土壤有机碳是土壤有机质的主要成分，可以调节土壤理化和生物学特性，改善土壤结构和养分循环^[1]。稻田土壤有较高的碳储量和碳密度^[2]，是大气中CO₂的重要汇之一^[3]。稻田土壤中有机碳含量的高低，不仅关系到水稻的产量，而且影响大气中CO₂的平衡^[4]。因此，研究稻田土壤有机碳平衡及其矿化规律，对于稻田土壤碳库管理具有重要意义。

稻田土壤有机碳的矿化过程受水分、温度、施肥、耕作方式等诸多因素的影响^[5-7]，其中水分对土壤有机碳矿化的影响较大，主要包括两方面：水分影响土壤DOC的含量，调节土壤微生物可利用的底物^[8]；水分影响土壤微生物的活性和群落结构，进而调控土壤有机碳的矿化^[9]。有研究表明，稻田淹水条件下土壤有机碳累积矿化量高，有机碳矿化速率大于好气条件^[10]；稻田土壤淹水条件下有机碳周转速率较快，其矿化速率平均比好气条件高24.09%^[11]。也有研究显示，稻田土壤淹水条件下有机碳的矿化速率与好气条件下没有显著差异^[12]。张薇等^[13]的研究表明，稻田淹水条件土壤有机碳的矿化速率显著低于好气条件。这可能是由于淹水条件下形成的厌氧环境，抑制了土壤微生物的生长所致^[14]；同时，淹水条件下从木质素衍生而来的苯酚类物质更难降解^[15]，导致土壤有机碳的累积。有关水分条件对土壤有机碳矿化的影响尚缺少一致认同的结论，尚有待进一步研究。

东北地区是我国重要的商品粮基地，在国家粮食安全中有着举足轻重的地位^[16]。然而，该地区土壤有机碳库正面临严峻的挑战，深厚的黑土腐殖质层由最初的60~70 cm下降到20 cm，耕层有机质含量也由原初的4%~6%下降到2%~3%^[17]，直接影响土壤肥力和粮食产量。水稻是东北地区种植的主要作物，其种植模式是水田和旱田，稻田土壤长期处于淹水（水田）和好气（旱田）条件下，使土壤有机碳的矿化有较大差异。梁巍等^[18]研究了黑龙江黑土稻田土壤呼吸，发现在水稻生长前期，土壤呼吸强度增大，随后略有下降，之后又逐渐增加。然而，有关东北稻田土壤自身有机碳在淹水和好气条件下自然矿化规律及其与微生物群落演变的耦合机制缺少深入研究。

本文以东北水稻土为研究对象，通过在淹水和好气条件下室内培养实验，比较培养过程中土壤TOC（总有机碳）和DOC（溶解性有机碳）等的动态变化特征，分析土壤微生物AWCD_{96 h}（96 h平均光密度）值及微生物利用碳源的演替规律，揭示淹水和好气条件下土壤有机碳矿化的微生物影响机制，以期为东北地区土壤有机碳的管理提供理论依据。

1 材料与方法 1.1 供试土壤

供试土壤于2015年6月采自黑龙江省佳木斯市建三江七星农场（北纬47°59′13.01″，东经133°15′2.03″）土地利用方式为单季水稻，土壤类型为黑土，属寒温带湿润季风气候区，采样深度为0~20 cm，采集耕层土壤，剔除其中的石块和植物根系，装于塑料袋中。土壤基本理化性质：TOC 14.37 g·kg^-1，全氮1.25 g·kg^-1，速效钾226.67 mg·kg^-1，速效磷40.11 mg·kg^-1，pH 5.00，含水量164.6 g·kg^-1。

1.2 试验设计

将采集的新鲜土壤过0.5 cm筛，测定土壤含水量。调节土壤含水量至75%的土壤持水量（Water holding capacity，WHC），之后将土壤放置在30 ℃恒温培养箱中培养12 h，以恢复土壤微生物的活性。称取相当于350 g烘干土壤的新鲜土壤，装入500 mL培养瓶中，保持75%的土壤持水量，以此模拟好气条件。另取相同质量的新鲜土壤，装入500 mL培养瓶中，加蒸馏水至完全浸没土壤（2 cm），以此模拟淹水条件。培养瓶用带双孔的橡皮塞封口，每隔7 d称重补水，以保持土壤含水量稳定。将培养瓶转移至30℃恒温培养箱中培养至0、30、60、120、180、360 d时分别进行破坏性取样。每个试验处理在每个取样时间点均设置3个重复。

