曹寒冰^,1,2, 谢钧宇^1,2, 刘菲¹, 高健永¹, 王楚涵¹, 王仁杰³, 谢英荷¹, 李廷亮^,1,*1山西农业大学资源环境学院/省部共建有机旱作农业国家重点实验室（筹）,太原 030031
²土壤环境与养分资源山西省重点实验室,太原 030031
³全国蔬菜质量标准中心,山东潍坊 262700

Mineralization Characteristics of Soil Organic Carbon and Its Temperature Sensitivity in Wheat Field Under Film Mulching

CAO HanBing^,1,2, XIE JunYu^1,2, LIU Fei¹, GAO JianYong¹, WANG ChuHan¹, WANG RenJie³, XIE YingHe¹, LI TingLiang^,1,*1College of Resources and Environment, Shanxi Agricultural University/State Key Laboratory of Sustainable Dryland Agriculture (in preparation), Taiyuan 030031
²Key Laboratory of Soil Environment and Nutrient Resources of Shanxi Province, Taiyuan 030031
³National Vegetable Quality Standards Center, Weifang 262700, Shandong;

通讯作者: 李廷亮,E-mail： litingliang021@126.com

责任编辑: 李云霞
收稿日期:2021-07-26接受日期:2021-09-16

基金资助:

山西农业大学省部共建有机旱作农业国家重点实验室自主研发项目(202105D121008-1-13) 黄土高原特色作物优质高效生产省部共建协同创新中心基金项目(SBGJXTZX-25) 山西省高等学校科技创新项目(2021L164) 国家自然科学基金(41807102) 国家自然科学基金(U1710255-3) 山西省土壤环境与养分资源重点实验室开放基金项目(2019003) 山西省土壤环境与养分资源重点实验室开放基金项目(2020001) 山西农业大学科技创新基金(青年科技创新)项目(2019004) 山西农业大学科技创新基金(博士科研启动)(2020BQ50) 国家重点研发计划(2018YFD0200401) 国家公益性行业(农业)科研专项(201503124)

Received:2021-07-26Accepted:2021-09-16
作者简介 About authors
联系方式：曹寒冰,E-mail： caohanbing119@163.com。










摘要
【目的】明确旱地土壤有机碳矿化对地膜长期覆盖的响应及有机碳矿化的温度敏感性,进而深入理解土壤有机碳的转化与稳定机制,为旱地土壤培肥和作物增产提供理论支撑。【方法】在黄土高原东南部2012年开始的旱地小麦田间地膜覆盖试验的基础上,采集不同覆盖栽培模式（常规施肥（不覆膜）、测控施肥（不覆膜）、垄膜沟播（覆膜）、平膜穴播（覆膜））试验的0—20 cm土层土壤样品,采用不同温度（15、25和35℃）进行室内有机碳矿化培养实验。在培养后的第1、3、5、7、14、21、28、35和42天运用碱液吸收法测定土壤有机碳矿化速率,结合双库指数模型拟合土壤活性和惰性有机碳库的容量及其分解速率,研究地膜覆盖对土壤有机碳矿化特征的影响及有机碳矿化对温度变化的响应规律。【结果】温度升高显著提高了土壤有机碳矿化速率、累积矿化量和惰性有机碳库（Cs）的矿化量,但是显著降低了温度敏感性系数（Q₁₀）和活化能（Ea）。25℃和35℃时土壤有机碳矿化速率和累积矿化量均无显著差异,分别为15℃时的2倍,Cs的矿化量分别较15℃时提高了93.4%和105.3%。但是Q₁₀（25-35℃）比Q₁₀（15-25℃）降低了19.3%,Ea（25-35℃）比Ea（15-25℃）同步降低了68.0%。地膜覆盖显著提高了土壤有机碳累积矿化量、Q₁₀、Ea以及Cs的矿化量。同常规施肥相比,垄膜沟播和平膜穴播均显著提高了土壤有机碳累积矿化量,增幅分别为26.5%—38.6%（25℃）和27.8%—64.4%（35℃）,且以平膜穴播提升幅度最大;平膜穴播处理亦显著提高了Q₁₀和Ea,其中Q₁₀增幅分别为28.5%（15—25℃）和25.8%（25—35℃）,Ea增幅分别为93.4%和193.1%;平膜穴播处理还显著提高了Cs的矿化量,增幅达115.8%—2 208.2%。【结论】黄土高原旱地麦田土壤上地膜覆盖加速了土壤有机碳矿化,尤其是平膜穴播,主要通过增加惰性有机碳库的矿化,进而显著提高了土壤有机碳累积矿化量及其温度敏感性。
关键词： 旱地;土壤有机碳矿化;温度敏感性;惰性有机碳库;平膜穴播

