李傳松 張亦婷 趙興敏 隋標(biāo) 王鴻斌

摘要：以黑鈣土為研究對(duì)象，采用室內(nèi)培養(yǎng)方法，設(shè)置空白對(duì)照（NCK）、添加秸稈（NJ）、有機(jī)無(wú)機(jī)肥混施（NH）、凍融土培養(yǎng)（DCK）、凍融秸稈培養(yǎng)（DJ）與凍融混施肥培養(yǎng)（DH）6個(gè)處理。研究表明，NJ、DJ的CO2釋放速率及累積釋放量較高，DCK最低。CO2累積釋放量較好地符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程（R2>0.89），CO2潛在釋放量參數(shù)Ci由大到小為NJ>DJ>NH>DH>NCK>DCK。NH、DH的黑鈣土碳酸鹽含量顯著高于其他處理（P<0.05），而凍融處理對(duì)土壤碳酸鹽含量的影響較小。添加秸稈的處理（NJ、DJ）土壤總碳、有機(jī)碳含量明顯高于其他處理，而添加有機(jī)無(wú)機(jī)混合肥的處理（NH、DH）土壤總碳、有機(jī)碳含量與空白對(duì)照差別不大。凍融循環(huán)可以提升土壤碳含量，但與非凍融處理沒(méi)有明顯差異。綜上所述，秸稈對(duì)土壤有機(jī)碳含量的提升有重要作用，但也增加了CO2累積釋放量;有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施對(duì)土壤固碳能力影響較小，，但能顯著增加黑鈣土中碳酸鹽的含量;凍融循環(huán)對(duì)土壤碳酸鹽、有機(jī)碳含量的影響不明顯，但可以減少添加有機(jī)物料后土壤CO2的潛在釋放量。

關(guān)鍵詞：凍融作用;秸稈;有機(jī)無(wú)機(jī)肥;黑鈣土;CO2釋放;有機(jī)碳;碳酸鹽

中圖分類(lèi)號(hào)： S153.6? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A? 文章編號(hào)：1002-1302（2019）10-0272-06

