培养温度对不同类型茶园土壤有机碳矿化的影响

王 峰，陈玉真，尤志明*，吴志丹，江福英，张文锦，王义祥

(1.福建省农业科学院茶叶研究所，福建 福安 355015；2.福建省农业科学院农业生态研究所，福建 福州 350013)



培养温度对不同类型茶园土壤有机碳矿化的影响

王 峰1，陈玉真1，尤志明1*，吴志丹1，江福英1，张文锦1，王义祥2

(1.福建省农业科学院茶叶研究所，福建 福安 355015；2.福建省农业科学院农业生态研究所，福建 福州 350013)

室内模拟亚热带地区2种不同类型茶园土壤(黄壤和高山草甸土)在3种温度(10、20和30℃)下的有机碳矿化特征，分析有机碳矿化对温度变化的响应特征。结果表明：在47 d培养期间内，土壤类型和温度对茶园有机碳矿化具有显著影响，并且存在显著的交互作用；相同培养温度条件下高山草甸土茶园有机碳矿化量和矿化速率常数k均显著高于黄壤，但矿化比例差异不显著，随着培养温度的增大，有机碳累积矿化量持续增加，增幅分别为20.90～91.88%(黄壤)和48.52～113.88%(高山草甸土)，且高山草甸土有机碳Q10值高于黄壤，说明有机碳含量丰富的高海拔高山草甸土茶园土壤有机碳温度敏感性更高；低温培养条件下(<20℃)土壤有机碳矿化的温度敏感性均显著高于高温培养条件下，说明低温条件下有机碳矿化速率对升温更敏感，低温条件下(<20℃)高山草甸土茶园土壤平均Q10值(2.05)显著高于黄壤(1.66)，但高温条件下(>20℃)，两者之间没有显著差异；一级动力学方程能较好地描述了2种茶园土壤有机碳的矿化累积动态，土壤有机碳的潜在矿化量(C0)随温度增加而增加。

土壤有机碳矿化；茶园土壤；温度敏感性；Q10值

土壤有机碳库是陆地生态系统中最大的碳库，约占陆地土壤有机碳库的67%(储量约为1 500 PG)[1-2]，与全球碳循环和气候变化密切相关。土壤有机碳分解释放CO2的过程称土壤有机碳矿化，该过程作为土壤碳库周转过程中唯一碳输出途径，其微小的变化足以影响CO2浓度的较大波动[3]，也会影响土壤生物活性及营养元素的释放与供应等[4]。综合前人的研究发现，影响土壤有机碳矿化的因素很多，包括土壤管理措施[5-6]、环境因素[7-8]、土壤有机碳化学组成[9-10]、土壤理化性状[11-13]等，其中温度是影响土壤有机碳矿化最重要的调控因子。由于温室效应，即使目前温室气体浓度保持恒定，地表温度也将持续上升[14]。由此可见，未来气候变暖背景下，探讨升温如何影响土壤有机碳碳矿化已成为全球变化和碳循环研究的热点问题。目前国内外有关林地[15]、旱地[16]、水田[17]及湿地[18]的土壤有机碳矿化及其温度敏感性的研究较多，但有关茶园土壤有机碳矿化的温度敏感性研究仅有少量研究报道[19-20]。

茶园是我国南方丘陵地区主要的土地利用类型，据统计2015年底我国茶园种植面积已达289.73万hm2[21]，新垦茶园面积和采摘面积保持持续增长态势。有研究表明，茶园土壤碳密度约为143.90 MgCha-2[22]，成龄茶园(35 a)土壤碳密度与周围常绿林地相当，并随着植茶年限增加有机碳密度增加。本研究以福建省武夷山市2种不同类型茶园土壤(黄壤和高山草甸土)为研究对象，研究温度如何影响茶园土壤有机碳的矿化过程及其温度敏感性，以期为预测未来气候变暖背景下茶园土壤有机碳变化提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

