1、冻融交替对水稻土水溶性有机碳含量及有机碳矿化的影响1精第卷第期年月土壤通报，冻融交替对水稻土水溶性有机碳含量及有机碳矿化的影响郝瑞军，李忠佩，车玉萍（中国科学院南京土壤研究所土壤与农业可持续发展国家重点实验室，江苏南京；中国科学院研究生院，北京）摘要：冻融交替影响土壤水分的有效性及土壤团聚体稳定性，进而影响土壤中微生物的活性及土壤有机碳的矿化。通过室内冻融模拟（即分别在和下处理土壤）及培养实验，研究了不同冻融交替循环处理下土壤水溶性有机碳（）、微生物生物量及土壤有机碳矿化的变化规律。结果表明，到次冻融交替处理会增加土壤中水溶性有机碳的含量，其中经过次冻融交替处理的种土壤其含量分别增加了，；但在
2、本实验条件下如果继续增加冻融交替次数则会使土壤水溶性有机碳含量减少。冻融交替处理降低土壤微生物生物量，因此也会影响土壤有机碳的矿化。冻融交替处理对培养第天的土壤有机碳矿化具有激发效应，激发能力：次冻融交替次冻融交替次冻融交替，经过次冻融交替处理后的土壤其呼吸速率与对照相比增加了；其后，冻融交替处理土壤呼吸速率迅速下降，在培养后期甚至低于对照处理。关键词：冻融交替；水稻土；水溶性有机碳；微生物生物量；有机碳矿化文献标识码：文章编号：（）中图分类号：土壤有机碳是陆地生态系统碳库的重要组成部分，其微小变化将会显著改变大气中温室气体浓度。土壤有机碳含量又是反映土壤质量高低的重要因子，直接影响了土壤的物
3、理、化学和生物学性质以及生产力的形成，其变化与系统物质的输入输出量的相对大矿化等一系列生物学过程所决小有关，由包括分解、定，受温度、水分、施肥管理等自然和人为因素制约。研究土壤有机碳矿化等过程特征，将有助于正确了解土壤有机碳含量的变化规律，为农田土壤的科学管理和全球气候变暖的有效控制等提供重要参考。冻融交替是常见的自然现象，由于气温的升降，使土壤出现冻结和融化状况。冻融过程不仅使土温发生明显变化，而且显著改变水分状态和分布，直接影响土壤的物理性质和微生物活性，导致土壤生物化学过程速率的变化。关于冻融对土壤物理、化学和生物学性质影响的研究，国外文献有较多的报道，特别是冻融交替对排放的影响近年受到
4、重视，而国内相关的工作尚较少。本文选择太湖地区的水稻土（黄泥土），通过布置室内试验，研究冻融交替处理后土壤水溶性有机碳含量、微生物生物量以及土壤有机碳矿化量的变化情况，结果将对深入了解该地区水稻土有机碳的循环机制提供重要参考意义。选择江苏省常熟市谢桥镇明晶村水稻示范区内相邻的不同有机碳含量水平的个田块作为采样区。该区地处北亚热带，属湿润季风气候，年平均气温，最高气温，最低气温，年降雨量常规轮作措施为，年日照，无霜期。稻麦两熟制，每年月左右种植冬小麦，次年月左右收割后，种植水稻并于同年月收割。土壤样品于年月小麦收割后水稻种植前采集，在选定的田块上，采用多点混合法采集表层土壤样品，新鲜样品装入塑料
5、袋包扎好并迅速带回实验室，挑去肉眼可见的细根和石块等后分成两份，一份过筛并保存在下备用；另一份自然风干后磨细，备用。供试土壤的基本理化性状见表。表供试土壤的基本理化形状土壤有机碳全氮微生物生物量碳微生物生物量氮（）（）（）（）实验设计在室内条件下，取上述备用土壤，调节土壤含水材料与方法供试土壤量为其最大含水量的，在开始冻融交替处理前，所有样品在恒温培养箱中预培养一周，以使土壤收稿日期：；修订日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）资助作者简介：郝瑞军（），男，陕西府谷人，硕士研究生，主要从事土壤生物与生物化学研究。：通讯作者：期郝瑞军等：冻融交替对水稻土水溶性有机碳含量及有机碳矿化的影响从状态
