孫昭安，王 方，張 珊，張 軒，孟凡喬?

秸稈添加對(duì)石灰性土壤有機(jī)與無(wú)機(jī)碳釋放的影響*

孫昭安1，2，王 方2，張 珊2，張 軒2，孟凡喬2?

（1. 濰坊學(xué)院生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，山東省高校生物化學(xué)與分子生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濰坊 261061；2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，農(nóng)田土壤污染防控與修復(fù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193）

在富含碳酸鹽的石灰性土壤上，土壤本身CO2釋放不僅來(lái)自土壤有機(jī)碳（SOC）的分解，也源于無(wú)機(jī)碳（SIC）的溶解。在秸稈還田下，石灰性土壤CO2釋放來(lái)源達(dá)到三個(gè)（秸稈碳、SOC和SIC），由于區(qū)分技術(shù)的限制，當(dāng)前區(qū)分CO2釋放三源的研究，尚少見(jiàn)報(bào)道。以華北石灰性農(nóng)田土壤為研究對(duì)象，采用13C標(biāo)記玉米秸稈添加土壤進(jìn)行室內(nèi)培養(yǎng)32周，設(shè)置4個(gè)處理，分別為無(wú)添加對(duì)照（CK）、低量秸稈添加（S1，相當(dāng)于田間秸稈還田量9.6 t·hm–2）、中量秸稈添加（S2，秸稈還田量28.8 t·hm–2）和高量秸稈添加（S3，秸稈還田量48.0 t·hm–2），利用秸稈碳、SOC與SIC之間的δ13C差異，借助穩(wěn)定同位素溯源模型IsoSource，區(qū)分土壤CO2的釋放來(lái)源，明確秸稈添加對(duì)石灰性土壤有機(jī)與無(wú)機(jī)碳釋放的影響。結(jié)果表明，隨著培養(yǎng)時(shí)間的進(jìn)行，土壤釋放CO2中源于秸稈的貢獻(xiàn)呈下降趨勢(shì)；秸稈分解對(duì)土壤CO2釋放的貢獻(xiàn)隨著秸稈添加量增加而增加，對(duì)于S1、S2和S3處理，土壤釋放CO2中源于秸稈、SOC和SIC的貢獻(xiàn)比值約分別為3︰3︰4、5︰2︰3和6︰2︰2；與CK相比，S1處理降低SOC分解的激發(fā)效應(yīng)（程度為9%），S2和S3處理反而增加了SOC分解的激發(fā)效應(yīng)（程度分別為22%和57%）；秸稈和SOC礦化增加SIC溶解的釋放，隨秸稈添加量增加而增加，S1、S2和S3處理提高SIC源CO2的釋放程度分別為368%、561%和652%。因此，秸稈添加不僅影響SOC源CO2的釋放，也增加了SIC源CO2的釋放，若忽略SIC溶解對(duì)土壤CO2釋放的貢獻(xiàn)，可能導(dǎo)致SOC礦化量的高估，進(jìn)而影響SOC激發(fā)效應(yīng)評(píng)估的準(zhǔn)確度。

土壤有機(jī)碳；土壤無(wú)機(jī)碳；秸稈分解；穩(wěn)定同位素溯源模型；13C標(biāo)記

在富含碳酸鹽的石灰性或石灰性改良土壤上，以往研究認(rèn)為土壤無(wú)機(jī)碳（soil inorganic carbon，SIC）比較穩(wěn)定，土壤CO2釋放僅來(lái)自土壤有機(jī)碳（soil organic carbon，SOC）的分解，較少考慮SIC溶解的貢獻(xiàn)[1-3]。然而隨著碳同位素技術(shù)在碳循環(huán)研究的深入，最近發(fā)現(xiàn)SIC溶解對(duì)土壤CO2釋放的貢獻(xiàn)是不容忽視的，例如，近期石灰性土壤室內(nèi)培養(yǎng)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，SIC源CO2對(duì)土壤本身碳（SOC和SIC）排放的貢獻(xiàn)分別為13%[1]、35%[4]和30%[5]，甚至高達(dá)62%～80%[6]。因此，SIC庫(kù)的穩(wěn)定性直接影響大氣CO2的濃度和土壤碳平衡的評(píng)估。

秸稈還田是影響土壤CO2排放的重要農(nóng)業(yè)措施，在短期內(nèi)，可以促進(jìn)或抑制SOC的分解速率，即呈現(xiàn)正或負(fù)的“激發(fā)效應(yīng)”（priming effects，PE）[7]。石灰性土壤中存在著碳酸鹽溶解與沉淀平衡，秸稈碳與SOC耦合礦化增加土壤CO2的分壓，可能加劇SIC的溶解與釋放[3，8]。在秸稈還田條件下，石灰性土壤CO2釋放來(lái)源達(dá)到三個(gè)，包括秸稈碳、SOC和SIC。區(qū)分土壤CO2的釋放來(lái)源是量化石灰性土壤內(nèi)外源碳釋放的前提，由于三源區(qū)分CO2方法的限制，目前關(guān)于秸稈碳輸入對(duì)石灰性土壤中SOC和SIC源CO2釋放的影響還很模糊，導(dǎo)致秸稈還田下石灰性農(nóng)田土壤碳釋放評(píng)估不準(zhǔn)確，因此這種不確定性急需評(píng)估[5，9]，尤其在華北地區(qū)將秸稈還田作為普遍農(nóng)業(yè)措施的石灰性農(nóng)田。

