不同土地利用类型对土壤有机碳矿化过程的影响

杨雪玲 陈群 周育智 夏文博 李兴薇 周助 陈孝杨

摘要 [目的]分析不同土地利用方式對土壤有机碳矿化的影响，并研究其与土壤理化性质和土壤剖面深度的关系。[方法]选择淮南市4种典型的土地利用类型（草地、复垦林地、淮河农田、乔木林地，分别以A、B、C、D表示）作为研究对象，采集60份共4类淮南土样，通过恒温密闭培养30 d（25 ℃）及测定各相关因子获得基本数据，探讨不同土壤类型、不同剖面深度（0～100 cm）和相应理化性质下的土壤有机碳矿化动态变化特征。[结果] 4种不同土地利用类型，土壤有机碳矿化过程存在相同的变化规律，且表现出明显的阶段性特征，即在前期随时间延长大幅下降，而中后期缓慢下降并趋于平缓；其矿化速率由大到小依次为 C、B、A、D，D监测区地表土壤有机碳矿化速率一直处于较低值，C监测区地表矿化速率显著高于其他3类监测区（P<0.05）；不同土壤剖面深度的矿化速率在第20天左右达到最低值，之后都有缓慢上升的现象；微生物生物量碳含量、土壤质地（砂粒含量）与土壤有机碳矿化速率存在极显著相关性（P<0.01）；淮南市土壤有机碳矿化累积量可以运用一级动力学方程较好地进行模拟和检验。[结论]该研究为区域碳平衡、农业生产、温室效应等研究提供理论依据。

关键词 土壤有机碳；矿化速率；土地利用类型；理化性质

中图分类号 S158 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2017）04-0110-05

Effects of Different Land Use Types on Soil Organic Mineralization in Huainan City

YANG Xue-ling，CHEN Qun，ZHOU Yu-zhi， CHEN Xiao-yang* et al （School of Earth and Environment，Anhui University of Science and Technology，Huainan，Anhui 232001）

Abstract [Objective] To analyze effects of different land use types on soil organic carbon mineralization，and the relationship between the soil physical and chemical properties and the depth of soil profile were studied.[Method]Four types of land in Huainan City（grassland，reclamation of woodland，Huai river farm，the original forest land with A，B，C，D） were choosed as the research object，totally 60，four kinds of Huainan soil samples were collected，through the airtight greenhouse cultivation for 30 days and determination of the basic datas of each related factor were obtained，and dynamic change of soil organic carbon mineralization in different land types，different profile depths （0-100 cm），and the physical and chemical properties were discussed.[Result]Results showed that for four different land use types，soil organic carbon mineralization process generally existed the same change rule，and showed significant stage characteristics.Early the mineralization rate decreased dramatically，and later slowly decreased then retain steady.The mineralization rate from big to small was C、B、A、D，D monitoring area surface mineralization rate had been the lower level，C monitoring area surface mineralization rate was significantly higher than the other three kinds of monitoring area.Mineralization rate of soil profile depth reached the lowest in 20 days or so，after had slowly rising phenomenon；Microbial carbon content，soil character had extremely significant correlation with soil mineralization rate （P<0.01）；Soil organic carbon mineralization accumulation one grade dynamic equation could be used better imitation and inspection.[Conclusion]The study provide the theory basis for regional carbon balance，agricultural production，the greenhouse effect，etc.

Key words Soil organic carbon；Mineralization rate；Land use type；Physical and chemical properties

土壤作為五大圈层进行复杂的物质循环和能量传递的纽带，是维持陆地生态系统碳循环的重要组成部分[1]。土壤作为全球第三大碳库（仅次于海洋和地质库），其碳储量的极小变化可能会引起土壤碳向大气排放量的显著改变，对农业生产、区域碳平衡、温室效应以及全球气候变化等具有重要影响[2-3]，因此，土壤有机碳矿化的动态变化及趋势分析已成为当前国内外学者研究陆地生态系统碳循环的热点[4]。

