第４０卷第１６期２０２０年８月生态学报ＡＣＴＡＥＣＯＬＯＧＩＣＡＳＩＮＩＣＡＶｏｌ．４０，Ｎｏ．１６Ａｕｇ．，２０２０基金项目：国家林业局林业公益性行业科研专项（２０１４０４２０２）
收稿日期：２０１９⁃０８⁃２３；㊀㊀网络出版日期：２０２０⁃０６⁃０８
∗通讯作者Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ．Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｅｒｘｉｎ２２２＠１６３．ｃｏｍ
ＤＯＩ：１０．５８４６／ｓｔｘｂ２０１９０８２３１７５６
翟国庆，韩明钊，李永江，王恩姮．黑土坡耕地有机碳变化及固碳潜力分析．生态学报，２０２０，４０（１６）：５７５１⁃５７６０．
ＺｈａｉＧＱ，ＨａｎＭＺ，ＬｉＹＪ，ＷａｎｇＥＨ．Ｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎｃｈａｎｇｅａｎｄｃａｒｂｏｎｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎｐｏｔｅｎｔｉａｌｏｆｓｌｏｐｉｎｇｆａｒｍｌａｎｄｉｎｔｈｅｂｌａｃｋｓｏｉｌａｒｅａ．ＡｃｔａＥｃｏｌｏｇｉｃａＳｉｎｉｃａ，２０２０，４０（１６）：５７５１⁃５７６０．黑土坡耕地有机碳变化及固碳潜力分析
翟国庆，韩明钊，李永江，王恩姮∗
东北林业大学林学院，哈尔滨㊀１５００４０
摘要：东北黑土区自开垦以来有机质含量逐渐降低，有机碳库长期处于亏缺状态，理论上也具有较大的固碳潜力㊂以典型黑土区长期传统作业的坡耕地（３０ ６０ａ）为研究对象，通过测定不同坡位（坡上侵蚀区和坡下沉积区）㊁不同土层（表土和底土）有机碳分布特征，估算不同开垦年限黑土固碳潜力及其恢复至固碳潜力所需的时间㊂结果表明：（１）总有机碳㊁有机碳密度以及碳饱和水平均表现为沉积区显著大于侵蚀区，表土显著大于底土，且均在开垦３０ａ坡耕地达到最大值；（２）固碳潜力表现为侵蚀区（１．２４ ２．８９ｋｇ／ｍ２）显著大于沉积区（０．７９ １．０４ｋｇ／ｍ２），底土（０．８３ ３．５９ｋｇ／ｍ２）显著大于表土（０．６ ２．５３ｋｇ／ｍ２），随着开垦年限的增加表现为开垦３０ａ显著小于开垦４０ａ㊁６０ａ；（３）黑土坡耕地（３０ ６０ａ）侵蚀区和沉积区土壤（０ ５０ｃｍ）达到固碳潜力分别需要２０ １８１ａ和１３ ６６ａ㊂黑土坡耕地固碳潜力的时空变异性在农业经营以及修复管理过程中需引起重视，以实现黑土资源的可持续利用㊂
关键词：开垦年限；表土和底土；侵蚀⁃沉积区；有机碳密度；固碳时间
ＯｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎｃｈａｎｇｅａｎｄｃａｒｂｏｎｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎｐｏｔｅｎｔｉａｌｏｆｓｌｏｐｉｎｇｆａｒｍｌａｎｄｉｎｔｈｅｂｌａｃｋｓｏｉｌａｒｅａＺＨＡＩＧｕｏｑｉｎｇ，ＨＡＮＭｉｎｇｚｈａｏ，ＬＩＹｏｎｇｊｉａｎｇ，ＷＡＮＧＥｎｈｅｎｇ∗
ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＦｏｒｅｓｔｒｙ，ＮｏｒｔｈｅａｓｔＦｏｒｅｓｔｒｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５００４０，Ｃｈｉｎａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＳｏｉｌｏｒｇａｎｉｃｍａｔｔｅｒｈａｓｇｒａｄｕａｌｌｙｄｅｃｒｅａｓｅｄｓｉｎｃｅｔｈｅｏｒｉｇｉｎａｌｒｅｃｌａｍａｔｉｏｎｏｆｂｌａｃｋｓｏｉｌｉｎＮｏｒｔｈｅａｓｔＣｈｉｎａ，ａｎｄｔｈｅｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎｐｏｏｌｈａｓｍａｉｎｔａｉｎｅｄａｄｅｆｉｃｉｅｎｔｓｔａｔｅｆｏｒａｎｅｘｔｅｎｄｅｄｐｅｒｉｏｄ，ｗｈｉｃｈｉｎｔｈｅｏｒｙｌｅａｄｓｔｏａｇｒｅａｔｅｒｃａｒｂｏｎｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎｐｏｔｅｎｔｉａｌ．Ｂａｓｅｄｏｎｓｌｏｐｉｎｇｆａｒｍｌａｎｄｓ（３０ ６０ａ）ｉｎａｔｙｐｉｃａｌｂｌａｃｋｓｏｉｌａｒｅａ，ｔｈｅｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｏｉｌｌａｙｅｒｓ（ｔｏｐｓｏｉｌａｎｄｓｕｂｓｏｉｌ）ａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｌｏｐｅｐｏｓｉｔｉｏｎｓ（ｕｐｐｅｒ⁃ｓｌｏｐｅｅｒｏｄｅｄａｒｅａａｎｄｌｏｗｅｒ⁃ｓｌｏｐｅｄｅｐｏｓｉｔａｒｅａ）ｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｈｅｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎｐｏｔｅｎｔｉａｌｏｆｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎｏｎｓｌｏｐｉｎｇｆａｒｍｌａｎｄｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｅｃｌａｍａｔｉｏｎｙｅａｒｓａｎｄｄｕｒａｔｉｏｎｔｏｍｅｅｔｔｈｅｃａｒｂｏｎｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎｐｏｔｅｎｔｉａｌｗｅｒｅｅｓｔｉｍａｔｅｄ．Ｔｈｅ
ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔ：（１）ｔｈｅｔｏｔａｌｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎ，ｔｈｅｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎｄｅｎｓｉｔｙ，ａｎｄｔｈｅｃａｒｂｏｎｓａｔｕｒａｔｉｏｎｌｅｖｅｌｉｎｌｏｗｅｒ⁃ｓｌｏｐｅｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎａｒｅａｓａｎｄｉｎｔｈｅｔｏｐｓｏｉｌｌａｙｅｒｗｅｒｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｇｒｅａｔｅｒｔｈａｎｔｈｏｓｅｉｎｕｐｐｅｒ⁃ｓｌｏｐｅｅｒｏｄｅｄａｒｅａｓａｎｄｓｕｂｓｏｉｌｌａｙｅｒ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ａｌｌｔｈｅｉｒｍａｘｉｍｕｍｖａｌｕｅｓｗｅｒｅｆｏｕｎｄｔｏｏｃｃｕｒｏｎｓｌｏｐｉｎｇｆａｒｍｌａｎｄｗｉｔｈ３０ｙｅａｒｓｏｆｒｅｃｌａｍａｔｉｏｎ．（２）Ｔｈｅｃａｒｂｏｎｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎｐｏｔｅｎｔｉａｌｏｆｕｐｐｅｒ⁃ｓｌｏｐｅｅｒｏｄｅｄａｒｅａｓ（１．