長期施肥條件下紅壤有機碳礦化對溫度變化模式的響應(yīng)

劉金煒，張文菊，鄔 磊，王伯仁，徐明崗

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/耕地培育技術(shù)國家工程實驗室，北京 100081）

土壤有機碳（SOC）庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫［1］，其微小變化會引起大氣CO2濃度較大波動，進而影響全球氣候變化［2-3］。SOC礦化是陸地生態(tài)系統(tǒng)中重要的生物化學(xué)過程［4］，該過程為微生物新陳代謝維持和生長等過程提供能量并釋放CO2［5］。該過程受溫度和水分等多種環(huán)境因素的影響［6］，其中溫度是影響SOC礦化的關(guān)鍵因子之一［7-8］。預(yù)計到21世紀末，全球平均氣溫將上升2～7℃［9］。以往關(guān)于溫度對SOC礦化的研究幾乎都表明增溫提高了SOC的礦化速率，引起土壤碳損失。然而這些研究大多是比較不同恒定溫度下SOC礦化特征的差異［10-11］，但在自然生態(tài)系統(tǒng)中，大氣溫度會出現(xiàn)周期性（日、季節(jié)）變化，土壤溫度也隨之周期性改變。評價SOC礦化對溫度周期性變化的響應(yīng)能表征自然條件下SOC的礦化特征。目前已有部分研究發(fā)現(xiàn)恒溫和變溫模式對SOC礦化的影響程度不同［12-13］，但這些研究主要集中在森林、草地等土地利用方式，對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的研究相對比較匱乏。

農(nóng)田土壤有機碳是陸地土壤碳庫最為活躍的部分，施肥作為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)重要的管理措施，顯著影響SOC的含量、組成及礦化過程［14］。目前施肥對SOC礦化影響已有大量研究，張旭博等［15］、李夢雅等［16］在紅壤上研究表明，長期施用有機肥或有機無機肥配施顯著提高SOC礦化速率，此外，在黑土［17］、紫色土［18］、黃壤［19］上的研究也表明長期施肥顯著影響SOC礦化。

盡管目前已有大量關(guān)于溫度、施肥等因素對SOC礦化影響的研究，但闡明長期施肥和溫度模式對農(nóng)田SOC礦化交互影響的研究相對較少。因此，本研究以中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院祁陽紅壤實驗站的長期定位試驗土壤為研究對象，通過室內(nèi)控制培養(yǎng)實驗闡明長期不同施肥土壤對溫度變化模式的響應(yīng)，以期準確評價溫度和施肥對SOC礦化影響，為優(yōu)化農(nóng)田碳管理提供科學(xué)參考和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域及樣品采集

供試土壤樣品于2017年12月21日采自中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院湖南祁陽國家紅壤肥力長期試驗監(jiān)測基地（111°52′32″E，26°45′12″N）。該區(qū)域位于丘崗中部，為第四紀紅土母質(zhì)發(fā)育的耕性紅壤，海拔高度約120 m，年平均氣溫18℃，年降水量1 225 mm，無霜期約300 d。試驗始于1990年，試驗初始土壤主要化學(xué)性質(zhì)：有機碳6.67 g·kg-1，全氮1.07 g·kg-1，全磷（P）1.03 g·kg-1，堿解氮79 mg·kg-1，有效磷10.8 mg·kg-1，速效鉀122 mg·kg-1，pH值5.7。田間試驗每年施肥量及管理措施均相同。輪作體系為小麥-玉米輪作，一年兩熟。

本試驗選取2個長期施肥處理，分別為：1）不施肥（CK）；2）常量化肥配施有機肥（NPKM）。田間小區(qū)面積為196 m2，隨機排列。在所選處理中，常量化肥配施有機肥處理的肥料施用量為：年施用氮肥 300 kg·hm-2（其中有機氮占70%，化肥氮占 30%），P2O5120 kg·hm-2，K2O 120 kg·hm-2，N∶P2O5∶K2O=1∶0.4∶0.4，有機肥料為豬糞。肥料在整地之前以基肥的形式一次施入。

土壤樣品采用S型布點法采集耕層（0～20 cm）土壤，挑除可見的根系和石頭，過2 mm篩，保存于4℃冰箱供室內(nèi)培養(yǎng)試驗用。土壤樣品基礎(chǔ)理化性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤理化性質(zhì)