根據(jù)13C同位素質(zhì)量平衡方程，以及釋放碳源之間的13C差異，通常單一的碳同位素技術(shù)僅可以兩源區(qū)分土壤CO2的釋放[7-9]。但是，借助穩(wěn)定同位素溯源模型IsoSource，僅通過(guò)13C值就可以三源區(qū)分土壤CO2釋放的貢獻(xiàn)，例如在石灰性土壤上，Plestenjak等[10]利用穩(wěn)定同位素溯源模型IsoSource三源區(qū)分土壤CO2源于SOC、SIC和大氣的貢獻(xiàn)。為了明確秸稈添加量對(duì)石灰性土壤有機(jī)和無(wú)機(jī)碳釋放的影響，本研究以山東省桓臺(tái)縣的石灰性糧田土壤為研究對(duì)象，添加13C標(biāo)記的玉米秸稈，控制條件下廣口瓶培養(yǎng)32周。試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)處理，分別為無(wú)秸稈的對(duì)照土壤（CK）、低量秸稈添加（S1，秸稈還田量為9.6 t·hm–2）、中量秸稈添加（S2，還田量為28.8 t·hm–2）和高量秸稈添加（S3，還田量為48.0 t·hm–2），利用秸稈碳、SOC與SIC之間的13C值差異，借助穩(wěn)定同位素溯源模型IsoSource，三源拆分土壤CO2的釋放，量化不同秸稈添加量對(duì)SOC和SIC源CO2釋放的影響。本研究將有助于提高華北地區(qū)秸稈還田下石灰性土壤碳釋放評(píng)估的準(zhǔn)確性。

1 材料與方法

1.1 供試土壤和13C標(biāo)記玉米秸稈

供試土壤為山東省桓臺(tái)縣內(nèi)華北集約農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)站的耕層土壤（0～20 cm），試驗(yàn)站（117°59′E，36°57′N）建于2008年，海拔18 m。土壤類型為潮土類，具有黏壤土質(zhì)結(jié)構(gòu)（砂粒293 g·kg–1、粉粒321 g·kg–1和黏粒386 g·kg–1），土壤具體理化參數(shù)如表1。

供試13C標(biāo)記玉米秸稈利用13CO2脈沖標(biāo)記玉米地上部植株獲取，具體標(biāo)記步驟如下：在透光和密閉的標(biāo)記室內(nèi)，用13CO2（利用13C豐度為98 atom%的Ba13CO3與1 mol·L–1的HCl反應(yīng)生成）對(duì)拔節(jié)期（出苗后第29天）玉米地上部持續(xù)標(biāo)記7 h，標(biāo)記結(jié)束經(jīng)過(guò)27 d示蹤期，然后破壞性取樣，挑選富集度相對(duì)均勻的13C標(biāo)記秸稈（13C值為144‰±0.6‰，C和N含量分別為425和7 g·kg–1）[11]，在60℃下恒溫烘干后，磨細(xì)過(guò)2 mm篩，裝入自封袋中密封備用。

表1 供試土壤理化性質(zhì)

注：SOC、SIC和TN分別為土壤有機(jī)碳、無(wú)機(jī)碳和全氮；1）碳同位素的13C值采用PDB（Peedee Belemnite；0‰）標(biāo)準(zhǔn)。Note：SOC，SIC and TN represent soil organic carbon，soil inorganic carbon and soil total nitrogen，respectively；1）The13C value was expressed as parts per thousands（‰）relative to the international standard（Pee Dee Belemnite；0‰）. ①Fluvo-aquic soil.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法

為了研究秸稈投入量對(duì)SOC和SIC源CO2釋放的影響，基于當(dāng)?shù)叵挠衩捉斩掃€田量為9.6 t·hm–2，本研究秸稈還田量設(shè)置4個(gè)水平，分別設(shè)置空白對(duì)照、9.6、28.8和48.0 t·hm–2，換算為200 g土壤的秸稈添加量分別為0、0.72、2.16和3.60 g，分別用CK、S1、S2、S3表示，每個(gè)處理重復(fù)3次。

取過(guò)2 mm篩的新鮮土壤200 g（按干基計(jì)算），預(yù)培養(yǎng)7 d，然后S1、S2、S3處理土壤分別加入0.72、2.16和3.60 g13C標(biāo)記玉米秸稈，充分混勻后，裝入300 mL廣口瓶中培養(yǎng)。土壤含水量是影響秸稈和SOC分解以及SIC溶解的重要環(huán)境因子，考慮到華北田間冬小麥季除了常規(guī)降水之外，同時(shí)也頻繁灌溉（通常4次灌溉，灌水總量約為300 mm），因此，為了模擬田間實(shí)際情況，本研究各處理按80%的田間持水量添加去離子水。然后，在培養(yǎng)瓶?jī)?nèi)部放置盛10 mL 1.0 mol·L–1NaOH溶液的小塑料瓶，用來(lái)捕獲土壤釋放的CO2，最后瓶塞周圍涂上凡士林密閉，以防漏氣。在20℃恒溫箱中培養(yǎng)32周，每隔3 d向培養(yǎng)瓶?jī)?nèi)通入一定量無(wú)CO2的空氣，定期用稱重法調(diào)節(jié)土壤含水量。

