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土壤有機碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫，與生態(tài)系統(tǒng)中生物存活率有非常緊密的聯(lián)系。土壤有機碳雖然占土壤總質(zhì)量的比例很小，但是在土壤肥力、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)系統(tǒng)平衡等方面扮演著重要角色[1]。此外，土壤有機碳的變化對大氣CO2濃度的影響明顯，被認為是影響全球氣候變暖的重要因素之一。因此，充分評估土壤有機碳庫的周轉(zhuǎn)時間和大小對提高土壤生產(chǎn)能力、模擬全球碳循環(huán)動力學具有非常重要的意義[2]。為了實現(xiàn)這一目的，通常采用穩(wěn)定碳同位素技術(shù)來評估土壤有機碳的分解程度、土壤碳周轉(zhuǎn)以及研究C3/C4植被變化歷史中作物對土壤有機碳的貢獻率[3-4]。隨著人們對全球問題的日益重視，和對農(nóng)業(yè)土壤碳庫在全球碳循環(huán)及大氣CO2濃度增加作用認識的不斷深入[5]，土地利用模式和農(nóng)藝措施等對土壤有機碳的影響受到更為廣泛的關(guān)注[6]。土壤有機碳增加和損失的幅度與采取的管理措施密切相關(guān)[7]，通過采取合理的管理措施將提高有機碳輸入和降低有機碳輸出結(jié)合起來，從而提高土壤有機碳儲量。大量研究表明[8-9]，施肥及輪作等管理措施能改良土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤有機碳含量。山西是我國沉積型鋁土礦儲量大省，孝義鋁礦是我國目前開采量最大的露天鋁土礦山，礦區(qū)總占地面積達1158.2hm2[10]。礦區(qū)廢棄地占用大量的耕地面積，使得周圍生態(tài)系統(tǒng)退化，土壤肥力下降，多種不利因素（如土壤侵蝕、養(yǎng)分流失、植被退化等）嚴重制約土壤有機碳的累積[11]。新《土地管理法》規(guī)定了占用耕地補償制度，要求嚴格執(zhí)行和落實建設(shè)占用耕地“先補后占”“、占一補一”的審核制度，從而確保耕地占補平衡落到實處[12]。為了綜合整治退化的生態(tài)系統(tǒng)，實現(xiàn)土地的有效合理利用及對生態(tài)環(huán)境的保護，通過系統(tǒng)研究不同管理措施對復墾過程中土壤有機碳產(chǎn)生的影響，確定合理的管理措施來提高土壤碳儲量，進而達到改善土壤質(zhì)量和減緩溫室效應的雙贏結(jié)果[13]。本文以鋁礦廢棄地復墾區(qū)玉米種植地為研究對象，采用施肥及輪作雙因素完全隨機區(qū)組設(shè)計，探討不同管理措施對土壤碳固定的影響，為評價不同管理措施對鋁礦廢棄地復墾區(qū)碳循環(huán)的影響提供理論依據(jù)。
1材料與方法
1.1試驗點的基本概況試驗區(qū)位于山西省孝義市西部山區(qū)，為我國目前開采量最大的露天鋁土礦山廢棄地復墾區(qū)。該區(qū)屬于典型的大陸性半干旱氣候，四季劃分明顯，春季多風，夏季炎熱，秋季多雨，冬季寒冷干燥，一年的最高氣溫達37℃，最低氣溫在-20℃以下。一般情況下，年降雨量在450~550mm之間，平均降雨量為529mm，降雨形式主要以暴雨為主，據(jù)統(tǒng)計日最大暴雨量可達113.3mm。降雨主要集中在7—9月，占全年總降雨量的61%以上，除秋季外其余時間一般是干旱無雨，且每年的無雨期長達100d以上，其蒸發(fā)量是降雨量的3~4倍。供試土壤為褐土，土質(zhì)適宜耕種。試驗地土壤理化性質(zhì)見表1。
