曹寒冰, 謝鈞宇, 劉菲, 高健永, 王楚涵, 王仁杰, 謝英荷, 李廷亮

地膜覆蓋麥田土壤有機(jī)碳礦化特征及其溫度敏感性

曹寒冰1,2, 謝鈞宇1,2, 劉菲1, 高健永1, 王楚涵1, 王仁杰3, 謝英荷1, 李廷亮1

1山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院/省部共建有機(jī)旱作農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（籌），太原 030031；2土壤環(huán)境與養(yǎng)分資源山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030031；3全國(guó)蔬菜質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中心，山東濰坊 262700

【】明確旱地土壤有機(jī)碳礦化對(duì)地膜長(zhǎng)期覆蓋的響應(yīng)及有機(jī)碳礦化的溫度敏感性，進(jìn)而深入理解土壤有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化與穩(wěn)定機(jī)制，為旱地土壤培肥和作物增產(chǎn)提供理論支撐。在黃土高原東南部2012年開(kāi)始的旱地小麥田間地膜覆蓋試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采集不同覆蓋栽培模式（常規(guī)施肥（不覆膜）、測(cè)控施肥（不覆膜）、壟膜溝播（覆膜）、平膜穴播（覆膜））試驗(yàn)的0—20 cm土層土壤樣品，采用不同溫度（15、25和35℃）進(jìn)行室內(nèi)有機(jī)碳礦化培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。在培養(yǎng)后的第1、3、5、7、14、21、28、35和42天運(yùn)用堿液吸收法測(cè)定土壤有機(jī)碳礦化速率，結(jié)合雙庫(kù)指數(shù)模型擬合土壤活性和惰性有機(jī)碳庫(kù)的容量及其分解速率，研究地膜覆蓋對(duì)土壤有機(jī)碳礦化特征的影響及有機(jī)碳礦化對(duì)溫度變化的響應(yīng)規(guī)律。溫度升高顯著提高了土壤有機(jī)碳礦化速率、累積礦化量和惰性有機(jī)碳庫(kù)（Cs）的礦化量，但是顯著降低了溫度敏感性系數(shù)（Q10）和活化能（Ea）。25℃和35℃時(shí)土壤有機(jī)碳礦化速率和累積礦化量均無(wú)顯著差異，分別為15℃時(shí)的2倍，Cs的礦化量分別較15℃時(shí)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%。地膜覆蓋顯著提高了土壤有機(jī)碳累積礦化量、Q10、Ea以及Cs的礦化量。同常規(guī)施肥相比，壟膜溝播和平膜穴播均顯著提高了土壤有機(jī)碳累積礦化量，增幅分別為26.5%—38.6%（25℃）和27.8%—64.4%（35℃），且以平膜穴播提升幅度最大；平膜穴播處理亦顯著提高了Q10和Ea，其中Q10增幅分別為28.5%（15—25℃）和25.8%（25—35℃），Ea增幅分別為93.4%和193.1%；平膜穴播處理還顯著提高了Cs的礦化量，增幅達(dá)115.8%—2 208.2%。黃土高原旱地麥田土壤上地膜覆蓋加速了土壤有機(jī)碳礦化，尤其是平膜穴播，主要通過(guò)增加惰性有機(jī)碳庫(kù)的礦化，進(jìn)而顯著提高了土壤有機(jī)碳累積礦化量及其溫度敏感性。

