有机物添加对山西太岳山油松林土壤呼吸及碳组分的影响

孙美佳，周志勇，王勇强，沈 颖，夏 威,2

(1.北京林业大学林学院，北京 100083；2.山西太岳山森林生态系统国家定位观测研究站，山西 长治 046000；3.北京林业大学生态与自然保护学院，北京 100083；4.山西灵空山国家级自然保护区管理局，山西 长治 046000)

土壤是陆地生态系统重要的碳储存库，在碳固持以及调控陆地与大气间的碳交换方面发挥着重要作用。加强对土壤碳库的储存动态以及调控机理研究，对未来调节大气CO2含量、有效应对全球气候变暖都具有非常重要的生态学意义[1-2]。森林土壤有机碳的周转动态及其调控机理是近二三十年来生态学研究的热点领域之一，不同的学者从各个角度展开了深入分析。Smith[3]研究发现，添加有机物不仅增加了土壤有机碳含量，还改变了碳的可利用形式，影响到碳累积和温室气体通量；土壤有机碳组分，如微生物生物量碳(MBC)、易氧化碳(ROC)和可溶性有机碳(DOC)也都会受到外源添加物的影响[4]。有机物添加还通过改善土壤的理化性状和微生物组成，调控土壤微生物生物量和总有机碳库[5-6]。在中国，每年农业生产秸秆的产量高达7.9亿t[7]，然而，在收获后农作物秸秆通常被丢弃或焚烧，造成了潜在资源的浪费并可能导致全球气候变暖[8]。生物炭是在限制氧气的条件下由热解生物质产生的固体有机源，在碳固存和农艺生产等方面引起了极大关注[9]。生物炭已被证明可以提供一系列农业效益，例如减少养分流失，增加土壤持水能力和阳离子交换量，生物炭还可以影响土壤有机质组成和温室气体排放[10]。此外，生物炭的不稳定成分可能成为微生物碳源[11]。土壤和生物炭之间的相互作用取决于土壤和生物炭的性质以及环境条件[12]。因此，土壤和生物炭之间的相互作用可能多种多样且难以预测，且添加秸秆和生物炭对土壤碳库的研究大多集中在农田土壤，对森林土壤的研究较少。

太岳山自然保护区是我国暖温带落叶阔叶林最具代表性的区域，分布有天然油松(Pinustabuliformis)与辽东栎(Quercusmongolica)混交林[13]，该区森林生态系统的平均碳储量为277.67 t/hm2，土壤碳储量平均为173.4 t/hm2[14]，低于全国的平均水平(193.55 t/hm2)[15]。因此，该区土壤有机碳库还具有较大的提升空间，添加外源有机物应是一种行之有效的管理措施。落叶中承载的养分是森林土壤有机质补充与输入的主要来源，该区新鲜的辽东栎叶和油松叶凋落物可作为有机物添加的类型。为此，本研究通过向油松林土壤添加玉米秸秆、生物炭、辽东栎叶和油松叶等4种不同类型的有机物，分析其对土壤呼吸和有机碳及其组分的影响，探讨二者之间的相关性，以期为预测山西太岳山油松林生态系统中土壤的碳收支平衡提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究区主要位于山西省长治市沁源县韩洪乡(112°04′E，36°39′N)的山西太岳山森林生态系统国家定位观测研究站，该区海拔1 100～1 800 m，属暖温带半湿润大陆性季风气候，年平均气温6.3 ℃，年降水量800～900 mm，无霜期110～130 d，主要土壤类型为暗棕壤。植被类型为暖温带油松阔叶混交林，优势树种为油松和辽东栎；常见树种有华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtii)、白桦(Betulaplatyphylla)、山杨(Populusdavidiana)等。具体试验地点在生态站西南向约7 km处的黑梁峪，样地处坡向朝北，面积约 2 400 m2，试验对象为保护比较完整的坡度较缓的约70年生的油松林，油松胸径22.4 cm，林分密度为990 株/hm2；其他树种胸径9.04 cm，林分密度为83 株/hm2；土壤的pH为5.67，全氮含量为1.31 g/kg，土壤有机碳含量为22.60 g/kg。