黑鈣土是吉林省重要的農(nóng)業(yè)土壤和畜牧業(yè)生產(chǎn)基地土壤[1]。但近年來(lái)，由于土地過(guò)度使用和風(fēng)蝕、水蝕等作用，引起有機(jī)質(zhì)（SOM）的積累條件發(fā)生變化并且分解加快，腐殖質(zhì)層逐漸變薄、含量減少[2]。為了穩(wěn)定及逐步增加黑鈣土SOM含量，秸稈還田及施用有機(jī)肥成為土地培肥的主要方式[3]，但有機(jī)物料進(jìn)入土壤后，在向腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化的同時(shí)，也會(huì)礦化生成CO2，因此，需要研究培肥過(guò)程中黑鈣土CO2的釋放特征，為構(gòu)建環(huán)境友好型的秸稈還田和有機(jī)肥施用方式提供理論依據(jù)[4-7]。土壤有機(jī)質(zhì)泛指以各種形態(tài)存在于土壤中的各種含碳有機(jī)化合物，其中所含的碳元素被稱(chēng)為土壤有機(jī)碳（SOC），其對(duì)全球碳平衡有重要作用，被認(rèn)為是影響全球溫室效應(yīng)的主要因素[8-9]。研究表明，我國(guó)東北地區(qū)黑鈣土逐漸出現(xiàn)SOM與養(yǎng)分含量降低、質(zhì)地變輕、保水保肥能力變?nèi)跻约俺嗜鯄A性反應(yīng)等問(wèn)題[1]，SOM、SOC含量的減少限制了農(nóng)業(yè)發(fā)展。因此，為解決這一問(wèn)題，保障農(nóng)業(yè)正常生產(chǎn)，提升黑鈣土的SOM含量已成為土壤改良的重點(diǎn)。大量研究證明，秸稈還田、增施有機(jī)肥或有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施等土壤培肥方式在提高土壤肥力、促進(jìn)有機(jī)質(zhì)積累等方面具有顯著的作用[10-12]。有機(jī)物料進(jìn)入土壤后，在緩慢腐殖化的同時(shí)，也會(huì)礦化或激發(fā)土壤有機(jī)碳礦化，生成CO2釋放到大氣中，農(nóng)業(yè)土地利用上的碳排放問(wèn)題逐漸引起研究者的關(guān)注[13-15]。影響土壤有機(jī)碳分解的因素較多[16]，其中外源碳種類(lèi)對(duì)SOC的分解有一定影響，與有機(jī)肥相比，玉米秸稈碳多氮少，C/N比較高，施入土壤后由于氮素缺乏，微生物分解作用緩慢，土壤有機(jī)碳得以較多的積累[17];氣候因素對(duì)SOC的影響也不容忽視，全球氣候變暖引起中高緯度及高海拔地區(qū)多年凍土區(qū)退化，出現(xiàn)凍融循環(huán)新模式，在凍融過(guò)程中，土壤有機(jī)質(zhì)不同程度地暴露出來(lái)，加快了SOC的礦化[18]。黑鈣土是松嫩平原重要的土壤類(lèi)型，前人就提升黑鈣土有機(jī)質(zhì)含量已做了一些相關(guān)工作，而關(guān)于改良過(guò)程中黑鈣土CO2釋放、碳酸鹽含量變化及凍融交替作用影響的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。以松嫩平原典型黑鈣土為研究對(duì)象，采用室內(nèi)培養(yǎng)方法研究秸稈和有機(jī)肥對(duì)土壤有機(jī)碳和CO2釋放的影響，并利用堿液吸收、容量滴定法及重鉻酸鉀氧化外加熱法，測(cè)定黑鈣土培養(yǎng)期間的CO2釋放量、碳酸鹽含量及有機(jī)碳含量，揭示凍融及有機(jī)物料添加下，黑鈣土CO2的釋放、碳酸鹽含量變化及有機(jī)碳積累特征，為探尋有效的增加土壤有機(jī)碳含量、減少CO2釋放量的有機(jī)物料還田方式，建立環(huán)境友好型土壤培肥方式提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試土壤為黑鈣土，于2016年6月采自吉林省松原市前郭縣紅旗農(nóng)場(chǎng)（124°47′E，45°23′N(xiāo)）玉米試驗(yàn)田，采用蛇形布點(diǎn)、多點(diǎn)混合的方法進(jìn)行采樣，取土深度為0～20 cm。樣品于室內(nèi)自然風(fēng)干，去除肉眼可見(jiàn)的秸稈等有機(jī)殘?bào)w，過(guò)2 mm篩，混勻備用。土壤pH值為6.87，有機(jī)碳含量為 15.05 g/kg，堿解氮含量為94.43 mg/kg，速效磷含量為 44.45 mg/kg，速效鉀含量為188.21 mg/kg，全氮含量為 1.59 g/kg，C/N比為10.03，碳酸鹽含量為16.00 g/kg。供試玉米秸稈采自吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田，樣品自然風(fēng)干，去除雜物后粉碎過(guò)1 mm篩備用;有機(jī)無(wú)機(jī)混合肥為摻混肥（N、P、K的含量分別為28%、15%、12%）與有機(jī)肥以質(zhì)量比3 ∶ 2比例混合制得，其養(yǎng)分組成如表1所示。

1.2 培養(yǎng)試驗(yàn)

