不同種植模式下坡耕地紅壤團聚體有機碳礦化特征

烏達木，范茂攀，趙吉霞，李孝梅，李永梅

（云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，昆明 650201）

土壤碳庫的碳儲量是大氣碳庫的3 倍，大約為1 580 Gt，因此其對全球碳循環(huán)至關(guān)重要[1]。土壤有機碳參與土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化并且比較活躍，土壤生物通過活動將有機碳分解利用并釋放出CO2，從而對全球碳平衡產(chǎn)生重大影響[2?3]。有機碳以不同形式存在于團聚體中而組成土壤結(jié)構(gòu)，同時其又受團聚體保護而難被分解，二者之間的相互作用對促進土壤固碳至關(guān)重要[4]。各粒徑團聚體形成的機制、孔隙特征以及土壤微生物分解其中有機碳的難易程度的差異[4?5]，預(yù)示著不同粒徑團聚體有機碳礦化作用釋放CO2的機制有可能不同。因此，研究不同粒徑團聚體中有機碳的礦化特征，分析不同粒徑團聚體在全土有機碳礦化中發(fā)揮的作用，對于進一步理解有機碳在土壤中的轉(zhuǎn)化、定量評價土壤碳平衡具有重要意義。

坡耕地紅壤是我國重要的土壤資源，紅壤區(qū)也是重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域，但由于人類活動頻繁，使農(nóng)田土壤受影響較大，加劇了水土流失的發(fā)生，制約了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[6]，因此也成為了許多學(xué)者的關(guān)注對象。近年來很多學(xué)者針對紅壤團聚體及其有機碳進行了研究。向蕊等[1]的研究發(fā)現(xiàn)，絕大部分的紅壤有機碳儲藏在>2 mm 和2～0.25 mm 的團聚體中，并且在低氮水平下，間作顯著增加了>2 mm 團聚體的比例及其有機碳含量。李燕燕等[7]的研究發(fā)現(xiàn)，植被恢復(fù)模式下紅壤大團聚體的比例最高，微團聚體的比例最低，大團聚體總有機碳的儲量最大。謝錦升等[8]的研究發(fā)現(xiàn)，植被恢復(fù)能夠顯著增加侵蝕退化紅壤大團聚體的含量及其中有機碳的比例。以上研究較多關(guān)注的僅是團聚體的分布特征和其中有機碳的分布特征，從團聚體粒徑的角度考慮，也有部分學(xué)者對于紅壤團聚體微域空間內(nèi)有機碳的礦化作用進行了研究。陳曉芬等[9]的研究發(fā)現(xiàn)，不同施肥處理的紅壤性水稻土的有機碳累積礦化量在>2 mm 和1～2 mm 團聚體中最高，在0.053～0.25 mm 團聚體中最低。楊予靜等[10]對南亞熱帶馬尾松人工林土壤的研究發(fā)現(xiàn)，1～2 mm 團聚體有機碳累積礦化量最高，原狀土和＜0.25 mm 團聚體的易礦化碳庫的礦化速率由于穿透雨減少而顯著降低。但總體而言，關(guān)于紅壤團聚體水平上的有機碳礦化作用的研究依然少見報道，因此需要更多相關(guān)研究來豐富對紅壤團聚體有機碳礦化的認(rèn)識。

合理的作物種植模式可以實現(xiàn)對光熱水肥的高效利用，對于團聚體穩(wěn)定性的提高及其中有機碳含量的提升效果顯著[1，11]。單作和間作種植模式下作物根系釋放的根系分泌物的量有差異，植物殘體的種類和歸還數(shù)量也有差異，這些改變了土壤顆粒的結(jié)合強度，從而影響土壤團聚體的形成、穩(wěn)定性和有機碳的分解速率[11]。已有的研究指出，間作可以提高土壤的有機碳含量，也可以提高團聚體有機碳含量[1]。有學(xué)者研究了不同種植模式下室內(nèi)短期培養(yǎng)的土壤有機碳礦化動態(tài)，如賈曼莉等[12]研究了渭北蘋果園清耕、蘋果間作白三葉、蘋果間作小冠花3 種模式下土壤有機碳的礦化動態(tài)，結(jié)果表明兩種間作處理的土壤有機碳礦化累積量顯著高于蘋果園清耕。這些研究關(guān)注的是不同種植模式下土壤有機碳和團聚體有機碳的分布特征以及在全土水平上土壤有機碳的礦化作用，而在團聚體水平上，種植模式對有機碳礦化的影響如何未見報道，還需進一步研究來揭示。

