2022, Vol. 59
表1(Table 1)
土地利用方式变更所伴随的植物残体数量和性质、地上地下生物量分配比例，会对土壤有机质（SOM）的组分和性质产生重要影响[1]。以往对SOM化学组成的研究多数集中在表层土壤。有研究表明，有50%以上的土壤有机碳（SOC）储存于20 cm以下土层[2]，尽管具有较低的浓度和较高的稳定性，但下层SOC对利用方式的改变与上层土壤一样敏感[3]，加之被诸多研究所证实的外源新鲜碳投入对下层SOC的激发效应[4]，这激起了研究人员对整个剖面中SOM周转的研究兴趣。Sheng等[5]研究得出，自然林地开垦为人工林或农田后，土壤剖面（0~100 cm）中的活性有机碳组分显著降低。Abrar等[6]发现，增加外源有机碳料投入，可显著提高土壤0~100 cm剖面中SOC物理和化学组分含量。然而，Poffenbarger等[7]在美国开展的研究表明，增加植物的根系输入，对0~90 cm剖面中SOC的垂直分布、组分含量和稳定性影响微弱。Tivet等[8]采用傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infra-red spectroscopy，FTIR），对土壤剖面中SOM的官能团进行了研究，发现农田和自然植被下，SOM的脂族碳和芳香碳存在较大差异。Yao等[9]在中国黑土区，应用固体核磁共振（Solid-state 13C nuclear magnetic resonance spectroscopy，13C-NMR）技术，探讨了自然草地、农田恢复草地和农田中SOM化学官能团的差异，但其研究对象为表层（0~20 cm）土壤。综上，目前有关土壤剖面中SOC的研究主要集中在总量及其组分含量等方面，对于不同土层SOM分子结构的研究较少。从分子结构或官能团的角度，揭示土地利用方式转变过程中SOM化学组成的变化规律，对深刻认识SOM的稳定和周转机制具有重要科学意义。
东北黑土由自然生态系统开垦为农田后，土体中多年积累的SOM会逐渐降低[10]。而将开垦后的农田土壤进行自然植被恢复的过程中，SOM会不断积累而向其自然水平恢复[11]，但在恢复过程中，SOM的化学组成是否会发生变化，如何变化？不得而知，其限制了对黑土有机质恢复潜力的科学评价。因此，本文基于29年长期定位试验，采用FTIR和13C-NMR分析技术，对农田、农田恢复后的自然草地和人工林地三种利用方式下土壤剖面中SOM的化学组成进行分析，探讨利用方式变更对SOM化学组成的影响，以期为黑土可持续利用提供理论支撑。
1 材料与方法 1.1 研究区域概况研究区域位于中国科学院海伦国家野外科学观测研究站（47°27′ N，126°55′ E），地处我国东北黑土区的中部，属于温带大陆性季风气候，年均降水量约550 mm，年均气温约1.5℃，年均≥10℃有效积温约2 450℃，年均日照时数约2 700 h，土壤为第四纪黄土状母质上发育而成的中厚黑土。
1.2 试验设计试验设立于1985年，设立之前，研究区内的黑土均为农田，开垦年限约100 a，开垦之前为自然草原化草甸植被，开垦后的前60 a不施肥，之后20 a施用农家肥，试验开始前的最后20 a施用化学氮肥。1985年开始，设立了三种土地利用方式，分别为：（1）草地（Grassland，GL），退耕休闲，无任何耕作措施，植被自然恢复，已恢复为黑土区典型草原化草甸植被，面积为1 664 m2（104 m × 16 m）；（2）林地（Forest land，FL），在耕地上人工种植红皮云杉，种植后，无任何耕作措施，林分密度为2 100株·hm–2，2013年时株高约4.5 m，面积为27 645 m2（485 m × 57 m）；（3）农田（Cultivated land，CL），种植方式为小麦-玉米/大豆轮作，一年两熟制，采用传统耕作方式，作物生长季进行4~6次耕作，耕作深度为20 cm，不施用任何肥料，秋季收获后作物秸秆全部移除，总面积为840 m2（120 m × 7 m）。草地和林地处理无重复，农田处理为3次重复，每个重复面积为280 m2（40 m × 7 m）。各处理的土壤理化性质见文献[12]。
