全 文 ：植物生态学报 2016, 40 (3): 236–245 doi: 10.17521/cjpe.2015.0364
Chinese Journal of Plant Ecology http://www.plant-ecology.com
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收稿日期Received: 2015-10-13 接受日期Accepted: 2016-01-18
* 通信作者Author for correspondence (E-mail: jshxie@163.com)
不同培养温度下严重侵蚀红壤的有机碳矿化特征
邱 曦1,2 吕茂奎1,2 黄锦学1,2 李 伟1,2 赵本嘉1,2 张 浩1,2 王恩熙1,2
谢锦升1,2,3*
1福建师范大学地理科学学院, 福州 350007; 2湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地, 福州 350007; 3福建师范大学地理研究所, 福州 350007
摘 要 研究侵蚀土壤有机质矿化及其温度敏感性(Q10)对深入认识水土流失地区土壤有机碳动态变化具有重要意义。该文
以福建省长汀县河田镇严重侵蚀区的裸露红壤为研究对象, 通过测定不同培养温度(10 ℃、20 ℃和30 ℃)下的土壤有机碳矿
化速率、培养过程中微生物生物量碳(MBC)和可溶性有机碳(DOC)含量的变化, 探讨了温度对严重侵蚀红壤有机碳矿化特征
的影响及其Q10。结果表明: 温度对严重侵蚀红壤有机碳矿化具有显著影响, 温度越高土壤有机碳矿化速率和矿化率越高; 培
养过程中土壤有机碳累积矿化量与MBC显著正相关, 与DOC极显著负相关, 说明微生物生物量和可利用碳含量显著影响土
壤有机碳的矿化。尽管严重侵蚀红壤有机碳含量仅为1.54 g·kg–1, 但培养180天的土壤有机碳的累积矿化率高达22.2%–33.3%,
表明侵蚀红壤有机碳容易被矿化。严重侵蚀红壤在10–20 ℃时的Q10值为1.41, 20–30 ℃时Q10值下降到1.06, 土壤有机碳质量
低是导致Q10值较低的重要原因, 而严重侵蚀区的红壤长期裸露使微生物对高温产生适应性是高温时Q10值接近1的重要原因。
因此, 在未来气候变暖的趋势下, 恢复植被覆盖对减少严重侵蚀红壤有机碳矿化损失具有重要意义。
关键词 累积矿化量; 温度敏感性; 土壤有机碳; 微生物熵; 代谢熵
引用格式: 邱曦, 吕茂奎, 黄锦学, 李伟, 赵本嘉, 张浩, 王恩熙, 谢锦升 (2016). 不同培养温度下严重侵蚀红壤的有机碳矿化特征. 植物生态学报,
40, 236–245. doi: 10.17521/cjpe.2015.0364
Characteristics of soil organic carbon mineralization at different temperatures in severely
eroded red soil
Qiu Xi1,2, LÜ Mao-Kui1,2, HUANG Jin-Xue1,2, LI Wei1,2, ZHAO Ben-Jia1,2, ZHANG Hao1,2, WANG En-Xi1,2, and XIE
Jin-Sheng1,2,3*
1School of Geographical Sciences, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China; 2State Key Laboratory Breeding Base of Humid Subtropical Mountain
Ecology, Fuzhou 350007, China; and 3Institute of Geography, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China
Abstract
Aims It is crucial to study the soil organic matter decomposition and its temperature sensitivity for in-depth un-
derstanding of soil organic carbon (SOC) dynamic changes in severely eroded red soil.
Methods We selected the severely eroded red soil on the bare land from Hetian town of Changting County as the
research object. To study the influences of temperature on SOC mineralization and their temperature sensitivity
(Q10), the SOC mineralization rate, the associated soil microbial biomass carbon (MBC), and dissolved organic
carbon (DOC) under different incubation temperatures (10, 20 and 30 °C) were measured.
Important findings The results showed that the incubation temperature significantly influenced the SOC miner-
alization. The mineralization ratio and the cumulative SOC mineralization rate increased with temperature. During
the incubation period, the cumulative SOC mineralization was positively and significantly correlated with the soil
MBC, and negatively correlated with soil DOC, indicating that soil microbes and C availability can significantly
influence the SOC mineralization. During the 180 days incubation period, the accumulation mineralization rate of
the severely eroded red soil was as high as 22.2%–33.3% under the conditions of the SOC content being only 1.54
g·kg–1, which indicates that the eroded red soil is easily mineralized. For the severely eroded red soil, its SOC
temperature sensitivity (Q10) value was 1.41 at low temperatures (10–20 °C), but decreased to 1.06 at high tem-
peratures (20–30 °C). The relatively low Q10 value at low temperatures was partly attributed to the low soil SOC
quality. Furthermore, the long-time exposure to sunshine for the severely eroded red soil in the summer leads to
the soil microbial adaptability to high temperature. As a result, its Q10 value is close to 1 at high temperatures.
©?????? Chinese Journal of Plant Ecology
邱曦等: 不同培养温度下严重侵蚀红壤的有机碳矿化特征 237

