郭振　王小利　段建軍

摘要：以貴州長期定位試驗的黃壤性水稻土為對象，以單施有機肥處理為例，采用濕篩法和堿液吸收法研究不同粒徑土壤[粗顆粒（>250 μm）、微團聚體（53～250 μm）、單粉粒（2≤粒徑<53 μm）和單黏粒（<2 μm）]有機碳的礦化速率和累積礦化量，為提高土壤有機碳的穩(wěn)定性提供理論依據(jù)。結(jié)果表明：所有組分有機碳的礦化速率呈現(xiàn)出先快速上升后逐漸下降的趨勢，并在培養(yǎng)后4 d達到峰值，礦化速率CO2-C介于0.004 0～0.050 4 g/（kg·d）之間；培養(yǎng)前期單粉粒有機碳和微團聚體有機碳的礦化速率較高，粗顆粒有機碳礦化速率最低。所有組分的累積礦化量CO2-C介于0.151 7～0.185 4 g/kg之間，且粗顆粒和單黏粒有機碳累積礦化量較原土分別降低了13.3%和8.18%，其他組分較原土略有提高；微團聚體和單粉粒的有機碳累積礦化量較高，分別為0.176 4 g/kg和0.185 4 g/kg，顯著高于粗顆粒和單黏粒（P<0.05）。在培養(yǎng)前期所有組分的礦化速率方程為指數(shù)函數(shù)且達到極顯著水平（P<0.01），培養(yǎng)后期呈對數(shù)函數(shù)（P<0.01），累積礦化量呈對數(shù)函數(shù)由快到慢增長（P<0.01）。不同粒徑土壤中可礦化有機碳的分配比例無顯著差異（P>0.05），固碳能力依次是：粗顆粒>單黏粒>微團聚體>單粉粒。不同粒徑土壤中可礦化有機碳的分配比例隨粒級減小而變大，大粒徑土壤固碳能力較小粒徑強。

關(guān)鍵詞：黃壤性水稻土；粒徑；有機碳；礦化；穩(wěn)定性；礦化速率；累積礦化量

中圖分類號：S152文獻標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）14-0223-04

土壤碳庫作為陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分，其中有 1.5×1015 kg屬于土壤有機碳（SOC），具有相當(dāng)大的庫容[1]。SOC占全球土壤碳庫的60%左右，是大氣碳庫的1.98倍，因此SOC較小幅度的變化就會影響碳向大氣的排放，以溫室效應(yīng)影響全球氣候變化[2]。土壤碳素向大氣的排放主要是通過SOC的礦化作用以CO2的形式從土壤圈進入大氣圈。SOC的礦化作用是一個受土壤酶介導(dǎo)的生物化學(xué)過程，主要是通過土壤微生物利用、分解土壤活性有機碳（SAOC）來完成自身的代謝循環(huán)，同時釋放出CO2 的過程，直接關(guān)系到土壤中養(yǎng)分元素的釋放與供應(yīng)、溫室氣體的形成及土壤質(zhì)量的保持等[3-4]，因此探究SOC的礦化規(guī)律對于土壤養(yǎng)分的管理和溫室效應(yīng)的控制都具有非常重要的意義。土壤有機碳的礦化主要受土壤質(zhì)地、土壤水分以及溫度等因素的影響[5]，而不同粒徑土壤有機碳之間也存在顯著的礦化差異，會造成土壤環(huán)境明顯不同。劉晶等研究表明，不同粒徑有機碳之間的礦化速率存在顯著差異，粒徑>5 mm的土壤顆?？傻V化碳最低，但固碳潛力卻最強[6]。葛序娟等對湖南省桃源縣水稻土的研究表明，土壤有機碳礦化速率呈現(xiàn)出先升高后降低最后穩(wěn)定在一個較低水平上的特性[7]。魏亞偉等對喀斯特土壤團聚體及其穩(wěn)定性研究表明，隨培養(yǎng)時間的延長，土壤團聚體有機碳的礦化速率先增加再減小，20 d后趨于平穩(wěn)，而且隨著團聚體粒級的減小礦化速率逐漸增大[8]。國外有研究表明，土壤有機碳的礦化速率與土壤有機質(zhì)的質(zhì)量和團聚體密切相關(guān)[9]。土壤有機碳礦化主要通過室內(nèi)土壤需氧培養(yǎng)法測定，培養(yǎng)土壤中沒有有機碳輸入和淋溶輸出，土壤溫濕度也得以有效控制，培養(yǎng)中釋放CO2的趨勢和強度能反映不同條件下土壤有機碳的分解動態(tài)[10]。目前我國對土壤有機碳礦化的研究已有很多報道，但都主要集中在表層原狀土壤的研究[11-12]，對不同粒徑土壤有機碳的礦化研究較少。本研究采取貴州典型黃壤稻田土壤，對不同粒徑中土壤有機碳的礦化速率和累積礦化量進行研究，為提高土壤有機碳的穩(wěn)定性提供相應(yīng)的理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗設(shè)計