1.2試驗設(shè)計供試作物為玉米（益田18）。試驗采用雙因素完全隨機區(qū)組設(shè)計，分別是前茬處理和肥料處理。前茬處理分別為晉豆28和晉豆25（礦區(qū)復墾區(qū)首次種植）；肥料處理分別是有機肥、有機+無機肥、無機肥、對照組（不施肥）。共8個處理，每個處理設(shè)3個小區(qū)，具體見表2。
1.3采樣及處理土樣采集：2010年10月14日夏玉米收獲后進行土樣采集，每個樣點分0~20cm和20~40cm不同土層取樣。剔除土樣中的植物根系和殘渣，帶回室內(nèi)自然風干，磨碎過篩備用。植株地上部分樣品采集：待玉米成熟以后，收集玉米的籽粒及秸稈，洗凈于105℃的溫度下殺青30min，60℃溫度下烘干至恒重，粉碎備用。
1.4實驗方法
1.4.1土壤有機碳含量測定重鉻酸鉀容量法-外加熱法[14]。
1.4.2有機質(zhì)穩(wěn)定碳同位素分析土壤樣品風干后過0.2mm篩，植物樣品（包括秸稈、籽粒）經(jīng)過磨細過0.1mm篩。用ThermalFinniganMATDELTAplusXP質(zhì)譜儀分別測定δ13C值[15]。
1.4.3土壤全氮及堿解氮的測定[14]土壤全氮測定采用半微量開氏法。土壤堿解氮采用堿解擴散法測定。
1.4.4土壤全磷及有效磷的測定[14]土壤全磷采用HClO4-H2SO4法測定。土壤有效磷采用0.5mol•L-1NaHCO3法測定。
1.4.5土壤全鉀及速效鉀的測定[14]土壤全鉀采用NaOH熔融，火焰光度法測定。土壤速效鉀采用NH4OAc浸提，火焰光度法測定。
1.4.6土壤pH值測定稱取過2mm篩孔的風干土樣10.00g，采用無CO2的去離子水作浸提劑，以1∶2.5的土水比測定土壤pH值。
1.5實驗原理穩(wěn)定碳同位素天然豐度值用來描述樣品與標準化合物天然豐度變異的指標：δ13C（‰）=（Rsample/Rstandard-1）×1000其中R為13C/12C比值，δ13C的天然豐度RPDB為0.0112372。根據(jù)不同光合途徑的植物（C3、C4和CAM植物）具有不同13C豐度的特點，形成的光合產(chǎn)物不一樣，且植物在光合作用過程中對13C的吸收比例不同（C3植物δ13C值的變化范圍是-23‰～-40‰，平均值為-27‰。C4植物δ13C值的變化范圍是-9‰～-19‰，平均值為-12‰[16-17]）。將長期生長C3植物的土壤稱作C3土壤，長期生長C4植物的土壤稱作C4土壤。研究表明[18]，將C3植物種植在C4土壤上，或者C4植物種植在C3土壤上，經(jīng)過一段時間以后，通過測定土壤δ13C的變化，可以計算出土壤有機碳的周轉(zhuǎn)或更新速率。假設(shè)種植C3植物A的土壤碳δ13C值為δA，現(xiàn)改為種植C4植物B的土壤碳δ13C值為δB，那么C3植物被C4植物取代以后，經(jīng)過一定的轉(zhuǎn)化時間t，設(shè)C4植物B對土壤有機碳的貢獻是f（t%），此時土壤有機碳的δ13C值（δt）可表示為δA、δB和ft的函數(shù)：δt=ft×δB+（1-ft）×δA由此求出C4植物B對土壤有機碳的貢獻率ft：ft=（δt-δA）（/δB-δA）
1.6數(shù)據(jù)處理與分析數(shù)據(jù)經(jīng)Excel2003整理后，采用SPSS13.0進行統(tǒng)計分析，處理間的差異顯著性采用單因素（One-WayANOVA）檢驗，并用LSD多重比較法檢驗其差異顯著性（P<0.05）；采用獨立樣本T檢驗法檢驗土層0~20cm和20~40cm土壤有機碳含量以及土壤δ13C值之間的顯著性水平（P<0.05），依次來明確施肥及輪作是否引起鋁礦復墾區(qū)土壤有機碳含量的變化。此外，玉米籽粒和秸稈δ13C值兩者之間的簡單相關(guān)采用Linear相關(guān)統(tǒng)計方法，可以明確施肥及輪作條件下玉米籽粒和秸稈中δ13C值之間是否具有相關(guān)性。所有測定數(shù)據(jù)結(jié)果以平均值±標準誤的形式表達。
