增溫條件下不同土壤粒級有機碳和全氮的分布

徐 昕, 馬偉勝, 代靜玉, 黃兆琴, 程德義, 杜 超

(南京農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境科學學院, 江蘇 南京 210095)

當前因為溫室氣體的排放，全球碳循環(huán)失衡等原因，導致全球氣候變暖日益加劇。土壤龐大的有機碳庫存約占陸地總碳庫的2/3～3/4,在全球碳循環(huán)過程中有重要作用[1-2]。土壤理化性質、農(nóng)業(yè)耕作措施和環(huán)境因子等諸多措施都對土壤礦化產(chǎn)生影響，其中溫度是關鍵因素之一[3]。氣溫的升高將對土壤中有機碳和全氮的含量產(chǎn)生影響[4-7]。而土壤中有機質含量的變化也必然導致農(nóng)作物養(yǎng)分吸收產(chǎn)生變化。因為土壤是由不同粒級的顆粒構成，不同粒級的土壤顆粒其吸附力和粘著性不同，從而導致不同類型土壤對有機物吸附的差異。對土壤不同粒級的有機碳和全氮的分析可發(fā)現(xiàn)，土壤中有機質和全氮的含量與粉粒和黏粒的含量呈顯著正相關而與砂粒的含量呈顯著負相關[8-10]。還有研究表明[11]，土壤不同粒級對氮磷鉀的分配和時效性也有所不同。Robertson等[12]還發(fā)現(xiàn)火燒過的區(qū)域上氮的礦化、硝化與反硝化作用明顯升高，這可能與土壤表層溫度增加有關。綜上所述，本文擬采用不同增溫處理的褐土進行各粒級碳氮分布的研究，了解土壤各粒級有機質的分布和溫度變化條件下有機質分布變化情況，以期揭示土壤肥力本質、使用合理的施肥措施，應對氣候變暖。

1 研究地區(qū)和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地點在中國氣象局河北省定興縣固城鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)氣象站(39°08′N，115°40′E)，該地區(qū)年均氣溫11.7 ℃，年平均降雨量551.5 mm，屬于中國冬小麥主產(chǎn)區(qū)黃海麥區(qū)北區(qū)，該地區(qū)主要農(nóng)作物為冬小麥和夏玉米，土壤為典型褐土，多數(shù)土壤質地較輕，全縣耕地土壤的土質多數(shù)為輕壤和中壤質[13]。

1.2 研究方法

試驗設20 kg播種量正常溫度對照、夜間增溫、晝夜增溫、晚15 d播種和晚15 d播種并進行夜間增溫共5個處理，各個處理都采用正常施肥。每個處理4個重復，增溫處理冠層氣溫較對照平均增溫2.5 ℃，每個試驗小區(qū)的大小為2 m×4 m，不同處理和對照之間有一個樣區(qū)隔離。增溫從小麥起身開始，到小麥收割結束。試驗選擇當?shù)仄毡榉N植的小麥品種超優(yōu)-626(冬性)。采用紅外線輻射器(infrared radiators)作為增溫裝置。該裝置是通過懸掛在樣地上方,以散發(fā)紅外線輻射的燈管來實現(xiàn)環(huán)境增溫。

播種前對5種不同處理所對應的地塊進行土壤樣品的采集，采集深度為0—20 cm的耕作層。在小麥成熟收割完畢后，以同樣的方法進行樣品采集。樣品烘干后，過2 mm篩，放在干燥處備用。

取10 g烘干土樣，用去離子水浸泡過夜，去除可見雜質，使用頻率為40 kHz，功率200 W的超聲波清洗機分散土壤顆粒，制備懸浮液放入1 L的高型燒杯中，根據(jù)Stokes定律，利用不同粒徑的土壤顆粒在靜水中沉降速率的不同，采用虹吸法分別提取出黏粒(<2 μm)、粉粒(2～20 μm)、砂粒(>20 μm)(國際制)。經(jīng)過離心和低溫烘干后，稱重最后計算出各粒級質量百分比并測定各粒級的有機碳和全氮。

1.3 分析方法

pH值采用pH計測定(水土比3∶1)；機械組成采用吸管法測定；土壤有機碳的測定采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法；土壤全氮測定采用半微量開氏法；土壤速效磷測定采用0.5 mol/L NaHCO3法；有效鉀測定采用冷的2 mol/L HNO3溶液浸提—火焰光度法。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007及SPSS 19.0統(tǒng)計分析軟件進行數(shù)據(jù)處理和顯著性差異檢驗，并用Microsoft Excel 2007軟件進行繪圖。

