全 文 ：文章编号 :100028551 (2007) 062618205
开垦草地对土壤有机碳库构成与来源的效应
王百群1 ,2 　苏以荣1 ,3 　吴金水1 ,3
(11 中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室 , 陕西 杨陵　712100 ;
21 西北农林科技大学水土保持研究所 ,陕西 杨陵　712100 ;31 中国科学院亚热带区域农业生态研究所 , 湖南 长沙　410125)
摘 　要 :以广西西北部喀斯特地区的开垦草地生态系为对象 ,研究了草地开垦变为不同农田后对土壤有
机碳库的效应。结果表明 ,草地开垦为农田后 ,土壤可溶性有机碳、微生物生物量碳及总有机碳的含量
显著下降。自然草地开垦后 ,柑桔地土壤有机碳含量高于农作用地土壤。玉米与甘蔗轮作土壤有机碳
含量高于甘蔗连作。13 C示踪结果表明 ,柑桔地土壤有机碳中来源于草地的含量高于农田土壤 ;农田土
壤有机碳中来源于草地的随种植年限的增加而降低。在玉米与甘蔗轮作的农田中 ,土壤有机碳中来源
于玉米的高于甘蔗连作土壤有机碳中来源于甘蔗的。
关键词 :开垦草地 ;农田 ;土壤有机碳 ;13 C同位素 ;喀斯特地区
IMPACTION OF GRASSLAND RECLAMATION ON THE COMPOSITION AND
DERIVATION OF SOIL ORGANIC CARNON POOL
WANG Bai2qun1 ,2 　SHU Yi2rong1 ,3 　WU Jin2shui1 ,3
(11State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau , Institute of Soil and Water Conservation , Chinese Academy of Sciences
and Ministry of Water Resources , Yangling , Shaanxi 　712100 ; 21 Institute of Soil and Water Conservation , Northwest A &F University ,
Yangling , Shaanxi 　712100 ; 31 Institute of Subtropical Agriculture , Chinese Academy of Sciences , Changsha , Hunan 　410125)
Abstract :The study on the impact of conversion of permanent grassland to farmland on the soil organic carbon pool was
conducted in the reclaimed grassland in Karst area of northwest Guangxi . The result showed that soil dissolved organic carbon ,
microbial biomass carbon and total organic carbon declined significantly after the conversion of permanent grassland to
farmland. The level of soil organic carbon in the soil growing citrus trees was higher than that in the cropland , and the
concentration of soil organic carbon in the cropland with the rotation of corn and sugar cane was higher than that in the
cropland with successional sugar cane. The result of 13 C isotope tracing indicated that soil organic carbon derived from original
organic carbon of previous grassland in the land growing citrus tee was higher than that in the farmland , soil carbon derived
from the original organic carbon of previous grassland declined in cropland with the increase of years of planting crops , and the
