莊海艷　單博　陳祥偉

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

土壤碳是土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)[1]，不僅影響著土壤的物理、化學(xué)和生物特征及其過程，而且在維持生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力以及全球碳平衡過程中起重要作用[2]。土壤碳中受植物、微生物影響強(qiáng)烈，具有一定溶解性，在土壤中移動(dòng)比較快、不穩(wěn)定、易氧化、易分解、易礦化的組分被稱為土壤活性有機(jī)碳，常采用溶解性有機(jī)碳、微生物量碳、可礦化碳、輕組有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳等指標(biāo)來進(jìn)行表征[3]。雖然活性有機(jī)碳只占土壤有機(jī)碳總量的較小部分，卻直接參與土壤生物化學(xué)轉(zhuǎn)化過程。作為世界三大黑土帶之一的東北黑土主要分布在我國溫帶地區(qū)，每年會(huì)經(jīng)歷6～8個(gè)月的季節(jié)性凍融期[4]。凍融交替作用通過改變土壤的結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)對生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)過程產(chǎn)生影響[5]，加速土壤中碳庫的流失和分解[6]，而這種影響主要是通過對土壤活性有機(jī)碳產(chǎn)生的影響得以實(shí)現(xiàn)的。

目前，關(guān)于凍融作用對土壤活性有機(jī)碳影響的研究大多集中在凍融循環(huán)次數(shù)和凍結(jié)溫度方面[4,7]，而關(guān)于凍融前期含水量對活性有機(jī)碳影響的研究則較少。因此，本文以黑土耕層土壤為研究對象，采用室內(nèi)模擬凍融實(shí)驗(yàn)的方法，探究凍融對黑土活性有機(jī)碳的影響，研究結(jié)果對進(jìn)一步研究黑土耕層土壤碳庫平衡和土壤肥力保持具有重要意義。

1　材料與方法

1.1　供試土壤及樣品的制備

土壤樣品取自位于黑龍江省克山農(nóng)場的典型黑土區(qū)(N48°12′～48°23′，E125°8′～125°37′)。在耕作措施一致、前茬作物均為玉米的耕地地中設(shè)置3塊臨時(shí)樣地，采用自制內(nèi)徑和高均為10 cm的土壤原狀土取樣器采集0～20 cm的耕層土壤樣品，保鮮膜密封低溫保鮮后備用。供試土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)25.22 g·kg-1，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.67 g·kg-1，堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)184.88 mg·kg-1，全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.42 g·kg-1，有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)21.54 μg·kg-1。

模擬凍融循環(huán)設(shè)置3個(gè)處理，分別為無凍融(0次)、少次凍融(3次)和多次凍融(12次)，其中-15 ℃凍結(jié)24 h、5 ℃解凍24 h為一次完整的凍融循環(huán)；前期土壤含水量設(shè)置2個(gè)處理，即田間自然質(zhì)量含水量(29.42%)和飽和含水量(39.93%)。凍融處理后土壤樣品經(jīng)充分混合，采用四分法取樣用于活性有機(jī)碳指標(biāo)的測定，重復(fù)4次。

1.2　指標(biāo)及測定方法

土壤微生物量碳(MBC)采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法[8]，土壤可溶性有機(jī)碳(DOC)采用硫酸鉀浸提法[9]，土壤易氧化有機(jī)碳(ROC)采用KMnO4氧化法[10]，土壤顆粒有機(jī)碳(POC)采用(NaPO3)6分離方法[11]，土壤輕組有機(jī)碳(LFOC)采用1.8 g·mL-1NaI重液分離方法[12]，土壤可礦化碳(PMC)采用室內(nèi)培養(yǎng)法測定[13]，其他指標(biāo)采用常規(guī)測定方法。

1.3　數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)均采用SPSS18.0和Microsoft Excel軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用多因素方差分析和最小顯著差異法(LSD)檢驗(yàn)不同數(shù)據(jù)組間的顯著性差異，顯著性水平設(shè)定為α=0.05。