doi: 10.17521/cjpe.2015.0364
This study implies that it is of great significance to restore vegetation to minimize loss SOC caused by mineraliza-
tion of the eroded red soil under climate changes in the future.
Key words cumulative C mineralization; temperature sensitivity; soil organic carbon (SOC); microbial quo-
tients; soil metabolic quotients
Citation: Qiu X, Lü MK, Huang JX, Li W, Zhao BJ, Zhang H, Wang EX, Xie JS (2016). Characteristics of soil organic carbon min-
eralization at different temperatures in severely eroded red soil. Chinese Journal of Plant Ecology, 40, 236–245. doi:
10.17521/cjpe.2015.0364
土壤碳库约占陆地生态系统碳(C)储量的67%,
是陆地生态系统中最大的碳库(约1 500 Pg C) (Jen-
kinson et al., 1991; Hashimoto et al., 2004; Lal,
2004)。土壤碳矿化是陆地生态系统中碳循环的重要
过程, 对维持土壤碳库动态平衡起着重要作用(刘
绍辉和方精云, 1997)。温度作为土壤碳矿化的关键
调控因子备受关注。根据联合国政府间气候变化专
门委员会(IPCC)第五次报告, 从1880年到2012年,
地表和海平面的平均温度上升了0.85 ℃ (IPCC,
2013)。由于温室效应, 即使人们以后不再排放温室
气体, 地表温度也将持续上升。因此, 温度升高如何
影响土壤碳矿化已成为全球变化和碳循环研究的焦
点问题, 目前国内外有关森林、草地和水田的土壤
碳矿化及其温度敏感性的报道(艾丽等, 2007; 王清
奎等, 2007; Chatterjee et al., 2008; 王若梦等, 2013)
非常多。
我国是全球水土流失最严重的国家, 水土流失
总面积为484.74万km2, 占国土总面积的51.1% (李
智广, 2009)。福建长汀县是我国南方花岗岩地区最
典型的水土流失区, 从20世纪80年代起, 各级主管
部门相继采取许多治理措施, 水土流失得到很好的
控制, 大面积以马尾松(Pinus massoniana)为主的植
被得到不同程度的恢复(谢锦升等, 2008)。然而, 仍
存在大面积的林下裸露地, 造成严重的林下水土流
失(何圣嘉等, 2011), 而且在阳光直射下土壤温度显
著提高。因此, 研究温度如何影响裸露地土壤有机
碳的矿化过程及其温度敏感性, 对深入了解严重侵
蚀红壤有机碳动态过程及其如何响应气候变暖具有
重要意义。
本研究以福建省西部汀江上游的长汀县河田镇
未经治理的严重侵蚀红壤为研究对象, 测定了土壤
在不同培养温度(10 ℃、20 ℃和30 )℃ 下的有机碳矿
化速率和温度敏感性(Q10), 并观测了不同培养阶段
土壤的可溶性有机碳 (DOC)和微生物生物量碳
(MBC), 以及微生物代谢熵的变化特征, 旨在阐明
温度对严重侵蚀红壤有机碳矿化的影响程度及其控
制因子, 为揭示严重侵蚀红壤有机碳动态过程提供
科学依据。
1 实验材料和方法
1.1 研究地区概况
试验地位于福建省长汀县河田镇 (25.55°–
