温度对太谷县农田土壤有机碳矿化的影响

马昕昕

（山西农业大学信息学院，山西太谷030800）

温度对太谷县农田土壤有机碳矿化的影响

马昕昕

（山西农业大学信息学院，山西太谷030800）

土壤是个巨大的有机碳库，研究土壤有机碳矿化的影响因素以揭示其稳定性，可为区域土壤有机碳储量的估算提供依据。通过室内培养、碱液吸收法研究了温度变化对太谷县农田土壤有机碳矿化的影响。结果显示，土壤有机碳矿化量在同一温度下随土层加深呈下降趋势，在同一土层中随温度的升高呈上升趋势，当温度由10℃升高至30℃时，0～20，20～40，40～60，60～80，80～100 cm土层土壤有机碳矿化量的增幅分别为130.7%，164.6%，136.7%，98.1%，86.7%；各土层平均温度系数（Q10）变化在1.428～1.604，并无明显差异；各土层的矿化率随温度的升高呈上升趋势，同温度下，各土层间的矿化率均基本一致，无显著差异。研究结果反映了各土层土壤有机碳均参与了土壤碳循环，且当外界温度变化时，各土层土壤有机碳的稳定性均会受到影响，因此，估算该区域农田碳库时应充分考虑各土层土壤有机碳的变化。

农田；温度；有机碳矿化量；有机碳矿化率；太谷县

全球碳循环失衡导致的大气CO2浓度持续升高，使全球变暖日益加剧[1]，引起了社会各界以及科学界的极大关注。土壤庞大的有机碳库，约占全球陆地总碳库的2/3～3/4[2-3]，同时也活跃地参与全球碳循环[3-4]，土壤表面排放的CO2是陆地生态系统碳收支中最大的通量[4-6]。因此，土壤碳库的变化决定了陆地生态系统是“碳汇”还是“碳源”[7]。

作为碳循环过程的关键步骤，土壤有机碳矿化受到土壤理化性质、农业耕作措施和环境因子等诸多因素的影响[8-9]，其中，土壤温度和含水量是关键的影响因子[10]。而WAGAL等[11]、BUCHMAN[12]研究指出，土壤呼吸与土壤温度关系显著，而与土壤湿度关系较弱。FANG等[10]研究表明，随着温度的增长，苏格兰农田和人工林的土壤有机碳矿化速率呈指数增加；常宗强等[13]关于我国黑河流域山区牧坡草地土壤呼吸的研究结果也表明，土壤呼吸速率与温度呈显著指数关系，与土壤含水量呈显著乘幂关系。目前关于土壤有机碳的矿化主要集中在林地、水稻土等地区，而针对于山西农田的土壤有机碳矿化则鲜有报道。山西省太谷县农业基础良好，耕地面积约3万hm2，是山西省重要的商品粮基地[14]，因此，研究该地区的土壤有机碳变化及其影响因素则显得尤为重要。

本试验以太谷县农田为研究对象，研究了不同的温度条件下0～100 cm土层不同深度土壤有机碳矿化，为在全球气候变化大环境下准确估计该地区固碳能力提供依据。

1 材料和方法

1.1 研究地区概况

研究区域设在山西省晋中市太谷县（N37°12′～37°32′，E112°28′～113°01′），海拔767～1 914 m，位于山西省中部，地处晋中盆地东北部。该区土地肥沃，气候温和，年均气温9.8℃，降水量约458 mm，无霜期175 d，属于温暖带大陆性气候。该区土壤类型多为褐土性土。太谷县农田耕地主要分布在城郊的5个乡镇（水秀乡、侯城乡、北汪乡、阳邑乡、小白乡）。

1.2 样地选取和土壤样品采集

2016年8月中旬，在水秀乡选择3块有代表性的夏玉米农田作为样地，每块样地随机用内径为5 cm土钻分层多点采0～100 cm土样，每20 cm为一层，共得15个混合土样。取样后拣去碎石块和根系残体，用四分法取足样品后装入样品袋。土样分2个部分：一部分过2 mm筛，保存于4℃条件下供矿化培养用；另一部分风干、研磨、过筛后供有机碳含量的测定使用。

