石灰性土壤添加不同量碳酸钙对秸秆有机碳矿化的影响

2022-12-09李梦丽徐墨馨陈永山叶丽丽蒋金平

生态环境学报 2022年10期

李梦丽，徐墨馨，陈永山，叶丽丽，蒋金平,

1. 广西环境污染控制理论与技术重点实验室，广西桂林 541004；2. 泉州师范学院资源与环境科学学院，福建泉州 362000；3. 广西岩溶地区水污染控制用水安全保障协同创新中心，广西桂林 541004

近年来，在国家提出2030年实现碳达峰、2060年实现碳中和的“双碳”目标背景下，越来越多的学者开始参与到陆地生态系统碳循环的研究当中。土壤有机碳库是陆地碳库的重要组成部分，土壤有机碳的矿化过程是土壤中的微生物为完成自身代谢而分解利用土壤活性有机碳组分，并释放CO2的过程（Li et al.，2019）。土壤活性有机碳是指土壤中含量相对较少但活性比较高的一部分有机碳，对环境变化较敏感，与土壤有机碳的稳定性紧密相关（Xu et al.，2011；李顺姬等，2010；林仕芳等，2022）。土壤微生物生物量碳（MBC）和溶解性有机碳（DOC）都属于土壤活性有机碳组分（Chen et al.，2016）。广西是中国典型的喀斯特地貌区域，在此区域内，土壤由于碳酸盐岩成土背景，含钙量较高（陈佑启等，2000），钙与喀斯特土壤有机碳的关系，会对喀斯特土壤生态系统的平衡与维持产生直接联系（Kalbitz et al.，2000），在喀斯特土壤背景下外源碳酸钙及秸秆对探究土壤有机碳矿化过程、土壤固碳作用以及土壤碳汇能力有重要意义。

目前，国内外已有不少学者针对外源物质对土壤有机碳的转化与积累展开报道（Gocke et al.，2012）。有研究表明，土壤中加入外源物质会引起土壤有机碳分解速率发生改变，并且短期内会对土壤有机碳矿化产生强烈影响（陈春梅等，2006）。向土壤中加入外源物质促进或抑制有机碳矿化的现象被称为“激发效应”，激发效应可分为正激发效应和负激发效应（Bingeman et al.，1953；葛云辉等，2012）。黄媛等（2013）发现向石灰土和黄壤中添加碳酸钙对其负激发效应可达到16.27%—89.29%。肖谋良等（2014）发现向石灰土和红壤中添加碳酸钙后，两种土壤中有机碳均会在短期内释放大量CO2。Feng et al.（2016）和李杨等（2012）研究也表明向土壤中添加碳酸钙可以提高微生物活性、促进土壤有机物的分解，从而影响土壤活性有机碳的含量变化以及土壤有机碳的矿化特征。此外，Dai et al.（2020）研究发现，在土壤中外源秸秆可以显著提高土壤有机质含量，明显促进土壤有机碳的矿化过程。秸秆有机碳和碳酸钙是土壤有机碳积累与转化过程中两个重要的影响因素，研究这两者与土壤有机碳矿化过程的关系有利于喀斯特地区生态系统的恢复与重建，以及对土壤固碳培肥作用提供理论依据。因此，本研究通过室内培养试验，研究外源碳酸钙和秸秆对土壤CO2释放速率、累积释放量以及土壤活性有机碳（微生物生物量碳和溶解性有机碳）的影响，旨在为深入了解喀斯特地区土壤有机碳的周转和固存机制以及土壤碳减排提供支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于广西壮族自治区桂林市雁山镇六塘村（24°56′—25°02′N，110°10′—110°20′E），雁山镇地势北高南低，成土母岩以石灰岩为主，属亚热带季风气候区。该地区日照多，雨量足，气候佳，年平均气温19.1 ℃，年平均降雨量1889 mm，无霜期302 d。基本性质如下：pH 5.38，碳酸钙3.93 g·kg-1，有机碳 13.8 g·kg-1，微生物生物量碳 315.6 mg·kg-1，溶解性有机碳 391.5 mg·kg-1，饱和含水量58.11%。

