外源碳酸鈣對(duì)黔中喀斯特地區(qū)土壤有機(jī)碳礦化的影響

陳領(lǐng) 王小利 張青偉 段建軍 李瑞東 羅安煥 陳佳

摘 要：本研究以黔中喀斯特區(qū)典型黃壤和石灰土為研究對(duì)象，通過(guò)100 d室內(nèi)土壤有機(jī)碳礦化培養(yǎng)試驗(yàn)，結(jié)合13C同位素示蹤技術(shù)，研究外源碳酸鈣對(duì)土壤CO2總釋放量的貢獻(xiàn)及對(duì)土壤有機(jī)碳礦化的激發(fā)效應(yīng)，為提高喀斯特地區(qū)土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性提供理論依據(jù)。結(jié)果顯示，Ca13CO3在培養(yǎng)前期（1～10 d）可釋放13CO2，后期（10～100 d）趨于穩(wěn)定，Ca13CO3對(duì)黃壤和石灰土總CO2累積釋放量具有一定的貢獻(xiàn)，其貢獻(xiàn)率達(dá)到25.47%和20.76%;外源Ca13CO3對(duì)黃壤和石灰土有機(jī)碳礦化均產(chǎn)生了負(fù)激發(fā)效應(yīng)，培養(yǎng)100 d后土壤有機(jī)碳累積礦化量分別減少了76.05%和45.14%，激發(fā)效應(yīng)主要受土壤類(lèi)型的影響，黃壤有機(jī)碳礦化的負(fù)激發(fā)程度高于石灰土。

關(guān)鍵詞：喀斯特;碳酸鈣;有機(jī)碳礦化;碳同位素;CO2

Abstract：In this study，the typical yellow soil and lime soil in the karst area of central Guizhou were studied as the research object，and Througha 100-daymineralization cultivationof soil organic carbonindoors，，combined with 13C isotope tracing technology，the contribution of exogenous calcium carbonate to the total release of soil CO2 and its priming effect on soil organic carbon mineralization were conducted.It could provide a theoretical basis for improving the stability of soil organic carbon in karst areas.The results showed that Ca13CO3 can release 13CO2 in the early period of culture （1～10 d），and tends to be stable in the later period （10～100 d）.Ca13CO3 had a certain contribution to the total CO2 release of yellow soil and lime soil，and its contribution rate reached 25.47% and 20.76%;Exogenous Ca13CO3 had a negative priming effect on the organic carbon mineralization of yellow soil and lime soil.After 100-days cultivation，the cumulative mineralization of soil organic carbon was reduced by 76.05% and 45.14%，respectively.The priming effect was mainly affected by soil type mainly.The degree of negative excitation of organic carbon mineralization in yellow soil was higher than that in lime soil.

Keywords：Karst;Calcium carbonate;Organic carbon mineralization;Carbon isotope;CO2

土壤碳庫(kù)是陸地碳庫(kù)的重要組成部分，包括土壤有機(jī)碳庫(kù)和土壤無(wú)機(jī)碳庫(kù)。全球土壤有機(jī)碳庫(kù)儲(chǔ)量估計(jì)為2000 Pg（以C計(jì)）[1];無(wú)機(jī)碳庫(kù)量約947 Pg，以CaCO3占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)[2]。貴州省處于中國(guó)西南部喀斯特區(qū)域中心，碳酸鹽巖分布面積高達(dá)13×104 km2，碳酸鹽巖出露面積較廣，土層薄，水土流失嚴(yán)重[3-5]。碳酸鹽巖中含有的無(wú)機(jī)碳以往被認(rèn)為是一個(gè)“死庫(kù)”，在土壤中很難轉(zhuǎn)化。但近年來(lái)研究逐漸發(fā)現(xiàn)無(wú)機(jī)碳參與土壤有機(jī)碳（SOC）的轉(zhuǎn)化，無(wú)機(jī)碳可通過(guò)各種途徑轉(zhuǎn)化進(jìn)入大氣[6]，石灰土性土壤在密閉培養(yǎng)過(guò)程中，其中的碳酸鹽能釋放出CO2。黃媛等[7]研究發(fā)現(xiàn)來(lái)源于外源碳酸鈣的CO2釋放量占總量的6.01%～34.05%;葛云輝[8]發(fā)現(xiàn)碳酸鈣貢獻(xiàn)的CO2為19.62%～ 48.44%;董燕婕[9]發(fā)現(xiàn)外源碳酸鈣增加了碳釋放累積量，釋放的CO2中約有40%來(lái)自于無(wú)機(jī)碳。同時(shí)外源碳酸鈣對(duì)SOC的礦化也會(huì)產(chǎn)生影響，目前的研究表明外源Ca14CO3對(duì)紅壤SOC有正激發(fā)效應(yīng)，對(duì)棕色石灰土和黑色石灰土SOC具有正激發(fā)效應(yīng)或無(wú)激發(fā)效應(yīng)[8-11]。有研究發(fā)現(xiàn)微生物能夠代謝從外源Ca14CO3溶解釋放的14CO2，從而產(chǎn)生更多的C，此時(shí)微生物群落礦化產(chǎn)生的CO2有無(wú)機(jī)碳和有機(jī)碳兩個(gè)碳源[12]。但目前在貴州喀斯特地區(qū)還尚未使用同位素技術(shù)開(kāi)展關(guān)于區(qū)分CO2碳源和無(wú)機(jī)碳對(duì)土壤有機(jī)碳礦化影響的研究，因此明確外源CaCO3對(duì)貴州喀斯特地區(qū)土壤有機(jī)碳礦化的影響，并探究碳酸鈣在土壤中釋放二氧化碳的規(guī)律，對(duì)進(jìn)一步了解喀斯特地區(qū)土壤碳循環(huán)過(guò)程具有重要意義。

