2022, Vol. 41
2. 贵州大学烟草学院/贵州省烟草品质研究重点实验室，贵阳 550025;
3. 中国科学院普定喀 斯特生态系统观测研究站/地球化学研究所，贵州 普定 562100
2. College of Tobacco Science, Guizhou University/Guizhou Provincial Key Laboratory of Tobacco Quality Research, Guiyang 550025, China;
3. Chinese Academy of Sciences, Puding Karst Ecosystem Observation and Research Station/Institute of Geochemistry, Guizhou Province, Puding 562100, China
土壤有机碳矿化作为碳循环中一个重要过程，是土壤碳库与大气碳库迁移交流的主要途径，该过程释放CO2引起的温室效应一直以来都是土壤环境生态学关注的热点[1]。贵州省的平均气温在未来会一直偏高[2]。黄壤是贵州地带性土壤，其分布面积占全省土地总面积的39.16%，具有酸性强、质地黏重、养分含量低等特点，石灰能促进土壤微团聚体的形成，改善土壤结构和通气性，通过施用石灰中和酸性土壤是改良土壤的主要措施之一[3]，从而能够影响土壤有机碳矿化。
土壤有机碳矿化是由微生物将有机质通过分解利用转化为无机物的过程，该过程受水分、温度、施用有机物料或无机化肥等的影响[4]。激发效应（Priming effect）是指土壤在添加外源物质后，土壤中有机碳矿化速率短期增加（正激发效应）或降低（负激发效应）的现象[5]。肖谋良等[6]发现添加Ca14CO3对石灰土和红壤的激发效应可达43.9%~121.8%。FENG等[7]也发现外源Ca14CO3对石灰土有机碳有正激发效应。黄媛[8]发现激发效应与碳酸钙含量密切相关。温度通过改变土壤中的微生物活性或改变土壤性状（如孔隙度、水分等）而间接影响土壤有机碳的矿化[9-10]。温度敏感性系数（Q10）为温度每升高10 ℃土壤矿化增加的倍数，常用来表征土壤有机碳矿化对温度的敏感性，Q10值越大表明土壤有机碳矿化对温度的变化越敏感[11]。全球各种土壤生态系统中的Q10在1.3~3.3之间波动[12]，研究发现Q10具有明显的地带性，Q10变化范围在温带为1.1~14.2，在亚热带为1.4~4.6[13]。由此可见，Q10并不是一个确定的常数，其会受到不同因素（水分、温度及添加的外源物）的限制[14]。例如，魏圆云等[15]发现农田湿地土壤受温度和外源葡萄糖的影响，其Q10值在1.2~1.6之间波动。罗光强等[16]发现羊草草原土壤Q10受温度和水分的影响，介于1.15~2.25之间。
综上所述，对于外源碳酸钙对土壤有机碳矿化影响的研究集中在石灰土、红壤等土壤类型上，且对于Q10影响因素的研究集中于外源有机物质上，目前外源无机碳酸钙和温度及两者复合作用对土壤有机碳矿化和Q10的影响并不明确。贵州省作为西南亚热带喀斯特区一大分区，其土壤中赋存的游离碳酸钙含量会影响喀斯特土壤生态系统中碳循环平衡的维持[17]。因此，在贵州气候不断变暖的背景下，探究碳酸钙和温度对黄壤有机碳矿化的影响，能够加深理解贵州喀斯特土壤无机碳酸盐在土壤呼吸中的贡献，以及进一步明确黄壤有机碳矿化的影响因素及不同因子的作用强度，对客观评价贵州省黄壤有机碳矿化在土壤固碳减排中的影响具有重要意义。
1 材料与方法 1.1 样品采集供试土壤样品于2019年10月采自贵州省普定县董家坝（105.747 8°~105.748 2°E，26.261 8°~26.262 6° N，海拔1 288~1 302 m）。该地属于中亚热带季风湿润气候，年均降雨量1 336 mm，年均气温14.2 ℃。种植方式均为地瓜-玉米轮作。在典型黄壤旱地上选择5块5 m×5 m的样地，在每个样地上用多点采样法采集表层（0~20 cm）混合土壤样品，去除可见的动植物残体及砾石等杂质，根据土壤pH，选取1个典型的黄壤样品作为供试土壤，其基础性质为：pH 4.62，有机碳含量12.55 g·kg-1，全氮含量1.67 g·kg-1，全磷含量0.95 g·kg-1，全钾含量14.99 g·kg-1，碳酸盐含量0.54 g·kg-1。
