温度对黑色石灰土原土及不同粒径土壤颗粒有机碳矿化的影响

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(1.贵州大学 农学院，贵州 贵阳 550025； 2.四川省地质矿产勘查开发局 攀西地质队，四川 西昌 651000；3.贵州大学 烟草学院/贵州省烟草品质研究重点实验室，贵州 贵阳 550025； 4.思南县大河坝镇农业服务中心，贵州 铜仁 565102； 5.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西 西安 710075)

全球土壤有机碳储量约1.5×1015kg[1]。有机碳在微生物作用下分解并释放CO2的过程即土壤有机碳矿化或呼吸，是重要的生物化学过程之一，其微小波动会对大气CO2浓度产生较大影响，并直接影响着土壤有机碳动态平衡、质量保持和养分循环[2]。有机碳矿化过程受土壤理化和生物学性质[3]、温度[4-5]、水分[6]、有机碳饱和度[7]等因素影响，其中土壤有机碳含量与组成(土壤有机碳饱和度与稳定性)是影响有机碳矿化的内在因素和主导因子之一[8]。

土壤微生物介导有机碳矿化过程，土壤温度影响微生物的群落结构、生物量和生物酶活性，进而影响有机碳的矿化和呼吸强度[9-11]。有研究表明，温度较低时土壤微生物和酶活性受限制，有机碳矿化速率较慢[12-13]。随着温度升高，参与有机碳分解的土壤微生物和酶活性，尤其是胞外酶活性增强[14]，促进有机碳矿化[15]和CO2释放[16-18]。土壤温度系数(Q10，温度每升高10 ℃土壤有机碳矿化量或矿化速率増加的倍数)越大，表明有机碳矿化对温度变化响应越敏感[19]。王峰等[20]研究表明,低温条件下(<20 ℃)有机碳矿化对温度的增加更敏感。

HASSINK[21]指出土壤有机碳矿化与有机质组分和团聚体结构密切相关，不同粒径土壤颗粒有机碳矿化存在显著差异。刘晶等[22]研究表明，粒径>5 mm的土壤颗粒可矿化碳含量较低，但固碳潜力较强。也有研究指出，不同粒径土壤颗粒可矿化有机碳分配比例无显著差异(P>0.05)，固碳能力依次排序为粗颗粒>单黏粒>微团聚体>单粉粒[23]。

综上所述，虽然温度对土壤有机碳矿化影响的研究已有较多报道，但研究对象多为长期施肥土壤[24]，对于西南喀斯特地区石灰土有机碳矿化，特别是温度对黑色石灰土原土(以下称为原土)及不同粒径土壤颗粒有机碳矿化影响的研究还较少。鉴于此，以贵州典型原土为对象，通过分组、室内矿化培养和一级动力学方程拟合等，揭示原土各组分有机碳矿化及其对温度的响应特征，以期为全球温度变化条件下区域土壤有机碳管理和大气碳排放模拟与预测提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 供试土壤

供试土壤为采集自贵州省普定县陈家寨喀斯特石漠化综合治理小流域(106°23′E、26°34′N)的原土。2017年8月中旬采集山顶荒草地0～20 cm土层土壤样品20 kg，带回实验室后手工剔除粒径>10 mm的杂质，混合均匀，置于通风且无阳光直射处晾干，粉碎过2 mm孔径筛后装入带盖的塑料桶中备用。取1份用于湿筛分组和土壤培养试验，另取3份分别研磨粉碎并过0.149、0.25、1 mm孔径筛，用于土壤基本理化性质的测定。其基本理化性质为有机质含量108.37 g/kg、全氮含量6.96 g/kg、全磷含量1.20 g/kg、全钾含量3.79 g/kg、碱解氮含量456.36 mg/kg、有效磷含量2.15 mg/kg、速效钾含量165.30 mg/kg、pH值7.83。