1.2 试验样地设置

2014年5月，在选定的油松林内，随机布设25个2 m×2 m的样方，每个小样方之间至少间隔4 m。采用随机区组设计，使用磨粉机将4种有机物(生物炭、玉米秸秆、辽东栎叶、油松叶)分别粉碎，过孔径2 mm筛备用，然后将粉碎后的生物炭(记为BC)、玉米秸秆(记为JG)、辽东栎叶(记为LD)和油松叶(记为YS)分别添加到区组内样方的0～20 cm土壤中(表1)。有机物的添加量等于油松林地表以上干枝干叶的平均质量，每种有机物的添加量为500 g/m2。添加过程为：首先扒开每个样方表面的凋落物层，将0～20 cm的土层铲出后与有机物均匀混合后回填，使土壤恢复原样，并以铲土后不添加有机物的样方作为对照(CK)，最后在每个样方的四角安放4个80 cm的木桩，并用铁丝围封以防干扰。本次试验共有5种处理(即对照、辽东栎叶、油松叶、玉米秸秆、生物炭)，每种处理5个重复。添加生物炭、玉米秸秆、辽东栎叶、油松叶后土壤微生物生物量碳(MBC)的分配比例分别为1.07%、0.80%、1.22%、0.84%；土壤易氧化碳(ROC)的分配比例分别为5.46%、6.36%、8.44%、5.58%；土壤可溶性有机碳(DOC)的分配比例分别为2.61%、3.35%、3.94%、3.29%。

表1 添加有机物的碳氮含量Table 1 Carbon and nitrogen contents of added organic matter

1.3 样品的采集

取样时间为2014年8月、10月，2015年3月、5月、9月中下旬。在每个样方随机选取3个采样点，用内径为3.8 cm的土钻钻取0～10 cm土层的土样并混合。将土样放入低温冷藏箱中，于当天带回实验室，去除可见根系，过孔径2 mm筛后，一部分放入2 ℃冰箱中保存，用于土壤MBC和DOC的测定，另一部分土样风干保存，研磨处理后测定土壤理化指标。

1.4 土壤呼吸及土壤温湿度测定

2014年6月，将3个内径20 cm、高10 cm的土壤呼吸环呈三角形状砸入每个样方中，保留5 cm露出地面。从2014年7月开始，分别在2014年7、8、9、10、11月和2015年5、6、8、9、10月用LI-8100 CO2通量全自动测量系统(Li-Cor,Lincoln,NE,USA)测定各处理的土壤呼吸速率。每次测量土壤呼吸前1周内，剪除呼吸环内生长的植株，以消除地上植物的影响。测量选择晴天的9:00—15:00进行，同时用仪器自带的传感器测定土壤温度和湿度(体积含水量，%)。

1.5 土壤有机碳及其组分测定

参考鲁如坤[16]的方法测定以下指标：土壤有机碳(SOC)含量采用重铬酸钾外加热法；土壤微生物生物量碳(MBC)含量采用氯仿熏蒸直接提取法，计算方法为熏蒸和未熏蒸样品可提取碳含量的差异，转换系数为0.38；土壤易氧化碳(ROC)含量采用333 mmol/L KMnO4氧化法；土壤可溶性有机碳(DOC)含量采用 K2SO4浸提法测定。

1.6 数据处理及分析

土壤呼吸速率对土壤温度变化的响应程度用温度敏感性系数(Q10)表示，即温度每变化10 ℃土壤呼吸速率的变化比率[17]，计算公式为Q10=e10β。式中，β为土壤呼吸与土壤温度拟合参数。