２４ ２．８９ｋｇ／ｍ２）ａｎｄｓｕｂｓｏｉｌ（０．８３ ３．５９ｋｇ／ｍ２）ｗａｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆｌｏｗｅｒ⁃ｓｌｏｐｅｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎａｒｅａｓ（０．７９ １．０４ｋｇ／ｍ２）ａｎｄｔｏｐｓｏｉｌ（０．６ ２．５３ｋｇ／ｍ２），ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅｐｏｔｅｎｔｉａｌｏｆｃａｒｂｏｎｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎｗａｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｌｏｗｅｒｉｎｆａｒｍｌａｎｄｗｉｔｈ３０ｙｅａｒｓｏｆｒｅｃｌａｍａｔｉｏｎｔｈａｎｔｈａｔｉｎｆａｒｍｌａｎｄｓｗｉｔｈ４０ｙｅａｒｓａｎｄ６０ｙｅａｒｓｏｆｒｅｃｌａｍａｔｉｏｎ．（３）Ｉｔｗｉｌｌｔａｋｅ２０ １８１ａａｎｄ１３ ６６ａｔｏａｃｈｉｅｖｅｃａｒｂｏｎｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎｐｏｔｅｎｔｉａｌｉｎｕｐｐｅｒ⁃ｓｌｏｐｅｅｒｏｄｅｄａｒｅａｓａｎｄｌｏｗｅ
ｒ⁃ｓｌｏｐｅｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎａｒｅａｓｏｆｓｌｏｐｉｎｇｆａｒｍｌａｎｄ（３０ ６０ａ）ｉｎｂｌａｃｋｓｏｉｌ（０ ５０ｃｍ），
２５７５㊀生㊀态㊀学㊀报㊀㊀㊀４０卷㊀ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｍｏｒｅａｔｔｅｎｔｉｏｎｓｈｏｕｌｄｂｅｐａｉｄｔｏｔｈｅｓｐａｔｉａｌ⁃ｔｅｍｐｏｒａｌｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｃａｒｂｏｎｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎｐｏｔｅｎｔｉａｌｏｎｓｌｏｐｉｎｇｆａｒｍｌａｎｄｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｏｐｅｒａｔｉｏｎａｎｄｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，ｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅｐｏｔｅｎｔｉａｌｏｆｂｌａｃｋｓｏｉｌｒｅｓｏｕｒｃｅｓ．
ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ｒｅｃｌａｍａｔｉｏｎｙｅａｒｓ；ｔｏｐｓｏｉｌａｎｄｓｕｂｓｏｉｌ；ｅｒｏｓｉｏｎ⁃ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎａｒｅａ；ｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎｄｅｎｓｉｔｙ；ｃａｒｂｏｎｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎｄｕｒａｔｉｏｎ
土壤有机碳（ＳｏｉｌＯｒｇａｎｉｃＣａｒｂｏｎ，ＳＯＣ）封存在粮食安全和气候变化方面发挥关键作用［１］㊂２１届巴黎联合国气候大会上提出 千分之四 倡议（ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．４ｐ１０００．ｏｒｇ／ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄ），即每年每公顷土壤固碳０．４ ０．６ｔ可抵消当年全球温室气体（ＧｌｏｂａｌＧｒｅｅｎｈｏｕｓｅＧａｓ，ＧＨＧ）的排放［２⁃３］，而全球平均固
碳水平仅为０．２４ｔｈｍ－２ａ－１［２］，仍具有较大的固碳潜力㊂改善农业管理措施㊁恢复退化农田是封存有机碳的有效途径之一，不仅可以抵消大气中温室气体的排放，还能提升土地生产力㊁实现农业可持续发展［４⁃５］㊂但在长期耕作的坡地上，由于自然因素（地形㊁降水）和人为因素（耕作）使得土壤发生侵蚀⁃沉积作用，进而导致ＳＯＣ在坡面尺度重新分布［６⁃７］，为农田坡面碳封存的估算带来不确定性㊂一般情况下，土壤侵蚀导致坡上侵蚀区ＳＯＣ大量流失，而坡下沉积区累积增加［８］，所以，侵蚀区土壤具有较大的固碳潜力［９］，而沉积区土壤固碳固潜力则相对有限［１０］㊂与此同时，因侵蚀⁃沉积作用而导致的不同土层碳储量差异对固碳潜力的估算也具有重要贡献［３，１１］㊂缓解气候变化需要考虑ＳＯＣ的长效稳定机制，因此，细颗粒矿物组分（＜２０μｍ，粉粒和黏粒）作为土壤碳稳定潜力的代表已得到广泛的应用［３］㊂细颗粒矿物对有机碳的吸持限度被称为土壤碳保护的最大容量或者碳饱和度，即理论碳饱和容量［１２］，而理论碳饱和容量与细颗粒有机碳的实际含量的差异被定义为碳饱和不足［１３］，即土壤固碳潜力［１０］㊂土壤固碳潜力不仅受到当前矿物组分及有机碳含量的影响，还会受土地利用类型㊁土壤母质㊁土壤质地㊁气候的影响［１４］㊂
东北黑土区是我国重要的商品粮生产基地，同时也是四大水蚀区之一㊂腐殖质层厚度已从垦前６０ ７０ｃｍ降至２０ ３０ｃｍ［１５］，农田有机碳密度持续下降，有机碳库长期处于亏缺状态［１６］㊂黑土区因耕作而导致侵蚀退化的土壤具有较大的固碳潜力［１７］，理论上，侵蚀区相对沉积区以
及非耕层相对耕层具有更大的固碳潜力㊂本研究以典型黑土区长期传统作业的坡耕地（３０ ６０ａ）为研究对象，探讨坡上侵蚀区和坡下沉积区有机碳分布特征，并估计不同开垦年限侵蚀区和沉积区土壤固碳潜力的差异，旨为评估农田黑土固碳潜力及退化黑土修复提供理论依据㊂
１㊀研究方法
１．１㊀研究区域概况
研究地点位于黑龙江省西北部的克山农场（４８ʎ１２ᶄ ４８ʎ２３ᶄＮ㊁１２５ʎ０８ᶄ １２５ʎ３７ᶄＥ），海拔２４０ ３４０ｍ，温带大陆性季风气候，年均气温０．９ħ，年均降水量５０１．７ｍｍ，年均蒸发量１３２９ｍｍ，土壤以黏化湿润均腐土（中国土壤分类系统）为主，属于典型黑土区，坡缓而长，具有明显的漫川漫岗地形特征㊂该区已全面实现机械作业，铧式犁深翻配合圆盘靶整平是最常用的整地管理措施，多年平均整地深度（耕层）约为３０ｃｍ㊂
１．２㊀样地选取与样品采集
２０１８年１０月下旬（整地前），于２６连队选择开垦年限为３０ａ（４８ʎ１７ᶄ９ᵡＮ㊁１２５ʎ２５ᶄ５１ᵡＥ）㊁４０ａ（４８ʎ１７ᶄ２ᵡＮ㊁１２５ʎ２６ᶄ１５ᵡＥ）坡耕地，２０连队选择开垦年限６０ａ（４８ʎ１５ᶄ２３ᵡＮ㊁１２５ʎ２０ᶄ１ᵡＥ）坡耕地为研究对象（图１），３个样地自开垦以
来均为玉米和大豆轮作，且采样时前茬作物均为青贮玉米，能够作为该区长期机械作业坡耕地代表㊂由于长期耕作迁移以及水蚀共同作用，坡上形成净迁移侵蚀区，而在坡下形成净迁入沉积区［７］㊂为对比侵蚀区和沉积区土壤有机碳及固碳潜力的差异，分别在３０ａ，４０ａ和６０ａ坡耕地的坡上（约距坡顶端１０㊁２０㊁４０ｍ）和坡下（近坡底端）２个位置各设１处采样点，挖掘土壤剖面（长㊁宽㊁深分别为１㊁０．５㊁１ｍ），总计６个土