1.3 取樣和測(cè)定

培養(yǎng)224 d后，取約20 g培養(yǎng)土壤置于白色板上，挑去殘留的肉眼可見(jiàn)秸稈，為了測(cè)定SOC和SOC-13C值，首先去除SIC，具體步驟如下：（1）稱取2～3 g土壤置于50 mL離心管，加入3 mol·L–1的HCl溶液20 mL，用振蕩器充分振蕩，靜止反應(yīng)2 d；（2）離心管置于低速離心機(jī)中，以3 000 r·min–1的轉(zhuǎn)速離心3 min，將上清液倒掉，重復(fù)此過(guò)程，用pH試紙檢測(cè)上清液的pH，洗到中性為止；（3）將酸化前的土壤上清液倒回離心管中，回收可溶性有機(jī)碳[11]，在60℃條件下烘干，用球磨儀研磨，過(guò)0.15 mm篩，利用質(zhì)譜儀（DELTAplusXP型，賽默飛世爾科技公司，美國(guó)）測(cè)定SOC-δ13C值。

1.4 計(jì)算方法

1.4.1 無(wú)秸稈添加條件下兩源區(qū)分土壤釋放的CO2

石灰性土壤本身CO2的釋放來(lái)自SOC分解和SIC溶解。SIC的13C值偏高（本研究為–4.10‰），而SOC的13C值偏低（–23.98‰），基于13C同位素質(zhì)量守恒定律，借助13C兩元線性模型，兩源拆分土壤釋放的CO2[5，9]：

式中，T和C分別代表土壤CO2釋放量（包含培養(yǎng)瓶中空氣CO2）和空白對(duì)照培養(yǎng)瓶中空氣CO2釋放量，g·kg–1；T和C分別代表T和C的13C值，其中C-13C值為–8‰；t為矯正后的土壤CO2的13C值[13]。

式中，SOC和SIC分別代表土壤CO2源于SOC分解和SIC溶解的貢獻(xiàn)；t、SOC和SIC分別代表土壤釋放CO2（矯正后）、SOC和SIC的13C值。

1.4.2 添加秸稈條件下三源區(qū)分土壤釋放的CO2

在13C標(biāo)記玉米秸稈（13C值為144‰）添加條件下，石灰性土壤CO2的釋放來(lái)源包括秸稈和SOC的分解以及SIC的溶解，對(duì)式（2）和式（3）擴(kuò)展至三個(gè)來(lái)源的土壤CO2的排放[10]：

式中，SOC、SIC和Straw分別代表土壤CO2的釋放源于SOC、SIC和秸稈的貢獻(xiàn)（未知量）；t、SOC、SIC和Straw分別代表土壤釋放CO2、SOC、SIC和秸稈碳的13C值（已知量）。這個(gè)由兩個(gè)方程和三個(gè)未知數(shù)組成的不確定方程系統(tǒng)，通過(guò)IsoSource軟件計(jì)算求解，三源劃分土壤釋放的CO2[10]。

1.4.3 量化秸稈添加對(duì)SOC和SIC源CO2釋放的影響 在秸稈添加條件下，利用式（4）和式（5）量化SOC源CO2釋放量，減去對(duì)照土壤的SOC釋放碳量[式（2）和式（3）]，量化秸稈添加引起的SOC源CO2額外釋放量，即SOC分解的PE[8]：

秸稈碳和SOC耦合礦化增加土壤CO2分壓，這可能加劇SIC源CO2釋放[5]，利用式（4）和式（5）定量SIC源CO2釋放量，減去對(duì)照土壤的SIC源CO2釋放量[式（2）和式（3）]，量化秸稈添加導(dǎo)致SIC源CO2額外釋放量：

1.5 數(shù)據(jù)分析

用 Excel 2013軟件作圖。方差分析用SPSS 17.0軟件計(jì)算。土壤CO2的累計(jì)釋放量在不同時(shí)間和不同秸稈添加量之間的差異顯著性分析以及SOC與SIC源CO2累計(jì)釋放量在不同秸稈添加量之間的比較采用最小顯著差異法（least significant difference，LSD；<0.05水平）。

2 結(jié) 果

2.1秸稈添加對(duì)土壤CO2累計(jì)釋放量的影響

在整個(gè)培養(yǎng)期，培養(yǎng)時(shí)間和秸稈添加處理對(duì)土壤CO2的累計(jì)釋放量存在顯著交互作用（<0.001；圖1）；隨著培養(yǎng)時(shí)間的進(jìn)行，秸稈添加顯著增加土壤CO2的累計(jì)釋放量（<0.001）；并且隨著秸稈添加量的遞增，提高幅度顯著增加（<0.001），至培養(yǎng)期末，S3、S2和S1土壤CO2的累計(jì)釋放量較CK分別提高了5.4倍、3.4倍和1.3倍。

