王雨晴 和江鹏 乔赵崇 赵海超 黄智鸿 卢海博

摘要：为了研究碳水耦合作用对土壤活性有机碳（LOC）组分及碳库管理指数的影响，通过有机碳含量高（H，4.0%）、中（M，2.0%）、低（L，0.5%）3个水平和含水量高（70%～80%）、中（50%～60%）、低（30%～40%）3个水平，进行室内裂区设计模拟培养试验，分析其活性有机碳含量和碳库指数的变化。结果表明：碳水耦合条件下总活性有机碳（TLOC）含量在16.79～20.36 mg/kg之间，在高碳条件下占比最低，随着土壤水分的增加呈上升趋势，随着土壤有机碳（SOC）含量的增加而下降;高活性有机碳（H-LOC）含量在0.21～1.44 g/kg之间，在高碳低水条件下占比最高，随土壤水分和SOC含量的增加均呈上升趋势;中活性有机碳（M-LOC）含量在2.71～5.18 g/kg之间，随土壤水分的增加而上升，随SOC含量增加而下降。随着培养时间的延长，土壤TLOC含量和低活性有机碳（L-LOC）含量均呈先升后降趋势，土壤M-LOC含量在低碳高水处理呈波动式上升趋势，其他处理均呈波动式下降趋势，H-LOC含量在高碳条件下呈下降趋势，其他处理呈上升趋势。H-LOC的碳库管理指数（CPMI）在18.02～264.28之间，中水低碳条件下最高，低水中碳条件下最低;M-LOC的CPMI在25.43～206.35之间，中水低碳条件下最高，低水中碳条件下最低。

关键词：碳水耦合;土壤;活性有机碳;碳库管理指数

中图分类号：S153.6 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2022）05-0199-06

收稿日期：2021-05-04

基金项目：河北省教育厅重大项目（编号：ZD2019097）;河北省现代农业产业技术体系 （编号：HBCT2018020203）;河北北方学院博士基金（编号：12995543）。

作者简介：王雨晴（1997—），女，河北承德人，硕士研究生，主要从事农业资源利用研究。E-mail：3542354349@qq.com。

通信作者：赵海超，博士，副教授，主要从事生态学研究。E-mail：haichaozhao19@163.com。

碳、水循环是能量循环的核心，两者不是彼此孤立而是密切联系的生态学过程，其间耦合关系的研究是碳水管理的重点之一[1]。土壤是陆地上最大的有机碳库[2]，土壤有机碳（soil organic carbon，简称SOC）是生物生长的养分源泉和微生物的能量来源[3]。总有机碳（total organic carbon，简称TOC）含量不能表征土壤质量提高或降低的程度[4]，其含量是有机化合物输入和输出间循环平衡的结果。活性有机碳是含碳的化学组分，在TOC中占比小，但可快速降解并参与土壤养分循环，对碳输入高度响应，被称为SOC变化的敏感指标[5]，通常用易氧化有机碳（labile organic carbon，简称LOC）、微生物生物量碳（microbial biomass carbon，简称MBC）、颗粒有机碳（particle organic carbon，简称POC）和溶解性有机碳（dissolved organic carbon，简称DOC）等的含量表示。Logninow等根据不同浓度高锰酸钾（33、167、333 mmol/L）氧化的有机碳含量，将其分成高、中、低3种级别[6]。根据土壤有机碳的不同活性，Blair等提出土壤碳库管理指数（carbon pool management index，简称CPMI），其不仅是评价LOC的指标还是引起SOC含量变化的重要依据，有助于土壤质量的改善[7-11]。水分是植物生长的必需要素，土壤水是水资源相互转化的纽带，在形成、转化与消耗中不可缺少，能被植物直接吸收利用[12]。前人大多是将碳水耦合分开研究，其对土壤质量影响的研究相对较少[13]。本研究以碳水耦合作用为研究对象，采用室内模拟方法，分析SOC组分和CPMI变化，以期为提高土壤肥力做出理论支撑。

