貴州黃壤性水稻土不同粒徑有機碳之間的礦化差異

郭振　王小利　段建軍

摘要：以貴州長期定位試驗的黃壤性水稻土為對象，以單施有機肥處理為例，采用濕篩法和堿液吸收法研究不同粒徑土壤[粗顆粒（>250 μm）、微團聚體（53～250 μm）、單粉粒（2≤粒徑<53 μm）和單黏粒（<2 μm）]有機碳的礦化速率和累積礦化量，為提高土壤有機碳的穩定性提供理論依據。結果表明：所有組分有機碳的礦化速率呈現出先快速上升后逐漸下降的趨勢，并在培養后4 d達到峰值，礦化速率CO2-C介于0.004 0～0.050 4 g/（kg·d）之間；培養前期單粉粒有機碳和微團聚體有機碳的礦化速率較高，粗顆粒有機碳礦化速率最低。所有組分的累積礦化量CO2-C介于0.151 7～0.185 4 g/kg之間，且粗顆粒和單黏粒有機碳累積礦化量較原土分別降低了13.3%和8.18%，其他組分較原土略有提高；微團聚體和單粉粒的有機碳累積礦化量較高，分別為0.176 4 g/kg和0.185 4 g/kg，顯著高于粗顆粒和單黏粒（P<0.05）。在培養前期所有組分的礦化速率方程為指數函數且達到極顯著水平（P<0.01），培養后期呈對數函數（P<0.01），累積礦化量呈對數函數由快到慢增長（P<0.01）。不同粒徑土壤中可礦化有機碳的分配比例無顯著差異（P>0.05），固碳能力依次是：粗顆粒>單黏粒>微團聚體>單粉粒。不同粒徑土壤中可礦化有機碳的分配比例隨粒級減小而變大，大粒徑土壤固碳能力較小粒徑強。

關鍵詞：黃壤性水稻土；粒徑；有機碳；礦化；穩定性；礦化速率；累積礦化量

中圖分類號：S152文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）14-0223-04

土壤碳庫作為陸地生態系統重要的組成部分，其中有 1.5×1015 kg屬于土壤有機碳（SOC），具有相當大的庫容[1]。SOC占全球土壤碳庫的60%左右，是大氣碳庫的1.98倍，因此SOC較小幅度的變化就會影響碳向大氣的排放，以溫室效應影響全球氣候變化[2]。土壤碳素向大氣的排放主要是通過SOC的礦化作用以CO2的形式從土壤圈進入大氣圈。SOC的礦化作用是一個受土壤酶介導的生物化學過程，主要是通過土壤微生物利用、分解土壤活性有機碳（SAOC）來完成自身的代謝循環，同時釋放出CO2 的過程，直接關系到土壤中養分元素的釋放與供應、溫室氣體的形成及土壤質量的保持等[3-4]，因此探究SOC的礦化規律對于土壤養分的管理和溫室效應的控制都具有非常重要的意義。土壤有機碳的礦化主要受土壤質地、土壤水分以及溫度等因素的影響[5]，而不同粒徑土壤有機碳之間也存在顯著的礦化差異，會造成土壤環境明顯不同。劉晶等研究表明，不同粒徑有機碳之間的礦化速率存在顯著差異，粒徑>5 mm的土壤顆粒可礦化碳最低，但固碳潛力卻最強[6]。葛序娟等對湖南省桃源縣水稻土的研究表明，土壤有機碳礦化速率呈現出先升高后降低最后穩定在一個較低水平上的特性[7]。魏亞偉等對喀斯特土壤團聚體及其穩定性研究表明，隨培養時間的延長，土壤團聚體有機碳的礦化速率先增加再減小，20 d后趨于平穩，而且隨著團聚體粒級的減小礦化速率逐漸增大[8]。國外有研究表明，土壤有機碳的礦化速率與土壤有機質的質量和團聚體密切相關[9]。土壤有機碳礦化主要通過室內土壤需氧培養法測定，培養土壤中沒有有機碳輸入和淋溶輸出，土壤溫濕度也得以有效控制，培養中釋放CO2的趨勢和強度能反映不同條件下土壤有機碳的分解動態[10]。目前我國對土壤有機碳礦化的研究已有很多報道，但都主要集中在表層原狀土壤的研究[11-12]，對不同粒徑土壤有機碳的礦化研究較少。本研究采取貴州典型黃壤稻田土壤，對不同粒徑中土壤有機碳的礦化速率和累積礦化量進行研究，為提高土壤有機碳的穩定性提供相應的理論依據。