2.2 秸稈添加對(duì)土壤內(nèi)外源CO2釋放的影響

隨著培養(yǎng)時(shí)間的進(jìn)行，秸稈添加土壤釋放CO2的13C值呈下降趨勢(shì)，從培養(yǎng)初期（第1天）的47.7‰～115.7‰下降至培養(yǎng)期末的–0.5‰～41.2‰（圖2），而CK土壤釋放CO2的13C值變化范圍較小，在–22.2‰～–14.5‰之間。

CK土壤CO2釋放僅有SOC分解和SIC溶解，在整個(gè)培養(yǎng)期，除第22天取樣外，土壤CO2的釋放主要源于SOC的分解（貢獻(xiàn)為0.73～0.91），SIC源CO2的貢獻(xiàn)僅為0.09～0.27（圖3a）。在整個(gè)培養(yǎng)期，秸稈源CO2的貢獻(xiàn)隨著秸稈添加量增加而增加，并且隨著培養(yǎng)時(shí)間的進(jìn)行，秸稈源CO2的貢獻(xiàn)呈下降趨勢(shì)，如，S1處理從培養(yǎng)初10 d內(nèi)的0.39～0.49下降至培養(yǎng)期末的0.09（圖3b），S2處理從0.50～0.75下降至0.25（圖3c），S3處理從0.56～0.82下降至0.34（圖3d）。

在整個(gè)培養(yǎng)期，除了S1與CK之間的SOC源CO2累計(jì)釋放量無(wú)顯著差異之外，秸稈、SOC和SIC源CO2的累計(jì)釋放量均隨著秸稈添加量增加而顯著增加（圖4a）。CK土壤CO2累計(jì)釋放量源于SOC分解和SIC溶解的貢獻(xiàn)分別為0.81和0.19；對(duì)于秸稈添加處理，秸稈分解對(duì)土壤CO2累計(jì)釋放量的貢獻(xiàn)隨著秸稈添加量增加而增加，例如，S1、S2和S3處理的貢獻(xiàn)分別為0.30、0.49和0.57，而土壤源CO2的貢獻(xiàn)降低，在S1、S2和S3處理，SOC源CO2的貢獻(xiàn)分別為0.32、0.22和0.20，SIC源CO2的貢獻(xiàn)分別為0.39、0.29和0.23（圖4b）。

2.3 秸稈添加對(duì)SOC礦化的激發(fā)效應(yīng)和SIC釋放的影響

與CK處理相比，S1處理抑制SOC的分解，PE為–9%，隨著秸稈添加量的增加，秸稈添加對(duì)SOC分解由抑制逆轉(zhuǎn)為促進(jìn)，S2和S3處理促進(jìn)SOC的分解，PE分別為22%和57%（圖5a）。SIC溶解的釋放隨秸稈添加量增加而顯著提高，S1處理對(duì)SIC釋放的增加幅度從368%提高至S3處理的652%（圖5b）。

3 討 論

3.1 三源區(qū)分秸稈還田下土壤釋放CO2的方法準(zhǔn)確性

區(qū)分土壤釋放CO2來(lái)源是量化石灰性土壤內(nèi)外源碳釋放的前提，而三源碳體系（包括秸稈碳、SOC和SIC）的存在給土壤釋放CO2的區(qū)分帶來(lái)困難[11，14]。本研究借助同位素溯源模型IsoSource，利用秸稈碳、SOC和SIC之間的13C差異，基于13C質(zhì)量守恒定律，三源拆分土壤CO2排放，量化土壤CO2釋放源的貢獻(xiàn)范圍[10]。然而，IsoSource模型未考慮穩(wěn)定同位素值及分餾因子等的變異和不確定性，模型的容差參數(shù)的調(diào)整會(huì)帶來(lái)貢獻(xiàn)范圍較大變化[15]。為了提高三源區(qū)分石灰性土壤內(nèi)外源CO2釋放的精確度，今后可以考慮采用高低富集度和均勻標(biāo)記的13C秸稈，構(gòu)建13C三元質(zhì)量守恒方程，拆分土壤CO2中源于外源秸稈碳、內(nèi)源SOC和SIC的比例[16-17]。例如Whitman和Lehmann[18]將13C標(biāo)記和自然豐度玉米生物質(zhì)炭分別按1︰15（低富集度）和1︰6（高富集度）等質(zhì)量投入，來(lái)三源區(qū)分土壤釋放CO2中源于生物質(zhì)炭、根系和SOC的比例，但是，由于這個(gè)混合生物質(zhì)炭材料的13C富集度是不均勻，可能導(dǎo)致得出不正確的分解研究結(jié)論。因此，為了提高區(qū)分結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用13C標(biāo)記均勻的植物材料是前提，13C重復(fù)脈沖標(biāo)記克服了單次標(biāo)記不均勻的缺陷和連續(xù)標(biāo)記的昂貴，可以獲取高低13C富集較均勻的秸稈[19]。

