不同地力玉米田土壤有機(jī)碳礦化特征

王永慧，楊殿林，紅 雨，趙建寧，軒青霞，霍莉莉，譚炳昌，修偉明，王麗麗*

（1.內(nèi)蒙古師范大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，呼和浩特 010022；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部產(chǎn)地環(huán)境污染防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/天津市農(nóng)業(yè)環(huán)境與農(nóng)產(chǎn)品安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300191；3.山東省齊河縣農(nóng)業(yè)局，山東 齊河 251100）

土壤碳庫(kù)的動(dòng)態(tài)變化是影響全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的重要因素[1]。土壤碳庫(kù)主要包括土壤有機(jī)碳（Soil organic carbon，SOC）庫(kù)和土壤無(wú)機(jī)碳（Soil in?organic carbon，SIC）庫(kù)，是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫(kù)，約為陸地植被碳儲(chǔ)量的3倍，是大氣碳儲(chǔ)量的2倍[2]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是陸地土壤碳庫(kù)中最活躍且固碳潛力最大的碳庫(kù)之一[3]，也是唯一能被人類活動(dòng)干預(yù)影響的部分[4]，具有多種經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)功能[5]。全球耕地面積約占陸地總面積的10.62%[6]，玉米作為世界三大主糧之首，是中國(guó)種植面積最大的糧食作物[7～8]，因此，玉米田土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)變化對(duì)精確評(píng)估全球碳庫(kù)儲(chǔ)量具有重要的研究意義。

土壤有機(jī)碳礦化是指土壤中含有的有機(jī)質(zhì)和外源有機(jī)質(zhì)在微生物作用下分解、轉(zhuǎn)化生成CO2的過(guò)程[9]，是陸地生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳循環(huán)過(guò)程中的重要組成部分，對(duì)土壤養(yǎng)分的釋放具有積極影響[10]。土壤微生物是土壤有機(jī)碳礦化的重要參與者和驅(qū)動(dòng)者[11]，其數(shù)量和種類會(huì)影響土壤有機(jī)碳的礦化速率[12]。土壤活性有機(jī)碳指的是對(duì)植物養(yǎng)分供應(yīng)最直接且易被土壤中的微生物分解礦化的那部分有機(jī)碳[13]，易礦化、不穩(wěn)定且對(duì)微生物有較高活性的碳素，在土壤碳素的轉(zhuǎn)化過(guò)程中具有重要的促進(jìn)作用，其含量高低能夠顯著影響微生物活性，從而影響大氣中CO2的平衡[14-15]。因此，從活性有機(jī)碳角度研究土壤有機(jī)碳的礦化逐漸受到許多學(xué)者的關(guān)注。土壤中微生物生物量碳（Mi?crobial biomass carbon，MBC）和可溶性有機(jī)碳（Dis?solved organic carbon，DOC）都是土壤活性有機(jī)碳的重要組成部分，是土壤微生物的主要營(yíng)養(yǎng)成分[16]，易被土壤微生物分解利用，也是土壤有機(jī)碳礦化的重要組成部分。土壤有機(jī)碳礦化過(guò)程產(chǎn)生的CO2排放到大氣中，使土壤向大氣釋放的CO2數(shù)量增加，CO2濃度的增加加劇了大氣溫室效應(yīng)，氣溫升高反過(guò)來(lái)又會(huì)促進(jìn)土壤有機(jī)碳的礦化[17]。系統(tǒng)研究土壤有機(jī)碳礦化與活性有機(jī)碳的關(guān)系對(duì)揭示土壤碳循環(huán)動(dòng)態(tài)具有重要的指導(dǎo)意義。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)土壤有機(jī)碳礦化的研究較多，國(guó)內(nèi)對(duì)土壤有機(jī)碳礦化也取得了一些重要的研究成果，主要涉及土地利用方式[18-19]、土壤理化性質(zhì)[20]、土壤類型[21-22]、外源物質(zhì)添加[23-24]等。鄔建紅等[19]揭示了相同溫度時(shí)，不同土地利用方式下土壤有機(jī)碳的礦化累積釋放量不同。李順姬等[20]對(duì)黃土高原土壤有機(jī)碳礦化及土壤理化性質(zhì)的關(guān)系進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，土壤類型的差異會(huì)影響土壤有機(jī)碳礦化，且影響因素復(fù)雜。李英臣等[25]研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)碳的礦化速率和礦化累積量與初始的土壤SOC、全氮（Total nitrogen，TN）、MBC含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。但不同地力背景下農(nóng)田土壤有機(jī)碳礦化動(dòng)態(tài)及其影響因素尚不明確。耕地地力是指在自然條件下，受土壤本身特性、管理水平和基礎(chǔ)設(shè)施水平等要素綜合影響的耕地生產(chǎn)能力[26]。目前，中國(guó)耕地等級(jí)劃分主要采用兩種方法：一是地力等級(jí)法，二是產(chǎn)量法[27]。本研究在已有地力等級(jí)認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上[28]，結(jié)合近幾年的產(chǎn)量，按高低順序排列，取其中值作為劃分高地力和低地力的閾值。本文選取3種典型地力等級(jí)（高、中、低）玉米田土壤為研究對(duì)象，擬在揭示農(nóng)田基礎(chǔ)地力與土壤有機(jī)碳礦化特征之間的相關(guān)性，并結(jié)合土壤理化性質(zhì)、活性有機(jī)碳等深入了解玉米田生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳礦化過(guò)程，為精確評(píng)估我國(guó)玉米田土壤有機(jī)碳損失動(dòng)態(tài)和制定科學(xué)的土壤碳庫(kù)管理措施提供科學(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于山東省德州市齊河縣（116°23′28″～116°57′35″E，36°24′37″～37°1′44″N）。地處魯西北平原，黃河北岸。該地屬于暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，氣候溫和，年均氣溫14.2℃，年均降水量521.2 mm，年日照時(shí)數(shù)2 656.4 h，無(wú)霜期235 d，主要土壤類型為潮土。常規(guī)管理方式，玉米-小麥輪作制度，本試驗(yàn)樣品在春玉米收獲時(shí)期采集。