旱地；土壤有機(jī)碳礦化；溫度敏感性；惰性有機(jī)碳庫(kù)；平膜穴播

0 引言

【研究意義】農(nóng)田土壤碳儲(chǔ)量是陸地生態(tài)系統(tǒng)中重要的碳庫(kù)，土壤有機(jī)碳（soil organic carbon, SOC）在維持土壤肥力，保障糧食安全和調(diào)節(jié)氣候變化等方面起著重要作用[1]。黃土高原旱地是我國(guó)重要的耕地資源，同時(shí)也是國(guó)內(nèi)糧食增產(chǎn)潛力和土壤有機(jī)碳提升空間最大的區(qū)域，與其他地區(qū)相比其土壤有機(jī)碳含量受到環(huán)境和人為活動(dòng)的影響也更大[2]。近年來(lái)，化肥和地膜的廣泛應(yīng)用有力保障了黃土高原地區(qū)的糧食安全。然而，化肥過(guò)量施用現(xiàn)象普遍存在，且不利于作物持續(xù)增產(chǎn)；地膜覆蓋通過(guò)促進(jìn)作物生長(zhǎng)增加土壤中根系殘茬的數(shù)量進(jìn)而提高有機(jī)碳含量，但同時(shí)可能會(huì)加速有機(jī)碳礦化。基于優(yōu)化施肥的地膜覆蓋措施通過(guò)改善土壤養(yǎng)分和水分條件可有效提高旱地水分利用效率和作物單位面積產(chǎn)量，也將對(duì)土壤有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化過(guò)程產(chǎn)生重要影響[3-4]。因此，通過(guò)田間長(zhǎng)期試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果明確基于優(yōu)化施肥的地膜覆蓋條件下土壤有機(jī)碳的礦化規(guī)律，對(duì)旱地農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】土壤有機(jī)碳礦化是土壤養(yǎng)分釋放的重要過(guò)程，受人為活動(dòng)和水熱環(huán)境條件的影響，尤其對(duì)溫度變化響應(yīng)非常敏感。多數(shù)研究認(rèn)為，溫度升高會(huì)加速有機(jī)碳礦化[5-7]。例如，采用不同溫度對(duì)我國(guó)南方農(nóng)田紅壤進(jìn)行室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，有機(jī)碳礦化速率整體呈現(xiàn)“快速下降-緩慢降低-趨于穩(wěn)定”的趨勢(shì)，提高溫度增加了土壤有機(jī)碳礦化速率和累積礦化量[5]。但也有研究認(rèn)為，溫度升高會(huì)抑制土壤呼吸速率，從而降低土壤有機(jī)碳礦化速率[8-9]。溫度對(duì)土壤有機(jī)碳礦化的影響通常用溫度敏感性（Q10）來(lái)表示，即溫度每升高10℃時(shí)，土壤呼吸速率增加的倍數(shù)。有研究提出全球農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤的Q10一般為2.4[10]，但是不同區(qū)域具有一定差異，不同的資源環(huán)境條件和田間管理習(xí)慣是造成這種差異的主要原因。例如，水熱條件充足的巴西農(nóng)田土壤Q10介于2.3—2.7，高于世界平均水平[11]。可見(jiàn)，針對(duì)特定的生產(chǎn)區(qū)域結(jié)合區(qū)域資源環(huán)境特征進(jìn)行深入研究十分有必要。過(guò)去20多年，為了提高我國(guó)黃土高原地區(qū)作物的水分和養(yǎng)分利用效率，旱地農(nóng)業(yè)工作者在理論結(jié)合實(shí)踐的不斷探索中形成了以協(xié)調(diào)水肥高效利用為核心的地膜覆蓋栽培措施[12-13]。然而，目前關(guān)于地膜覆蓋是否有利于旱地土壤有機(jī)碳含量的提高尚無(wú)定論。有研究顯示覆膜條件下土壤有機(jī)碳含量會(huì)顯著升高[14-15]；也有報(bào)道發(fā)現(xiàn)覆膜對(duì)土壤有機(jī)碳含量無(wú)顯著影響[16-18]；還有研究認(rèn)為覆膜加速了土壤有機(jī)碳礦化，進(jìn)而減弱了土壤有機(jī)碳固存[19-20]。綜上，土壤有機(jī)碳含量是土壤有機(jī)碳固存量和礦化量平衡的結(jié)果，考慮土壤有機(jī)碳礦化過(guò)程易受溫度變化影響，且地膜覆蓋栽培方式對(duì)旱地作物增產(chǎn)的主要貢獻(xiàn)源自其對(duì)土壤水熱條件的改善。因此，研究長(zhǎng)期地膜覆蓋下旱地土壤有機(jī)碳礦化特征及其對(duì)溫度變化的響應(yīng)規(guī)律，有助于完善土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)化和穩(wěn)定機(jī)制?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】針對(duì)目前關(guān)于地膜覆蓋能否同步提高作物產(chǎn)量和土壤有機(jī)碳含量的研究往往關(guān)注土壤有機(jī)碳的固存及其保護(hù)機(jī)制，鮮有深入理解土壤有機(jī)碳礦化過(guò)程的問(wèn)題?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究基于黃土高原東南部長(zhǎng)期旱地小麥田間地膜覆蓋試驗(yàn)，采用不同溫度（15℃、25℃、35℃）對(duì)無(wú)膜和覆膜條件下的土壤樣品進(jìn)行室內(nèi)培養(yǎng)，研究地膜覆蓋下土壤有機(jī)碳礦化特征及有機(jī)碳礦化對(duì)溫度變化的響應(yīng)規(guī)律，進(jìn)而加深對(duì)該區(qū)域土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)化機(jī)制的認(rèn)識(shí)，為尋求科學(xué)合理的農(nóng)田管理措施提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

