凋落
物腐殖化过程中形成土壤有机碳结构与 SOC 官能
团种类不同,所以出现新的有机碳官能团.研究草地
和灌丛的表土、高岭石结合的有机物主要为多糖鄄C,
而蒙皂石结合的有机物主要为芳香鄄C[38],表明土壤
外界环境条件的差异,导致不同粘土矿物吸持或保
留的有机物类型不同.在土壤外界环境影响下,苜蓿
地 SOC化学稳定性较天然草地弱.
4摇 结摇 摇 论
坡耕地、苜蓿地土壤各粒级团聚体中,脂肪鄄C、
饱和烷烃、醇鄄C在土壤有机碳各官能团中所占比例
大,且变化较活跃. SOC 中脂肪鄄C、饱和烷烃、醇鄄C
明显增加,芳香鄄C 也呈现增加趋势,8 年生苜蓿地
SOC中芳香鄄C增加明显,说明 8 年生苜蓿地土壤有
机碳稳定性高于 2 年生和 18 年生苜蓿地.
种植苜蓿后,土壤 SOC 含量增加,其中易氧化
官能团(脂肪鄄C、醇鄄C、饱和烷烃)主要分布在大团
聚体中,而芳香鄄C主要分布在<0. 25 mm 团聚体中.
说明土壤大团聚体对有机碳物理保护起到先导作
用,而<0. 25 mm 微团聚体对有机碳化学稳定性的
贡献较大.
参考文献
[1]摇 Cheng H (成摇 红), Du F (杜摇 峰), Zhao K鄄X (赵
克学), et al. Alfalfa production status and way of im鄄
provement in the hilly south of Ningxia Autonomous Re鄄
gion. Acta Agrestia Sinica (草地学报), 2002, 10
(3): 231-237 (in Chinese)
[2]摇 Li J鄄F (李金芬), Cheng J鄄M (程积民), Liu W (刘
伟), et al. Distribution of soil organic carbon and total
nitrogen of grassland in Yunwu Mountain of Loess Plat鄄
eau. Acta Agrestia Sinica (草地学报), 2010, 18(5):
661-669 (in Chinese)
[3]摇 Jiang J鄄P (蒋金平). Co鄄variation of Vegetation and Soil
Quality during Ecosystem Restoration in the Hilly Region
of the Semiarid Loess Plateau. PhD Thesis. Lanzhou:
Lanzhou University, 2007 (in Chinese)
[4]摇 Zhang C鄄X (张春霞), Hao M鄄D (郝明德), Li L鄄X
(李丽霞). Soil composition of carbon, nitrogen and
phosphorus after successive years of alfalfa planting in
the gullies of the Loess Plateau. Acta Agrestia Sinica
(草地学报), 2005, 13(1): 66-71 (in Chinese)
[5]摇 Liu P鄄S (刘沛松), Jia Z鄄K (贾志宽), Li J (李 摇
军), et al. Moisture dynamics of soil dry layer and wa鄄
ter鄄restoring effects of alfalfa (Medicago sativa)鄄grain
crop rotation on soil dry layer in alfalfa farm lands in
mountainous region of southern Ningxia. Acta Ecologica
Sinica (生态学报), 2008, 28(1): 183-192 ( in Chi鄄
nese)
[6]摇 Wan S鄄M (万素梅). Study on Alfalfa Production Per鄄
formance and Its Ecological Effects on Soil Environment
in the Loess Plateau. PhD Thesis. Yangling, Shaanxi:
Northwest A & F University, 2008 (in Chinese)
[7]摇 Barber SA. The influence of alfalfa, brome鄄grass, and
corn on soil aggregation and crop yield. Soil Science So鄄
ciety of America Journal, 1959, 23: 258-259
[8]摇 Wang X (王 摇 鑫). Effects of different management
mode of artificial Pinus tabulaeformis forest on the char鄄
acteristics and binding forms of humus in Ziwuling
Mountain. Journal of Soil and Water Conservation (水土
保持学报), 2010, 24 (2): 232-237 (in Chinese)
[9]摇 Wang X (王摇 鑫). Study on the soil humus character鄄
istics of the natural Chinese pine forest in Ziwuling
Mountain. Journal of Longdong University (陇东学院学
报), 2009, 20(5): 37-42 (in Chinese)
[10] 摇 Zhao Y鄄G (赵勇钢), Zhao S鄄W (赵世伟), Hua J
(华摇 娟), et al. Soil structural properties of enclosed
steppe in the semiarid area. Acta Agrestia Sinica (草地
学报), 2009, 17(1): 106-113 (in Chinese)
[11]摇 Liang X鄄F (梁向锋), Zhao S鄄W (赵世伟), Hua J
(华摇 娟), et al. Analysis of soil structure and its sta鄄
bility indexes under typical vegetation in Ziwuling forest
area. Bulletin of Soil and Water Conservation (水土保
持通报), 2008, 28 (3): 12-18 (in Chinese)
[12]摇 Hua J (华摇 娟), Zhao S鄄W (赵世伟), Zhao Y (张
扬), et al. Distribution characteristics of labile organic
carbon in soil aggregates in different stages of vegetation
restoration of grassland in Yunwu Mountain. Acta Eco鄄
logica Sinica (生态学报), 2009, 29(9): 4613-4620
(in Chinese)
[13]摇 Hua J (华摇 娟), Zhao S鄄W (赵世伟), Zhao Y (张
扬), et al. Distribution characteristics of soil labile or鄄
ganic carbon of different grassland communities in Yun鄄
