鉀鈉離子添加對土土壤團聚體和有機碳礦化的影響

牛金璨，張麗娜，張亞美，徐佳星，張樹蘭，楊學云

（西北農林科技大學資源環境學院, 陜西楊凌 712100）

土壤有機碳不僅是評價土壤肥力高低的重要指標，還與全球碳循環及溫室效應密切相關。據估計，全球陸地土壤碳庫量約為C 1300～2000 Pg，是陸地植被碳庫C 500～600 Pg的2～3倍，是全球大氣碳庫C 750 Pg的2倍多[1]。施用有機物料一直被認為是耕地土壤保持和提高有機碳含量、形成良好土壤結構的重要手段。研究表明施用有機肥能顯著提高土壤團聚體的穩定性[2-3]，但也有研究表明長期大量施用動物糞肥會降低大團聚體分布比例以及團聚體穩定性[4-7]。造成這一現象的原因可能是：有機肥中含有大量單價陽離子K+、Na+等，以我們施用的牛糞為例，其鉀含量約為10.9 g/kg，直接施用于農田中會造成單價陽離子在土壤中的累積[8-10]。一方面單價陽離子對土壤團聚體有分散作用[11-12]，團聚體分散后更大面積地暴露于空氣中，并與土壤微生物直接接觸，加速了有機碳的礦化；另一方面單價陽離子本身會影響有機碳礦化[13-14]，減弱了有機碳對團聚體的膠結作用，使團聚穩定性降低。有機碳礦化過程是土壤碳循環的關鍵步驟，其動態過程反映了土壤質量的變化。土壤有機碳的礦化作用不僅與土壤養分的供應、土壤有機碳的固存以及土壤結構等直接相關，還關系到大氣中溫室氣體的釋放。有機肥農田施用既是處理農業廢棄物的方式，也是提升土壤有機碳含量、培肥土壤、提高生產力最重要的手段，但也可能導致土壤中鉀、鈉等單價陽離子富集[8-10]，到一定程度可能會影響土壤質量進一步提升。因此，研究土壤單價陽離子累積對有機碳礦化的影響，對土壤有機碳固存和全球碳循環都具有重要意義。

土壤有機碳礦化受到眾多因素的影響，如土壤有機碳含量、土壤質地、土壤溫度、微生物活性、鹽分和土地利用方式等。以往的研究中鹽分受到的關注度遠不如土壤有機碳含量、土壤溫度等，但作為影響有機碳礦化的因素之一，其作用不可忽視。羅先香等[13]研究了土壤有機碳、水分含量和鹽度對有機碳礦化的影響，結果表明鹽分雖不是影響土壤有機碳礦化最主要的因素，但同樣對土壤有機碳礦化有顯著影響。而鹽分對有機碳礦化的影響可能是受到單價陽離子的作用。李玲等[15]通過設置3個NaCl梯度對黃河三角洲區土壤有機碳分解與轉化進行研究，結果表明在不添加底物的條件下，土壤釋放的CO2量隨NaCl的增加而減少。Chandra等[14]通過在砂壤土中添加不同來源的鉀，設置不同的鉀梯度進行室內培養試驗，結果表明添加鉀的各處理均增加了CO2累積量，說明鉀離子可以促進有機碳的礦化。單價陽離子對團聚體的分散作用已被廣泛報道，Levy等[16]對以色列兩種不同質地的土壤(砂壤土和鈣質粘土)研究發現，K+對土壤結構有負面影響，在砂壤土上將可交換性鉀吸附比(EPP)從1.5增加到13，在鈣質粘土中從2增加到17，都顯著降低了大團聚體的穩定性。Guo等[7]對9個長期定位試驗研究后發現，施用有機肥可顯著降低團聚體穩定性，并且Na+與團聚體穩定性顯著負相關，尤其在北方土壤中。以上研究均表明，單價陽離子對團聚體穩定性和有機碳礦化會產生影響，但具體作用需要進一步探究。