1.2 样品采集

于2021年10月在广西六塘镇采集土壤样品，去除表层土壤后，采取 0—20 cm的耕作层土壤均匀混合，去除可见植物根系及碎石。过2 mm筛后，将一部分新鲜土壤放置在 4 ℃冰箱用于室内培养试验；另外一部分风干后采用四分法均匀混合，以用来测定土壤基本理化性质。

1.3 试验设计与分析方法

本试验设置以下处理：不添加任何外源物质对照（CK）；5%秸秆处理（C0）；5%秸秆+5%碳酸钙处理（C1）；5%秸秆+15%碳酸钙处理（C2）；5%秸秆+25%碳酸钙处理（C3），共5个处理，每处理设置3重复（土壤处理过程中先加入碳酸钙，土壤稳定1周后再加入5%粉碎过后的秸秆）。

土壤有机碳矿化培养试验：将上述处理的土壤样品水分调节到最大田间持水量的45%，称取各处理土壤样品20 g于小烧杯中，并将其置于1 L广口瓶中，每个瓶中同时放置1个装有20 mL 0.1 mol·L-1的NaOH溶液的小烧杯和1个装有10 mL去离子水的小烧杯，另外设置3个不添加土样的空白对照，共18个广口瓶。在25 ℃黑暗避光条件下恒温培养60 d，培养至第2、5、8、13、18、23、31、39、47、60天时，从广口瓶中取出装有NaOH的小烧杯，更换新的NaOH溶液，同时将广口瓶密封，测定土壤呼吸时释放的CO2含量。

土壤理化性质及土壤不同形态碳组分测定：土壤pH采用pH计测定（水土质量比为2.5∶1），土壤饱和含水量采用环刀法测定，土壤碳酸钙采用容量滴定法测定；微生物生物量碳（MBC）采用氯仿熏蒸-硫酸钾浸提法测定（Wu et al.，1993）；溶解性有机碳（DOC）采用硫酸钾浸提-TOC分析仪法测定。

1.4 计算公式

CO2释放速率计算式如下（杨开军等，2017）：

式中：

Cmin——培养期间土壤 CO2释放速率（mg·g-1·d-1）；

V0——空白标定时消耗的标准盐酸的体积（mL）；

V——样品滴定时消耗的标准盐酸的体积（mL）；

cHCl——标准盐酸浓度（mol·L-1）；

m——每个小烧杯中的鲜土质量（g）；

w——土壤水分质量分数（%）；

t——培养时间（d）。

式中：

Y——土壤CO2累计释放量（mg·g-1）

Ym——培养开始到某时间点释放的CO2之和。

土壤有机碳激发效应计算式如下（Hamer et al.，2005）：

式中：

EP——碳酸钙对土壤有机碳激发效应（%）；

YCa——添加碳酸钙的土壤 CO2累积释放量（mg·g-1）；

Y0——未添加碳酸钙的土壤 CO2累积释放量（mg·g-1）；

YT——原土 CO2累积释放量（mg·g-1）。

1.5 统计与分析

本试验研究应用Excel 2019对数据进行处理，用SPSS 23.0进行ANOVA分析、LSD法进行显著性差异检验，分析不同处理间在P＜0.05水平上的显著性差异，用Origin 2017软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 土壤有机碳矿化特征

2.1.1 土壤CO2释放速率变化

由图1可知，在60 d的密闭矿化培养试验中，不同含量碳酸钙土壤的CO2释放速率随着培养时间的延长均呈现下降的趋势，根据其降幅可分为3个阶段：前期（第2—5天）快速下降，中期（第5—39天）缓慢下降，后期（第39—60天）趋于平稳。对3个阶段的CO2释放速率进行分析发现，第5、39、60天的CO2释放速率分别是第2天的67.10%—78.97%、29.68%—36.08%和13.23%—31.55%。添加秸秆和碳酸钙后土壤CO2释放速率大幅提升，培养至第 2天时，各处理 CO2释放速率表现为C2＞C1＞C3＞C0＞CK，与 C0 相比，C1、C2、C3 处理分别提高12.72%、19.77%、1.34%，CK处理降低1198.06%。培养至第39天和第60天时，不同含量碳酸钙土壤间的CO2释放速率没有明显差异。没有添加任何外源物质的CK处理，CO2释放速率在第18—60天时没有明显波动，保持稳定状态。