土壤有机碳的矿化过程是在微生物的分解作用下，有机物转化成无机物如CO2、H2O的过程。土壤有机碳含量的高低是反映土壤质量好坏的重要指标之一，其影响因素较多，如土壤质地、土地利用方式、土壤温度、pH、土壤含水量、土壤有机质含量、土壤微生物活动等[5-10]。土壤有机碳矿化对土壤碳库平衡和全球气候变化具有重要影响[11-12]，它是土壤中重要的生物地球化学过程。国内外学者对土壤有机碳矿化及其影响因素进行了很多研究，Moscoatelli等[13]研究发现，不同土地利用方式对土壤有机碳矿化有很大影响；Fang等[14]研究表明，有机碳的矿化过程与土层深度、采样方法、有机质组成和培养时间有密切联系，而受温度影响不明显；陈孝杨等[15]研究表明，土壤呼吸速率与土层温度有极显著的相关性（P<0.01）。笔者以淮南市4种不同覆盖类型土壤作为研究对象，采集不同剖面深度的土样，通过室内培养试验，分析不同土地利用方式对土壤有机碳矿化的影响，并比较其与土壤理化性质（土壤含水量、土壤质地、土壤微生物碳含量、土壤有机质含量及pH）和土壤剖面深度的关系，从而系统地认识该区土壤有机碳矿化的过程，为区域碳平衡、农业生产、温室效应等研究提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

淮南市地处华东腹地，淮河中游，横跨淮河两岸，位于秦、淮南北气候的分界线上，属于典型的亚热带湿润季风气候。地理位置116°21′21″～117°11′59″ E、32°32′45″～33°01′14″ N，总面积达5 571 km2，其年降水量910～973 mm，年平均温度15.2 ℃，季节平均温度差较大，相对湿度72.5%～78.0%。四季分明，冬季干燥而少雪，夏季炎热而雨水充沛，降水集中在6—8月。4类研究区分别是草地（草坪草，密生性强，地形较平坦）、复垦林地（原为塌陷区，经建筑垃圾填埋，上层覆有约10 cm厚度的土壤，优势植物是杨树）、淮河农田（以冬小麦、玉米为主要耕作物，砂壤土，地下平均水位1.2～1.6 m）、乔木林地（受外界扰动较小，植被以梧桐树为主）（表1）。

1.2 土壤样品采集

试验时间在2016年3月末至5月初，根据淮南市土地利用分布状况进行采样与布点，选择草地（A）、复垦林地（B）、淮河农田（C）以及乔木林地（D）4种典型土壤类型共60个土样（每种土地类型设3个采样点，采样点沿所选样地的对角线分布，每个采样点采集5个不同剖面深度的土样，剖面深度为0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm）。采样工具选用钻土采样机器，取出长约100 cm的圆形土柱，截取每层中心上下5 cm厚度（即5～15、25～35、45～55、65～75、85～95 cm）的土柱放入密封实验袋并逐一标记带回实验室。除去土样中凋落物、石块、碎砖等杂物，将每份土样抽出一部分放入环刀内并在105 ℃烘干箱内烘干8 h，进行土壤质量含水量（θm，n=12）的测定，剩余土样供土壤有机质含量、土壤微生物生物量碳（MBC）、pH、颗粒分析的测定。

1.3 试验方法

1.3.1 土壤基本性质测定。

在测定土壤有机碳矿化速率的同时，监测土样有机碳含量（SOC，n=12）和主要理化性质指标。有机碳采用重铬酸钾容量法-稀释热法测定；pH用pH S-3型pH酸度计测定；采用烘干、研磨、过筛对颗粒粒级进行分析；土壤微生物生物量碳（MBC，n=12）用氯仿薰蒸浸提法测定。

1.3.2 土壤有机碳矿化培养。

将采回的土样去除枯枝落叶、碎砖等杂物，取每一土样相当于50 g干土质量的新鲜土壤平铺于500 mL广口瓶底部，并将装有10 mL 0.1 mol/L NaOH溶液的小玻璃瓶（医用青霉素小药瓶）用细绳拴住悬置于广口瓶内部且不与底部供试土壤接触，然后将其放入恒温培养箱中，温度设置为25 ℃。培养时间30 d，试验进行第1、3、5、9、16、23、30天时，取出剩余NaOH溶液，用已标定的HCl溶液滴定，计算培养期间土壤有机碳矿化释放量（mg/kg），用CO2-C表示。滴定后再放入等体积、等浓度的NaOH溶液于广口瓶中，直至试验结束。每个处理设3次重复，2个空白对照。其计算公式：