1材料與方法

1.1試驗設計

長期試驗地位于貴州省農業科學院內（106°07′E、26°11′N），地處黔中丘陵區，平均海拔1 071 m，屬于亞熱帶季風氣候，年均日照時數1 354 h左右，年平均氣溫15.3 ℃，相對濕度75.5%，年降水量1 100～1 200 mm，全年無霜期270 d左右。試驗地為黃壤性水稻土，成土母質為三疊系灰巖與砂頁巖風化物。該長期定位試驗起始于1995年，初始耕層（0～20 cm）土壤基本性質為：有機質31.15 g/kg（折有機碳18.07 g/kg），全氮1.76 g/kg，全磷2.30 g/kg，堿解氮134.4 mg/kg，速效磷21.1 mg/kg，速效鉀157.9 mg/kg，pH值6.63。設有11個施肥處理，采用大區對比試驗，不設重復，小區面積為201 m2。本研究根據需要僅選取單施有機肥的處理，對該施肥條件下不同粒徑土壤有機碳之間的礦化差異進行了初探。有機肥料為牛廄肥（平均含C 413.8 g/kg、N 2.7 g/kg、P2O5 1.3 g/kg、K2O 6.0 g/kg），年施用量61.1 t/hm2。

1.2土樣采集和預處理

在2014年水稻收獲后的12月中下旬進行采樣，用“S”型采樣法隨機采集水田表層0～20 cm深土壤，5點組成一個土樣，取3次重復。將采集的土樣除去動、植物殘體混勻風干分成2份，一部分研磨過2 mm篩用于濕篩分組，另一部分過0.25 mm篩，用于測定土壤有機碳。

1.3試驗方法

1.3.1土壤有機碳的分組和測定

采用濕篩法將過2 mm篩的土壤分離獲得>250 μm的粗顆粒有機碳、53≤粒徑≤250 μm的微團聚體有機碳、2≤粒徑<53 μm的單粉粒有機碳和<2 μm的單黏粒有機碳[13-14]。具體操作為：稱取20 g過2 mm篩的風干土樣于微團聚體分離器套篩的頂部篩上（上層250 μm篩子，下層53 μm篩子），放入30個玻璃珠，然后上下擺動此裝置約20 min，留在250 μm篩上的組分為粗顆粒有機碳，在53～250 μm篩上的為微團聚體有機碳，過 53 μm 篩的為粘粉粒有機碳，然后將<53 μm的組分用離心法分別于900 r/min下離心7 min和3 200 r/min下離心 15 min 分離出單粉粒有機碳和單黏粒有機碳。所有組分均采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測得有機碳含量[15]。

1.3.2土壤有機碳礦化培養

稱取各組分土壤2 g于50 mL燒杯中，用蒸餾水調節至田間持水量的45%左右，將燒杯置于1 L廣口瓶中，放入25 ℃恒溫培養箱中預培養24 h[16]；預培養結束后將盛有10 mL 0.01 mol/L NaOH溶液的燒杯放入廣口瓶中，密封，于25 ℃恒溫培養箱中黑暗培養，在1、2、3、4、5、6、7、8 d將燒杯中的NaOH吸收液轉出并換上新的吸收液，并用稱質量法補充水分至恒質量，通氣30 min再加蓋繼續密閉黑暗培養。在轉出的吸收液中加入2 mL 1 mol/L的BaCl2溶液，然后加入酚酞指示劑1滴，用0.01 mol/L的HCl滴定未消耗的NaOH，通過HCl消耗量來計算釋放出的CO2量[17-18]。每個組分設置3次重復，并設空白對照。

1.4數據分析

試驗數據采用Excel 2016和SPSS 19.0軟件進行統計與分析。

2結果與分析

2.1不同粒徑土壤有機碳含量特征

圖1顯示，不同粒徑土壤有機碳含量之間均存在顯著差異（P<0.05）。以粗顆粒有機碳含量最高，達19.77 g/kg；單黏粒有機碳含量最低，僅有0.61 g/kg；微團聚體有機碳含量和單粉粒有機碳含量居中。其中粗顆粒有機碳含量分別是微團聚體、單粉粒、單黏粒有機碳含量的1.93倍、4.95倍和3227倍。微團聚體有機碳含量分別是單粉粒和單黏粒有機碳含量的2.57倍、16.75倍，單粉粒有機碳含量是單黏粒有機碳含量的6.52倍。

