干旱脅迫對靈武長棗種植園土壤礦化碳特征的影響

張昊 孫亞萍 李占文 萬仲武 唐文林 宋麗華

摘要：試驗在靈武長棗種植園內設置土壤不同干旱水平，測定土壤理化性質、土壤礦化碳及土壤碳組分，研究不同干旱水平下土壤理化性質及其土壤碳組分與土壤礦化碳之間的關系，探討不同干旱水平土壤礦化碳的變化特征。結果表明，不同干旱脅迫下土壤礦化碳存在一定的差異，隨著干旱脅迫的加劇，土壤礦化碳含量呈下降趨勢。且在不同程度的干旱脅迫下，隨著土壤pH值、含水率、全氮含量等的增大，土壤礦化碳含量也不斷增加;隨著土壤全碳含量的增加，土壤礦化碳含量呈遞減趨勢。

關鍵詞：干旱脅迫;靈武長棗;土壤礦化碳;土壤碳組分

中圖分類號：S153.6+1文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2019）04-0105-05

Abstract The relationships of soil physical and chemical properties and carbon fractions with soil mineralized carbon and the variation characteristics of soil mineralized carbon in Lingwu long jujube plantation were studied under different drought levels. The results showed that the soil mineralized carbon? was different under different drought stress levels， and showed a decrease trend with the intensification of drought stress. With the increase of soil pH value， moisture content and total nitrogen content， the soil mineralized carbon content increased. And the mineralized carbon content of soil decreased with the increase of soil total carbon content.

Keywords Drought stress; Lingwu long jujube; Soil carbon mineralization; Soil carbon components

干旱脅迫是植物逆境最普遍的形式，干旱脅迫可以發生在植物的不同發育階段，并影響植物形態的建成，是導致經濟林木生產力下降及林木枯梢、死亡的主要原因[1，2]，同時對植物的各生理指標也存在顯著影響[3，4]。干旱脅迫下的土壤養分及其各指標也發生變化，從而對植物的生長發育產生一定的影響[5，6]。土壤有機碳礦化主要是指土壤固有有機質和外源有機質（植物凋落物、根茬、以及人為有機物料的投入等）在微生物的作用下分解，并向大氣釋放二氧化碳的過程[7]。土壤自身的理化性質[8]及其碳組分含量[9]直接或間接地影響有機碳礦化，此外，溫度和水分也對土壤礦化碳含量存在影響[10，11]。據相關研究表明，土壤礦化碳含量越高，則土壤有機質含量越高，其微生物活動就越顯著，對土壤質地及其土壤養分組成的改善作用越顯著，從而增加作物產量[12，13]。

寧夏地處西北內陸，屬干旱半干旱地區，水資源缺乏，年降雨量少，因此，干旱成為了植物生長發育的限制因子。靈武長棗是寧夏區域特色的主要經濟林樹種之一，本試驗通過測定不同干旱水平下土壤理化性質及其碳組分含量等，探討干旱脅迫下靈武長棗種植園土壤的礦化程度，為靈武長棗提質增效栽培實踐提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗設在寧夏永寧縣寧夏大學實驗農場，該農場位于寧夏中部黃河沖積平原的永寧縣境內，地處西北內陸，屬中溫帶干旱氣候區，年降水量180～200 mm，年均氣溫8.5℃。棗樹樹齡為8年，株行間距為2 m×3 m，土壤類型為灌淤土。

1.2 試驗設計及方法

試驗設置3個土壤干旱水平：輕度干旱（Ⅰ，含水量為田間持水量的70%～75%）、中度干旱（Ⅱ，含水量為田間持水量的50%～55%）、重度干旱（Ⅲ，含水量為田間持水量的35%～40%）。5月初在樣地隨機選取18株棗樹，在樹干四周1.5 m范圍內開取寬40 cm、深80 cm的溝后用塑料地膜圍繞進行水分隔離。用由土壤水分感應器、控制器、電磁閥、滴灌設備組成的基于土壤含水量變化的自動灌溉系統進行不同處理的土壤含水量監控。

1.3 土壤樣品采集

11月份對土壤進行采樣，采用五點取樣法對各處理區域土壤進行取樣，分別用土鉆鉆取0～20、20～40 cm土層的土樣，分層混合裝入塑料密封袋帶回實驗室。1份放在4℃冰箱中用于土壤微生物碳和礦化碳的測定;1份自然風干，用于惰性碳、易氧化有機碳、顆粒有機碳、全碳及其土壤理化性質的測定，每個指標測定3次重復。

