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农田土壤有机碳占土壤碳库的8%～10%（150Pg）[1]，是陆地生态系统重要的组成部分[2]，也是土壤肥力的核心[3]。然而土壤有机碳并不是单一物质，相反是由许多不同功能特性的碳组分组成。例如，可以为植物提供营养物质的高活性有机碳以及能够提高土壤碳稳定性的惰性有机碳[4]。因此研究不同有机碳组分，更有利于我们对土壤碳稳定性和肥力水平的了解。东北黑土区是世界三大黑土带之一，具有较高的有机碳含量，是我国重要的粮食生产区[5]。近年来，人们高强度的耕作方式，导致黑土区土壤的有机碳含量和肥力急剧下降[6]，进一步威胁着国家的粮食安全。撂荒被认为是提高土壤碳含量，改善土地质量，提升土壤肥力的一种重要农田管理方式[7-8]。研究表明短期的撂荒能够显著提高表层土壤总有机碳及有机碳组分的含量[9-11]，然而关于长期撂荒对较深土层土壤有机碳及其组分的研究相对较少。土壤碳库变化缓慢，短期试验难以准确反映土壤碳含量的变化趋势，所以需要进行长期试验研究；并且土壤碳素主要集中在深层土壤[12]，由于表层与深层土壤的性质差异，不同深度的碳组分对外界环境变化的响应也不同[13]。因此，研究长期撂荒对黑土不同层次土壤有机碳组分的影响，有助于更好地了解土壤有机碳的稳定性和肥力水平。
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Hepp等[7]通过4年的撂荒试验发现，撂荒4年后土壤总有机碳和易氧化有机碳含量呈现下降的趋势。Meyer等[14]为期11年的撂荒试验也表明，土壤有机碳的含量随撂荒时间的增加而明显降低。但也有研究认为，撂荒能够增加土壤有机碳及其组分含量，贾松伟等[15]发现从撂荒第10年开始，整个剖面的有机碳增长率明显变大。由此可见，撂荒时间的长短对土壤碳含量的变化有一定影响；除时间之外，撂荒对不同深度土壤碳含量的影响也不一致。Datta等[16]和Nyamadzawo等[17]均发现撂荒能够显著提高表层土壤碳含量和有机碳储量，但随着深度的增加土壤碳含量和有机碳储量逐渐降低。产生上述差异的原因主要是以往研究中撂荒对土壤有机碳影响多为短期试验，但短期试验难以准确反映土壤碳含量的变化趋势；并且现有的研究大多侧重于撂荒对表层土壤总有机碳及其组分的影响，对深层土壤有机碳及其组分的研究不够充分。因此为了更好地认识撂荒对土壤有机碳组分的影响，需要利用长期农田定位试验对不同层次的土壤进行研究。基于Chan等[18] 改良的Walkley-Black土壤有机碳分组方法，可以更加完整地研究高活性有机碳（VLC）、中活性有机碳（LC）、低活性有机碳（LLC）和惰性有机碳（NLC）的含量变化，有助于更好地了解长期撂荒对土壤有机碳稳定机制的影响。
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以吉林公主岭黑土长期定位试验为基础，不施肥和撂荒下0～0.2、0.2～0.4和0.4～0.6m的土壤样品为对象，通过对土壤样品的有机碳及其组分的储量进行分析，揭示长期撂荒情况下土壤有机碳的组分变化情况，为农田土壤有机碳的可持续管理和土壤肥力培育提供参考。
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1 材料与方法
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1.1 试验地概况
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本研究选择了我国具有代表性的吉林公主岭黑土长期定位试验，试验开始于1990年。位于吉林农业科学院内（124º48′E，43º30′N），海拔高度约为220m，种植方式为一年一熟玉米。试验基本信息及初始土壤基础理化性质如表1所示。
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注：气象数据来自国家气象科学数据共享服务平台（http：//cdc.cma.gov.cn/），平均温度和平均降水量为1989～2010年平均值。
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1.2 试验设计及土壤样品采集
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公主岭黑土长期定位试验采用随机区组设计，小区面积为200m2。本试验选择不施肥和撂荒两个处理，其中每个处理设置3次重复。土壤采集于2010年作物收获后的9月，在各小区上按之字型用土钻进行多点取样，分别采集0～0.2、 0.2～0.4和0.4～0.6m的土壤样品，每个小区每层取3个点混合成一个样品，拣去可见的根、茎、叶、虫体、石块以及结核等杂物，风干后研磨过0.15mm筛。
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1.3 土壤容重和有机碳含量的测定方法
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不同深度土壤的容重采用环刀法进行测定[17]。土壤总有机碳采用Srinivasarao等[19] 的方法进行测定。土壤不同有机碳组分主要依据不同土壤有机碳组分氧化性的强弱，采用Chan等[18]改良的Walkley-Black分组方法进行测定。具体操作步骤如下：分别在加入浓度为0.167mol/L的重铬酸钾溶液的消解管中加入5、10和20mL浓硫酸，浓硫酸浓度分别为6、9和12mol/L，分别记为6、9和12mol/L H2SO4 时的有机碳含量。有机碳组分的计算方法为：6mol/L H2SO4 测定的有机碳含量为VLC，6和9mol/L H2SO4 测定的有机碳含量之差为LC，9和12mol/L H2SO4 测定的有机碳含量之差为LLC，总有机碳含量与12mol/L H2SO4 测定的有机碳含量之差为NLC。