wu Mountain. Acta Agrestia Sinica (草地学报), 2009,
17(3): 315-321 (in Chinese)
[14]摇 Wang G (王摇 刚), Wang C鄄Y (王春燕), Wang W鄄Y
(王文颖), et al. Study on gray cinnamonic soil protec鄄
172312 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 李摇 婷等: 宁南山区不同年限苜蓿地土壤有机质官能团特征摇 摇 摇 摇 摇 摇
ting soil organic carbon ability and each density compo鄄
nents biochemical characteristics of forest in Ziwuling
Mountain. Chinese Science Bulletin (科学通报), 2004,
49(24): 2562-2567 (in Chinese)
[15]摇 Liang C鄄S (梁重山), Dang Z (党摇 志). Application
of NMR spectroscopy in research of humic materials.
Agro鄄Environmental Protection (农 业 环 境 保 护 ),
2001, 20(4): 277-279 (in Chinese)
[16]摇 Zhao G (赵摇 光), Tang X鄄H (唐晓红), L俟 J鄄K (吕
家恪), et al. The formation of humic acids in purple
paddy soil鄄based on decomposition of rice straw. Journal
of Agro鄄Environment Science (农业环境科学学报),
2009, 28(12): 2596-2602 (in Chinese)
[17]摇 Zhou P (周摇 萍), Pan G鄄X (潘根兴), Alessandro P,
et al. SOC enhancement in major types of paddy soils
under long鄄term agro鄄ecosystem experiments from south
China molecular characterization of particulate organic
carbon by Tmah thermochemolysis GC / MS. Acta Ped鄄
ologica Sinica (土壤学报), 2011, 48(1): 112-125
(in Chinese)
[18]摇 Liang C鄄S (梁重山), Dang Z (党 摇 志). Progress of
extraction methods of soil organic matters. Bulletin of
Mineralogy, Petrology and Geochemistry (矿物岩石地
球化学通报), 2001, 20(1): 58-62 (in Chinese)
[19]摇 Zhang J鄄J (张晋京), Song X鄄Y (宋祥云), Dou S (窦
森). Effect of continuous NaOH / NaOH+Na4 P2 O7 ex鄄
tractions on the content and characteristic of soil humus
fractions. Chinese Journal of Soil Science (土壤通报),
2007, 38(3): 452-457 (in Chinese)
[20]摇 Chen L (陈 摇 兰), Tang X鄄H (唐晓红), Wei C鄄F
(魏朝富). Spectroscopies of soil humic substances: A
review. Chinese Agricultural Science Bulletin (中国农学
通报), 2007, 23(8): 233-240 (in Chinese)
[21]摇 Li T (李 摇 婷), Zhao S鄄W (赵世伟), Ma S (马 摇
帅), et al. Study of soil organic carbon structural
change of fallowing grasslands by synchrotron radiation
spectrum technology. Spectroscopy and Spectral Analysis
(光谱学与谱分析), 2011, 31(12): 3245-3250 ( in
Chinese)
[22] 摇 Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences
(中国科学院南京土壤研究所). Soil Physical and
Chemical Analysis. Shanghai: Shanghai Science and
Technology Press, 1978 (in Chinese)
[23]摇 Laboratory of Soil Physics, Institute of Soil Science,
Chinese Academy of Sciences (中国科学院南京土壤
研究所南京土壤物理实验室). Soil Physical Proper鄄
ties Measurement. Beijing: Science Press, 1978 ( in
Chinese)
[24]摇 Solomon D, Lehmann J, Kinyangi J, et al. Long鄄term
impacts of anthropogenic perturbations on dynamics and
speciation of organic carbon in tropical forest and sub鄄
tropical grassland ecosystems. Global Change Biology,
2007, 13: 1-20
[25]摇 Stevenson FJ. Humus Chemistry: Genesis, Composi鄄
tion, Reactions. New York: Wiley Press, 1994
[26]摇 Chen J, Gu B, LeBoeuf EJ, et al. Spectroscopic char鄄
acterization of the structural and functional properties of
natural organic matter fractions. Chemosphere, 2002,
48: 59-68
[27]摇 Solomon D, Lehmann J, Kinyangi J, et al. Carbon K鄄
Edge NEXAFS and FTIR鄄ATR spectroscopic investiga鄄
tion of organic carbon speciation in soils. Soil Science
Society of America Journal, 2005, 69: 107-119
[28]摇 Yang Y鄄H (杨永辉), Zhao S鄄W (赵世伟), Lei T鄄W
(雷廷武), et al. Soil infiltration capacity under differ鄄
ent vegetations in southern Ningxia loess hilly region.