2.2不同粒徑土壤有機碳礦化特征

2.2.1原土有機碳礦化速率

圖2顯示了原土在室內培養期間CO2-C的釋放速率隨培養時間的變化。在整個培養時間內，原土有機碳的礦化速率呈現出先快速上升后逐漸下降的趨勢，并在培養4 d時達到峰值，礦化速率CO2-C介于001～0.05 g/（kg·d）之間。原土有機碳的日均礦化速率均表現出顯著性差異（P<0.05）。

2.2.2不同粒徑土壤有機碳礦化速率

圖3描述了不同粒徑土壤有機碳8 d內日均礦化量的動態變化。4組不同粒徑土壤有機碳的日均礦化量都存在明顯的階段特征：在培養前4 d，土壤有機碳礦化速率有大幅度的上升，且在4 d時達到峰值，之后土壤有機碳礦化速率均逐漸下降，說明隨著培養時間的延長，易礦化有機碳逐漸減少，微生物開始分解難礦化有機碳，因此CO2-C的釋放速率開始降低。在培養1 d時，不同粒徑間土壤有機碳礦化速率無顯著差異（P>0.05）；2 d時，單粉粒有機碳的礦化速率顯著（P<0.05）高于粗顆粒有機碳礦化速率；3 d時，微團聚體有機碳的礦化速率最大；4 d時，所有組分有機碳礦化速率均達到峰值但無顯著性差異（P>0.05）；在培養后期的5～8 d，隨著培養時間的增加，不同粒徑間土壤有機碳礦化速率的差異逐漸變小，礦化量基本穩定且無顯著性差異（P>0.05）。粗顆粒有機碳的礦化速率介于0.005 1～0.043 5 g/（kg·d）之間，日均礦化速率大小為4 d>3 d>5 d>6 d>7 d>2 d>8 d>1 d；微團聚體有機碳的礦化速率介于0.004 7～0.050 4 g/（kg·d）之間，前4 d彼此之間均呈顯著性差異（P<0.05），培養后期土壤有機碳的礦化差異逐漸變小且相對穩定；單粉粒有機碳的礦化速率介于0.005 2～0.049 0 g/（kg·d）之間，8 d時礦化速率最低，是4 d時礦化速率的10.61%；單黏粒有機碳的礦化速率低于其他粒徑，介于0.004 0～0.042 2 g/（kg·d） 之間。

2.2.3不同粒徑土壤有機碳累積礦化量

圖4表明，原土有機碳的累積礦化量為0.175 0 g/kg，不同粒徑土壤有機碳的累積礦化量介于0.151 7～0.185 4 g/kg之間，且隨培養時間的延長而呈上升趨勢，但有機碳累積釋放強度逐漸減緩。與原土相比，粗顆粒有機碳和單黏粒有機碳累積礦化量分別降低了13.3%和8.18%，微團聚體有機碳和單粉粒有機碳累積礦化量分別提高了0.8%和5.93%。微團聚體有機碳累積礦化量和原土有機碳累積礦化量相近，在0.005 4～0.176 4 g/kg 之間。微團聚體有機碳累積礦化量和單粉粒有機碳累積礦化量較高，分別是0.176 4 g/kg和0.185 4 g/kg，是粗顆粒有機碳累積礦化量的1.16倍和1.22倍，不僅顯著高于粗顆粒有機碳累積礦化量，也顯著高于單黏粒土壤有機碳的累積礦化量。

2.3土壤有機碳礦化速率方程和累積礦化量方程

根據土壤有機碳礦化速率將整個培養期分為前4 d的快速增長階段和后4 d的緩慢下降階段。對圖2原土有機碳的礦化速率和圖3不同粒徑土壤有機碳的礦化速率進行擬合，結果見表1，表明在培養前期原土和不同粒徑土壤有機碳的礦化速率隨培養時間的變化符合指數函數關系，相關性均達到極顯著水平（P<0.01）；在培養后期原土和不同粒徑土壤有機碳的礦化速率隨培養時間的變化符合對數函數關系，相關性也均達到極顯著水平（P<0.01）；對圖4原土及不同粒徑土壤有機碳的累積礦化量進行擬合，結果見表1，表明在整個培養期內，原土和不同粒徑土壤有機碳累積礦化量隨培養時間的變化符合對數函數關系，相關性均達到極顯著水平（P<0.01）。

