全 文 ：耕作对黄土高原和北美大草原三种典型农业
土壤有机碳的影响 3
武天云1 ,2 　Jeff J . Schoenau3 　李凤民1 3 3 　钱佩源3 　Sukhadev S. Malhi4
(1 兰州大学干旱农业生态国家重点实验室 ,兰州 730000 ;2甘肃省农业科学院土壤肥料研究所 ,兰州 730070 ;
3 Department of Soil Science ,University of Saskatchewan ,51 Campus Drive ,Saskatoon ,Saskatchewan ,Canada ,SK ,S7N 5A8 ;
4 Nutrient Cycling Research Station ,Agriculture and Agro2Food Canada ,Melfort ,Saskatchewan ,Canada ,SK ,S0E 1A0)
【摘要】　耕作对黄绵土 (Calcaric Cambisols ,FAO) 、灰褐土 ( Haplic Greyxems ,FAO) 和典型褐灰钙土 (Orthic
Brown Chernozem)的土壤有机碳 (SOC) 动态的影响存在明显差异. 黄绵土在开垦 5 年内 0～20 cm 土壤有
机碳损失了 77 % ,损失速率为 2. 15 t·hm - 2·yr - 1 ,其主要原因为水蚀和耕作侵蚀. 灰褐土在开垦后的 42
年里耕层土壤的有机碳损失了 70 % ,损失速率为 0. 96～1. 06 t·hm - 2·yr - 1 ,主要为水蚀和有机碳的矿化
分解. 1960 以后开垦的典型褐灰钙土 0～20 cm 耕层土壤有机碳损失了 11 % ,损失速率为 0. 17 t·hm - 2·
yr - 1 . 1920 年开垦的典型褐灰钙土有机碳损失了 44 % ,损失速率为 0. 45 t·hm - 2·yr - 1 . 造成这一差异的主
要原因是耕作和轮作体制的改善有效地阻止了风蚀的危害 ,并增加了进入土壤系统的有机物的量. 3 种土
壤轻组有机碳 (L FOC)的变化趋势与总有机碳的变化趋势相似 :黄绵土和灰褐土在相应的时间内 L FOC 损
失了 73 %和 90 % ,1920 年和 1960 年开垦的典型褐灰钙土 L FOC 分别损失了 74 %和 70 %. 3 种土壤间
L FOC 和 HFOC 的分配比例不同也可能是造成黄绵土和灰褐土有机碳下降快的原因.
关键词 　有机碳 　轻组有机碳 　重组有机碳 　黄土高原 　土壤侵蚀.
文章编号 　1001 - 9332 (2003) 12 - 2213 - 06 　中图分类号 　S153. 6 　文献标识码 　A
Influence of cultivation on organic carbon in three typical soils of China Loess Plateau and Canada Prairies.
WU Tianyun1 ,2 ,Jeff J . SCHOENAU3 ,L I Fengmin1 ,Q IAN Peiyuan2 ,Sukhadev S. MAL HI4 (1 S tate Key L abo2
ratory of A rid A groecology , L anz hou U niversity , L anz hou 730000 , China ;2 Soil Science and Fertilizer Insti2
t ute , Gansu Academy of A gricultural Sciences , L anz hou 730070 , China ;3 Depart ment of Soil Science , U niver2
sity of S askatchew an , 51 Cam pus Drive , S askatoon , S askatchew an , Canada , S K , S 7 N 5 A 8 ;4 N ut rient Cy2
cling Research S tation , A griculture and A gro2Food Canada , Melf ort , S askatchew an , Canada , S K , S0 E
1 A 0) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2003 ,14 (12) :2213～2218.
The dynamics of organic carbon in 3 soils of China Loess Plateau and Canada Prairies was significantly different :
in China ,the Huangmian soil (Calcaric Cambisols ,FAO) lost 77 % of total organic carbon (0～20 cm) within 5
years of cultivation ,with a decrease rate of 2. 11 tons C·hm - 2·yr - 1 ,which was mainly caused by water erosion
and tillage erosion ; and the Huihe soil (haplic greyxems ,FAO) lost 70 % of total organic carbon (0～20 cm lay2
er) at the rate of 0. 961. 06 tons C·hm - 2·yr - 1 ,because of water erosion and decomposition over 42 years. How2
ever ,the orthic brown chernozem in Canada lost 11 % and 44 % of the total soil organic carbon (0～20 cm layer)
after 40 and 80 years of cultivation ,respectively ,with a corresponding rate of 0. 17 tons C hm - 2·yr - 1 and 0. 45
tons C hm - 2·yr - 1 . The improvement in tillage and rotation system ,which prevented soil from wind erosion and
increased current residues into soil ,was responsible for the decrease of the loss rate. The dynamics of soil light
fraction organic carbon (L FOC) was similar to that of total organic carbon : Huangmian and Heilu soil lost 73 %
and 90 % of L FOC ,while orthic brown chernozem lost 74 % and 70 % of L FOC after breaked in 1920 and 1960 ,
respectively. Among the test soils ,Huangmian and Huihe soil had the fast SOC depletion due to the difference in
the allocation of organic carbon between L FOC and HFOC.