1 材料與方法

1.1 供試土樣

供試土壤取自“國家黃土肥力和肥料效益監測基地”，該試驗地位于黃土高原南部的陜西省楊凌示范區 (N 34°17′51″，E 108°00′48″，海拔 534 m)，年平均氣溫13℃，年平均降水量550～600 mm，主要集中在6—9月。供試土壤為土墊旱耕人為土(土)，黃土母質。樣地為冬小麥-夏玉米一年兩熟制，29年一直施用氮磷肥，小麥N和P (元素)用量分別為165.0、57.6 kg/hm2；玉米分別為187.0、24.6 kg/hm2。氮源為尿素(含N 46%)，磷肥為過磷酸鈣(P2O512%～16%)。土樣于2020年玉米收獲后采取，取樣深度20 cm，取樣后自然風干，過2 mm篩，備用。培養前土壤基本理化性質為：有機碳12.0 g/kg、全氮0.80 g/kg、速效磷28.5 mg/kg、速效鉀178.5 mg/kg、水溶性鉀(水土比5∶1) 2.0 mg/kg、水溶性鈉(水土比5∶1) 16.0 mg/kg、pH 8.18 (水土比1∶1)、容重 1.35 g/cm3。

1.2 試驗方法

采用室內恒溫培養法，通過添加硫酸鉀和氯化鈉，模擬 K+、Na+梯度 (K+梯度，120、200、280、370和540 mg/kg，分別用K1、K2、K3、K4和K5表示；Na+梯度，90、180和270 mg/kg，分別用Na1、Na2和Na3表示；鉀鈉共同作用，在添加K+370 mg/kg的基礎上，分別添加Na+0、90、180和270 mg/kg，分別用KNa0、KNa1、KNa2和KNa3表示)，對照處理用Nil表示，不添加離子溶液，每個處理3次重復(表1)。

表1 試驗處理的K+和Na+梯度(mg/kg)Table 1 K+ and Na+ gradients of experimental treatment

試驗在恒溫培養箱中進行，取過2 mm篩的風干土300 g，置于1 L廣口瓶中，加入相應濃度鉀、鈉溶液，并用蒸餾水調節含水量至最大田間持水量的70%，在瓶內懸掛盛有NaOH溶液的塑料小瓶，用于吸收釋放的CO2。將培養瓶加蓋密封，在25℃的恒溫培養箱中培養，每周用稱重法補水，培養105天后破壞性取樣。

1.3 項目測定及方法

堿液吸收法測定有機碳礦化量，將盛有20 mL NaOH溶液(1 mol/L)的塑料瓶小心懸于培養瓶內，并做空白對照(無土壤樣品)，將培養瓶加蓋密封，在25℃的恒溫培養箱中培養。在培養開始后的第1、2、3、5、7、10、14、21、28、35、50、65、85、105天取出塑料瓶，將其中的溶液洗入三角瓶內，加入2 mL飽和的BaCl2溶液及2滴酚酞指示劑，用0.5 mol/L HCl滴定至白色，根據CO2的釋放量計算培養期內土壤有機碳的礦化量(公式1)。

土壤水穩性團聚體的測定采用Elliott[18]提出的方法。準備直徑為14 cm的加蓋玻璃培養皿，稱取50 g過8 mm篩的土樣置于準備好的培養皿上，鋪平，然后從培養皿邊緣用膠頭滴管緩慢加入約高于田間持水量5%的水分，使團聚體穩定性達到最大，然后加蓋在4℃冰箱過夜。濕篩時將土樣完全浸于水面之下，在篩桶中加水，使水面略低于最上面篩子的邊緣(篩子位于振幅最低處)。將預處理好的土樣置于2 mm篩上(有粘附在皿底的土粒用水沖到篩上)，浸于加好去離子水的團粒儀桶內5 min，啟動團粒儀，使篩套一起垂直上下3 cm幅度內，篩分2 min內上下震50次，即可將團粒分離。將篩子上的團聚體用去離子水洗入已稱重的鋁盒中。將通過篩子的泥水混合物依次倒入0.25 mm、0.053 mm的篩子，重復上述過程，分別得到大粒徑團聚體(>2 mm)、小粒徑團聚體(2～0.25 mm)和微團聚體(0.25～0.053 mm)，通過0.053 mm篩子的部分為粉粘粒組分(<0.053 mm)。將每個組分放在50℃烘箱中烘干至恒重，并冷卻至室溫，稱重后存儲于塑封袋中。

交換性陽離子以0.1 mol/L氯化銨-70%乙醇(pH 8.5)溶液為交換劑，離心法浸提土壤，火焰光度法測定土壤交換性鉀、鈉含量，原子分光光度法測定土壤交換性鈣、鎂含量[19]。