2.4不同粒徑中可礦化有機碳的分配比例

土壤可礦化有機碳的分配比例是在培養時間內土壤有機碳礦化釋放的CO2-C量占土壤總有機碳含量的比例，它從某種程度上反映了土壤的固碳能力，如果該比例越低，表明土壤的固碳能力越強，反之則固碳能力越弱[19]。本研究中，不同粒徑土壤中可礦化有機碳的分配比例無顯著差異（P>0.05），變化范圍在0.47%～0.57%，但粗顆粒和單黏粒的可礦化有機碳分配比例較低，單粉粒和微團聚體的可礦化有機碳分配比例較高，不同粒徑土壤組分的固碳能力依次是：粗顆粒>單黏粒>微團聚體>單粉粒（圖5）。表明不同粒徑土壤中可礦化有機碳的分配比例隨粒級減小而變大，大粒徑土壤固碳能力較小粒徑更強。

3討論

土壤有機碳的礦化受土壤顆粒組成、土壤溫度、濕度、pH值、施肥措施、土地類型和質地等因素的影響，不同組分有機碳因土壤物理、化學、生物和非生物等性質的差異會造成土壤有機碳含量的改變，甚至不同組分間會出現顯著性差異，從而對不同組分土壤有機碳的礦化速率和累積礦化量產生不同程度的影響[6]。本研究中，經過單施有機肥處理的土壤有機碳主要分布于粗顆粒上，不同粒徑土壤有機碳含量占土壤總有機碳含量的百分比依次是：粗顆粒有機碳（55.51%）>微團聚體有機碳（28.80%）>單粉粒有機碳（11.22%）>單黏粒有機碳（1.72%）。王芳等研究結果表明，太湖地區黃泥土、烏泥土、白土3種土壤耕層有機碳主要存在于250～2 000 μm 和20～250 μm粒級團聚體上[20]。郭菊花等對紅壤性水稻土的研究也指出，土壤有機碳主要分配在250～2 000 μm 的大團聚體上[21]。說明有機碳含量高的組分主要依靠有機膠結物質，這不僅與施肥措施有關，還與大團聚體的物理保護機制相關。劉京等在對乾縣土壤定點培肥試驗地土壤團聚體分析測定時指出，施有機肥或有機無機肥配施可明顯增加土壤團聚體含量[22]。

土壤有機碳按其分解的難易程度可分為活性有機碳庫和惰性有機碳庫，前者礦化速率較快、易被微生物分解利用；后者穩定性高，礦化速率較慢且很難被分解。本研究中在培養的4 d時，原土及不同粒徑土壤有機碳的礦化速率達到最大，因為礦化初期土壤中存在易分解的糖類和蛋白質等有機物質，為微生物活動提供了足夠的養分，且礦化初期土壤有機碳的礦化速率隨培養時間的變化呈指數函數，同時達到極顯著水平（P<0.01）；之后由于糖類和蛋白質等有機物質的減少，土壤微生物開始利用惰性有機碳，原土及各粒徑土壤有機碳礦化速率隨培養時間的變化符合對數函數且達到極顯著水平（P<0.01），后期的研究結果與陳濤等[23-24]的研究結果類似。本研究中，小粒徑土壤有機碳的礦化速率和累積礦化量大于大粒徑，這說明土壤大團聚體的有機碳較穩定，不易分解，而小團聚體中的有機碳易礦化，不利于有機碳的儲存，這與魏亞偉等的研究結果[8]類似，但與部分研究結果不同：Elliott等研究表明，大團聚體中的有機碳比較年輕，因而比微團聚體中的有機碳更易礦化[25]；Puget等研究發現，小團聚體中的有機碳比大團聚體中的有機碳老化，這可能與土壤母質、地上植被和生態環境的差異有關[26]，因而造成土壤團聚體中有機碳的分布不同。不同粒徑土壤有機碳的礦化速率和累積礦化量均以粗顆粒有機碳組分最小，其他組分較大，這可能與各粒徑土壤中有機碳含量和微生物相關，Sato等研究結果表明，土壤可礦化碳與微生物生物量碳和土壤有機碳有著很好的相關性，但不同粒級團聚體中有機碳礦化量的差異，除與土壤微生物和有機碳含量有關外，還可能受其他多種因素的影響[27]。本研究中，不同粒徑土壤中可礦化有機碳的分配比例無顯著差異，變化范圍在0.47%～0.57%，可礦化有機碳分配比例大小順序依次是：單粉粒有機碳>微團聚體有機碳>單黏粒有機碳>粗顆粒有機碳，表明粗顆粒組分的固碳能力最強，其次是單黏粒、微團聚體、單粉粒。此結果與劉晶等的研究報道[6]一致，表明團聚體可礦化有機碳的分配比例隨粒級減小而變大，大團聚體的固碳能力強于小團聚體的固碳能力。