Key words 　Soil organic carbon , Light fraction , Heavy fraction orgnic carbon , Soil erosionorgnic carbon , Loess
Plateau of China , Canadian Prairie. 3 国家重点基础研究发展规划项目 ( G2000018603) 、教育部留学基金项
目 (990005) 、Saskatchewan Agriculture Development Fund Strategic Research
(R252B)和 International Foundation for Sciences(C/ 331321) .3 3 通讯联系人.
2002 - 09 - 19 收稿 ,2003 - 02 - 26 接受.
1 　引 　　言
黄土高原的面积约为 5 ×105 km2 ,是中华民族
的发祥地. 由于土壤疏松而肥沃 ,在旧石器时代 ,在
黄土高原沿黄河及其支流的两岸就有河谷农业发
展. 历史时期黄土高原自然植被良好 ,曾有比现代面
应 用 生 态 学 报 　2003 年 12 月 　第 14 卷 　第 12 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Dec. 2003 ,14 (12)∶2213～2218
积大得多的森林和森林草原生长[20 ] . 黄土高原大规
模植被破坏始于西汉的开荒屯田 ,随后在隋唐和清
代又进行了两次大范围开垦. 长期的农业耕作和乱
砍滥伐造成了本地区植被的大面积退化和严重的水
土流失[20 ] ,最终导致目前极低肥力的土壤.
黄土高原的主要土壤均发育于石灰性黄土母
质 ,其最主要的共同特点是有机碳含量低 ,一般在
1 %左右. 而北美大草原自然植被下的土壤的有机碳
含量一般在 1 %～10 %[13 ] . 毫无疑问 ,气候条件、自
然植被等方面的差异是造成上述不同的主要原因 ,
但开垦时间久、侵蚀严重[16 ]也是造成黄土高原土壤
有机碳含量低的重要原因.
土壤有机碳含量的减少将直接导致土壤肥力降
低[11 ] ,表现为土壤供给作物养分的能力、土壤的耕
性、通气性和透水性迅速降低 ,从而影响了农业生态
系统的生产力 ,而后者正是日益增长的人口的食物
和纤维的主要来源. 故土壤有机碳含量降低将危及
农业生态系统的可持续发展并将最终影响到食物安
全和社会的可持续发展. 另外 ,土壤中以有机碳形式
存在的碳是大气中的 3 倍 ,土壤中有机碳的分解将
在极大程度上影响大气中的 CO2 浓度 ,与全球气温
上升有直接的关系[13 ] . 因此 ,土壤中的有机碳动态
不但影响到了农业生态系统的可持续发展 ,也影响
到了大气圈、生物圈的可持续发展.
在自然条件和耕作条件一定时 ,土壤有机碳自
开垦之后迅速下降 ,这一过程可持续 20 年左右. 如
北美大草原的土壤有机碳在开垦后的 25～30 年里
损失了 20 %左右[13 ] ,然后缓慢下降 ,并最终达到平
衡 ,后一过程可持续 20～50 年[18 ] . 黄土高原新开垦
的土地的土壤有机碳分解速率如何 ? 达到平衡需要
多长时间 ? 平衡点又在哪里 ? 而且这些指标与北美
大草原土壤的差异有多大 ? 黄土高原的土壤有机碳
含量低和北美大草原土壤有机碳含量下降快是人所
共知的事实 ,而且后者已引起了社会各界的广泛关
注并导致了”有机农业”、”持续农业”等替代性农业
思潮的提出和保护性耕作体系的大范围采纳[4 ] . 对
前一问题的关注已引起人们对黄土高原现有农业体
系的担心和批评. 因此 ,对黄土高原土壤有机碳性质
和动态的研究将有助于对现有农业体系的了解并寻
求有效的改善措施.
2 　材料与方法
211 　采样点和采样方法
本研究所采用的黄土高原的土壤为黄绵土 ( Calcaric
Cambisols , FAO) 和灰褐土 ( Haplic Greyxems , FAO) . (加拿
大)北美大草原的土壤为典型褐灰钙土 (Orthic Brown Cher2
nozem) . 北美大草原有耕地 3 ×107 hm2 ,其中 50 %属灰钙土
纲 (Chernozem Order) [3 ] . 各采样点的位置和地貌、气候特点
为 :1)黄绵土. 耕种年限为 0、5、40 和 100 年的黄绵土采自黄
土高原丘陵沟壑区的丘陵坡地上 ,其坡度约为 10～15°. 位于
甘肃省定西县唐家堡乡八家院自然村. 本地的年平均降水量
为 413. 9 mm ,平均气温为 6. 4 ℃. 自然植被为稀疏干草原.