本研究中，SOC和SIC的背景含量分別為14.6和6.1 g·kg–1，經(jīng)過(guò)約8個(gè)月的土壤培養(yǎng)，各處理SOC和SIC的平均累計(jì)釋放CO2-C量分別為0.77和0.79 g·kg–1（圖4a），僅為SOC背景值的5%和SIC背景值的13%。因此，在短期內(nèi)，土壤本身碳庫(kù)的變化相對(duì)背景值來(lái)說(shuō)很小，因此，不能直接通過(guò)測(cè)定土壤碳含量的前后差值來(lái)研究土壤碳的釋放，而是間接測(cè)定土壤CO2釋放來(lái)量化[7]。13C自然豐度通常用于區(qū)分石灰性土壤CO2的釋放來(lái)源：利用SIC-13C值偏高，SOC-13C值偏低，以及13C同位素線性方程量化SOC與SIC源CO2的貢獻(xiàn)[1-2，4-6]。但是，這個(gè)方法需要假設(shè)SIC-13C值等同于SIC源CO2-13C值，以及SOC-13C值等同于SOC源CO2-13C值[1，4-6]。但是，最近研究表明SIC和SOC與對(duì)應(yīng)的CO2釋放之間是存在13C分餾的，但是大部分研究忽略這個(gè)分餾[2]。為了提高石灰性土壤碳平衡評(píng)估的精確度，這個(gè)13C分餾系數(shù)需要被量化。由于石灰土壤中的SOC和SIC是同時(shí)存在的，為了量化SIC與SIC源CO2之間的13C分餾，需要去除SOC源CO2的干擾，土壤高溫或者化學(xué)滅菌法可能是有效方法[20]。在滅菌條件下，SIC與土壤釋放CO2之間的13C值差異即是SIC與SIC源CO2之間的13C分餾系數(shù)。同樣，為了定量SOC與SOC源CO2之間的13C分餾，通過(guò)酸洗法去除SIC，然后pH再調(diào)節(jié)至原來(lái)數(shù)值，這樣可以排除SIC溶解的干擾[21]，這種情況下SOC與土壤釋放CO2之間的13C值差異即是SOC與SOC源CO2之間的13C分餾系數(shù)。

3.2 秸稈添加量對(duì)SOC礦化激發(fā)效應(yīng)的影響

本研究表明，SOC礦化PE隨秸稈添加量的增加而改變其強(qiáng)度，甚至方向，即PE方向由負(fù)（抑制SOC礦化）變?yōu)檎ù龠M(jìn)SOC礦化）（圖5a）。在低量秸稈添加下，這可能利用易分解碳源的r型微生物（生長(zhǎng)較快）取得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，優(yōu)先利用易降解非結(jié)構(gòu)性秸稈碳，降低對(duì)SOC的分解，導(dǎo)致負(fù)PE（底物偏好利用機(jī)制）[22]；在中、高量秸稈添加下，即在土壤有碳缺氮條件下，可兼性利用易分解和難分解碳源的K策略微生物（生長(zhǎng)較慢）在競(jìng)爭(zhēng)中處于優(yōu)勢(shì)，通過(guò)微生物掘取土壤有機(jī)質(zhì)的氮素，來(lái)緩解微生物氮素缺乏，呈現(xiàn)正PE，并且隨著秸稈添加量增加而增加（圖5a），這是由于微生物氮素缺乏隨碳輸入量而上升[22-24]。Cui等[23]發(fā)現(xiàn)外源活性碳輸入量相當(dāng)于50%～300%微生物生物量碳時(shí)較為適宜，碳輸入量過(guò)高或過(guò)低均可能導(dǎo)致PE程度降低，甚至變?yōu)樨?fù)值，在活性碳輸入量過(guò)高的情況下（例如高于300%～500%的微生物碳時(shí)），土壤微生物無(wú)法通過(guò)單純加快土壤有機(jī)質(zhì)（較難利用）分解而迅速獲得足夠的氮素，轉(zhuǎn)而通過(guò)死微生物生物量的再利用而解決嚴(yán)重的微生物氮素缺乏。

3.3 土壤無(wú)機(jī)碳溶解對(duì)石灰性土壤CO2釋放的貢獻(xiàn)