1.2 土壤樣品采集

2017年9月25—30日，在齊河縣已有地力等級(jí)認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上，結(jié)合近幾年的產(chǎn)量按高低順序排列，選取具代表性的高、中、低不同地力各3塊試驗(yàn)樣地。在每個(gè)樣地內(nèi)用內(nèi)徑2 cm的土鉆按照“S”型選取10～15個(gè)點(diǎn)，分別采集0～20 cm和20～40 cm土壤樣品。充分混合后去除凋落物和根，裝入無(wú)菌自封袋中，迅速放入冰盒保存，并帶回實(shí)驗(yàn)室。一部分立即放到4℃冰箱保存，用于土壤有機(jī)碳礦化培養(yǎng)試驗(yàn)及MBC、DOC等指標(biāo)的測(cè)定；另一部分經(jīng)自然風(fēng)干、研磨、過(guò)篩后于通風(fēng)干燥處密封保存，用于其他理化性質(zhì)等的測(cè)定。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 土壤基本理化性質(zhì)測(cè)定

土壤含水量采用烘箱105℃（10 h）烘干法，持續(xù)烘干直到土壤恒質(zhì)量；土壤pH采用玻璃電極法（pHS-3，水土比2.5∶1）；SOC含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測(cè)定；TN采用半微量開(kāi)氏法，使用連續(xù)流動(dòng)分析儀（AA3-HR，SEAL，Germany）測(cè)定；MBC含量采用氯仿熏蒸-硫酸鉀測(cè)定。具體操作方法參見(jiàn)文獻(xiàn)[29]。

