凍融時黑土耕層土壤活性有機碳響應特征1)

莊海艷　單博　陳祥偉

(東北林業(yè)大學，哈爾濱，150040)

土壤碳是土壤質(zhì)量評價的重要指標[1]，不僅影響著土壤的物理、化學和生物特征及其過程，而且在維持生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力以及全球碳平衡過程中起重要作用[2]。土壤碳中受植物、微生物影響強烈，具有一定溶解性，在土壤中移動比較快、不穩(wěn)定、易氧化、易分解、易礦化的組分被稱為土壤活性有機碳，常采用溶解性有機碳、微生物量碳、可礦化碳、輕組有機碳、顆粒有機碳等指標來進行表征[3]。雖然活性有機碳只占土壤有機碳總量的較小部分，卻直接參與土壤生物化學轉(zhuǎn)化過程。作為世界三大黑土帶之一的東北黑土主要分布在我國溫帶地區(qū)，每年會經(jīng)歷6～8個月的季節(jié)性凍融期[4]。凍融交替作用通過改變土壤的結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)對生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)過程產(chǎn)生影響[5]，加速土壤中碳庫的流失和分解[6]，而這種影響主要是通過對土壤活性有機碳產(chǎn)生的影響得以實現(xiàn)的。

目前，關(guān)于凍融作用對土壤活性有機碳影響的研究大多集中在凍融循環(huán)次數(shù)和凍結(jié)溫度方面[4,7]，而關(guān)于凍融前期含水量對活性有機碳影響的研究則較少。因此，本文以黑土耕層土壤為研究對象，采用室內(nèi)模擬凍融實驗的方法，探究凍融對黑土活性有機碳的影響，研究結(jié)果對進一步研究黑土耕層土壤碳庫平衡和土壤肥力保持具有重要意義。

1　材料與方法

1.1　供試土壤及樣品的制備

土壤樣品取自位于黑龍江省克山農(nóng)場的典型黑土區(qū)(N48°12′～48°23′，E125°8′～125°37′)。在耕作措施一致、前茬作物均為玉米的耕地地中設(shè)置3塊臨時樣地，采用自制內(nèi)徑和高均為10 cm的土壤原狀土取樣器采集0～20 cm的耕層土壤樣品，保鮮膜密封低溫保鮮后備用。供試土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)25.22 g·kg-1，全氮質(zhì)量分數(shù)1.67 g·kg-1，堿解氮質(zhì)量分數(shù)184.88 mg·kg-1，全磷質(zhì)量分數(shù)0.42 g·kg-1，有效磷質(zhì)量分數(shù)21.54 μg·kg-1。

模擬凍融循環(huán)設(shè)置3個處理，分別為無凍融(0次)、少次凍融(3次)和多次凍融(12次)，其中-15 ℃凍結(jié)24 h、5 ℃解凍24 h為一次完整的凍融循環(huán)；前期土壤含水量設(shè)置2個處理，即田間自然質(zhì)量含水量(29.42%)和飽和含水量(39.93%)。凍融處理后土壤樣品經(jīng)充分混合，采用四分法取樣用于活性有機碳指標的測定，重復4次。

1.2　指標及測定方法

土壤微生物量碳(MBC)采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法[8]，土壤可溶性有機碳(DOC)采用硫酸鉀浸提法[9]，土壤易氧化有機碳(ROC)采用KMnO4氧化法[10]，土壤顆粒有機碳(POC)采用(NaPO3)6分離方法[11]，土壤輕組有機碳(LFOC)采用1.8 g·mL-1NaI重液分離方法[12]，土壤可礦化碳(PMC)采用室內(nèi)培養(yǎng)法測定[13]，其他指標采用常規(guī)測定方法。

1.3　數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)均采用SPSS18.0和Microsoft Excel軟件進行統(tǒng)計分析，采用多因素方差分析和最小顯著差異法(LSD)檢驗不同數(shù)據(jù)組間的顯著性差異，顯著性水平設(shè)定為α=0.05。