图1 不同含量碳酸钙土壤的CO2释放速率Figure 1 Release rate of soil CO2 with different content of calcium carbonate

2.1.2 土壤CO2累积释放量变化

图2所示为室内密闭矿化培养试验进行不同处理时的CO2累积释放量。由图可知，随着培养时间的延长，各处理的CO2累积释放量也不断增加，且均呈现前期快速增加，后期缓慢增加的趋势。培养结束时，各处理间CO2累积释放量以C2最高，为6.01 mg·g-1，剩下由大到小排列为 C1、C3、C0、CK，其CO2累积释放量依次为5.97、5.46、5.195、0.41 mg·g-1。含有碳酸钙的土壤CO2累积释放量均高于不含碳酸钙的土壤，C1、C2、C3相较于C0，CO2累积释放量分别提高了14.92%、15.69%和5.10%。添加秸秆后，与CK处理相比，C0、C1、C2、C3处理 CO2累积释放量依次提高了 1167.07%、1356.10%、1365.85%、1231.71%。

图2 不同含量碳酸钙土壤的CO2累积释放量Figure 2 Cumulative release of soil CO2 with different content of calcium carbonate

2.1.3 土壤有机碳矿化的激发效应

不同含量碳酸钙土壤有机碳矿化的激发效应如图3所示，在整个培养期间，C1和C2处理对有机碳矿化有正激发效应，其中，C1处理激发效应在第5—8天逐渐减弱，8—31天明显增强，第31天后又轻微减弱，正激发效应在第31天时表现最强，为132.81%，在第8天时表现最弱，为30.77%。C2处理在第 2—5天正激发效应大幅度增强，培养至第5天时最强，为308.33%，在第5—31天急剧减弱后轻微增强，第31天后又呈现小幅度减弱趋势，第60天时激发效应最弱，为98.78%。C3处理除了在培养至第 31天时对有机碳矿化有微弱正激发效应外，整个培养过程对土壤有机碳矿化均有负激发效应，负激发效应在第 5天时显著增强，为183.33%，在第5—31天时逐渐减弱，第31天表现为7.81%的正激发效应，随后在培养第31—60天，又呈现负激发效应，在第39天时负激发效应最弱，表现为11.27%。

图3 不同含量碳酸钙土壤的有机碳激发效应Figure 3 The excitation effect of organic carbon in soils with different contents of calcium carbonate

2.2 土壤活性有机碳组分含量变化

2.2.1 土壤微生物生物量碳含量变化

由图4可知，添加秸秆和碳酸钙对土壤中的微生物生物量碳（MBC）均会产生不同程度的影响。其中，添加秸秆使土壤中MBC含量大幅提高，添加碳酸钙后，与C0相比，C1、C2、C3处理的土壤MBC含量在培养第 1天与第 60天时分别降低3.80%、22.85%、51.96%和6.56%、16.95%、29.07%，在第30天时，C1、C2处理比C0分别增高25.58%和3.77%，C3处理比C0降低5.48%。在相同培养阶段不同处理条件下，不同含量碳酸钙土壤的MBC含量有不同变化趋势。在培养第1天和第60天时，随着碳酸钙含量的增加土壤MBC含量不断降低，C3处理在培养刚开始和结束时的MBC含量均显著低于其他处理，在培养至第30天时，碳酸钙会促进土壤MBC含量提高，但是随着碳酸钙含量的增加，促进作用逐渐减弱。在相同处理不同培养阶段条件下，含有碳酸钙的土壤第30天的MBC含量高于第1天和第60天，C1处理时产生的差异最显著，而不含碳酸钙的土壤，第30天的MBC含量显著低于第1天和第60天。

图4 不同含量碳酸钙对土壤微生物生物量碳的影响Figure 4 Effects of different contents of calcium carbonate on soil microbial biomass carbon

