轮作草地土壤碳蓄积与矿化动态特征

林 栋， 张德罡， Rebecca L. McCulley， 周生伟

(1.甘肃农业大学草业学院， 甘肃 兰州 730070；2. 美国肯塔基大学植物与土壤科学系， 肯塔基 列克星敦 40546-0091； 3.甘肃农业大学理学院， 甘肃 兰州 730070)

碳(Carbon，C)排放是全球气候变化的重要驱动力，全球变化影响人类经济社会可持续发展[1]，增加C在土壤、生物及其长期产物中的固存量有助于减缓气候变化[2]。土壤是地球上最大的陆地C汇，增加土壤中的C储量能够有效降低大气CO2浓度[3-4]。土地利用变化被认为是继化石燃料消耗之后的第二大C释放源[5]。各种可持续的农业土地管理策略能够增加土壤C固存[6-8]，例如：多年生饲草作物轮作、减少耕作、秸秆回田、草地恢复、有机残渣利用、改良放牧措施等。

将农田轮作为多年生草地，可以提高土壤团聚体结构稳定性[8]、修复土壤有机质[9]、减少土壤流失[10]和增加土壤生物多样性[7,11]，进而增加土壤C吸存潜力。由于多年生草地可将大量的C长期储存在植被及其根系系统中，被认为是重要的陆地C汇。土壤中的有机C与无机C都是陆地生态系统重要的C库，但由于土壤无机C的更新周期在1千年尺度以上，因此土壤C库对全球变化敏感的主要因子是土壤有机碳(Soil Organic Carbon，SOC)[12]。不同组分SOC(如颗粒大小)在土壤中的比例不同，呈现出不同功能，在土壤中的驻留时间亦不尽相同[13]。土壤C矿化与C循环和分解过程密切相关,根据有机碳矿化释放CO2-C的数量与强度可评价土地利用变化或环境因素对SOC有效性的影响[14]。因此，通过解析不同组分颗粒有机C含量变化和SOC分解动态特征，可深入了解土壤C库容量和稳定性变化规律。作物-牧草轮作能够有效改良土壤，增加土壤C库容量，但多年生草地阶段轮作年限和季节对土壤SOC吸存和分解的影响还需进一步深入研究。定量分析作物-草地轮作系统中，轮作草地不同颗粒大小组分SOC蓄积和土壤C矿化潜力，能够揭示时间序列上轮作草地土壤C库变化规律，实现多年生草地轮作的科学管理，提高生态效益，促进农牧业可持续生产。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于美国肯塔基州乔治敦县的埃尔姆伍德有机畜牧场(38°13′26"～38°14′00" N，84°30′08"～84°30′53" W)，海拔165～323 m，处于亚热带湿润气候区的北缘，年均降雨量1 209 mm，年均气温7.8～18.3℃。该牧场以有机生产方式经营，采取典型的3年蔬菜生产和5年多年生牧草轮作已有50多年。多年生牧草种类主要为：苜蓿(Medicagosativa)、草地早熟禾(Poapratensis)、高羊茅(Festucaarundinacea)、鸭茅(Dactylisglomerata)、白三叶(Trifoliumrepens)、红三叶(Trifoliumpratense)和梯牧草(Phleumpratense)混播。研究地坡度约2%～6%，土壤类型为粉砂壤土[15]。采样点土壤类型、坡度、朝向、植被总盖度等基本立地条件一致。

1.2 样品采集

运用空间代替时间的方法，选取蔬菜牧草轮作系统中处于不同年份的放牧草地和永久性草地(对照)为研究对象，每个处理的草场面积约2～4 ha，在其中随机选取立地条件基本一致的3个小区(5 m×5 m)作为重复。于2015年1月(冬季)、4月(春季)、7月(夏季)、10月(秋季)，在每个小区以“S”形布置6个采样点，采集0～15 cm土层土壤，6土钻混合为一袋样品，塑料自封袋封装后用冰盒带回实验室检测。轮作第1,3,4,5年的草地分别标记为Y1,Y3,Y4,Y5，未曾耕种过的永久性草地(permanent pasture)标记为P(下同)。