DOC含量測(cè)定：稱取相當(dāng)于10 g干土的新鮮土于50 mL離心管中，加入30 mL去離子水，常溫下振蕩浸提 30 min，用高速離心機(jī)（Allegra 64R，Beckman，美國(guó)）離心，上清液過(guò)0.45μm濾膜，用Multi N/C 3100總有機(jī)碳/總碳分析儀（Analytik Jena，Branch überlin?gen，德國(guó)）測(cè)定[30]。不同地力等級(jí)玉米田0～20 cm和20～40 cm土壤基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

1.3.2 土壤有機(jī)碳礦化培養(yǎng)

將采集的不同地力等級(jí)玉米田0～20 cm和20～40 cm新鮮土壤樣品過(guò)2 mm篩，分別隨機(jī)取60 g（干質(zhì)量）均勻放入250 mL的玻璃培養(yǎng)瓶底部。在25℃、避光條件下進(jìn)行室內(nèi)恒溫有機(jī)碳礦化培養(yǎng)。每個(gè)土樣均做5個(gè)重復(fù)，在同等條件下將不加土樣的廣口瓶作為空白對(duì)照。在培養(yǎng)試驗(yàn)的第1、3、5、7、14、28、42、56、70、84、98、112、154、168、182、196 d用注射器從培養(yǎng)瓶中抽取20 mL氣體，用氣相色譜儀（7890B，美國(guó)）在24 h內(nèi)測(cè)定CO2濃度，以CO2的產(chǎn)生量計(jì)算土壤有機(jī)碳礦化速率。每次采集氣體后，將培養(yǎng)瓶通氣20 min，補(bǔ)充氧氣，使培養(yǎng)瓶的氣體與環(huán)境大氣充分交換混合，然后密封培養(yǎng)瓶，繼續(xù)培養(yǎng)。具體培養(yǎng)方法參考劉德燕等的方法[31]。整個(gè)培養(yǎng)結(jié)束后，再次測(cè)定土壤MBC和DOC含量。

1.4 指標(biāo)計(jì)算

對(duì)于土壤有機(jī)碳礦化累積量隨時(shí)間的變化應(yīng)用一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，模擬分析供試土壤有機(jī)碳礦化動(dòng)態(tài)：

式中：y表示t時(shí)刻土壤有機(jī)碳累積礦化量，即所能釋放的 CO2最大值，mg·kg-1；CP為土壤有機(jī)碳的潛在礦化勢(shì)；k表示有機(jī)碳礦化常數(shù)，d-1；t表示時(shí)間，d[31]。Cp、k用來(lái)表征土壤有機(jī)碳礦化作用，Cp值越大，k值越小則土壤有機(jī)碳的礦化作用越強(qiáng)，反之則土壤有機(jī)碳礦化作用越弱[32]。CP/SOC值能夠反映土壤有機(jī)碳的固存能力，該值越高，土壤有機(jī)碳的礦化能力越強(qiáng)，有機(jī)碳的固存量越少[20]。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of the tested soil

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2010和SPSS 18.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和統(tǒng)計(jì)分析，差異顯著性檢驗(yàn)（P＜0.05）采用One-way ANOVA的LSD法，相關(guān)性分析采用Pearson法，作圖采用Origin 9.1軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 地力水平及土層深度對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

由表1可知，地力等級(jí)對(duì)土壤含水量、pH、TN、SOC、NH+4-N、NO-3-N影響顯著（P＜0.05）。土壤pH值均大于7，供試土壤均為弱堿性。不同土層對(duì)土壤理化指標(biāo)也有顯著的影響。相同地力等級(jí)0～20 cm土層土壤中SOC均大于20～40 cm土層，TN、NH+4-N和NO-3-N的含量也隨土層加深呈降低趨勢(shì)。

對(duì)供試土壤各理化性質(zhì)進(jìn)行雙因素分析，結(jié)果（表2）顯示本次試驗(yàn)中地力等級(jí)和土層深度對(duì)土壤TN、SOC、-N均有極顯著的交互作用（P＜0.01），對(duì)土壤pH、-N有顯著的交互作用（P＜0.05），對(duì)土壤含水量沒(méi)有交互影響（P＞0.05），表明二者對(duì)于土壤理化性質(zhì)的影響不完全存在耦合關(guān)系。