采用5∶1水土比浸提土壤，火焰光度法測定土壤水溶性鉀、鈉含量，原子分光光度法測定土壤水溶性鈣、鎂含量[20]。

1.4 分析方法

試驗結果采用Excel和Canoco軟件進行簡單處理和作圖，采用SPSS軟件進行統計與回歸分析，不同處理間采用鄧肯法進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 添加單價陽離子培養后土壤團聚體和粉粘粒組分分布及其穩定性

供試土壤團聚體分布表現為2～0.25 mm團聚體比例最高，占總量的42.0%～52.7%；其次是>2 mm團聚體比例，占總量的26.0%～38.9%，兩者顯著高于另外兩個粒徑組分；粉粘粒組分占總量的10.0%～14.5%；0.25～0.053 mm團聚體比例最低，占總量的7.3%～10.2% (表2)。添加K+的各處理與對照(Nil)相比，總體上降低了>2 mm團聚體比例，降幅達17.7% (K2)～29.3% (K4)，但僅K1和K4顯著降低，降幅分別為23.8%和29.3%?？傮w上提高了2～0.25 mm團聚體和< 0.053 mm粉粘粒比例，提高幅度分別為：9.0% (K2)～20.8% (K3)和20.7%(K5)～41.4% (K4)，但前者均無顯著差異，后者僅K4顯著升高。對0.25～0.053 mm團聚體影響無明顯規律，僅K3顯著降低，降幅為18.3%。添加Na+的各處理與Nil相比，總體上也降低了> 2 mm團聚體比例，降幅達4.3% (Na3)～29.0% (Na2)，但僅Na2呈顯著降低。同時，總體上提高了2～0.25 mm團聚體和< 0.053 mm粉粘粒組分比例，提高幅度分別為：1.3% (Na3)～17.9% (Na2)和4.4%(Na1)～23.4% (Na2)，前者均無顯著差異，后者Na2、Na3顯著升高，增幅分別為23.4%和20.9%。對0.25～0.053 mm團聚體影響無明顯規律，其中，Na2該團聚體比例顯著升高，增幅達15.2%，Na3顯著降低，降幅達11.3%。鉀鈉共同作用的各處理相比于Nil，均顯著降低了>2 mm團聚體比例，降幅達21.0% (KNa1)～33.2% (KNa2)?？傮w上各處理增加了2～0.25 mm團聚體和< 0.053 mm粉粘粒組分比例，增幅分別為14.8% (KNa1)～25.3% (KNa3)和3.0% (KNa3)～41.4% (KNa0)，前者各處理均顯著增加，增幅分別為18.1% (KNa0)、14.8% (KNa1)、20.4% (KNa2)、25.3% (KNa3)，后者均無顯著差異。對直徑025～0.053 mm團聚體影響無明顯規律且均不顯著(表2)。

表2 不同離子添加處理下的土壤水穩性團聚體組成Table 2 Fractal dimension of soil water-stable aggregates as affected by ion addition

由表2可知，相比于Nil，所有處理均降低了平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)。添加K+的各處理，MWD和GMD降幅分別為10.3% (K3)～19.9% (K4)和 7.5% (K3)～20.4%(K4)，但前者僅K1和K4顯著降低，降幅分別為16.5%和19.8%，后者僅K4顯著降低，降幅為20.5%。添加Na+的各處理，MWD和GMD降幅分別為3.3% (Na3)～19.6% (Na2)和 4.4% (Na1)～18.8% (Na2)，但僅Na2顯著降低了MWD和GMD，降幅分別為19.6%和18.8%。鉀鈉共同作用的各處理，MWD和GMD降幅分別為14.0% (KNa1)～22.6% (KNa2)和9.6%(KNa1)～20.4% (KNa0)，前者各處理均顯著降低，降幅分別為19.9% (KNa0)、14.0% (KNa1)、22.6%(KNa2)和16.2% (KNa3)，后者除KNa1外均顯著降低，降幅分別為20.4% (KNa0)、20.0% (KNa2)和14.1% (KNa3)。由此可見，鉀鈉共同作用可顯著降低團聚體的水穩性，對土壤團聚體的破壞更甚。

