2. 中国科学院大学,北京 100049
土壤有机碳是土壤质量的核心,有机碳矿化是陆地生态系统中极其重要的生物化学过程,关系到土壤碳库的维持和土壤生产力的持续,同时与温室气体形成等密切相关[1]。近年来,土壤有机碳矿化一直是土壤学、环境科学领域研究的热点,揭示土壤有机碳矿化规律对于土壤养分的科学管理和全球气候变化趋势的缓解具有重要意义。
土壤有机碳矿化受诸多因素的影响,如土壤质地、有机碳的化学组成、土壤温度、湿度、土地管理措施等。其中,温度是影响土壤有机碳矿化的主要环境因子[2-3]。多数研究认为,温度升高有利于提高土壤微生物活性,从而促进土壤有机碳的矿化[3-4],然而也有研究发现温度升高不会对土壤有机碳矿化产生影响[5]。土壤有机碳矿化的温度敏感性用Q10表示,由于温度以外的其他因素等的影响,Q10值存在较大的时空变化,但这些因素如何影响Q10值仍不清楚。施肥作为农业增产的重要手段,对土壤生态系统养分含量、土壤有机碳组成和存在状态及微生物活性等产生重要影响,从而影响土壤有机碳矿化。王朔林等[6]对栗褐土的研究表明,长期施化肥、有机肥及有机无机肥配施可促进土壤有机碳的积累,提高土壤有机碳矿化速率。李梦雅等[7]发现长期施肥尤其是施有机肥能影响微生物的群落结构,提高红壤旱地微生物活性,进而促进土壤有机碳的矿化。研究长期施肥作用下土壤有机碳矿化与土壤特性如养分、有机碳形态等的关系有助于阐明土壤有机碳矿化的作用机制。
水稻土是我国重要的土壤资源,占全国耕地面积的25%,生产出中国约44%的粮食[8-9]。关于温度变化对水稻土有机碳矿化的影响已有一些报道[10-12],然而这些研究更多关注的是中高肥力的水田,新开垦或中低产的水稻土对温度变化的响应如何尚不清楚。本文以开垦自红壤荒地不同施肥处理水稻土为研究对象,研究有机碳矿化的温度敏感性和施肥对土壤有机碳矿化的影响,并分析土壤有机碳矿化及其温度敏感性与土壤理化性质及不同碳形态的关系,以期为明确土壤有机碳矿化的影响因素和生态效应及制定合理的养分管理措施提供科学参考。
1 材料与方法 1.1 长期试验概况长期肥料定位试验设在鹰潭农田生态系统国家野外科学观测研究站。该研究站位于江西省鹰潭市余江县(116°55′E,28°15′N),属亚热带季风气候区,年平均温度17.6 ℃,年降雨量1 795 mm,年蒸发量1 318 mm,无霜期261 d。试验开始于1990年,耕作制为“稻-稻-冬闲”。试验开始时,将发育自第四纪红黏土的荒地平整,然后灌水种稻,共设9个处理,每个处理3个重复,共27个试验小区,随机区组排列。每个小区面积为30 m2,小区间用水泥埂隔开,其地下深埋50 cm,地上部分高15 cm。试验前土壤的基本理化性质为:pH 4.5,黏粒(< 1 μm)含量380 g/kg,有机碳含量3.29 g/kg,全氮0.43 g/kg,全磷(P2O5) 0.65 g/kg,全钾(K2O) 13.4 g/kg,有效磷5.6 mg/kg,速效钾105.9 mg/kg,碱解氮90.2 mg/kg。
试验处理为:①不施肥(CK); ②有机质循环(C); ③施氮肥(N); ④施氮肥+有机质循环(NC); ⑤施氮磷肥(NP); ⑥施氮磷钾肥(NPK); ⑦施氮磷钾肥+有机质循环(NPKC); ⑧施氮钾肥(NK); ⑨施氮磷钾肥+1/2秸秆回田(NPKS)。循环处理中除秸秆全部还田外,每季另施入833.3 kg/hm2干猪粪用以补充收获籽粒所移出的养分。氮、磷、钾化肥分别为尿素、钙镁磷肥和氯化钾。磷肥和钾肥以基肥形式施入,尿素分基肥和追肥按8:7的比例分两次施入。1998年以前化肥施用量为每季每公顷N 230 kg,P2O5 68 kg,K2O 84 kg; 1998年以后每季每公顷氮肥施用量减半,磷肥和钾肥施用量不变。
1.2 样品采集与处理2010年12月底(冬闲)在每个小区随机选取5个点,采集0 ~ 15 cm耕层土壤组成一个混合土样。新鲜土壤过2 mm筛后,一部分用于土壤微生物生物量碳的测定,其余样品在室温下风干,用于土壤理化性质、不同形态有机碳(包括易氧化有机碳、胡敏酸碳和富里酸碳)含量的测定及有机碳矿化分析。其中各施肥处理土壤理化性质如表 1所示。