2.2 不同地力等級(jí)土壤有機(jī)碳礦化特征

有機(jī)碳礦化速率即單位干土每日礦化的有機(jī)碳數(shù)量，又叫有機(jī)碳日均礦化量。土壤有機(jī)碳累積礦化量是指在一定時(shí)間內(nèi)土壤有機(jī)碳礦化為無(wú)機(jī)碳后所釋放的CO2數(shù)量，二者均是土壤有機(jī)碳礦化動(dòng)態(tài)的重要指標(biāo)[20]。

圖1 不同地力土壤有機(jī)碳礦化速率Figure 1 Soil organic carbon mineralization rate under different soil fertility

研究結(jié)果顯示（圖1），不同地力等級(jí)土壤有機(jī)碳礦化速率隨時(shí)間變化呈現(xiàn)明顯的階段性特征：在培養(yǎng)初期，土壤有機(jī)碳的礦化速率不穩(wěn)定，第7 d左右達(dá)到峰值，后期緩慢下降并逐漸趨于穩(wěn)定。培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，HSF玉米田0～20 cm土層土壤有機(jī)碳礦化速率為2.00±0.08 mg·kg-1·d-1，分別是MSF和LSF的1.52倍和1.57倍；20～40 cm土層土壤有機(jī)碳礦化速率較0～20 cm均減少，HSF、MSF、LSF土壤有機(jī)碳礦化速率分別為1.22±0.08、0.70±0.05、0.62± 0.05 mg·kg-1·d-1。玉米田土壤有機(jī)碳礦化速率在兩個(gè)土層均呈現(xiàn)HSF＞MSF＞LSF的趨勢(shì)。HSF積累了更多的有機(jī)碳，有利于土壤有機(jī)碳的礦化。

不同地力等級(jí)土壤有機(jī)碳累積礦化量均表現(xiàn)為0～20 cm土層高于20～40 cm土層的規(guī)律，且不同地力等級(jí)同一土層間土壤有機(jī)碳累積礦化量不同，其中HSF土壤有機(jī)碳累積礦化量最大，其次為MSF，LSF最?。▓D2）。不同地力等級(jí)土壤有機(jī)碳累積礦化量隨時(shí)間延長(zhǎng)均表現(xiàn)為前期增加快，后期增加緩慢。在前42 d其有機(jī)碳累積礦化量增加較快，在第42 d開(kāi)始至培養(yǎng)結(jié)束時(shí)增加緩慢。培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，0～20 cm和20～40 cm土層不同地力等級(jí)玉米田土壤有機(jī)碳累積礦化量均存在顯著性差異（P＜0.05），且土壤有機(jī)碳的累積礦化量表現(xiàn)為HSF＞MSF＞LSF；同一地力等級(jí)玉米田土壤0～20 cm土層有機(jī)碳累積礦化量顯著高于20～40 cm土層（P＜0.05）。

表2 土壤理化性質(zhì)雙因素方差分析Table 2 Two way ANOVA results of soil physico-chemical properties

2.3 土壤有機(jī)碳礦化模型擬合

根據(jù)196 d恒溫室內(nèi)各個(gè)培養(yǎng)階段測(cè)定的CO2-C釋放量，對(duì)不同地力等級(jí)玉米田土壤0～20 cm和20～40 cm土層有機(jī)碳累積礦化量進(jìn)行一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程擬合，擬合效果均較好（R2＞0.990），得到土壤有機(jī)碳Cp和k（表3）。不同地力等級(jí)玉米田土壤有機(jī)碳Cp存在一定差異，HSF土壤有機(jī)碳Cp明顯大于其他地力，且0～20 cm土層土壤的有機(jī)碳Cp大于20～40 cm土層；LSF土壤0～20 cm和20～40 cm土層的CP/SOC值均較大，說(shuō)明LSF土壤的固存能力較HSF和MSF土壤差，0～20 cm土層MSF的固存能力較HSF較強(qiáng)，而20～40 cm土層則相反。同一地力，0～20 cm土層土壤CP/SOC較大，表明0～20 cm土層土壤固存能力較20～40 cm土層差。不同土層礦化常數(shù)的變化趨勢(shì)并不一致，0～20 cm土層MSF的k值最大，礦化作用最弱，HSF和LSF的k值相接近；而20～40 cm土層MSF礦化作用最強(qiáng)，其次是LSF，HSF礦化作用最弱。同一地力條件，除MSF外，在垂直分布上隨土層加深，土壤有機(jī)碳k值增加。