2.2.2 土壤溶解性有机碳含量变化

如图5所示，添加秸秆和碳酸钙均显著提高了各处理中土壤溶解性有机碳（DOC）含量，含有碳酸钙的土壤，DOC含量在培养各阶段均显著高于不含碳酸钙的土壤。相较于C0处理，C1、C2、C3处理的土壤 DOC含量在培养第 1天时分别提高22.67%、15.94%、18.03%；培养至第30天时分别提高73.69%、78.11%、63.77%；在培养结束时依次提高106.35%、82.00%、77.24%。随着碳酸钙浓度的增加，在培养第1天时，土壤DOC含量呈现“上升—下降—上升”趋势，5%碳酸钙对土壤DOC含量促进作用最明显，培养第30天和第60天时，土壤DOC含量均表现为先上升后下降，但在第30天时，C2处理DOC含量最高，第60天时，C1处理DOC含量最高。在培养各阶段，C0、C1、C2、C3处理土壤 DOC含量相比于 CK处理分别提高154.38%—212.06%、56.71%—179.10%和81.91%—275.36%。土壤中不同处理DOC含量随着培养时间的增加均呈不断下降的趋势，且培养结束时DOC含量均显著低于第1天和第30天。

图5 不同含量碳酸钙对土壤溶解性有机碳的影响Figure 5 Effects of different contents of calcium carbonate on soil dissolved organic carbon

2.3 土壤有机碳矿化和活性有机碳含量的相关性分析

对土壤第 60天的 CO2累积释放量和土壤MBC、DOC含量进行皮尔逊相关性分析，结果如表1所示。土壤CO2累积释放量与土壤微生物生物量碳、土壤溶解性有机碳含量均呈极显著正相关关系，而土壤微生物量碳含量与土壤溶解性有机碳含量呈显著正相关关系，说明土壤微生物生物量碳和土壤溶解性有机碳之间相互依存，虽然土壤活性有机碳含量较少但对环境变化比较敏感并且和土壤有机碳矿化过程紧密相关。

表1 土壤CO2累积释放量和活性有机碳含量的相关性分析Table 1 Correlation analysis between cumulative release of soil CO2 and active organic carbon content

3 讨论

3.1 不同含量碳酸钙对土壤有机碳矿化的影响

本研究结果显示，在培养刚开始的第2天土壤CO2释放速率最大，随着培养时间的延长土壤CO2释放速率不断降低，最后逐渐趋于平稳，原因是在培养前期土壤中含有大量易分解的糖类和蛋白质等有机物，为微生物活动提供了充足的碳源和养分，从而加强了微生物对有机物的分解利用，提高了CO2的释放速率（刘赛男等，2019；史登林等，2020）。而到了培养后期，可利用的碳源含量减少，此时土壤中的有机质以难分解的有机物为主，微生物活性减弱，从而导致CO2释放速率逐渐降低最后趋于稳定（EI-Naggar et al.，2015；Guo et al.，2016；马欣等，2018）。此外，当碳酸钙含量为15%时，土壤CO2释放速率最高，而25%含量的碳酸钙有效降低了土壤CO2释放速率，说明高含量的碳酸钙有利于土壤固碳。添加秸秆后，土壤的CO2释放速率对比没有添加任何外源物质CK处理大幅度提高，且CK处理 CO2释放速率相比其他处理没有明显波动，是因为在没有任何外源物质的扰乱下，土壤微生物活动处于稳定状态，对CO2释放速率的影响并不明显（冷雪梅等，2022）。

土壤有机碳的矿化受外源物质的影响很大（Li et al.，2010；Song et al.，2020），在本研究中，不同含量碳酸钙土壤，CO2累积释放量由大到小排列依次为C2、C1、C3、C0，说明不同含量碳酸钙对土壤有机碳矿化的促进效果不同，15%的碳酸钙对土壤CO2累积释放量的促进作用最明显，25%的碳酸钙促进效果最弱，这可能是因为在不同含量碳酸钙条件下，土壤中游离钙离子的迁移速率有差异，导致有机碳与钙离子结合成团聚体的速度不同，从而对有机碳的矿化作用也不同（苏有健等，2014）。在培养后期，土壤CO2累积释放量增加的幅度逐渐减弱，原因可能是土壤的矿化作用将容易利用的有机碳消耗了，当土壤的矿化量大于输入量时，土壤有机碳含量就会有累积，反之则会表现为亏损状态（陈晓芬等，2018）。秸秆的添加显著提高了土壤的CO2累积释放量，是因为秸秆的加入一方面为土壤带来了大量的碳源和养分；另一方面促进了土壤中微生物的活动，从而增加了土壤中有机代谢物的分泌（Fatima et al.，2021；闫雷等，2020）。

