不同土壤有机碳矿化与固定特征及其对耕作和施肥措施的响应

土壤有机碳（SOC）的矿化和外源有机物料的腐解是农田土壤碳素周转的重要组成部分。多种作物轮作配施秸秆或粪肥的耕作体系是公认的能够提高土壤有机碳水平、维持农田肥力可持续性的有效途径之一。不同类型土壤中的碳素矿化与固定对秸秆还田或施氮肥等措施的响应不尽相同。揭示土壤中碳素周转受土壤类型、耕作体系、施肥措施等影响的规律，对帮助人们通过土壤基本性质来预测土壤碳矿化或固持对秸秆和氮肥添加的响应具有重要的理论和实践意义。 本研究选取了位于美国爱荷华州的粘壤土和马里兰州的粉壤土为试验对象，两种土壤均来自长期试验站，包括三种不同的耕作体系（两种作物轮作配施化肥的传统耕作[Conv]，三种[Med]或多种[Long]作物轮作配施绿肥和厩肥的有机耕作）。以定位试验的土壤样品为材料，进行了培养试验，共设置4个处理：Control-不施秸秆或氮肥的空白对照土壤、N-施氮肥处理、R-施秸秆处理、RN-同时施用秸秆和氮肥的处理，秸秆添加量为8580kg·ha-1。在恒温、恒湿的室内培养条件下，观测二氧化碳的释放动态，借助二氧化碳释放的双库指数模型，分析了不同土壤中添加秸秆和无机氮肥后土壤有机碳的矿化特征；并借助稳定同位素13C标记技术研究了土壤固有碳和秸秆源性碳在土壤不同有机组分中的转运特征。取得的主要结果如下： （1）两种不同质地、不同耕作史土壤的有机碳含量、构成和矿化特征不同。 粘壤土的土壤有机碳含量（28.0g kg-1）高于粉壤土（14.1g kg-1），但粉壤土中25.5%的SOC以颗粒有机碳（POM-C）形式存在，而粘壤土中该比例仅为10%，说明粉壤土有机碳活性高于粘壤土。长期有机耕作（Med和Long）使粘壤土SOC含量提高了9.1%，颗粒有机碳和闭蓄态颗粒有机碳含量分别提高了29.2%和12.5%，但差异不显著；使粉壤土SOC含量提高了29.5%，POM-C和闭蓄态POM-C含量分别提高了50%和45.8%，差异均达到显著水平。 经330天的培养，粘壤土和粉壤土所释放的二氧化碳总量相近，分别为0.96～1.11gC·kg-1和0.92～1.22g C·kg-1，但粉壤土中SOC的矿化率（7.9%）显著高于粘壤土（3.7%）。土壤的二氧化碳累积释放曲线可用双库指数模型表征，粘壤土的活性（Ca）和慢性碳库（Cs）大于粉壤土、而相应的降解速率（ka，ks）小于粉壤土（p<0.05）。与传统耕作（Conv）相比，有机耕作（Med和Long）处理下的粉壤土在培养过程中二氧化碳累积释放量平均增加了33%，ka和ks分别增加了32%和46%；然而，有机耕作对粘壤土碳矿化特征无显著影响。 （2）两种土壤在培养过程中碳矿化特征受添加秸秆或氮肥的影响不同。 与不添加秸秆处理（Control和N）相比，添加秸秆（R和RN）使两种土壤的二氧化碳累积释放量均增加了一倍，使粘壤土的Ca增加了340%、Cs增加了38%、ka降低了58%；在粉壤土中，Ca和Cs分别增加了230%和21%，ka降低了9%，相比较而言，添加秸秆对粘壤土碳矿化的促进作用大于粉壤土。 与不施氮处理（Control和R）相比，施氮肥（N和RN处理）使二氧化碳累积释放量在粘壤土中平均减少了5.7%，在粉壤土中平均减少了8.8%；使粘壤土活性碳库降解速率（ka）提高了25%，使粉壤土的慢性碳库降解速率（ks）降低了16%。 在土壤碳素矿化方面，施秸秆与施氮肥或耕作史之间存在交互作用。在粘壤土中，不施秸秆时，有机耕作比传统耕作减缓了活性碳库降解、加快了慢性碳库降解，施氮比不施氮处理加快了活性碳库的降解，但施秸秆掩盖了碳素矿化特征在耕作体系之间或施氮与不氮肥之间的差异。在粉壤土中，不施秸秆时，Ca在Control和处理N之间无显著差异（均为0.24g C kg-1），施秸秆使处理RN的Ca值（0.76g C kg-1）显著低于处理R的（0.82g C kg-1），说明氮肥对活性碳库的减小作用只有在施秸秆条件下才能得以体现。 （3）土壤有机组分在两种质地土壤中的分配比例存在差异。 粉壤土中轻组（LF）占土壤总重的比例是粘壤土中该比例的2.0倍，重组（HF）所占比例比粘壤土的HF高了17.0%，而闭蓄态组分（OPOM）所占比例比粘壤土的OPOM低了33.8%。有机耕作或秸秆与氮肥共施显著提高了粉壤土中的轻组含量，对其它组分无显著影响，对粘壤土各有机组分含量均无显著影响。在培养过程中，两种土壤的轻组含量整体均呈减少趋势，闭蓄态组分和重组含量未发生显著变化。 （4）利用同位素技术，揭示了两种土壤在添加秸秆和氮肥下土壤固有有机碳（Csoil）和秸秆源性有机碳（Cnew）的周转规律。 在培养过程中，两种土壤不同有机组分中土壤固有碳损失量占全土SOC的比例（Csoil相对损失率）均表现为HF（4.42%～6.22%）>OPOM（2.48%～1.46%）>LF（0.25%～0.94%），说明重组是Csoil损失的主要来源。秸秆源性碳施入土壤后先进入LF，然后逐渐向OPOM和HF转移。至培养结束时（330天），两种土壤各有机组分中的Cnew残留率均表现为OPOM（16.2%～17.3%）>HF（14.3%～12.8%）>LF（1.83%～7.35%），说明秸秆源性碳更多地残留于闭蓄态有机组分，其次残留于重组。 与不施秸秆处理相比，添加秸秆使粘壤土HF-Csoil相对损失率由2.89%增加至5.97%（p<0.05），产生了明显的正激发效应；而使粉壤土OPOM-Csoil相对损失率从2.09%降低至0.83%（p<0.05），产生了明显的负激发效应。 秸秆源性碳（Cnew）在轻组中的残留率表现为粉壤土（7.35%）>粘壤土（1.83%）（p<0.05），而在闭蓄态组分和重组中的残留率于两种土壤之间无显著差异，从而使Cnew在土壤中的总残留率表现为粉壤土（37.5%）>粘壤土（32.4%）。 有机耕作处理对粉壤土在培养过程中碳素变化的影响大于对粘壤土的影响。在粉壤土中，与Conv相比，有机耕作（Med和Long）使LF和OPOM中的Csoil含量平均增加了44.1%和40.0%（p<0.05），对HF-Csoil含量无显著影响；使OPOM中Cnew残留率提高了20.4%，对LF和HF中的Cnew残留率无显著影响。而有机耕作对粘壤土各组分中Csoil含量及Cnew残留率均无显著影响。 施氮肥对两种土壤固有有机碳的矿化和秸秆源性碳的残留的影响不同。对于粉壤土，在不施秸秆条件下，施氮肥使OPOM-Csoil的相对损失率由2.60%降低至1.57%，降低了39.6%（p<0.05），对其他组分无显著影响；在施秸秆的条件下，施氮肥使Cnew在LF中的残留率由4.6%增加至10.1%，增加了119%（p<0.05）。在粘壤土中，施氮肥使重组中秸秆源性碳含量增加了6.95%，但同时也加强了施秸秆对土壤固有碳降解的正激发效应，使可降解的重组土壤固有碳在短时间内快速降解，总体看来对土壤总有机碳含量无显著影响。 （5）分析和探明了不同碳组分之间的关系。 两种土壤中的稳定性碳库C（rCr=SOC-[Ca+Cs]）与HF碳库之间均呈现极显著相关，相关系数分别为0.976（粘壤土）和0.862（粉壤土）（p<0.001）；从数量上看，Cr碳库大于HF碳库，因此Cr既包含了HF中的有机碳，也包含了部分OPOM-C。在粉壤土中，LF组分决定了土壤潜在可矿化碳库（Ca+Cs）的大小；在粘壤土中，土壤各有机组分与可矿化碳库（Ca，Cs或Ca+Cs）之间的相关性均不显著。对于供试的两种土壤而言，在无秸秆添加时，OPOM和HF碳库对土壤碳矿化贡献率最高（分别为35.8%和64.2%）；添加秸秆后，土壤碳矿化主要源自于HF（85.1%），其次是LF（27.0%）。 综合来看，耕作措施对有机碳含量较高的粘壤土的碳素周转影响较小，新添加的有机物料更容易矿化降解、对土壤有机碳水平无显著影响。对于有机碳含量较低的粉壤土而言，有机耕作体系或有机物料的添加均可促进土壤固持外源新碳、进而提高土壤有机碳水平，且主要表现为轻组和闭蓄态组分中含碳量的增加。