本研究以坡耕地紅壤為研究對象，研究田間不同種植模式下全土及不同粒徑團聚體中有機碳的礦化動態(tài)，并初步分析了不同粒徑團聚體對土壤總有機碳礦化量的貢獻，以進一步闡明土壤有機碳的礦化規(guī)律，為了解坡耕地紅壤不同種植模式下不同粒徑團聚體中有機碳轉(zhuǎn)化和穩(wěn)定的作用機制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤和作物品種

試驗于2019 年4—10 月在云南省昆明市盤龍區(qū)松華壩水源保護區(qū)大擺社區(qū)進行（25°02′28.8″N，102°58′39.7″E），該地坡度為10°，海拔2 234 m，年平均氣溫16.0 ℃，年均降水量900～1 000 mm，降水主要集中在5—9 月，屬亞熱帶高原季風(fēng)氣候。供試土壤類型為紅壤，質(zhì)地為黏土，0～20 cm 耕層土壤基本理化性質(zhì)：有機質(zhì)含量37.02 g·kg?1，堿解氮105.00 mg·kg?1，速效磷26.83 mg·kg?1，速效鉀217.90 mg·kg?1，pH 5.20。供試玉米為“云瑞88”，大豆為“滇雜7 號”，白蘿卜為“水白晶”。

1.2 試驗設(shè)計

田間小區(qū)定位試驗始于2018 年。在同一坡面上采取隨機區(qū)組設(shè)計，各小區(qū)地塊規(guī)格為4 m×10 m，坡度為10°，小區(qū)與小區(qū)間均間隔1 m 作為人行過道。試驗共設(shè)置5 個處理，分別為：玉米單作（MM）、大豆單作（MS）、白蘿卜單作（MR）、玉米大豆間作（IMS）、玉米白蘿卜間作（IMR），每個處理設(shè)置3 個重復(fù)，共15 個小區(qū)。玉米單作小區(qū)共計17 行，采用寬窄行種植，寬行80 cm，窄行40 cm，每行16株，株距25 cm；單作大豆小區(qū)共計17行，采用等行距種植，行距60 cm，每行32株，株距25 cm；單作白蘿卜小區(qū)共計17行，采用等行距種植，行距60 cm，每行13株，株距30 cm；間作玉米大豆采用2∶2 種植模式，小區(qū)共計玉米12 行，每行13 株，大豆11 行，玉米與玉米間、大豆與大豆間行距均為40 cm，玉米與大豆間行距50 cm，每行26株，株距均為30 cm；間作玉米白蘿卜采用2∶2種植模式，小區(qū)共計玉米12行，白蘿卜11行，玉米與玉米間、白蘿卜與白蘿卜間行距均為40 cm，玉米與白蘿卜間行距50 cm，玉米每行13 株，株距30 cm，白蘿卜每行11株，株距35 cm。

按照當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥量，玉米施N 315 kg·hm?2、P2O5120 kg·hm?2、K2O 120 kg·hm?2，其中氮肥50%作基肥施用，50%作追肥在大喇叭口期施用，磷肥和鉀肥全部作基肥施用；大豆一次性施N 120 kg·hm?2、P2O5240 kg·hm?2、K2O 180 kg·hm?2；白蘿卜一次性施N 150 kg·hm?2、P2O5150 kg·hm?2、K2O 225 kg·hm?2。所用氮肥為尿素（含N 46%），磷肥為過磷酸鈣（含P2O516%），鉀肥為硫酸鉀（含K2O 51%）。玉米在播種、施肥、覆土后灌水并蓋塑料薄膜，在作物生長前期和中期視土壤干旱情況和雜草生長情況適時進行灌水和除草等田間管理。