1.3 研究方法

1.3.1土壤有机碳分组 将采集的新鲜土样去除肉眼可见的植物根、茎等组织，过5.66 mm筛后自然风干。颗粒有机质分离提取参考Paul等[16-17]的方法，并加以改进。风干土样过2 mm筛，用5% NaHMP(六偏磷酸钠)溶液，摇床(150RPM)震荡18 h进行化学分散。NaHMP分散后的土样悬浊液过53 μm筛，用去离子水冲洗，进行物理分离。大于53 μm的部分用于测定颗粒有机碳(Particulate Organic Carbon，POC)，小于53 μm的部分为非颗粒有机碳(non-Particulate Organic Carbon，n-POC)。n-POM悬浊液在冷冻干燥箱中冻干，后置于55℃烘箱干燥1 h，称重后研磨。称取65～75 mg用元素分析仪(Flash EA 1112 Series，CE Elantech,Lakewood,NJ)测定C含量百分比，总有机C用全土测定。测定过程中，每12个样品前后各加3个标样(SCA，50～55 mg)，每次取样用乙醇擦拭镊子和勺子，防止土样交叉污染。

1.3.2土壤碳矿化分析 用Fierer等[18]和Iqbal等[17]改进后的土壤静态培养分析法，将相当于6 g干土重的新鲜土样加入50 ml塑料离心管，土样水分调整至65%持水量，置于培养箱中20℃恒温恒湿培养。密闭培养土壤的离心管，抽取上层气体用EGM-4土壤CO2通量测定系统(PP Systems,Amesbury,MA)检测CO2浓度，培养24 h后再次测定上层气体CO2浓度，用CO2增量计算土壤C矿化率(Carbon mineralization rate，Cmin，μg CO2-C·g-1soil·d-1)。连续测定的下一日前，打开离心管盖使得气体自然交换20 min。矿化培养前5 d每日测定，8～71 d每周测定一次，测定日期分别为土壤培养的第1,2,3,4,5,8,15,22,29,36,43,50,57,64和71天。除测定日期密闭培养24 h外，其余时间拧开盖子置于离心管上方，气体可在培养箱内交换，但需防止水滴或杂物落入管内。测定过程样品顺序固定，每隔6个土样加1个空白对照。

1.4 数据处理

对数据进行正态分布检验(Goodness Fit，SPSS 22.0)，其中POC和n-POC占总有机C的比例呈正态分布，其他不呈正态分布的数据转换为对数后进行方差分析。草地轮作年限、季节及其交互效应(Y×S)用JMP统计分析软件(version 12.0,SAS Institute)进行双因素方差分析，年际和季节间的差异显著性用最小二乘均值Tukey HSD法进行比较，显著性水平为P<0.05。单位面积土壤C吸存率(t C·ha-1·yr-1)通过草地轮作5年间平均每年单位体积土壤增加的C量和土壤容重进行计算。用MATLAB 2014a(MathWorks,USA)对草地轮作时间序列上SOC含量的变化进行多项式拟合；建立非线性拟合函数模型，对不同轮作年限草地和永久性草地土壤Cmin随矿化培养时间的变化趋势进行拟合，并将拟合方程对矿化培养时间积分以估算累计C矿化量。用不同年份轮作草地和永久性草地土壤Cmin的平均值，拟合培养期内土壤C矿化的总体趋势。假设采集样品所测定的草地SOC含量为初始值，根据C矿化速率随时间变化的拟合模型，推算土壤暴露在空气环境中有机C含量衰减至一半所需的时间，即SOC半衰期。

