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关中平原地区土壤肥沃，水资源丰富，千余年来一直是黄河流域的主要粮食生产基地之一，多以冬小麦-夏玉米轮作为主，部分地区因土质、水热适宜，近年来开始发展规模化果树种植[1]。由于种植果树经济效益高，该地区广泛推广农田转为果园，果园种植面积从 2000 年的 3×105 hm2 增加到 2019 年的 5.2×105 hm2[2]。土地利用方式的变化影响着土壤碳循环，从而影响土壤有机碳的稳定性[3]，也对土壤肥力和质量有重要影响。因此，在关中平原推广果园种植过程中，探究农田转化为果园对土壤碳库的影响具有重要意义。
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土壤有机碳（SOC）是表征土壤质量和肥力的重要指标，也是土壤碳库的重要组成部分，与土壤中各种物理和化学过程有关，其中包括易分解的活性组分和较稳定的惰性组分[4-5]。易分解的活性碳组分是植物生长和微生物代谢所必需的养分，而稳定的惰性碳组分则对土壤碳固存起重要作用[6]。活性有机碳作为有机碳中敏感性较高的部分，容易受到外部环境影响而发生变化，比总有机碳能更好地反应土壤碳动态和土壤质量的变化[7-8]。基于此，Lefroy 等[9]提出了土壤碳库管理指数概念，包括人为影响下的土壤碳库指数（CPI）和碳库活度 （A），不仅能说明环境变化对土壤有机碳及活性有机碳组分含量的影响，而且可以反映不同利用方式等人为因素对土壤质量影响的程度[10]。
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近年来，有学者研究了森林生态系统中林分、林龄、根系、海拔等[11-14]，农田生态系统中管理措施包括施肥、耕作和秸秆还田等[15-17]对土壤活性碳组分及碳库指数的影响。但对于关中平原地区农田生态系统的利用方式对碳库影响的研究较少，尤其是农田转化为果园对土壤活性有机碳及碳库管理指数的影响。因此，通过对关中平原地区果园和农田土壤有机碳组分的差异及碳库管理指数的影响因素分析，为该区农田转化为果园对土壤碳库的影响及土壤质量评价提供理论依据。
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1 材料与方法
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1.1 研究区概况及样品采集
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试验取样地点位于关中平原地区（34°8′—34 °53′N，107°29′—109°51′E）。该地区地处秦岭和黄土高原之间，也属于黄土高原的一部分。由于地质作用的影响，该地区下沉，周围地区上升，最终在河流发育过程中形成了较深的疏松土层。土壤类型主要为土，土剖面可分为两部分：上部为风成黄土，下部为自然形成的褐土，并有施肥等耕作活动形成的垫层[2]。该地区属于温带大陆性气候，年平均气温 12.0～13.6℃，年平均降水量为 530～700 mm，其中约 45% 在夏季（7— 9 月）。本研究以关中平原地区农田生态系统为研究对象，土壤质地较为均一，选取典型黏壤土地区的果园和农田 2 种土地利用方式，共 10 个采样点，包括种植年限 15～20 年的苹果园 3 个，小麦-玉米轮作区的小麦季样地 7 个。果园和农田的管理措施均为该地区的常规管理。用土钻法取 0～20、20～60 和 60～100 cm 土壤样品，将相同层次多点取样土壤充分混合，除去植物根系和大块石砾等杂质，将土壤样品保存在自封袋中并带回实验室，进行风干、研磨过筛及测定等处理。
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1.2 样品测定
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土壤全氮采用半微量凯式定氮法测定，土壤 pH 采用 PHS-3C 酸度计按照水土比 2.5∶1 进行测定，土壤有效磷含量采用钼锑抗比色法测定，土壤速效钾含量采用火焰光度法测定，土壤有机碳 （SOC）采用重铬酸钾外加热法测定[18]。土壤活性有机碳（LOC）采用高锰酸钾氧化法测定[19]，非活性有机碳（NLOC）为土壤有机碳含量与活性有机碳含量之差。
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土壤碳库管理指数计算方法如下[20]，以农田作为参考土壤：
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碳库活度（A）= 活性有机碳含量 / 非活性有机碳含量
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碳库活度指数（AI）= 土壤样品碳库活度 / 参考土壤碳库活度
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碳库指数（CPI）= 土壤样品有机碳含量 / 参考土壤有机碳含量
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碳库管理指数（CPMI）= 碳库指数 × 碳库活度指数 ×100
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1.3 数据处理
