貴州黃壤性水稻土不同粒徑有機(jī)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(yàn)的黃壤性水稻土為對(duì)象，以單施有機(jī)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(tuán)聚體（53～250 μm）、單粉粒（2≤粒徑<53 μm）和單黏粒（<2 μm）]有機(jī)碳的礦化速率和累積礦化量，為提高土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性提供理論依據(jù)。結(jié)果表明：所有組分有機(jī)碳的礦化速率呈現(xiàn)出先快速上升后逐漸下降的趨勢(shì)，并在培養(yǎng)后4 d達(dá)到峰值，礦化速率CO2-C介于0.004 0～0.050 4 g/（kg·d）之間；培養(yǎng)前期單粉粒有機(jī)碳和微團(tuán)聚體有機(jī)碳的礦化速率較高，粗顆粒有機(jī)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(jī)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(tuán)聚體和單粉粒的有機(jī)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(yǎng)前期所有組分的礦化速率方程為指數(shù)函數(shù)且達(dá)到極顯著水平（P<0.01），培養(yǎng)后期呈對(duì)數(shù)函數(shù)（P<0.01），累積礦化量呈對(duì)數(shù)函數(shù)由快到慢增長（P<0.01）。不同粒徑土壤中可礦化有機(jī)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(tuán)聚體>單粉粒。不同粒徑土壤中可礦化有機(jī)碳的分配比例隨粒級(jí)減小而變大，大粒徑土壤固碳能力較小粒徑強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：黃壤性水稻土；粒徑；有機(jī)碳；礦化；穩(wěn)定性；礦化速率；累積礦化量

中圖分類號(hào)：S152文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2017）14-0223-04

土壤碳庫作為陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分，其中有 1.5×1015 kg屬于土壤有機(jī)碳（SOC），具有相當(dāng)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(huì)影響碳向大氣的排放，以溫室效應(yīng)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(jìn)入大氣圈。SOC的礦化作用是一個(gè)受土壤酶介導(dǎo)的生物化學(xué)過程，主要是通過土壤微生物利用、分解土壤活性有機(jī)碳（SAOC）來完成自身的代謝循環(huán)，同時(shí)釋放出CO2 的過程，直接關(guān)系到土壤中養(yǎng)分元素的釋放與供應(yīng)、溫室氣體的形成及土壤質(zhì)量的保持等[3-4]，因此探究SOC的礦化規(guī)律對(duì)于土壤養(yǎng)分的管理和溫室效應(yīng)的控制都具有非常重要的意義。土壤有機(jī)碳的礦化主要受土壤質(zhì)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(jī)碳之間也存在顯著的礦化差異，會(huì)造成土壤環(huán)境明顯不同。劉晶等研究表明，不同粒徑有機(jī)碳之間的礦化速率存在顯著差異，粒徑>5 mm的土壤顆?？傻V化碳最低，但固碳潛力卻最強(qiáng)[6]。葛序娟等對(duì)湖南省桃源縣水稻土的研究表明，土壤有機(jī)碳礦化速率呈現(xiàn)出先升高后降低最后穩(wěn)定在一個(gè)較低水平上的特性[7]。魏亞偉等對(duì)喀斯特土壤團(tuán)聚體及其穩(wěn)定性研究表明，隨培養(yǎng)時(shí)間的延長，土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的礦化速率先增加再減小，20 d后趨于平穩(wěn)，而且隨著團(tuán)聚體粒級(jí)的減小礦化速率逐漸增大[8]。國外有研究表明，土壤有機(jī)碳的礦化速率與土壤有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量和團(tuán)聚體密切相關(guān)[9]。土壤有機(jī)碳礦化主要通過室內(nèi)土壤需氧培養(yǎng)法測(cè)定，培養(yǎng)土壤中沒有有機(jī)碳輸入和淋溶輸出，土壤溫濕度也得以有效控制，培養(yǎng)中釋放CO2的趨勢(shì)和強(qiáng)度能反映不同條件下土壤有機(jī)碳的分解動(dòng)態(tài)[10]。目前我國對(duì)土壤有機(jī)碳礦化的研究已有很多報(bào)道，但都主要集中在表層原狀土壤的研究[11-12]，對(duì)不同粒徑土壤有機(jī)碳的礦化研究較少。本研究采取貴州典型黃壤稻田土壤，對(duì)不同粒徑中土壤有機(jī)碳的礦化速率和累積礦化量進(jìn)行研究，為提高土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性提供相應(yīng)的理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