供試土壤采自位于黃土高原東南部的山西省洪洞縣劉家垣鎮(zhèn)東梁村的試驗(yàn)基地（N 36°22′，E 111°35′，海拔648 m）（圖1），當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要靠自然降水，屬于典型的黃土高原旱作小麥種植區(qū)。該區(qū)年平均氣溫12.6℃，年降雨量約500 mm，其中60%的降水集中在每年的7、8、9三個(gè)月，屬于大陸性季風(fēng)氣候。供試土壤類型為石灰性褐土，試驗(yàn)開(kāi)始前0—20 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量為14.6 g·kg-1，全氮為0.9 g·kg-1，硝態(tài)氮為10.4 mg·kg-1，有效磷為10.4 mg·kg-1，速效鉀為208.2 mg·kg-1，pH為7.9。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間試驗(yàn)開(kāi)始于2012年，設(shè)有4個(gè)處理：

常規(guī)施肥：Farmer’s practice fertilization (FP)；測(cè)控施肥：Monitoring fertilization (MF)；壟膜溝播：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

（1）常規(guī)施肥（FP），與當(dāng)?shù)匦←湻N植習(xí)慣一致，采用常規(guī)平作方式種植冬小麥，播前旋耕施入肥料，不覆膜，行距20 cm，施肥量為當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶平均施肥量。

（2）測(cè)控施肥（MF），同樣采用常規(guī)平作，播前旋耕施入肥料，不覆膜，行距20 cm，施肥量是基于土壤養(yǎng)分平衡和當(dāng)年小麥播前土壤養(yǎng)分測(cè)試值計(jì)算而來(lái)[21]。

（3）壟膜溝播（RF），播前旋耕施入肥料后起壟，壟上覆膜，溝內(nèi)播種，壟寬35 cm，溝寬30 cm，施肥量與MF一致。

（4）平膜穴播（FH），播前旋耕施入肥料后全地面平鋪地膜，膜上覆土0.5—1 cm，播種行距15—16 cm，穴距12 cm，施肥量與MF一致。

每個(gè)處理設(shè)置4次重復(fù)，采用隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積為360 m2。試驗(yàn)中施用的氮肥為尿素（含 N 46%），磷肥為普通過(guò)磷酸鈣（含 P2O511%），鉀肥為氯化鉀（含 K2O 60%），均作底肥一次施入土壤，翻入耕層后耙平。小麥品種為晉麥47，播種量為150 kg·hm-2，每年10月初播種，次年6月初收獲，6—9月為夏季休閑期，小麥生育期不進(jìn)行灌溉。具體施肥量見(jiàn)表1，2019年各處理土壤基礎(chǔ)性質(zhì)見(jiàn)表2。

1.3 樣品采集與分析

于2019年小麥?zhǔn)斋@后，采集0—20 cm土層土壤樣品，在陰涼通風(fēng)處自然風(fēng)干，去除植物殘?bào)w等雜物，磨細(xì)過(guò)2 mm篩，用于有機(jī)碳礦化培養(yǎng)試驗(yàn)及土壤基本性質(zhì)。

表1 不同年份不同處理試驗(yàn)地的施肥量

表2 2019年0—20 cm土層土壤基礎(chǔ)性質(zhì)

1.4 測(cè)定指標(biāo)與方法

土壤有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀-容量法測(cè)定[18]。

土壤有機(jī)碳礦化培養(yǎng)試驗(yàn)采用室內(nèi)恒溫培養(yǎng)、堿液吸收法測(cè)定[5]。具體步驟為：稱取已過(guò)2 mm篩的風(fēng)干土樣20 g，均勻地鋪于500 mL培養(yǎng)瓶底，且用蒸餾水調(diào)節(jié)至田間持水量的60%。為了恢復(fù)微生物活性，在正式培養(yǎng)之前，先放入25℃恒溫培養(yǎng)箱中預(yù)培養(yǎng)3 d。然后將盛有5 mL 0.5 mol·L-1NaOH溶液的特制吸收瓶小心地懸掛于培養(yǎng)瓶?jī)?nèi)，加蓋密封培養(yǎng)瓶。同時(shí)設(shè)置3個(gè)不加土樣的空白對(duì)照。分別于培養(yǎng)后的第1、3、5、7、14、21、28、35和42天取出吸收瓶，將吸收瓶中的溶液用蒸餾水全部洗入250 mL三角瓶?jī)?nèi)，加入1 mol·L-1的BaCl2溶液2 mL和2滴酚酞指示劑，然后用0.5 mol·L-1的鹽酸滴定至紅色消失。根據(jù)消耗鹽酸的量計(jì)算氣體CO2-C的釋放量。

