不同种植年限水稻土有机碳矿化对周期性变温的响应

摘 要 为了探讨陕北中部黄土丘陵沟壑区不同种植年限水稻土有机碳矿化对周期性温度变化的响应，以陕北南泥湾水稻种植基地不同种植年限（78 a、30 a、3 a）的稻田土壤为研究对象，基于室内35 d培养试验与矿化动态模型研究方法，解析温度变化对土壤有机碳矿化的影响。结果表明：恒温以及周期性变温处理的土壤累积矿化量在前7 d增加较快，达到整个培养期的39.2%～47.6%，7 d后至培养结束时增加缓慢。培养前" 7 d，土壤有机碳矿化速率快速下降，直至21 d时趋于稳定状态。78 a、30 a、3 a水稻土和玉米地的累积矿化量分别为3 126.75、2 737.63、2 547.42和2 173.88 mg/kg，水稻土累积矿化量比玉米地高28.94%。变温条件下的有机碳累积矿化量较恒温条件下增加4.95%。变温条件下，0～20 cm和20～40 cm土壤有机碳矿化量比恒温下分别高5.69%和4.20%。水稻土在周期性变温条件下14 d的微生物生物量碳（MBC）下降幅度（41.49%）高于恒温培养（32.22%），35 d的MBC下降幅度（50.20%）低于恒温培养（54.23%），溶解性有机碳（DOC）下降幅度规律与之相反。0～20 cm和20～40 cm土壤潜在矿化量占总有机碳的比例（C0/SOC）均表现为15 ℃/35" ℃高于25" ℃恒温，说明表层土壤易于矿化，土壤碳固存能力随温度周期性改变而降低。变温与恒温的土壤有机碳矿化速率、累积矿化量、潜在可矿化有机碳量无明显差异，说明在本试验条件下，在积温相同的情况下，周期性变温对土壤有机碳的矿化无显著影响。

关键词 水稻土；有机碳矿化；周期性变温；南泥湾

农田生态系统是陆地生态系统碳循环研究的重要环节，而水稻田则是农田生态系统的重要组成部分之一［1］。与旱地土壤相比，水稻土具备较强的固碳潜力［2］，有机碳输入量、稳定性和固碳效率均较旱地土壤高［3］。水稻土有机碳含量在空间上分布极不均匀，受成土母质因素影响较大［3］。在全球变暖大背景下，土壤有机碳矿化及其温度敏感性已经成为研究土壤有机碳分解与转化的主要内容和关键环节。温度是影响土壤有机碳矿化的最主要环境因子，自然状态下，外界温度的变化对土壤碳矿化的影响显著，因此，研究温度对土壤有机碳矿化的影响具有重要意义。陈晓芬等［4］对水稻土的研究结果显示红壤水稻土有机碳的矿化明显受到温度的影响。一定范围内提高温度会增加土壤微生物的活性，促进土壤有机碳的矿化［5］。土壤有机碳矿化的温度敏感性同样会随着温度的变化而改变，温度敏感性通常用Q10表示，表示温度每升高10" ℃，土壤有机碳矿化速率增加的倍数。已有的研究表明土壤有机碳矿化对温度升高有明显的适应性［6-9］。葛序娟等［10］对水稻土有机碳矿化的研究表明随着温度的升高，有机碳矿化量虽然在增大但增大的趋势逐渐减缓。郭殿坤等［11］研究表明，温度与Q10值呈现负相关关系，即Q10在增温条件下有降低的趋势，其原因是温度过高会抑制土壤微生物活性和酶活性，改变土壤微生物的群落组成，从而导致土壤碳矿化的温度敏感性随着温度的增加而下降。邱曦等［12］研究认为，温度升高会抑制不适应高温的细菌生长，促进真菌生长，提高真菌对惰性组分的分解利用，升温使真菌优势度增加，细菌优势度降低，微生物群落结构发生转变，降低了土壤矿化的温度敏感性。此外，温度的改变也会影响矿化底物的溶解与扩散［6］，还会对土壤含水量等产生影响［13］，从而对土壤有机碳矿化产生间接影响。国内外学者对温度与土壤有机碳矿化间的关系开展了大量研究，但大多数研究都是基于室内恒温培养方法。在自然条件中，由于太阳辐射存在昼夜变化，土壤温度也会呈现明显的周期性变化［14］。曾蔓漫等［15］研究表明，积温相同的情况下周期性变温对有机碳矿化无显著影响。王莲阁等［16］研究则表明，不同土地利用类型的土壤有机碳矿化对变温环境的响应不同，与土壤有机碳含量和组成差异有关。周期性变温对土壤碳矿化有无显著影响？不同学者的研究结果不尽相同。因此开展周期性变温对土壤有机碳矿化的影响研究就显得尤为必要。