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采用 Excel2019 进行数据处理及图表制作，用 SPSS 25.0 进行显著性分析及相关分析。
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2 结果与分析
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2.1 不同利用方式下土壤碳组分含量分布特征
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不同土地利用方式下土壤有机碳组分含量分布特征如图1 所示。不同土地利用方式对不同土层土壤有机碳含量及其组分含量影响显著。果园和农田土壤 SOC 含量均表现为随土层深度的增加而降低（图1a），且 0～20 cm 显著高于 20～100 cm，但两种利用方式土壤 SOC 含量在同一土层无显著差异。如图1b 所示，果园不同土层 LOC 含量相对于农田来看均有不同程度地升高，且均呈显著差异。0～20 cm 土层，不同土地利用方式下 LOC 含量为 1.74～3.18 g/kg，果园土壤 LOC 含量比农田增加了 33.91%；20～60 cm 土层，不同土地利用方式下 LOC 含量为 0.96～1.86 g/kg，果园比农田增加了 49.95%；60～100 cm，不同土地利用方式下 LOC 含量为 0.73～1.29 g/kg，果园比农田增加了 35.37%。NLOC 在不同利用方式下的分布规律与 SOC 相似（图1c），均表现为 0～20 cm 显著高于 20～100 cm。0～100 cm 土层，NLOC 含量的变化范围为 3.12～7.18 g/kg，0～20 和 60～100 cm 土层，果园和农田间无显著差异，20～60 cm 土层，农田 NLOC 含量显著高于果园，是果园的 1.5 倍。
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图1 不同土地利用方式下土壤碳组分含量
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注：图中误差为标准误差；不同大写字母表示同一土层深度不同土地利用方式间差异显著（P<0.05）；不同小写字母表示同一利用方式不同土层深度间差异显著（P<0.05）。下同。
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2.2 不同土地利用方式下土壤活性有机碳占总有机碳的比例
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不同土地利用方式下土壤 LOC/SOC 值如图2 所示。土壤 LOC 含量占 SOC 含量的比例相对于SOC 总量来说，更能准确地反映土壤有机碳的稳定性，LOC/SOC 越大，说明土壤有机碳的稳定性越差。与农田相比，土地利用方式为果园显著降低了 20～60 和 60～100 cm 土层土壤的有机碳稳定性，而在 0～20 cm 土层农田土壤有机碳稳定性与果园间无显著差异。果园和农田均表现为 20～60 cm 土层土壤 LOC/SOC 值最高，也说明该土层土壤有机碳稳定性最低，且果园达到显著水平。结果表明土地利用方式从农田变为果园会促进深层土壤固有有机质的分解，降低土壤有机碳稳定性，且 0～20 cm 土壤有机碳稳定性高于下层土壤。
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图2 不同土地利用方式下活性有机碳占总有机碳的比例
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2.3 不同土地利用方式下土壤碳库管理指数
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表2 为不同土地利用方式下土壤碳库指数。土地利用方式对 A 和 AI 影响较大，两种利用方式间 A 和 AI 均呈显著差异，且表现为果园 >农田。整体上，果园 A 处于 0.35～0.64 之间，农田为 0.19～0.37； 果园的 AI 显著高于农田，果园均值为 1.63，农田均值为 1.00。
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注：不同小写字母表示 0.05 水平上差异显著。
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CPI 和 CPMI 是系统地、敏感地反映和监测土壤有机碳变化的指标，可以有效地表示土壤质量和土壤肥力状况，被用来指示不同土地管理措施对土壤质量，尤其是土壤碳库的影响[10]，其值升高，表明土壤经营和管理越合理，土壤性能向良性发展。相对于农田，果园的 CPI 和 CPMI均呈增加的趋势，增幅分别达 6.12% 和 72.72%，其中 CPI，果园的增幅较小，且与农田间差异不显著。CPMI 表现为果园 >农田，且果园和农田间差异显著。这说明当农田改为果园后，土壤经营和管理越来越合理，土壤性能均向良性发展。
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2.4 土壤有机碳组分及碳库管理指数与土壤理化性质的相关性
