贵州黄壤性水稻土不同粒径有机碳之间的矿化差异

郭振　王小利　段建军

摘要：以贵州长期定位试验的黄壤性水稻土为对象，以单施有机肥处理为例，采用湿筛法和碱液吸收法研究不同粒径土壤[粗颗粒（>250 μm）、微团聚体（53～250 μm）、单粉粒（2≤粒径<53 μm）和单黏粒（<2 μm）]有机碳的矿化速率和累积矿化量，为提高土壤有机碳的稳定性提供理论依据。结果表明：所有组分有机碳的矿化速率呈现出先快速上升后逐渐下降的趋势，并在培养后4 d达到峰值，矿化速率CO2-C介于0.004 0～0.050 4 g/（kg·d）之间；培养前期单粉粒有机碳和微团聚体有机碳的矿化速率较高，粗颗粒有机碳矿化速率最低。所有组分的累积矿化量CO2-C介于0.151 7～0.185 4 g/kg之间，且粗颗粒和单黏粒有机碳累积矿化量较原土分别降低了13.3%和8.18%，其他组分较原土略有提高；微团聚体和单粉粒的有机碳累积矿化量较高，分别为0.176 4 g/kg和0.185 4 g/kg，显著高于粗颗粒和单黏粒（P<0.05）。在培养前期所有组分的矿化速率方程为指数函数且达到极显著水平（P<0.01），培养后期呈对数函数（P<0.01），累积矿化量呈对数函数由快到慢增长（P<0.01）。不同粒径土壤中可矿化有机碳的分配比例无显著差异（P>0.05），固碳能力依次是：粗颗粒>单黏粒>微团聚体>单粉粒。不同粒径土壤中可矿化有机碳的分配比例隨粒级减小而变大，大粒径土壤固碳能力较小粒径强。

关键词：黄壤性水稻土；粒径；有机碳；矿化；稳定性；矿化速率；累积矿化量

中图分类号：S152文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2017）14-0223-04

土壤碳库作为陆地生态系统重要的组成部分，其中有 1.5×1015 kg属于土壤有机碳（SOC），具有相当大的库容[1]。SOC占全球土壤碳库的60%左右，是大气碳库的1.98倍，因此SOC较小幅度的变化就会影响碳向大气的排放，以温室效应影响全球气候变化[2]。土壤碳素向大气的排放主要是通过SOC的矿化作用以CO2的形式从土壤圈进入大气圈。SOC的矿化作用是一个受土壤酶介导的生物化学过程，主要是通过土壤微生物利用、分解土壤活性有机碳（SAOC）来完成自身的代谢循环，同时释放出CO2 的过程，直接关系到土壤中养分元素的释放与供应、温室气体的形成及土壤质量的保持等[3-4]，因此探究SOC的矿化规律对于土壤养分的管理和温室效应的控制都具有非常重要的意义。土壤有机碳的矿化主要受土壤质地、土壤水分以及温度等因素的影响[5]，而不同粒径土壤有机碳之间也存在显著的矿化差异，会造成土壤环境明显不同。刘晶等研究表明，不同粒径有机碳之间的矿化速率存在显著差异，粒径>5 mm的土壤颗粒可矿化碳最低，但固碳潜力却最强[6]。葛序娟等对湖南省桃源县水稻土的研究表明，土壤有机碳矿化速率呈现出先升高后降低最后稳定在一个较低水平上的特性[7]。魏亚伟等对喀斯特土壤团聚体及其稳定性研究表明，随培养时间的延长，土壤团聚体有机碳的矿化速率先增加再减小，20 d后趋于平稳，而且随着团聚体粒级的减小矿化速率逐渐增大[8]。国外有研究表明，土壤有机碳的矿化速率与土壤有机质的质量和团聚体密切相关[9]。土壤有机碳矿化主要通过室内土壤需氧培养法测定，培养土壤中没有有机碳输入和淋溶输出，土壤温湿度也得以有效控制，培养中释放CO2的趋势和强度能反映不同条件下土壤有机碳的分解动态[10]。目前我国对土壤有机碳矿化的研究已有很多报道，但都主要集中在表层原状土壤的研究[11-12]，对不同粒径土壤有机碳的矿化研究较少。本研究采取贵州典型黄壤稻田土壤，对不同粒径中土壤有机碳的矿化速率和累积矿化量进行研究，为提高土壤有机碳的稳定性提供相应的理论依据。