本研究所用的土壤中SIC含量較高（6.1 g·kg–1），約為SOC含量的42%，SIC與SOC密切相關(guān)，體現(xiàn)在SOC分解釋放的CO2與水作用后形成碳酸，可以驅(qū)動(dòng)碳酸鹽的溶解和釋放[11，14，25-26]。本研究中，CK土壤釋放的CO2源于SIC溶解的貢獻(xiàn)約為19%（圖4b）。通過(guò)文獻(xiàn)整合分析發(fā)現(xiàn)，石灰性土壤中SIC溶解對(duì)土壤釋放CO2的平均貢獻(xiàn)率為46%[16]，高于本研究的結(jié)果。這表明石灰性土壤中SIC溶解對(duì)土壤CO2的釋放貢獻(xiàn)，超出以往的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。以往研究通常認(rèn)為SIC相對(duì)SOC而言較為穩(wěn)定，對(duì)農(nóng)業(yè)措施的響應(yīng)不夠敏感，因此很少關(guān)注SIC溶解對(duì)土壤CO2釋放的貢獻(xiàn)。長(zhǎng)期以來(lái)，土壤本身CO2排放等同于土壤呼吸，這種認(rèn)識(shí)在酸性和中性土壤中可能是正確的[4]。但是，最新的研究表明，在我國(guó)華北半濕潤(rùn)地區(qū)，農(nóng)田管理措施（施肥、灌溉、耕作等）對(duì)于SIC影響的程度甚至高于SOC[25]，尤其在高氮肥投入的農(nóng)田，土壤施用銨態(tài)氮肥或者尿素后，通過(guò)硝化作用產(chǎn)生硝酸，這對(duì)土壤碳酸鹽的溶解-沉淀平衡產(chǎn)生重要影響，甚至超過(guò)溶解-沉淀平衡關(guān)系的影響，屬于強(qiáng)酸與碳酸鹽直接反應(yīng)，加劇SIC源CO2的釋放[3，26]。此外，酸性農(nóng)田通過(guò)撒石灰（主要成分為CaCO3）措施進(jìn)行改良土壤酸化，這個(gè)中和過(guò)程會(huì)導(dǎo)致全球每年0.27 Gt C的CaCO3釋放，甚至高于石灰性土壤本身SIC的釋放（0.04 Gt C）[27]。因此，在石灰性土壤或石灰改良酸性土壤上，若忽視碳酸鹽溶解對(duì)土壤CO2的釋放貢獻(xiàn)，可能導(dǎo)致對(duì)SOC分解的高估。

3.4 秸稈碳與SOC礦化促進(jìn)SIC源CO2的釋放

成H2CO3，因此，當(dāng)土壤溶液H2CO3飽和時(shí)，可以從土壤中釋放出CO2[3，5]。此外，秸稈腐解過(guò)程中伴隨著秸稈氮硝化和還原硫氧化產(chǎn)生質(zhì)子，以及有機(jī)酸的產(chǎn)生，這勢(shì)必進(jìn)一步加劇碳酸鈣的溶解[5]。例如本研究中，SIC源CO2釋放量隨著秸稈添加量增加而顯著增加（圖4a）。

4 結(jié) 論

經(jīng)過(guò)8個(gè)月的培養(yǎng)期，秸稈、SOC和SIC源CO2對(duì)土壤總CO2排放的貢獻(xiàn)范圍分別為0.30～0.57、0.20～0.32和0.23～0.39；SOC分解的激發(fā)效應(yīng)（PE）大小隨秸稈碳添加量的增加而增加，甚至改變PE的方向，即秸稈還田量為9.6 t·hm–2下PE為–9%，而秸稈還田量為28.8和48 t·hm–2下PE分別為22%和57%；SIC源CO2的累計(jì)釋放量隨著秸稈添加量增加而增加，這可能與秸稈分解和SOC激發(fā)效應(yīng)增加土壤CO2濃度有關(guān)。

［1］ Stevenson B A，Verburg P S J. Effluxed CO2-13C from sterilized and unsterilized treatments of a calcareous soil[J]. Soil Biology and Biochemistry，2006，38（7）：1727—1733.

［2］ Chevallier T，Cournac L，Hamdi S，et al. Temperature dependence of CO2emissions rates and isotopic signature from a calcareous soil[J]. Journal of Arid Environments，2016，135：132—139.

［3］ Zamanian K，Zarebanadkouki M，Kuzyakov Y. Nitrogen fertilization raises CO2efflux from inorganic carbon：A global assessment[J]. Global Change Biology，2018，24（7）：2810—2817.

［4］ Bertrand I，Delfosse O，Mary B. Carbon and nitrogen mineralization in acidic，limed and calcareous agricultural soils：Apparent and actual effects[J]. Soil Biology and Biochemistry，2007，39（1）：276—288.

［5］ Tamir G，Shenker M，Heller H，et al. Can soil carbonate dissolution lead to overestimation of soil respiration?[J]. Soil Science Society of America Journal，2011，75（4）：1414—1422.

［6］ Ramnarine R，Wagner-Riddle C，Dunfield K E，et al. Contributions of carbonates to soil CO2emissions[J]. Canadian Journal of Soil Science，2012，92（4）：599—607.

［7］ Kuzyakov Y. Review：Factors affecting rhizosphere priming effects[J]. Journal of Plant Nutrition and Soil Science，2002，165（4）：66—70.

［8］ Meng F，Dungait J A J，Xu X，et al. Coupled incorporation of maize（L.）straw with nitrogen fertilizer increased soil organic carbon in Fluvic Cambisol[J]. Geoderma，2017，304：19—27.

［9］ Fang Y Y，Singh B P，Collins D，et al. Nutrient stoichiometry and labile carbon content of organic amendments control microbial biomass and carbon-use efficiency in a poorly structured sodic-subsoil[J]. Biology and Fertility of Soils，2020，56（2）：219—233.

