碳水耦合作用對土壤活性有機碳組分及碳庫管理指數(shù)的影響

王雨晴 和江鵬 喬趙崇 趙海超 黃智鴻 盧海博

摘要：為了研究碳水耦合作用對土壤活性有機碳（LOC）組分及碳庫管理指數(shù)的影響，通過有機碳含量高（H，4.0%）、中（M，2.0%）、低（L，0.5%）3個水平和含水量高（70%～80%）、中（50%～60%）、低（30%～40%）3個水平，進行室內(nèi)裂區(qū)設計模擬培養(yǎng)試驗，分析其活性有機碳含量和碳庫指數(shù)的變化。結果表明：碳水耦合條件下總活性有機碳（TLOC）含量在16.79～20.36 mg/kg之間，在高碳條件下占比最低，隨著土壤水分的增加呈上升趨勢，隨著土壤有機碳（SOC）含量的增加而下降;高活性有機碳（H-LOC）含量在0.21～1.44 g/kg之間，在高碳低水條件下占比最高，隨土壤水分和SOC含量的增加均呈上升趨勢;中活性有機碳（M-LOC）含量在2.71～5.18 g/kg之間，隨土壤水分的增加而上升，隨SOC含量增加而下降。隨著培養(yǎng)時間的延長，土壤TLOC含量和低活性有機碳（L-LOC）含量均呈先升后降趨勢，土壤M-LOC含量在低碳高水處理呈波動式上升趨勢，其他處理均呈波動式下降趨勢，H-LOC含量在高碳條件下呈下降趨勢，其他處理呈上升趨勢。H-LOC的碳庫管理指數(shù)（CPMI）在18.02～264.28之間，中水低碳條件下最高，低水中碳條件下最低;M-LOC的CPMI在25.43～206.35之間，中水低碳條件下最高，低水中碳條件下最低。

關鍵詞：碳水耦合;土壤;活性有機碳;碳庫管理指數(shù)

中圖分類號：S153.6 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2022）05-0199-06

收稿日期：2021-05-04

基金項目：河北省教育廳重大項目（編號：ZD2019097）;河北省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術體系 （編號：HBCT2018020203）;河北北方學院博士基金（編號：12995543）。

作者簡介：王雨晴（1997—），女，河北承德人，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)資源利用研究。E-mail：3542354349@qq.com。

通信作者：趙海超，博士，副教授，主要從事生態(tài)學研究。E-mail：haichaozhao19@163.com。

碳、水循環(huán)是能量循環(huán)的核心，兩者不是彼此孤立而是密切聯(lián)系的生態(tài)學過程，其間耦合關系的研究是碳水管理的重點之一[1]。土壤是陸地上最大的有機碳庫[2]，土壤有機碳（soil organic carbon，簡稱SOC）是生物生長的養(yǎng)分源泉和微生物的能量來源[3]?？傆袡C碳（total organic carbon，簡稱TOC）含量不能表征土壤質(zhì)量提高或降低的程度[4]，其含量是有機化合物輸入和輸出間循環(huán)平衡的結果?；钚杂袡C碳是含碳的化學組分，在TOC中占比小，但可快速降解并參與土壤養(yǎng)分循環(huán)，對碳輸入高度響應，被稱為SOC變化的敏感指標[5]，通常用易氧化有機碳（labile organic carbon，簡稱LOC）、微生物生物量碳（microbial biomass carbon，簡稱MBC）、顆粒有機碳（particle organic carbon，簡稱POC）和溶解性有機碳（dissolved organic carbon，簡稱DOC）等的含量表示。Logninow等根據(jù)不同濃度高錳酸鉀（33、167、333 mmol/L）氧化的有機碳含量，將其分成高、中、低3種級別[6]。根據(jù)土壤有機碳的不同活性，Blair等提出土壤碳庫管理指數(shù)（carbon pool management index，簡稱CPMI），其不僅是評價LOC的指標還是引起SOC含量變化的重要依據(jù)，有助于土壤質(zhì)量的改善[7-11]。水分是植物生長的必需要素，土壤水是水資源相互轉(zhuǎn)化的紐帶，在形成、轉(zhuǎn)化與消耗中不可缺少，能被植物直接吸收利用[12]。前人大多是將碳水耦合分開研究，其對土壤質(zhì)量影響的研究相對較少[13]。本研究以碳水耦合作用為研究對象，采用室內(nèi)模擬方法，分析SOC組分和CPMI變化，以期為提高土壤肥力做出理論支撐。