1.2 不同粒径土壤颗粒的筛分

采用湿筛法将过2 mm孔径筛的风干土壤样品筛分为粗颗粒(粒径>250 μm)、微团聚体(粒径53～250 μm)、单粉粒(粒径2～53 μm)和单黏粒(粒径<2 μm)[25-26]。基本操作如下：称取过2 mm孔径筛的风干土样20.00 g，置于20 cm×25 cm的圆柱形不锈钢桶内的微团聚体分离器套筛(共2层，上层筛孔径250 μm、下层筛孔径53 μm)的上层筛中，并在上层筛中放入30个直径约3 mm的玻璃珠，然后向不锈钢桶内加注2 500 mL去离子水，使水深至上层筛中部，静止30 min后以30次/min的频率上下摆动不锈钢桶20 min，留在上层筛中的土壤为粗颗粒，留在下层筛中的土壤为微团聚体。悬液在900 r/min条件下离心7 min，留在离心管下部的固体为单粉粒。剩余上清液转入新的离心管，3 200 r/min条件下离心15 min，倒去上清液，剩余固体为单黏粒。重复筛分6次。湿筛的不同粒径土壤颗粒无损地转入小铝盒，于65 ℃下烘干并称质量，供有机碳矿化试验使用。

1.3 原土和不同粒径土壤颗粒有机碳矿化试验

分别取原土及不同粒径土壤颗粒2.00 g置于50 mL烧杯中，然后在盛有原土的烧杯中加入0.5 mL蒸馏水(使土壤含水量相当于田间最大持水量的70%)，将烧杯置于1 L广口瓶中，在25 ℃恒温培养箱中预培养24 h[27]。预培养结束后将盛有10 mL 0.1 mol/L NaOH溶液的烧杯放入广口瓶中，密封后分别置于15、25、35 ℃的恒温培养箱中黑暗培养，并分别于培养的第1、2、3、4、5、6、7、8 天将盛有NaOH溶液的烧杯取出，并立即加入2 mL 1 mol/L的BaCl2溶液和1滴酚酞指示剂，然后用0.1 mol/L的HCl溶液滴定未被消耗的NaOH，通过HCl的消耗量计算释放出的CO2量[28-29]。同时用称质量法补充盛有原土及不同粒径土壤颗粒的50 mL烧杯的水分至初始质量，通气30 min后将新的盛有10 mL 0.1 mol/L NaOH溶液的烧杯放于广口瓶中，加盖密封于黑暗条件下继续培养。设置无土处理作为对照，3次重复，整个培养过程持续8 d。

1.4 计算方法

原土和不同粒径土壤颗粒有机碳含量计算参照文献[30]。

原土和不同粒径土壤颗粒有机碳矿化量(以CO2计)=CHCl×(V0-Vl)×22/0.03，式中，CHCl为滴定盐酸的浓度；V0为对照滴定的盐酸体积；Vl为其他处理滴定的盐酸体积。

原土和不同粒径土壤颗粒有机碳矿化速率(以CO2计)=培养时间内有机碳累积矿化量/培养天数。

有机碳累积矿化量Ct是从培养开始至某一时间点的土壤CO2总释放量，采用一级动力学方程进行拟合，并得到动力学方程各参数值[31-32]。拟合方程为Ct=C0(1-e-kt)，式中，C0为有机碳潜在矿化量，k为有机碳的周转速率常数，t为培养天数。

原土和不同粒径土壤颗粒可矿化有机碳分配比例=(培养时间内土壤有机碳矿化释放的CO2-碳总量)/土壤总有机碳含量×100%。

土壤有机碳矿化温度系数(Q10)=Rt+10/Rt[33]。式中，Rt和Rt+10分别为温度t和t+10时的土壤有机碳矿化速率。

1.5 数据处理与分析

用Excel 2016进行数据的整理、计算和制图，用SPSS 25.0进行方差分析和Duncan多重比较(P<0.05)，用Origin 2018进行一级动力学方程拟合，采用双因素方差法(Two-Way ANOVN)分析交互影响。

