长期施肥条件下红壤有机碳矿化对温度变化模式的响应

刘金炜，张文菊，邬 磊，王伯仁，徐明岗

（中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/耕地培育技术国家工程实验室，北京 100081）

土壤有机碳（SOC）库是陆地生态系统中最大的碳库［1］，其微小变化会引起大气CO2浓度较大波动，进而影响全球气候变化［2-3］。SOC矿化是陆地生态系统中重要的生物化学过程［4］，该过程为微生物新陈代谢维持和生长等过程提供能量并释放CO2［5］。该过程受温度和水分等多种环境因素的影响［6］，其中温度是影响SOC矿化的关键因子之一［7-8］。预计到21世纪末，全球平均气温将上升2～7℃［9］。以往关于温度对SOC矿化的研究几乎都表明增温提高了SOC的矿化速率，引起土壤碳损失。然而这些研究大多是比较不同恒定温度下SOC矿化特征的差异［10-11］，但在自然生态系统中，大气温度会出现周期性（日、季节）变化，土壤温度也随之周期性改变。评价SOC矿化对温度周期性变化的响应能表征自然条件下SOC的矿化特征。目前已有部分研究发现恒温和变温模式对SOC矿化的影响程度不同［12-13］，但这些研究主要集中在森林、草地等土地利用方式，对农田生态系统的研究相对比较匮乏。

农田土壤有机碳是陆地土壤碳库最为活跃的部分，施肥作为农田生态系统重要的管理措施，显著影响SOC的含量、组成及矿化过程［14］。目前施肥对SOC矿化影响已有大量研究，张旭博等［15］、李梦雅等［16］在红壤上研究表明，长期施用有机肥或有机无机肥配施显著提高SOC矿化速率，此外，在黑土［17］、紫色土［18］、黄壤［19］上的研究也表明长期施肥显著影响SOC矿化。

尽管目前已有大量关于温度、施肥等因素对SOC矿化影响的研究，但阐明长期施肥和温度模式对农田SOC矿化交互影响的研究相对较少。因此，本研究以中国农业科学院祁阳红壤实验站的长期定位试验土壤为研究对象，通过室内控制培养实验阐明长期不同施肥土壤对温度变化模式的响应，以期准确评价温度和施肥对SOC矿化影响，为优化农田碳管理提供科学参考和理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域及样品采集

供试土壤样品于2017年12月21日采自中国农业科学院湖南祁阳国家红壤肥力长期试验监测基地（111°52′32″E，26°45′12″N）。该区域位于丘岗中部，为第四纪红土母质发育的耕性红壤，海拔高度约120 m，年平均气温18℃，年降水量1 225 mm，无霜期约300 d。试验始于1990年，试验初始土壤主要化学性质：有机碳6.67 g·kg-1，全氮1.07 g·kg-1，全磷（P）1.03 g·kg-1，碱解氮79 mg·kg-1，有效磷10.8 mg·kg-1，速效钾122 mg·kg-1，pH值5.7。田间试验每年施肥量及管理措施均相同。轮作体系为小麦-玉米轮作，一年两熟。

本试验选取2个长期施肥处理，分别为：1）不施肥（CK）；2）常量化肥配施有机肥（NPKM）。田间小区面积为196 m2，随机排列。在所选处理中，常量化肥配施有机肥处理的肥料施用量为：年施用氮肥 300 kg·hm-2（其中有机氮占70%，化肥氮占 30%），P2O5120 kg·hm-2，K2O 120 kg·hm-2，N∶P2O5∶K2O=1∶0.4∶0.4，有机肥料为猪粪。肥料在整地之前以基肥的形式一次施入。

