董靜超，栗杰，董越，姚忠麗，趙昶亮，唐小涵，張大庚

(沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 土地與環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 100866)

鈣素不僅是植物生長(zhǎng)發(fā)育的一種必需元素，而且是許多生理生化過程的調(diào)控者，在各種代謝過程中起著非常重要的作用，可增強(qiáng)作物的抗逆性[1,2]。同時(shí)鈣在土壤團(tuán)聚體的形成中起著鍵橋的作用[3]，對(duì)土壤有機(jī)無機(jī)復(fù)合體的形成有重要影響[4]。土壤團(tuán)聚體是土壤有機(jī)碳主要的賦存場(chǎng)所，通過團(tuán)聚體的物理保護(hù)作用將有機(jī)碳包被起來，從而免受微生物的分解[5]。Muneer 和Oades研究發(fā)現(xiàn)在有機(jī)質(zhì)存在的條件下加入鈣后土壤中>2 000 μm穩(wěn)定團(tuán)聚體的數(shù)量多，這說明溶解性鈣影響了有機(jī)物質(zhì)的分解，從而提高了土壤中有機(jī)碳的穩(wěn)定性[6]。Clever Briedis等的研究表明施石灰增加了土壤團(tuán)聚體中碳的含量[7,8]。Clough等研究發(fā)現(xiàn)通過鈣-金屬橋鍵結(jié)合后穩(wěn)定性提高的有機(jī)碳，在施入氮肥提高微生物活性的條件下，仍不能被有效分解[9]。張寧等研究表明土壤碳酸鈣含量與土壤有機(jī)碳含量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系[10]。王暉和Sliver等研究表明土壤中細(xì)根的分解速率與其初始的Ca含量存在顯著正相關(guān)關(guān)系[11,12]。有研究認(rèn)為土壤中交換態(tài)和有機(jī)結(jié)合態(tài)鈣與有機(jī)碳的關(guān)系最密切[13,14]。因此有關(guān)鈣對(duì)土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)化的影響已開展了相關(guān)研究，但土壤中鈣對(duì)有機(jī)碳積累和轉(zhuǎn)化的影響機(jī)理仍沒有形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。本文以施入氯化鈣對(duì)土壤中有機(jī)碳礦化的效應(yīng)為切入點(diǎn)，進(jìn)而分析外源鈣對(duì)土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)化與積累的影響。本文以連作10年的設(shè)施栽培土壤為研究對(duì)象，采用室內(nèi)恒溫模擬培養(yǎng)的方法，添加外源氯化鈣及水稻秸稈，對(duì)培養(yǎng)過程中土壤CO2釋放量及不同形態(tài)有機(jī)碳的含量進(jìn)行了檢測(cè)分析。研究結(jié)果為設(shè)施栽培的合理施肥提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤于2017年5月采自遼寧省沈陽(yáng)市蘇家屯區(qū)大溝鄉(xiāng)棚齡為10年的棚內(nèi)土壤，種植作物為草莓。土樣主要采自0～20 cm土層，風(fēng)干后過20目篩備用。供試土壤的基本性質(zhì)：pH值為6.73，有機(jī)碳含量為14.68 g·kg-1，堿解氮含量為55.26 mg·kg-1，有效磷含量為56.81 mg·kg-1，速效鉀含量為725.46 mg·kg-1；

外源添加鈣肥為分析純氯化鈣；

外源添加水稻秸稈的基本性質(zhì)：全氮含量為7.61 g·kg-1，全磷含量為0.54 g·kg-1，全鉀含量為16.18 g·kg-1，有機(jī)碳含量為39.89%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 土壤有機(jī)碳礦化培養(yǎng)試驗(yàn)

