碳酸鈣對黃壤有機碳礦化及其溫度敏感性的影響

李瑞東，王小利*，段建軍，羅安煥，陳領，陳佳

（1.貴州大學農學院，貴陽 550025；2.貴州大學煙草學院/貴州省煙草品質研究重點實驗室，貴陽 550025；3.中國科學院普定喀斯特生態系統觀測研究站/地球化學研究所，貴州 普定 562100）

土壤有機碳礦化作為碳循環中一個重要過程，是土壤碳庫與大氣碳庫遷移交流的主要途徑，該過程釋放CO引起的溫室效應一直以來都是土壤環境生態學關注的熱點。貴州省的平均氣溫在未來會一直偏高。黃壤是貴州地帶性土壤，其分布面積占全省土地總面積的39.16%，具有酸性強、質地黏重、養分含量低等特點，石灰能促進土壤微團聚體的形成，改善土壤結構和通氣性，通過施用石灰中和酸性土壤是改良土壤的主要措施之一，從而能夠影響土壤有機碳礦化。

土壤有機碳礦化是由微生物將有機質通過分解利用轉化為無機物的過程，該過程受水分、溫度、施用有機物料或無機化肥等的影響。激發效應（Priming effect）是指土壤在添加外源物質后，土壤中有機碳礦化速率短期增加（正激發效應）或降低（負激發效應）的現象。肖謀良等發現添加CaCO對石灰土和紅壤的激發效應可達43.9%~121.8%。FENG等也發現外源CaCO對石灰土有機碳有正激發效應。黃媛發現激發效應與碳酸鈣含量密切相關。溫度通過改變土壤中的微生物活性或改變土壤性狀（如孔隙度、水分等）而間接影響土壤有機碳的礦化。溫度敏感性系數（）為溫度每升高10℃土壤礦化增加的倍數，常用來表征土壤有機碳礦化對溫度的敏感性，值越大表明土壤有機碳礦化對溫度的變化越敏感。全球各種土壤生態系統中的在1.3~3.3之間波動，研究發現具有明顯的地帶性，變化范圍在溫帶為1.1~14.2，在亞熱帶為1.4~4.6。由此可見，并不是一個確定的常數，其會受到不同因素（水分、溫度及添加的外源物）的限制。例如，魏圓云等發現農田濕地土壤受溫度和外源葡萄糖的影響，其值在1.2~1.6之間波動。羅光強等發現羊草草原土壤受溫度和水分的影響，介于1.15~2.25之間。

綜上所述，對于外源碳酸鈣對土壤有機碳礦化影響的研究集中在石灰土、紅壤等土壤類型上，且對于影響因素的研究集中于外源有機物質上，目前外源無機碳酸鈣和溫度及兩者復合作用對土壤有機碳礦化和的影響并不明確。貴州省作為西南亞熱帶喀斯特區一大分區，其土壤中賦存的游離碳酸鈣含量會影響喀斯特土壤生態系統中碳循環平衡的維持。因此，在貴州氣候不斷變暖的背景下，探究碳酸鈣和溫度對黃壤有機碳礦化的影響，能夠加深理解貴州喀斯特土壤無機碳酸鹽在土壤呼吸中的貢獻，以及進一步明確黃壤有機碳礦化的影響因素及不同因子的作用強度，對客觀評價貴州省黃壤有機碳礦化在土壤固碳減排中的影響具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

供試土壤樣品于2019年10月采自貴州省普定縣董家壩（105.747 8°~105.748 2°E，26.261 8°~26.262 6°N，海拔1 288~1 302 m）。該地屬于中亞熱帶季風濕潤氣候，年均降雨量1 336 mm，年均氣溫14.2℃。種植方式均為地瓜-玉米輪作。在典型黃壤旱地上選擇5塊5 m×5 m的樣地，在每個樣地上用多點采樣法采集表層（0~20 cm）混合土壤樣品，去除可見的動植物殘體及礫石等雜質，根據土壤pH，選取1個典型的黃壤樣品作為供試土壤，其基礎性質為：pH 4.62，有機碳含量12.55 g·kg，全氮含量1.67 g·kg，全磷含量0.95 g·kg，全鉀含量14.99 g·kg，碳酸鹽含量0.54 g·kg。

