石灰施用對酸性土壤礦物結(jié)合有機碳形成的影響

吳 彬，徐晶晶，成艷紅，葉成龍，胡水金,3

（1南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，南京 210095；2江西省紅壤研究所，江西進賢 331717；3北卡羅來納州立大學(xué)昆蟲和植物病理學(xué)系，羅利 27695）

0 引言

由于人類活動排放的溫室氣體和土地利用方式的轉(zhuǎn)變，全球平均氣溫逐年升高并可能接近地球生態(tài)系統(tǒng)的承載閾值，嚴(yán)重威脅著人類社會的可持續(xù)發(fā)展[1]。土壤有機碳作為土壤肥力形成的基礎(chǔ)，不但控制著土壤的質(zhì)量和功能，而且在調(diào)節(jié)氣候變化方面也扮演著重要角色。在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，土壤有機碳是規(guī)模最大的活性碳庫，超過大氣和植物碳庫的總和。增加并穩(wěn)定土壤有機碳庫已成為當(dāng)前應(yīng)對全球氣候變化的重要措施之一，揭示土壤有機碳的穩(wěn)定機制是應(yīng)對氣候變化的重大需求[2-3]。

隨著研究手段的進步，傳統(tǒng)觀點認(rèn)為的有機碳自身難分解性并不是有機碳在土壤中長時間保存的關(guān)鍵因素，限制或降低土壤有機碳被微生物分解的可能性成為當(dāng)前公認(rèn)的維持土壤有機碳穩(wěn)定的策略[4-5]。因此，土壤有機碳的穩(wěn)定保存是生態(tài)系統(tǒng)的屬性問題，受到其周圍物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)的綜合影響。與團聚體保護相比，有機碳與土壤礦物結(jié)合形成的礦物結(jié)合有機碳是非焦炭化有機碳最持久的保護機制[4,6]。這些能夠吸附有機碳的礦物主要是由直徑小于2 μm的層狀硅酸鹽礦物和金屬氧化物組成，它們通過配體交換或陽離子橋鍵等形式形成礦物結(jié)合有機碳。所以，粘粒含量高或富含鐵鋁氧化物的土壤通常對有機碳有較高的穩(wěn)定潛力[7-10]。

除了礦物，土壤微生物在礦物結(jié)合有機碳的形成過程中也起到關(guān)鍵的作用。由于土壤微生物生物量僅占土壤有機碳含量的5%左右，早期的觀點認(rèn)為土壤中有機碳主要由植物源碳組成，而微生物生物量本身對有機碳的貢獻可以忽略不計。最近，越來越多的證據(jù)表明微生物生物量及其死亡的殘體是土壤礦物結(jié)合有機碳的重要來源[11]，而且多種微生物參與礦物結(jié)合有機碳形成的理論框架被提出。例如，微生物效率-矩陣穩(wěn)定(Microbial Efficiency-matrix Stabilization)模型認(rèn)為易被微生物分解的植物凋落物可以形成更多的微生物產(chǎn)物，在土壤中可以形成更多的礦物結(jié)合有機碳[12]。微生物碳泵(Microbial Carbon Pump)模型認(rèn)為微生物進行分解和合成代謝活動的過程中微生物殘體和產(chǎn)生的代謝物會不斷地在土壤積累，是土壤中礦物結(jié)合有機碳的主要來源[13]。因此，提高植物凋落物轉(zhuǎn)化為微生物碳的效率是促進土壤碳固定的有效手段。

紅壤在中國分布廣泛，面積達到218萬km2，占全國土地面積的22.7%[14]。紅壤普遍具有粘粒含量高及鐵鋁氧化物豐富的特點，理論上對有機碳具有較高穩(wěn)定潛力，但是中國紅壤地區(qū)農(nóng)田中68%為中低產(chǎn)田，耕地普遍缺少有機質(zhì)[15]。造成其有機碳含量低的一個重要原因可能在于其酸性限制了微生物的生長，從而限制了礦物結(jié)合有機碳的形成。此外，土壤酸性限制植物的生長從而減少碳輸入也是一個重要因素[16]。因此，如果可以增加紅壤微生物的活性并提高微生物對植物碳利用效率，就可以增加紅壤的碳固定，提升紅壤的肥力，并有助于減緩氣候變化。