試驗(yàn)共設(shè)6個(gè)處理：（1）無(wú)肥料添加的空白對(duì)照，NCK;（2）添加秸稈，NJ;（3）添加有機(jī)無(wú)機(jī)混合肥，NH;（4）無(wú)添加凍融循環(huán)，DCK;（5）添加秸稈后凍融循環(huán)，DJ;（6）添加有機(jī)無(wú)機(jī)混合肥后凍融循環(huán)，DH。每個(gè)處理重復(fù)3次，共設(shè)11個(gè)取樣時(shí)間，每個(gè)處理共計(jì)33個(gè)樣品。凍融循環(huán)2次，以-10 ℃ 速凍24 h后+10 ℃速融24 h為1次凍融循環(huán)。實(shí)驗(yàn)室模擬培養(yǎng)條件下有機(jī)物料添加量為田間常規(guī)施用有機(jī)物料量的10倍左右，因此將500 g土壤與25 g有機(jī)物料混勻，加蒸餾水調(diào)節(jié)混合樣品含水量至20%（約為田間最大持水量的60%）后，轉(zhuǎn)移至塑料瓶?jī)?nèi)，密封稱(chēng)質(zhì)量。瓶蓋上設(shè)置2個(gè)孔，一端連接換氣裝置，用于通入去除CO2的空氣;一端連接堿液吸收裝置，用于吸收土壤礦化產(chǎn)生的CO2（圖1）。培養(yǎng)試驗(yàn)在25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中完成。期間為避免造成厭氧環(huán)境，每隔3 d通入1次去除CO2的空氣，每次1 min，同時(shí)補(bǔ)水至原始質(zhì)量，使裝置保持適宜含水量。在培養(yǎng)4、6、10、20、30、40、50、60、70、80、110 d（共計(jì)11個(gè)取樣時(shí)間）時(shí)更換堿液吸收瓶測(cè)定CO2釋放量并取出培養(yǎng)樣品，風(fēng)干后測(cè)定土壤總碳、有機(jī)碳、碳酸鹽含量。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

土壤基本理化性質(zhì)：土壤pH值、堿解氮含量等基本理化性質(zhì)采用常規(guī)方法[19]測(cè)定。

土壤總碳、有機(jī)碳含量：土壤樣品取出后風(fēng)干，研磨后過(guò)60目篩，采用靜電吸附方法去除土壤中的秸稈等有機(jī)殘?bào)w，稱(chēng)取0.100 0 g樣品，使用multi C/N HT1300型有機(jī)碳/總氮分析儀（德國(guó)耶拿公司）測(cè)定土壤總碳含量，同時(shí)稱(chēng)取 0.100 0 g 樣品，加10%鹽酸，以除盡土壤中的無(wú)機(jī)碳，測(cè)定SOC。

土壤碳酸鹽含量：采用容量滴定法[19]測(cè)定土壤碳酸鹽含量。

土壤CO2釋放量：使用堿液吸收-中和滴定法[19]測(cè)定。將培養(yǎng)瓶的出氣孔與裝有50 mL 0.1 mol/L NaOH溶液的吸收瓶連通好，同時(shí)作無(wú)土對(duì)照試驗(yàn)。量取10 mL吸收瓶中的溶液至于三角瓶中，加入2 mL 0.15 mol/L BaCl2溶液，再加入 2～3滴酚酞指示劑，用0.1 mol/L HCl滴定至顏色消失即為終點(diǎn)。

土壤CO2累積釋放量：采用一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程模型對(duì)CO2累積釋放量進(jìn)行擬合，具體方程為

式中：Ci為土壤CO2潛在釋放量（mg/kg）;Ct為經(jīng)過(guò)t時(shí)間后土壤CO2累積釋放量（mg/kg）;K為周轉(zhuǎn)速率（d-1）。

1.4 數(shù)據(jù)處理分析

采用Excel對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，SPSS 22.0軟件最小顯著性差異法（LSD）進(jìn)行顯著性差異比較，Origin 2017制作圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 凍融交替及有機(jī)物料添加對(duì)黑鈣土CO2釋放速率與累積釋放量的影響