2 结果与分析

2.1 不同粒径土壤颗粒质量分布

6次筛分中微团聚体、粗颗粒、单粉粒和单黏粒4种土壤颗粒的质量分布如表1所示。20.00 g原土中微团聚体、粗颗粒、单粉粒的平均质量分别为11.94、5.14、2.24 g，合计19.32 g。由于所取原土质地较砂，筛分过程中单黏粒质量太少无法计算，此后不再进行相关指标的统计与分析。

微团聚体、粗颗粒、单粉粒所占比例分别为59.68%、25.71%、11.19%，合计96.58%。从变异系数看，除粗颗粒和单粉粒的质量和所占比例变异系数均>10%外，其余粒径土壤颗粒及合计质量和所占比例的变异系数均<10%，表明筛分过程可靠性和重现性良好。粗颗粒和单粉粒质量和所占比例的变异系数均>10%的主要原因是粗颗粒和单粉粒占土壤质量的比例过小，导致误差偏大。

表1 各粒径土壤颗粒质量Tab. 1 Weight distribution of different soil particles

注： 表中数据为平均值 ± 标准误。

Note： The data in the table were given in mean ± SE.

2.2 原土和不同粒径土壤颗粒有机碳含量

原土、微团聚体、粗颗粒、单粉粒有机碳含量如图1所示。原土有机碳含量为62.83 g/kg，粗颗粒、微团聚体、单粉粒有机碳含量依次为80.68、50.75、50.29 g/kg。其中,粗颗粒有机碳含量显著高于原土、微团聚体和单粉粒，而微团聚体和单粉粒有机碳含量之间差异不显著。粗颗粒的有机碳含量分别是原土、微团聚体、单粉粒的1.28、1.59、1.60倍。

2.3 温度对原土和不同粒径土壤颗粒有机碳矿化速率的影响

不同温度下土壤有机碳矿化速率随培养天数呈下降趋势(图2)，培养1 d时原土和不同粒径土壤颗粒有机碳矿化速率均达到峰值，此后迅速下降，至培养8 d，不同粒径土壤颗粒有机碳矿化速率介于0.53～2.60 mg/(kg·d)。其中，15 ℃时，粗颗粒有机碳矿化速率介于0.28～30.72 mg/(kg·d)，原土有机碳矿化速率是粗颗粒的1.10～2.29倍，微团聚体有机碳矿化速率是粗颗粒的1.85～2.68倍，单粉粒有机碳矿化速率是粗颗粒的1.21～3.36倍。

不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，下同

图2 温度对原土及不同粒径土壤颗粒有机碳矿化速率的影响Fig.2 Effect of temperature on organic carbon mineralization rate of rendzina and different soil particles

25 ℃时，粗颗粒有机碳矿化速率介于0.53～44.97 mg/(kg·d)，原土有机碳矿化速率是粗颗粒的1.32～1.57倍，微团聚体有机碳矿化速率是粗颗粒的1.93～2.57倍，单粉粒有机碳矿化速率是粗颗粒的1.52～1.98倍。35 ℃条件下，粗颗粒有机碳矿化速率介于0.41～51.06 mg/(kg·d)，原土有机碳矿化速率是粗颗粒的1.30～1.76倍，微团聚体有机碳矿化速率是粗颗粒的2.00～2.86倍，单粉粒有机碳矿化速率是粗颗粒的1.67～2.51倍。不同粒径土壤颗粒有机碳矿化速率均随着培养温度的增加而增加，且由15 ℃升温至25 ℃时，原土及不同粒径土壤颗粒有机碳矿化速率的增幅要高于由25 ℃升温至35 ℃时。