同位素标记Ca13CO3和无标记的CaCO3采购自上海化工研究院有限公司，纯度≥98.0%。将Ca13CO3与CaCO3按1∶14的比例混合均匀，过0.125 mm筛，得到δ13C值为6.61的碳酸钙粉末。
1.2 试验设计以黄壤作为供试土壤，设置3个培养温度（15、25 ℃和35 ℃）及添加（C，添加量为30 g·kg-1，以干土计）和不添加碳酸钙粉末（CK）处理，分别记为15 ℃- C、25 ℃-C、35 ℃-C、15 ℃-CK、25 ℃-CK和35 ℃-CK，共计6个处理，每个处理重复3次，另设置无土无添加物的9个空白对照（检测空气中的CO2），共27个培养装置。
称取供试黄壤540 g，调节含水量为土壤饱和含水量（WHC）的45%，放入25 ℃恒温培养箱中预培养7 d，用称质量的方法保持含水量。预培养结束后，取270 g黄壤与配制好的9 g碳酸钙粉末混匀，平均分装入9个250 mL棕色玻璃广口瓶；另取270 g黄壤，平均分装入9个250 mL棕色玻璃广口瓶。调节土壤含水量为45%WHC，分别放入1 L黑色塑料培养瓶中，同时放入盛有50 mL蒸馏水与10 mL 0.1 mol · mL-1 NaOH溶液的小烧杯，密闭瓶口，置于15、25 ℃和35 ℃恒温培养箱中培养60 d。
在培养的第1、5、10、15、30 d和60 d用注射器从培养瓶中采集CO2气体样品用于测定总CO2的浓度和CO2的δ13C值。具体操作为先将装有不同处理土壤的玻璃广口瓶取出，用带有开关阀的橡胶瓶塞紧密塞住瓶口，利用真空抽气泵将瓶中的气体排出，每个装置排气5 min后关闭开关阀，然后统一置于室外并打开开关阀通入自然空气5 min，再关闭开关阀，分别置于3个培养温度中培养产气4~5 h，之后用30 mL气密型注射器采集30 mL气体样品保存在12 mL真空瓶中，每个矿化装置均采集两份CO2气体样品。
1.3 测定项目和方法土壤基本理化指标的测定方法：土壤饱和含水量采用环刀法测定；土壤pH使用酸度计（水土比为2.5∶ 1）测定；土壤有机碳使用K2Cr2O7容量法-外加热法测定；土壤全氮使用半微量开氏定氮法测定；土壤全磷使用NaOH熔融-钼锑抗比色法测定；土壤全钾使用NaOH熔融-火焰光度法测定；土壤碳酸盐含量使用中和滴定法测定。
CO2和13CO2气体样品：采用气相色谱仪（Agilent GC 6890，USA）测定CO2的浓度，采用稳定性同位素质谱仪（MAT-253）测定CO2的δ13C值。
1.4 数据处理（1）土壤总CO2释放速率[18]
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式中：F为土壤CO2释放速率，mg·kg-1·d-1；C为密闭培养瓶中CO2浓度，μmol·mol-1；44为CO2分子量，g· mol-1；V为玻璃瓶的体积，L；22.4为1个大气压、273 K时理想气体的摩尔体积，L·mol-1；T为培养温度，℃；m为土壤质量，g；t为密闭产气时间，4~5 h。
（2）总CO2累积释放量
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式中：M为总CO2累积释放量，mg·kg-1；F为总CO2释放速率，mg·kg-1·d-1；i为采样次数；t为采样时间，d。
（3）来自碳酸钙的CO2累积释放量
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式中：MCa为源于碳酸钙的CO2累积释放量，mg·kg-1；M为总CO2累积释放量，mg·kg-1；δ为瓶中添加碳酸钙的土壤释放CO2的δ13C值；δS为无添加物的土壤释放CO2的δ13C值；δCa为碳酸钙样品的δ13C值。