［10］ Plestenjak G，Eler K，Vodnik D，et al. Sources of soil CO2in calcareous grassland with woody plant encroachment[J]. Journal of Soils and Sediments，2012，12（9）：1327—1338.

［11］ Meng F，Dungait J A J，Zhang X，et al. Investigation of photosynthate-C allocation 27 days after13C-pulse labeling ofL. at different growth stages[J]. Plant and Soil，2013，373（1/2）：755—764.

［12］ Harris D，Porter L K，Paul E A. Continuous flow isotope ratio mass spectrometry of carbon dioxide trapped as strontium carbonate[J]. Communications in Soil Science and Plant Analysis，1997，28（9/10）：747—757.

［13］ Cheng W，Johnson D W，F(xiàn)u S. Rhizosphere effects on decomposition：Controls of plant species，phenology and fertilization[J]. Soil Science Society of America Journal，2003，67（5）：1418—1427.

［14］ Sun Z，Wu S，Zhang Y，et al. Effects of nitrogen fertilization on pot-grown wheat photosynthate partitioning within intensively farmed soil determined by13C pulse-labeling[J]. Journal of Plant Nutrition and Soil Science，2019，182（6）：896—907.

［15］ Phillips D L，Gregg J W. Source partitioning using stable isotopes：Coping with too many sources[J]. Oecologia，2003，136（2）：261—269.

［16］ Sun Z A，Zhang B R，He M Y，et al. Three-source partitioning of CO2emissions from maize-planted soil using13C labeling and natural abundance[J]. Acta Pedologica Sinica，2021，58（5）：1256—1266. [孫昭安，張保仁，何敏毅，等.利用13C標(biāo)記和自然豐度三源區(qū)分玉米根際CO2釋放[J]. 土壤學(xué)報(bào)，2021，58（5）：1256—1266.]

［17］ Kerré B，Hernandez-Soriano M C，Smolders E. Partitioning of carbon sources among functional pools to investigate short-term priming effects of biochar in soil：A13C study[J]. Science of the Total Environment，2016，547：30—38.

［18］ Whitman T，Lehmann J. A dual-isotope approach to allow conclusive partitioning between three sources[J]. Nature Communications，2015，6：8708.

［19］ Sun Z，Wu S，Zhu B，et al. Variation of13C and15N enrichments in different plant components of labeled winter wheat（L.）[J]. PeerJ，2019，7：e7738.

［20］ Bruun S，Clauson-Kaas S，Bobulska L，et al. Carbon dioxide emissions from biochar in soil：Role of clay，microorganisms and carbonates[J]. European Journal of Soil Science，2014，65：52—59.

［21］ Jones D L，Murphy D V，Khalid M，et al. Short-term biochar-induced increase in soil CO2release is both biotically and abiotically mediated[J]. Soil Biology and Biochemistry，2011，43（8）：1723—1731.

［22］ Wang H，Boutton T，Xu W，et al. Quality of fresh organic matter affects priming of soil organic matter and substrate utilization patterns of microbes[J]. Scientific Reports，2015，5：10102.

［23］ Cui J，Zhu Z，Xu X，et al. Carbon and nitrogen recycling from microbial necromass to cope with C:N stoichiometric imbalance by priming[J]. Soil Biology and Biochemistry，2020，142：107720.

［24］ Zhu Z，Ge T，Luo Y，et al. Microbial stoichiometric flexibility regulates rice straw mineralization and its priming effect in paddy soil[J]. Soil Biology and Biochemistry，2018，121：67—76.

［25］ Bughio M A，Wang P，Meng F，et al. Neoformation of pedogenic carbonates by irrigation and fertilization and their contribution to carbon sequestration in soil[J]. Geoderma，2016，262：12—19.

［26］ Raza S，Na M，Wang P，et al. Dramatic loss of inorganic carbon by nitrogen-induced soil acidification in Chinese croplands[J]. Global Change Biology，2020，26：3738—3751.

［27］ Zamanian K，Zhou J，Kuzyakov Y. Soil carbonates：The unaccounted，irrecoverable carbon source[J]. Geoderma，2021，384：114817.

［28］ Dong X，Singh B P，Li G，et al. Biochar increased field soil inorganic carbon content five years after application[J]. Soil and Tillage Research，2019，186：36—41.

［29］ Pan G X. Study on carbon reservoir in soils of China[J]. Bulletin of Science and Technology，1999，15（5）：330—332. [潘 根興. 中國(guó)土壤有機(jī)碳和無(wú)機(jī)碳庫(kù)量研究[J]. 科技通報(bào)，1999，15（5）：330—332.]

［30］ Kristiansen S M，Brandt M，Hansen E M，et al.13C signature of CO2evolved from incubated maize residues and maize-derived sheep faeces[J]. Soil Biology and Biochemistry，2004，36：99—105.

［31］ Dong Y J，Cai M，Zhou J B. Effects of moisture and carbonate additions on CO2emission from calcareous soil during closed-jar incubation[J]. Journal of Arid Land，2014，6（1）：37—43.

