全 文 ：中国生态农业学报 2011年 11月 第 19卷 第 6期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Nov. 2011, 19(6): 1301−1306


* 国家自然科学基金项目(40971152)和国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2011CB100506, 2010CB134509)资助
** 通讯作者: 韩晓增(1957~), 男, 博士生导师, 主要从事黑土生态修复研究。E-mail: xzhan@neigaehrb.ac.cn
尤孟阳(1984~), 女, 硕士研究生, 主要从事生态学研究。E-mail: ymy_531@163.com
收稿日期: 2011-03-01 接受日期: 2011-05-30
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2011.01301
作物连作与自然恢复下黑土密度组分
中碳、氮分布特征*
尤孟阳1,2 韩晓增1,2** 李海波1,3 芦思佳1,2 梁 尧1
(1. 中国科学院东北地理与农业生态研究所 中国科学院黑土区农业生态重点实验室 哈尔滨 150081; 2. 东北农业大学资源
与环境学院 哈尔滨 150030; 3. 吉林农业科技学院植物科学学院 吉林 132101)
摘 要 本文以海伦农田生态系统国家野外科学观测站长期定位试验的黑土为研究对象, 通过对不同作物连
作(玉米、大豆、小麦)和自然恢复(草地、裸地)下土壤及其密度分组中有机碳、氮含量的测定, 比较分析了土
壤总有机碳、全氮以及密度组分碳、氮分布的变化特征。结果表明不同作物连作下土壤总有机碳的含量差异
不显著。0~10 cm和 10~20 cm土层农田土壤游离态轻组有机碳含量具有显著差异(P<0.05)。大豆连作的农田
土壤游离态轻组有机碳主要分布在 0~10 cm土层, 而小麦连作的土壤游离态轻组有机碳主要分布在 10~20 cm
土层。不同作物连作下土壤闭蓄态轻组有机碳含量差异不显著。不同组分中氮素具有与碳相似的分布特征。
游离态轻组与闭蓄态轻组 C/N 比值之间呈显著负相关(P<0.05)。草地与农田、裸地相比显著提高了土壤总有
机碳和全氮的含量。草地土壤游离态轻组、闭蓄态轻组和重组有机碳含量显著高于农田和裸地。作物连作和
自然恢复导致土壤碳、氮的重新分配, 改变了土壤碳、氮的赋存特征。
关键词 黑土 自然恢复 作物连作 密度分组 土壤有机碳 氮
中图分类号: S153.6 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2011)06-1301-06
Characteristics of soil organic carbon and nitrogen distributed in
different density fractions of mollisols under long-term continuous
cropping and natural restoration
YOU Meng-Yang1,2, HAN Xiao-Zeng1,2, LI Hai-Bo1,3, LU Si-Jia1,2, LIANG Yao1
(1. Key Laboratory of Mollisols Agroecology, Chinese Academy of Sciences; Northeast Institute of Geography and Agroecology,
Chinese Academy of Sciences, Harbin 150081, China; 2. College of Resources and Environment, Northeast Agricultural University,
Harbin 150030, China; 3. College of Plant Sciences, Jilin University of Agricultural Science and Technology, Jilin 132101, China)
Abstract Land use change has a long-term impact on terrestrial ecosystems, resulting in variations in soil carbon pool and carbon
cycle. This has triggered a contentions research on the state of soil organic carbon. A long-term experiment was conducted at the
National Observation Station of Hailun Agroecosystem, Chinese Academy of Sciences. The experiment included three land use types
in five treatments ― i.e., farmland (continuous cropped maize, continuous cropped soybean and continuous cropped wheat), grass-
land and bare-land, with mollisol as the soil type. The objective of the study was to determine how land use influences the character-
istics of soil organic carbon (SOC) and nitrogen distribution among different density fractions (light and heavy). The results showed
no significant differences in total SOC among the three farmland treatments. The difference in FLF (free light fraction) SOC content
between 0~10 cm and 10~20 cm farmland soil layers was significant (P < 0.05). Whereas FLF SOC mainly accumulated in the 0~10
cm soil layer under continuous cropped soybean treatment, it mainly accumulated in the 10~20 cm soil layer under continuous
cropped wheat treatment. There were also no significant differences in OLF (occluded light fraction) SOC content among the farm-
land treatments. Accumulated FLF and HF (heavy fraction) were critical for net enhancement of TOC (total organic carbon) and TN
(total nitrogen). OLF lessly influenced TOC and TN accumulation. The distribution characteristics of soil nitrogen in different den-
1302 中国生态农业学报 2011 第 19卷