山坡地年施肥量为 N 25～40 kg·hm - 2 , P2O5 15～25 kg·
hm - 2 ,有机肥 0. 75～1. 5 t·hm - 2 . 正常年份禾谷类作物的产
量为 0. 75～1. 00 t·hm - 2 . 采样时在不同开垦年限的地块中
选择 200 m2 ,并将其划分成 3 块. 在每一小块中按照方格法
确定 20 个点 ,在各点用土钻钻取 0～20 cm 土壤 ,混合成一
个混合样 (约 1 kg) . 土样在实验室风干后磨细过 2 mm 和
0. 25 mm 筛备用. 采样时间为 2000 年 5 月 14 日. 采样前 ,在
每块地里用土钻采 0～2 m 的土样 5 个进行剖面诊断 ,以确
保所选地块为坡地黄绵土. 2) 灰褐土. 耕种年限为 0、4、10、
20 和 42 年的灰褐土采自黄土高原子午岭坡地上 ,其坡度约
为 5°～8°左右. 采样点位于甘肃省合水县太白乡莲花寺村.
本地的年平均降水量为 587. 6 mm ,多集中在 7、8、9 月 ,占全
年总降水量的 58. 7 %. 年平均气温为 7. 4 ℃. 自然植被为次
生林. 山坡地年施肥量为 N 35～70 kg·hm - 2 , P2O5 23～38
kg·hm - 2 ,不施有机肥. 正常年份禾谷类作物的产量为 1. 00
～1. 25 t·hm - 2 . 采样方法和处理方法同黄绵土. 采样时间为
2000 年 5 月 25 日. 3) 典型褐灰钙土. 耕种年限为 0、10、20、
40 和 80 年的典型褐灰钙土采自加拿大萨斯卡丘温省中部
的 Central Butte ,采样点的坡度为 1～3°. 该地区的年降水量
为 318 mm ,平均温度为 2. 6 ℃. 不施氮肥 ,只施磷肥. 施肥量
为 P2O5 17～20 kg·hm - 2 ,春小麦的产量一般稳定在 1. 25～
1. 50 t·hm - 2 . 采样方法和处理方法同黄绵土. 采样时间为
2001 年 4 月 4 日. 3 种土壤的颗粒组成见表 1.
表 1 　供试土壤的颗粒组成
Table 1 Particle2size groups in the soils ( 0～20 cm)
土壤
Soil
砂粒 + OM
Sand + OM
( > 50μm)
粗粉砂粒
Coarse silt
(20～50μm)
细粉砂粒
Fine silt
(2～20μm)
粗粘粒
Coarse clay
(0. 2～2μm)
细粘粒
Fine clay
( < 0. 2μm)
黄绵土 7. 20 60. 18 5. 45 22. 76 2. 96
Calcaric cambisols ,FAO
灰褐土 9. 76 58. 95 4. 49 21. 99 3. 40
Haplic greyxems ,FAO
典型褐灰钙土 40. 59 26. 90 4. 42 20. 82 5. 79
Orthic brown chernozem
各颗粒组中的有机碳未被除去 Organic carbon in particles was not eliminated.
212 　分析方法
21211 土壤有机碳 　称取 0. 15～0. 20 g 过 0. 2 mm 筛的土
样 ,在 Leco CR212 Analyzer 上于 840 ℃燃烧测定[19 ] . 单位面
积的有机碳量 = 测定值 ×容重 ×采样深度.
21212 轻组和重组有机碳 　称取过 2 mm 筛的土样 25 g 于
250 ml 离心管中 ,加入比重为 1. 70 g·ml - 1的 NaI 溶液 ,于
200 rpm 条件下振荡 1 h. 然后在 1000 ×g 条件下离心 20
min ,将浮在 NaI 表面的轻组倾倒于装有 0. 45μm 尼龙滤纸
4122 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　14 卷
的滤斗中抽气过滤. 轻组先用 75 ml 0. 01 M CaCl2 洗涤 ,再
用至少 75 ml 蒸馏水洗涤. 然后将滤纸上的轻组转移 (水洗)
到 50 ml 的烧杯中 ,静置 24 h ,在 60 ℃下烘干 72 h 后称
重[9 ] .提取过程进行 2 次. 2 次提取出的轻组混合后研细过
60 目筛 ,称取 0. 02～0. 05 g 轻组在 Leco CR212 Analyzer 上
于 840 ℃燃烧测定轻组含 C 量. 轻组被提取后 ,加 100 ml 蒸
馏水于离心管中 ,振荡 10 min. 在 5000 ×g 条件下离心 15
min ,弃去上清液. 重复洗涤 3 次. 冷冻至干燥后称重 ,减去离
心管的重量后即为重组的重量. 重组研细后过 60 目筛 ,称取
0. 15～0. 20 g 在Leco CR12 Analyzer 上于 840 ℃燃烧测定重
组含 C 量.