延安位于陕西北部，是典型的黄土丘陵沟壑区，年均降水量500 mm左右，土壤质地以粉砂壤质为主，土壤pH为8.50左右，昼夜温差10" ℃左右。该市现有水稻种植面积约1 334 hm2，土壤类型为黄绵土发育的黄绵土性水稻土。水稻土与旱地土壤有机碳矿化受温度的影响有何差异？这些问题都还不清楚。随着陕北中部黄土丘陵沟壑区水稻种植面积的逐步扩大，水稻土固碳效应将进一步显现，开展当地水稻土有机碳的矿化研究就显得尤为必要。目前，关于陕北中部黄土丘陵沟壑区水稻土有机碳矿化特性随着种植年限的变化特征鲜见报道。因此，开展该区域稻田土壤有机碳矿化对种植年限的响应特征研究，对于揭示陕北中部黄土丘陵沟壑区稻田土壤在不同时间尺度上的有机碳矿化特征及稳定性机制方面具有重要的科学价值，研究成果将进一步厘清陕北中部黄绵土性水稻土与旱地土壤有机碳矿化特性的差异，同时在丰富和完善水稻土有机碳积累理论方面具有一定的科学意义。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究区域位于陕西省延安市宝塔区南泥湾农场，南泥湾处于黄土高原的腹地，是黄河中游水土流失最严重的地区之一。南泥湾位于东经" 100.841 172°和北纬38.552 523°，该区域地貌类型属黄土梁峁状丘陵，高原大陆性中温带-暖温带季风气候，年平均气温10.3" ℃，年平均降水量500 mm左右，降雨主要集中在7―9月，无霜期140 d。海拔高度800～1 800 m。植被属暖温带阔叶林带，绝大多数为天然次生林，林草覆盖率87%。土壤类型主要是黄绵土，土壤颗粒以粉粒为主，垂直节理发育，土体疏松绵软，壤中流丰富。

南泥湾农场位于延安城东南45 km处，所辖的南泥湾镇九龙泉村的千亩水稻种植基地位于南泥湾东北部。本研究中水稻品种经历了几次变化，近几年主栽水稻品种为‘龙粳31’，栽培密度为2.08×105株/hm2，于每年5月份移栽，11月份收割。水稻生长期间采用前期淹水、中期烤田和后期干湿交替的水分管理模式，冬季翻耕炕田。常年土壤平均施肥情况为：有机肥为牛厩肥，施用量为30 t/hm2。其中N、P2O5、K2O含量分别为14.3 g/kg、19.3 g/kg和12.5 g/kg。化肥为尿素（含N 46%）、过磷酸钙（含P2O5 12%）和氯化钾（含K2O 60%），施用量分别为600、300、450 kg/hm2。化学氮肥按返青肥40%，分蘖肥60%的比例分两次追施。旱作玉米施肥情况为：有机肥为牛厩肥，施用量为15 t/hm2。其中N、P2O5、K2O含量分别为14.3 g/kg、19.3 g/kg和12.5 g/kg。化肥为尿素（含N 46%）、过磷酸钙（含P2O5 12%）和氯化钾（含K2O 60%），施用量分别为300、150、225 kg/hm2。

1.2 土壤样品采集

2021年5月，在陕西省延安市宝塔区南泥湾镇水稻种植基地选取具代表性的不同水稻种植年限稻田土壤，包括种植3 a、30 a、78 a的水稻土，并以旱地玉米地作为对照，不同种植年限稻田和玉米地各选3块样地，不同年限稻田管理措施基本一致。稻田和玉米地均位于同一个川道，样地面积2 000 m2，样地之间相距300 m左右。每块样地布置5个土壤剖面采样点。对照地的样地布设数量和土样采集方法与稻田相同。在每个样地内用内径2 cm的土钻采集0～20 cm和20～40 cm土壤样品，并将采集的土样装入自封袋。每块样地随机取5个点，充分混合后装好放入冰盒立即带回实验室，剔除可见的植物残根和石砾等杂物，将土样平铺在干净的纸上，室内阴凉通风处风干，风干后分别过2 mm筛和0.25 mm筛，分别用于土壤理化性状的测定。