同位素標記CaCO和無標記的CaCO采購自上?；ぱ芯吭河邢薰荆兌取?8.0%。將CaCO與CaCO按1∶14的比例混合均勻，過0.125 mm篩，得到δC值為6.61的碳酸鈣粉末。

1.2 試驗設計

以黃壤作為供試土壤，設置3個培養溫度（15、25℃和35℃）及添加（C，添加量為30 g·kg，以干土計）和不添加碳酸鈣粉末（CK）處理，分別記為15℃-C、25℃-C、35℃-C、15℃-CK、25℃-CK和35℃-CK，共計6個處理，每個處理重復3次，另設置無土無添加物的9個空白對照（檢測空氣中的CO），共27個培養裝置。

稱取供試黃壤540 g，調節含水量為土壤飽和含水量（WHC）的45%，放入25℃恒溫培養箱中預培養7 d，用稱質量的方法保持含水量。預培養結束后，取270 g黃壤與配制好的9 g碳酸鈣粉末混勻，平均分裝入9個250 mL棕色玻璃廣口瓶；另取270 g黃壤，平均分裝入9個250 mL棕色玻璃廣口瓶。調節土壤含水量為45%WHC，分別放入1 L黑色塑料培養瓶中，同時放入盛有50 mL蒸餾水與10 mL 0.1 mol·mLNaOH溶液的小燒杯，密閉瓶口，置于15、25℃和35℃恒溫培養箱中培養60 d。

在培養的第1、5、10、15、30 d和60 d用注射器從培養瓶中采集CO氣體樣品用于測定總CO的濃度和CO的δC值。具體操作為先將裝有不同處理土壤的玻璃廣口瓶取出，用帶有開關閥的橡膠瓶塞緊密塞住瓶口，利用真空抽氣泵將瓶中的氣體排出，每個裝置排氣5 min后關閉開關閥，然后統一置于室外并打開開關閥通入自然空氣5 min，再關閉開關閥，分別置于3個培養溫度中培養產氣4~5 h，之后用30 mL氣密型注射器采集30 mL氣體樣品保存在12 mL真空瓶中，每個礦化裝置均采集兩份CO氣體樣品。

1.3 測定項目和方法

土壤基本理化指標的測定方法：土壤飽和含水量采用環刀法測定；土壤pH使用酸度計（水土比為2.5∶1）測定；土壤有機碳使用KCrO容量法-外加熱法測定；土壤全氮使用半微量開氏定氮法測定；土壤全磷使用NaOH熔融-鉬銻抗比色法測定；土壤全鉀使用NaOH熔融-火焰光度法測定；土壤碳酸鹽含量使用中和滴定法測定。

CO和CO氣體樣品：采用氣相色譜儀（Agilent GC 6890，USA）測定CO的濃度，采用穩定性同位素質譜儀（MAT-253）測定CO的δC值。

1.4 數據處理

（1）土壤總CO釋放速率

式中：為土壤CO釋放速率，mg·kg·d；為密閉培養瓶中CO濃度，μmol·mol；44為CO分子量，g·mol；為玻璃瓶的體積，L；22.4為1個大氣壓、273 K時理想氣體的摩爾體積，L·mol；為培養溫度，℃；為土壤質量，g；為密閉產氣時間，4~5 h。

（2）總CO累積釋放量

式中：為總CO累積釋放量，mg·kg；為總CO釋放速率，mg·kg·d；為采樣次數；為采樣時間，d。

（3）來自碳酸鈣的CO累積釋放量

式中：為源于碳酸鈣的CO累積釋放量，mg·kg；為總CO累積釋放量，mg·kg；為瓶中添加碳酸鈣的土壤釋放CO的δC值；為無添加物的土壤釋放CO的δC值；為碳酸鈣樣品的δC值。

（4）外源物對土壤有機碳礦化的激發效應

式中：為激發作用，%；為外源添加物處理中原土土壤有機碳礦化量（需扣除來自CaCO的CO釋放量），mg·kg；為無添加外源物的土壤有機碳礦化量，mg·kg。

（5）土壤有機碳礦化溫度敏感性系數

式中：為溫度為（+10）℃時土壤有機碳的礦化速率，mg·kg·d；R為溫度為℃時土壤有機碳的礦化速率，mg·kg·d。

采用Excel 2016軟件對數據進行整理與制圖，利用SPSS軟件分析碳酸鈣、溫度、培養時間及其交互作用對黃壤有機碳礦化速率、累積釋放量和溫度敏感性的影響，處理間的多重比較采用鄧肯（Duncan）法（<0.05表示處理間差異顯著）。