soil organic carbon derived from corn was higher than that derived from sugar cane in the cropland with the ration of corn and
sugar cane.
Key words :grassland reclamation ; cropland ; soil organic carbon ; 13 C isotope ; Karst area
收稿日期 :2007203220
基金项目 :国家自然科学基金重大研究计划项目 (90502007) ;国家自然科学基金项目 (40301024) ;西北农林科技大学“创新团队建设计划”;西北农
林科技大学科研启动项目
作者简介 :王百群 (19682) , 男 ,陕西渭南人 ,博士 ,副研究员 ,从事土壤有机碳氮循环研究。E2mail : bqwang @ms. isac. ac. cn　　在草地生态系统中 ,植物地上部凋落物及地下根系分泌物和死亡根系不断输入到土壤中 ,对于土壤中有机碳的积累具有重要的作用。但是 ,当自然草地开 垦后 ,原有的植被不再存在 ,向土壤中加入有机物料的量和质发生变化 ,土壤受到严重扰动 ,土壤的结构及水热条件发生明显改变 ,导致土壤有机碳含量变化 ,因
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此 ,开垦对土壤有机碳库具有明显的影响[1 ,2 ] 。在开垦
草地上种植农作物后 ,草地生态统转变为新的农田生
态系统 ,土壤有机碳的含量及其来源也将发生变化。
为了阐明生态系统转变后土地利用方式对土壤有机碳
变化的效应 ,一些研究者根据植物体及土壤有机碳的
稳定同位素δ13 C信号 ,来甄别土壤有机碳的来源及其
动态变化[3～6 ] 。13 C 示踪技术不仅可用来揭示不同管
理方式下农田土壤有机碳构成和周转特征[7～9 ] , 还可
以用来表征植被演替过程中土壤剖面有机碳的δ13 C值
分布与植被类型的关系[10 ,11 ] ,因此 ,13 C 示踪法已成为
研究生态系中土壤有机碳循环过程的重要方法 ,得到
了广泛应用。本文以广西西北喀斯特地区为对象 ,研
究了自然草地开垦后种植作物对土壤有机碳库变化的
影响 ,并应用13 C示踪法揭示作物种植制度对土壤有机
碳构成的相对贡献 ,这对于合理开发利用该区有限的
土地资源、保持和提高农田有机碳的贮量、稳定土壤肥
力、促进农业与生态环境的协调发展具有重要的意义。
1 　材料与方法
111 　研究区概况
研究区位于广西河池地区环江县肯福区 ,平均气
温 1919 ℃,年均降雨 138911mm ,属亚热带湿润地区。
植被类型多为灌木群落和草丛群落。这一区域原为自
然生态系统 ,无人居住 ,总面积为 24617hm2 ,其中零星
开发的土地面积不足 313hm2 ,现为移民安置的试验示
范区。示范区内地貌以中低丘陵为主 ,海拔 20212～
39610m ,相对高差 19318m ,土地类型多为坡地 ,土壤类
型主要为红壤 ,土壤剖面发育良好。
112 　样品采集
在肯福示范区内选择自然草地 ,以及自然草地开
垦后种植甘蔗 4 年和 6 年、栽植柑桔 5 年、种植甘蔗 (2
年) - 玉米 (2 年) - 甘蔗 (1 年)等 4 块不同利用方式和
年限的农地采集土壤样品 ;另外 ,还采集了该区相邻地
区一个长期种植春玉米 - 秋大豆间红蓍的典型农田土
壤样品。总共有 6 个采集土壤样品的田块。在每一个
采样田块中随机多点采集土样 ,采样深度为 0～20cm ,
将从各点采集的土样放在一起 ,充分混匀 ,放入 4 ℃的
冷藏箱中保存。另外 ,在相应的地块中分别采集草的
地上部样品、玉米样品和甘蔗样品 ,用于测定其中的δ
13 C值。
113 　测定项目及方法
从冷藏箱中取出样品 ,经前处理后 ,用氯仿熏蒸 -
提取仪器法测定土壤微生物生物量碳[12 ] 。土壤可溶
性有机碳的测定方法如下 :用 015molΠL 的 K2 SO4 溶液
振荡浸提样品 ,用总有机碳分析仪 ( Phoenix 8000 ,美国
Tekmar2Dohrmann 公司生产) 测定浸提液中的有机碳。
采用重铬酸钾 - 硫酸氧化外加热法测定土壤有机碳含
量[13 ] 。取经研磨和 011molΠL 盐酸处理过的风干土样
进行真空高温燃烧 ,用 MAT2251 型稳定同位素质谱仪
测定碳同位素比值 ,植物样品中13 C比值的测定与土样
测定类似。采用国际通用的 PDB 作为标准 ,根据下式
求出样品中碳的δ13 C值。