供试土壤分别取自福建省武夷山市星村镇曹墩村(N 27°37′、E117°51′)和桐木关保护区(N 27°47′、E117°42′)，土壤类型为黄壤和高山草甸土。于2013年3月按照多点取样法在选定的标准试验地采集上层耕作层土壤(0～20 cm)，采样点在茶行中线位置，6次重复，6个重复混合成1个样品。采样结束后，及时带回实验室风干，需剔除凋落物、植物根系、石块等杂物。其中，一部分过2 mm筛后用于培养试验；取另一部分研磨后过100目筛孔，用于土壤理化性质测定。试验地茶园基本概况和土壤基础理化性质分别见表1和表2。

表1 试验地茶园基本情况

表2 供试土壤基础理化性状

1.2 试验设计

采用室内密闭培养、碱液吸收法测定土壤有机碳的矿化量[23]。具体操作步骤如下：称150 g过2 mm筛的风干土，放入规格为1 L带盖白色塑料培养瓶中，加入去离子水调节土壤含水率至田间最大持水量(WHC)的60%，在20℃恒温培养箱中预培养48 h，以激活土壤微生物。预培养结束后，在培养瓶内土壤表面垫一块尼龙网，分别置于10、20和30℃的生化培养箱中恒温好气培养47 d。在培养的第1、2、4、6、8、12、19、26、33和47 d测定CO2释放量。测定时将盛有20 mL 0.1 mol·L-1NaOH溶液的小烧杯小心地放置于尼龙网上，将塑料培养瓶加盖密封24 h后，取出NaOH吸收液用稀盐酸滴定。非测定时间用塑料薄膜封口，并用针头扎若干个小孔以保持好氧环境。所有处理均为3次重复，同时每个温度设置3个空白样对照(即不加土壤)。整个培养期间，定期采用称重法保持含水量一致。

1.3 分析方法和指标计算

土壤基础理化性质参照鲁如坤编写的土壤农业化学分析进行[24]；培养过程中CO2释放量参照窦晶鑫等[25]。

温度系数(Q10)按以下公式计算[26]：

Q10=Rt+10/Rt

(1)

(1)式中，Rt和Rt+10分别为温度t和t+10时刻的土壤有机碳矿化速率。

由于培养期较短，采用一级动力学方程对不同培养温度下土壤有机碳矿化动态进行拟合[27]，具体方程如下：

Cmin=C0(1-exp-kt)

(2)

(2)式中：Cmin为t时刻土壤有机碳累计矿化量(mg·kg-1)，C0为有机碳潜在矿化势(mg·kg-1)，t为培养天数(d)，k为有机碳矿化常数。

1.4 数据处理

利用SPSS 16.0软件进行方差分析和一级动力学方程拟合，表格制作采用 Microsoft Excel 2003软件，绘图采用GraphPad Prism 5软件。

2 结果与分析

2.1 不同培养温度下2种茶园土壤有机碳矿化矿化过程

图1为不同培养温度下2种茶园土壤有机碳矿化速率随培养时间的变化。各处理茶园土壤有机碳日矿化速率呈现明显的阶段性特征：经过48 h的预培养后，土壤有机碳矿化在1 d达到峰值，各处理间差异显著(P<0.05)；此后迅速下降，至培养第8 d时，黄壤茶园土壤各处理有机碳的矿化速率下降了66.44%～73.77%，高山草甸土茶园土壤下降了74.69%～76.36%；随着培养时间的延长逐渐趋于稳定状态，各处理间差异不显著(P>0.05)。同时，2种类型茶园土壤有机碳矿化速率均随着培养温度增加而增加，且低温(10℃)时升高温度土壤有机碳矿化速率增幅要高于高温下(20℃)升高温度的增幅。拟合分析表明，培养期间不同培养温度处理土壤有机碳矿化速率随培养时间的变化符合对数函数关系(表3)，相关系数均达到极显著水平。