土壤样品采用S型布点法采集耕层（0～20 cm）土壤，挑除可见的根系和石头，过2 mm筛，保存于4℃冰箱供室内培养试验用。土壤样品基础理化性质见表1。

表1 供试土壤理化性质

1.2 矿化培养试验

对上述2种不同长期施肥处理的土壤样品，根据积温相同的原则，设置2种温度模式：（1）恒温模式，以25℃作为培养温度（C25）；（2）变温模式，以25℃为日均温，并以24 h为周期进行日变化（V25）。本研究共设置4个培养处理：（1）不施肥，恒温培养（C25CK）；（2）不施肥，变温培养（V25CK）；（3）化肥配施有机肥，恒温培养（C25NPKM）；（4）化肥配施有机肥，变温培养（V25NPKM）。

称取20 g土样，置于高7.5 cm、直径5 cm底部包有玻璃纤维纸的PVC管中，将PVC管放入底部铺有玻璃珠的500 mL培养瓶中（广口瓶盖打孔，塞橡胶塞）。调节含水量至60%的田间持水量，放入两种温度模式设置的培养箱中避光密封培养60 d。培养阶段每隔1 d利用称重法添加去离子水保证土壤水分恒定。培养期内，分别在第1、3、6、16、30、60 d闭合培养瓶24 h（密闭前打开瓶盖，使瓶中气体与大气交换良好），用注射器抽取气体样品，并用气相色谱仪分析CO2浓度。根据测定气体浓度，计算培养期内土壤有机碳的矿化分解速率和累积矿化量。在培养后第60 d进行破坏性取样分析测定土壤微生物碳（SMBC）。

1.3 土壤分析方法

土壤有机碳和土壤全氮利用元素分析仪进行测定。土壤微生物量碳（SMBC）的测定采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法，熏蒸浸提液中的碳与不熏蒸浸提液中的碳之差（EC），即为SMBC（SMBC=Ec/KEc，KEC=0.45）。

1.4 数据处理

SOC矿化速率计算公式为：

式中，C1、C2为密闭前后测定气体样本CO2浓度（μ L·L-1），M是C原 子 质 量（12 g·mol-1），V是培养瓶体积（L），t是培养时间（h），T是培养温度（℃），W是供试土样中SOC含量（kg）。

土壤有机碳累积矿化量（C g·kg-1SOC）为单位质量SOC整个培养期内从开始到某一时间点矿化释放的总碳量，矿化强度（‰）为培养结束后释放总碳量与供试土样初始SOC含量的比值。

土壤有机碳矿化符合一级动力学方程：C=Cp×（1-e-kt），式中C为培养时间t时的累积矿化量（C g·kg-1SOC），Cp为土壤有机碳潜在矿化量（C g·kg-1SOC），k为土壤有机碳周转速率常数（d-1），t为培养时间（d）。

采用SPSS 24.0软件进行数据统计分析，并用OriginPro 8.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 土壤有机碳矿化速率

由图1a可以看出，不同温度模式（恒温、变温）下，各施肥处理SOC矿化速率存在明显的阶段性变化特征，前期为快速矿化阶段，后期矿化速率处于缓慢下降至逐渐稳定的阶段。培养期间，温度模式显著影响SOC矿化（P＜0.05），变温模式SOC矿化速率显著高于恒温模式。

2.2 土壤有机碳矿化量

由图1b可以看出，各处理SOC累积矿化量具有显著差异（P＜0.05），变温模式下CK处理SOC累积矿化量（C 15.49 g·kg-1SOC）显著高于其他处理（P＜0.05），矿化强度与累积矿化量一致（表2）。方差分析结果表明温度模式以及长期施肥和温度模式的交互作用显著影响SOC矿化（P＜0.01）（表3）。在变温模式下，CK和NPKM处理的SOC累积矿化量显著高于恒温模式。相对于恒温模式，CK和NPKM处理变温模式下SOC累积矿化量分别增加了98%和57%。在恒温模式下，CK与NPKM处理之间的SOC累积矿化量无显著差异，而变温模式下，CK处理的SOC累积矿化量显著高于NPKM处理（P＜0.05）。这些研究结果表明SOC矿化对长期施肥的响应受温度模式的调控。