長期試驗地位于貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院內(nèi)（106°07′E、26°11′N），地處黔中丘陵區(qū)，平均海拔1 071 m，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年均日照時數(shù)1 354 h左右，年平均氣溫15.3 ℃，相對濕度75.5%，年降水量1 100～1 200 mm，全年無霜期270 d左右。試驗地為黃壤性水稻土，成土母質(zhì)為三疊系灰?guī)r與砂頁巖風(fēng)化物。該長期定位試驗起始于1995年，初始耕層（0～20 cm）土壤基本性質(zhì)為：有機質(zhì)31.15 g/kg（折有機碳18.07 g/kg），全氮1.76 g/kg，全磷2.30 g/kg，堿解氮134.4 mg/kg，速效磷21.1 mg/kg，速效鉀157.9 mg/kg，pH值6.63。設(shè)有11個施肥處理，采用大區(qū)對比試驗，不設(shè)重復(fù)，小區(qū)面積為201 m2。本研究根據(jù)需要僅選取單施有機肥的處理，對該施肥條件下不同粒徑土壤有機碳之間的礦化差異進行了初探。有機肥料為牛廄肥（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土樣采集和預(yù)處理

在2014年水稻收獲后的12月中下旬進行采樣，用“S”型采樣法隨機采集水田表層0～20 cm深土壤，5點組成一個土樣，取3次重復(fù)。將采集的土樣除去動、植物殘體混勻風(fēng)干分成2份，一部分研磨過2 mm篩用于濕篩分組，另一部分過0.25 mm篩，用于測定土壤有機碳。

1.3試驗方法

1.3.1土壤有機碳的分組和測定

采用濕篩法將過2 mm篩的土壤分離獲得>250 μm的粗顆粒有機碳、53≤粒徑≤250 μm的微團聚體有機碳、2≤粒徑<53 μm的單粉粒有機碳和<2 μm的單黏粒有機碳[13-14]。具體操作為：稱取20 g過2 mm篩的風(fēng)干土樣于微團聚體分離器套篩的頂部篩上（上層250 μm篩子，下層53 μm篩子），放入30個玻璃珠，然后上下擺動此裝置約20 min，留在250 μm篩上的組分為粗顆粒有機碳，在53～250 μm篩上的為微團聚體有機碳，過 53 μm 篩的為粘粉粒有機碳，然后將<53 μm的組分用離心法分別于900 r/min下離心7 min和3 200 r/min下離心 15 min 分離出單粉粒有機碳和單黏粒有機碳。所有組分均采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測得有機碳含量[15]。

1.3.2土壤有機碳礦化培養(yǎng)

稱取各組分土壤2 g于50 mL燒杯中，用蒸餾水調(diào)節(jié)至田間持水量的45%左右，將燒杯置于1 L廣口瓶中，放入25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中預(yù)培養(yǎng)24 h[16]；預(yù)培養(yǎng)結(jié)束后將盛有10 mL 0.01 mol/L NaOH溶液的燒杯放入廣口瓶中，密封，于25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中黑暗培養(yǎng)，在1、2、3、4、5、6、7、8 d將燒杯中的NaOH吸收液轉(zhuǎn)出并換上新的吸收液，并用稱質(zhì)量法補充水分至恒質(zhì)量，通氣30 min再加蓋繼續(xù)密閉黑暗培養(yǎng)。在轉(zhuǎn)出的吸收液中加入2 mL 1 mol/L的BaCl2溶液，然后加入酚酞指示劑1滴，用0.01 mol/L的HCl滴定未消耗的NaOH，通過HCl消耗量來計算釋放出的CO2量[17-18]。每個組分設(shè)置3次重復(fù)，并設(shè)空白對照。

