不同溫度下添加綠肥對(duì)旱作農(nóng)田土壤有機(jī)碳礦化的影響

袁勝南，商雨晴，王 俊,2

(1. 西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710127；2. 陜西省地表系統(tǒng)與環(huán)境承載力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710127)

土壤有機(jī)碳礦化直接影響著土壤碳庫(kù)向大氣的排放量，對(duì)溫室效應(yīng)和全球氣候變化有著深遠(yuǎn)影響，是土壤碳循環(huán)的重要過(guò)程之一[1-4]。土壤有機(jī)碳礦化受多種因素的影響，包括土壤溫度、土壤理化性質(zhì)、土壤微生物活性等[5-9]。溫度敏感性指標(biāo)(Q10)表示溫度變化對(duì)土壤有機(jī)碳礦化速率的影響程度，Q10越大，表明土壤有機(jī)碳礦化受溫度影響就越大[10]。而添加外源性有機(jī)物能夠增加底物供應(yīng)，促進(jìn)有機(jī)碳礦化，改善土壤質(zhì)量[11-12]。

渭北旱塬是我國(guó)重要的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)之一，近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)農(nóng)業(yè)綠色化生產(chǎn)的大力倡導(dǎo)，綠肥填閑種植作為一種傳統(tǒng)的減施增效措施也日益得到重視。與施用化肥相比，綠肥作為一種外源有機(jī)物可以有效補(bǔ)充土壤碳庫(kù)，提高土壤肥力，改善土壤物理性狀[13-14]。例如，Ghimire等[15]通過(guò)對(duì)比豆科與非豆科作物腐解對(duì)土壤有機(jī)碳礦化的影響，表明與非豆科作物相比，豆科作物分解速率快，對(duì)土壤養(yǎng)分循環(huán)和后續(xù)作物生長(zhǎng)至關(guān)重要。然而目前研究主要集中在綠肥作物腐解特征及其對(duì)溫室氣體的影響等方面，在氣候變暖背景下，不同溫度條件下添加綠肥對(duì)旱作農(nóng)田土壤有機(jī)碳礦化影響的報(bào)道較少。

本文基于室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)，研究了添加不同綠肥在不同溫度下的土壤有機(jī)碳礦化過(guò)程，并使用一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)有機(jī)碳礦化進(jìn)行了擬合，旨在探究氣候變暖背景下綠肥添加影響土壤碳循環(huán)的機(jī)理，為旱作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)氣候變化提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況及樣品采集

土壤樣品采集地點(diǎn)位于陜西長(zhǎng)武黃土高原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外觀測(cè)臺(tái)站(107°45′E，35°12′N)，該地平均海拔1 200 m，地勢(shì)平坦，屬于暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性氣候，年平均氣溫9.1 ℃，年平均降水量579 mm，降水主要集中在7—9月。該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要依賴生育期的天然降水，屬于典型的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)。境內(nèi)土壤以粘壤質(zhì)黑壚土為主，土質(zhì)疏松，土層深厚，肥力中等[16]。

試驗(yàn)地前作玉米，2018年10月在玉米收獲后采用“S”形采樣法采集5個(gè)0～20 cm土層土樣，將采集的土樣混合均勻，剔除石塊、植物根系等雜物，過(guò)2 mm篩，部分土樣放入培養(yǎng)瓶中進(jìn)行室內(nèi)培養(yǎng)，部分土樣自然風(fēng)干后用于土壤理化特性測(cè)定。取樣時(shí)土壤有機(jī)碳含量為10.31 g·kg-1，全氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量分別為1.42 g·kg-1、3.33 mg·kg-1和3.55 mg·kg-1，碳氮比為7.26。

另外在田間試驗(yàn)中割取長(zhǎng)勢(shì)良好的長(zhǎng)武懷豆和黑麥草2種綠肥作物地上部分，洗凈后烘干，研磨后過(guò)2 mm篩，放入牛皮紙袋中保存。各處理綠肥作物碳氮含量見表1。

表1 綠肥作物碳、氮含量

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用綠肥添加和培養(yǎng)溫度雙因素處理，其中綠肥添加處理包括黑麥草(R)、長(zhǎng)武懷豆(S)、長(zhǎng)武懷豆和黑麥草混合(M)、不添加綠肥對(duì)照(CK)，綠肥添加量為6 t·hm-2，混合處理2種作物質(zhì)量比為1∶1。培養(yǎng)溫度設(shè)3個(gè)水平，分別為5℃、15℃和25℃。每處理均重復(fù)3次。

