增溫條件下不同土壤粒級有機(jī)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(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 江蘇 南京 210095)

當(dāng)前因?yàn)闇厥覛怏w的排放，全球碳循環(huán)失衡等原因，導(dǎo)致全球氣候變暖日益加劇。土壤龐大的有機(jī)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(zhì)、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(guān)鍵因素之一[3]。氣溫的升高將對土壤中有機(jī)碳和全氮的含量產(chǎn)生影響[4-7]。而土壤中有機(jī)質(zhì)含量的變化也必然導(dǎo)致農(nóng)作物養(yǎng)分吸收產(chǎn)生變化。因?yàn)橥寥朗怯刹煌＜壍念w粒構(gòu)成，不同粒級的土壤顆粒其吸附力和粘著性不同，從而導(dǎo)致不同類型土壤對有機(jī)物吸附的差異。對土壤不同粒級的有機(jī)碳和全氮的分析可發(fā)現(xiàn)，土壤中有機(jī)質(zhì)和全氮的含量與粉粒和黏粒的含量呈顯著正相關(guān)而與砂粒的含量呈顯著負(fù)相關(guān)[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(guān)。綜上所述，本文擬采用不同增溫處理的褐土進(jìn)行各粒級碳氮分布的研究，了解土壤各粒級有機(jī)質(zhì)的分布和溫度變化條件下有機(jī)質(zhì)分布變化情況，以期揭示土壤肥力本質(zhì)、使用合理的施肥措施，應(yīng)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(yàn)地點(diǎn)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(zhì)地較輕，全縣耕地土壤的土質(zhì)多數(shù)為輕壤和中壤質(zhì)[13]。

1.2 研究方法

試驗(yàn)設(shè)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(jìn)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(fù)，增溫處理冠層氣溫較對照平均增溫2.5 ℃，每個試驗(yàn)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?zhǔn)崭罱Y(jié)束。試驗(yàn)選擇當(dāng)?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(shí)現(xiàn)環(huán)境增溫。

播種前對5種不同處理所對應(yīng)的地塊進(jìn)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(jìn)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(zhì)，使用頻率為40 kHz，功率200 W的超聲波清洗機(jī)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(jì)算出各粒級質(zhì)量百分比并測定各粒級的有機(jī)碳和全氮。

1.3 分析方法

pH值采用pH計(jì)測定(水土比3∶1)；機(jī)械組成采用吸管法測定；土壤有機(jī)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(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯著性差異檢驗(yàn)，并用Microsoft Excel 2007軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同粒級土壤有機(jī)無機(jī)復(fù)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(zhì)量百分比為56.1%，處理后平均百分比達(dá)到56.7%，遠(yuǎn)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(jī)無機(jī)復(fù)合體組成可以看出該土壤質(zhì)地較輕。

表1 不同處理下土壤有機(jī)無機(jī)復(fù)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(zhì)量百分比普遍減少，粉粒和砂粒的質(zhì)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?fù)種指數(shù)，土壤表層的水分移動頻繁，導(dǎo)致表層<2 μm的土壤復(fù)合體流失或者往下部土層遷移，使得表層黏粒復(fù)合體含量下降[14]或試驗(yàn)誤差兩方面原因。

2.2 土壤顆粒的有機(jī)碳和全氮分布

2.2.1 整體有機(jī)碳和全氮的變化 表2為土壤顆粒有機(jī)碳和全氮的變化，從表2來看，各個處理下的土壤整體有機(jī)碳含量都有所上升，處理前平均有機(jī)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(dǎo)致研究對象有機(jī)碳增加，但增加幅度很小。

表2 土壤基本理化性質(zhì)

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(dāng)?shù)脑鰷貢p少土壤全氮的損失。

2.2.2 各粒級有機(jī)碳和全氮的變化 首先，粒級越小，有機(jī)碳的含量越高。從圖1a可以明顯看出黏粒的有機(jī)碳含量遠(yuǎn)高于粉粒和砂粒。3組增溫處理中，晝夜增溫組黏粒的有機(jī)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(jī)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(nèi)的所有處理組中，有機(jī)碳含量都得到了較大的增長，增長量最大的夜間增溫組達(dá)到1.49 g/kg，幾乎與其粉粒有機(jī)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(jī)質(zhì)的能力較弱，且被吸附的有機(jī)質(zhì)大量暴露在空氣中，容易被微生物利用分解，造成有機(jī)質(zhì)含量的不穩(wěn)定[15]。這些原因都會引起樣品的測定結(jié)果產(chǎn)生波動。