sity fractions were similar to those of SOC. In terms of C/N ratio, there was significant negative correlation between FLF and OLF.
TOC and TN were significantly higher in grassland than in farmland and bare-land treatments. FLF SOC, OLF and HF contents in
grassland were much higher than in farmland and bare-land treatments. Vegetation conversion caused not only soil organic matter
redistribution, but also carbon and nitrogen sequestration variation in mollisols.
Key words Mollisol, Natural restoration, Continuous cropping, Density fraction, Organic carbon, Nitrogen
(Received Mar. 1, 2011; accepted May 30, 2011)
土壤有机质对土壤物理、化学和生物量有着深
远影响, 其含量是评价土壤质量的依据。通过密度
分组的方法可以将土壤有机碳分为轻组有机碳和重
组有机碳: 轻组被定义为在 1.5~2.0 g·cm−3的重液上
悬浮的物质[1]; 重组为有机−无机复合体, 是具有物
理保护和化学拮抗作用的缓效或慢性碳库, 可用作
评价土壤质量变化、固碳容量和潜力的重要指标[2]。
利用物理分组的方法对土壤有机碳、氮进行研究 ,
可以更进一步地认识进入土壤中的有机碳、氮对土
地管理方式变化的响应。
土地利用/覆盖变化是陆地生态系统碳循环的主
要影响因子。通过改变植物凋落物的数量、质量及其
分解速率, 能够控制土壤有机质的稳定过程, 进而影
响土壤有机碳随时间变化的消长动态[3−5]。植被覆盖
变化对土壤有机碳积累或损失的影响已成为土壤学、
植物学和环境科学等学科领域的研究热点[6]。
长期作物连作与自然草地相比, 因改变了植被
类型和土地管理方式, 会对土壤物理、化学及生物
性质造成较大影响。研究表明, 玉米连作[7]和大豆连
作[8]均可提高土壤有机质含量。李海波等[9]对不同土
地利用方式下土壤密度组分有机碳的变化进行了研
究, 结果表明化肥与有机肥配施可提高黑土各密度
组分有机碳含量。但目前有关不同作物连作方式下
黑土有机碳与密度组分含量变化的研究甚少。本研
究基于海伦农田生态系统国家野外观测研究站黑土
长期定位试验, 测定作物连作与自然恢复条件下黑
土有机碳、氮含量, 揭示密度分组中的碳和氮在不
同土层的分布特征, 为进一步了解黑土有机质在不
同组分库中的赋存特征、周转规律及黑土肥力的可
持续发展提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验设置
试验在海伦农田生态系统国家野外观测研究站
(47º26´N, 126º38´E)进行。试验区气候类型为温带大
陆性季风气候, 年均气温 1.5 , ℃ 年均降雨量 550
mm, 无霜期 120 d, 土壤为黄土状亚黏土母质发育
的中厚黑土。试验设 5 个处理: (1)长期大豆连作
(continuous cropping of soybean, CS); (2)长期玉米连作
(continuous cropping of maize, CM); (3)长期小麦连作
(continuous cropping of wheat, CW); (4)草地(grassland,
GL): 1985 年退耕休闲, 草原草甸植被自然恢复, 目
前以一年生杂草为优势种群, 小区面积约 360 m2; (5)
裸地(bare land, BL): 1985年退耕休闲, 始终处于地表
无任何植被状态, 模拟无植被覆盖下黑土退化过程,
小区面积约 180 m2。(1)、(2)和(3)是始于 1990年开始
的长期连作试验, 小区面积约 70 m2。
1.2 样品采集与分析方法
土壤样品于 2009 年 10 月作物收获后采集。土
样采自上述 5个试验处理的 0~10 cm与 10~20 cm土
层, 每个处理随机取 3个点, 样品风干后, 四分法过
2 mm筛备用。土壤有机碳密度分组方法参照李海波
等[9]的方法并稍作修改。(1)称 10.0 g土样装进已称重
的 100 mL离心管, 加 50 mL NaI溶液(d=1.8 g·cm−3),
用手轻轻摇动, 静置室温过夜。次日 3 500 r·min−1离
心 15 min, 将溶液倒出过滤, 滤液回收再用。再向离
心管中加入 50 mL NaI溶液, 摇动, 离心, 过滤, 重复
2次。留在滤纸上的物质用 0.01mol·L−1 CaCl2溶液 50
mL和蒸馏水 100 mL洗涤, 然后转移至 50 mL烧杯中,
静置 24 h, 低于 60 ℃水浴蒸干, 称重, 这一组分为游
离态轻组。(2)离心管内沉淀继续加 50 mL NaI溶液,
摇动后, 加入 10个直径 1 mm玻璃珠, 震荡 16 h。离
心, 过滤同上, 并重复 2 次。滤纸上的物质经洗涤后
转移至 50 mL烧杯中, 低于 60 ℃水浴蒸干, 称重, 这
一组分为闭蓄态轻组。(3)离心管内沉淀加 50 mL 蒸
馏水, 振荡 20 min, 4 000 r·min−1离心 20 min, 管内沉
淀用 95%乙醇反复洗涤至无色, 放入鼓风干燥箱低
于 40 ℃干燥至恒重, 这一组分为重组。以上组分用
玛瑙研钵研磨, 过 0.25 mm筛, 土壤总碳和总氮含量
采用元素分析仪(varioEL elementar, Germany)测定,
因此类土壤中不含碳酸盐, 土壤总碳即总有机碳。
1.3 统计分析
试验数据采用 SPSS 16.0统计软件进行单因素方
差分析和相关分析。采用 Duncun (SSR)方法分析处理
间平均数在 P<0.05和 P<0.01水平的差异显著性。
2 结果与分析
2.1 作物连作与自然恢复下土壤有机碳和全氮含
量的变化
土壤有机碳含量的变化与植被类型密切相关。
第 6期 尤孟阳等: 作物连作与自然恢复下黑土密度组分中碳、氮分布特征 1303


