红壤性水稻土不同粒级团聚体有机碳矿化及其温度敏感性*

陈晓芬 刘 明，2 江春玉 吴 萌 贾仲君，2 李忠佩，2†

（1 土壤与农业可持续发展国家重点实验室(中国科学院南京土壤研究所)，南京 210008）

（2 中国科学院大学，北京 100049）

土壤有机碳库是陆地生态系统中最大的碳库，土壤有机碳是土壤质量的核心，土壤中有机碳的变化影响碳素向大气的排放，同时也影响土壤生态系统的结构与功能［1］。土壤有机碳的矿化是土壤微生物分解同化土壤中活性有机组分完成自身代谢并释放CO2的过程，是土壤中重要的生物化学过程，关系到养分元素的释放与供应、土壤生产力的维持及温室气体的形成等［2］。近年来，对土壤有机碳矿化规律及其机制的探索从未间断［3-6］，是土壤、环境领域研究的热点。

土壤团聚体是土壤结构的基本单元，也是有机碳存在的场所，良好的土壤结构是储存和稳定有机碳的重要基础［7］。目前，关于不同施肥［8］、利用方式［9］及耕作措施［10］等土壤管理条件下团聚体中有机碳的分布特征已有大量的研究报道，也有少数研究关注团聚体中有机碳的矿化作用。如Yu等［11］对旱作砂壤土的研究表明，好气培养32 d，0.053～0.25 mm团聚体有机碳平均矿化速率显著低于＞0.25 mm和＜0.053 mm 团聚体。郝瑞军等［12］对稻麦轮作土壤的研究发现，好气和淹水培养过程中，有机碳矿化速率在1～2 mm团聚体中最高，在＜0.053 mm团聚体中最低。由此可见，不同土壤团聚体有机碳矿化变化规律结果不尽一致。表土中有90%的有机碳存在于团聚体中［13］，全土有机碳矿化应是不同粒级团聚体有机碳矿化的总体表现。研究团聚体中有机碳的矿化特征并明确不同粒级团聚体在全土有机碳矿化中发挥的作用，对于进一步理解土壤碳循环的过程与机理具有重要意义。

土壤有机碳矿化影响因素较多，如土壤质地、土壤肥力、温度、湿度及人为管理措施等［14］。诸多因素中，温度是影响土壤有机碳矿化的重要环境因子。多数研究认为温度升高可以促进土壤有机碳的矿化［4-5,15］，但也有研究指出升温对土壤有机碳矿化没有影响［16］。尽管结论不统一，但这些对土壤有机碳矿化及其温度敏感性的研究均是基于全土水平进行的，温度变化对土壤团聚体中有机碳矿化影响的研究还极少，目前已知的有王菁等［17］采用原位培养试验研究土壤团聚体呼吸及其对温度变化的响应。温度变化对土壤团聚体有机碳矿化作用的影响如何仍有待于进行更多的研究和探索，以利于深入揭示土壤有机碳矿化对温度变化的响应和反馈机制。

水稻土是我国重要的土壤资源和主要的耕作土壤，水稻种植面积占世界水耕土壤面积的 23%，占全国耕地总面积的 25%，生产出中国约 44% 的粮食［18-19］。本文选择江西鹰潭开垦自红壤荒地耕种20年的典型红壤性水稻土，研究不同培养温度下各粒级团聚体中有机碳矿化特征，并明确不同粒级团聚体对土壤有机碳矿化的贡献和团聚体有机碳矿化的温度敏感性，以期为揭示土壤有机碳的矿化机制及进一步研究土壤有机碳矿化对温度变化的响应提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

供试土壤源于鹰潭农田生态系统国家野外科学观测研究站（江西省鹰潭市余江县，116°55′E，28°15′N）的长期肥料定位试验田，开垦自红壤荒地。于1990年将发育自第四纪红色黏土的红壤荒地平整，然后灌水种稻，种植制度为早稻-晚稻一年两熟。有机无机肥配合施用更有利于红壤稻田土壤培肥［20］，本研究土壤样品取自长期肥料试验中的典型有机无机肥配施处理，其化肥施用量为1998年以前每季N 230 kg∙hm-2，P2O568 kg∙hm-2，K2O 84 kg∙hm-2；1998年以后施氮量减半，磷肥和钾肥施用量不变。同时，该处理水稻秸秆全部还田，并且每季施入833.3 kg∙hm-2干猪粪用以补充收获籽粒所移出的养分。