Abstract
【Objective】Clarify the response of dryland soil organic carbon (SOC) mineralization to long-term film mulching and its temperature sensitivity, and further understand the transformation and stabilization mechanism of SOC, providing theoretical support for dryland soil fertility and crop productivity. 【Method】Based on the dryland wheat field mulching experiment that began in 2012 in the southeastern of the Loess Plateau, soil samples of 0-20 cm layer for different mulching cultivation modes (farmer’s practice fertilization (no film mulching), monitoring fertilization (no film mulching), monitoring fertilization plus ridge mulching-furrow planting (mulching), and monitoring fertilization plus whole field film (mulching)) were collected, and then the soil samples were incubated at different temperatures (15, 25 and 35℃). The lye absorption method was used to determine the SOC mineralization rate at the 1^st, 3^rd, 5^th, 7^th, 14^th, 21^st, 28^th, 35^th and 42^th days after incubation, combined with two component model to fit the cumulative mineralization and decomposition rate of soil active and recalcitrant organic carbon pool, investigate the effect of film mulching on SOC mineralization characteristics and the response of SOC mineralization to temperature.【Result】The results showed that the increasing temperature had significantly increased SOC mineralization rate, cumulative mineralization and the mineralization amount of recalcitrant organic carbon pool (Cs), but markedly decreased the temperature sensitivity (Q₁₀) and activation energy (Ea). The mineralization rate and cumulative mineralization of SOC at 25℃ and 35℃ were about twice that at 15℃, and the mineralization of Cs increased by 93.4% and 105.3% respectively compared with that at 15℃. But Q₁₀ (25-35℃) is 19.3% lower than Q₁₀ (15-25℃), and Ea (25-35℃) is 68.0% lower than Ea (15-25℃). Plastic film mulching significantly increased the SOC cumulative mineralization, the mineralization of Q₁₀, Ea and Cs. Compared with farmer fertilization treatment, both monitoring fertilization plus ridge mulching-furrow planting and monitoring fertilization plus whole field film treatments had significantly increased the SOC cumulative mineralization by 26.5%-38.6% (25℃) and 27.8%-64.4% (35℃), respectively, while monitoring fertilization plus whole field film treatment had the largest improvement. The monitoring fertilization plus whole field film treatment had also significantly increased Q₁₀ by 28.5% (15-25℃) and 25.8% (25-35℃) and Ea by 93.4% and 193.1%, respectively. Furthermore, monitoring fertilization plus whole field film treatment had markedly increased the mineralization amount of Cs by 115.8%-2 208.2%. 【Conclusion】Therefore, film mulching accelerated the SOC mineralization in the dryland wheat field of the Loess Plateau, especially for monitoring fertilization plus whole filed filming treatment mainly increased the mineralization of recalcitrant organic carbon pool, and then significantly increased the cumulative mineralization of SOC and its temperature sensitivity.
Keywords：dryland;soil organic carbon mineralization;temperature sensitivity;recalcitrant organic carbon pool;monitoring fertilization plus whole filed filming


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本文引用格式
曹寒冰, 谢钧宇, 刘菲, 高健永, 王楚涵, 王仁杰, 谢英荷, 李廷亮. 地膜覆盖麦田土壤有机碳矿化特征及其温度敏感性. 中国农业科学, 2021, 54(21): 4611-4622 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.21.011
CAO HanBing, XIE JunYu, LIU Fei, GAO JianYong, WANG ChuHan, WANG RenJie, XIE YingHe, LI TingLiang. Mineralization Characteristics of Soil Organic Carbon and Its Temperature Sensitivity in Wheat Field Under Film Mulching. Scientia Agricultura Sinica, 2021, 54(21): 4611-4622 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.21.011


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0 引言

【研究意义】农田土壤碳储量是陆地生态系统中重要的碳库,土壤有机碳（soil organic carbon, SOC）在维持土壤肥力,保障粮食安全和调节气候变化等方面起着重要作用^[1]。黄土高原旱地是我国重要的耕地资源,同时也是国内粮食增产潜力和土壤有机碳提升空间最大的区域,与其他地区相比其土壤有机碳含量受到环境和人为活动的影响也更大^[2]。近年来,化肥和地膜的广泛应用有力保障了黄土高原地区的粮食安全。然而,化肥过量施用现象普遍存在,且不利于作物持续增产;地膜覆盖通过促进作物生长增加土壤中根系残茬的数量进而提高有机碳含量,但同时可能会加速有机碳矿化。基于优化施肥的地膜覆盖措施通过改善土壤养分和水分条件可有效提高旱地水分利用效率和作物单位面积产量,也将对土壤有机碳的转化过程产生重要影响^[3,4]。因此,通过田间长期试验观测结果明确基于优化施肥的地膜覆盖条件下土壤有机碳的矿化规律,对旱地农业可持续发展有重要意义。【前人研究进展】土壤有机碳矿化是土壤养分释放的重要过程,受人为活动和水热环境条件的影响,尤其对温度变化响应非常敏感。多数研究认为,温度升高会加速有机碳矿化^[5,6,7]。例如,采用不同温度对我国南方农田红壤进行室内培养试验发现,有机碳矿化速率整体呈现“快速下降-缓慢降低-趋于稳定”的趋势,提高温度增加了土壤有机碳矿化速率和累积矿化量^[5]。但也有研究认为,温度升高会抑制土壤呼吸速率,从而降低土壤有机碳矿化速率^[8,9]。温度对土壤有机碳矿化的影响通常用温度敏感性（Q₁₀）来表示,即温度每升高10℃时,土壤呼吸速率增加的倍数。有研究提出全球农田生态系统土壤的Q₁₀一般为2.4^[10],但是不同区域具有一定差异,不同的资源环境条件和田间管理习惯是造成这种差异的主要原因。例如,水热条件充足的巴西农田土壤Q₁₀介于2.3—2.7,高于世界平均水平^[11]。可见,针对特定的生产区域结合区域资源环境特征进行深入研究十分有必要。过去20多年,为了提高我国黄土高原地区作物的水分和养分利用效率,旱地农业工作者在理论结合实践的不断探索中形成了以协调水肥高效利用为核心的地膜覆盖栽培措施^[12,13]。然而,目前关于地膜覆盖是否有利于旱地土壤有机碳含量的提高尚无定论。有研究显示覆膜条件下土壤有机碳含量会显著升高^[14,15];也有报道发现覆膜对土壤有机碳含量无显著影响^[16,17,18];还有研究认为覆膜加速了土壤有机碳矿化,进而减弱了土壤有机碳固存^[19,20]。综上,土壤有机碳含量是土壤有机碳固存量和矿化量平衡的结果,考虑土壤有机碳矿化过程易受温度变化影响,且地膜覆盖栽培方式对旱地作物增产的主要贡献源自其对土壤水热条件的改善。因此,研究长期地膜覆盖下旱地土壤有机碳矿化特征及其对温度变化的响应规律,有助于完善土壤有机碳转化和稳定机制。【本研究切入点】针对目前关于地膜覆盖能否同步提高作物产量和土壤有机碳含量的研究往往关注土壤有机碳的固存及其保护机制,鲜有深入理解土壤有机碳矿化过程的问题。【拟解决的关键问题】本研究基于黄土高原东南部长期旱地小麦田间地膜覆盖试验,采用不同温度（15℃、25℃、35℃）对无膜和覆膜条件下的土壤样品进行室内培养,研究地膜覆盖下土壤有机碳矿化特征及有机碳矿化对温度变化的响应规律,进而加深对该区域土壤有机碳转化机制的认识,为寻求科学合理的农田管理措施提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