施用石灰是提升酸性土壤肥力的有效手段。許多研究證明，石灰添加可以有效提升酸性土壤的pH，提高微生物的活性[17-19]，并促進植物的生長[18,20-21]。最近，Paradelo等[22]總結(jié)已發(fā)表的研究發(fā)現(xiàn)施用石灰不僅可以增加植物的生產(chǎn)力，也可以提高微生物對有機碳的分解，從而導(dǎo)致土壤有機碳的變化沒有統(tǒng)一的趨勢。但是，施用石灰對酸性土壤礦物結(jié)合有機碳的影響還沒有受到廣泛的關(guān)注，相關(guān)的研究報道并不多見。理論上，石灰添加導(dǎo)致微生物活性的提升有利于秸稈分解并轉(zhuǎn)化為礦物結(jié)合有機碳。此外，石灰中的鈣離子也可能有助于鈣鍵結(jié)合碳的形成。為了驗證以上假說，本研究通過整合已經(jīng)發(fā)表的文章并設(shè)置室內(nèi)培養(yǎng)試驗，探究石灰添加對酸性紅壤微生物生物量、鈣鍵結(jié)合碳及鐵鋁結(jié)合碳的影響，以期為揭示石灰調(diào)控酸性紅壤礦物結(jié)合有機碳的形成機制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 文獻搜集

選擇web of science數(shù)據(jù)庫，以“l(fā)ime”、“l(fā)iming”以及“soil organic carbon”為關(guān)鍵詞進行主題檢索，不設(shè)時間限制，然后進行篩選。文獻篩選的條件如下：（1）針對酸性土壤所進行的田間施石灰試驗；（2）可以準(zhǔn)確地比較施過石灰的土壤和對照土壤；（3）研究對象為土壤有機碳及其組分，研究結(jié)果包含礦物結(jié)合有機碳含量。經(jīng)過篩選，最終獲得8篇有效文獻。對研究樣點位置、土壤類型、所施石灰的類型、樣地初始pH、土壤采樣深度、微生物生物量、植物生產(chǎn)力、土壤有機碳含量、礦物結(jié)合有機碳含量等信息進行提取，整理的相關(guān)信息見表1。

1.2 培養(yǎng)試驗

1.2.1 供試土壤和秸稈 培養(yǎng)試驗所用的紅壤和秸稈均采集自江西省紅壤研究所，位于江西進賢縣張公鎮(zhèn)(28°15'N，116°20'E)。該地區(qū)屬于中亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫17.7℃，年平均降水量約為1537 mm，海拔高度25～30 m，為典型的低丘紅壤區(qū)，土壤母質(zhì)為第四紀(jì)紅土。本研究采集的紅壤為多年不施肥的貧瘠旱地紅壤，其基本理化性質(zhì)為：有機碳含量為8.80 g/kg，全氮含量為0.80 g/kg，全鈣含量為1.15 g/kg，游離鐵含量為25.4 g/kg，pH 4.7。秸稈采自當(dāng)?shù)胤N植的玉米葉子，秸稈的碳氮含量分別為495.73 g/kg和31.13 g/kg。

1.2.2 培養(yǎng)試驗設(shè)計 試驗設(shè)置3個處理，分別為對照(Soil)、添加秸稈(Soil+Straw)、添加石灰和秸稈(Soil+Straw+Lime)，每個處理設(shè)置8個重復(fù)，培養(yǎng)期間進行2次破壞性采樣，每次采集4個重復(fù)。為了在短期內(nèi)迅速提升紅壤的pH，本研究選用的石灰類型為氫氧化鈣。試驗開始前，設(shè)置了不同梯度的石灰添加量，然后測定土壤的pH，最終確定添加2.0 g/kg的氫氧化鈣可以提升紅壤酸堿度到pH 7，因此本研究的氫氧化鈣添加量為2.0 g/kg干土。秸稈的添加量為12 g/kg干土，略高于實際的田間秸稈還田量[23]。