21213 137Cs 和土壤侵蚀量的测定 　在每一个处理的 3 个土
样中选择土壤有机碳含量与平均值接近的一个样品进行测
定 :称取过 2 mm 筛的土样 120～150 g 加入到 150 ml 的
Marinellis塑料盒中 ,放在特制的仪器中测定137 Cs 的数量 [7 ] .
土壤 侵 蚀 量 根 据 下 式 给 出 [8 ] : 137 Cs 损 失 = [ 0. 95
137Cs未开垦土壤 - 137Cs开垦土壤 ]/ [0. 95 137 Cs未开垦土壤 ] ,土壤侵蚀
量 = 137Cs 损失 ×采样深度 ×土壤容重.
213 　统计方法
　　本研究所有数据均采用 SAS 软件的 ANOVA 过程分
析 ,表中的数据均为平均值 (137Cs 和土壤侵蚀量除外) .
3 　结果与分析
311 　土壤总有机碳动态
　　一般来讲 ,自然植被下的土壤在开垦后其有机
碳的含量会下降[5 ] . 由于所选的 3 种土壤所处的地
理位置不同 ,因而与有机碳合成、分解有密切关系的
温度、降水量、植被覆盖度等均明显不同 ,加之在黄
土高原和北美大草原上所实行的农业措施的巨大差
异 ,使 3 种土壤的有机碳动态存在明显差异.
　　黄绵土 (样点) 在开垦后 5 年之内 0～20 cm 土
壤有机碳快速下降 ,5 年内 0～20 cm 土层有机碳损
失了 77 % ,下降速率可达 2. 15 t·hm - 2·yr - 1 . 下降
如此快速的主要原因有 3 方面 :一是坡地在耕作过
程中耕层以下的土壤被不断翻上来所造成的稀释作
用 ,有人称之为耕作侵蚀 ;二是土壤水蚀 ;三是土壤
有机碳的氧化分解. 从采样点的地貌特征来看 ,主要
是土壤水蚀和底层土壤的稀释作用造成的 :农民在
翻耕坡地的时候 ,总是沿等高线将高端的土壤翻到
低端 ,4～5 年之后在高端就会形成一个 2～3 m 90°
的坎 ,而在坎的下面 ,会形成 2～3 m 宽的水平梯田.
137Cs 的分析结果表明 ,黄绵土在开垦之后 5 年内 0
～20 cm 土壤损失了 90 % , 土壤侵蚀量可达到
218. 90 kg·m - 2 (表 2) .
　　一般情况下 ,土壤有机碳的损失途径主要是侵
蚀和氧化分解. 以开垦 5 年的黄绵土为例 ,0～20 cm
的土壤流失了 90 % ,而有机碳下降了 77 % ,表明土
壤侵蚀是土壤有机碳下降的主要原因. 同时 ,通过施
有机肥和作物残体进入土壤的有机物可部分补偿土
表 2 　不同开垦年限的土壤的有机碳总量及轻组和重组有机碳含量和土壤侵蚀量( 0～20cm)
Table 2 Total organic carbon ,light and heavy fraction organic carbon in soils ( 0～20 cm) of chronosequences and soil loss
土壤和耕作年限
Soils and
cultivation
years
土壤有机碳
Total soil
organic carbon
(t C·hm - 2)
轻　组
Light fraction
含量
Dry matter
(g·kg - 1 soil)
有机碳浓度
C content
(C g·kg - 1 L F)
有机碳
L FOC
(t C·hm - 2)
重组有机碳
HFOC
(t C·hm - 2)
137Cs 变化和土壤侵蚀量
137Cs changes and soil losses
测定值和损失率
137Cs and loss
(Bq·m - 2)
土壤侵蚀量
Soil loss
(kg·m - 2)
黄绵土 Calcaric cambisols ,FAO
0 yr. 13. 94 11. 77 112. 03 2. 59 (18. 58a) 6. 66 (47. 78b) 729. 74
5 yr. 3. 18 7. 63 38. 88 0. 71 (22. 32) 2. 74 (86. 16) 67. 23 ( - 90. 3c) - 218. 90
40 yr. 5. 30 5. 76 77. 09 0. 97 (18. 30) 3. 80 (71. 70) 148. 23 ( - 78. 7) - 175. 16
100 yr. 5. 03 6. 63 87. 16 1. 37 (27. 23) 3. 70 (73. 56) 193. 16 ( - 72. 2) - 156. 83
LSD0. 05 2. 34 2. 27 19. 28 0. 31 1. 26 - -
Pr. > F 0. 001 0. 001 0. 0002 0. 0001 0. 0005 - -
灰褐土 Haplic greyxems ,FAO
0 yr. 56. 78 37. 57 175. 03 14. 74 (25. 96) 34. 80 (61. 29) 1948. 75
4 yr. 46. 09 30. 53 141. 10 9. 88 (21. 07) 32. 88 (70. 12) 1764. 46 ( - 4. 7) - 10. 60
10 yr. 27. 83 13. 20 124. 00 3. 45 (12. 40) 19. 01 (68. 30) 1046. 66 ( - 43. 5) - 92. 49