6、下恢复到常温状态。每一种土壤共设个处理，其中对照为没有进行冻融交替处理（），其余三个处理分别为进行次冻融交替（），次冻融交替（）以及次冻融交替（）。具体的每一次冻融交替处理依照的方法，但略做改变，简述如下：首先称取土壤并调节含水量为其最大含水量，置于低温培养箱中密封放置，使其在低温条件下冷冻，然后转移到恒温培养箱中培养使其融解，为一次循环。冻融处理结束后的微生物生物量测定以土壤样品，立即进行土壤、及土壤有机碳矿化培育试验。次冻融处理后其含量就达到最高，比对照高；而经过次与次处理后，其含量不断下降，幅度分别为和。土壤在第次冻融处理后仍呈上升趋势，说明此时仍有较多的从土壤中释放出来，这可能与该土本
7、来有机碳含量较高有关。一般认为，有机碳含量高的土壤具有较好的土壤结构，土壤团聚体较稳定，被土壤团聚体包裹的有机碳逐步释放。而土壤在第次处理后就达到最大，说明有机碳含量较低的土壤团聚体较易解聚，冻融后土壤有机碳很快释放出来。相关分析（）表明，土壤水溶性有机碳最大含量与土壤总有机碳量（）之间的相关系数达。土壤有机碳矿化培养试验采用碱液吸收法测定培育过程中土壤有机碳矿研究表明冻融交替循环对土壤中水溶性有机碳含量有重要影响。冻融交替处理影响土壤中水分的有效性及运动方向，导致一部分微生物死亡并分解，从而释放出一些小分子糖，氨基酸等，增加了土壤中有机物质的含量，因此也增加了土壤中水溶性有机碳的含量。同时前
8、期冻融交替能导致土壤团聚体稳定性下降。而土壤团聚体被认为是决定土壤含量的一个重要因子，土壤团聚体稳定性的破坏，有利于被土壤包裹吸附着的小分子物质提前解聚出来，因此也会进一步增加土壤中水溶性有机碳的含量。但随着冻融循环次数的增加，土壤微生物逐渐适应了这种变化，使得被冻融交替处理致死的微生物绝对量在减少，同时随着处理次数的增加，从土壤团聚体中释放出来的水溶性有机碳量在下降，而土壤中原有的水溶性有机碳含量却在不断的被活着的微生物利用分解，因此其含量在多次冻融交替处理后会有下降的趋势。而土壤中含量的变化是由土壤中死掉的微表冻融交替处理对土壤水溶性有机碳含量（）的影响土壤化量，称取相当于风干土样的经过不
9、同次数冻融交替处理的上述土壤于培养瓶中平铺于瓶底部，再次根据土壤含水量及土壤最大持水量计算出最大持水量时的需水量，均匀地加入铺于瓶底的土壤中。然后将盛有溶液的特制容量瓶小心地置于培养瓶内，将培养瓶加盖密封，在的恒温培养箱中培养，每一处理设次重复。在培养的、天取出容量瓶，将其中溶液完全洗入三角瓶中，然后加入溶液及滴酚酞指示剂后用标准酸滴定至红色消失，根据的释放量计算培养期内土壤有机碳的矿化量。分析方法土壤值采用电位法（水土比：），土壤有机碳采用重铬酸钾容量法，土壤全氮用半微量开氏法，土壤微生物生物量碳、氮采用氯仿熏蒸提取法测定，。土壤测定按以下步骤进行：称取一定量经过冻融交替处理的土壤样品按水土
10、比加入超纯水后振荡，然后在转速下离心，取上清液过醋酸纤维滤膜，滤液中有机碳采用日本岛津公司（）碳自动测定仪测定。平均结果与分析冻融交替处理对土壤水溶性有机碳（）含量的影响冻融交替处理后对土壤水溶性有机碳含量有明显的影响。结果表明（表），随着冻融交替处理次数的增加土壤水溶性有机碳（）含量出现先增大后减小的趋势。但变化趋势随土壤有机碳含量不同而异，土壤在第次和第次冻融处理后，分别比对照处理上升了和；而第次处理后，含量开始下降，但仍然高于对照土壤。土壤则在第生物所释放出来的量、从土壤中新释放出来的量以及被矿化分解掉的量的相对多少综合作用的结果。冻融交替处理对土壤微生物生物量的影响结果表明（图），经过