1.5 數(shù)據(jù)計(jì)算與分析方法

1.5.1 數(shù)據(jù)計(jì)算

土壤有機(jī)碳礦化量：

（1）

式中，CN為土壤有機(jī)碳礦化量（g·kg-1）；CHCl為鹽酸濃度（mol·L-1）；V0為滴定空白樣品所消耗HCl的體積（mL）；V1為滴定樣品所消耗的HCl體積（mL）；MCO2為CO2的摩爾質(zhì)量（44 g·mol-1）；m為用于培養(yǎng)試驗(yàn)的土壤質(zhì)量（g）。

培養(yǎng)期間SOC礦化速率：R=CN/t （3）

式中，R為SOC礦化速率（g·kg-1·d-1）；CN為培養(yǎng)時(shí)間內(nèi)SOC礦化量（g·kg-1）；t為培養(yǎng)天數(shù)（d）。

土壤有機(jī)碳礦化溫度敏感性系數(shù)Q10：

R = aebTQ10= e10b（4）

式中，R為土壤有機(jī)碳礦化速率；T為培養(yǎng)溫度；a為溫度為0℃時(shí)的土壤凈礦化速率；b為溫度反應(yīng)系數(shù)。

土壤有機(jī)碳礦化活化能用Ea（kJ·mol-1）表示：

式中，R=8.314 J·mol-1；T1和T2分別為較高和較低培養(yǎng)的開(kāi)爾文溫度。

將土壤有機(jī)碳礦化培養(yǎng)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)運(yùn)用雙庫(kù)指數(shù)模型[22]對(duì)土壤活性碳庫(kù)（Ca）和惰性碳庫(kù)（Cs）的大小及分解速率進(jìn)行擬合，方程如下：

式中，Cm表示經(jīng)過(guò)t時(shí)間后土壤有機(jī)碳累積礦化量（g C·kg-1soil）；Ca和Cs分別代表礦化的活性和惰性有機(jī)碳庫(kù)（g C·kg-1soil）；Ka和Ks分別是活性和惰性有機(jī)碳庫(kù)的分解速率（d-1）。

1.5.2 分析方法 采用Excel 2013和DPS 7.05軟件對(duì)本研究中所有數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析，利用兩因素方差分析，明確溫度、覆膜處理及兩者的交互作用對(duì)土壤有機(jī)碳礦化速率、累積礦化量和有機(jī)碳庫(kù)礦化參數(shù)的影響，并采用LSD法進(jìn)行處理間平均值的多重比較。用Origin 2018軟件作圖。

2 結(jié)果

2.1 覆膜對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響

覆膜處理一定程度上提高了土壤有機(jī)碳（SOC）含量（圖2）。同常規(guī)施肥（FP）處理相比，測(cè)控施肥（MF）處理顯著降低了SOC含量，降低了10.9%。而壟膜溝播（RF）處理對(duì)SOC含量無(wú)顯著影響。平膜穴播（FH）處理卻顯著提高了SOC含量，提高了8.4%。此外，同MF處理相比，RF和FH處理均顯著提高了SOC含量，增幅達(dá)9.5%—21.7%。

不同小寫(xiě)字母表示不同處理間達(dá)5%顯著水平（P＜0.05）。下同

2.2 覆膜對(duì)土壤有機(jī)碳礦化速率變化的影響

兩因素方差分析結(jié)果顯示（表3），僅溫度顯著影響了土壤有機(jī)碳礦化速率（＜0.05），而覆膜和兩者的交互作用對(duì)土壤有機(jī)碳礦化速率無(wú)影響。各處理下土壤有機(jī)碳礦化速率隨著培養(yǎng)溫度的升高而增加，且有機(jī)碳礦化速率在25℃與35℃時(shí)相近，約為15℃的2倍（圖3）。