培養(yǎng)試驗的具體操作步驟如下：稱取過2 mm篩的新鮮土壤樣品25 g于500 mL密封良好的棕色培養(yǎng)瓶中，加入秸稈和石灰，與土壤充分混勻，然后加入去離子水，把土壤含水量統(tǒng)一調(diào)為田間持水量的60%，置于25℃下的黑暗恒溫培養(yǎng)箱中進行培養(yǎng)。為了保證土壤含水量的恒定，每隔3天調(diào)節(jié)含水量一次，同時每天進行土壤通氣，保持培養(yǎng)瓶中氧氣充足。在培養(yǎng)的第1、3、6、10、15、20、25、30、35、45、55、65、75、85、95天進行土壤微生物呼吸速率的測定。同時，在培養(yǎng)的第30和95天進行破壞性采樣，測定土壤的pH、可溶性有機碳、微生物生物量碳以及進行土壤密度分組。

1.2.3 土壤理化和微生物指標(biāo)的測定 土壤pH采用酸度計測定（水土比2.5:1）；土壤有機碳采用元素分析儀(Elementar vario MACRO cube，Germany)測定；土壤可溶性有機碳采用去離子水提取，通過0.45 μm濾膜后，采用Elementar公司的TOC分析儀測定。土壤全鈣的測定采用碳酸鈉熔融電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜(Inductively Coupled Plasma- Optical Emission Spectrometry:ICP-OES)法測定，土壤可提取鈣的測定采用醋酸銨提取ICP-OES法測定[24]；土壤游離氧化鐵的測定采用連二亞硫酸鈉提取ICP-OES法測定，土壤非晶形氧化鐵的測定采用草酸銨提取ICP-OES法測定[25]。

微生物呼吸速率的測定方法采用改進的堿液吸收法，即在培養(yǎng)瓶中放入含有5 mL 0.1 mol/L的氫氧化鈉溶液的小燒杯，密封培養(yǎng)24 h后，取出小燒杯并加入2 mL 1 mol/L的氯化鋇溶液和酚酞指示劑，然后用0.05 mol/L的HCl溶液滴定以確定CO2的釋放量[26]。土壤微生物生物量碳采用氯仿熏蒸法提取，通過熏蒸的土壤中的可溶性有機碳減去未熏蒸的土壤中的可溶性有機碳，除以校正系數(shù)0.33[27]。

1.2.4 土壤密度分組 采用密度分組法分離土壤的輕組分和重組分有機碳[28]。在培養(yǎng)結(jié)束后，稱取土壤樣品10 g，放入100 mL的離心管中，加入密度為1.8 g/cm3的80 mL碘化鈉溶液。然后，離心管放在搖床上振蕩一分鐘(150 r/min)，使游離態(tài)的輕組分漂浮。然后在3500 g條件下離心10 min，并把漂浮的輕組分用真空泵吸出。剩余的土壤泥漿用超聲儀破碎閉合態(tài)的輕組分有機碳，繼續(xù)用泵吸出漂浮的組分。以上步驟重復(fù)多次，直到漂浮的組分吸完為止。最后，把剩余的土壤重組分用去離子水洗干凈，在60℃條件下烘干，磨細(xì)。

1.2.5 土壤鈣鍵及鐵鋁結(jié)合有機碳的測定 采用連續(xù)提取法測定土壤鈣鍵和鐵鋁結(jié)合有機碳[29]。首先，稱0.5 g土壤重組分樣品放入100 mL的離心管中，加入0.5 mol/L的Na2SO4溶液50 mL，振蕩2 h(180 r/min)，然后離心用TOC儀器測定上清液有機碳的濃度，即為鈣結(jié)合的有機碳。傾倒完所有的Na2SO4溶液后，在離心管中加入0.05 mol/L的Na2S2O4溶液80 mL，振蕩16 h(180 r/min)，再次離心用TOC儀器測上清液有機碳的濃度，即為鐵鋁結(jié)合的有機碳。