1.4數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2016和SPSS 19.0軟件進行統(tǒng)計與分析。

2結(jié)果與分析

2.1不同粒徑土壤有機碳含量特征

圖1顯示，不同粒徑土壤有機碳含量之間均存在顯著差異（P<0.05）。以粗顆粒有機碳含量最高，達19.77 g/kg；單黏粒有機碳含量最低，僅有0.61 g/kg；微團聚體有機碳含量和單粉粒有機碳含量居中。其中粗顆粒有機碳含量分別是微團聚體、單粉粒、單黏粒有機碳含量的1.93倍、4.95倍和3227倍。微團聚體有機碳含量分別是單粉粒和單黏粒有機碳含量的2.57倍、16.75倍，單粉粒有機碳含量是單黏粒有機碳含量的6.52倍。

2.2不同粒徑土壤有機碳礦化特征

2.2.1原土有機碳礦化速率

圖2顯示了原土在室內(nèi)培養(yǎng)期間CO2-C的釋放速率隨培養(yǎng)時間的變化。在整個培養(yǎng)時間內(nèi)，原土有機碳的礦化速率呈現(xiàn)出先快速上升后逐漸下降的趨勢，并在培養(yǎng)4 d時達到峰值，礦化速率CO2-C介于001～0.05 g/（kg·d）之間。原土有機碳的日均礦化速率均表現(xiàn)出顯著性差異（P<0.05）。

2.2.2不同粒徑土壤有機碳礦化速率

圖3描述了不同粒徑土壤有機碳8 d內(nèi)日均礦化量的動態(tài)變化。4組不同粒徑土壤有機碳的日均礦化量都存在明顯的階段特征：在培養(yǎng)前4 d，土壤有機碳礦化速率有大幅度的上升，且在4 d時達到峰值，之后土壤有機碳礦化速率均逐漸下降，說明隨著培養(yǎng)時間的延長，易礦化有機碳逐漸減少，微生物開始分解難礦化有機碳，因此CO2-C的釋放速率開始降低。在培養(yǎng)1 d時，不同粒徑間土壤有機碳礦化速率無顯著差異（P>0.05）；2 d時，單粉粒有機碳的礦化速率顯著（P<0.05）高于粗顆粒有機碳礦化速率；3 d時，微團聚體有機碳的礦化速率最大；4 d時，所有組分有機碳礦化速率均達到峰值但無顯著性差異（P>0.05）；在培養(yǎng)后期的5～8 d，隨著培養(yǎng)時間的增加，不同粒徑間土壤有機碳礦化速率的差異逐漸變小，礦化量基本穩(wěn)定且無顯著性差異（P>0.05）。粗顆粒有機碳的礦化速率介于0.005 1～0.043 5 g/（kg·d）之間，日均礦化速率大小為4 d>3 d>5 d>6 d>7 d>2 d>8 d>1 d；微團聚體有機碳的礦化速率介于0.004 7～0.050 4 g/（kg·d）之間，前4 d彼此之間均呈顯著性差異（P<0.05），培養(yǎng)后期土壤有機碳的礦化差異逐漸變小且相對穩(wěn)定；單粉粒有機碳的礦化速率介于0.005 2～0.049 0 g/（kg·d）之間，8 d時礦化速率最低，是4 d時礦化速率的10.61%；單黏粒有機碳的礦化速率低于其他粒徑，介于0.004 0～0.042 2 g/（kg·d） 之間。