δ13 C = RsamRstd - 1 ×1000 ‰ (1)
式中 ,Rsam为样品中13 C与12 C的比值 ,Rstd为标准样品中
的13 C与12 C的比值。
114 　计算土壤有机碳中碳来源的原理与方法
根据质量守恒原理 ,应用下式计算土壤有机碳中
分别来源于草地固有的有机碳和作物残体的有机碳的
比例。
δS = fδA + (1 - f )δ0 (2)
式中 , δS 为自然草地开垦种植作物后土壤有机碳的
δ13 C值 ,δA 为 C4 作物的δ13 C 值 ,δ0 为未开垦草地的δ
13 C值 , f 为来源于 C4 作物残体的有机碳占土壤总有机
碳的比例 , (1 - f )为来源于草地固有的有机碳的比例。
2 　结果与分析
211 　草地开垦对土壤总有机碳的影响
从表 1 可以看出自然草地开垦变为农田之后 ,不
同利用方式下土壤有机碳的含量显著下降。农田土壤
有机碳的含量为柑桔地 > 玉米与甘蔗轮作地 > 种植 4
年甘蔗地 > 种植 6 年甘蔗地 ,分别为未开垦草地土壤
有机碳含量的 5219 %、4815 %、4013 %和 3612 % 。由
此表明 ,自然草地转变为农田之后 ,土壤有机碳的含量
水平取决于土壤有机碳分解量与输入到土壤中的作物
残体分解后残留的有机碳量的平衡结果 ,由于土壤有
机碳的分解量远大于作物残体中残留于土壤中的有机
碳量 ,从而导致土壤有机碳含量下降。土壤有机碳下
降的程度与土地利用方式有密切关系。
212 　草地开垦对土壤微生物生物量碳的影响
土壤微生物生物量碳是土壤有机碳的重要组成部
分。自然草地开垦为农田后 ,土壤的微生态环境条件
发生变化 ,引起了土壤微生物生物量碳含量显著下降
(表 1) 。农田土壤微生物生物量碳含量的水平为 :玉
米与甘蔗轮作地 > 柑桔地 > 种植 4 年甘蔗地 > 种植 6
年甘蔗地 ,分别为未开垦草地土壤微生物生物量碳含
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　　　　 表 1 　不同土地利用方式下的土壤有机碳、可溶性碳和微生物生物量碳
Table 1 　Soil organic carbon , dissolved carbon and microbial biomass carbon in different land methods
土地类型
Land type
土地利用方式
land use
土壤有机碳
soil organic
carbon (SOC)
(gΠkg) 土壤微生物量碳soil microbialbiomass carbon(MBC)(mgΠkg) 土壤可溶性碳soil dissolvedcarbon(mgΠkg) 微生物量碳占有机碳的比例ratio of SOC to MBC( %)
长期农地
long2term crop land 春玉米 - 大豆轮作corn2soybean rotation 13163 5114 2311 0138
草地开垦后的农地
crop land following grassland
reclamation
连续种植甘蔗 4 年
42year successional sugar cane 12194 9716 11419 0175
同上
same as above
连续种植甘蔗 6 年
62year successional sugar cane 11160 7018 5614 0161
同上
same as above
种植甘蔗 2 年2玉米 2 年2甘蔗 1 年
rotation of 22year sugar cane ,22year
corn and 12year sugar cane 15155 18613 7912 1120
同上
same as above
连续栽植柑桔 5 年
52year successional citrus 17100 17719 13210 1105
自然草地
permanent grassland
自然草
natural grass
32108 57611 19418 1180
量的 3213 %、3019 %、1619 %和 1213 % 。表明草地开
垦为农田后 ,土壤微生物生物量碳下降的幅度大于土
壤总有机碳下降的幅度 ,且其下降的程度与土地利用
方式、利用作物年限的种植制度有关。
213 　草地开垦对土壤可溶性有机碳的影响
土壤可溶性有机碳来源于植物根系的分泌物、植
物残体中的可溶性物质及微生物的代谢产物[14 ] ,其含
量与植物根系生理特性及输入到土壤中的作物残体的
性质具有密切的关系。草地开垦为农田后 ,也引起了
土壤可溶性有机碳含量的显著下降 (表 1) 。柑桔地土
壤可溶性有机碳含量为草地的 6717 % ,高于农田土壤
2817 %～5910 %的含量。由此说明 ,开垦草地及草地
