外源有机碳输入对林地土壤有机碳矿化的影响

Effects of Exogenous Organic Carbon Input on Soil Organic Carbon Mineralization in Plantation

摘要

植物残体是森林土壤碳库的重要来源，林地土壤碳通量的改变与土壤碳库及碳循环密切相关，然而目前关于土壤有机碳稳定性的研究多集中于农田土壤，为明确外源碳输入对林地土壤有机碳稳定性的影响，采用室内恒温培养试验，以凋落物种类(樱花（YH）、悬铃木（WT）、杨树（YS）)、添加量（0、2%、4%、6%）、粒径大小(2 mm （D）、0.25 mm （X）)为变量，设置18个不同处理和两组对照，分析不同因素及其交互作用条件下土壤CO₂释放规律、土壤有机碳质量分数以及矿化强度的变化。结果显示，不同凋落物对土壤总CO₂释放量和释放速率影响显著，樱花和杨树更易促进土壤总有机碳矿化，其中，YHX6 （樱花、粒径2 mm、添加量6%）处理土壤总CO2释放速率最高，YHD6 （樱花、粒径2 mm、添加量6%）处理总CO₂累积释放量达CK1的4.37倍，6%添加量土壤潜在矿化碳矿化潜力（C_p）相较于CK1显著增加。土壤总有机碳累积矿化量随时间的动态变化可以用一级动力学方程拟合，拟合结果表明，外源碳输入加速了土壤碳周转。小粒径、6%添加量、YH类型的凋落物对土壤总有机碳周转的促进最为显著。WTX2 （悬铃木、粒径0.25 mm、添加量2%）对总有机碳矿化强度的降低最为显著，仅为1.67%，小粒径处理对土壤矿化强度降低效果显著优于大粒径处理。由此，在区域土壤有机碳管理中，可以施用小粒径、低添加量的悬铃木叶以增加土壤有机碳稳定性，促进碳在土壤中的固持。

关键词

土壤有机碳 / 外源碳输入 / 活性有机碳 / 有机碳矿化 / 植物凋落物 / 土壤碳固持

Key words

Soil organic carbon / exogenous carbon input / active organic carbon / organic carbon mineralization / plant litter / soil carbon retention

0 引言

土壤是陆地生态系统中最大的碳库^[1]，其微小变化就会影响全球碳平衡^[2]。森林生态系统是陆地生态系统的重要组成，其土壤碳储量占全球碳库的70%，是调控陆地生态系统中碳收支与平衡的重要基础^[3]。外源碳输入可以影响土壤有机碳矿化进程，产生激发效应^[4]。森林生态系统中，凋落物分解释放的碳成为林地土壤碳库的重要碳来源，也是土壤碳周转的物质基础。统计表明，每年全球碳流通的70%左右由凋落物分解释放而来，其分解所释放的CO₂高达68 Gt^[5]。然而，有机碳易受环境因子、利用方式和管理措施影响^[3]。植物通过对土壤碳的输入和输出的调控影响有机碳质量分数，植物残体是土壤碳的主要来源，对土壤肥力的维持至关重要。不同植物残体因碳、氮、木质素质量分数及比值差异和分解难易程度而不同^[6]，进而影响土壤有机碳的稳定性^[7]。

凋落物分解过程及其对土壤有机碳的影响各异，受气候、自身质量和生物因子的影响^[8]，新鲜有机残体一般会促进土壤有机碳的矿化^[9]。外源有机物料添加量会影响微生物可利用碳底物的有效性，从而改变土壤有机碳的稳定性^[10]。然而，目前关于外源有机物料对土壤有机碳影响的研究主要集中于农田土壤，对林地土壤尤其是人工林土壤有机碳稳定性的研究尚不全面，外源有机物料的种类、粒径大小和添加量及其交互作用对土壤有机碳稳定性的影响鲜有报道。因此，本试验以豫东南人工林区潮土为研究对象，选取该地区常见且易种植的3种树种，采用室内培养试验探究不同种类、添加量、粒径大小的凋落物对土壤有机碳稳定性影响，以期为提高人工林土壤碳稳定性和土壤碳可持续管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本试验在周口师范学院校园内（33°38'N，114°40'E，海拔48 m）进行。地处亚热带气候与暖温带季风气候交界处，年均气温14.5 ℃，年均降水量600 mm，全年无霜期204 d。土壤类型为潮土，土壤成分的质量分数分别为有机质15.6 g/kg、全氮1.00 g/kg、有效磷15.8 mg/kg、速效钾141.7 mg/kg、有效锌1.18 mg/kg、有效锰5.2 mg/kg、有效铜1.18 mg/kg、有效铁6.2 mg/kg，其土壤pH为7.9。