2 结果与分析

2.1 轮作草地土壤有机碳储量变化

轮作草地生长年限对土壤有机碳(SOC)含量变化具有极显著影响(P<0.01)。随着草地生长年限的增加，SOC含量从建植初期(Y1)的17.31 g·kg-1增加到第5年的20.88 g·kg-1，增加了20.6%。草地轮作过程中SOC含量前期增长缓慢，后期增幅较大，第5年显著高于第1年和第3年，且与永久性草地(24.40 g·kg-1)无显著差异。在5年草地轮作过程中，表层(15 cm)SOC含量平均增加1.36 t C·ha-1·yr-1。草地轮作5年过程中，以季节为单位随轮作时间的推移可用三次多项式进行拟合(图1)。从整体变化趋势来看，随草地轮作年限的延长，SOC含量逐渐增加，且趋近于永久性草地SOC含量。

图1 轮作草地和永久性草地土壤有机碳含量变化Fig. 1 SOC in rotation pasture and permanent pasture

草地SOC含量在春、夏、秋、冬4个季节间无显著差异(P=0.60)，春季草地SOC含量(21.48 g·kg-1)略高于其他季节(20.26～20.92 g·kg-1)。同时，草地生长年限和季节对SOC含量无显著的交互效应。

2.2 不同组分土壤有机碳含量动态

轮作草地生长年限显著影响土壤有机质中的颗粒有机碳(POC)和非颗粒有机碳(n-POC)组分的含量(P<0.01，图2)。随着草地生长年限的增加，土壤POC含量逐渐升高，从建植第1年的2.60 g·kg-1增加到第5年的3.99 g·kg-1，增长了53.5%。第4和第5年草地土壤POC含量与永久性草地土壤POC含量(4.54 g·kg-1)无显著差异，各处理间POC占有机碳总量的比例无显著差异。土壤n-POC含量从草地建植第1年的14.91 g·kg-1增加到第5年的17.54 g·kg-1，增长了17.6%。草地生长第5年土壤n-POC含量与永久性草地土壤n-POC含量(20.21 g·kg-1)无显著差异，但显著高于第1，3和4年草地。随着草地生长年限的增加，土壤n-POC占总有机碳的比例逐渐降低。

图2 不同轮作年限草地土壤颗粒有机碳和非颗粒有机碳含量Fig.2 POC and n-POC in pasture in different rotational years注：不同小写字母表示颗粒有机碳含量在不同年限间存在显著差异(P<0.05)，不同大写字母表示非颗粒有机碳含量在不同年限间存在显著差异(P<0.05)Note:Different lowercase letters indicate difference of POC between different rotational years at the 0.05 level,and different capital letters indicate differences of n-POC between different rotational years at the 0.05 level

季节对研究区草地土壤POC含量无显著影响，但对n-POC含量有显著影响。春季草地土壤n-POC含量平均19.21 g·kg-1，显著高于夏季平均16.93 g·kg-1(P<0.05)和冬季15.53 g·kg-1(P<0.01)。不同季节草地土壤POC占土壤总有机碳的比例无显著差异，但季节显著影响草地土壤n-POC占总有机碳的比例(P<0.01)。春季土壤n-POC占总有机碳的90%，秋季土壤n-POC占总有机碳的85%，均显著高于冬季的77%(P<0.01)。草地年限×季节的交互作用对土壤POM和n-POC占总有机碳的比例均无显著影响。

2.3 轮作草地土壤有机碳矿化分析

不同轮作年限草地土壤在实验室恒温恒湿条件下培养71 d，土壤碳矿化速率(Cmin)随时间的变化动态如图3所示，随着培养时间的增加Cmin逐渐降低，前期下降幅度较大，随后缓慢降低并在71 d培养末期趋于稳定。土壤矿化培养初期CO2释放量较大，随着培养时间的增加，CO2释放量逐渐减小。在71 d的土壤矿化培养过程中，前5 d土壤Cmin平均值是后10个检测日平均值的3倍，后期轮作第1年草地土壤C矿化率超过第3年。对研究区所有轮作草地和永久性草地土壤C矿化速率变化趋势进行线性拟合显示，前5 d碳矿化速率下降的斜率是8～71 d的78倍。草地轮作年限显著影响Cmin变化(P<0.01)，轮作第5年和永久性草地土壤平均Cmin无显著差异，但显著高于其他年份。

