1、含水量对14C 标记秸秆和土壤原有有机碳矿化的影响中国农业科学 2006,39(3):538543ScientiaAgriculturaSinica含水量对 4C 标记秸秆和土壤原有有机碳矿化的影响唐国勇,童成立,苏以荣,吴金水,肖和艾(1 中国科学院亚热带农业生态研究所/亚热带农业牛态重点实验室 ,k 沙 410125;中圈科学院研究院,北京 100039)摘要:【目的】研究土壤含水量与土壤有机碳矿化的关系 .【方法】标准培养条件(25,1OO%空气湿度)下,应用“C 示踪技术研究了 6 个水分梯度下(3O%,45%,6O%,75%,9O%和105%WHC,WHC 为最大田问持水量) 添加物
2、料和旱地土壤有机碳的矿化特征.【结果 l 在 100d 的培养期内,添加物料和土壤原有有机碳的累积矿化量随含水量的提高而增加,且与含水量呈极显着正线性相关关系.在 105%WHC 的处理中,添加物料和土壤有机碳的累积矿化量均最大,为 146lag.g 和 0.76mg?g,是其它处理中添加物料和土壤有机碳矿化量的 1.241.68 和 1.333.O1倍.100d 内,添加物料的矿化率约 20%33%,土壤有机碳的矿化率约1.O% 3.1%.【结论】在 30%一 105%WHC 的范围内,含水量对土壤原有有机碳矿化量的影响更明显,且渍水促进添加物料和早地土壤有机碳的矿化关键词:土壤含水量;“C
3、 标记秸秆;土壤原有有机碳;矿化EffectsofSolIMoistureContentontheMineralizationofAddedCLabbelledStrawandNativeSoilOrganicCarboninUplandSoilTANGGuo.yong,TONGCheng.1i,SUYirong,WUJinshui,XIAOHeai(TheKeyLaboratoryofSubtropicalAgroEcology,InstituteofSubtropicalAgriculture,ChineseAcademyofSciences,Changsha410125;Graduate
4、SchoolofChineseAcademyofSciences,Beijing100039)Abstract:ObjectiveSoilwaterplaysacrucialroleintheaccumulationandmineralizationofsoilorganiccarbon(soc).MethodInlaboratory,Clabelledricestrawwasaddedintouplandsoilandincubatedunder30%,45%,60%,75%,90%and105%waterholdingcapacity(WHC)at25C,l00%airhumidityfo
5、r100days.ResultTheaccumulativemineralizedamountofaddedorganicmaterials(AOM)andnativeSOCbothincreasedasmoisturecontentincreasedfrom30%to105%WHC,andtheirrelationshipswerepositivelylinearcorrelation(n=6,R=0.9174,PO.001andn=6,R=0.9649,PO.001,respectively).During100dincubationperiod,equivalentof2033perce
6、ntofAOMand1.03.1percentofnativeSOCweremineralized.TheaccumulativemineralizedamountofAOMandnativeSOCwerehighestunder105%WHCconditionsandtheamountswere146lag?g.and0.76mg?g,respectively,whichwere1.68,lI35,1.40,1.24,1.16timesand3.01,2.04,1.72,1.4O,1.33timestothatinsoilsunder30%,45%,60%,75%,90%WHCconditi