1.3 试验方法

根据文献[15]，设土壤含水量为10%，温度分别为10，15，20，25，30℃，测定不同土层土壤有机碳的的日均矿化量。称取新鲜土壤（相当于50 g风干土）放置于统一体积的塑料瓶（带盖子）内，加蒸馏水调节，使土壤含水量为10%，同时设置空白。另外，塑料瓶内放装有20 mL的0.05 mol/L浓度的NaOH溶液的小烧杯，密封塑料瓶，将其置于已经设定温度的恒温培养箱内培养。培养过程中，通过称重法定期为土壤补充水分，使塑料瓶含水量保持在10%。培养过程中，在第2，3，4，6，8，11，14天更换新的NaOH溶液。在取出的NaOH溶液中，加入酚酞指示剂和1 mL的0.5 mol/LBaCl2溶液，用0.05 mol/L HCl滴定，滴定终点为红色变粉红色。每个土样每个温度下重复2次。根据HCl消耗量可以计算CO2的释放量，即可得出培养期内土壤有机碳的矿化量和矿化速率等。

1.4 测定项目及方法

土壤有机碳：采用重铬酸钾外加热法[16]测定。每个土样重复测定2次，取平均值。

矿化量、矿化速率：采用室内恒温培养、碱液吸收法[17-18]测定。对每块样地各个土层进行试验。

矿化率：矿化率＝总矿化量/土壤有机碳× 100%。

温度系数（Q10）[19]：Q10表示温度变化10℃土壤有机碳矿化速度变化的倍数，可用来表示温度对有机碳矿化速率的影响。其计算公式如下。式中，T表示温度（℃）。

1.5 数据计算与分析

不同温度条件下不同土层土壤有机碳总矿化量、矿化速率、矿化率等采用软件SPSS 13.0进行ANOVA分析，LSD法进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 各土层土壤有机碳总矿化量对温度变化的响应

由图1可知，各个温度下，土壤有机碳的矿化量随土层加深而呈降低趋势，其中，0～20，20～40cm与其余3个土层间均呈显著差异（P＜0.05）。各土层土壤有机碳矿化量随温度的升高整体呈增加趋势，各土层在不同温度条件下的总矿化量均呈显著差异（P＜0.05）。当温度由10℃上升至30℃时，各土层总矿化量的变幅不同，其中，0～20，20～40，40～60 cm土层土壤有机碳矿化量增加较多，分别为130.7%，164.6%，136.7%；60～80，80～100 cm土层有机碳矿化量增加相对较少，分别为98.1%，86.7%。由此可见，温度变化对各个土层的土壤有机碳矿化量均有较大影响。

2.2 各土层土壤有机碳矿化速率对温度变化的响应

由图2可知，与有机碳矿化量变化趋势相似，相同的温度条件下，随着土层的加深，土壤有机碳的矿化速率呈降低趋势，其中，0～20，20～40 cm与其余3个土层间均呈显著差异（P＜0.05）。各土层土壤有机碳矿化速率随温度的升高呈上升趋势。与矿化量不同，0～20，20～40 cm土层中，10℃时的矿化速率与20，25，30℃时呈显著差异（P＜0.05），40cm以下土层中，10℃时的矿化速率仅与25，30℃时呈显著差异（P＜0.05）；0～20 cm土层中，15℃时的矿化速率分别与20，25，30℃时呈显著差异，而其他土层15℃时的矿化速率仅与25，30℃时呈显著差异。0～20，20～40，40～60 cm土层中，20，25，30℃时的矿化速率两两呈显著差异，60 cm以下土层无差异。

2.3 各土层土壤有机碳温度系数（Q10）对温度变化的响应

温度对有机碳矿化速率的影响，可用温度系数（Q10）来表示。Q10表示温度变化10℃，土壤有机碳矿化速度变化的倍数。图3显示，各土层平均Q10变化在1.428～1.604，并无明显差异（P＞0.05）。可见，温度的升高对于各个土层土壤有机碳矿化速率的影响均较大。

2.4 各土层土壤有机碳矿化率对温度变化的响应

土壤有机碳矿化率，指土壤有机碳矿化量占土壤有机碳的比例，可用来表示土壤有机碳的稳定性。矿化率越低，则说明土壤有机碳的稳定性越强，反之，说明其稳定性越弱，则土壤中的有机碳易参与生态系统碳循环。从图4可以看出，同一温度条件下，各土层间的土壤有机碳矿化率基本一致（P＞0.05）。随着温度的变化，0～20 cm土层土壤有机碳矿化率的变化范围为4.23%～9.77%，20～40 cm土层的变化范围为3.77%～9.97%，40～60 cm土层则为4.00%～9.47%，60～80 cm土层为5.20%～10.30%，80～100 cm土层为5.77%～10.77%。可见，温度的变化，不仅对表层（0～20 cm）土壤有机碳的矿化产生了影响，同时也对下层土壤产生了不小的影响。