不同植被覆盖下, 土壤有机碳含量在0~20 cm土层
中的变化范围为27.54~34.12 g·kg−1, 且草地>农田作
物>裸地(图1)。裸地表面几乎无植被覆盖, 进入土壤
的有机碳少 , 有机物的矿化慢 , 与草地相比 , 裸地
土壤有机碳含量降低19%。农田的耕作过程增加了
土壤中微生物的数量及其活性, 从而提高了有机质
的降解速度。连作土壤有机碳的平均含量为29.95
g·kg−1, 而3种作物连作土壤之间差异不显著。大豆田
有机碳含量略高于玉米田和小麦田, 说明大豆连作
比玉米和小麦连作更有利于有机碳的积累。在0~10
cm与10~20 cm土层, 大豆、玉米和小麦田有机碳含
量没有显著差异, 表明长期作物连作下土壤有机碳
趋于均衡分布。
土壤全氮含量与有机碳含量的变化趋势相似。
在 0~20 cm 土层, 草地、农田、裸地的全氮含量分
别为 2.61 g·kg−1、2.17 g·kg−1和 2.10 g·kg−1(图 1), 草
地土壤全氮含量极显著高于其他处理(P<0.01), 裸
地全氮含量最低。与裸地相比, 农田和草地土壤中
的全氮含量分别增加 3%和 24%, 可见植被覆盖能增
加氮素的供应能力。在 0~10 cm与 10~20 cm土层,
大豆的全氮含量低于玉米和小麦, 与有机碳含量变
化不一致。
2.2 作物连作与自然恢复下土壤轻组有机碳、氮的
分布
土壤轻组有机质(LFOM)主要成分为孢子、种子、
动植物残体、微生物的残体以及一些矿质颗粒, 具有
相对较快的转化速度, 对种植管理方式较敏感[10]。
0~20 cm土层, 裸地轻组有机碳和氮含量最低, 其游
离态轻组有机碳和氮含量分别较草地降低 2 g·kg−1
和 0.1 g·kg−1, 闭蓄态轻组较草地降低 0.16 g·kg−1和
0.02 g·kg−1 (图 2)。农田土壤游离态轻组碳和氮平均
含量较草地降低 1.27 g·kg−1和 0.05 g·kg−1; 闭蓄态轻