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表 1 不同施肥处理土壤基本理化性质 Table 1 Soil basic physiochemical properties under different fertilization treatments |
土壤微生物生物量碳采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法测定[13]。土壤易氧化有机碳采用333 mmol/L高锰酸钾氧化法测定[14]。土壤胡敏酸碳和富里酸碳采用焦磷酸钠-NaOH提取-重铬酸钾容量法测定[15]。
将风干土壤样品调节含水量至田间持水量的60%,于25 ℃培养箱中预培养一周。采用室内恒温培养-碱液吸收法测定土壤有机碳的矿化量[16]。称取相当于50 g干土重的预培养样品,平铺于500 ml培养瓶底部。然后将盛有5.0 ml 0.6 mol/L NaOH溶液的10 ml特制吸收容量瓶置于培养瓶内,将培养瓶加盖密封好,分别在15、25和35 ℃恒温箱中进行培养。同时设置仅装有NaOH溶液的培养瓶作为空白。在培养的第1、3、5、7、14、21、28、35天取出吸收容量瓶,用蒸馏水将容量瓶中溶液全部洗至三角瓶中,加入2 ml 1 mol/L的BaCl2溶液和2滴酚酞指示剂,用标准酸(HCl,约0.15 mol/L)滴定至红色消失。根据CO2-C的释放量计算培养期内土壤有机碳的矿化量。
1.4 Q10值计算土壤有机碳矿化温度敏感性系数Q10,指温度每增加10 ℃时土壤有机碳矿化速率增加的倍数。本研究土壤有机碳矿化速率与温度之间的关系采用指数模型R = aebT。其中:R为土壤有机碳矿化速率; T为培养温度; a为温度为0 ℃时的土壤有机碳矿化速率; b为温度反应系数[17]。Q10计算公式为:Q10 = e10b。
1.5 数据分析试验数据用SPSS 18.0软件进行方差分析和Pearson相关分析,显著性水平为P < 0.05。试验结果以3个重复的平均值表示。
2 结果与分析 2.1 土壤有机碳矿化动态3种培养温度下不同施肥处理土壤有机碳矿化速率随时间的动态变化如图 1所示。培养前7 d,土壤有机碳矿化速率快速下降,之后逐渐降低,直至培养结束时达到稳定状态。培养第7天,土壤有机碳矿化速率分别为开始时的47.6%、55.5%和51.6%,培养结束时则分别为开始时的30.5%、22.4%和22.4%。所有处理土壤有机碳矿化速率随着培养温度的升高而增加。培养过程中施肥对土壤有机碳矿化速率的影响较为复杂,因此通过有机碳累积矿化量进行进一步的比较和分析。
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图 1 不同培养温度下长期施肥土壤有机碳矿化速率动态变化 Fig. 1 Dynamics of SOC mineralization at different temperatures under different fertilization treatments |
除CK处理外,其余处理土壤有机碳累积矿化量均随温度升高而增加,25 ℃时比15 ℃平均增加122.5%,35 ℃时比25 ℃时增加32.7% (表 2),说明在较低温度范围内,有机碳矿化受温度变化的影响更大。不同培养温度下,施肥对土壤有机碳累积矿化量的影响不同。15 ℃培养时,C和NC处理有机碳累积矿化量最高,分别比CK高26.5%和36.7%,其余处理有机碳矿化量接近。25 ℃培养时,NK处理有机碳累积矿化量最低,其次是N和CK处理; 施磷(NP和NPK)较未施磷处理(N和NK)有机碳累积矿化量平均提高32.9%,施有机肥(C、NC和NPKC)较未施有机肥处理(CK、N和NPK)提高17.4%,1/2秸秆回田处理(NPKS)比对照提高9.4%。35 ℃培养时,CK、N和NK处理有机碳累积矿化量同样最低,施磷比未施磷处理平均提高31.2%,施有机肥比未施有机肥处理提高40.1%,NPKS处理比CK高39.7%。土壤有机碳矿化率结果显示,除CK处理外,25 ℃时有机碳矿化率比15 ℃时平均高117.6%,35 ℃时比25 ℃高34.6% (表 2)。25 ℃培养时,CK处理有机碳矿化率最高; 15 ℃培养时,多数施肥处理有机碳矿化率低于CK,而35 ℃培养结果与之相反。