供试土壤采自位于黄土高原东南部的山西省洪洞县刘家垣镇东梁村的试验基地（N 36°22′,E 111°35′,海拔648 m）（图1）,当地农业生产主要靠自然降水,属于典型的黄土高原旱作小麦种植区。该区年平均气温12.6℃,年降雨量约500 mm,其中60%的降水集中在每年的7、8、9三个月,属于大陆性季风气候。供试土壤类型为石灰性褐土,试验开始前0—20 cm土层土壤有机质含量为14.6 g·kg^-1,全氮为0.9 g·kg^-1,硝态氮为10.4 mg·kg^-1,有效磷为10.4 mg·kg^-1,速效钾为208.2 mg·kg^-1,pH为7.9。

图1

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图1试验地位置与试验处理

常规施肥：Farmer’s practice fertilization (FP);测控施肥：Monitoring fertilization (MF);垄膜沟播：Monitoring fertilization plus ridge mulching-furrow planting (RF);平膜穴播：Monitoring fertilization plus whole filed filming (FH)。下同 The same as below
Fig. 1Experimental site location and treatment

1.2 试验设计

田间试验开始于2012年,设有4个处理：

（1）常规施肥（FP）,与当地小麦种植习惯一致,采用常规平作方式种植冬小麦,播前旋耕施入肥料,不覆膜,行距20 cm,施肥量为当地农户平均施肥量。

（2）测控施肥（MF）,同样采用常规平作,播前旋耕施入肥料,不覆膜,行距20 cm,施肥量是基于土壤养分平衡和当年小麦播前土壤养分测试值计算而来^[21]。

（3）垄膜沟播（RF）,播前旋耕施入肥料后起垄,垄上覆膜,沟内播种,垄宽35 cm,沟宽30 cm,施肥量与MF一致。

（4）平膜穴播（FH）,播前旋耕施入肥料后全地面平铺地膜,膜上覆土0.5—1 cm,播种行距15—16 cm,穴距12 cm,施肥量与MF一致。

每个处理设置4次重复,采用随机区组排列,小区面积为360 m²。试验中施用的氮肥为尿素（含 N 46%）,磷肥为普通过磷酸钙（含 P₂O₅ 11%）,钾肥为氯化钾（含 K₂O 60%）,均作底肥一次施入土壤,翻入耕层后耙平。小麦品种为晋麦47,播种量为150 kg·hm^-2,每年10月初播种,次年6月初收获,6—9月为夏季休闲期,小麦生育期不进行灌溉。具体施肥量见表1,2019年各处理土壤基础性质见表2。

Table 1
表1
表1不同年份不同处理试验地的施肥量
Table 1The application rate of nutrients in different treatment (N-P₂O₅-K₂O, kg·hm^-2)

处理 Treatment	2012—2013	2013—2014	2014—2015	2015—2016	2016—2017	2017—2018	2018—2019
常规施肥FP	150-60-0	150-60-0	150-60-0	150-60-0	150-60-0	150-60-0	150-60-0
测控施肥MF	125-105-41	95-64-32	105-52-30	90-53-45	91-75-32	56-111-29	85-92-17
垄膜沟播PF	125-105-41	95-64-32	105-52-30	90-53-45	91-75-32	56-111-29	85-92-17
平膜穴播FH	125-105-41	95-64-32	105-52-30	90-53-45	91-75-32	56-111-29	85-92-17

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Table 2
表2
表22019年0—20 cm土层土壤基础性质
Table 2Basical properties of topsoil (0-20 cm) in 2019