壤剖面，使用分层抽样方法在每个剖面分５层取样（０ １０㊁１０ ２０㊁２０ ３０㊁３０ ４０㊁４０ ５０ｃｍ），每层土壤样品均匀混合记为一个样本，共获取３０个样本，然后将土壤样品在通风透气处自然风干后，过２ｍｍ筛，备用㊂需要说明的是，坡上侵蚀区排水良好，开垦３０ａ坡耕地的黑土层厚度约为４０ｃｍ，开垦４０ａ和６０ａ坡耕地黑土层厚度约为３０ｃｍ；坡下沉积区黑土层厚度约为５０ ６０ｃｍ，７０ｃｍ以下均处于长期浸水状态，且本研究并未采样到真正的埋藏层（６０ ８０ｃｍ），因此，沉积区０ ５０ｃｍ数据仅代表沉积区表层土壤㊂各层各指标重复３次㊂样地及土壤基本性质见表
１㊂
图１㊀研究区分布图
Ｆｉｇ．１㊀Ｌｏｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｔｕｄｙａｒｅａ
１．３㊀样品处理与分析
将１０ｇ风干土壤（＜２ｍｍ）置于５００ｍＬ三角瓶中，并加入０．５ｍｏＬ／ＬＮａＯＨ１０ｍＬ，再加入蒸馏水使体积达到２５０ｍＬ左右，充分摇匀后，置于电热板加热，微沸１ｈ后转移土壤悬浮液至１Ｌ量筒，根据司笃克斯定律［１８］，在相应深度和时间虹吸悬浮液，收集黏粒＋粉粒（＜２０μｍ）和黏粒（＜２μｍ）组分，在１０５ħ下烘干后，采用元素分析仪ｖａｒｉｏＴＯＣ（Ｅｌｅｍｅｎｔｅｒ，德国）测定ＳＯＣ含量，所有的土壤样品都不含碳酸盐［７］，所以ＳＯＣ含量即为总碳㊂
１．４㊀指标计算
１．４．１㊀有机碳密度（ＣＤ）［１９］
ＣＤ＝ＣＴˑＢＤˑ（１－ＲＦ）ˑＴˑ１０－２（１）式中，ＣＤ：有机碳密度（ｋｇ／ｍ２）；ＣＴ：总有机碳含量（ｇ／ｋｇ）；ＢＤ：体积密度（ｇ／ｃｍ３）；ＲＦ：＞２ｍｍ石砾含量（％），由于该区域为平原区域，大于２ｍｍ的砾石含量可以忽略不计［２０］；Ｔ是土层厚度（ｃｍ）㊂
３５７５㊀１６期㊀㊀㊀翟国庆㊀等：黑土坡耕地有机碳变化及固碳潜力分析㊀
表１㊀样地及土壤的基本特性
Ｔａｂｌｅ１㊀Ｂａｓｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｆｉｅｌｄｓｉｔｅａｎｄｓｏｉｌｓａｍｐｌｅｓ
开垦年限Ｔｉｌｌａｇｅｙｅａｒｓ／ａ
坡度
Ｓｌｏｐｅ
ｇｒａｄｉｅｎｔ／ʎ
坡长
Ｓｌｏｐｅ
ｌｅｎｇｔｈ／ｍ
坡位
Ｓｌｏｐｅ
ｐｏｓｉｔｉｏｎ
土层深
Ｓｏｉｌ
ｄｅｐｔｈ／ｃｍ
土壤容重
Ｓｏｉｌｄｅｎｓｉｔｙ／
（ｇ／ｃｍ３）
土壤含水量
Ｓｏｉｌ
ｍｏｉｓｔｕｒｅ／％
黏粒
Ｃｌａｙ／％粉粒Ｓｉｌｔ／％砂粒
Ｓａｎｄ／％
３０６．７６８ＥＳ１０１．１７ʃ０．０６Ｂｃ３３．４２ʃ０．７９Ｂａ３４．０５ʃ４．５４Ａａ３６．３２ʃ４．５４Ａａ２９．６３ʃ９．０９Ａａ
２０１．１２ʃ０．０５Ａｂ３３．６９ʃ０．６４Ｂａ３２．２５ʃ６．８７Ａａ３４．５０ʃ６．８７Ａａ３３．２６ʃ１３．７５Ａａ
３０１．０７ʃ０．０４Ａｂ３３．４４ʃ０．３Ｂａ３３．３０ʃ７．６９Ａａ３５．５２ʃ７．６９Ａａ３１．１９ʃ１５．３８Ａａ
４０１．１４ʃ０．０１Ａａｂ２９．７１ʃ１．０４Ｂｂ３９．３５ʃ６．８Ａａ４１．５７ʃ６．８１Ａａ１９．０８ʃ１３．６１Ｂａ
５０１．２２ʃ０．０２Ａａ２８．９５ʃ１．０７Ｂａ３４．５９ʃ５．１Ａａ３６．８０ʃ５．１Ａａ２８．６３ʃ１０．２Ａａ
ＤＳ１００．９５ʃ０．０４Ａａｂ４１．３４ʃ０．２１Ａｂ２６．８２ʃ２．６６Ａｂ２９．１２ʃ２．６５Ａｂ４４．０６ʃ５．３１Ａａ