1.3 樣品采集與分析

于2019 年10 月13 日采集玉米、大豆、白蘿卜成熟期的土壤樣品。每一個種植小區(qū)都分別隨機選取有代表性（株高、莖稈粗細、長勢等相近）的植株并標(biāo)記好位置，待作物收獲后取土樣，具體步驟為：單作玉米和單作白蘿卜小區(qū)分別隨機選取3 株有代表性的植株；單作大豆小區(qū)隨機選取6 株（3 個點，1 個點2株）有代表性的植株；玉米大豆間作小區(qū)隨機選取3株有代表性的玉米和相對應(yīng)的6株（3個點）有代表性的大豆；玉米白蘿卜間作小區(qū)隨機選取3 株有代表性的玉米和相對應(yīng)的3 株有代表性的白蘿卜。收獲后以植株生長點為中心畫30 cm×30 cm 的正方形，在此區(qū)域內(nèi)挖取2 個0～20 cm 原狀土柱組成一個混合樣品，以確保混合土壤樣品具有代表性。將土壤樣品儲存在硬質(zhì)塑料盒中并迅速運回實驗室處理。用四分法選取一部分土壤在室內(nèi)剔除石礫、植物殘根等雜物，混合均勻后自然風(fēng)干，風(fēng)干土一部分供團聚體分級使用，另一部分過2 mm 篩供全土有機碳的測定使用；剩余部分新鮮土壤樣品過2 mm 篩供全土有機碳礦化培養(yǎng)使用。

土壤團聚體的分級采用干篩法[13]。將預(yù)處理后的風(fēng)干土壤樣品混合均勻后，過5 mm 篩備用。將過5 mm 篩后的土壤樣品置于套篩（孔徑依次為2 mm、0.25 mm）頂部并安裝底盒和篩蓋后，以頻率150 次·min?1，左右振幅10 cm，振蕩5 min。收集各粒徑團聚體樣品稱質(zhì)量后計算其質(zhì)量分?jǐn)?shù)。將收集到的各級團聚體一部分用于礦化培養(yǎng)試驗，另一部分用于測定團聚體有機碳含量。

有機碳的測定采用重鉻酸鉀容量法?外加熱法[14]。

礦化培養(yǎng)試驗采用室內(nèi)恒溫培養(yǎng)，堿液吸收法測定[9]。稱20.00 g新鮮全土土壤樣品和3個粒徑風(fēng)干團聚體樣品平鋪于500 mL 培養(yǎng)瓶底部，用去離子水調(diào)節(jié)全土和各粒級團聚體的含水量至田間飽和持水量的60%，密封并置于25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中預(yù)培養(yǎng)一周以恢復(fù)微生物活性，然后將盛有10 mL 0.1 mol·L?1NaOH 溶液的25 mL 吸收杯懸掛于培養(yǎng)瓶中，密封好后在25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中暗培養(yǎng)。每個培養(yǎng)裝置設(shè)置3個平行試驗，同時設(shè)3個無土空白對照，在培養(yǎng)的第1、3、5、7、10、14、21、28 d 進行測定，在每次測定時采用稱質(zhì)量的方法加水以確保土壤樣品水分保持在田間持水量的60%，測定時用鑷子小心更換堿液吸收杯，向換出來的吸收杯中加入1 mol·L?1BaCl2溶液2 mL，再滴加2 滴酚酞指示劑，用0.1 mol·L?1HCl（每次滴定前用硼砂進行標(biāo)定）滴定至紅色消失。根據(jù)HCl 滴定量計算培養(yǎng)期內(nèi)全土和團聚體中有機碳的礦化量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

土壤有機碳礦化量=CHCl×（V0?V1）×22/0.02（以生成的CO2量計，mg·kg?1）

式中：CHCl為鹽酸濃度，mol·L?1；V0為空白處理消耗的鹽酸體積，mL；V1為消耗鹽酸的體積，mL。

土壤有機碳礦化速率（CO2，mg·kg?1·d?1）=培養(yǎng)時間內(nèi)有機碳礦化量（CO2，mg·kg?1）/培養(yǎng)天數(shù)（d）。