处理 Treatment	pH	全氮 TN (g·kg-1)	硝态氮 NO3-N (mg·kg-1)	速效磷 AP (mg·kg-1)	速效钾 AK (mg·kg-1)
常规施肥FP	8.1a	1.06a	4.6a	17.4a	220.4a
测控施肥MF	8.0a	0.83b	5.6a	33.8a	215.5a
垄膜沟播RF	8.0a	0.82b	5.2a	28.5a	258.6a
平膜穴播FH	7.9a	0.79b	4.9a	28.0a	254.6a

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1.3 样品采集与分析

于2019年小麦收获后,采集0—20 cm土层土壤样品,在阴凉通风处自然风干,去除植物残体等杂物,磨细过2 mm筛,用于有机碳矿化培养试验及土壤基本性质。

1.4 测定指标与方法

土壤有机碳含量采用重铬酸钾-容量法测定^[18]。

土壤有机碳矿化培养试验采用室内恒温培养、碱液吸收法测定^[5]。具体步骤为：称取已过2 mm筛的风干土样20 g,均匀地铺于500 mL培养瓶底,且用蒸馏水调节至田间持水量的60%。为了恢复微生物活性,在正式培养之前,先放入25℃恒温培养箱中预培养3 d。然后将盛有5 mL 0.5 mol·L^-1 NaOH溶液的特制吸收瓶小心地悬挂于培养瓶内,加盖密封培养瓶。同时设置3个不加土样的空白对照。分别于培养后的第1、3、5、7、14、21、28、35和42天取出吸收瓶,将吸收瓶中的溶液用蒸馏水全部洗入250 mL三角瓶内,加入1 mol·L^-1的BaCl₂溶液2 mL和2滴酚酞指示剂,然后用0.5 mol·L^-1的盐酸滴定至红色消失。根据消耗盐酸的量计算气体CO₂-C的释放量。

1.5 数据计算与分析方法

1.5.1 数据计算

土壤有机碳矿化量：

(1) $\text{CN}=\text{CHCl}\times \text{(V0}-\text{V1)}\times \text{MCO2 /2m}$
式中,C_N为土壤有机碳矿化量（g·kg^-1）;C_HCl为盐酸浓度（mol·L^-1）;V₀为滴定空白样品所消耗HCl的体积（mL）;V₁为滴定样品所消耗的HCl体积（mL）;M_CO2为CO₂的摩尔质量（44 g·mol^-1）;m为用于培养试验的土壤质量（g）。

(2) 第t天土壤有机碳累计矿化量（g·kg^-1）=$\sum_{i=1}^{t}$有机碳矿化量
(3) 培养期间SOC矿化速率：R=C_N/t
式中,R为SOC矿化速率（g·kg^-1·d^-1）;C_N为培养时间内SOC矿化量（g·kg^-1）;t为培养天数（d）。

土壤有机碳矿化温度敏感性系数Q₁₀：

(4) R = ae^bT Q₁₀ = e^10b
式中,R为土壤有机碳矿化速率;T为培养温度;a为温度为0℃时的土壤净矿化速率;b为温度反应系数。

土壤有机碳矿化活化能用Ea（kJ·mol^-1）表示：

（5） $\text{Ea}=\text{R}\times \ln (\text{Q}10)/[(\text{1/T2)-(1/T1) }$
式中,R=8.314 J·mol^-1;T₁和T₂分别为较高和较低培养的开尔文温度。

将土壤有机碳矿化培养试验的数据运用双库指数模型^[22]对土壤活性碳库（Ca）和惰性碳库（Cs）的大小及分解速率进行拟合,方程如下：

（6） $\text{Cm}=\text{Ca}\times \text{(1}-{{\text{e}}^{\text{-Ka}\times \text{t}}}\text{)}+\text{Cs}\times \text{(1-}{{\text{e}}^{\text{-Ks}\times \text{t}}}\text{)}$
式中,C_m表示经过t时间后土壤有机碳累积矿化量（g C·kg^-1soil）;Ca和Cs分别代表矿化的活性和惰性有机碳库（g C·kg^-1soil）;Ka和Ks分别是活性和惰性有机碳库的分解速率（d^-1）。

1.5.2 分析方法 采用Excel 2013和DPS 7.05软件对本研究中所有数据进行计算和统计分析,利用两因素方差分析,明确温度、覆膜处理及两者的交互作用对土壤有机碳矿化速率、累积矿化量和有机碳库矿化参数的影响,并采用LSD法进行处理间平均值的多重比较。用Origin 2018软件作图。

2 结果

2.1 覆膜对土壤有机碳含量的影响

覆膜处理一定程度上提高了土壤有机碳（SOC）含量（图2）。同常规施肥（FP）处理相比,测控施肥（MF）处理显著降低了SOC含量,降低了10.9%。而垄膜沟播（RF）处理对SOC含量无显著影响。平膜穴播（FH）处理却显著提高了SOC含量,提高了8.4%。此外,同MF处理相比,RF和FH处理均显著提高了SOC含量,增幅达9.5%—21.7%。

图2

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图2覆膜处理下土壤有机碳含量

不同小写字母表示不同处理间达5%显著水平（P<0.05）。下同
Fig. 2Soil organic carbon content under film mulching measures

Different lowercase letters mean significant differences between treatments at the 5% probability level. The same as below

2.2 覆膜对土壤有机碳矿化速率变化的影响

两因素方差分析结果显示（表3）,仅温度显著影响了土壤有机碳矿化速率（P<0.05）,而覆膜和两者的交互作用对土壤有机碳矿化速率无影响。各处理下土壤有机碳矿化速率随着培养温度的升高而增加,且有机碳矿化速率在25℃与35℃时相近,约为15℃的2倍（图3）。