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1.4 计算方法
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土壤有机碳储量的计算采用公式（1）[19]计算。
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式中：SOCstock 和SOCcontent 分别代表土壤有机碳储量（Mg/hm2）和有机碳含量（g/kg），Bd代表土壤容重（Mg/m3），D表示土壤深度（m），本研究为0.2m，10为转化系数。
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0～0.6m土壤有机碳储量采用公式（2） 计算。
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式中：SOC0～0.6 代表0～0.6m深度土壤有机碳的储量（Mg/hm2），D代表土壤深度（0～0.2、 0.2～0.4和0.4～0.6m）。
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0～0.6m土壤有机碳固存量采用公式（3）[20] 计算。
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式中：Csequestered 代表土壤有机碳的固存量（Mg/hm2），SOCcurrent 和SOCinitial 分别代表2010和1990年的土壤有机碳储量（Mg/hm2）。
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土壤活性和惰性有机碳库分别采用公式（4） 和（5）[20]计算。
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式中：AC和PC分别代表活性有机碳库和惰性有机碳库（Mg/hm2），VLC、LC、LLC和NLC分别代表高活性有机碳、中活性有机碳、低活性有机碳和惰性有机碳（Mg/hm2）。
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1.5 数据分析
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试验结果分别用Excel2016和R（R Core Team， 2017，http：//cran.r-project.org）软件进行整理和统计分析。首先，不同深度下不同处理间土壤有机碳之间的差异，使用Ragricolae包，采用最小显著差异法（LSD）进行检验。其次，不同组分有机碳与土壤有机碳储量的相关关系，使用Rcorrplot包进行相关性分析。差异显著性均设置为P=0.05，相关性设置0.05、0.01水平。
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2 结果与分析
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2.1 长期撂荒对土壤有机碳储量和固存量的影响
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图1 显示，与不施肥相比，长期撂荒下黑土的各层土壤有机碳储量和固存量变化显著（P<0.05）。总体来看，在0～0.6m土壤剖面中，撂荒显著提高了黑土的有机碳储量和固存量，其有机碳储量和固存量分别提高了17.1%和10倍。在0～0.2和0.2～0.4m土层中，撂荒显著提高了黑土的有机碳储量和固存量，其中有机碳储量分别增加了27.3%和33.4%，固存量分别提高了8和7倍。但在0.4～0.6m土层，撂荒却显著降低了土壤有机碳储量和固存量，降低幅度分别为26.2%和118%。这说明，撂荒主要提高表层（0～0.2和0.2～0.4m）土壤有机碳储量及固存量，但降低了深层（0.4～0.6m）土壤有机碳储量及固存量。
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图1 长期撂荒对不同土层有机碳储量和固存量的影响
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注：柱上不同字母表示相同土壤深度不同处理间差异达5%显著水平，误差棒代表标准误（n=3）。下同。
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2.2 撂荒农田土壤有机碳组分变化
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2.2.1 撂荒对农田土壤有机碳组分的影响
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从图2可以看出，在所有土层中，有机碳组分均表现为高活性有机碳（VLC）> 惰性有机碳（NLC）> 中活性有机碳（LC）> 低活性有机碳（LLC），可见高活性有机碳是有机碳的主要部分，其次是惰性有机碳和中活性有机碳，最后是低活性有机碳。在0～0.6m土壤剖面中，4种有机碳组分的储量分别为27.1、21.5、16.2和9.8Mg/hm2，占总有机碳的36.3%、21.7%、13.1%和28.9%（图2）。