1.2 土壤样品采集和团聚体分级

2010年12月下旬，晚稻收获后的冬闲时节，于3个田间重复小区内每个小区随机选取5个点，采集耕层0～15 cm原状土样组成一个混合样品，装入硬质塑料盒运回实验室。土样在风干过程中，沿其自然断裂面掰成10 mm左右的小块，同时挑出植物残根和砾石等。

土壤团聚体的分离采用湿筛法［21］。称取100g风干土，置于孔径为2mm的筛子上，浸在蒸馏水中10 min，然后将土样依次通过孔径为1 mm、0.25 mm和0.053 mm 的筛子。团聚体的分离通过上下移动筛子50次（2 min内）进行，摆幅为3cm。＜0.053 mm的团聚体通过沉降和离心获得。收集各级筛子上的团聚体，然后重复以上操作，直至筛分后得到的团聚体足够用于有机碳矿化试验。

1.3 测定项目与方法

用湿筛法分离红壤水稻土团聚体，有机碳和全氮在筛分过程中并未有明显损失［22］。全土和团聚体的有机碳含量采用高温外加热重铬酸钾氧化-容量法测定，全氮含量用凯氏消煮法测定［23］。

调节全土（过2 mm筛）和各粒级团聚体的含水量至土壤田间饱和持水量的60%，然后放入25℃恒温培养箱中预培养一周以恢复微生物活性，供土壤有机碳矿化研究。

采用室内恒温培养、碱液吸收法测定培养过程中土壤有机碳的矿化量［24］。称取相当于风干土样20 g的预培养全土和团聚体，其含水量仍调节为田间饱和持水量的60%，置于500 mL塑料培养瓶中平铺在瓶底部。然后，将盛有5 mL 0.3 mol∙L-1NaOH溶液的特制吸收瓶置于培养瓶内用于吸收土壤呼吸产生的CO2。同时设置装有相同体积NaOH溶液的培养瓶作为试验空白。将培养瓶加盖密封好，分别在15℃、25℃和35℃的恒温箱中避光培养。在培养的第1、3、5、7、14、21、28和35 天取出吸收瓶，将吸收瓶中的溶液全部洗至玻璃三角瓶中，加入2 mL 1 mol L-1的BaCl2溶液和2滴酚酞指示剂，然后用盐酸（约0.075 mol L-1）滴定至红色消失。根据消耗盐酸的量计算气体CO2-C的释放量。

1.4 数据处理与分析

团聚体有机碳矿化对全土有机碳矿化的贡献通过如下公式进行计算：

某一粒级团聚体有机碳矿化对全土有机碳矿化的贡献率（%）=

该粒级团聚体有机碳矿化量×该粒级团聚体含量 /全土有机碳矿化量×100

土壤有机碳矿化温度敏感性系数Q10，即温度每升高10 ℃时土壤有机碳矿化速率增加的倍数。计算方法为：

式中，R为土壤有机碳矿化速率；T为培养温度；a为温度为0 ℃时的土壤净矿化速率；b为温度反应系数［25］。

采用SPSS18.0软件进行单因素方差分析和相关性分析，显著性水平为P＜ 0.05。用Origin 9.0 软件进行绘图。

2 结果

2.1 团聚体分布及其中有机碳和全氮含量的变化

＞2 mm和0.25～1 mm团聚体占全土的比例最高，在30%左右，其次为1～2mm和0.053～0.25 mm团聚体，约占全土的14%，＜0.053 mm团聚体含量最低，占全土的10.6%（表1）。有机碳含量在1～2 mm团聚体中最高，为13.16 g∙kg-1，在0.053～0.25 mm 团聚体中最低，仅为7.93 g∙kg-1，前者是后者的1.66倍。全氮含量在团聚体中的分布规律与有机碳基本一致，仍表现为1～2 mm 团聚体最高（1.20 g∙kg-1），0.053～0.25 mm团聚体最低（0.78 g∙kg-1），前者是后者的1.54倍。＞0.25 mm大团聚体中有机碳和全氮含量均高于＜0.25 mm微团聚体。全土有机碳和全氮含量略低于1～2 mm团聚体而高于其余粒级团聚体。不同粒级团聚体中碳氮比为9.08～11.82，表现为随团聚体粒级减小而降低。

