外源氯化钙对土壤有机碳积累的影响

2020-03-04董静超栗杰董越姚忠丽赵昶亮唐小涵张大庚

山西农业大学学报（自然科学版） 2020年1期

董静超，栗杰，董越，姚忠丽，赵昶亮，唐小涵，张大庚

(沈阳农业大学土地与环境学院，辽宁沈阳 100866)

钙素不仅是植物生长发育的一种必需元素，而且是许多生理生化过程的调控者，在各种代谢过程中起着非常重要的作用，可增强作物的抗逆性[1,2]。同时钙在土壤团聚体的形成中起着键桥的作用[3]，对土壤有机无机复合体的形成有重要影响[4]。土壤团聚体是土壤有机碳主要的赋存场所，通过团聚体的物理保护作用将有机碳包被起来，从而免受微生物的分解[5]。Muneer 和Oades研究发现在有机质存在的条件下加入钙后土壤中>2 000 μm稳定团聚体的数量多，这说明溶解性钙影响了有机物质的分解，从而提高了土壤中有机碳的稳定性[6]。Clever Briedis等的研究表明施石灰增加了土壤团聚体中碳的含量[7,8]。Clough等研究发现通过钙-金属桥键结合后稳定性提高的有机碳，在施入氮肥提高微生物活性的条件下，仍不能被有效分解[9]。张宁等研究表明土壤碳酸钙含量与土壤有机碳含量呈显著的正相关关系[10]。王晖和Sliver等研究表明土壤中细根的分解速率与其初始的Ca含量存在显著正相关关系[11,12]。有研究认为土壤中交换态和有机结合态钙与有机碳的关系最密切[13,14]。因此有关钙对土壤有机碳转化的影响已开展了相关研究，但土壤中钙对有机碳积累和转化的影响机理仍没有形成统一的认识。本文以施入氯化钙对土壤中有机碳矿化的效应为切入点，进而分析外源钙对土壤有机碳转化与积累的影响。本文以连作10年的设施栽培土壤为研究对象，采用室内恒温模拟培养的方法，添加外源氯化钙及水稻秸秆，对培养过程中土壤CO2释放量及不同形态有机碳的含量进行了检测分析。研究结果为设施栽培的合理施肥提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤于2017年5月采自辽宁省沈阳市苏家屯区大沟乡棚龄为10年的棚内土壤，种植作物为草莓。土样主要采自0～20 cm土层，风干后过20目筛备用。供试土壤的基本性质：pH值为6.73，有机碳含量为14.68 g·kg-1，碱解氮含量为55.26 mg·kg-1，有效磷含量为56.81 mg·kg-1，速效钾含量为725.46 mg·kg-1；

外源添加钙肥为分析纯氯化钙；

外源添加水稻秸秆的基本性质：全氮含量为7.61 g·kg-1，全磷含量为0.54 g·kg-1，全钾含量为16.18 g·kg-1，有机碳含量为39.89%。

1.2 试验设计

1.2.1 土壤有机碳矿化培养试验

土壤有机碳矿化培养试验采用室内恒温培养法，共设4个处理，3次重复，共12个培养瓶。培养瓶口径均为120 mm，容量为1 000 mL。土壤基肥选择分析纯的CO[NH2]2、[NH4]2HPO4和KCl，按元素N∶P∶K为2∶1∶1的量加入肥料，基肥以粉末形式混匀搅拌入土，确保土肥均匀混合。培养试验处理设计如下：(1)对照(CK)，不加任何外源添加物；(2)每公斤土中添加CaCl2粉末10 g(T1)；(3)每公斤土添加水稻秸秆20 g(T2)；(4)每公斤土添加水稻秸秆20 g和CaCl2粉末10 g(T3)。试验土壤在水分含量为相对含水量60%，温度25 ℃条件，恒温培养箱培养172 d，每隔24 h称重补加水分(蒸馏水)。在每个培养瓶中放入100 mL小烧杯(装有1 mol·L-1NaOH溶液20 mL)。100 mL小烧杯中的NaOH溶液吸收土壤中释放的CO2生成Na2CO3，通过测定装有1 mol·L-1NaOH溶液小烧杯中的碳含量来计算土壤中释放的CO2量。分别在培养的第1、3、5、7、9、12、15、18、22、26、31、37、44、52、60、67、77、87、97、107、117、127、142、157、172天测定土壤24 h释放的CO2量。

1.2.2 土壤恒温培养试验

在土壤有机碳矿化试验进行的同时，以同样处理设计土样恒温培养试验。试验土样共恒温培养24周，分别在第8周、第16周、第24周进行取样，土样风干后用于测定土壤基本理化性质及不同形态有机碳。

