全 文 ：长期垄作稻田腐殖质稳定碳同位素丰度
(啄13C)分布特征*
唐晓红1**摇 罗友进2 摇 任振江2 摇 吕家恪2 摇 魏朝富2
( 1 四川农业大学都江堰校区城乡建设学院, 四川都江堰 611830; 2 西南大学资源环境学院, 重庆 400716)
摘摇 要摇 研究了四川盆地丘陵区连续 16 年垄(宽垄)作稻田土壤稳定碳库腐殖质组分的稳定
碳同位素(啄13C)分布特征.结果表明: 稻田土壤有机碳含量为宽垄作>垄作>水旱轮作.腐殖
质碳以胡敏素为主,占土壤碳含量的 21% ~30% ,提取碳以胡敏酸为主,分别占土壤有机碳和
腐殖质的 17% ~ 21%和 38% ~ 65% .土壤有机碳的 啄13C 值介于-27郾 9译 ~ -25郾 6译,20 ~ 40
cm和 0 ~ 5 cm土壤有机碳 啄13C值之差约为 1郾 9译.土壤胡敏酸 啄13C值比土壤有机碳低 1译 ~
2译,更接近于油菜和水稻秸秆及根系的 啄13C 值.土壤富里酸 啄13C 值分别较土壤有机碳和胡
敏酸高 2译和 4译.耕作层和犁底层胡敏素 啄13C 值分别介于-23郾 7译 ~ -24郾 9译和-22郾 6译 ~
-24郾 2译,啄13C 值的变化反映了耕层中腐殖质的新老混合现象. 各有机组分啄13C值递减顺序
为:胡敏素>富里酸>土壤有机碳>稻草(油菜)残体>胡敏酸.长期水稻种植有利于增加土壤有
机碳含量,同时,耕作方式影响土壤腐殖质 啄13C在耕作层和犁底层中的分布格局.
关键词摇 垄作摇 有机质摇 腐殖质摇 稳定碳同位素丰度(啄13C) 摇 稻田
文章编号摇 1001-9332(2011)04-0985-07摇 中图分类号摇 S714摇 文献标识码摇 A
Distribution characteristics of soil humus fractions stable carbon isotope natural abundance
(啄13C) in paddy field under long鄄term ridge culture. TANG Xiao鄄hong1, LUO You鄄jin2, REN
Zhen鄄jiang2, L俟 Jia鄄ke2, WEI Chao鄄fu2 ( 1College of Urban and Rural Construction, Dujiangyan
Campus, Sichuan Agricultural University, Dujiangyan 611830, Sichuan, China; 2College of Re鄄
source and Environment, Southwest University, Chongqing 400716, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,
2011,22(2): 985-991.
Abstract: A 16鄄year field experiment was conducted in a ridge culture paddy field in the hilly re鄄
gion of Sichuan Basin, aimed to investigate the distribution characteristics of stable carbon isotope
natural abundance (啄13C) in soil humus fractions. The soil organic carbon (SOC) content in the
paddy field under different cultivation modes ranked in the order of wide ridge culture > ridge cul鄄
ture > paddy and upland rotation. In soil humus substances (HS), humin (HU) was the main
composition, occupying 21% -30% of the total SOC. In the extracted soil carbon, humic acid
(HA) dominated, occupying 17% -21% of SOC and 38% -65% of HS. The 啄13C value of SOC
ranged from -27郾 9译 to -25郾 6译, and the difference of the 啄13C value between 0-5 cm and 20-40
cm soil layers was about 1郾 9译. The 啄13C value of HA under different cultivation modes was 1译-
2译 lower than that of SOC, and more approached to the 啄13C value of rapeseed and rice residues.
As for fulvic acid (FA), its 啄13C value was about 2译 and 4译 higher than that of SOC and HA,
respectively. The 啄13C value of HU in plough layer (0-20 cm) and plow layer (20-40 cm) ranged
from -23郾 7译--24郾 9译 and -22. 6译--24郾 2译, respectively, reflecting the admixture of young
and old HS. The 啄13C value in various organic carbon fractions was HU>FA>SOC>rapeseed and
rice residues>HA. Long鄄term rice planting benefited the increase of SOC content, and cultivation
mode played an important role in affecting the distribution patterns of soil humus 啄13C in plough lay鄄
er and plow layer.
Key words: ridge culture; soil organic matter; humus substances; stable carbon isotope natural
abundance (啄13C); paddy field.
*国家科技支撑计划项目(2006BAD05801)、四川省教育厅青年科学基金项目(09ZB049)和重庆市科委自然科学基金项目(CSTC,2009BB1115)资助.
**通讯作者. E鄄mail: jianglj_2003@ 163. com
2010鄄09鄄26 收稿,2011鄄01鄄24 接受.
