袁胜南，商雨晴，王 俊,2

(1. 西北大学城市与环境学院，陕西 西安 710127；2. 陕西省地表系统与环境承载力重点实验室，陕西 西安 710127)

土壤有机碳矿化直接影响着土壤碳库向大气的排放量，对温室效应和全球气候变化有着深远影响，是土壤碳循环的重要过程之一[1-4]。土壤有机碳矿化受多种因素的影响，包括土壤温度、土壤理化性质、土壤微生物活性等[5-9]。温度敏感性指标(Q10)表示温度变化对土壤有机碳矿化速率的影响程度，Q10越大，表明土壤有机碳矿化受温度影响就越大[10]。而添加外源性有机物能够增加底物供应，促进有机碳矿化，改善土壤质量[11-12]。

渭北旱塬是我国重要的旱作农业区之一，近年来，随着国家对农业绿色化生产的大力倡导，绿肥填闲种植作为一种传统的减施增效措施也日益得到重视。与施用化肥相比，绿肥作为一种外源有机物可以有效补充土壤碳库，提高土壤肥力，改善土壤物理性状[13-14]。例如，Ghimire等[15]通过对比豆科与非豆科作物腐解对土壤有机碳矿化的影响，表明与非豆科作物相比，豆科作物分解速率快，对土壤养分循环和后续作物生长至关重要。然而目前研究主要集中在绿肥作物腐解特征及其对温室气体的影响等方面，在气候变暖背景下，不同温度条件下添加绿肥对旱作农田土壤有机碳矿化影响的报道较少。

本文基于室内培养试验，研究了添加不同绿肥在不同温度下的土壤有机碳矿化过程，并使用一级动力学模型对有机碳矿化进行了拟合，旨在探究气候变暖背景下绿肥添加影响土壤碳循环的机理，为旱作农田生态系统应对气候变化提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况及样品采集

土壤样品采集地点位于陕西长武黄土高原农田生态系统国家野外观测台站(107°45′E，35°12′N)，该地平均海拔1 200 m，地势平坦，属于暖温带半湿润大陆性气候，年平均气温9.1 ℃，年平均降水量579 mm，降水主要集中在7—9月。该地区农业生产主要依赖生育期的天然降水，属于典型的旱作农业区。境内土壤以粘壤质黑垆土为主，土质疏松，土层深厚，肥力中等[16]。

试验地前作玉米，2018年10月在玉米收获后采用“S”形采样法采集5个0～20 cm土层土样，将采集的土样混合均匀，剔除石块、植物根系等杂物，过2 mm筛，部分土样放入培养瓶中进行室内培养，部分土样自然风干后用于土壤理化特性测定。取样时土壤有机碳含量为10.31 g·kg-1，全氮、硝态氮和铵态氮含量分别为1.42 g·kg-1、3.33 mg·kg-1和3.55 mg·kg-1，碳氮比为7.26。

另外在田间试验中割取长势良好的长武怀豆和黑麦草2种绿肥作物地上部分，洗净后烘干，研磨后过2 mm筛，放入牛皮纸袋中保存。各处理绿肥作物碳氮含量见表1。

表1 绿肥作物碳、氮含量

1.2 试验设计

试验采用绿肥添加和培养温度双因素处理，其中绿肥添加处理包括黑麦草(R)、长武怀豆(S)、长武怀豆和黑麦草混合(M)、不添加绿肥对照(CK)，绿肥添加量为6 t·hm-2，混合处理2种作物质量比为1∶1。培养温度设3个水平，分别为5℃、15℃和25℃。每处理均重复3次。

试验于2018年10月开始，培养前称取过2 mm筛的鲜土300 g放置在容量为1 L、内径为10 cm的广口玻璃瓶中(盖子上有2个通气阀，连接2个不同长度的聚乙烯透明通气管，一个进气管，一个出气管，保持培养瓶中氧气充足)，加水调节土壤含水量至最大持水量的60%，预培养7 d后添加绿肥作物，每隔2～3 d采用称重法调节含水量保持恒定。正式培养试验自2018年11月2日开始，2019年1月20日结束，总计持续79 d。

1.3 测定指标及方法

土壤有机碳矿化速率采用LI-8100A土壤碳通量自动测量系统进行测定，其中在第1～18天每天测量1次，在第18～36天每3 d测量1次，在第36～51天每5 d测量1次，在第51～79天每7 d测量1次。

土壤有机碳(SOC)和全氮测定时，收集培养结束后土样，风干后过2 mm筛，称取3 g用10%稀盐酸去除土样中无机碳，过0.15 mm筛，使用EA 3000元素分析仪测定[17]。

温度敏感性系数Q10能够反映温度对土壤有机碳矿化的影响，采用以下公式进行计算[12]：

F=a×ebt

(1)

Q10=e10b

(2)

