外源氯化鈣對土壤有機碳積累的影響

董靜超，栗杰，董越，姚忠麗，趙昶亮，唐小涵，張大庚

(沈陽農(nóng)業(yè)大學 土地與環(huán)境學院，遼寧 沈陽 100866)

鈣素不僅是植物生長發(fā)育的一種必需元素，而且是許多生理生化過程的調(diào)控者，在各種代謝過程中起著非常重要的作用，可增強作物的抗逆性[1,2]。同時鈣在土壤團聚體的形成中起著鍵橋的作用[3]，對土壤有機無機復合體的形成有重要影響[4]。土壤團聚體是土壤有機碳主要的賦存場所，通過團聚體的物理保護作用將有機碳包被起來，從而免受微生物的分解[5]。Muneer 和Oades研究發(fā)現(xiàn)在有機質(zhì)存在的條件下加入鈣后土壤中>2 000 μm穩(wěn)定團聚體的數(shù)量多，這說明溶解性鈣影響了有機物質(zhì)的分解，從而提高了土壤中有機碳的穩(wěn)定性[6]。Clever Briedis等的研究表明施石灰增加了土壤團聚體中碳的含量[7,8]。Clough等研究發(fā)現(xiàn)通過鈣-金屬橋鍵結合后穩(wěn)定性提高的有機碳，在施入氮肥提高微生物活性的條件下，仍不能被有效分解[9]。張寧等研究表明土壤碳酸鈣含量與土壤有機碳含量呈顯著的正相關關系[10]。王暉和Sliver等研究表明土壤中細根的分解速率與其初始的Ca含量存在顯著正相關關系[11,12]。有研究認為土壤中交換態(tài)和有機結合態(tài)鈣與有機碳的關系最密切[13,14]。因此有關鈣對土壤有機碳轉化的影響已開展了相關研究，但土壤中鈣對有機碳積累和轉化的影響機理仍沒有形成統(tǒng)一的認識。本文以施入氯化鈣對土壤中有機碳礦化的效應為切入點，進而分析外源鈣對土壤有機碳轉化與積累的影響。本文以連作10年的設施栽培土壤為研究對象，采用室內(nèi)恒溫模擬培養(yǎng)的方法，添加外源氯化鈣及水稻秸稈，對培養(yǎng)過程中土壤CO2釋放量及不同形態(tài)有機碳的含量進行了檢測分析。研究結果為設施栽培的合理施肥提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤于2017年5月采自遼寧省沈陽市蘇家屯區(qū)大溝鄉(xiāng)棚齡為10年的棚內(nèi)土壤，種植作物為草莓。土樣主要采自0～20 cm土層，風干后過20目篩備用。供試土壤的基本性質(zhì)：pH值為6.73，有機碳含量為14.68 g·kg-1，堿解氮含量為55.26 mg·kg-1，有效磷含量為56.81 mg·kg-1，速效鉀含量為725.46 mg·kg-1；

外源添加鈣肥為分析純氯化鈣；

外源添加水稻秸稈的基本性質(zhì)：全氮含量為7.61 g·kg-1，全磷含量為0.54 g·kg-1，全鉀含量為16.18 g·kg-1，有機碳含量為39.89%。

1.2 試驗設計

1.2.1 土壤有機碳礦化培養(yǎng)試驗

土壤有機碳礦化培養(yǎng)試驗采用室內(nèi)恒溫培養(yǎng)法，共設4個處理，3次重復，共12個培養(yǎng)瓶。培養(yǎng)瓶口徑均為120 mm，容量為1 000 mL。土壤基肥選擇分析純的CO[NH2]2、[NH4]2HPO4和KCl，按元素N∶P∶K為2∶1∶1的量加入肥料，基肥以粉末形式混勻攪拌入土，確保土肥均勻混合。培養(yǎng)試驗處理設計如下：(1)對照(CK)，不加任何外源添加物；(2)每公斤土中添加CaCl2粉末10 g(T1)；(3)每公斤土添加水稻秸稈20 g(T2)；(4)每公斤土添加水稻秸稈20 g和CaCl2粉末10 g(T3)。試驗土壤在水分含量為相對含水量60%，溫度25 ℃條件，恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)172 d，每隔24 h稱重補加水分(蒸餾水)。在每個培養(yǎng)瓶中放入100 mL小燒杯(裝有1 mol·L-1NaOH溶液20 mL)。100 mL小燒杯中的NaOH溶液吸收土壤中釋放的CO2生成Na2CO3，通過測定裝有1 mol·L-1NaOH溶液小燒杯中的碳含量來計算土壤中釋放的CO2量。分別在培養(yǎng)的第1、3、5、7、9、12、15、18、22、26、31、37、44、52、60、67、77、87、97、107、117、127、142、157、172天測定土壤24 h釋放的CO2量。