应 用 生 态 学 报摇 2011 年 4 月摇 第 22 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. 2011,22(4): 985-991
摇 摇 作为土壤碳库的重要组成部分,腐殖质是表征
土壤有机物质转化进程中土壤碳库稳定性的重要组
分. 目前,将腐殖质主要分为胡敏酸( humic acid,
HA)、富里酸 ( fulvic acid, FA)和胡敏素 ( humin,
HU),由于胡敏素不易提取,所以国内外主要对胡敏
酸和富里酸的性质和组成进行研究. 土壤有机质的
矿化和腐殖化过程均伴随有同位素的分馏过程,从
而导致不同来源或产物的土壤有机碳(SOC)具有不
同的稳定碳同位素丰度(啄13C)值.因此,应用稳定碳
同位素技术,既能研究土壤有机质总体的变化情况,
又能研究不同颗粒大小或密度有机质的周转情况,
还能研究不同农业措施以及不同环境条件对土壤有
机质含量的影响[1-3] .近年来,稳定碳同位素技术已
成功应用于生态系统转化中不同植物来源的土壤有
机质比例和构成土壤有机碳组分的 啄13C 值分布特
征研究[4-7] . 最近,应用稳定碳同位素技术,陈庆强
等[8-9]研究了长江河口盐沼滩面有机碳分布、累积
及更新趋势,涂成龙等[10]探讨了林地土壤有机碳的
分异.这些研究探索了土壤有机质来源和迁移转化
过程.因此,在区分土壤的稳定有机碳库和易变有机
碳库、示踪土壤营养物质和能量碳的流动中,啄13 C
方法不失为一条有效的途径,研究结果对于不同生
态系统碳循环模型中碳库类型的确定具有十分重要
的作用.
长期垄(宽垄)作(轮作和秸秆覆盖还田相结
合)改变了稻田土壤有机碳分布格局,改善了土壤
理化性质及其生态效应,增加了稻田土壤有机碳储
量[11-13],而应用 啄13 C 值可以深入研究人为耕作土
壤———稻田腐殖质的累积特征和转化过程. 本研究
拟以四川盆地丘陵区紫色水稻土定位试验耕作土壤
为研究对象,应用天然同位素丰度技术分析土壤腐
殖质组分的碳稳定同位素天然丰度 啄13C 值在耕作
层和犁底层的分布特征,以期为阐明稻田生态系统
土壤腐殖质的碳分配、更新特征和累积机制提供基
础数据.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
定位试验始于 1990 年,设在重庆市北碚区西南
大学试验农场.该农场地处 30毅26忆 N,106毅26忆 E,海
拔 230 m,年平均气温 18郾 3 益,年平均降雨量
1105郾 4 mm,5—9 月降雨量占全年降雨量的 70% ,
年日照 1276郾 7 h,年无霜期约 334 d.属“川东平行岭
谷区冶北碚向斜的中部,土壤为中生代侏罗系沙溪
庙组灰棕紫色砂泥岩母质上发育的中性紫色水稻土
(简育水耕人为土),其基本理化性质为:pH 7郾 1,有
机质 23郾 1 g · kg-1,全氮 1郾 7 g · kg-1,全磷 0郾 8
g·kg-1,全钾 22郾 7 g·kg-1,碱解氮 120郾 1 mg·kg-1,
有效磷 7郾 5 mg·kg-1,速效钾 71郾 1 mg·kg-1,粘粒
144郾 2 g·kg-1 .
本研究涉及定位试验的 4 个处理:1)常规平作
(中稻鄄油菜):代表四川盆地稻田传统耕作方法,翻
耕种植水稻和油菜,稻茬、油菜残茬和杂草还田;2)
垄作:一垄一沟 55 cm,垄顶宽 25 cm,沟宽 30 cm,沟
深 35 cm,每小区作 5 垄. 稻草覆盖种植油菜,油菜
残茬和杂草全部还田;3)宽垄作:一垄一沟 120 cm,
垄宽 85 cm,沟宽 35 cm,沟深 35 cm,每小区 2 垄,其
余管理与垄作一致;4)水旱轮作:翻耕种植水稻和
油菜,稻茬、油菜残茬和杂草全部翻耕还田. 1990—
1997 年为中稻鄄小麦轮作,1998 年至今为中稻鄄油菜
轮作.每个处理小区面积为 20 m2,4 次重复,区组排
列.各处理施肥量均为:尿素 273郾 1 kg·hm-2,过磷
酸钙 500郾 3 kg·hm-2,氯化钾 150郾 1 kg·hm-2 .每年
的油菜和水稻都是过磷酸钙作底肥一次施用;尿素
用量的 2 / 3 作底肥,1 / 3 作追肥;氯化钾底肥和追肥
各半.播种、施肥、水分管理等措施一致. 2006 年 10
月采集上述 4 个处理的 0 ~ 5、5 ~ 10、10 ~ 20 和 20 ~
40 cm土层样品,分析土壤有机碳含量及其 啄13C值,
0 ~ 20 和 20 ~ 40 cm土样用于分析土壤腐植酸组分
含量及其 啄13C值.
1郾 2摇 土壤胡敏酸、富里酸和胡敏素的提取、分离和
纯化
参照国际胡敏酸协会(HISS)的标准方法[14]:
土壤中加入 0郾 1 mol·L-1氢氧化钠溶液(土 颐 水 =
1 颐 10,此时充入氮气置换出瓶中的空气),加入适
量的结晶硫酸钠,用力搅拌至硫酸钠完全溶解.