表1 不同粒级土壤团聚体中有机碳和全氮含量及碳氮比Table 1 Contents of organic C and total N and C/N ratio in soil aggregates relative to particle size

2.2 团聚体有机碳矿化动态及累积矿化量

培养过程中土壤各粒级团聚体有机碳矿化速率随时间的变化如图1所示。三种培养温度下，无论是全土还是团聚体，培养前期有机碳矿化速率均快速下降，至培养第7天，土壤有机碳矿化速率分别为开始时的38.2%、53.9%和59.6%；其后有机碳矿化速率缓慢下降，直至培养结束时达到稳定状态，此时有机碳矿化速率分别为开始时的23.3%、26.3%和31.6%。随培养温度的升高，全土和各粒级团聚体有机碳矿化速率均显著增加。同一培养温度条件下，不同粒级团聚体有机碳矿化速率之间的差异随培养时间不断变化，因此通过培养35d后团聚体中有机碳累积矿化量来进行进一步分析和比较。

图1 不同培养温度下全土和团聚体有机碳矿化速率动态变化Fig.1 Dynamics of organic C mineralization in bulk soil and soil aggregates under incubation relative to temperature

不同粒级团聚体之间有机碳累积矿化量的差异受培养温度的影响（图2）。15℃培养时，＞2 mm团聚体有机碳累积矿化量最低，全土有机碳累积矿化量与＜2 mm团聚体粒级相当；25℃和35℃培养时，＞1 mm两个粒级团聚体有机碳累积矿化量最高，其次为0.25～1mm和＜0.053 mm团聚体，0.053～0.25 mm 团聚体最低，全土有机碳累积矿化量高于＜1 mm团聚体但低于＞1 mm团聚体粒级。培养温度升高，全土和各粒级团聚体有机碳累积矿化量显著提高。培养温度从15℃升高至25℃，全土有机碳累积矿化量提高142.0%，各粒级团聚体平均提高122.9%；温度由25℃升到35℃，全土有机碳累积矿化量提高52.3%，各粒级团聚体平均提高55.6%。由此来看，在较低的温度范围内，升温对有机碳矿化的促进作用更大。对于有机碳累积矿化率，不同粒级团聚体之间及全土和团聚体之间没有明显的变化规律。培养温度从15℃至25℃并进一步增至35℃，全土有机碳累积矿化率依次提高143.3%和53.0%，各粒级团聚体则分别平均提高122.7%和56.0%。

图2 不同培养温度下全土和团聚体有机碳累积矿化量和矿化率Fig.2 Cumulative mineralization and mineralization rate of organic C in bulk soil and soil aggregates under incubation relative to temperature

2.3 团聚体对全土有机碳矿化的贡献

三种温度条件下，各粒级团聚体对全土有机碳矿化贡献率的总和分别为105.8%、97.1%和107.8%，表明用湿筛分离法得到的团聚体进行有机碳矿化研究是合理且可行的（图3）。同一粒级团聚体对土壤有机碳矿化贡献率随温度的变化并未表现出较为明显的规律。所有培养温度下，＞2 mm和0.25～1 mm团聚体对全土有机碳矿化的贡献率最大，分别平均为34.6%和28.8%，＜0.053 mm团聚体的贡献率最小，平均为10.2%，1～2 mm和0.053～0.25 mm团聚体对全土有机碳矿化的贡献率分别平均为16.8%和13.2%。＞0.25 mm大团聚体对全土有机碳矿化的贡献率可达80.2%，而微团聚体的贡献率仅为20.4%。