开垦后的土地利用方式是影响土壤可溶性有机碳的重
要因素。
214 　土壤微生物生物量碳与有机碳的关系
草地及其开垦后的不同土地利用方式的农田中 ,
土壤微生物生物量碳占有机碳的比例有一定差别 (表
1) ,草地土壤中微生物生物量碳占有机碳的比例最高 ,
甘蔗与玉米轮作地及柑桔地土壤中比例次之 ,甘蔗连
作地土壤中的比例较低 ,长期农田土壤中的比例最低。
土壤微生物生物量碳与有机碳之间呈显著的线性关系
(图 1) ,表明草地开垦为农田后 ,土壤微生物生物量碳的
含量随着有机碳含量的下降而下降 ,土壤有机碳的含量
变化与微生物生物量碳的含量具有明显的相关关系。
215 　草地开垦为农田后土壤有机碳的来源构成
如前所述 ,自然草地转变为农田后 ,土壤有机碳的
含量发生显著变化 ,这是草地开垦后有机碳分解与作
图 1 　土壤微生物量碳与总有机碳的关系
Fig. 1 　The relationship between soil microbial biomass
carbon and soil organic carbon
物残体向土壤中输入有机碳共同作用的结果。开垦后
的农田土壤有机碳中既有来源于草地原有的有机碳 ,
也有向土壤中加入的作物残体残留的有机碳 ,定量地
分辨出土壤有机碳的来源 ,有助于明确认识开垦草地
和种植作物对土壤有机碳的效应。
草地及开垦后的土壤有机碳的δ13 C 值如表 2 所
示。根据δ13 C值可以判别土壤有机碳的来源与构成。
未开垦草地上植物样品的δ13 C 值为 - 21118 ‰,草地
土壤有机碳的δ13 C 值为 - 20132 ‰,表明草地土壤的
有机碳来源于草地植物残体输入的有机碳。草地开垦
栽植柑桔后 ,土壤有机碳的δ13 C 值为 - 20117 ‰,与自
然草地土壤有机碳的δ13 C值接近 ,证明栽植柑桔的枯
枝落叶输入到土壤表面后 ,虽然经过分解 ,但残留在土
壤中的碳甚微 ,对土壤有机碳库的贡献很小 ,土壤有机
碳仍来源于原来草地固有的有机碳。
026 核　农　学　报 21 卷
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草地开垦后种植的玉米和甘蔗属于 C4 植物 ,未开
垦草地土壤的δ13 C 值与种植这两种作物的土壤δ13 C
值有一定的差异性 ,因此 ,根据土壤有机碳和作物残体
的δ13 C 值 ,就可计算种植玉米或甘蔗的土壤有机碳的
来源构成。在应用公式 (2) 时 ,确定δ0 值是关键 ,可用
两种方法选择δ0 值 ,一种是采用与农地相邻的林地或
草地土壤有机碳的δ13 C值 ,另一种是根据相邻的林草
地和农地土壤剖面中δ13 C 值的分布特征 ,推算出δ0
值[3 ,6 ] ,根据研究区的实际情况可以采用其中的一种方
法确定相应的δ0 值。在本试验中 ,农地是由开垦草地
形成的 ,将草地土壤的δ13 C值作为δ0 值 ( - 20132 ‰) ,
玉米和甘蔗样品的δ 13 C 值分别为 - 12146 ‰和 -
13127 ‰,开垦后的土壤有机碳的δ13 C 值如表 2 所示。
根据δ13 C 值 ,由公式 (2) 就可以估算出自然草地开垦
种植玉米或甘蔗后 ,土壤有机碳库中来源于草地土壤
中固有的有机碳和通过玉米或甘蔗残体而输入的有机
碳量 (表 2) 。
表 2 　不同土地利用方式下土壤有机碳的δ13 C值和有机碳构成来源
Table 2 　δ13 C values of soil organic carbon and the composition and derivation of soil organic carbon pool
土地类型
Land type
土地利用方式
land use
δ13C
( ‰)
土壤有机碳
soil organic
carbon
(gΠkg) 来自草地的有机碳organic carbon derivedfrom grassland(gΠkg) 来自玉米的有机碳organic carbon derivedfrom corn(gΠkg) 来自甘蔗的有机碳organic carbon derivedfrom sugar cane(gΠkg)
草地开垦后的农地
crop land following grassland
reclamation
种植甘蔗 4 年
42year successional sugar cane - 19196 12194 12128 - 0166
草地开垦后的农地
crop land following r
grassland reclamation
种植甘蔗 6 年
62year successional sugar cane - 18174 11160 9100 - 2160
草地开垦后的农地