4結論

（1）原土及不同粒徑土壤有機碳的礦化速率呈現出先快速升高后緩慢降低的趨勢，累積礦化量呈現出培養前期增長速率較快后期增長速率較慢的趨勢。

（2）培養前期原土及不同粒徑土壤有機碳的礦化速率呈指數函數且達到極顯著水平，培養后期呈對數函數且達到極顯著水平，累積礦化量也呈對數函數由快到慢增長且達到極顯著水平（P<0.01）。

（3）不同粒徑土壤中可礦化有機碳的分配比例無顯著差異，固碳能力依次是：粗顆粒>單黏粒>微團聚體>單粉粒。

參考文獻：

[1]Poll C，Marhan S，Back F，et al. Field-scale manipulation of soil temperature and precipitation change soil CO2 flux in a temperate agricultural ecosystem[J]. Agriculture Ecosystems & Environment，2013，165（S1/S2）：88-97.

[2]曾駿，董博，張東偉，等. 不同施肥方式對灌漠土土壤有機碳，無機碳和微生物量碳的影響[J]. 水土保持通報，2013，33（2）：35-38.

[3]李忠佩，張桃林，陳碧云. 可溶性有機碳的含量動態及其與土壤有機碳礦化的關系[J]. 土壤學報，2004，41（4）：544-552.

[4]王苑，宋新山，王君，等. 干濕交替對土壤碳庫和有機碳礦化的影響[J]. 土壤學報，2014，51（2）：154-162.

[5]徐洪文，盧妍. 土壤碳礦化及活性有機碳影響因子研究進展[J]. 江蘇農業科學，2014，42（10）：4-7.

[6]劉晶，田耀武，張巧明. 豫西黃土丘陵區不同土地利用方式土壤團聚體有機碳含量及其礦化特征[J]. 水土保持學報，2016，30（3）：254-261.

[7]葛序娟，潘劍君，尹正宇，等. 不同土層水稻土培養條件下有機碳礦化規律研究[J]. 土壤通報，2015，46（3）：570-578.

[8]魏亞偉，蘇以榮，陳香碧，等. 人為干擾對喀斯特土壤團聚體及其有機碳穩定性的影響[J]. 應用生態學報，2011，22（4）：971-978.

[9]Hassink J. Density fractions of soil macro-organic matter and microbial biomass as predictors of C and N mineralization[J]. Soil Biology & Biochemistry，1995，27：1099-1108.

[10]周焱，徐憲根，阮宏華，等. 武夷山不同海拔高度土壤有機碳礦化速率的比較[J]. 生態學雜志，2008，27（11）：190-1907.

[11]馬力，楊林章，肖和艾，等. 施肥和秸稈還田對紅壤水稻土有機碳分布變異及其礦化特性的影響[J]. 土壤，2011，43（6）：883-890.

[12]朱凌宇. 我國南方幾種主要土壤有機碳分解特征及模擬研究[D]. 南京：南京農業大學，2013.

[13]張麗敏，徐明崗，婁翼來，等. 土壤有機碳分組方法概述[J]. 中國土壤與肥料，2014（4）：1-6.

[14]竇森. 土壤有機質：土壤有機質的分組[M]. 北京：科學出版社，2011：26-46.

[15]魯如坤. 土壤農業化學分析方法[M]. 北京：中國農業科學技術出版社，2000.

[16]Goyal S，Chander K，Mundra M C，et al. Influence of inorganic fertilizers and organic amendments on soil organic matter and soil microbial properties under tropical conditions[J]. Biology and Fertility of Soils，1999，29（2）：196-200.

[17]吳萌，李忠佩，馮有智，等. 長期施肥處理下不同類型水稻土有機碳礦化的動態差異[J]. 中國農業科學，2016，49（9）：1705-1714.

[18]李順姬，邱莉萍，張興昌，等. 黃土高原土壤有機碳礦化及其與土壤理化性質的關系[J]. 生態學報，2010，30（5）：1217-1226.

[19]戴慧，王希華，閻恩榮. 浙江天童山土地利用方式對土壤有機碳礦化的影響[J]. 生態學雜志，2007，26（7）：1021-1026.

[20]王芳，潘根興，李戀卿. 長期不同施肥處理下黃泥土原土和團聚體顆粒組的菲含量變化[J]. 土壤，2009，41（3）：464-470.

[21]郭菊花，陳小云，劉滿強，等. 不同施肥處理對紅壤性水稻土團聚體的分布及有機碳、氮含量的影響[J]. 土壤，2007，39（5）：787-793.