2　結(jié)果與分析

2.1　微生物量碳的變化

土壤微生物量碳(MBC)僅占土壤總有機碳的2%～3%，但對土壤有機碳的動態(tài)有不可忽視的影響[14]。研究發(fā)現(xiàn)，土壤微生物量碳對凍融循環(huán)的響應較為敏感，但前期含水量不同會導致凍融處理后MBC質(zhì)量分數(shù)的變化規(guī)律有所不同(表1)。在飽和含水量條件下，無論多次凍融還是少次凍融均顯著降低了MBC質(zhì)量分數(shù)(P<0.05)，但以少次凍融后的降低幅度較大，與無凍融相比減少了69.60%；對自然含水量處理而言，僅表現(xiàn)出多次凍融顯著提高了土壤微生物量碳質(zhì)量分數(shù)(P<0.05)，較無凍融處理提高了149.94%。由表1還可知，前期含水量亦會對MBC質(zhì)量分數(shù)產(chǎn)生影響，表現(xiàn)為無凍融條件下，飽和含水量處理顯著增加了MBC質(zhì)量分數(shù)(P<0.05)；凍融條件下飽和含水量處理會導致MBC質(zhì)量分數(shù)降低，但僅表現(xiàn)為多次凍融后的這種影響達到顯著水平。

2.2　可礦化碳的變化

可礦化碳(PMC)又稱生物可降解碳，是微生物分解有機物質(zhì)過程中每單位微生物量產(chǎn)生的CO2量,可廣泛地評估土壤微生物活性[3]。測定結(jié)果表明，前期含水量對土壤PMC的影響程度顯著大于凍融循環(huán)次數(shù)，表現(xiàn)出在無凍融和多次凍融條件下，飽和含水量處理可顯著增加PMC質(zhì)量分數(shù)(P<0.05)，分別較自然含水量處理增加了42.7%和92.7%；而在少次凍融條件下，飽和含水量處理有降低PMC質(zhì)量分數(shù)的趨勢，但未達顯著水平(表2)。從表2還可以看出，在自然含水量條件下，少次凍融能夠顯著增加土壤PMC質(zhì)量分數(shù)(P<0.05)，較無凍融相對增加了33.3%，多次凍融會導致PMC質(zhì)量分數(shù)降低；對飽和含水量處理條件下而言，凍融循環(huán)次數(shù)對土壤可礦化碳質(zhì)量分數(shù)的影響既無明顯規(guī)律性也未達顯著水平。

表1　不同凍融處理下土壤微生物量碳的質(zhì)量分數(shù)　mg·kg-1

注：表中數(shù)據(jù)為“平均值±標準差”，同列不同大寫字母表示相同循環(huán)次數(shù)不同前期含水量處理間差異顯著(P<0.05)，同行不同小寫字母表示相同前期含水量不同循環(huán)次數(shù)處理間差異顯著(P<0.05)。

表2　不同凍融處理下土壤可礦化碳質(zhì)量分數(shù)　mg·kg-1

注：表中數(shù)據(jù)為“平均值±標準差”，同列不同大寫字母表示相同循環(huán)次數(shù)不同前期含水量處理間差異顯著(P<0.05)，同行不同小寫字母表示相同前期含水量不同循環(huán)次數(shù)處理間差異顯著(P<0.05)。

2.3　可溶性有機碳的變化

土壤可溶性有機碳(DOC)是土壤有機物轉(zhuǎn)化和微生物代謝活動的中間產(chǎn)物，其含量高低是土壤微生物對有機物分解與利用的綜合反映[15]。研究結(jié)果表明，凍融循環(huán)次數(shù)對土壤DOC質(zhì)量分數(shù)的影響程度高于前期含水量。在自然含水量處理條件下，土壤可溶性有機碳的變化表現(xiàn)為少次凍融可顯著增加其含量、多次凍融卻顯著降低其質(zhì)量分數(shù)(P<0.05)；在飽和含水量處理條件下，雖然表現(xiàn)出少次凍融有增加DOC質(zhì)量分數(shù)、多次凍融降低DOC質(zhì)量分數(shù)的趨勢，但與無凍融處理相比均未達顯著水平(表3)。此外，從表3還可以看出，前期土壤含水量同樣會對DOC質(zhì)量分數(shù)產(chǎn)生影響，但僅表現(xiàn)為多次凍融處理條件下飽和含水量可顯著增加其質(zhì)量分數(shù)(P<0.05)。