1.4 測定項目及方法

土壤理化性狀及碳組分的測定：利用環刀法測定土壤容重;土壤pH值和含水率分別用電位法和烘干法測定;用凱氏定氮法測全氮、鉬銻抗比色法測定土壤速效磷、堿擴散法測速效氮[14]。土壤全碳采用重鉻酸鉀外加熱法測定;土壤微生物有機碳采用氯仿熏蒸浸提法測定;土壤惰性有機碳采取鹽酸消煮法測定;采用濕篩法測定土壤顆粒有機碳;易氧化有機碳采用分光光度計比色法測定[15]。

土壤礦化碳的測定：采用室內恒溫培養，堿液吸收法測定土壤礦化碳含量。稱取預處理后的樣土30 g均勻置于500 mL棕色廣口瓶底，加入相當于田間飽和含水量60%的去離子水。吸取0.2 mol/L NaOH 25 mL放入一個50 mL燒杯內（為CO2吸收杯），將吸收杯掛在塑料內墊下方，再將塑料內墊和吸收杯懸掛在上述廣口瓶內供試樣品的上端。隨后將廣口培養瓶加蓋密封放入30℃恒溫培養箱中培養;另設不加供試樣品的空白處理。在放置培養1、2、3、4、6、7、14、21、25、35 d時取出培養瓶內的吸收杯。取出堿液加入1.0 mol/L BaCl2溶液15 mL，再加入2滴酚酞指示劑，用0.1 mol/L HCl 標準液滴定至紅色消失，測定釋放出的CO2量[16]。用稱重法校正水分含量并按如下公式計算礦化有機碳分解率：

有機碳分解率（%）= （V0-Vi）×C×0.006/W×100。

式中，V0為空白鹽酸滴定量（mL）;Vi為樣品鹽酸滴定量（mL）;C為標準鹽酸溶液的濃度（mol/L）;W為樣品中有機碳總量（g）;0.006相當于1 mmol鹽酸溶液的碳的克數。

1.5 數據處理

試驗所有數據經Micorosft Excel、DPS 7.05軟件處理并進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對土壤碳組分的影響

表1顯示不同干旱水平下各土層深度土壤碳組分的變化規律。在0～20 cm土層范圍，土壤全碳、顆粒有機碳、易氧化有機碳、微生物碳、惰性碳在重度干旱脅迫下分別為12.61、10.71、0.09 g/kg、1.47 mg/kg、6.09 g/kg，分別比輕度干旱脅迫處理高出17.74%、0.75%、3.50倍、75.00%、1.33%，土壤全碳、顆粒有機碳、惰性碳中度干旱脅迫處理最小，分別為9.37、9.17、3.45 g/kg，比輕度干旱脅迫處理下降12.51%、13.73%、42.60%，而易氧化有機碳和微生物碳為中度干旱脅迫處理最大，分別為0.19 g/kg、3.37 mg/kg，分別比輕度干旱脅迫處理高出8.50、3.01倍。干旱脅迫對土壤全碳、顆粒有機碳、易氧化有機碳、微生物有機碳、惰性碳的影響均存在極顯著差異（P<0.01）。

在20～40 cm土層范圍，土壤全碳、顆粒有機碳、易氧化有機碳、微生物碳、惰性碳在重度干旱脅迫下分別為9.31、7.77、0.17 g/kg、2.21 mg/kg、3.75 g/kg，分別比輕度干旱脅迫處理高出10.44%、8.07%、13.33%、1.99倍、8.70%，土壤全碳、顆粒有機碳、惰性碳中度干旱脅迫處理最小，分別為7.33、6.83、1.10 g/kg，比輕度干旱脅迫處理下降13.05%、5.01%、68.12%，而易氧化有機碳和微生物碳中度干旱脅迫處理最大，分別為0.23 g/kg、2.26 mg/kg，分別比輕度干旱脅迫處理高出53.33%、2.05倍。干旱脅迫對土壤全碳、顆粒有機碳、易氧化有機碳、微生物有機碳、惰性碳均存在極顯著差異（P<0.01）。

由表1還可以看出，0～20 cm土層土壤全碳、顆粒有機碳及惰性碳、微生物碳含量大于20～40 cm土層，土層深度對土壤全碳、顆粒有機碳、易氧化有機碳及惰性碳含量的影響差異不顯著（P>0.05），而對微生物碳的影響存在顯著差異（P<0.05）。