2.2 添加單價陽離子培養后土壤有機碳礦化速率及累積礦化量

在105天的培養期內，添加不同單價陽離子培養的土壤有機碳礦化速率隨時間變化非常相似，都呈現出先快速下降，后趨于穩定的趨勢(圖1)。添加K+的各處理，總體呈現出K5 > K4 > K3 > K2 > Nil >K1的趨勢。添加Na+的各處理，Na2水平下有機碳礦化速率最低，且主要表現在培養的中后期。鉀鈉共同作用的各處理，土壤有機碳礦化速率呈現出隨Na+濃度增加而降低的趨勢(圖1)。

圖1 添加不同陽離子濃度下有機碳礦化速率隨培養時間的變化Fig. 1 Variation in mineralization rate of organic carbon with incubation time as affected by K+ and Na+ concentrations

從圖2可以發現，添加K+的各處理與Nil相比，僅K1有機碳累積礦化量顯著降低，降幅為12.9%。其它處理均無顯著差異。添加Na+的各處理，有機碳累積礦化量有降低趨勢，但僅Na2顯著降低，降幅為19.0%。鉀鈉共同作用的各處理，有機碳累積礦化量隨Na+濃度的增加而降低，降幅為1.2% (KNa0)～22.3% (KNa3)，其中，KNa2、KNa3顯著降低，降幅分別為18.1%和22.3% (圖2)。

圖2 不同單價陽離子濃度下有機碳的累積礦化量Fig. 2 Cumulative mineralization of organic carbon as affected by K+ and Na+ concentrations

2.3 添加單價陽離子培養后有機碳礦化特征

添加不同濃度單價陽離子，土壤有機碳的累積礦化量與培養時間之間的動態變化可以用雙庫指數模型 Cm = Ca (1-e-Ka·t) + Cs (1-e-Ks·t) 進行擬合，各處理擬合決定系數(R2)均大于0.983 (表3)，可見該礦化方程可以很好地描述各處理土壤有機碳礦化特征。由擬合結果可知，所有添加K+的處理與Nil相比，礦化釋放的CO2-C中來自于活性碳庫的量(Ca)均隨添加K+濃度的增加而增加，但不同程度地降低了來自于惰性碳庫的礦化量(Cs) (除K5外)。其中，K4和K5顯著增加Ca，增幅分別達18.2%和25.0%，K1顯著降低了Cs，降幅為14.2%。添加Na+的處理與Nil相比，Ca也均有提高，其中Na1和Na2顯著提高，增幅分別達32.2%和21.1%，同樣，Cs均有降低，僅Na2顯著降低，降幅為23.6%。鉀鈉共同作用各處理均顯著增加了Ca，增幅分別為18.2%(KNa0)、32.6% (KNa1)、40.3% (KNa2)和 28.8%(KNa3)，Cs也均降低，但僅KNa2和KNa3顯著降低，降幅分別為23.4%和28.1%。

表3 不同陽離子濃度處理對有機碳礦化雙庫指數模型參數的影響Table 3 Parameters of organic carbon mineralization in the double exponential model under different K+ and Na+ concentration treatments

總體上單價陽離子添加不同程度地降低了活性碳庫的礦化速率常數(Ka)，增加了惰性碳庫的礦化速率常數(Ks)。相比Nil，添加K+的處理，僅K3和K5顯著降低Ka，降幅分別達12.7%和20.5%，K3顯著增加Ks，增幅為6.9% (表3)。添加Na+的處理，Na1和Na2顯著降低了Ka，降幅分別為26.5%和27.0%，各處理Ks均顯著增加。鉀鈉共同作用的處理，KNa1、KNa2和KNa3顯著降低了Ka，降幅分別為21.6%、33.8%和33.0%，Ks均增加，但都不顯著。

添加K+、Na+以及鉀鈉共同作用的各處理總礦化量中來源于活性碳庫的比例(Ra)平均值分別為9.9%、11.3%和12.5%，來源于惰性碳庫的比例(Rs)的平均值分別為90.1%、88.7%和87.5%。與此對應的對照處理(Nil)的Ra和Rs分別為8.4%和91.6%。顯然，與Nil相比，本試驗所有處理均增加了Ra，而降低了Rs。其中，與Nil相比，添加K+的各處理，Ra均顯著增加，增幅達15.1% (K3)～19.9% (K2)，Rs均顯著降低，降幅為1.4% (K3)～1.8% (K2、K5)。添加Na+的各處理，Na1和Na2顯著升高了Ra，而顯著降低了Rs，前者增幅分別達33.9%和51.0%，后者降幅分別達3.1%和4.7%。鉀鈉共同作用的各處理，除KNa0外Ra顯著升高，而Rs顯著降低，前者增幅達36.7% (KNa1)、71.2% (KNa2)和68.0%(KNa3)，后者降幅為3.4% (KNa1)、6.6% (KNa2)和6.3% (KNa3)。