試驗(yàn)于2018年10月開始，培養(yǎng)前稱取過(guò)2 mm篩的鮮土300 g放置在容量為1 L、內(nèi)徑為10 cm的廣口玻璃瓶中(蓋子上有2個(gè)通氣閥，連接2個(gè)不同長(zhǎng)度的聚乙烯透明通氣管，一個(gè)進(jìn)氣管，一個(gè)出氣管，保持培養(yǎng)瓶中氧氣充足)，加水調(diào)節(jié)土壤含水量至最大持水量的60%，預(yù)培養(yǎng)7 d后添加綠肥作物，每隔2～3 d采用稱重法調(diào)節(jié)含水量保持恒定。正式培養(yǎng)試驗(yàn)自2018年11月2日開始，2019年1月20日結(jié)束，總計(jì)持續(xù)79 d。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

土壤有機(jī)碳礦化速率采用LI-8100A土壤碳通量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)定，其中在第1～18天每天測(cè)量1次，在第18～36天每3 d測(cè)量1次，在第36～51天每5 d測(cè)量1次，在第51～79天每7 d測(cè)量1次。

土壤有機(jī)碳(SOC)和全氮測(cè)定時(shí)，收集培養(yǎng)結(jié)束后土樣，風(fēng)干后過(guò)2 mm篩，稱取3 g用10%稀鹽酸去除土樣中無(wú)機(jī)碳，過(guò)0.15 mm篩，使用EA 3000元素分析儀測(cè)定[17]。

溫度敏感性系數(shù)Q10能夠反映溫度對(duì)土壤有機(jī)碳礦化的影響，采用以下公式進(jìn)行計(jì)算[12]：

F=a×ebt

(1)

Q10=e10b

(2)

式(1)中，F(xiàn)為土壤有機(jī)碳礦化速率(μmol·m-2·s-1);t為培養(yǎng)溫度(℃);a為基質(zhì)質(zhì)量指數(shù)，表示0℃時(shí)土壤凈碳礦化速率;b為溫度反應(yīng)系數(shù)。

基于測(cè)定數(shù)據(jù)，選用以下指數(shù)模型對(duì)土壤有機(jī)碳礦化過(guò)程進(jìn)行擬合[6]：

Ct=C0(1-e-kt)

(3)

式(3)中，Ct為培養(yǎng)時(shí)間t時(shí)的累積礦化量(mg ·g-1)，C0為潛在礦化碳庫(kù)(mg ·g-1)，k為土壤有機(jī)碳的礦化速率常數(shù)(d-1)，t為培養(yǎng)時(shí)間(d)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

使用SPSS 20.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA)和多重比較，并用LSD法進(jìn)行處理間差異顯著性檢驗(yàn)，使用Origin 9.0軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)土壤礦化速率的影響

土壤有機(jī)碳礦化速率均隨培養(yǎng)時(shí)間的增加呈先上升后下降的變化趨勢(shì)(圖1)。在5℃培養(yǎng)條件下，各綠肥處理土壤有機(jī)碳礦化速率均在培養(yǎng)前期迅速增加，在第8天達(dá)到峰值(0.5754～0.6321 μmol·m-2·s-1)，而后快速降低至42 d后趨于穩(wěn)定。而在15 ℃、25 ℃培養(yǎng)條件下，各綠肥處理均在第2天達(dá)到峰值(1.7613～3.2074 μmol·m-2·s-1)，然后迅速下降，其中在15℃下各處理在第22天后趨于穩(wěn)定，而25℃下則在第7天后趨于平緩。

綠肥添加和溫度增加均顯著提高了土壤有機(jī)碳礦化速率(圖1)，處理間差異主要出現(xiàn)在第1～15天，與CK相比，S、R和M處理平均土壤礦化速率分別提高17.2、17.9倍和19.1倍 (表2)。在培養(yǎng)期內(nèi)，不同溫度下平均土壤有機(jī)碳礦礦化速率為25℃>15℃>5℃。

2.2 不同處理對(duì)土壤有機(jī)碳累積礦化量及其溫度敏感性的影響

不同處理培養(yǎng)期內(nèi)土壤有機(jī)碳累積礦化量變化如圖2所示。各處理下土壤有機(jī)碳累積礦化量均隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)呈增加趨勢(shì)，有機(jī)碳累積礦化量表現(xiàn)為S>M>R>CK，綠肥添加顯著提高了土壤有機(jī)碳累積礦化量。不同溫度土壤有機(jī)碳礦化累積排放量呈現(xiàn)25℃>15℃>5℃。綠肥添加和溫度增加均顯著提高了土壤有機(jī)碳累積礦化量(表2)。平均來(lái)看，與CK相比，S、R、M有機(jī)碳累積礦化量分別提高了10.5、10.9倍和11.6倍。綠肥與溫度之間存在極顯著交互作用，與CK相比，在5℃下，S、R、M有機(jī)碳累積礦化量分別提高了14.0、13.4倍和13.0倍；在15℃下，分別提高了15.1、14.2倍和13.8倍；在25℃下，分別提高了8.6、8.1倍和7.7倍。