另取相当于350 g烘干土壤的新鲜土壤置于1 L培养瓶中^[19]，培养瓶上部保留足够的空间，防止形成厌氧环境；土壤含水量保持为田间持水量的75%，以此模拟好气条件。另取相同质量的新鲜土壤，装入1 L培养瓶中，加蒸馏水至完全浸没土壤（2 cm），以此模拟淹水条件。将培养瓶转移至30 ℃恒温培养箱中培养到3、9、15、30、60、120、180、360 d时分别收集CO₂气体。每个试验处理在每个取样时间点均设置3个重复。每次取样之后，用真空泵排净内部空气，继续培养。

1.3 测定方法 1.3.1 CO₂分析

收集的气体用气相色谱仪分析，主要工作条件：仪器型号为Agilent Technologies 7890B；色谱柱为porapak Q 80/100 SS；进样量为0.5 mL；GC system柱温为60 ℃，载气为N₂，流速为6.5 mL·min^-1；FID检测器（CO₂），温度为300 ℃，H₂为50 mL·min^-1，空气为400 mL·min^-1，尾吹为3 mL·min^-1，尾吹气体为Ar/CH₄混合气体，外标法定量。

1.3.2 微生物分析

称取新鲜土样10 g，放入盛有90 mL无菌水的三角瓶中，振荡摇匀10 min使土和水充分混合，静置15 min。然后用移液枪从三角瓶中吸取上清液2 mL，放入18 mL预先备好的盛有无菌水的试管中，摇匀，再从中吸取2 mL放入18 mL无菌水的试管中，此时为稀释1000倍的土壤溶液，此操作过程均在无菌环境中进行。将稀释后的土壤水溶液摇匀，用8通道移液枪取150 μL接种到Biolog ECO板上，放入30 ℃恒温培养箱中培养，每隔24 h用酶标仪在590 nm下测OD值。

1.3.3 DOC分析

称取相当于4 g风干土壤的新鲜土壤，加入20 mL去离子水振荡1 h^[20]，10 000 r·min^-1离心5 min，过0.45 μm滤膜，用岛津MUIti N/C2100 TOC分析仪测定TOC含量。TOC分析仪的工作条件为：进样体积300 μL，吹扫时间90 s，炉温800 ℃，通过标准曲线进行定量。

1.3.4 其他指标

土壤TOC采用重铬酸钾外加热法分析；土壤含水量用105 ℃烘干法测定。

1.4 数据计算与处理

平均光密度值AWCD=∑（C-R）/n

式中：C为每个有培养基孔的光密度值；R为对照孔的光密度值；n为培养基数据，ECO板n值为31。

采用曲线整合方法估计颜色扩展^[21]：

梯形面积，

式中：v_i为t_i时刻的光密度。

碳源平均利用率=（∑S_i）/N

式中：S_i为每种碳源的梯形面积；N为每类碳源所包含的碳水化合物类、羧酸类、胺类、氨基酸类、酚酸类化合物和多聚物类，N取值分别为10、7、2、6、2、4。

一级动力学方程拟合土壤有机碳的矿化过程：

N_t =N₀（1-e^-kt）

式中：N_t为某时刻CO₂的累积量，mL·kg^-1；k为碳矿化速率常数；N₀为碳素的矿化潜力，即所能释放的CO₂最大值，mL·kg^-1；t为培养时间，d。

试验数据采用Microsoft Excel 2007软件作图，采用SPSS 19.0软件单因素方差分析（One way ANOVA）方法分析淹水和好气处理之间的差异，采用Origin 8.0软件对土壤矿化碳的矿化过程进行一级动力学曲线拟合。