圖2 不同地力土壤有機(jī)碳礦化量Figure 2 Cumulative amount of soil organic carbon mineralization with different soil fertility

2.4 土壤有機(jī)碳礦化特征與MBC和DOC的關(guān)系

不同地力等級(jí)玉米田土壤在0～20 cm和20～40 cm土層MBC和DOC初始含量均表現(xiàn)出顯著差異；同一地力等級(jí)玉米田土壤0～20 cm土層MBC和DOC含量均顯著高于20～40 cm土層（表4）。培養(yǎng)結(jié)束后，土壤MBC和DOC含量也發(fā)生了明顯變化。隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤MBC和DOC含量較初始含量均呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。0～20 cm土層HSF、MSF、LSF玉米田土壤MBC含量分別較培養(yǎng)初始含量減少了18.68%、15.95%和28.22%，其DOC含量較培養(yǎng)初始含量分別減少了44.02%、62.13%、33.72%；同一土層深度不同地力MBC含量減少量差異顯著（P＜0.05），而DOC含量減少量存在差異，但未達(dá)到顯著效果。

表3 土壤有機(jī)碳礦化的一級(jí)動(dòng)力學(xué)參數(shù)Table 3 Parameters of the first-order kinetics for the soil organic matter mineralization

2.5 土壤有機(jī)碳礦化參數(shù)與理化性質(zhì)及其他碳組分的關(guān)系

通過(guò)對(duì)3種地力等級(jí)2個(gè)土層土壤的Cp和k值與土壤理化性質(zhì)、土壤MBC和DOC含量進(jìn)行相關(guān)性分析（表5），發(fā)現(xiàn)土壤Cp與SOC、TN、NH+4-N、NO-3-N、DOC、MBC之間存在極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。土壤Cp與土壤MBC和TN關(guān)系最密切，相關(guān)系數(shù)最大，達(dá)到0.941和0.935，表明在影響土壤有機(jī)碳礦化強(qiáng)度的眾多因子中，MBC和TN含量更重要。土壤SOC、NO-3-N、DOC、NH+4-N與土壤Cp相關(guān)關(guān)系也較為密切，相關(guān)系數(shù)分別為0.930、0.869、0.863、0.788。但Cp與pH、含水量關(guān)系較弱，并未呈現(xiàn)顯著的相關(guān)性，說(shuō)明地力等級(jí)和養(yǎng)分含量的高低對(duì)土壤有機(jī)碳礦化會(huì)產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性。k值與各養(yǎng)分含量沒(méi)有明顯的相關(guān)性，說(shuō)明地力等級(jí)、土層深度和土壤理化性質(zhì)等對(duì)k的影響不大。