注：橫坐標(biāo)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(jī)碳和全氮分布

土壤全氮在各粒級的分布的規(guī)律與有機(jī)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(jī)碳和全氮的比重 將土壤每種粒級有機(jī)碳和全氮的含量對比土壤整體有機(jī)碳和全氮含量，得出各粒級有機(jī)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(jī)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(zhì)量百分比最低，但因?yàn)槠湮接袡C(jī)質(zhì)的能力最強(qiáng)，所以黏粒有機(jī)碳占總有機(jī)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(jī)碳比重?zé)o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(jī)碳和砂粒有機(jī)碳比重出現(xiàn)了一定程度的上升。一種粒級有機(jī)碳占總有機(jī)碳比重除了其自身所含有機(jī)碳的量之外還和其顆粒在土壤中的質(zhì)量百分比有直接關(guān)系，所以盡管黏粒有機(jī)碳含量最多，但因?yàn)槠漭^低的質(zhì)量百分比，所以仍然在總有機(jī)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(jī)碳占比都有上升的現(xiàn)象，這得益于它本身有機(jī)碳含量的增加和較大的質(zhì)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(jī)碳占比雖然有所下降，但是相應(yīng)的，這兩組處理中砂粒的有機(jī)碳比重提升最大。

與有機(jī)碳占總有機(jī)碳的百分比規(guī)律類似，土壤中各粒級全氮的含量占總?cè)谋戎狄琅f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?cè)谋戎瞪仙?.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(dāng)?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(jī)碳含量的增加和全氮含量的相對降低。土壤的有機(jī)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(jī)碳和全氮變化的關(guān)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(guān)性來看依然不顯著(p>0.05),這也就表示短期內(nèi)溫度的提升對黏粒和粉粒兩種粒級有機(jī)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(zhì)或者試驗(yàn)的誤差所致。

表4 不同處理與各粒級土壤碳氮變化的關(guān)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(biāo)準(zhǔn)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(jī)碳的分解速率[18]。即土壤有機(jī)碳含量主要取決于其原有有機(jī)質(zhì)的分解，以及外源有機(jī)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(jī)肥料等，在輸入和降解中有機(jī)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(zhì)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(zhì)，這在一定程度上增加了土壤的外源有機(jī)碳。溫度和外源有機(jī)質(zhì)的進(jìn)入影響土壤礦化速率[20-23]，有機(jī)質(zhì)進(jìn)入土壤后既有可能加速有機(jī)碳礦化產(chǎn)生正激發(fā)效應(yīng)；也可能抑制礦化，產(chǎn)生負(fù)激發(fā)效應(yīng)。一般認(rèn)為新鮮有機(jī)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(jī)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(jī)碳含量有一定增長，但是短期內(nèi)溫度的增加對土壤有機(jī)碳的影響不顯著。說明了土壤有機(jī)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(jī)碳的分布有向大顆粒轉(zhuǎn)移的趨勢，主要原因是土壤耕作導(dǎo)致的表層黏粒流失以及作物產(chǎn)生的大量粗有機(jī)體主要集中在較大的有機(jī)無機(jī)復(fù)合體內(nèi)[25]。

溫度對全氮的影響相比有機(jī)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(jī)氮、礦質(zhì)氮和土壤固定態(tài)銨，其中90%以上是有機(jī)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?yàn)榉纸夂颓治g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(nèi)，土壤氮累計(jì)速率和礦化速率均隨著培養(yǎng)溫度的升高而增加。

適當(dāng)?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(jìn)行的反硝化作用又將硝酸鹽還原成氮?dú)?，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?yàn)轲ち：头哿＞邆涓鼜?qiáng)的吸附性，所以短期增溫所產(chǎn)生的氮素累計(jì)大部分附著在較小顆粒下，且因?yàn)檫@部分顆粒有結(jié)合緊密和與空氣接觸少等特點(diǎn)，難以被分解利用，這就導(dǎo)致增溫處理后部分全氮含量和占總?cè)谋戎瞪仙Ｉ傲Ｒ蚱漭^低的吸附性和易被氧化等特點(diǎn)，全氮的分布不具有很強(qiáng)的規(guī)律性。

2.2.6 有機(jī)碳和全氮的變化 增溫下土壤有機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jié) 論

(1) 經(jīng)過增溫處理后土壤表層黏粒質(zhì)量分?jǐn)?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(jī)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(jī)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(jī)碳占總有機(jī)碳比重下降，有機(jī)碳有往大顆粒轉(zhuǎn)移的趨勢。同時黏粒、粉粒全氮占總?cè)谋戎卦龃蟆Ｉ鲜霈F(xiàn)象與各粒級所含有機(jī)質(zhì)的量和各個粒級占總質(zhì)量百分比兩方面的變化有關(guān)。

(3) 短期增溫與各土壤粒級有機(jī)碳增長普遍相關(guān)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)。