20 yr. 22. 56 8. 83 133. 57 2. 67 (11. 84) 21. 62 (95. 83) 911. 48 ( - 50. 8) - 115. 85
42 yr. 16. 66 6. 83 95. 83 1. 41 (8. 46) 13. 81 (82. 89) 961. 35 ( - 48. 1) - 104. 12
LSD0. 05 14. 05 12. 35 57. 65 7. 67 9. 11 - -
Pr. > F 0. 004 0. 0007 0. 1134 0. 014 0. 0017 - -
典型褐灰钙土 Orthic brown chernozem
0 yr. 55. 48 38. 03 99. 20 8. 96 (16. 15) 45. 42 (81. 91) 1654. 35
10 yr. 55. 59 30. 57 89. 27 7. 01 (12. 61) 49. 12 (88. 36) 1721. 22 ( + 9. 5) + 24. 56
20 yr. 49. 04 23. 70 82. 94 5. 34 (10. 89) 38. 97 (79. 47) 1207. 30 ( - 23. 2) - 65. 33
40 yr. 49. 50 19. 47 51. 28 2. 65 (5. 35) 48. 99 (98. 97) 1011. 65 ( - 35. 6) - 101. 69
80 yr. 31. 32 18. 17 38. 25 2. 31 (7. 38) 29. 78 (95. 08) 1003. 49 ( - 36. 1) - 117. 13
LSD0. 05 5. 13 9. 91 21. 28 0. 76 3. 43 - -
Pr. > F 0. 0001 0. 006 0. 0003 0. 0001 0. 0001 - -
a :轻组有机碳占土壤总有机碳的百分比 The percentage of L FOC in SOC ;b :重组有机碳占土壤总有机碳的百分比 The percentage of HFOC in
SOC ;c :137Cs 的损失百分比 The percentage of 137Cs loss.
512212 期 　　　　　　　　　武天云等 :耕作对黄土高原和北美大草原三种典型农业土壤有机碳的影响 　　　　　　　　　　
壤有机碳的损失. 黄绵土在开垦后 5～100 年的时间
段内土壤有机碳开始缓慢增加 ,增加的速率只是下
降速率的 2 %. 可见当地农民施用的少量有机肥对
土壤有机碳的恢复是有一定作用的. 灰褐土 (样点)
是黄土高原地区自然森林植被下形成的有机碳含量
较高的土壤. 自然植被下土壤有机碳含量为 56. 78 t
·hm - 2 . 是黄绵土的 4 倍 ,与典型褐灰钙土的有机碳
含量相同 (表 2) . 其开垦后土壤有机碳的下降过程
与 Dalal 等[5 ]在澳大利亚的部分土壤上观察到的结
果相同. 虽然灰褐土的有机碳损失速率低于黄绵土
0～5 年的 ,平均为 1. 06 t·hm - 2·yr - 1 ,但在开垦 42
年后土壤有机碳损失了 70 %. 在 0～42 年期间有机
碳的平均损失速率为 0. 96 t·hm - 2·yr - 1 ,也高于典
型褐灰钙土的有机碳损失速率.
　　新开垦的灰褐土 (4 年)中有机碳下降了 17 %而
土壤只损失了 5 % ,表明有机碳的矿化分解为有机
碳损失的主要途径. 开垦 10～42 年的土壤中 ,有机
碳下降了 51 %～70 %而土壤损失了 44 %～51 %(表
2) . 假设土壤侵蚀按比例均匀地带走和稀释了不同
含碳量的土壤颗粒 ,则开垦 4、10、20 和 42 年的灰褐
土因矿化分解而损失的有机碳的量分别为 9. 43、
16. 36、16. 84 和 20. 83 t·hm - 2 ,因土壤侵蚀而损失
的有机碳分别为 0. 46、12. 59、17. 38 和 19. 29 t·
hm - 2 ,表明土壤侵蚀随开垦时间的延长则上升为有
机碳下降的另一主要原因[10 ] .
　　对于典型褐灰钙土 (样点) 来说 ,土壤有机碳的
下降过程可从 40 年处明显地分为两个阶段 :开垦年
限为 10、20、40 年的土壤有机碳下降速率较缓慢 ,为
0. 17 t·hm - 2·yr - 1 . 开垦年限为 80 年的土壤有机碳
下降速率为 0. 45 t·hm - 2·yr - 1 . 后者的有机碳下降
速率几乎是前者的 2. 6 倍. 开垦年限为 40 年的土壤
有机碳在 40 年内损失了 7 % ,而开垦年限为 80 年
的土壤在开垦后 40 年内土壤有机碳损失了 37 %.
差异如此巨大的原因为 1920～1939 期间在北美大
草原地区存在着严重的风蚀. 137Cs 的测定结果也表
明土壤侵蚀在开垦 10 年的土壤中几乎没有发生. 而
在开垦 40 年的土壤中损失了 36 %. 开垦 80 年的土
壤损失的量要远大于 36 % ,因为137Cs 的测定结果只
能反映 1960 年之后的土壤侵蚀量[7 ,8 ] .