crop land following r
grassland reclamation
种植甘蔗 2 年2玉米 2 年2甘蔗 1 年
rotation of 22year sugar cane ,
22year corn and 12year sugar cane - 17159 15155 10106 4170 0179
草地开垦后的农地
crop land following
grassland reclamation
栽植柑桔 5 年
52year citrus - 20117 17100 17100 - -
自然草地
permanent grassland
草
natural grass
- 20132 32108 32108 - -
　　由表 2 可以看出 ,草地开垦后 ,栽植柑桔树的园地
土壤中来源于草地土壤的有机碳高于种植玉米或甘蔗
的农田土壤 ;种植玉米或甘蔗的土壤其有机碳量的来
源随作物种植年限的增加而下降 ,说明草地开垦后 ,土
壤耕作是引起来源于草地土壤有机碳逐渐分解的主要
因素。
由表 2 还可看出 ,在甘蔗连作土壤中 ,来源于甘蔗
残体输入的有机碳量随种植年限的增加而增加。在玉
米与甘蔗轮作的农田中 ,将玉米秸杆归还于土壤中 ,土
壤中来自玉米残体的有机碳占总有机碳的 3012 % ,来
源于玉米残体的碳量显者高于来源于甘蔗残体的碳
量 ,反映了在种植作物条件下 ,向土壤中加入一定量的
作物残体后 ,其中的部分碳残留于土壤中 ,对于稳定土
壤有机碳库起着重要的作用。
3 　讨论与结论
在草地生态系统中 ,土壤有机碳含量状况与植被
构成了一种相对稳定的平衡体系 ,林草地开垦转变为
农田生态系统后 ,原有的平衡关系就会改变 ,引起土壤
有机碳含量发生显著变化。草地开垦为不同利用方式
的农田后 ,土壤有机碳含量明显降低 (表 1) ,这主要是
由于草地开垦后 ,土壤受到扰动 ,植被类型、土壤水热
状况及通气条件改变 ,雨滴的击溅作用及耕作使土壤
结构遭到破坏 ,土壤团聚体破裂 ,存在于团聚体之间及
包闭在团聚体内部的有机碳暴露出来 ,这些条件使得
草地土壤原有的易分解的有机碳组分发生分解 ,而分
解缓慢的有机碳保留在土壤中。13 C示踪结果表明 ,柑
桔园地土壤中保留的原有土壤的有机碳高于农田土
壤 ,农田土壤中保留的原有的有机碳量随耕种年限而
变化 (表 2) ,柑桔园地土壤的扰动程度低于农田土壤 ,
126　6 期 开垦草地对土壤有机碳库构成与来源的效应
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所以 ,这种差异主要与开垦后土壤扰动的程度有关。
农田土壤中来源于作物残体的有机碳量与作物种植制
度、作物残体的利用状况等因素有密切的关系 (表 2) ,
玉米与甘蔗连作的土壤中 ,玉米收获后 ,将秸杆还田 ,
而在甘蔗连作的土壤中 ,甘蔗的茎杆被收获 ,只有枯落
的叶片和部分根系归还到土壤中 ,所以 ,采用秸杆还田
有利于增加农田土壤有机碳的积累 ,对丰富和稳定土
壤有碳库具有重要的贡献。
草地开垦后 ,经原有的有机碳分解及新的有机碳
输入两个过程的综合平衡 ,除柑桔园地土壤外 ,种植农
作物的土壤有机碳水平接近于长期耕种的农田 (表
1) ,表明在当地的生态环境条件下 ,采用耕作施肥及作
物残茬管理等措施 ,在 5 年左右的时间内 ,新开垦的农
田土壤有机碳的含量趋于新的稳定状态 ,通过秸杆归
田还可以有效地保持和提高土壤有机碳的含量。
虽然土壤微生物生物量碳及可溶性有机碳占土壤
有机碳的比例较小 , 但二者对土壤耕作、施肥及土壤
条件的变化具有敏感响应 ,可以反映土壤有机质的生
物化学性质[14 ,15 ] 。在生态条件一致的环境中 ,根据土
壤微生物的生物量碳占总有机碳的比例可以灵敏反映
土壤有机碳的变化趋势[16 ,17 ] 。土壤开垦为农田后 ,土
壤微生物生物量碳的含量降低 ,微生物生物量碳占有
机碳的比例下降 (表 1) ,表明了土壤有机碳下降的趋
势。当开垦草地成为稳定的农田后 ,土壤微生物的生
物量碳及其占有机碳的比例明显地反映出了土壤管理
措施对土壤有机碳影响的差异性。土壤微生物生物量
碳是表征土壤有机碳变化的灵敏指标。
本研究表明 ,在广西西北的喀斯特地区 ,甘蔗与玉
米轮作的农田中 , 采用玉米秸杆还田可以有效维持土
壤有机碳的水平 ,保持土壤肥力。在甘蔗连作的农田
中 ,应该加强有机肥及有机物料的投入 ,增加土壤有机
碳 ,保持土壤肥力 ,以促进甘蔗生产的稳定发展。合理
的种植制度与相应的土壤管理措施相结合 ,对于该区
农业可持续发展及生态环境质量的提高具有重要的作
用。
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