土壤有機(jī)碳礦化培養(yǎng)試驗(yàn)采用室內(nèi)恒溫培養(yǎng)法，共設(shè)4個(gè)處理，3次重復(fù)，共12個(gè)培養(yǎng)瓶。培養(yǎng)瓶口徑均為120 mm，容量為1 000 mL。土壤基肥選擇分析純的CO[NH2]2、[NH4]2HPO4和KCl，按元素N∶P∶K為2∶1∶1的量加入肥料，基肥以粉末形式混勻攪拌入土，確保土肥均勻混合。培養(yǎng)試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)如下：(1)對(duì)照(CK)，不加任何外源添加物；(2)每公斤土中添加CaCl2粉末10 g(T1)；(3)每公斤土添加水稻秸稈20 g(T2)；(4)每公斤土添加水稻秸稈20 g和CaCl2粉末10 g(T3)。試驗(yàn)土壤在水分含量為相對(duì)含水量60%，溫度25 ℃條件，恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)172 d，每隔24 h稱重補(bǔ)加水分(蒸餾水)。在每個(gè)培養(yǎng)瓶中放入100 mL小燒杯(裝有1 mol·L-1NaOH溶液20 mL)。100 mL小燒杯中的NaOH溶液吸收土壤中釋放的CO2生成Na2CO3，通過測(cè)定裝有1 mol·L-1NaOH溶液小燒杯中的碳含量來計(jì)算土壤中釋放的CO2量。分別在培養(yǎng)的第1、3、5、7、9、12、15、18、22、26、31、37、44、52、60、67、77、87、97、107、117、127、142、157、172天測(cè)定土壤24 h釋放的CO2量。

1.2.2 土壤恒溫培養(yǎng)試驗(yàn)

在土壤有機(jī)碳礦化試驗(yàn)進(jìn)行的同時(shí)，以同樣處理設(shè)計(jì)土樣恒溫培養(yǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)土樣共恒溫培養(yǎng)24周，分別在第8周、第16周、第24周進(jìn)行取樣，土樣風(fēng)干后用于測(cè)定土壤基本理化性質(zhì)及不同形態(tài)有機(jī)碳。

1.3 測(cè)定方法

土壤總有機(jī)碳采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定；土壤可溶性有機(jī)碳含量的測(cè)定：K2SO4溶液浸提(土液比1∶5)，總有機(jī)碳分析儀(Elementary Liquid TOC)測(cè)定碳含量；土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸法測(cè)定；土壤腐殖酸碳量采用焦磷酸鈉混合液浸提，重鉻酸鉀容量-外加熱法測(cè)定；CO2的釋放量采用堿液吸收返滴定法；土壤基本理化性質(zhì)的測(cè)定均采用常規(guī)方法。

1.4 統(tǒng)計(jì)與分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2003軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，采用SPSS 19.0進(jìn)行各處理間差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源鈣對(duì)土壤有機(jī)碳礦化過程的影響

添加外源氯化鈣降低了土壤CO2累積釋放量(圖1)。與CK相比，只添加氯化鈣T1處理土壤CO2累積釋放量的降低幅度在培養(yǎng)31天約為47.9%，培養(yǎng)117天約為18.7%，培養(yǎng)172天約為13.9%。隨培養(yǎng)時(shí)間的增加，土壤CO2累積釋放量的降低幅度呈降低趨勢(shì)，在培養(yǎng)前期降低的幅度較大，隨培養(yǎng)時(shí)間的增加，降幅逐漸趨于平緩。

圖1 添加外源鈣后土壤CO2累積釋放量隨時(shí)間的變化Fig.1 Changes of CO2 cumulative release in soil with exogenous calcium in different culture periods

添加水稻秸稈T2處理顯著增加了土壤CO2累積釋放量。在恒溫培養(yǎng)第31天、117天和172天添加水稻秸稈土壤CO2釋放量分別是CK的5.12、3.40和2.97倍，但釋放的數(shù)率隨培養(yǎng)時(shí)間的增加而呈降低趨勢(shì)。同時(shí)添加水稻秸稈和氯化鈣后則顯著降低了土壤中CO2累積釋放量。與T2相比，T3處理土壤CO2累積釋放量在培養(yǎng)第31天、117天和172天分別降低了74.8%、64.3%和58.1%。隨培養(yǎng)時(shí)間的增加，降低幅度也呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，但遠(yuǎn)高于單施外源鈣處理與CK相比降低的幅度。由于添加了水稻秸稈增加了土壤中有機(jī)碳含量，因此，即使添加外源氯化鈣后降低了有機(jī)碳的礦化過程，但土壤CO2累積釋放量仍高于CK。