2.4 温度对原土和不同粒径土壤颗粒有机碳累积矿化量的影响

不同温度下土壤有机碳累积矿化量随培养天数呈上升趋势(图3)。培养8 d，15 ℃条件下，粗颗粒有机碳累积矿化量为120.45 mg/kg，原土、微团聚体、单粉粒有机碳累积矿化量分别是粗颗粒的1.10、2.10、1.34倍。培养8 d，25 ℃条件下，粗颗粒有机碳累积矿化量为134.50 mg/kg，原土、微团聚体、单粉粒有机碳累积矿化量分别是粗颗粒的1.38、2.31、1.66倍。培养8 d，35 ℃条件下，粗颗粒有机碳累积矿化量为172.91 mg/kg，原土、微团聚体、单粉粒有机碳累积矿化量分别是粗颗粒的1.18、2.03、1.57倍。培养周期(8 d)内，温度从15 ℃升至25 ℃时，原土、微团聚体、粗颗粒、单粉粒的有机碳累积矿化量增幅分别为32.47%～45.61%、18.69%～24.87%、7.87%～17.15%、33.78%～48.21%；温度从25 ℃升至35 ℃时，原土、微团聚体、粗颗粒、单粉粒的有机碳累积矿化量增幅分别为9.26%～11.75%、2.56%～20.71%、23.10%～39.02%、16.26%～27.68%。15、25、35 ℃条件下原土和不同粒径土壤颗粒有机碳累积矿化量均表现出微团聚体>单粉粒>原土>粗颗粒的规律，表明微团聚体有机碳在有机碳矿化中的贡献较大,而粗颗粒有机碳贡献较小。

图3 温度对原土及不同粒径土壤颗粒有机碳累积矿化量的影响Fig.3 Effects of temperature on accumulative mineralization amount of organic carbon of rendzina and different soil particles

2.5 温度对原土和不同粒径土壤颗粒可矿化有机碳分配比例的影响

可矿化有机碳分配比例反映了土壤的固碳能力，可矿化有机碳分配比例越低，说明土壤的固碳能力越强，反之则固碳能力越弱[34]。原土和不同粒径土壤颗粒可矿化有机碳分配比例如图4所示。15、25、35 ℃条件下，原土可矿化有机碳分配比例依次为0.20%、0.28%、0.31%，粗颗粒可矿化有机碳分配比例依次为0.15%、0.17%、0.21%，微团聚体可矿化有机碳分配比例依次为0.53%、0.65%、0.74%，单粉粒可矿化有机碳分配比例依次为0.32%、0.45%、0.54%。整体来看，土壤可矿化有机碳分配比例依次排序为微团聚体>单粉粒>原土>粗颗粒。相同温度下不同粒径土壤颗粒可矿化有机碳分配比例差异均达到显著水平；微团聚体和单粉粒可矿化有机碳分配比例在不同温度下差异分别达到了显著水平。而原土的可矿化有机碳分配比例在15 ℃条件下分别与25、35 ℃条件下差异显著。15 ℃与25 ℃条件下，粗颗粒的可矿化有机碳分配比例差异不显著。由此可以反映出3种培养温度下固碳能力依次排序为粗颗粒>原土>单粉粒>微团聚体。

图4 温度对原土及不同粒径土壤颗粒可矿化有机碳分配比例的影响Fig.4 Effects of temperature on the distribution ratio of minerable organic carbon of rendzina and different soil particles

2.6 温度和粒径对有机碳矿化的交互影响

从表2可以看出，温度和粒径分别对有机碳累积矿化量有极显著影响，而且二者的交互作用对有机碳累积矿化量影响也极显著。粒径和温度分别对土壤有机碳矿化比例有极显著影响，而且二者的交互作用对有机碳矿化比例影响也极显著。说明温度显著影响原土及不同粒径土壤颗粒有机碳的矿化比例和累积矿化量。

表2 温度和粒径对有机碳矿化的交互影响Tab.2 Interaction of temperature and size on organic carbon mineralization

注：**表示影响极显著(P<0.01)。

Note：**means significant influences (P<0.01).