1 材料與方法

1.1 材料處理

1.1.1 不同有機碳含量土壤培肥試驗

試驗在2019年5—11月進行，土壤類型為沙壤土，選擇有機碳含量14.7%、氮（N） 含量0.42%、磷（P2O5） 含量0.22%的腐熟牛糞堆肥，設計不同有機肥施用量使土壤有機碳含量分別為0.5%（低碳）、2.0%（中碳）、4.0%（高碳），每個處理3次重復，在溫室培育6個月，獲得含有不同有機碳含量的土壤[14]。

1.1.2 碳水耦合試驗

選擇“1.1.1”節(jié)中獲得的土壤進行碳水耦合室內(nèi)培養(yǎng)，按土壤含水量30%～40%、50%～60%、70%～80%等3個梯度培養(yǎng)6個月，間隔15 d稱質(zhì)量法補充水分，使水分梯度一致，用風干后的土壤測定SOC組分，以低碳低水處理為參照計算土壤碳庫管理指數(shù)（表1）。

1.2 樣品分析方法

LOC用KMnO4氧化法[15]測定：稱取0.015 g土樣（碳含量≈15 mg）于100 mL離心管中，加入 25 mL KMnO4[9]，以250 r/min振蕩1 h，然后在 2 000 r/min 下離心5 min，取上清液用去離子水按 1 ∶250 稀釋[9]，在565 nm下測定吸光度，通過計算空白與土壤樣品的吸光率之差算出KMnO4濃度的變化，得出活性有機碳含量（1 mmol/L KMnO4消耗9 mg碳）。選擇的KMnO4濃度分別為33、167、333 mmol/L，即高活性有機碳[3]（highly labile organic carbon，簡稱H-LOC）、中活性有機碳[3]（moderately labile organic carbon，簡稱M-LOC）、低活性有機碳（lowly labile organic carbon，簡稱L-LOC）。能被 33 mmol/L KMnO4氧化的有機碳稱為H-LOC[3];能被167 mmol/L KMnO4氧化且不能被33 mmol/L KMnO4氧化的有機碳稱為M-LOC[3];能被 333 mmol/L KMnO4氧化且不能被167 mmol/L KMnO4氧化的有機碳稱為L-LOC[3];能被 333 mmol/L KMnO4氧化的為總活性有機碳（total labile organic carbon，簡稱TLOC），不能被333 mmol/L KMnO4氧化的有機碳稱為非活性有機碳（non-labile organic carbon，簡稱N-LOC）[3]。

土壤碳庫管理指數(shù)計算如下[16]：

碳庫指數(shù)[15]（CPI）=樣品總有機碳含量（mg/kg）/參考樣品總有機碳含量（mg/kg）。

碳庫活度[15]（A）=活性有機碳含量（g/kg）/非活性有機碳含量（g/kg）。

碳庫活度指數(shù)（AI）=碳庫活度/參考土壤碳庫活度[15]。

根據(jù)上述參數(shù)可得碳庫管理指數(shù)（CPMI）=CPI×AI×100[3]。

溶解性總氮（total dissolved nitrogen，簡稱TDN）含量用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法[17]測定;溶解性總磷（total dissolved phosphorus，簡稱TDP）含量采用過硫酸鉀氧化法[9]測定;土壤有機碳（soil organic matter，簡稱SOC）含量用重鉻酸鉀容量法-外加熱[3]測定;無機磷（inorganic phosphorus，簡稱IP）含量測定采用鉬銻分光光度法[3];氨氮（ammonia nitrogen，簡稱NH+4-N）含量用納氏比色法[3]測定;土壤微生物量碳、微生物量氮（microbial biomass nitrogen，簡稱MBN）、微生物量磷（microbial biomass phophorus，簡稱MBP）含量的測定均采用三氯甲烷熏蒸浸提法[16]測定。

2 結果與分析

2.1 碳水耦合條件對土壤活性有機碳組分含量變化的影響

如圖1所示，碳水耦合作用下土壤TOC含量在19.21～43.44 g/kg之間，TLOC含量在16.79～20.36 g/kg之間，在高碳（SOC含量4.0%）條件下占比最高，在低碳（SOC含量0.5%）條件下占比最低;土壤H-LOC含量在0.21～1.44 g/kg之間，占SOC含量的1.08%～3.43%，在高碳低水（相對含水率 30%～40%）條件下占比最高，在低碳高水（相對含水率70%～80%）條件下占比最低;土壤 M-LOC 含量在2.71～5.18 g/kg之間，占SOC含量的9.86%～15.94%，在高碳中水（相對含水率50%～60%）條件下占比最高，在中碳（SOC含量2.0%）低水條件下占比最低;土壤L-LOC含量在16.49～18.92 g/kg之間，占SOC含量的31.41%～78.71%，在高碳低水條件下占比最高，在中碳低水條件下占比最低;土壤N-LOC含量在1.46～27.60 g/kg 之間，占SOC含量的5.35%～56.26%，在高碳高水條件下占比最高，在低碳中水條件下占比最低?？梢婋S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。隨著土壤水分含量的增加，土壤活性有機碳組分比例上升。