1材料与方法

1.1试验设计

长期试验地位于贵州省农业科学院内（106°07′E、26°11′N），地处黔中丘陵区，平均海拔1 071 m，属于亚热带季风气候，年均日照时数1 354 h左右，年平均气温15.3 ℃，相对湿度75.5%，年降水量1 100～1 200 mm，全年无霜期270 d左右。试验地为黄壤性水稻土，成土母质为三叠系灰岩与砂页岩风化物。该长期定位试验起始于1995年，初始耕层（0～20 cm）土壤基本性质为：有机质31.15 g/kg（折有机碳18.07 g/kg），全氮1.76 g/kg，全磷2.30 g/kg，碱解氮134.4 mg/kg，速效磷21.1 mg/kg，速效钾157.9 mg/kg，pH值6.63。设有11个施肥处理，采用大区对比试验，不设重复，小区面积为201 m2。本研究根据需要仅选取单施有机肥的处理，对该施肥条件下不同粒径土壤有机碳之间的矿化差异进行了初探。有机肥料为牛厩肥（平均含C 413.8 g/kg、N 2.7 g/kg、P2O5 1.3 g/kg、K2O 6.0 g/kg），年施用量61.1 t/hm2。

1.2土样采集和预处理

在2014年水稻收获后的12月中下旬进行采样，用“S”型采样法随机采集水田表层0～20 cm深土壤，5点组成一个土样，取3次重复。将采集的土样除去动、植物残体混匀风干分成2份，一部分研磨过2 mm筛用于湿筛分组，另一部分过0.25 mm筛，用于测定土壤有机碳。

1.3试验方法

1.3.1土壤有机碳的分组和测定

采用湿筛法将过2 mm筛的土壤分离获得>250 μm的粗颗粒有机碳、53≤粒径≤250 μm的微团聚体有机碳、2≤粒径<53 μm的单粉粒有机碳和<2 μm的单黏粒有机碳[13-14]。具体操作为：称取20 g过2 mm筛的风干土样于微团聚体分离器套筛的顶部筛上（上层250 μm筛子，下层53 μm筛子），放入30个玻璃珠，然后上下摆动此装置约20 min，留在250 μm筛上的组分为粗颗粒有机碳，在53～250 μm筛上的为微团聚体有机碳，过 53 μm 筛的为粘粉粒有机碳，然后将<53 μm的组分用离心法分别于900 r/min下离心7 min和3 200 r/min下离心 15 min 分离出单粉粒有机碳和单黏粒有机碳。所有组分均采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法测得有机碳含量[15]。

1.3.2土壤有机碳矿化培养

称取各组分土壤2 g于50 mL烧杯中，用蒸馏水调节至田间持水量的45%左右，将烧杯置于1 L广口瓶中，放入25 ℃恒温培养箱中预培养24 h[16]；预培养结束后将盛有10 mL 0.01 mol/L NaOH溶液的烧杯放入广口瓶中，密封，于25 ℃恒温培养箱中黑暗培养，在1、2、3、4、5、6、7、8 d将烧杯中的NaOH吸收液转出并换上新的吸收液，并用称质量法补充水分至恒质量，通气30 min再加盖继续密闭黑暗培养。在转出的吸收液中加入2 mL 1 mol/L的BaCl2溶液，然后加入酚酞指示剂1滴，用0.01 mol/L的HCl滴定未消耗的NaOH，通过HCl消耗量来计算释放出的CO2量[17-18]。每个组分设置3次重复，并设空白对照。

1.4数据分析

试验数据采用Excel 2016和SPSS 19.0软件进行统计与分析。

2结果与分析

2.1不同粒径土壤有机碳含量特征

图1显示，不同粒径土壤有机碳含量之间均存在显著差异（P<0.05）。以粗颗粒有机碳含量最高，达19.77 g/kg；单黏粒有机碳含量最低，仅有0.61 g/kg；微团聚体有机碳含量和单粉粒有机碳含量居中。其中粗颗粒有机碳含量分别是微团聚体、单粉粒、单黏粒有机碳含量的1.93倍、4.95倍和3227倍。微团聚体有机碳含量分别是单粉粒和单黏粒有机碳含量的2.57倍、16.75倍，单粉粒有机碳含量是单黏粒有机碳含量的6.52倍。

2.2不同粒径土壤有机碳矿化特征

2.2.1原土有机碳矿化速率

图2显示了原土在室内培养期间CO2-C的释放速率随培养时间的变化。在整个培养时间内，原土有机碳的矿化速率呈现出先快速上升后逐渐下降的趋势，并在培养4 d时达到峰值，矿化速率CO2-C介于001～0.05 g/（kg·d）之间。原土有机碳的日均矿化速率均表现出显著性差异（P<0.05）。