1.3 样品采集与分析2013年6月，在草地和林地试验区沿对角线分别采集3个土壤剖面，作为3次重复，农田处理则在3个重复小区分别采集1个剖面。剖面深度为100 cm，采样层次为0~10、10~20、20~40、40~60、60~80和80~100 cm。每层取土样约1 kg，挑除植物残体和根系后，一部分新鲜土样过2 mm筛，储存于4℃冰箱，用于土壤微生物生物量碳和溶解性有机碳的测定，其余土壤进行风干，研磨，过2 mm和0.25 mm筛备用。2013年8月，在各样地内随机选取5点，采用根钻法采集0~100 cm土层根系，同时采集草地和林地的地表凋落物，采样面积为50 cm × 50 cm。农田处理在秋季收获后，采集地表凋落物（包括枯枝落叶和根茬），采集到的根系和地上部残体于65℃烘干，称重，详见表 1。
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表 1 不同利用方式下地表凋落物和0~100 cm根系生物量/（t·hm–2） Table 1 Surface litter and root biomass under different land-use |
（1）土壤有机碳及其组分测定。土壤微生物生物量碳（MBC）采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提，TOC分析仪（Elementar Analysen systeme，Hanau，Germany）测定[13]；溶解性有机碳（DOC）采用蒸馏水浸提法，TOC分析仪测定[14]；轻组有机碳（LFOC）采用碘化钠进行分离[15]；易氧化有机碳（ROC）采用高锰酸钾氧化法[16]。土壤总有机碳和LFOC含量采用元素分析仪（EA3000，Euro Vector，Italy）进行测定。
（2）土壤红外光谱分析。采用KBr压片法[8]，获得的图谱依次进行基线校正和光谱平滑后，对吸收峰进行积分，计算其校正峰面积，本文仅对2 920 cm–1、2 850 cm–1、1 630 cm–1和1 410 cm–1处的有机吸收峰进行计算。由于部分土壤2 850 cm–1的吸收峰微弱，加之2 920 cm–1和2 850 cm–1均代表脂族C-H键，因此，将二者的吸收峰进行合并积分。各吸收峰所对应的官能团参考Bernier等[17]。
（3）核磁共振分析。称取过0.25 mm筛的土壤样品5 g于离心管中，加入2%（v/v）氢氟酸（HF）溶液40 mL，震荡2 h后，3 000 r·min–1离心10 min，弃除上清液，继续用HF处理4次，然后用去离子水清洗残渣5次，将土样于40℃烘干，过0.25 mm筛。样品在Bruker Adance400型核磁共振仪上测定，采用固态13C交叉极化/总旋转边带抑制（Cross polarization/total sideband suppression，CP/TOSS）技术。采用4 mm双共振魔角旋转探头，共振频率为100 MHz，魔角自旋频率为5 kHz，循环延迟时间为0.8 s，交叉极化接触时间为1 ms。核磁共振测定所获得的图谱，采用积分的方法计算每个吸收峰的面积，每个吸收峰占所有吸收峰面积总和的比例即为该吸收峰所对应官能团的比例。
1.5 数据处理运用SPSS V19.0和Origin8.0软件进行数据分析和绘图。不同处理间的差异显著性采用单因素方差分析（Tukey）进行比较，比较前，采用Levene's Test检查数据的方差齐次性和正态分布情况。
2 结果 2.1 不同利用方式下土壤剖面中的有机碳组分含量本团队前期的研究结果表明，0~100 cm各土层的SOC含量均以草地最高[12]。随着剖面的加深，土壤活性有机碳（MBC，DOC，LFOC和LOC）含量逐渐降低（图 1 a~图 1d）。各土层的MBC，DOC，LFOC和LOC含量普遍表现为草地 > 林地 > 农田。在上层（0~20 cm）土壤中，三种利用方式下MBC、DOC和LFOC均存在显著差异（P < 0.05）（图 1 a~图 1 c），在差异最明显的0~10 cm层，草地的MBC含量分别较农田和林地高113%和45.6%，DOC含量分别较农田和林地高45.3%和17.7%，LFOC含量分别较农田和林地高254%和161%。MBC，DOC，LFOC和ROC分别占SOC的0.69%~1.5%、0.30%~0.66%、0.71%~11.2%和13.4%~29.7%（图 1 e~图 1h）。在0~40 cm土层，MBC，LFOC和ROC的比例均为草地 > 林地 > 农田（图 1 e，图 1g，图 1h）。