25.80° N, 116.30°–116.52° E), 海拔300–500 m。该地
区属中亚热带季风气候区, 年平均气温17.5–18.8
℃, 年降水量1 700 mm, 年蒸发量1 403 mm。平均
日照时间1 924.6 h, 平均无霜期260天, ≥10 ℃积
温4 100–4 650 ℃。地带性植被为常绿阔叶林, 但已
基本被破坏殆尽, 现有植被主要以人工种植的马尾
松和次生林为主, 树种结构单一, 生长较差。该研究
区土壤为中粗粒花岗岩发育的红壤, 抗侵蚀能力弱,
属强度土壤侵蚀区, 土壤A层流失殆尽, B层出露,
立地条件极差。2003年土壤侵蚀遥感资料显示, 河
田镇水土流失面积为13 586.83 hm2, 占全镇总土地
面积的46.68%。
1.2 土样采集及处理
2014年5月上旬, 选取立地条件基本一致的未
治理马尾松“小老头林”地, 设置3个20 m × 20 m的
标准样方进行调查。马尾松密度1 225株·hm–2, 平均
树高1.91 m, 平均胸径2.8 cm, 林下植被主要为芒萁
(Dicranopteris pedata), 盖度仅10%左右。按“S”随机
采集裸地表层0–10 cm土壤, 以12点组成一个土样,
重复3次。将采集的土样除去植物残体和石砾, 每个
样地土样分别混匀分成两份, 一份土样过2 mm筛
后置于4 ℃冰箱保鲜备用。另一份土样一部分用于
测定土壤质量含水量, 另一部分风干后过0.149 mm
筛, 用于测定土壤总有机碳、氮。采样的同时, 采用
环刀法测定土壤饱和持水量(鲁如坤, 1999)。
1.3 室内培养与土壤性质测定
根据测定的土壤含水量, 称取相当于50 g干土
质量的鲜土装入500 mL特制的培养瓶中, 并调节土
壤含水量至饱和持水量的60%, 之后用扎孔的保鲜
膜封住(既可保持通风又可防止土壤水分损失过快),
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在20 ℃恒温箱内预培养两周, 使土壤内部环境趋于
稳定。预培养结束后, 将土壤样品分别置于10 ℃、
20 ℃、30 ℃恒温培养箱中。每个温度梯度设置23
个培养瓶, 其中5个用于长期测定土壤碳矿化速率,
18个用于定期破坏性取样。培养期间每5天采用称重
法调节土壤含水量至60%饱和持水量, 同样用扎孔
保鲜膜封住。在培养第7、14、21、30、60、90、120、
150和180天抽气取样, 测定CO2浓度和计算矿化速
率。每次测定时, 先用标准压缩空气通入培养瓶中
洗气30 s, 使培养瓶内的气体稳定后用瓶盖密封,
用注射器从培养瓶橡胶口抽取10 mL气体, 注入密
闭气袋, 然后将培养瓶放回培养箱, 2 h后采用同样
的方法取气 , 用气相色谱-质谱联用仪(GC-2014,
Shimadzu, Kyoto, Japan)测定土壤培养第0、2 h的CO2
浓度, 并计算出CO2排放速率和CO2累积排放量。在
培养的第30、90、180天每次随机取出6个破坏性取
样的土壤样品, 用于测定DOC和MBC等指标。
土壤有机碳、全氮含量用碳氮元素分析仪(Vario
MAX, Elementar Analysensysteme GmbH, Hanau,
Germany)测定。测定土壤pH值时, 风干土水比为
1:2.5。土壤机械组成用土壤粒径分析系统
(SEDIMAT 4-12, UGT, Berlin, Germany)测定。浸提
得到的DOC及氯仿-熏蒸浸提法得到的MBC用总有
机碳分析仪(TOC-VCPH, Shimadzu, Kyoto, Japan)测
定。土壤微生物熵为微生物生物量碳含量与土壤有
机碳的比值(用百分比表示)。代谢熵为呼吸速率与
微生物生物量碳含量的比值(单位为h–1)。
1.4 数据计算与处理方法
1.4.1 土壤矿化速率计算

