黄色石灰土不同粒径团聚体有机碳矿化对温度的响应

江家彬 杨芳 王小利 段建军

摘 要：石灰巖（CaCO3）发育是西南喀斯特地貌的主要成因，且石灰岩发育而成的石灰土对全球温室气体的排放产生了巨大的影响，但石灰土不同粒径团聚体中的有机碳在不同温度下的矿化特征尚不清楚。因此，本研究通过室内模拟培养试验结合湿筛法和碱液吸收法探究了15℃、25℃和35℃下黄色石灰土>0.25mm、0.053～0.25mm、0.002～0.053mm和<0.002mm粒径团聚体有机碳的矿化特征。结果表明：随团聚体粒径降低，土壤有机碳含量逐渐降低（P<0.05），其中，>0.25mm有机碳含量为15.67g/kg，<0.002mm有机碳含量为0.59g/kg;在培养的第1天，三种温度下各粒径团聚体有机碳矿化速率均达到峰值，随后快速下降并逐渐趋于稳定;且0.053mm～0.25mm团聚体有机碳的矿化速率（14.37～31.99mg/（kg·d））和累积矿化量（100.67～223.92g/kg）最大，是最低的<0.002mm粒径团聚体的1.01～1.28倍;各粒径团聚体可矿化有机碳比例分别为：>0.25mm（0.41%～0.91%）、0.053～0.25mm（0.42%～0.93%）、0.002～0.053mm（0.44%～0.79%）和<0.002mm（0.41%～0.73%）（P<0.05）。其次，在低温（15℃）下升温，0.053～0.25mm团聚体有机碳Q10值（1.56）最大，而常温（25℃）下升温，则是>0.25mm团聚体有机碳Q10值最大（1.68）;且0.053～0.25mm团聚体有机碳的潜在可矿化量C0（111.62～239.59mg/kg）及矿化速率常数K（0.41～0.44）均大于其余各粒径团聚体。综上所述，黄色石灰土0.053～0.25mm粒径团聚体有机碳矿化对升温的响应强烈，>0.25mm和0.002～0.053mm粒径团聚体次之，而<0.002mm粒径团聚体有机碳矿化对升温响应最弱;固碳能力依次为：（<0.002mm）>（0.002～0.053mm）>（>0.25mm）>（0.053～0.25mm）。

关键词：黄色石灰土;固碳潜力;不同粒径团聚体;有机碳矿化;温度敏感性

Abstract：The development of limestone （CaCO3） is the main cause of karst landform in Southwest China， and the limestone soil has a great impact on the global greenhouse gas emissions， but the mineralization characteristics of organic carbon in different size aggregates of limestone soil at different temperatures are not clear. Therefore， this study used indoor simulated cultivation experiments combined with wet sieve method and lye absorption method to explore the mineralization characteristics of organic carbon in mm-sized aggregates， including limestone> 0.25 mm， 0.053 mm ～ 0.25 mm， 0.002 mm ～ 0.053 mm and <0.002 at 15 ℃， 25 ℃ and 35 ℃. The results showed that as the aggregate size decreased， the soil organic carbon content gradually decreased （P <0.05）， where> 0.25 mm organic carbon content was 15.67 g/kg and <0.002 mm organic carbon content was 0.59 g/kg; on the first day of culture， the mineralization rate of organic carbon in aggregates with different particle sizes reached the peak under three temperatures， then rapidly decreased and gradually stabilized; the mineralization rate （14.37-31.99 mg/（kg·d）） and cumulative mineralization amount （100.67-223.92 g/kg） of 0.053 mm ～ 0.25 mm aggregates were the highest， which were 1.01 ～ 1.28 times of the lowest < 0.002 mm aggregates;the proportions of mineralizable organic carbon of each particle size aggregate were：> 0.25 mm （0.41% ～ 0.91%）， 0.053 mm ～ 0.25 mm （0.42% ～ 0.93%）， 0.002 mm ～ 0.053 mm （0.44% ～ 0.79%） and <0.002 mm （0.41% ～ 0.73%） （P <0.05）. Secondly， when the temperature was raised at low temperature （15℃）， the Q10 value （1.56） of the organic carbon of the aggregates from 0.053 mm to 0.25 mm was the largest， while at room temperature （25℃）， the Q10 value of the organic carbon of the aggregates of > 0.25 mm was the largest （1.68 ）; the potential mineralizable amount C0 （111.62 ～ 239.59 mg/kg） and the mineralization rate constant K （0.41～ 0.44） of the organic carbon in the aggregates of 0.053 mm to 0.25 mm were larger than those of the other aggregates. In summary， the mineralization of 0.053 mm ～ 0.25 mm agglomerates organic carbon in yellow limestone responded strongly to temperature rise， followed by> 0.25 mm and 0.002 mm ～ 0.053 mm agglomerates， and <0.002 mm agglomerates organic carbon mineralization. The organic carbon mineralization of aggregates <0.002 mm has the weakest response to heating. The carbon-fixing capacity was： （<0.002 mm）>（0.002 mm ～ 0.053 mm）>（> 0.25 mm）>（0.053 mm ～ 0.25 mm）.