2.2.2不同粒径土壤有机碳矿化速率

图3描述了不同粒径土壤有机碳8 d内日均矿化量的动态变化。4组不同粒径土壤有机碳的日均矿化量都存在明显的阶段特征：在培养前4 d，土壤有机碳矿化速率有大幅度的上升，且在4 d时達到峰值，之后土壤有机碳矿化速率均逐渐下降，说明随着培养时间的延长，易矿化有机碳逐渐减少，微生物开始分解难矿化有机碳，因此CO2-C的释放速率开始降低。在培养1 d时，不同粒径间土壤有机碳矿化速率无显著差异（P>0.05）；2 d时，单粉粒有机碳的矿化速率显著（P<0.05）高于粗颗粒有机碳矿化速率；3 d时，微团聚体有机碳的矿化速率最大；4 d时，所有组分有机碳矿化速率均达到峰值但无显著性差异（P>0.05）；在培养后期的5～8 d，随着培养时间的增加，不同粒径间土壤有机碳矿化速率的差异逐渐变小，矿化量基本稳定且无显著性差异（P>0.05）。粗颗粒有机碳的矿化速率介于0.005 1～0.043 5 g/（kg·d）之间，日均矿化速率大小为4 d>3 d>5 d>6 d>7 d>2 d>8 d>1 d；微团聚体有机碳的矿化速率介于0.004 7～0.050 4 g/（kg·d）之间，前4 d彼此之间均呈显著性差异（P<0.05），培养后期土壤有机碳的矿化差异逐渐变小且相对稳定；单粉粒有机碳的矿化速率介于0.005 2～0.049 0 g/（kg·d）之间，8 d时矿化速率最低，是4 d时矿化速率的10.61%；单黏粒有机碳的矿化速率低于其他粒径，介于0.004 0～0.042 2 g/（kg·d） 之间。

2.2.3不同粒径土壤有机碳累积矿化量

图4表明，原土有机碳的累积矿化量为0.175 0 g/kg，不同粒径土壤有机碳的累积矿化量介于0.151 7～0.185 4 g/kg之间，且随培养时间的延长而呈上升趋势，但有机碳累积释放强度逐渐减缓。与原土相比，粗颗粒有机碳和单黏粒有机碳累积矿化量分别降低了13.3%和8.18%，微团聚体有机碳和单粉粒有机碳累积矿化量分别提高了0.8%和5.93%。微团聚体有机碳累积矿化量和原土有机碳累积矿化量相近，在0.005 4～0.176 4 g/kg 之间。微团聚体有机碳累积矿化量和单粉粒有机碳累积矿化量较高，分别是0.176 4 g/kg和0.185 4 g/kg，是粗颗粒有机碳累积矿化量的1.16倍和1.22倍，不仅显著高于粗颗粒有机碳累积矿化量，也显著高于单黏粒土壤有机碳的累积矿化量。

2.3土壤有机碳矿化速率方程和累积矿化量方程

根据土壤有机碳矿化速率将整个培养期分为前4 d的快速增长阶段和后4 d的缓慢下降阶段。对图2原土有机碳的矿化速率和图3不同粒径土壤有机碳的矿化速率进行拟合，结果见表1，表明在培养前期原土和不同粒径土壤有机碳的矿化速率随培养时间的变化符合指数函数关系，相关性均达到极显著水平（P<0.01）；在培养后期原土和不同粒径土壤有机碳的矿化速率随培养时间的变化符合对数函数关系，相关性也均达到极显著水平（P<0.01）；对图4原土及不同粒径土壤有机碳的累积矿化量进行拟合，结果见表1，表明在整个培养期内，原土和不同粒径土壤有机碳累积矿化量随培养时间的变化符合对数函数关系，相关性均达到极显著水平（P<0.01）。

2.4不同粒径中可矿化有机碳的分配比例

土壤可矿化有机碳的分配比例是在培养时间内土壤有机碳矿化释放的CO2-C量占土壤总有机碳含量的比例，它从某种程度上反映了土壤的固碳能力，如果该比例越低，表明土壤的固碳能力越强，反之则固碳能力越弱[19]。本研究中，不同粒径土壤中可矿化有机碳的分配比例无显著差异（P>0.05），变化范围在0.47%～0.57%，但粗颗粒和单黏粒的可矿化有机碳分配比例较低，单粉粒和微团聚体的可矿化有机碳分配比例较高，不同粒径土壤组分的固碳能力依次是：粗颗粒>单黏粒>微团聚体>单粉粒（图5）。表明不同粒径土壤中可矿化有机碳的分配比例随粒级减小而变大，大粒径土壤固碳能力较小粒径更强。