1 材料与方法

1.1 材料处理

1.1.1 不同有机碳含量土壤培肥试验

试验在2019年5—11月进行，土壤类型为沙壤土，选择有机碳含量14.7%、氮（N） 含量0.42%、磷（P2O5） 含量0.22%的腐熟牛粪堆肥，设计不同有机肥施用量使土壤有机碳含量分别为0.5%（低碳）、2.0%（中碳）、4.0%（高碳），每个处理3次重复，在温室培育6个月，获得含有不同有机碳含量的土壤[14]。

1.1.2 碳水耦合试验

选择“1.1.1”节中获得的土壤进行碳水耦合室内培养，按土壤含水量30%～40%、50%～60%、70%～80%等3个梯度培养6个月，间隔15 d称质量法补充水分，使水分梯度一致，用风干后的土壤测定SOC组分，以低碳低水处理为参照计算土壤碳库管理指数（表1）。

1.2 样品分析方法

LOC用KMnO4氧化法[15]测定：称取0.015 g土样（碳含量≈15 mg）于100 mL离心管中，加入 25 mL KMnO4[9]，以250 r/min振荡1 h，然后在 2 000 r/min 下离心5 min，取上清液用去离子水按 1 ∶250 稀释[9]，在565 nm下测定吸光度，通过计算空白与土壤样品的吸光率之差算出KMnO4浓度的变化，得出活性有机碳含量（1 mmol/L KMnO4消耗9 mg碳）。選择的KMnO4浓度分别为33、167、333 mmol/L，即高活性有机碳[3]（highly labile organic carbon，简称H-LOC）、中活性有机碳[3]（moderately labile organic carbon，简称M-LOC）、低活性有机碳（lowly labile organic carbon，简称L-LOC）。能被 33 mmol/L KMnO4氧化的有机碳称为H-LOC[3];能被167 mmol/L KMnO4氧化且不能被33 mmol/L KMnO4氧化的有机碳称为M-LOC[3];能被 333 mmol/L KMnO4氧化且不能被167 mmol/L KMnO4氧化的有机碳称为L-LOC[3];能被 333 mmol/L KMnO4氧化的为总活性有机碳（total labile organic carbon，简称TLOC），不能被333 mmol/L KMnO4氧化的有机碳称为非活性有机碳（non-labile organic carbon，简称N-LOC）[3]。

土壤碳库管理指数计算如下[16]：

碳库指数[15]（CPI）=样品总有机碳含量（mg/kg）/参考样品总有机碳含量（mg/kg）。

碳库活度[15]（A）=活性有机碳含量（g/kg）/非活性有机碳含量（g/kg）。

碳库活度指数（AI）=碳库活度/参考土壤碳库活度[15]。

根据上述参数可得碳库管理指数（CPMI）=CPI×AI×100[3]。

溶解性总氮（total dissolved nitrogen，简称TDN）含量用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法[17]测定;溶解性总磷（total dissolved phosphorus，简称TDP）含量采用过硫酸钾氧化法[9]测定;土壤有机碳（soil organic matter，简称SOC）含量用重铬酸钾容量法-外加热[3]测定;无机磷（inorganic phosphorus，简称IP）含量测定采用钼锑分光光度法[3];氨氮（ammonia nitrogen，简称NH+4-N）含量用纳氏比色法[3]测定;土壤微生物量碳、微生物量氮（microbial biomass nitrogen，简称MBN）、微生物量磷（microbial biomass phophorus，简称MBP）含量的测定均采用三氯甲烷熏蒸浸提法[16]测定。

2 结果与分析

2.1 碳水耦合条件对土壤活性有机碳组分含量变化的影响

如图1所示，碳水耦合作用下土壤TOC含量在19.21～43.44 g/kg之间，TLOC含量在16.79～20.36 g/kg之间，在高碳（SOC含量4.0%）条件下占比最高，在低碳（SOC含量0.5%）条件下占比最低;土壤H-LOC含量在0.21～1.44 g/kg之间，占SOC含量的1.08%～3.43%，在高碳低水（相对含水率 30%～40%）条件下占比最高，在低碳高水（相对含水率70%～80%）条件下占比最低;土壤 M-LOC 含量在2.71～5.18 g/kg之间，占SOC含量的9.86%～15.94%，在高碳中水（相对含水率50%～60%）条件下占比最高，在中碳（SOC含量2.0%）低水条件下占比最低;土壤L-LOC含量在16.49～18.92 g/kg之间，占SOC含量的31.41%～78.71%，在高碳低水条件下占比最高，在中碳低水条件下占比最低;土壤N-LOC含量在1.46～27.60 g/kg 之间，占SOC含量的5.35%～56.26%，在高碳高水条件下占比最高，在低碳中水条件下占比最低。可见随碳含量上升，土壤L-LOC含量占SOC含量的比例下降，土壤 N-LOC 含量占SOC含量比例上升。随着土壤水分含量的增加，土壤活性有机碳组分比例上升。

