石灰性土壤添加不同量碳酸鈣對秸稈有機碳礦化的影響

李夢麗，徐墨馨，陳永山，葉麗麗，蔣金平,

1. 廣西環境污染控制理論與技術重點實驗室，廣西 桂林 541004；2. 泉州師范學院資源與環境科學學院，福建 泉州 362000；3. 廣西巖溶地區水污染控制用水安全保障協同創新中心，廣西 桂林 541004

近年來，在國家提出2030年實現碳達峰、2060年實現碳中和的“雙碳”目標背景下，越來越多的學者開始參與到陸地生態系統碳循環的研究當中。土壤有機碳庫是陸地碳庫的重要組成部分，土壤有機碳的礦化過程是土壤中的微生物為完成自身代謝而分解利用土壤活性有機碳組分，并釋放CO2的過程（Li et al.，2019）。土壤活性有機碳是指土壤中含量相對較少但活性比較高的一部分有機碳，對環境變化較敏感，與土壤有機碳的穩定性緊密相關（Xu et al.，2011；李順姬等，2010；林仕芳等，2022）。土壤微生物生物量碳（MBC）和溶解性有機碳（DOC）都屬于土壤活性有機碳組分（Chen et al.，2016）。廣西是中國典型的喀斯特地貌區域，在此區域內，土壤由于碳酸鹽巖成土背景，含鈣量較高（陳佑啟等，2000），鈣與喀斯特土壤有機碳的關系，會對喀斯特土壤生態系統的平衡與維持產生直接聯系（Kalbitz et al.，2000），在喀斯特土壤背景下外源碳酸鈣及秸稈對探究土壤有機碳礦化過程、土壤固碳作用以及土壤碳匯能力有重要意義。

目前，國內外已有不少學者針對外源物質對土壤有機碳的轉化與積累展開報道（Gocke et al.，2012）。有研究表明，土壤中加入外源物質會引起土壤有機碳分解速率發生改變，并且短期內會對土壤有機碳礦化產生強烈影響（陳春梅等，2006）。向土壤中加入外源物質促進或抑制有機碳礦化的現象被稱為“激發效應”，激發效應可分為正激發效應和負激發效應（Bingeman et al.，1953；葛云輝等，2012）。黃媛等（2013）發現向石灰土和黃壤中添加碳酸鈣對其負激發效應可達到16.27%—89.29%。肖謀良等（2014）發現向石灰土和紅壤中添加碳酸鈣后，兩種土壤中有機碳均會在短期內釋放大量CO2。Feng et al.（2016）和李楊等（2012）研究也表明向土壤中添加碳酸鈣可以提高微生物活性、促進土壤有機物的分解，從而影響土壤活性有機碳的含量變化以及土壤有機碳的礦化特征。此外，Dai et al.（2020）研究發現，在土壤中外源秸稈可以顯著提高土壤有機質含量，明顯促進土壤有機碳的礦化過程。秸稈有機碳和碳酸鈣是土壤有機碳積累與轉化過程中兩個重要的影響因素，研究這兩者與土壤有機碳礦化過程的關系有利于喀斯特地區生態系統的恢復與重建，以及對土壤固碳培肥作用提供理論依據。因此，本研究通過室內培養試驗，研究外源碳酸鈣和秸稈對土壤CO2釋放速率、累積釋放量以及土壤活性有機碳（微生物生物量碳和溶解性有機碳）的影響，旨在為深入了解喀斯特地區土壤有機碳的周轉和固存機制以及土壤碳減排提供支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于廣西壯族自治區桂林市雁山鎮六塘村（24°56′—25°02′N，110°10′—110°20′E），雁山鎮地勢北高南低，成土母巖以石灰巖為主，屬亞熱帶季風氣候區。該地區日照多，雨量足，氣候佳，年平均氣溫19.1 ℃，年平均降雨量1889 mm，無霜期302 d。基本性質如下：pH 5.38，碳酸鈣3.93 g·kg-1，有機碳 13.8 g·kg-1，微生物生物量碳 315.6 mg·kg-1，溶解性有機碳 391.5 mg·kg-1，飽和含水量58.11%。

1.2 樣品采集

于2021年10月在廣西六塘鎮采集土壤樣品，去除表層土壤后，采取 0—20 cm的耕作層土壤均勻混合，去除可見植物根系及碎石。過2 mm篩后，將一部分新鮮土壤放置在 4 ℃冰箱用于室內培養試驗；另外一部分風干后采用四分法均勻混合，以用來測定土壤基本理化性質。