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表 2 不同施肥处理土壤有机碳累积矿化量和Q10值 Table 2 Cumulative amounts and Q10 values of SOC mineralization under different fertilization treatments |
本研究中,土壤有机碳矿化温度敏感性受施肥处理的影响(表 2)。其中,CK和N处理有机碳矿化的Q10最低,分别为1.31和1.32,NPKC处理的Q10最高,为1.75,其余处理的Q10为1.36 ~ 1.70。可见,长期施肥提高了红壤水稻土有机碳矿化的温度敏感性。
2.3 土壤不同形态有机碳含量不同施肥处理土壤各形态有机碳含量差异显著(表 3)。CK、N和NK处理各形态有机碳含量最低。与缺磷处理(N和NK)相比,增施磷肥(NP和NPK)土壤微生物生物量碳、易氧化有机碳、胡敏酸碳和富里酸碳含量分别提高45.3%、15.7%、125.0%和8.1%。施有机肥(C、NC和NPKC)较未施有机肥处理(CK、N和NPK)各形态有机碳含量分别提高56.6%、22.5%、60.7%和26.0%。相对于CK处理,1/2秸秆回田处理(NPKS)各形态有机碳含量分别提高103.5%、43.6%、46.3%和35.0%。
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表 3 不同施肥处理土壤各形态有机碳含量 Table 3 Contents of SOC fractions under different fertilization treatments |
不同培养温度下土壤有机碳累积矿化量与土壤理化性质的相关性分析结果表明(表 4),有机碳累积矿化量与pH呈显著负相关,而与有机碳和全氮均呈显著或极显著正相关。全磷、碱解氮和有效磷与部分培养温度下有机碳累积矿化量显著相关。全钾与有机碳累积矿化量相关性不显著,而速效钾与25 ℃和35 ℃下有机碳累积矿化量显著负相关。有机碳矿化温度敏感性系数Q10与有机碳、全氮、全磷、碱解氮和有效磷均呈显著或极显著正相关。
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表 4 土壤有机碳矿化量和Q10与土壤理化性质的相关性 Table 4 Correlation coefficients between cumulative amounts of SOC mineralization, Q10 values and soil physiochemical properties |
不同培养温度下土壤有机碳累积矿化量与不同形态有机碳的相关性分析结果显示(表 5),15 ℃下有机碳累积矿化量与各形态有机碳相关性不显著,而25 ℃和35 ℃时则呈现出显著或极显著正相关关系(除25 ℃时,与易氧化有机碳相关不显著)。有机碳矿化温度敏感性系数Q10与除富里酸碳外的碳素形态显著或极显著正相关。
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表 5 土壤有机碳矿化量和Q10与不同形态有机碳之间相关性 Table 5 Correlation coefficients between cumulative amounts of SOC mineralization, Q10 values and SOC fractions |
微生物作用下的土壤有机碳矿化过程,很大程度上依赖于土壤中养分的供应。培养前期,土壤中存在大量可供微生物分解利用的活性有机物质,微生物活动强烈,CO2产生速率较快; 随着培养时间的延长,微生物开始利用较难分解的复杂有机物,其活动相对缓和,CO2释放速率开始降低并在培养后期表现出相对稳定的趋势。这种有机碳矿化速率先快后慢的变化特征在很多研究中均有报道[4, 6-7]。
本研究中,土壤有机碳矿化速率、累积矿化量和矿化率均随温度升高而增加。一定温度范围内,温度升高导致的有机碳矿化强度增加可能与土壤微生物和土壤酶活性的增强有关[18]。Rustad等[19]指出,一定程度的温度升高有利于土壤微生物生长和繁殖,并提高微生物活性。韩玮等[20]发现,与常温(25 ℃)处理相比,增温处理(30 ℃)土壤转化酶、纤维素酶、淀粉酶和蛋白酶活性增加,且转化酶对温度变化更为敏感。因此,在一定温度范围内,随着土壤微生物和土壤酶活性的增强,土壤有机质分解过程加剧,有机碳矿化作用增强。