式中: F为气体排放速率(mg·kg–1·h–1); k是气体转化
为标准单位的系数(kg·m–3); V为培养瓶内总气体体
积 (m3); m为干土质量 (kg); Δc为 CO2浓度差
(μmol·mol–1; Δt为间隔时间(h); T为培养温度( )(℃ 李
杰等, 2014)。
1.4.2 土壤碳矿化Q10值计算
本研究采用Conant等(2008)采用的Q10值计算方
法, 计算公式为:

式中tc和tw分别是当土壤有机碳的矿化率相同时,
较低培养温度(Tc)和相对更高培养温度(Tw)持续的
时间。用这种计算方法获得的Q10值避免了底物供给
差异造成的低估(Luo et al., 2001)。
1.4.3 数据处理方法
采用方差分析方法比较不同温度培养下的矿化
速率、累积矿化量、Q10、活性碳含量、微生物熵和
代谢熵等指标的差异, 观测值如果出现高于平均值
2倍标准差的数据, 在分析过程中将被剔除; 采用
相关分析方法分析土壤有机碳累积矿化量与MBC、
DOC含量的关系。所有数据均用Excel 2013进行处
理, 用SPSS 19. 0进行差异显著性检验和相关分析。
采用Origin 9. 0画图软件绘制图形。
2 结果和分析
2.1 严重侵蚀红壤有机碳累积矿化量及其Q10
严重侵蚀红壤在不同温度(10、20、30 )℃ 下, 培
养前30天矿化速率较快, 之后矿化速率相对变慢
(图1)。经过180天培养, 10、20和30 ℃有机碳累积矿
化量的平均值分别为341.21、468.53、541.19 mg·kg–1,
矿化率分别为22.2%、29.7%和33.3%, 并且不同温度
间都有显著差异(p < 0.05)。
Q10是表达土壤有机碳矿化速率与温度之间关
系的较好参数, 多数研究用Q10值反映有机碳矿化


图1 不同温度下严重侵蚀红壤有机碳累积矿化量(平均值±
标准偏差)。
Fig. 1 Cumulative mineralization of soil organic carbon under
different temperatures in severely eroded red soil (mean ± SD).
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邱曦等: 不同培养温度下严重侵蚀红壤的有机碳矿化特征 239

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速率对温度的敏感性。严重侵蚀红壤碳矿化在10–20
℃和20–30 ℃的Q10值分别为1.41 ± 0.06和1.06 ±
0.10, 前者显著高于后者(p < 0.05)。
2.2 严重侵蚀红壤活性有机碳的变化
3个培养温度下, 土壤MBC均随着培养时间增
加而增加(图2A), 且培养30天后土壤MBC随温度增
加呈减少趋势。培养180天后, 10、20和30 ℃培养的
MBC平均值分别为19.21、17.57和16.65 mg·kg–1。在
整个培养过程中, 不同温度下土壤DOC含量无显著
性差异(p > 0.05), 但均随着培养时间延长呈减少趋
势(p < 0.05, 图2B), 说明温度并没有显著改变土壤
DOC含量, 培养结束时, 10、20和30 ℃土壤DOC的
含量分别比初始时(3.05 mg·kg–1)降低了80.9%、
79.9%和63.8%。
2.3 严重侵蚀红壤累积矿化量与活性碳的关系
由图3可以看出 , 土壤有机碳累积矿化量与
MBC显著正相关(p < 0.05), 与DOC极显著负相关
(p < 0.001)。这表明严重侵蚀红壤的MBC、DOC含
量能够显著影响土壤有机碳的矿化; 在培养过程中
DOC作为碳源被微生物所利用而逐渐减少。
2.4 严重侵蚀红壤的微生物熵和代谢熵
土壤微生物熵为MBC含量与土壤有机碳的比
值, 反映土壤微生物对有机碳的利用效率。从图4A
可见, 3个温度下微生物熵均随着培养时间显著升高
(p < 0.05), 其中第180天时10、20和30 ℃的平均值分
别为1.25%、1.04%和1.08%, 分别是第30天时的6.05
倍、6.41倍和2.03倍。培养初期微生物熵小, 说明微
生物对土壤有机碳的利用率低; 培养后期较初期显
著升高, 说明随着培养的进行土壤微生物有效提高
了对有机碳的利用率。但第180天时不同温度间并没
有显著差异(p > 0.05), 这是由于后期MBC含量差异
不显著导致的。
代谢熵为呼吸速率与MBC含量的比值, 代谢熵
值小, 意味着微生物呼吸消耗碳的比例较小, 建造
微生物细胞碳的比例相对较大, 对碳源的利用效率
高。从代谢熵随时间的变化(图4B)可见, 10、20和30
℃时, 代谢熵都随着培养的进行而显著降低(p <
0.05), 其中培养第180天时10、20和30 ℃下的代谢
熵平均值分别为0.07、0.14和0.13 h–1, 分别比培养第
30天时低92.7%、85.7%和75.8%; 进一步说明与培
养前期相比, 培养后期微生物对土壤碳的利用率提
高了。从温度间的差异可以看出, 培养第30天时不
同温度间代谢熵没显著差异(p > 0.05), 但是培养第
90天和180天时10 ℃下的代谢熵显著低于20 ℃和30
℃下的代谢熵(p < 0.05)。
3 讨论
3.1 温度对土壤累积矿化量和矿化率的影响
土壤有机碳矿化是土壤微生物活动的结果, 而
微生物的作用在很大程度上依赖于土壤中养分的供
应。本研究中CO2产生速率呈现出培养前期快、后
期慢的趋势, 与大多数研究结果(Balser & Wixon,
2009; 王若梦等, 2013; 李杰等, 2014)类似。在培养
前期, 土壤中有较多的有机物质为微生物提供养分,
使微生物活动强烈, 土壤有机碳矿化速率很快达到
最高峰, 累积矿化量大, 随着培养时间的延长, 培