2 結果與討論

2.1 不同粒級土壤有機無機復合體的分布

本文僅選取0—20 cm耕層的土壤為研究對象。排除對照組和遲播組，由表1中可以看出，經(jīng)過增溫處理的土壤，砂粒處理前平均質量百分比為56.1%，處理后平均百分比達到56.7%，遠高于處理前后的粉粒和黏粒。其中含量最低的黏粒，處理前后平均分別只占20.8%和19.7%，而粉粒處理前后平均含量為23.0%和23.3%。從研究對象土壤的有機無機復合體組成可以看出該土壤質地較輕。

表1 不同處理下土壤有機無機復合體組成

再從不同處理下各粒級顆粒前后對比可以看出，處理后的黏粒質量百分比普遍減少，粉粒和砂粒的質量百分比普遍增大，說明土壤表層中黏粒減少而粉粒砂粒增多?？赡苁怯捎跐补嗪蛷头N指數(shù)，土壤表層的水分移動頻繁，導致表層<2 μm的土壤復合體流失或者往下部土層遷移，使得表層黏粒復合體含量下降[14]或試驗誤差兩方面原因。

2.2 土壤顆粒的有機碳和全氮分布

2.2.1 整體有機碳和全氮的變化 表2為土壤顆粒有機碳和全氮的變化，從表2來看，各個處理下的土壤整體有機碳含量都有所上升，處理前平均有機碳含量是13.54 g/kg，處理后平均含量是13.79 g/kg，平均上升了0.25 g/kg，可見溫度的增加一定程度上導致研究對象有機碳增加，但增加幅度很小。

表2 土壤基本理化性質

增溫處理前全氮的平均含量是1.01 g/kg，處理后平均含量是0.97 g/kg，增溫后相較于增溫前全土壤全氮的含量下降了0.04 g/kg，晝夜增溫組和夜間增溫組與CK組對比發(fā)現(xiàn)全氮的損失相對較大，遲播+夜間增溫組相比遲播組全氮減少量也偏小，所以適當?shù)脑鰷貢p少土壤全氮的損失。

2.2.2 各粒級有機碳和全氮的變化 首先，粒級越小，有機碳的含量越高。從圖1a可以明顯看出黏粒的有機碳含量遠高于粉粒和砂粒。3組增溫處理中，晝夜增溫組黏粒的有機碳含量增長最多，為2.10 g/kg，其次為夜間增溫組的1.68 g/kg，最后是遲播+夜間增溫組的0.75 g/kg。對照組和遲播組方面，也分別增加了0.16，0.30 g/kg，增長量相比增溫處理小很多。晝夜增溫組和夜間增溫組在粉粒上的有機碳增加量相比黏粒粒級要小。砂粒方面，包括對照組和遲播組在內的所有處理組中，有機碳含量都得到了較大的增長，增長量最大的夜間增溫組達到1.49 g/kg，幾乎與其粉粒有機碳增長量持平。但是由于砂粒的顆粒直徑較大，造成吸附有機質的能力較弱，且被吸附的有機質大量暴露在空氣中，容易被微生物利用分解，造成有機質含量的不穩(wěn)定[15]。這些原因都會引起樣品的測定結果產(chǎn)生波動。

注：橫坐標中1為CK； 2為晝夜增溫； 3為夜間增溫； 4為遲播； 5為遲播+夜增。圖1 不同處理下各粒級有機碳和全氮分布

土壤全氮在各粒級的分布的規(guī)律與有機碳類似(圖1b)。隨著粒級的變小，全氮含量大幅上升。這說明氮素更容易在較小顆粒上富集。處理前，土壤平均全氮含量由高到低分別是黏粒3.05 g/kg，粉粒2.04 g/kg，砂粒0.30 g/kg，處理后，土壤平均全氮含量由高到低分別是黏粒3.00 g/kg，粉粒1.99 g/kg，砂粒0.32 g/kg?？梢园l(fā)現(xiàn)，粒級較小的黏粒和粉粒在處理后全氮量有減小的趨勢，而粒級較大的砂粒全氮量反而有所增加。從增溫前后來看，黏粒方面，晝夜增溫后全氮增加了0.17 g/kg，夜間增溫后則減少了0.2 g/kg，對比CK組減少0.08 g/kg，晝夜增溫使氮素產(chǎn)生了一定的增加而夜間增溫則相反。同樣的，遲播+夜間增溫組的全氮含量對比遲播組下降的更多。粉粒中，晝夜增溫組的全氮量下降了0.50 g/kg,夜間增溫則上升0.33 g/kg，對比CK下降0.08 g/kg，晝夜增溫使氮素產(chǎn)生一定下降而夜間增溫則相反，這與黏粒的變化情況有所不同。遲播+夜間增溫組的全氮含量比遲播組有所上升；砂粒來看，除去CK組，其余4組處理前后下的全氮含量基本持平，溫度變化對砂粒的全氮含量幾乎不產(chǎn)生影響。

