水熱對三峽水庫消落帶退耕稻田土壤有機碳礦化的影響①

唐 江，丁長歡，樊晶晶，連茂山，慈 恩,2*，王子芳，謝德體,2

(1 西南大學資源環(huán)境學院，重慶 400715；2 重慶市三峽水庫農(nóng)業(yè)面源污染控制工程技術研究中心，重慶 400715)

水熱對三峽水庫消落帶退耕稻田土壤有機碳礦化的影響①

唐 江1，丁長歡1，樊晶晶1，連茂山1，慈 恩1,2*，王子芳1，謝德體1,2

(1 西南大學資源環(huán)境學院，重慶 400715；2 重慶市三峽水庫農(nóng)業(yè)面源污染控制工程技術研究中心，重慶 400715)

采用模擬培養(yǎng)的方法，研究了不同水熱條件對三峽水庫消落帶退耕稻田土壤有機碳(SOC)礦化的影響。試驗共設3個培養(yǎng)溫度(10、20和30℃)和4個水分梯度(40%田間持水量(WHC)、70%WHC、100%WHC和淺層淹水)。結(jié)果表明：①在66 天培養(yǎng)期內(nèi)，各培養(yǎng)溫度(10 ~ 30℃)下，70%WHC、100%WHC和淺層淹水處理之間的SOC累積礦化量均無明顯差異，其中10℃培養(yǎng)時40%WHC處理下的累積礦化量要顯著低于70%WHC和100%WHC水分處理(P<0.05)，但與淺層淹水無明顯差異，而20℃和30℃培養(yǎng)時40%WHC處理下的累積礦化量則要顯著低于其他水分處理，表明相較于70% WHC的水分處理，40%WHC水分處理會抑制消落帶退耕稻田SOC礦化，而高水分(100%WHC和淺層淹水)對SOC礦化則無明顯促進和抑制作用。②在相同水分條件下，消落帶退耕稻田SOC累積礦化量均隨培養(yǎng)溫度升高而增加。③高溫下各水分處理之間的溫度敏感性無顯著差異，而低溫下水分對溫度敏感性有顯著影響，低溫淺層淹水處理下的Q10為2.33，顯著高于40%WHC處理，與70%WHC和100%WHC處理之間無明顯差異。且隨著溫度升高，淺層淹水下消落帶退耕稻田SOC礦化的溫度敏感性顯著降低，而在土壤含水量≤100%WHC下則無明顯變化。溫度和水分均能顯著影響 SOC礦化，但二者無明顯的交互效應。④雙庫一級礦化動力學模型擬合結(jié)果表明，水分和溫度通過影響消落帶退耕稻田土壤易分解有機碳含量和難分解有機碳的礦化速率，從而影響SOC礦化。

土壤有機碳；礦化；水分；溫度；三峽水庫

土壤有機碳(Soil organic carbon，SOC)的礦化是土壤中重要的生物化學過程，直接關系到土壤中養(yǎng)分元素的釋放與供應、溫室氣體的形成以及土壤質(zhì)量的保持等[1]。溫度、土壤水分、SOC含量以及土壤性質(zhì)等是影響SOC礦化的重要因素[2–3]。大多數(shù)研究認為溫度升高有利于增強微生物活性，提高SOC的礦化速率[4]，從而促進SOC礦化[2]。土壤水分狀況通過改變土壤微生物的活性、數(shù)量和土壤養(yǎng)分有效性[5]，進而影響SOC礦化速率，尤其是在稻田生態(tài)系統(tǒng)中，水分狀況是影響SOC礦化的重要因子[6]。近年來，國內(nèi)外學者對土壤水分含量與SOC礦化之間的關系已經(jīng)開展了大量的研究。通常認為，淹水條件能抑制水稻土 SOC的礦化[7–8]；然而，黃東邁等[9]運用14C示蹤技術對比研究了旱地和水田SOC分解速率，表明水田(淹水條件)SOC的分解速率高于旱地土壤。另外，關于水熱對SOC礦化是否存在明顯的交互作用，也存在爭議。王丹等[10]研究表明溫度和水分對 SOC礦化存在顯著的交互效應，而楊繼松等[11]通過對濕地SOC礦化研究表明溫度水分二者間無明顯的交互效應。