凍融交替及有機(jī)物料添加對(duì)黑鈣土CO2釋放速率的影響如圖2所示，可以看出，6個(gè)處理的土壤CO2釋放速率均呈規(guī)律性變化，即培養(yǎng)4 d或6 d時(shí)出現(xiàn)釋放高峰，之后至 20 d 時(shí)釋放速率快速下降，進(jìn)入第1個(gè)緩慢釋放平臺(tái)，而后至80 d時(shí)進(jìn)入第2個(gè)更加緩慢釋放平臺(tái)。添加秸稈處理CO2釋放速率高于NCK，凍融空白處理（DCK）、凍融有機(jī)無(wú)機(jī)肥料添加處理（DH）CO2釋放速率高峰值出現(xiàn)在培養(yǎng)4 d時(shí)，凍融秸稈添加處理（DJ）及非凍融各處理（NCK、NH、NJ）CO2釋放速率高峰值出現(xiàn)在培養(yǎng)6 d時(shí)。非凍融處理的CO2釋放速率高峰值均比凍融處理（除添加含碳量較高秸稈的DJ）晚2 d。

圖2中，不同有機(jī)物料添加處理CO2釋放速率前期表現(xiàn)出明顯的差異，后期差異逐漸縮小。DJ的CO2釋放速率最高可達(dá)62.47 mg/（kg·d），其次為NJ，最高釋放速率為 41.45 mg/（kg·d）。整體來(lái)說(shuō)，各處理CO2的最高釋放速率（取圖2峰值）為DJ>NJ>NCK>DH>NH>DCK，其中，DJ是NCK的2.86倍。不添加有機(jī)物料時(shí)，NCK的CO2最高釋放速率比DCK高422.32%，說(shuō)明凍融作用減弱了CO2的釋放。對(duì)于添加有機(jī)物料的處理而言，DJ CO2最高釋放速率比NJ高55.1%，DH CO2最高釋放速率比NH高34.3%。

圖3為土壤CO2累積釋放量的一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程擬合曲線(xiàn)，其擬合參數(shù)如表2所示，擬合后的決定系數(shù)（R2）均大于0.89（n=6，P<0.01），說(shuō)明一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程可以較好地描述不同處理黑鈣土CO2累積釋放量的變化。從表2可以看出，CO2潛在釋放量因有機(jī)物料的不同而存在顯著差異（P<0.05）。添加有機(jī)物料后，土壤CO2潛在釋放量（Ci）與NCK相比，有不同程度的增加;其中NJ的Ci最大（1 280.93 mg/kg），DCK的Ci最?。?55.65 mg/kg），Ci由大到小依次為NJ>DJ>NH>DH>NCK>DCK;方差分析結(jié)果顯示，當(dāng)添加的有機(jī)物料相同時(shí)，凍融與非凍融處理間的Ci差異不顯著。表2中不同種類(lèi)外源碳對(duì)CO2周轉(zhuǎn)速率的影響不同，NJ、DJ的K值較低，說(shuō)明添加秸稈可能使黑鈣土中CO2的周轉(zhuǎn)速率減慢，在外源碳的幫助下，有利于土壤有機(jī)碳的累積;而NH的K值高于NJ，說(shuō)明本試驗(yàn)條件下，有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施可以一定程度加速土壤有機(jī)碳礦化，不利于土壤有機(jī)碳累積;NCK的K值最大，說(shuō)明擾動(dòng)的土壤在無(wú)外源有機(jī)質(zhì)添加的條件下，CO2周轉(zhuǎn)速率最快，而DCK的K值比NCK小，說(shuō)明凍融降低了CO2周轉(zhuǎn)速率;方差分析結(jié)果顯示，除NJ和DJ外，NCK、DCK、NH、DH處理周轉(zhuǎn)速率均存在顯著性差異（P<0.05）。