2.4 土壤指標與有機碳礦化量和礦化參數的冗余分析(RDA)

將有機碳礦化量和礦化參數作為響應變量，與土壤其他各指標進行冗余分析(圖3)。結果表明，第一軸和第二軸的特征值分別為0.4853和0.1577。

圖3 有機碳礦化量及礦化參數與土壤指標的冗余分析Fig.3 Redundancy analysis of organic carbon mineralization and mineralization parameters with soil indexes

圖3表明，有機碳累積礦化量(CUMRS)與GMD、MWD、交換性鉀百分比(EPP)、鉀吸附比(PAR)呈正相關，與土壤結構穩定性陽離子比值(CROSS)、交換性鈉百分比(ESP)和鈉吸附比(SAR)呈負相關。Ca與CROSS、SAR、ESP、PAR、EPP呈正相關，與MWD呈負相關，與GMD的空間關系較弱。Cs與GMD、MWD、EPP、PAR呈正相關，與CROSS、SAR、ESP呈負相關。進一步分析其解釋率發現，ESP、GMD、EPP、SAR和CROSS的解釋率均達到了顯著水平(P<0.05)。其中ESP解釋率最高，ESP的變化能夠解釋29.7%的有機碳礦化量和礦化參數Ca、Cs，并且其單獨貢獻率為46.2%，其余變量的解釋率均低于11%，說明ESP是影響有機碳礦化量和礦化參數的最主要因素。

3 討論

3.1 單價陽離子添加對團聚體分布及穩定性的影響

土壤團聚體對于提升土壤結構、土壤肥力以及土壤物理性質具有重要作用[22]，它是土壤顆粒重排、絮凝和膠結的結果，其穩定性受到各種有機無機膠結劑以及分散劑的影響[23-24]。本研究的結果顯示，添加不同濃度的K+或Na+，均不同程度地降低了>2 mm土壤團聚體比例，總體上提高了2～0.25 mm團聚體和<0.053 mm粉粘粒比例(表2)。這與K+和Na+對土壤團聚體的分散作用有關[11-12]。同時，也與K+和Na+進入土壤后由于晶格固定而降低了離子強度，因而降低了其分散作用有關[25]。在添加K+基礎上(K4水平)再添加不同濃度Na+離子，亦即鉀鈉共同作用，則顯著降低了>2 mm團聚體比例，同時顯著增加了直徑2～0.25 mm團聚體比例。2～0.25 mm團聚體比例增加應該是>2 mm團聚體分散的緣故，較大團聚體的分散必然會造成較小團聚體分布比例的增加[26]。鉀鈉共同作用效果均顯著是由于離子濃度增加，是鉀鈉離子分散強度增加的結果。徐爽等[27]對濕篩過程中不同價態陽離子溶液對黑土團聚體組成及穩定性影響的研究表明，經NaCl溶液處理后的土壤分散性增加，并且隨著NaCl溶液濃度的增加，團聚體的分散性增大，導致> 0.25 mm團聚體分布比例遞減。