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土壤不同组分有机碳均表现为0～0.2m土层含量最高，其次是0.2～0.4m土层，最后是0.4～0.6m土层（图2）。在0～0.6m土壤剖面中，撂荒相较于不施肥显著提高了土壤VLC、LLC和NLC的碳储量，分别提高了21.7%、53.2%和18.3%，而对LC没有显著影响。在0～0.2和0.2～0.4m土层，VLC、LLC、NLC的碳储量分别显著提高了29.9%、50.0%、33.3%和46.9%、 79.3%、27.0%，而LC没有显著变化。在0.4～0.6m土层，VLC、NLC的碳储量分别显著降低了27.9%和30.4%，而LC、LLC没有显著的变化。
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图2 长期撂荒对不同土层有机碳组分碳储量的影响
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注：VLC表示高活性有机碳，LC表示中活性有机碳，LLC表示低活性有机碳，NLC表示惰性有机碳。
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2.2.2 撂荒对农田土壤有机碳碳库的影响
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Barreto等[21] 认为惰性有机碳库（PC）具有较稳定的化学性质，在土壤中的周转期高于活性有机碳库（AC）。在所有土层中，有机碳库储量表现为AC>PC，可见活性有机碳库是有机碳的主要形式，其次是惰性有机碳库。土壤活性和惰性有机碳库储量均表现为0～0.2m土层最高，其次是0.2～0.4m土层，最后是0.4～0.6m土层（图3）。在0～0.6m土壤剖面中，撂荒相较于不施肥显著提高了土壤的AC和PC，分别提高了9.8%和28.2%。在0～0.2和0.2～0.4m土层，AC和PC的碳储量分别显著提高了14.3%、26.5%和39.3%、 42.7%，而在0.4～0.6m土层，AC和PC的碳储量则分别显著降低了26.5%和24.7%。
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从图4可以看出，长期撂荒影响了土壤中AC和PC的分布。总的来说，AC占总有机碳的比例要大于PC。在不施肥下，AC占总有机碳的58.0%～62.4%，大于PC的37.6%～42.0%。撂荒相较于不施肥处理，AC占总有机碳的比例约下降了0.3～2.8个百分点，到55.2%～62.1%，相反PC则提高到占总有机碳的37.9%～44.8%。可以看出，撂荒处理下PC所占的比例相较于AC呈增高的趋势，这表明撂荒能够提高土壤的碳稳定性。
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2.3 土壤不同形态有机碳之间相关分析
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土壤有机碳（SOC）是衡量土壤质量的重要指标，SOC及不同有机碳组分[高活性有机碳（VLC）、中活性有机碳（LC）、低活性有机碳（LLC）和惰性有机碳（NLC）]的相关关系如表2所示。SOC与VLC、LC、LLC和NLC 4种有机碳组分均达到极显著水平（相关系数分别为0.998**、 0.969**、0.963**、0.997**，n=24），其中土壤VLC及NLC组分相关系数相对较高，是SOC的主要形态。并且各有机碳组分之间也达到极显著水平，表明各个组分之间具有非常紧密的联系，一个组分的变化，都会引起其他组分相应的变化。
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图3 长期撂荒对不同土层有机碳库储量的影响
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注：AC表示活性有机碳库，PC表示惰性有机碳库。下同。
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图4 长期撂荒对不同土层有机碳库储量占总有机碳比例的影响
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注：* 表示P<0.05，** 表示P<0.01。
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3 讨论
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3.1 撂荒对不同土层土壤有机碳储量和固存量的影响
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土壤有机碳的储量和固存量是评价土壤质量的一项重要指标，同时还与全球气候变化有着密切的联系[4，22]。撂荒被认为是提高有机碳储量、改善土地质量的一种重要方式[7-8]，越来越受到人们的关注[23-25]。然而，目前对于长期撂荒对土壤有机碳储量、碳固存量及各个碳组分含量影响的研究没有一致的结论。主要因为土壤有机碳储量、碳固存量及各个碳组分含量受人为因素、撂荒年限及土壤深度等因素的影响[25-27]。本研究发现，经过20年撂荒处理后土壤有机碳储量较初始值有所提高。这与贾松伟等[15] 和Nyamadzawo等[17] 研究结果一致。主要原因是撂荒减少了人类活动对土壤的扰动[28]，增加了植物生物多样性[29]，进而提高了土壤固碳速率和固碳量，使土壤有机碳的含量增加[30]。本研究也表明，撂荒显著增加了表层土壤（0～0.2和0.2～0.4m）的有机碳储量和固存量，而降低了深层土壤（0.4～0.6m）的有机碳储量和固存量，这与Hepp等[7]发现撂荒能降低土壤有机碳储量的结论不完全一致。产生上述差异的主要原因可能是撂荒年限及土壤深度的不同。Hepp等[7]研究4年撂荒试验对有机碳的影响，但短期试验很难全面评价撂荒后的单项效应、累加效应以及平均效应，所以短期试验的研究结果与长期试验相比变动较大[31]。除了撂荒年限不同导致的差异，本研究与Hepp等研究的土壤深度也不同，表层土壤相较于深层土壤集中了大部分根系碳，并且表层土壤和深层土壤与外界环境的接触面积不同，进一步影响着土壤有机碳输入、分解和转换的能力[32]，从而导致不同土壤深度下有机碳储量的差异。