（4）外源物对土壤有机碳矿化的激发效应[5]
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式中：PE为激发作用，%；MSOC为外源添加物处理中原土土壤有机碳矿化量（需扣除来自CaCO3的CO2释放量），mg·kg-1；MCK为无添加外源物的土壤有机碳矿化量，mg·kg-1。
（5）土壤有机碳矿化温度敏感性系数Q10[19]
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式中：R（T+10）为温度为（T+10）℃时土壤有机碳的矿化速率，mg·kg-1·d-1；RT为温度为T ℃时土壤有机碳的矿化速率，mg·kg-1·d-1。
采用Excel 2016软件对数据进行整理与制图，利用SPSS软件分析碳酸钙、温度、培养时间及其交互作用对黄壤有机碳矿化速率、累积释放量和温度敏感性的影响，处理间的多重比较采用邓肯（Duncan）法（P < 0.05表示处理间差异显著）。
2 结果与分析 2.1 碳酸钙在不同温度下对土壤有机碳矿化的影响由图 1可知，不同处理下土壤总CO2释放速率的规律基本一致，第1~5 d迅速减小，5~15 d有轻微增加后又迅速减小，15~60 d逐渐减小并趋于稳定。在培养的第1 d，各处理均达到峰值，为125.01~149.84 mg· kg-1·d-1，在培养的5~60 d，土壤总CO2释放速率表现为不添加碳酸钙的处理大于添加处理。整体上可知，添加外源碳酸钙可降低土壤总CO2释放速率。
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图 1 土壤总CO2释放速率 Figure 1 The total CO2 release rate from soil |
如图 2所示，不同处理下黄壤总CO2释放量在整个培养期间都呈上升趋势。添加碳酸钙降低了土壤总CO2释放量。在培养结束时（第60 d），不添加碳酸钙土壤总CO2累积释放量为3 788.5~4 192.3 mg·kg-1，添加碳酸钙后在15、25 ℃和35 ℃下土壤总CO2累积释放量相应降低了47.62%、42.54% 和46.77%。在第60 d时，土壤总CO2累积释放量均在35 ℃下最高，不添加碳酸钙时为4 192.3 mg·kg-1，比15 ℃和25 ℃时分别增加了5.95% 和10.66%；添加碳酸钙时为2 231.5 mg· kg-1，比15 ℃和25 ℃时分别增加了7.67%和2.51%。
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图 2 土壤总CO2累积释放量 Figure 2 The total CO2 cumulative release from soil |
添加外源碳酸钙的土壤中13CO2累积释放量如图 3所示。13CO2累积释放量在1~15 d呈快速上升趋势，15~60 d逐渐趋于稳定，其中在培养的第15 d，13CO2累积释放量基本达到平衡。在培养的第60 d，25 ℃和35 ℃下的13CO2累积释放量比15 ℃下的分别增加了63.1% 和52.0%。受温度的影响，添加外源碳酸钙的土壤中13CO2累积释放量的变化与土壤总CO2释放量类似。
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图 3 来自碳酸钙的13CO2累积释放量 Figure 3 The 13CO2 cumulative release from CaCO3 |
如图 4所示，在培养第60 d，添加碳酸钙的土壤有机碳累积矿化量（15 ℃-C：1 786.4 mg·kg-1，25 ℃- C：1 712.9 mg·kg-1，35 ℃-C：1 799.6 mg·kg-1）显著低于不添加碳酸钙的处理（15 ℃-CK：3 956.9 mg·kg-1，25 ℃-CK：3 788.5 mg · kg-1，35 ℃-CK：4 192.3 mg · kg-1）（P < 0.05）。在第60 d，来自外源碳酸钙的13CO2释放量在25 ℃和35 ℃下显著大于15 ℃（P < 0.05），占总CO2释放量的比例依次为27.33%、19.36% 和13.81%。