2 結果與分析

2.1 碳酸鈣在不同溫度下對土壤有機碳礦化的影響

由圖1可知，不同處理下土壤總CO釋放速率的規律基本一致，第1~5 d迅速減小，5~15 d有輕微增加后又迅速減小，15~60 d逐漸減小并趨于穩定。在培養的第1 d，各處理均達到峰值，為125.01~149.84 mg·kg·d，在培養的5~60 d，土壤總CO釋放速率表現為不添加碳酸鈣的處理大于添加處理。整體上可知，添加外源碳酸鈣可降低土壤總CO釋放速率。

圖1 土壤總CO2釋放速率Figure 1 The total CO2 release rate from soil

如圖2所示，不同處理下黃壤總CO釋放量在整個培養期間都呈上升趨勢。添加碳酸鈣降低了土壤總CO釋放量。在培養結束時（第60 d），不添加碳酸鈣土壤總CO累積釋放量為3 788.5~4 192.3 mg·kg，添加碳酸鈣后在15、25℃和35℃下土壤總CO累積釋放量相應降低了47.62%、42.54%和46.77%。在第60 d時，土壤總CO累積釋放量均在35℃下最高，不添加碳酸鈣時為4 192.3 mg·kg，比15℃和25℃時分別增加了5.95%和10.66%；添加碳酸鈣時為2 231.5 mg·kg，比15℃和25℃時分別增加了7.67%和2.51%。

圖2 土壤總CO2累積釋放量Figure 2 The total CO2 cumulative release from soil

添加外源碳酸鈣的土壤中CO累積釋放量如圖3所示。CO累積釋放量在1~15 d呈快速上升趨勢，15~60 d逐漸趨于穩定，其中在培養的第15 d，CO累積釋放量基本達到平衡。在培養的第60 d，25℃和35℃下的CO累積釋放量比15℃下的分別增加了63.1%和52.0%。受溫度的影響，添加外源碳酸鈣的土壤中CO累積釋放量的變化與土壤總CO釋放量類似。

圖3 來自碳酸鈣的13CO2累積釋放量Figure 3 The 13CO2 cumulative release from CaCO3

如圖4所示，在培養第60 d，添加碳酸鈣的土壤有機碳累積礦化量（15℃-C：1 786.4 mg·kg，25℃-C：1 712.9 mg·kg，35℃-C：1 799.6 mg·kg）顯著低于不添加碳酸鈣的處理（15℃-CK：3 956.9 mg·kg，25℃-CK：3 788.5 mg·kg，35℃-CK：4 192.3 mg·kg）（<0.05）。在第60 d，來自外源碳酸鈣的CO釋放量在25℃和35℃下顯著大于15℃（<0.05），占總CO釋放量的比例依次為27.33%、19.36%和13.81%。

圖4 培養60 d后不同來源的CO2累積釋放量Figure 4 CO2 cumulative release fromdifferent sources after 60 days

2.2 碳酸鈣在不同溫度下對土壤有機碳礦化的激發效應

激發效應是外源物質添加引起土壤有機碳發生短期的強烈周轉改變的現象。如圖5所示，在整個培養期間，碳酸鈣對黃壤有機碳礦化有負激發效應，1~15 d逐漸減弱，15~60 d又有輕微增強。其中25℃與35℃下的負激發效應在第1 d表現最強，分別為-81.0%和-69.3%，而15℃下的激發效應在第1 d與第60 d均表現最強，均為-54.0%；15℃與35℃下的激發效應在第15 d表現最弱，為-46.8%和-54.5%，而25℃下碳酸鈣對黃壤有機碳礦化的負激發效應在第60 d表現最弱?？傮w上，外源碳酸鈣在前期（1~10 d）對黃壤有機碳礦化的負激發效應更強，且負激發效應在25℃下比15℃和35℃下的更強。