　　综上所述 ,3 种土壤中黄绵土的有机碳损失速
率最高 ,但开垦后 5 年就达到了最低点 ,随后在少量
有机肥的作用下耕层有机碳含量缓慢上升. 灰褐土
的有机碳损失速率居中 ,且已表现出平衡趋势. 典型
褐灰钙土的有机碳损失速率最小 ,近期内开垦的土
壤有机碳的损失速率明显低于 40～80 年前开垦的
土壤. 对这一过程起主要作用的因素是耕作和轮作
体制的改革减轻了土壤风蚀. 从而得出结论 ,黄土高
原地区新开垦的土壤受到保护的程度较差 ,土壤有
机碳在开垦后快速分解或流失.
　　北美大草原在开垦后短短的一百多年时间里经
历了严重的土壤侵蚀 ,但也促成了耕作机具的快速
改进和耕作、轮作体系的迅速改革 ,并到目前为止已
形成了对土壤和环境危害最小的农业体系[14 ] . 在黄
土高原上 ,虽然没有北美大草原上曾经发生过的“流
土”现象 ,但土壤有机碳下降速率之快令人吃惊. 因
此 ,在黄土高原地区亟需研究和推广能遏制土壤水
蚀的耕作、轮作体系.
312 　轻组中的有机碳
　　土壤的轻组 (L F) 主要由动植物和微生物残体
及少量的矿物颗粒组成 ,含有机碳浓度远高于主要
由矿物颗粒组成的重组. 轻组中的不同分解程度的
动植物残体是微生物的主要食物来源 ,因此轻组碳
也是重要的植物速效养分库. 而且轻组有机碳的转
化速率快 ,对各项农业措施的反应敏感[9 ] . 正因为
如此 ,轻组碳 (L FOC) 随进入土壤的动植物残体数
量的变化而迅速变化. L F 和L FOC 也就作为一个重
要的指标来反映土壤管理和作物系统对土壤肥力的
影响[1 ,9 ,12 ] .
　　对于黄绵土来说 ,轻组的含量虽只有 5. 76～
11. 77 g·kg - 1 . 但轻组中的有机碳浓度可达 87. 16
～112. 03 g·kg - 1 (表 2 第 4 列) ,是黄绵土有机碳浓
度 (数据未列出 ,下同) 的 10～17 倍 ,L FOC 占土壤
总有机碳的 18～27 %. 黄绵土 L FOC 随开垦年限的
变化规律与其总有机碳的变化规律相同 :在开垦后
的 5 年内快速下降了 73 % ,然后是缓慢上升. 上升
的速率是下降速率的 2 %(表 2) .
　　以未开垦的土壤作比较 ,灰褐土轻组的含量是
黄绵土的 3 倍. 这与两种土壤不同的自然植被有
关[12 ] ,灰褐土的自然植被为次生林 ,而黄绵土的自
然植被为稀疏干草原. 前者的残落物量要远高于后
者[2 ] . 灰褐土轻组的含量为 6. 83～37. 57 g·kg - 1
(表 2 第 3 列) ,含 C 量为 95. 8～175. 0 g·kg - 1 ,是该
土壤有机碳浓度的 3～6 倍. 可见在黄绵土的轻组
中 ,矿物质的比例要明显高于灰褐土轻组中矿物质
的比例 ,即在前者中有机碳与矿物质更容易结合 ,这
可能对土壤肥力的恢复是有利的. 同时也表明黄绵
土的轻组有机碳受到保护的程度较高. 在灰褐土中 ,
L FOC占土壤有机碳的 9 %～26 % ,而且随着开垦
6122 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　14 卷
年限的增加 ,这一比例快速下降 (表 2 第 5 列) . 灰褐
土 L FOC 的下降过程与 Dalal 等[5 ,6 ]报道的几种土
壤接近.
　　典型褐灰钙土的轻组含量在 3 种土壤中最高 ,
为 19. 47～38. 03 g·kg - 1 土. 轻组中碳的浓度为
38. 25～99. 20 g·kg - 1 ,在 3 种土壤中最低 ,表明轻
组中的有机碳结合了更多的矿物质. 而且 L FOC 占
总有机碳的比例为 3 种土壤中最低的 ,为 8 %～
16 %(表 2) . 轻组随开垦年限而下降的趋势与总有
机碳的显著不同 ,已经在开垦 40 年之后趋于平衡状
态. 而且 L FOC 的下降速率只有灰褐土的 1/ 4.
