紅壤性水稻土不同粒級團聚體有機碳礦化及其溫度敏感性*

陳曉芬 劉 明，2 江春玉 吳 萌 賈仲君，2 李忠佩，2?

（1 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室(中國科學(xué)院南京土壤研究所)，南京 210008）

（2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

土壤有機碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫，土壤有機碳是土壤質(zhì)量的核心，土壤中有機碳的變化影響碳素向大氣的排放，同時也影響土壤生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能［1］。土壤有機碳的礦化是土壤微生物分解同化土壤中活性有機組分完成自身代謝并釋放CO2的過程，是土壤中重要的生物化學(xué)過程，關(guān)系到養(yǎng)分元素的釋放與供應(yīng)、土壤生產(chǎn)力的維持及溫室氣體的形成等［2］。近年來，對土壤有機碳礦化規(guī)律及其機制的探索從未間斷［3-6］，是土壤、環(huán)境領(lǐng)域研究的熱點。

土壤團聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，也是有機碳存在的場所，良好的土壤結(jié)構(gòu)是儲存和穩(wěn)定有機碳的重要基礎(chǔ)［7］。目前，關(guān)于不同施肥［8］、利用方式［9］及耕作措施［10］等土壤管理條件下團聚體中有機碳的分布特征已有大量的研究報道，也有少數(shù)研究關(guān)注團聚體中有機碳的礦化作用。如Yu等［11］對旱作砂壤土的研究表明，好氣培養(yǎng)32 d，0.053～0.25 mm團聚體有機碳平均礦化速率顯著低于＞0.25 mm和＜0.053 mm 團聚體。郝瑞軍等［12］對稻麥輪作土壤的研究發(fā)現(xiàn)，好氣和淹水培養(yǎng)過程中，有機碳礦化速率在1～2 mm團聚體中最高，在＜0.053 mm團聚體中最低。由此可見，不同土壤團聚體有機碳礦化變化規(guī)律結(jié)果不盡一致。表土中有90%的有機碳存在于團聚體中［13］，全土有機碳礦化應(yīng)是不同粒級團聚體有機碳礦化的總體表現(xiàn)。研究團聚體中有機碳的礦化特征并明確不同粒級團聚體在全土有機碳礦化中發(fā)揮的作用，對于進一步理解土壤碳循環(huán)的過程與機理具有重要意義。

土壤有機碳礦化影響因素較多，如土壤質(zhì)地、土壤肥力、溫度、濕度及人為管理措施等［14］。諸多因素中，溫度是影響土壤有機碳礦化的重要環(huán)境因子。多數(shù)研究認為溫度升高可以促進土壤有機碳的礦化［4-5,15］，但也有研究指出升溫對土壤有機碳礦化沒有影響［16］。盡管結(jié)論不統(tǒng)一，但這些對土壤有機碳礦化及其溫度敏感性的研究均是基于全土水平進行的，溫度變化對土壤團聚體中有機碳礦化影響的研究還極少，目前已知的有王菁等［17］采用原位培養(yǎng)試驗研究土壤團聚體呼吸及其對溫度變化的響應(yīng)。溫度變化對土壤團聚體有機碳礦化作用的影響如何仍有待于進行更多的研究和探索，以利于深入揭示土壤有機碳礦化對溫度變化的響應(yīng)和反饋機制。