图1 作物连作与自然恢复下土壤有机碳、氮含量的变化
Fig. 1 Organic C and total N concentrations in soils under long-term continuous cropping of different crops and natural restoration
图中 CS、CM、CW、BL和 GL分别代表大豆连作、玉米连作、小麦连作、裸地和草地, 0~10、10~20代表 0~10 cm土层和 10~20 cm土
层, 下同。CS, CM, CW, BL and GL in the figures represent continuous cropping of soybean, continuous cropping of maize, continuous cropping of
wheat, bare land and grass land, respectively; 0~10, 10~20 represent 0~10 cm and 10~20 cm soil layers. The same below.



图2 作物连作与自然恢复下土壤游离态轻组、闭蓄态轻组有机碳、氮含量的变化
Fig. 2 Soil organic C and N contents in free and occluded light fractions under long-term continuous cropping of different corps and
natural restoration
Fr和Oc分别代表游离态轻组和闭蓄态轻组, 下同。Fr and Oc represent free and occluded light fractions, respectively. The same below.

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组碳和氮较草地降低0.1 g·kg−1和0.02 g·kg−1(图2)。农
田与草地相比, 无论是土壤轻组部分比例还是轻组
有机碳所分配的比例都有所下降。草地因受到人类
活动干扰强度相对较小, 每年的地表凋落物量明显
大于农田, 且凋落物数量与轻组数量密切相关, 其
轻组含量最多, 达3.36 g·kg−1。
对于农田而言, 0~20 cm土层游离态轻组有机碳
含量顺序为小麦田>玉米田>大豆田(表1)。与小麦田
相比, 玉米田和大豆田游离态轻组有机碳含量分别
降低了0.02 g·kg−1, 0.19 g·kg−1。不同处理间闭蓄态轻
组有机碳含量无显著差异。在0~10 cm土层, 游离态
轻组有机碳含量顺序为大豆田>玉米田>小麦田。与小
麦田相比, 大豆田和玉米田游离态轻组有机碳含量
分别提高19%和6%; 闭蓄态轻组有机碳含量顺序为
大豆田>小麦田>玉米田, 与大豆田相比, 小麦田和玉
米田游离态轻组有机碳含量分别降低16%和17%。
在0~10 cm和10~20 cm两个土层, 闭蓄态轻组
有机碳和氮含量变化趋势一致, 且两个土层的数值
无明显差异, 说明闭蓄态轻组有机碳和氮含量分配
平均。闭蓄态轻组是物理性保护组分, 存在于土壤
团聚体之间 [11−13]。游离态轻组含量差异表明 , 在
0~10 cm土层中, 大豆田游离态轻组有机碳含量比
10~20 cm土层增加57%, 说明大豆田游离态轻组有
机碳主要集中在0~10 cm土层, 活性碳库主要分布
在表层土中; 在10~20 cm土层, 小麦田的轻组有机
碳含量比0~10 cm土层增加9%, 说明小麦田游离态
轻组有机碳在10~20 cm土层分布较多; 玉米田的游
