不同溫度下添加綠肥對旱作農田土壤有機碳礦化的影響

袁勝南，商雨晴，王 俊,2

(1. 西北大學城市與環境學院，陜西 西安 710127；2. 陜西省地表系統與環境承載力重點實驗室，陜西 西安 710127)

土壤有機碳礦化直接影響著土壤碳庫向大氣的排放量，對溫室效應和全球氣候變化有著深遠影響，是土壤碳循環的重要過程之一[1-4]。土壤有機碳礦化受多種因素的影響，包括土壤溫度、土壤理化性質、土壤微生物活性等[5-9]。溫度敏感性指標(Q10)表示溫度變化對土壤有機碳礦化速率的影響程度，Q10越大，表明土壤有機碳礦化受溫度影響就越大[10]。而添加外源性有機物能夠增加底物供應，促進有機碳礦化，改善土壤質量[11-12]。

渭北旱塬是我國重要的旱作農業區之一，近年來，隨著國家對農業綠色化生產的大力倡導，綠肥填閑種植作為一種傳統的減施增效措施也日益得到重視。與施用化肥相比，綠肥作為一種外源有機物可以有效補充土壤碳庫，提高土壤肥力，改善土壤物理性狀[13-14]。例如，Ghimire等[15]通過對比豆科與非豆科作物腐解對土壤有機碳礦化的影響，表明與非豆科作物相比，豆科作物分解速率快，對土壤養分循環和后續作物生長至關重要。然而目前研究主要集中在綠肥作物腐解特征及其對溫室氣體的影響等方面，在氣候變暖背景下，不同溫度條件下添加綠肥對旱作農田土壤有機碳礦化影響的報道較少。

本文基于室內培養試驗，研究了添加不同綠肥在不同溫度下的土壤有機碳礦化過程，并使用一級動力學模型對有機碳礦化進行了擬合，旨在探究氣候變暖背景下綠肥添加影響土壤碳循環的機理，為旱作農田生態系統應對氣候變化提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況及樣品采集

土壤樣品采集地點位于陜西長武黃土高原農田生態系統國家野外觀測臺站(107°45′E，35°12′N)，該地平均海拔1 200 m，地勢平坦，屬于暖溫帶半濕潤大陸性氣候，年平均氣溫9.1 ℃，年平均降水量579 mm，降水主要集中在7—9月。該地區農業生產主要依賴生育期的天然降水，屬于典型的旱作農業區。境內土壤以粘壤質黑壚土為主，土質疏松，土層深厚，肥力中等[16]。

試驗地前作玉米，2018年10月在玉米收獲后采用“S”形采樣法采集5個0～20 cm土層土樣，將采集的土樣混合均勻，剔除石塊、植物根系等雜物，過2 mm篩，部分土樣放入培養瓶中進行室內培養，部分土樣自然風干后用于土壤理化特性測定。取樣時土壤有機碳含量為10.31 g·kg-1，全氮、硝態氮和銨態氮含量分別為1.42 g·kg-1、3.33 mg·kg-1和3.55 mg·kg-1，碳氮比為7.26。

另外在田間試驗中割取長勢良好的長武懷豆和黑麥草2種綠肥作物地上部分，洗凈后烘干，研磨后過2 mm篩，放入牛皮紙袋中保存。各處理綠肥作物碳氮含量見表1。

表1 綠肥作物碳、氮含量

1.2 試驗設計

試驗采用綠肥添加和培養溫度雙因素處理，其中綠肥添加處理包括黑麥草(R)、長武懷豆(S)、長武懷豆和黑麥草混合(M)、不添加綠肥對照(CK)，綠肥添加量為6 t·hm-2，混合處理2種作物質量比為1∶1。培養溫度設3個水平，分別為5℃、15℃和25℃。每處理均重復3次。

試驗于2018年10月開始，培養前稱取過2 mm篩的鮮土300 g放置在容量為1 L、內徑為10 cm的廣口玻璃瓶中(蓋子上有2個通氣閥，連接2個不同長度的聚乙烯透明通氣管，一個進氣管，一個出氣管，保持培養瓶中氧氣充足)，加水調節土壤含水量至最大持水量的60%，預培養7 d后添加綠肥作物，每隔2～3 d采用稱重法調節含水量保持恒定。正式培養試驗自2018年11月2日開始，2019年1月20日結束，總計持續79 d。

1.3 測定指標及方法

土壤有機碳礦化速率采用LI-8100A土壤碳通量自動測量系統進行測定，其中在第1～18天每天測量1次，在第18～36天每3 d測量1次，在第36～51天每5 d測量1次，在第51～79天每7 d測量1次。

土壤有機碳(SOC)和全氮測定時，收集培養結束后土樣，風干后過2 mm篩，稱取3 g用10%稀鹽酸去除土樣中無機碳，過0.15 mm篩，使用EA 3000元素分析儀測定[17]。

溫度敏感性系數Q10能夠反映溫度對土壤有機碳礦化的影響，采用以下公式進行計算[12]：

F=a×ebt

(1)

Q10=e10b

(2)