式(1)中，F为土壤有机碳矿化速率(μmol·m-2·s-1);t为培养温度(℃);a为基质质量指数，表示0℃时土壤净碳矿化速率;b为温度反应系数。

基于测定数据，选用以下指数模型对土壤有机碳矿化过程进行拟合[6]：

Ct=C0(1-e-kt)

(3)

式(3)中，Ct为培养时间t时的累积矿化量(mg ·g-1)，C0为潜在矿化碳库(mg ·g-1)，k为土壤有机碳的矿化速率常数(d-1)，t为培养时间(d)。

1.4 数据处理与统计分析

使用SPSS 20.0软件对试验数据进行单因素方差分析(one-way ANOVA)和多重比较，并用LSD法进行处理间差异显著性检验，使用Origin 9.0软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤矿化速率的影响

土壤有机碳矿化速率均随培养时间的增加呈先上升后下降的变化趋势(图1)。在5℃培养条件下，各绿肥处理土壤有机碳矿化速率均在培养前期迅速增加，在第8天达到峰值(0.5754～0.6321 μmol·m-2·s-1)，而后快速降低至42 d后趋于稳定。而在15 ℃、25 ℃培养条件下，各绿肥处理均在第2天达到峰值(1.7613～3.2074 μmol·m-2·s-1)，然后迅速下降，其中在15℃下各处理在第22天后趋于稳定，而25℃下则在第7天后趋于平缓。

绿肥添加和温度增加均显著提高了土壤有机碳矿化速率(图1)，处理间差异主要出现在第1～15天，与CK相比，S、R和M处理平均土壤矿化速率分别提高17.2、17.9倍和19.1倍 (表2)。在培养期内，不同温度下平均土壤有机碳矿矿化速率为25℃>15℃>5℃。

2.2 不同处理对土壤有机碳累积矿化量及其温度敏感性的影响

不同处理培养期内土壤有机碳累积矿化量变化如图2所示。各处理下土壤有机碳累积矿化量均随着培养时间的延长呈增加趋势，有机碳累积矿化量表现为S>M>R>CK，绿肥添加显著提高了土壤有机碳累积矿化量。不同温度土壤有机碳矿化累积排放量呈现25℃>15℃>5℃。绿肥添加和温度增加均显著提高了土壤有机碳累积矿化量(表2)。平均来看，与CK相比，S、R、M有机碳累积矿化量分别提高了10.5、10.9倍和11.6倍。绿肥与温度之间存在极显著交互作用，与CK相比，在5℃下，S、R、M有机碳累积矿化量分别提高了14.0、13.4倍和13.0倍；在15℃下，分别提高了15.1、14.2倍和13.8倍；在25℃下，分别提高了8.6、8.1倍和7.7倍。

在整个培养周期，温度敏感性Q10的变化范围是1.42～1.61(图3)。Q10的大小表现为CK>S>R>M，S处理与M、R处理之间存在显著性差异(P<0.05)，且CK处理显著高于其他处理。

2.3 不同绿肥处理土壤有机碳矿化的动力学特征

运用一级动力学方程对不同绿肥残余处理不同温度下土壤有机碳累积矿化量进行拟合。结果表明绿肥种类和培养温度均显著改变了土壤有机碳矿化的动力学参数(表3)。与CK相比，绿肥添加显著提高了C0，且表现出S>M>R。另外，随着培养温度的升高C0也呈增大趋势。C0/SOC是表示土壤有机碳矿化能力和固存能力的重要指标[6]，其在绿肥和温度间的变化规律与C0相同。有机碳矿化速率常数k在不同温度条件下均为S处理最大。

图1 培养期内土壤有机碳矿化速率变化Fig. 1 Dynamic of soil mineralization rate duringthe incubation period

表2 绿肥添加和温度对土壤有机碳矿化的作用

图2 培养期内土壤有机碳累计矿化量Fig.2 Cumulative mineralization of soil organiccarbon during incubation period

注：不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。Note: Different lowercase letters indicate significant differences (P<0.05) among treatments.图3 不同处理土壤有机碳矿化的温度敏感性(Q10)Fig.3 Temperature sensitivity (Q10 ) of soil organiccarbon mineralization under different treatments

2.4 不同处理对土壤有机碳和全氮含量的影响

培养后各处理土壤有机碳和全氮含量如表4。添加绿肥均显著提高了土壤有机碳、全氮含量。与CK相比，S、M和R处理土壤有机碳平均提高了36.0%、39.8%和46.2%，全氮平均提高了46.7%、40.2%和39.3%。增温显著促进有机碳矿化，降低土壤有机碳含量，与5℃相比，15℃和25℃有机碳平均降低了2.2%和5.4%。