1.2.6 數(shù)據(jù)處理 不同處理間的土壤理化和微生物學(xué)指標(biāo)的差異采用單因素方差分析(one-way ANOVA)，并用LSD法進行差異顯著性檢驗(P＜0.05)。所有統(tǒng)計分析均在R 3.1.2版本軟件中進行，使用Microsoft Office Excel 2003軟件進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 文獻總結(jié)

盡管石灰施用對酸性土壤總有機碳的影響沒有統(tǒng)一的趨勢，但是大部分已發(fā)表的研究表明石灰施用可以顯著增加酸性土壤礦物結(jié)合碳的含量（表1）。

表1 石灰施用對酸性土壤礦物結(jié)合有機碳影響的研究結(jié)果總結(jié)

續(xù)表1

2.2 培養(yǎng)試驗

2.2.1 土壤pH、可溶性有機碳、微生物呼吸和微生物生物量碳 與對照處理相比，單獨添加秸稈處理和同時添加秸稈和石灰的處理均顯著增加了可溶性有機碳、微生物生物量碳及微生物累積呼吸（圖1，P＜0.05），同時添加秸稈和石灰的處理還顯著提升了土壤的pH（圖1a，P＜0.05）。與單獨添加秸稈處理相比，同時添加秸稈和石灰處理進一步顯著提高了可溶性有機碳、微生物生物量碳及微生物累積呼吸（圖1，P＜0.05）。

圖1 石灰添加對土壤pH、可溶性有機碳、微生物呼吸和微生物生物量碳的影響

2.2.2 土壤鈣離子和鐵氧化物 與對照處理相比，單獨添加秸稈處理和同時添加秸稈和石灰處理對土壤游離氧化鐵和非晶形氧化鐵的含量均沒有顯著影響（圖2a、b）。與對照和單獨添加秸稈的處理相比，同時添加秸稈和石灰處理顯著增加了土壤全鈣和可提取鈣的含量（圖2c、d，P<0.05）。

圖2 石灰添加對土壤鐵氧化物和鈣離子的影響

2.2.3 土壤不同組分的有機碳含量 與對照處理相比，單獨添加秸稈和同時添加秸稈和石灰的處理均顯著增加了紅壤總有機碳、重組分有機碳、鐵鋁結(jié)合有機碳以及鈣結(jié)合有機碳的含量（圖3，P<0.05）。與單獨添加秸稈的處理相比，同時添加秸稈和石灰處理顯著降低了土壤總有機碳和鐵鋁結(jié)合有機碳的含量（圖3a、c，P<0.05），但是顯著增加了重組分有機碳和鈣結(jié)合有機碳的含量（圖3b、d，P<0.05）。

圖3 石灰添加對土壤不同組分有機碳的影響

3 討論

3.1 石灰添加對土壤總有機碳的影響

施用石灰可以提高酸性土壤中微生物的活性，促進微生物的分解作用；此外，施用石灰還可以提高植物的生產(chǎn)力，增加碳輸入[31,37-38]。因此，施用石灰對土壤有機碳庫的凈效應(yīng)受到碳輸入和微生物分解這2個過程的綜合影響，這也導(dǎo)致石灰的施用對農(nóng)田有機碳含量的影響沒有統(tǒng)一的趨勢[22]。在本研究中，單獨添加秸稈和同時添加秸稈和石灰的這2個處理的秸稈添加量是相同的，所以石灰添加導(dǎo)致有機碳含量的降低是因為石灰刺激了微生物的生長，增強了微生物的分解能力（圖1c、d）。本研究中，石灰添加處理中微生物活性增加的原因除了是由于土壤pH升高之外，土壤中可溶性有機碳含量的增加也是原因之一（圖1b）。以上結(jié)果表明石灰對微生物的刺激作用加快了秸稈中可溶性碳的釋放[39-40]，這同時也為微生物活動提供了可利用的碳源。增加土壤微生物的活性可以促進植物凋落物分解轉(zhuǎn)化形成有機碳，因此從長期的角度看施用石灰有潛力增加酸性土壤的有機碳庫。此外，已有研究表明石灰施用可以改善土壤的團聚結(jié)構(gòu)[21,37]，這暗示施用石灰還可以提高土壤有機碳的物理保護能力，有利于土壤有機碳的長期保存。