1.2.2 土壤恒溫培養(yǎng)試驗

在土壤有機碳礦化試驗進行的同時，以同樣處理設計土樣恒溫培養(yǎng)試驗。試驗土樣共恒溫培養(yǎng)24周，分別在第8周、第16周、第24周進行取樣，土樣風干后用于測定土壤基本理化性質(zhì)及不同形態(tài)有機碳。

1.3 測定方法

土壤總有機碳采用重鉻酸鉀外加熱法測定；土壤可溶性有機碳含量的測定：K2SO4溶液浸提(土液比1∶5)，總有機碳分析儀(Elementary Liquid TOC)測定碳含量；土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸法測定；土壤腐殖酸碳量采用焦磷酸鈉混合液浸提，重鉻酸鉀容量-外加熱法測定；CO2的釋放量采用堿液吸收返滴定法；土壤基本理化性質(zhì)的測定均采用常規(guī)方法。

1.4 統(tǒng)計與分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2003軟件進行統(tǒng)計處理，采用SPSS 19.0進行各處理間差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 外源鈣對土壤有機碳礦化過程的影響

添加外源氯化鈣降低了土壤CO2累積釋放量(圖1)。與CK相比，只添加氯化鈣T1處理土壤CO2累積釋放量的降低幅度在培養(yǎng)31天約為47.9%，培養(yǎng)117天約為18.7%，培養(yǎng)172天約為13.9%。隨培養(yǎng)時間的增加，土壤CO2累積釋放量的降低幅度呈降低趨勢，在培養(yǎng)前期降低的幅度較大，隨培養(yǎng)時間的增加，降幅逐漸趨于平緩。

圖1 添加外源鈣后土壤CO2累積釋放量隨時間的變化Fig.1 Changes of CO2 cumulative release in soil with exogenous calcium in different culture periods

添加水稻秸稈T2處理顯著增加了土壤CO2累積釋放量。在恒溫培養(yǎng)第31天、117天和172天添加水稻秸稈土壤CO2釋放量分別是CK的5.12、3.40和2.97倍，但釋放的數(shù)率隨培養(yǎng)時間的增加而呈降低趨勢。同時添加水稻秸稈和氯化鈣后則顯著降低了土壤中CO2累積釋放量。與T2相比，T3處理土壤CO2累積釋放量在培養(yǎng)第31天、117天和172天分別降低了74.8%、64.3%和58.1%。隨培養(yǎng)時間的增加，降低幅度也呈現(xiàn)減小的趨勢，但遠高于單施外源鈣處理與CK相比降低的幅度。由于添加了水稻秸稈增加了土壤中有機碳含量，因此，即使添加外源氯化鈣后降低了有機碳的礦化過程，但土壤CO2累積釋放量仍高于CK。

2.2 外源鈣對土壤總有機碳、可溶性有機碳及微生物量碳含量的影響

與土壤中有機碳的礦化過程相對應，隨培養(yǎng)時間的增加，土壤CO2釋放量呈增加趨勢，土壤總有機碳含量則呈逐漸降低的趨勢(圖2)。其中CK處理降低的趨勢較緩，培養(yǎng)的第24周與第8周相比，僅降低了4.1%。降低幅度最大的是T1處理，降低了25.7%。添加外源鈣后抑制了土壤中有機碳的礦化過程，減少了土壤有機碳向CO2的轉化，因此與CK相比，T1處理土壤總有機碳含量相對較高。在培養(yǎng)的第8周、第16周和第24周，分別比CK高出41.0%、27.5%和9.2%，二者之間的差異也均達到了顯著水平。說明在培養(yǎng)的初期添加外源鈣后對土壤有機碳礦化的抑制作用相對較強。