由圖3可知，CO2累積釋量前期增長(zhǎng)迅速，后期增長(zhǎng)緩慢，與釋放速率的大小具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。秸稈中的木質(zhì)素、纖維素等分解為糖、醇、酚類(lèi)物質(zhì)被微生物利用，礦化生成CO2，同時(shí)秸稈對(duì)土壤有機(jī)碳礦化的正激發(fā)效應(yīng)，增加了CO2釋放量，培養(yǎng)至110 d時(shí)NJ的CO2累積釋放量為 1 132.00 mg/kg，是NCK（415.99 mg/kg）的2.72倍。凍融過(guò)后，NJ與DJ的CO2累計(jì)釋放量在培養(yǎng)30 d已經(jīng)產(chǎn)生差異，說(shuō)明凍融作用對(duì)添加秸稈的土壤CO2累積釋放量的影響有一定的滯后。前期主要是秸稈對(duì)CO2的累積釋放量貢獻(xiàn)較大，而在后期，秸稈中絕大部分易分解的物質(zhì)被微生物利用，由于凍融引起的土壤團(tuán)聚體破壞等，使土壤有機(jī)碳暴露于空氣中，從而造成DJ的CO2累積釋放量要高于NJ。由圖3可以看出，NCK與DCK之間的CO2累積釋放量差異較大，而NH與DH、NJ與DJ間差異較小，說(shuō)明有機(jī)物料的添加可能縮小了由凍融循環(huán)引起的CO2累積釋放量差異。除NJ、DJ外，培養(yǎng)至110 d時(shí)其余處理的CO2均已到達(dá)了累積釋放量平臺(tái)期，說(shuō)明秸稈中尚有少部分難分解的有機(jī)物質(zhì)在緩慢分解逐步釋放CO2，而其他處理則由于外源碳較少，且土壤有機(jī)碳礦化速率緩慢，較早地進(jìn)入了釋放平臺(tái)期。

2.2 凍融交替及有機(jī)物料添加對(duì)黑鈣土碳酸鹽含量的影響

從圖4可以看出，不同處理間黑鈣土碳酸鹽含量變化趨勢(shì)不盡相同。NCK在培養(yǎng)的4 d時(shí)碳酸鹽含量有較大幅度的下降，相較于原土下降了52.1%，后期碳酸鹽含量趨于穩(wěn)定，說(shuō)明石灰性土壤耕層的擾動(dòng)加快了碳酸鹽在早期的分解，但隨著擾動(dòng)后的土壤恢復(fù)穩(wěn)定，碳酸鹽也進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，分解緩慢。添加不同有機(jī)物料后，土壤碳酸鹽含量差異明顯。NH、

DH碳酸鹽含量呈增加態(tài)勢(shì)，較短的培養(yǎng)期內(nèi)（20 d）緩慢變化，而到培養(yǎng)40 d迅速增加，分別增加了21.5%、23.8%（與培養(yǎng)20 d相比），而與其他處理相比，碳酸鹽含量高出 139.1%～167.8%。而后隨培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，黑鈣土碳酸鹽趨于穩(wěn)定，說(shuō)明在密閉的環(huán)境中，有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施對(duì)土壤碳酸鹽的固定有積極影響。而NJ、DJ與無(wú)添加培養(yǎng)呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)，碳酸鹽含量迅速降低并逐漸穩(wěn)定，但是添加秸稈（NJ、DJ）的土壤碳酸鹽含量略高于未添加有機(jī)物料的處理（NCK、DCK），說(shuō)明添加秸稈對(duì)土壤碳酸鹽的穩(wěn)定或固定可能存在有較小影響。此外，凍融循環(huán)處理與未凍融處理的黑鈣土碳酸鹽含量在培養(yǎng)時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)相似的變化趨勢(shì)，且在培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，碳酸鹽含量較為接近，NCK土碳酸鹽含量比DCK高7%，NH比DH高0.4%，NJ比DJ高3.5%，說(shuō)明凍融循環(huán)對(duì)土壤碳酸鹽含量的變化有影響，但影響力度較小，這一研究結(jié)果是否與試驗(yàn)設(shè)置的較少凍融次數(shù)有關(guān)，有待于進(jìn)一步研究證明。