11、次冻融处理后，土壤微生物生物量碳及氮相对于对照只有极小的下降；而土壤微生物生物量碳下降，微生物生物量氮则增土壤通报第卷加。次冻融交替处理后，土壤微生物生物量碳与对照相比下降，微生物生物量氮下降；土壤微生物生物量碳下降，而微生物生物量氮与对照相比没有明显变化；次处理后，土壤微生物生物量碳与对照相比下降为，微生物生物量氮下降，均达到显著水平；土壤微生物生物量碳，氮均与对照相当。冻融交替处理下两种土壤微生物生物量出现了不同的变化规律，可能是冻融处理后土壤内部微生物群落发生了演替，细菌与真菌之间相互消长而造成的。但总的来说经过冻融交替处理后土壤微生物生物量会有下降的趋势，特别是对本底有机碳和微生物生物
12、量高的土壤这种影响更大。土壤微生物是土壤中最活跃的组成部分，其对外界的变化也最敏感最快速，因此经常被用来作为土壤变化的指标。研究表明，冻融交替会像干湿交替和土壤熏蒸等一样对微生物产生杀灭作用，即会降低土壤中微生物的数量，造成微生物的死亡。等也有相同的结论，认为次冻融交替可以对土壤微生物致死率达到。而研究表明经过到次冻融交替循环后，微生物数量与活性会有一个显著的下降，而后继续冻融交替处理则影响不大。本研究结果表明，次冻融交替处理对土壤微生物生物量影响最大，其中下降；下降。而次冻融交替处理对土壤微生物生物量影响最大，下降；下降。不同土壤的微生物生物量随冻融交替过程的变化可能是因其有机微生物量氮（）
13、土壤土壤土壤土壤图氮变化，碳含量差异、团聚体特性变化等所致，其具体机理还需进一步研究。以被活着的微生物做为底物直接利用，加速其矿化过程。同时也表明冻融交替循环处理对土壤有机碳矿化速率的最大激发效应出现在第次冻融交替处理后，而后随着冻融交替循环次数的增加，微生物逐渐适应冻融交替处理对土壤有机碳矿化的影响冻融处理能激发土壤中微生物的呼吸强度，促了这种变化，因此其激发能力也会逐渐减小。据此推测，经过若干次冻融交替处理后，土壤有机碳矿化速率与对照相比可能没有明显区别。而就整个培养期内土壤日均矿化量随培养时间的动态变化来说，经过冻融处理后的土壤与对照并没有表现出差异（图）。在培养第天后，所有处理其日均矿
14、化量相对于第天均有明显的下降。而后在天的培养时间内，各处理虽有微小的波动，但基本上保持一个相对稳定的状态。在培养后期，所有处理日均矿化量均是对照土壤为最高，次冻融交替处理土壤最低。各处理之间土壤日均矿化速率差异并没有达到显著水平，说明冻融交替处理后，土壤经过一段时进其对土壤中营养元素的消耗利用，增加向大气中排放。图为不同冻融交替循环处理后土壤有机碳日均矿化量随培养时间的动态变化。结果表明，经过次冻融交替处理后，土壤、有机碳日均矿化量相对于对照处理分别增加了，平均为；次冻融交替处理后，有机碳日均矿化量分别比对照增加了，平均为；次冻融处理后增加了，平均为。这与的结果一致，即冻融交替处理对土壤有机碳
15、第天的矿化速率均表现出激发效应。其原因在于冻融交替造成土壤中微生物的死亡，而这些死亡的微生物体又可期郝瑞军等：冻融交替对水稻土水溶性有机碳含量及有机碳矿化的影响间恢复其对土壤有机碳矿化的影响在逐渐减小。为微生物提供充足的底物，有利于其在环境变化后的快速适应，因此有利于其生长恢复。但通过本项研究并没有得出类似结论。种供试土壤经冻融交替处理后与对照相比，在培养后期土壤有机碳矿化速率基本研究表明，对于有机碳含量高，土壤肥力较高的土壤，其经过冻融交替处理后，土壤的各种功能恢复也快，这主要是因为肥力较高的土壤能够上都保持相对稳定状态，并没有显示出有机碳含量高的土壤其矿化速率恢复也快的结果。图为不同冻融交