Keywords：yellow lime soil;aggregates with different particle sizes; mineralization of organic carbon; carbon sequestration potential; temperature sensitivity

土壤是陆地生态系统最大的碳库，在1 m深土层中约有2500亿吨碳[1]，其细微变化足以对局部地区CO2水平产生巨大的影响[2]。因此，土壤固定有机碳是减缓温室气体（CO2、N2O等）排放的重要途径之一[3]。在干旱和湿润交替等物理过程下，由土壤颗粒和有机物所形成的具有多孔结构的土壤团聚体是土壤有机碳的主要赋存场所[4]。在表土团聚体中有机碳含量占全土有机碳含量的90%[5]，土壤团聚体有机碳的矿化主要受土壤温度[6]、水分[7]、质地[8]、肥力[9]以及人为措施[10]等的影响。土壤有机碳损失途径主要是微生物介导的矿化过程，而温度的高低直接影响微生物的活性，进而影响有机碳的矿化[11]。

全土有机碳矿化是不同土壤团聚体矿化的总体反映。研究土壤团聚体有机碳在全土有机碳矿化中的贡献，对进一步探究土壤碳循环过程具有重要意义。目前，国内外对于不同土壤团聚体有机碳矿化已有较多报道：其研究结果均表现为增温能促进土壤有机碳的矿化，但其具体效果受增温方式、生态系统类型以及增温时间等的影响而存在差异[12]。郭振等[13]研究发现，常温下（25℃）各粒径土壤团聚体固碳潜力分别为：（>0.25mm）>（<0.002mm）>（0.053～0.25mm）>（0.002～0.053mm）;杨芳等[14]却发现0.002～0.053mm的固碳潜力大于0.053～0.25mm。刘晶等[15]发现土壤团聚体可矿化有机碳分配比例随粒径减小而变大，大颗粒团聚固碳能力强于小团聚体。Semenov等[16]研究发现土壤团聚体有机碳潜在可矿化量最高的是粒径为0.25～2mm的团聚体。陈晓芬等[17]发现有机碳含量是影响团聚体有机碳矿化的主要因素，大团聚体在土壤有机碳矿化过程中起着主导作用。

我国南方地区喀斯特地貌较为发育，对全球温室气体的排放产生了巨大的影响，在一定程度上加速了温室效应的进程。而贵州省作为我国喀斯特地貌最为发育的地区之一，其占比达到全省面积的62%，对其的研究有助于了解喀斯特地区土壤有机碳排放及固定机制。因此，本试验以贵州省喀斯特地区典型黄色石灰土为研究对象，采用室内模拟培养，结合湿筛法和碱液吸收法，并运用一级动力学方程对黄色石灰土不同粒径团聚体有机碳累积矿化量进行拟合，揭示不同温度下各粒径土壤团聚体有机碳的矿化规律，以期为预测喀斯特地区土壤碳库平衡提供一定的数据支撑。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