3 讨 论

本文中土壤有机碳矿化速率表现出前期快后期趋于稳定的趋势，这与前人的研究结果一致[3,7]。这主要是由于培养前期易分解有机碳含量高，促进有机碳矿化速率，故提高了土壤有机碳矿化量[18-19]。而随着培养时间的延长，易分解有机物碳减少，土壤有机碳矿化量逐渐降低。与CK相比，绿肥作物的添加显著增加了土壤有机碳累积矿化量[9,15]。这主要由于外源有机物质的输入为微生物提供养分，从而促进有机碳矿化。另外，S和M处理土壤有机碳矿化速率和累积矿化量均高于R处理。这主要是因为S、M处理中含有豆科作物，其植物体内氮素水平较非豆科作物高，提高了土壤氮含量，降低土壤起始碳氮比，从而增强微生物活性，促进土壤有机碳矿化。R处理土壤碳氮比较高，微生物活动受到限制，从而降低土壤有机碳矿化速率，这与杜威等[20]研究结果一致。

随着培养时间的延长，各温度下土壤有机碳矿化速率差异性减小(图1)，表明随培养时间的延长温度对土壤有机碳矿化的影响减弱。同一绿肥添加处理下土壤有机碳累积矿化量均表现为25℃>15℃

表3 不同绿肥处理不同温度下有机碳矿化潜势及矿化速率

表4 绿肥与温度对土壤有机碳和全氮含量的影响/(g·kg-1)

>5℃，这与前人研究结果一致[9,21-23]。由于温度的升高，提高了微生物和酶的活性，进而促进土壤有机碳矿化[24-25]。与增温相比，绿肥添加对土壤有机碳矿化作用更突出。马天娥等[24]通过研究长期不同施肥措施下旱作农田土壤有机碳矿化特征，表明土壤有机碳矿化的Q10介于1.19～1.57之间。本研究中，在79 d培养试验Q10介于1.42～1.61之间，且呈现出CK处理大于其他处理的趋势，这可能是由于培养后期开始分解难分解有机物质，会降低Q10，已有研究表明难分解物质对温度不敏感[26]。绿肥残余的添加能够降低温度敏感性，表明在未来气候持续变暖的条件下，农田施加绿肥可能减缓CO2释放的潜力。目前研究仍存在不确定性，需要进一步研究底物的质量和供应以及酶活性等，以阐明绿肥添加对土壤有机碳矿化的温度敏感性影响机理[27-28]。

潜在可矿化有机碳C0反映不同处理下土壤微生物对碳源的利用能力[24]。本文研究中，与CK处理相比，绿肥添加显著提高了C0，这主要是由于绿肥添加显著增加了土壤有机碳矿化的底物供给。已有研究表明，绿肥作物添加为土壤微生物提供营养物质，促进微生物活动，从而提高对土壤碳库的利用。C0/SOC越大则土壤有机碳矿化能力就越强，土壤有机碳的固存量就相对较少[6]。本文结果表明，C0/SOC变化范围为0.34～2.38，不同绿肥处理间呈现出S>M>R，表明与豆科作物相比，非豆科作物固碳能力更突出。另外，C0/SOC表现出随着温度升高而增加的趋势，温度的升高促进了土壤有机碳矿化，降低了土壤有机碳固存能力。有机碳矿化速率常数k也具有相同趋势，这主要是由于豆科作物碳氮比较低，更易被分解利用。

绿肥添加增加了外源碳的输入，能够显著提高土壤有机碳含量[29]，且R处理较S与M处理优势更为突出。这主要由于植物残体本身含有丰富的有机质，腐解过程向土壤输入了碳氮，促进土壤碳固持[18]。与非豆科作物相比，豆科作物分解速率快，促进土壤碳输出[20]。随着温度增加，土壤有机碳含量呈递减趋势。随着温度升高，分解作用增加，促进土壤碳排放,土壤有机碳含量下降，不利于有机碳固存。研究表明，土壤温度、土壤有机质含量是影响土壤有机碳矿化的重要因素[30-31]。本文研究结果表明，豆科作物能够有效补充土壤碳库和氮库，因而S、M处理较R处理能够更有效促进土壤有机碳矿化，与前人研究结果一致[15]。土壤全氮反映出土壤氮素储备状况。植物残体的加入有效提高土壤全氮含量，与辛国荣等[32]研究结果一致。这主要是由于外源有机物有效地补充土壤氮库，并且豆科作物也具有固氮作用，这都利于促进土壤氮素循环。

4 结 论

本文基于室内培养试验表明，绿肥添加和增温共同影响着旱作农田土壤有机碳的矿化过程。绿肥添加显著提高土壤有机碳矿化速率和累积矿化量，但显著降低了土壤有机碳矿化的温度敏感性。一级动力学模型能较好地反映土壤有机碳矿化特征，绿肥添加和温度升高均显著提高了模型相关参数，且豆科绿肥较非豆科绿肥提高幅度更大。同时，绿肥添加通过提高外源碳输入能够有效补充土壤碳、氮库。综合来看，在气候变暖背景下，旱作农田施用绿肥能够促进土壤有机碳矿化和养分循环，有利于土壤碳固持。