采用指数模型RS=αeβT分析土壤呼吸与土壤温度的关系。式中：RS为土壤呼吸速率，μmol/(m2·s)；T为土壤温度，℃；α、β为拟合参数。

R10为土壤温度为10 ℃时土壤呼吸速率，计算公式为R10=RS/Q10[(T-10)/10]。

采用单因素方差分析比较添加不同类型有机物下土壤呼吸及碳组分的差异性，并进行多重比较；采用重复测量方差分析检验有机物添加时间和类型对土壤碳组分含量、土壤呼吸速率和土壤温湿度的影响；采用 Pearson 法对土壤呼吸与土壤有机碳及其组分进行相关性分析。数据统计分析采用SPSS 25.0，采用Origin 2018制图。

不同大写字母表示同一有机物添加处理不同添加时间之间差异显著，不同小写字母表示同一添加时间不同有机物添加处理之间差异显著。Different uppercase letters indicate that there is significant difference for the same organic matter addition treatment among different addition time,and different lowercase letters indicate that there is significant difference for the same addition time among different organic matter addition treatments (P<0.05)。图1 添加有机物对土壤碳组分的影响Fig.1 Effects of the added different organic materials on soil carbon content of different components

2 结果与分析

2.1 有机物添加对土壤有机碳及其组分的影响

重复测量方差分析结果(表2)显示，有机物添加时间对土壤SOC、MBC、DOC含量有显著影响，对土壤ROC含量无显著影响。有机物添加处理对土壤SOC、MBC、ROC和DOC含量均有显著影响。有机物添加时间和处理的交互作用对土壤MBC含量有显著影响，对土壤SOC、ROC、DOC含量无显著影响。

表2 土壤有机碳及其组分的重复测量方差分析Table 2 Repeated measure variance analysis of soil organic carbon and its components

经对土壤碳各组分含量分析可知(图1)，有机物添加下土壤SOC含量随时间的增加有上升的趋势，在5个取样时间内，2014年8月时的土壤SOC含量最低，在2014年8月，添加玉米秸秆、辽东栎叶和油松叶后土壤SOC含量较对照显著提高了67.06%、52.88%、45.63%。在2014年10月，添加玉米秸秆和油松叶后土壤SOC含量较对照显著提高了34.97%和34.25%。在2015年3月，添加玉米秸秆后土壤SOC含量较对照显著提高了29.68%，其他处理与对照差异不显著(图1A)。在2014年8月，4种有机物添加均显著增加了土壤MBC含量；在2014年10月，添加玉米秸秆、辽东栎叶和油松叶的土壤MBC含量均显著高于对照；在2015年3月和5月，玉米秸秆添加显著增加了土壤MBC含量，其他处理与对照无显著差异(图1B)。在2014年8月、10月和2015年3月，添加玉米秸秆后显著提高了土壤ROC含量，分别是对照的1.83、1.51、1.57倍。在2014年10月和2015年3月，向土壤中添加辽东栎叶也显著提高了土壤ROC含量，分别比对照提高了43.11%、55.40%(图1C)。随着时间的延长，有机物添加下土壤DOC含量先增加后降低，在2014年8月和10月，向土壤中添加玉米秸秆后显著增加了土壤DOC含量，分别比对照提高了33.84%和28.04%(图1D)。

2.2 土壤呼吸速率、温度和湿度的时间变异性分析

重复测量方差分析结果(表3)显示，有机物添加时间对土壤呼吸速率、温度和湿度存在显著影响，有机物添加处理对土壤呼吸速率和土壤湿度存在显著影响，对土壤温度无显著影响。

表3 土壤呼吸速率、温度和湿度的重复测量方差分析Table 3 Repeated measures variance analysis of soil respiration rates,soil temperature,and soil moisture

有机物添加时间和处理对土壤温湿度存在显著交互作用(图2)。土壤呼吸速率因时间的变异性表现出不同的波动，温度降低时，土壤呼吸速率随之下降，在2014年7月土壤呼吸速率最高，2014年11月时最低。在2014年7—11月和2015年5—10月，添加生物炭、玉米秸秆、辽东栎叶、油松叶后土壤呼吸速率均值分别为2.02、2.61、2.44、2.56 μmol/(m2·s)，添加生物炭后土壤呼吸速率较对照显著降低了13.23%，添加玉米秸秆土壤呼吸速率较对照显著提高了11.67%(图2C)。