1.3 测定方法

有机碳（SOC）含量采用重铬酸钾容量法-外加热法测定［17］；溶解性有机碳（DOC）采用0.5 mol/L硫酸钾浸提法［17］；易氧化有机碳（ROC）采用333 mmol/L高锰酸钾氧化法［17］；矿物结合态有机碳（MOC）和颗粒有机碳（POC）利用5 g/L六偏磷酸钠分散法［18］；土壤微生物生物量碳（MBC）采用三氯甲烷熏蒸-硫酸钾测定法［19］；硝态氮和铵态氮分别采用KCl浸提后的分光光度法和靛酚蓝比色法测定；碱解氮采用碱解扩散法测定；有效磷含量采用钼锑抗比色法；速效钾含量采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定；pH采用pH计进行测定；电导率采用电导仪测定。土壤基本理化指标参照《土壤农化分析》［20］。

1.4 土壤有机碳矿化培养

将采集的不同水稻种植年限稻田和作为对照的玉米地0～20 cm和20～40 cm的风干过" 2 mm筛的土壤样品20.0 g于25 mL烧杯中，用去离子水调节至田间持水量的60%左右，置于250 mL广口瓶底部，在25" ℃培养箱中预培养" 7 d。预培养后，将盛有20 mL 0.5 mol/L氢氧化钾溶液的25 mL吸收杯放置于培养瓶底部，加盖密封，分别在25" ℃恒温培养箱和15 ℃/35 ℃"" 24 h周期性变温培养箱中暗培养35 d，变温培养按照15" ℃→35" ℃→15" ℃的顺序变温，每个温度恒温12 h后变为下一个温度，每个变温循环为" 24 h，前一个变温循环结束后立即进入下一个循环，以平均温度25" ℃下的恒温培养作为对照。设置3个仅装有氢氧化钾溶液的培养瓶作为空白，各温度下每种土样均设置3个重复，另外准备6组培养至14 d和35 d时分别测定土壤MBC和DOC含量。在培养的第1、3、7、14、21、28、35 天更换碱液吸收杯，并向土壤样品中补充水分至恒量。吸收杯中加入1 mol/L BaCl2溶液2.5 mL，再滴加2滴酚酞指示剂，用0.5 mol/L HCl滴定至红色消失。计算得到碱液吸收的二氧化碳量，根据二氧化碳的释放量计算培养期内土壤有机碳的矿化量。

1.5 结果计算

土壤温度系数Q10表达式［21］如下：

Q10=V1/V2

式中：Q10表示土壤温度系数；V1表示温度高时的平均矿化速率，mg/（kg·d）；V2表示温度低时的平均矿化速率，mg/（kg·d）。

采用一级动力学方程对土壤有机碳矿化过程进行模拟，其表达式如下：

Ct=C0×（1-e-kt）

式中：Ct表示t时刻土壤有机碳累积矿化量，mg/kg；C0为土壤潜在有机碳矿化量，" mg/kg；k表示有机碳矿化常数，d-1；t表示时间，d。

土壤有机碳矿化半周转期的表达式如下：

T1/2 =ln 2/k

式中：k表示有机碳矿化常数，d-1；T1/2表示土壤有机碳矿化半周转期，d。

C0、k用来表征土壤有机碳矿化作用，C0值越大，k值越小则土壤有机碳的矿化作用越强，反之则土壤有机碳矿化作用越弱。C0/SOC值能够反映土壤有机碳的固存能力，该值越高，土壤有机碳的矿化能力越强，有机碳的固存量越少。

1.6 数据处理

利用SPSS 26.0软件对数据进行相关性分析、差异显著性检验、多重比较等。作图采用Origin 2022软件。数据先进行正态分布检验，不同供试土样和不同培养条件间矿化特征的差异性均采用单因素方差分析法（one-way ANOVA）进行分析，采用最小显著差异（least significant difference，LSD）法进行多重比较（Plt;0.05）。采用非线性回归分析对各培养时期土壤有机碳矿化积累量的变化进行一级动力学方程拟合来反映土壤有机碳矿化作用的强弱，得出有机碳矿化常数k和土壤潜在可矿化有机碳C0，数据均满足使用模型的条件（拟合结果R2gt;0.9）［22］。采用Pearson法对有机碳矿化常数、土壤潜在可矿化有机碳C0和土壤理化性质、土壤碳组分进行相关性分析来研究有机碳矿化特征与土壤性质之间的关系。