土壤有機碳累積礦化量指從培養(yǎng)開始至某一時間點土壤CO2的總釋放量，采用一級動力學(xué)方程進行擬合[15]，即：

式中：Ct為經(jīng)過t時間后土壤有機碳的累積礦化量，g·kg?1；C0為土壤潛在可礦化有機碳量，g·kg?1；k為有機碳庫的周轉(zhuǎn)速率常數(shù)，d?1；t為培養(yǎng)天數(shù)，d。半周轉(zhuǎn)期T1/2=ln2/k。

各粒級團聚體有機碳礦化對全土有機碳礦化的貢獻率（%）的計算公式[9]為：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%。

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 22.0 進行單因素方差分析（One?way ANOVA）和Duncan 差異顯著性檢驗（P<0.05）；用Excel 2016 作圖，Origin Pro 2019b 進行一級動力學(xué)方程擬合。圖表中數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植模式下土壤團聚體粒徑分布

從表1可以看出，不同種植模式下團聚體粒徑分布表現(xiàn)為2～0.25 mm 團聚體含量最高，其次是>2 mm 團聚體，<0.25 mm團聚體的含量最低。MM處理>2 mm團聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較MS、MR、IMS 和IMR 處理分別顯著降低了4.95、8.62、6.34 和6.11 個百分點（P<0.05）。MM 處理<0.25 mm 的團聚體含量較MS、MR、IMS 和IMR 處理分別顯著提高了0.28、0.51、0.25倍和0.37倍（P<0.05）。

表1 不同種植模式下團聚體粒徑分布Table 1 The content distribution of soil aggregates under different planting patterns

2.2 不同種植模式下土壤及團聚體有機碳

研究結(jié)果顯示（表2），在相同種植模式下，土壤有機碳在<0.25 mm 團聚體中的含量高于在全土、>2 mm 和2～0.25 mm 團聚體的含量。在不同種植模式下，對于全土而言，MS 處理的有機碳含量較IMS 處理顯著增加了0.14 倍。在>2 mm、2～0.25 mm 和<0.25 mm 團聚體中，IMS 和IMR 處理的有機碳含量與相對應(yīng)的單作處理間未達到顯著差異水平（P>0.05）。

表2 不同種植模式下全土及不同粒徑土壤團聚體有機碳含量（g·kg?1）Table 2 The content of SOC in soil and soil aggregates with different diameters under different planting patterns（g·kg?1）

2.3 土壤及團聚體有機碳礦化動態(tài)

全土和各粒徑團聚體有機碳礦化速率均隨培養(yǎng)時間的增加呈現(xiàn)出不同程度的下降趨勢（圖1）。全土有機碳礦化速率在整個培養(yǎng)過程中呈波動式緩慢遞減趨勢，在培養(yǎng)的前14 d CO2的產(chǎn)生速度相對較快，5個處理峰值平均為57.49 mg·kg?1·d?1。>2 mm 團聚體的有機碳礦化速率在培養(yǎng)后的第1 d排序為MS>IMS>MM>MR>IMR，培養(yǎng)結(jié)束時有機碳礦化速率平均為培養(yǎng)最初的30.28%。2～0.25 mm 團聚體的有機碳礦化速率在培養(yǎng)結(jié)束時平均為培養(yǎng)最初的18.52%。<0.25 mm 團聚體的有機碳礦化速率在開始培養(yǎng)后的第3 d 平均為41.39 mg·kg?1·d?1，第14 d 快速下降，平均為16.91 mg·kg?1·d?1，隨后逐漸趨于穩(wěn)定直至培養(yǎng)結(jié)束。在培養(yǎng)開始后的第1 d，2～0.25 mm團聚體有機碳礦化速率平均最高，其次為全土，再次為>2 mm 團聚體，最低為<0.25 mm 團聚體。在整個培養(yǎng)期，全土及不同粒徑團聚體有機碳礦化速率隨培養(yǎng)時間的延長不斷波動變化，因此并不能明顯區(qū)分不同種植模式之間的差異。