在整個(gè)培養(yǎng)周期，溫度敏感性Q10的變化范圍是1.42～1.61(圖3)。Q10的大小表現(xiàn)為CK>S>R>M，S處理與M、R處理之間存在顯著性差異(P<0.05)，且CK處理顯著高于其他處理。

2.3 不同綠肥處理土壤有機(jī)碳礦化的動(dòng)力學(xué)特征

運(yùn)用一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程對(duì)不同綠肥殘余處理不同溫度下土壤有機(jī)碳累積礦化量進(jìn)行擬合。結(jié)果表明綠肥種類和培養(yǎng)溫度均顯著改變了土壤有機(jī)碳礦化的動(dòng)力學(xué)參數(shù)(表3)。與CK相比，綠肥添加顯著提高了C0，且表現(xiàn)出S>M>R。另外，隨著培養(yǎng)溫度的升高C0也呈增大趨勢(shì)。C0/SOC是表示土壤有機(jī)碳礦化能力和固存能力的重要指標(biāo)[6]，其在綠肥和溫度間的變化規(guī)律與C0相同。有機(jī)碳礦化速率常數(shù)k在不同溫度條件下均為S處理最大。

圖1 培養(yǎng)期內(nèi)土壤有機(jī)碳礦化速率變化Fig. 1 Dynamic of soil mineralization rate duringthe incubation period

表2 綠肥添加和溫度對(duì)土壤有機(jī)碳礦化的作用

圖2 培養(yǎng)期內(nèi)土壤有機(jī)碳累計(jì)礦化量Fig.2 Cumulative mineralization of soil organiccarbon during incubation period

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。Note: Different lowercase letters indicate significant differences (P<0.05) among treatments.圖3 不同處理土壤有機(jī)碳礦化的溫度敏感性(Q10)Fig.3 Temperature sensitivity (Q10 ) of soil organiccarbon mineralization under different treatments

2.4 不同處理對(duì)土壤有機(jī)碳和全氮含量的影響

培養(yǎng)后各處理土壤有機(jī)碳和全氮含量如表4。添加綠肥均顯著提高了土壤有機(jī)碳、全氮含量。與CK相比，S、M和R處理土壤有機(jī)碳平均提高了36.0%、39.8%和46.2%，全氮平均提高了46.7%、40.2%和39.3%。增溫顯著促進(jìn)有機(jī)碳礦化，降低土壤有機(jī)碳含量，與5℃相比，15℃和25℃有機(jī)碳平均降低了2.2%和5.4%。

3 討 論

本文中土壤有機(jī)碳礦化速率表現(xiàn)出前期快后期趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，這與前人的研究結(jié)果一致[3,7]。這主要是由于培養(yǎng)前期易分解有機(jī)碳含量高，促進(jìn)有機(jī)碳礦化速率，故提高了土壤有機(jī)碳礦化量[18-19]。而隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，易分解有機(jī)物碳減少，土壤有機(jī)碳礦化量逐漸降低。與CK相比，綠肥作物的添加顯著增加了土壤有機(jī)碳累積礦化量[9,15]。這主要由于外源有機(jī)物質(zhì)的輸入為微生物提供養(yǎng)分，從而促進(jìn)有機(jī)碳礦化。另外，S和M處理土壤有機(jī)碳礦化速率和累積礦化量均高于R處理。這主要是因?yàn)镾、M處理中含有豆科作物，其植物體內(nèi)氮素水平較非豆科作物高，提高了土壤氮含量，降低土壤起始碳氮比，從而增強(qiáng)微生物活性，促進(jìn)土壤有機(jī)碳礦化。R處理土壤碳氮比較高，微生物活動(dòng)受到限制，從而降低土壤有機(jī)碳礦化速率，這與杜威等[20]研究結(jié)果一致。

隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，各溫度下土壤有機(jī)碳礦化速率差異性減小(圖1)，表明隨培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)溫度對(duì)土壤有機(jī)碳礦化的影響減弱。同一綠肥添加處理下土壤有機(jī)碳累積礦化量均表現(xiàn)為25℃>15℃

表3 不同綠肥處理不同溫度下有機(jī)碳礦化潛勢(shì)及礦化速率

表4 綠肥與溫度對(duì)土壤有機(jī)碳和全氮含量的影響/(g·kg-1)