*P<0.05，**P<0.01。图2 添加不同有机物条件下土壤温度、湿度和呼吸速率随时间的变化Fig.2 Changes of soil temperature,soil moisture and soil respiration rate of the added different organic materials with time

2.3 有机物添加对基础土壤呼吸的影响

经分析土壤呼吸与土壤温度的关系可知(图3)，添加4种不同类型有机物下土壤呼吸速率与土壤温度呈极显著正相关(P<0.01)，土壤温度可解释土壤呼吸速率变化的60.2%～68.35%，其中，添加生物炭、玉米秸秆、辽东栎叶和油松叶后土壤温度分别解释了土壤呼吸速率60.2%、64.88%、66.97和65.1%的变异，均小于对照土壤中土壤温度对土壤呼吸变异的解释度(68.35%)。

图3 土壤呼吸与土壤温度的关系Fig.3 Relationship between the soil respiration and soil temperature

经分析，添加生物炭、秸秆、辽东栎叶和油松叶后温度敏感性系数(Q10)与对照无显著差异(图4A)。R10为土壤温度为10 ℃时的土壤呼吸速率，与对照相比，添加生物炭后R10显著降低了18.01%，添加油松叶后R10显著增加了30.88%，其余处理均与对照无显著差异(图4B)。

CK.对照 control；BC.生物炭 biochar；JG.玉米秸秆maize straw；LD.辽东栎叶Quercus mongolica leaf；YS.松叶 Pinus tabuliformis leaf.图4 有机物添加对温度敏感性系数(Q10)和土壤10 ℃时土壤呼吸速率(R10)的影响Fig.4 Effects of he added different organic materials on Q10 and R10

2.4 土壤呼吸与土壤碳组分相关性分析

经分析可知(图5)，土壤呼吸速率与土壤有机碳含量(R2=0.571 8)、土壤微生物生物量碳含量(R2=0.816 6)、土壤易氧化碳含量(R2=0.429 9)和土壤可溶性有机碳含量(R2=0.774 7)呈显著正相关关系 (P<0.05)。其中，以土壤微生物生物量碳含量与土壤呼吸速率的相关系数最大。

图5 土壤呼吸与土壤有机碳及其组分之间的关系Fig.5 The relationship between soil respiration and soil organic carbon and its components

3 讨 论

在山西太岳山油松林的有机物添加试验表明，有机物添加显著影响土壤碳动态和土壤温湿度，这些都会对土壤CO2排放产生显著影响，添加玉米秸秆对土壤有机碳及其碳组分的提高效果最显著，但土壤呼吸速率最高，不利于碳的储存；添加辽东栎叶可增加土壤活性有机碳含量，短期内可明显改善土壤有机碳库质量，添加生物炭在短期内提高了土壤微生物生物量碳含量，并显著降低了土壤呼吸速率，减少土壤CO2排放的效果最好。