水稻土是我國重要的土壤資源和主要的耕作土壤，水稻種植面積占世界水耕土壤面積的 23%，占全國耕地總面積的 25%，生產(chǎn)出中國約 44% 的糧食［18-19］。本文選擇江西鷹潭開墾自紅壤荒地耕種20年的典型紅壤性水稻土，研究不同培養(yǎng)溫度下各粒級團聚體中有機碳礦化特征，并明確不同粒級團聚體對土壤有機碳礦化的貢獻和團聚體有機碳礦化的溫度敏感性，以期為揭示土壤有機碳的礦化機制及進一步研究土壤有機碳礦化對溫度變化的響應(yīng)提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤源于鷹潭農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站（江西省鷹潭市余江縣，116°55′E，28°15′N）的長期肥料定位試驗田，開墾自紅壤荒地。于1990年將發(fā)育自第四紀紅色黏土的紅壤荒地平整，然后灌水種稻，種植制度為早稻-晚稻一年兩熟。有機無機肥配合施用更有利于紅壤稻田土壤培肥［20］，本研究土壤樣品取自長期肥料試驗中的典型有機無機肥配施處理，其化肥施用量為1998年以前每季N 230 kg?hm-2，P2O568 kg?hm-2，K2O 84 kg?hm-2；1998年以后施氮量減半，磷肥和鉀肥施用量不變。同時，該處理水稻秸稈全部還田，并且每季施入833.3 kg?hm-2干豬糞用以補充收獲籽粒所移出的養(yǎng)分。

1.2 土壤樣品采集和團聚體分級

2010年12月下旬，晚稻收獲后的冬閑時節(jié)，于3個田間重復(fù)小區(qū)內(nèi)每個小區(qū)隨機選取5個點，采集耕層0～15 cm原狀土樣組成一個混合樣品，裝入硬質(zhì)塑料盒運回實驗室。土樣在風(fēng)干過程中，沿其自然斷裂面掰成10 mm左右的小塊，同時挑出植物殘根和礫石等。

土壤團聚體的分離采用濕篩法［21］。稱取100g風(fēng)干土，置于孔徑為2mm的篩子上，浸在蒸餾水中10 min，然后將土樣依次通過孔徑為1 mm、0.25 mm和0.053 mm 的篩子。團聚體的分離通過上下移動篩子50次（2 min內(nèi)）進行，擺幅為3cm。＜0.053 mm的團聚體通過沉降和離心獲得。收集各級篩子上的團聚體，然后重復(fù)以上操作，直至篩分后得到的團聚體足夠用于有機碳礦化試驗。

1.3 測定項目與方法

用濕篩法分離紅壤水稻土團聚體，有機碳和全氮在篩分過程中并未有明顯損失［22］。全土和團聚體的有機碳含量采用高溫外加熱重鉻酸鉀氧化-容量法測定，全氮含量用凱氏消煮法測定［23］。

調(diào)節(jié)全土（過2 mm篩）和各粒級團聚體的含水量至土壤田間飽和持水量的60%，然后放入25℃恒溫培養(yǎng)箱中預(yù)培養(yǎng)一周以恢復(fù)微生物活性，供土壤有機碳礦化研究。

采用室內(nèi)恒溫培養(yǎng)、堿液吸收法測定培養(yǎng)過程中土壤有機碳的礦化量［24］。稱取相當(dāng)于風(fēng)干土樣20 g的預(yù)培養(yǎng)全土和團聚體，其含水量仍調(diào)節(jié)為田間飽和持水量的60%，置于500 mL塑料培養(yǎng)瓶中平鋪在瓶底部。然后，將盛有5 mL 0.3 mol?L-1NaOH溶液的特制吸收瓶置于培養(yǎng)瓶內(nèi)用于吸收土壤呼吸產(chǎn)生的CO2。同時設(shè)置裝有相同體積NaOH溶液的培養(yǎng)瓶作為試驗空白。將培養(yǎng)瓶加蓋密封好，分別在15℃、25℃和35℃的恒溫箱中避光培養(yǎng)。在培養(yǎng)的第1、3、5、7、14、21、28和35 天取出吸收瓶，將吸收瓶中的溶液全部洗至玻璃三角瓶中，加入2 mL 1 mol L-1的BaCl2溶液和2滴酚酞指示劑，然后用鹽酸（約0.075 mol L-1）滴定至紅色消失。根據(jù)消耗鹽酸的量計算氣體CO2-C的釋放量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