2.3 凍融交替及有機(jī)物料添加對(duì)黑鈣土總碳、有機(jī)碳含量的影響

培養(yǎng)110 d后，不同處理黑鈣土總碳、SOC含量如圖5所示，可以看出，不同處理間土壤總碳、SOC含量變化趨勢(shì)各異。在密閉培養(yǎng)環(huán)境及20.0%的適宜含水量條件下，無(wú)添加培養(yǎng)與有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施處理的土壤總碳含量與原土相比均有不同程度的降低，損失量范圍為0.17～1.06 g/kg，降低了11%～6.6%;但添加秸稈處理的土壤總碳含量與原土相比有所升高，增加了 4.85～5.20 g/kg。與NCK、DCK相比，有機(jī)物料添加均增加了土壤總碳含量，NH、NJ處理土壤總碳量分別比NCK處理增加0.84、5.91 g/kg，DH、DJ處理土壤總碳量分別比DCK處理增加0.68、6.05 g/kg，其中以添加秸稈處理增幅最大，NJ、DJ分別比NCK增加為39.7%和42.0%。說(shuō)明添加秸稈或秸稈還田對(duì)于培肥地力、提升土壤有機(jī)質(zhì)有明顯的促進(jìn)作用，是改善土壤環(huán)境的有效方式，而有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施對(duì)于SOC含量的提升沒(méi)有明顯影響，這與眾多研究中有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量提升有促進(jìn)作用的研究結(jié)果[21-22]有一定差別，可能是由于本試驗(yàn)施入氮素過(guò)多，而外源碳的輸入較少，土壤C/N比較低，導(dǎo)致SOC含量減少。此外，與培養(yǎng)初期的樣品相比，NCK的有機(jī)碳含量隨培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)而降低還反映出，耕層土壤擾動(dòng)后不利于土壤的固碳性能，并且還會(huì)加快SOC的礦化。凍融處理的土壤碳含量略高于未凍融處理，其差值（凍融處理的土壤碳含量與相應(yīng)處理的未凍融土壤碳含量的差值）對(duì)SOC含量的影響程度總體為有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施（450 mg/kg）>添加秸稈（300 mg/kg）>無(wú)添加（110 mg/kg）。不同的外源碳對(duì)土壤碳含量增加的貢獻(xiàn)率（添加有機(jī)物料后土壤碳的增加量與所添加有機(jī)物料碳量的比值）差異明顯，NH、DH、NJ、DJ處理中有機(jī)物料含碳量對(duì)土壤SOC含量提升的貢獻(xiàn)率分別為11.9%、20.1%、47.8%、49.4%，與有機(jī)無(wú)機(jī)肥料相比，秸稈碳對(duì)促進(jìn)土壤碳含量的提高有更大的潛力。

由表3可以看出，培養(yǎng)前土壤總碳量與培養(yǎng)后及礦化的土壤總碳量基本處于C素平衡狀態(tài)，損失的碳素主要由殘留在培養(yǎng)瓶?jī)?nèi)及逸散的CO2與測(cè)定誤差所致。

3 討論

3.1 CO2釋放速率與累積釋放量

培養(yǎng)試驗(yàn)表明，有機(jī)物料加入均能不同程度地影響土壤CO2釋放速率及累積釋放量，而凍融循環(huán)對(duì)土壤CO2釋放速率及累積釋放量的影響較小。