3.1 土壤碳组分的影响

土壤碳储量是稳定森林生态系统的一个基本属性，也是全球碳循环的一个关键环节，容易受气候、土壤矿物类型、施肥、外源碳输入和土地利用类型等因素的影响[18]。本研究中，添加不同类型的有机物后土壤有机碳含量的增加可能是因为这些有机添加物以碳的形式为土壤提供有机养分来源，从而通过更大的作物残余物和根生物量使土壤富含碳[19-21]。土壤微生物生物量碳是反映土壤有机碳变化的敏感指标[22]。添加有机物增加了土壤微生物生物量碳，与Lou等[23]的结果一致，这可能反映添加有机物可以增加微生物营养供应，促进微生物群落的生长。本研究中，生物炭的添加显著增加了土壤微生物生物量碳含量，这可能与生物炭较大的比表面积和孔隙率有关，为微生物创造了有利的栖息场所[24]。土壤易氧化碳是土壤活性有机碳库的重要组成部分，在土壤中移动较快、不稳定且易氧化[25]，能够为土壤中生物的生命活动提供能量[26]。添加辽东栎叶可增加土壤易氧化碳含量，而添加油松叶对土壤易氧化有机碳含量无显著影响，这是因为C/N低的凋落物将提高微生物的养分利用效率[27]，从而产生更高的微生物生物量和更高比例的易氧化碳。添加玉米秸秆可以显著提高土壤易氧化有机碳含量的原因在于玉米秸秆可以产生激发效应，引起土壤原有有机碳的消耗，从而释放出更多的活性有机碳成分[28]，有利于土壤易氧化碳的积累。在各个分解阶段中，添加玉米秸秆处理的有机碳及活性炭组分的含量都高于其他处理，且土壤呼吸速率也高于其他处理，在碳排放量高的同时还可保持高的有机碳含量，其调控机制还有待于进一步研究。

3.2 土壤呼吸速率变化

土壤呼吸速率因时间的变异表现出不同的波动。向土壤中添加有机物会改变土壤的有机碳含量和土壤CO2排放强度，进而会影响到土壤的“碳收支”平衡[29]。本研究中添加玉米秸秆显著提高了土壤呼吸速率，土壤呼吸与SOC、MBC、ROC和DOC均呈现出显著的正相关关系，表明玉米秸秆添加条件下土壤有机碳及活性炭组分含量越高，土壤呼吸速率就越高，其原因可能是添加玉米秸秆会增加微生物的营养来源和改善土壤理化性状，刺激微生物活动，导致更高的CO2释放[30]，且土壤中微生物呼吸占土壤总呼吸的50%以上[31]，土壤微生物生物量越高，微生物的新陈代谢过程就会消耗越多的有机质，进而加速土壤养分矿化和增加CO2的释放。此外，与辽东栎叶和油松叶相比，添加玉米秸秆的土壤呼吸速率更高，玉米秸秆为禾本科植物，所含的木质素、单宁和其他植物次生化合物的含量较低，从而具有更高的分解速率[32]，而较高的有机质分解速率和养分循环速率将加速养分通过矿化从有机形态向无机形态的转化[33]。此外，与生物炭高度芳香化的分子结构相比，玉米秸秆中含有更多的可降解物质，如糖、脂肪、半纤维素和纤维素等，这些物质可以被微生物分解和利用，导致CO2的释放显著增加[34]。本研究中生物炭添加显著降低了土壤呼吸速率，土壤CO2排放量的减少可能归因于生物炭和生物炭与矿物相互作用抑制的碳降解微生物活动[35]。

土壤湿度和温度是影响土壤呼吸的两个主要生态因子[36]，受有机物添加时间和有机物添加类型的交互作用。本研究中，虽然4种类型有机物添加下，土壤温度对土壤呼吸变异的解释度有所降低，但不同处理中土壤温度与土壤呼吸速率均存在显著的指数型相关关系(P<0.01)，土壤温度可解释土壤呼吸速率变化的60.2%～68.35%，这反映了土壤温度是驱动土壤呼吸季节性变化的重要因素[37]，这是因为根呼吸和土壤微生物呼吸均需要酶的参与，而温度对酶的活性有重要的影响。因此，在适宜的范围内，土壤温度的升高可以促进微生物活动及植物根系呼吸胞外酶的分解从而促进土壤呼吸[38]。

Q10是温度敏感性模拟中应用最广泛的一个指标[39]，被认为是陆地生态系统和气候系统中碳循环之间可能反馈的重要机制[18]。Q10的微小变化会导致估算土壤CO2释放潜力的较大偏差[40]。有研究表明，土壤呼吸随温度变化的敏感性系数(Q10)为1.7～3.3[40]，本研究中，添加不同类型的有机物后Q10为1.79～2.27。