馬昕昕

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，山西太谷030800）

溫度對太谷縣農(nóng)田土壤有機碳礦化的影響

馬昕昕

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，山西太谷030800）

土壤是個巨大的有機碳庫，研究土壤有機碳礦化的影響因素以揭示其穩(wěn)定性，可為區(qū)域土壤有機碳儲量的估算提供依據(jù)。通過室內(nèi)培養(yǎng)、堿液吸收法研究了溫度變化對太谷縣農(nóng)田土壤有機碳礦化的影響。結(jié)果顯示，土壤有機碳礦化量在同一溫度下隨土層加深呈下降趨勢，在同一土層中隨溫度的升高呈上升趨勢，當(dāng)溫度由10℃升高至30℃時，0～20，20～40，40～60，60～80，80～100 cm土層土壤有機碳礦化量的增幅分別為130.7%，164.6%，136.7%，98.1%，86.7%；各土層平均溫度系數(shù)（Q10）變化在1.428～1.604，并無明顯差異；各土層的礦化率隨溫度的升高呈上升趨勢，同溫度下，各土層間的礦化率均基本一致，無顯著差異。研究結(jié)果反映了各土層土壤有機碳均參與了土壤碳循環(huán)，且當(dāng)外界溫度變化時，各土層土壤有機碳的穩(wěn)定性均會受到影響，因此，估算該區(qū)域農(nóng)田碳庫時應(yīng)充分考慮各土層土壤有機碳的變化。

農(nóng)田；溫度；有機碳礦化量；有機碳礦化率；太谷縣

全球碳循環(huán)失衡導(dǎo)致的大氣CO2濃度持續(xù)升高，使全球變暖日益加劇[1]，引起了社會各界以及科學(xué)界的極大關(guān)注。土壤龐大的有機碳庫，約占全球陸地總碳庫的2/3～3/4[2-3]，同時也活躍地參與全球碳循環(huán)[3-4]，土壤表面排放的CO2是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支中最大的通量[4-6]。因此，土壤碳庫的變化決定了陸地生態(tài)系統(tǒng)是“碳匯”還是“碳源”[7]。

作為碳循環(huán)過程的關(guān)鍵步驟，土壤有機碳礦化受到土壤理化性質(zhì)、農(nóng)業(yè)耕作措施和環(huán)境因子等諸多因素的影響[8-9]，其中，土壤溫度和含水量是關(guān)鍵的影響因子[10]。而WAGAL等[11]、BUCHMAN[12]研究指出，土壤呼吸與土壤溫度關(guān)系顯著，而與土壤濕度關(guān)系較弱。FANG等[10]研究表明，隨著溫度的增長，蘇格蘭農(nóng)田和人工林的土壤有機碳礦化速率呈指數(shù)增加；常宗強等[13]關(guān)于我國黑河流域山區(qū)牧坡草地土壤呼吸的研究結(jié)果也表明，土壤呼吸速率與溫度呈顯著指數(shù)關(guān)系，與土壤含水量呈顯著乘冪關(guān)系。目前關(guān)于土壤有機碳的礦化主要集中在林地、水稻土等地區(qū)，而針對于山西農(nóng)田的土壤有機碳礦化則鮮有報道。山西省太谷縣農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)良好，耕地面積約3萬hm2，是山西省重要的商品糧基地[14]，因此，研究該地區(qū)的土壤有機碳變化及其影響因素則顯得尤為重要。

本試驗以太谷縣農(nóng)田為研究對象，研究了不同的溫度條件下0～100 cm土層不同深度土壤有機碳礦化，為在全球氣候變化大環(huán)境下準確估計該地區(qū)固碳能力提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究地區(qū)概況

研究區(qū)域設(shè)在山西省晉中市太谷縣（N37°12′～37°32′，E112°28′～113°01′），海拔767～1 914 m，位于山西省中部，地處晉中盆地東北部。該區(qū)土地肥沃，氣候溫和，年均氣溫9.8℃，降水量約458 mm，無霜期175 d，屬于溫暖帶大陸性氣候。該區(qū)土壤類型多為褐土性土。太谷縣農(nóng)田耕地主要分布在城郊的5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)（水秀鄉(xiāng)、侯城鄉(xiāng)、北汪鄉(xiāng)、陽邑鄉(xiāng)、小白鄉(xiāng)）。

1.2 樣地選取和土壤樣品采集

2016年8月中旬，在水秀鄉(xiāng)選擇3塊有代表性的夏玉米農(nóng)田作為樣地，每塊樣地隨機用內(nèi)徑為5 cm土鉆分層多點采0～100 cm土樣，每20 cm為一層，共得15個混合土樣。取樣后揀去碎石塊和根系殘體，用四分法取足樣品后裝入樣品袋。土樣分2個部分：一部分過2 mm篩，保存于4℃條件下供礦化培養(yǎng)用；另一部分風(fēng)干、研磨、過篩后供有機碳含量的測定使用。