團聚體有機碳礦化對全土有機碳礦化的貢獻通過如下公式進行計算：

某一粒級團聚體有機碳礦化對全土有機碳礦化的貢獻率（%）=

該粒級團聚體有機碳礦化量×該粒級團聚體含量 /全土有機碳礦化量×100

土壤有機碳礦化溫度敏感性系數(shù)Q10，即溫度每升高10 ℃時土壤有機碳礦化速率增加的倍數(shù)。計算方法為：

式中，R為土壤有機碳礦化速率；T為培養(yǎng)溫度；a為溫度為0 ℃時的土壤凈礦化速率；b為溫度反應(yīng)系數(shù)［25］。

采用SPSS18.0軟件進行單因素方差分析和相關(guān)性分析，顯著性水平為P＜ 0.05。用Origin 9.0 軟件進行繪圖。

2 結(jié)果

2.1 團聚體分布及其中有機碳和全氮含量的變化

＞2 mm和0.25～1 mm團聚體占全土的比例最高，在30%左右，其次為1～2mm和0.053～0.25 mm團聚體，約占全土的14%，＜0.053 mm團聚體含量最低，占全土的10.6%（表1）。有機碳含量在1～2 mm團聚體中最高，為13.16 g?kg-1，在0.053～0.25 mm 團聚體中最低，僅為7.93 g?kg-1，前者是后者的1.66倍。全氮含量在團聚體中的分布規(guī)律與有機碳基本一致，仍表現(xiàn)為1～2 mm 團聚體最高（1.20 g?kg-1），0.053～0.25 mm團聚體最低（0.78 g?kg-1），前者是后者的1.54倍。＞0.25 mm大團聚體中有機碳和全氮含量均高于＜0.25 mm微團聚體。全土有機碳和全氮含量略低于1～2 mm團聚體而高于其余粒級團聚體。不同粒級團聚體中碳氮比為9.08～11.82，表現(xiàn)為隨團聚體粒級減小而降低。

表1 不同粒級土壤團聚體中有機碳和全氮含量及碳氮比Table 1 Contents of organic C and total N and C/N ratio in soil aggregates relative to particle size

2.2 團聚體有機碳礦化動態(tài)及累積礦化量

培養(yǎng)過程中土壤各粒級團聚體有機碳礦化速率隨時間的變化如圖1所示。三種培養(yǎng)溫度下，無論是全土還是團聚體，培養(yǎng)前期有機碳礦化速率均快速下降，至培養(yǎng)第7天，土壤有機碳礦化速率分別為開始時的38.2%、53.9%和59.6%；其后有機碳礦化速率緩慢下降，直至培養(yǎng)結(jié)束時達到穩(wěn)定狀態(tài)，此時有機碳礦化速率分別為開始時的23.3%、26.3%和31.6%。隨培養(yǎng)溫度的升高，全土和各粒級團聚體有機碳礦化速率均顯著增加。同一培養(yǎng)溫度條件下，不同粒級團聚體有機碳礦化速率之間的差異隨培養(yǎng)時間不斷變化，因此通過培養(yǎng)35d后團聚體中有機碳累積礦化量來進行進一步分析和比較。

圖1 不同培養(yǎng)溫度下全土和團聚體有機碳礦化速率動態(tài)變化Fig.1 Dynamics of organic C mineralization in bulk soil and soil aggregates under incubation relative to temperature