有機(jī)物料添加到土壤后在微生物的作用下，有機(jī)碳礦化生成CO2釋放出來(lái)，其釋放量的多少可以有效指示有機(jī)物料的土壤環(huán)境效應(yīng)[23]。土壤中CO2釋放速率呈現(xiàn)明顯的階段性變化趨勢(shì)，前期快速上升達(dá)到釋放峰值，隨時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸降低后再次小幅上升出現(xiàn)次高峰，主要是因?yàn)橛袡C(jī)物料進(jìn)入土壤后易分解物質(zhì)先被微生物利用，快速分解造成CO2釋放高峰出現(xiàn)[24]，尤以添加秸稈的處理最為明顯，豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)激發(fā)了土壤微生物的活性，并大量增殖，使其CO2釋放速率及累積釋放量遠(yuǎn)高于其他處理，伴隨易分解物質(zhì)的減少，微生物對(duì)土壤中碳或氮源物質(zhì)的競(jìng)爭(zhēng)加劇，數(shù)量減少，而且秸稈進(jìn)入到緩慢腐解階段，之前不易腐解的木質(zhì)素、單寧與蠟質(zhì)等物質(zhì)逐步分解，使得土壤CO2釋放緩慢[25];非凍融條件下添加有機(jī)無(wú)機(jī)混合肥的土壤CO2釋放速率及累積釋放量較低，是因?yàn)榕c秸稈相比，雖然試驗(yàn)用有機(jī)無(wú)機(jī)混合肥C/N比較低，適宜微生物分解有機(jī)物，但由于添加的有機(jī)肥量較少，碳源不足，因此可供微生物利用或分解的有機(jī)物數(shù)量有限，造成土壤CO2累積釋放量較小。同時(shí)，長(zhǎng)期施用化肥還會(huì)導(dǎo)致土壤中無(wú)機(jī)氮含量增加，而無(wú)機(jī)氮又可與木質(zhì)素殘?bào)w或酚類(lèi)化合物反應(yīng)，使土壤有機(jī)質(zhì)分解性降低[20]。

3.2 碳酸鹽含量

土壤中的碳酸鹽以無(wú)機(jī)碳（SIC）固相為主要存在形式[26]，主要分為巖生性（原生）碳酸鹽與發(fā)生性（次生）碳酸鹽[27]。黑鈣土中碳酸鹽以CaCO3為主。本試驗(yàn)培養(yǎng)過(guò)程中并沒(méi)有植物的參與，所以土壤中的鈣素并沒(méi)有損失。但無(wú)添加培養(yǎng)與添加秸稈處理碳酸鹽含量降低幅度較大，主要是由于土壤經(jīng)過(guò)擾動(dòng)后，碳酸鹽平衡迅速被打破，土壤中的碳酸鹽向不穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)展，分解較快，而且金屬陽(yáng)離子（Ca2+，Mg2+等）的輸入量較少，在碳酸鹽分解后，難以有金屬陽(yáng)離子與CO32-、HCO3-形成新的碳酸鹽[28]。而試驗(yàn)中有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施處理的碳酸鹽含量增加，是因?yàn)樘砑臃柿辖o土壤帶入了部分金屬陽(yáng)離子;由于整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程一直是密閉環(huán)境，土壤含水量與田間相比也一直處于較適宜狀態(tài)，因此，更有利于土壤中的水與有機(jī)碳礦化生成的CO2反應(yīng)，生成碳酸根或重碳酸根，然后在CO2分壓的作用下，與金屬陽(yáng)離子結(jié)合生成碳酸鹽或重碳酸鹽，沉積于土壤中[29-30]。在培養(yǎng)后期黑鈣土碳酸鹽總量一直處于穩(wěn)定狀態(tài)，變化幅度較小，可能與密閉環(huán)境中CO2過(guò)量或化學(xué)反應(yīng)已達(dá)平衡有關(guān)，但引起這種平衡的機(jī)制尚不明確，需要繼續(xù)研究驗(yàn)證。