2結(jié)果與分析
2.1土壤有機碳含量由表3可以看出，管理措施對鋁礦復墾區(qū)土壤有機碳含量的影響顯著。0~20cm土層中，前茬晉豆28條件下，使用肥料的處理組均可使土壤有機碳含量顯著提高（P<0.05），分別提高了2.23、1.85、0.90g•kg-1，其中有機肥和有機+無機肥較無機肥更能顯著提高土壤有機碳含量（P<0.05），而前兩種肥料對土壤有機碳含量的影響差異不顯著（P>0.05）。前茬晉豆25條件下，施肥亦能顯著提高土壤有機碳含量（P<0.05），分別提高了1.10、1.35、0.85g•kg-1。在施加有機肥和有機+無機肥條件下，前茬種植晉豆28較晉豆25更能顯著提高土壤有機碳含量（P<0.05），分別提高了1.17、0.54g•kg-1。施加無機肥和不施肥條件下，前茬種植晉豆28和晉豆25對土壤有機碳含量的影響差異均不顯著（P>0.05）。20~40cm土層中，前茬晉豆28條件下，有機肥和有機+無機肥均能顯著提高土壤有機碳含量（P<0.05），分別提高了1.84、1.60g•kg-1，而無機肥對土壤有機碳含量的影響差異不顯著（P>0.05）。前茬晉豆25條件下，有機肥和有機+無機肥均能顯著提高土壤有機碳含量，分別提高了1.73、1.35g•kg-1，且有機肥對有機碳含量的影響更為明顯（P<0.05），無機施加有機肥、無機肥和不施肥條件下，前茬晉豆28和晉豆25對土壤有機碳含量的影響差異不顯著（P>0.05）。施加有機+無機肥的條件下，前茬晉豆28較晉豆25更能顯著提高土壤有機碳含量（P<0.05）?？傊阡X礦廢棄地復墾區(qū)采取不同管理措施對土壤有機碳含量均有影響，前茬晉豆28條件下，施加有機肥和有機+無機肥的土壤有機碳含量最高。表3進一步表明，在前茬種植晉豆28和晉豆25條件下，施肥及對照中，隨著土層深度的增加有機碳含量均顯著降低（P<0.05）。此外，與復墾前未進行農(nóng)業(yè)耕種的土壤相比，在不施肥條件下，前茬種植晉豆28和晉豆25的土壤有機碳含量偏低，說明不施肥單一輪作并不能提高土壤有機碳含量。在前茬處理的基礎(chǔ)上，施用肥料可顯著提高土壤中有機碳含量，可見輪作方式配合施肥更有利于土壤中有機碳的積累。
2.2土壤δ13C值由圖1可知，不同管理措施可對鋁礦復墾區(qū)土壤的δ13C值產(chǎn)生顯著影響，δ13C值的變幅為-14.33‰～-6.64‰。兩種輪作方式對土壤中碳δ13C值的影響存在顯著差異（P<0.05），表現(xiàn)為不同施肥及對照處理中，前茬種植晉豆28的土壤中碳δ13C值均顯著低于前茬種植晉豆25（P<0.05）的處理。兩種土層深度的土壤碳δ13C值的變化趨勢基本一致：前茬種植晉豆25的小區(qū)中，各肥料處理土壤δ13C值的變化規(guī)律為對照組<有機肥<有機+無機肥<無機肥；前茬種植晉豆28的小區(qū)中，各肥料處理土壤δ13C值的變化規(guī)律為有機+無機肥<對照組<有機肥<無機肥。由此可見，不同施肥及對照處理中，前茬種植晉豆28的土壤中碳δ13C值均顯著低于前茬種植晉豆25處理，兩種土層深度中各肥料處理的土壤碳δ13C值變化趨勢一致。此外，結(jié)果表明各施肥及對照處理中，土壤δ13C值均隨著土層深度的增加而顯著升高（P<0.05）