研究区位于贵州省普定县典型喀斯特区域（N 26°26′36″，E 105°27′49″），該地长期处于亚热带季风湿润气候，季风交替明显，气候温和。供试土壤采集于该地多年种植小麦的旱地土壤。于2017年8月采用五点取样法采集表层土壤（0～20cm）样品共20kg。带回室内经人工剔除>10mm的植物残体和石块后，置于阴凉干燥处自然风干，经磨碎后过2mm筛放入密闭的保鲜袋中备用。其中一部用于湿筛法分组和室内培养，另一部分分别过0.149mm、0.25mm和1mm筛测定土壤基本理化性质。供试土壤的基本理化性质为：有机质42.28g/kg、全氮1.94g/kg、碱解氮169.32mg/kg、全磷0.67g/kg、速效磷2.26mg/kg、全钾10.41g/kg、有效性钾127.25mg/kg、pH7.71。

1.2 不同粒径团聚体的筛分

采用湿筛法[18]对土壤样品进行筛分，直至筛分出足量各粒径团聚体。具体步骤：称取过2mm筛子的风干土20.00g，置于微团聚体分离器中（上层筛子孔径为0.25mm、下层筛子孔径为0.053mm）。用蒸馏水浸泡20min， 团聚体的分离通过上下移动筛子20min（频率为25次/分钟），摆幅为4cm。筛分结束后静置30min。上层筛中为>0.25mm团聚体，下层筛中为0.053mm～0.25mm团聚体，余下的悬液置于离心机中在900rpm下离心7min，位于底部的固体部分为0.002mm～0.053mm团聚体;然后将余下的上清液再次在3200rpm下离心15min，底部的固体部分为<0.002mm团聚体。最后将得出的各个组分团聚体无损地转移到铝盒中，在60℃下烘干称重，并用于有机碳的矿化培养试验。在20.00g原土中>0.25mm、0.053mm～0.25mm、0.002mm～0.053mm和<0.002mm粒径的团聚体质量、有机碳含量、土壤回收率和各组分变异系数如表1所示;筛分结果和过程的可靠性和重现性良好。

1.3 土壤有机碳矿化培养试验

试验共设置>0.25mm、0.053～0.25mm、0.002～0.053mm和<0.002mm 粒径的团聚体4个处理，并设置无土对照作为空白，对照和每个处理均重复3次。具体试验步骤为：将>0.25mm、0.053～0.25mm、0.002～0.053mm和<0.002mm团聚体按其对应的质量分数分别称取11.04g、5.14g、2.79和0.41g置于50mL烧杯中，用蒸馏水调节至田间持水量的70 %，将烧杯放于1L密闭的广口瓶中，在25℃黑暗条件下预培养24h。预培养结束后，在每个广口瓶中放入盛有10mL0.1mol/LNaOH溶液的小烧杯。分别在15℃、25℃和35℃黑暗条件下培养一周，并在培养第1d、2d、3d、4d、5d、6d和7d时将盛有10mL0.1mol/LNaOH溶液的烧杯取出，并立即加入2mL1mol/L的BaCl2溶液和2滴酚酞指示剂，用0.1mol/L的HCl滴定剩下未被消耗的NaOH，从而通过消耗的HCl量来计算CO2矿化量。每次测定结束后，采用称重法补充烧杯中的水分至初始质量，通气30min，再次更换盛有10mL 0.1mol/L NaOH溶液的烧杯，继续进行培养，整个过程持续一周（7d）。

1.4 测定方法

土壤pH采用蒸馏水进行浸提（水土比2.5：1）后用pH（Mettler-toledo 320）计测定;土壤全氮（TN）、有机碳 （SOC）采用碳氮元素分析仪测定; 土壤碱解氮采用流动注射仪 （Fiastar5000） 测定; 土壤全磷 （TP） 、速效磷 （Olsen-P）分别采用NaOH熔融法、0.5mol/L NaHCO3溶液进行提取，用钼锑抗比色-紫外分光光度计 （UV-2450， 日本） 测定; 全钾和有效钾采用NH4OAc浸提-火焰光度法测定[19]。

有机碳矿化量（mg/kg）：CHCL×（V0–V1）×22/0.03;其中CHCL表示盐酸的浓度（mol/L），V0为空白所消耗的盐酸量（mL），V1为各处理所消耗的盐酸量（mL）。