2.4　易氧化有機碳的變化

土壤易氧化有機碳(ROC)是反映土壤有機碳有效性和土壤質(zhì)量的重要指標，是土壤有機碳中周轉(zhuǎn)最快的組分[16]。研究發(fā)現(xiàn)，土壤ROC質(zhì)量分數(shù)的變化對凍融的響應較不敏感，僅表現(xiàn)出在自然含水量處理條件下少次凍融可顯著增加ROC質(zhì)量分數(shù)(P<0.05)；無凍融處理條件下飽和含水量可顯著增加ROC質(zhì)量分數(shù)，少次凍融處理條件下飽和含水量可顯著降低ROC質(zhì)量分數(shù)(P<0.05)；其他各種處理對土壤易氧化有機碳的影響均未達顯著水平(表4)。

表3　不同凍融處理下土壤可溶性有機碳的質(zhì)量分數(shù)　mg·kg-1

注：表中數(shù)據(jù)為“平均值±標準差”，同列不同大寫字母表示相同循環(huán)次數(shù)不同前期含水量處理間差異顯著(P<0.05)，同行不同小寫字母表示相同前期含水量不同循環(huán)次數(shù)處理間差異顯著(P<0.05)。

表4　不同凍融處理下土壤易氧化有機碳的質(zhì)量分數(shù)　g·kg-1

注：表中數(shù)據(jù)為“平均值±標準差”，同列不同大寫字母表示相同循環(huán)次數(shù)不同前期含水量處理間差異顯著(P<0.05)，同行不同小寫字母表示相同前期含水量不同循環(huán)次數(shù)處理間差異顯著(P<0.05)。

2.5　顆粒有機碳的變化

土壤顆粒有機碳(POC)是指以較輕的自由態(tài)存在或被包裹在土壤顆粒中的較大的有機質(zhì)顆粒[17]。測定過表明，前期含水量對土壤POC質(zhì)量分數(shù)的影響程度高于凍融循環(huán)次數(shù)的影響。在自然含水量處理條件下，土壤POC質(zhì)量分數(shù)的變化呈現(xiàn)隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸下降的趨勢，并以多次凍融的影響達顯著水平(P<0.05)。由表5可知，前期含水量對土壤POC質(zhì)量分數(shù)的顯著影響僅表現(xiàn)在多次凍融處理條件下(P<0.05)，飽和含水量處理較自然含水量處理土壤POC質(zhì)量分數(shù)相對增加了24.5%。

2.6　輕組有機碳的變化

土壤輕組有機碳(LFOC)與微生物緊密相關(guān)，微生物的代謝產(chǎn)物常成為其重要組成部分[18]。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，凍融循環(huán)次數(shù)和前期含水量對土壤LFOC質(zhì)量分數(shù)的影響均表現(xiàn)出較強的規(guī)律性(表6)。無論是在自然含水量還是飽和含水量處理條件下，均表現(xiàn)出隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加LFOC質(zhì)量分數(shù)下降的趨勢。其中，飽和含水量處理條件下僅多次凍融可顯著降低LFOC質(zhì)量分數(shù)，而自然含水量處理條件下無論少次還是多次凍融都對LFOC質(zhì)量分數(shù)產(chǎn)生了顯著影響(P<0.05)。從表6還可以看出，無論少次還是多次凍融，都會導致飽和含水量處理較自然含水量顯著增加輕組有機碳的質(zhì)量分數(shù)(P<0.05)。

表5　不同凍融處理下土壤顆粒有機碳的質(zhì)量分數(shù)　g·kg-1

注：表中數(shù)據(jù)為“平均值±標準差”，同列不同大寫字母表示相同循環(huán)次數(shù)不同前期含水量處理間差異顯著(P<0.05)，同行不同小寫字母表示相同前期含水量不同循環(huán)次數(shù)處理間差異顯著(P<0.05)。

表6　不同凍融處理下土壤輕組有機碳的質(zhì)量分數(shù)　mg·kg-1

注：表中數(shù)據(jù)為“平均值±標準差”，同列不同大寫字母表示相同循環(huán)次數(shù)不同前期含水量處理間差異顯著(P<0.05)，同行不同小寫字母表示相同前期含水量不同循環(huán)次數(shù)處理間差異顯著(P<0.05)。

3　結(jié)論與討論

研究發(fā)現(xiàn)，凍融能夠?qū)谕粮麑油寥阑钚杂袡C碳組分產(chǎn)生影響，不同處理以及處理間的交互作用程度和影響規(guī)律有所不同(表7)。土壤前期含水量對PMC、POC和LFOC的影響達極顯著水平(P<0.01)，而凍融循環(huán)次數(shù)對MBC、DOC和LFOC的影響達極顯著水平(P<0.01)；凍融循環(huán)次數(shù)與土壤含水量的交互作用的結(jié)果，表現(xiàn)出對MBC、PMC、ROC和LFOC具有顯著性影響。