2　結(jié)果與分析

2.1　微生物量碳的變化

土壤微生物量碳(MBC)僅占土壤總有機(jī)碳的2%～3%，但對土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)有不可忽視的影響[14]。研究發(fā)現(xiàn)，土壤微生物量碳對凍融循環(huán)的響應(yīng)較為敏感，但前期含水量不同會(huì)導(dǎo)致凍融處理后MBC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律有所不同(表1)。在飽和含水量條件下，無論多次凍融還是少次凍融均顯著降低了MBC質(zhì)量分?jǐn)?shù)(P<0.05)，但以少次凍融后的降低幅度較大，與無凍融相比減少了69.60%；對自然含水量處理而言，僅表現(xiàn)出多次凍融顯著提高了土壤微生物量碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(P<0.05)，較無凍融處理提高了149.94%。由表1還可知，前期含水量亦會(huì)對MBC質(zhì)量分?jǐn)?shù)產(chǎn)生影響，表現(xiàn)為無凍融條件下，飽和含水量處理顯著增加了MBC質(zhì)量分?jǐn)?shù)(P<0.05)；凍融條件下飽和含水量處理會(huì)導(dǎo)致MBC質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，但僅表現(xiàn)為多次凍融后的這種影響達(dá)到顯著水平。

2.2　可礦化碳的變化

可礦化碳(PMC)又稱生物可降解碳，是微生物分解有機(jī)物質(zhì)過程中每單位微生物量產(chǎn)生的CO2量,可廣泛地評(píng)估土壤微生物活性[3]。測定結(jié)果表明，前期含水量對土壤PMC的影響程度顯著大于凍融循環(huán)次數(shù)，表現(xiàn)出在無凍融和多次凍融條件下，飽和含水量處理可顯著增加PMC質(zhì)量分?jǐn)?shù)(P<0.05)，分別較自然含水量處理增加了42.7%和92.7%；而在少次凍融條件下，飽和含水量處理有降低PMC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的趨勢，但未達(dá)顯著水平(表2)。從表2還可以看出，在自然含水量條件下，少次凍融能夠顯著增加土壤PMC質(zhì)量分?jǐn)?shù)(P<0.05)，較無凍融相對增加了33.3%，多次凍融會(huì)導(dǎo)致PMC質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低；對飽和含水量處理?xiàng)l件下而言，凍融循環(huán)次數(shù)對土壤可礦化碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響既無明顯規(guī)律性也未達(dá)顯著水平。

表1　不同凍融處理下土壤微生物量碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)　mg·kg-1

注：表中數(shù)據(jù)為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”，同列不同大寫字母表示相同循環(huán)次數(shù)不同前期含水量處理間差異顯著(P<0.05)，同行不同小寫字母表示相同前期含水量不同循環(huán)次數(shù)處理間差異顯著(P<0.05)。

表2　不同凍融處理下土壤可礦化碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)　mg·kg-1

注：表中數(shù)據(jù)為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”，同列不同大寫字母表示相同循環(huán)次數(shù)不同前期含水量處理間差異顯著(P<0.05)，同行不同小寫字母表示相同前期含水量不同循環(huán)次數(shù)處理間差異顯著(P<0.05)。

2.3　可溶性有機(jī)碳的變化

土壤可溶性有機(jī)碳(DOC)是土壤有機(jī)物轉(zhuǎn)化和微生物代謝活動(dòng)的中間產(chǎn)物，其含量高低是土壤微生物對有機(jī)物分解與利用的綜合反映[15]。研究結(jié)果表明，凍融循環(huán)次數(shù)對土壤DOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響程度高于前期含水量。在自然含水量處理?xiàng)l件下，土壤可溶性有機(jī)碳的變化表現(xiàn)為少次凍融可顯著增加其含量、多次凍融卻顯著降低其質(zhì)量分?jǐn)?shù)(P<0.05)；在飽和含水量處理?xiàng)l件下，雖然表現(xiàn)出少次凍融有增加DOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)、多次凍融降低DOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的趨勢，但與無凍融處理相比均未達(dá)顯著水平(表3)。此外，從表3還可以看出，前期土壤含水量同樣會(huì)對DOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)產(chǎn)生影響，但僅表現(xiàn)為多次凍融處理?xiàng)l件下飽和含水量可顯著增加其質(zhì)量分?jǐn)?shù)(P<0.05)。