不同覆膜處理土壤有機(jī)碳礦化速率在各溫度條件下的變化趨勢(shì)一致，呈現(xiàn)出3個(gè)明顯階段（圖3）：第一階段為0—7 d（培養(yǎng)初期），培養(yǎng)第1天土壤有機(jī)碳礦化速率均達(dá)到最大值，而后迅速下降，培養(yǎng)第7天土壤有機(jī)碳礦化速率僅為第1天的7.3%—17.4%（15℃）、6.5%—12.6%（25℃）和3.8%—7.0%（35℃），此階段總體持續(xù)時(shí)間短但分解量大，是有機(jī)碳快速礦化階段。第二階段為7—35 d（培養(yǎng)中期），此階段土壤有機(jī)碳礦化速率處于緩慢下降偶爾有波動(dòng)逐漸至穩(wěn)定的狀態(tài)，各溫度條件下，培養(yǎng)第35天僅為第7天的12.5%—25.0%（15℃）、6.9%—14.7%（25℃）和19.1%—42.9%（35℃），是有機(jī)碳緩慢礦化階段。第三階段為培養(yǎng)第35天至培養(yǎng)結(jié)束（培養(yǎng)后期），隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，各溫度下不同處理之間土壤有機(jī)碳礦化速率趨于一致，基本無(wú)顯著差異，此階段變化幅度小且分解量小，是相對(duì)穩(wěn)定階段。

2.3 覆膜對(duì)土壤有機(jī)碳累積礦化量變化的影響

兩因素方差分析結(jié)果顯示（表4），溫度、覆膜和兩者的交互作用均顯著影響了土壤有機(jī)碳累積礦化量（＜0.05）。

各處理下，土壤有機(jī)碳累積礦化量隨溫度的升高而增加（圖4），25℃和35℃時(shí)有機(jī)碳累積礦化量分別平均是15℃的1.6倍和1.7倍，說(shuō)明溫度升高加速了土壤有機(jī)碳礦化。

不同培養(yǎng)溫度條件下，覆膜影響了土壤有機(jī)碳累積礦化量。15℃時(shí)，同F(xiàn)P處理相比，MF和RF處理均顯著提高了土壤有機(jī)碳累積礦化量，分別提高了22.6%和10.8%，但是FH處理顯著降低了土壤有機(jī)碳累積礦化量，降幅為5.1%。25℃和35℃時(shí)，各處理較FP處理均顯著提高了土壤有機(jī)碳累積礦化量，增幅分別為19.4%—38.6%（25℃）和23.8%—64.4%（35℃），以FH處理提升效果最顯著。

圖4 覆膜處理下土壤有機(jī)碳累積礦化量的動(dòng)態(tài)變化

表4 溫度和覆膜處理下土壤有機(jī)碳累積礦化量的雙因素方差分析

2.4 覆膜對(duì)土壤有機(jī)碳礦化溫度敏感性（Q10）的影響

覆膜處理顯著影響了SOC礦化溫度敏感性（即Q10）（圖5）?？傮w來(lái)看，Q10（15—25℃）和Q10（25—35℃）在不同處理之間的變化范圍分別為1.4—1.8和1.2—1.4，Q10（15—25℃）比Q10（25—35℃）平均高19.3%，隨著溫度的升高，敏感性降低。

同F(xiàn)P處理相比，MF和RF處理對(duì)Q10（15—25℃）和Q10（25—35℃）均無(wú)顯著影響。但FH處理顯著提高了Q10（15—25℃）和Q10（25—35℃），分別提高了28.5%和25.8%。

2.5 覆膜處理下土壤有機(jī)碳礦化活化能（Ea）

表5表示土壤有機(jī)碳礦化活化能（Ea）?？傮w來(lái)看，Ea（15—25℃）值和Ea（25—35℃）值在不同處理間的變化范圍分別為21.0—40.6和8.2—24.0，Ea（15—25℃）值比Ea（25—35℃）值平均高68.0%，隨著溫度的升高，Ea值呈降低的趨勢(shì)。

同F(xiàn)P處理相比，MF和RF處理對(duì)Ea（15—25℃）值和Ea（25—35℃）值均無(wú)顯著影響。但FH處理顯著提高了Ea（15—25℃）值和Ea（25—35℃）值，增幅分別為93.4%和193.1%。

圖5 覆膜處理下土壤有機(jī)碳礦化溫度敏感性（Q10）

表5 不同覆膜處理下土壤有機(jī)碳礦化活化能（Ea）

不同小寫(xiě)字母表示不同處理間達(dá)5%顯著水平（＜0.05）

Different lowercase letters mean significant differences between treatments at the 5% probability level