沸水浴浸 提 1郾 5 h 后, 静 置 过 夜, 离 心 分 离
(2000 r· min-1,10 min)出澄清的暗色碱溶液. 重
新加入 0郾 1 mol·L-1氢氧化钠溶液处理土壤,直至
碱提取液颜色很淡为止.
于碱提取液中加入 1 颐 1 盐酸直至溶液的 pH
在 1郾 0 ~ 1郾 5,这时胡敏酸呈絮状物沉淀析出. 在 60
益 ~70 益保温 1 ~ 2 h,静置过夜.次日,从胡敏酸凝
胶上层吸出大部分橙黄色的清液,剩下的清液用离
心机法分离(3000 r·min-1,15 min),合并吸出的和
离心的橙黄色上清液,供分离富里酸用.将上面的胡
敏酸沉淀重新溶解于少量体积的 0郾 1 mol·L-1氢氧
689 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 22 卷
化钾和 0郾 3 mol·L-1氯化钾混合液中,在氮气的保
护下用离心机在 7000 r·min-1离心 20 min.所得的
胡敏酸溶液再用 6 mol·L-1盐酸将其酸度调节至
pH为 1 左右,静置 12 ~ 16 h,使胡敏酸沉淀出来后,
以 2000 r·min-1的速度离心 10 min.将胡敏酸沉淀
与 1 颐 1 盐酸鄄氢氟酸混合液以 1 颐 10 的比例混合,
振荡 16 h 左右,然后对经盐酸鄄氢氟酸混合液处理
过的胡敏酸在去离子水中进行渗析,直至半透膜外
用硝酸银溶液检查无氯离子存在为止. 将充分渗析
的胡敏酸继续进行电渗析,电析至阴极室中的溶液
不显酚酞反应为止.
将沉淀出胡敏酸后的酸性溶液通过铺于磁漏斗
上的活性炭层,用水洗涤活性炭层数次,直至洗涤无
氯离子反应为止. 然后用 0郾 2 mol·L-1氢氧化钠溶
液淋洗活性炭层,洗脱出的物质即为富里酸.用盐酸
溶液中和至 pH 6 左右,然后于 40 益 ~50 益旋转蒸
发浓缩至小体积,再用上述电渗析法纯化.
分离提取腐殖酸后的土壤样品用去离子水反复
洗涤、离心,倒掉上层清液,直至上层清液接近无色
为止.然后向其中加入按 1 颐 1 的比例混合制成的盐
酸鄄氢氟酸混合液,将样品与该混合液以 1 颐 10 的比
例混合,振荡 16 h 左右,以去除其中含有的灰分物
质,然后对经盐酸鄄氢氟酸混合液处理过的胡敏素样
品在去离子水中进行洗涤、离心,烘干,待测.
1郾 3摇 稳定性碳同位素 啄13C值分析
用同位素质谱仪 Finnigan MAT鄄251 测定 啄13 C
值.稳定碳同位素比值 啄13C 通常用样品的同位素比
值相对于某一标准的同位素比值的千分差表示:
啄13C = [(Rsample / Rstandard) - 1] 伊 1000译
其中:R = 13C / 12C,Rstandard是 PDB(Peedee Belemnite)
标准,RPDB =0郾 0112372.
将自然风干的土壤样品碾磨过筛后加入过量
0郾 1 mol·L-1盐酸,反应 24 h 以去除其中含有的碳
酸盐,洗涤至中性低温烘干,取一定量(通常需要含
C 1 ~ 2 mg的样品量)烘干土样与 CuO 以 1 颐 50 的
比例装入石英管,同时加入铂丝作催化剂,抽真空密
封后在 850 益下反应 2 h,使样品中所有的碳都转化
为 CO2,然后采用低温蒸馏法提纯并分离出供质谱
分析用的 CO2 [4] .
1郾 4摇 数据处理
用 SPSS 10郾 0 软件处理数据和进行方差分析
(ANOVA),差异显著性水平(琢 = 0郾 05)采用最小显
著差异法(LSD)进行检验.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 土壤有机碳含量及其 啄13C值分布
长期水稻种植有利于增加土壤有机碳含量,同
时,耕作方式显著影响有机碳、氮、C / N 和有机碳
啄13C值在耕作层和犁底层中的分布格局(表 1). 由
0 ~ 5 cm土层过渡到 20 ~ 40 cm 土层,土壤有机碳
含量呈现下降趋势,每个土层上各处理土壤有机碳
含量顺序为:宽垄作>垄作>水旱轮作,且不同层次
有机碳降低幅度不同. 水旱轮作处理耕作层过渡到
犁底层时土壤有机碳含量急剧降低(降低 36郾 3% ),
垄作处理 5 ~ 10 cm 土壤有机碳含量仅为 0 ~ 5 cm
的 77郾 0% ,宽垄作处理 10 ~ 20 cm 土壤有机碳含量
分别比 0 ~ 5 cm 和 5 ~ 10 cm 降低 21郾 6% 和
13郾 1% .宽垄作土壤有机碳含量在耕作层和犁底层
中逐步降低,没有出现剧烈降低的土层.