三峽水庫實行“蓄清排渾”的運行方式，夏季低水位運行，冬季高水位運行，從而形成了垂直距離30 m(水位145 ~ 175 m)、總面積348.93 km2的反季節(jié)生態(tài)區(qū)域——消落帶。退耕稻田土壤是三峽水庫的土壤類型之一，其面積59.16 km2，占消落帶16.95%。目前，對SOC礦化影響因子的研究多集中在單因子的影響，而對水熱因子交互作用影響的研究較少，尤其是水熱因子對三峽水庫消落帶SOC礦化的研究則鮮有報道。因此本文選取三峽水庫消落帶退耕稻田土壤為研究對象，研究了不同水熱條件下三峽水庫消落帶退耕稻田SOC礦化特征的動態(tài)變化，以探究水熱條件對退耕稻田土壤有機碳礦化的影響，以期為全面認識三峽水庫消落帶土壤碳循環(huán)過程提供基礎資料和科學參考。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

2013年6月在三峽水庫消落帶典型分布區(qū)——開縣渠口鎮(zhèn)鋪溪村(108°49′ E，31°13′ N，海拔165 m)采集退耕稻田土壤作為供試土壤，樣地冬季淹水、夏季退水，其歷史利用方式為水田，2003年首次蓄水，現(xiàn)已拋荒，目前以狗牙根、稗子等草本植物為主。在樣地內(nèi)，沿“S”型路線采集0 ~ 10 cm表層土樣并混合均勻，取部分鮮樣低溫(4℃)保存，剩余混合土樣經(jīng)風干，磨細，過篩后，用于礦化培養(yǎng)試驗和土壤基本理化性質(zhì)測定。供試土壤基本理化性質(zhì)如下：SOC 14.67 g/kg，全氮1.33 g/kg，全磷1.38 g/kg，全鉀42.11 g/kg，微生物生物量碳109.38 mg/kg，pH 7.88，黏粒(<2 μm) 237.6 g/kg。

1.2 培養(yǎng)試驗

稱取20 g過2 mm篩的供試土壤，均勻平鋪于300 ml培養(yǎng)瓶底部，用中間有一小孔的橡膠塞塞住瓶口，瓶塞小孔處涂上硅膠防止漏氣。調(diào)節(jié)土壤含水量至60% 田間持水量(WHC)，置于25℃ 恒溫培養(yǎng)箱中預培養(yǎng) 5 天。預培養(yǎng)結(jié)束后，利用稱重法補充水分。試驗共設置4個水分梯度：40%WHC、70%WHC、100%WHC和淺層淹水(水土比2︰1)，分別記為M1、M2、M3和M4；每個水分梯度均設置10℃、20℃和30℃這3個培養(yǎng)溫度，分別記為T1、T2和T3，共12個處理，每個處理4次重復。按上述4個水分梯度設置土壤含水量，分別放入10℃、20℃和30℃的恒溫培養(yǎng)箱中避光密封培養(yǎng)66 天，并設置無土空白對照。定期測定培養(yǎng)瓶重量，添加適量去離子水以保證瓶內(nèi)水分恒定，分別在培養(yǎng)后第1、2、3、5、7、10、13、17、21、25、29、34、39、44、50、56、66天用注射器從培養(yǎng)瓶的瓶塞小孔處抽取約8 ml氣體，并運用氣相色譜儀(Agilent，7820A)分析CO2濃度。采集氣體后打開培養(yǎng)瓶的瓶塞約20 min，待培養(yǎng)瓶的內(nèi)外氣體交換充分后，蓋上瓶塞并封閉抽氣孔，并將密封培養(yǎng)瓶放入培養(yǎng)箱繼續(xù)培養(yǎng)。根據(jù)氣體產(chǎn)物的釋放量，計算培養(yǎng)期內(nèi)SOC的日均礦化量和累積礦化量等。