2.6 覆膜對(duì)土壤有機(jī)碳庫(kù)礦化特征的影響

兩因素方差分析結(jié)果顯示（表6），溫度和覆膜均顯著影響了土壤惰性有機(jī)碳庫(kù)（Cs）的礦化量（＜0.05），且溫度亦顯著影響了惰性有機(jī)碳庫(kù)分解速率（Ks）（＜0.05）。

雙庫(kù)指數(shù)模型可以很好地模擬土壤在不同溫度下的礦化特征，各處理的2值范圍為0.972—0.995（表7）。在3種培養(yǎng)溫度條件下，土壤活性有機(jī)碳庫(kù)（Ca）和惰性有機(jī)碳庫(kù)（Cs）礦化量的范圍分別為0.329— 1.552和2.319—109.849 g·kg-1。土壤活性有機(jī)碳庫(kù)和惰性有機(jī)碳庫(kù)的分解速率（Ka和Ks）分別介于0.209—0.434 d-1和0.0002—0.0121 d-1。

在FH處理下，Cs的礦化量隨著溫度的升高呈增加趨勢(shì)，25℃和35℃較15℃分別提高了93.4%和105.3%。在FP處理下，Ks隨著溫度的升高而顯著降低，同15℃相比，Ks在25℃時(shí)降低了97.5%。

此外，與FP處理相比，15℃時(shí)，MF、RF和FH處理均顯著提高了Cs的礦化量，增幅達(dá)1 380.7%— 2 208.2%。25℃時(shí)，F(xiàn)H處理亦顯著提高了Cs的礦化量，增幅為150.5%。35℃時(shí)，RF和FH處理均顯著提高了Cs的礦化量，分別提高了99.7%和115.8%。

表6 溫度和覆膜處理下土壤有機(jī)碳庫(kù)礦化參數(shù)的雙因素方差分析

Ca：活性有機(jī)碳庫(kù)；Ka：活性有機(jī)碳庫(kù)分解速率；Cs：惰性有機(jī)碳庫(kù)；Ks：惰性有機(jī)碳庫(kù)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

表7 長(zhǎng)期不同覆膜處理下土壤有機(jī)碳庫(kù)礦化參數(shù)

同行數(shù)據(jù)后不同小寫(xiě)字母表示土壤惰性有機(jī)碳庫(kù)的礦化量在不同處理間達(dá)5%顯著水平。同列數(shù)據(jù)后不同大寫(xiě)字母表示FP處理中惰性有機(jī)碳庫(kù)分解速率和FH處理中土壤惰性有機(jī)碳庫(kù)的礦化量在不同溫度間達(dá)5%顯著水平

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

3 討論

3.1 覆膜土壤的有機(jī)碳礦化特征

有機(jī)碳分解、釋放CO2的過(guò)程即為土壤有機(jī)碳礦化，了解有機(jī)碳的礦化特征，對(duì)于闡明土壤碳庫(kù)的周轉(zhuǎn)過(guò)程并對(duì)其進(jìn)行有效調(diào)節(jié)有重要作用[22]。本研究結(jié)果顯示，土壤有機(jī)碳礦化速率和累積礦化量均隨溫度的升高而顯著增加。同不覆膜的常規(guī)施肥相比，低溫時(shí)（15℃）平膜穴播顯著降低了土壤有機(jī)碳累積礦化量，而隨著溫度的升高（25和35℃時(shí)），壟膜溝播和平膜穴播均顯著增加了土壤有機(jī)碳累積礦化量，且以平膜穴播效果最佳（表3、表4、圖3和圖4）。這與前人研究結(jié)果一致[5,7]。陳曉芬等[5]在紅壤上研究報(bào)道，溫度升高導(dǎo)致土壤有機(jī)碳礦化強(qiáng)度增加。MING等[23]在黃土高原旱地發(fā)現(xiàn)地膜覆蓋增加了CO2排放量。這是因?yàn)楫?dāng)培養(yǎng)系統(tǒng)溫度較低時(shí)，微生物的活性受到抑制，減弱了對(duì)有機(jī)碳分解的能力。而一定范圍內(nèi)升高溫度有助于增強(qiáng)土壤微生物的代謝活性[24]，加速土壤有機(jī)碳的分解。此外，覆膜措施本身具有增溫保水的作用，通過(guò)改善土壤水熱條件[25-26]，為微生物的生長(zhǎng)和繁殖創(chuàng)造了適宜的環(huán)境，促進(jìn)土壤有機(jī)碳的分解。平膜穴播比壟膜溝播的土壤有機(jī)碳累積礦化量更高的原因可能是由于后者在溝內(nèi)種植作物的密度較高，影響了小麥關(guān)鍵生育期的生長(zhǎng)發(fā)育，最終減少了產(chǎn)量和根茬還田量[27]。而平膜穴播通過(guò)合理控制作物的株距和行距，保證小麥最大效率地進(jìn)行光合作用，同步提高了小麥地上部與地下部生物量[27]，為微生物活動(dòng)提供了充足的能源物質(zhì)，進(jìn)而增加土壤有機(jī)碳礦化。