离态轻组有机碳含量在两个土层无明显差异。
农田土壤轻组的氮含量差异不显著, 与有机碳
分布一致。在 0~10 cm 土层, 游离态轻组中氮的含
量顺序为大豆田>小麦田>玉米田 , 与大豆田相比 ,
小麦田和玉米田氮含量分别降低 18%和 19%; 在
10~20 cm土层, 游离态轻组中氮的含量顺序为小麦
田>玉米田>大豆田, 与小麦田相比, 玉米和大豆田
氮含量分别降低 9%和 38%。两个土层的氮含量差异
说明, 大豆田的固氮能力主要集中在 0~10 cm土层。
研究结果表明, 土壤轻组组成的差异和稳定性的不
同, 是土壤团聚体稳定性和保护性机理共同作用的
结果[14], 不受成土母质的约束[15]。
2.3 作物连作与自然恢复下土壤重组有机碳、氮含
量变化
土壤重组(HF)主要由与黏土矿物牢固结合的腐
殖物质组成, 以有机−无机复合体形式存在, 有机质
腐殖化程度较高, 在土壤有机质中占主导地位。重组
有机碳对土壤管理和作物系统变化的反应虽比轻组
有机碳慢, 但可反映土壤保持有机碳的能力[16−17]。不
同植被覆盖下, 草地重组有机碳含量为30.04 g·kg−1,
裸地为26.58 g·kg−1, 农田为26.69 g·kg−1 (图3)。与草

表1 作物连作与自然恢复下0~20 cm土层土壤密度分组中有机碳和氮的分布
Table 1 Distribution of organic carbon and nitrogen in different density fractions of 0~20 cm soil layer under long-term
continuous cropping of different crops and natural restoration g·kg−1
轻组(LF) Light fraction
游离态轻组 Free LF 闭蓄态轻组 Occluded LF
重组
Heavy fraction 处理
Treatment 有机碳 Organic C 氮 N 有机碳 Organic C 氮 N 有机碳 Organic C 氮 N
CS 1.26±0.27bc 0.08±0.02b 0.61±0.22a 0.04±0.02ab 27.57±0.32ab 2.14±0.45ab
CM 1.43±0.10b 0.09±0.01b 0.60±0.16a 0.04±0.01ab 25.76±0.88c 1.83±0.07b
CW 1.45±0.20b 0.09±0.01b 0.60±0.07a 0.04±0.01b 26.73±1.08bc 1.95±0.08b
BL 0.65±0.26c 0.04±0.02c 0.54±0.12a 0.04±0.01b 26.58±1.30bc 1.97±0.09b
GL 2.65±0.80a 0.14±0.03a 0.70±0.26a 0.06±0.02a 30.04±0.56a 2.39±0.18a



图3 作物连作与自然恢复下0~20 cm土层土壤重组有机碳、氮含量
Fig. 3 Organic carbon and N contents in heavy fractions of 0~20 cm soil layer under long-term continuous cropping of
different crops and natural restoration
不同字母表示不同处理在P＜0.05水平差异显著 Different letters mean significant difference among different treatments at 0.05 level.