2 结果与分析 2.1 土壤TOC的动态变化

在淹水和好气条件下，土壤TOC含量在0~60 d的培养时间内变化不明显，在60~360 d逐渐下降。在0~360 d的培养时间内，淹水和好气条件下土壤TOC的含量变化不明显（图 1）。经过360 d的培养，土壤TOC在淹水和好气条件下的含量分别比培养初始时减少了8.68%和6.23%，均与初始含量达显著差异水平（P＜0.05）。

2.2 土壤DOC的动态变化

土壤DOC的含量在淹水条件下呈现0~60 d上升、60~360 d下降的规律；而在好气条件下则呈现出0~30 d略有上升、随后（30~360 d）逐渐下降的趋势（图 2）。淹水条件下土壤DOC在第60 d达最大值（148.93 mg·kg^-1），第360 d达到最小值（115.91 mg·kg^-1）；而在好气条件下，土壤DOC在第30 d达最大值（120.93 mg·kg^-1），第360 d达最小值（89.82 mg·kg^-1）。在不同培养时期，淹水条件下土壤DOC含量均显著高于好气条件（P＜0.05）。

2.3 土壤有机碳的矿化规律

在淹水和好气条件下，土壤有机碳的矿化（CO₂累积释放量）随时间的变化表现出相同的变化趋势，即在0~60 d快速上升、60~180 d缓慢上升、180 d之后保持稳定（图 3）。在0~360 d培养时间内，淹水条件下土壤CO₂的累积释放量显著高于好气条件；培养结束时，土壤CO₂在淹水条件下的累积释放量为960.11 mL·kg^-1，比好气条件下（累积释放量620.21 mL·kg^-1）高54.8%。土壤有机碳矿化的一级动力学方程拟合结果见表 1，在淹水条件下土壤有机碳的矿化速率常数（0.009 5）和潜在矿化量（990.04 mL·kg^-1）高于好气条件（矿化速率常数0.007 5、潜在矿化量647.52 mL·kg^-1）。这说明，土壤有机碳在淹水条件下的矿化速率明显高于好气条件，即淹水条件促进了土壤有机碳的矿化。

2.4 土壤微生物群落结构的变化 2.4.1 土壤微生物AWCD值的动态变化

土壤微生物的AWCD值反映了土壤微生物代谢活性。随着培养时间的延长，土壤微生物利用碳源的AWCD值变化符合微生物生长的S型曲线（图 4A、图 4B）。在好气和淹水培养条件下，土壤微生物的AWCD值分别呈现15 d>0 d>30 d>60 d≈180 d≈360 d和360 d≈180 d>15 d>0 d>30 d>60 d的规律。在淹水和好气培养条件下，土壤AWCD值均在0~96 h内上升较快，而在96~192 h上升变缓，即96 h为土壤微生物代谢活性的生长拐点。进一步分析发现，在0~15 d内，土壤微生物在好气条件下的AWCD_{96 h}值显著高于淹水条件；在15~60 d内，两者没有显著差异；而在180~360 d内，土壤微生物在淹水条件下AWCD_{96 h}值显著高于好气条件（P＜0.05）。

2.4.2 土壤微生物对不同碳源的利用

土壤微生物对碳水化合物类、羧酸类、胺类、氨基酸类、酚酸类和多聚物类等不同种类碳源利用能力反映了微生物群落的结构组成。在淹水条件下（图 5A），土壤微生物在0~15 d内主要利用氨基酸类碳源，分别占其利用总碳源的24%（0 d）、27%（15 d）；在30~60 d主要利用酚酸类碳源，分别占其利用总碳源的27%（30 d）、39%（60 d）；在180~360 d主要利用氨基酸类碳源，分别占其利用总碳源的26%（180 d）、27%（360 d）。在好气培养条件下（图 5B），土壤微生物在0~30 d内主要利用氨基酸类碳源，分别占其利用总碳源的24%（0 d和15 d）、25%（30 d）；在60~360 d内主要利用多聚物类碳源，分别占其利用总碳源的24%（60 d）、34%（180 d）和40%（360 d）。

3 讨论

土壤有机碳是评价土壤质量和可持续发展管理的重要指标之一，其含量高低直接影响土壤肥力和质量^[22]。土壤有机碳矿化是土壤固有有机质和外源有机质（如植物凋落物、根茬以及人为有机物料的投入等）在微生物作用下分解，转化为CO₂的过程^[23]，是陆地生态系统碳循环过程的重要环节，对维持土壤生产力和温室气体的稳定具有重要意义。