图1 两种温度模式下各施肥处理土壤有机碳（SOC）矿化速率及累积矿化量

表2 两种温度模式下各施肥处理土壤有机碳矿化动力学参数

表3 温度、施肥因素对土壤有机碳矿化参数及微生物参数影响的显著性分析

2.3 土壤有机碳矿化参数

各处理SOC矿化特征均符合一级动力学方程模型，对SOC累积矿化曲线进行拟合，拟合的相关系数均达到0.98以上。各处理SOC潜在矿化量（Cp）范围是C 10.79 ～52.85 g·kg-1SOC，其中变温模式下CK处理SOC潜在矿化量最高（C 52.85 g·kg-1SOC），显著高于其他处理（P＜0.05）（表2）。方差分析结果（表2）显示，变温模式下Cp显著高于恒温模式（P＜0.05）；与恒温模式下相比，变温模式下CK和NPKM处理的Cp对应分别显著提高了3.90和1.21倍。在恒温模式下，CK和NPKM处理Cp无显著差异，而在变温模式下，CK处理Cp显著高于NPKM处理（P＜0.05），这些研究结果与累积矿化量的结果规律一致。

各处理SOC周转速率常数（k）变化范围为0.007～0.024 d-1（表2）。变温模式k显著低于恒温模式（P＜0.05），且在两种温度模式下，CK和NPKM处理之间k值均无显著差异（表2，3）。此外，由表2可知，相较于恒温模式，CK和NPKM处理在变温模式下k值分别减少71.6%和40.7%。说明变温模式降低了土壤有机碳周转速率常数，且长期施肥对土壤有机碳矿化参数的影响受温度模式调控。

2.4 土壤微生物量和微生物呼吸熵

由图2、表3可以看出，长期施肥与温度模式均对土壤微生物量碳（SMBC）无显著影响（P＞0.05）。土壤微生物呼吸熵（qCO2）是微生物活性的重要指标，即用来表征单位生物量在单位时间内呼吸作用大小。从图3、表3可以发现，温度模式对微生物呼吸熵影响显著，变温模式的qCO2显著高于恒温模式（P＜0.05）。在恒温模式下，CK和NPKM处理之间的qCO2差异不显著。在变温模式下，CK处理的qCO2显著高于NPKM处理（P＜0.05）。温度模式变化对这两种长期施肥处理土壤的qCO2影响程度不同，CK处理在变温模式下qCO2为C 0.015 0 mg·mg-1SMBC，较恒温模式提高164%，而变温模式下NPKM处理qCO2与恒温模式相比仅增加44%。

图2 两种温度模式下各施肥处理土壤微生物量碳含量

图3 两种温度模式下各施肥处理土壤微生物呼吸熵（qCO2）

3 讨论

3.1 恒温与变温模式对土壤有机碳矿化的影响

土壤有机碳在微生物作用下矿化释放CO2是碳循环的重要组成部分。在本研究中，SOC矿化速率随培养时间呈现逐渐降低的趋势，这与李梦雅等［16］、王莲阁等［20］研究结果一致，其原因是在培养前期土壤中存在大量易分解的糖类等活性有机碳，微生物活性强，矿化速率快，后期土壤中微生物可利用有机碳则主要是难分解的木质素等，矿化速率逐渐降低趋于稳定［19，21］。

在本研究的整个培养周期内虽然变温模式与恒温模式的积温相同，但是变温模式下SOC矿化速率和累积矿化量显著高于恒温模式（P＜0.05），说明温度模式是影响SOC矿化过程的重要因素，也表明在恒温模式下研究SOC矿化特征可能会低估自然条件下SOC矿化潜势。因此，阐明不同温度模式对SOC矿化的影响，对准确评估自然条件下SOC转化过程具有重要意义。然而，本研究结果与前人在草地、森林、农田上一些研究结果存在不一致。Zhu等［13］通过草地和农田SOC矿化试验研究发现，25℃日变化处理的矿化速率和累积矿化量均显著低于25℃恒定处理，同时，Ci等［12］在森林SOC矿化研究结果也表明，积温相同条件下，恒温模式的SOC累积矿化量显著高于变温模式。此外，Zhu等［13］研究中草地和农田上SOC矿化速率和累积矿化量在20℃日变化处理和20℃恒定处理之间无显著差异，王莲阁等［20］、曾蔓漫等［22］在贵州石灰土和重庆紫色土上的研究也有类似的结果。因此，SOC矿化对温度模式响应可能受培养温度、土地利用方式、土壤类型及人为管理等因素影响。本研究以我国南方旱作红壤为研究对象，其自然环境和长期人为管理形成的自身性质可能是造成此结果的原因之一，有待于进一步深入研究。