2.2 外源鈣對(duì)土壤總有機(jī)碳、可溶性有機(jī)碳及微生物量碳含量的影響

與土壤中有機(jī)碳的礦化過程相對(duì)應(yīng)，隨培養(yǎng)時(shí)間的增加，土壤CO2釋放量呈增加趨勢(shì)，土壤總有機(jī)碳含量則呈逐漸降低的趨勢(shì)(圖2)。其中CK處理降低的趨勢(shì)較緩，培養(yǎng)的第24周與第8周相比，僅降低了4.1%。降低幅度最大的是T1處理，降低了25.7%。添加外源鈣后抑制了土壤中有機(jī)碳的礦化過程，減少了土壤有機(jī)碳向CO2的轉(zhuǎn)化，因此與CK相比，T1處理土壤總有機(jī)碳含量相對(duì)較高。在培養(yǎng)的第8周、第16周和第24周，分別比CK高出41.0%、27.5%和9.2%，二者之間的差異也均達(dá)到了顯著水平。說明在培養(yǎng)的初期添加外源鈣后對(duì)土壤有機(jī)碳礦化的抑制作用相對(duì)較強(qiáng)。

不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。下同Different lowercase letters indicate significant differences between treatments (P<0.05).The same below圖2 添加外源鈣土壤總有機(jī)碳含量在不同培養(yǎng)時(shí)期的變化Fig.2 Changes of total organic carbon content in soil under different culture periods by adding exogenous calcium

添加水稻秸稈后不僅增加了土壤CO2的釋放量，也增加了土壤總有機(jī)碳含量。與CK相比，在培養(yǎng)的3個(gè)時(shí)期分別增加了18.8%、16.7%和13.3%，且T2與CK之間的差異也均達(dá)到了顯著水平。與T2相比，添加外源鈣后T3處理土壤總有機(jī)碳含量增加的幅度也較大，在3個(gè)培養(yǎng)時(shí)期分別增加了30.2%、31.6%和29.2%，T2和T3處理之間的差異也達(dá)到了顯著水平。添加水稻秸稈后外源鈣對(duì)土壤總有機(jī)碳影響的增加幅度高于單施外源鈣的處理。

與各處理土壤總有機(jī)碳含量的變化趨勢(shì)一致，隨培養(yǎng)時(shí)間的增加，土壤中可溶性有機(jī)碳的含量呈降低的趨勢(shì)(圖3)。其中，培養(yǎng)第24周與第8周相比，CK處理降低的幅度最小為18.2%，最高為添加水稻秸稈T2處理，降幅為24.2%。添加外源鈣T1處理土壤可溶性有機(jī)碳含量高于對(duì)照，與對(duì)照之間的差異也均達(dá)到了顯著水平，在培養(yǎng)的第8周、第16周和第24周分別增加了22.2%、14.4%和19.5%。添加水稻秸稈后T2處理與CK相比，并未增加土壤中可溶性有機(jī)碳含量，二者之間的差異在個(gè)培養(yǎng)時(shí)期均未達(dá)到顯著水平。但加入外源鈣后T3處理與T2處理相比顯著增加了土壤可溶性有機(jī)碳含量，在培養(yǎng)第8周、第16周和第24周分別增加了31.9%、39.2%和41.0%，差異均達(dá)到了顯著水平。且隨培養(yǎng)時(shí)間的增長(zhǎng)，增加幅度也逐漸加大。

圖3 添加外源鈣土壤可溶性有機(jī)碳含量在不同培養(yǎng)時(shí)期的變化Fig.3 Changes of soil soluble organic carbon content in different culture periods by adding exogenous calcium