7、ons,respectively.ConclusionThisissuggestedthatinlaboratoryincubation,theimpactofsoilmoisturecontentonthemineralizationofnativeSOCwasmoresensitivetothemineralizationofAOM.Resultsalsorevealedthattheincreasesinsoilmoisturecontentfrom30%to105%WHCwillacceleratethemineralizationofAOManduplandnativeS0C.Key
8、words:Soilmoisturecontent;4Clabelledricestraw;Soilorganiccarbon;Mineralization0 引言【本研究的重要意义】有机质的矿化是土壤中重要的生物化学过程,关系到土壤有机碳的积累,对大气 CO2 浓度出有着深远的影响卜.而有机质矿化的量和速率又受到土壤理化性质和环境因子的控制,其收稿日期:200510.11;接受日期:2005.12.01基金项目:中国科学院知识创新工程重要方向项目(KZCX3 一 SW.426),国家重点基础研究发展规划项目(2002CB412503)和国家自然科学基金重点项目(40235057) 资助作者简
9、介:唐国勇(1980.), 男 ,湖南衡阳人,博士研究生,研究方向为十壤柯机碳循环及其模拟.Email:mushi 一 .通讯作者苏以荣 (1962),男,湖北松滋人,博十,博十生导师,研究方向为壤环境.Tel:07314615222:yirong315163.corn3 期唐围勇等:含水量对c 标记秸秆和土壤原有有机碳矿化的影响 539中土壤含水量是关键的环境因子之.【前人研究进展】长期以来,人们认为淹水状态下上壤有机碳和添加物料的矿化速率低于非淹水状态.Shaffer 和 Ma81指出,有氧状态使得早地土壤有机碳的分解速率高于湿地(包括天然湿地和人工湿地).Devevre 和Horwath
10、91 得出淹水降低了水田土壤有机碳的矿化量.近年来,这传统观念受到强有力的冲击,尤其是 C示踪技术的应用.黄东迈等 l1U根据 C 示踪培养试验的结果,对这一传统观念提出了质疑.Wang 等【5l 报道,淹水条件下 HC 标记秸秆的累积矿化量约为非淹水条件下(70%最大田间持水量)的 1.171.46 倍.黄6J 发现在 4 种含水量条件下,淹水处理中土壤有机碳的矿化量最大,但添加秸秆的矿化量最少.李忠佩等】1 认为淹水提高了可溶性碳的含量是淹水土壤有机碳矿化量高 r 好气处理的主要原因.Fang 和Moncriefl412对农田原状土进行窀内培养时发现,在20%50%体积含水量条件下 ,含水
11、量对土壤呼吸的影响明显.【本研究切入点】含水量对水田,草地,森林土壤有机碳矿化影响方向的报道较多,对旱地土壤有机碳矿化的影响鲜见报道.【拟解决的关键问题】在标准条件下(25,100%空气湿度),通过 HC 示踪技术研究不同含水量处理 r 旱地土壤有机碳和添加有机物的矿化特征,以期探明水分的科学管理在土壤有机碳的秋累和土壤 CO 排放中所起的作用.1 材料与方法1.1 供试土样及前处理供试土样取自湖南省宁乡县,采样点位于112.3552.8“E,28.1433.7“N,为第四纪红上发育而成的旱地菜园土壤.去除土壤动植物残体和可见有机物后,过 20 目筛,调节土壤水分约为最大持水量(wHc)的 2
12、5%.部分样品风十,过 100 目筛,用于测定土壤:基本性质.凋节好水分的土样置于 50L 的密封塑料桶内,25下预培养 7d,颦料桶底部放置盛有 250ml的 10mo1.L 的 NaOH 溶液以吸收土样释放出的 CO2,:并放少量的蒸馏水_丁桶底部以保持桶内湿度.供试土壤有机碳含量为 24.54g.kg,全氮含量为2.27g.kg,碳氮比为 10.8,粘粒(0.002mm)含量为 27.8%,土壤最人持水晕为 590g.kg 一.1.2“C 标记秸秆的制备水稻在连续供应 HCO2(唯一碳源)的标记箱中生长 60d 后收获,该生物体的碳 100%为 Hc.除去根部,在 85下烘干,磨细,过
13、60 日筛.水稻秸秆含碳量为 440g.kg,放射强度为 29.0DPMlagC.1.3 试验设置水分设置 30%,45%,60%,75%,90%,105%WHC共计 6 个梯度.取 6 份 100g(十基计,下同)预培养过的新鲜土样,平铺于塑料薄膜,将粉碎的 C标记秸秆(过 60 日筛) 按每公十土添加 1.0 的量均匀撒在土样上,用玻璃棒充分搅拌后,将塑料薄膜折叠并小心抖动至添加物料与士样充分混匀.然后根据水分设置,用蒸馏水均匀喷洒分别调节含水量至 30%,45%,60%,75%WHC,充分混匀 .在土样上覆盖料薄膜,放置半小时,使土壤含水量保持一致.每个水分处理分别分取 20g 土样于