有机碳矿化速率[mg/（kg·d）]：培养时间内有机碳的矿化量培养时间;不同粒径土壤团聚体有机碳矿化率=培养期间释放的CO2总量/总的有机碳含量×100%;有机碳累积矿化量的计算为从培养的第一天起至某一天时有机碳总的矿化量。采用一级动力学方程进行拟合：Ct=C0（1-e-kt）;式中Ct为经t时间后有机碳的碳累积矿化量（g/kg）;C0为有机碳潜在的矿化量（g/kg）;K为有机碳周转速率常数（d-1），t为培养时间（d），半周转期（T1/2）=ln2/k;土壤有机碳矿化的温度敏感性系数Q10：Q10=Rt+10/Rt;其中Rt和Rt+10表示温度为t和t+10时有机碳的矿化速率。

1.5 数据处理与分析

运用Microsoft Excel 2019软件进行数据整理，采用 SPASS19.0进行方差分析和多重比较（P<0.05）;用 Origin8.0进行一级动力学方程参数拟合和绘图。

2 结果与分析

2.1 不同温度下各粒径团聚体有机碳的矿化

各粒径团聚体有机碳在不同温度下（15℃、25℃和35℃）的矿化速率如图1所示。土壤有机碳矿化速率均在培养的第一天达到最大值，且随培养时间的增加逐渐降低，均表现为前期快速下降，后期缓慢降低，最终各团聚体有机碳矿化速率逐渐趋于同一水平。且各组分有机碳矿化速率均表现为随着温度的升高而升高，即V35℃>V25℃>V15℃。15℃条件下，各团聚体有机碳矿化速率均较低;在培养的第1天，0.002～0.053mm粒径团聚体矿化速率最高为40.43mg/（kg·d），是矿化速率最低的0.053～0.25mm粒径团聚体的1.25倍。在25℃培养时，各团聚体有机碳矿化速率较15℃时有较大的提升;在培养的第1天，0.053～0.25mm粒径团聚体的矿化速率最高为58.92mg/（kg·d），是矿化速率最低的>0.25mm粒径团聚体的1.62倍。在35℃培养时，各粒径团聚体有机碳矿化速率均达到最大值;在培养的第1天，0.053～0.25mm粒径团聚体的矿化速率最高为74.53mg/（kg·d），是矿化速率最低的0.002～0.053mm粒径团聚体的1.48倍。

土壤有机碳累积矿化量是表征土壤有机碳潜在可矿化量的重要指标，有助于评价土壤的固碳潜力。如图2所示，15℃条件下，各粒径的团聚体有机碳累积矿化量无明显差异（98.94～106.23）mg/kg;25℃条件下，0.053mm～0.25mm和0.002mm～0.053mm粒径团聚体有机碳累积矿化量高于其他团聚体，其中有机碳累积矿化量最高的0.053mm～0.25mm粒径的团聚体为157.38mg/kg，是有机碳累积矿化量最低的>0.25mm粒径团聚体的1.21倍;35℃条件下，0.053mm～0.25mm和>0.25mm粒径团聚体有机碳累积矿化量高于其他团聚体，有机碳累积矿化量最高的0.053mm～0.25mm粒径团聚体（223.92mg/kg）是有机碳累积矿化量最低的<0.002mm粒径团聚体的1.28倍。整体上看，矿化速率与累积矿化量相似，均随着温度的升高而增加;其中0.053mm～0.25mm粒径的团聚体有机碳累积矿化量高于其他组分团聚体。

土壤有机碳矿化是土壤中不同团聚体有机碳矿化的总体表现，探究不同粒径团聚体可矿化有机碳比例有助于揭示土壤有机碳矿化和固定的内在机制。如图3所示，3种温度下>0.25mm、0.053mm～0.25mm、0.002mm～0.053mm和<0.002mm粒径团聚体有机碳矿化率分别为：0.41%～0.91%、0.42%～0.93%、0.44%～0.79%和0.41%～0.73%。不同温度下，各团聚体有机碳矿化率呈现出一致的趋势，表现为与温度成正比，而与土壤团聚体粒径和有机碳含量成反比，且各组分间均呈现出显著性差异（P<0.05）。