1.2 样品的采集与处理

于2024年3月按照五点取样法采集河南省周口市人工樱花林地表层0~20 cm土壤样品1 kg。过2 mm土筛，剔除土壤中的植物根系和沙砾等杂质，装入无菌塑封袋中带回试验室。一部分土壤样品风干后用于测定总有机碳和易氧化有机碳；一部分新鲜土样用于测定总有机碳矿化、可溶性有机碳及微生物量碳。

1.3 试验设计与方法

以凋落物种类（樱花（YH）、悬铃木（WT）、杨树（YS））、添加量（0、2%、4%、6%）、粒径大小（2 mm（D）、0.25 mm（X））为变量，设置以下处理：土壤加添加量2%的2 mm樱花落叶（YHD2）、土壤加添加量4%的 2 mm樱花落叶（YHD4）、土壤加添加量6%的2 mm樱花落叶（YHD6）、土壤加添加量2%的0.25 mm樱花落叶（YHX2）、土壤加添加量4%的0.25 mm樱花落叶（YHX4）、土壤加添加量6%的0.25 mm樱花落叶（YHX6）、土壤加添加量2%的2 mm悬铃木落叶（WTD2）、土壤加添加量4%的2 mm悬铃木落叶（WTD4）、土壤加添加量6%的2 mm悬铃木落叶（WTD6）、土壤加添加量2%的0.25 mm悬铃木落叶（WTX2）、土壤加添加量4%的0.25 mm悬铃木落叶（WTX4）、土壤加添加量6%的0.25 mm悬铃木落叶（WTX6）、土壤加添加量2%的2 mm杨树叶（YSD2）、土壤加添加量4%的2 mm杨树叶（YSD4）、土壤加添加量6%的2 mm杨树叶（YSD6）、土壤加添加量2%的0.25 mm杨树叶（YSX2）、土壤加添加量4%的0.25 mm杨树叶（YSX4）、土壤加添加量6%的0.25 mm杨树叶（YSX6）、无土对照（CK0）和无基质对照（CK1），各处理设置见表1。每个处理3次重复。将各处理的含水量调整至田间持水量的60%，置于25 ℃培养箱中在黑暗条件下培养。培养期间采用称重法保持土壤含水量。

1.4 样品测定

1.4.1 土壤呼吸测定

称取20 g烘干基土质量的新鲜土壤样品，置于250 mL培养瓶中，并将其均匀铺在培养瓶底部，加入各处理的落叶。加入蒸馏水调节土样含水量为田间持水量的60%左右，同时将一个装有5 mL 0.5 mol/L NaOH溶液的离心管放置于培养瓶中，加盖密封培养瓶后置于25 ℃恒温培养箱中培养。在培养第1、2、3、5、7、10、15、20、27、34、44、60天，每天取出装有NaOH溶液的离心管，将其中的NaOH转移至250 mL的锥形瓶中，滴加2~3滴酚酞指示剂后用0.2 mol/L的HCl标准溶液滴定至红色消失，记录盐酸消耗体积，计算培养时期内不同变量下土壤CO₂累积释放量和释放速率^[10]。在培养过程中每隔2~3 d采用称重法矫正土壤含水量。

1.4.2 土壤有机碳测定

水溶性有机碳（water-soluble organic carbon，WSOC）采用去离子水浸提法测定；采用重铬酸钾外加热法测定土壤总有机碳（soil organic carbon，SOC）；用氯仿熏蒸-硫酸钾浸提法测定土壤微生物量碳（soil microbial biomass carbon，MBC）；用高锰酸钾氧化法测定土壤易氧化有机碳（readily oxidizable carbon，ROC）^[11]。