摇 摇 耕作方式显著影响土壤有机碳 啄13C 值在土壤
中的分布格局,表现在 啄13C值的范围与 啄13C层次分
布特征两方面(表 1). 水旱轮作下土壤有机碳 啄13C
值随着土壤深度的增加而增加,20 ~ 40 cm 和 0 ~
5 cm土壤有机碳 啄13C 值之差达 1郾 9译.尽管水旱轮
作增加了秸秆还田数量,但由于频繁深翻和干湿交
替,作物残体暴露于空气中,加速了作物残体腐解中
的矿化过程,降低了土壤有机碳的累积,使得土体中
截存的稳定有机质碳库保持相对稳定.宽垄作和垄
表 1摇 紫色水稻土有机碳 啄13C值分布
Table 1摇 Distribution of 啄13C values of soil organic carbon
in purple paddy soil
土层
Soil
layer
(cm)
处 理
Treat鄄
ment
土 壤
有机碳
Soil organic
matter
(g·kg-1)
N
(g·kg-1)
C / N 啄13C值
啄13C
value
(译 PDB)
0 ~ 5 玉 23郾 00a 1郾 28a 17郾 96 -27郾 6
域 22郾 60a 1郾 23a 18郾 37 -27郾 6
芋 17郾 95b 0郾 98b 18郾 32 -27郾 5
5 ~ 10 玉 17郾 71b 0郾 91b 19郾 46 -27郾 4
域 20郾 39a 1郾 12a 18郾 20 -27郾 8
芋 16郾 20bc 0郾 87b 18郾 62 -27郾 2
10 ~ 20 玉 15郾 66c 0郾 80b 19郾 58 -27郾 0
域 17郾 73a 0郾 92a 19郾 27 -27郾 9
芋 16郾 06b 0郾 83b 19郾 35 -27郾 0
20 ~ 40 玉 15郾 50b 0郾 79b 19郾 62 -27郾 2
域 17郾 69a 0郾 90a 19郾 66 -27郾 1
芋 11郾 43c 0郾 61c 18郾 74 -25郾 6
玉:垄作 Ridge culture;域:宽垄作 Wide ridge culture; 芋:水旱轮作
Water and upland rotation郾 同列不同字母表示处理间差异显著(P<
0郾 05) Different letters in the same column meant significant difference
among treatments at 0郾 05 level. 下同 The same below.
7894 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 唐晓红等: 长期垄作稻田腐殖质稳定碳同位素丰度(啄13C)分布特征摇 摇 摇 摇 摇 摇
作土壤有机碳 啄13C 值在-27译左右.垄作土壤有机
碳 啄13C值由 0 ~ 5 cm 的-27郾 6译增加到 10 ~ 20 cm
的-27郾 0译,而在犁底层又略有降低;宽垄作土壤
啄13C值由 0 ~ 5 cm 的-27郾 6译降低到 10 ~ 20 cm 的
-27郾 9译,而在犁底层又略有增加. 因此,垄作、轮作
与秸秆覆盖还田显著影响了土壤物质变化频率,使
得土壤有机碳 啄13C 值呈现增、减变化. 定位试验稻
草秸秆和根系的 啄13C值分别为-28郾 0译和-29郾 0译,
油菜秸秆和根系的 啄13 C 值分别为 - 29郾 6译和
-29郾 1译,各处理土壤有机碳 啄13C 值均高于油菜和
水稻的秸秆与根系.
2郾 2摇 土壤胡敏酸碳含量及其 啄13C值分布
耕作层土壤胡敏酸碳含量分别占土壤和腐殖质
提取碳含量的 17% ~22%和 45% ~58% ,犁底层土
壤胡敏酸碳含量分别占土壤和腐殖质提取碳含量的
17% ~21%和 38% ~ 65% (表 2).各处理耕作层和
犁底层土壤胡敏酸碳含量差异显著,其中耕作层表
现为垄作>宽垄作>常规平作>水旱轮作,犁底层表
现为宽垄作>垄作>水旱轮作>常规平作,常规平作
处理犁底层胡敏酸碳含量与耕作层相比急剧下降,
水旱轮作处理胡敏酸碳含量均较低,且变化幅度小.
耕作方式影响土壤胡敏酸 啄13C 值在耕作层和
犁底层中的分布.中性紫色水稻土胡敏酸稳定性碳
同位素比值介于-28译 ~ -30译,比土壤有机碳 啄13C
值低 1译 ~2译,更接近于油菜和水稻秸秆与根系的
啄13C值.除常规平作处理土壤胡敏酸的 啄13C 值随着
土壤深度的增加而略有降低外,垄作、宽垄作和水旱
轮作处理土壤胡敏酸的 啄13C 值均随着土壤深度的
增加而略有增加.