2.2 不同粒径团聚体有机碳矿化的温度敏感性（Q10）及其参数的变化

如图4所示，在低温下（15℃），>0.25mm、0.053mm～0.25 mm、0.002mm～0.053mm和<0.002mm粒径团聚体的Q10值分别为1.31、1.56、1.42和1.31。除0.002mm～0.053mm粒径团聚体外，Q10值最大的0.053mm～0.25mm团聚体与其余团聚体均呈现显著性差异（P <0.05），是Q10值最低的>0.25mm团聚体的1.25倍;在常温下（25℃），>0.25mm、0.053mm～0.25mm、0.002mm～0.053mm和<0.002mm粒径团聚体的Q10值分别为1.68、1.42、1.25和1.34;Q10值最大的>0.25mm团聚体与其余团聚体均呈现显著性差异（P<0.05），是Q10值最低的0.00mm～0.053mm团聚体的1.34倍。

不同粒径团聚体有机碳在不同温度下累积矿化量与培养天数之间的动态变化可用一级动力学方程〔Ct=C0（1–e-kt）〕进行拟合（P<0.01），拟合结果的相关参数如表2所示;其中擬合的相关系数（R2）均大于或等于0.953，表明存在极显著相关关系;15℃条件下，各粒径团聚体有机碳潜在可矿化量（C0）大小为：0.002mm～0.053mm > 0.053mm～0.25mm > <0.002mm > >0.25mm。其中C0最大的0.002 mm～0.053 mm团聚体为112.70 mg/kg，是C0最小的0.25mm团聚体的1.08倍;在25℃和35℃培养时，C0最大的分别为0.053mm～0.25mm团聚体（167.84mg/kg）和>0.25mm团聚体（257.71mg/kg），C0最小的均为<0.002mm团聚体，分别为148.31mg/kg和194.32mg/kg。虽然各个组分的C0对温度的响应程度各不相同，但总体上均呈现出随温度的升高而增加的趋势。其次，各组分有机碳矿化速率常数（k）的范围为（0.31～0.46）/d，且k值在15℃培养时最大，35℃培养时最小，整体上表现为随温度的升高而降低;半周转期T1/2为（1.50～2.12）/d，三种温度下各组分团聚体有机碳的半周转期均较短。

3 结论与讨论

3.1 不同温度下黄色石灰土各粒径团聚体有机碳矿化速率及矿化量的影响因素

土壤团聚体中有机碳含量主要与研究区的气候、土壤N沉降和土壤本身的养分状况有关[20]。在本研究中，>0.25mm团聚体有机碳含量是<0.002mm团聚体的26.56倍，土壤有机碳含量表现为随土壤粒径的降低逐渐减少，且不同粒径间存在显著差异（P <0.05）。这与当前大多数研究结果相一致[21]。其原因可能是植物凋落物、根系分必物和人为施用的有机肥等有机物质的存在促进了土壤大团聚体的形成并使有机质吸附或封存于大团聚体内，而小团聚体由于其粒径小、质地松散的结构，对有机质的吸附能力差[22]，因此，土壤有机碳主要存在于粒径较大的团聚体中。

土壤有机碳在微生物作用下矿化分解释放出CO2，是土壤碳库系统主要的碳输出途径，也是碳循环的主要环节之一[23]。土壤团聚体有机碳含量和温度往往与微生物活性密切相关，进而影响土壤有机碳的矿化[24]。在本研究中，随着温度的升高各组分团聚体有机碳矿化速率和累积矿化量均显著增加，这与大多数的研究结果相似[25]。这是由于在培养初期大量易利用有机碳被微生物快速分解和矿化;至培养后期，易利用有机碳逐渐减少，剩下的多为缓惰性碳库，微生物对有机碳的利用效率减弱[26];因此，在培养过程中表现为前期分解迅速，后期分解缓慢。而升温则通过提高微生物的活性来促进土壤有机碳的矿化，特别是对0.053mm～0.25mm以及>0.25mm粒径团聚体有机碳矿化的影响最为强烈。一方面，这可能与>0.25mm和0.053mm～0.25mm团聚体中较高的有机碳含量有关[27]。另一方面，>0.25mm和0.053mm～0.25mm团聚体中较强的有机碳活性[28]和较弱的氧化稳定性[29]为微生物的生长和繁殖提供能量[30]，进而促进了有机碳的分解矿化;此外，一定温度范围内，升温使得参与有机质分解的土壤酶活性的增强[31]也促进了有机碳的分解矿化。因此，在适宜范围内升温有助于土壤有机碳矿化速率和累积矿化量的提高，特别是对>0.25mm和0.053mm～0.25mm等粒径较大的团聚体有机碳影响强烈。