圖5 不同溫度下的激發效應Figure 5 Priming effect at different temperatures

2.3 碳酸鈣對土壤有機碳礦化Q10的影響

如圖6所示，培養過程中，黃壤有機碳礦化的溫度敏感性系數（）隨時間延長呈波動變化趨勢，變化范圍為0.90~1.69。在15~25℃溫度體系中，添加碳酸鈣與不添加碳酸鈣處理有機碳礦化平均值分別為（1.03±0.09）和（1.01±0.11），在25~35℃溫度體系中，兩個處理平均值分別為（1.14±0.29）和（1.06±0.13）。其中（35℃/25℃）-C處理下的值相對于其他處理在第1 d顯著增大，而在第10 d顯著減?。?.05）。添加碳酸鈣處理下黃壤有機碳值略有增加。溫度升高也會影響黃壤有機碳礦化溫度敏感性，25~35℃體系下的黃壤值與15~25℃下的相比，不添加碳酸鈣與添加碳酸鈣的處理值分別增加了5.10%和10.30%。說明黃壤有機碳礦化值隨溫度的升高有所增大，黃壤中的有機碳在培養前期對溫度的升高表現更敏感。

圖6 黃壤有機碳礦化的溫度敏感性Figure 6 The temperature sensitivity of organic carbon mineralization of yellow soil

2.4 碳酸鈣、溫度和時間及其交互作用對CO2釋放速率、CO2累積釋放量、SOC礦化量和Q10值的方差分析

方差分析結果顯示（表1），溫度、碳酸鈣、時間、碳酸鈣與時間的交互作用對土壤總CO釋放速率、累積釋放量和SOC礦化量有顯著影響。溫度對SOC礦化值影響顯著，但碳酸鈣對值影響不顯著。外源碳酸鈣的添加會在短期內顯著降低土壤SOC礦化（0.01），溫度提升能夠促進SOC的礦化（0.05），兩者的交互作用對SOC礦化無顯著影響，但碳酸鈣引起SOC礦化的負激發效應相對于溫度引起的正激發效應更為強烈。

表1 碳酸鈣、溫度、時間及其交互作用對CO2釋放速率、釋放量、SOC礦化量與Q10值的方差分析（F值）Table 1 ANOVA of temperature，calcium carbonate，time，and their interactions on CO2 release rate，release quantities，SOCcumulative mineralization quantities，and Q10 value

3 討論

3.1 碳酸鈣與溫度對土壤有機碳礦化的影響

本研究結果表明，碳酸鈣在不同溫度下對黃壤有機碳礦化均有負激發效應（<0.01），且在培養前期負激發效應更強，這與本課題組前期研究發現25℃下碳酸鈣對黃壤和石灰土有負激發效應的結果一致。有研究指出碳酸鈣對土壤有機碳礦化速率的影響與其添加量有關。例如黃媛在研究中發現，當碳酸鈣添加量為5~20 g·kg時對紅壤有負激發效應，當含量為30~100 g·kg時有正激發效應；葛云輝等的研究發現碳酸鈣添加量為50 g·kg時，對紅壤有機碳礦化有正激發效應。本文中外源碳酸鈣的添加量為30 g·kg時對黃壤有負激發效應，與上述研究結果不一致。這主要是因為少量碳酸鈣加入土壤時，易與土壤中有機碳結合成穩定的團聚體，從而減緩土壤有機碳礦化分解，表現為負激發效應，而大量碳酸鈣加入土壤會提高土壤微生物活性，使得土壤有機質快速分解釋放出CO，產生正激發效應。鈣離子在不同土壤類型中的遷移速率有所差異，因此在相同的碳酸鈣添加量下，不同土壤類型中的有機碳與鈣離子結合成團聚體的速度不同，從而表現出不同的激發效應。另外，本研究認為碳酸鈣對土壤有機碳礦化的影響主要受到鈣離子的控制。如曹彬彬等和董靜超等發現施用氧化鈣和氯化鈣后土壤有機碳礦化量均顯著減少。鈣離子通過結合土壤腐殖化活性有機質中的自由基，在其表面覆蓋一層鈣結殼，限制了有機質與微生物及酶的接觸，從而降低了有機碳的分解速率。