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不同小写字母表示碳酸钙与温度交互效应影响下土壤有机碳累积矿化量差异显著（P < 0.05），不同大写字母表示不同温度下来自外源碳酸钙的CO2累积释放量差异显著（P < 0.05） Different lowercase letters indicate significant differences among soil organic carbon accumulation mineralization quantities under the interaction effect of calcium carbonate and temperature(P < 0.05); different capital letters indicate significant differences among cumulative release quantities of CO2 from exogenous calcium carbonate at different temperatures(P < 0.05) 图 4 培养60 d后不同来源的CO2累积释放量 Figure 4 CO2 cumulative release from different sources after 60 days |
激发效应是外源物质添加引起土壤有机碳发生短期的强烈周转改变的现象。如图 5所示，在整个培养期间，碳酸钙对黄壤有机碳矿化有负激发效应，1~ 15 d逐渐减弱，15~60 d又有轻微增强。其中25 ℃与35 ℃下的负激发效应在第1 d表现最强，分别为-81.0% 和-69.3%，而15 ℃下的激发效应在第1 d与第60 d均表现最强，均为-54.0%；15 ℃与35 ℃下的激发效应在第15 d表现最弱，为-46.8%和-54.5%，而25 ℃下碳酸钙对黄壤有机碳矿化的负激发效应在第60 d表现最弱。总体上，外源碳酸钙在前期（1~10 d）对黄壤有机碳矿化的负激发效应更强，且负激发效应在25 ℃下比15 ℃和35 ℃下的更强。
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图 5 不同温度下的激发效应 Figure 5 Priming effect at different temperatures |
如图 6所示，培养过程中，黄壤有机碳矿化的温度敏感性系数（Q10）随时间延长呈波动变化趋势，变化范围为0.90~1.69。在15~25 ℃温度体系中，添加碳酸钙与不添加碳酸钙处理有机碳矿化Q10平均值分别为（1.03±0.09）和（1.01±0.11），在25~35 ℃温度体系中，两个处理Q10平均值分别为（1.14±0.29）和（1.06± 0.13）。其中（35 ℃/25 ℃）-C处理下的Q10值相对于其他处理在第1 d显著增大，而在第10 d显著减小（P < 0.05）。添加碳酸钙处理下黄壤有机碳Q10值略有增加。温度升高也会影响黄壤有机碳矿化温度敏感性，25~35 ℃体系下的黄壤Q10值与15~25 ℃下的相比，不添加碳酸钙与添加碳酸钙的处理Q10值分别增加了5.10%和10.30%。说明黄壤有机碳矿化Q10值随温度的升高有所增大，黄壤中的有机碳在培养前期对温度的升高表现更敏感。