土壤水分含量通过调节土壤DOC的含量与组成以及土壤微生物的活性与群落结构^[24]，影响土壤有机碳的矿化。本文的研究结果表明，淹水条件下土壤有机碳的矿化显著高于好气条件。这可能是由于土壤有机碳必须首先进入土壤溶液中才能被矿化^[8]，淹水条件破坏了土壤团聚体结构，导致土壤中易矿化组分溶出^[25]，提高了土壤中DOC含量，增加了土壤微生物可利用的底物，使淹水条件下土壤有机碳的矿化速率显著高于好气条件。这与李忠佩等^[8]、黄东迈等^[26]、唐国勇等^[10]报道的淹水条件提高了土壤有效碳库，加快了土壤有机碳矿化的研究结果一致。然而孙中林等^[27]和Sahrawat等^[15]的研究表明，淹水条件不利于土壤有机碳的矿化，造成土壤有机碳的累积，研究结果的差异可能是由于不同的土壤类型对水分的响应不同，外源有机物料的加入抑制了土壤原有有机碳矿化，而且淹水条件下形成的有机物结构更加复杂。

土壤微生物是土壤有机碳矿化的驱动者^[28]。水分影响了土壤微生物的活性和群落结构，进而影响了土壤有机碳的矿化^[29]。Zhang等^[30]和刘岳燕等^[31]发现，土壤微生物在淹水条件下的活性显著高于好气条件。本研究结果表明，土壤微生物活性（AWCD_{96 h}）在淹水条件下0~15 d内显著低于好气条件，在30~60 d差异不显著，而在60~360 d表现为淹水条件显著高于好气条件。这可能是由于淹水条件下短期培养，水分的加入形成了厌氧环境，降低了土壤Eh，抑制了土壤中好氧微生物的生长^[32]，使淹水条件下土壤微生物AWCD_{96 h}显著低于好气条件。然而，随培养时间延长，淹水条件提高土壤DOC的含量，导致微生物可利用的碳源增加^[33]，使淹水条件下土壤微生物的活性显著高于好气条件，从而加快了土壤有机碳的矿化。

本研究还显示，淹水和好气条件下微生物群落结构的差异，可能也是土壤有机碳矿化差异的一个重要原因。刘长红等^[34]的研究表明，稻田改为旱田后土壤细菌数量显著降低，但对真菌并没有明显影响。据Bailey等^[35]报道，真菌为主导的微生物群落结构会导致土壤有机碳的累积。培养初始（0 d）时，土壤微生物主要利用氨基酸类碳源，在好气条件下逐渐演替为利用多聚物类碳源（60~360 d）；而淹水条件下逐渐向利用酚酸类碳源（30~60 d）和氨基酸类碳源（180~360 d）演变，促进了土壤有机碳的周转。这可能因为以利用氨基酸类和酚酸类碳源为主的微生物群落结构，比以利用多聚物类碳源为主的微生物群落结构更加有利于土壤有机碳的周转。

本文的研究结果显示，淹水条件促进了土壤团聚体中有机碳的溶出，提高了土壤有机碳的矿化速率，降低了土壤有机碳的含量；而在好气条件下，土壤DOC含量较低，土壤微生物利用DOC等易分解碳源，保留了难降解组分，进而减缓了土壤有机碳的矿化。这为东北地区水田和旱地土壤有机碳的稳定和地力的维持提供了理论依据。

4 结论

（1）相对于好气培养条件，淹水提高了土壤DOC的含量，而TOC的含量变化不明显。

（2）相对于好气培养条件，淹水前期抑制土壤微生物的活性，后期提高了土壤微生物的活性，土壤微生物群落结构在淹水条件下逐渐演变为以利用酚酸类和氨基酸类等易矿化碳源为主，而在好气条件则演变为以利用多聚物类难矿化碳源为主。

综上，与好气培养条件相比，淹水增加了土壤DOC和易矿化碳源含量，提高了土壤微生物的活性，加快了土壤有机碳的矿化。