如圖2所示，H-LOC含量隨著田間持水量的上升而下降，隨著土壤有機碳含量的上升而上升;M-LOC 含量隨著田間持水量及土壤有機碳含量的上升而下降;L-LOC含量隨著田間持水量及土壤有機碳含量的上升而上升。可見碳水不僅單方面影響而且共同影響著土壤活性有機碳各組分的變化。

2.2 碳水耦合條件對土壤活性有機碳含量動態(tài)變化的影響

如圖3所示，在碳水耦合條件下土壤TLOC含量隨著培養(yǎng)時間的延長高碳中水處理呈先降后升再降的變化趨勢，高碳高水處理呈先升后降再升的變化趨勢，低碳中水呈先降后升再降趨勢，其他處理均呈先升后降的趨勢，在 135 d 時達到最高值。土壤L-LOC含量隨著培養(yǎng)時間的延長各處理均呈先升后降的趨勢，高碳低水處理在62 d達到最高值，高碳高水處理在175 d達到最高值，其他處理均在135 d達到最高值，175 d時在高、中碳條件下隨著水分的降低呈下降趨勢。M-LOC含量隨著培養(yǎng)時間的延長，低碳高水處理呈波動式上升趨勢，其他處理均呈波動式下降趨勢;175 d 時低碳高水處理M-LOC含量最高，中碳低水M-LOC含量最低。高碳處理土壤 H-LOC 含量隨著培養(yǎng)時間的延長，呈波動式下降趨勢，其他處理均呈波動式上升趨勢;175 d H-LOC 含量低碳中水最高，低碳高水處理最低。總體來看，在TOC含量較高的條件下土壤中活性有機碳含量較高，特別是H-LOC含量明顯增高，作為土壤微生物的主要能量來源，在培養(yǎng)過程中被微生物降解，而在中、低TOC含量的條件下，土壤中微生物能夠降解TOC向TLOC轉(zhuǎn)化，隨著培養(yǎng)時間的延長TLOC進一步向H-LOC轉(zhuǎn)化，使H-LOC含量在培養(yǎng)后期呈上升趨勢。高水條件下微生物活性強對活性有機碳含量影響較大，低水條件對活性有機碳影響較弱，因此高碳低水在62 d時TLOC和 L-LOC 含量出現(xiàn)峰值。

2.3 碳水耦合條件對土壤碳庫管理指數(shù)的影響

碳庫管理指數(shù)（CPMI）、碳庫活度指數(shù)（AI）、碳庫活度（A）及碳庫指數(shù) （CPI）相關聯(lián)，AI和CPMI是土壤碳庫變化的量化依據(jù)。如表2所示，低碳低水、低碳中水、低碳高水總活性有機碳碳庫管理指數(shù)分別為100.00、209.83、118.75，中活性有機碳碳庫管理指數(shù)分別為100.00、206.35、115.64，高活性有機碳碳庫管理指數(shù)分別為100.00、264.28、53.38。以上結果表明隨著水分含量的增加土壤碳庫管理指數(shù)降低，低碳中水處理有利于提高碳庫管理指數(shù)[3]。各含水量條件下中碳處理高活性有機碳碳庫管理指數(shù)分別為18.02、35.96、39.73，結果顯示隨著水分含量增加碳庫管理指數(shù)明顯上升。TLOC的CPMI在20.40～209.83之間，中碳、高碳的CPMI均低于100。土壤高活性有機碳的CPMI在 18.02～264.28之間，低碳中水的CPMI最高，中碳低水的CPMI最低，且僅低碳中水的CPMI大于100。土壤中活性有機碳的CPMI在25.43～206.35之間，低碳中水的CPMI最高，中碳低水的CPMI最低?？梢娕c低碳低水相比，低碳中水能提高CPMI，低碳高水只能提高總活性有機碳和中活性有機碳碳庫管理指數(shù)。主要是因為低碳環(huán)境下TLOC占比大，進而提高CPMI，此外TLOC占比小，則CPMI降低。CPMI提高表明了土壤質(zhì)量的改善、土壤肥力的提高以及土壤利用效率的增加，能更好地反映土壤問題。