表7　不同處理土壤活性有機碳組分的差異性結(jié)果

注：表中ES表示差異極顯著，NS表示差異不顯著；n=18。

土壤活性有機碳是土壤中較活躍的化學組分，對凍融的響應較為敏感。一方面，凍融可以導致部分微生物死亡，死亡的微生物細胞作為基質(zhì)進而刺激殘余微生物的活性，加速土壤有機碳的礦化過程[19]；另一方面，凍融過程可以造成不同粒徑團聚體間相互轉(zhuǎn)化，促進土壤有機質(zhì)和微生物的接觸，從而增強有機質(zhì)的分解和礦化作用[20]。尤其是多次凍融后，土壤有機質(zhì)的分解損失很難通過死亡微生物的代謝來補充，伴隨著土壤微生物量降低，來自微生物排放的CO2也會減少[21]，從而導致土壤MBC和PMC質(zhì)量分數(shù)的減少。

正是由于土壤DOC屬于土壤有機物轉(zhuǎn)化和微生物代謝活動的中間產(chǎn)物，凍融交替與干濕交替或氯仿熏蒸等作用相似，同樣會造成部分微生物死亡，降低土壤活體微生物數(shù)量[22]。死亡的微生物在分解過程中釋放出一些小分子糖和氨基酸等，可以提高土壤中DOC的質(zhì)量分數(shù)[23]。此外，凍融過程使土壤孔隙中的冰晶膨脹從而打破顆粒之間的聯(lián)結(jié)，破壞土壤團聚體，并呈將大團聚體破碎成小團聚體的趨勢，進而使一些小分子的有機質(zhì)被釋放出來[24]，增加土壤中DOC的質(zhì)量分數(shù)。但多次凍融過后，土壤中原有的DOC不斷的被活著的微生物利用分解，土壤DOC質(zhì)量分數(shù)開始不斷減少，這與Grogan,et al.對凍融過程中土壤可溶性有機碳質(zhì)量分數(shù)變化的研究結(jié)果相吻合[25]。

由于土壤POC是以較輕的自由態(tài)存在或被包裹在土壤顆粒中的較大的有機質(zhì)顆粒(0.25～2.00 mm)，凍融循環(huán)導致團聚體的破碎化[26]，由此導致凍融循環(huán)過程中土壤POC含量有減少的趨勢。鑒于微生物代謝產(chǎn)物是輕組有機碳的重要組成部分[18]，而凍融能影響微生物的數(shù)量和活性。少次凍融時凍融造成部分微生物死亡，使得微生物代謝產(chǎn)物減少；而多次凍融后土壤微生物死亡殆盡使得土壤LFOC含量趨于穩(wěn)定。

此外，土壤前期含水量對PMC和LFOC影響顯著。這主要是由于，凍結(jié)過程中水分主要通過兩方面作用來影響土壤碳素的循環(huán)與遷移。一方面，凍結(jié)過程使土壤孔隙中的冰晶膨脹從而打破顆粒之間的聯(lián)結(jié)，破壞土壤團聚體的大小與穩(wěn)定性[24]；另一方面，水分狀況會引起土壤微生物數(shù)量、活性和種類的改變[27]，進而對對土壤活性有機碳組分產(chǎn)生一定的影響。在較低水分條件下，土壤DOC溶出較少，不能為驅(qū)動有機碳礦化過程的微生物提供足夠的能源；而較高的水分條件有利于DOC的溶出。因此，自然含水量條件下的PMC含量低于飽和含水量。

綜上，凍融確實對黑土耕層土壤活性有機碳組分產(chǎn)生了影響，但土壤前期含水量和凍融循環(huán)次數(shù)活性有機碳各組分的影響程度和作用有所不同。土壤前期含水量主要是通過影響PMC、POC和LFOC的含量使土壤活性有機碳組分特征發(fā)生變化，而凍融循環(huán)次數(shù)的影響則主要是通過對MBC、DOC和LFOC質(zhì)量分數(shù)的影響得以實現(xiàn)?？梢哉J為，少次凍融會增加黑土耕層土壤活性有機碳的質(zhì)量分數(shù)，較高的水分條件不利于活性有機碳的積累。