外源碳酸钙对黔中喀斯特地区土壤有机碳矿化的影响

陈领 王小利 张青伟 段建军 李瑞东 罗安焕 陈佳

摘 要：本研究以黔中喀斯特区典型黄壤和石灰土为研究对象，通过100 d室内土壤有机碳矿化培养试验，结合13C同位素示踪技术，研究外源碳酸钙对土壤CO2总释放量的贡献及对土壤有机碳矿化的激发效应，为提高喀斯特地区土壤有机碳稳定性提供理论依据。结果显示，Ca13CO3在培养前期（1～10 d）可释放13CO2，后期（10～100 d）趋于稳定，Ca13CO3对黄壤和石灰土总CO2累积释放量具有一定的贡献，其贡献率达到25.47%和20.76%;外源Ca13CO3对黄壤和石灰土有机碳矿化均产生了负激发效应，培养100 d后土壤有机碳累积矿化量分别减少了76.05%和45.14%，激发效应主要受土壤类型的影响，黄壤有机碳矿化的负激发程度高于石灰土。

关键词：喀斯特;碳酸钙;有机碳矿化;碳同位素;CO2

Abstract：In this study，the typical yellow soil and lime soil in the karst area of central Guizhou were studied as the research object，and Througha 100-daymineralization cultivationof soil organic carbonindoors，，combined with 13C isotope tracing technology，the contribution of exogenous calcium carbonate to the total release of soil CO2 and its priming effect on soil organic carbon mineralization were conducted.It could provide a theoretical basis for improving the stability of soil organic carbon in karst areas.The results showed that Ca13CO3 can release 13CO2 in the early period of culture （1～10 d），and tends to be stable in the later period （10～100 d）.Ca13CO3 had a certain contribution to the total CO2 release of yellow soil and lime soil，and its contribution rate reached 25.47% and 20.76%;Exogenous Ca13CO3 had a negative priming effect on the organic carbon mineralization of yellow soil and lime soil.After 100-days cultivation，the cumulative mineralization of soil organic carbon was reduced by 76.05% and 45.14%，respectively.The priming effect was mainly affected by soil type mainly.The degree of negative excitation of organic carbon mineralization in yellow soil was higher than that in lime soil.

Keywords：Karst;Calcium carbonate;Organic carbon mineralization;Carbon isotope;CO2

土壤碳庫是陆地碳库的重要组成部分，包括土壤有机碳库和土壤无机碳库。全球土壤有机碳库储量估计为2000 Pg（以C计）[1];无机碳库量约947 Pg，以CaCO3占绝对优势[2]。贵州省处于中国西南部喀斯特区域中心，碳酸盐岩分布面积高达13×104 km2，碳酸盐岩出露面积较广，土层薄，水土流失严重[3-5]。碳酸盐岩中含有的无机碳以往被认为是一个“死库”，在土壤中很难转化。但近年来研究逐渐发现无机碳参与土壤有机碳（SOC）的转化，无机碳可通过各种途径转化进入大气[6]，石灰土性土壤在密闭培养过程中，其中的碳酸盐能释放出CO2。黄媛等[7]研究发现来源于外源碳酸钙的CO2释放量占总量的6.01%～34.05%;葛云辉[8]发现碳酸钙贡献的CO2为19.62%～ 48.44%;董燕婕[9]发现外源碳酸钙增加了碳释放累积量，释放的CO2中约有40%来自于无机碳。同时外源碳酸钙对SOC的矿化也会产生影响，目前的研究表明外源Ca14CO3对红壤SOC有正激发效应，对棕色石灰土和黑色石灰土SOC具有正激发效应或无激发效应[8-11]。有研究发现微生物能够代谢从外源Ca14CO3溶解释放的14CO2，从而产生更多的C，此时微生物群落矿化产生的CO2有无机碳和有机碳两个碳源[12]。但目前在贵州喀斯特地区还尚未使用同位素技术开展关于区分CO2碳源和无机碳对土壤有机碳矿化影响的研究，因此明确外源CaCO3对贵州喀斯特地区土壤有机碳矿化的影响，并探究碳酸钙在土壤中释放二氧化碳的规律，对进一步了解喀斯特地区土壤碳循环过程具有重要意义。

本研究选取贵州喀斯特地区石灰土和黄壤，采用13C稳定同位素示踪技术，通过添加外源Ca13CO3进行室内培养，研究外源碳酸钙对土壤有机碳矿化的影响及土壤中碳酸钙对喀斯特区土壤有机碳矿化的贡献，以期为提高喀斯特地区土壤有机碳稳定性提供理论依据。

13CO2释放速率为添加到土壤中的Ca13CO3在单位时间内所释放的扣除溶蚀沉积外的13CO2量。图1（中）显示，在培养的第1天，黄壤和石灰土13CO2的释放速率高达96.64和62.95 mg/kg·d，之后迅速下降，到10 d时仅为0.14和1.26 mg/kg·d，之后趋于稳定。说明外源Ca13CO3主要在培养前期释放13CO2。

土壤有机碳矿化速率为单位时间内土壤CO2释放量减去13CO2释放量。由图1（右）可以看出，土壤有机碳矿化速率随培养时间的变化规律与土壤总CO2释放速率的规律基本一致。添加碳酸钙后，在第1天，石灰土有机碳矿化速率显著降低89.29%，第5～100天黄壤有机碳矿化速率均显著降低67.03%～88.47%（p<0.05），说明外源Ca13CO3减缓了黄壤和石灰土土壤有机碳矿化速率。