图2 严重侵蚀红壤培养过程中微生物生物量碳和可溶性有机碳的变化(平均值±标准偏差)。不同大写字母表示同一时间不同
温度间差异显著; 不同小写字母表示同一温度不同时间差异显著(p < 0.05)。
Fig. 2 Change of microbial biomass carbon and dissolved organic matter during incubation period in severely eroded red soil (mean
± SD). Different capital letters indicate significant differences between temperature at the same time. Different lowercase letters indi-
cate significant differences between time at the same temperature at p < 0.05.
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图3 严重侵蚀红壤在不同温度下有机碳累积矿化量与微生物生物量碳(MBC)、可溶性有机碳(DOC)的关系。
Fig. 3 The relationship cumulative soil organic carbon (SOC) mineralization and microbial biomass carbon (MBC) and dissolved
organic carbon (DOC) in different incubation temperature of severely eroded red soil.


图4 不同温度培养过程中微生物熵和土壤代谢熵随时间的变化(平均值±标准偏差)。不同大写字母表示同一时间不同温度间
差异显著; 不同小写字母表示同一温度不同时间差异显著(p < 0.05)。
Fig. 4 Change of microbial quotients and soil metabolic quotients in different incubation temperatures during incubation period
(mean ± SD). Different capital letters indicate significant differences between temperature at the same time. Different lowercase let-
ters indicate significant differences between time at the same temperature at p < 0.05.


养后期土壤中主要为难分解的复杂的纤维素、木质
素等有机碳, 微生物活动相对缓和(林杉等, 2014),
累积矿化量小。在培养过程中MBC和DOC与累积矿
化量为显著线性关系(图3), 可溶性有机碳作为碳源
被微生物所利用而逐渐减少(图2B), 这些过程说明
土壤中活性有机碳是有机碳矿化的重要碳源。
温度是影响有机碳矿化的关键因素, 随着温度
的变化, 其他因素的作用也会发生相应的改变。本
研究中经过180天的培养, 10、20和30 ℃下的有机碳
平均矿化率为22.2%、29.7%和33.3%, 并且温度间有
显著性差异, 表明随着温度升高土壤有机碳矿化比
例呈递增趋势, 这与大多数研究的结果(王若梦等,
2013; 李杰等, 2014; 林杉等, 2014)一致。然而, 本
研究中侵蚀红壤的有机碳含量很低(表1), 而土壤碳
矿化率与其他研究相比却高得多(表2), 这表明严重
侵蚀红壤有机碳易被分解, 矿化潜力较高。土壤碳
的数量和质量以及微生物对碳的利用效率是影响有
机碳矿化的重要因子。本研究的土壤黏粒含量较低
©?????? Chinese Journal of Plant Ecology
邱曦等: 不同培养温度下严重侵蚀红壤的有机碳矿化特征 241