2.4　易氧化有機(jī)碳的變化

土壤易氧化有機(jī)碳(ROC)是反映土壤有機(jī)碳有效性和土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，是土壤有機(jī)碳中周轉(zhuǎn)最快的組分[16]。研究發(fā)現(xiàn)，土壤ROC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化對凍融的響應(yīng)較不敏感，僅表現(xiàn)出在自然含水量處理?xiàng)l件下少次凍融可顯著增加ROC質(zhì)量分?jǐn)?shù)(P<0.05)；無凍融處理?xiàng)l件下飽和含水量可顯著增加ROC質(zhì)量分?jǐn)?shù)，少次凍融處理?xiàng)l件下飽和含水量可顯著降低ROC質(zhì)量分?jǐn)?shù)(P<0.05)；其他各種處理對土壤易氧化有機(jī)碳的影響均未達(dá)顯著水平(表4)。

表3　不同凍融處理下土壤可溶性有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)　mg·kg-1

注：表中數(shù)據(jù)為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”，同列不同大寫字母表示相同循環(huán)次數(shù)不同前期含水量處理間差異顯著(P<0.05)，同行不同小寫字母表示相同前期含水量不同循環(huán)次數(shù)處理間差異顯著(P<0.05)。

表4　不同凍融處理下土壤易氧化有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)　g·kg-1

注：表中數(shù)據(jù)為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”，同列不同大寫字母表示相同循環(huán)次數(shù)不同前期含水量處理間差異顯著(P<0.05)，同行不同小寫字母表示相同前期含水量不同循環(huán)次數(shù)處理間差異顯著(P<0.05)。

2.5　顆粒有機(jī)碳的變化

土壤顆粒有機(jī)碳(POC)是指以較輕的自由態(tài)存在或被包裹在土壤顆粒中的較大的有機(jī)質(zhì)顆粒[17]。測定過表明，前期含水量對土壤POC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響程度高于凍融循環(huán)次數(shù)的影響。在自然含水量處理?xiàng)l件下，土壤POC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化呈現(xiàn)隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸下降的趨勢，并以多次凍融的影響達(dá)顯著水平(P<0.05)。由表5可知，前期含水量對土壤POC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的顯著影響僅表現(xiàn)在多次凍融處理?xiàng)l件下(P<0.05)，飽和含水量處理較自然含水量處理土壤POC質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對增加了24.5%。

2.6　輕組有機(jī)碳的變化

土壤輕組有機(jī)碳(LFOC)與微生物緊密相關(guān)，微生物的代謝產(chǎn)物常成為其重要組成部分[18]。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，凍融循環(huán)次數(shù)和前期含水量對土壤LFOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響均表現(xiàn)出較強(qiáng)的規(guī)律性(表6)。無論是在自然含水量還是飽和含水量處理?xiàng)l件下，均表現(xiàn)出隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加LFOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降的趨勢。其中，飽和含水量處理?xiàng)l件下僅多次凍融可顯著降低LFOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)，而自然含水量處理?xiàng)l件下無論少次還是多次凍融都對LFOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)產(chǎn)生了顯著影響(P<0.05)。從表6還可以看出，無論少次還是多次凍融，都會(huì)導(dǎo)致飽和含水量處理較自然含水量顯著增加輕組有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(P<0.05)。

表5　不同凍融處理下土壤顆粒有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)　g·kg-1

注：表中數(shù)據(jù)為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”，同列不同大寫字母表示相同循環(huán)次數(shù)不同前期含水量處理間差異顯著(P<0.05)，同行不同小寫字母表示相同前期含水量不同循環(huán)次數(shù)處理間差異顯著(P<0.05)。

表6　不同凍融處理下土壤輕組有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)　mg·kg-1

注：表中數(shù)據(jù)為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”，同列不同大寫字母表示相同循環(huán)次數(shù)不同前期含水量處理間差異顯著(P<0.05)，同行不同小寫字母表示相同前期含水量不同循環(huán)次數(shù)處理間差異顯著(P<0.05)。

3　結(jié)論與討論

研究發(fā)現(xiàn)，凍融能夠?qū)谕粮麑油寥阑钚杂袡C(jī)碳組分產(chǎn)生影響，不同處理以及處理間的交互作用程度和影響規(guī)律有所不同(表7)。土壤前期含水量對PMC、POC和LFOC的影響達(dá)極顯著水平(P<0.01)，而凍融循環(huán)次數(shù)對MBC、DOC和LFOC的影響達(dá)極顯著水平(P<0.01)；凍融循環(huán)次數(shù)與土壤含水量的交互作用的結(jié)果，表現(xiàn)出對MBC、PMC、ROC和LFOC具有顯著性影響。