2.7 原土和不同粒径土壤颗粒Q10值和动力学方程参数

从图5可以看出，原土及不同粒径土壤颗粒Q10值在培养前期(<5 d)，温度较低时(<25 ℃)比温度较高(>25 ℃)时随天数的变化幅度明显，而在培养后期(>5 d)，温度较高(>25 ℃)时比温度较低时(<25 ℃)时随天数的变化幅度明显。温度较高(>25 ℃)时，原土、粗颗粒、微团聚体、单粉粒Q10平均值分别为1.12、1.19、1.14、1.25;温度较低(<25 ℃)时，原土、粗颗粒、微团聚体、单粉粒Q10平均值分别为1.36、1.26、1.22、1.39，说明低温下升温会促进土壤有机碳的矿化。

图5 原土和不同粒径土壤颗粒Q10值Fig.5 Q10 value of rendzina and different soil particles

应用一级动力学方程对不同温度下原土和不同粒径土壤颗粒有机碳累积矿化量进行拟合(表3)，拟合方程的相关系数(R2)均大于或等于0.922。相同培养温度条件下，原土和不同粒径土壤颗粒C0值依次排序如下：微团聚体>单粉粒>原土>粗颗粒，且均随着培养温度增加而增加。原土和单粉粒的k值以25 ℃最高，粗颗粒的k值随着培养温度增加而减少，而微团聚体k值随着培养温度增加而增加。

表3 原土和不同粒径土壤颗粒有机碳累积矿化量动力学方程参数Tab.3 Parameters of the kinetic equations of accumulative mineralization of organic carbon of rendzina and different soil particles

注：**表示相关性极显著(P<0.01)，不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

Note：**means significant correlation(P<0.01),different lowercase lettors showed letters significant differences(P<0.05).

3 结论与讨论

本研究中，6次筛分所占比例合计达到96.58%，表明试验筛分过程可靠性和重现性良好。粗颗粒有机碳含量显著高于原土、微团聚体和单粉粒，而微团聚体和单粉粒的有机碳含量之间差异不显著。原土及不同粒径土壤颗粒有机碳矿化速率均在培养第1天达到峰值，然后迅速下降并趋于稳定，这与之前的研究结果一致[35-37]。这是因为在培养前期，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，因此土壤有机碳矿化速率很快达到高峰；随着培养时间的延长，土壤中活性有机碳逐渐消耗，微生物转而开始分解结构复杂的大分子有机物质(如纤维素和木质素)[38]，微生物代谢相对减弱，矿化速率随之减缓。相同温度条件下，有机碳的累积矿化量和C0值均呈现微团聚体>单粉粒>原土>粗颗粒的趋势，这可能与土壤理化性质和微生物(数量、活性及群落结构)差异有关。

温度是影响土壤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[39-40]。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[41-44]。本研究中，经过8 d的培养，15、25、35 ℃条件下可矿化有机碳分配比例分别为0.20%、0.28%、0.31%(原土)，0.15%、0.17%、0.21%(粗颗粒)，0.53%、0.65%、0.74%(微团聚体)，0.32%、0.45%、0.54%(单粉粒)，随着温度升高原土及不同粒径土壤颗粒有机碳矿化比例呈增加趋势，与之前的研究结果一致[40-42]。这是因为在较低培养温度下，微生物和酶活性受到限制，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增加，促进产生更多参与碳分解的酶[43]，从而导致土壤有机碳的矿化速率增加；此外，升温有助于促进土壤缓效碳转化为活性碳，使活性碳含量和比例增加[45-47]，促进矿化速率的提升，从而促进矿化比例的提高。另外，本研究发现，温度较高(>25 ℃)时，原土、粗颗粒、微团聚体、单粉粒Q10平均值分别为1.12、1.19、1.14、1.25；温度较低(<25 ℃)时，原土、粗颗粒、微团聚体和单粉粒Q10平均值分别为1.36、1.26、1.22、1.39，说明低温下升温会促进土壤有机碳的矿化，且低温条件下土壤有机碳矿化对温度的敏感性高于高温条件，与其他研究结果基本一致[48-51]。土壤粒径、培养温度以及两者交互作用对土壤有机碳矿化的影响都达到了极显著水平，说明土壤粒径、培养温度以及两者的交互作用都是影响有机碳矿化的重要因素。