3 討論

3.1 地力水平對(duì)土壤有機(jī)碳礦化的影響

隨培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤有機(jī)碳累積礦化量不斷增加。而不同基礎(chǔ)地力玉米田土壤有機(jī)碳礦化過(guò)程大致可分為3個(gè)階段，即快速礦化階段、緩慢礦化階段和礦化速率穩(wěn)定階段，這與前人的研究結(jié)果基本一致。培養(yǎng)第1 d礦化速率較高，主要是培養(yǎng)前期加入的土壤混合液中水分對(duì)土壤微生物產(chǎn)生了激發(fā)作用[31]，有研究證實(shí)：水分對(duì)土壤微生物有激發(fā)作用，會(huì)影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和微生物活性，進(jìn)而對(duì)土壤有機(jī)碳礦化動(dòng)態(tài)過(guò)程產(chǎn)生影響[33]；在培養(yǎng)第7 d左右達(dá)到高峰，可能是由于土壤有機(jī)碳中易礦化有機(jī)碳組分含量高，伴隨著土壤中輕組有機(jī)碳分解，產(chǎn)生了大量供微生物代謝所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[23]，從而導(dǎo)致土壤微生物的活性增加，土壤有機(jī)碳的礦化速率增加；而在培養(yǎng)后期，隨著易礦化碳含量減少，土壤有機(jī)碳礦化速率下降，微生物開(kāi)始分解較為穩(wěn)定的有機(jī)碳組分，土壤有機(jī)碳礦化速率逐漸減小后趨于穩(wěn)定。

基礎(chǔ)地力作為衡量土壤肥力的綜合指標(biāo)，與土壤養(yǎng)分的供應(yīng)能力有直接的關(guān)系，從而影響作物對(duì)土壤和肥料養(yǎng)分的吸收[34]。一般而言，農(nóng)田基礎(chǔ)地力越高，其土壤肥力水平就越高。本研究中，地力等級(jí)的變化對(duì)玉米田土壤有機(jī)碳礦化作用有顯著影響。隨地力等級(jí)的升高，土壤有機(jī)碳礦化速率加快；土壤有機(jī)碳礦化釋放的碳累積量也有明顯增加的趨勢(shì)，表明高地力的供肥能力較強(qiáng)，中地力次之，低地力最差。在對(duì)基礎(chǔ)地力與土壤養(yǎng)分的相關(guān)分析中發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)碳是基礎(chǔ)地力的主要驅(qū)動(dòng)因素[35]。本研究也發(fā)現(xiàn)不同地力等級(jí)土壤有機(jī)碳含量差異顯著，高地力土壤有機(jī)碳含量顯著高于中地力和低地力，同樣中地力土壤有機(jī)碳含量顯著高于低地力。高地力土壤有機(jī)碳含量較高，活性有機(jī)碳所占的比例也較高，其生物的有效性較高，土壤的礦化速率也較快，累積礦化量較大。研究還發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)碳含量與累積礦化量呈極顯著正相關(guān)，因此，不同地力等級(jí)土壤有機(jī)碳礦化的差異，主要是由于土壤有機(jī)碳含量的不同所導(dǎo)致。土壤有機(jī)碳是微生物礦化的底物，而土壤有機(jī)碳含量的不同，致使活性有機(jī)碳所占的比例也不相同。在影響土壤有機(jī)碳礦化強(qiáng)度的眾多因素中，土壤全氮含量對(duì)其礦化的影響也很大，其含量與土壤有機(jī)碳的礦化累積量呈極顯著正相關(guān)，供試土壤的CP值與土壤有機(jī)碳和全氮均呈顯著正相關(guān)關(guān)系，這與李英臣等[25]研究的土壤有機(jī)碳礦化速率和礦化累積量與初始的土壤有機(jī)碳和全氮含量等呈顯著正相關(guān)關(guān)系的結(jié)論相一致。

表4 不同地力及深度土壤活性有機(jī)碳初始含量及其培養(yǎng)后變化值Table 4 The initial content of soil active organic carbon in different soil fertility,depth and its changes after cultivation

表5 土壤Cp、k與理化性質(zhì)的相關(guān)性分析Table 5 Correlation analysis of soil Cp,k and soil physicochemical properties