2.3玉米籽粒和秸稈δ13C值由圖2可以看出，不同管理措施可對玉米籽粒的δ13C值產(chǎn)生顯著影響，玉米籽粒δ13C值的變幅為-13.47‰～-9.60‰。兩種輪作方的對玉米籽粒δ13C值存在顯著差異（P<0.05），表現(xiàn)為不同的施肥處理及對照中，前茬種植晉豆28的玉米籽粒δ13C值均顯著低于前茬種植晉豆25的處理（P<0.05），使用有機肥、有機+無機肥、無機肥及對照組中，籽粒δ13C值分別降低1.02‰、3.47‰、3.02‰、2.86‰。兩種輪作方式中各肥料處理的玉米籽粒δ13C值的變化趨勢基本一致，其規(guī)律為：有機+無機肥>無機肥>對照組>有機肥。由圖3可知，玉米秸稈δ13C值的變幅為-16.32‰～-10.97‰。兩種輪作方式對玉米秸稈δ13C值的影響存在差異（P<0.05），表現(xiàn)為各施肥處理及對照組中，前茬種植晉豆28的玉米秸稈δ13C值均顯著低于前茬種植晉豆25的處理（P<0.05），使用有機肥、有機+無機肥、無機肥及對照組中，秸稈δ13C值分別降低1.37‰、0.58‰、0.49‰、1.99‰。前茬晉豆28條件下，施肥對玉米秸稈δ13C值的影響差異不顯著（P>0.05），其中肥料的各處理組對玉米秸稈δ13C值的影響差異也不顯著（P>0.05）。前茬晉豆25條件下，施肥可顯著降低玉米秸稈δ13C值（P<0.05），分別降低了3.19‰、4.77‰、4.36‰，其中肥料各處理之間對秸稈δ13C值的影響差異不顯著（P>0.05）。由此可見，不同施肥及對照處理中，前茬種植晉豆28的玉米籽粒和秸稈的δ13C值均顯著低于前茬種植晉豆25的處理。此外，由圖2和圖3亦可看出，施肥及輪作條件下，玉米籽粒較秸稈的δ13C值高，說明玉米籽粒比秸稈更容易富集13C。
3討論
3.1管理措施對土壤有機碳含量的影響在本研究中，通過測定施肥及輪作方式下不同土壤層次（0~20cm、20~40cm）的有機碳含量，可知土壤有機碳含量隨著土層深度的增加而逐漸降低。土壤表層接受大量的枯枝落葉，而且植物根系主要集中在土壤表層，有機質(zhì)來源比較豐富，而微生物活動會造成土壤有機碳的部分損失，但是表層中輸入的有機碳量足可以彌補因微生物分解以及礦化作用損失的那部分，所以表層土壤有機碳含量較高[9，19]。隨著土層的加深，微生物數(shù)量逐漸減少，有機碳的周轉(zhuǎn)速率減緩，有機碳的含量進入一個緩慢降低的層面，最后含量在深部土層基本保持穩(wěn)定[8，20]。在本文表3中，有機肥或者有機+無機肥的施加都能顯著提高復墾區(qū)土壤有機碳含量，可能原因是施加肥料能夠增加土壤中微生物數(shù)量，提高微生物活性，促進土壤中有機碳的更新，其次有機肥中含大量的碳素，增加土壤呼吸底物的供應，另外施有機肥能促進有機質(zhì)的輸入，從而使得土壤有機碳含量顯著提高。施加無機肥能增加土壤表層有機碳含量，可能的原因是施無機肥能增加作物的生物量，土壤中的作物殘渣向有機碳的轉(zhuǎn)化利用率也會相對提高[21]。在不同前茬處理條件下，施有機肥和有機+無機肥處理的有機碳含量均高于無機肥處理，說明施有機肥和有機+無機肥是增加土壤有機碳累積的主要途徑。此外，有研究表明[22]，施有機肥使土壤有機質(zhì)的氧化穩(wěn)定性降低，而無機肥或不施肥則使土壤有機質(zhì)的氧化穩(wěn)定性升高。由此不難看出，有機肥與無機肥的配合施用不僅能提高土壤有機碳的含量，而且能增強有機碳的氧化穩(wěn)定性。本研究表明，輪作配合施肥能顯著提高土壤有機碳含量，分析其原因：一方面是施肥能夠增加土壤有機碳的儲存；另一方面是輪作可以增加作物根系以及土層中殘渣的數(shù)量，改變殘渣的化學質(zhì)量，影響其礦化固定，從而降低耕作對有機碳的衰減效應[23]。有研究表明，在輪作體系中加入豆科作物有利于土壤有機碳的固存[24]。但在不施肥條件下，前茬晉豆28和晉豆25后土壤有機碳含量偏低，說明不施肥單一輪作并不能提高土壤有機碳含量，其可能的原因是后一種作物的生物量偏低造成前一種作物累積的土壤有機碳損失[25]。