2.4 团聚体有机碳矿化的温度敏感性

图3 不同粒级团聚体有机碳矿化对全土有机碳矿化的贡献Fig.3 Contribution of soil aggregates to organic C mineralization in bulk soil relative to particle size

2.5 团聚体有机碳矿化与土壤养分性质的关系

团聚体有机碳累积矿化量和温度敏感性系数Q10与有机碳、全氮含量和碳氮比的相关性分析结果表明，15 ℃下有机碳累积矿化量与碳氮比显著

温度变化对土壤有机碳矿化速率的影响多用温度敏感性系数Q10来衡量。全土有机碳矿化的Q10值为1.75，不同粒级团聚体有机碳矿化的Q10值介于1.38～2.00之间（图4）。其中，＞2 mm和1～2 mm团聚体有机碳矿化的Q10值最高，其次为0.25～1mm和＜0.053 mm 团聚体，0.053～0.25 mm团聚体有机碳矿化的Q10值最低。负相关，25 ℃和35 ℃时有机碳累积矿化量与有机碳和全氮显著或极显著正相关（表2）。有机碳矿化温度敏感性系数Q10与有机碳、全氮和碳氮比均呈极显著的正相关关系。

图4 全土和团聚体有机碳矿化的温度敏感性系数Q10Fig.4 Q10 of organic C mineralization in bulk soil and soil aggregates

表2 团聚体有机碳累积矿化量和Q10与有机碳、全氮及碳氮比的相关性Table 2 Correlation coefficients of cumulative organic C mineralization and Q10 with organic C content, total N content and C/N ratioin soil aggregates

3 讨 论

在本研究中，＞2 mm团聚体含量为32.5%，低于在较高肥力地区建立的长期施肥试验［8］或同一地区高肥力［9］的红壤性水稻土。红壤性水稻土的大团聚体形成主要依靠有机质的胶结作用［26］。红壤荒地开垦种稻并且施有机无机肥20年，有机碳和全氮的含量仅为12.6 g∙kg-1和1.18 g∙kg-1，而当地高产水稻土有机碳和全氮的含量（0～10 cm）为20.2 g∙kg-1和2.09 g∙kg-1［27］。因此，较低的有机质含量不利于较大粒级团聚体的形成。有机碳和全氮在不同粒级团聚体中的分布差异较大，且＞0.25 mm大团聚较＜0.25 mm微团聚体含有更多的有机碳和全氮，这与前人的许多报道是一致的［8,10,12］。碳氮比可以反映有机物的腐殖化程度，即有机质的质量，碳氮比越高，有机物的腐解程度就越低，反之亦然［28-29］。郭素春等［30］对潮土团聚体有机碳分子结构的研究发现，随着团聚体粒级减小，烷基碳（抗分解有机碳，容易吸附在黏粒上）与烷氧碳（最容易分解的有机碳）的比值逐渐提高，且与碳氮比呈显著负相关。本研究中，团聚体的碳氮比表现为随粒级的减小而降低，表明小粒级团聚体中的有机质腐解程度较高，更难被微生物分解利用，而大团聚体则与之相反。

土壤有机碳矿化速率的大小表示有机碳分解的快慢程度，其随时间的变化趋势与有机碳组成的变化密切相关［3］。培养前期，土壤中的活性有机碳较多，被微生物分解利用后释放出大量的CO2，有机碳矿化速率较高；随着培养时间的延长，土壤中的活性碳库被消耗，微生物开始利用缓效性碳库，可利用的有效碳源逐渐减少，导致有机碳矿化速率减慢并最终趋于平稳。这种有机碳分解先快后慢的变化特征在全土有机碳矿化研究中均有报道［3-6］，本研究中，团聚体有机碳矿化也表现出同样的趋势，反映出团聚体有机碳矿化（部分）与全土有机碳矿化（整体）变化规律上的一致性。