1.3 試驗設計與分析方法

本試驗設置以下處理：不添加任何外源物質對照（CK）；5%秸稈處理（C0）；5%秸稈+5%碳酸鈣處理（C1）；5%秸稈+15%碳酸鈣處理（C2）；5%秸稈+25%碳酸鈣處理（C3），共5個處理，每處理設置3重復（土壤處理過程中先加入碳酸鈣，土壤穩定1周后再加入5%粉碎過后的秸稈）。

土壤有機碳礦化培養試驗：將上述處理的土壤樣品水分調節到最大田間持水量的45%，稱取各處理土壤樣品20 g于小燒杯中，并將其置于1 L廣口瓶中，每個瓶中同時放置1個裝有20 mL 0.1 mol·L-1的NaOH溶液的小燒杯和1個裝有10 mL去離子水的小燒杯，另外設置3個不添加土樣的空白對照，共18個廣口瓶。在25 ℃黑暗避光條件下恒溫培養60 d，培養至第2、5、8、13、18、23、31、39、47、60天時，從廣口瓶中取出裝有NaOH的小燒杯，更換新的NaOH溶液，同時將廣口瓶密封，測定土壤呼吸時釋放的CO2含量。

土壤理化性質及土壤不同形態碳組分測定：土壤pH采用pH計測定（水土質量比為2.5∶1），土壤飽和含水量采用環刀法測定，土壤碳酸鈣采用容量滴定法測定；微生物生物量碳（MBC）采用氯仿熏蒸-硫酸鉀浸提法測定（Wu et al.，1993）；溶解性有機碳（DOC）采用硫酸鉀浸提-TOC分析儀法測定。

1.4 計算公式

CO2釋放速率計算式如下（楊開軍等，2017）：

式中：

Cmin——培養期間土壤 CO2釋放速率（mg·g-1·d-1）；

V0——空白標定時消耗的標準鹽酸的體積（mL）；

V——樣品滴定時消耗的標準鹽酸的體積（mL）；

cHCl——標準鹽酸濃度（mol·L-1）；

m——每個小燒杯中的鮮土質量（g）；

w——土壤水分質量分數（%）；

t——培養時間（d）。

式中：

Y——土壤CO2累計釋放量（mg·g-1）

Ym——培養開始到某時間點釋放的CO2之和。

土壤有機碳激發效應計算式如下（Hamer et al.，2005）：

式中：

EP——碳酸鈣對土壤有機碳激發效應（%）；

YCa——添加碳酸鈣的土壤 CO2累積釋放量（mg·g-1）；

Y0——未添加碳酸鈣的土壤 CO2累積釋放量（mg·g-1）；

YT——原土 CO2累積釋放量（mg·g-1）。

1.5 統計與分析

本試驗研究應用Excel 2019對數據進行處理，用SPSS 23.0進行ANOVA分析、LSD法進行顯著性差異檢驗，分析不同處理間在P＜0.05水平上的顯著性差異，用Origin 2017軟件進行作圖。

2 結果與分析

2.1 土壤有機碳礦化特征

2.1.1 土壤CO2釋放速率變化

由圖1可知，在60 d的密閉礦化培養試驗中，不同含量碳酸鈣土壤的CO2釋放速率隨著培養時間的延長均呈現下降的趨勢，根據其降幅可分為3個階段：前期（第2—5天）快速下降，中期（第5—39天）緩慢下降，后期（第39—60天）趨于平穩。對3個階段的CO2釋放速率進行分析發現，第5、39、60天的CO2釋放速率分別是第2天的67.10%—78.97%、29.68%—36.08%和13.23%—31.55%。添加秸稈和碳酸鈣后土壤CO2釋放速率大幅提升，培養至第 2天時，各處理 CO2釋放速率表現為C2＞C1＞C3＞C0＞CK，與 C0 相比，C1、C2、C3 處理分別提高12.72%、19.77%、1.34%，CK處理降低1198.06%。培養至第39天和第60天時，不同含量碳酸鈣土壤間的CO2釋放速率沒有明顯差異。沒有添加任何外源物質的CK處理，CO2釋放速率在第18—60天時沒有明顯波動，保持穩定狀態。

圖1 不同含量碳酸鈣土壤的CO2釋放速率Figure 1 Release rate of soil CO2 with different content of calcium carbonate