1.5 数据处理与分析

根据乌达木等^[12]给出的公式计算土壤有机碳矿化量和有机碳矿化速率。

土壤有机碳累积矿化量是指从培养开始至某一时间点CO₂释放量，采用一级动力学方程拟合^[13]，计算公式为

C ₀=C _p×（1-e^{- kt} ）。（1）

式中：C ₀为t时刻土壤总有机碳累积矿化量，mg/kg；C _p为土壤潜在可矿化碳，mg/kg；k为矿化速率常数，d^-1；t为培养天数，d。半衰期T _1/2=ln2/k。

试验数据用SPSS 26.0分析，采用邓肯法（Duncan）检验不同处理间在P=0.05的差异显著性，采用软件Sigmaplot 12.5绘图。

2 结果与分析

2.1 碳输入的改变对土壤总CO₂释放速率的影响

培养过程中，CO₂释放速率呈现先迅速加快后 缓慢降低最后趋于平稳的规律，如图1（a）所示，在第 2天CO₂释放速率达到峰值，其中，YHX6最高，为 0.93 （mg·C）/（kg·d），YHD6次之，为0.92 （mg·C）/（kg·d）。各处理土壤CO₂释放速率呈现出由高到低趋势为：YHX6、YHD6、YSD6、YSX4、YSD2、YHD4、YSX6、WTX6、YSD4、YHX4、WTX4、WTD4、YHX2、WTD6、YSX2、WTD2、WTX2、YHD2、CK1。不同种类凋落物处理下CO₂释放速率由高到低呈现出YH、YS、WT、CK1的趋势，如图1（b）所示，其中与CK1相比，YH凋落物输入土壤后第2天，CO₂释放速率最高，增幅为970.65%。大小粒径间CO₂释放速率无显著差异，小粒径CO₂释放速率稍高于大粒径处理，但在前期显著高于CK1，如图1（c）所示。随着添加量的增加，土壤CO₂释放速率也逐渐提高，2%、4%、6%添加量CO₂释放速率峰值分别为0.82、0.61、0.47 （mg·C）/（kg·d），如图1（d）所示，分别是CK1的2.73、1.77、1.14倍。整个培养过程中，CK1处理CO₂释放速率最低，其最大值仅0.22 （mg·C）/（kg·d）。31 d后，各处理CO₂释放速率介于0.07~0.20 （mg·C）/（kg·d），并趋于稳定，与CK1无明显差异。

2.2 碳输入改变对土壤CO₂累积释放量的影响

方差分析结果表明，种类、添加量和粒径×种类（×为两变量交互作用）两因素交互作用对土壤CO₂累积释放量有极显著影响（P<0.001），种类×添加量两因素交互作用及粒径×种类×添加量三因素交互作用对CO₂累积释放量有显著影响（P<0.05）。随着时间的推移，CO₂累积释放量逐渐增加，外源碳输入后CO₂累积释放量初期迅速上升之后缓慢增加。外源碳输入显著增加土壤CO₂累积释放量，外源碳输入处理分别是CK1的0.55~4.37倍，如图2（a）所示。各处理CO₂累积释放量由高到低表现为YHD6、YSD6、YHX6、YHD4、YSX6、WTX6、YHX4、YSD4、WTX4、YSX4、YHD2、YSD2、YSX2、WTD6、YHX2、WTD4、WTD2、WTX2、CK1。培养结束时YH、YS和WH处理CO₂累积释放量相较于CK1分别提高262.24%、212.74%、101.15%，如图2（b）所示。小粒径处理更有利于CO₂累积释放量的增加，如图2（c）所示，培养结束时小粒径CO₂累积释放量最高，是CK1的2倍。不同添加量均显著增加CO₂累积释放量，且6%添加量显著高于2%添加量，如图2（d）所示。

2.3 土壤有机碳矿化模拟及回归分析

由表2可知，一级动力学方程可以用于拟合土壤有机碳矿化过程（决定系数R ²>0.85）。与CK1相比，各处理均显著影响土壤潜在可矿化碳C _p，添加外源有机物料可以显著提高土壤总有机碳矿化潜力，樱花落叶的增加作用更为显著，增幅为60.79%。添加量和粒径大小对总有机碳矿化潜力也有显著影响，随添加量的增加，C _p逐渐增加，6%添加量时C _p最大为8.10 g/kg。大粒径和小粒径凋落物均显著增加C _p，但两粒径之间无差异。不同处理k介于0.02~0.06，对于不同种类凋落物而言，YH、WT、YS均显著增加k，对于不同添加量和粒径大小的凋落物同样均显著增加k。外源碳输入显著降低T _1/2，加速了土壤碳周转过程。