2 结果与分析

2.1 累积矿化量

2.1.1 周期性变温下的累积矿化量 如图1所示，在0～20 cm土层，土壤有机碳累积矿化量在15 ℃/35" ℃周期性变温条件下有随水稻种植年限的延长而增加的趋势。培养至35 d时，土壤有机碳的累积矿化量均表现为78 a水稻土gt; 30 a水稻土gt; 3 a水稻土gt;玉米地，3 a水稻土与30 a水稻土之间无显著差异，但均与78 a水稻土存在显著差异（Plt;0.05）；玉米地土壤与3 a水稻土之间差异不显著，而30 a水稻土和78 a水稻土有机碳累积矿化量显著高于玉米地（Plt;0.05）。78 a水稻土比30 a水稻土增加10.25%，比3 a水稻土增加16.38%，比玉米地增加24.54%。

在20～40 cm土层，土壤有机碳累积矿化量在15" ℃/35" ℃周期性变温条件下有随水稻种植年限的延长而增加的趋势。培养至35 d时，土壤有机碳的累积矿化量均表现为78 a水稻土gt; 30 a水稻土gt; 3 a水稻土gt;玉米地，3 a水稻土与30 a水稻土之间无显著差异，但均与78 a水稻土存在显著差异（Plt;0.05）；玉米地与各种植年限水稻土之间均存在显著差异（Plt;0.05）。78 a水稻土比30 a水稻土增加14.65%，比3 a水稻土增加" 25.16%，比玉米地增加65.81%。

土层间比较来看，周期性变温条件下，培养至35 d时，不同水稻种植年限土壤有机碳累积矿化量均表现为0～20 cm高于20～40 cm的规律，且不同土层间差异显著（Plt;0.05）。不同土层之间土壤有机碳累积矿化量的差异随水稻种植年限的升高而降低。玉米地、3 a水稻土、30 a水稻土和78 a水稻土0～20 cm累积矿化量分别比20～" 40 cm增加61.02%、30.06%、25.77%和20.94%。

2.1.2 恒温下的累积矿化量 如图2所示，在" 0～20 cm土层，土壤有机碳累积矿化量在25" ℃恒温条件下有随水稻种植年限的延长而增加的趋势。培养至35 d时，土壤有机碳的累积矿化量均表现为78 a水稻土gt; 30 a水稻土gt; 3 a水稻" 土gt;玉米地，3 a水稻土与30 a水稻土之间无显著差异，但均与78 a水稻土存在显著差异（Plt;" 0.05）；玉米地土壤与3 a水稻土之间差异不显著，而30 a水稻土和78 a水稻土有机碳累积矿化量显著高于玉米地（Plt;0.05）。78 a水稻土比" 30 a水稻土增加13.46%，比3 a水稻土增加" 21.24%，比玉米地增加31.47%。

在20～40 cm土层，土壤有机碳累积矿化量在25" ℃恒温条件下有随水稻种植年限的延长而增加的趋势。培养至35 d时，土壤有机碳的累积矿化量均表现为78 a水稻土gt; 30 a水稻土gt; 3 a水稻土gt;玉米地，3 a水稻土与30 a水稻土之间无显著差异，但均与78 a水稻土存在显著差异" （Plt;0.05）；玉米地与各种植年限水稻土之间均存在显著差异（Plt;0.05）。78 a水稻土比30 a水稻土增加19.97%，比3 a水稻土增加30.85%，比玉米地增加72.71%。

土层间比较来看，恒温条件下，培养至35 d时，不同水稻种植年限土壤有机碳累积矿化量均表现为0～20 cm高于20～40 cm的规律，且不同土层之间差异显著（Plt;0.05）。不同土层之间土壤有机碳累积矿化量的差异随水稻种植年限的升高而降低。玉米地、3 a水稻土、30 a水稻土和" 78 a水稻土0～20 cm累积矿化量分别比20～40 cm增加56.38%、28.47%、25.87%和19.04%。

对比恒温培养和周期性变温培养，培养结束时，供试土壤15" ℃/35" ℃变温培养累积矿化量均高于25" ℃恒温培养累积矿化量，但两者之间无显著差异，这表明可用25 ℃恒温来评估15" ℃" 3/5" ℃周期性变温的20～40 cm土层土壤有机碳矿化的影响效应。

2.2 矿化速率

2.2.1 周期性变温下的矿化速率 如图3所示，对于0～20 cm土层而言，变温条件下，第7 天、第21天和第35天的平均矿化速率分别为第1天的28.62%、14.66%和9.08%。矿化速率均随着水稻种植年限的延长而升高，78 a水稻土gt; 30 a水稻土gt; 3 a水稻土gt;玉米地。

对于20～40 cm土层而言，第7天、第21天和第35 天的平均矿化速率分别为第1天的" 33.34%、14.75%和9.96%。矿化速率均随着水稻种植年限的延长而升高，78 a水稻土gt; 30 a水稻土gt; 3 a水稻土gt;玉米地。