2.1.2 土壤CO2累積釋放量變化

圖2所示為室內密閉礦化培養試驗進行不同處理時的CO2累積釋放量。由圖可知，隨著培養時間的延長，各處理的CO2累積釋放量也不斷增加，且均呈現前期快速增加，后期緩慢增加的趨勢。培養結束時，各處理間CO2累積釋放量以C2最高，為6.01 mg·g-1，剩下由大到小排列為 C1、C3、C0、CK，其CO2累積釋放量依次為5.97、5.46、5.195、0.41 mg·g-1。含有碳酸鈣的土壤CO2累積釋放量均高于不含碳酸鈣的土壤，C1、C2、C3相較于C0，CO2累積釋放量分別提高了14.92%、15.69%和5.10%。添加秸稈后，與CK處理相比，C0、C1、C2、C3處理 CO2累積釋放量依次提高了 1167.07%、1356.10%、1365.85%、1231.71%。

圖2 不同含量碳酸鈣土壤的CO2累積釋放量Figure 2 Cumulative release of soil CO2 with different content of calcium carbonate

2.1.3 土壤有機碳礦化的激發效應

不同含量碳酸鈣土壤有機碳礦化的激發效應如圖3所示，在整個培養期間，C1和C2處理對有機碳礦化有正激發效應，其中，C1處理激發效應在第5—8天逐漸減弱，8—31天明顯增強，第31天后又輕微減弱，正激發效應在第31天時表現最強，為132.81%，在第8天時表現最弱，為30.77%。C2處理在第 2—5天正激發效應大幅度增強，培養至第5天時最強，為308.33%，在第5—31天急劇減弱后輕微增強，第31天后又呈現小幅度減弱趨勢，第60天時激發效應最弱，為98.78%。C3處理除了在培養至第 31天時對有機碳礦化有微弱正激發效應外，整個培養過程對土壤有機碳礦化均有負激發效應，負激發效應在第 5天時顯著增強，為183.33%，在第5—31天時逐漸減弱，第31天表現為7.81%的正激發效應，隨后在培養第31—60天，又呈現負激發效應，在第39天時負激發效應最弱，表現為11.27%。

圖3 不同含量碳酸鈣土壤的有機碳激發效應Figure 3 The excitation effect of organic carbon in soils with different contents of calcium carbonate

2.2 土壤活性有機碳組分含量變化

2.2.1 土壤微生物生物量碳含量變化

由圖4可知，添加秸稈和碳酸鈣對土壤中的微生物生物量碳（MBC）均會產生不同程度的影響。其中，添加秸稈使土壤中MBC含量大幅提高，添加碳酸鈣后，與C0相比，C1、C2、C3處理的土壤MBC含量在培養第 1天與第 60天時分別降低3.80%、22.85%、51.96%和6.56%、16.95%、29.07%，在第30天時，C1、C2處理比C0分別增高25.58%和3.77%，C3處理比C0降低5.48%。在相同培養階段不同處理條件下，不同含量碳酸鈣土壤的MBC含量有不同變化趨勢。在培養第1天和第60天時，隨著碳酸鈣含量的增加土壤MBC含量不斷降低，C3處理在培養剛開始和結束時的MBC含量均顯著低于其他處理，在培養至第30天時，碳酸鈣會促進土壤MBC含量提高，但是隨著碳酸鈣含量的增加，促進作用逐漸減弱。在相同處理不同培養階段條件下，含有碳酸鈣的土壤第30天的MBC含量高于第1天和第60天，C1處理時產生的差異最顯著，而不含碳酸鈣的土壤，第30天的MBC含量顯著低于第1天和第60天。

圖4 不同含量碳酸鈣對土壤微生物生物量碳的影響Figure 4 Effects of different contents of calcium carbonate on soil microbial biomass carbon