２０１．１３ʃ０．０２Ａｂｃ３８．９１ʃ１Ａｃ３５．６６ʃ２．５２Ａａ３７．８４ʃ２．５２Ａａ２６．４９ʃ５．０４Ａｂ
３０１．０９ʃ０．０２Ａｃ４４．２４ʃ１．０９Ａａ３３．４４ʃ０Ａａ３５．６７ʃ０Ａａｂ３０．８８ʃ０Ａａｂ
４０１．１８ʃ０．０３Ａｂ４３．８８ʃ０．４５Ａａ３１．１６ʃ２．５１Ｂａ３３．３３ʃ２．５１Ｂａｂ３５．５１ʃ５．０２Ａａｂ
５０１．１９ʃ０．０３Ａａ４４．３３ʃ０．７７Ａａ２９．２１ʃ０Ａａ３１．４６ʃ０Ａａｂ３９．３３ʃ０Ａａｂ
４０４．８１２１ＥＳ１０１．０７ʃ０．０９Ａａｂ３０．４６ʃ１．９７Ｂａ３３．４４ʃ０Ａｂ３５．６７ʃ０Ａｂ３０．８８ʃ０Ａａ
２０１．２０ʃ０．０９Ａａ３０．１６ʃ０．６１Ｂａ３６．４６ʃ２．５８Ａａｂ３８．６９ʃ２．５８Ａａｂ２４．８５ʃ５．１５Ｂａｂ
３０１．３５ʃ０．１Ａａｂ２８．３４ʃ２．８３Ｂａｂ４３．６６ʃ２．５６Ａａ４５．８８ʃ２．５６Ａａ１０．４７ʃ５．１３Ｂｂ
４０１．３７ʃ０．０４Ｂａｂ２５．５５ʃ１．６５Ｂｂ３７．５３ʃ４．４２Ａａｂ３９．７４ʃ４．４２Ａａｂ２２．７４ʃ８．８３Ａａｂ
５０１．１８ʃ０．２４Ａｂ２７．０４ʃ０．５９Ｂｂ３４．４３ʃ６．７２Ａｂ３６．６３ʃ６．７２Ａｂ２８．９４ʃ１３．４３Ａａ
ＤＳ１０１．２８ʃ０．０５Ｂｂ３７．２３ʃ１．３３Ａａ３７．３２ʃ４．３９Ａａ３９．５２ʃ４．３９Ａａ２３．１６ʃ８．７８Ａｂ
２０１．３３ʃ０．０２Ａａｂ３６．３３ʃ０．６１Ａｂ２７．２２ʃ２．８１Ｂｂ２９．４０ʃ２．８１Ｂｂ４３．３８ʃ５．６１Ａａ
３０１．２６ʃ０．０１Ａａｂ３８．３２ʃ０．４９Ａｂ３５．４５ʃ２．６１Ｂａｂ３７．７１ʃ２．６１Ｂａｂ２６．８４ʃ５．２３Ａｂ
４０１．１７ʃ０．０２Ａａ４１．５２ʃ０．５５Ａａ３１．５３ʃ６．７２Ａａｂ３３．７３ʃ６．７２Ａａｂ３４．７２ʃ１３．４４Ａａｂ
５０１．１１ʃ０．１５Ａｂ４１．５１ʃ２Ａａ２８．８６ʃ４．４４Ａｂ３１．０８ʃ４．４４Ａｂ４０．０７ʃ８．８８Ａａｂ６０３．６２００ＥＳ１０１．０８ʃ０．０４Ａｂ３３．２４ʃ１．２Ｂａｂ３７．０４ʃ４．３６Ａａｂ３９．２２ʃ４．３６Ａａｂ２３．７５ʃ８．７２Ａａ
２０１．１３ʃ０．１６Ａａｂ３３．２９ʃ０．９４Ａａｂ３３．９８ʃ６．６２Ａｂ３６．１５ʃ６．６２Ａｂ２９．８６ʃ１３．２５Ａａ
３０１．３１ʃ０．１２Ａａ３３．９９ʃ３．３Ｂａ３５．４３ʃ６．６３Ａｂ３７．６０ʃ６．６３Ａｂ２６．９７ʃ１３．２５Ａａ
４０１．３５ʃ０．０５Ａａ３１．６３ʃ１．４１Ｂｂ４４．２５ʃ２．５１Ａａ４６．４３ʃ２．５１Ａａ９．３２ʃ５．０３Ａｂ
５０１．３０ʃ０．０９Ａａｂ３０．２０ʃ１．４７Ｂｂ３６．９２ʃ４．３５Ａａｂ３９．０９ʃ４．３５Ａａｂ２４．００ʃ８．６９Ａａ
ＤＳ１０１．２５ʃ０．０３Ａａ４１．１６ʃ１．２７Ａａ３５．９０ʃ２．５４Ａａ３８．０９ʃ２．５４Ａａ２６．０１ʃ５．０８Ａａ
２０１．１６ʃ０．３４Ａａ３５．０６ʃ０．０４Ａｃ３７．０８ʃ４．３６Ａａ３９．２６ʃ４．３６
Ａａ２３．６６ʃ８．７３Ａａ
３０１．３３ʃ０．０１Ａａ３６．８６ʃ０．３８Ａｂｃ３５．５１ʃ５．０２Ａａ３７．６８ʃ５．０２Ａａ２６．８１ʃ１０．０４Ａａ
４０１．３２ʃ０．０１Ａａ３７．６５ʃ１．０３Ａｂ３７．２４ʃ４．３８Ａａ３９．４３ʃ４．３８Ａａ２３．３３ʃ８．７６Ａａ