如图2所示，H-LOC含量随着田间持水量的上升而下降，随着土壤有机碳含量的上升而上升;M-LOC 含量随着田间持水量及土壤有机碳含量的上升而下降;L-LOC含量随着田间持水量及土壤有机碳含量的上升而上升。可见碳水不仅单方面影响而且共同影响着土壤活性有机碳各组分的变化。

2.2 碳水耦合条件对土壤活性有机碳含量动态变化的影响

如图3所示，在碳水耦合条件下土壤TLOC含量随着培养时间的延长高碳中水处理呈先降后升再降的变化趋势，高碳高水处理呈先升后降再升的变化趋势，低碳中水呈先降后升再降趋势，其他处理均呈先升后降的趋势，在 135 d 时达到最高值。土壤L-LOC含量随着培养时间的延长各处理均呈先升后降的趋势，高碳低水处理在62 d达到最高值，高碳高水处理在175 d达到最高值，其他处理均在135 d达到最高值，175 d时在高、中碳条件下随着水分的降低呈下降趋势。M-LOC含量随着培养时间的延长，低碳高水处理呈波动式上升趋势，其他处理均呈波动式下降趋势;175 d 时低碳高水处理M-LOC含量最高，中碳低水M-LOC含量最低。高碳处理土壤 H-LOC 含量随着培养时间的延长，呈波动式下降趋势，其他处理均呈波动式上升趋势;175 d H-LOC 含量低碳中水最高，低碳高水处理最低。总体来看，在TOC含量较高的条件下土壤中活性有机碳含量较高，特别是H-LOC含量明显增高，作为土壤微生物的主要能量来源，在培养过程中被微生物降解，而在中、低TOC含量的條件下，土壤中微生物能够降解TOC向TLOC转化，随着培养时间的延长TLOC进一步向H-LOC转化，使H-LOC含量在培养后期呈上升趋势。高水条件下微生物活性强对活性有机碳含量影响较大，低水条件对活性有机碳影响较弱，因此高碳低水在62 d时TLOC和 L-LOC 含量出现峰值。

2.3 碳水耦合条件对土壤碳库管理指数的影响

碳库管理指数（CPMI）、碳库活度指数（AI）、碳库活度（A）及碳库指数 （CPI）相关联，AI和CPMI是土壤碳库变化的量化依据。如表2所示，低碳低水、低碳中水、低碳高水总活性有机碳碳库管理指数分别为100.00、209.83、118.75，中活性有机碳碳库管理指数分别为100.00、206.35、115.64，高活性有机碳碳库管理指数分别为100.00、264.28、53.38。以上结果表明随着水分含量的增加土壤碳库管理指数降低，低碳中水处理有利于提高碳库管理指数[3]。各含水量条件下中碳处理高活性有机碳碳库管理指数分别为18.02、35.96、39.73，结果显示随着水分含量增加碳库管理指数明显上升。TLOC的CPMI在20.40～209.83之间，中碳、高碳的CPMI均低于100。土壤高活性有机碳的CPMI在 18.02～264.28之间，低碳中水的CPMI最高，中碳低水的CPMI最低，且仅低碳中水的CPMI大于100。土壤中活性有机碳的CPMI在25.43～206.35之间，低碳中水的CPMI最高，中碳低水的CPMI最低。可见与低碳低水相比，低碳中水能提高CPMI，低碳高水只能提高总活性有机碳和中活性有机碳碳库管理指数。主要是因为低碳环境下TLOC占比大，进而提高CPMI，此外TLOC占比小，则CPMI降低。CPMI提高表明了土壤质量的改善、土壤肥力的提高以及土壤利用效率的增加，能更好地反映土壤问题。