不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。下同Different lowercase letters indicate significant differences between treatments (P<0.05).The same below圖2 添加外源鈣土壤總有機碳含量在不同培養(yǎng)時期的變化Fig.2 Changes of total organic carbon content in soil under different culture periods by adding exogenous calcium

添加水稻秸稈后不僅增加了土壤CO2的釋放量，也增加了土壤總有機碳含量。與CK相比，在培養(yǎng)的3個時期分別增加了18.8%、16.7%和13.3%，且T2與CK之間的差異也均達到了顯著水平。與T2相比，添加外源鈣后T3處理土壤總有機碳含量增加的幅度也較大，在3個培養(yǎng)時期分別增加了30.2%、31.6%和29.2%，T2和T3處理之間的差異也達到了顯著水平。添加水稻秸稈后外源鈣對土壤總有機碳影響的增加幅度高于單施外源鈣的處理。

與各處理土壤總有機碳含量的變化趨勢一致，隨培養(yǎng)時間的增加，土壤中可溶性有機碳的含量呈降低的趨勢(圖3)。其中，培養(yǎng)第24周與第8周相比，CK處理降低的幅度最小為18.2%，最高為添加水稻秸稈T2處理，降幅為24.2%。添加外源鈣T1處理土壤可溶性有機碳含量高于對照，與對照之間的差異也均達到了顯著水平，在培養(yǎng)的第8周、第16周和第24周分別增加了22.2%、14.4%和19.5%。添加水稻秸稈后T2處理與CK相比，并未增加土壤中可溶性有機碳含量，二者之間的差異在個培養(yǎng)時期均未達到顯著水平。但加入外源鈣后T3處理與T2處理相比顯著增加了土壤可溶性有機碳含量，在培養(yǎng)第8周、第16周和第24周分別增加了31.9%、39.2%和41.0%，差異均達到了顯著水平。且隨培養(yǎng)時間的增長，增加幅度也逐漸加大。

圖3 添加外源鈣土壤可溶性有機碳含量在不同培養(yǎng)時期的變化Fig.3 Changes of soil soluble organic carbon content in different culture periods by adding exogenous calcium

土壤微生物量碳可以參與調(diào)節(jié)土壤有機質(zhì)的分解和養(yǎng)分的循環(huán)，且其隨土壤環(huán)境的變化而變化并高度敏感。隨培養(yǎng)時間的增加，各處理土壤微生物量碳均呈降低的趨勢(圖4)。添加氯化鈣降低了土壤中微生物量碳含量，與CK相比，T1處理在培養(yǎng)第8周、第1周6和第24周土壤微生物量碳含量降低了5.4%、20.0%和13.3%；與T2相比，T3處理分別在培養(yǎng)第8周時降低了24.4%，但在第16周僅降低了4.4%，而在第24周則增加了8.7%。因此，添加水稻秸稈后外源鈣對微生物量碳的影響在培養(yǎng)前期相對較大，但隨培養(yǎng)的進行，影響也在降低，在培養(yǎng)的第16周和第24周，T2和T3處理土壤微生物量碳含量之間的差異均不顯著。而與CK相比，添加水稻秸稈后顯著增加了土壤中微生物量碳的含量，在3個培養(yǎng)時期二者之間的差異均達到了顯著水平，含量分別增加了56.4%、28.6%和53.3%。

圖4 添加外源鈣土壤微生物量碳含量在不同培養(yǎng)時期的變化Fig.4 Changes of soil microbial biomass carbon in different culture periods by adding exogenous calcium

2.3 外源鈣對土壤腐殖酸含量的影響

腐殖酸是土壤有機質(zhì)重要的組成部分，隨培養(yǎng)時間的增加，各處理土壤腐殖酸含量呈降低的趨勢，但外源鈣和水稻秸稈的添加均增加了腐殖酸含量，而且各處理之間的差異基本達到了顯著水平(表1)。與CK相比，添加氯化鈣T1處理土壤腐殖酸含量在3個培養(yǎng)時期分別增加了24.2%、26.1%和43.3%。添加水稻秸稈T2處理與CK相比，土壤腐殖酸含量分別增加了36.2%、52.4%和61.7%，水稻秸稈的添加顯著增加了土壤中腐殖酸的含量。T3與T2處理相比，土壤腐殖酸含量分別變化了5.22%、-4.6%和20.8%。與CK相比，添加水稻秸稈后外源氯化鈣對腐殖酸含量的影響效應相對較小。