2.2.3不同粒徑土壤有機碳累積礦化量

圖4表明，原土有機碳的累積礦化量為0.175 0 g/kg，不同粒徑土壤有機碳的累積礦化量介于0.151 7～0.185 4 g/kg之間，且隨培養(yǎng)時間的延長而呈上升趨勢，但有機碳累積釋放強度逐漸減緩。與原土相比，粗顆粒有機碳和單黏粒有機碳累積礦化量分別降低了13.3%和8.18%，微團聚體有機碳和單粉粒有機碳累積礦化量分別提高了0.8%和5.93%。微團聚體有機碳累積礦化量和原土有機碳累積礦化量相近，在0.005 4～0.176 4 g/kg 之間。微團聚體有機碳累積礦化量和單粉粒有機碳累積礦化量較高，分別是0.176 4 g/kg和0.185 4 g/kg，是粗顆粒有機碳累積礦化量的1.16倍和1.22倍，不僅顯著高于粗顆粒有機碳累積礦化量，也顯著高于單黏粒土壤有機碳的累積礦化量。

2.3土壤有機碳礦化速率方程和累積礦化量方程

根據(jù)土壤有機碳礦化速率將整個培養(yǎng)期分為前4 d的快速增長階段和后4 d的緩慢下降階段。對圖2原土有機碳的礦化速率和圖3不同粒徑土壤有機碳的礦化速率進行擬合，結(jié)果見表1，表明在培養(yǎng)前期原土和不同粒徑土壤有機碳的礦化速率隨培養(yǎng)時間的變化符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系，相關(guān)性均達到極顯著水平（P<0.01）；在培養(yǎng)后期原土和不同粒徑土壤有機碳的礦化速率隨培養(yǎng)時間的變化符合對數(shù)函數(shù)關(guān)系，相關(guān)性也均達到極顯著水平（P<0.01）；對圖4原土及不同粒徑土壤有機碳的累積礦化量進行擬合，結(jié)果見表1，表明在整個培養(yǎng)期內(nèi)，原土和不同粒徑土壤有機碳累積礦化量隨培養(yǎng)時間的變化符合對數(shù)函數(shù)關(guān)系，相關(guān)性均達到極顯著水平（P<0.01）。

2.4不同粒徑中可礦化有機碳的分配比例

土壤可礦化有機碳的分配比例是在培養(yǎng)時間內(nèi)土壤有機碳礦化釋放的CO2-C量占土壤總有機碳含量的比例，它從某種程度上反映了土壤的固碳能力，如果該比例越低，表明土壤的固碳能力越強，反之則固碳能力越弱[19]。本研究中，不同粒徑土壤中可礦化有機碳的分配比例無顯著差異（P>0.05），變化范圍在0.47%～0.57%，但粗顆粒和單黏粒的可礦化有機碳分配比例較低，單粉粒和微團聚體的可礦化有機碳分配比例較高，不同粒徑土壤組分的固碳能力依次是：粗顆粒>單黏粒>微團聚體>單粉粒（圖5）。表明不同粒徑土壤中可礦化有機碳的分配比例隨粒級減小而變大，大粒徑土壤固碳能力較小粒徑更強。

3討論

土壤有機碳的礦化受土壤顆粒組成、土壤溫度、濕度、pH值、施肥措施、土地類型和質(zhì)地等因素的影響，不同組分有機碳因土壤物理、化學(xué)、生物和非生物等性質(zhì)的差異會造成土壤有機碳含量的改變，甚至不同組分間會出現(xiàn)顯著性差異，從而對不同組分土壤有機碳的礦化速率和累積礦化量產(chǎn)生不同程度的影響[6]。本研究中，經(jīng)過單施有機肥處理的土壤有機碳主要分布于粗顆粒上，不同粒徑土壤有機碳含量占土壤總有機碳含量的百分比依次是：粗顆粒有機碳（55.51%）>微團聚體有機碳（28.80%）>單粉粒有機碳（11.22%）>單黏粒有機碳（1.72%）。王芳等研究結(jié)果表明，太湖地區(qū)黃泥土、烏泥土、白土3種土壤耕層有機碳主要存在于250～2 000 μm 和20～250 μm粒級團聚體上[20]。郭菊花等對紅壤性水稻土的研究也指出，土壤有機碳主要分配在250～2 000 μm 的大團聚體上[21]。說明有機碳含量高的組分主要依靠有機膠結(jié)物質(zhì)，這不僅與施肥措施有關(guān)，還與大團聚體的物理保護機制相關(guān)。劉京等在對乾縣土壤定點培肥試驗地土壤團聚體分析測定時指出，施有機肥或有機無機肥配施可明顯增加土壤團聚體含量[22]。