不同粒級團聚體之間有機碳累積礦化量的差異受培養(yǎng)溫度的影響（圖2）。15℃培養(yǎng)時，＞2 mm團聚體有機碳累積礦化量最低，全土有機碳累積礦化量與＜2 mm團聚體粒級相當(dāng)；25℃和35℃培養(yǎng)時，＞1 mm兩個粒級團聚體有機碳累積礦化量最高，其次為0.25～1mm和＜0.053 mm團聚體，0.053～0.25 mm 團聚體最低，全土有機碳累積礦化量高于＜1 mm團聚體但低于＞1 mm團聚體粒級。培養(yǎng)溫度升高，全土和各粒級團聚體有機碳累積礦化量顯著提高。培養(yǎng)溫度從15℃升高至25℃，全土有機碳累積礦化量提高142.0%，各粒級團聚體平均提高122.9%；溫度由25℃升到35℃，全土有機碳累積礦化量提高52.3%，各粒級團聚體平均提高55.6%。由此來看，在較低的溫度范圍內(nèi)，升溫對有機碳礦化的促進作用更大。對于有機碳累積礦化率，不同粒級團聚體之間及全土和團聚體之間沒有明顯的變化規(guī)律。培養(yǎng)溫度從15℃至25℃并進一步增至35℃，全土有機碳累積礦化率依次提高143.3%和53.0%，各粒級團聚體則分別平均提高122.7%和56.0%。

圖2 不同培養(yǎng)溫度下全土和團聚體有機碳累積礦化量和礦化率Fig.2 Cumulative mineralization and mineralization rate of organic C in bulk soil and soil aggregates under incubation relative to temperature

2.3 團聚體對全土有機碳礦化的貢獻

三種溫度條件下，各粒級團聚體對全土有機碳礦化貢獻率的總和分別為105.8%、97.1%和107.8%，表明用濕篩分離法得到的團聚體進行有機碳礦化研究是合理且可行的（圖3）。同一粒級團聚體對土壤有機碳礦化貢獻率隨溫度的變化并未表現(xiàn)出較為明顯的規(guī)律。所有培養(yǎng)溫度下，＞2 mm和0.25～1 mm團聚體對全土有機碳礦化的貢獻率最大，分別平均為34.6%和28.8%，＜0.053 mm團聚體的貢獻率最小，平均為10.2%，1～2 mm和0.053～0.25 mm團聚體對全土有機碳礦化的貢獻率分別平均為16.8%和13.2%。＞0.25 mm大團聚體對全土有機碳礦化的貢獻率可達80.2%，而微團聚體的貢獻率僅為20.4%。

2.4 團聚體有機碳礦化的溫度敏感性

圖3 不同粒級團聚體有機碳礦化對全土有機碳礦化的貢獻Fig.3 Contribution of soil aggregates to organic C mineralization in bulk soil relative to particle size

2.5 團聚體有機碳礦化與土壤養(yǎng)分性質(zhì)的關(guān)系

團聚體有機碳累積礦化量和溫度敏感性系數(shù)Q10與有機碳、全氮含量和碳氮比的相關(guān)性分析結(jié)果表明，15 ℃下有機碳累積礦化量與碳氮比顯著

溫度變化對土壤有機碳礦化速率的影響多用溫度敏感性系數(shù)Q10來衡量。全土有機碳礦化的Q10值為1.75，不同粒級團聚體有機碳礦化的Q10值介于1.38～2.00之間（圖4）。其中，＞2 mm和1～2 mm團聚體有機碳礦化的Q10值最高，其次為0.25～1mm和＜0.053 mm 團聚體，0.053～0.25 mm團聚體有機碳礦化的Q10值最低。負相關(guān)，25 ℃和35 ℃時有機碳累積礦化量與有機碳和全氮顯著或極顯著正相關(guān)（表2）。有機碳礦化溫度敏感性系數(shù)Q10與有機碳、全氮和碳氮比均呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系。

圖4 全土和團聚體有機碳礦化的溫度敏感性系數(shù)Q10Fig.4 Q10 of organic C mineralization in bulk soil and soil aggregates

表2 團聚體有機碳累積礦化量和Q10與有機碳、全氮及碳氮比的相關(guān)性Table 2 Correlation coefficients of cumulative organic C mineralization and Q10 with organic C content, total N content and C/N ratioin soil aggregates