　　未开垦的 3 种土壤的 L FOC 反映了 3 种不同气
候条件下森林植被和草原植被对土壤有机碳的影
响.位于子午岭的次生林植被输入土壤中的残落物
最多 ,北美短草原区的草原植被输入土壤中的植物
残体居中 ,而黄土丘陵区的稀疏干草原输入土壤中
的植物残体最少. 耕作 40 年后 ,L FOC 在 3 种土壤
中的含量次序为典型褐灰钙土 > 灰褐土 > 黄绵土 ,
这一次序完全由作物系统输入土壤的植物残体数量
和土壤颗粒对轻组碳的保护程度决定. 与我们在采
样时调查的产量结果和对轻组碳性质的分析相符.
313 　重组中的有机碳
　　土壤重组的主要成分是矿质颗粒. 重组中的有
机碳则与不同粒级的矿物颗粒紧密结合 ,形成有机2
无机复合体 ,从而使其矿化速率大为减慢. 因此 ,重
组有机碳 ( HFOC)对土壤管理和作物系统变化的反
映比 L FOC 慢 ,但它反映了土壤保持有机碳的能
力.从以往的研究结果来看 ,与粗粉砂粒 (20～50
μm) 、细粉砂粒 (2～20μm) 、粗粘粒 (0. 2～2μm) 和
细粘粒 ( < 0. 2μm) 结合的 C 在分组过程中大部分
被分在了重组中. 与这些颗粒结合的一小部分 C 和
存在于砂粒 ( > 50μm) 、50～250μm 和 > 250μm 团
聚体中的分解程度较低的有机物则被分在了轻组
中[15 ,17 ] . 本研究结果表明 ,重组碳随土壤开垦年代
的增加而逐渐减少. 其损失的规模和程度与总有机
碳的相似.
　　值得注意的是 ,经过 40 年的耕作之后 ,黄绵土、
灰褐土和典型褐灰钙土的 HFOC 分别为 3. 80、
13. 81、48. 99 t·hm - 2 . 特别是灰褐土和典型褐灰钙
土 ,虽然自然植被下总有机碳量非常接近 ,但重组碳
所占的比例前者为 61 % ,后者为 82 %. 经过 20 年的
耕作后 ,前者的 HFOC 损失了 38 % ,而后者的只损
失了 14 %. 可见土壤侵蚀是造成这一差异的一个主
要原因 ,但有机碳在轻组/ 重组之间的不同分配及重
组中有机碳与矿质颗粒结合可能存在的差异将是造
成上述不同的另一主要原因.
　　另外 ,L FOC 与 HFOC 的和与土壤总有机碳含
量之间的吻合程度也不尽相同. 以自然植被下的土
壤为例 ,黄绵土前两项的和与总有机碳相比减少了
34 % ,灰褐土减少了 13 % ,而典型褐灰钙土只减少
了 1 %(表 2) . 减少的 C 实际上是在分组过程中被清
洗掉的、易溶于盐溶液 (NaI) 中的、与矿质颗粒结合
的有机碳 ,我们暂时将这一部分有机碳称作盐溶性
有机碳 (SSOC) . 它应该是腐殖质中的灰色腐植酸部
分[18 ] .这一结果间接地反映出了黄绵土、灰褐土和
典型褐灰钙土 HFOC 与矿质颗粒结合的牢固程度
有很大差异.
4 　结 　　论
　　新开垦的坡地黄绵土和灰褐土的有机碳分别在
开垦后的 5、42 年里损失了 79 %和 70 %. 严重的土
壤侵蚀是造成黄绵土有机碳快速下降的主要原因 ,
而土壤侵蚀和矿化分解是造成灰褐土有机碳损失的
主要原因. 相反 ,北美大草原典型农业土壤的有机碳
下降速率则较小 :1920 年开垦的典型褐灰钙土在 40
年里下降了 37 % ,1960 年后开垦的只损失了 11 %.
在北美大草原 ,改善后的耕作、轮作体系有效地阻止
了土壤风蚀 ,使土壤有机碳的损失速率大幅度降低.
因此 ,在黄土高原地区亟需研究和推广能遏制土壤
水蚀的耕作、轮作体系.
　　从 3 种土壤的有机碳分组结果来看 ,黄绵土、灰
褐土中的有机碳在轻组中的比例高于典型褐灰钙土
的 ,而在重组中的比例低于典型褐灰钙土的 ,而且前
2 种土壤中的盐溶性有机碳的比例远高于典型褐灰
钙土的. 表明黄绵土和灰褐土矿质颗粒对有机碳的
保护能力弱于典型褐灰钙土. 这是前 2 种土壤有机
碳损失快的另一主要原因 ,也可能是除气候、植被之
外黄土高原土壤有机碳含量低的原因.