不同土层间比较，总体来看，各供试土样0～20 cm土层矿化速率高于20～40 cm土层。仅玉米地土层间的差异达到显著水平（Plt;0.05）。

2.2.2 恒温下的矿化速率 如图4所示，对于" 0～20 cm土层而言，恒温条件下，第7天、第21 天和第35天的平均矿化速率分别为第1天的" 31.37%、16.22%和10.44%。矿化速率均随着水稻种植年限的延长而升高，78 a水稻土gt; 30 a水稻土gt; 3 a水稻土gt;玉米地。对于20～40 cm土层而言，恒温条件下，第7天、第21天和第35天的平均矿化速率分别为第1天的31.11%、" 17.05%和10.20%。矿化速率随着水稻种植年限的变化规律与0～20 cm相同。不同土层间比较，总体来看，0～20 cm土层矿化速率高于20～40 cm土层，但差异均不显著。

变温培养下，玉米地和78 a水稻土不同土层有机碳矿化速率间的差异在第1天最大，不同土层的有机碳矿化速率间的差异随着培养时间的延长逐渐降低；3 a水稻土和30 a水稻土不同土层有机碳矿化速率间的差异先增加后减少，在第3天最大，随后差异逐渐降低。恒温培养下，不同土层有机碳矿化速率间的差异在第1天最大，不同土层的有机碳矿化速率间的差异随培养时间的延长而逐渐缩小。对比恒温培养和变温培养，变温条件下平均矿化速率均高于恒温培养，但两者之间无显著差异。

2.3 累积矿化率

2.3.1 周期性变温下的累积矿化率 如图5所示，变温条件下，对于0～20 cm土层而言，不同土壤之间累积矿化率关系为玉米地gt; 30 a水稻" 土gt;3 a水稻土gt; 78 a水稻土，供试土样间无显著差异。对于20～40 cm土层而言，不同土壤之间累积矿化率关系为玉米地gt; 3 a水稻土gt; 30 a水稻土gt; 78 a水稻土，但各供试土样间无显著差异。土层间比较看，累积矿化率表现为0～20 cm土层gt; 20～40 cm土层。但供试土样土层间均无显著差异。

2.3.2 恒温下的累积矿化率 周期性变温条件下的累积矿化率为9.80%～11.30%，恒温条件下的累积矿化率为9.51%～10.45%（图6），总体来看，周期性变温条件下的累积矿化率高于恒温条件下的累积矿化率，但未达到显著差异水平。

2.4 培养过程中MBC和DOC的变化

2.4.1 周期性变温下MBC和DOC的变化 如表1所示，" 对于0～20 cm土层而言，在周期性变温培养下，培养14 d和35 d，MBC含量下降幅度最大的均为玉米地，最小的均为78 a水稻土。培养14 d和35 d，DOC含量下降幅度最大的均为玉米地，最小的均为3 a水稻土。对于20～40 cm土层而言，在周期性变温培养下，培养14 d和" 35 d，MBC含量下降幅度最大的均为78 a水稻土，最小的均为3 a水稻土。培养14 d，DOC含量下降幅度最大的为30 a水稻土，最小为玉米地。培养35 d，DOC含量下降幅度最大的为78 a水稻土，最小为玉米地。

2.4.2 恒温下MBC和DOC的变化 如表2所示，对于0～20 cm土层而言，在恒温条件下，培养14 d和35 d，MBC含量下降幅度最大的均为30 a水稻土，最小的均为78 a水稻土。培养14 d，DOC含量下降幅度最大的为玉米地，最小为3 a水稻土。培养35 d，DOC含量下降幅度最大的为玉米地，最小为78 a水稻土。

对于20～40 cm土层而言，在恒温条件下，培养14 d，MBC含量下降幅度最大的为玉米地，最小为3 a水稻土。培养35 d，MBC含量下降幅度最大的为30 a水稻土，最小为3 a水稻土。培养14 d，DOC含量下降幅度最大的为3 a水稻土，最小为30 a水稻土。培养35 d，DOC含量下降幅度最大的为30 a水稻土，最小为玉米地。

2.5 矿化参数

2.5.1 周期性变温下的矿化参数 如表3所示，周期性变温条件下，随着水稻种植年限的增加潜在可矿化有机碳C0逐渐增大，78 a水稻土gt;30 a水稻土gt;3 a水稻土gt;玉米地。矿化常数k（d-1）和半周转期T1/2（d）随水稻种植年限的增加无明显变化趋势，随土层的加深同样无明显变化趋势。