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（25 ℃/15 ℃）-CK表示不添加碳酸钙处理温度由15 ℃升高到25 ℃，（35 ℃/25 ℃）-CK表示不添加碳酸钙处理温度由25 ℃升高到35 ℃，（25 ℃/15 ℃）-C表示添加碳酸钙处理温度由15 ℃升高到25 ℃，（35 ℃/25 ℃）-C表示添加碳酸钙处理温度由25 ℃升高到35 ℃。不同字母代表同一时间下Q10差异显著（P < 0.05） (25 ℃/15 ℃)-CK means that the treatment without calcium carbonate, temperature increases from 15 ℃ to 25 ℃; (35 ℃ /25 ℃)-CK means that the treatment without calcium carbonate, temperature increases from 25 ℃ to 35 ℃; (25 ℃ /15 ℃)-C means that the treatment with calcium carbonate, temperature increases from 15 ℃ to 25 ℃; (35 ℃ /25 ℃)-C means that the treatment with calcium carbonate, temperature increases from 25 ℃ to 35 ℃. Different letters indicate significant differences of Q10 values at the same time(P < 0.05) 图 6 黄壤有机碳矿化的温度敏感性 Figure 6 The temperature sensitivity of organic carbon mineralization of yellow soil |
方差分析结果显示（表 1），温度、碳酸钙、时间、碳酸钙与时间的交互作用对土壤总CO2释放速率、累积释放量和SOC矿化量有显著影响。温度对SOC矿化Q10值影响显著，但碳酸钙对Q10值影响不显著。外源碳酸钙的添加会在短期内显著降低土壤SOC矿化（P < 0.01），温度提升能够促进SOC的矿化（P < 0.05），两者的交互作用对SOC矿化无显著影响，但碳酸钙引起SOC矿化的负激发效应相对于温度引起的正激发效应更为强烈。
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表 1 碳酸钙、温度、时间及其交互作用对CO2释放速率、释放量、SOC矿化量与Q10值的方差分析（F值） Table 1 ANOVA of temperature, calcium carbonate, time, and their interactions on CO2 release rate, release quantities, SOC cumulative mineralization quantities, and Q10 value |
本研究结果表明，碳酸钙在不同温度下对黄壤有机碳矿化均有负激发效应（P < 0.01），且在培养前期负激发效应更强，这与本课题组前期研究发现25 ℃下碳酸钙对黄壤和石灰土有负激发效应的结果一致[20]。有研究指出碳酸钙对土壤有机碳矿化速率的影响与其添加量有关[6, 8]。例如黄媛[8]在研究中发现，当碳酸钙添加量为5~20 g·kg-1时对红壤有负激发效应，当含量为30~100 g·kg-1时有正激发效应；葛云辉等[21]的研究发现碳酸钙添加量为50 g·kg-1时，对红壤有机碳矿化有正激发效应。本文中外源碳酸钙的添加量为30 g·kg-1时对黄壤有负激发效应，与上述研究结果不一致。这主要是因为少量碳酸钙加入土壤时，易与土壤中有机碳结合成稳定的团聚体，从而减缓土壤有机碳矿化分解，表现为负激发效应，而大量碳酸钙加入土壤会提高土壤微生物活性，使得土壤有机质快速分解释放出CO2，产生正激发效应[8]。钙离子在不同土壤类型中的迁移速率有所差异[22]，因此在相同的碳酸钙添加量下，不同土壤类型中的有机碳与钙离子结合成团聚体的速度不同，从而表现出不同的激发效应。另外，本研究认为碳酸钙对土壤有机碳矿化的影响主要受到钙离子的控制。如曹彬彬等[23]和董静超等[24]发现施用氧化钙和氯化钙后土壤有机碳矿化量均显著减少。钙离子通过结合土壤腐殖化活性有机质中的自由基，在其表面覆盖一层钙结壳，限制了有机质与微生物及酶的接触，从而降低了有机碳的分解速率[25]。
