水溶性有機碳對土壤呼吸強度的影響

摘要：為分析土壤水溶性有機碳（DOC）對土壤呼吸強度的影響，對3個深度去除DOC土樣和原土樣進行為期59 d的培養(yǎng)試驗，以計算CO2累積釋放量的差異。20 cm土樣培養(yǎng)過程中，去除DOC土樣CO2釋放量明顯少于原土樣；40 cm土樣在培養(yǎng)初期小于原土樣，后期增加并最終高于原土樣；60 cm土壤與原土樣無顯著差異。研究證明DOC對土壤呼吸有一定影響，且在土壤淺層表現(xiàn)明顯，強降水對土表DOC的沖刷可造成土壤呼吸強度的減弱。

關(guān)鍵詞：水溶性有機碳（DOC）；土壤呼吸強度；CO2釋放量

中圖分類號：S153.6 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）15-3528-03

陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量及變化在全球碳循環(huán)和大氣CO2濃度變化中起著重要作用[1，2]。在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，土壤碳儲量可占到植被的4倍，土壤碳庫的動態(tài)變化過程包括土壤有機碳礦化和土壤腐殖化過程，對全球碳循環(huán)研究較為重要。土壤中水溶性有機碳（DOC）僅占土壤碳庫中很小的一部分，但卻是其中一種重要的、活躍的成分，它影響著土壤有機質(zhì)的礦化過程[3]。由于土壤中固態(tài)物質(zhì)較難被微生物降解，而DOC較易被利用，土壤有機碳在礦化前需要經(jīng)過一個過程，即通過解聚和溶解加入DOC，才能被微生物有效利用[4，5]。DOC為土壤有機碳的礦化提供必要場所，因此在土壤有機碳礦化過程中具有重要意義。

DOC主要來源于枯落物、微生物、腐殖質(zhì)及植物根系分泌物[6]。土壤表層DOC來源豐富、周轉(zhuǎn)速度快，研究發(fā)現(xiàn)在土壤表層有93%的DOC被礦化，而在土壤深層僅有10%～44%的DOC被礦化[7]。由此可見，DOC在不同深度的更新速率、化學性質(zhì)存在著差異。目前DOC對土壤碳的礦化及其造成的土壤CO2釋放量變化的影響研究較少，研究不同深度DOC在土壤呼吸過程中所起到的貢獻有一定意義。此外，氣候變暖的大趨勢下全球降水的空間格局正發(fā)生著變化，有研究發(fā)現(xiàn)近年來中國西部的降水總量雖然逐年減少，但強降水次數(shù)卻有增加趨勢[8，9]。高強度降水加大了土壤中DOC的淋溶強度，而DOC淋失后土壤呼吸強度的變化與全球溫室氣體含量有直接關(guān)系。由此可知，DOC對土壤呼吸強度的影響評價研究十分必要。本研究對刺槐林下不同深度的土壤進行去除DOC預(yù)處理，運用堿液吸收法測定59 d室內(nèi)培養(yǎng)過程中CO2釋放量，分析DOC在土壤呼吸中的作用，旨在評價DOC對土壤呼吸強度的影響程度。

1 材料和方法

1.1 材料

土樣采自陜西省安塞縣紙坊溝流域31年生刺槐林，樣地海拔1 296 m左右，刺槐胸徑23.8 cm，高度15～20 m，郁閉度0.75～0.80，間距4 m×4 m，坡度坡向為21.4 /SWW。林地下部草本植物主要由鐵桿蒿（Artemisia gmelinii）、茭蒿（Artemisia giraldii）、達烏里胡枝子（Lespedeza dahuvicus）、長芒草（Stipa bungeana）等組成。挖掘3個剖面坑采集（20±2）、（40±2）和（60±2） cm深度土樣，同深度土樣均勻混合后，取1 000 g帶回實驗室在冰箱內(nèi)保存。3深度供試驗土樣總有機碳含量/活性碳含量分別為2.45/0.16、1.98/0.11、1.78/0.06 g/kg。

1.2 方法

稱取6組20、40和60 cm深度土樣50 g分別放入18個250 mL潔凈錐形瓶中，每組包括3深度土樣各1個。其中3組在培養(yǎng)前進行去除DOC預(yù)處理，稱取1 mm篩風干土樣50 g放入預(yù)先稱重的250 mL錐形瓶中，加入去離子水150 mL，在25 ℃下振蕩1 h，靜置5 h后小心抽去上層水分，稱重并調(diào)整瓶內(nèi)水土質(zhì)量比為1∶1。

另3組土樣裝入錐形瓶，加入去離子水，調(diào)整水土質(zhì)量比為1∶1，敞口放置兩天以恢復(fù)微生物活性。將裝有5 mL 0.4 mol/L的NaOH溶液的10 mL離心管小心斜靠在每個錐形瓶內(nèi)，用橡膠塞密封錐形瓶后在（25±5） ℃的培養(yǎng)箱黑暗狀態(tài)下培養(yǎng)，培養(yǎng)前一周每天通氣一次，每次30 min，通氣過程中注意關(guān)閉離心管塞。2～3天隨時收集離心管中的堿液，并重新注入同量堿液。抽出的吸收液加2 mL 2 mol/L的BaCl2，搖勻后以酚酞為指示劑，用0.1 mol/L HCl滴定，中和未耗盡的NaOH，通過HCl消耗量來計算CO2的物質(zhì)的量。培養(yǎng)后期根據(jù)前次堿液殘留量估算堿液提取間隔，設(shè)置一空白錐形瓶做參照。培養(yǎng)時間為59 d，結(jié)果取同處理下3組的平均值。