1.2 礦化培養(yǎng)試驗

對上述2種不同長期施肥處理的土壤樣品，根據(jù)積溫相同的原則，設(shè)置2種溫度模式：（1）恒溫模式，以25℃作為培養(yǎng)溫度（C25）；（2）變溫模式，以25℃為日均溫，并以24 h為周期進行日變化（V25）。本研究共設(shè)置4個培養(yǎng)處理：（1）不施肥，恒溫培養(yǎng)（C25CK）；（2）不施肥，變溫培養(yǎng)（V25CK）；（3）化肥配施有機肥，恒溫培養(yǎng)（C25NPKM）；（4）化肥配施有機肥，變溫培養(yǎng)（V25NPKM）。

稱取20 g土樣，置于高7.5 cm、直徑5 cm底部包有玻璃纖維紙的PVC管中，將PVC管放入底部鋪有玻璃珠的500 mL培養(yǎng)瓶中（廣口瓶蓋打孔，塞橡膠塞）。調(diào)節(jié)含水量至60%的田間持水量，放入兩種溫度模式設(shè)置的培養(yǎng)箱中避光密封培養(yǎng)60 d。培養(yǎng)階段每隔1 d利用稱重法添加去離子水保證土壤水分恒定。培養(yǎng)期內(nèi)，分別在第1、3、6、16、30、60 d閉合培養(yǎng)瓶24 h（密閉前打開瓶蓋，使瓶中氣體與大氣交換良好），用注射器抽取氣體樣品，并用氣相色譜儀分析CO2濃度。根據(jù)測定氣體濃度，計算培養(yǎng)期內(nèi)土壤有機碳的礦化分解速率和累積礦化量。在培養(yǎng)后第60 d進行破壞性取樣分析測定土壤微生物碳（SMBC）。

1.3 土壤分析方法

土壤有機碳和土壤全氮利用元素分析儀進行測定。土壤微生物量碳（SMBC）的測定采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法，熏蒸浸提液中的碳與不熏蒸浸提液中的碳之差（EC），即為SMBC（SMBC=Ec/KEc，KEC=0.45）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

SOC礦化速率計算公式為：

式中，C1、C2為密閉前后測定氣體樣本CO2濃度（μ L·L-1），M是C原 子 質(zhì) 量（12 g·mol-1），V是培養(yǎng)瓶體積（L），t是培養(yǎng)時間（h），T是培養(yǎng)溫度（℃），W是供試土樣中SOC含量（kg）。

土壤有機碳累積礦化量（C g·kg-1SOC）為單位質(zhì)量SOC整個培養(yǎng)期內(nèi)從開始到某一時間點礦化釋放的總碳量，礦化強度（‰）為培養(yǎng)結(jié)束后釋放總碳量與供試土樣初始SOC含量的比值。

土壤有機碳礦化符合一級動力學(xué)方程：C=Cp×（1-e-kt），式中C為培養(yǎng)時間t時的累積礦化量（C g·kg-1SOC），Cp為土壤有機碳潛在礦化量（C g·kg-1SOC），k為土壤有機碳周轉(zhuǎn)速率常數(shù)（d-1），t為培養(yǎng)時間（d）。

采用SPSS 24.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，并用OriginPro 8.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機碳礦化速率

由圖1a可以看出，不同溫度模式（恒溫、變溫）下，各施肥處理SOC礦化速率存在明顯的階段性變化特征，前期為快速礦化階段，后期礦化速率處于緩慢下降至逐漸穩(wěn)定的階段。培養(yǎng)期間，溫度模式顯著影響SOC礦化（P＜0.05），變溫模式SOC礦化速率顯著高于恒溫模式。

2.2 土壤有機碳礦化量

由圖1b可以看出，各處理SOC累積礦化量具有顯著差異（P＜0.05），變溫模式下CK處理SOC累積礦化量（C 15.49 g·kg-1SOC）顯著高于其他處理（P＜0.05），礦化強度與累積礦化量一致（表2）。方差分析結(jié)果表明溫度模式以及長期施肥和溫度模式的交互作用顯著影響SOC礦化（P＜0.01）（表3）。在變溫模式下，CK和NPKM處理的SOC累積礦化量顯著高于恒溫模式。相對于恒溫模式，CK和NPKM處理變溫模式下SOC累積礦化量分別增加了98%和57%。在恒溫模式下，CK與NPKM處理之間的SOC累積礦化量無顯著差異，而變溫模式下，CK處理的SOC累積礦化量顯著高于NPKM處理（P＜0.05）。這些研究結(jié)果表明SOC礦化對長期施肥的響應(yīng)受溫度模式的調(diào)控。

圖1 兩種溫度模式下各施肥處理土壤有機碳（SOC）礦化速率及累積礦化量

表2 兩種溫度模式下各施肥處理土壤有機碳礦化動力學(xué)參數(shù)

表3 溫度、施肥因素對土壤有機碳礦化參數(shù)及微生物參數(shù)影響的顯著性分析

2.3 土壤有機碳礦化參數(shù)