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3.2 撂荒对不同有机碳组分的影响
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土壤有机碳不同氧化性的4个组分反映了土壤有机碳的组成和状态，对土壤有机碳的储存和变化具有非常重要的意义[33]。高活性有机碳（VLC） 和中活性有机碳（LC）是土壤中性质最活跃的一部分土壤碳素，其生物有效性较高，易被土壤微生物分解矿化，能够在较短的时间内反映土壤碳库的微小变化，是反映土壤碳库变化的敏感性指标[34]； 低活性有机碳（LLC）和惰性有机碳（NLC）组分是性质较稳定的一部分碳素，不能直接被植物利用，但具有较好反映土壤的碳稳定能力[35-36]。本研究中，所有土层撂荒均能够提高土壤活性有机碳库（AC）和惰性有机碳库（PC）的储量，但相对总有机碳储量，PC提高比较明显。说明撂荒对PC的影响要大于AC，更有利于土壤碳的固定和稳定。进一步分析表明，在所有土层中，撂荒显著改变了VLC、NLC和LLC的储量，而对LC没有显著影响。这说明VLC、NLC和LLC更容易受到撂荒的影响，这与之前撂荒对不同有机碳组分变化的影响一致[18]。一方面，撂荒能够增加生物多样性及生物量[29]，进而增加土壤中酶的数量，使土壤有机碳组分的活性增加，导致高活性有机碳组分储量增加；另一方面，撂荒下土壤生物的群落组成和结构发生变化，增加了土壤的稳定性，并进一步提高了土壤惰性有机碳的储量。而本文发现撂荒对LC没有显著影响，可能是撂荒下LC作为高活性和低活性有机碳过渡的一种形式，受外界环境影响较小。同时，本研究也表明，各种有机碳组分均随土壤深度的增加而较少，这与李睿等[37]研究一致，说明随着土壤深度的增加土壤的生物有效性和固碳作用会降低。
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3.3 有机碳及其组分之间的相关分析
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高活性有机碳对环境变化极为敏感，可以在较短的时间内反映土壤碳库的微小变化[4]。相关分析表明，各组分有机碳与总有机碳的含量呈极显著正相关关系（表2），其中高活性有机碳的相关性最高（r=0.998**），表明高活性有机碳可作为衡量土壤有机碳动态的一个敏感性指标来预测未来碳库的变化，这与Chan等[18]的研究结果一致。
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4 结论
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撂荒相较于不施肥主要提高了黑土表层土壤的有机碳储量和固存量，但降低深层土壤的碳储量和固存量。撂荒主要通过提高表层高活性有机碳（VLC）、低活性有机碳（LLC）和惰性有机碳（NLC）的碳储量而提高表层活性有机碳库和惰性有机碳库的碳储量，而在较深层土壤撂荒主要通过降低深层土壤VLC和NLC的碳储量而降低活性有机碳库和惰性有机碳库的碳储量。撂荒对惰性有机碳库提高幅度要大于活性有机碳库，其中VLC对撂荒的响应较为敏感。综上，长期撂荒利于表层土壤碳积累和稳定，而较深土层的碳固持能力会变弱，VLC对撂荒的响应较为敏感，可作为撂荒农田土壤有机碳动态的一个敏感性指标。
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摘要
为明确长期撂荒对黑土不同土层土壤有机碳及其组分的影响，以吉林公主岭黑土长期定位试验为对象， 选取不施肥和撂荒 2 个处理，采用改良的 Walkley-Black 土壤有机碳分组方法，研究不同层次（0 ～ 0.2、0.2 ～ 0.4 和 0.4 ～ 0.6 m）土壤有机碳及其组分的变化。结果表明：（1）0 ～ 0.6 m 土壤剖面中，撂荒处理下土壤有机碳储量和固存量分别提高了 17.1% 和 10 倍；其中 0 ～ 0.2 和 0.2 ～ 0.4 m 土壤有机碳储量分别提高了 27.3% 和 33.4%， 固存量分别提高了 8 和 7 倍；而在 0.4 ～ 0.6 m 土层，有机碳储量和固存量则分别降低了 26.2% 和 118%。 （2）整体来看，2 个处理的组分储量均表现为高活性有机碳（VLC）> 惰性有机碳（NLC）> 中活性有机碳（LC）> 低活性有机碳（LLC）；在 0 ～ 0.2 和 0.2 ～ 0.4 m 土层，撂荒能显著提高 VLC、LLC、NLC 的储量，而对 LC 没有显著影响；在 0.4 ～ 0.6 m 土层，撂荒显著提高 VLC 和 NLC 的储量，而对 LC 和 LLC 没有显著影响。（3）在 0 ～ 0.2 和 0.2 ～ 0.4 m 土层，撂荒处理下活性有机碳库（AC）和惰性有机碳库（PC）的碳储量分别显著提高了 14.3%、26.5% 和 39.3%、42.7%，而在 0.4 ～ 0.6 m 土层，AC 和 PC 的碳储量则分别显著降低 26.5% 和 24.7%。同时，相较于 AC，撂荒提高了 PC 所占比例，并且在 0 ～ 0.2 和 0.2 ～ 0.4 m 土层，PC 提高的比例相对较大。（4） 土壤有机碳与 VLC、NLC、LC 和 LLC 的储量呈极显著的正相关关系（P˂0.01），VLC 与土壤有机碳相关性更为紧密（r=0.998）。上述结果表明：长期撂荒利于表层碳积累和稳定，而较深土层的碳固持能力会变弱；VLC 对撂荒的响应较为敏感，可作为撂荒农田土壤有机碳动态的一个敏感性指标。