長期試驗(yàn)地位于貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院內(nèi)（106°07′E、26°11′N），地處黔中丘陵區(qū)，平均海拔1 071 m，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年均日照時(shí)數(shù)1 354 h左右，年平均氣溫15.3 ℃，相對(duì)濕度75.5%，年降水量1 100～1 200 mm，全年無霜期270 d左右。試驗(yàn)地為黃壤性水稻土，成土母質(zhì)為三疊系灰?guī)r與砂頁巖風(fēng)化物。該長期定位試驗(yàn)起始于1995年，初始耕層（0～20 cm）土壤基本性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)31.15 g/kg（折有機(jī)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(shè)有11個(gè)施肥處理，采用大區(qū)對(duì)比試驗(yàn)，不設(shè)重復(fù)，小區(qū)面積為201 m2。本研究根據(jù)需要僅選取單施有機(jī)肥的處理，對(duì)該施肥條件下不同粒徑土壤有機(jī)碳之間的礦化差異進(jìn)行了初探。有機(jī)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(yù)處理

在2014年水稻收獲后的12月中下旬進(jìn)行采樣，用“S”型采樣法隨機(jī)采集水田表層0～20 cm深土壤，5點(diǎn)組成一個(gè)土樣，取3次重復(fù)。將采集的土樣除去動(dòng)、植物殘?bào)w混勻風(fēng)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(cè)定土壤有機(jī)碳。

1.3試驗(yàn)方法

1.3.1土壤有機(jī)碳的分組和測(cè)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(jī)碳、53≤粒徑≤250 μm的微團(tuán)聚體有機(jī)碳、2≤粒徑<53 μm的單粉粒有機(jī)碳和<2 μm的單黏粒有機(jī)碳[13-14]。具體操作為：稱取20 g過2 mm篩的風(fēng)干土樣于微團(tuán)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(gè)玻璃珠，然后上下擺動(dòng)此裝置約20 min，留在250 μm篩上的組分為粗顆粒有機(jī)碳，在53～250 μm篩上的為微團(tuán)聚體有機(jī)碳，過 53 μm 篩的為粘粉粒有機(jī)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(jī)碳和單黏粒有機(jī)碳。所有組分均采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測(cè)得有機(jī)碳含量[15]。

1.3.2土壤有機(jī)碳礦化培養(yǎng)

稱取各組分土壤2 g于50 mL燒杯中，用蒸餾水調(diào)節(jié)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(yǎng)箱中預(yù)培養(yǎng)24 h[16]；預(yù)培養(yǎng)結(jié)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(yǎng)箱中黑暗培養(yǎng)，在1、2、3、4、5、6、7、8 d將燒杯中的NaOH吸收液轉(zhuǎn)出并換上新的吸收液，并用稱質(zhì)量法補(bǔ)充水分至恒質(zhì)量，通氣30 min再加蓋繼續(xù)密閉黑暗培養(yǎng)。在轉(zhuǎn)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(jì)算釋放出的CO2量[17-18]。每個(gè)組分設(shè)置3次重復(fù)，并設(shè)空白對(duì)照。

1.4數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2016和SPSS 19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析。

2結(jié)果與分析

2.1不同粒徑土壤有機(jī)碳含量特征

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

2.2不同粒徑土壤有機(jī)碳礦化特征

2.2.1原土有機(jī)碳礦化速率

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

2.2.2不同粒徑土壤有機(jī)碳礦化速率

圖3描述了不同粒徑土壤有機(jī)碳8 d內(nèi)日均礦化量的動(dòng)態(tài)變化。4組不同粒徑土壤有機(jī)碳的日均礦化量都存在明顯的階段特征：在培養(yǎng)前4 d，土壤有機(jī)碳礦化速率有大幅度的上升，且在4 d時(shí)達(dá)到峰值，之后土壤有機(jī)碳礦化速率均逐漸下降，說明隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長，易礦化有機(jī)碳逐漸減少，微生物開始分解難礦化有機(jī)碳，因此CO2-C的釋放速率開始降低。在培養(yǎng)1 d時(shí)，不同粒徑間土壤有機(jī)碳礦化速率無顯著差異（P>0.05）；2 d時(shí)，單粉粒有機(jī)碳的礦化速率顯著（P<0.05）高于粗顆粒有機(jī)碳礦化速率；3 d時(shí)，微團(tuán)聚體有機(jī)碳的礦化速率最大；4 d時(shí)，所有組分有機(jī)碳礦化速率均達(dá)到峰值但無顯著性差異（P>0.05）；在培養(yǎng)后期的5～8 d，隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加，不同粒徑間土壤有機(jī)碳礦化速率的差異逐漸變小，礦化量基本穩(wěn)定且無顯著性差異（P>0.05）。粗顆粒有機(jī)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(tuán)聚體有機(jī)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(yǎng)后期土壤有機(jī)碳的礦化差異逐漸變小且相對(duì)穩(wěn)定；單粉粒有機(jī)碳的礦化速率介于0.005 2～0.049 0 g/（kg·d）之間，8 d時(shí)礦化速率最低，是4 d時(shí)礦化速率的10.61%；單黏粒有機(jī)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(jī)碳累積礦化量