3 討論

3.1 碳水耦合對土壤活性有機碳組分的影響

土壤有機碳是植物、微生物生命活動的必需要素，SOC是陸地上儲藏的最大有機碳庫[3]，TLOC在SOC中占比很小，但極大地影響著土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化供應。土壤有機碳的總量與活性受土壤中輸入的不同碳水耦合強度所影響，從而影響著土壤TLOC。如表3所示，低活性有機碳含量與MBN呈極顯著正相關關系，與SOC含量具有顯著相關關系[3]，中活性有機碳含量與含水量呈顯著正相關關系，高活性有機碳與MBN、SOC含量呈顯著正相關關系，結果表明隨有機碳和水分含量的增加，能加劇養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，活性有機碳含量升高，與喬趙崇的研究結果[3]一致。較之低碳，高、中碳施肥量高，促使微生物量增多，從而土壤碳庫總量升高[3]，進而導致土壤活性有機碳含量較高[17]。高水、中水環(huán)境與低水環(huán)境相比，含水量增加，土壤營養(yǎng)鹽加速溶解[3]，微生物量增多導致土壤活性有機碳含量較高[18]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上應有機無機肥配施[19]，并適量灌溉，貧瘠土壤應充分灌溉并增施有機肥;若要肥沃土壤應保持高碳中水環(huán)境，這也能提高土壤的保肥能力。

3.2 碳水耦合對土壤碳庫管理指數(shù)的影響

碳庫管理指數(shù)是反映土壤供肥能力的重要指標。如表4所示，總、中活性有機碳的CPMI與SOC、TDP、無機磷、TDN含量呈顯著負相關關系，其原因可能是沙壤土有大孔隙、營養(yǎng)成分轉(zhuǎn)化快[3]，CPMI增加，加速營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化，導致土壤養(yǎng)分降低，從而土壤中的無機磷、TN含量下降[20]。碳水耦合下TLOC和CPMI的研究表明，施用有機肥結合灌溉可使SOC含量上升，但施肥會使CPMI呈下降趨勢，這與沈宏等的研究結果[21-22]不同。沙壤土保水保肥能力差，增施有機肥能有效降低土壤孔隙度及養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化速率，降低土壤的CPMI。水分是增強微生物活性的條件之一，促進有機碳向活性有機碳轉(zhuǎn)化，可使地力肥沃、土壤保蓄力增強。喬趙崇研究表明，碳水耦合能改善土壤質(zhì)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。低碳低水條件下SOC、TLOC含量均低于中碳和高碳[3]。隨著土壤經(jīng)濟效益的升高，有機肥的投入成反比，對于低碳低水的沙壤，應增施有機肥、多次少量灌水，降低土壤CPMI，防止土壤養(yǎng)分及水分流失，有機與無機肥配合施用，提高土壤碳庫水平[23]。

4 結論

土壤高活性有機碳含量在0.21～1.44 g/kg之間，占土壤有機碳含量1.08%～3.43%;總活性有機碳含量在16.79～20.36 mg/kg之間，在高碳（SOC，4.00%）條件下有機碳含量占比最低。在碳水耦合條件下隨著培養(yǎng)時間的延長，土壤活性有機碳和低活性有機碳含量大體上均呈先升后降趨勢;土壤中活性有機碳含量在低碳高水處理呈波動式上升趨勢，其他處理均呈波動式下降趨勢，培養(yǎng) 135 d 時出現(xiàn)最高值;高活性有機碳含量在高碳條件下呈波動式下降趨勢，其他處理呈波動式上升趨勢。高水條件下微生物活性強對活性有機碳含量影響較大，因此高碳低水在62 d時活性有機碳和低活性有機碳含量出現(xiàn)峰值。

不同碳水耦合條件下土壤活性有機碳的CPMI在20.40～209.83之間，低碳中水最高，高碳中水最低;土壤高活性有機碳的CPMI在18.02～264.28 之間，低碳中水最高，中碳低水最低;土壤中活性有機碳的CPMI在25.43～206.35之間，低碳中水的CPMI最高，中碳低水CPMI最低。高碳中水條件有利于提高土壤供肥能力，田間應根據(jù)土壤有機碳含量調(diào)控水分灌溉量，從而提高土壤肥力。

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