1.3 試驗方法

根據(jù)文獻[15]，設(shè)土壤含水量為10%，溫度分別為10，15，20，25，30℃，測定不同土層土壤有機碳的的日均礦化量。稱取新鮮土壤（相當(dāng)于50 g風(fēng)干土）放置于統(tǒng)一體積的塑料瓶（帶蓋子）內(nèi)，加蒸餾水調(diào)節(jié)，使土壤含水量為10%，同時設(shè)置空白。另外，塑料瓶內(nèi)放裝有20 mL的0.05 mol/L濃度的NaOH溶液的小燒杯，密封塑料瓶，將其置于已經(jīng)設(shè)定溫度的恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)。培養(yǎng)過程中，通過稱重法定期為土壤補充水分，使塑料瓶含水量保持在10%。培養(yǎng)過程中，在第2，3，4，6，8，11，14天更換新的NaOH溶液。在取出的NaOH溶液中，加入酚酞指示劑和1 mL的0.5 mol/LBaCl2溶液，用0.05 mol/L HCl滴定，滴定終點為紅色變粉紅色。每個土樣每個溫度下重復(fù)2次。根據(jù)HCl消耗量可以計算CO2的釋放量，即可得出培養(yǎng)期內(nèi)土壤有機碳的礦化量和礦化速率等。

1.4 測定項目及方法

土壤有機碳：采用重鉻酸鉀外加熱法[16]測定。每個土樣重復(fù)測定2次，取平均值。

礦化量、礦化速率：采用室內(nèi)恒溫培養(yǎng)、堿液吸收法[17-18]測定。對每塊樣地各個土層進行試驗。

礦化率：礦化率＝總礦化量/土壤有機碳× 100%。

溫度系數(shù)（Q10）[19]：Q10表示溫度變化10℃土壤有機碳礦化速度變化的倍數(shù)，可用來表示溫度對有機碳礦化速率的影響。其計算公式如下。式中，T表示溫度（℃）。

1.5 數(shù)據(jù)計算與分析

不同溫度條件下不同土層土壤有機碳總礦化量、礦化速率、礦化率等采用軟件SPSS 13.0進行ANOVA分析，LSD法進行顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 各土層土壤有機碳總礦化量對溫度變化的響應(yīng)

由圖1可知，各個溫度下，土壤有機碳的礦化量隨土層加深而呈降低趨勢，其中，0～20，20～40cm與其余3個土層間均呈顯著差異（P＜0.05）。各土層土壤有機碳礦化量隨溫度的升高整體呈增加趨勢，各土層在不同溫度條件下的總礦化量均呈顯著差異（P＜0.05）。當(dāng)溫度由10℃上升至30℃時，各土層總礦化量的變幅不同，其中，0～20，20～40，40～60 cm土層土壤有機碳礦化量增加較多，分別為130.7%，164.6%，136.7%；60～80，80～100 cm土層有機碳礦化量增加相對較少，分別為98.1%，86.7%。由此可見，溫度變化對各個土層的土壤有機碳礦化量均有較大影響。

2.2 各土層土壤有機碳礦化速率對溫度變化的響應(yīng)

由圖2可知，與有機碳礦化量變化趨勢相似，相同的溫度條件下，隨著土層的加深，土壤有機碳的礦化速率呈降低趨勢，其中，0～20，20～40 cm與其余3個土層間均呈顯著差異（P＜0.05）。各土層土壤有機碳礦化速率隨溫度的升高呈上升趨勢。與礦化量不同，0～20，20～40 cm土層中，10℃時的礦化速率與20，25，30℃時呈顯著差異（P＜0.05），40cm以下土層中，10℃時的礦化速率僅與25，30℃時呈顯著差異（P＜0.05）；0～20 cm土層中，15℃時的礦化速率分別與20，25，30℃時呈顯著差異，而其他土層15℃時的礦化速率僅與25，30℃時呈顯著差異。0～20，20～40，40～60 cm土層中，20，25，30℃時的礦化速率兩兩呈顯著差異，60 cm以下土層無差異。

2.3 各土層土壤有機碳溫度系數(shù)（Q10）對溫度變化的響應(yīng)

溫度對有機碳礦化速率的影響，可用溫度系數(shù)（Q10）來表示。Q10表示溫度變化10℃，土壤有機碳礦化速度變化的倍數(shù)。圖3顯示，各土層平均Q10變化在1.428～1.604，并無明顯差異（P＞0.05）?？梢?，溫度的升高對于各個土層土壤有機碳礦化速率的影響均較大。

2.4 各土層土壤有機碳礦化率對溫度變化的響應(yīng)