在整个培养期间，温度显著促进黄壤有机碳矿化（P < 0.05），这与袁淑芬等[26]和葛序娟等[27]的研究结果类似。这是由于温度的升高会提升土壤中酶的活性，使得有机碳矿化速率增加[26]。在培养的第60 d，不添加碳酸钙的处理在25 ℃下有机碳累积矿化量略低于15 ℃，可能是由于普定县年均气温在14.6 ℃，且黄壤是贵州地带性土壤，所以接近年均气温的15 ℃较适合于黄壤有机碳矿化。添加碳酸钙后25 ℃下的CO2释放量略高于15 ℃，可能是因为碳酸钙改善了土壤的结构和通气性而使有机碳矿化速率增快[3, 8]。添加碳酸钙的土壤释放13CO2的量在25 ℃与35 ℃下显著大于15 ℃，而25 ℃与35 ℃下的13CO2释放量无显著差异（P>0.05），这与徐学池等[28]和王忠媛等[29]的研究结果类似。这是土壤中碳酸钙溶解产生的钙离子与胡敏酸结合成为新的腐殖质的过程受温度影响所致[28]。
目前关于外源有机物和温度的交互效应对土壤有机碳矿化的影响研究较多，而无机物和温度的交互效应对土壤有机碳激发效应的交互影响研究较少。本研究结果表明外源碳酸钙极显著减少黄壤有机碳矿化量（P < 0.01），而温度提升显著增加有机碳矿化量（P>0.05），由此可见外源碳酸钙对土壤有机碳矿化的影响强于温度。这与GHEE等[30]和HOPKINS等[31]对5~30 ℃下添加蔗糖对土壤有机碳的激发效应的研究结果类似。因此，无论是外源有机物还是无机物，其与温度对有机碳矿化的复合影响是相似的，即影响有机碳矿化的主要因素并非温度，而是外源物质。
3.2 碳酸钙与温度对土壤有机碳矿化Q10值的影响本研究中，碳酸钙添加下土壤有机碳矿化Q10值略有增加，但差异并不显著。有研究指出，短期矿化培养试验中所观测的土壤CO2释放以活性碳组分分解为主，而惰性碳组分会对土壤的温度敏感性有一定干扰作用[15]。一些早期研究认为，外源碳的输入会导致土壤有机碳底物结构发生变化，从而影响土壤有机碳矿化Q10值[14-15, 32]。土壤有机碳矿化Q10值的变化更多是由于外源碳输入间接影响了土壤微生物对有机碳底物的分解利用过程[33]。当外源碳酸钙加入土壤中后，更多游离钙离子与土壤有机碳结合成团聚体，团聚体的增加改变了土壤有机碳底物的结构，从而影响微生物对有机碳的分解利用，导致土壤有机碳矿化Q10值发生变化[8]。
温度升高也会改变土壤有机碳矿化的Q10值[32, 34]。本研究发现Q10随着温度升高而有所增加，且影响达到显著水平，这与YUAN等[34]的研究结果相似。因为温度的变化会改变土壤底物的有效性、酶与底物的亲和力和最大反应速率等，进而影响土壤有机碳矿化的Q10值[14]。
4 结论与展望（1）外源碳酸钙对贵州黄壤有机碳矿化有抑制作用，而温度提升有促进作用，两个因素的共同作用表现为碳酸钙对黄壤有机碳矿化的负激发效应强于温度的正激发效应。
（2）外源碳酸钙的输入和温度升高均能影响黄壤有机碳矿化温度敏感性。随着培养时间延长，温度的升高会逐渐增强黄壤有机碳矿化温度敏感性，而碳酸钙对温度敏感性影响逐渐变弱，进一步说明气候变暖会长期影响黄壤有机碳的矿化，使黄壤有机碳分解加快，从而导致黄壤越发贫瘠。
（3）需要根据碳酸钙与温度及其交互作用对黄壤有机碳矿化的影响情况，合理调控土壤温度和施用石灰等管理措施，以利于积累黄壤的有机质和减少土壤CO2的排放。土壤中碳酸盐存在溶蚀与沉积平衡，在今后的研究中，需进一步考虑无机碳酸盐分解释放的CO2在喀斯特区土壤有机碳矿化过程中的贡献，以便深入理解土壤无机碳矿化与大气碳库之间的联系，明确土壤无机碳和有机碳在喀斯特区碳库中的实际影响。
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