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注：同一土层不同小写字母表示不同处理间差异显著（P < 0.05）。 Note: Different lowercase letters in the same layer indicate significant differences at P < 0.05 level among treatments. 图 1 土壤活性有机碳含量及其占土壤总有机碳的比例 Fig. 1 Soil labile organic carbon content and their proportions to total soil organic carbon |
依据FTIR吸收峰的归类[17]，2 920和2 850 cm–1为脂族结构中的C-H伸缩振动；1 630 cm–1为芳香C=C伸缩振动；1 420 cm–1为-CH2和-CH3中的C-H弯曲变形振动。三种利用方式下1 630 cm–1的相对吸收峰以及1 630/（2 920+2 850）比值（芳香族/脂族）随剖面加深而增加（图 2，表 2）。在0~80 cm各土层，2 920+2 850 cm–1的相对吸收峰强度均表现为草地 > 林地 > 农田，1 630 cm–1的相对吸收峰强度以及1 630/（2 920+2 850）比值则表现为农田 > 林地 > 草地。
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图 2 不同利用方式下0~100 cm各土层的土壤红外光谱图 Fig. 2 Soil FTIR spectra in 0~100 cm depth under different land-use |
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表 2 不同吸收峰（cm–1）对应官能团的相对强度 Table 2 Relative FTIR absorption intensity of different bands/% |
土壤剖面0~100 cm各土层中SOM的13C-NMR谱图形状基本一致（图 3）。SOM的非极性烷基碳和烷氧碳的吸收峰强度均随剖面深度的增加而呈降低趋势，芳香碳则相反（图 3）。从官能团的比例来看（表 3），随着深度的增加，非极性烷基碳、甲氧基碳和烷氧基碳的比例呈逐渐降低趋势，而芳香碳比例则逐渐升高。对于酚羟基和羧基碳而言，上层（0~20 cm以上）土壤一般低于下层土壤（20~100 cm）。
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图 3 不同利用方式下0~100 cm各土层的土壤13C-NMR谱图 Fig. 3 Soil 13C-NMR spectra in 0~100 cm depth under different land-use |
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表 3 土壤13C-NMR谱图不同化学位移（ppm）区间官能团相对比例 Table 3 Assignment at different chemical shift regions (ppm)and their relative proportions in soil 13C-NMR/% |
与草地和林地相比，农田各土层的烷氧碳吸收峰强度明显较弱（图 3），但其芳香碳的吸收峰较强。0~100 cm各土层的甲氧基和烷氧碳的比例均表现为草地 > 林地 > 农田（表 3），其中，草地和林地的甲氧基含量平均较农田高13.6%和12.3%，烷氧基含量平均较农田高11.4%和8.2%。而芳香碳和酚羟基则表现为农田 > 林地 > 草地，农田的芳香碳含量平均较草地和林地高25.2%和4.9%，羧基碳含量平均较草地和林地高14.7%和9.8%。此外，农田0~60 cm各土层与氧相关的羧基和酮/醛（羰基）含量明显高于草地和林地。