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表1 土壤基本理化性质(平均值±标准偏差)
Table 1 Physical and chemical characteristics of soil samples (mean ± SD)
实验地
Sample plot

有机碳
Organic C
(g·kg–1)
全氮
Total
N (g·kg–1)
可溶性有机碳
Dissolved organic
carbon
(mg·kg–1)
微生物生物量碳
Microbial biomass
carbon
(mg·kg–1)
砂粒
Sand
(%)
粉粒
Silt
(%)
黏粒
Clay
(%)
酸碱度
pH value
土壤含水量
Soil moisture
(%)
饱和持水量
Saturation
moisture
capacity (%)
长汀侵蚀地
Changting’s
eroded land
1.54 ± 0.06

0.35 ± 0.03

3.05 ± 0.22

19.59 ± 0.96

43.24 ±
3.00

37.85 ±
2.00

18.91 ±
3.00

4.74 ±
0.20

15.00 ±
0.25

43.00 ±
1.33



表2 不同研究区土壤有机碳矿化率的比较
Table 2 Mineralization rate respired in different study area
地点
Site
土壤类型
Soil type
土地利用类型
Land use type
培养时间
Incubation
time (d)
有机碳含量
Organic C
(g·kg–1)
矿化率
Mineralization
rate (%)
文献来源
Literature
resources
7 1.54 0.80 (20 ℃)
21 1.54 3.76 (20 ℃)
30 1.54 5.61 (20 ℃)
60 1.54 9.87 (20 ℃)
90 1.54 16.84 (20 ℃)
120 1.54 22.30 (20 ℃)
福建长汀
Changting, Fujian

红壤 Red soil


侵蚀地 Eroded land


180 1.54 29.68 (20 ℃)
本研究
This study


裸地 Bare land 20 9.23 4.12 (28 ℃) 江苏宜兴
Yixing, Jiangsu
棕红壤
Brown-red soil 杉木人工林
Cunninghamia lanceolata plantation
20

9.49

2.49 (28 ℃)

Li et al., 2007

裸地 Bare land 365 2.21 4.98 (25 ℃)
裸地 Bare land 365 4.36 2.98 (25 ℃)
裸地 Bare land 365 13.78 1.74 (25 ℃)
林地 Forest land 365 29.17 3.71 (25 ℃)
浙江
Zhejiang



红壤 Red soil



林地 Forest land 365 35.32 3.91 (25 ℃)
Xie & Zhang,
2014


福建泉头
Quantou, Fujian
红壤 Red soil

果园 Garden land

85

13.21

3.91 (25 ℃)

Wang et al., 2012
杉木人工林
Cunninghamia lanceolata plantation
21

17.00

0.09 (9 ℃)

湖南会同
Huitong, Hunan

红壤 Red soil

常绿阔叶林
Evergreen broad-leaved forest
21

31.90

0.12 (9 ℃)

Wang et al., 2007

福建三明
Sanming, Fujian
红壤 Red soil

杉木人工林
Cunninghamia lanceolata plantation
28


19.23


0.92 (28 ℃)


Shen et al., 2012
江西吉泰
Jitai, Jiangxi
红壤 Red soil

马尾松林
Pinus massoniana forest
45


9.57


1.14 (25 ℃)


Xue et al., 2014
福建武夷山
Mt. Wuyi, Fujian
红壤 Red soil

常绿阔叶林
Evergreen broad-leaved forest
110


44.77





Zhou et al., 2008
柑橘园 Citrus orchard 7 11.50 0.05 (5 ℃) 江西千烟洲
Qianyanzhou,
Jiangxi
红壤 Red soil
湿地马尾松人工林
Wetlands Pinus massoniana plantation
7

10.12

0.06 (5 ℃)

Li et al., 2014

括号内为累积矿化率的温度。
Temperature of the cumulative mineralization rate is in brackets.