0～20 cm土层，78 a水稻土的C0较30 a水稻土、3 a水稻土和玉米地分别增加了10.94%、14.68%和23.16%。3 a水稻土与30 a水稻土之间无显著差异，但均与78 a水稻土之间有显著差异（Plt;0.05）；3 a水稻土与玉米地之间差异不显著，30 a水稻土和78 a水稻土C0与玉米地存在显著差异（Plt;0.05）。

20～40 cm土层，78 a水稻土的C0较30 a水稻土、3 a水稻土和玉米地分别增加了" 15.61%、26.93%和65.83%。3 a水稻土和78 a水稻土存在显著差异（Plt;0.05），但两者均与" 30 a水稻土差异不显著；玉米地与各种植年限水稻土间均存在显著差异（Plt;0.05）。

供试土壤0～20 cm的C0均显著大于20～40 cm（Plt;0.05）。随着水稻种植年限的增加，不同土层之间C0的差异逐渐减小。周期性变温条件下，玉米地、3 a水稻土、30 a水稻土和78 a水稻土0～20 cm土壤C0分别比20～40 cm增加59.71%、31.29%、23.61%和18.61%。

2.5.2 恒温下的矿化参数 如表4所示，恒温条件下，随着水稻种植年限的增加潜在可矿化有机碳C0逐渐增大，78 a水稻土gt;30 a水稻土gt;3 a水稻土gt;玉米地。恒温培养下，半周转期T1/2有随水稻种植年限的增加而减小的趋势，矿化常数k有随水稻种植年限的增加而升高的趋势，存在差异但在20～40 cm土层未达到显著差异水平，随土层的加深同样均无显著差异。

0～20 cm土层，78 a水稻土的C0较30 a水稻土、3 a水稻土、玉米地分别增加10.83%、" 14.09%、20.62%。3 a水稻土与30 a水稻土之间无显著差异，但均与78 a水稻土之间有显著差异（Plt;0.05）；3 a水稻土与玉米地之间差异不显著，30 a水稻土和78 a水稻土C0与玉米地存在显著差异（Plt;0.05）。

20～40 cm土层，78 a水稻土的C0较30 a水稻土、3 a水稻土、玉米地分别增加了15.34%、25.84%、63.57%。3 a水稻土与30 a水稻土之间无显著差异，但均与78 a水稻土之间有显著差异（Plt;0.05）；玉米地与各种植年限水稻土间均存在显著差异（Plt;0.05）。

0～20 cm的C0均显著大于20～40 cm（Plt;0.05）。随着水稻种植年限的增加，不同土层之间C0的差异逐渐减小。恒温条件下，玉米地、3 a水稻土、30 a水稻土和78 a水稻土0～20 cm的C0比20～40 cm分别增加了60.33%、30.42%、" 23.04%和18.23%。

各种植年限水稻土0～20 cm和20～40 cm潜在可矿化有机碳C0均表现为15" ℃/35" ℃周期性变温高于25" ℃恒温，玉米地15 ℃/35" ℃潜在可矿化有机碳C0略低于25" ℃恒温C0，恒温和变温之间均未达到显著差异水平。对于大多数供试土壤而言，矿化常数k在恒温及变温培养之间均无显著差异。仅0～20 cm的玉米地和20～40 cm的3 a水稻土矿化常数k在恒温与变温培养间均达到显著差异水平（Plt;0.05）。

恒温及周期性变温培养下，0～20 cm和20～40 cm的C0/SOC值均随水稻种植年限的增加而降低，说明旱地土壤的有机碳固存能力较差，随着水稻种植年限的增加土壤的固存能力也会逐渐增强。相同培养条件的相同水稻种植年限土壤，0～20 cm土壤C0/SOC值较20～40 cm高，表明" 0～20 cm土层土壤固存能力较20～40 cm土层差。各水稻种植年限0～20 cm和20～40 cm土壤C0/SOC均表现为15" ℃/35" ℃变温培养高于25" ℃恒温培养。

2.6 土壤有机碳矿化特征的相关性分析

2.6.1 周期性变温下的土壤有机碳矿化特征相关性分析 如表5所示，在0～20 cm土层范围内，在周期性变温条件下，土壤C0与SOC、碱解氮和铵态氮之间均存在极显著或显著正相关关系；土壤C0和SOC的关系最为密切，相关性系数最大。相关性系数达到了0.999，表明在影响" 0～20 cm土层土壤有机碳矿化强度的众多因子中，总有机碳的含量影响最大。k值与MBC之间存在显著正相关关系（Plt;0.05）。如表6所示，在20～40 cm土层范围内，周期性变温下土壤C0与SOC、DOC、ROC、硝态氮和碱解氮之间均存在极显著或显著正相关关系。土壤C0和SOC、DOC关系最为密切，相关性系数最大。周期性变温条件下，k与MBC之间存在显著负相关关系（Plt;0.05）。