５０１．３７ʃ０．０４Ａａ３５．４２ʃ１．７８Ａｃ３６．６４ʃ４．３１Ａａ３８．７９ʃ４．３１Ａａ２４．５７ʃ８．６２Ａａ㊀㊀ＥＳ：侵蚀区Ｅｒｏｓｉｏｎｓｉｔｅ；ＤＳ：沉积区Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｓｉｔｅ；不同大写字母（Ａ㊁Ｂ）表示相同土层深度侵蚀区和沉积区之间差异显著，不同小写字母（ａ㊁ｂ㊁ｃ）表示侵蚀区或沉积区不同土层深度之间差异显著（Ｐ＜０．０５）
１．４．２㊀碳饱和水平（Ｃ
ＳＬ）［３］
ＣＳＬ＝Ｃｆｉｎｅ
Ｃｓａｔ
ˑ１００（２）
Ｃｓａｔ＝０．４５ˑＭｆｉｎｅ（３）式中，ＣＳＬ：碳饱和水平（％）；Ｃｆｉｎｅ：细颗粒有机碳含量（ｇ／ｋｇ）；Ｃｓａｔ：碳饱和度（ｇ／ｋｇ），模型系数考虑了土壤矿物类型和土地利用类型以及气候因素的影响，详细情况可参考Ｆｅｎｇ等人［２１］的研究结果；Ｍｆｉｎｅ：＜２０μｍ细颗粒的质量含量（％）㊂
１．４．３㊀固碳潜力（Ｃｓｅｑ）［３］
Ｃｓｅｑ＝ＣｓｄˑＢＤˑ（１－ＲＦ）ˑＴˑ１０－２（４）
Ｃｓｄ＝Ｃｓａｔ－Ｃｆｉｎｅ（５）４５７５㊀生㊀态㊀学㊀报㊀㊀㊀４０卷㊀
式中，Ｃｓｅｑ：固碳潜力（ｋｇ／ｍ２）；ＢＤ㊁ＲＦ㊁Ｔ同（１）式；Ｃｓｄ：碳饱和度不足（ｇ／ｋｇ）；Ｃｆｉｎｅ和Ｃｓａｔ同（２）和（３）式㊂
１．４．４㊀固碳时间（Ｃｔｉｍｅ）［２２］Ｃｔｉｍｅ＝ＣｓｅｑＣｒａｔｅ
（６）
式中，Ｃｔｉｍｅ：固碳时间（ａ）；Ｃｓｅｑ同（４）式；Ｃｒａｔｅ：固碳速率（ｔｈｍ－２ａ－１）；１ｔｈｍ－２ａ－１＝０．１ｋｇｍ－２ａ－１㊂１．５㊀数据分析根据该区机械耕作深度３０ｃｍ，将０ ５０ｃｍ土层划分为耕层土壤（０ ３０ｃｍ）和非耕层土壤（３０ ５０ｃｍ）分别作为表土和底土进行对比；其中，０ １０，１０ ２０，２０ ３０ｃｍ各土层数据算数平均值作为表土（０ ３０ｃｍ）结果；３０ ４０ｃｍ，４０ ５０ｃｍ各土层数据算数平均值作为底土（３０ ５０ｃｍ）结果㊂侵蚀区与沉积区之间㊁表土和底土之间采用Ｔ检验进行差异分析（Ｐ＜０．０５）；不同开垦年限之间采用单因素方差分析（ＡＮＯＶＡ）和图基（Ｔｕｒｋｅｙ）进行差异分析（Ｐ＜０．０５）；侵蚀⁃沉积㊁表土⁃底土以及开垦年限三个因素之间采用多因素差异分析；分别使用ＳＰＳＳ２３和Ｏｒｉｇｉｎ２０１７进行统计分析和绘图㊂
２㊀研究结果
２．１㊀土壤固碳潜力估算方法的选择
估算农田土壤固碳潜力常用本底值法和模型法㊂本底值法是指在研究区首先确定未经干扰的原生系统或经营管理后已达最优状态的系统土壤有机碳库储量（本底碳库），然后将预估算系统实际的土壤有机碳库储量与之相比较，二者差值即为固碳潜力［２３⁃２４］㊂然而有机碳库依据周转时间不同，既有不稳定有机碳库（如大颗粒有机碳，周转时间数天或者数月），也有相对稳定的有机碳库（如细颗
粒有机碳，周转时间几年或数十年，甚至百年［２５］），很难判断原生或最优系统土壤有机碳库是否已经达到稳定状态或者碳饱和状态㊂模型法是假设土壤有机碳随着外源有机碳的输入而线性增加，碳累积不受限制且碳分解速率保持不变［２６］㊂然而，因为土壤矿物颗粒有限的表面积致使其对有机碳的吸持能力具有最大限度［２７］㊂土壤碳饱和度表明，随着碳输入的增加，有机碳储量将达到最大值，且有机碳累积速率将在此过程中降低［１２］，因此，不考虑有机碳饱和度，模型法估算土壤固碳潜力也可能产生较大不确定性㊂Ｆｅｎｇ等人［２１］综合考虑土壤碳饱和度，使用细颗粒（＜２０μｍ）最大有机碳浓度作为基础，通过边界分析法实现了土壤固碳潜力的有效估算㊂鉴于黑土黏粒含量较高（３０％ ４５％），研究对象均为长期作业的坡耕地，且缓解气候变化侧重于有机碳的长期稳定机制，所以本文采用了Ｆｅｎｇ等人［２１］构建的模型方法估算土壤固碳潜力㊂
２．２㊀土壤有机碳与固碳潜力分布特征