土壤微生物量碳可以參與調(diào)節(jié)土壤有機(jī)質(zhì)的分解和養(yǎng)分的循環(huán)，且其隨土壤環(huán)境的變化而變化并高度敏感。隨培養(yǎng)時(shí)間的增加，各處理土壤微生物量碳均呈降低的趨勢(shì)(圖4)。添加氯化鈣降低了土壤中微生物量碳含量，與CK相比，T1處理在培養(yǎng)第8周、第1周6和第24周土壤微生物量碳含量降低了5.4%、20.0%和13.3%；與T2相比，T3處理分別在培養(yǎng)第8周時(shí)降低了24.4%，但在第16周僅降低了4.4%，而在第24周則增加了8.7%。因此，添加水稻秸稈后外源鈣對(duì)微生物量碳的影響在培養(yǎng)前期相對(duì)較大，但隨培養(yǎng)的進(jìn)行，影響也在降低，在培養(yǎng)的第16周和第24周，T2和T3處理土壤微生物量碳含量之間的差異均不顯著。而與CK相比，添加水稻秸稈后顯著增加了土壤中微生物量碳的含量，在3個(gè)培養(yǎng)時(shí)期二者之間的差異均達(dá)到了顯著水平，含量分別增加了56.4%、28.6%和53.3%。

圖4 添加外源鈣土壤微生物量碳含量在不同培養(yǎng)時(shí)期的變化Fig.4 Changes of soil microbial biomass carbon in different culture periods by adding exogenous calcium

2.3 外源鈣對(duì)土壤腐殖酸含量的影響

腐殖酸是土壤有機(jī)質(zhì)重要的組成部分，隨培養(yǎng)時(shí)間的增加，各處理土壤腐殖酸含量呈降低的趨勢(shì)，但外源鈣和水稻秸稈的添加均增加了腐殖酸含量，而且各處理之間的差異基本達(dá)到了顯著水平(表1)。與CK相比，添加氯化鈣T1處理土壤腐殖酸含量在3個(gè)培養(yǎng)時(shí)期分別增加了24.2%、26.1%和43.3%。添加水稻秸稈T2處理與CK相比，土壤腐殖酸含量分別增加了36.2%、52.4%和61.7%，水稻秸稈的添加顯著增加了土壤中腐殖酸的含量。T3與T2處理相比，土壤腐殖酸含量分別變化了5.22%、-4.6%和20.8%。與CK相比，添加水稻秸稈后外源氯化鈣對(duì)腐殖酸含量的影響效應(yīng)相對(duì)較小。

表1 添加外源鈣土壤腐殖酸含量在不同培養(yǎng)時(shí)期的變化Table 1 Changes of humus acid in soil with exogenous calcium in different culture periods

腐殖酸中所包含富里酸和胡敏酸含量隨培養(yǎng)時(shí)間的增加也呈降低的趨勢(shì)，且外源鈣和水稻秸稈的添加，也增加了二者的含量。其中與CK相比T1處理添加外源鈣后土壤胡敏酸含量增加的幅度較大，在3個(gè)培養(yǎng)時(shí)期分別增加了20.6%、81.4%和122.9%。而T3添加水稻秸稈和外源鈣與T2單獨(dú)添加水稻秸稈處理相比，胡敏酸含量在第8周和第16周時(shí)分別降低了4.7%和15.3%，而在第24周時(shí)則增加了44.6%。與土壤胡敏酸含量變比相比，添加外源鈣對(duì)富里酸含量的影響相對(duì)較小。與CK相比，T1處理添加外源鈣后在3個(gè)時(shí)期富里酸的增加幅度分別為25.6%、12.0%和11.0%；而T3與T2相比，僅增加了11.1%、0.70%和10.1%。

3 討論

3.1 外源鈣對(duì)土壤有機(jī)碳礦化的影響

外源鈣的添加抑制了土壤中有機(jī)碳的礦化過程，隨培養(yǎng)時(shí)間的增加，各處理土壤CO2釋放量均呈增加的趨勢(shì)。從土壤中有機(jī)碳穩(wěn)定性的角度來看，有研究認(rèn)為鈣鍵有機(jī)碳的礦化穩(wěn)定性大于全土有機(jī)碳的礦化穩(wěn)定性[15]，因此這可能是加入外源鈣后，鈣鍵有機(jī)碳的形成使土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性相對(duì)較高的結(jié)果。加入水稻秸稈后外源鈣對(duì)有機(jī)碳的礦化作用抑制作用增強(qiáng)，可能是植物殘?bào)w輸入后為土壤團(tuán)聚體的形成提供了膠結(jié)物質(zhì)，大幅提高了微生物活性，在促進(jìn)土壤顆粒團(tuán)聚化過程中也提高了自身穩(wěn)定性[16]。