14、50m1 烧 j 叫,中,置于 1L 的广口瓶中( 瓶底部加 5m1 蒸馏水,以维持瓶内空气饱和湿度),并在广口瓶内放一盛有 10ml1mol?LNaOH 溶液的吸收瓶 (以吸收培养过程中释放的CO2 和 HCO2),密闭.在调节 90%1105%WHC 含水量时先分取混好添加物料的上样 2Og 于烧杯中,再直接添加相应质量的蒸馏水,其它步骤相同.于 25下培养 100d,在第 5,10,20,4O,60,80,100 天更换吸收瓶.同时设置无土空白.每处理 4 次重复.1.4 测定和分析方法土壤有机碳和全氮,秸秆碳采用碳氮分析仪(VARIOMAXC/N,德同)测定(=r 烧法).土样培养过程
15、中释放出的 CO2 一 C(包括 HCO2 一 C)采用碳一自动分析仪(Phoenix8000,美国)测定.释放的 HCO2 一 C采用液体闪烁仪(LSI800,美国)测定.取 0.2ml 吸收液,加 0.8ml 蒸馏水,冉加 8ml 闪烁液(RIA,美国),混匀 ,静置 1d,计数 5min.数据处理和统计分析采用 SPSS11.0 软件.2 结果与分析2.1 含水量对“C 标记秸秆矿化的影响整个培养期间,105%WHC 水分条件下 COC 累积释放量最大(146.27lag.g),30%WHC 条件卜累积释放量最少,仅为 87.06g?g.渍水条件(105%WHC)下 HCOC 累积释放量
16、是其它 5 个水分条件_F 释放量的 1.161.68 倍.培养 100d 时,添加物料的矿化率约 20%33%(表 1).李玲的试验结果表明在 25,45%WHC 的条件下 ,100d 内约 24.5%的添加秸秆被矿化.本义 45%WHC 条件下秸秆的矿化率(24.65%)与之极为接近.Wang 等5】在 30C 条件下得出,112d内秸秆的矿化率为 37.3%-51.4%.培养前期(O20d), 添力 ll 物料矿化最快,之后540 中国农业科学 39 卷表 1“0 标记秸秆在旱地土壤中的矿化特征TableIMineralizationcharacteristicsof4Clabelled
17、strawinuplandsoilduring100days不同的字母表示其差异达到 5%的显着水平.下同Differentlettersindicatesignificantdiffemns(PO.05)forthemeansinthesamecolumns.Thesameasbe1ow趋于平缓(图 1).在最初 20d 内,非淹水条件下(30%-90%WHC),CO.C 的累积释放量占整个培养期内释放总量的 75%以上.在渍水培养条件下,最初释放量所占的比例仅为 55%,且释放量低于好气处理.培养20d 后,渍水处理中秸秆碳的矿化量维持在较高的水平,培养 60d 后累积矿化量超过其它水分处
18、理.渍水条件下秸秆碳的分解模式与他人的研究结果类似 5,l0】.培养 20d 后,非淹水条件下秸秆碳的累积矿化量曲线明显趋于平缓,而渍水培养下秸秆碳的矿化量曲线仍较陡(图 1).可以预测如果延长培养时间,渍水条件下 CO2 的累积释放量和添加物料的矿化率将比其它含水量处理的更大.对 100d 内添加秸秆的累积矿化量与含水量进行相关性分析得出,在 30%l05%wHc 的水分条件下,含水量的增加能促进添加物料的矿化,其关系呈极显着正线性相关(,2=6,R=0.917,P0.001)(图 2).160喜.8.毒 40墨 0培养时间 Incubationtime(d)图 1 不同含水量下添加物料的累
19、积矿化量Fig.1Accumulativeamountof4CO2 一 Cevolvedfromaddedorganicmaterialduring100daysundervarioussoilwatercontents一般认为秸秆添加量与矿化量之差为秸秆残留量.通常用级动力学方程表示添加物料的残留动态【4. 添加物料平均残留时间()为矿化速率常数的倒数,用以表征添加物料矿化的难易程度.在 100d 内,渍水条件下添加物料的矿化速率常数()最大,为 4.04x100d.其它水分条件下,k 在 2.20x10.d3.36x100d 范围内.而 T 值则正好相反,105%WHC条件下为 248d,