2.4 土壤及團聚體有機碳累積礦化量

不同種植模式下，培養(yǎng)28 d時全土和團聚體有機碳累積礦化量情況見圖2。在相同的種植模式下，全土及不同粒徑團聚體有機碳累積礦化量整體表現(xiàn)為全土最高，其次為2～0.25 mm 團聚體，再次為<0.25 mm團聚體，>2 mm團聚體最低。不同種植模式下，對于全土，MS 處理的有機碳累積礦化量較MM 和IMS處理分別顯著增加了14.09%和6.97%，IMS 處理較MM 處理顯著增加了6.66%（P<0.05）。對于>2 mm 團聚體，MS處理的有機碳累積礦化量較IMS處理顯著增加了25.21%，MM 處理較IMR 處理顯著增加了6.00%（P<0.05）。對于2～0.25 mm團聚體，MS處理的有機碳累積礦化量較IMS處理顯著增加了9.84%，MM處理的有機碳累積礦化量較IMS和IMR處理分別顯著增加了6.34%和21.36%（P<0.05）。對于<0.25 mm 團聚體，各處理間有機碳累積礦化量差異均不顯著。

2.5 不同種植模式下土壤及團聚體有機碳礦化參數(shù)

本研究土壤及團聚體有機碳累積礦化量與培養(yǎng)天數(shù)之間的動態(tài)變化采用一級動力學(xué)方程Ct=C0（1?e?kt）進行擬合（P<0.01），且該模型的擬合效果較好，決定系數(shù)R2>0.99（表3）。結(jié)果表明，在相同種植模式下，C0和C0/SOC 值在全土中最高，且顯著高于其他3個粒徑團聚體（P<0.05）。<0.25 mm 團聚體的C0和C0/SOC 值最低，2～0.25 mm 團聚體的k值最高，>2 mm 團聚體的T1/2最高。在不同種植模式下，MS處理的C0在全土和3 個粒徑團聚體中都顯著高于IMS 處理（P<0.05）。在全土、>2 mm 團聚體和<0.25 mm 團聚體中，IMS 處理的k值都顯著高于MM 處理（P<0.05）。對于>2 mm 和<0.25 mm 團聚體，MM 和MS 處理的T1/2顯著高于IMS處理，在2～0.25 mm 團聚體中，IMS和IMR 處理的T1/2分別較MM 處理顯著提高了6.75%和10.74%（P<0.05）。另外，在全土中，MM 處理的C0/SOC 值較IMR 處理顯著提高了18.53%，IMR 處理較MR 處理顯著提高了13.41%（P<0.05）。對于>2mm 團聚體，MM處理的C0/SOC 值較IMS 和IMR 處理分別顯著提高了50.93%和13.02%（P<0.05）。在2～0.25mm 團聚體中，MM 處理的C0/SOC 值較IMR 處理顯著提高了14.25%（P<0.05）。

表3 培養(yǎng)28 d時土壤及團聚體礦化動力學(xué)方程參數(shù)Table 3 The parameters of kinetic equations of bulk soils and aggregate fractions after 28 days of incubation

2.6 團聚體有機碳礦化對全土有機碳礦化的貢獻

研究結(jié)果顯示（表4），各粒徑團聚體有機碳礦化對全土有機碳礦化貢獻率的總和在各處理中依次為MM（82.77%）>MS（78.09%）>MR（74.05%）>IMS（73.62%）>IMR（70.26%）。2～0.25 mm團聚體對全土有機碳礦化的貢獻率最高，范圍在38.80%～48.67%，其次是>2 mm 團聚體，范圍在17.93%～23.01%，貢獻率最低的是<0.25 mm團聚體，范圍在10.17%～16.18%。

表4 不同種植模式下各粒徑團聚體對全土有機碳礦化的貢獻率（%）Table 4 Contributions of aggregate fractions to soil organic carbon mineralization under different planting patterns（%）