土壤侵蚀⁃沉积作用显著影响有机碳及固碳潜力相关指标的空间分布㊂土壤总有机碳㊁有机碳密度以及土壤碳饱和水平均表现为沉积区显著大于侵蚀区（Ｐ＜０．０５），且侵蚀⁃沉积区的差异均表现为开垦４０ａ㊁６０ａ坡耕地明显大于开垦３０ａ；固碳潜力整体上表现为侵蚀区显著小大于沉积区（Ｐ＜０．０５），侵蚀⁃沉积区的差异仍表现为开垦４０ａ㊁６０ａ坡耕地明显大于开垦３０ａ（图２）㊂在不同土壤深度水平上，各指标均在表土（０ ３０ｃｍ）与底土（３０ ５０ｃｍ）之间表现出显著差异，且侵蚀区的差异明显大于沉积区㊂土壤总有机碳㊁有机碳密度以及土壤碳饱和水平均表现为表
土显著大于底土（Ｐ＜０．０５）；固碳潜力则表现为底土显著大于表土（Ｐ＜０．０５）（图２）㊂随着开垦年限的增加，土壤总有机碳㊁有机碳密度以及土壤碳饱和水平在侵蚀区（０ ５０ｃｍ）均表现为开垦３０ａ坡耕地显著大于开垦４０ａ㊁６０ａ，而沉积区（０ ５０ｃｍ）有机碳密度则规律相反（Ｐ＜０．０５），且土壤有机碳㊁碳饱和水平没有显著差异㊂其中开垦３０ａ坡耕地侵蚀区有机碳密度和碳饱和水平分别达到最大值３．３５ｋｇ／ｍ２和６７％㊂固碳潜力在侵蚀区表现为开垦３０ａ坡耕地显著小于开垦４０ａ㊁６０ａ，且达到最小值１．２４ｋｇ／ｍ２，而沉积区开垦６０ａ坡耕地固碳潜力显著大于开垦３０ａ㊁４０ａ（Ｐ＜０．０５），且达到最大值１．０４ｋｇ／ｍ２（图２）㊂２．３㊀土壤有机碳以及固碳潜力的影响因素
一般线性模型实验结果表明，侵蚀⁃沉积㊁表土⁃底土以及侵蚀⁃沉积与开垦年限的交互作用㊁表土⁃底土与
５５７５㊀１６期㊀㊀㊀翟国庆㊀等：黑土坡耕地有机碳变化及固碳潜力分析㊀
图２㊀土壤总有机碳㊁有机碳密度㊁碳饱和水平㊁固碳潜力变化
Ｆｉｇ．２㊀Ｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｔｏｔａｌｓｏｉｌｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎ，ｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎｄｅｎｓｉｔｙ，ｃａｒｂｏｎｓａｔｕｒａｔｉｏｎｌｅｖｅｌａｎｄｓｏｉｌｃａｒｂｏｎｓｔｏｒａｇｅｐｏｔｅｎｔｉａｌ
不同大写字母（Ａ㊁Ｂ）表示侵蚀区和沉积区的差异显著，不同小写字母（ａ㊁ｂ）表示表土和底土的差异显著，不同小写字母（ｘ㊁ｙ㊁ｚ）表示坡耕地不同开垦年限（３０ａ㊁４０ａ㊁６０ａ）之间全土的差异显著（Ｐ＜０．０５）；图中数据为平均值ʃ标准差（ｎ＝３）
开垦年限的交互作用均对总有机碳㊁有机碳密度㊁碳饱和水平㊁固碳潜力这４个指标有显著影响（Ｐ＜０．０５）；而开垦年限㊁侵蚀⁃沉积与表土⁃底土与开垦年限三者交互作用均对上述４个指标无显
著影响㊂另外，侵蚀⁃沉积与表土⁃底土的交互作用对总有机碳㊁碳饱和水平以及固碳潜力均有显著影响，而对有机碳密度没有显著影响（表２）㊂
土壤侵蚀⁃沉积作用以及长期耕作扰动均显著影响土壤有机碳变化以及固碳潜力大小㊂其中，侵蚀⁃沉积区土壤碳固存相关指标均有显著差异，侵蚀区总有机碳㊁有机碳密度以及碳饱和水平均显著小于沉积区，而固碳潜力均显著大于沉积区（Ｐ＜０．０５）㊂表土总有机碳㊁有机碳密度以及碳饱和水平均显著大于底土；而固碳潜力则表现为底土大于表土㊂随着开垦年限的增加，总有机碳和碳饱和水平表现为开垦４０ａ㊁６０ａ坡耕地显著小于开垦３０ａ，有机碳密度表现为先降低后增加的规律，且开垦３０ａ坡耕地达到最大值，固碳潜力表现为开垦３０ａ显著小于开垦４０ａ㊁６０ａ（表３）㊂
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