3 討 論

在本研究中，＞2 mm團聚體含量為32.5%，低于在較高肥力地區(qū)建立的長期施肥試驗［8］或同一地區(qū)高肥力［9］的紅壤性水稻土。紅壤性水稻土的大團聚體形成主要依靠有機質(zhì)的膠結(jié)作用［26］。紅壤荒地開墾種稻并且施有機無機肥20年，有機碳和全氮的含量僅為12.6 g?kg-1和1.18 g?kg-1，而當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)水稻土有機碳和全氮的含量（0～10 cm）為20.2 g?kg-1和2.09 g?kg-1［27］。因此，較低的有機質(zhì)含量不利于較大粒級團聚體的形成。有機碳和全氮在不同粒級團聚體中的分布差異較大，且＞0.25 mm大團聚較＜0.25 mm微團聚體含有更多的有機碳和全氮，這與前人的許多報道是一致的［8,10,12］。碳氮比可以反映有機物的腐殖化程度，即有機質(zhì)的質(zhì)量，碳氮比越高，有機物的腐解程度就越低，反之亦然［28-29］。郭素春等［30］對潮土團聚體有機碳分子結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn)，隨著團聚體粒級減小，烷基碳（抗分解有機碳，容易吸附在黏粒上）與烷氧碳（最容易分解的有機碳）的比值逐漸提高，且與碳氮比呈顯著負相關(guān)。本研究中，團聚體的碳氮比表現(xiàn)為隨粒級的減小而降低，表明小粒級團聚體中的有機質(zhì)腐解程度較高，更難被微生物分解利用，而大團聚體則與之相反。

土壤有機碳礦化速率的大小表示有機碳分解的快慢程度，其隨時間的變化趨勢與有機碳組成的變化密切相關(guān)［3］。培養(yǎng)前期，土壤中的活性有機碳較多，被微生物分解利用后釋放出大量的CO2，有機碳礦化速率較高；隨著培養(yǎng)時間的延長，土壤中的活性碳庫被消耗，微生物開始利用緩效性碳庫，可利用的有效碳源逐漸減少，導(dǎo)致有機碳礦化速率減慢并最終趨于平穩(wěn)。這種有機碳分解先快后慢的變化特征在全土有機碳礦化研究中均有報道［3-6］，本研究中，團聚體有機碳礦化也表現(xiàn)出同樣的趨勢，反映出團聚體有機碳礦化（部分）與全土有機碳礦化（整體）變化規(guī)律上的一致性。

土壤中微生物可利用底物的含量是影響有機碳礦化的重要決定因素，不同粒級團聚體有機碳累積礦化量受有機碳和全氮含量的影響。25℃和35℃培養(yǎng)時，不同粒級團聚體中有機碳累積礦化量的差異與有機碳和全氮的分布近似，相關(guān)性分析也表明團聚體有機碳累積礦化量與有機碳和全氮顯著或極顯著正相關(guān)。吳萌等［6］對不同類型水稻土有機碳礦化的研究也發(fā)現(xiàn)，有機碳累積礦化量與有機碳和全氮密切相關(guān)。然而，15 ℃培養(yǎng)時團聚體有機碳累積礦化量與有機碳和全氮含量并無顯著關(guān)聯(lián)，這可能是由于在供試土壤較低的肥力水平下，團聚體中微生物活性易受低溫環(huán)境抑制，團聚體提供的有效碳源已經(jīng)超過微生物活動的需求。作為全土有機碳礦化的一部分，某一粒級團聚體含量及其中有機碳累積礦化量決定著其在有機碳礦化中發(fā)揮的作用［12］。本研究中，＞2 mm和0.25～1 mm團聚體含量最高，且其中有機碳累積礦化量也不低，因此對全土有機碳礦化的貢獻率最大。＞0.25 mm大團聚體對全土有機碳礦化的貢獻率平均為80.2%，約是＜0.25 mm微團聚體的4倍，在全土有機碳礦化中發(fā)揮主導(dǎo)作用，這也更進一步證明了紅壤性水稻土中大團聚體是有機碳的主要載體［22,29］。