Chinese Journal of Applied Ecology (应用生态学报),
2008, 19(5): 1040-1045 (in Chinese)
[29]摇 Qin R鄄J (秦瑞杰), Zheng F鄄L (郑粉莉), Lu J (卢摇
嘉). The effect of herbaceous plant growth on the soil
aggregate stability. Research of Soil and Water Conserva鄄
tion (水土保持研究), 2011, 18(3): 141 -145 ( in
Chinese)
[30]摇 Zhang S鄄M (张少民), Hao M鄄D (郝明德), Li H鄄M
(李寒暝), et al. Change of soil physical and chemical
properties in alfalfa field. Xinjiang Agricultural Sciences
(新疆农业科学), 2007, 43(S3): 122-125 ( in Chi鄄
nese)
[31]摇 Jokic A, Cutler JN, Ponomarenko E, et al. Organic
carbon and sulphur compounds in wetland soils: Insights
on structure and transformation processes using K鄄edge
XANES and NMR spectroscopy. Geochimica et Cosmo鄄
chimica Acta, 2003, 67: 2585-2597
[32]摇 Sch觟ning I, Morgenroth G, k觟gel鄄knabner I. O / N鄄alkyl
and alkyl C are stabilised in fine particle size fractions of
forest soils. Biogeochemistry, 2005, 73: 475-497
[33]摇 Larid DA, Martens DA, Kingery WL. Nature of clay鄄
humic complexes in an agricultural soils. I. Chemical,
biochemical, and spectroscopic analyses. Soil Science
Society of America Journal, 2001, 65: 1413-1418
[34]摇 Kahle M, Kleber M, Torn MS, et al. Carbon storage in
coarse and fine clay fractions of illitic soils. Soil Science
Society of America Journal, 2003, 67: 1732-1739
[35]摇 Zhou P (周 摇 萍), Alessandro P, Pang G鄄X (潘根
兴), et al. SOC enhancement in three major types of
paddy soils in a long鄄term agro鄄ecosystem experiment in
south China: Structural variation of particulate organic
matter of two paddy soils. Acta Pedologica Sinica (土壤
学报), 2009, 46(3): 398-346 (in Chinese)
[36]摇 Li H鄄X (李辉信), Yuan Y鄄H (袁颖红), Huang Q鄄R
(黄欠如), et al. Effect of long鄄term fertilization on la鄄
bile organic carbon in soil aggregates in red paddy soil.
Acta Pedologica Sinica (土壤学报), 2008, 45 (2):
259-266 (in Chinese)
[37]摇 Brandes AJ, Lee C, Wakeham S, et al. Examining ma鄄
rine particulate organic matter at sub鄄micron scales using
scanning transmission X鄄ray microscopy and carbon X鄄
ray absorption near edge structure spectroscopy. Marine
Chemistry, 2004, 92: 107-121
[38]摇 Wattel鄄Koekkoek EJW, van Genuchten PPL, Buurman
P, et al. Amount and composition of clay鄄associated soil
organic matter in a range of kaolinitic and smectitic
soils. Geoderma, 2001, 99: 27-49
作者简介摇 李摇 婷,女,1986 年生.硕士,主要从事土壤有机
碳化学稳定性研究. E鄄mail: liting20053383@ 163. com
责任编辑摇 李凤琴
2723 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 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 23 卷