對(duì)玉米田土壤有機(jī)碳的礦化特征進(jìn)行研究，能夠在一定程度上為土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)[19]。CP/SOC為土壤易分解有機(jī)碳占總有機(jī)碳的比例，能夠直觀地顯示土壤有機(jī)碳的相對(duì)穩(wěn)定性[36]。不同地力間土壤有機(jī)碳礦化強(qiáng)度高低可以有效反映土壤碳庫(kù)的源匯作用，從本研究中CP/SOC值來(lái)看，低地力與其他等級(jí)地力土壤相比，其礦化能力最強(qiáng)，有機(jī)碳的固存量最??；高地力土壤與中地力土壤相比，在0～20 cm土層高地力土壤礦化能力較強(qiáng)，固存量較小，而在20～40 cm土層則相反。低地力土壤加劇了土壤有機(jī)碳的礦化，從而導(dǎo)致土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性降低。在土壤有機(jī)碳含量保持一定的前提下，有機(jī)碳礦化能力越高，則土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性越差，不利于土壤有機(jī)碳的固持，固碳能力較高地力和中地力土壤差。這可能與低地力土壤長(zhǎng)期持續(xù)耕種導(dǎo)致的土壤養(yǎng)分含量降低有關(guān)系。高地力土壤的固碳能力較中地力弱，盡管高地力土壤的有機(jī)碳含量較高，但其礦化作用較強(qiáng)，消耗的有機(jī)碳也很多，因此其固碳能力相對(duì)較差。不同地力土壤礦化強(qiáng)度總體上隨土層加深呈降低趨勢(shì)，即0～20 cm土層相較于20～40 cm土層有機(jī)碳礦化能力高，說(shuō)明土壤表層的有機(jī)碳活性較高，底層的土壤有機(jī)碳更為穩(wěn)定。0～20 cm土層土壤固存能力較20～40 cm土層較差，不利于土壤有機(jī)碳的固定。這可能是由于20～40 cm土層土壤較表層土壤更穩(wěn)定，短期內(nèi)變化較小。除有機(jī)碳礦化過(guò)程的影響外，土壤固碳能力的影響因素還有很多，包括土地利用方式、植被類型以及人為干擾等[37]。因此，關(guān)于不同地力等級(jí)對(duì)土壤固碳能力影響因素亟需進(jìn)一步深入研究。

此外，不同地力等級(jí)玉米田土壤蔗糖酶、脲酶、纖維素酶等也存在顯著差異（未發(fā)表），王嬌月等[38]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)土壤蔗糖酶、纖維素酶活性對(duì)土壤有機(jī)碳礦化量的影響較大，與土壤有機(jī)碳礦化量存在顯著相關(guān)性，低的酶活性能夠抑制土壤有機(jī)碳礦化，而高地力土壤酶活性相對(duì)較高，可能也是促進(jìn)其有機(jī)碳礦化的原因。不同地力等級(jí)的差異會(huì)造成土壤理化性質(zhì)，尤其是土壤有機(jī)碳含量的改變，加之其他因素的影響，從而對(duì)土壤有機(jī)碳的礦化速率和礦化過(guò)程產(chǎn)生影響。

3.2 土層深度對(duì)土壤有機(jī)碳礦化的影響

不同土層土壤有機(jī)碳的礦化也不相同。李順姬等[20]研究證明，土壤表層有機(jī)碳的累積礦化量比下層高，土壤有機(jī)碳礦化速率也呈減少的趨勢(shì)，本研究也得到相同的結(jié)論。不同地力等級(jí)0～20 cm和20～40 cm土層土壤有機(jī)碳礦化累積量差異顯著（P＜0.05），且20～40 cm土層土壤有機(jī)碳礦化速率和礦化累積量均顯著低于0～20 cm土層，這一現(xiàn)象在培養(yǎng)初期尤為明顯。這與土壤有機(jī)碳含量的變化趨勢(shì)基本一致，此外，0～20 cm土層土壤的全氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量也均顯著高于20～40 cm土層。這一結(jié)論證實(shí)，土壤的理化性質(zhì)可能導(dǎo)致土層間土壤有機(jī)碳礦化差異顯著。通常表層土壤含有較多簡(jiǎn)單易分解的有機(jī)化合物，同時(shí)能夠積累大量的外源有機(jī)質(zhì)殘?bào)w，更有利于微生物的生長(zhǎng)和繁殖，能夠?yàn)槲⑸锓纸?、利用提供豐富的底物，從而影響土壤有機(jī)碳的礦化量。此外，表層土壤還具有發(fā)達(dá)的草根分布，與有機(jī)質(zhì)腐殖化程度相關(guān)[39]，加之0～20 cm土層土壤的通氣狀況較20～40 cm土層好，這也是導(dǎo)致土壤有機(jī)碳礦化速率較高的原因之一。因此，表層土壤相對(duì)于下層土壤分解釋放的CO2較多，有機(jī)碳礦化能力也隨土壤深度的增加而呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。