3 討論

土壤團聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，其數(shù)量和質(zhì)量決定土壤理化性狀及其協(xié)調(diào)狀況[4]。本研究對團聚體的分級采用干篩法，因為干篩法較濕篩法降低了水分張力等因素對土壤結(jié)構(gòu)的干擾，減少了對土壤中某些易變性有機膠結(jié)物質(zhì)的破壞，也減少了對團聚體中微生物群落物理生境的破壞，對于旱地紅壤，干篩分離出的團聚體更接近田間實際[16]。本研究中，各種植模式下>2 mm 和2～0.25 mm 團聚體含量較高，這與張鵬等[17]的研究結(jié)果相似。這是因為鐵鋁氧化物是南方紅壤地區(qū)微團聚體的主要膠結(jié)物質(zhì)，70%以上的土壤有機碳存在于粉?黏團聚體中，而大團聚體的主要膠結(jié)物質(zhì)是有機質(zhì)，有機質(zhì)將微團聚體膠結(jié)成大團聚體[1，4]，并且由于新鮮有機物質(zhì)的輸入，作物根系、土壤動物、微生物及他們的代謝產(chǎn)物增多，同時土壤中有機膠結(jié)物質(zhì)和載體介質(zhì)的量也增多[18]，從而促進了>0.25 mm 團聚體的形成。本研究進一步發(fā)現(xiàn)，MM處理中>2 mm團聚體含量最低，而<0.25 mm團聚體含量最高（P<0.05），這可能是因為玉米豐富的根系對土壤的擾動更大，大顆粒團聚體中的顆粒有機物有助于微團聚體的形成，由于玉米根系的擾動和顆粒有機物的分解，大顆粒團聚體破碎使得微團聚體被釋放出來[1，19]，因此大團聚體比例減少，微團聚體比例增加。

有機碳的含量是有機物質(zhì)輸入和礦化分解動態(tài)平衡的結(jié)果[20]。本研究發(fā)現(xiàn)，在相同種植模式下<0.25 mm團聚體的有機碳含量最高（P<0.05）。這是因為微團聚體內(nèi)的孔隙極小，微生物分解有機碳耗能很多，從而使有機碳的分解降低，微團聚體中的有機碳受到的干擾較少，所以儲存的時間更長[4]。前人的研究發(fā)現(xiàn)，玉米馬鈴薯[1]、蘋果白三葉[18]、蠶豆玉米、小麥玉米、小麥蠶豆[21]的間作體系均能提高土壤有機碳含量。本研究結(jié)果與上述研究結(jié)果不同，本研究結(jié)果表明，IMS 使全土的有機碳含量呈現(xiàn)虧損的狀態(tài)（P<0.05），其他各粒徑團聚體有機碳含量在單作與間作之間并沒有顯著差異，間作可提高有機質(zhì)的相對分解速率，但有機質(zhì)快速分解并未使土壤有機碳含量得到提高[22]。間作系統(tǒng)的根系發(fā)達，凋落物更具多樣性，土壤微生物也增多，這使得碳分解大于碳輸入[23?24]。另外，本研究結(jié)果與種植年限短有關(guān)，上述研究結(jié)果是基于多年的田間定位試驗，而本研究所在的田間小區(qū)定位試驗始于2018 年，土壤還具有較好的緩沖能力，這使得有機碳含量因種植模式發(fā)生變化具有了一定的滯后性，所以本研究中單作與間作模式團聚體有機碳含量沒有顯著差異，這還需要通過進一步的長期定位試驗來驗證。

土壤有機碳礦化是土壤碳庫平衡的重要過程，其速率的大小表示有機碳分解的快慢程度[9]，對其進行研究有助于揭示土壤碳庫的動態(tài)機理[3]。本研究中，團聚體有機碳礦化與全土有機碳礦化的變化規(guī)律一致。總體上，全土及不同粒徑團聚體在培養(yǎng)前期的有機碳礦化速率大，并且呈現(xiàn)快速下降趨勢，后期有機碳礦化速率，隨培養(yǎng)時間推移逐漸減慢并保持相對穩(wěn)定，這與土壤微生物活性和有機碳礦化難易程度有關(guān)。有機碳是由容易礦化和不易礦化兩部分組成的，室內(nèi)培養(yǎng)28 d所分解的有機碳多為易礦化有機碳。培養(yǎng)前期，土壤及團聚體樣品加水到田間持水量的60%激發(fā)了微生物的活性，土壤中容易礦化的活性有機碳（如糖類和蛋白質(zhì)等）較多，微生物將其迅速分解利用后釋放出大量的CO2，因此有機碳礦化速率較高；培養(yǎng)時間越長，土壤中的活性有機碳被消耗得越多，微生物可利用的有效碳源越來越少，所以有機碳礦化速率逐漸降低并表現(xiàn)出相對穩(wěn)定的趨勢[15，25]。