当土壤中有外源物质加入时，土壤有机碳在短期内发生改变的现象被称作激发效应（Kuzyakov et al.，2006；魏圆云等，2019）。本研究含有碳酸钙的土壤当中，C1和C2处理在整个培养期间都表现为正激发效应，且C2处理的正激发效应始终高于C1处理，在培养初期时差异显著，说明5%和15%的碳酸钙均可以促进土壤有机碳矿化作用，但是15%含量的碳酸钙促进效果更为明显。之所以培养初期激发效应强烈，可能是因为培养初期微生物受外界的影响较大，对外源物的利用率也较高（肖烨等，2019）。C3处理在培养至第 31天时表现出短暂的正激发效应，其他时期均表现为负激发效应，说明25%的碳酸钙含量会抑制土壤有机碳的矿化，原因可能是将大量碳酸钙加入到土壤后，土壤中易氧化的有机碳和钙结合形成钙键合态有机碳在土壤中积累，限制了土壤中有机碳和微生物以及土壤酶的接触，从而避免了土壤碳受微生物的降解（周萍等，2009；陈磊等，2019）。

3.2 不同含量碳酸钙对土壤活性有机碳组分的影响

土壤活性有机碳虽然只是有机碳中比例较小的一部分，但它可以较为灵敏的反映早期的土壤质量，且能够直接影响土壤微生物的活性，从而对土壤的有机碳矿化作用和土壤固氮能力产生影响（Yagi et al.，1990；罗梅等，2018）。在本研究中，土壤CO2累积释放量与土壤活性有机碳含量之间均呈极显著正相关关系，说明活性有机碳组分的含量和动态与土壤有机碳的矿化作用有紧密关系（李忠佩等，2004）。秸秆的添加使土壤MBC和DOC含量均得到显著提高，一部分原因是秸秆为土壤带来了大量碳源，提高了土壤有机碳含量，另一部分原因可能是秸秆还田提高了土壤中微生物的活性，从而加速了有机碳的运转。在添加碳酸钙第 30天各处理土壤MBC含量均达到峰值，原因是大部分外源物质会在短期内被微生物分解利用，从而使MBC含量上升（Setia et al.，2010）。在培养第60天，土壤MBC含量随着碳酸钙含量的增加而不断降低，说明高含量碳酸钙会抑制土壤MBC，这可能是因为在培养后期大部分外源物质已经被微生物分解利用，而且碳酸钙添加后加剧了土壤溶解性有机碳的矿化，使土壤有机碳含量减少，从而导致土壤MBC含量的降低（Shen et al.，2016；李艾蒙等，2019）。

土壤MBC和土壤DOC相互依存，有着紧密相连的关系（吴静等，2015；贾生强等，2021；杜雪等，2022）。本研究发现，添加碳酸钙后，在培养的各阶段土壤 DOC含量均显著提升，可能是因为土壤溶解性有机碳很大一部分是土壤有机酸，极易与钙离子结合成稳定的复合体保存在土壤中（Moreno et al.，2006），这类复合体短期内很难被消耗，从而增加了土壤DOC含量。在培养结束时，C1处理的DOC含量显著高于其它处理，说明5%的碳酸钙会显著促进土壤 DOC含量的上升。随着培养时间的延长，各处理土壤 DOC含量不断下降，当培养结束时，各处理土壤DOC含量显著低于培养第1天，原因可能是培养后期大部分碳酸钙会和土壤中的腐殖质、胡敏酸等结合生成稳定的腐殖酸钙，导致土壤DOC含量随之降低（段文军等，2013；郑斯尹等，2019）。