3.3 MBC和DOC對(duì)土壤有機(jī)碳礦化的影響

土壤有機(jī)碳是微生物礦化的底物，而活性有機(jī)碳是影響土壤有機(jī)碳礦化的重要因素。王清奎等[40]研究表明，土壤有機(jī)碳中活性較高的部分易被微生物分解利用，即潛在的可礦化碳，受其初始含量的影響，與本研究結(jié)果一致。MBC和DOC與土壤累積礦化量密切相關(guān)，土壤CP值與MBC和DOC呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。這是由于DOC較易被微生物分解利用，有機(jī)碳的解聚和溶解是其礦化的先決條件，一般認(rèn)為有機(jī)碳在轉(zhuǎn)化生成CO2、CH4前必須先進(jìn)入溶液[13]。李忠佩等[41]研究也發(fā)現(xiàn)DOC與土壤有機(jī)碳礦化密切相關(guān)，并提出對(duì)于原土DOC含量較高的土壤，淹水提高了土壤中DOC，增加土壤微生物可利用的底物，從而促進(jìn)了土壤有機(jī)碳的礦化。因此，DOC含量動(dòng)態(tài)和周轉(zhuǎn)與土壤有機(jī)碳礦化密切相關(guān)。MBC是組成土壤腐殖質(zhì)的重要碳源，對(duì)土壤有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)及生態(tài)環(huán)境有著重要的意義[42]。隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，不同基礎(chǔ)地力、各個(gè)土層的MBC和DOC均有不同程度的下降，這一現(xiàn)象表明，在培養(yǎng)過(guò)程中，土壤活性有機(jī)碳作為有機(jī)碳礦化的碳源，被微生物分解利用，以呼吸的方式釋放CO2，導(dǎo)致土壤活性有機(jī)碳含量降低，從而直接影響不同地力等級(jí)及土層深度CO2累積釋放量。這與張杰等[43]的研究結(jié)果相同。

綜上所述，土壤有機(jī)碳礦化受地力等級(jí)、土層深度和活性有機(jī)碳的綜合影響，在這些因子的共同作用下發(fā)生變化。其中，低地力在土壤有機(jī)碳含量和穩(wěn)定性方面都表現(xiàn)出明顯劣勢(shì)，因此未來(lái)該區(qū)域的農(nóng)田管理應(yīng)采取相應(yīng)措施，如秸稈還田、添加生物炭等提升土壤地力。

4 結(jié)論

（1）隨地力等級(jí)的降低，土壤有機(jī)碳礦化速率和累積礦化量均降低。低地力土壤有機(jī)碳礦化能力最強(qiáng)，土壤穩(wěn)定性最差，不利于土壤有機(jī)碳的固定。不同地力等級(jí)，土壤礦化強(qiáng)度總體上隨土層加深而降低，且深層的土壤有機(jī)碳更為穩(wěn)定。

（2）不同地力等級(jí)玉米田土壤有機(jī)碳礦化受初始土壤理化性質(zhì)和活性有機(jī)碳的影響。土壤有機(jī)碳的潛在礦化勢(shì)與初始土壤有機(jī)碳、全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮以及微生物生物量碳和可溶性有機(jī)碳含量均呈現(xiàn)顯著正相關(guān)。伴隨土壤有機(jī)碳礦化過(guò)程，不同地力玉米田土壤微生物生物量碳和可溶性有機(jī)碳均較初始含量呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。