3.2 石灰添加對土壤礦物結(jié)合有機碳的影響

本研究發(fā)現(xiàn)石灰添加顯著促進了土壤礦物結(jié)合有機碳的形成，這表明石灰添加促進了秸稈分解并轉(zhuǎn)化為土壤中穩(wěn)定的有機碳。目前已有的許多研究都表明施用石灰可以顯著增加土壤的礦物結(jié)合有機碳的含量（表1），這很可能是因為石灰的施用提高了微生物的生物量，增加了微生物碳在土壤中的積累。前人的研究已經(jīng)證實微生物生物量及其死亡的殘體以及可溶性有機碳是土壤礦物結(jié)合有機碳的主要來源[11,41-42]，因此本研究中石灰刺激微生物生物量以及可溶性有機碳的增加應(yīng)該是促進礦物結(jié)合有機碳形成的主要原因。

鐵氧化物，尤其是非晶型鐵氧化物可以通過吸附和共沉淀等方式在土壤中與有機碳形成有機礦質(zhì)復(fù)合體[43]，是酸性土壤中礦物結(jié)合有機碳主要存在的形式[44]。本研究發(fā)現(xiàn)石灰添加對游離氧化鐵和非晶型氧化鐵的含量均沒有顯著影響，但顯著降低了鐵鋁結(jié)合碳的含量（圖2a、b和圖3c），表明石灰添加降低了土壤中鐵氧化物固定有機碳的能力。許多研究發(fā)現(xiàn)鐵氧化物對有機碳的吸附能力隨著pH的上升而下降[45-48]，我們推斷本研究中石灰添加引起的pH升高是鐵鋁結(jié)合碳下降的原因。

鈣離子是土壤中主要的鹽基離子，鈣離子與有機碳通過離子交換形成的鈣鍵結(jié)合碳對土壤有機碳積累也起到重要的作用[49]。通常情況下，酸性土壤缺乏鹽基離子，向酸性土壤中施用石灰可以增加鈣離子的含量，促進鈣鍵結(jié)合碳的形成[32]，本研究也得出相同的結(jié)果（圖2c、d和圖3d）。但是，鈣鍵所形成礦物結(jié)合碳的穩(wěn)定性弱于鐵鋁結(jié)合碳[50]，且土壤中鈣鍵結(jié)合碳的含量通常低于鐵鋁結(jié)合碳的含量[49]。此外，本研究中石灰添加導(dǎo)致鐵鋁結(jié)合碳的減少量高于鈣鍵結(jié)合碳的增加量（圖3c、d）?？紤]到石灰添加提升了礦物結(jié)合碳的總量且本研究所用的紅壤粘粒含量豐富，石灰添加很可能也促進了非金屬礦物結(jié)合碳的形成，進一步抵消了鐵鋁結(jié)合碳減少的影響。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，石灰添加可以顯著提高微生物的活性，促進秸稈分解轉(zhuǎn)化為礦物結(jié)合有機碳。盡管本研究發(fā)現(xiàn)石灰添加會顯著促進微生物對秸稈的分解，但是考慮到土壤微生物在植物秸稈分解轉(zhuǎn)化和有機碳形成過程中起到?jīng)Q定性的作用，因此在酸性土壤中施用石灰的同時增加秸稈的還田量很可能會同時促進土壤有機碳總量及礦物結(jié)合有機碳含量的提升。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)石灰添加對酸性土壤礦物結(jié)合碳的形成可能存在一種權(quán)衡機制，即降低鐵鋁結(jié)合碳的形成，但促進鈣鍵結(jié)合碳及非金屬礦物結(jié)合碳的形成。本研究證明了石灰會促進礦物結(jié)合有機碳的形成，同時對其機理進行了初步探索，不足之處在于培養(yǎng)試驗無法完全代表田間試驗。下一步需要在田間進一步驗證本研究結(jié)果，以更好地促進酸性土壤的改良及有機碳的固定。