MWD與GMD是表征土壤團聚體狀況的重要指標，其值越大表示團聚體越穩定[28]。添加不同濃度的K+或Na+均不同程度地降低了MWD和GMD，這與K+或Na+對團聚體的分散能力有關。鉀鈉離子對團聚體不同的分散能力，主要是取決于其進入土壤后不同的特定離子效應：在高電解質濃度(>0.1mol/L)條件下，由于K+的水化半徑比Na+的小，對粘土顆粒表面的吸附力強，更易被粘土顆粒吸附，從而減弱相鄰粘土顆粒間的靜電斥力，因此K+對團聚體的分散作用較Na+弱；在低電解質濃度(< 0.1 mol/L)條件下，由于K+外部的電子云比Na+更易極化，其分散力也更強，由于K+分散力的作用，粘土顆粒周圍的電場可以被K+屏蔽的更強，從而減弱相鄰粘土顆粒間的靜電斥力，因此K+對團聚體的分散作用不如Na+強[29-31]。鉀鈉共同作用，MWD和GMD顯著降低，進一步印證了上述大團聚體(>2 mm)降低的結果，表明一定濃度的單價陽離子可造成團聚體的分散，降低團聚體穩定性，這與前人研究[26,32-33]結果一致。Emami等[32]研究土壤改良劑對土壤結構的影響，結果表明MWD與SAR、CROSS呈顯著負相關。李小剛等[33]在對甘肅景電灌區鹽化和有機質對土壤團聚體的穩定性和粘粒分散性的調查研究中發現，團聚體穩定率與全鹽含量、SAR、ESP顯著負相關，粘粒分散率與SAR和ESP顯著正相關。Farahani等[34]對伊朗東北部土壤研究結果表明，粘土分散量隨K+濃度、PAR和EPP的增加而增加，團聚體穩定性受到K+的負面影響。但本研究的冗余分析(圖3)表明，EPP和SAR與MWD空間相關性較弱。造成這一現象的原因一方面可能是添加的離子濃度較低，分散強度弱。另一方面可能是與土壤礦物組成有關，有研究表明K+對1∶1型粘土礦物的分散作用較強[25]，而本試驗土壤土的粘土礦物學組成主要為伊利石，屬于2∶1型粘土礦物[35]，層間缺鉀，K+進入土壤后被固定，減弱了其分散作用。

3.2 單價陽離子添加對土壤有機碳礦化的影響

土壤有機碳礦化釋放的CO2是通過土壤微生物分解而產生的，是土壤生物學活性的綜合體現[36]。本研究結果表明，添加K+的處理，僅K1顯著降低了有機碳累積礦化量，其它處理均無顯著性差異。其中，源自活性碳庫的有機碳礦化量(Ca)均增加，源自惰性碳庫的有機碳礦化量(Cs)均減少(除K5)。這與Chandra等[14]的研究并不一致，Chandra等[14]通過添加不同來源的鉀，設置不同的K+濃度，研究K+對有機碳礦化的影響，結果表明，所有添加K+的處理均增加了有機碳的礦化量。這可能與土壤性質以及土壤本身鉀含量不同有關。目前在本試驗條件下，由于土壤對鉀素的緩沖效應，可能減小其對土壤團聚體的分散作用，加之鉀離子本身對土壤團聚體的分散能力較弱。同時，鉀離子是生物的營養物質，并且當微生物受到脅迫時，會通過吸收外界離子(主要是鉀離子)，調節滲透壓以適應脅迫環境，因此，K+對微生物產生脅迫濃度的閾值可能較高[37-38]。另一方面，Chandra等[14]的供試土壤為砂壤土，并且有機碳含量較高，K+添加后取代了多價陽離子的吸附點位，陽離子橋(Cl—P—OM)被破壞，使得更多的有機碳釋放到土壤溶液中被微生物利用。添加Na+的處理，Ca均增加，可能原因是Na+添加后在一定程度上分散土壤大團聚體，降低物理保護作用，增加了活性碳組分的礦化。毛霞麗等[39]通過研究不同發育母質土壤團聚體分布及有機碳礦化后表明，＞2 mm和2～1 mm團聚體在培養后期大幅度減少，這兩個粒級團聚體的破碎，將導致原先被團聚體物理保護的有機碳釋放，從而導致有機碳礦化作用加強。但Na3相比于Na1和Na2有機碳累積礦化量略有降低，這應該是由于添加較高濃度外源鈉，脅迫微生物生長，降低其對有機碳的分解[40]。鉀鈉共同作用的各處理，有機碳累積礦化量均降低，這與羅先香等[13]、Setia等[41]、肖穎等[42]的研究結果一致。其中各處理Ca均顯著增加，這同樣是由于鉀鈉離子分散了土壤團聚體，增加了活性有機碳庫的礦化。而各處理Cs均降低，可能由于活性碳組分失去保護，微生物更多地以易分解的碳組分為養料，從而減少了對惰性碳庫的礦化。相比于Nil，各處理Ra均增加，而Rs均減少(表3)也印證了這一點。