圖4表明，原土有機(jī)碳的累積礦化量為0.175 0 g/kg，不同粒徑土壤有機(jī)碳的累積礦化量介于0.151 7～0.185 4 g/kg之間，且隨培養(yǎng)時(shí)間的延長而呈上升趨勢(shì)，但有機(jī)碳累積釋放強(qiáng)度逐漸減緩。與原土相比，粗顆粒有機(jī)碳和單黏粒有機(jī)碳累積礦化量分別降低了13.3%和8.18%，微團(tuán)聚體有機(jī)碳和單粉粒有機(jī)碳累積礦化量分別提高了0.8%和5.93%。微團(tuán)聚體有機(jī)碳累積礦化量和原土有機(jī)碳累積礦化量相近，在0.005 4～0.176 4 g/kg 之間。微團(tuán)聚體有機(jī)碳累積礦化量和單粉粒有機(jī)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(jī)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(jī)碳累積礦化量，也顯著高于單黏粒土壤有機(jī)碳的累積礦化量。

2.3土壤有機(jī)碳礦化速率方程和累積礦化量方程

根據(jù)土壤有機(jī)碳礦化速率將整個(gè)培養(yǎng)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(duì)圖2原土有機(jī)碳的礦化速率和圖3不同粒徑土壤有機(jī)碳的礦化速率進(jìn)行擬合，結(jié)果見表1，表明在培養(yǎng)前期原土和不同粒徑土壤有機(jī)碳的礦化速率隨培養(yǎng)時(shí)間的變化符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系，相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平（P<0.01）；在培養(yǎng)后期原土和不同粒徑土壤有機(jī)碳的礦化速率隨培養(yǎng)時(shí)間的變化符合對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，相關(guān)性也均達(dá)到極顯著水平（P<0.01）；對(duì)圖4原土及不同粒徑土壤有機(jī)碳的累積礦化量進(jìn)行擬合，結(jié)果見表1，表明在整個(gè)培養(yǎng)期內(nèi)，原土和不同粒徑土壤有機(jī)碳累積礦化量隨培養(yǎng)時(shí)間的變化符合對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平（P<0.01）。

2.4不同粒徑中可礦化有機(jī)碳的分配比例

土壤可礦化有機(jī)碳的分配比例是在培養(yǎng)時(shí)間內(nèi)土壤有機(jī)碳礦化釋放的CO2-C量占土壤總有機(jī)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(qiáng)，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(jī)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(jī)碳分配比例較低，單粉粒和微團(tuán)聚體的可礦化有機(jī)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(tuán)聚體>單粉粒（圖5）。表明不同粒徑土壤中可礦化有機(jī)碳的分配比例隨粒級(jí)減小而變大，大粒徑土壤固碳能力較小粒徑更強(qiáng)。

3討論

土壤有機(jī)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(zhì)地等因素的影響，不同組分有機(jī)碳因土壤物理、化學(xué)、生物和非生物等性質(zhì)的差異會(huì)造成土壤有機(jī)碳含量的改變，甚至不同組分間會(huì)出現(xiàn)顯著性差異，從而對(duì)不同組分土壤有機(jī)碳的礦化速率和累積礦化量產(chǎn)生不同程度的影響[6]。本研究中，經(jīng)過單施有機(jī)肥處理的土壤有機(jī)碳主要分布于粗顆粒上，不同粒徑土壤有機(jī)碳含量占土壤總有機(jī)碳含量的百分比依次是：粗顆粒有機(jī)碳（55.51%）>微團(tuán)聚體有機(jī)碳（28.80%）>單粉粒有機(jī)碳（11.22%）>單黏粒有機(jī)碳（1.72%）。王芳等研究結(jié)果表明，太湖地區(qū)黃泥土、烏泥土、白土3種土壤耕層有機(jī)碳主要存在于250～2 000 μm 和20～250 μm粒級(jí)團(tuán)聚體上[20]。郭菊花等對(duì)紅壤性水稻土的研究也指出，土壤有機(jī)碳主要分配在250～2 000 μm 的大團(tuán)聚體上[21]。說明有機(jī)碳含量高的組分主要依靠有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)，這不僅與施肥措施有關(guān)，還與大團(tuán)聚體的物理保護(hù)機(jī)制相關(guān)。劉京等在對(duì)乾縣土壤定點(diǎn)培肥試驗(yàn)地土壤團(tuán)聚體分析測(cè)定時(shí)指出，施有機(jī)肥或有機(jī)無機(jī)肥配施可明顯增加土壤團(tuán)聚體含量[22]。