2.2 土壤CO2累积释放量

土壤总CO2累积释放量包括外源碳酸钙释放的13CO2和土壤有机碳释放的CO2。如图2（左、右）所示，土壤总CO2的累积释放量和土壤有机碳累积矿化量的规律一致，在第1～15天快速增加，第15～100天，未添加碳酸钙的处理（Y和L）土壤总CO2的累积释放量和土壤有机碳累积矿化量继续增加，添加碳酸钙处理（Y+C和L+C）缓慢增加并趋于平缓，在第100天时土壤总CO2的累积释放量和土壤有机碳累积矿化量分别达到1.24～3.786 g/kg和0.906～3.786 g/kg，且添加碳酸钙的黄壤和石灰土的土壤总CO2的累积释放量和土壤有机碳累积矿化量均低于未添加处理。

13CO2累积释放量是指添加到土壤中的Ca13CO3在某时间段内释放的13CO2总量（本试验中，外源Ca13CO3溶蚀沉积释放的13CO2仅为8.57 mg/kg）。由图2（中）可以看出，13CO2累积释放量在培养期间的释放规律有所不同，黄壤13CO2累积释放量在第1～5天快速增加，在第5～100天无明显变化，石灰土13CO2累积释放量在第1～5天快速增加，第5～45天增速缓慢，在此之后微弱下降。到第100天时，黄壤13CO2累积释放量比石灰土增加了15.68%。

2.3 外源碳酸钙在CO2累积释放量中的贡献

总CO2累积释放量中外源碳酸钙的贡献用CO2总释放量中来自Ca13CO3的比例来表示。如图3（左）所示，在第1天，黄壤和石灰土的CO2累积释放量中Ca13CO3的贡献高达57.35%和86.42%，之后随培养时间逐渐降低，第45天时黄壤和石灰土的CO2累积释放量中Ca13CO3的贡献均为32.65%，期间黄壤CO2累积释放量中Ca13CO3的贡献始终大于石灰土，之后继续减少。如图3（右）所示，培养第100天后，黄壤和石灰土总CO2累积释放量中Ca13CO3的贡献率分别降低至25.47%和20.76%。

2.4 外源碳酸钙对土壤有机碳矿化的激发效应

外源Ca13CO3对土壤有机碳矿化的激发效应用土壤有机碳累积矿化量的增加率表示。如图4（左）所示，外源Ca13CO3对黄壤和石灰土有机碳矿化始终是抑制作用，外源Ca13CO3对黄壤有机碳矿化抑制作用在第1天最小（16.27%），第5～100天随培养时间的变化而逐渐增强，外源Ca13CO3对石灰土有机碳矿化的影响正好相反，其抑制作用在第1天最大（89.29%），第1～100天随时间的变化逐渐减弱。如图4（右）所示，在第100天后，外源Ca13CO3对黄壤和石灰土有机碳矿化的激发效应分别为-76.05%和-45.14%，说明外源Ca13CO3对黄壤和石灰土有机碳的矿化均产生了负激发效应。这可能是因为CaCO3的增加虽然会激发土壤微生物活性，但它也对土壤有机碳形成了一定的物理保护作用，减少了微生物对有机碳的分解[18]。

2.5 不同因素及其交互作用对土壤有机碳矿化的影响

方差分析结果显示（表2），碳酸钙对外源碳酸钙在CO2累积释放量中的贡献具有显著影响;碳酸钙、土壤类型和土壤類型×碳酸钙交互作用均对SOC累积矿化量具有显著影响;土壤类型和土壤类型×碳酸钙交互作用均对SOC激发效应具有显著影响。

3 结论与讨论

3.1 外源碳酸钙对土壤CO2累积释放量的贡献

在喀斯特地区，由碳酸盐岩的成土母质发育而来的土壤中，含有大量的碳酸盐，其在土壤呼吸CO2释放量中有重要贡献。本研究中未灭菌黄壤和石灰土及灭菌黄壤和石灰土总CO2累积释放量中Ca13CO3的贡献率分别为25.47%和20.76%，且与添加碳酸钙显著相关。前人对红壤和石灰土的研究中，来源于外源碳酸钙的CO2释放量占总量的比率为6.01%～48.44%[8-9，19]。说明碳酸钙对贵州喀斯特地区土壤—大气CO2具有重要贡献。土壤中还存在着CO2/HCO—3/CO2-3平衡体系，即CaCO3+CO2+H2OCa2++2HCO-3，HCO-3H++CO2-3，影响着土壤中碳酸盐的溶蚀沉积过程[20]，本研究中灭菌石英砂添加Ca13CO3的对照溶蚀沉积过程释放的13CO2为8.57 mg/kg，添加碳酸钙的土壤中释放的13CO2远远高于这个量，这可能是因为土壤微生物发挥了重要作用。FENG等[12]研究表明，在酸性土壤中加入碱性物质（CaCO3）后，土壤pH发生改变，本研究中不添加碳酸钙的黄壤和石灰土培养100 d后土壤pH分别为5.16和7.31，添加碳酸钙后pH显著升高（黄壤pH=7.64，石灰土pH=7.72）。土壤pH影响着土壤微生物的活性[21]，所以CaCO3的施入通过改变土壤微生物生长的环境条件从而影响微生物的活性和数量，最终改变了化学溶蚀沉积过程[8]。