1.3 测定方法

土壤总有机碳采用重铬酸钾外加热法测定；土壤可溶性有机碳含量的测定：K2SO4溶液浸提(土液比1∶5)，总有机碳分析仪(Elementary Liquid TOC)测定碳含量；土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸法测定；土壤腐殖酸碳量采用焦磷酸钠混合液浸提，重铬酸钾容量-外加热法测定；CO2的释放量采用碱液吸收返滴定法；土壤基本理化性质的测定均采用常规方法。

1.4 统计与分析

数据采用Excel 2003软件进行统计处理，采用SPSS 19.0进行各处理间差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 外源钙对土壤有机碳矿化过程的影响

添加外源氯化钙降低了土壤CO2累积释放量(图1)。与CK相比，只添加氯化钙T1处理土壤CO2累积释放量的降低幅度在培养31天约为47.9%，培养117天约为18.7%，培养172天约为13.9%。随培养时间的增加，土壤CO2累积释放量的降低幅度呈降低趋势，在培养前期降低的幅度较大，随培养时间的增加，降幅逐渐趋于平缓。

图1 添加外源钙后土壤CO2累积释放量随时间的变化Fig.1 Changes of CO2 cumulative release in soil with exogenous calcium in different culture periods

添加水稻秸秆T2处理显著增加了土壤CO2累积释放量。在恒温培养第31天、117天和172天添加水稻秸秆土壤CO2释放量分别是CK的5.12、3.40和2.97倍，但释放的数率随培养时间的增加而呈降低趋势。同时添加水稻秸秆和氯化钙后则显著降低了土壤中CO2累积释放量。与T2相比，T3处理土壤CO2累积释放量在培养第31天、117天和172天分别降低了74.8%、64.3%和58.1%。随培养时间的增加，降低幅度也呈现减小的趋势，但远高于单施外源钙处理与CK相比降低的幅度。由于添加了水稻秸秆增加了土壤中有机碳含量，因此，即使添加外源氯化钙后降低了有机碳的矿化过程，但土壤CO2累积释放量仍高于CK。

2.2 外源钙对土壤总有机碳、可溶性有机碳及微生物量碳含量的影响

与土壤中有机碳的矿化过程相对应，随培养时间的增加，土壤CO2释放量呈增加趋势，土壤总有机碳含量则呈逐渐降低的趋势(图2)。其中CK处理降低的趋势较缓，培养的第24周与第8周相比，仅降低了4.1%。降低幅度最大的是T1处理，降低了25.7%。添加外源钙后抑制了土壤中有机碳的矿化过程，减少了土壤有机碳向CO2的转化，因此与CK相比，T1处理土壤总有机碳含量相对较高。在培养的第8周、第16周和第24周，分别比CK高出41.0%、27.5%和9.2%，二者之间的差异也均达到了显著水平。说明在培养的初期添加外源钙后对土壤有机碳矿化的抑制作用相对较强。

不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)。下同Different lowercase letters indicate significant differences between treatments (P<0.05).The same below图2 添加外源钙土壤总有机碳含量在不同培养时期的变化Fig.2 Changes of total organic carbon content in soil under different culture periods by adding exogenous calcium

添加水稻秸秆后不仅增加了土壤CO2的释放量，也增加了土壤总有机碳含量。与CK相比，在培养的3个时期分别增加了18.8%、16.7%和13.3%，且T2与CK之间的差异也均达到了显著水平。与T2相比，添加外源钙后T3处理土壤总有机碳含量增加的幅度也较大，在3个培养时期分别增加了30.2%、31.6%和29.2%，T2和T3处理之间的差异也达到了显著水平。添加水稻秸秆后外源钙对土壤总有机碳影响的增加幅度高于单施外源钙的处理。

与各处理土壤总有机碳含量的变化趋势一致，随培养时间的增加，土壤中可溶性有机碳的含量呈降低的趋势(图3)。其中，培养第24周与第8周相比，CK处理降低的幅度最小为18.2%，最高为添加水稻秸秆T2处理，降幅为24.2%。添加外源钙T1处理土壤可溶性有机碳含量高于对照，与对照之间的差异也均达到了显著水平，在培养的第8周、第16周和第24周分别增加了22.2%、14.4%和19.5%。添加水稻秸秆后T2处理与CK相比，并未增加土壤中可溶性有机碳含量，二者之间的差异在个培养时期均未达到显著水平。但加入外源钙后T3处理与T2处理相比显著增加了土壤可溶性有机碳含量，在培养第8周、第16周和第24周分别增加了31.9%、39.2%和41.0%，差异均达到了显著水平。且随培养时间的增长，增加幅度也逐渐加大。