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不同土地利用方式下土壤有机碳组分及碳库管理指数与土壤理化性质间的相关性如表3 所示。土壤 SOC 与 LOC 和 NLOC 间均存在极显著正相关关系，但 LOC 和 NLOC 之间相关关系不显著。pH 与有机碳组分间均存在不同程度的相关性，全氮和速效钾与土壤 LOC 间呈显著正相关关系。CPMI 和土壤全氮、有效磷、速效钾含量存在显著的正相关关系。综上所述，土壤有机碳组分和碳库管理指数与土壤肥力因子关系密切，可以作为该地区农田生态系统土地利用方式转变土壤肥力的监测因子。
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注：* 表示相关性达显著水平（P<0.05），** 表示相关性达极显著水平（P<0.01）。
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3 讨论
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3.1 不同利用方式下土壤碳组分含量的差异
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土壤有机碳含量取决于土壤有机物质的输入与分解之间的关系[21]，在农田生态系统中，土壤有机碳主要来源于作物凋落物、耕作措施及作物根系分泌物等输入。本研究中，果园和农田不同土层土壤 SOC 含量差异均不显著，土地利用方式为果园尚未促进土壤 SOC 固存，与 Xin 等[22]研究结果一致，但 Wang 等[23] 和 Kell[24] 得到了不同的结果，认为果园植物通过根系分泌物和生物量碳的输入会增加深层土壤 SOC 含量。研究结果的差异可能是果园植物种类的不同和研究区土壤差异而导致的，其中的机理需进一步研究。与农田相比，果园不同土层土壤活性有机碳含量均显著增加，这说明，当土地利用方式为果园时，可以有效地增加土壤活性有机物质的输入，提高土壤肥力和质量。在 0～20、20～60 和 60～100 cm 土层，果园土壤 LOC 含量均更高，且与农田间呈显著差异，这与张娇阳等[25]研究结果相似，这可能由于果园作物凋落物较多，增加了表层 0～20 cm 土壤有机物质的输入，促进了活性有机碳的积累，且果园作物根系发达，根系分泌物较多，向下层土壤中输送的活性物质丰富，微生物活动所需的能量充足，使得土壤剖面 0～100 cm LOC 含量较高。本研究结果表明， SOC、LOC 和 NLOC 含量均随土层深度的增加而减少，与吴建国等[26]在宁夏六盘山林区得到的结果相似。
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3.2 不同利用方式下土壤活性有机碳占总有机碳比例的差异
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土壤 LOC 是土壤有机碳中较活跃的组分，易被微生物分解利用，也容易受到土地利用方式变化的影响，土地利用方式的不同会使 LOC/SOC 呈现差异[27]。本研究中，与农田相比，0～100 cm 土层，果园土壤 LOC/SOC 值均有不同程度的增加，且 20～60 cm 增加幅度最大。这主要因为当土地利用方式为从农田转为果园时，土壤中总有机碳固存量不变，而果园土壤中活性有机碳的输入增多，使得 LOC/SOC 增大，这也表明果园土壤将有效活化深层土壤的固有碳库，促进有机碳的分解与利用。
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3.3 不同利用方式下土壤碳库管理指数的变化
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CPMI 能有效反映土壤质量和土壤肥力状况，其结合了外在条件影响下土壤碳库和土壤活度两方面的指标，能够很好地反映出外界条件对土壤有机碳数量及质量的影响，从而全面、动态地评价外界条件对土壤有机质性质的影响[28]。土壤全氮、有效磷和速效钾含量的高低对土壤肥力的影响十分重要，本研究结果也表明，土壤碳库管理指数与这些指标间关系密切。张娇阳等[25]研究结果表明，当坡耕地转变为其他土地利用方式后，土壤性能向良性发展，与本研究结果相似。本研究中，相对于农田，果园土壤的 CPI 和 CPMI 均呈增加的趋势，增幅分别达 6.12% 和 72.72%，CPMI 表现为果园和农田间呈显著差异。这主要因为土地利用方式变为果园后，增加了土壤有机质输入来源，从而提高了土壤 SOC 含量和土壤 CPI，增加了土壤 CPMI，由于果园中凋落物及根系分泌物输入的 LOC 含量增多，促进了土壤 SOC 的分解与利用，并且提高了土壤养分如有效磷和速效钾含量，使土壤性能向良性发展。
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4 结论
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（1）在 0～20、20～60、60～100 cm 土层，果园土壤活性有机碳含量均显著高于农田。与农田相比，果园显著增加了 20～60 和 60～100 cm 土层 LOC/SOC 值，提高了深层土壤碳库活性，促进了土壤有机碳的利用。在 0～100 cm 土层的垂直梯度上果园和农田活性有机碳含量均随土层深度增加而减少，土壤总有机碳含量无显著差异。
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（2）相关分析表明，土壤有机碳组分、碳库活度、碳库管理指数与土壤主要肥力因子如有效磷、 速效钾相关性密切，可以作为该地区农田生态系统土壤肥力的主要监测因子。