3 讨论

3.1 碳水耦合对土壤活性有机碳组分的影响

土壤有机碳是植物、微生物生命活动的必需要素，SOC是陆地上储藏的最大有机碳库[3]，TLOC在SOC中占比很小，但极大地影响着土壤养分的转化供应。土壤有机碳的总量与活性受土壤中输入的不同碳水耦合强度所影响，从而影响着土壤TLOC。如表3所示，低活性有机碳含量与MBN呈极显著正相关关系，与SOC含量具有显著相关关系[3]，中活性有机碳含量与含水量呈显著正相关关系，高活性有机碳与MBN、SOC含量呈显著正相关关系，结果表明随有机碳和水分含量的增加，能加剧养分转化，活性有机碳含量升高，与乔赵崇的研究结果[3]一致。较之低碳，高、中碳施肥量高，促使微生物量增多，从而土壤碳库总量升高[3]，进而导致土壤活性有机碳含量较高[17]。高水、中水环境与低水环境相比，含水量增加，土壤营养盐加速溶解[3]，微生物量增多导致土壤活性有机碳含量较高[18]。在农业生产上应有机无机肥配施[19]，并适量灌溉，贫瘠土壤应充分灌溉并增施有机肥;若要肥沃土壤应保持高碳中水环境，这也能提高土壤的保肥能力。

3.2 碳水耦合对土壤碳库管理指数的影响

碳库管理指数是反映土壤供肥能力的重要指标。如表4所示，总、中活性有机碳的CPMI与SOC、TDP、无机磷、TDN含量呈显著负相关关系，其原因可能是沙壤土有大孔隙、营养成分转化快[3]，CPMI增加，加速营养物质转化，导致土壤养分降低，从而土壤中的无机磷、TN含量下降[20]。碳水耦合下TLOC和CPMI的研究表明，施用有机肥结合灌溉可使SOC含量上升，但施肥会使CPMI呈下降趋势，这与沈宏等的研究结果[21-22]不同。沙壤土保水保肥能力差，增施有机肥能有效降低土壤孔隙度及养分的转化速率，降低土壤的CPMI。水分是增强微生物活性的条件之一，促进有机碳向活性有机碳转化，可使地力肥沃、土壤保蓄力增强。乔赵崇研究表明，碳水耦合能改善土壤质量，故高碳高水SOC及TLOC含量要高于低碳和中碳，低碳CPMI高于中碳、高碳。低碳低水条件下SOC、TLOC含量均低于中碳和高碳[3]。随着土壤经济效益的升高，有机肥的投入成反比，对于低碳低水的沙壤，应增施有机肥、多次少量灌水，降低土壤CPMI，防止土壤养分及水分流失，有机与无机肥配合施用，提高土壤碳库水平[23]。

4 结论

土壤高活性有机碳含量在0.21～1.44 g/kg之间，占土壤有機碳含量1.08%～3.43%;总活性有机碳含量在16.79～20.36 mg/kg之间，在高碳（SOC，4.00%）条件下有机碳含量占比最低。在碳水耦合条件下随着培养时间的延长，土壤活性有机碳和低活性有机碳含量大体上均呈先升后降趋势;土壤中活性有机碳含量在低碳高水处理呈波动式上升趋势，其他处理均呈波动式下降趋势，培养 135 d 时出现最高值;高活性有机碳含量在高碳条件下呈波动式下降趋势，其他处理呈波动式上升趋势。高水条件下微生物活性强对活性有机碳含量影响较大，因此高碳低水在62 d时活性有机碳和低活性有机碳含量出现峰值。

不同碳水耦合条件下土壤活性有机碳的CPMI在20.40～209.83之间，低碳中水最高，高碳中水最低;土壤高活性有机碳的CPMI在18.02～264.28 之间，低碳中水最高，中碳低水最低;土壤中活性有机碳的CPMI在25.43～206.35之间，低碳中水的CPMI最高，中碳低水CPMI最低。高碳中水条件有利于提高土壤供肥能力，田间应根据土壤有机碳含量调控水分灌溉量，从而提高土壤肥力。

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