Table 3 Mathematic equation of SOC mineralization during incubation

土壤类型处理/℃回归方程相关系数R2黄壤10Y=-2653ln(x)+6598097∗∗20Y=-5519ln(x)+12985096∗∗30Y=-6155ln(x)+15150097∗∗高山草甸土10Y=-5048ln(x)+11438096∗∗20Y=-11692ln(x)+25811097∗∗30Y=-15572ln(x)+34220098∗∗

注：式中Y: CO2-C矿化速率/(mg·kg-1·d-1)；x：培养时间/d。**P<0.01。

2.2 不同培养温度下2种茶园土壤有机碳累积矿化量和矿化比例

土壤有机碳矿化量是指在一定温度下，培养时间内土壤有机碳矿化释放的CO2总量，也是表征土壤碳矿化速率强度的指标之一[28]。在本试验的培养周期内(47 d)，茶园黄壤3种培养温度下有机碳累积矿化量分别为：766.59、1 263.84和1 685.86 mg·kg-1，高山草甸土茶园各处理有机碳矿化量分别为967.06、1 907.91和2 492.82 mg·kg-1(图2)，且均随着培养温度增加而增加。方差分析表明，升温显著增加2种茶园土壤有机碳累积矿化量(P<0.05)，增幅分别为64.86%～119.91%和97.29%～157.77%。同时，同一培养温度下高山草甸土茶园土壤有机碳矿化量均显著高于黄壤(P<0.05)。

3种培养温度下黄壤茶园土壤有机碳矿化率分别为3.26%、5.37%和7.17%(图2)，且各处理间差异显著(P<0.05)；相同温度下高山草甸土茶园有机碳矿化率分别为2.64%、5.21%和6.81%，各处理间差异显著(P<0.05)；黄壤茶园有机碳矿化率要高于高山草甸土，但差异不显著(P>0.05)。升温有利于提高茶园土壤有机碳累积矿化率，分别提高了2.22%～3.91%(黄壤)和2.57%～4.71%(高山草甸土)，说明升温对高山草甸土有机碳矿化促进效果更加明显。

2.3 培养温度和土壤类型对有机碳矿化的交互作用

利用双因素方差分析法(Two-Way ANOVA)，分析了土壤温度与土壤类型对茶园土壤有机碳矿化量和矿化比例的交互作用。从表4可以看出，不仅土壤类型和培养温度对土壤有机碳累积矿化量有极显著影响(P<0.01)，而且两者的交互作用也极其显著(P<0.01)。然而，土壤有机碳矿化比例仅受培养温度的影响(P<0.01)，不存在交互作用，说明培养温度才是影响有机碳矿化比例的主要因素。

表4 培养温度和土壤类型对有机碳矿化的影响

Table 4 Effect of temperature and soil type on SOC mineralization

注：**表示P<0.01 水平下差异显著。

2.4 茶园土壤有机碳矿化温度敏感系数(Q10)和动力学方程

一般用有机碳矿化的温度系数(Q10)来反映温度对有机碳平均矿化速率的影响状况，其值越大表示温度敏感性越强[29]。本研究可以看出(图3)，2种类型茶园土壤有机碳矿化的温度系数Q10在温度较高(>20℃)时比地温区间(<20℃)时随时间的变化幅度明显。温度较高(>20℃)时，黄壤和高山草甸土茶园平均Q10值分别为1.32和1.36；温度较低(<20℃)时，黄壤和高山草甸土茶园平均Q10值分别为1.66和2.05，说明低温时升温会大大促进土壤有机碳的矿化。同时，高山草甸土Q10值要高于黄壤，表明有机碳丰富的高海拔茶园土壤对升温更敏感。

应用一级动力学方程对不同培养温度条件下，2种茶园土壤有机碳累积矿化量进行拟合，拟合方程的相关系数均大于0.96(表5)。总的来看，相同培养温度条件下，高山草甸土有机碳的潜在矿化量Co值均显著高于黄壤；2种茶园土壤的潜在矿化量Co值均随着培养温度增加，黄壤茶园土壤的矿化速率常数k值以20℃最高，高山草甸土的矿化速率常数k值则随着培养温度增加而增加。