各處理SOC礦化特征均符合一級動力學(xué)方程模型，對SOC累積礦化曲線進行擬合，擬合的相關(guān)系數(shù)均達到0.98以上。各處理SOC潛在礦化量（Cp）范圍是C 10.79 ～52.85 g·kg-1SOC，其中變溫模式下CK處理SOC潛在礦化量最高（C 52.85 g·kg-1SOC），顯著高于其他處理（P＜0.05）（表2）。方差分析結(jié)果（表2）顯示，變溫模式下Cp顯著高于恒溫模式（P＜0.05）；與恒溫模式下相比，變溫模式下CK和NPKM處理的Cp對應(yīng)分別顯著提高了3.90和1.21倍。在恒溫模式下，CK和NPKM處理Cp無顯著差異，而在變溫模式下，CK處理Cp顯著高于NPKM處理（P＜0.05），這些研究結(jié)果與累積礦化量的結(jié)果規(guī)律一致。

各處理SOC周轉(zhuǎn)速率常數(shù)（k）變化范圍為0.007～0.024 d-1（表2）。變溫模式k顯著低于恒溫模式（P＜0.05），且在兩種溫度模式下，CK和NPKM處理之間k值均無顯著差異（表2，3）。此外，由表2可知，相較于恒溫模式，CK和NPKM處理在變溫模式下k值分別減少71.6%和40.7%。說明變溫模式降低了土壤有機碳周轉(zhuǎn)速率常數(shù)，且長期施肥對土壤有機碳礦化參數(shù)的影響受溫度模式調(diào)控。

2.4 土壤微生物量和微生物呼吸熵

由圖2、表3可以看出，長期施肥與溫度模式均對土壤微生物量碳（SMBC）無顯著影響（P＞0.05）。土壤微生物呼吸熵（qCO2）是微生物活性的重要指標，即用來表征單位生物量在單位時間內(nèi)呼吸作用大小。從圖3、表3可以發(fā)現(xiàn)，溫度模式對微生物呼吸熵影響顯著，變溫模式的qCO2顯著高于恒溫模式（P＜0.05）。在恒溫模式下，CK和NPKM處理之間的qCO2差異不顯著。在變溫模式下，CK處理的qCO2顯著高于NPKM處理（P＜0.05）。溫度模式變化對這兩種長期施肥處理土壤的qCO2影響程度不同，CK處理在變溫模式下qCO2為C 0.015 0 mg·mg-1SMBC，較恒溫模式提高164%，而變溫模式下NPKM處理qCO2與恒溫模式相比僅增加44%。

圖2 兩種溫度模式下各施肥處理土壤微生物量碳含量

圖3 兩種溫度模式下各施肥處理土壤微生物呼吸熵（qCO2）

3 討論

3.1 恒溫與變溫模式對土壤有機碳礦化的影響

土壤有機碳在微生物作用下礦化釋放CO2是碳循環(huán)的重要組成部分。在本研究中，SOC礦化速率隨培養(yǎng)時間呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，這與李夢雅等［16］、王蓮閣等［20］研究結(jié)果一致，其原因是在培養(yǎng)前期土壤中存在大量易分解的糖類等活性有機碳，微生物活性強，礦化速率快，后期土壤中微生物可利用有機碳則主要是難分解的木質(zhì)素等，礦化速率逐漸降低趨于穩(wěn)定［19，21］。

在本研究的整個培養(yǎng)周期內(nèi)雖然變溫模式與恒溫模式的積溫相同，但是變溫模式下SOC礦化速率和累積礦化量顯著高于恒溫模式（P＜0.05），說明溫度模式是影響SOC礦化過程的重要因素，也表明在恒溫模式下研究SOC礦化特征可能會低估自然條件下SOC礦化潛勢。因此，闡明不同溫度模式對SOC礦化的影響，對準確評估自然條件下SOC轉(zhuǎn)化過程具有重要意義。然而，本研究結(jié)果與前人在草地、森林、農(nóng)田上一些研究結(jié)果存在不一致。Zhu等［13］通過草地和農(nóng)田SOC礦化試驗研究發(fā)現(xiàn)，25℃日變化處理的礦化速率和累積礦化量均顯著低于25℃恒定處理，同時，Ci等［12］在森林SOC礦化研究結(jié)果也表明，積溫相同條件下，恒溫模式的SOC累積礦化量顯著高于變溫模式。此外，Zhu等［13］研究中草地和農(nóng)田上SOC礦化速率和累積礦化量在20℃日變化處理和20℃恒定處理之間無顯著差異，王蓮閣等［20］、曾蔓漫等［22］在貴州石灰土和重慶紫色土上的研究也有類似的結(jié)果。因此，SOC礦化對溫度模式響應(yīng)可能受培養(yǎng)溫度、土地利用方式、土壤類型及人為管理等因素影響。本研究以我國南方旱作紅壤為研究對象，其自然環(huán)境和長期人為管理形成的自身性質(zhì)可能是造成此結(jié)果的原因之一，有待于進一步深入研究。