土壤有機碳礦化與團聚體密切相關(guān)，團聚體粒徑的大小能夠影響土壤有機碳的礦化速率，進而影響土壤有機碳的累積礦化量[5，9]。本研究中，除全土外，2～0.25 mm 團聚體有機碳累積礦化量最高（P<0.05），這是由于2～0.25 mm 團聚體穩(wěn)定性低，其含有的活性有機碳較多并且易分解[4?5]，有機碳礦化速率較高，因此其累積礦化量也高。本研究進一步發(fā)現(xiàn)，全土中IMS處理的有機碳累積礦化量顯著高于MM（P<0.05），這可能與凋落物的性質(zhì)和數(shù)量有關(guān)。有研究[26]表明凋落物進入土壤后可以促進有機碳的礦化，由于凋落物作為外源有機物質(zhì)輸入到土壤中的有機碳的質(zhì)量和數(shù)量不同，從而使含有不同凋落物的土壤有機碳礦化也不同[27?28]。賈曼莉等[12]對渭北生草果園土壤有機碳礦化的研究表明，果園生草間作顯著提升了礦化率，證實了上述觀點。除此之外，本研究還發(fā)現(xiàn)，在全土、>2 mm 團聚體和2～0.25 mm 團聚體中，與間作處理相比，有機碳累積礦化量在某些單作處理中顯著提高（P<0.05），并且在MS處理中有機碳累積礦化量最高。產(chǎn)生這種不同差異的原因很復(fù)雜，除了受作物凋落物的性質(zhì)和數(shù)量的影響外[27?28]，土壤微生物活性、種類和數(shù)量的不同[29?30]，作物根系以及根系分泌物的不同也都會影響有機碳的含量和穩(wěn)定性[11]。本課題組前期[11]的研究發(fā)現(xiàn)，間作會促進根系總糖和總有機酸的分泌，增強根際細菌的活力，促進多糖分泌與菌絲生長，對微團聚體的膠黏作用和纏繞作用也得到增強，這些有利于微團聚體轉(zhuǎn)化為大顆粒的團聚體，使間作更能儲存碳，因此，使得單作處理比間作處理的有機碳礦化作用更強。

本研究利用一級動力學(xué)方程擬合了土壤和團聚體有機碳礦化動態(tài)過程，其中，C0表示在理想情況下有機碳礦化釋放的CO2的量，C0/SOC 值則表示土壤有機碳礦化分解作用消耗土壤中有機碳的比例，可反映土壤固碳能力的強弱，該比例越低，表明土壤的固碳能力越強，反之，則固碳能力越弱[31]。本研究中，在相同種植模式下，<0.25 mm 團聚體的C0和C0/SOC 值最低（P<0.05），說明<0.25 mm團聚體較其他兩種粒徑團聚體的固碳能力更強。這是由于團聚體團聚過程中膠結(jié)物質(zhì)的差異，使有機碳受到的物理保護程度各異。大粒徑團聚體中是易分解的瞬變膠結(jié)有機物，微團聚體中則多是持久性膠結(jié)劑[32]。大團聚體中含有較多易分解的活性有機碳，微團聚體中則含有高度腐殖化的惰性有機碳[33]。本研究還發(fā)現(xiàn)，在相同種植模式下，>2 mm 團聚體的T1/2最高（P<0.05）。這是由于大團聚體與空氣接觸的表面積小，其表面的有機碳（包括有機膠結(jié)劑）被分解的幾率也小，而且大團聚體形成后其內(nèi)部的孔隙降低，孔隙間的空氣和水分相應(yīng)減少，使有機碳與礦物顆粒的結(jié)合更加緊密，從而降低了其中有機碳的分解[4，32]。另外，本研究中2～0.25 mm 團聚體有機碳庫的k值在相同種植模式下最高（P<0.05）。這是由于2～0.25 mm 大團聚體顆粒組中聚集了大量易氧化態(tài)有機碳，所以該粒徑團聚體中有機碳穩(wěn)定性較低，周轉(zhuǎn)快[34?35]。