图3 添加外源钙土壤可溶性有机碳含量在不同培养时期的变化Fig.3 Changes of soil soluble organic carbon content in different culture periods by adding exogenous calcium

土壤微生物量碳可以参与调节土壤有机质的分解和养分的循环，且其随土壤环境的变化而变化并高度敏感。随培养时间的增加，各处理土壤微生物量碳均呈降低的趋势(图4)。添加氯化钙降低了土壤中微生物量碳含量，与CK相比，T1处理在培养第8周、第1周6和第24周土壤微生物量碳含量降低了5.4%、20.0%和13.3%；与T2相比，T3处理分别在培养第8周时降低了24.4%，但在第16周仅降低了4.4%，而在第24周则增加了8.7%。因此，添加水稻秸秆后外源钙对微生物量碳的影响在培养前期相对较大，但随培养的进行，影响也在降低，在培养的第16周和第24周，T2和T3处理土壤微生物量碳含量之间的差异均不显著。而与CK相比，添加水稻秸秆后显著增加了土壤中微生物量碳的含量，在3个培养时期二者之间的差异均达到了显著水平，含量分别增加了56.4%、28.6%和53.3%。

图4 添加外源钙土壤微生物量碳含量在不同培养时期的变化Fig.4 Changes of soil microbial biomass carbon in different culture periods by adding exogenous calcium

2.3 外源钙对土壤腐殖酸含量的影响

腐殖酸是土壤有机质重要的组成部分，随培养时间的增加，各处理土壤腐殖酸含量呈降低的趋势，但外源钙和水稻秸秆的添加均增加了腐殖酸含量，而且各处理之间的差异基本达到了显著水平(表1)。与CK相比，添加氯化钙T1处理土壤腐殖酸含量在3个培养时期分别增加了24.2%、26.1%和43.3%。添加水稻秸秆T2处理与CK相比，土壤腐殖酸含量分别增加了36.2%、52.4%和61.7%，水稻秸秆的添加显著增加了土壤中腐殖酸的含量。T3与T2处理相比，土壤腐殖酸含量分别变化了5.22%、-4.6%和20.8%。与CK相比，添加水稻秸秆后外源氯化钙对腐殖酸含量的影响效应相对较小。

表1 添加外源钙土壤腐殖酸含量在不同培养时期的变化Table 1 Changes of humus acid in soil with exogenous calcium in different culture periods

腐殖酸中所包含富里酸和胡敏酸含量随培养时间的增加也呈降低的趋势，且外源钙和水稻秸秆的添加，也增加了二者的含量。其中与CK相比T1处理添加外源钙后土壤胡敏酸含量增加的幅度较大，在3个培养时期分别增加了20.6%、81.4%和122.9%。而T3添加水稻秸秆和外源钙与T2单独添加水稻秸秆处理相比，胡敏酸含量在第8周和第16周时分别降低了4.7%和15.3%，而在第24周时则增加了44.6%。与土壤胡敏酸含量变比相比，添加外源钙对富里酸含量的影响相对较小。与CK相比，T1处理添加外源钙后在3个时期富里酸的增加幅度分别为25.6%、12.0%和11.0%；而T3与T2相比，仅增加了11.1%、0.70%和10.1%。

3 讨论

3.1 外源钙对土壤有机碳矿化的影响

外源钙的添加抑制了土壤中有机碳的矿化过程，随培养时间的增加，各处理土壤CO2释放量均呈增加的趋势。从土壤中有机碳稳定性的角度来看，有研究认为钙键有机碳的矿化稳定性大于全土有机碳的矿化稳定性[15]，因此这可能是加入外源钙后，钙键有机碳的形成使土壤有机碳稳定性相对较高的结果。加入水稻秸秆后外源钙对有机碳的矿化作用抑制作用增强，可能是植物残体输入后为土壤团聚体的形成提供了胶结物质，大幅提高了微生物活性，在促进土壤颗粒团聚化过程中也提高了自身稳定性[16]。

蔗糖酶是与土壤中有机碳转化相关的土壤酶之一，因此，土壤蔗糖酶含量变化在一定程度上可反映有机碳的转化过程(图5)。与CK和T2相比，添加氯化钙后T1和T3处理土壤蔗糖酶活性均显著降低，差值均达到了显著水平。其中与CK相比，添加氯化钙后蔗糖酶活性随培养时间分别降低了48.5%、67.2%和91.5%；与T2相比，添加氯化钙后分别降低了52.3%、65.1%和82.3%。随培养时间的增加，外源钙对蔗糖酶活性的影响增加，进而影响了土壤中有机碳的转化。因此，添加外源钙后对土壤蔗糖酶活性的影响也是影响土壤中有机碳的矿化的因素。