2.4 碳输入改变对土壤有机碳的影响

由表3可知，外源碳的种类、添加量和粒径大小及其交互作用均明显影响SOC。不同凋落物种类均显著增加SOC，但各种类之间无显著差异，凋落物输入后SOC介于1.92~2.33 g/kg。随添加量的增加，SOC逐渐增加，其中添加6%凋落物时SOC最高，为2.83 g/kg。凋落物粒径大小同样影响SOC，小粒径对SOC的增加更为显著。

凋落物输入后土壤ROC质量分数介于0.46~3.64 g/kg。外源碳的种类、添加量和粒径大小及其交互作用显著影响ROC。不同凋落物显著增加ROC，YH处理（3.30 g/kg）的增加作用最为显著。凋落物添加量显著增加土壤ROC质量分数，但不同添加量间无显著差异。凋落物粒径大小同样影响ROC，小粒径凋落物对ROC的增加更为显著。

土壤WSOC质量分数介于425.93~426.82 mg/kg。WSOC在不同种类、添加量及粒径大小下均无显著变化，各因素的两两交互和三因素交互作用均对WSOC无显著影响。

外源碳的种类、添加量和粒径大小及其交互作用显著增加MBC。不同凋落物种类均显著增加MBC，但各种类之间无显著差异。随凋落物添加量的增加，MBC逐渐增加，6%添加量土壤MBC质量分数最高（300.22 mg/kg），与CK1相比，6%添加量土壤MBC显著增加110.06%。凋落物粒径大小同样影响MBC质量分数，小粒径处理MBC增加更为显著，与CK1相比小粒径处理MBC显著增加84.86%，见表3。

2.5 碳输入改变对土壤有机碳矿化强度的影响

由图3可知，不同处理土壤有机碳矿化强度有明显差异，与CK1相比，YSD6、YSD4、WTD2处理显著增加有机碳矿化强度，YSD6处理有机碳矿化强度为12.02%，而YHX4、YHX6、WTX2、WTX4、WTX6、YSX4和YHX6显著降低有机碳矿化强度，其中，WTX2对有机碳矿化强度的降低最为显著，仅为1.67%，WTX6、WTX4和WTX2间有机碳矿化强度无显著差异。方差分析表明，凋落物种类、粒径大小、添加量对有机碳矿化强度有显著影响（P< 0.001），且两因素和三因素的交互作用对有机碳矿化强度均有显著影响（P< 0.001）。总体而言，小粒径凋落物有机碳矿化强度低于大粒径处理，高添加量凋落物有机碳矿化强度高于低添加量，而悬铃木叶对有机碳矿化强度的降低作用更为明显。

3 讨论

3.1 碳输入改变对土壤有机碳矿化的影响

土壤SOC矿化受化学保护、吸附作用、物理保护及微生物群落结构等多重因素共同影响^[14]。土壤中有机碳的矿化可以反映土壤有机质的分解和土壤中养分的可利用性。外源碳的输入能为土壤微生物群落提供易于利用的营养物质，促进土壤微生物的活动从而利于土壤有机碳矿化。炭化外源物质可增强土壤有机碳矿化，释放的CO₂主要源于其易分解态碳，同时微生物活性增加也提高了土壤CO₂的释放速率和矿化强度^[15-18]。史森^[19]研究发现木质素含量较高的秸秆不易被分解，秸秆的碳氮比与分解速率存在负相关关系。由此，不同类型的外源有机质输入土壤后均能在一定程度上促进有机碳矿化。同样地，本研究中不同凋落物均显著增加土壤CO₂释放速率、CO₂累积释放量和矿化潜力，其中樱花落叶对土壤有机碳矿化的促进最为显著，悬铃木落叶次之，杨树落叶处理土壤有机碳矿化强度较弱。小粒径处理对土壤矿化强度降低效果显著优于大粒径处理，不同添加量对土壤矿化强度影响不显著，YSD6处理有机碳矿化强度最高。樱花落叶易分解可能源于土壤环境对樱花的适应性和樱花叶中易分解成分的高质量分数，低碳氮比的樱花叶更易被微生物分解利用^[20]。不同类型的外源碳都分为易分解成分（如糖类）和难分解成分（如多酚），不同的外源有机物料其内部碳氮比和木质素质量分数等均存在差异，导致不同类型的碳输入处理对土壤碳矿化的影响规律存在一定差异。本研究中，粒径大小间有机碳矿化潜力无明显差异，但均促进了土壤有机碳的矿化。此外，添加量的增加为土壤中微生物提供了大量的底物，促进有机碳矿化进程，使得高添加量凋落物对有机碳矿化的促进更为明显。