表 2摇 紫色水稻土胡敏酸 啄13C值分布
Table 2摇 Distribution of 啄13 C values of soil humic acid in
purple paddy soil
土层
Soil
layer
(cm)
处理
Treat鄄
ment
胡敏酸
Humic
acid
(g·kg-1)
占有机碳
比例
Percent to
organic
carbon
(% )
占腐殖质
比例
Percent to
humus
substances
(% )
啄13C值
啄13C
value
(译 PDB)
0 ~ 20 玉 5郾 24a 21郾 4 53郾 9 -30郾 1
域 4郾 83a 19郾 8 52郾 9 -29郾 9
芋 3郾 06b 17郾 5 45郾 0 -29郾 5
郁 4郾 83a 22郾 0 57郾 5 -28郾 4
20 ~ 40 玉 3郾 17a 17郾 2 43郾 3 -28郾 4
域 3郾 50a 18郾 2 44郾 5 -29郾 7
芋 2郾 50ab 20郾 3 64郾 8 -28郾 2
郁 1郾 83b 12郾 3 38郾 7 -28郾 9
玉:垄作 Ridge culture; 域:宽垄作 Wide ridge culture; 芋:水旱轮作
Water and upland rotation; 郁:常规平作 Continuous culture. 下同 The
same below.
2郾 3摇 土壤富里酸碳含量及其 啄13C值分布
耕作层土壤富里酸碳含量分别占土壤和腐殖质
提取碳含量的 16% ~22%和 42% ~55% ,犁底层土
壤富里酸碳含量分别占土壤和腐殖质提取碳含量的
11% ~23%和 31% ~ 62% (表 3).各处理耕作层土
壤富里酸碳含量差异显著,而犁底层差异不显著,耕
作层表现为垄作>宽垄作>水旱轮作>常规平作,犁
底层表现为宽垄作>垄作>常规平作>水旱轮作,表
现出与土壤胡敏酸不同的趋势.垄(宽)作均有利于
土壤富里酸碳含量的增加,水旱轮作犁底层富里酸
碳含量很低,且与耕作层差异很大,而常规平作土壤
富里酸碳含量维持在一个相对稳定的水平.
各处理耕作层和犁底层土壤富里酸稳定性碳同
位素啄13C值分别介于-25郾 8译 ~ -24郾 7译和-25郾 5译
~ -24郾 3译,表现为土壤富里酸>土壤有机碳>胡敏
酸.土壤富里酸与有机质 啄13C值之差约为 2译,与胡
敏酸之差约为 4译,均显著高于油菜和水稻秸秆与
根系的 啄13C 值. 由耕作层过渡到犁底层,常规平作
和宽垄作土壤富里酸 啄13C 值降低,而水旱轮作和垄
作土壤富里酸 啄13C值分别增加了 1译.
2郾 4摇 土壤胡敏素碳含量及其 啄13C值分布
耕作方式显著影响中性紫色水稻土胡敏素碳含
量在耕作层和犁底层中的分布(表 4). 除水旱轮作
犁底层胡敏素碳含量占土壤有机碳量的一半以上
外,其余处理土壤胡敏素碳含量占土壤有机碳含量
的 21% ~ 30% . 表层土壤胡敏素碳含量表现为:水
旱轮作(0)<宽垄作(20郾 0% )<常规平作(34郾 0% )<
垄作(37郾 8% ),犁底层土壤胡敏素碳含量递增顺序
与表层正好相反,为垄作(0) <常规平作(12郾 2% )
表 3摇 紫色水稻土富里酸 啄13C值分布
Table 3 摇 Distribution of 啄13 C values of soil fluvic acid in
purple paddy soil
土层
Soil
layer
(cm)
处理
Treat鄄
ment
富里酸
Fluvic
acid
(g·kg-1)
占有机碳
比例
Percent
to organic
carbon
(% )
占腐殖质
比例
Percent
to humus
substances
(% )
啄13C值
啄13C
value
(译 PDB)
0 ~ 20 玉 4郾 48a 18郾 3 46郾 1 -25郾 4
域 4郾 30a 17郾 6 47郾 1 -25郾 2
芋 3郾 74a 21郾 4 55郾 0 -25郾 8
郁 3郾 57a 16郾 2 42郾 5 -24郾 7
20 ~ 40 玉 4郾 17a 22郾 6 56郾 9 -24郾 3
域 4郾 37a 22郾 7 55郾 5 -25郾 5
芋 1郾 36b 11郾 0 35郾 2 -24郾 8
郁 2郾 90b 19郾 5 61郾 3 -25郾 4
889 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 22 卷
表 4摇 紫色水稻土胡敏素 啄13C值分布
Table 4摇 Distribution of 啄13C values of soil humin in purple
paddy soil
土 层
Soil
layer
(cm)
处 理
Treatment
胡敏素
Humin
(g·kg-1)
占有机碳
的比例
Percent to
organic carbon
(% )
啄13C值
啄13C
value
(译 PDB)
0 ~ 20 玉 6郾 56a 26郾 83 -23郾 7
域 5郾 71b 23郾 40 -24郾 9
芋 4郾 76c 27郾 18 -24郾 1
郁 6郾 38a 29郾 03 -24郾 5
20 ~ 40 玉 3郾 92c 21郾 22 -23郾 5
域 5郾 81b 30郾 20 -24郾 2
芋 6郾 94a 56郾 29 -22郾 6
郁 4郾 40c 29郾 63 -22郾 6
<宽垄作(48郾 2% )<水旱轮作(77郾 0% ),且各处理耕
作层和犁底层均表现为土壤胡敏素碳含量高于胡敏
酸和富里酸碳含量,说明长期垄作能够增加表层土
壤胡敏素碳含量,水旱轮作犁底层土壤有机碳以与
矿物质紧密结合的胡敏素为主,中性紫色水稻土有
机碳含量主要以稳定的胡敏素碳形式存在.