土壤有機碳礦化率，指土壤有機碳礦化量占土壤有機碳的比例，可用來表示土壤有機碳的穩(wěn)定性。礦化率越低，則說明土壤有機碳的穩(wěn)定性越強，反之，說明其穩(wěn)定性越弱，則土壤中的有機碳易參與生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)。從圖4可以看出，同一溫度條件下，各土層間的土壤有機碳礦化率基本一致（P＞0.05）。隨著溫度的變化，0～20 cm土層土壤有機碳礦化率的變化范圍為4.23%～9.77%，20～40 cm土層的變化范圍為3.77%～9.97%，40～60 cm土層則為4.00%～9.47%，60～80 cm土層為5.20%～10.30%，80～100 cm土層為5.77%～10.77%?？梢?，溫度的變化，不僅對表層（0～20 cm）土壤有機碳的礦化產(chǎn)生了影響，同時也對下層土壤產(chǎn)生了不小的影響。

3 討論

近年來全球變化與生態(tài)學(xué)的興起，人們密切關(guān)注大氣CO2濃度升高帶來的諸多影響。土壤作為龐大的有機碳庫，其積累和穩(wěn)定有機碳的能力受到了更多的關(guān)注[20]。太谷縣作為山西省主要的糧食生產(chǎn)地，其農(nóng)田土壤有機碳的穩(wěn)定性強弱則會影響該地區(qū)碳庫的估算。

作為土壤碳循環(huán)的關(guān)鍵步驟，土壤有機碳的礦化作用及其強弱是反映有機碳穩(wěn)定性的重要指標。與ZAK等[21]研究結(jié)果相似，本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，溫度的變化對太谷縣農(nóng)田土壤有機碳礦化量、礦化速率及其礦化率的影響較明顯。FANG等[22]研究結(jié)果表明，隨著溫度升高，蘇格蘭的農(nóng)田和人工林土壤礦化速率呈指數(shù)增加。本研究中也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度由10℃上升至30℃時，各土層總礦化量均有增加，其中0～20，20～40，40～60 cm土層土壤有機碳礦化量增加較多，分別為130.7%，164.6%，136.7%；60～80，80～100 cm土層有機碳礦化量增加量分別為98.1%，86.7%。

本研究中，各溫度條件下，土壤有機碳礦化量、礦化速率隨著土層的加深呈降低趨勢，這是因為土壤有機碳礦化量主要受控于土壤有機碳總量[23]。本研究中各溫度條件下各土層土壤礦化率無顯著差異，這可能與本試驗為室內(nèi)試驗的局限性有關(guān)，土樣經(jīng)過擾動后，其狀態(tài)與自然狀態(tài)有所差異，因此，會使土壤有機碳礦化量比實際偏高，但條件的局限性對各土層土樣均有影響，因此，試驗結(jié)果仍具有一定的參考價值?？梢姡瑴囟鹊淖兓瘜Ω魍翆油寥烙袡C碳的穩(wěn)定性均有影響且影響大小一致。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，土壤有機碳礦化量在同一溫度下隨土層加深呈下降趨勢，在同土層中隨溫度的升高呈增加趨勢：當(dāng)溫度由10℃升高至30℃時，0～20，20～40，40～60，60～80，80～100 cm土層土壤有機碳礦化量的增幅分別為130.7%，164.6%，136.7%，98.1%，86.7%。

各土層平均溫度系數(shù)Q10變化在1.428～1.604，并無明顯差異。

隨著溫度的升高，各土層土壤有機碳礦化率呈上升趨勢。各溫度條件下，各土層間的土壤有機碳礦化率均基本一致，無顯著差異?？梢?，各土層土壤有機碳均參與了土壤碳循環(huán)，且當(dāng)外界溫度變化時，各土層土壤有機碳的穩(wěn)定性均會受到影響。

［1］于貴瑞.全球變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和碳積蓄[M].北京：氣象出版社，2003.

［2］曹麗花，劉合滿，楊東升.農(nóng)田土壤固碳潛力的影響因素及其調(diào)控（綜述）[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，44（10）：16-20.

［3］李新民，楊萍果，鄧樹元.晉南縣域農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤碳氮時空變化特征[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，41（2）：160-162，174.

［4］JENKINSON D S，ADAMS D E，WILD A.Model estimates of CO2emissions from soil in response to global warming[J].Nature，1991，351：304-306.

［5］吳金水，童成立，劉守龍.亞熱帶和黃土高原區(qū)耕作土壤有機碳對全球氣候變化的響應(yīng)[J].地球科學(xué)進展，2004，19（1）：131-136.

［6］RAITH J W，SCHLESINGER W H.The global carbon dioxide flux in soil respiration and its relationship tivegetation and climate[J]. Tellus，1992，44B：81-99.