3.2 碳输入改变对土壤有机碳质量分数的影响

土壤有机碳处于持续的腐殖化与矿化过程中，外源碳的输入会影响土壤本体有机质的分解，引发激发效应，从而改变土壤有机碳的质量分数^[10]。在本研究中，添加外源碳处理土壤有机碳的质量分数相较于对照组（CK1）呈现出明显的增高趋势，且具有显著性差异。凋落物还田能改善土壤板结，对提升土壤有机质有巨大潜力^[21]，成为研究热点。农林废弃物输入土壤后可以增加不同类型土壤有机碳质量分数、改善土壤水热条件，且输入方式不同对有机碳的影响有所差异^[22-24]。据此，外源碳的输入是提升土壤有机碳质量分数的关键前提，而不同种类的外源碳输入对土壤有机碳的影响存在显著的不同。粒径大小以及不同添加量处理的外源碳输入处理对于土壤各组分有机碳的规律与土壤有机碳矿化一致，小粒径更利于土壤各组分有机碳的累积。这主要是由于小粒径外源碳与土壤接触面积更大，更利于参与土壤碳周转过程，而高添加量为土壤带入大量的外源碳，直接增加了土壤有机碳质量分数。张晓曦等^[23]研究显示，凋落物的添加能显著提升土壤总有机碳质量分数，其有机物通过多种方式进入土壤，如溶解态、残留物、微生物转化产物及微生物残体^[24]。低碳氮比、高含量可溶性糖和氨基酸的凋落物更倾向于诱导彻底矿化有机物的微生物类群的生长并提高其代谢活性^[20，23]，由此促进凋落物自身或土壤本身的有机碳矿化（即“激发效应”）。孙宝伟等^[25]研究表明，凋落物归还量与土壤总有机碳储量存在显著的正相关关系。一方面是由于高含量的凋落物增加了土壤可矿化碳的来源和淋溶到土壤中可溶性有机碳的含量，另一方面为土壤微生物提供了更加丰富的物质能量来源以及适宜生存环境（如土壤年平均温度、年平均土壤含水量随演替升高等），从而引起土壤总有机碳及活性有机碳的显著升高。

4 结论

凋落物的种类、添加量、粒径大小对土壤总有机碳矿化和土壤有机碳质量分数都会有不同程度的影响。相较于悬铃木，杨树和樱花凋落物显著增加CO₂累积释放量和有机碳矿化潜力（C _p）。大粒级凋落物显著增加矿化速率常数（k），较小粒级凋落物更能促进土壤总有机碳的周转。随添加量的增加，CO₂累积释放量和有机碳矿化潜力逐渐增加，6%添加量下增加作用最显著。

随添加量的增加，土壤有机碳和微生物量碳显著增加，大粒径凋落物则可显著增加土壤有机碳、易氧化有机碳和微生物量碳质量分数，而不同种类凋落物有机碳及活性有机碳组分变化不明显。

土壤有机碳矿化强度结果表明，小粒径、低添加量凋落物添加有机碳矿化强度较低，而悬铃木凋落物添加后土壤有机碳矿化强度显著降低，更利于碳在土壤中的固定。因此，在周口地区人工林有机碳管理中，可以选择小粒径（0.25 mm）、低添加量（2%）的悬铃木叶（WT）作为外源有机物，用于改善土壤质量，增加土壤碳稳定性。

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基金资助

国家自然科学基金项目(32201414)

省部共建国家重点实验室开放基金项目(SKL2023KF08)