本研究選取貴州喀斯特地區(qū)石灰土和黃壤，采用13C穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)，通過(guò)添加外源Ca13CO3進(jìn)行室內(nèi)培養(yǎng)，研究外源碳酸鈣對(duì)土壤有機(jī)碳礦化的影響及土壤中碳酸鈣對(duì)喀斯特區(qū)土壤有機(jī)碳礦化的貢獻(xiàn)，以期為提高喀斯特地區(qū)土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性提供理論依據(jù)。

13CO2釋放速率為添加到土壤中的Ca13CO3在單位時(shí)間內(nèi)所釋放的扣除溶蝕沉積外的13CO2量。圖1（中）顯示，在培養(yǎng)的第1天，黃壤和石灰土13CO2的釋放速率高達(dá)96.64和62.95 mg/kg·d，之后迅速下降，到10 d時(shí)僅為0.14和1.26 mg/kg·d，之后趨于穩(wěn)定。說(shuō)明外源Ca13CO3主要在培養(yǎng)前期釋放13CO2。

土壤有機(jī)碳礦化速率為單位時(shí)間內(nèi)土壤CO2釋放量減去13CO2釋放量。由圖1（右）可以看出，土壤有機(jī)碳礦化速率隨培養(yǎng)時(shí)間的變化規(guī)律與土壤總CO2釋放速率的規(guī)律基本一致。添加碳酸鈣后，在第1天，石灰土有機(jī)碳礦化速率顯著降低89.29%，第5～100天黃壤有機(jī)碳礦化速率均顯著降低67.03%～88.47%（p<0.05），說(shuō)明外源Ca13CO3減緩了黃壤和石灰土土壤有機(jī)碳礦化速率。

2.2 土壤CO2累積釋放量

土壤總CO2累積釋放量包括外源碳酸鈣釋放的13CO2和土壤有機(jī)碳釋放的CO2。如圖2（左、右）所示，土壤總CO2的累積釋放量和土壤有機(jī)碳累積礦化量的規(guī)律一致，在第1～15天快速增加，第15～100天，未添加碳酸鈣的處理（Y和L）土壤總CO2的累積釋放量和土壤有機(jī)碳累積礦化量繼續(xù)增加，添加碳酸鈣處理（Y+C和L+C）緩慢增加并趨于平緩，在第100天時(shí)土壤總CO2的累積釋放量和土壤有機(jī)碳累積礦化量分別達(dá)到1.24～3.786 g/kg和0.906～3.786 g/kg，且添加碳酸鈣的黃壤和石灰土的土壤總CO2的累積釋放量和土壤有機(jī)碳累積礦化量均低于未添加處理。

13CO2累積釋放量是指添加到土壤中的Ca13CO3在某時(shí)間段內(nèi)釋放的13CO2總量（本試驗(yàn)中，外源Ca13CO3溶蝕沉積釋放的13CO2僅為8.57 mg/kg）。由圖2（中）可以看出，13CO2累積釋放量在培養(yǎng)期間的釋放規(guī)律有所不同，黃壤13CO2累積釋放量在第1～5天快速增加，在第5～100天無(wú)明顯變化，石灰土13CO2累積釋放量在第1～5天快速增加，第5～45天增速緩慢，在此之后微弱下降。到第100天時(shí)，黃壤13CO2累積釋放量比石灰土增加了15.68%。

2.3 外源碳酸鈣在CO2累積釋放量中的貢獻(xiàn)