2.6.2 恒温下的土壤有机碳矿化特征相关性分析 在0～20 cm土层范围内，恒温条件下，土壤C0与SOC、碱解氮和铵态氮之间存在极显著或显著正相关关系；土壤C0和SOC关系最为密切，相关性系数最大。恒温条件下相关性系数达到了0.996。恒温培养下，k值与SOC、DOC、MBC、碱解氮之间存在显著正相关关系（Plt;" 0.05）。在20～40 cm土层范围内，恒温条件下，土壤C0与SOC、DOC、ROC、硝态氮和碱解氮之间存在极显著或显著正相关关系。土壤C0和SOC、DOC关系最为密切，相关性系数最大。恒温培养下，k值与POC和硝态氮之间存在极显著或显著正相关关系。

3 讨" 论

本研究中，在15 ℃/35" ℃周期性变温和恒温25" ℃培养条件下，土壤有机碳累积矿化量均随水稻种植年限的延长而增加，78 a水稻土显著高于30 a和3" a水稻土，水稻土显著高于玉米地。这与胡佳等［23］对鄱阳湖围垦区水稻土土壤的研究结果相似。水稻种植年限长的土壤矿化底物较多，其生物的有效性也较高，促进了微生物对有机质的分解，因此土壤累积矿化量较大。变温条件下的有机碳累积矿化量较恒温条件下增加了" 4.95%，累积矿化量在不同温度处理条件下无显著差异。进一步说明在积温相同的情况下，土壤有机碳矿化量受培养温度的周期性变化影响较小。变温条件下玉米地有机碳矿化量增加" 6.59%，而水稻土平均增加4.40%，说明变温条件下玉米地土壤有机碳固存能力较低。

土壤有机碳矿化速率间的差异在第1天最大，随培养时间的延长而逐渐缩小。这与郭剑芬等［24］的研究结果相似。分析其原因可能是培养后期土壤中的微生物可以分解的土壤有机碳含量减少，制约了有机碳的矿化。变温条件下平均矿化速率均高于恒温培养，这与已有的研究结果［25］相似，说明土壤固碳能力随温度周期性改变而" 降低。

本研究中，0～20 cm土层的累积矿化量和矿化速率均高于20～40 cm土层，变温条件下，0～20 cm土层土壤有机碳矿化量比恒温下平均高" 5.69%，而在20～40 cm土层平均高4.20%，说明变温对表层土壤有机碳矿化影响较大。表层土壤对温度的变化更敏感，其原因可能是表层土壤中活性有机碳较多，土壤底物的有效性较高，土壤微生物的生命活动比深层土壤更加活跃，在温度发生变化时更加敏感［26］。

本研究中，各水稻种植年限0～20 cm和" 20～40 cm土层C0/SOC均表现为15" ℃/35" ℃变温培养高于25" ℃恒温培养，与前人的研究结果相似［27］。说明变温处理导致水稻土土壤有机碳的固存能力降低。土壤C0和k值与SOC关系最为密切，相关性系数最大。说明潜在的可矿化有机碳受其初始含量的影响。土壤C0和k值与DOC之间均存在极显著或显著正相关关系，这是由于有机碳的解聚和溶解是其矿化的先决条件，有机碳在转化生成CO2前必须先进入溶液成为溶解性有机碳［28］，因此，DOC的含量动态和周转与土壤有机碳矿化密切相关。MBC与土壤C0和k值有相关性，但未能达到显著水平，甚至在周期性变温下出现负相关关系，这与其他研究的结果不同［29］，其原因可能是南泥湾地区的气候条件、土地类型和耕作制度导致土壤中微生物量" 较少。

本研究中，15" ℃/35" ℃变温培养下的C0值与25" ℃相比略微提高，但无明显差异。说明可用25" ℃恒温来评估变温（15" ℃/35" ℃）的有机碳矿化的影响效应，这与前人对旱地的研究结果类似［15］，表明在积温相同的情况下，温度模式的变化（恒温或变温）对有机碳矿化无明显影响，变温处理下的有机碳矿化受温度范围的限制，其值接近与其积温相同的恒温处理。但也有研究表明周期性变温可以显著影响石灰土的土壤有机碳矿化［16］，周期性变温能通过影响微生物活性，从而影响土壤DOC的产生和分解，改变微生物对土壤有机碳分解的强度。本研究与其差异的原因可能是土壤类型和土壤理化性质的差异。