1.3 溫度敏感性系數(shù)(Q10)

溫度敏感系數(shù)(Q10)表示溫度每增加10℃時SOC礦化速率增加的倍數(shù)，按如下公式計算[12]：

式中：Q10即溫度敏感性系數(shù)；R(t,T+10)、R(t,T)分別為在培養(yǎng)時間t時溫度(T+10)℃和T℃的 SOC礦化速率。文中Q10(10~20℃)表示10 ~ 20℃區(qū)間內(nèi)SOC礦化的Q10值，Q10(20~30℃)表示20 ~ 30℃區(qū)間內(nèi)SOC礦化的Q10值。

1.4 有機碳礦化動力學模型

本研究選用雙庫一級動力學模型模擬SOC礦化過程[13]：

式中：Ct為培養(yǎng)時間t(d)時的累積礦化量(mg/kg)；C0、k表示SOC易分解碳庫含量(g/kg)及其分解速率常數(shù)(d–1)；Cs、h表示SOC難分解碳庫含量(g/kg)及其分解速率常數(shù)(d–1)。

1.5 分析方法

SOC采用重鉻酸鉀容量法測定；微生物生物量碳采用氯仿熏蒸浸提法測定[14]；土壤 pH采用酸度計法測定，土水比為 1︰2.5；全氮采用半微量開氏法測定；全磷采用硫酸–高氯酸消解，比色法測定；全鉀采用氫氟酸–高氯酸消解，火焰光度計測定；田間持水量采用環(huán)刀法測定[15]，黏粒含量采樣吸管法測定。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010和SPSS19.0軟件對數(shù)據(jù)進行處理及作圖。其中，采用雙因素方差分析方法檢驗溫度和水分及其交互作用對SOC累積礦化量的影響，采用最小顯著差異法(LSD)進行多重比較(P<0.05)，運用非線性回歸分析進行雙庫一級動力學模型擬合和參數(shù)計算。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機碳礦化特征

從圖1可知，不同溫度和水分條件下的SOC日均礦化量隨時間呈基本一致的趨勢，即0 ~ 17 天，快速礦化階段；17 ~ 34 天，礦化速率緩慢下降；34 ~ 66 天，礦化速率趨于穩(wěn)定或略有波動。同一溫度條件下，除淺層淹水處理外，其他水分處理的SOC日均礦化量均在第 1 天達到最大值，且隨著培養(yǎng)時間的延長，礦化速率在培養(yǎng)前期快速下降、后期逐漸趨于平穩(wěn)。

圖1 不同水熱條件下消落帶退耕稻田土壤有機碳礦化特征Fig. 1 Organic carbon mineralization characteristics of abandoned paddy soils in hydro-fluctuation belts under different soil moistures and temperatures

同一溫度條件下，各水分處理的退耕稻田 SOC累積礦化量存在差異，各培養(yǎng)溫度條件下均表現(xiàn)為40%WHC處理SOC累積礦化量顯著低于其他處理，而其他幾個處理間差異未達到顯著水平；在 10℃和20℃時100%WHC處理的退耕稻田SOC累積礦化量最高，30℃時70%WHC處理的退耕稻田SOC累積礦化量最高。在整個培養(yǎng)期內(nèi)(0 ~ 66 天)，10℃時40%WHC處理的退耕稻田SOC累積礦化量顯著低于70%WHC和100%WHC處理(P<0.05)，分別降低了21.30、21.59 mg/kg，與淺層淹水處理差異不顯著；而在20℃和30℃時40%WHC處理的SOC累積礦化量分別較70%WHC、100%WHC和淺層淹水處理降低了59.65、69.55、44.96 mg/kg和 87.47、72.87、60.06 mg/kg。在培養(yǎng)初期(0 ~ 10 天)，10℃時淺層淹水處理的SOC累積礦化量為32.54 mg/kg，明顯低于其他水分處理(P<0.05)；20℃和30℃時0 ~ 10、50 ~ 66天和0 ~ 66 天的SOC累積礦化量在各水分處理之間的變化規(guī)律相似，均表現(xiàn)為隨著水分含量的增加，退耕稻田SOC累積礦化量呈上升趨勢。另外，同一水分條件下，不同培養(yǎng)溫度處理間的退耕稻田SOC累積礦化量呈相似的變化趨勢，在快速礦化階段(0 ~ 17天)，退耕稻田SOC累積礦化量增加較快，10℃、20℃和30℃培養(yǎng)溫度下的SOC累積礦化量分別占總累積礦化量的33.45% ~ 68.66%、49.44% ~ 75.01%、55.53% ~ 66.54%，其中20℃和30℃處理的累積礦化量高于10℃處理。對66 天內(nèi)SOC累積礦化量進行方差分析，結(jié)果表明，溫度和水分均能顯著影響SOC礦化，但二者無明顯的交互效應(P>0.05) (表1)。