土壤中微生物可利用底物的含量是影响有机碳矿化的重要决定因素，不同粒级团聚体有机碳累积矿化量受有机碳和全氮含量的影响。25℃和35℃培养时，不同粒级团聚体中有机碳累积矿化量的差异与有机碳和全氮的分布近似，相关性分析也表明团聚体有机碳累积矿化量与有机碳和全氮显著或极显著正相关。吴萌等［6］对不同类型水稻土有机碳矿化的研究也发现，有机碳累积矿化量与有机碳和全氮密切相关。然而，15 ℃培养时团聚体有机碳累积矿化量与有机碳和全氮含量并无显著关联，这可能是由于在供试土壤较低的肥力水平下，团聚体中微生物活性易受低温环境抑制，团聚体提供的有效碳源已经超过微生物活动的需求。作为全土有机碳矿化的一部分，某一粒级团聚体含量及其中有机碳累积矿化量决定着其在有机碳矿化中发挥的作用［12］。本研究中，＞2 mm和0.25～1 mm团聚体含量最高，且其中有机碳累积矿化量也不低，因此对全土有机碳矿化的贡献率最大。＞0.25 mm大团聚体对全土有机碳矿化的贡献率平均为80.2%，约是＜0.25 mm微团聚体的4倍，在全土有机碳矿化中发挥主导作用，这也更进一步证明了红壤性水稻土中大团聚体是有机碳的主要载体［22,29］。

随培养温度升高，全土和各粒级团聚体有机碳矿化速率、累积矿化量和矿化率均显著增加。这一方面是由于一定程度的温度升高对微生物生长和繁殖有利，微生物活性提高［31］。另一方面，一定温度范围内，升温使得参与有机质分解的土壤酶活性增强［32］。研究表明，温度由25℃增加至30 ℃，与土壤有机碳转化密切相关的转化酶、纤维素酶、淀粉酶和蛋白酶活性均增加，且转化酶的温度敏感性最大［33］。因此，在适度的温度范围内，随全土和团聚体中土壤微生物和酶活性的增加，有机碳分解过程加剧，矿化作用增强。

Q10值反映土壤有机碳矿化速率对温度的敏感性。湖南省三个长期定位施肥监测点水稻土的Q10值变化范围为1.01～1.53［4］，三种不同黏粒含量的水稻土（砂壤土、壤黏土、粉黏土）Q10值为1.92～2.37［34］。江苏句容稻麦轮作的典型潴育、潜育、淹育水稻土的Q10值则为1.48～2.88［35］。本研究中，江西鹰潭开垦自红壤荒地水稻土全土的Q10值为1.75，团聚体的Q10值为1.38～2.00，在已有报道的水稻土有机碳矿化温度敏感性范围之内。

理论上，当土壤有机质含量越高，有机碳矿化速率越大时，有机碳矿化的温度敏感性应该越低［36-37］，但目前关于土壤有机碳矿化温度敏感性系数Q10与有机碳关系的研究结果并非如此。有研究发现土壤有机碳矿化的Q10值与有机质数量大小并不存在对应关系［5］，而有的研究却指出Q10值与土壤有机碳及碳组分（易氧化有机碳、胡敏酸碳和富里酸碳）呈显著正相关［4］。王菁等［17］对黄棕壤人工林地的研究表明，Q10值与土壤有机碳、全氮含量的变化规律基本一致。本文对红壤性水稻土团聚体有机碳矿化的研究则发现，Q10值与有机碳和全氮含量及反映有机物质量的碳氮比均极显著正相关。因此，团聚体有机碳矿化对温度响应的敏感度与有机质的数量和质量间存在密切关联。

4 结 论

团聚体有机碳矿化速率在培养前期快速下降，后期逐渐降低并最终达到稳定状态。25℃和35℃培养团聚体有机碳累积矿化量与有机碳和全氮含量显著或极显著正相关。＞2 mm和0.25～1 mm团聚体对全土有机碳矿化的贡献最大，＞0.25mm大团聚体在红壤性水稻土有机碳矿化中发挥主导作用。在当前的温度范围内，升温提高了团聚体有机碳矿化速率、累积矿化量和矿化率，促进了红壤性水稻土团聚体有机碳的矿化。不同粒级团聚体有机碳矿化的温度敏感性系数Q10与有机碳、全氮和碳氮比相关性极显著，团聚体有机碳矿化的温度敏感性与有机质的数量和质量密切相关。