3 讨论

近年来全球变化与生态学的兴起，人们密切关注大气CO2浓度升高带来的诸多影响。土壤作为庞大的有机碳库，其积累和稳定有机碳的能力受到了更多的关注[20]。太谷县作为山西省主要的粮食生产地，其农田土壤有机碳的稳定性强弱则会影响该地区碳库的估算。

作为土壤碳循环的关键步骤，土壤有机碳的矿化作用及其强弱是反映有机碳稳定性的重要指标。与ZAK等[21]研究结果相似，本研究结果发现，温度的变化对太谷县农田土壤有机碳矿化量、矿化速率及其矿化率的影响较明显。FANG等[22]研究结果表明，随着温度升高，苏格兰的农田和人工林土壤矿化速率呈指数增加。本研究中也发现，当温度由10℃上升至30℃时，各土层总矿化量均有增加，其中0～20，20～40，40～60 cm土层土壤有机碳矿化量增加较多，分别为130.7%，164.6%，136.7%；60～80，80～100 cm土层有机碳矿化量增加量分别为98.1%，86.7%。

本研究中，各温度条件下，土壤有机碳矿化量、矿化速率随着土层的加深呈降低趋势，这是因为土壤有机碳矿化量主要受控于土壤有机碳总量[23]。本研究中各温度条件下各土层土壤矿化率无显著差异，这可能与本试验为室内试验的局限性有关，土样经过扰动后，其状态与自然状态有所差异，因此，会使土壤有机碳矿化量比实际偏高，但条件的局限性对各土层土样均有影响，因此，试验结果仍具有一定的参考价值。可见，温度的变化对各土层土壤有机碳的稳定性均有影响且影响大小一致。

4 结论

本研究结果表明，土壤有机碳矿化量在同一温度下随土层加深呈下降趋势，在同土层中随温度的升高呈增加趋势：当温度由10℃升高至30℃时，0～20，20～40，40～60，60～80，80～100 cm土层土壤有机碳矿化量的增幅分别为130.7%，164.6%，136.7%，98.1%，86.7%。

各土层平均温度系数Q10变化在1.428～1.604，并无明显差异。

随着温度的升高，各土层土壤有机碳矿化率呈上升趋势。各温度条件下，各土层间的土壤有机碳矿化率均基本一致，无显著差异。可见，各土层土壤有机碳均参与了土壤碳循环，且当外界温度变化时，各土层土壤有机碳的稳定性均会受到影响。

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Effects of Temperature on Soil Organic Carbon Mineralization of Farmland in Taigu

MAXinxin
（College ofInformation，Shanxi Agricultural University，Taigu 030800，China）

Soil is a huge organic carbon pool.We can reveal its stability and provide the basis for soil organic carbon（SOC）storage by studying the SOC mineralization.In this paper,laboratory incubation experiments were carried out to investigate the effects of temperature on soil organic carbon mineralization by alkali absorption method.The results showed that with the soil depth increasing, there was a downward trend in the total SOC mineralization under different temperatures.The SOC mineralization increased with the rise of temperature in each soil layer.When the temperature was increased from 10℃to 30℃，the growth rate of soil organic carbon mineralization was respectively130.7%,164.6%,136.7%,98.1%,86.7%in the 0-20,20-40,40-60,60-80,80-100 cm soil layer.The average temperature coefficient（Q10）of each soil layer changed from 1.428 to 1.604,there was no significant difference between them. The mineralization rate of SOC increased with the rise of temperature in each soil layer.There was no significant difference in the mineralization rate of SOC in each soil layer under different temperatures.The results revealed that the SOC in each soil layer was involved in the whole globe carbon cycle.When the temperature changed,the stability of SOC would be affected.The change of SOC in each soil layer should be taken intoaccount when estimatingthe SOCpool offarmland in Taigu.

farmland;temperature;SOCmineralization;mineralization rate ofSOC;Taigu county

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.05.25

S153.6

：A

：1002-2481（2017）05-0769-04

2016-12-14

马昕昕（1988-），女，河南洛阳人，助教，硕士，主要从事土壤质量演变研究工作。