2 結(jié)果與分析

試驗結(jié)果顯示（圖1），20 cm土樣培養(yǎng)過程中去除DOC土樣CO2釋放量明顯少于原土樣，59 d后去除DOC土樣CO2累積釋放量下降了30.1%；40 cm土樣培養(yǎng)初期去除DOC土樣CO2釋放遠小于原土樣，培養(yǎng)5 d時CO2累積釋放量去除DOC樣品下降了69.5%，但在培養(yǎng)第8～59天，去除DOC土樣CO2釋放量增加并最終高于未去除DOC土樣，第59天去除DOC土樣的CO2累積釋放量上升了48.7%；60 cm土壤在59 d培養(yǎng)過程的CO2累積釋放量在兩個處理間無顯著差異。

3 結(jié)論與討論

土壤中有機碳在礦化前要進行解聚和溶解，即在釋放CO2前必須先進入土壤溶液[3]，DOC分解的難易程度決定了CO2釋放量。去除DOC土樣在培養(yǎng)過程中土壤有機碳（SOC）逐漸礦化分解，一部分產(chǎn)物補充了DOC的缺失[10]，因此對比分析的結(jié)果決定于原土樣DOC和處理樣SOC產(chǎn)生DOC的性質(zhì)差異。本研究中DOC的去除減弱了微生物降解能力，進而抑制了微生物的繁殖，導(dǎo)致土壤呼吸強度減弱[4]。這種趨勢在土壤淺層表現(xiàn)得尤為明顯，培養(yǎng)過程中SOC分解產(chǎn)生的DOC并不能維持原有的CO2釋放水平；隨著土壤深度的增加，土壤樣品微生物量和SOC活性逐漸下降，培養(yǎng)過程中SOC新分解DOC產(chǎn)物能夠維持甚至超過原有CO2釋放水平，造成40和60 cm土樣沒有明顯下降表現(xiàn)[11]。在自然環(huán)境下，淺層土壤枯落物碎屑、腐殖質(zhì)含量較高，微生物活動較為活躍，導(dǎo)致DOC來源豐富且性質(zhì)活躍較易分解，而深層土壤中有限的微生物含量導(dǎo)致DOC以較小的速率變化。

對陜西黃土高原地區(qū)降水變化進行研究發(fā)現(xiàn)，從二十世紀九十年代末期以來，陜西省日降水量大于25 mm的強降水日數(shù)有增加趨勢[10]，在強降水過程中，沖刷作用減弱了表層土壤呼吸強度。由于降水的沖刷作用對深層土壤的影響有限，深層SOC較難受到高強度的沖刷淋洗，表土層SOC呼吸強度的變化可能造成土壤強降水后呼吸強度的減弱。目前，DOC的移除對土壤呼吸的影響尚無一致的結(jié)論，盡管本試驗發(fā)現(xiàn)在20 cm表土層CO2釋放量變化明顯，但40和60 cm在培養(yǎng)過程中沒有出現(xiàn)一致的變化特點，顯示了降水淋失對土壤呼吸強度影響的復(fù)雜性。

參考文獻：

[1] 李克讓，王紹強，曹明奎.中國植被和土壤碳貯量[J].中國科學（地球科學），2003，33（1）：72-81.

[2] 鄧東周，范志平，王 紅，等.土壤水分對土壤呼吸的影響[J].林業(yè)科學研究，2009，22（5）： 722-727.

[3] 楊玉盛，郭劍芬，陳光水，等.森林生態(tài)系統(tǒng)DOM的來源、特性及流動[J].生態(tài)學報，2003，23（3）：547-558.

[4] ELLERT B H，GREGORICH E G. Management induced changes in the actively cycling fractions of soil organic matter[A]. MCFEE W W， KELLY J M. Carbon Forms and Functions in Forest Soils[C]. Wisconsin， Madison，USA：Soil Science Society of America， 1995.119-138.

[5] KALBITZ K，KAISER K. Contribution of dissolved organic matter to carbon storage in forest mineral soils[J]. Journal of Plant Nutrition and Soil Science，2008，171（1）：52-60.

[6] 王艮梅，周立祥.陸地生態(tài)系統(tǒng)中水溶性有機物動態(tài)及其環(huán)境學意義[J].應(yīng)用生態(tài)學報，2003，14（11）：2019-2026.

[7] KALBITZ K，SCHMERWITZ J，SCHWESIG D，et al. Biodegradation of soil-derived dissolved organic matter as related to its properties[J]. Geoderma，2003，113（3-4）：273-291.

[8] 吳彩斌，雷恒毅，寧 平.環(huán)境學概論[M].北京： 中國環(huán)境科學出版社，2005.22.

[9] 楊文峰，郭大梅.陜西省強降水日數(shù)變化特征[J].干旱區(qū)研究，2011，28（5）：866-871.

[10] FARRELL M，HILL P W，F(xiàn)ARRAR J，et al. Seasonal variation in soluble soil carbon and nitrogen across a grassland productivity gradient[J]. Soil Biology and Biochemistry，2011，43（4）：835-844.

[11] COOK B D， ALLAN D L. Dissolved organic carbon in old field soils： Compositional changes during the biodegradation of soil organic matter[J]. Soil Biology and Biochemistry，2009， 24（6）：595-600.