Table 5 Parameters on first-order kinetics of SOC mineralization

土壤类型处理/℃C0/(mg·kg-1)K(d-1)C0/SOC/%R2黄壤1080345c0063b342c09620121736b0084c518b09730169184a0069b719a098高山草甸土1089508c010b245c09920177843b013ab486b09830231599a014a633a097

3 讨论与结论

本研究中，2种类型茶园土壤有机碳矿化速率呈现出阶段性特征，培养初期达到峰值后迅速下降，后期持续下降并趋于稳定，这与多数的研究结果一致[6,15]。在培养前期，土壤微生物优先分解由大部分植物残体、相当数量的微生物和周转迅速的微小动物碎片等组成的活性有机碳，土壤有机碳矿化速率很快达到最高峰；随培养时间的延长，土壤中易矿化有机碳数量逐渐消耗，土壤微生物转而开始分解结构复杂的有机物质(纤维素和木质素)[30]，微生物代谢相对缓和，矿化速率随之减缓。同时，2种类型茶园土壤有机碳矿化速率随时间的变化均符合对数方程(表3)，与陈涛等[31]研究结果一致。高山草甸土茶园累积矿化量及矿化速率常数k均显著高于黄壤茶园，这可能与2种类型茶园土壤理化性质和微生物(数量、活性及群落结构)差异有关。以往研究表明[32]，土壤有机碳含量及组成是影响有机碳矿化的主导因素。高山草甸土茶园有机碳含量(36.6 g·kg-1)明显高于黄壤茶园(23.52 g·kg-1)，同时可溶性有机碳和微生物量碳含量也高于黄壤茶园(表2)，参与矿化过程的微生物底物浓度较高，因而有机碳矿化速率和矿化量较大；而高山草甸土茶园氮含量也显著高于黄壤茶园，氮含量的增加可以促进土壤有机碳的矿化[33]。尽管高山草甸土茶园有机碳累积矿化量要显著高于黄壤茶园，但两者之间有机碳矿化比例差异不显著，这与活性有机碳占有机碳的比例基本一致有关。

温度是影响有机碳矿化的关键因素，在一定温度范围内土壤有机碳矿化速率会随着温度升高而增加[13,34]，其中，低温下升温会大大促进土壤有机碳的矿化，高温下升温对土壤有机碳矿化的促进作用则相对较弱[35]。本研究中经过47 d的培养, 10、20和30℃条件下，黄壤茶园有机碳矿化率3.26%、5.37%和7.17%，高山草甸土茶园有机碳矿化率为2.64%、5.21%和6.81%，并且温度间存在显著性差异，表明随着温度升高土壤有机碳矿化比例呈递增趋势，这与大多数研究的结果一致[7,34]。在培养温度较低时，土壤微生物以及酶活性受到限制，土壤有机碳矿化速率较慢；随着培养温度的增加，参与呼吸作用的微生物数量和种类明显增加，可以促进产生更多参与碳分解的酶[36](如βG和纤维素分解酶)，从而导致土壤有机碳的矿化速率加快；另外，升温有利于促进土壤缓效碳转化为活性炭，使活性炭库含量和比例增加[37]，从而促进有机碳矿化速率。另外，本研究发现，培养温度升高山草甸土茶园有机碳矿化量增幅(97.29%～157.77%)高于黄壤(64.86%～119.91%)，说明高山草甸土茶园有机碳矿化受温度影响更大。

通常用Q10来表示土壤有机碳矿化的温度敏感系数，不同植被和土壤类型之间的Q10值差异很大，但可用比较不同研究和用于反映土壤有机碳分解对于气候变暖的响应机制。本研究中，温度较高(>20℃)时，黄壤和高山草甸土茶园平均Q10值分别为1.32和1.36，温度较低(<20℃)时，黄壤和高山草甸土茶园平均Q10值分别为1.66和2.05；说明低温条件下土壤有机碳矿化对温度的敏感性均显著高于高温条件下，这与其他地区研究结果一致[38-39]。同时，高山草甸土茶园平均Q10值要大于黄壤，说明有机碳含量丰富的高海拔茶园土壤有机碳温度敏感性更高。高山草甸土茶园分布于海拔1100～1500m高山地区，多由湿生草灌植被开垦形成，土壤草甸化作用明显，周围有大量的林地凋落物输入，冷湿气候条件下土壤有机碳氮大量积累，活性有机质含量较高，因而对升温更敏感。另外，土壤微生物的对温度的适应性对Q10具有重要影响，低海拔地区茶园土壤温度变幅较大，土壤微生物对高温的适应可能降低土壤有机碳矿化的温度敏感性[34]。