3.2管理措施對土壤δ13C值的影響本研究結(jié)果表明，鋁礦復墾區(qū)土壤δ13C值隨土層深度的增加而增加，于貴瑞等[26]研究表明，土壤δ13C值增加可能歸功于13C貧化的有機化合物的分解作用，土層深度越深，其土壤中含有老的以及穩(wěn)定的有機化合物的含量越高，而表層土壤中的有機碳大多為較年輕和非穩(wěn)定的有機化合物，這也會導致穩(wěn)定碳13C值的垂直變化。此外還有學者[20]認為，在土壤的不同土層中有機碳δ13C值的上升幅度也不同，這可能與土壤有機質(zhì)分解過程中碳同位素分餾效應的強弱程度有關(guān)，分餾效應越強，上升幅度越大，表明有機碳分解程度也就越高。土壤有機碳穩(wěn)定同位素組成主要受地表植物類型和土壤成土環(huán)境等因素的制約，通過對不同管理措施下土壤有機碳穩(wěn)定同位素組成特征分析得到，在不同施肥條件下，與前茬種植晉豆25的輪作方式相比，前茬種植晉豆28處理的土壤δ13C值普遍偏低，說明土壤δ13C值與有機碳的來源存在顯著的相關(guān)關(guān)系。分析其可能的原因，兩種作物以及不同的肥料輸入到土壤中的有機碳不同，導致土壤有機碳更新程度不一致，使得土壤δ13C值產(chǎn)生差異，同時也與不同肥料及前茬作物攜帶的外援物質(zhì)本身的δ13C值差異有關(guān)。由于C3和C4植物的δ13C值都是在一定的范圍之內(nèi)，同一種類植物的δ13C值之間也必然存在一定的差異，其中C3植物之間δ13C值的最大差異為12‰，C4植物為4‰[2]。由于土壤δ13C值是不同植物種類對群落凈初級生產(chǎn)力相對貢獻的綜合結(jié)果，如果地表植物組成保持穩(wěn)定，則土壤表層的δ13C值與植物群落的δ13C值相近似，而且地面植物種類是制約土壤δ13C值變化的主要因素[27]。
3.3管理措施對作物中δ13C值的影響不同管理措施會對玉米籽粒和秸稈中的碳δ13C值產(chǎn)生顯著影響。據(jù)分析，造成這一差異的原因可能有兩個方面：一是作物從土壤中吸收的有機碳來源比較復雜，不僅包括作物殘渣中的有機碳，還有肥料及前茬作物中攜帶的碳素；二是作物吸收的外援物質(zhì)中碳素的δ13C值本身就有差異。前茬種植晉豆28的處理中，將施加不同肥料的玉米籽粒和秸稈的δ13C值進行回歸分析，獲得回歸方程為y=-34.797-0.371x（P=0.158）；前茬種植晉豆25的處理中，將施加不同肥料的玉米籽粒和秸稈的δ13C值進行回歸分析，獲得回歸方程為y=-25.541-0.016x（P=0.725）。兩個P值均大于0.05，說明在不同的施肥處理下，玉米籽粒和秸稈中δ13C值之間沒有顯著相關(guān)性。對玉米籽粒和秸稈中δ13C值進行T檢驗，其結(jié)果表明，不同的施肥及前茬處理下，玉米籽粒和秸稈的δ13C值均有顯著性差異，說明秸稈中的同化物向籽粒轉(zhuǎn)移時，發(fā)生了碳同位素的分餾作用。
3.4管理措施對有機碳貢獻率的影響通過測定土壤有機碳的自然豐度值，以及可能來源的植物殘體的13C豐度值，來計算土壤有機碳的來源和比例，可有效闡明土壤碳動態(tài)和土壤碳儲量的遷移與轉(zhuǎn)換，定量化評價新老土壤有機碳對碳儲量的相對貢獻[28]。在本研究的施肥條件下，土壤有機碳的來源比較復雜，不僅包括作物殘體中的碳，而且還含肥料中的碳，因此在施肥的3個處理中，豆科作物殘體對土壤碳的貢獻是無法計算出來。根據(jù)上述1.5節(jié)公式計算不施肥條件下豆科作物殘體對土壤有機碳的貢獻率發(fā)現(xiàn)，前茬種植晉豆28和晉豆25對土壤有機碳的貢獻率分別為64.82%、60.64%，由此可見，在前茬種植晉豆28和晉豆25條件下，種植玉米后土壤有機碳主要來自豆科作物的殘渣。