外源碳酸鈣對黔中喀斯特地區土壤有機碳礦化的影響

陳領 王小利 張青偉 段建軍 李瑞東 羅安煥 陳佳

摘 要：本研究以黔中喀斯特區典型黃壤和石灰土為研究對象，通過100 d室內土壤有機碳礦化培養試驗，結合13C同位素示蹤技術，研究外源碳酸鈣對土壤CO2總釋放量的貢獻及對土壤有機碳礦化的激發效應，為提高喀斯特地區土壤有機碳穩定性提供理論依據。結果顯示，Ca13CO3在培養前期（1～10 d）可釋放13CO2，后期（10～100 d）趨于穩定，Ca13CO3對黃壤和石灰土總CO2累積釋放量具有一定的貢獻，其貢獻率達到25.47%和20.76%;外源Ca13CO3對黃壤和石灰土有機碳礦化均產生了負激發效應，培養100 d后土壤有機碳累積礦化量分別減少了76.05%和45.14%，激發效應主要受土壤類型的影響，黃壤有機碳礦化的負激發程度高于石灰土。

關鍵詞：喀斯特;碳酸鈣;有機碳礦化;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

土壤碳庫是陸地碳庫的重要組成部分，包括土壤有機碳庫和土壤無機碳庫。全球土壤有機碳庫儲量估計為2000 Pg（以C計）[1];無機碳庫量約947 Pg，以CaCO3占絕對優勢[2]。貴州省處于中國西南部喀斯特區域中心，碳酸鹽巖分布面積高達13×104 km2，碳酸鹽巖出露面積較廣，土層薄，水土流失嚴重[3-5]。碳酸鹽巖中含有的無機碳以往被認為是一個“死庫”，在土壤中很難轉化。但近年來研究逐漸發現無機碳參與土壤有機碳（SOC）的轉化，無機碳可通過各種途徑轉化進入大氣[6]，石灰土性土壤在密閉培養過程中，其中的碳酸鹽能釋放出CO2。黃媛等[7]研究發現來源于外源碳酸鈣的CO2釋放量占總量的6.01%～34.05%;葛云輝[8]發現碳酸鈣貢獻的CO2為19.62%～ 48.44%;董燕婕[9]發現外源碳酸鈣增加了碳釋放累積量，釋放的CO2中約有40%來自于無機碳。同時外源碳酸鈣對SOC的礦化也會產生影響，目前的研究表明外源Ca14CO3對紅壤SOC有正激發效應，對棕色石灰土和黑色石灰土SOC具有正激發效應或無激發效應[8-11]。有研究發現微生物能夠代謝從外源Ca14CO3溶解釋放的14CO2，從而產生更多的C，此時微生物群落礦化產生的CO2有無機碳和有機碳兩個碳源[12]。但目前在貴州喀斯特地區還尚未使用同位素技術開展關于區分CO2碳源和無機碳對土壤有機碳礦化影響的研究，因此明確外源CaCO3對貴州喀斯特地區土壤有機碳礦化的影響，并探究碳酸鈣在土壤中釋放二氧化碳的規律，對進一步了解喀斯特地區土壤碳循環過程具有重要意義。

本研究選取貴州喀斯特地區石灰土和黃壤，采用13C穩定同位素示蹤技術，通過添加外源Ca13CO3進行室內培養，研究外源碳酸鈣對土壤有機碳礦化的影響及土壤中碳酸鈣對喀斯特區土壤有機碳礦化的貢獻，以期為提高喀斯特地區土壤有機碳穩定性提供理論依據。

13CO2釋放速率為添加到土壤中的Ca13CO3在單位時間內所釋放的扣除溶蝕沉積外的13CO2量。圖1（中）顯示，在培養的第1天，黃壤和石灰土13CO2的釋放速率高達96.64和62.95 mg/kg·d，之后迅速下降，到10 d時僅為0.14和1.26 mg/kg·d，之后趨于穩定。說明外源Ca13CO3主要在培養前期釋放13CO2。

土壤有機碳礦化速率為單位時間內土壤CO2釋放量減去13CO2釋放量。由圖1（右）可以看出，土壤有機碳礦化速率隨培養時間的變化規律與土壤總CO2釋放速率的規律基本一致。添加碳酸鈣后，在第1天，石灰土有機碳礦化速率顯著降低89.29%，第5～100天黃壤有機碳礦化速率均顯著降低67.03%～88.47%（p<0.05），說明外源Ca13CO3減緩了黃壤和石灰土土壤有機碳礦化速率。

2.2 土壤CO2累積釋放量

土壤總CO2累積釋放量包括外源碳酸鈣釋放的13CO2和土壤有機碳釋放的CO2。如圖2（左、右）所示，土壤總CO2的累積釋放量和土壤有機碳累積礦化量的規律一致，在第1～15天快速增加，第15～100天，未添加碳酸鈣的處理（Y和L）土壤總CO2的累積釋放量和土壤有機碳累積礦化量繼續增加，添加碳酸鈣處理（Y+C和L+C）緩慢增加并趨于平緩，在第100天時土壤總CO2的累積釋放量和土壤有機碳累積礦化量分別達到1.24～3.786 g/kg和0.906～3.786 g/kg，且添加碳酸鈣的黃壤和石灰土的土壤總CO2的累積釋放量和土壤有機碳累積礦化量均低于未添加處理。