Table 3
表3
表3温度和覆膜处理下土壤有机碳矿化速率的双因素方差分析
Table 3Two-factor variance analysis of SOC mineralization rate under temperature and film mulching measures

变异来源 Source of variation	平方和 Sum of squares	自由度 Degree of freedom	均方 Mean square	F值 F value	P值 P value
温度 Temperature (T)	0.0154	2	0.0077	6.1986	0.0030
覆膜 Film mulching (F)	0.0028	3	0.0009	0.7607	0.5191
温度×覆膜T×F	0.0032	6	0.0005	0.4266	0.8594

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图3

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图3覆膜处理下土壤有机碳矿化速率的动态变化

Fig. 3Dynamic changes of soil organic carbon mineralization rate under different film mulching measures



不同覆膜处理土壤有机碳矿化速率在各温度条件下的变化趋势一致,呈现出3个明显阶段（图3）：第一阶段为0—7 d（培养初期）,培养第1天土壤有机碳矿化速率均达到最大值,而后迅速下降,培养第7天土壤有机碳矿化速率仅为第1天的7.3%—17.4%（15℃）、6.5%—12.6%（25℃）和3.8%—7.0%（35℃）,此阶段总体持续时间短但分解量大,是有机碳快速矿化阶段。第二阶段为7—35 d（培养中期）,此阶段土壤有机碳矿化速率处于缓慢下降偶尔有波动逐渐至稳定的状态,各温度条件下,培养第35天仅为第7天的12.5%—25.0%（15℃）、6.9%—14.7%（25℃）和19.1%—42.9%（35℃）,是有机碳缓慢矿化阶段。第三阶段为培养第35天至培养结束（培养后期）,随着培养时间的延长,各温度下不同处理之间土壤有机碳矿化速率趋于一致,基本无显著差异,此阶段变化幅度小且分解量小,是相对稳定阶段。

2.3 覆膜对土壤有机碳累积矿化量变化的影响

两因素方差分析结果显示（表4）,温度、覆膜和两者的交互作用均显著影响了土壤有机碳累积矿化量（P<0.05）。

Table 4
表4
表4温度和覆膜处理下土壤有机碳累积矿化量的双因素方差分析
Table 4Two-factor variance analysis of cumulative SOC mineralization under temperature and film mulching measures

变异来源 Source of variation	平方和 Sum of squares	自由度 Degree of freedom	均方 Mean square	F值 F value	P值 P value
温度 Temperature (T)	4.8955	2	2.4478	94.1171	0.0001
覆膜 Film mulching (F)	1.2566	3	0.4189	16.1060	0.0001
温度×覆膜 T×F	1.1187	6	0.1864	7.1688	0.0001

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各处理下,土壤有机碳累积矿化量随温度的升高而增加（图4）,25℃和35℃时有机碳累积矿化量分别平均是15℃的1.6倍和1.7倍,说明温度升高加速了土壤有机碳矿化。

图4

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图4覆膜处理下土壤有机碳累积矿化量的动态变化

Fig. 4Dynamic changes of cumulative soil organic carbon mineralization under different film mulching measures



不同培养温度条件下,覆膜影响了土壤有机碳累积矿化量。15℃时,同FP处理相比,MF和RF处理均显著提高了土壤有机碳累积矿化量,分别提高了22.6%和10.8%,但是FH处理显著降低了土壤有机碳累积矿化量,降幅为5.1%。25℃和35℃时,各处理较FP处理均显著提高了土壤有机碳累积矿化量,增幅分别为19.4%—38.6%（25℃）和23.8%—64.4%（35℃）,以FH处理提升效果最显著。

2.4 覆膜对土壤有机碳矿化温度敏感性（Q₁₀）的影响

覆膜处理显著影响了SOC矿化温度敏感性（即Q₁₀）（图5）。总体来看,Q₁₀（15—25℃）和Q₁₀（25—35℃）在不同处理之间的变化范围分别为1.4—1.8和1.2—1.4,Q₁₀（15—25℃）比Q₁₀（25—35℃）平均高19.3%,随着温度的升高,敏感性降低。

图5

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图5覆膜处理下土壤有机碳矿化温度敏感性（Q₁₀）

Fig. 5Q₁₀ value of SOC mineralization under different film mulching measures



同FP处理相比,MF和RF处理对Q₁₀（15—25℃）和Q₁₀（25—35℃）均无显著影响。但FH处理显著提高了Q₁₀（15—25℃）和Q₁₀（25—35℃）,分别提高了28.5%和25.8%。

2.5 覆膜处理下土壤有机碳矿化活化能（Ea）

表5表示土壤有机碳矿化活化能（Ea）。总体来看,Ea（15—25℃）值和Ea（25—35℃）值在不同处理间的变化范围分别为21.0—40.6和8.2—24.0,Ea（15—25℃）值比Ea（25—35℃）值平均高68.0%,随着温度的升高,Ea值呈降低的趋势。

Table 5
表5
表5不同覆膜处理下土壤有机碳矿化活化能（Ea）
Table 5Activation energy of soil organic carbon mineralization under different film mulching measures