3.2 各粒径团聚体可矿化有机碳比例及温度敏感性的影响因素

土壤团聚体可矿化有机碳比例与土壤总有机碳和易利用有机碳含量有关[32]。在本研究中，土壤团聚体可矿化有机碳比例与有机碳含量表现出一致的趋势，有机碳可矿化比例最高的>0.25mm团聚体是有机碳可矿化比例最低的<0.002mm团聚体的25.44～32.03倍，表现为随着团聚体粒径的减小有机碳可矿化比例逐渐降低;这与郝瑞军等[33]的研究结果一致。这一方面可能是由于大颗粒团聚体有机碳含量较高，其累计矿化量和矿化速率较大[34]，矿化释放出的CO2多;另一方面则是由于大颗粒团聚体中含有大量的活性有机碳，易受到温度的影响，从而释放出大量的CO2;因此在全土有机碳矿化中发挥着主导作用。进一步证实土壤中大颗粒团聚体是有机碳的主要载体[35]。

此外，本研究还发现，相较于各组分团聚体，在低温下升温更有助于0.053mm～0.25mm团聚体有机碳的矿化，固碳潜力较其他团聚体低;而在常温下升温则更有利于>0.25mm团聚体有机碳的矿化，固碳潜力较其他团聚体低。理论上，当土壤有机碳含量高、有机碳矿化速率快时，有机碳矿化的Q10值越低。但有研究发现Q10值与土壤有机碳及其组分（主要是活性有机碳）呈正相关关系[36]。而土壤大颗粒团聚体中较高的总有机碳及活性有机碳含量[22-23]，也在一定程度解释了本研究中>0.25mm和0.053mm～0.25mm团聚体较高的Q10值。

3.3 不同温度下各粒径团聚体有机碳矿化参数的变化

三种温度下，原土有机碳潜在可矿化量（C0）均低于其余各粒级团聚体;在15℃培养时，0.002mm～0.053mm和0.053mm～0.25mm团聚体有机碳潜在可矿化量（C0）较其余团聚体大;在25℃和35℃培养时，则表现为0.053mm～0.25mm和>0.25mm团聚体有机碳潜在可矿化量（C0）大。整体上表现为随着温度的升高，各组分团聚体有机碳潜在可矿化量（C0）均增加，且粒径大的团聚体（>0.053mm）有机碳潜在可矿化量（C0）大于粒径小的团聚体（<0.053mm）。这与李玮[37]在茶园土壤得出的结果一致，这主要是由于大颗粒团聚体中含有微生物所需的大量碳源和营养元素，促进了微生物的生长繁殖，进而提高了较大颗粒团聚体中CO2的释放量和潜在可矿化有机碳量。但张薇[38]对水稻土的研究中并没有发现类似规律。表明土壤团聚体潜在可矿化量可能与土壤类型有关。

土壤有机碳库的周转速率常数（k）受多种环境因子共同影响。在本研究中整体表现为随温度的升高而降低的趋势。在15℃下，0.002mm～0.053mm团聚体周转速率常数（k）最大，而在25℃和35℃下則是0.053mm～0.25mm团聚体最大。这可能是由于不同粒径团聚体受到温度的影响，其吸附的营养元素和有机碳含量或是其物理结构存在差异所导致[39]。

升温能极大地促进黄色石灰土各粒径团聚体有机碳的矿化;其中，0.053mm～0.25mm团聚体有机碳矿化对升温的响应强烈，>0.25mm和0.002mm～0.053mm团聚体次之;而和<0.002mm团聚体有机碳矿化对升温响应弱，固碳能力依次为：<0.002mm>0.002mm～0.053mm>>0.25mm>0.053mm～0.25mm。

参 考 文 献：

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