隨培養(yǎng)溫度升高，全土和各粒級團聚體有機碳礦化速率、累積礦化量和礦化率均顯著增加。這一方面是由于一定程度的溫度升高對微生物生長和繁殖有利，微生物活性提高［31］。另一方面，一定溫度范圍內(nèi)，升溫使得參與有機質(zhì)分解的土壤酶活性增強［32］。研究表明，溫度由25℃增加至30 ℃，與土壤有機碳轉(zhuǎn)化密切相關(guān)的轉(zhuǎn)化酶、纖維素酶、淀粉酶和蛋白酶活性均增加，且轉(zhuǎn)化酶的溫度敏感性最大［33］。因此，在適度的溫度范圍內(nèi)，隨全土和團聚體中土壤微生物和酶活性的增加，有機碳分解過程加劇，礦化作用增強。

Q10值反映土壤有機碳礦化速率對溫度的敏感性。湖南省三個長期定位施肥監(jiān)測點水稻土的Q10值變化范圍為1.01～1.53［4］，三種不同黏粒含量的水稻土（砂壤土、壤黏土、粉黏土）Q10值為1.92～2.37［34］。江蘇句容稻麥輪作的典型潴育、潛育、淹育水稻土的Q10值則為1.48～2.88［35］。本研究中，江西鷹潭開墾自紅壤荒地水稻土全土的Q10值為1.75，團聚體的Q10值為1.38～2.00，在已有報道的水稻土有機碳礦化溫度敏感性范圍之內(nèi)。

理論上，當(dāng)土壤有機質(zhì)含量越高，有機碳礦化速率越大時，有機碳礦化的溫度敏感性應(yīng)該越低［36-37］，但目前關(guān)于土壤有機碳礦化溫度敏感性系數(shù)Q10與有機碳關(guān)系的研究結(jié)果并非如此。有研究發(fā)現(xiàn)土壤有機碳礦化的Q10值與有機質(zhì)數(shù)量大小并不存在對應(yīng)關(guān)系［5］，而有的研究卻指出Q10值與土壤有機碳及碳組分（易氧化有機碳、胡敏酸碳和富里酸碳）呈顯著正相關(guān)［4］。王菁等［17］對黃棕壤人工林地的研究表明，Q10值與土壤有機碳、全氮含量的變化規(guī)律基本一致。本文對紅壤性水稻土團聚體有機碳礦化的研究則發(fā)現(xiàn)，Q10值與有機碳和全氮含量及反映有機物質(zhì)量的碳氮比均極顯著正相關(guān)。因此，團聚體有機碳礦化對溫度響應(yīng)的敏感度與有機質(zhì)的數(shù)量和質(zhì)量間存在密切關(guān)聯(lián)。

4 結(jié) 論

團聚體有機碳礦化速率在培養(yǎng)前期快速下降，后期逐漸降低并最終達到穩(wěn)定狀態(tài)。25℃和35℃培養(yǎng)團聚體有機碳累積礦化量與有機碳和全氮含量顯著或極顯著正相關(guān)。＞2 mm和0.25～1 mm團聚體對全土有機碳礦化的貢獻最大，＞0.25mm大團聚體在紅壤性水稻土有機碳礦化中發(fā)揮主導(dǎo)作用。在當(dāng)前的溫度范圍內(nèi)，升溫提高了團聚體有機碳礦化速率、累積礦化量和礦化率，促進了紅壤性水稻土團聚體有機碳的礦化。不同粒級團聚體有機碳礦化的溫度敏感性系數(shù)Q10與有機碳、全氮和碳氮比相關(guān)性極顯著，團聚體有機碳礦化的溫度敏感性與有機質(zhì)的數(shù)量和質(zhì)量密切相關(guān)。