CO2-C=6（V0-V）×CHClm

式中，CO2-C为培养期间土壤有机碳矿化释放量（mg/kg）；V0为空白标定时消耗盐酸的体积（mL）；V为试验组样品滴定时消耗盐酸的体积（mL）；CHCl为标准盐酸的浓度（mol/L）；m为土样风干质量（g）。

1.4 数据分析

试验数据的单因子方差分析、统计分析、回归分析和差异显著性检验等采用SPSS 19.0、Origin和Excel 2007 等软件。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用类型土壤有机碳矿化动态变化特征

研究发现，有机碳含量的高低和微生物群落的丰富度直接或间接地影响土壤有机碳的矿化过程，同时他们之间存在显著的相关性。采用土壤有机碳矿化速率（单位质量的干土每天矿化的有机碳量，又称为土壤有机碳日均矿化量）来表述土壤有机碳矿化的动态过程。淮南地区不同土地利用类型和深度土壤有机碳在30 d内的日均矿化量动态变化见图1。由图1可知，4类土壤0～15、15～30 cm土层的有机碳矿化速率均存在明显的阶段性特征，即在培养前9 d，土壤有机碳矿化速率较大且波动较大，其平均值在5.12～5.97 mg/（kg·d），9 d后矿化量缓慢下降并趋于稳定，其平均值为1.31～2.03 mg/（kg·d）。土壤有机碳矿化速率最大值为13.81 mg/（kg·d） ，最小值为0.24 mg/（kg·d） 。在培养初期，土壤有机碳矿化过程受土壤类型影响明显，且差异显著（P<0.05），但随着培养时间的延长，其矿化量呈基本稳定的状态，差异逐渐减小。不同类型土壤有机碳矿化速率由大到小依次为C、B、A、D，最大值4.71 mg/（kg·d），最小值3.23 mg/（kg·d），土壤矿化过程整体上随时间延长呈逐渐下降并趋于稳定的趋势。这是由于随着培养时间的延长，土壤中微生物消耗易分解有机碳的矿化量增多，造成土壤中营养成分不断减少，从而成为限制微生物活动的主要因素，因而土壤的矿化速率在培养后期较低且稳定。这与史学军等[7]的研究结果基本一致。

对比不同土壤剖面深度，0～15 cm土壤有機碳矿化过程在前期（前9 d）出现一个波峰，前3 d矿化量快速下降，至第5天大幅度增加，达到波峰，最大值10.36 mg/（kg·d） ；第5天后矿化速率逐渐下降并趋于稳定，保持在初始的44.4%左右；C监测区土壤矿化速率较大，明显高于其他3类监测区，D监测区矿化量一直处于较低值，B监测区在培养前期（前12 d）矿化速率变幅最大；15～30 cm土层的土壤矿化速率在前5 d降幅较大，且D监测区的值较高，在第3天，A、B、C监测区矿化速率接近，分别为4.57、4.71、4.78 mg/（kg·d） ；第5天后矿化量持续缓慢下降，第23天降至最低，最低矿化速率为0.82 mg/（kg·d），在培养后期其值呈逐渐上升趋势；前16 d培养中，B、D监测区矿化速率明显高于A、C监测区，而在培养后期（16～30 d），矿化速率较低（保持在初始值的26.5%左右）并呈小范围的稳定变化，4类土壤样本矿化速率差别较小，无显著差异（P<0.05）。