土壤有機碳按其分解的難易程度可分為活性有機碳庫和惰性有機碳庫，前者礦化速率較快、易被微生物分解利用；后者穩(wěn)定性高，礦化速率較慢且很難被分解。本研究中在培養(yǎng)的4 d時，原土及不同粒徑土壤有機碳的礦化速率達到最大，因為礦化初期土壤中存在易分解的糖類和蛋白質(zhì)等有機物質(zhì)，為微生物活動提供了足夠的養(yǎng)分，且礦化初期土壤有機碳的礦化速率隨培養(yǎng)時間的變化呈指數(shù)函數(shù)，同時達到極顯著水平（P<0.01）；之后由于糖類和蛋白質(zhì)等有機物質(zhì)的減少，土壤微生物開始利用惰性有機碳，原土及各粒徑土壤有機碳礦化速率隨培養(yǎng)時間的變化符合對數(shù)函數(shù)且達到極顯著水平（P<0.01），后期的研究結(jié)果與陳濤等[23-24]的研究結(jié)果類似。本研究中，小粒徑土壤有機碳的礦化速率和累積礦化量大于大粒徑，這說明土壤大團聚體的有機碳較穩(wěn)定，不易分解，而小團聚體中的有機碳易礦化，不利于有機碳的儲存，這與魏亞偉等的研究結(jié)果[8]類似，但與部分研究結(jié)果不同：Elliott等研究表明，大團聚體中的有機碳比較年輕，因而比微團聚體中的有機碳更易礦化[25]；Puget等研究發(fā)現(xiàn)，小團聚體中的有機碳比大團聚體中的有機碳老化，這可能與土壤母質(zhì)、地上植被和生態(tài)環(huán)境的差異有關(guān)[26]，因而造成土壤團聚體中有機碳的分布不同。不同粒徑土壤有機碳的礦化速率和累積礦化量均以粗顆粒有機碳組分最小，其他組分較大，這可能與各粒徑土壤中有機碳含量和微生物相關(guān)，Sato等研究結(jié)果表明，土壤可礦化碳與微生物生物量碳和土壤有機碳有著很好的相關(guān)性，但不同粒級團聚體中有機碳礦化量的差異，除與土壤微生物和有機碳含量有關(guān)外，還可能受其他多種因素的影響[27]。本研究中，不同粒徑土壤中可礦化有機碳的分配比例無顯著差異，變化范圍在0.47%～0.57%，可礦化有機碳分配比例大小順序依次是：單粉粒有機碳>微團聚體有機碳>單黏粒有機碳>粗顆粒有機碳，表明粗顆粒組分的固碳能力最強，其次是單黏粒、微團聚體、單粉粒。此結(jié)果與劉晶等的研究報道[6]一致，表明團聚體可礦化有機碳的分配比例隨粒級減小而變大，大團聚體的固碳能力強于小團聚體的固碳能力。

4結(jié)論

（1）原土及不同粒徑土壤有機碳的礦化速率呈現(xiàn)出先快速升高后緩慢降低的趨勢，累積礦化量呈現(xiàn)出培養(yǎng)前期增長速率較快后期增長速率較慢的趨勢。

（2）培養(yǎng)前期原土及不同粒徑土壤有機碳的礦化速率呈指數(shù)函數(shù)且達到極顯著水平，培養(yǎng)后期呈對數(shù)函數(shù)且達到極顯著水平，累積礦化量也呈對數(shù)函數(shù)由快到慢增長且達到極顯著水平（P<0.01）。

（3）不同粒徑土壤中可礦化有機碳的分配比例無顯著差異，固碳能力依次是：粗顆粒>單黏粒>微團聚體>單粉粒。

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