温度敏感性系数Q10反映环境温度变化对土壤有机碳矿化速率的影响。前人研究表明稻麦轮作的典型潴育、潜育和淹育水稻土的Q10值变化范围为1.48 ~ 2.88[11],湖南省3个长期定位施肥监测点水稻土的Q10为1.01 ~ 1.53[12]。本研究中,开垦自红壤荒地不同施肥处理水稻土Q10为1.31 ~ 1.75,在前人报道的水稻土有机碳矿化温度敏感性范围之内。
本研究发现,施肥可以提高水稻土有机碳矿化的温度敏感性(Q10),而马天娥等[21]对旱作农田土壤的研究却表明,施肥降低了土壤的Q10值。理论上认为,土壤有机质含量越高,有机碳矿化速率越大,有机碳矿化的温度敏感性应当越低[22-23]。然而,有研究发现不同利用方式土壤的Q10值与有机质数量大小并非对应关系[24],而三江平原土壤Q10值与土壤有机碳和微生物生物量碳含量呈线性正相关关系[25]。无论是土壤中易被微生物利用的活性有机碳,还是在活性碳消耗后能被微生物分解的缓效碳,均对温度变化表现出一定敏感性,从而影响土壤有机碳矿化的温度敏感性[24]。有研究表明,不同施肥处理水稻土Q10值与土壤有机碳、易氧化有机碳、胡敏酸碳和富里酸碳均呈显著正相关[12]。本研究中,Q10值与有机碳及氮磷的全量和速效养分,以及除富里酸外的有机碳形态显著或极显著正相关。土壤中底物的质量是决定有机碳矿化温度敏感性的重要因素[26]。施肥、土壤类型、利用方式、植物覆盖等因素导致的土壤有机碳质量差异可能是导致有机碳矿化温度敏感性存在空间差异的重要原因。土壤有机碳矿化温度敏感性的空间格局及其影响因素仍有待于进一步研究探索。
磷肥和有机肥的施用提高了红壤水稻土有机碳累积矿化量。我国南方红壤磷素利用率低,作物容易表现出缺磷的现象[27-28]。化学磷肥的施用及秸秆和猪粪带入的磷素可以促进作物生长,提高作物根系生物量和分泌物的种类和数量[29],从而增加土壤中可供矿化的活性有机碳含量。有机肥本身包含大量的有机碳和微生物活性物质,不但能提供大量的可矿化碳,还可促进土壤原有有机碳的矿化[21]。此外,磷肥和有机肥的施用对土壤微生物活性和多样性的促进作用也是导致土壤有机碳矿化量增加的重要原因[30-31]。土壤有机碳矿化量增加,有机质分解释放出更多无机养分,有利于改善水稻土养分供应状况。
张鹏等[32]对宁南旱区土壤的研究表明,有机碳累积矿化量与土壤活性有机碳之间存在极显著正相关性。陈涛等[33]的研究发现,不同施肥处理水稻土有机碳矿化量与有机碳、微生物生物量碳和水溶性有机碳的相关性极显著。本研究中,3个培养温度下有机碳累积矿化量与有机碳、全氮显著正相关,25 ℃和35 ℃有机碳累积矿化量与不同形态有机碳显著正相关。也有研究指出所有培养温度下(10、20和30 ℃)土壤有机碳矿化量与有机碳、易氧化有机碳、胡敏酸碳和富里酸碳呈显著正相关关系[12]。本研究中,15 ℃培养时土壤有机碳累积矿化量与不同碳形态无显著相关关系,这可能是因为在当前的肥力水平下,土壤微生物和酶活性更易受低温条件抑制,土壤提供的有效碳源超过微生物活动的需求。此外,土壤有机碳累积矿化量与pH显著负相关,这与吴萌等[34]对长期施肥处理下不同类型水稻土有机碳矿化的研究结果是一致的。
4 结论1) 培养前期土壤有机碳矿化速率较快,之后矿化速率相对较慢并在培养后期趋于稳定。土壤有机碳矿化速率、累积矿化量和矿化率均随温度的升高而增加,因此,在一定温度范围内,升温促进了红壤水稻土有机碳的矿化。各处理土壤有机碳矿化的温度敏感性系数Q10为1.31 ~ 1.75,与土壤理化性质和有机碳形态密切相关。
2) 磷肥和有机肥的施用提高了红壤水稻土有机碳累积矿化量,有利于土壤中养分的释放与供应。3种温度条件下,不同施肥处理土壤有机碳累积矿化量与土壤pH、有机碳和全氮含量显著相关,25 ℃和35 ℃培养时与土壤有机碳形态显著相关。
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2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China