4 结" 论

水稻土种植年限越长，土壤有机碳矿化量和矿化速率越高，水稻土有机碳矿化量和矿化速率均高于玉米地。土壤C0和k值与SOC、DOC的相关性较高，进一步说明了潜在的可矿化有机碳受其初始含量和可溶性有机碳的影响。变温处理对水稻土矿化作用影响较小，水稻种植年限越长，其影响越小，而对玉米地的影响较大。0～20 cm和20～40 cm土壤C0/SOC均表现为" 15 ℃/35" ℃高于25" ℃恒温，说明表层土壤易于矿化，土壤碳固存能力随温度周期性改变而降低。变温" 15 ℃/35" ℃与恒温25" ℃的土壤有机碳累积矿化量、矿化速率无明显差异，说明在本试验条件下，在积温相同的情况下，周期性变温对土壤有机碳的矿化无显著影响。

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Response of Organic Carbon Mineralization in Paddy Soil with

Different Planting Years to Periodic Temperature Changes

ZHAO Manxing1，2 ，MA Zhuo1，YANG Fan1， ZHANG Xia1and MA Wenquan1

（1.College of Life Sciences，Yan’an University，Yan’an" Shaanxi 716000，China;

2.Shaanxi Key Laboratory of Chinese Jujube，Yan’an" Shaanxi 716000，China）

Abstract To explore the response of organic carbon mineralization in paddy soil with different planting years to periodic temperature changes in hilly-gullied area of Loess Plateau in Northern Shaanxi，soil samples form rice fields with different planting years （78 years ，30 years and 3 years ） were were collected and studied at Nanniwan Rice Planting Base in Northern Shaanxi.The characteristics of organic carbon mineralization were analyzed based on indoor cultivation experiments conducted over a period of 35 days and mineralization dynamic models were developed for both paddy and dry land soils.The results showed that the cumulative mineralization amounts in the soil，irrespective of" constant temperature or periodic temperature changes，rapidly increased within the first 7 days，reaching 39.2%-47.6% of the entire cultivation period，followed by a slower increase from the 7th day until to the end of cultivation.Before 7 days of cultivation，the mineralization rate of soil organic carbon rapidly decreased until stabilizing at 21 days.The cumulative mineralization amounts for paddy soils with planting durations of 78 years，30 years，and 3 years，as well as for maize soil，were 3 126.75"" mg·kg-1，2 737.63" mg·kg-1，2 547.42 mg·kg-1，and 2 173.88 mg·kg-1，respectively.The cumulative mineralization amount in paddy soil was 28.94% higher than that in maize soil.The cumulative mineralization amount of organic carbon with periodic temperature changes was 4.95% increased compared with the constant temperature conditions.Moreover，the cumulative mineralization amounts with periodic temperature changes in 0-20 cm layer soil and 20-40 cm layer soils were 5.69% and 4.20% higher，respectively，than those under constant temperatures.Dissolved organic carbon （DOC） and microbial biomass carbon （MBC） in paddy soil showed different trends with periodic temperature changes compared to constant temperature conditions，indicating a 41.49% decrease in DOC after 14 days of cultivation and a 50.20% decline after 35 days of cultivation with periodic temperature changes.However，The decline in MBC was 32.22% after 14 days and 54.23% after 35 days of constant temperature cultivation.The decreased trend of DOC was opposite with that of MBC.The C0/SOC （soil organic carbon） values in 0-20 cm layer soil and 20-40 cm layer soil with 15" ℃/35" ℃ cultivation were both higher than that with constant 25 ℃ cultivation，suggesting a higher mineralization rate in surface soil and a decreased soil carbon sequestration capacity with periodic temperature changes.The soil organic carbon mineralization rates，cumulative mineralization amounts，and potential mineralization organic carbon contents were not significantly affected by periodic temperature changes and constant temperature，indicating that periodic temperature changes had no significant impact on soil organic carbon mineralization compared with constant temperature when the cumulative temperature was the same.

Key words Paddy soil; Organic carbon mineralization; Periodic temperature change; Nanniwan

Received "2023-07-24 """Returned 2023-10-13

Foundation item National Natural Science Foundation of China（No.41761068）；Basic Research Program of Natural Science Foundation of Shaanxi Province（No.2024JC-YBMS-239）.

First author ZHAO Manxing，male，Ph.D，professor.Research area：soil and plant nutrition regulation.E-mail：zhaomanxing@163.com

（责任编辑：史亚歌 Responsible editor：SHI Yage）