蔗糖酶是與土壤中有機(jī)碳轉(zhuǎn)化相關(guān)的土壤酶之一，因此，土壤蔗糖酶含量變化在一定程度上可反映有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化過程(圖5)。與CK和T2相比，添加氯化鈣后T1和T3處理土壤蔗糖酶活性均顯著降低，差值均達(dá)到了顯著水平。其中與CK相比，添加氯化鈣后蔗糖酶活性隨培養(yǎng)時(shí)間分別降低了48.5%、67.2%和91.5%；與T2相比，添加氯化鈣后分別降低了52.3%、65.1%和82.3%。隨培養(yǎng)時(shí)間的增加，外源鈣對(duì)蔗糖酶活性的影響增加，進(jìn)而影響了土壤中有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化。因此，添加外源鈣后對(duì)土壤蔗糖酶活性的影響也是影響土壤中有機(jī)碳的礦化的因素。

圖5 添加外源鈣土壤蔗糖酶活性在不同培養(yǎng)時(shí)期的變化Fig.5 Changes of soil invertase activity in different culture periods by adding exogenous calcium

已有的文獻(xiàn)中添加的外源鈣常為碳酸鈣，因此除了外源鈣的影響，也可能是碳酸鈣的加入，引起土壤pH的增加所導(dǎo)致。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)中加入的鈣為氯化鈣，土壤中加入外源氯化鈣后，顯著增加了土壤電導(dǎo)率值，說明外加鈣主要以Ca2+形態(tài)存在。在培養(yǎng)過程中T1與CK相比，二者之間土壤pH的差異不顯著(圖6)。而添加水稻秸稈后，與CK相比土壤pH值略有增加，但T3與T2相比則降低了土壤的pH值，且在不同培養(yǎng)時(shí)期二者之間的差異均達(dá)到了顯著水平，在培養(yǎng)24周pH差值達(dá)到0.86個(gè)單位。因此土壤pH值的變化也可能影響土壤有機(jī)碳的礦化。但Khalil等研究發(fā)現(xiàn)不同pH(7.4和5.1)兩種土壤的有機(jī)碳礦化速率并無顯著差異[17]。而Isabelle研究發(fā)現(xiàn)pH低的土壤有機(jī)碳礦化量變化顯著[18]。這與本文的研究結(jié)果并不一致，因此pH不同對(duì)土壤有機(jī)碳礦化的影響趨勢(shì)并不統(tǒng)一，土壤其它性質(zhì)也有一定的影響。

圖6 添加外源鈣土壤pH值在不同培養(yǎng)時(shí)期的變化Fig.6 Changes of soil pH in different culture periods by adding exogenous calcium

3.2 外源鈣對(duì)土壤不同形態(tài)有機(jī)碳含量的影響

由上所述可知，添加氯化鈣后抑制了土壤中有機(jī)碳的礦化過程，減少了有機(jī)碳向無機(jī)碳的轉(zhuǎn)化過程。與此相對(duì)應(yīng)，添加外源鈣后增加了土壤中總有機(jī)碳的含量。有研究表明鈣與有機(jī)物質(zhì)相互作用形成腐殖酸鈣使有機(jī)質(zhì)得到積累[19]，這與本研究的結(jié)論相一致。在土壤中施入氮磷鉀肥一致的條件下，添加水稻秸稈增加了土壤中總有機(jī)碳含量，但加入外源鈣后也抑制了有機(jī)碳的礦化，因此與單加水稻秸稈相比，也增加了土壤中總有機(jī)碳含量，且增加的幅度高于單施外源鈣的處理。有研究也認(rèn)為團(tuán)聚體形成作用被認(rèn)為是土壤碳固定的最重要機(jī)制，特別是對(duì)土壤活性碳庫(kù)的物理保護(hù)[20]。新加入的水稻秸稈中有機(jī)碳活性相對(duì)較強(qiáng)，加入的外源鈣對(duì)其保護(hù)作用也較強(qiáng)，因此土壤總有機(jī)碳的含量相對(duì)較高。這與外源鈣對(duì)土壤有機(jī)碳礦化作用的影響一致。與單施水稻秸稈相比，施入外源鈣后對(duì)有機(jī)碳的礦化的抑制作用也較單施外源鈣處理的抑制作用大。