土壤有機(jī)碳按其分解的難易程度可分為活性有機(jī)碳庫和惰性有機(jī)碳庫，前者礦化速率較快、易被微生物分解利用；后者穩(wěn)定性高，礦化速率較慢且很難被分解。本研究中在培養(yǎng)的4 d時(shí)，原土及不同粒徑土壤有機(jī)碳的礦化速率達(dá)到最大，因?yàn)榈V化初期土壤中存在易分解的糖類和蛋白質(zhì)等有機(jī)物質(zhì)，為微生物活動(dòng)提供了足夠的養(yǎng)分，且礦化初期土壤有機(jī)碳的礦化速率隨培養(yǎng)時(shí)間的變化呈指數(shù)函數(shù)，同時(shí)達(dá)到極顯著水平（P<0.01）；之后由于糖類和蛋白質(zhì)等有機(jī)物質(zhì)的減少，土壤微生物開始利用惰性有機(jī)碳，原土及各粒徑土壤有機(jī)碳礦化速率隨培養(yǎng)時(shí)間的變化符合對(duì)數(shù)函數(shù)且達(dá)到極顯著水平（P<0.01），后期的研究結(jié)果與陳濤等[23-24]的研究結(jié)果類似。本研究中，小粒徑土壤有機(jī)碳的礦化速率和累積礦化量大于大粒徑，這說明土壤大團(tuán)聚體的有機(jī)碳較穩(wěn)定，不易分解，而小團(tuán)聚體中的有機(jī)碳易礦化，不利于有機(jī)碳的儲(chǔ)存，這與魏亞偉等的研究結(jié)果[8]類似，但與部分研究結(jié)果不同：Elliott等研究表明，大團(tuán)聚體中的有機(jī)碳比較年輕，因而比微團(tuán)聚體中的有機(jī)碳更易礦化[25]；Puget等研究發(fā)現(xiàn)，小團(tuán)聚體中的有機(jī)碳比大團(tuán)聚體中的有機(jī)碳老化，這可能與土壤母質(zhì)、地上植被和生態(tài)環(huán)境的差異有關(guān)[26]，因而造成土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳的分布不同。不同粒徑土壤有機(jī)碳的礦化速率和累積礦化量均以粗顆粒有機(jī)碳組分最小，其他組分較大，這可能與各粒徑土壤中有機(jī)碳含量和微生物相關(guān)，Sato等研究結(jié)果表明，土壤可礦化碳與微生物生物量碳和土壤有機(jī)碳有著很好的相關(guān)性，但不同粒級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)碳礦化量的差異，除與土壤微生物和有機(jī)碳含量有關(guān)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(jī)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(jī)碳分配比例大小順序依次是：單粉粒有機(jī)碳>微團(tuán)聚體有機(jī)碳>單黏粒有機(jī)碳>粗顆粒有機(jī)碳，表明粗顆粒組分的固碳能力最強(qiáng)，其次是單黏粒、微團(tuán)聚體、單粉粒。此結(jié)果與劉晶等的研究報(bào)道[6]一致，表明團(tuán)聚體可礦化有機(jī)碳的分配比例隨粒級(jí)減小而變大，大團(tuán)聚體的固碳能力強(qiáng)于小團(tuán)聚體的固碳能力。

4結(jié)論

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

（2）培養(yǎng)前期原土及不同粒徑土壤有機(jī)碳的礦化速率呈指數(shù)函數(shù)且達(dá)到極顯著水平，培養(yǎng)后期呈對(duì)數(shù)函數(shù)且達(dá)到極顯著水平，累積礦化量也呈對(duì)數(shù)函數(shù)由快到慢增長且達(dá)到極顯著水平（P<0.01）。

（3）不同粒徑土壤中可礦化有機(jī)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(tuán)聚體>單粉粒。

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