表1 添加外源鈣土壤腐殖酸含量在不同培養(yǎng)時期的變化Table 1 Changes of humus acid in soil with exogenous calcium in different culture periods

腐殖酸中所包含富里酸和胡敏酸含量隨培養(yǎng)時間的增加也呈降低的趨勢，且外源鈣和水稻秸稈的添加，也增加了二者的含量。其中與CK相比T1處理添加外源鈣后土壤胡敏酸含量增加的幅度較大，在3個培養(yǎng)時期分別增加了20.6%、81.4%和122.9%。而T3添加水稻秸稈和外源鈣與T2單獨添加水稻秸稈處理相比，胡敏酸含量在第8周和第16周時分別降低了4.7%和15.3%，而在第24周時則增加了44.6%。與土壤胡敏酸含量變比相比，添加外源鈣對富里酸含量的影響相對較小。與CK相比，T1處理添加外源鈣后在3個時期富里酸的增加幅度分別為25.6%、12.0%和11.0%；而T3與T2相比，僅增加了11.1%、0.70%和10.1%。

3 討論

3.1 外源鈣對土壤有機碳礦化的影響

外源鈣的添加抑制了土壤中有機碳的礦化過程，隨培養(yǎng)時間的增加，各處理土壤CO2釋放量均呈增加的趨勢。從土壤中有機碳穩(wěn)定性的角度來看，有研究認為鈣鍵有機碳的礦化穩(wěn)定性大于全土有機碳的礦化穩(wěn)定性[15]，因此這可能是加入外源鈣后，鈣鍵有機碳的形成使土壤有機碳穩(wěn)定性相對較高的結果。加入水稻秸稈后外源鈣對有機碳的礦化作用抑制作用增強，可能是植物殘體輸入后為土壤團聚體的形成提供了膠結物質(zhì)，大幅提高了微生物活性，在促進土壤顆粒團聚化過程中也提高了自身穩(wěn)定性[16]。

蔗糖酶是與土壤中有機碳轉化相關的土壤酶之一，因此，土壤蔗糖酶含量變化在一定程度上可反映有機碳的轉化過程(圖5)。與CK和T2相比，添加氯化鈣后T1和T3處理土壤蔗糖酶活性均顯著降低，差值均達到了顯著水平。其中與CK相比，添加氯化鈣后蔗糖酶活性隨培養(yǎng)時間分別降低了48.5%、67.2%和91.5%；與T2相比，添加氯化鈣后分別降低了52.3%、65.1%和82.3%。隨培養(yǎng)時間的增加，外源鈣對蔗糖酶活性的影響增加，進而影響了土壤中有機碳的轉化。因此，添加外源鈣后對土壤蔗糖酶活性的影響也是影響土壤中有機碳的礦化的因素。

圖5 添加外源鈣土壤蔗糖酶活性在不同培養(yǎng)時期的變化Fig.5 Changes of soil invertase activity in different culture periods by adding exogenous calcium

已有的文獻中添加的外源鈣常為碳酸鈣，因此除了外源鈣的影響，也可能是碳酸鈣的加入，引起土壤pH的增加所導致。本試驗設計中加入的鈣為氯化鈣，土壤中加入外源氯化鈣后，顯著增加了土壤電導率值，說明外加鈣主要以Ca2+形態(tài)存在。在培養(yǎng)過程中T1與CK相比，二者之間土壤pH的差異不顯著(圖6)。而添加水稻秸稈后，與CK相比土壤pH值略有增加，但T3與T2相比則降低了土壤的pH值，且在不同培養(yǎng)時期二者之間的差異均達到了顯著水平，在培養(yǎng)24周pH差值達到0.86個單位。因此土壤pH值的變化也可能影響土壤有機碳的礦化。但Khalil等研究發(fā)現(xiàn)不同pH(7.4和5.1)兩種土壤的有機碳礦化速率并無顯著差異[17]。而Isabelle研究發(fā)現(xiàn)pH低的土壤有機碳礦化量變化顯著[18]。這與本文的研究結果并不一致，因此pH不同對土壤有機碳礦化的影響趨勢并不統(tǒng)一，土壤其它性質(zhì)也有一定的影響。