耕作方式显著影响耕作层和犁底层胡敏素稳定
性碳同位素 啄13C 值的分布.各处理耕作层和犁底层
土壤胡敏素 啄13C 值分别介于-24郾 9译 ~ -23郾 7译和
-24郾 2译 ~ -22郾 6译. 土壤 啄13 C 值表现为:胡敏素>
富里酸>土壤有机碳>胡敏酸.由耕作层过渡到犁底
层,各处理土壤胡敏素 啄13 C 值均表现为增加(偏
正),常规平作、垄作、宽垄作和水旱轮作分别增加
了 1郾 9译、0郾 1译、0郾 6译和 1郾 5译.
3摇 讨摇 摇 论
3郾 1摇 垄作对土壤和腐殖质组分碳含量的影响
四川盆地丘陵区中性紫色水稻土长期实行垄
(宽垄)作后土壤有机碳和腐殖质碳含量发生了明
显的变化.垄作和宽垄作显著增加了 0 ~ 5 cm 土层
土壤有机碳含量,且在整个 0 ~ 40 cm土层呈逐步下
降趋势,与传统水旱轮作相比达到显著差异水平.腐
殖质是有机残体腐解过程中形成的一类复杂的高分
子化合物,是土壤有机质的主要成分.紫色水稻土耕
作层和犁底层土壤胡敏酸碳含量分别为土壤碳含量
的 17% ~22%和 17% ~21% ,富里酸为土壤碳含量
的 16% ~22%和 11% ~23% ,胡敏素碳含量为土壤
碳含量的 21% ~30% ,水旱轮作犁底层胡敏素碳含
量所占比例甚至达到 50% . 胡敏素既不溶于碱,也
不溶于水和酸,因此,现在通常将胡敏素定义为在任
何 pH条件的水溶液中都不溶解的腐殖质组分. 以
往绝大多数研究都集中于土壤可溶性腐殖质组分即
胡敏酸和富里酸,而对不溶性腐殖质组分即胡敏素
则很少研究.垄作和宽垄作有利于土壤胡敏酸和富
里酸在耕作层和犁底层的积累,各处理耕作层和犁
底层均为胡敏素碳含量高于胡敏酸和富里酸,因此
中性紫色水稻土有机碳含量可能主要以稳定的胡敏
素碳形式存在. 李孝良等[15]研究表明,喀斯特地区
土壤有机质各组分含量为胡敏素>富里酸>胡敏酸.
而滨海水稻土腐殖质各组分有机碳及氮含量均为表
层最高,C / N在结构相对稳定的结合态腐殖质和胡
敏酸(HA)中波动较小,而在游离态腐殖质和富里
酸(FA)中变化较大. 随着种植时间的延长,结合态
腐殖质和胡敏酸有在土壤中积累的趋势[16] .土壤有
机碳的深度分布特征与作物残体向土壤中的输入和
土壤剖面发育过程密切相关[17],垄作为每年种植水
稻和油菜前,将稻草和油菜残茬铺于垄上,再用沟里
的泥完全覆盖,地表形态由平面变为垄沟相间,开沟
的泥土加在垄埂之上,可使土壤耕作层增厚 5 ~ 15
cm,成为人工堆垒的根系活动层. 表层土壤接受地
表作物残体并存在大量植物根,有机质来源丰富,其
输入量大于分解损失量,故有机碳含量较高;由于表
土层微生物数量最多,有机质处于快速周转期,分解
速率最快,土壤有机碳含量由表层的最大值向下以
指数规律急剧降低;随层次加深,微生物数量不断减
少,土壤有机质的周转速度减小,有机碳含量缓慢降
低;虽然深层土壤有机碳含量较低,但主要为有机质
的稳定组分,土壤有机碳含量基本保持不变[18] . 土
壤各组分有机碳的相对数量反映了生物积累量的大
小,各处理腐殖质组分生物积累作用由强到弱依次
为胡敏素、胡敏酸和富里酸.