表1 水熱對消落帶退耕稻田土壤有機碳累積礦化量影響的方差分析Table 1 Variance analyses of soil moisture and temperature on cumulative amount of organic carbon mineralization of abandoned paddy soil in hydro-fluctuation belt

2.2 土壤有機碳礦化的溫度敏感性

由圖2可知，在10 ~ 20℃范圍內(nèi)，各處理的溫度敏感性系數(shù)Q10隨水分含量增加呈上升趨勢，其中淺層淹水處理的Q10(10~20℃)為 2.33，顯著高于40%WHC處理(P<0.05)，與70%WHC和100%WHC處理之間無明顯差異；在 20 ~ 30℃培養(yǎng)溫度下，Q10(20~30℃)在各水分處理之間未出現(xiàn)明顯差異，可見低溫條件下，水分對溫度敏感性有顯著影響。進一步對比同一水分處理下Q10(10~20℃)與Q10(20~30℃)可知，淺層淹水處理的Q10(10~20℃)要顯著高于Q10(20~30℃)(P<0.05)，而當土壤含水量≤100% 時，Q10(10~20℃)與Q10(20~30℃)則無明顯差異。

2.3 土壤有機碳礦化的動力學特征

三峽水庫消落帶退耕稻田SOC礦化符合雙庫一級動力學方程(P<0.01)。從表2可以看出，同一溫度條件下，退耕稻田土壤C0的變化趨勢為：T1M3> T1M2>T1M4>T1M1、T2M2>T2M3>T2M4>T2M1、T3M4>T3M2>T3M3>T3M1，其中10℃時易分解SOC的含量最低，各水分處理的易分解碳庫含量的變化范圍為 27.01 ~ 50.53 mg/kg，其次為20℃和30℃培養(yǎng)溫度處理，分別為 52.19 ~ 91.47 mg/kg和72.30 ~ 106.67 mg/kg。

由表2可知，易分解SOC礦化速率常數(shù)k最小值出現(xiàn)在T1M4、T2M4、T3M4處理上，淺層淹水狀態(tài)下，k較低。各處理的C0/C66值均無顯著差異，C0/C66值在不同培養(yǎng)溫度下的變化范圍分別為 51.8% ~ 64.75%、58.04% ~ 69.10%、49.55% ~ 56.12%，表明在 SOC礦化過程中難分解有機碳同樣起著重要作用，SOC含量與累積礦化量的比值達30% ~ 40%。10℃時各水分處理間的C0/SOC差異均不顯著；20℃和30℃時，70%WHC和100%WHC處理的C0/SOC無顯著差異，但顯著高于40%WHC和淺層淹水處理(P<0.05)。同一水分條件下，h隨著培養(yǎng)溫度的升高呈增加趨勢。

圖2 不同水分條件下消落帶退耕稻田土壤有機碳礦化的溫度敏感性Fig. 2 Temperature sensitivities of organic carbon mineralization of abandoned paddy soils in hydro-fluctuation belts under different moisture conditions

表2 不同水熱條件下消落帶退耕稻田土壤有機碳礦化的動力學參數(shù)Table 2 Kinetic parameters for organic carbon mineralization of abandoned paddy soils under different soil moistures and temperatures