［32］ Lardner T，George S，Tibbett M. Interacting controls on innate sources of CO2efflux from a calcareous arid zone soil under experimental acidification and wetting[J]. Journal of Arid Environments2015122：117—123.

［33］ Bramble D S E，Gouveia G A，Ramnarine R，et al. Organic residue and agricultural lime interactions on CO2emissions from two contrasting soils：Implications for carbon management in acid soils[J]. Journal of Soils and Sediments，2021，21（1）：172—188.

［34］ Inglima I，Alberti G，Bertolini T，et al. Precipitation pulses enhance respiration of Mediterranean ecosystems：The balance between organic and inorganic components of increased soil CO2efflux[J]. Global Change Biology，2009，15（5）：1289—1301.

［35］ Li Y，Wang Y G，Tang L S. The effort to re-activate the inorganic carbon in soil[J]. Acta Pedologica Sinica，2016，53（4）：845—849. [李彥，王玉剛，唐立松. 重新被“激活”的土壤無(wú)機(jī)碳研究[J]. 土壤學(xué)報(bào)，2016，53（4）：845—849.]

［36］ Guo L，Nishimura T，Imoto H，et al. Applicability of soil column incubation experiments to measure CO2efflux[J]. International Agrophysics，2015，29（4）：413—421.

The Effect of Straw Addition on Organic and Inorganic Carbon Release from Calcareous Soils

SUN Zhaoan1, 2, WANG Fang2, ZHANG Shan2, ZHANG Xuan2, MENG Fanqiao2?

(1. Key Laboratory of Biochemistry and Molecular Biology in University of Shandong, College of Biological and Agricultural Engineering, Weifang University, Weifang, Shandong 261061, China; 2.Beijing Key Laboratory of Farmland Soil Pollution Prevention and Remediation, College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China)

【Objective】In calcareous soils, recent studies have found that soil-derived CO2not only comes from the decomposition of soil organic carbon (SOC) but also from dissolution of soil inorganic carbon (SIC). Under straw addition, CO2emission in calcareous soils comes from at least three sources, i.e., straw-C, endogenous SOC and SIC. Owing to technical limitations in source partitioning of CO2, the effects of straw addition on SOC and SIC release are still not fully understood in calcareous soils. Therefore, this uncertainty needs urgent attention.【Method】We conducted a 32-week laboratory incubation experiment with13C labeled maize straw under different straw rates in calcareous soils collected from farmlands of North China Plain. The effects of straw addition on CO2emission from SOC decomposition and SIC dissolution were investigated. The approach was based on using three-source mixing model (IsoSource) to differentiate three sources of CO2(straw-C, SOC and SIC). Four treatments were set up, including no straw addition (CK), low rates of straw addition (S1, 9.6 t·hm–2of maize straw amendment), medium rates of strawaddition (S2, 28.8 t·hm–2of maize straw amendment) and high rates of straw addition (S3, 48.0 t·hm–2of maize straw amendment).【Result】As the incubation time progressed, the contribution of straw decomposition to soil CO2emission decreased. The contribution of straw decomposition to soil CO2emission increased with the increase of straw addition rates. For S1, S2 and S3 treatments, the soil CO2emission derived from straw, SOC and SIC was about 3:3:4, 5:2:3 and 6:2:2, respectively. S1 treatment decreased SOC decomposition by 9%, while S2 and S3 treatments increased SOC decomposition by 22% and 57%, respectively. The mineralization of straw and SOC increased SIC dissolution, and the degree of promotion increased with the amount added. The degrees of promotion for S1, S2 and S3 treatments were 368%, 561% and 652%, respectively. 【Conclusion】Straw addition not only affected the release of SOC-derived CO2, but also the release of SIC-derived CO2. In calcareous soils, if the contribution of SIC dissolution to soil CO2emission is unaccounted for, it may lead to overestimation of SOC decomposition and affect the accuracy of priming effects evaluation.

Soil organic C; Soil inorganic C; Straw decomposition; IsoSource model;13C labeling

S147；S154

A

10.11766/trxb202010180578

孫昭安，王方，張珊，張軒，孟凡喬. 秸稈添加對(duì)石灰性土壤有機(jī)與無(wú)機(jī)碳釋放的影響[J]. 土壤學(xué)報(bào)，2021，58（6）：1520–1529.

SUN Zhaoan，WANG Fang，ZHANG Shan，ZHANG Xuan，MENG Fanqiao. The Effect of Straw Addition on Organic and Inorganic Carbon Release from Calcareous Soils[J]. Acta Pedologica Sinica，2021，58（6）：1520–1529.

*國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFD0201204）和山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（ZR2020QD042）資助Supported by the National Key Research and Development Program of China（No. 2016YFD0201204）and the Natural Science Foundation of Shandong Province of China（No. ZR2020QD042）

Corresponding author，E-mail：mengfq@cau.edu.cn

孫昭安（1985—），男，山東濟(jì)寧人，博士，講師，主要研究方向?yàn)檗r(nóng)田土壤碳氮循環(huán)。E-mail：sun.zhaoan@163.com

2020–10–18；

2021–04–09；

2021–07–06

（責(zé)任編輯：陳榮府）