3郾 2摇 垄作对土壤和腐殖质组分 啄13C值的影响
中性紫色水稻土有机质和腐殖质组分 啄13C 值
顺序为:HU>FA>SOC>HA. 其中稻田土壤有机碳
啄13C值介于-27郾 9译 ~ -25郾 6译.这与马力等[19]研究
的长期施肥对太湖地区水稻土稳定性碳同位素天然
丰度值的影响结果一致,低于张晋京等[7]在东北稻
作区的研究结果(-25郾 1译 ~ -24郾 3译).本研究定位
试验稻草秸秆与根系的 啄13 C 值分别为-28郾 0译和
-29郾 0译,略低于张晋京等[7]测试的稻草 啄13 C 值
(-27郾 1译).油菜秸秆和根系的 啄13 C 值分别为
-29郾 61译和-29郾 1译.稻草地上部分 啄13C 值比地下
部分高 0郾 9译,而油菜地下部分 啄13C 值比地上部分
高 0郾 5译.耕作改变了13C 天然丰度和 SOC 浓度,负
的13C值越低,13C 富集越少. 本研究中 0 ~ 20 cm 胡
9894 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 唐晓红等: 长期垄作稻田腐殖质稳定碳同位素丰度(啄13C)分布特征摇 摇 摇 摇 摇 摇
敏酸的 啄13C 值为传统耕作大于垄作,更接近于地表
植被的 啄13C值. 张晋京等[7]长期施肥试验发现,稻
田土壤胡敏酸的稳定碳同位素值介于-25郾 1译 ~
-25郾 9译,与本研究结果相比呈现偏正趋势. 垄作使
犁底层的富里酸和耕作层的胡敏素 啄13C 值大于常
规平作和水旱轮作.宽垄作表层土壤腐殖质的 啄13C
值由于未受扰动,地表植物残体的类型成为影响胡
敏酸 啄13C值的重要因素,因此,除耕作层富里酸的
啄13C 值高于水旱轮作外,其耕作层和犁底层胡敏
酸、富里酸和胡敏素碳稳定同位素比值均低于常规
平作和水旱轮作.研究发现,在发育较为年轻的剖面
中,啄13C值的变化反映出剖面中土壤腐殖质的新旧
混合现象[10] .传统耕作下,每年翻耕种植水稻和油
菜,人为改变了剖面土壤的分布格局,进而改变了土
壤有机质的分布,最终影响腐殖质组分的数量分配
和稳定碳同位素 啄13C 值的大小.随着土壤深度的加
深,土壤有机质和腐殖质组分的 啄13C 值均有偏正趋
势.说明紫色水稻土有机质降解程度会随着土壤深
度的加深降解更为彻底.
据记载,研究区保持 C3 植被类型覆盖历时 50
年左右,从 1998 年开始改为稻鄄油轮作,同时采用垄
(宽垄)作、水旱轮作.水旱轮作下土壤有机碳的啄13C
值随着深度的增加而增加,20 ~ 40 cm 和 0 ~ 5 cm
土壤有机碳 啄13C值之差达到 1郾 9译,常规平作、垄作
和宽垄作土壤有机碳 啄13C值保持在 27译左右,较地
表植被(稻草和油菜秸秆)的 啄13 C 值增加 1译 ~
2译.土壤有机碳是各种化合物的非均匀混合物,代
表一个从新鲜植物残体到彻底腐殖质化物质的连续
体.一般来说,土壤有机碳的 啄13C 值与来源植物物
料的 啄13C值十分接近,仅较来源植物物料的 啄13C值
有一个小的增加,幅度一般在 0郾 5译 ~ 1郾 5译[16] . 本
研究土壤有机碳的 啄13C值分析结果与此结论一致.
啄13C 值在土壤剖面中随深度的变化能够反映作物
残体输入和土壤累积特征.由于土壤有机碳的 啄13C
值是 C3、C4 和 CAM植物种类对群落净初级生产力
相对贡献的综合结果,因此,如果地表植物组成稳
定,则上层土壤(0 ~ 20 cm)有机碳的啄13C值与植物
群落的啄13C值近似,且地面植被类型是制约土壤有
机质啄13C值变化的主要因素[20] .为了更好地比较耕
作方式对土壤有机质啄13C值的影响,应该增加取样
深度,同时通过室内培养试验,即在不同耕作处理土
壤中添加 C4 植物(如玉米),研究其土壤有机质的
周转规律.
