石灰石粉施用对土壤有机碳矿化的影响

陶娟花，石其伟，章明奎

(1.绍兴市柯桥区农业水产技术推广站，浙江 柯桥 312030；2.浙江大学 环境与资源学院，浙江 杭州 310058)

近年来我国农田土壤酸化非常突出，土壤酸化已成为一些地区农业可持续发展的阻碍因素[1-3]。施用改良剂是酸性土壤改良的主要方法[4-7]，其中施用石灰或者石灰性物质是改良酸性土壤的传统方法[8-11]。石灰可以中和土壤的活性酸和潜性酸，消除铝毒，迅速有效地降低酸性土壤的酸度。石灰在中和土壤酸度的同时，也明显改变了土壤理化性状[12]，补充土壤中钙、镁等养分[13]，改善土壤结构，提高土壤磷素和一些微量元素的生物有效性[14]，提高土壤微生物活性[13]，从而影响土壤中的物质循环。碳和氮的循环是土壤中物质循环的核心，可影响土壤的肥力水平和供肥能力。目前，有关石灰施用对土壤养分和作物生长的影响研究较多[15-16]，但石灰的施用对土壤有机碳循环及土壤有机碳状况影响的研究很少。为此，本研究采用盆栽方法探讨了石灰施用对土壤本身有机碳及其矿化的影响，为农田土壤科学管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

实验所用酸化土壤采自蔬菜地耕层，土壤类型为水稻土土类，黄松田土属。供试土壤pH值为4.76，有机碳含量为16.57 g·kg-1，全氮含量为1.68 g·kg-1，土壤阳离子交换量为13.98 cmol·kg-1，质地为壤土。

1.2 试验处理

供试土壤经充分混匀、风干后过5 mm土筛用于盆栽试验。在淹水(模拟种植水稻环境)与非淹水(模拟种植蔬菜环境)条件下开展试验。每一种水分条件的试验各设6个处理，其有机肥和石灰石粉用量见表1。供试有机肥为商品有机肥，其pH值为6.34，有机碳含量为328.58 g·kg-1，全氮含量为23.28 g·kg-1。试验盆钵体积10 L，每盆装土量为10 kg，重复3次。分别添加相应数量的有机肥和石灰石粉，并充分混匀后进行培养试验。淹水条件下的试验土表保持2 cm水层；非淹水条件下的试验土壤水分保持田间持水量的70%左右。试验期间用称重法保持土壤含水量。室温和空气湿度分别控制在20～25 ℃和75%～85%。培养试验共持续30周，分别在第1、5、10、15、20和30周采样分析。

1.3 分析方法

采集的土样经混匀、风干处理后全部磨细过2 mm土筛后，部分样品进一步磨细过0.15 mm土筛用于土壤分析，分析指标包括土壤pH值和有机碳、易氧化有机碳、微生物生物量碳含量。土壤pH值用数显PHB-4酸度计测定[17]，土水比为1∶2.5；土壤有机碳含量用重铬酸钾氧化法测定[17]；土壤中易氧化有机碳含量采用0.333 mol·L-1高锰酸钾氧化法测定[18]；土壤微生物生物量碳含量采用氯仿熏蒸-硫酸钾提取法测定[19]，提取液中碳用Shimadzu TOC自动分析仪测定。

2 结果与分析

2.1 土壤pH值

无论是淹水还是非淹水条件，石灰石粉的施用显著增加了土壤pH值(表2)。总体上，在石灰石粉用量相同的情况下，淹水土壤pH值明显高于非淹水环境。在不施用石灰石粉或石灰石粉用量较低时，有机肥的施用可增加土壤的pH值，但当石灰石粉用量较高时，有机肥的施用反而降低了土壤的pH值。结果还表明，施用石灰石粉的土壤pH值随培养时间的增加而下降，而不施用石灰石粉的处理pH值变化较小。

表2 土壤pH值的变化

2.2 土壤有机碳含量

有机肥的施用显著增加了土壤中的有机碳含量，但增加量随着培养时间的增加而下降，下降速率在非淹水环境下高于淹水环境(表3)。在相同有机肥施用条件下，土壤有机碳矿化分解速率随石灰石粉用量增加而增加，即积累在土壤中的有机碳随石灰石粉用量增加而下降。培养至第30周时，施用有机肥的非淹水和淹水土壤分别比不施有机肥的土壤有机碳含量高出7.24%～8.66%和7.02%～8.86%；非淹水和不施有机肥条件下，石灰石粉低用量和高用量处理的土壤有机碳含量分别比对照下降1.95%和3.27%；非淹水和施有机肥条件下，石灰石粉低用量和高用量处理的土壤有机碳含量分别比对照下降1.82%和2.00%。淹水和不施有机肥条件下，石灰石粉低用量和高用量处理的土壤有机碳含量分别比对照下降2.30%和3.17%；淹水和施有机肥条件下，石灰石粉低用量和高用量处理的土壤有机碳含量分别比对照下降2.15%和1.51%。