13CO2累積釋放量是指添加到土壤中的Ca13CO3在某時間段內釋放的13CO2總量（本試驗中，外源Ca13CO3溶蝕沉積釋放的13CO2僅為8.57 mg/kg）。由圖2（中）可以看出，13CO2累積釋放量在培養期間的釋放規律有所不同，黃壤13CO2累積釋放量在第1～5天快速增加，在第5～100天無明顯變化，石灰土13CO2累積釋放量在第1～5天快速增加，第5～45天增速緩慢，在此之后微弱下降。到第100天時，黃壤13CO2累積釋放量比石灰土增加了15.68%。

2.3 外源碳酸鈣在CO2累積釋放量中的貢獻

總CO2累積釋放量中外源碳酸鈣的貢獻用CO2總釋放量中來自Ca13CO3的比例來表示。如圖3（左）所示，在第1天，黃壤和石灰土的CO2累積釋放量中Ca13CO3的貢獻高達57.35%和86.42%，之后隨培養時間逐漸降低，第45天時黃壤和石灰土的CO2累積釋放量中Ca13CO3的貢獻均為32.65%，期間黃壤CO2累積釋放量中Ca13CO3的貢獻始終大于石灰土，之后繼續減少。如圖3（右）所示，培養第100天后，黃壤和石灰土總CO2累積釋放量中Ca13CO3的貢獻率分別降低至25.47%和20.76%。

2.4 外源碳酸鈣對土壤有機碳礦化的激發效應

外源Ca13CO3對土壤有機碳礦化的激發效應用土壤有機碳累積礦化量的增加率表示。如圖4（左）所示，外源Ca13CO3對黃壤和石灰土有機碳礦化始終是抑制作用，外源Ca13CO3對黃壤有機碳礦化抑制作用在第1天最小（16.27%），第5～100天隨培養時間的變化而逐漸增強，外源Ca13CO3對石灰土有機碳礦化的影響正好相反，其抑制作用在第1天最大（89.29%），第1～100天隨時間的變化逐漸減弱。如圖4（右）所示，在第100天后，外源Ca13CO3對黃壤和石灰土有機碳礦化的激發效應分別為-76.05%和-45.14%，說明外源Ca13CO3對黃壤和石灰土有機碳的礦化均產生了負激發效應。這可能是因為CaCO3的增加雖然會激發土壤微生物活性，但它也對土壤有機碳形成了一定的物理保護作用，減少了微生物對有機碳的分解[18]。

2.5 不同因素及其交互作用對土壤有機碳礦化的影響

方差分析結果顯示（表2），碳酸鈣對外源碳酸鈣在CO2累積釋放量中的貢獻具有顯著影響;碳酸鈣、土壤類型和土壤類型×碳酸鈣交互作用均對SOC累積礦化量具有顯著影響;土壤類型和土壤類型×碳酸鈣交互作用均對SOC激發效應具有顯著影響。

3 結論與討論

3.1 外源碳酸鈣對土壤CO2累積釋放量的貢獻

在喀斯特地區，由碳酸鹽巖的成土母質發育而來的土壤中，含有大量的碳酸鹽，其在土壤呼吸CO2釋放量中有重要貢獻。本研究中未滅菌黃壤和石灰土及滅菌黃壤和石灰土總CO2累積釋放量中Ca13CO3的貢獻率分別為25.47%和20.76%，且與添加碳酸鈣顯著相關。前人對紅壤和石灰土的研究中，來源于外源碳酸鈣的CO2釋放量占總量的比率為6.01%～48.44%[8-9，19]。說明碳酸鈣對貴州喀斯特地區土壤—大氣CO2具有重要貢獻。土壤中還存在著CO2/HCO—3/CO2-3平衡體系，即CaCO3+CO2+H2OCa2++2HCO-3，HCO-3H++CO2-3，影響著土壤中碳酸鹽的溶蝕沉積過程[20]，本研究中滅菌石英砂添加Ca13CO3的對照溶蝕沉積過程釋放的13CO2為8.57 mg/kg，添加碳酸鈣的土壤中釋放的13CO2遠遠高于這個量，這可能是因為土壤微生物發揮了重要作用。FENG等[12]研究表明，在酸性土壤中加入堿性物質（CaCO3）后，土壤pH發生改變，本研究中不添加碳酸鈣的黃壤和石灰土培養100 d后土壤pH分別為5.16和7.31，添加碳酸鈣后pH顯著升高（黃壤pH=7.64，石灰土pH=7.72）。土壤pH影響著土壤微生物的活性[21]，所以CaCO3的施入通過改變土壤微生物生長的環境條件從而影響微生物的活性和數量，最終改變了化學溶蝕沉積過程[8]。