式(1)中，F為土壤有機碳礦化速率(μmol·m-2·s-1);t為培養溫度(℃);a為基質質量指數，表示0℃時土壤凈碳礦化速率;b為溫度反應系數。

基于測定數據，選用以下指數模型對土壤有機碳礦化過程進行擬合[6]：

Ct=C0(1-e-kt)

(3)

式(3)中，Ct為培養時間t時的累積礦化量(mg ·g-1)，C0為潛在礦化碳庫(mg ·g-1)，k為土壤有機碳的礦化速率常數(d-1)，t為培養時間(d)。

1.4 數據處理與統計分析

使用SPSS 20.0軟件對試驗數據進行單因素方差分析(one-way ANOVA)和多重比較，并用LSD法進行處理間差異顯著性檢驗，使用Origin 9.0軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同處理對土壤礦化速率的影響

土壤有機碳礦化速率均隨培養時間的增加呈先上升后下降的變化趨勢(圖1)。在5℃培養條件下，各綠肥處理土壤有機碳礦化速率均在培養前期迅速增加，在第8天達到峰值(0.5754～0.6321 μmol·m-2·s-1)，而后快速降低至42 d后趨于穩定。而在15 ℃、25 ℃培養條件下，各綠肥處理均在第2天達到峰值(1.7613～3.2074 μmol·m-2·s-1)，然后迅速下降，其中在15℃下各處理在第22天后趨于穩定，而25℃下則在第7天后趨于平緩。

綠肥添加和溫度增加均顯著提高了土壤有機碳礦化速率(圖1)，處理間差異主要出現在第1～15天，與CK相比，S、R和M處理平均土壤礦化速率分別提高17.2、17.9倍和19.1倍 (表2)。在培養期內，不同溫度下平均土壤有機碳礦礦化速率為25℃>15℃>5℃。

2.2 不同處理對土壤有機碳累積礦化量及其溫度敏感性的影響

不同處理培養期內土壤有機碳累積礦化量變化如圖2所示。各處理下土壤有機碳累積礦化量均隨著培養時間的延長呈增加趨勢，有機碳累積礦化量表現為S>M>R>CK，綠肥添加顯著提高了土壤有機碳累積礦化量。不同溫度土壤有機碳礦化累積排放量呈現25℃>15℃>5℃。綠肥添加和溫度增加均顯著提高了土壤有機碳累積礦化量(表2)。平均來看，與CK相比，S、R、M有機碳累積礦化量分別提高了10.5、10.9倍和11.6倍。綠肥與溫度之間存在極顯著交互作用，與CK相比，在5℃下，S、R、M有機碳累積礦化量分別提高了14.0、13.4倍和13.0倍；在15℃下，分別提高了15.1、14.2倍和13.8倍；在25℃下，分別提高了8.6、8.1倍和7.7倍。

在整個培養周期，溫度敏感性Q10的變化范圍是1.42～1.61(圖3)。Q10的大小表現為CK>S>R>M，S處理與M、R處理之間存在顯著性差異(P<0.05)，且CK處理顯著高于其他處理。

2.3 不同綠肥處理土壤有機碳礦化的動力學特征

運用一級動力學方程對不同綠肥殘余處理不同溫度下土壤有機碳累積礦化量進行擬合。結果表明綠肥種類和培養溫度均顯著改變了土壤有機碳礦化的動力學參數(表3)。與CK相比，綠肥添加顯著提高了C0，且表現出S>M>R。另外，隨著培養溫度的升高C0也呈增大趨勢。C0/SOC是表示土壤有機碳礦化能力和固存能力的重要指標[6]，其在綠肥和溫度間的變化規律與C0相同。有機碳礦化速率常數k在不同溫度條件下均為S處理最大。

圖1 培養期內土壤有機碳礦化速率變化Fig. 1 Dynamic of soil mineralization rate duringthe incubation period

表2 綠肥添加和溫度對土壤有機碳礦化的作用

圖2 培養期內土壤有機碳累計礦化量Fig.2 Cumulative mineralization of soil organiccarbon during incubation period

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。Note: Different lowercase letters indicate significant differences (P<0.05) among treatments.圖3 不同處理土壤有機碳礦化的溫度敏感性(Q10)Fig.3 Temperature sensitivity (Q10 ) of soil organiccarbon mineralization under different treatments

2.4 不同處理對土壤有機碳和全氮含量的影響

培養后各處理土壤有機碳和全氮含量如表4。添加綠肥均顯著提高了土壤有機碳、全氮含量。與CK相比，S、M和R處理土壤有機碳平均提高了36.0%、39.8%和46.2%，全氮平均提高了46.7%、40.2%和39.3%。增溫顯著促進有機碳礦化，降低土壤有機碳含量，與5℃相比，15℃和25℃有機碳平均降低了2.2%和5.4%。