可溶性有機(jī)碳是土壤中易氧化、易分解、易礦化部分有機(jī)碳。加入外源鈣后土壤中可溶性有機(jī)碳含量都提高，說明添加外源鈣后促進(jìn)了對(duì)土壤活性較強(qiáng)有機(jī)碳的保護(hù)作用。這與上述結(jié)論相一致。單施水稻秸稈后在整個(gè)培養(yǎng)階段并未顯著增加土壤中可溶性有機(jī)碳含量，但施外源鈣后添加水稻秸稈與未添加相比則顯著增加了土壤中可溶性有機(jī)碳的含量。這也可能與土壤pH值的變化有關(guān)，同時(shí)添加水稻秸稈和氯化鈣顯著降低了土壤pH值(圖6)，在一定程度上增加了可溶性有機(jī)碳含量。

土壤微生物量碳僅占土壤全碳量的很小一部分，但土壤有機(jī)碳的分解進(jìn)程與土壤微生物量碳的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)相似。因此與土壤中全碳和可溶性有機(jī)碳的變化趨勢(shì)不同，添加氯化鈣后土壤中微生物量碳含量降低，其中未添加水稻秸稈T1處理與CK相比，降低的幅度較小，差異不顯著。隨著水稻秸稈的添加，顯著增加了土壤中微生物量碳的含量，與CK相比，在不同培養(yǎng)時(shí)期的差異均達(dá)到了顯著水平。添加水稻秸稈后外源鈣對(duì)微生物量碳的影響在培養(yǎng)的初期抑制作用明顯，但隨培養(yǎng)過程的進(jìn)行，易礦化的有機(jī)碳逐漸礦化，在培養(yǎng)后期二者之間的差異不顯著。因此，可以把土壤中有機(jī)碳分解的快慢看作是土壤微生物活動(dòng)強(qiáng)弱的外在表現(xiàn)；另一方面，土壤微生物量的多少反映了土壤同化和礦化能力的大小。

添加外源鈣的條件下，未施與施入水稻秸稈處理均增加了土壤中腐殖酸含量，在鈣含量較高的條件下，促進(jìn)了土壤中腐殖質(zhì)的形成。另外鈣的存在，可與腐殖質(zhì)形成腐殖酸鈣，從而使土壤中腐殖質(zhì)積累，進(jìn)而增加了土壤中腐殖酸的含量[21]。添加外源鈣不僅增加了土壤中腐殖酸含量，也增加了富里酸和胡敏酸的含量。這與陳家瑞等研究表明土壤鈣與土壤有機(jī)碳總量和胡敏酸成正相關(guān)關(guān)系的研究結(jié)果相一致，但其研究認(rèn)為土壤鈣與富里酸成負(fù)相關(guān)關(guān)系，則與本研究結(jié)果相反[22]。

4 結(jié)論

(1)添加外源氯化鈣抑制了土壤中有機(jī)碳的礦化作用，添加水稻秸稈條件下氯化鈣對(duì)土壤有機(jī)碳礦化的抑制作用增強(qiáng)。

(2)添加外源氯化鈣增加了土壤中總有機(jī)碳、可溶性有機(jī)碳、腐殖酸(胡敏酸、富里酸)的含量，降低了微生物量碳。外源鈣對(duì)不同形態(tài)有機(jī)碳的影響作用隨新源有機(jī)碳的加入而增強(qiáng)。添加外源氯化鈣有利于土壤中有機(jī)碳的積累。