結(jié)合雙庫(kù)指數(shù)模型的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，溫度升高增加了土壤惰性有機(jī)碳庫(kù)（Cs）的礦化量，且平膜穴播較常規(guī)施肥對(duì)活性有機(jī)碳庫(kù)（Ca）的礦化量及其分解速率（Ka）無(wú)顯著影響，但是顯著促進(jìn)了Cs的分解，增幅分別為2 208.2%（15℃）、150.5%%（25℃）和115.8%（35℃）（表6和表7）。說(shuō)明惰性有機(jī)碳組分比活性有機(jī)碳組分對(duì)溫度變化更敏感。同前人研究結(jié)果一致，LEIFELD等[28]對(duì)活性和惰性有機(jī)碳組分分別培養(yǎng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，惰性有機(jī)碳組分對(duì)溫度升高反應(yīng)更敏感。CONANT等[29]進(jìn)行礦化培養(yǎng)試驗(yàn)時(shí)也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果，惰性有機(jī)碳含量伴隨著升溫也會(huì)增加。但是也有研究報(bào)道，覆膜顯著降低了土壤惰性有機(jī)碳組分的礦化量[30]。目前運(yùn)用雙庫(kù)指數(shù)模型擬合覆膜后土壤有機(jī)碳庫(kù)礦化參數(shù)特征的研究鮮見(jiàn)報(bào)道，我們認(rèn)為平膜穴播通過(guò)提高土壤溫度，進(jìn)而加速了土壤惰性有機(jī)碳礦化，惰性有機(jī)碳庫(kù)的分子組成較活性有機(jī)碳庫(kù)更加復(fù)雜，分解過(guò)程中需要更高的活化能才能使微生物對(duì)其分解礦化。一般而言，具有較高活化能的反應(yīng)物（即反應(yīng)性較低且頑固性較強(qiáng)）往往對(duì)高溫更敏感[31]。研究結(jié)果之間的差異可能與不同的土壤類型有關(guān)。

3.2 覆膜對(duì)土壤有機(jī)碳礦化溫度敏感性（Q10）的影響

溫度敏感性系數(shù)Q10反映環(huán)境溫度變化對(duì)土壤有機(jī)碳礦化速率的影響。Q10表示溫度每升高10℃時(shí)土壤呼吸速率增加的倍數(shù)。Q10值越大，說(shuō)明土壤有機(jī)碳分解對(duì)溫度變化就越敏感[5]。本研究結(jié)果顯示，Q10（15—25℃）和Q10（25—35℃）的范圍分別為1.4—1.8和1.2—1.4（圖5）。與前人研究結(jié)果相近，陳曉芬等[5]在紅壤上報(bào)道土壤Q10范圍為1.3—1.8。但是也有研究通過(guò)薈萃分析（Meta analysis）報(bào)道農(nóng)田系統(tǒng)的Q10為2.7[32]，高于本試驗(yàn)結(jié)果。研究結(jié)果之間的差異可能與計(jì)算Q10所用的方法、培養(yǎng)溫度的范圍、培養(yǎng)時(shí)間以及土壤有機(jī)碳的本底值等因素有關(guān)[31,33]。此外，本研究結(jié)果還發(fā)現(xiàn)Q10（15—25℃）值總體高于Q10（25—35℃）（圖5）。這與葛序娟等[34]和邱曦等[35]在水稻土和紅壤上的研究結(jié)果一致。FANG等[36]也報(bào)道了類似的研究結(jié)果。因?yàn)榕c土壤呼吸密切相關(guān)的單細(xì)胞細(xì)菌對(duì)溫度變化響應(yīng)非常敏感，而適宜其生長(zhǎng)的溫度范圍是20—30℃[37]。且土壤有機(jī)碳活化能（Ea）也隨溫度升高而降低（表5）。DAVIDSON等[31]認(rèn)為Ea與Q10呈正相關(guān)。因?yàn)闇囟壬邔⑻岣叻肿颖旧淼幕罨?，從而加快生化反?yīng)，但是當(dāng)試驗(yàn)條件由低溫變?yōu)楦邷貢r(shí)，土壤中的反應(yīng)分子達(dá)到活化能的狀態(tài)比長(zhǎng)期處于高溫條件時(shí)更快[38]，因此Q10值隨溫度升高而降低。