2.2.3 各粒級有機碳和全氮的比重 將土壤每種粒級有機碳和全氮的含量對比土壤整體有機碳和全氮含量，得出各粒級有機碳和全氮占總含量的比重(圖2)。

圖2 不同處理下各粒級有機碳和全氮所占的比重

圖2中可以看出，雖然黏粒在土壤3種粒級的質量百分比最低，但因為其吸附有機質的能力最強，所以黏粒有機碳占總有機碳的比重最大，大約是粉粒所占的2.5倍，砂粒的6倍。再從處理前后對比來看，黏粒有機碳比重無論是在增溫處理組還是對照組和遲播組均出現(xiàn)了一定的下降，原因之一是粉粒有機碳和砂粒有機碳比重出現(xiàn)了一定程度的上升。一種粒級有機碳占總有機碳比重除了其自身所含有機碳的量之外還和其顆粒在土壤中的質量百分比有直接關系，所以盡管黏粒有機碳含量最多，但因為其較低的質量百分比，所以仍然在總有機碳占比中出現(xiàn)了下降的情況。而相較于黏粒，砂粒在各個處理組中，總有機碳占比都有上升的現(xiàn)象，這得益于它本身有機碳含量的增加和較大的質量百分比。粉粒方面，CK組、晝夜增溫組和遲播+夜間增溫組的比重增大。在夜間增溫和遲播兩組中有機碳占比雖然有所下降，但是相應的，這兩組處理中砂粒的有機碳比重提升最大。

與有機碳占總有機碳的百分比規(guī)律類似，土壤中各粒級全氮的含量占總全氮的比值依舊是:黏粒>粉粒>砂粒。從處理前后對比來看，晝夜增溫使黏粒全氮含量占總全氮的比值上升了4.84%。夜間增溫組和遲播+夜間增溫組的粉粒全氮含量占比則分別上升了5.04%和2.73%。

砂粒中全氮的占比處理前后幾乎沒有變化。從上述比例的變化不難看出，適當?shù)脑鰷貢雇寥乐休^小粒級的全氮含量增加，但是從總體上看還是呈現(xiàn)下降趨勢。

2.2.4 不同處理下各粒級碳氮比 由表3可知，大多數(shù)粒級碳氮比比較穩(wěn)定，少部分有增大的情況。主要原因是有機碳含量的增加和全氮含量的相對降低。土壤的有機碳越多，則它的微生物生物量碳越高，也就是土壤微生物群體量越大[16]。碳氮比為10,15的時候，土壤氮素有較高的生物利用率[17]，說明此時的土壤環(huán)境較適合微生物的活動。

表3 不同處理下各粒級碳氮比

2.2.5 不同處理與有機碳和全氮變化的關系 由表4說明，除去砂粒，盡管各處理組的黏粒和粉粒含量相比處理前都有一定程度增加，但是相關性來看依然不顯著(p>0.05),這也就表示短期內溫度的提升對黏粒和粉粒兩種粒級有機碳的含量影響不大。再看砂粒，夜間增溫和遲播+夜間增溫兩組相較于CK組出現(xiàn)了顯著的變化(p<0.05)，這可能是由于秸稈還田后該粒級恰巧吸附了含C量較高的物質或者試驗的誤差所致。

表4 不同處理與各粒級土壤碳氮變化的關系 g/kg

注：數(shù)據(jù)為不同處理下土壤各粒級碳氮含量前后差值±標準差，數(shù)據(jù)后不同字母表示同一列數(shù)據(jù)在0.05水平上差異顯著。