圖6 添加外源鈣土壤pH值在不同培養(yǎng)時期的變化Fig.6 Changes of soil pH in different culture periods by adding exogenous calcium

3.2 外源鈣對土壤不同形態(tài)有機碳含量的影響

由上所述可知，添加氯化鈣后抑制了土壤中有機碳的礦化過程，減少了有機碳向無機碳的轉化過程。與此相對應，添加外源鈣后增加了土壤中總有機碳的含量。有研究表明鈣與有機物質(zhì)相互作用形成腐殖酸鈣使有機質(zhì)得到積累[19]，這與本研究的結論相一致。在土壤中施入氮磷鉀肥一致的條件下，添加水稻秸稈增加了土壤中總有機碳含量，但加入外源鈣后也抑制了有機碳的礦化，因此與單加水稻秸稈相比，也增加了土壤中總有機碳含量，且增加的幅度高于單施外源鈣的處理。有研究也認為團聚體形成作用被認為是土壤碳固定的最重要機制，特別是對土壤活性碳庫的物理保護[20]。新加入的水稻秸稈中有機碳活性相對較強，加入的外源鈣對其保護作用也較強，因此土壤總有機碳的含量相對較高。這與外源鈣對土壤有機碳礦化作用的影響一致。與單施水稻秸稈相比，施入外源鈣后對有機碳的礦化的抑制作用也較單施外源鈣處理的抑制作用大。

可溶性有機碳是土壤中易氧化、易分解、易礦化部分有機碳。加入外源鈣后土壤中可溶性有機碳含量都提高，說明添加外源鈣后促進了對土壤活性較強有機碳的保護作用。這與上述結論相一致。單施水稻秸稈后在整個培養(yǎng)階段并未顯著增加土壤中可溶性有機碳含量，但施外源鈣后添加水稻秸稈與未添加相比則顯著增加了土壤中可溶性有機碳的含量。這也可能與土壤pH值的變化有關，同時添加水稻秸稈和氯化鈣顯著降低了土壤pH值(圖6)，在一定程度上增加了可溶性有機碳含量。

土壤微生物量碳僅占土壤全碳量的很小一部分，但土壤有機碳的分解進程與土壤微生物量碳的動態(tài)變化趨勢相似。因此與土壤中全碳和可溶性有機碳的變化趨勢不同，添加氯化鈣后土壤中微生物量碳含量降低，其中未添加水稻秸稈T1處理與CK相比，降低的幅度較小，差異不顯著。隨著水稻秸稈的添加，顯著增加了土壤中微生物量碳的含量，與CK相比，在不同培養(yǎng)時期的差異均達到了顯著水平。添加水稻秸稈后外源鈣對微生物量碳的影響在培養(yǎng)的初期抑制作用明顯，但隨培養(yǎng)過程的進行，易礦化的有機碳逐漸礦化，在培養(yǎng)后期二者之間的差異不顯著。因此，可以把土壤中有機碳分解的快慢看作是土壤微生物活動強弱的外在表現(xiàn)；另一方面，土壤微生物量的多少反映了土壤同化和礦化能力的大小。

添加外源鈣的條件下，未施與施入水稻秸稈處理均增加了土壤中腐殖酸含量，在鈣含量較高的條件下，促進了土壤中腐殖質(zhì)的形成。另外鈣的存在，可與腐殖質(zhì)形成腐殖酸鈣，從而使土壤中腐殖質(zhì)積累，進而增加了土壤中腐殖酸的含量[21]。添加外源鈣不僅增加了土壤中腐殖酸含量，也增加了富里酸和胡敏酸的含量。這與陳家瑞等研究表明土壤鈣與土壤有機碳總量和胡敏酸成正相關關系的研究結果相一致，但其研究認為土壤鈣與富里酸成負相關關系，則與本研究結果相反[22]。

4 結論

(1)添加外源氯化鈣抑制了土壤中有機碳的礦化作用，添加水稻秸稈條件下氯化鈣對土壤有機碳礦化的抑制作用增強。

(2)添加外源氯化鈣增加了土壤中總有機碳、可溶性有機碳、腐殖酸(胡敏酸、富里酸)的含量，降低了微生物量碳。外源鈣對不同形態(tài)有機碳的影響作用隨新源有機碳的加入而增強。添加外源氯化鈣有利于土壤中有機碳的積累。