图5 添加外源钙土壤蔗糖酶活性在不同培养时期的变化Fig.5 Changes of soil invertase activity in different culture periods by adding exogenous calcium

已有的文献中添加的外源钙常为碳酸钙，因此除了外源钙的影响，也可能是碳酸钙的加入，引起土壤pH的增加所导致。本试验设计中加入的钙为氯化钙，土壤中加入外源氯化钙后，显著增加了土壤电导率值，说明外加钙主要以Ca2+形态存在。在培养过程中T1与CK相比，二者之间土壤pH的差异不显著(图6)。而添加水稻秸秆后，与CK相比土壤pH值略有增加，但T3与T2相比则降低了土壤的pH值，且在不同培养时期二者之间的差异均达到了显著水平，在培养24周pH差值达到0.86个单位。因此土壤pH值的变化也可能影响土壤有机碳的矿化。但Khalil等研究发现不同pH(7.4和5.1)两种土壤的有机碳矿化速率并无显著差异[17]。而Isabelle研究发现pH低的土壤有机碳矿化量变化显著[18]。这与本文的研究结果并不一致，因此pH不同对土壤有机碳矿化的影响趋势并不统一，土壤其它性质也有一定的影响。

图6 添加外源钙土壤pH值在不同培养时期的变化Fig.6 Changes of soil pH in different culture periods by adding exogenous calcium

3.2 外源钙对土壤不同形态有机碳含量的影响

由上所述可知，添加氯化钙后抑制了土壤中有机碳的矿化过程，减少了有机碳向无机碳的转化过程。与此相对应，添加外源钙后增加了土壤中总有机碳的含量。有研究表明钙与有机物质相互作用形成腐殖酸钙使有机质得到积累[19]，这与本研究的结论相一致。在土壤中施入氮磷钾肥一致的条件下，添加水稻秸秆增加了土壤中总有机碳含量，但加入外源钙后也抑制了有机碳的矿化，因此与单加水稻秸秆相比，也增加了土壤中总有机碳含量，且增加的幅度高于单施外源钙的处理。有研究也认为团聚体形成作用被认为是土壤碳固定的最重要机制，特别是对土壤活性碳库的物理保护[20]。新加入的水稻秸秆中有机碳活性相对较强，加入的外源钙对其保护作用也较强，因此土壤总有机碳的含量相对较高。这与外源钙对土壤有机碳矿化作用的影响一致。与单施水稻秸秆相比，施入外源钙后对有机碳的矿化的抑制作用也较单施外源钙处理的抑制作用大。

可溶性有机碳是土壤中易氧化、易分解、易矿化部分有机碳。加入外源钙后土壤中可溶性有机碳含量都提高，说明添加外源钙后促进了对土壤活性较强有机碳的保护作用。这与上述结论相一致。单施水稻秸秆后在整个培养阶段并未显著增加土壤中可溶性有机碳含量，但施外源钙后添加水稻秸秆与未添加相比则显著增加了土壤中可溶性有机碳的含量。这也可能与土壤pH值的变化有关，同时添加水稻秸秆和氯化钙显著降低了土壤pH值(图6)，在一定程度上增加了可溶性有机碳含量。

土壤微生物量碳仅占土壤全碳量的很小一部分，但土壤有机碳的分解进程与土壤微生物量碳的动态变化趋势相似。因此与土壤中全碳和可溶性有机碳的变化趋势不同，添加氯化钙后土壤中微生物量碳含量降低，其中未添加水稻秸秆T1处理与CK相比，降低的幅度较小，差异不显著。随着水稻秸秆的添加，显著增加了土壤中微生物量碳的含量，与CK相比，在不同培养时期的差异均达到了显著水平。添加水稻秸秆后外源钙对微生物量碳的影响在培养的初期抑制作用明显，但随培养过程的进行，易矿化的有机碳逐渐矿化，在培养后期二者之间的差异不显著。因此，可以把土壤中有机碳分解的快慢看作是土壤微生物活动强弱的外在表现；另一方面，土壤微生物量的多少反映了土壤同化和矿化能力的大小。

添加外源钙的条件下，未施与施入水稻秸秆处理均增加了土壤中腐殖酸含量，在钙含量较高的条件下，促进了土壤中腐殖质的形成。另外钙的存在，可与腐殖质形成腐殖酸钙，从而使土壤中腐殖质积累，进而增加了土壤中腐殖酸的含量[21]。添加外源钙不仅增加了土壤中腐殖酸含量，也增加了富里酸和胡敏酸的含量。这与陈家瑞等研究表明土壤钙与土壤有机碳总量和胡敏酸成正相关关系的研究结果相一致，但其研究认为土壤钙与富里酸成负相关关系，则与本研究结果相反[22]。