第 6期 尤孟阳等: 作物连作与自然恢复下黑土密度组分中碳、氮分布特征 1305


地相比 , 裸地土壤重组含量占80%, 主要是因为裸
地没有植被覆盖, 重组有机碳失去保护而分解, 含
量降低。农田与草地相比, 重组含量降低18%。
土壤重组中的氮与重组有机碳呈显著正相关
(R2=0.98, n=5), 两者变化趋势符合线性拟合方程
y=7.484 2x + 11.93, 氮的含量受碳的影响很大。0~10
cm与 0~20 cm两个土层 , 有机碳含量显著相关
(P<0.01), 氮含量亦显著相关(P<0.01)。0~10 cm土层,
轻组有机碳含量与重组有机碳含量显著相关
(P<0.01), 其氮含量也显著相关(P<0.01)。不同植被
覆盖下, 重组中氮的含量为草地>大豆田>裸地>小
麦田>玉米田。与种植大豆的土壤相比, 裸地、小麦
田和玉米田的氮含量分别低 3.6%、3.1%和6.6%(表
1), 可见, 大豆的固氮作用增加了氮含量, 而玉米保
氮能力较弱。
2.4 作物连作与自然恢复下土壤及各密度组分的
C/N比值
土壤碳氮比值(C/N)是衡量土壤C、N营养平衡状
况的指标, 其演变趋势对土壤碳、氮循环有重要影
响[18]。从0~10 cm土层的C/N比值来看, 游离态轻组>
闭蓄态轻组>重组>原土(图4); 在10~20cm土层, 则
为游离态轻组>闭蓄态轻组>原土>重组(图4)。两个
土层的C/N比值相比较, 10~20 cm土层的比值均大于
0~10 cm土层, 主要归因于0~10 cm与10~20 cm土层
相比, 土壤有机碳更易矿化, 土壤有机碳损失较多。
轻组是土壤中不稳定有机碳库的重要组成部分, 而
游离态碳含量是轻组的主要部分, 随着地上部生物
量被移出(草地除外), 土壤氮素也同时被带走, 因此
C/N比值最大。闭蓄态轻组、重组和原土的C/N比值
之间无显著差异。



图 4 作物连作与自然恢复下土壤 C/N比值
Fig. 4 C/N ratio of the whole soil and the relative density fractions under long-term continuous cropping of different crops and
natural restoration
Soil: 土壤整体 Whole soil; HF: 土壤重组 Heavy fraction of soil.

轻组的C/N比值在0~10 cm和10~20 cm土层顺序
一致 , 为草地>大豆田>玉米田>小麦田>裸地。在
0~10 cm土层 , 游离态轻组与闭蓄态轻组差异达显
著水平(P<0.05), 重组与原土差异显著(P<0.05)。在
10~20 cm土层, 重组与原土存在差异。
草地轻组的 C/N 比值最大, 但重组比值最小,
草地极少受到人为打扰, C/N比值逐渐达到平衡。
3 讨论与结论
长期作物连作与自然恢复下土壤及其轻组、重
组有机碳含量存在显著差异。与玉米和小麦连作相
比, 大豆连作更有利于土壤有机碳的积累。草地有
机碳含量最高, 全氮含量也最高, 证明自然恢复下
的草地提高了土壤固碳保氮能力, 由于裸地没有轻
组有机质的输入来源, 因此其轻组碳、氮含量最低,
与李海波等 [9]的研究结果一致, 表明施肥与长期连
作对土壤有机碳含量影响的变化趋势一致。不同组
分在不同土层分配的变化, 说明不同作物在长期连
作下土壤中的碳、氮分配存在差异, 对长期作物连
作与自然恢复下土壤有机碳及其密度组分的研究 ,
可以进一步认识土壤中周转率较快或慢的有机碳、
氮的稳定性及其对植被变化的响应。
本研究结果表明游离态轻组是轻组的主要成分,
大豆连作土壤游离态轻组有机碳主要分布在 0~10 cm
土层, 而小麦连作土壤游离态轻组有机碳主要分布
在 10~20 cm土层。本研究中, 重组有机碳占土壤总
有机碳比例范围为 88%~97%; 草地固碳保氮能力最
强; 游离态轻组与闭蓄态轻组 C/N 比值之间呈显著
负相关(P<0.05)。
参考文献
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1306 中国生态农业学报 2011 第 19卷


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