处理 Treatment	Ea (kg·mol-1)
	15-25℃	25-35℃
常规施肥FP	21.0b	8.2b
测控施肥MF	33.9ab	19.9ab
垄膜沟播RF	22.3b	17.9ab
平膜穴播FH	40.6a	24.0a

不同小写字母表示不同处理间达5%显著水平（P<0.05）
Different lowercase letters mean significant differences between treatments at the 5% probability level

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同FP处理相比,MF和RF处理对Ea（15—25℃）值和Ea（25—35℃）值均无显著影响。但FH处理显著提高了Ea（15—25℃）值和Ea（25—35℃）值,增幅分别为93.4%和193.1%。

2.6 覆膜对土壤有机碳库矿化特征的影响

两因素方差分析结果显示（表6）,温度和覆膜均显著影响了土壤惰性有机碳库（Cs）的矿化量（P<0.05）,且温度亦显著影响了惰性有机碳库分解速率（Ks）（P<0.05）。

Table 6
表6
表6温度和覆膜处理下土壤有机碳库矿化参数的双因素方差分析
Table 6Two-factor variance analysis of SOC pool mineralization parameters under temperature and film mulching measures

	变异来源 Source of variation	平方和 Sum of squares	自由度 Degree of freedom	均方 Mean square	F值 F value	P值 P value
Ca	温度 Temperature (T)	0.1316	2	0.0658	0.2249	0.8004
	覆膜 Film mulching (F)	0.3592	3	0.1197	0.4091	0.7480
	温度×覆膜 T×F	2.7988	6	0.4665	1.5941	0.1960
Ka	温度 Temperature (T)	0.0348	2	0.0174	0.4279	0.6572
	覆膜 Film mulching (F)	0.0842	3	0.0281	0.6900	0.5678
	温度×覆膜T×F	0.0341	6	0.0057	0.1395	0.9893
Cs	温度 Temperature (T)	20103.4300	2	10051.7100	18.4349	0.0001
	覆膜 Film mulching (F)	15772.3800	3	5257.4620	9.6422	0.0003
	温度×覆膜T×F	649.0932	6	108.1822	0.1984	0.9737
Ks	温度 Temperature (T)	0.0004	2	0.0002	4.4409	0.0240
	覆膜 Film mulching (F)	0.0001	3	0.0000	0.6656	0.5821
	温度×覆膜 T×F	0.0002	6	0.0000	0.6096	0.7201

Ca：活性有机碳库;Ka：活性有机碳库分解速率;Cs：惰性有机碳库;Ks：惰性有机碳库分解速率。下同
Ca: Active organic carbon pool; Ka: Decomposition rate of active organic carbon pool; Cs: Resistant organic carbon pool; Ks: Decomposition rate of resistant organic carbon pool. The same as below

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双库指数模型可以很好地模拟土壤在不同温度下的矿化特征,各处理的R²值范围为0.972—0.995（表7）。在3种培养温度条件下,土壤活性有机碳库（Ca）和惰性有机碳库（Cs）矿化量的范围分别为0.329— 1.552和2.319—109.849 g·kg^-1。土壤活性有机碳库和惰性有机碳库的分解速率（Ka和Ks）分别介于0.209—0.434 d^-1和0.0002—0.0121 d^-1。

Table 7
表7
表7长期不同覆膜处理下土壤有机碳库矿化参数
Table 7Mineralization parameters of soil organic carbon pool under long-term different film mulching measures

培养温度 Incubation temperature (℃)	矿化参数 Mineralization parameters	处理 Treatment
		FP	MF	RF	FH
15	Ca (g·kg-1)	1.552	0.631	0.461	0.329
	Ka (d-1)	0.300	0.392	0.301	0.242 a
	Cs (g·kg-1)	2.319b	34.331a	40.624a	53.517aB
	Ks (d-1)	0.0121A	0.0025	0.0119	0.0033
	R2	0.981	0.990	0.988	0.995
25	Ca (g·kg-1)	0.773	0.775	1.008	0.994
	Ka (d-1)	0.276	0.294	0.229	0.209
	Cs (g·kg-1)	41.307b	82.268ab	72.154ab	103.473aA
	Ks (d-1)	0.0003B	0.0004	0.0003	0.0002
	R2	0.974	0.981	0.986	0.987
35	Ca (g·kg-1)	0.599	0.748	0.793	1.001
	Ka (d-1)	0.434	0.354	0.262	0.245
	Cs (g·kg-1)	50.893b	90.210ab	101.647a	109.849aA
	Ks (d-1)	0.0011AB	0.0004	0.0003	0.0004
	R2	0.972	0.990	0.988	0.992

同行数据后不同小写字母表示土壤惰性有机碳库的矿化量在不同处理间达5%显著水平。同列数据后不同大写字母表示FP处理中惰性有机碳库分解速率和FH处理中土壤惰性有机碳库的矿化量在不同温度间达5%显著水平
Values followed by different lowercase letters in the same row mean significant differences between treatments for cumulative mineralization of resistant organic carbon pool at 5% probability level. Values followed by different uppercase letters in the same column mean significant differences between temperatures for decomposition rate of resistant organic carbon pool under FP treatment and cumulative mineralization of resistant organic carbon pool under FH treatment at 5% probability level

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在FH处理下,Cs的矿化量随着温度的升高呈增加趋势,25℃和35℃较15℃分别提高了93.4%和105.3%。在FP处理下,Ks随着温度的升高而显著降低,同15℃相比,Ks在25℃时降低了97.5%。