［7］KIRSCHBAUMMIKO U F.The temperature dependence of soil organic matter decomposition，and effect of global warming on soil C storage[J].Soil Biologyand Biochemistry，1995，27：753-760.

［8］李鴻博，史琨，徐德應(yīng).植物過程對土壤有機碳含量的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2005，16（6）：1163-1168.

［9］賈宇平，侯志華，安祥生.土地利用變化對土壤有機碳、全氮的影響：以右玉縣牛心堡鄉(xiāng)為例[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，44（11）：1648-1652.

［10］FANG C，MONCRIEFF J B.The dependence of soil CO2efflux on temperature[J].Soil Biology and Biochemistry，2001，33（2）：155-165.

［11］WAGAL RATA，BRYE KRISTOFOR R，GOWER STITH T.Land use and encironmental factors influencing soil surface CO2flux and microbial biomass in natural and managed ecosystems in southern Wisconsin[J].Soil Biology and Biochemistry，1998，30（12）：1501-1509.

［12］BUCHMAN NINA.Biotic and abiotic factors controlling soil respiration rates in Picea abies stands[J].Soil Biologyand Biochemistry，2000，32（11/12）：1625-1635.

［13］常宗強，史作民，馮起，等.黑河流域山區(qū)牧坡草地土壤呼吸的時間變化及水熱因子影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2005，16（9）：1603-1606.

［14］解文艷，周懷平，關(guān)春林，等.山西省主要農(nóng)田土壤速效養(yǎng)分狀況與分布[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40（5）：493-497.

［15］?？〗?，趙景波，王尚義.論山西褐土區(qū)農(nóng)田土壤干燥化問題[J].地理研究，2008，27（3）：519-526.

［16］魯如坤.土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M].北京：中國農(nóng)業(yè)科技出版社，2000.

［17］馬昕昕，許明祥，楊凱.黃土丘陵區(qū)刺槐林深層土壤有機碳礦化特征初探[J].環(huán)境科學(xué)，2012，33（11）：3893-3900.

［18］FRANZLUEBBERS A J，STUEDEMANN J A，SCHOMBERG H H，et al.Soil organic C and N pools under long-term pasture management in the Southern Piedmont USA[J].Soil Biology and Biochemistry，2000，32（4）：469-478.

［19］黃耀，劉世梁，沈其榮，等.環(huán)境因子對農(nóng)業(yè)土壤有機碳分解的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2002，13（6）：709-714.

［20］張文菊，吳金水，肖和艾，等.三江平原典型濕地剖面有機碳分布特征與積累現(xiàn)狀[J].地球科學(xué)進展，2004，19（4）：558-563.

［21］ZAK D R，HOLMES W E，MACDONALD N W，et al.Temperature，matric potential，and the kinetics of microbial respiration and net N mineralization in northern hardwood forests[J].Soil Science SocietyAmerica Journal，1999，63：575-584.

［22］FANG C，SMITH P，MONCRIEFF J，et al.Similar response of labile and resistant soil organic matter pools to changes in temperature[J].Nature，2005，433：57-59.

［23］李順姬，邱麗萍，張興昌.黃土高原土壤有機碳礦化及其與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系[J].生態(tài)學(xué)報，2010，30（5）：1217-1226.

Effects of Temperature on Soil Organic Carbon Mineralization of Farmland in Taigu

MAXinxin
（College ofInformation，Shanxi Agricultural University，Taigu 030800，China）

Soil is a huge organic carbon pool.We can reveal its stability and provide the basis for soil organic carbon（SOC）storage by studying the SOC mineralization.In this paper,laboratory incubation experiments were carried out to investigate the effects of temperature on soil organic carbon mineralization by alkali absorption method.The results showed that with the soil depth increasing, there was a downward trend in the total SOC mineralization under different temperatures.The SOC mineralization increased with the rise of temperature in each soil layer.When the temperature was increased from 10℃to 30℃，the growth rate of soil organic carbon mineralization was respectively130.7%,164.6%,136.7%,98.1%,86.7%in the 0-20,20-40,40-60,60-80,80-100 cm soil layer.The average temperature coefficient（Q10）of each soil layer changed from 1.428 to 1.604,there was no significant difference between them. The mineralization rate of SOC increased with the rise of temperature in each soil layer.There was no significant difference in the mineralization rate of SOC in each soil layer under different temperatures.The results revealed that the SOC in each soil layer was involved in the whole globe carbon cycle.When the temperature changed,the stability of SOC would be affected.The change of SOC in each soil layer should be taken intoaccount when estimatingthe SOCpool offarmland in Taigu.

farmland;temperature;SOCmineralization;mineralization rate ofSOC;Taigu county

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.05.25

S153.6

：A

：1002-2481（2017）05-0769-04

2016-12-14

馬昕昕（1988-），女，河南洛陽人，助教，碩士，主要從事土壤質(zhì)量演變研究工作。