Abstract
In order to clarify the effect of long-term fallow on soil organic carbon and its fractions in different layers of black soil，the long-term black soil experiment in Gongzhuling was taken as the object and the soils under without fertilization and fallow treatments were selected．The modified Walkley-Black method was selected to determinate the soil organic carbon fractions to explore the effects of long-term fallow on soil organic carbon and its fractions at different soil layers（0 ～ 0.2， 0.2 ～ 0.4，0.4 ～ 0.6 m）．Results showed that（1）In the whole soil profile of 0 ～ 0.6 m，soil organic carbon stock and sequestered increased by 17.1% and 10 times，respectively，and in 0 ～ 0.2 and 0.2 ～ 0.4 m soil layers，the soil organic carbon stock and sequestered increased by 27.3%，33.4% and 8，7 times，respectively，however，in 0.4 ～ 0.6 m soil layer，they were reduced by 26.2% and 118%.（2）Without fertilization and fallow treatments in all soil layers were characterized by very-labile carbon（VLC）>non-labile carbon（NLC）>labile carbon（LC）>less-labile carbon（LLC）． In 0 ～ 0.2 and 0.2 ～ 0.4 m soil layers，fallow significantly increased the stock of VLC，LLC and NLC，but with no significant effect on LC．In 0.4 ～ 0.6 m soil layer，fallow significantly increased VLC and NLC，but had no significant effect on LC and LLC.（3）In 0 ～ 0.2 and 0.2 ～ 0.4 m soil layers，active carbon pool（AC）and passive carbon pool（PC） increased significantly by 14.3%，26.5% and 39.3%，42.7%，respectively．However，in the 0.4 ～ 0.6 m soil layer，the carbon stock of AC and PC decreased significantly by 26.5% and 24.7%，respectively．At the same time，compared with AC，fallow increased the proportion of PC，and in the 0 ～ 0.2 and 0.2 ～ 0.4 m soil layers，the increase percentage of PC was relatively large.（4）There was a positive significant correlation between soil organic carbon and VLC，NLC，LC and LLC （P˂0.01）．VLC was more closely correlated with soil organic carbon（r=0.998）．It shows that long-term fallow is conducive to surface carbon accumulation and stability，which will be weaker in deeper soil layers．VLC can be used as a sensitive indicator of soil organic carbon dynamics in fallow cropland.
Keywords
fallow ； soil organic carbon fractions ； active pool ； passive pool