3 討論

本研究表明，在整個培養(yǎng)期內(nèi)，各培養(yǎng)溫度(10 ~ 30℃)條件下，40%WHC處理下退耕稻田SOC累積礦化量顯著低于70%WHC處理，而100%WHC和淺層淹水下的SOC累積礦化量與70%WHC處理則無明顯差異，表明相較于70% WHC 水分處理，40%WHC處理對退耕稻田SOC累積礦化量有抑制作用，這與前人的結(jié)果相同[10]，當水分含量過低時，土壤微生物和酶的活性降低，不利于土壤呼吸，從而抑制CO2的釋放；而100%WHC和淺層淹水處理對SOC礦化無明顯促進和抑制作用，這與前人的部分研究結(jié)果不一致。以往的研究認為淹水更利于有機碳的礦化[16–19]或好氣更利于有機碳的礦化[20–22]。針對本研究結(jié)果，筆者認為可能由以下原因?qū)е拢浩湟?，消落帶退耕稻田土壤長期形成的是一個“冬季淹水、高溫落水”的環(huán)境，而以前的水稻土是呈現(xiàn)冬季落干的現(xiàn)象，這可能導致消落帶退耕稻田土壤本身的理化性質(zhì)有所改變，淺層淹水下土壤孔隙被水填充，提高了SOC的溶出量，然而淺層淹水同時改變了土壤原有通氣狀態(tài)，抑制了微生物的活性；其二，可能與淹水深度有關，本試驗模擬的是淺層淹水，在淺層淹水下水體中溶氧量較高，且消耗的氧氣也能較易獲得補充，然而低溫下，可能導致該水體條件下微生物群落的碳代謝能力降低[23–25]。同時，本研究發(fā)現(xiàn)雙庫一級動力學模型中難分解SOC礦化速率在高溫下淹水與70%WHC處理無明顯差異，且淺層淹水下的Q10(10~20℃)要顯著高于Q10(20~30℃)(P<0.05)，而當土壤含水量≤100%時，Q10(10~20℃)與Q10(20~30℃)則無明顯差異，這可能是淺層淹水對SOC礦化無明顯促進和抑制作用的原因之一。由于本試驗模擬的是一種持續(xù)穩(wěn)定的水分狀態(tài)，與實際情況有所差別。在三峽水庫消落帶受降雨影響頻繁，水分含量不斷波動，其近水面土壤受干濕交替作用明顯，可以提高土壤的礦化作用[26]。然而在冬季蓄水期，長期淹水使得消落帶退耕稻田土壤處于穩(wěn)定環(huán)境中，無干濕交替現(xiàn)象；且本試驗中10℃培養(yǎng)時，40%WHC和淺層淹水下的累積礦化量無明顯差異，而20℃和30℃培養(yǎng)時淺層淹水下的累積礦化量明顯高于40%WHC處理(P<0.05)。由于各培養(yǎng)溫度下，40%WHC處理抑制SOC礦化，相較于低溫(10℃)培養(yǎng)，高溫(30℃)培養(yǎng)下淺層淹水條件釋放的 CO2較多，表明三峽水庫冬季蓄水有利于減緩碳釋放，其調(diào)度是科學的。

本研究表明，各水分下SOC的累積礦化量均隨培養(yǎng)溫度升高而增加，這與前人的研究結(jié)果類似[27]，這是由于隨著溫度升高，土壤微生物的活性增強，從而促進 SOC礦化[2]。高溫下各水分處理之間的溫度敏感性無顯著差異，而低溫下淺層淹水處理下的Q10要顯著高于其他水分處理，表明低溫下水分對溫度敏感性有顯著影響。Leifeld等[27]認為在土壤水分不受限制的情況下，土壤呼吸的溫度敏感性隨溫度的增加而下降。造成不同結(jié)果的原因可能與土壤類型、SOC含量、易分解有機碳等活性有機碳含量和土壤質(zhì)地等因素有關。土壤溫度、水分及其交互作用對溫度敏感性的影響較為復雜，還有待進一步研究。