在整個培養期間，溫度顯著促進黃壤有機碳礦化（<0.05），這與袁淑芬等和葛序娟等的研究結果類似。這是由于溫度的升高會提升土壤中酶的活性，使得有機碳礦化速率增加。在培養的第60 d，不添加碳酸鈣的處理在25℃下有機碳累積礦化量略低于15℃，可能是由于普定縣年均氣溫在14.6℃，且黃壤是貴州地帶性土壤，所以接近年均氣溫的15℃較適合于黃壤有機碳礦化。添加碳酸鈣后25℃下的CO釋放量略高于15℃，可能是因為碳酸鈣改善了土壤的結構和通氣性而使有機碳礦化速率增快。添加碳酸鈣的土壤釋放CO的量在25℃與35℃下顯著大于15℃，而25℃與35℃下的CO釋放量無顯著差異（>0.05），這與徐學池等和王忠媛等的研究結果類似。這是土壤中碳酸鈣溶解產生的鈣離子與胡敏酸結合成為新的腐殖質的過程受溫度影響所致。

目前關于外源有機物和溫度的交互效應對土壤有機碳礦化的影響研究較多，而無機物和溫度的交互效應對土壤有機碳激發效應的交互影響研究較少。本研究結果表明外源碳酸鈣極顯著減少黃壤有機碳礦化量（<0.01），而溫度提升顯著增加有機碳礦化量（>0.05），由此可見外源碳酸鈣對土壤有機碳礦化的影響強于溫度。這與GHEE等和HOPKINS等對5~30℃下添加蔗糖對土壤有機碳的激發效應的研究結果類似。因此，無論是外源有機物還是無機物，其與溫度對有機碳礦化的復合影響是相似的，即影響有機碳礦化的主要因素并非溫度，而是外源物質。

3.2 碳酸鈣與溫度對土壤有機碳礦化Q10值的影響

本研究中，碳酸鈣添加下土壤有機碳礦化值略有增加，但差異并不顯著。有研究指出，短期礦化培養試驗中所觀測的土壤CO釋放以活性碳組分分解為主，而惰性碳組分會對土壤的溫度敏感性有一定干擾作用。一些早期研究認為，外源碳的輸入會導致土壤有機碳底物結構發生變化，從而影響土壤有機碳礦化值。土壤有機碳礦化值的變化更多是由于外源碳輸入間接影響了土壤微生物對有機碳底物的分解利用過程。當外源碳酸鈣加入土壤中后，更多游離鈣離子與土壤有機碳結合成團聚體，團聚體的增加改變了土壤有機碳底物的結構，從而影響微生物對有機碳的分解利用，導致土壤有機碳礦化值發生變化。

溫度升高也會改變土壤有機碳礦化的值。本研究發現隨著溫度升高而有所增加，且影響達到顯著水平，這與YUAN等的研究結果相似。因為溫度的變化會改變土壤底物的有效性、酶與底物的親和力和最大反應速率等，進而影響土壤有機碳礦化的值。

4 結論與展望

（1）外源碳酸鈣對貴州黃壤有機碳礦化有抑制作用，而溫度提升有促進作用，兩個因素的共同作用表現為碳酸鈣對黃壤有機碳礦化的負激發效應強于溫度的正激發效應。

（2）外源碳酸鈣的輸入和溫度升高均能影響黃壤有機碳礦化溫度敏感性。隨著培養時間延長，溫度的升高會逐漸增強黃壤有機碳礦化溫度敏感性，而碳酸鈣對溫度敏感性影響逐漸變弱，進一步說明氣候變暖會長期影響黃壤有機碳的礦化，使黃壤有機碳分解加快，從而導致黃壤越發貧瘠。

（3）需要根據碳酸鈣與溫度及其交互作用對黃壤有機碳礦化的影響情況，合理調控土壤溫度和施用石灰等管理措施，以利于積累黃壤的有機質和減少土壤CO的排放。土壤中碳酸鹽存在溶蝕與沉積平衡，在今后的研究中，需進一步考慮無機碳酸鹽分解釋放的CO在喀斯特區土壤有機碳礦化過程中的貢獻，以便深入理解土壤無機碳礦化與大氣碳庫之間的聯系，明確土壤無機碳和有機碳在喀斯特區碳庫中的實際影響。