土壤微生物在土壤有机碳转化、养分循环等过程中发挥着重要作用［23］。在本研究中，虽然不同处理间SMBC无显著差异，不能解释两种温度模式下SOC矿化的差异，但土壤微生物仍是SOC矿化过程的关键驱动者。不同温度模式下土壤微生物对SOC矿化的影响主要有以下几点：其一，变温模式下微生物为适应环境温度波动，其自身呼吸熵显著高于恒温模式（图3），可能是变温模式矿化速率和累积矿化量高于恒温模式的原因。其二，两种温度模式下微生物群落结构可能存在不同或微生物的活性有一定的差异，进而导致SOC矿化在两种温度模式之间存在差异。在恒温模式下，最适温度与恒定温度相同的微生物会被选择出来，形成恒定温度下特定具有优势的群落结构［24］。相比之下，变温模式中，因为日温度变化范围内存在许多种群的最适温度，因此可能会形成多样化的微生物群落共存［13］。所以，土壤微生物群落结构的不同可能是造成这两种温度模式下SOC矿化存在差异的重要原因。

此外，两种施肥处理SOC累积矿化量在变温模式中存在显著差异，CK处理SOC累积矿化量显著高于NPKM处理（P＜0.05），且相较恒温模式，CK处理变温模式下SOC矿化的变化幅度高于NPKM处理（图1b，表2），这表明温度模式调控SOC矿化对长期施肥的响应。长期施肥会显著影响土壤有机碳含量等土壤肥力状况，也影响土壤有机碳质量、团聚体稳定性等物理性质［25］，也有研究表明有机肥施用会稳定土壤结构［26］。此外，土壤微生物功能与土壤微生物结构和多样性密切相关［27-28］，于冰等［29］在祁阳红壤上研究发现SOC矿化与细菌和真菌种群丰度和多样性显著正相关，且土壤胞外酶活与细菌丰度和真菌多样性也显著正相关，两种施肥处理间微生物种群多样性变异大小可能是造成此结果的原因。

3.2 恒温和变温模式对土壤有机碳矿化参数的影响

土壤有机碳的周转速率常数（k）和潜在矿化量（Cp）是反映SOC矿化特征的重要参数。变温模式下Cp显著高于恒温模式，并且变温模式下k显著低于恒温模式（P＜0.05）。同时恒温模式下，CK处理和NPKM处理之间Cp无显著差异，而变温模式下CK处理Cp显著高于NPKM处理（P＜0.05）（表2）。这表明温度变化模式影响矿化动力学参数，同时温度变化模式影响矿化动力学参数对长期施肥的响应。变温模式下CK处理和NPKM处理Cp显著高于恒温模式（P＜0.05），这与Bai等［30］研究结果一致，其可能为适应变化的外界环境，微生物需要更多能量的原因所致。此外，土壤有机碳周转速率常数k是多影响因子综合作用的结果，养分及pH值等物理化学性质均会影响k值的大小［31］，因此，长期施肥作用于土壤自身多种性质的改变可能是在长期施肥土壤间温度模式变化对矿化参数影响存在差异的原因。

4 结论

相同积温条件下，相对于恒温模式，变温模式显著提升土壤有机碳的矿化速率、累积矿化量和潜在矿化量，降低土壤有机碳周转速率常数。

在恒温模式下，CK与NPKM处理的SOC累积矿化量和潜在矿化量均无显著差异；但在变温模式下，CK处理SOC累积矿化量和潜在矿化量显著高于NPKM处理，表明温度变化模式调控土壤有机碳矿化对长期施肥的响应。