(表1)。有研究表明, 黏粒含量与土壤有机碳周转时
间关系较密切, 黏粒含量低的土壤有机碳周转快,
有机质易被微生物降解(陈国潮等, 2002)。严重侵蚀
红壤团聚体稳定性低(谢锦升等, 2008), 而团聚体保
护性差的土壤有机碳的矿化率也相对较高(李忠佩
等, 2004; 朱书法等, 2005)。本研究的微生物代谢熵
为0.07–1.04 h–1, 明显高于其他研究(Grego & Ken-
nedy, 1989; 陈璟和杨宁 , 2013), 如陈璟和杨宁
(2013)对衡阳紫色土丘陵坡地不同恢复阶段土壤的
研究结果表明其微生物代谢熵为0.039–0.076 h–1,
这是严重侵蚀红壤矿化率高的重要原因。
3.2 温度对Q10的影响
Q10表示温度变化对土壤有机碳矿化速率的影
响。许多的土壤室内培养试验结果表明, 在土壤水
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242 植物生态学报 Chinese Journal of Plant Ecology 2016, 40 (3): 236–245

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表3 不同研究区土壤温度敏感性(Q10)的比较
Table 3 Temperature sensitivity (Q10) contrast of soil in different study area
气候类型
Climate type
地点
Site
土壤类型
Soil type
土地利用类型
Land use type
有机碳含量
Organic C
(g·kg–1)
Q10 文献来源
Literature resources
亚热带季风气候
Subtropical monsoon
climate
福建长汀
Changting,
Fujian
红壤 Red soil 侵蚀地 Eroded land 1.54 1.06–1.41 本研究
This study

亚热带季风气候
Subtropical
monsoon climate
福建泉头
Quantou, Fujian
红壤 Red soil 果园 Garden land 13.21 1.49 Wang et al., 2012
红壤 Red soil 柑橘园 Citrus orchard 11.50 3.40 亚热带季风气候
Subtropical
monsoon climate
江西千烟洲
Qianyanzhou, Jiangxi
湿地马尾松人工林
Wetlands Pinus massoniana
plantation
10.12 2.20
Li et al., 2014
亚热带季风气候
Subtropical
monsoon climate
广东鼎湖
Dinghu, Guangdong
赤红壤 Lateritic
red soil
针阔叶混交林 Mixed
coniferous and broad-leaved
forest
26.80 2.03 Deng et al., 2007
福建南平
Nanping, Fujian
红壤 Red soil 杉木人工林 Cunninghamia
lanceolata plantation
22.60 1.40 亚热带季风气候
Subtropical
monsoon
climate
马尾松人工林 Pinus
massoniana plantation
20.90 1.39
Wei & Ma, 2006


亚热带季风气候
Subtropical
monsoon climate
四川盆地
Sichuan Basin
红壤 Red soil

林地 Forestland
裸地 Bare land
19.26
11.98
1.25–3.25
1.54–3.68
Wang et al., 2007
亚热带季风气候
Subtropical
monsoon climate
湖南
Hunan
水稻土 Paddy soil

水稻田
Paddy field

19.20

2.11–2.78

Ren et al., 2007
干燥亚湿润气候
Dry sub-humid climate
内蒙古科尔沁沙地
Horqin sandy lands, Nei
Mongol
风沙土
Aeolian
sandy soil
裸地
Bare land
3.36


1.55–1.97


Wang et al., 2008
19.04

1.46–1.99

高原气候
Plateau climate


青藏高原
Qinghai-Xizang Plateau


草甸土
Meadow soil

封育草地
Enclosure grassland
自由放牧草地
Grazing grassland
10.30

1.41–2.11

Xu et al., 2013

原生林 Original forest 8.06 1.23–1.61 温带季风气候
Temperate monsoon
climate
吉林长白山
Changbai Mountain,
Jilin
草甸土
Meadow soil
次生林 Secondary forest 4.03 1.23–1.61
Wang et al., 2013