16、替处理土壤第天（图，）和（图，）内土壤有机碳累计矿化量。从中可以看天出，经过冻融交替处理后的土壤在第天内的有机碳累计矿化量均高于对照处理，说明冻融交替对土壤第者不足以相互抵消而造成的。由于本实验并没有考虑在冻融交替过程中有机碳的矿化损失，只是研究冻融交替处理后短期内有机碳的矿化规律，因此不能认为冻融交替有利于土壤有机碳的积累，但至少可以说明经冻融交替处理后的土壤，虽然在开始有一个激发效应，但在短期内并没有加速土壤有机碳的矿化分解。（碳）因为其机等研究认为土壤中有机质构及组成不同而具有不同的矿化速率。一般认为，土壤有机碳是由一组容易被微生物利用的活性成分和一组相对稳定难以被微生物利用的难降解组分
17、组成，天有机碳的矿化有激发效应；而天内累计矿化量均低于对照土壤，说明虽然冻融交替处理能激发土壤有机碳前期的矿化速率，但在培养后期经冻融交替处（图），且两理土壤其有机碳矿化速率低于对照处理图冻融交替处理对土壤有机碳累计矿化量（）的影响（）土壤通报第卷而土壤有机碳短期内矿化被认为是活性组分首先被微生物利用，因此这一部分也通常用来研究土壤中潜在可矿化态有机碳或生物活性有机碳变化。采用有机碳活性组分矿化的三种非线性回归模型的激发效应，因此表现为冻融交替处理后对土壤有机碳矿化产生抑制作用，从上文回归方程中值大小也说明冻融交替处理后，土壤有机碳日均矿化速率均低于对照土壤。参考文献：，：，刘绍辉，方精云土壤
18、呼吸的影响因素及全球尺度下温度的影响生态学报，（）：（）（）（），其中为时间内土壤有机碳累计矿化量，为土壤易分解有机碳，为有机碳矿化速率常数及线性回归模型（）来拟合不同冻融交替循环处理后的土壤有机碳累计矿化量与培养时间的关系。结果表明（表（）有机碳累计），冻融交替处理后的土壤短期内矿化量与培养时间之间有很好的线性关系，两者之间的相关性都达到极显著水平（）。表中为通过回归计算出的土壤有机碳日均矿化速率，为培养开始时土壤中存在的易分解有机碳，是土壤活性碳库的组分。通过比较值发现经冻融处理过的土壤其有机碳日均矿化速率均低于对照处理，也可以说明冻融交替后土壤在短期的培养期内并没有加速土壤有机表有机碳累
19、计矿化量随时间变化的线性回归方程参数（）处理朴河春，刘广深干湿交替和冻融作用对土壤肥力和生态环境的影响生态学杂志，（）：，!，（）：，（）：，（）：，（）：，：，（）：孙波，车玉萍测定土壤有机质中及分解速率的密闭培养法土壤，（）：土壤（）（）土壤（）（）中国科学院南京土壤研究所编土壤理化分析上海：上海科学技碳的矿化。而（除土壤经处理外）都高于对照土壤则说明冻融交替处理造成了土壤中水溶性有机碳的溶出。术出版社，鲁如坤主编土壤农业化学分析法北京：农业科技出版社，李忠佩，焦坤不同提取条件下红壤水稻土溶解有机碳的含量变化土壤，（）：结论冻融交替对土壤水溶性有机碳及微生物生物量，：，：李忠佩，张桃林可溶
20、性有机碳含量动态及其与土壤有机碳矿化的关系土壤学报，（）：都有重要影响。随着冻融循环次数的增加，土壤中水溶性有机碳含量呈现先增大后减小的趋势；同时，冻融交替降低土壤中微生物生物量，因此也必然会影响土壤中一些生理生化反应。土壤有机碳矿化速率的大小主要受土壤中活性有机碳的含量以及土壤微生物来决定。经过冻融交替处理后的土壤，其呼吸强度增加与否则很大程度上取决于这两方面的消长关系。本研究选用土壤为太湖地区多年老水稻土，土壤肥力相对较高，可被微生物直接利用的底物丰富，微生物活跃，所以经过冻融交替处理后对微生物本来造成的影响可能大于因冻融交替释放出来的新的底物，（）：，（）：，（）：期郝瑞军等：冻融交替对水稻土水溶性有机碳含量及有机碳矿化的影响，