2.2.2 土壤溶解性有機碳含量變化

如圖5所示，添加秸稈和碳酸鈣均顯著提高了各處理中土壤溶解性有機碳（DOC）含量，含有碳酸鈣的土壤，DOC含量在培養各階段均顯著高于不含碳酸鈣的土壤。相較于C0處理，C1、C2、C3處理的土壤 DOC含量在培養第 1天時分別提高22.67%、15.94%、18.03%；培養至第30天時分別提高73.69%、78.11%、63.77%；在培養結束時依次提高106.35%、82.00%、77.24%。隨著碳酸鈣濃度的增加，在培養第1天時，土壤DOC含量呈現“上升—下降—上升”趨勢，5%碳酸鈣對土壤DOC含量促進作用最明顯，培養第30天和第60天時，土壤DOC含量均表現為先上升后下降，但在第30天時，C2處理DOC含量最高，第60天時，C1處理DOC含量最高。在培養各階段，C0、C1、C2、C3處理土壤 DOC含量相比于 CK處理分別提高154.38%—212.06%、56.71%—179.10%和81.91%—275.36%。土壤中不同處理DOC含量隨著培養時間的增加均呈不斷下降的趨勢，且培養結束時DOC含量均顯著低于第1天和第30天。

圖5 不同含量碳酸鈣對土壤溶解性有機碳的影響Figure 5 Effects of different contents of calcium carbonate on soil dissolved organic carbon

2.3 土壤有機碳礦化和活性有機碳含量的相關性分析

對土壤第 60天的 CO2累積釋放量和土壤MBC、DOC含量進行皮爾遜相關性分析，結果如表1所示。土壤CO2累積釋放量與土壤微生物生物量碳、土壤溶解性有機碳含量均呈極顯著正相關關系，而土壤微生物量碳含量與土壤溶解性有機碳含量呈顯著正相關關系，說明土壤微生物生物量碳和土壤溶解性有機碳之間相互依存，雖然土壤活性有機碳含量較少但對環境變化比較敏感并且和土壤有機碳礦化過程緊密相關。

表1 土壤CO2累積釋放量和活性有機碳含量的相關性分析Table 1 Correlation analysis between cumulative release of soil CO2 and active organic carbon content

3 討論

3.1 不同含量碳酸鈣對土壤有機碳礦化的影響

本研究結果顯示，在培養剛開始的第2天土壤CO2釋放速率最大，隨著培養時間的延長土壤CO2釋放速率不斷降低，最后逐漸趨于平穩，原因是在培養前期土壤中含有大量易分解的糖類和蛋白質等有機物，為微生物活動提供了充足的碳源和養分，從而加強了微生物對有機物的分解利用，提高了CO2的釋放速率（劉賽男等，2019；史登林等，2020）。而到了培養后期，可利用的碳源含量減少，此時土壤中的有機質以難分解的有機物為主，微生物活性減弱，從而導致CO2釋放速率逐漸降低最后趨于穩定（EI-Naggar et al.，2015；Guo et al.，2016；馬欣等，2018）。此外，當碳酸鈣含量為15%時，土壤CO2釋放速率最高，而25%含量的碳酸鈣有效降低了土壤CO2釋放速率，說明高含量的碳酸鈣有利于土壤固碳。添加秸稈后，土壤的CO2釋放速率對比沒有添加任何外源物質CK處理大幅度提高，且CK處理 CO2釋放速率相比其他處理沒有明顯波動，是因為在沒有任何外源物質的擾亂下，土壤微生物活動處于穩定狀態，對CO2釋放速率的影響并不明顯（冷雪梅等，2022）。

土壤有機碳的礦化受外源物質的影響很大（Li et al.，2010；Song et al.，2020），在本研究中，不同含量碳酸鈣土壤，CO2累積釋放量由大到小排列依次為C2、C1、C3、C0，說明不同含量碳酸鈣對土壤有機碳礦化的促進效果不同，15%的碳酸鈣對土壤CO2累積釋放量的促進作用最明顯，25%的碳酸鈣促進效果最弱，這可能是因為在不同含量碳酸鈣條件下，土壤中游離鈣離子的遷移速率有差異，導致有機碳與鈣離子結合成團聚體的速度不同，從而對有機碳的礦化作用也不同（蘇有健等，2014）。在培養后期，土壤CO2累積釋放量增加的幅度逐漸減弱，原因可能是土壤的礦化作用將容易利用的有機碳消耗了，當土壤的礦化量大于輸入量時，土壤有機碳含量就會有累積，反之則會表現為虧損狀態（陳曉芬等，2018）。秸稈的添加顯著提高了土壤的CO2累積釋放量，是因為秸稈的加入一方面為土壤帶來了大量的碳源和養分；另一方面促進了土壤中微生物的活動，從而增加了土壤中有機代謝物的分泌（Fatima et al.，2021；閆雷等，2020）。