土壤微生物在土壤有機碳轉(zhuǎn)化、養(yǎng)分循環(huán)等過程中發(fā)揮著重要作用［23］。在本研究中，雖然不同處理間SMBC無顯著差異，不能解釋兩種溫度模式下SOC礦化的差異，但土壤微生物仍是SOC礦化過程的關(guān)鍵驅(qū)動者。不同溫度模式下土壤微生物對SOC礦化的影響主要有以下幾點：其一，變溫模式下微生物為適應(yīng)環(huán)境溫度波動，其自身呼吸熵顯著高于恒溫模式（圖3），可能是變溫模式礦化速率和累積礦化量高于恒溫模式的原因。其二，兩種溫度模式下微生物群落結(jié)構(gòu)可能存在不同或微生物的活性有一定的差異，進而導(dǎo)致SOC礦化在兩種溫度模式之間存在差異。在恒溫模式下，最適溫度與恒定溫度相同的微生物會被選擇出來，形成恒定溫度下特定具有優(yōu)勢的群落結(jié)構(gòu)［24］。相比之下，變溫模式中，因為日溫度變化范圍內(nèi)存在許多種群的最適溫度，因此可能會形成多樣化的微生物群落共存［13］。所以，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的不同可能是造成這兩種溫度模式下SOC礦化存在差異的重要原因。

此外，兩種施肥處理SOC累積礦化量在變溫模式中存在顯著差異，CK處理SOC累積礦化量顯著高于NPKM處理（P＜0.05），且相較恒溫模式，CK處理變溫模式下SOC礦化的變化幅度高于NPKM處理（圖1b，表2），這表明溫度模式調(diào)控SOC礦化對長期施肥的響應(yīng)。長期施肥會顯著影響土壤有機碳含量等土壤肥力狀況，也影響土壤有機碳質(zhì)量、團聚體穩(wěn)定性等物理性質(zhì)［25］，也有研究表明有機肥施用會穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)［26］。此外，土壤微生物功能與土壤微生物結(jié)構(gòu)和多樣性密切相關(guān)［27-28］，于冰等［29］在祁陽紅壤上研究發(fā)現(xiàn)SOC礦化與細菌和真菌種群豐度和多樣性顯著正相關(guān)，且土壤胞外酶活與細菌豐度和真菌多樣性也顯著正相關(guān)，兩種施肥處理間微生物種群多樣性變異大小可能是造成此結(jié)果的原因。

3.2 恒溫和變溫模式對土壤有機碳礦化參數(shù)的影響

土壤有機碳的周轉(zhuǎn)速率常數(shù)（k）和潛在礦化量（Cp）是反映SOC礦化特征的重要參數(shù)。變溫模式下Cp顯著高于恒溫模式，并且變溫模式下k顯著低于恒溫模式（P＜0.05）。同時恒溫模式下，CK處理和NPKM處理之間Cp無顯著差異，而變溫模式下CK處理Cp顯著高于NPKM處理（P＜0.05）（表2）。這表明溫度變化模式影響礦化動力學(xué)參數(shù)，同時溫度變化模式影響礦化動力學(xué)參數(shù)對長期施肥的響應(yīng)。變溫模式下CK處理和NPKM處理Cp顯著高于恒溫模式（P＜0.05），這與Bai等［30］研究結(jié)果一致，其可能為適應(yīng)變化的外界環(huán)境，微生物需要更多能量的原因所致。此外，土壤有機碳周轉(zhuǎn)速率常數(shù)k是多影響因子綜合作用的結(jié)果，養(yǎng)分及pH值等物理化學(xué)性質(zhì)均會影響k值的大小［31］，因此，長期施肥作用于土壤自身多種性質(zhì)的改變可能是在長期施肥土壤間溫度模式變化對礦化參數(shù)影響存在差異的原因。

4 結(jié)論

相同積溫條件下，相對于恒溫模式，變溫模式顯著提升土壤有機碳的礦化速率、累積礦化量和潛在礦化量，降低土壤有機碳周轉(zhuǎn)速率常數(shù)。

在恒溫模式下，CK與NPKM處理的SOC累積礦化量和潛在礦化量均無顯著差異；但在變溫模式下，CK處理SOC累積礦化量和潛在礦化量顯著高于NPKM處理，表明溫度變化模式調(diào)控土壤有機碳礦化對長期施肥的響應(yīng)。