3 討 論

本文中土壤有機碳礦化速率表現出前期快后期趨于穩定的趨勢，這與前人的研究結果一致[3,7]。這主要是由于培養前期易分解有機碳含量高，促進有機碳礦化速率，故提高了土壤有機碳礦化量[18-19]。而隨著培養時間的延長，易分解有機物碳減少，土壤有機碳礦化量逐漸降低。與CK相比，綠肥作物的添加顯著增加了土壤有機碳累積礦化量[9,15]。這主要由于外源有機物質的輸入為微生物提供養分，從而促進有機碳礦化。另外，S和M處理土壤有機碳礦化速率和累積礦化量均高于R處理。這主要是因為S、M處理中含有豆科作物，其植物體內氮素水平較非豆科作物高，提高了土壤氮含量，降低土壤起始碳氮比，從而增強微生物活性，促進土壤有機碳礦化。R處理土壤碳氮比較高，微生物活動受到限制，從而降低土壤有機碳礦化速率，這與杜威等[20]研究結果一致。

隨著培養時間的延長，各溫度下土壤有機碳礦化速率差異性減小(圖1)，表明隨培養時間的延長溫度對土壤有機碳礦化的影響減弱。同一綠肥添加處理下土壤有機碳累積礦化量均表現為25℃>15℃

表3 不同綠肥處理不同溫度下有機碳礦化潛勢及礦化速率

表4 綠肥與溫度對土壤有機碳和全氮含量的影響/(g·kg-1)

>5℃，這與前人研究結果一致[9,21-23]。由于溫度的升高，提高了微生物和酶的活性，進而促進土壤有機碳礦化[24-25]。與增溫相比，綠肥添加對土壤有機碳礦化作用更突出。馬天娥等[24]通過研究長期不同施肥措施下旱作農田土壤有機碳礦化特征，表明土壤有機碳礦化的Q10介于1.19～1.57之間。本研究中，在79 d培養試驗Q10介于1.42～1.61之間，且呈現出CK處理大于其他處理的趨勢，這可能是由于培養后期開始分解難分解有機物質，會降低Q10，已有研究表明難分解物質對溫度不敏感[26]。綠肥殘余的添加能夠降低溫度敏感性，表明在未來氣候持續變暖的條件下，農田施加綠肥可能減緩CO2釋放的潛力。目前研究仍存在不確定性，需要進一步研究底物的質量和供應以及酶活性等，以闡明綠肥添加對土壤有機碳礦化的溫度敏感性影響機理[27-28]。

潛在可礦化有機碳C0反映不同處理下土壤微生物對碳源的利用能力[24]。本文研究中，與CK處理相比，綠肥添加顯著提高了C0，這主要是由于綠肥添加顯著增加了土壤有機碳礦化的底物供給。已有研究表明，綠肥作物添加為土壤微生物提供營養物質，促進微生物活動，從而提高對土壤碳庫的利用。C0/SOC越大則土壤有機碳礦化能力就越強，土壤有機碳的固存量就相對較少[6]。本文結果表明，C0/SOC變化范圍為0.34～2.38，不同綠肥處理間呈現出S>M>R，表明與豆科作物相比，非豆科作物固碳能力更突出。另外，C0/SOC表現出隨著溫度升高而增加的趨勢，溫度的升高促進了土壤有機碳礦化，降低了土壤有機碳固存能力。有機碳礦化速率常數k也具有相同趨勢，這主要是由于豆科作物碳氮比較低，更易被分解利用。

綠肥添加增加了外源碳的輸入，能夠顯著提高土壤有機碳含量[29]，且R處理較S與M處理優勢更為突出。這主要由于植物殘體本身含有豐富的有機質，腐解過程向土壤輸入了碳氮，促進土壤碳固持[18]。與非豆科作物相比，豆科作物分解速率快，促進土壤碳輸出[20]。隨著溫度增加，土壤有機碳含量呈遞減趨勢。隨著溫度升高，分解作用增加，促進土壤碳排放,土壤有機碳含量下降，不利于有機碳固存。研究表明，土壤溫度、土壤有機質含量是影響土壤有機碳礦化的重要因素[30-31]。本文研究結果表明，豆科作物能夠有效補充土壤碳庫和氮庫，因而S、M處理較R處理能夠更有效促進土壤有機碳礦化，與前人研究結果一致[15]。土壤全氮反映出土壤氮素儲備狀況。植物殘體的加入有效提高土壤全氮含量，與辛國榮等[32]研究結果一致。這主要是由于外源有機物有效地補充土壤氮庫，并且豆科作物也具有固氮作用，這都利于促進土壤氮素循環。

4 結 論

本文基于室內培養試驗表明，綠肥添加和增溫共同影響著旱作農田土壤有機碳的礦化過程。綠肥添加顯著提高土壤有機碳礦化速率和累積礦化量，但顯著降低了土壤有機碳礦化的溫度敏感性。一級動力學模型能較好地反映土壤有機碳礦化特征，綠肥添加和溫度升高均顯著提高了模型相關參數，且豆科綠肥較非豆科綠肥提高幅度更大。同時，綠肥添加通過提高外源碳輸入能夠有效補充土壤碳、氮庫。綜合來看，在氣候變暖背景下，旱作農田施用綠肥能夠促進土壤有機碳礦化和養分循環，有利于土壤碳固持。