3讨论

土壤有机碳的矿化受土壤颗粒组成、土壤温度、湿度、pH值、施肥措施、土地类型和质地等因素的影响，不同组分有机碳因土壤物理、化学、生物和非生物等性质的差异会造成土壤有机碳含量的改变，甚至不同组分间会出现显著性差异，从而对不同组分土壤有机碳的矿化速率和累积矿化量产生不同程度的影响[6]。本研究中，经过单施有机肥处理的土壤有机碳主要分布于粗颗粒上，不同粒径土壤有机碳含量占土壤总有机碳含量的百分比依次是：粗颗粒有机碳（55.51%）>微团聚体有机碳（28.80%）>单粉粒有机碳（11.22%）>单黏粒有机碳（1.72%）。王芳等研究结果表明，太湖地区黄泥土、乌泥土、白土3种土壤耕层有机碳主要存在于250～2 000 μm 和20～250 μm粒级团聚体上[20]。郭菊花等对红壤性水稻土的研究也指出，土壤有机碳主要分配在250～2 000 μm 的大团聚体上[21]。说明有机碳含量高的组分主要依靠有机胶结物质，这不仅与施肥措施有关，还与大团聚体的物理保护机制相关。刘京等在对乾县土壤定点培肥试验地土壤团聚体分析测定时指出，施有机肥或有机无机肥配施可明显增加土壤团聚体含量[22]。

土壤有机碳按其分解的难易程度可分为活性有机碳库和惰性有机碳库，前者矿化速率较快、易被微生物分解利用；后者稳定性高，矿化速率较慢且很难被分解。本研究中在培养的4 d时，原土及不同粒径土壤有机碳的矿化速率达到最大，因为矿化初期土壤中存在易分解的糖类和蛋白质等有机物质，为微生物活动提供了足够的养分，且矿化初期土壤有机碳的矿化速率随培养时间的变化呈指数函数，同时达到极显著水平（P<0.01）；之后由于糖类和蛋白质等有机物质的减少，土壤微生物开始利用惰性有机碳，原土及各粒径土壤有机碳矿化速率随培养时间的变化符合对数函数且达到极显著水平（P<0.01），后期的研究结果与陈涛等[23-24]的研究结果类似。本研究中，小粒径土壤有机碳的矿化速率和累积矿化量大于大粒径，这说明土壤大团聚体的有机碳较稳定，不易分解，而小团聚体中的有机碳易矿化，不利于有机碳的储存，这与魏亚伟等的研究结果[8]类似，但与部分研究结果不同：Elliott等研究表明，大团聚体中的有机碳比较年轻，因而比微团聚体中的有机碳更易矿化[25]；Puget等研究发现，小团聚体中的有机碳比大团聚体中的有机碳老化，这可能与土壤母质、地上植被和生态环境的差异有关[26]，因而造成土壤团聚体中有机碳的分布不同。不同粒径土壤有机碳的矿化速率和累积矿化量均以粗颗粒有机碳组分最小，其他组分较大，这可能与各粒径土壤中有机碳含量和微生物相关，Sato等研究结果表明，土壤可矿化碳与微生物生物量碳和土壤有机碳有着很好的相关性，但不同粒级团聚体中有机碳矿化量的差异，除与土壤微生物和有机碳含量有关外，还可能受其他多种因素的影响[27]。本研究中，不同粒径土壤中可矿化有机碳的分配比例无显著差异，变化范围在0.47%～0.57%，可矿化有机碳分配比例大小顺序依次是：单粉粒有机碳>微团聚体有机碳>单黏粒有机碳>粗颗粒有机碳，表明粗颗粒组分的固碳能力最强，其次是单黏粒、微团聚体、单粉粒。此结果与刘晶等的研究报道[6]一致，表明团聚体可矿化有机碳的分配比例随粒级减小而变大，大团聚体的固碳能力强于小团聚体的固碳能力。

4结论

（1）原土及不同粒径土壤有机碳的矿化速率呈现出先快速升高后缓慢降低的趋势，累积矿化量呈现出培养前期增长速率较快后期增长速率较慢的趋势。

（2）培养前期原土及不同粒径土壤有机碳的矿化速率呈指数函数且达到极显著水平，培养后期呈对数函数且达到极显著水平，累积矿化量也呈对数函数由快到慢增长且达到极显著水平（P<0.01）。

（3）不同粒径土壤中可矿化有机碳的分配比例无显著差异，固碳能力依次是：粗颗粒>单黏粒>微团聚体>单粉粒。

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