總CO2累積釋放量中外源碳酸鈣的貢獻(xiàn)用CO2總釋放量中來(lái)自Ca13CO3的比例來(lái)表示。如圖3（左）所示，在第1天，黃壤和石灰土的CO2累積釋放量中Ca13CO3的貢獻(xiàn)高達(dá)57.35%和86.42%，之后隨培養(yǎng)時(shí)間逐漸降低，第45天時(shí)黃壤和石灰土的CO2累積釋放量中Ca13CO3的貢獻(xiàn)均為32.65%，期間黃壤CO2累積釋放量中Ca13CO3的貢獻(xiàn)始終大于石灰土，之后繼續(xù)減少。如圖3（右）所示，培養(yǎng)第100天后，黃壤和石灰土總CO2累積釋放量中Ca13CO3的貢獻(xiàn)率分別降低至25.47%和20.76%。

2.4 外源碳酸鈣對(duì)土壤有機(jī)碳礦化的激發(fā)效應(yīng)

外源Ca13CO3對(duì)土壤有機(jī)碳礦化的激發(fā)效應(yīng)用土壤有機(jī)碳累積礦化量的增加率表示。如圖4（左）所示，外源Ca13CO3對(duì)黃壤和石灰土有機(jī)碳礦化始終是抑制作用，外源Ca13CO3對(duì)黃壤有機(jī)碳礦化抑制作用在第1天最?。?6.27%），第5～100天隨培養(yǎng)時(shí)間的變化而逐漸增強(qiáng)，外源Ca13CO3對(duì)石灰土有機(jī)碳礦化的影響正好相反，其抑制作用在第1天最大（89.29%），第1～100天隨時(shí)間的變化逐漸減弱。如圖4（右）所示，在第100天后，外源Ca13CO3對(duì)黃壤和石灰土有機(jī)碳礦化的激發(fā)效應(yīng)分別為-76.05%和-45.14%，說(shuō)明外源Ca13CO3對(duì)黃壤和石灰土有機(jī)碳的礦化均產(chǎn)生了負(fù)激發(fā)效應(yīng)。這可能是因?yàn)镃aCO3的增加雖然會(huì)激發(fā)土壤微生物活性，但它也對(duì)土壤有機(jī)碳形成了一定的物理保護(hù)作用，減少了微生物對(duì)有機(jī)碳的分解[18]。

2.5 不同因素及其交互作用對(duì)土壤有機(jī)碳礦化的影響

方差分析結(jié)果顯示（表2），碳酸鈣對(duì)外源碳酸鈣在CO2累積釋放量中的貢獻(xiàn)具有顯著影響;碳酸鈣、土壤類(lèi)型和土壤類(lèi)型×碳酸鈣交互作用均對(duì)SOC累積礦化量具有顯著影響;土壤類(lèi)型和土壤類(lèi)型×碳酸鈣交互作用均對(duì)SOC激發(fā)效應(yīng)具有顯著影響。

3 結(jié)論與討論

3.1 外源碳酸鈣對(duì)土壤CO2累積釋放量的貢獻(xiàn)

在喀斯特地區(qū)，由碳酸鹽巖的成土母質(zhì)發(fā)育而來(lái)的土壤中，含有大量的碳酸鹽，其在土壤呼吸CO2釋放量中有重要貢獻(xiàn)。本研究中未滅菌黃壤和石灰土及滅菌黃壤和石灰土總CO2累積釋放量中Ca13CO3的貢獻(xiàn)率分別為25.47%和20.76%，且與添加碳酸鈣顯著相關(guān)。前人對(duì)紅壤和石灰土的研究中，來(lái)源于外源碳酸鈣的CO2釋放量占總量的比率為6.01%～48.44%[8-9，19]。說(shuō)明碳酸鈣對(duì)貴州喀斯特地區(qū)土壤—大氣CO2具有重要貢獻(xiàn)。土壤中還存在著CO2/HCO—3/CO2-3平衡體系，即CaCO3+CO2+H2OCa2++2HCO-3，HCO-3H++CO2-3，影響著土壤中碳酸鹽的溶蝕沉積過(guò)程[20]，本研究中滅菌石英砂添加Ca13CO3的對(duì)照溶蝕沉積過(guò)程釋放的13CO2為8.57 mg/kg，添加碳酸鈣的土壤中釋放的13CO2遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于這個(gè)量，這可能是因?yàn)橥寥牢⑸锇l(fā)揮了重要作用。FENG等[12]研究表明，在酸性土壤中加入堿性物質(zhì)（CaCO3）后，土壤pH發(fā)生改變，本研究中不添加碳酸鈣的黃壤和石灰土培養(yǎng)100 d后土壤pH分別為5.16和7.31，添加碳酸鈣后pH顯著升高（黃壤pH=7.64，石灰土pH=7.72）。土壤pH影響著土壤微生物的活性[21]，所以CaCO3的施入通過(guò)改變土壤微生物生長(zhǎng)的環(huán)境條件從而影響微生物的活性和數(shù)量，最終改變了化學(xué)溶蝕沉積過(guò)程[8]。