此外,与FP处理相比,15℃时,MF、RF和FH处理均显著提高了Cs的矿化量,增幅达1 380.7%— 2 208.2%。25℃时,FH处理亦显著提高了Cs的矿化量,增幅为150.5%。35℃时,RF和FH处理均显著提高了Cs的矿化量,分别提高了99.7%和115.8%。

3 讨论

3.1 覆膜土壤的有机碳矿化特征

有机碳分解、释放CO₂的过程即为土壤有机碳矿化,了解有机碳的矿化特征,对于阐明土壤碳库的周转过程并对其进行有效调节有重要作用^[22]。本研究结果显示,土壤有机碳矿化速率和累积矿化量均随温度的升高而显著增加。同不覆膜的常规施肥相比,低温时（15℃）平膜穴播显著降低了土壤有机碳累积矿化量,而随着温度的升高（25和35℃时）,垄膜沟播和平膜穴播均显著增加了土壤有机碳累积矿化量,且以平膜穴播效果最佳（表3、表4、图3和图4）。这与前人研究结果一致^[5,7]。陈晓芬等^[5]在红壤上研究报道,温度升高导致土壤有机碳矿化强度增加。MING等^[23]在黄土高原旱地发现地膜覆盖增加了CO₂排放量。这是因为当培养系统温度较低时,微生物的活性受到抑制,减弱了对有机碳分解的能力。而一定范围内升高温度有助于增强土壤微生物的代谢活性^[24],加速土壤有机碳的分解。此外,覆膜措施本身具有增温保水的作用,通过改善土壤水热条件^[25,26],为微生物的生长和繁殖创造了适宜的环境,促进土壤有机碳的分解。平膜穴播比垄膜沟播的土壤有机碳累积矿化量更高的原因可能是由于后者在沟内种植作物的密度较高,影响了小麦关键生育期的生长发育,最终减少了产量和根茬还田量^[27]。而平膜穴播通过合理控制作物的株距和行距,保证小麦最大效率地进行光合作用,同步提高了小麦地上部与地下部生物量^[27],为微生物活动提供了充足的能源物质,进而增加土壤有机碳矿化。

结合双库指数模型的结果发现,温度升高增加了土壤惰性有机碳库（Cs）的矿化量,且平膜穴播较常规施肥对活性有机碳库（Ca）的矿化量及其分解速率（Ka）无显著影响,但是显著促进了Cs的分解,增幅分别为2 208.2%（15℃）、150.5%%（25℃）和115.8%（35℃）（表6和表7）。说明惰性有机碳组分比活性有机碳组分对温度变化更敏感。同前人研究结果一致,LEIFELD等^[28]对活性和惰性有机碳组分分别培养时发现,惰性有机碳组分对温度升高反应更敏感。CONANT等^[29]进行矿化培养试验时也发现了类似的结果,惰性有机碳含量伴随着升温也会增加。但是也有研究报道,覆膜显著降低了土壤惰性有机碳组分的矿化量^[30]。目前运用双库指数模型拟合覆膜后土壤有机碳库矿化参数特征的研究鲜见报道,我们认为平膜穴播通过提高土壤温度,进而加速了土壤惰性有机碳矿化,惰性有机碳库的分子组成较活性有机碳库更加复杂,分解过程中需要更高的活化能才能使微生物对其分解矿化。一般而言,具有较高活化能的反应物（即反应性较低且顽固性较强）往往对高温更敏感^[31]。研究结果之间的差异可能与不同的土壤类型有关。

3.2 覆膜对土壤有机碳矿化温度敏感性（Q₁₀）的影响

温度敏感性系数Q₁₀反映环境温度变化对土壤有机碳矿化速率的影响。Q₁₀表示温度每升高10℃时土壤呼吸速率增加的倍数。Q₁₀值越大,说明土壤有机碳分解对温度变化就越敏感^[5]。本研究结果显示,Q₁₀（15—25℃）和Q₁₀（25—35℃）的范围分别为1.4—1.8和1.2—1.4（图5）。与前人研究结果相近,陈晓芬等^[5]在红壤上报道土壤Q₁₀范围为1.3—1.8。但是也有研究通过荟萃分析（Meta analysis）报道农田系统的Q₁₀为2.7^[32],高于本试验结果。研究结果之间的差异可能与计算Q₁₀所用的方法、培养温度的范围、培养时间以及土壤有机碳的本底值等因素有关^[31,33]。此外,本研究结果还发现Q₁₀（15—25℃）值总体高于Q₁₀（25—35℃）（图5）。这与葛序娟等^[34]和邱曦等^[35]在水稻土和红壤上的研究结果一致。FANG等^[36]也报道了类似的研究结果。因为与土壤呼吸密切相关的单细胞细菌对温度变化响应非常敏感,而适宜其生长的温度范围是20—30℃^[37]。且土壤有机碳活化能（Ea）也随温度升高而降低（表5）。DAVIDSON等^[31]认为Ea与Q₁₀呈正相关。因为温度升高将提高分子本身的活化能,从而加快生化反应,但是当试验条件由低温变为高温时,土壤中的反应分子达到活化能的状态比长期处于高温条件时更快^[38],因此Q₁₀值随温度升高而降低。