當土壤中有外源物質加入時，土壤有機碳在短期內發生改變的現象被稱作激發效應（Kuzyakov et al.，2006；魏圓云等，2019）。本研究含有碳酸鈣的土壤當中，C1和C2處理在整個培養期間都表現為正激發效應，且C2處理的正激發效應始終高于C1處理，在培養初期時差異顯著，說明5%和15%的碳酸鈣均可以促進土壤有機碳礦化作用，但是15%含量的碳酸鈣促進效果更為明顯。之所以培養初期激發效應強烈，可能是因為培養初期微生物受外界的影響較大，對外源物的利用率也較高（肖燁等，2019）。C3處理在培養至第 31天時表現出短暫的正激發效應，其他時期均表現為負激發效應，說明25%的碳酸鈣含量會抑制土壤有機碳的礦化，原因可能是將大量碳酸鈣加入到土壤后，土壤中易氧化的有機碳和鈣結合形成鈣鍵合態有機碳在土壤中積累，限制了土壤中有機碳和微生物以及土壤酶的接觸，從而避免了土壤碳受微生物的降解（周萍等，2009；陳磊等，2019）。

3.2 不同含量碳酸鈣對土壤活性有機碳組分的影響

土壤活性有機碳雖然只是有機碳中比例較小的一部分，但它可以較為靈敏的反映早期的土壤質量，且能夠直接影響土壤微生物的活性，從而對土壤的有機碳礦化作用和土壤固氮能力產生影響（Yagi et al.，1990；羅梅等，2018）。在本研究中，土壤CO2累積釋放量與土壤活性有機碳含量之間均呈極顯著正相關關系，說明活性有機碳組分的含量和動態與土壤有機碳的礦化作用有緊密關系（李忠佩等，2004）。秸稈的添加使土壤MBC和DOC含量均得到顯著提高，一部分原因是秸稈為土壤帶來了大量碳源，提高了土壤有機碳含量，另一部分原因可能是秸稈還田提高了土壤中微生物的活性，從而加速了有機碳的運轉。在添加碳酸鈣第 30天各處理土壤MBC含量均達到峰值，原因是大部分外源物質會在短期內被微生物分解利用，從而使MBC含量上升（Setia et al.，2010）。在培養第60天，土壤MBC含量隨著碳酸鈣含量的增加而不斷降低，說明高含量碳酸鈣會抑制土壤MBC，這可能是因為在培養后期大部分外源物質已經被微生物分解利用，而且碳酸鈣添加后加劇了土壤溶解性有機碳的礦化，使土壤有機碳含量減少，從而導致土壤MBC含量的降低（Shen et al.，2016；李艾蒙等，2019）。

土壤MBC和土壤DOC相互依存，有著緊密相連的關系（吳靜等，2015；賈生強等，2021；杜雪等，2022）。本研究發現，添加碳酸鈣后，在培養的各階段土壤 DOC含量均顯著提升，可能是因為土壤溶解性有機碳很大一部分是土壤有機酸，極易與鈣離子結合成穩定的復合體保存在土壤中（Moreno et al.，2006），這類復合體短期內很難被消耗，從而增加了土壤DOC含量。在培養結束時，C1處理的DOC含量顯著高于其它處理，說明5%的碳酸鈣會顯著促進土壤 DOC含量的上升。隨著培養時間的延長，各處理土壤 DOC含量不斷下降，當培養結束時，各處理土壤DOC含量顯著低于培養第1天，原因可能是培養后期大部分碳酸鈣會和土壤中的腐殖質、胡敏酸等結合生成穩定的腐殖酸鈣，導致土壤DOC含量隨之降低（段文軍等，2013；鄭斯尹等，2019）。

4 結論

綜上所述，外源秸稈和碳酸鈣能改變土壤有機碳礦化特征，具體表現為：

（1）5%秸稈的添加顯著提高土壤 CO2釋放速率、累積釋放量以及土壤活性有機碳含量，促進土壤有機碳礦化。

（2）含有25%碳酸鈣土壤的CO2釋放速率、累積釋放量均低于其他處理，并對土壤有機碳礦化表現出強烈負激發效應，表明土壤較高的碳酸鈣含量（25%）能夠抑制外源秸稈有機碳的礦化分解。

（3）碳酸鈣的添加顯著提高土壤 DOC含量，5%碳酸鈣作用最明顯，且隨培養時間延長土壤DOC含量不斷下降；土壤MBC含量隨碳酸鈣含量上升而不斷下降。