2.2 土壤礦化碳含量隨時間的變化

由圖1、圖2可以看出，在35天的培養周期內，培養前6天，0～20、20～40 cm土層的土壤礦化碳含量逐漸增大，總體趨勢較為平緩，在第7天礦化碳含量迅速達到最大，之后由于微生物的活動逐漸減弱，土壤礦化量逐漸減少，25天之后，礦化碳含量變化逐漸趨于平緩。3個處理之間的礦化量也存在一定差異，其中處理Ⅰ礦化碳含量最高，處理Ⅱ次之，處理Ⅲ最低。

2.3 干旱脅迫對不同土層土壤礦化碳含量的影響

從圖3可以看出，兩個土層三種處理之間土壤礦化量存在極顯著差異（P<0.01），處理Ⅰ的土壤礦化碳含量最高，其次是處理Ⅱ，處理Ⅲ最低。且土壤碳礦化量有隨著土層加深逐漸變小的趨勢，即0～20 cm的土層礦化量比20～40 cm的土層大。

2.4 土壤礦化碳與土壤理化性狀相關性分析

由表2可知，在干旱脅迫下，土壤礦化碳含量與土壤速效氮、速效磷、有機碳、土壤容重的相關性不顯著，而與土壤pH值、含水率存在顯著正相關，與土壤全氮存在極顯著正相關，即隨著土壤pH的升高、土壤含水率和全氮含量的增大，土壤礦化碳含量也不斷增加。說明土壤pH值、含水率、全氮是影響土壤礦化碳含量變化的重要因素。

2.5 土壤礦化碳與碳組分相關性分析

從表3可以看出，干旱脅迫下，土壤礦化碳含量與土壤全碳存在顯著負相關，與土壤惰性碳、顆粒有機碳、微生物碳、易氧化有機碳相關性不顯著，隨著土壤全碳含量的增加，土壤礦化碳含量呈遞減趨勢。說明土壤全碳對礦化碳的變化影響顯著，而土壤惰性碳、顆粒有機碳、微生物碳、易氧化有機碳對礦化碳的變化影響不大。

3 討論

土壤有機碳礦化量表示土壤有機碳分解的快慢，其隨時間的變化趨勢與土壤有機碳的組分[17]、土壤含水量[18]等密切相關。在試驗期間，培養前期土壤有機碳礦化速率快，積累礦化量增長較多，培養后期均趨于平緩，與張文娟[19-21]等的研究具有一致性。通過試驗觀察及數據分析發現，土壤有機碳礦化速率的影響因子包括微生物因素（土壤微生物種類和數量、植被類型、調落物的性質和數量）和非生物因素（土壤養分組成等物理和化學性質、土壤有機碳的數量和質量），與向成華[22-24]等的研究具有一致性。土壤礦化碳含量的增加，有利于土壤養分的積累，改善土壤結構，提高土壤的生產力。本試驗結果表明，在不同水平的干旱脅迫下，三個處理的土壤碳礦化量存在差異，產生差異的原因主要包括：土壤含水率、微生物種類、數量和活性的差異，土壤理化性質的差異、凋落物性質和數量的差異，不同草種、根系分泌物的差異等。土壤含水率對土壤有機碳礦化存在不同程度的影響，隨著土壤含水率的增加，土壤礦化碳含量有所增加。隨著干旱脅迫的加劇，土壤碳組分含量以及土壤礦化碳含量降低，從而降低了土壤養分含量，在一定程度上降低了棗園的生產力。

4 結論

（1） 不同干旱脅迫下，靈武長棗種植園土壤礦化碳存在差異，隨著干旱脅迫的加劇，土壤礦化碳含量表現為下降的趨勢。干旱脅迫下，不同土層土壤有機碳礦化規律一致，培養初期，礦化碳含量呈上升趨勢，第7天達到最大值，之后礦化量明顯下降。

（2） 不同干旱脅迫下，隨著土壤pH值的升高、土壤含水率和全氮含量的增加，土壤礦化碳含量也不斷增大，而隨著土壤全碳含量的增加，土壤礦化碳含量呈遞減趨勢。

（3） 隨著干旱脅迫的加劇，土壤碳組分含量以及土壤礦化碳含量降低，從而降低了土壤養分含量，在一定程度上降低了棗園的生產力。

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