研究区草地土壤C矿化速率在4个季节间存在显著差异(P<0.01)，而草地轮作年限和季节对土壤C矿化速率的交互效应不显著(P=0.53)。在71 d矿化培养期内，秋季草地土壤平均Cmin为5.9 μg·g-1·d-1，显著低于春季、夏季和冬季草地土壤Cmin(分别为8.57，8.50和8.36 μg·g-1·d-1)。春季、夏季和冬季草地土壤Cmin之间差异不显著，秋季比其他3个季节草地土壤Cmin平均低30%。

图3 不同轮作草地土壤碳矿化速率随培养时间的变化动态及变化趋势分段拟合Fig.3 Rate of soil carbon mineralization (Cmin) during a 71-day laboratory incubation from different rotation years (Y1 to Y5) and permanent pasture (P). Mean value regression (dashed line) was fitted to different incubation period and is represented by the equation.

为进一步分析轮作草地土壤累计C矿化量和SOC半衰期，本研究分别对各年份轮作草地和永久性草地土壤C矿化速率变化趋势进行多项式回归，公式如下：

y=1/(b0+b1xα-b2xβ)

式中y为土壤C矿化速率，x为时间(d)，其他参数详见表1。方程R2均大于0.9，且P值均小于0.0001，所得回归方程与实测值契合度较好，计算结果可信度较高。

根据回归方程计算土壤培养71 d的累计C矿化量(表1)，结果表明随着草地轮作年限的增加，土壤累计C矿化量逐渐增加。土壤71 d累计C矿化量从草地建植第1年的206 μg·g-1，增加到第5年的370 μg·g-1，增长了79.6%。基于回归方程测算不同轮作年限草地和永久性草地SOC半衰期(表1)，随着草地轮作年限的增加SOC半衰期有延长的趋势，草地轮作5年SOC半衰期延长了10年。草地轮作4年土壤SOC半衰期最长约为64年，轮作第2年和永久性草地SOC半衰期相对较短。

表1 土壤C矿化率变化趋势拟合方程参数及累计矿化量和SOC半衰期计算Table 1 Fitted model of Cmin during a 71-day soil incubation,cumulative mineralization and half-life time of SOC

注：所有方程均为P<0.0001

Note:P<0.0001 in all equations

3 讨论与结论

3.1 轮作草地SOC储量逐年积累

在本试验中，5年轮作草地表层土壤(15 cm)有机碳含量增加速率为1.36 t C·ha-1·yr-1，大于Christensen等[19]在丹麦对春大麦与草地轮作土壤的研究结果0.83 t C·ha-1·yr-1，Müller-Stöver等[20]对三叶草地土壤5年的SOC积累速率0.78 t C·ha-1·yr-1，Fujisaki等[21]对森林采伐后的亚马逊草地0.75 t C·ha-1·yr-1。本研究中轮作草地土壤C含量从第1年的17.31 g C·kg-1增加到第5年的20.88 g C·kg-1，增长了20.6%，Y5与永久性草地土壤C含量(24.40 g C·kg-1)无显著差异。Studdert等[22]在阿根廷巴尔卡塞对典型粘化湿软土草地的研究也表明，6到7年的传统农作地轮作为3到4年的草地后，SOC增加13.4%。Navarrete等[23]在哥伦比亚亚马逊流域的研究显示，森林转变为低放牧强度多年生草地20年后，SOC增加了41%。Conrad等[24]报道亚热带草地生长40年SOC增加17%～30%。可见，在更长时间的草地生长周期，土壤有机碳亦不断积累。随着草地轮作年限的增加，土壤C含量逐渐增加，且趋近于原生草地的水平。