表7　不同處理土壤活性有機(jī)碳組分的差異性結(jié)果

注：表中ES表示差異極顯著，NS表示差異不顯著；n=18。

土壤活性有機(jī)碳是土壤中較活躍的化學(xué)組分，對凍融的響應(yīng)較為敏感。一方面，凍融可以導(dǎo)致部分微生物死亡，死亡的微生物細(xì)胞作為基質(zhì)進(jìn)而刺激殘余微生物的活性，加速土壤有機(jī)碳的礦化過程[19]；另一方面，凍融過程可以造成不同粒徑團(tuán)聚體間相互轉(zhuǎn)化，促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)和微生物的接觸，從而增強(qiáng)有機(jī)質(zhì)的分解和礦化作用[20]。尤其是多次凍融后，土壤有機(jī)質(zhì)的分解損失很難通過死亡微生物的代謝來補(bǔ)充，伴隨著土壤微生物量降低，來自微生物排放的CO2也會(huì)減少[21]，從而導(dǎo)致土壤MBC和PMC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的減少。

正是由于土壤DOC屬于土壤有機(jī)物轉(zhuǎn)化和微生物代謝活動(dòng)的中間產(chǎn)物，凍融交替與干濕交替或氯仿熏蒸等作用相似，同樣會(huì)造成部分微生物死亡，降低土壤活體微生物數(shù)量[22]。死亡的微生物在分解過程中釋放出一些小分子糖和氨基酸等，可以提高土壤中DOC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[23]。此外，凍融過程使土壤孔隙中的冰晶膨脹從而打破顆粒之間的聯(lián)結(jié)，破壞土壤團(tuán)聚體，并呈將大團(tuán)聚體破碎成小團(tuán)聚體的趨勢，進(jìn)而使一些小分子的有機(jī)質(zhì)被釋放出來[24]，增加土壤中DOC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。但多次凍融過后，土壤中原有的DOC不斷的被活著的微生物利用分解，土壤DOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)開始不斷減少，這與Grogan,et al.對凍融過程中土壤可溶性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的研究結(jié)果相吻合[25]。

由于土壤POC是以較輕的自由態(tài)存在或被包裹在土壤顆粒中的較大的有機(jī)質(zhì)顆粒(0.25～2.00 mm)，凍融循環(huán)導(dǎo)致團(tuán)聚體的破碎化[26]，由此導(dǎo)致凍融循環(huán)過程中土壤POC含量有減少的趨勢。鑒于微生物代謝產(chǎn)物是輕組有機(jī)碳的重要組成部分[18]，而凍融能影響微生物的數(shù)量和活性。少次凍融時(shí)凍融造成部分微生物死亡，使得微生物代謝產(chǎn)物減少；而多次凍融后土壤微生物死亡殆盡使得土壤LFOC含量趨于穩(wěn)定。

此外，土壤前期含水量對PMC和LFOC影響顯著。這主要是由于，凍結(jié)過程中水分主要通過兩方面作用來影響土壤碳素的循環(huán)與遷移。一方面，凍結(jié)過程使土壤孔隙中的冰晶膨脹從而打破顆粒之間的聯(lián)結(jié)，破壞土壤團(tuán)聚體的大小與穩(wěn)定性[24]；另一方面，水分狀況會(huì)引起土壤微生物數(shù)量、活性和種類的改變[27]，進(jìn)而對對土壤活性有機(jī)碳組分產(chǎn)生一定的影響。在較低水分條件下，土壤DOC溶出較少，不能為驅(qū)動(dòng)有機(jī)碳礦化過程的微生物提供足夠的能源；而較高的水分條件有利于DOC的溶出。因此，自然含水量條件下的PMC含量低于飽和含水量。

綜上，凍融確實(shí)對黑土耕層土壤活性有機(jī)碳組分產(chǎn)生了影響，但土壤前期含水量和凍融循環(huán)次數(shù)活性有機(jī)碳各組分的影響程度和作用有所不同。土壤前期含水量主要是通過影響PMC、POC和LFOC的含量使土壤活性有機(jī)碳組分特征發(fā)生變化，而凍融循環(huán)次數(shù)的影響則主要是通過對MBC、DOC和LFOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響得以實(shí)現(xiàn)?？梢哉J(rèn)為，少次凍融會(huì)增加黑土耕層土壤活性有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，較高的水分條件不利于活性有機(jī)碳的積累。