溫度變化主要在兩方面影響土壤碳循環(huán)的過程：一是影響植物生產(chǎn)速率和凋落速率；二是影響微生物活性從而改變表層凋落物和土壤有機碳的分解速率[18]。即土壤有機碳含量主要取決于其原有有機質的分解，以及外源有機碳的加入，如植物凋落物和根系分泌物的分解、人為施加的有機肥料等，在輸入和降解中有機碳含量得以維持平衡。熊德成等[19]研究發(fā)現(xiàn)植物在遭受根際高溫脅迫時會分泌一些特定的物質以有利于地域環(huán)境的變化如一些脫落酸，氨基酸以及酚酸類物質，這在一定程度上增加了土壤的外源有機碳。溫度和外源有機質的進入影響土壤礦化速率[20-23]，有機質進入土壤后既有可能加速有機碳礦化產(chǎn)生正激發(fā)效應；也可能抑制礦化，產(chǎn)生負激發(fā)效應。一般認為新鮮有機碳的加入為微生物提供了能量和營養(yǎng)元素，提高了微生物活性，從而加速了有機物的分解和礦化[24]。所以雖然數(shù)據(jù)中表明各個粒級有機碳含量有一定增長，但是短期內溫度的增加對土壤有機碳的影響不顯著。說明了土壤有機碳的含量始終處于一種循環(huán)平衡的狀態(tài)。至于表3反映的增溫后有機碳的分布有向大顆粒轉移的趨勢，主要原因是土壤耕作導致的表層黏粒流失以及作物產(chǎn)生的大量粗有機體主要集中在較大的有機無機復合體內[25]。

溫度對全氮的影響相比有機碳要明顯。黏粒上，晝夜增溫和夜間增溫對比CK組產(chǎn)生了顯著影響，遲播+夜間增溫組對比遲播影響不明顯；粉粒上，晝夜增溫組和夜間增溫組對比CK組，遲播+夜間增溫組對比遲播組，都有了顯著影響；砂粒的影響則較小。

土壤全氮包含有機氮、礦質氮和土壤固定態(tài)銨，其中90%以上是有機氮[26]。它的含量變化取決于氮素輸入輸出的相對大小[27]。氮素的輸入依賴于植物殘體歸還量、生物固氮和大氣沉降[28]。氮素的輸出則是因為分解和侵蝕兩方面，其受到各種生物和非生物因素的控制[29]。Sims[30]研究發(fā)現(xiàn)，在0～40 ℃范圍內，土壤氮累計速率和礦化速率均隨著培養(yǎng)溫度的升高而增加。

適當?shù)脑鰷?，增加了土壤微生物的活性，通過硝化作用和固氮作用增加土壤中氮素的含量。但同時進行的反硝化作用又將硝酸鹽還原成氮氣，降低了土壤中氮素含量。所以全氮含量時刻處于這種動態(tài)平衡之下，總體上看增溫后土壤全氮含量雖然下降，但是增溫后的含量大于不增溫的對照組。因為黏粒和粉粒具備更強的吸附性，所以短期增溫所產(chǎn)生的氮素累計大部分附著在較小顆粒下，且因為這部分顆粒有結合緊密和與空氣接觸少等特點，難以被分解利用，這就導致增溫處理后部分全氮含量和占總全氮的比值上升。砂粒因其較低的吸附性和易被氧化等特點，全氮的分布不具有很強的規(guī)律性。

2.2.6 有機碳和全氮的變化 增溫下土壤有機碳的增長量是:黏粒>粉粒>砂粒，且晝夜增溫的增長量比夜間增溫增長量大。全氮含量除少部分粒級外會有所下降，但是相比對照組均有相對增長，增長量規(guī)律與有機碳一致。遲播組和遲播+夜間增溫組的變化規(guī)律與普通對照組和增溫組的規(guī)律一致。上述現(xiàn)象說明土壤粒級越小，有機碳和全氮更容易受溫度變化影響,并且增溫時間越長，影響越明顯。全氮對比有機碳對增溫更加敏感，也就是溫度因素對全氮含量影響更大。

3 結 論

(1) 經(jīng)過增溫處理后土壤表層黏粒質量分數(shù)平均下降0.96%，粉粒和砂粒平均分別上升0.12%和0.7%，有機碳含量平均增加了1.27 g/kg，全氮含量平均降低0.05 g/kg。

(2) 3種粒級的有機碳含量均有上升。全氮在絕大部分粒級含量則呈現(xiàn)下降，但是與對照組相比依然有增長。碳氮比比較穩(wěn)定。增溫后黏粒有機碳占總有機碳比重下降，有機碳有往大顆粒轉移的趨勢。同時黏粒、粉粒全氮占總全氮的比重增大。上述現(xiàn)象與各粒級所含有機質的量和各個粒級占總質量百分比兩方面的變化有關。

(3) 短期增溫與各土壤粒級有機碳增長普遍相關性不顯著，但是能對黏粒和粉粒2個粒級的全氮分布產(chǎn)生比較顯著影響(p<0.05)。