参考文献
[1]摇 Ellerbrock RH, Kaiser M. Stability and composition of
different soluble soil organic matter fractions evidence
from 啄13C and FTIR signatures. Geoderma, 2005, 128:
28-37
[2]摇 Spaccini R, Mbagwu JSC, Conte P, et al. Change of
humic substances characteristics from forested to culti鄄
vated soils in Ethioia. Geoderma, 2006, 132: 9-19
[3]摇 Doane TA, Devevre OC, Horwath WR. Short鄄term soil
carbon dynamics of humic fractions in low鄄input and or鄄
ganic cropping systems. Geoderma, 2003, 114: 319 -
331
[4]摇 Piao H鄄C (朴河春), Liu Q鄄M (刘启明), Yu D鄄L (余
登利), et al. Origins of soil organic carbon with the
method of natural 13C abundance in maize fields. Acta
Ecologica Sinica (生态学报), 2001, 21(3): 434-439
(in Chinese)
[5]摇 Yu G鄄R (于贵瑞), Wang S鄄Q (王绍强), Chen P鄄Q
(陈泮勤), et al. Isotope tracer approaches in soil or鄄
ganic carbon cycle research. Advances in Earth Science
(地球科学进展), 2005, 20(5): 568-577 ( in Chi鄄
nese)
[6]摇 Dou S (窦摇 森), Zhang J鄄J (张晋京), Cao Y鄄C (曹
亚澄), et al. Study on dynamic change of soil organic
matter during COITI stalk decomposition by 啄13C meth鄄
od. Acta Pedologica Sinica (土壤学报), 2003, 40
(3): 328-334 (in Chinese)
[7]摇 Zhan J鄄J (张晋京), Dou S (窦摇 森), Zhang D鄄J (张
大军). Preliminary study of impact of long鄄term fertili鄄
zation on 啄13C values of soil organic matter. Journal of
Agro鄄Environment Science (农业环境科学学报 ),
2006, 25(2): 382-387 (in Chinese)
[8]摇 Chen Q鄄Q (陈庆强), Zhou J鄄Z (周菊珍), Meng Y
(孟摇 翊), et al. Trends of soil organic matter turnover
in the salt marsh of the Yangtze River Estuary. Acta
Geographica Sinica (地理学报), 2007, 62(1): 72-80
(in Chinese)
[9]摇 Chen Q鄄Q (陈庆强), Meng Y (孟 摇 翊), Zhou J鄄Z
(周菊珍), et al. Constraints for distribution of soil or鄄
ganic carbon with depth due to evolution of the salt
marsh in the Yangtze River Estuary. Advances in Earth
Science (地球科学进展), 2007, 22(1): 26-33 ( in
Chinese)
[10]摇 Tu C鄄L (涂成龙), Liu C鄄Q (刘丛强), Wu Y鄄F (武
永锋), et al. Discussing variance of forest soil organic
carbon by analysis of 啄13 C. Journal of Beijing Forestry
University (北京林业大学学报), 2008, 30(5): 1-6
(in Chinese)
099 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 22 卷
[11]摇 Shao JA, Huang XX, Gao M, et al. Response of CH4
emission of paddy field to land management practices at
microcosmic cultivation scale in China. Journal of Envi鄄
ronmental Sciences, 2005, 17: 691-698
[12]摇 Huang XX, Gao M, Wei CF, et al. Tillage effect on or鄄
ganic carbon in a purple paddy soil. Pedosphere, 2006,
16: 660-667
[13]摇 Gao M, Luo YJ, Wang ZF, et al. Effects of tillage sys鄄
tems on distribution of soil aggregates and organic carbon
in purple paddy soil of Chongqing, China. Pedosphere,
2008, 18: 574-581
[14]摇 Kuwatsuka S, Watanabe A, Itoh K, et al. Comparison
of two methods of preparation of humic and fulvic acids:
IHSS method and NAGOYA method. Soil Science and
Plant Nutrient, 1992, 38: 23-30
[15] 摇 Li X鄄L (李孝良), Chen X鄄M (陈效民), Zhou L鄄C
(周炼川), et al. Study on soil organic carbon fractions
and their influential factors in rocky desertification
process in southwest of China. Journal of Mountain Sci鄄
ence (山地学报), 2010, 28(1): 56-62 (in Chinese)
[16]摇 Gu X鄄Z (古小治), Zhang G鄄Y (章钢娅), Yu Y鄄C
(俞元春), et al. Composition of humus in coastal pad鄄
dy soil and its succession with cultivation age. Acta Ped鄄
ologica Sinica (土壤学报), 2008, 45(4): 635-640
(in Chinese)
[17]摇 Chen QQ, Shen CD, Sun YM, et al. Spatial and tempo鄄
ral differentiation of mountainous soil organic matter
啄13C in Dinghushan Biosphere Reserve, South China.
Plant and Soil, 2005, 27: 115-128
[18]摇 Zhu S鄄F (朱书法), Liu C鄄Q (刘丛强), Tao F鄄X (陶
发祥). Use of 啄13C method in studying soil organic mat鄄
ter. Acta Pedologica Sinica (土壤学报), 2005, 42
(3): 495-503 (in Chinese)
[19]摇 Ma L (马 摇 力), Yang L鄄Z (杨林章), Ci E (慈 摇
恩), et al. Humus composition and stable carbon iso鄄
tope natural abundance in paddy soft under long鄄term
fertilization. Chinese Journal of Applied Ecology (应用
生态学报), 2008, 19(9): 1951-1958 (in Chinese)
[20]摇 Shen C鄄D (沈承德), Yi W鄄X (易惟熙), Sun Y鄄M
(孙彦敏), et al. 14C apparent ages and 啄13C distribu鄄
tion of forest soils in Dinghushan Natural Reserve. Qua鄄
ternary Sciences (第四纪研究), 2002, 20(4): 335-
344 (in Chinese)
作者简介 摇 唐晓红,女,1974 年生,博士,副教授. 主要从事
土壤结构和碳循环研究. E鄄mail: jianglj_2003@ 163. com
责任编辑摇 张凤丽
1994 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 唐晓红等: 长期垄作稻田腐殖质稳定碳同位素丰度(啄13C)分布特征摇 摇 摇 摇 摇 摇