3.2 POC敏感指示轮作草地土壤C吸存增量

研究区5年轮作草地和永久性草地土壤POC平均占SOC总量的18%，Jastrow[25]对高草草原恢复系列土壤团聚体形成和有机质积累的研究也表明，仅有少于20%的C以POM形式积累，大量的C储存在矿物结合态大团聚体中。但土壤有机质中大颗粒部分比小颗粒和总量对土地利用变化和管理的响应更加敏感[26-27]，本研究结果也证明了这一点。5年轮作草地土壤POC增加了53.5%，n-POC增加了17.6%，总有机C增加20.6%，POC含量增幅是n-POC增幅的3倍，是土壤总有机C含量增幅的2.6倍。可见，颗粒有机质C比总有机质C和非颗粒有机质C对草地轮作更加敏感，POC表现出更大的土壤碳蓄积潜力。这可能是草地生长过程中新产生的有机C输入颗粒有机质C库[28]，这是有机C的易变组分(活性碳库)，主要来源于草本植物的生长[29]，比总有机C更能反映草地土壤有机C库的变化[30]。本研究中季节对轮作草地土壤POC含量无显著影响，而Franzluebbers等[31]在德克萨斯中南部的研究表明季节对POC库的大小和活性具有显著影响。对于土壤C库中的较稳定部分，5年草地轮作使得n-POC含量增加，n-POC的吸附作用能够增加有机C在土壤中的驻留时间，从而增加SOC的稳定性[32]。POC能够更加准确和敏捷地反映土壤碳库变化动态，尤其能够表征活性C库受农业管理措施和环境变化的影响。

3.3 草地轮作增强土壤C库稳定性

草地轮作4年后土壤C矿化率显著升高，周玉燕等[33]对固沙植被土壤C矿化潜力的研究显示，随植被生长年限的延长C矿化潜力呈增加趋势。黄懿梅等[34]在黄土丘陵区的研究表明，土壤基础呼吸强度随草地年限的增加逐渐加强，土壤微生物代谢熵随之呈对数降低趋势。Ahn等[35]认为土壤总有机C是影响土壤C矿化潜力的最有效变量，Rabbi等[32]证实了n-POC的吸附作用降低土壤C矿化，微团聚体中的C矿化率低于大团聚体。草地轮作5年SOC含量增加20.6%，POC含量增加53.5%，导致土壤C矿化速率显著升高。值得注意的是土壤C矿化潜力增大，表明可矿化C含量增加，但不一定造成土壤C流失。土壤C库变动取决于输入C(如光合产物和有机质输入等)与输出C(如土壤呼吸、侵蚀和产物输出等)之间的不平衡[36]。草地土壤C矿化速率增大，表征土壤C循环强度和有效性显著提高[37]。研究区5年草地轮作增加了土壤总有机C含量，同时促进了土壤C循环和有机C的有效性。

土壤矿化培养前期释放大量的CO2主要来源于土壤活性有机C，中后期CO2释放量趋于稳定主要来自于慢性C库[16,35]。土壤有机质中分解速率较慢的约占90%，周转时间约10～100年，完全分解的周转时间在百年至千年以上[38]，分解较慢或顽固的土壤有机质中贮存长期稳定的C[39]。本研究中基于实验室矿化培养的草地SOC半衰期在40～64年之间，自然环境中由于土壤微生物和化学结合的维持，实际SOC衰减周期可能会更长。另外，生物空间异质性，环境状况和有机质对土壤C周转也有重要影响[40-41]。随着草地轮作年限的增加，SOC半衰期总体呈延长的趋势，说明土壤有机C库稳定性提高。

综上所述，轮作草地生长5年显著增强了土壤碳蓄积，并逐渐接近永久性草地碳库容量。颗粒和非颗粒有机碳对土地利用措施的响应不同，有效反映了各组分有机碳的变化动态。草地轮作提高了土壤有机碳矿化潜力和有效性，增强了碳库稳定性。解析草地轮作阶段土壤有机碳蓄积和矿化动态特征，有助于深入理解和调控可持续农业生产中的土壤碳库。