2.2 不同土壤剖面深度有机碳矿化速率的动态变化

不同土层深度（0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm）土壤有机碳在不同时间段（第1、3、9、23、30天）的矿化过程见图2。由图2可知，在培养前期（前3 d），A、B、D监测区各深度土壤有机碳矿化速率较大且不稳定，差异显著（P<0.05），第1天，3类监测区地表（0～10 cm）的矿化速率明显低于地下（20～100 cm）土样，有机碳矿化速率为5.26 mg/（kg·d），70～100 cm土层的土壤有机碳矿化速率较高，平均值为（21.86±4.39） mg/（kg·d）；C监测区地表矿化速率明显高于30～100 cm土层，地表有机碳矿化速率为5.98 mg/（kg·d），地下（30～100 cm）有机碳矿化速率为2.44 mg/（kg·d），保持在初始值40.9%；C监测区不同深度土壤有机碳矿化速率在不同时间段呈由地表到地下（100 cm）逐渐减小的趋势，变化基本一致，无显著差异，这与研究区的土壤质地有一定关系，C监测区（淮河农田）质地主要以砂壤土为主，黏土成分较低，其地表土壤孔隙度较大；B监测区第3天在土壤剖面上呈现中间（30～70 cm）土层土壤矿化速率较高，地表（0～30 cm）和地下（70～100 cm）土壤矿化速率较低，仅有1.29 mg/（kg·d）。

2.3 土壤有机碳矿化与土壤理化性质的关系

不同土地类型土壤有机碳矿化速率与相对应的每类土样的理化性质（SOC、MBC、pH、θm、土壤颗粒组成）见表2。由表2可知，C监测区土壤有机碳矿化速率明显高于其他3类监测区，且该区的MBC、砂粒含量明显较高，分别为23.44 mg/kg、35.88%，θm明显低于其他3类监测区，为18.07%，且差异显著（P<0.05），而SOC、pH无显著差异。土壤有机碳矿化速率由大到小依次为C、B、A、D，其与SOC、MBC、砂粒含量呈正相关或极显著正相关，而与pH、θm、粉粒含量、黏粒含量呈负相关或极显著负相关；土壤的颗粒组成会影响土壤孔隙度和持水性能，进而影响土壤呼吸（指未扰动的土壤向大气中排放CO2的过程，包括3个生物学过程：土壤微生物呼吸、根系呼吸与土壤动物呼吸和一个含碳矿物质的化学氧化作用的非生物学过程）和有机碳过程。这表明土壤有机碳矿化可能与有机质含量相关不大（相关系数0.144），而与微生物生物量碳、砂粒含量有很大的相关性（相关系数分别为0.834、0.938，P<0.01），这与李顺姬等[3]研究结果基本一致。

土壤水的体积分数（n=12）为16.92%～31.72%，表土pH为6.99～7.81，A、B、D 3个监测区土壤质地近似，为黏壤土，其土壤颗粒组成：土壤砂粒 16.48%，粉粒 56.20%，黏粒27.32%，C监测区为砂壤土，其土壤颗粒组成：砂粒35.88%，粉粒 45.84%，黏粒 18.28%。土壤质量含水量（θm，n=12）、土壤有机碳（SOC，n=12）、微生物生物量碳（MBC，n=12）的平均值分别为24.02 %、7.04 g/kg、12.94 mg/kg，不同样区

土壤的理化性质变异系数较大，尤其微生物生物量碳变异系数达54%，明显高于其他3类参数。不同理化性质对土壤有机碳矿化的影响，可通过建立回归方程进行分析并进行显著性水平检验（P<0.05）。

通过SPSS 16.0软件对数据进行处理，建立模型，其中土壤有机碳矿化速率与土壤理化性质（SOC、MBC、pH、θm）相关系数r为0.937，说明两者之间有很好的相关关系，R2为0.877，表示土壤有机碳矿化速率的87.7%变异可由以上4种理化性质解释。建立因变量Y（土壤有机碳矿化速率）与多个自变量X1（SOC）、X2（MBC）、X3（θm）、X4（pH）之间的回归方程：

Y=0.286X1+0.239X2-0.122X3+4.787X4-33.113

通过显著性水平对该回归方程进行检验（原假设相关系数等于0），得出α=0.003<0.05（P<0.05），则原假设不成立，即表示所建立的回归方程有意义，能够较好地表述因变量与多个自变量的关系。