4 結(jié)論

1) 在整個培養(yǎng)期內(nèi)(66 天)，相較于 70%WHC的水分處理，40%WHC水分處理會抑制消落帶退耕稻田SOC礦化，而高水分(100%WHC和淺層淹水)對SOC礦化則既無明顯抑制也無促進作用；在10 ~ 30℃區(qū)間內(nèi)，各水分下消落帶退耕稻田SOC累積礦化量均隨培養(yǎng)溫度升高而增加；溫度和水分均能顯著影響SOC礦化，但二者無明顯的交互效應。

2) 水分和溫度通過影響消落帶退耕稻田土壤易分解有機碳含量和難分解有機碳的礦化速率，致使各處理之間SOC累積礦化量存在差異。隨著溫度升高，淺層淹水下消落帶退耕稻田SOC礦化的溫度敏感性顯著降低，而在土壤含水量≤100%WHC下則無明顯變化。

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Effects of Soil Moisture and Temperature on Organic Carbon Mineralization of Abandoned Paddy Soil in the Hydrofluctuation Belt of the Three Gorges Reservoir

TANG Jiang1, DING Changhuan1, FAN Jingjing1, LIAN Maoshan1, CI En1,2*, WANG Zifang1, XIE Deti1,2
(1College of Resources and Environment,Southwest University,Chongqing400715,China; 2Chongqing Engineering Research Center for Agricultural Non-point Source Pollution Control in the Three Gorges Reservoir Area,Chongqing400715,China)

An incubation experiment was conducted in the laboratory to investigate the effects of soil moisture and temperature on soil organic carbon (SOC) mineralization of abandoned purple paddy soil in the hydro-fluctuation belt of the Three Gorges Reservoir. Three incubation temperatures (10, 20 and 30℃) and four moisture levels (40% water holding capacity (WHC), 70%WHC, 100%WHC and shallow submerged condition) were designed in the experiment. The results showed that: 1) During the entire incubation period (66 d), there were no significant differences in SOC cumulative mineralization amounts among 70%WHC, 100%WHC and shallow submerged conditions at the three temperatures (10–30℃). At 10℃ incubation, SOC cumulative mineralization amount at 40%WHC treatment was significantly lower than those of 70%WHC and 100%WHC treatments (P<0.05), but there was no significant difference between shallow submerged and 40%WHC conditions. SOC cumulative mineralization amounts of 40%WHC treatments at 20℃ and 30℃ incubation were significantly lower than those of other treatments. So, it indicated that compared to 70%WHC treatment, 40% WHC treatment had negative-effects on SOC cumulative mineralization of abandoned paddy soil, but high moisture (100%WHC and shallow submerged condition) had no significant promoting or inhibiting effects to SOC mineralization. 2) Under the same soil moisture condition, SOC cumulative mineralization amounts of abandoned paddy soil in the hydro-fluctuation belt increased as temperature increasing. 3) Under higher temperature, the temperature sensitivity had no significant difference in treatments under different soil moisture conditions, but soil moisture significantly influenced temperature sensitivity under lower temperature. TheQ10under shallow submerged condition was 2.33, significantly higher than 40%WHC treatment, but had no significant difference with 70%WHC or 100%WHC treatment. With the increase of temperature, temperature sensitivity was significantly decreased under shallow submerged condition, but it changed inconspicuously when soil moisture content was less than 100%WHC treatment. Both temperature and moisture could affect SOC mineralization significantly, but they had no significant interaction effects. 4) Two-pool first-order model indicated that temperature and soil moisture influenced SOC mineralization through influencing the content of labile SOC fraction and the mineralization rate of recalcitrant SOC fraction.

Soil organic carbon; Mineralization; Soil moisture; Temperature; Three Gorges Reservoir

S153.621

10.13758/j.cnki.tr.2016.06.020

國家自然科學基金項目(41301245)、國家科技基礎性工作專項(2014FY110200A13)、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項(XDA05050506)和中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項(XDJK2013B043)資助。

* 通訊作者(cien777@163.com)

唐江(1992—)，女，重慶梁平人，碩士研究生，主要從事土壤碳循環(huán)研究。E-mail：tangjiang253767@163.com