>5℃，這與前人研究結(jié)果一致[9,21-23]。由于溫度的升高，提高了微生物和酶的活性，進(jìn)而促進(jìn)土壤有機(jī)碳礦化[24-25]。與增溫相比，綠肥添加對(duì)土壤有機(jī)碳礦化作用更突出。馬天娥等[24]通過(guò)研究長(zhǎng)期不同施肥措施下旱作農(nóng)田土壤有機(jī)碳礦化特征，表明土壤有機(jī)碳礦化的Q10介于1.19～1.57之間。本研究中，在79 d培養(yǎng)試驗(yàn)Q10介于1.42～1.61之間，且呈現(xiàn)出CK處理大于其他處理的趨勢(shì)，這可能是由于培養(yǎng)后期開始分解難分解有機(jī)物質(zhì)，會(huì)降低Q10，已有研究表明難分解物質(zhì)對(duì)溫度不敏感[26]。綠肥殘余的添加能夠降低溫度敏感性，表明在未來(lái)氣候持續(xù)變暖的條件下，農(nóng)田施加綠肥可能減緩CO2釋放的潛力。目前研究仍存在不確定性，需要進(jìn)一步研究底物的質(zhì)量和供應(yīng)以及酶活性等，以闡明綠肥添加對(duì)土壤有機(jī)碳礦化的溫度敏感性影響機(jī)理[27-28]。

潛在可礦化有機(jī)碳C0反映不同處理下土壤微生物對(duì)碳源的利用能力[24]。本文研究中，與CK處理相比，綠肥添加顯著提高了C0，這主要是由于綠肥添加顯著增加了土壤有機(jī)碳礦化的底物供給。已有研究表明，綠肥作物添加為土壤微生物提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)微生物活動(dòng)，從而提高對(duì)土壤碳庫(kù)的利用。C0/SOC越大則土壤有機(jī)碳礦化能力就越強(qiáng)，土壤有機(jī)碳的固存量就相對(duì)較少[6]。本文結(jié)果表明，C0/SOC變化范圍為0.34～2.38，不同綠肥處理間呈現(xiàn)出S>M>R，表明與豆科作物相比，非豆科作物固碳能力更突出。另外，C0/SOC表現(xiàn)出隨著溫度升高而增加的趨勢(shì)，溫度的升高促進(jìn)了土壤有機(jī)碳礦化，降低了土壤有機(jī)碳固存能力。有機(jī)碳礦化速率常數(shù)k也具有相同趨勢(shì)，這主要是由于豆科作物碳氮比較低，更易被分解利用。

綠肥添加增加了外源碳的輸入，能夠顯著提高土壤有機(jī)碳含量[29]，且R處理較S與M處理優(yōu)勢(shì)更為突出。這主要由于植物殘?bào)w本身含有豐富的有機(jī)質(zhì)，腐解過(guò)程向土壤輸入了碳氮，促進(jìn)土壤碳固持[18]。與非豆科作物相比，豆科作物分解速率快，促進(jìn)土壤碳輸出[20]。隨著溫度增加，土壤有機(jī)碳含量呈遞減趨勢(shì)。隨著溫度升高，分解作用增加，促進(jìn)土壤碳排放,土壤有機(jī)碳含量下降，不利于有機(jī)碳固存。研究表明，土壤溫度、土壤有機(jī)質(zhì)含量是影響土壤有機(jī)碳礦化的重要因素[30-31]。本文研究結(jié)果表明，豆科作物能夠有效補(bǔ)充土壤碳庫(kù)和氮庫(kù)，因而S、M處理較R處理能夠更有效促進(jìn)土壤有機(jī)碳礦化，與前人研究結(jié)果一致[15]。土壤全氮反映出土壤氮素儲(chǔ)備狀況。植物殘?bào)w的加入有效提高土壤全氮含量，與辛國(guó)榮等[32]研究結(jié)果一致。這主要是由于外源有機(jī)物有效地補(bǔ)充土壤氮庫(kù)，并且豆科作物也具有固氮作用，這都利于促進(jìn)土壤氮素循環(huán)。

4 結(jié) 論

本文基于室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)表明，綠肥添加和增溫共同影響著旱作農(nóng)田土壤有機(jī)碳的礦化過(guò)程。綠肥添加顯著提高土壤有機(jī)碳礦化速率和累積礦化量，但顯著降低了土壤有機(jī)碳礦化的溫度敏感性。一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型能較好地反映土壤有機(jī)碳礦化特征，綠肥添加和溫度升高均顯著提高了模型相關(guān)參數(shù)，且豆科綠肥較非豆科綠肥提高幅度更大。同時(shí)，綠肥添加通過(guò)提高外源碳輸入能夠有效補(bǔ)充土壤碳、氮庫(kù)。綜合來(lái)看，在氣候變暖背景下，旱作農(nóng)田施用綠肥能夠促進(jìn)土壤有機(jī)碳礦化和養(yǎng)分循環(huán)，有利于土壤碳固持。