此外,本研究还发现同常规施肥相比,垄膜沟播对Q₁₀值无显著影响,但平膜穴播显著提高了Q₁₀值（图5）。MING等^[23]和李明^[25]却发现垄膜沟播显著提高了Q₁₀值。这主要与SOC含量的高低有关。本研究中垄膜沟播的SOC含量较常规施肥无显著差异（图2）。有研究报道,SOC含量越高,Q₁₀值越大^[39]。课题组前期研究发现,垄膜沟播下水分生产效率、降水生产效率以及土壤日积温均相对低于平膜穴播,且在小麦整个生育期均呈降温效应,不利于协调小麦群体构建和产量形成^[27],其根系残茬等物质归还到农田中的数量有限,仅能维持现有的SOC水平（图2）,不能为微生物提供充足的底物,从而抑制土壤呼吸,故对土壤呼吸的温度敏感性较弱。本研究中平膜穴播对温度变化反应更敏感的原因有两点：一、通过全地面、全生育期地膜覆盖,有效地提高了光热资源的利用效率,充分蓄集雨水并有效将水分消耗由土面蒸发转化为作物蒸腾,从而增加了土壤温度和湿度,为微生物的活动提供了更好的水、气、热条件^[40];二、在作物生长期间有效拦截了降雨,提高了土壤贮水量和水分利用效率^[41],显著增加了地下生物量,这也为微生物活动提供了充足的基质,在两者的共同作用下,增加了土壤CO₂排放量^[25]。

4 结论

4.1

土壤有机碳矿化速率和累积矿化量均随温度的升高而显著增加,平膜穴播较常规施肥显著增加了土壤有机碳累积矿化量,主要与显著增加土壤惰性有机碳库的分解速率,从而显著提高土壤惰性有机碳的分解有关。

4.2

土壤有机碳矿化温度敏感性（Q₁₀）和活化能（Ea）均表现为随着温度的升高而降低的趋势,平膜穴播显著提高了土壤有机碳的温度敏感性,未来气候变化可能不利于覆膜土壤有机碳的固存。

（责任编辑 李云霞）

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研究侵蚀土壤有机质矿化及其温度敏感性(Q₁₀)对深入认识水土流失地区土壤有机碳动态变化具有重要意义。该文以福建省长汀县河田镇严重侵蚀区的裸露红壤为研究对象, 通过测定不同培养温度(10 ℃、20 ℃和30 ℃)下的土壤有机碳矿化速率、培养过程中微生物生物量碳(MBC)和可溶性有机碳(DOC)含量的变化, 探讨了温度对严重侵蚀红壤有机碳矿化特征的影响及其Q₁₀。结果表明: 温度对严重侵蚀红壤有机碳矿化具有显著影响, 温度越高土壤有机碳矿化速率和矿化率越高; 培养过程中土壤有机碳累积矿化量与MBC显著正相关, 与DOC极显著负相关, 说明微生物生物量和可利用碳含量显著影响土壤有机碳的矿化。尽管严重侵蚀红壤有机碳含量仅为1.54 g&#x000b7;kg^-1, 但培养180天的土壤有机碳的累积矿化率高达22.2%-33.3%, 表明侵蚀红壤有机碳容易被矿化。严重侵蚀红壤在10-20 ℃时的Q₁₀值为1.41, 20-30 ℃时Q₁₀值下降到1.06, 土壤有机碳质量低是导致Q₁₀值较低的重要原因, 而严重侵蚀区的红壤长期裸露使微生物对高温产生适应性是高温时Q₁₀值接近1的重要原因。因此, 在未来气候变暖的趋势下, 恢复植被覆盖对减少严重侵蚀红壤有机碳矿化损失具有重要意义。
QIU X, LÜ M K, HUANG J X, LI W, ZHAO B J, ZHANG H, WANG E X, XIE J S. Characteristics of soil organic carbon mineralization at different temperatures in severely eroded red soil
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研究侵蚀土壤有机质矿化及其温度敏感性(Q₁₀)对深入认识水土流失地区土壤有机碳动态变化具有重要意义。该文以福建省长汀县河田镇严重侵蚀区的裸露红壤为研究对象, 通过测定不同培养温度(10 ℃、20 ℃和30 ℃)下的土壤有机碳矿化速率、培养过程中微生物生物量碳(MBC)和可溶性有机碳(DOC)含量的变化, 探讨了温度对严重侵蚀红壤有机碳矿化特征的影响及其Q₁₀。结果表明: 温度对严重侵蚀红壤有机碳矿化具有显著影响, 温度越高土壤有机碳矿化速率和矿化率越高; 培养过程中土壤有机碳累积矿化量与MBC显著正相关, 与DOC极显著负相关, 说明微生物生物量和可利用碳含量显著影响土壤有机碳的矿化。尽管严重侵蚀红壤有机碳含量仅为1.54 g&#x000b7;kg^-1, 但培养180天的土壤有机碳的累积矿化率高达22.2%-33.3%, 表明侵蚀红壤有机碳容易被矿化。严重侵蚀红壤在10-20 ℃时的Q₁₀值为1.41, 20-30 ℃时Q₁₀值下降到1.06, 土壤有机碳质量低是导致Q₁₀值较低的重要原因, 而严重侵蚀区的红壤长期裸露使微生物对高温产生适应性是高温时Q₁₀值接近1的重要原因。因此, 在未来气候变暖的趋势下, 恢复植被覆盖对减少严重侵蚀红壤有机碳矿化损失具有重要意义。

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