由图3可知，4种土地类型的MBC含量由高到低依次为C、A、B、D，A、B、D监测区的土壤微生物生物量碳显著低于C监测区，保持在C监测区的47.74%、37.84%、35.14%，3类监测区MBC平均含量差异较小；土壤MBC含量变化不仅受土壤质地的影响，而且受土地利用方式[16]、植被类型[17]、管理耕作措施[18]、土壤湿度和温度[19]、碳氮限制[20]等因素的共同作用。4类有机碳含量保持在（7.04±1.51）g/kg，范围波动较小，两两之间存在显著差异。

2.4 土壤有机碳矿化模拟

对培养30 d内不同阶段测定的CO2-C释放量，应用一级动力学方程，和不同土壤类型、不同土层深度进行一元线性回归分析，拟合C0和k值。

y=C0×（1-e-kx）

式中，y为培养时间x（d）时的累积矿化量（mg/kg），C0为土壤有机碳的潜在矿化量（mg/kg），k为土壤有机碳的矿化速率常数，x为培养时间（d）。

运用一级动力学方程对不同土壤类型、不同剖面深度土壤有机碳矿化进行拟合，发现一级矿化动力学方程很好地描述了不同土壤类型、不同土层深度土壤有机碳的累积矿化量的动态变化（R2>0.95），这与相关研究结果一致[21-23]。参数拟合结果见表3。由表3可知，淮南地区土壤C0存在较大差异，且上下层土壤C0无明显规律，样本土壤C0为49.235～214.465 mg/kg，是土壤有机碳含量的0.71%～2.92%。不同土壤类型对地表C0有显著影响，土层深度不同对应C0值也有显著变化，4种土壤类型地表（0～15 cm）C0分别是15～30 cm土层的1.48、0.9、3.67、0.58倍。k值在2个土层深度上除B监测区k值相等外，其他监测区均呈下层土壤k值明显大于上层土壤的现象，其受土壤类型影响较小，变化范围不大。土壤有机碳矿化率（C0/SOC）是指在一定时间内土壤有机碳矿化释放的CO2-C含量占土壤总有机碳含量的比例，其值越低，土壤有机碳矿化量越少，则有机碳的固存能力越强。相关分析表明，地表C0/SOC与砂粒含量有显著相关性（P<0.05），砂砾含量大的土壤类型固碳能力较弱，且地表C0/SOC的变化趋势与C0的变化趋势基本一致。运用一级动力学方程较好地拟合了研究区土壤有机碳矿化累积量与时间的关系。

3 结论

（1） 土地利用类型及土壤质地会影响土壤有机碳矿化过程。砂壤土地表（0～15 cm）土壤有机碳矿化速率明显大于黏壤土的矿化速率。该研究中4种土地利用方式的土样，其土壤有机碳矿化速率、矿化累积量存在显著差异（P<0.05），土壤有机碳矿化速率均表现出随时间整体呈培养前期（第1～9天）快速下降、培养中后期（第9～30天）緩慢下降的趋势，这与王红等[24]研究的有机碳矿化环境影响因子的结论基本一致。

（2） 不同剖面深度土壤有机碳矿化速率不同。地表（0～10 cm）土样的有机碳矿化速率变化较大且不稳定。30～100 cm土层的黏壤土在前期（前9 d）土壤有机碳矿化速率变化较大且不稳定，不同土壤类型之间存在显著差异（P<0.05）。而淮河农田（砂壤土）不同深度的土壤有机碳矿化速率随时间无较大变化，这可能与土壤本身的颗粒组成、孔隙度及耕作措施有关。

（3） 土壤有机碳矿化量与其基本理化性质有密切关系。土壤有机碳矿化速率与微生物生物量碳（0.834**）和土壤砂粒含量（0.938**）呈极显著正相关（P<0.01），与粉粒含量（-0.816**）和黏粒含量（-0.949**）呈极显著负相关（P<0.01）；土壤有机碳矿化量与有机质含量、pH、土壤质量含水量均无明显的相关性，说明土壤矿化速率可能受微生物活动和土壤质地的影响更大。

（4） 运用一级矿化动力学方程表述土壤有机碳累积矿化量与培养时间的关系，其拟合程度较好，拟合效果均达R2>0.96以上。C0值与土壤剖面深度无明显关系，而地表C0/SOC与土壤颗粒组分存在显著相关性。

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