此外，本研究還發(fā)現(xiàn)同常規(guī)施肥相比，壟膜溝播對(duì)Q10值無(wú)顯著影響，但平膜穴播顯著提高了Q10值（圖5）。MING等[23]和李明[25]卻發(fā)現(xiàn)壟膜溝播顯著提高了Q10值。這主要與SOC含量的高低有關(guān)。本研究中壟膜溝播的SOC含量較常規(guī)施肥無(wú)顯著差異（圖2）。有研究報(bào)道，SOC含量越高，Q10值越大[39]。課題組前期研究發(fā)現(xiàn)，壟膜溝播下水分生產(chǎn)效率、降水生產(chǎn)效率以及土壤日積溫均相對(duì)低于平膜穴播，且在小麥整個(gè)生育期均呈降溫效應(yīng)，不利于協(xié)調(diào)小麥群體構(gòu)建和產(chǎn)量形成[27]，其根系殘茬等物質(zhì)歸還到農(nóng)田中的數(shù)量有限，僅能維持現(xiàn)有的SOC水平（圖2），不能為微生物提供充足的底物，從而抑制土壤呼吸，故對(duì)土壤呼吸的溫度敏感性較弱。本研究中平膜穴播對(duì)溫度變化反應(yīng)更敏感的原因有兩點(diǎn)：一、通過(guò)全地面、全生育期地膜覆蓋，有效地提高了光熱資源的利用效率，充分蓄集雨水并有效將水分消耗由土面蒸發(fā)轉(zhuǎn)化為作物蒸騰，從而增加了土壤溫度和濕度，為微生物的活動(dòng)提供了更好的水、氣、熱條件[40]；二、在作物生長(zhǎng)期間有效攔截了降雨，提高了土壤貯水量和水分利用效率[41]，顯著增加了地下生物量，這也為微生物活動(dòng)提供了充足的基質(zhì)，在兩者的共同作用下，增加了土壤CO2排放量[25]。

4 結(jié)論

4.1 土壤有機(jī)碳礦化速率和累積礦化量均隨溫度的升高而顯著增加，平膜穴播較常規(guī)施肥顯著增加了土壤有機(jī)碳累積礦化量，主要與顯著增加土壤惰性有機(jī)碳庫(kù)的分解速率，從而顯著提高土壤惰性有機(jī)碳的分解有關(guān)。

4.2 土壤有機(jī)碳礦化溫度敏感性（Q10）和活化能（Ea）均表現(xiàn)為隨著溫度的升高而降低的趨勢(shì)，平膜穴播顯著提高了土壤有機(jī)碳的溫度敏感性，未來(lái)氣候變化可能不利于覆膜土壤有機(jī)碳的固存。

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

CAO HanBing1,2, XIE JunYu1,2, LIU Fei1, GAO JianYong1, WANG ChuHan1, WANG RenJie3, XIE YingHe1, LI TingLiang1

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

【】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. 【】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 1st, 3rd, 5th, 7th, 14th, 21st, 28th, 35thand 42thdays 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.【】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 Q10by 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%. 【】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.

dryland; soil organic carbon mineralization; temperature sensitivity; recalcitrant organic carbon pool; monitoring fertilization plus whole filed filming

10.3864/j.issn.0578-1752.2021.21.011

2021-07-26；

2021-09-16

山西農(nóng)業(yè)大學(xué)省部共建有機(jī)旱作農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)項(xiàng)目（202105D121008-1-13）、黃土高原特色作物優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心基金項(xiàng)目(SBGJXTZX-25)、山西省高等學(xué)?？萍紕?chuàng)新項(xiàng)目（2021L164）、國(guó)家自然科學(xué)基金（41807102，U1710255-3）、山西省土壤環(huán)境與養(yǎng)分資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目（2019003，2020001）、山西農(nóng)業(yè)大學(xué)科技創(chuàng)新基金（青年科技創(chuàng)新）項(xiàng)目（2019004）、山西農(nóng)業(yè)大學(xué)科技創(chuàng)新基金（博士科研啟動(dòng)）（2020BQ50）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFD0200401）、國(guó)家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（201503124）

曹寒冰，E-mail：caohanbing119@163.com。通信作者李廷亮，E-mail：litingliang021@126.com

（責(zé)任編輯 李云霞）