3.3 總碳、有機(jī)碳含量

土壤碳庫(kù)由SOC庫(kù)與SIC庫(kù)組成[31]，其中SOC是表征土壤肥力的一項(xiàng)重要指標(biāo)，且SOC的礦化會(huì)釋放CO2[3]，因此，土壤培肥還需探求利于環(huán)保的有機(jī)物料添加方式，減少CO2釋放量，同時(shí)還能將更多的碳固持在土壤中。本試驗(yàn)中，NCK與DCK土壤總碳含量降低，主要與SOC的損失有關(guān)。培養(yǎng)前，黑鈣土需要粉粹過(guò)篩，這與田間翻耕等擾動(dòng)性耕作措施一樣，改變了土壤結(jié)構(gòu)，增加了SOC暴露于空氣中的機(jī)會(huì)，加速了SOC的礦化[32-33]。雖然施肥一直是提高與維持土壤肥力的有效措施，但本試驗(yàn)中，與原始土樣相比，NH、DH土壤總碳、SOC含量卻降低，主要是由于有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施后，造成氮素投入量過(guò)多，引起土壤C/N比降低，加速了SOC分解，在沒(méi)有較多外源碳輸入的前提下，土壤中原有的有機(jī)碳逐漸減少[34-35]。與原始土樣相比，NJ、DJ的SOC含量有不同程度增加，說(shuō)明秸稈還田是農(nóng)田土壤培肥的有效措施，可通過(guò)直接添加有機(jī)物料的形式[36]，向土壤中添加大量有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷等，增加土壤肥力[37]，改善土壤結(jié)構(gòu)，提升土壤有機(jī)碳水平[38];DJ的SOC含量略高于NJ，主要是因?yàn)閮鋈谘h(huán)使秸稈部分老化，局部破碎釋放出較多的碳，被土壤固定[39]。

與SOC相比，本試驗(yàn)中SIC含量的變化相對(duì)較小，是由于在自然條件下，SIC轉(zhuǎn)化較為緩慢，短期內(nèi)不易發(fā)生變化;因此，較多研究者一直認(rèn)為SIC在碳循環(huán)中占較輕的地位[40]。但隨著農(nóng)田土壤的不斷擾動(dòng)，使SIC的周轉(zhuǎn)時(shí)間大大縮短，SIC的變化逐漸成為研究重點(diǎn)。本研究中，添加有機(jī)物料后SIC大多略高于無(wú)添加處理，是由于在堿性與富含鈣的地球化學(xué)環(huán)境中存在著SOC→CO2→HCO3→CaCO3→SIC系列反應(yīng)，SOC在一定條件下可以轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)碳[30，41]，因而無(wú)機(jī)碳略有增加。凍融與未凍融相比，SIC卻基本無(wú)變化[42]，是因?yàn)槎唐趦?nèi)，凍融頻次與凍融強(qiáng)度對(duì)土壤無(wú)機(jī)碳的影響不顯著[43]。

4 結(jié)論

擾動(dòng)過(guò)的黑鈣土CO2周轉(zhuǎn)速率最大，而凍融循環(huán)會(huì)大大減小周轉(zhuǎn)速率，同時(shí)秸稈及有機(jī)無(wú)機(jī)混合肥添加也可以降低CO2周轉(zhuǎn)速率，但秸稈也會(huì)增加黑鈣土CO2釋放速率及累積釋放量。外源碳較少的有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施對(duì)黑鈣土CO2釋放量的貢獻(xiàn)也較小。有機(jī)物料添加可以縮小因凍融所造成的CO2累積釋放量間的差異，碳添加量越高，差異越小。

密閉的環(huán)境及適宜的含水量，有利于肥料中金屬陽(yáng)離子與CO32-、HCO3-結(jié)合轉(zhuǎn)化為碳酸鹽。凍融的頻次及強(qiáng)度對(duì)碳酸鹽的影響較小。

添加秸稈是提升黑鈣土有機(jī)碳含量的有效措施，外源碳量較少及C/N比較低的有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施不利于黑鈣土有機(jī)碳的積累。凍融會(huì)使秸稈局部破碎化，釋放更多的碳，增加SOC含量。

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