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综上所述，当土地利用方式从农田转变为果园，均能显著提高土壤碳库指数和碳库管理指数，促进土壤性能向良性发展。
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摘要
由于果树经济效益高，关中平原地区广泛推广农田转为果园。为明确关中平原地区农田转变为果园后土壤有机碳（SOC）组分含量及土壤碳库指数的差异，采用了野外调查和室内分析的方法，探究了关中平原地区农田生态系统中果园和农田的土壤碳组分及碳库管理指数的变化。结果表明，在 0 ～ 20、20 ～ 60、60 ～ 100 cm 土层中，果园土壤活性有机碳（LOC）含量较农田分别增加了 33.91%、49.95% 和 35.37%；与农田相比，果园显著增加了 20 ～ 60 和 60 ～ 100 cm 土层 LOC/SOC 值，提高了深层土壤碳库活性，促进了土壤有机碳的利用；在 0 ～ 100 cm 土层的垂直梯度上果园和农田 LOC 含量均随土层深度增加而减少，土壤总有机碳含量无显著差异；果园的碳库指数（CPI）和碳库管理指数（CPMI）均大于农田，增幅分别达 6.12% 和 72.72%。相关分析表明，土壤有机碳组分、碳库活度、碳库管理指数与土壤主要肥力因子如有效磷、速效钾相关性密切，可以作为该地区农田生态系统土壤肥力的主要监测因子。研究表明，关中平原土地利用方式从农田转变为果园，将有效活化深层土壤的固有碳库，促进有机碳的分解与利用，土壤性能向良性发展。
Abstract
Due to the high economic benefits of orchard，the conversion of farmland to orchard is widely promoted in Guanzhong plain．In order to explore the difference of soil organic carbon component content and soil carbon pool index after farmland was transformed into orchard in Guanzhong plain，field investigation and indoor analysis were used to explore the change of soil organic carbon（SOC）component and soil carbon pool management index in orchard and farmland ecosystem in Guanzhong Plain．The results showed that in 0 ～ 20，20 ～ 60 and 60 ～ 100 cm soil layers，the content of soil active organic carbon（LOC）in orchard increased by 33.91%，49.95% and 35.37% compared with that in farmland，respectively． Compared with farmland，orchard significantly increased LOC/SOC value in 20 ～ 60 and 60 ～ 100 cm soil layers， improved the activity of deep soil carbon pool，and promoted the utilization of soil organic carbon．LOC content of orchard and farmland decreased with the increasing soil depth in 0 ～ 100 cm vertical gradient，while SOC content had no significant difference．The carbon pool index（CPI）and carbon pool management index（CPMI）of orchards were 6.12% and 72.72% higher than those of cropland，respectively．The correlation analysis showed that SOC，LOC，non-active organic carbon， carbon pool activity and CPMI were closely related to the main soil fertility factors，and could be used as the main monitoring factors of soil fertility in farmland ecosystem in this region．The results show that the change of land use pattern from farmland to orchard in Guanzhong plain will effectively activate the inherent carbon pool in deep soil，promote the decomposition and utilization of organic carbon，and promote the benign development of soil properties．