20、而平均残留时间最长的情况发生在30%WHC 条件下 ,T 为 454d(表 1).说明渍水能促进添加物料的矿化.黄东迈旧得出在 30下,淹水处理中添加秸秆的矿化速率常数在 7.1xl0.d6.7X10d 之间,70%WHC 含水量条件下的在 4.7x10d-I3.3xlO.d 之间.本研究的相应矿化速率常数低于其结果,这可能与培养温度和土壤性质有关.已有研究表明提高温度能显着加快添加秸秆的分解矿化8,1214l.一墨蓍04080l20土壤宙水量 Soilmoisturecontent(%WHC)图 2 添加物料的累积矿化量与土壤含水置的关系Fig.2Relationshipsbetweenso
21、ilwatercontentandaccumulativeamountof4C02.Cevolvedfromaddedorganicmarial3 期唐国勇等:含水量对c 标记秸秆和土壤原有有机碳矿化的影响 5412.2 含水量对土壤原有有机碳矿化的影响研究表明,淹水处理 0.5cm 以下土壤有机碳的矿化较彻底,矿化产物几乎全部为 CO2,CH4 等其它产物可以忽略【459“.本研究含水量最高的处理(105%WHC)中土表水层厚度约 0_20.3cm,因此培养过程中 CO2 累积释放量与 MCO2 累积释放量之差可认为是土壤原有有机碳累积矿化释放量.100d 内,在 30%,45%,60%,7
22、5%,90%和 105%WHC 条件下,土壤有机碳累积释放量分别为 0.254,0,375,0.444,0,545,0.574 和 0.764mg.g,矿化率为 1.04%,1.53%,l,8l%,2.22%,2.34%,3.11%(表 2).土壤原有有机碳的矿化趋势与添加物料的矿化趋势类似,即在培养前期(0 20d),有机碳的矿化速率较快,之后趋于平缓.与添加物料矿化趋势不同的是,在淹水培养过程中,原有有机碳累积矿化晕始终高于好气处理(图3).表 2 土壤原有有机碳矿化特征Table2Mineralizationcharacteristicsofnativeuplandsoilorganic
23、Cduring100days:,U0U0204060801O0培养 n,/问 Incubationtime(d)嘣804080120=壤含水肇 SoilmoisturecontentWHC)图 4 土壤原有有机碳累积矿化量与土壤含水量之间的关图 3 不同含水量下土壤原有有机碳累积矿化量系Figl3AccumulativeamountofC02 一CevolvedfromuplandFig.4RelationshipsbetweensoilwatercontentandaccumulsoilorganicCduring100daysundervarioussoilwaterafiveamount
24、ofCO2-Cevolvedfromuplandsoilorganiccontentscarbon在 C/N 动态模型中,常用次曲线,双曲线,指数方程,线性方程表征含水量对土壤有机碳矿化的影响 l6】 刖.本研究中,旱地土壤原有有机碳的累积矿化量与含水量(30%105%WHC) 呈极显着的正线性相关关系(n-6,R2=0.9649,P0.001)(图 4).Thomsen等4J 研究发现土壤原有有机碳和添加 C 标记黑麦草的累积矿化量与土壤体积含水量均呈极显着正相关关系.在 100d 培养期内,淹水处理中土壤原有有机碳的累积矿化量是好气处理的 1333.01 倍,而添加物料的累积矿化_阜=仅为
25、 1.121.68 倍.说明土壤含水晕的变化对旱地土壤原有有机碳矿化的影响更明显.这可能与土壤有机碳含量和秸秆添加帚有关.供试土样有机碳含量较高(24.54g-kg),而秸秆添加量相对较低(1mg-g.).在整个培养期内,与添加物料的矿化速率常数相0 三 6U.0U_0 若;呈_写写u08642000010_10U-0lu 置 v 苣u1 苗巨 j8542 中同农比,土壤原有有机碳的 k 约低一个数量级(表 1,2).淹水处理中土壤有机碳的矿化速率常数(3.16x104d)显着高于好气处理,有机碳平均残留时间(8.67a)也低于其它处理的平均残留时问(表 2).说明淹水能促进土壤原有有机碳的矿化.此外,含水量与添加物料的累积矿化量,与土壤原有有机碳的累积矿化量均呈显着的正线性相关关系.说明在一定含水量范围内(30%105%WHC) 增加水分有利于添加物料和土壤有机碳的矿化.3 讨论尽管有研究表明淹水状态下土壤有机碳和添加物料的矿化量高于好气状态46,911】.然而,对这现象产生的原因尚无令人信服的解释.笔者认为可能与微生物群落呼吸类型的改变,可溶性有机碳含量有关.在自然条件下旱地耕层土壤中微生物以好气性为主.在105%WHC 处理中 ,烧杯中土层厚度在 3cm 左右,水