表3 土壤有机碳含量的变化 单位：g·kg-1

2.3 土壤易氧化有机碳和稳定有机碳含量

土壤易氧化有机碳含量的变化趋势基本上与有机碳相似，随石灰石粉用量和培养时间的增加而下降，但下降幅度明显大于有机碳含量；在不施有机肥的条件下土壤易氧化有机碳含量的变化较小，在施用有机肥条件下的土壤有机碳含量下降幅度尤为显著(表4)。培养至第30周时，非淹水和不施有机肥条件下，石灰石粉低用量和高用量处理的土壤易氧化有机碳含量分别比对照下降1.65%和2.81%；非淹水和施有机肥条件下，石灰石粉低用量和高用量处理的土壤易氧化有机碳含量分别比对照下降9.91%和14.29%。淹水和不施有机肥条件下，石灰石粉低用量和高用量处理的土壤易氧化有机碳含量分别比对照下降3.54%和3.38%；淹水和施有机肥条件下，石灰石粉低用量和高用量处理的土壤易氧化有机碳含量分别比对照下降8.16%和11.11%。淹水环境下土壤中的易氧化态有机碳含量比非淹水环境下更稳定。

表4 土壤易氧化有机碳含量的变化 单位：g·kg-1

土壤稳定有机碳含量是土壤中有机碳与易氧化碳含量之间的差值。土壤中稳定态有机碳含量的变化与易氧化有机碳含量的变化有所差异(表5)。培养至第30周时，非淹水和不施有机肥条件下，石灰石粉低用量和高用量处理的土壤稳定有机碳含量分别比对照下降2.14%和3.56%；非淹水和施有机肥条件下，石灰石粉低用量和高用量处理的土壤稳定有机碳含量分别比对照增加3.64%和6.29%。淹水和不施有机肥条件下，石灰石粉低用量和高用量处理的土壤稳定有机碳含量分别比对照下降1.52%和3.04%；淹水和施有机肥条件下，石灰石粉低用量和高用量处理的土壤稳定有机碳含量分别比对照增加2.08%和5.24%。

表5 土壤稳定态有机碳含量的变化 单位：g·kg-1

2.4 土壤微生物生物量碳含量

石灰石粉和有机肥的施用增加了土壤中微生物生物量碳含量，这种变化基本上随石灰石粉用量的增加而增加。但土壤中微生物生物量碳含量总体上随培养时间的增加而下降(表6)。培养至第30周时，非淹水和不施有机肥条件下，石灰石粉低用量和高用量处理的土壤微生物生物量碳含量分别比对照增加12.33%和19.18%；非淹水和施有机肥条件下，石灰石粉低用量和高用量处理的土壤微生物生物量碳含量分别比对照增加3.65%和8.76%。淹水和不施有机肥条件下，石灰石粉低用量和高用量处理的土壤微生物生物量碳含量分别比对照增加9.38%和17.19%；淹水和施有机肥条件下，石灰石粉低用量和高用量处理的土壤微生物生物量碳含量分别比对照增加6.45%和5.65%。

表6 土壤微生物生物量碳的动态变化 单位：g·kg-1

3 讨论

本研究表明，石灰类物质的施用可降低土壤本身有机碳、易氧化有机碳和稳定有机碳的含量，增加土壤微生物生物量碳含量；同时，石灰类物质的施用可增加有机肥施用后土壤中有机碳、易氧化有机碳的含量，同时增加稳定态有机碳和微生物生物量碳含量。主要是由于石灰类物质的施用降低了土壤的酸度，显著提高了土壤的pH值[20]，从而改善了土壤微生物生境[13，21]，后者促进了土壤微生物的活动，这从施石灰类物质后土壤微生物生物量碳含量明显增加得到证明。而土壤微生物活性的增加，促进了土壤有机碳的循环[22-24]。在没有外源有机碳加入的情况下，微生物对土壤碳的利用可同时降低土壤中的易氧化有机碳、稳定有机碳和土壤有机碳的总量。但当有外源碳输入时(即施用有机肥的情况下)，因外源有机碳具有较高比例的易氧化有机碳成分，土壤微生物优先利用外源有机碳，从而降低了土壤有机碳的总量和易氧化有机碳的含量，但外源有机碳在分解和腐殖化的过程中部分可形成稳定态的有机碳，因此，随着时间的增加，稳定有机碳呈现增加的趋势。因高量石灰石粉施用后土壤更趋向于中性，更有利于土壤微生物的活动[25-26]，所以高量石灰石粉处理对土壤有机碳的循环影响更为显著。

4 结论

石灰石粉施用在提高土壤pH值的同时，可改变土壤性状和微生物活性，加速土壤有机碳的循环。在不施用有机肥的条件下，石灰石粉的施用可降低土壤中有机碳、易氧化有机碳和稳定有机碳的数量，其影响随石灰石粉用量的增加而增强。在同时施用有机肥的条件下，石灰石粉优先影响外源有机碳的循环，加快因有机肥引入的土壤中有机碳、易氧化有机碳的矿化，促进易氧化有机碳向稳定有机碳的转化，从而增加稳定态有机碳的数量。