3 讨论 3.1 土地利用方式对土壤剖面中活性有机碳的影响土壤剖面中有机质的来源包括以下四种途径：植物根系残体、根系分泌物、生物扰动和上层溶解性有机质[18]。土壤活性有机碳含量随着土壤深度的加深而逐渐降低（图 1），这种不同层次间的差异一方面是由植物残体的输入量不同所导致的，因为在0~100 cm范围内，根系的输入量呈逐渐降低的趋势[5]，另一方面是由于向下层运移的溶解性有机质，会被土壤矿物所逐渐吸附[19]，因此越往下层，来自于上层的溶解性有机质越少。不同利用方式对活性有机碳的影响可达40 cm土层，这反映了其对土壤管理措施的敏感性较高。草地0~60 cm各层的活性有机碳含量高于林地和农田，这与黑土自然草原化草甸植被丰富的地上、地下生物量有关（表 1）。温带草地生态系统的植物有大部分碳分配于地下，且根系与枝叶比例均衡，根系生物量较一年一季的农田高出10倍以上[20]，这对活性有机碳的形成具有积极意义。人工云杉林地属浅根系树种，根系多分布在0~40 cm的上层土壤中，而且每年凋落物数量有限，分解缓慢的枯落物主要积聚地表[21]，导致其对剖面中活性有机碳的提升作用弱于草地。在农田生态系统中，只有少量的枯枝落叶、根茬及根系分泌物归还到土壤中，而且频繁的耕作措施会加速土壤活性有机碳的矿化[22]，因此，其活性有机碳含量均最低（图 1）。通过适宜的农艺措施，减少对土壤的扰动，并保证充足的有机物料（秸秆、有机肥）的投入，是提升农田黑土有机质数量和性状的重要途径[10]。
3.2 不同土层中土壤有机质化学组成的差异土壤剖面由上至下，SOM的脂族结构逐渐降低，而芳香结构逐渐增强（图 2，表 2），这与Tivet等[8]在热带和亚热带获得的FTIR结果一致。13C-NMR数据表明，随着深度的增加，SOM的甲氧基碳和烷氧基碳的比例逐渐降低（图 3，表 3），反映了上、下层SOM稳定程度的差异。甲氧基主要来源于多肽[23]，烷氧基则主要来自于纤维素、半纤维素及其他聚合或非聚合的糖类，其主体是碳水化合物[24]，属于容易降解的化合物，主要来源于植物残体。因此，剖面中植物残体数量的逐渐减少，是SOM甲氧基和烷氧基碳降低的主要原因，这与土壤活性有机碳含量的变化规律一致（图 1）。SOM中的芳香碳惰性强，主要来源于木质素[25]、微生物合成产物[26]或者黑炭[27]。FTIR和NMR分析均表明，黑土剖面SOM芳香碳的比例随深度的增加而升高，且下层SOM的酚羟基和羧基碳比例高于上层土壤，这可能是由于黑土中存在一定数量的芳香性较强的黑炭，表层黑炭会被淋溶至深层，经过不断氧化，芳香C-O，芳香C-C以及羧基/酰胺基不断积累[28]。
3.3 土地利用方式对土壤剖面中有机质化学组成的影响草地和林地SOM的甲氧基和烷氧碳含量高于农田，芳香碳则相反，说明草地和林地SOM含有更多氧化程度低、易分解的组分（烷氧碳），腐殖化程度降低，这与二者较高的活性有机碳含量相符（图 1），主要是由于二者土壤有大量的新鲜有机物进入，碳水化合物较多，为SOM中烷氧碳的形成提供了丰富来源[29]。而农田表层土壤中，一方面新鲜有机物料输入少，另一方面频繁的耕作会加速纤维素、半纤维素、氨基酸等易氧化物质的分解，促使SOM的分子结构趋于稳定[30]。此外，在0~60 cm，农田各土层与氧相关的羧基和酮/醛（羰基）含量明显高于草地和林地，Martin等[31]发现，耕作可促使木质素和多糖发生矿化，形成含羧酸酯基的非木质素芳香化合物。以往有关自然草地植被转变为农田后SOM分子结构改变的研究较多，例如，Helfrich等[32]对德国淋溶土的研究显示，耕作会导致SOM的芳香结构增强，Solomon等[33]发现，随着开垦年限的延长，SOM的烷氧碳会不断降解，腐殖质不断芳香化。本文的逆向研究得出了相反的结论，这证明SOM的分子结构具有可逆性或可恢复性。
对黑土进行大面积退耕势必会对国家粮食产能产生影响，但本文研究结果表明，从可持续利用的角度出发，对黑土进行适当休耕，尤其是退化严重的黑土，可使其有机质含量得到一定程度的恢复，并提高其活性组分，这对黑土耕地地力的提升具有重要意义。
4 结论土地利用方式对黑土0~100 cm土体中的SOM组成产生了重要影响。农田恢复为自然草地和变更为人工林地，对土壤剖面中活性有机碳的含量具有提升作用，且草地的提升效果强于林地，0~100 cm各土层的活性有机碳含量普遍表现为草地 > 林地 > 农田。随着剖面深度的增加，SOM的稳定程度呈现规律性变化，活性较高的甲氧基碳和烷氧基碳逐渐降低，而稳定程度较高的芳香碳和羧基碳则逐渐增加，SOM的腐质化程度逐渐增强。由于草地和林地土壤中较多新鲜有机物料的投入，二者SOM中的活性成分（甲氧基和烷氧碳）含量高于农田，而农田SOM含有较高的芳香结构和羧基碳，腐质化程度较高。因此，从黑土可持续利用的角度出发，进行适当的休耕，增加新鲜有机物料投入，可提高黑土活性有机质组分，改善土壤肥力。
致谢 感谢中国农业科学院农业资源与农业区划研究所张斌研究员在核磁共振分析测试中给予的帮助。
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