全土有機碳礦化表現(xiàn)出不同粒徑團聚體有機碳礦化的總體特征。本研究中，2～0.25 mm 團聚體對全土有機碳礦化的貢獻最大，其次是>2 mm團聚體，<0.25 mm 團聚體對全土有機碳礦化的貢獻最小，這與陳曉芬等[9]在紅壤性水稻土中發(fā)現(xiàn)的>0.25 mm 大團聚體對全土有機碳礦化的貢獻高的研究結(jié)果相類似。有學(xué)者研究證明大粒徑團聚體對土壤碳排放的貢獻最大與大粒徑團聚體含量占主要優(yōu)勢有關(guān)[5]。綜上所述，大粒徑團聚體在土壤有機碳礦化中是發(fā)揮主導(dǎo)作用的。另外，本研究中對全土的礦化培養(yǎng)采用的是鮮土，團聚體的礦化培養(yǎng)采用的是風(fēng)干土，即使有1 周的預(yù)培養(yǎng)緩沖期以恢復(fù)微生物活性，風(fēng)干土壤微生物量、微生物群落結(jié)構(gòu)以及代謝能力等也會發(fā)生變化[36]，這可能是導(dǎo)致各粒徑團聚體對全土有機碳礦化的貢獻率總和不高的原因。

由于試驗條件的限制，本研究采用堿液吸收法在室內(nèi)恒溫條件下模擬不同種植模式下坡耕地紅壤團聚體有機碳的礦化特征，采用一級動力學(xué)方程擬合礦化過程并根據(jù)擬合出的相關(guān)參數(shù)在一定程度上預(yù)測田間土壤有機碳礦化的動態(tài)變化趨勢。但是在田間條件下影響土壤有機碳礦化的環(huán)境因素非常復(fù)雜，如水分、溫度、土壤受擾動程度等都會影響土壤有機碳礦化，實驗室培養(yǎng)過程是在培養(yǎng)瓶中進行，通氣狀況、溫度、水分等與田間實際環(huán)境有所不同，從而會對有機碳的礦化過程產(chǎn)生影響。因此，本研究結(jié)果與田間條件下多因素綜合作用的結(jié)果可能存在差異，今后仍需加強相關(guān)控制試驗的研究以及土壤有機碳礦化的田間原位試驗研究。

4 結(jié)論

（1）不同種植模式下2～0.25 mm 團聚體含量最高，<0.25 mm 團聚體含量最低。玉米單作后土壤>2 mm 團聚體比例有所下降，<0.25 mm 團聚體比例有所增加。在相同種植模式下，<0.25 mm 團聚體有機碳含量顯著高于全土、>2 mm 團聚體和2～0.25 mm 團聚體。全土中玉米大豆間作處理的土壤有機碳含量顯著低于大豆單作處理，不同粒徑團聚體中有機碳含量在單作處理與相對應(yīng)間作處理之間沒有顯著差異。

（2）不同種植模式下全土與各粒徑團聚體的有機碳礦化速率均隨培養(yǎng)時間的增加呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢，培養(yǎng)前期波浪式遞減，培養(yǎng)后期逐漸趨于穩(wěn)定?？傮w上，不同種植模式下全土和團聚體中有機碳礦化作用的強弱大致表現(xiàn)為單作處理比相對應(yīng)的間作處理更強，并且大豆單作處理的有機碳礦化作用最強。在相同種植模式下，2～0.25 mm 團聚體中的有機碳礦化速率最快、更易礦化，因此其有機碳累積礦化量顯著高于其他兩種粒徑團聚體。<0.25 mm 團聚體的潛在可礦化有機碳量與C0/SOC 值最低，說明其固碳能力最強。>2 mm 和2～0.25 mm 團聚體對全土有機碳礦化的貢獻最大。