综合以上可以看出，相同培养温度下高山草甸土茶园有机碳矿化量和矿化速率常数k均显著高于黄壤，但有机碳矿化比例差异不显著；升温均会促进两种类型茶园土壤有机碳矿化，增幅分别为97.29%～157.77%和64.86%～119.91%，茶园土壤有机碳矿化过程同时受到培养温度和土壤类型的交互影响；低温培养条件下土壤有机碳矿化对温度的敏感性均显著高于高温培养条件下，有机碳含量丰富的高海拔地区高山草甸土茶园土壤有机碳温度敏感性更高。

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(责任编辑：黄爱萍)

Effect of Temperature on Organic Carbon Mineralization in Two Types of Soil at Tea Plantations

WANG Feng1，CHEN Yu-zhen1，YOU Zhi-ming1*，WU Zhi-dan1，JIANG Fu-ying1，ZHANG We-jin1，WANG Yi-xiang2

(1.TeaResearchInstitute,FujianAcademyofAgriculturalSciences,Fu′an，Fujian355015,China;2.AgricultureEcologyInstitute,FujianAcademyofAgriculturalSciences,Fuzhou，Fujian350013,China)

An incubation test on the yellow and alpine meadow soils collected from the tea plantations in the subtropical region was conducted at 10, 20, and 30℃ to examine the response of the soil organic carbon (SOC) mineralization due to the temperature changes. The results showed that, in a 47 d incubation, both soil type and temperature significantly affected the SOC mineralization with significant interactions between the two factors. At a same incubation temperature, the SOC mineralization accumulation and mineralization constant (k) were significantly higher in the alpine meadow than the yellow soil, but not on the mineralization rate. The cumulative SOC mineralization increased with increasing temperature by 20.90%-91.88% on the yellow soil, and 48.52%-113.88% on the alpine meadow soil. The temperature sensitivity,Q10, on SOC of the alpine meadow soil was significantly higher than that of the yellow soil, suggesting a greater effect of climate warming on SOC mineralization for tea plantations at higher altitudes. In addition,Q10were higher at lower temperatures (<20℃) than higher temperatures (>20℃), indicating that the mineralization was more sensitive to temperature rise at low temperatures. And, when the temperature was lower than 20℃, the sensitivity of the alpine meadow soil was significant higher than that of its counterpart. Whereas, as the temperature raised beyond 25℃, no significant difference was found between them. The dynamics of SOC mineralization appeared to fit a first-order kinetics function, while the SOC mineralization potential (Co) increased with increasing incubation temperature.

Soil organic carbon mineralization; tea plantation soil; temperature sensitivity;Q10

2016-06-14初稿；2016-08-03修改稿

王峰(1984-)，男，助理研究员，研究方向：茶树栽培与环境生态(E-mail：82458lin@163.com)

*通讯作者：尤志明(1964-)，男，研究员，主要从事茶树栽培(E-mail：847842412 @qq.com)

福建省自然科学基金(2016J01120)；福建省科技计划项目——省属公益类科研院所基本科研专项(2014R1012-10、2015R1012-5、2014R1017-3)；福建省财政专项——福建省农业科学院科技创新团队建设项目(2014Y0048、2015S0044)

S 151

A

1008-0384(2016)09-993-07

王峰，陈玉真，尤志明，等.培养温度对不同类型茶园土壤有机碳矿化的影响[J].福建农业学报，2016，31(9)：993-999.

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