分不受限制的情况下, 土壤碳矿化的温度敏感性随
着温度的增加而下降。本研究中10–20 ℃和20–30 ℃
下的Q10值分别为1.41和1.06, Q10值随温度增加而下
降, 与前人的多数研究结果一致。Niklińska等(1999)
沿欧洲大陆气候样带取7个欧洲赤松(Pinus sylves-
tris)林下土壤腐殖质样品, 在持水量(WHC)为50%、
5–25 ℃下进行14周室内培养, 发现样带北部土壤在
10–15 ℃时, 土壤呼吸的Q10超过5, 但在25 ℃附近
时, Q10约为1。Leifeld和Fuhrer (2005)对采自农田和
草地的土壤样品在不同温度下连续培养发现, 在
15–25 ℃时, Q10值为5.2; 而在25–30 ℃时, Q10值为
2.8。土壤微生物作为有机碳矿化的动力, 是决定Q10
的内在因子, 同时对温度变化的响应十分敏感。本
研究中, 随着培养时间的增加, 微生物熵逐渐升高,
表明微生物对有机碳的同化效率逐渐提高, 这可能
是微生物群落中真菌逐渐增加而细菌逐渐减少的缘
故。Zhang等(2005)的研究表明: 真菌比细菌的同化
效率更高, 土壤中真菌数量增加, 而且温度升高也
会提高真菌的生物量, 促进惰性有机碳组分的分
解。土壤微生物对碳的利用效率的变化也能影响有
机碳矿化(Reichstein et al., 2000)。本研究中, 培养90
天后, 土壤微生物的代谢熵随着温度升高而增加,
这说明一定时间后有机碳矿化对温度的响应更敏
感; 因为温度升高会抑制不适应高温的细菌生长,
而促进真菌生长, 提高真菌对惰性组分的分解利用,
这一结果亦证实了我们上述的推测, 也就是说, 培
养初期细菌利用的土壤有机碳的活性组分(Zogg et
al., 1997)随着培养的进行逐渐减少(图2B); 然而微
生物生物量是增加的, 这可能是由真菌生物量的提
高引起的。Zhang等(2005)对北美高草草原人工升温
2 ℃土壤进行磷脂脂肪酸分析发现: 升温使真菌优
势度增加, 细菌优势度降低, 微生物群落结构发生
转变, 降低了土壤异养呼吸Q10。因此, 微生物群落
组成和对碳利用效率的改变可能是Q10随温度升高
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邱曦等: 不同培养温度下严重侵蚀红壤的有机碳矿化特征 243

doi: 10.17521/cjpe.2015.0364
而降低的主要原因。
周涛等(2009)的研究表明: 中国由北到南的黑
棕壤、棕壤、褐土、黄壤、红壤、赤红壤和砖红壤
的Q10值分别为1.61、1.54、1.63、2.1、1.87、2.21
和1.78。而本研究的Q10值为1.41和1.06, 低于大多数
研究结果(表3), 特别是20–30 ℃时的Q10值接近于
1。呼吸底物有效性是决定Q10的重要因子(同小娟等,
2005), 研究表明呼吸底物质量越高 , Q10值越高
(Melillo et al., 2002; Fang et al., 2005)。Macdonald等
(1999)对美国密歇根州硬木林灰土的培养研究发现:
底物质量较高的表层土壤呼吸的Q10高于底物质量
较低的底层土壤呼吸的Q10。然而, 土壤微生物对温
度的适应性对Q10具有重要影响, 本研究中的严重
侵蚀红壤长期处于裸露状态, 温度变幅大, 如夏季
地表温度高达40 ℃以上, 土壤微生物对高温的适应
可能降低土壤碳矿化的温度敏感性。Balser和Wixon
(2009)的研究表明土壤微生物群落的适应能力与土
壤有机质的质量和呼吸底物有效性无关。Lange和
Green (2005)的研究表明真菌的呼吸对土壤温度的
季节性变化有明显的适应性, 如果土壤微生物对高
温环境产生适应性, 那么在较高温度时会出现较低
的Q10 (Luo et al., 2001)。因此, 土壤微生物的适应性
也是严重侵蚀红壤Q10值在较高温度时显著低于较
低温度时的一个原因。
基金项目 国家重点基础研究发展规划(“973”计
划) (2012CB722203和2014CB954003)和国家自然科
学基金(31370465和31130012)。
致谢 感谢福建师范大学地理科学学院的任卫岭、
陈云玉、蒲晓婷、刘志江、张秋芳、周嘉聪、郑永
和游章湉等同学在实验中给予的帮助。
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责任编委: 程晓莉 责任编辑: 王 葳
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