参考文献
1 　Bremer E ,Janzen HH ,Johnston AM. 1994. Sensitivity of total ,
light fraction and mineralizable organic matter to management prac2
tices in a Lethbridge soil. Can J Soil Sci ,74 : 131～138
2 　Buyanovsky GA ,Brown J R , Wagner GH. 1997. Sanborn field :
Effect of 100 years of cropping on soil parameters influencing pro2
ductivity. In : Paul EA , Paustian K , Elliott ET ,eds. Soil Organic
Matter in Temperate Agroecosystems. Boca Raton , FL : CRC
Press. 205～225
3 　Campbell CA ,Lafond GP ,Moulin AP , et al . 1997. Crop produc2
tion and soil organic matter in long2term crop rotations in the sub2
humid northern Great Plains of Canada. In : Paul EA ,Paustian K ,
Elliott ET , eds. Soil Organic Matter in Temperate Agroecosys2
712212 期 　　　　　　　　　武天云等 :耕作对黄土高原和北美大草原三种典型农业土壤有机碳的影响 　　　　　　　　　　
tems. Boca Raton ,FL : CRC Press. 297～315
4 　Campbell CA ,McConkey BG ,Zentner RP , et al . 1997. Tillage and
fallow frequency effects on selected soil quality attributes in a
coarse2textured brown chernozem. Can J Soil Sci ,77 :497～505
5 　Dalal RC ,Mayer RJ . 1986. Long2term trends in fertility of soil un2
der continuous cultivation and cereal cropping in southern queens2
land IV. Loss of organic carbon from different density fractions.
A ust J Soil Res ,24 :301～309
6 　Dalal RC ,Mayer RJ . 1987. Long2term trends in fertility of soil un2
der continuous cultivation and cereal cropping in southern queens2
land VI. Loss of total nitrogen from different particle size and den2
sity fractions. A ust J Soil Res ,2 :83～93
7 　De Jong E ,Begg CBM , Kachanoski RG. 1983. Estimates of soil
erosion and deposition for some Saskatchewan soils. Can J Soil Sci ,
63 :607～617
8 　De Jong E , Villar H ,Bettany J . 1982. Preliminary investigations
on the loss of 137Cs to estimate erosion in Saskatchewan. Can J Soil
Sci ,62 :673～683
9 　Gregorich EG , Ellert BH. 1993. Light fraction and macroorganic
matter in mineral soils. In : Carter MR , eds. Soil Sampling and
Methods of Analysis. Canadian Society of Soil Science. Boca Ra2
ton ,FL : Lewis Publishers ,Division of CRC Press. 397～405
10 　Gregorich EG , Greer KJ ,Anderson DW , et al . 1998. Carbon dis2
tribution and losses : Erosion and deposition effects. Soil Tillage
Res ,47 :291～302
11 　Jamalam L ,Syam T ,Nishide H , et al . 1998. Deterioration of soil
fertility by land use changes in south Sumatra , Indonesia : From
1970 to 1990. Hydrol Process ,12 :2003～2013
12 　Janzen HH ,Campbell CA ,Brandt SA , et al . 1992. Light fraction
organic matter in soils from long2term crop rotations. Soil Sci Soc
A m J ,56 :1799～1806
13 　Janzen HH , Campbell CA , Ellert BH , et al . 1997. Soil organic
matter dynamics and their relationship to soil quality. In : Gre2
gorich EG ,Carter MR ,eds. Soil Quality for Crop Production and
Ecosystem Health ,Developments in Soil Science 25. Amsterdam ,
The Netherlands : Elsevier Scientific Publ. Co. 277～292
14 　Janzen HH , Campbell CA , Izaurralde RC , et al . 1998. Manage2
ment effects on soil C storage on the Canadian prairies. Soil Tillage
Res ,47 :181～195
15 　Oades J M ,Vassallo AM ,Waters AG. 1987. Characterization of or2
ganic matter in particle size density fractions from a red2brown
earth by solid2state 13C N. M. R. A ust J Soil Res ,25 :71～82
16 　Scientific Survey Office of Loess Plateau in Chinese Academy of
Sciences (中国科学院黄土高原综合科学考察队) . 1991. Re2
gional Characteristics of Erosion on Loess Plateau and Reclamation.
Beijing : China Science and Technology Press. 171～177 (in Chi2
nese)
17 　Six J , Eilliott ET , Paustian K , et al . 1998. Aggregation and soil
organic matter accumulation in cultivated and native grassland soils.
Soil Sc Soc A m J ,62 :1367～1377
18 　Stenvensen FJ . 1994. Humus Chemistry : Genesis , Composition ,
Reaction. New York : John Wiley and Sons , Inc. 1～24
19 　Wang Dunling ,Anderson DW. 1998. Direct measurement of organic
carbon content in soils by the Leco CR212 carbon analyzer. Com2
m un Soil Sci Plant A nal ,29 (1 &2) : 15～21
20 　Xia Z2K (夏正楷) . 1995. Primary research on soil and water ero2
sion during Quaternary on the Loess Plateau of China. In : Study of
Environment Management and Resources Utilization on the Loess
Plateau of China. Beijing : China Environmental Science Press. 24
～32 (in Chinese)
作者简介 　武天云 ,男 ,1964 年生 ,博士 ,副研究员 ,主要从
事土壤水分和土壤肥力管理研究 ,发表论文 30 多篇. Tel :
093127669407 ,E2mail : wutianyun @yahoo. com. cn
8122 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　14 卷