總體來說，有機碳的礦化量主要來自于惰性碳庫，約占有機碳礦化總量的85.5% (KNa2)～91.6%(Nil)(表3)。冗余分析表明，CROSS、SAR及ESP與有機碳累積礦化量顯著負相關(圖3)，且主要受到ESP的影響，說明對有機碳礦化產生主要影響的是Na+。同樣地，這一點與Na+本身分散能力強有關(上文已有詳細論述)，同時，原施化肥處理土壤中水溶性鈉含量很低(16.0 mg/kg)，因而對Na+相對敏感，鈉離子在抑制有機碳礦化方面相較鉀貢獻也更大。來自于活性碳庫的有機碳礦化量較少，僅占有機碳礦化量的8.4% (Nil)～14.5% (KNa2) (表3)。冗余分析表明，有機碳礦化量與EPP和PAR的空間關系較弱，表明在本試驗條件下，K+對有機碳礦化作用影響的貢獻很有限，其原因除與K+本身分散能力較弱和K+對微生物產生脅迫的閾值較高有關外[30-31,37-38]，也可能與其濃度有關。因為供試NP處理長期不施鉀肥，耕層土壤鉀素呈耗竭狀態，尤其是容易被稀硝酸提取的緩效鉀庫耗竭明顯[43]，土壤對外源添加鉀素的緩沖較大。另外，本試驗中鉀鈉離子分別是以K2SO4和NaCl的形式加入的，其攜入的陰離子不同，這是否會對微生物產生影響進而影響礦化結果呢？Zhang等[44]通過研究Cl-和Cl-/SO42-混合鹽對土壤微生物活動和群落結構的影響發現，Cl-和Cl-/SO42-混合鹽對土壤微生物群落產生影響的閾值分別為0.70和1.75 dS/m，本試驗添加的Cl-和SO42-濃度小于這一閾值，因此本試驗不會因攜入的陰離子而對試驗結果產生影響。

本研究有機碳累積礦化量與GMD和MWD呈正相關，似乎與一般團聚體保護理論有悖。首先，這可能由于高濃度單價陽離子添加對大團聚體有分散作用，同時也減少了培養過程中粉粘粒及微團聚體進一步膠結形成更大團聚體，從而降低了團聚體MWD值；與此同時，隨鉀鈉離子的添加濃度升高，對微生物活性抑制也在增加，從而減少了有機碳礦化。其次，也可能是由于隨著團聚體的分散(GMD和MWD降低)，粉粘粒組分(<0.053 mm)也相應增加(表2)，阻塞了土壤孔隙，使土壤的透氣性減弱，從而降低了有機碳的礦化[45]。最后，團聚體對有機碳的物理保護不僅取決于其對有機碳的包裹程度，而且還與團聚體保持其穩定性的能力有關。苗淑杰等[46]通過研究長期施肥對黑土有機碳礦化和團聚體分布的影響后發現，長期有機無機肥料配施有利于黑土大顆粒團聚體(>0.25 mm)形成，促進土壤有機碳在大團聚體中的分配，但由于大團聚體易于被破壞，導致其中的有機碳礦化作用增強。

雙庫指數模型能較好的模擬有機碳礦化，其模擬的參數中活性碳庫主要包含易降解組分，礦化速率較高，與培養初期的CO2釋放有關；惰性碳庫因受土壤物理結構的保護，礦化速率較低，與培養中后期的CO2釋放有關[47-48]，本研究的結果也遵循這一規律(圖1)。本研究的結果表明，添加不同濃度K+、Na+，Ka和Ks的變化范圍較小(表3)，說明K+、Na+并未改變土壤呼吸的變化規律[49]。添加K+的各處理對Ka、Ks的影響沒有明顯規律，而添加Na+的處理降低了Ka，且均顯著增加了Ks，這與Setia等[41]在壤質砂土上的研究結果一致，Setia等沒有進一步解釋原因，可能是隨鈉濃度增加，微生物活性降低[40]；同時由于團聚體的分散，活性碳庫中更多有機碳和微生物接觸，增加了相對分解量，這一點有待進一步研究。這一結果也再次印證了上述結論，即相比于K+，微生物對Na+更敏感[45]，K+對有機碳礦化的影響也不如Na+顯著。鉀鈉共同作用的處理顯著降低了Ka，這一結果再次印證了鈉的外源添加抑制微生物的活性，降低了有機碳礦化速率。目前關于單價陽離子對有機碳礦化的具體影響機制還不明確，需要我們進一步的探究。

4 結論