全 文 ：中国生态农业学报 2016年 1月 第 24卷 第 1期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Jan. 2016, 24(1): 816


* 国家自然科学基金项目(41271315, 41571296)、教育部新世纪优秀人才支持计划(NCET-13-0487)和西北农林科技大学优秀青年人才科
研专项(2014YQ007)资助
** 通讯作者: 魏孝荣, 主要从事生态系统物质循环研究。E-mail: xrwei78@163.com
马天娥, 研究方向为土壤物质循环。E-mail: mate026@163.com
收稿日期: 20150629 接受日期: 20151105
* The study was supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 41271315, 41571296), the Program for New Century
Excellent Talents in University of Ministry of Education of China (No. NCET-13-0487) and the Northwest A&F University Outstanding
Young Talent Research Project (No. 2014YQ007).
** Corresponding author, E-mail: xrwei78@163.com
Received Jun. 29, 2015; accepted Nov. 5, 2015
http://www.ecoagri.ac.cn
DOI: 10.13930/j.cnki.cjea.150740
长期施肥措施下土壤有机碳矿化特征研究*
马天娥1 魏艳春1 杨宪龙1 魏孝荣1,2** 王玉红3 郝明德1 张兴昌1
(1. 西北农林科技大学资源环境学院 杨凌 712100; 2. 西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室
杨凌 712100; 3. 中国科学院水利部水土保持研究所 杨凌 712100)
摘 要 研究长期不同施肥措施下旱作农田土壤有机碳的矿化特征及其温度敏感性可为加深理解土壤碳循环
过程提供理论依据。本文以半干旱黄土区粮豆轮作体系为研究对象, 通过两种不同温度(15 ℃和 25 ℃)的室
内培养试验, 分析了长期不同施肥措施下土壤有机碳矿化的动力学特征及其温度敏感性。研究结果表明, 土壤
有机碳矿化速率在培养初期较高, 之后缓慢下降。施肥措施和培养温度对土壤有机碳矿化均具有显著影响。
与不施肥对照(CK)相比, 在 15 ℃培养条件下, 长期单施磷肥(P)、氮磷配施(NP)和氮磷有机肥配施(NPM)处理
的土壤有机碳累积矿化量(Cmin)分别增加 41%、85%和 89%, 在 25 ℃培养条件下, 分别增加 7%、46%和 77%。
另外, 与 CK处理相比, P、NP和 NPM处理土壤有机碳矿化的温度敏感性(Q10)分别降低 25%、21%和 6%。施
肥改变了土壤有机碳矿化的动力学参数, 其改变程度与施肥种类和培养温度有关。与 CK处理相比, 在 15 ℃
培养条件下, P、NP和 NPM处理的土壤潜在矿化有机碳量(Cp)分别增加 29%、65%和 48%; 在 25 ℃培养条件
下, NP和 NPM处理的 Cp分别增加 2%和 21%, 而 P处理则减少 36%。不同施肥处理土壤有机碳矿化速率常数(k)在
15 ℃培养条件下变化较小, 在 25 ℃培养条件下则有较大幅度的增加。在 25 ℃培养条件下, Cmin和 Cp随土壤
有机碳和全氮含量的增加而显著增加。可见, 长期施肥显著促进了半干旱黄土区粮豆轮作体系土壤有机碳的
矿化, 减弱了土壤有机碳矿化的温度敏感性。
关键词 旱作农田 粮豆轮作 长期施肥 土壤有机碳矿化 温度敏感性
中图分类号: S153.6 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2016)01-0008-09
Mineralization characteristics of soil organic carbon under
long-term fertilization management*
MA Tian’e1, WEI Yanchun1, YANG Xianlong1, WEI Xiaorong1,2**, WANG Yuhong3,
HAO Mingde1, ZHANG Xingchang1
(1. College of Resources and Environment, Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 2. State Key Laboratory of Soil
Erosion and Dry Land Farming in the Loess Plateau, Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 3. Institute of Soil and
Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling 712100, China)
Abstract Mineralization of soil organic carbon (SOC) is a vital link in carbon cycle in terrestrial ecosystems and has a
significant effect on soil productivity and CO2 exchange in the soil-atmosphere system. Studies on the response of SOC
mineralization and its temperature sensitivity to long-term fertilization could provide essential information for the
understanding of SOC dynamics in semiarid agro-ecosystems. In this paper, we analyzed the characteristics of SOC
mineralization for soils collected from legume-grain rotation systems with 27 years of application history of different
第 1期 马天娥等: 长期施肥措施下土壤有机碳矿化特征研究 9


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fertilizers in the semiarid Loess Plateau of China. We also analyzed SOC mineralization sensitivity to temperature and its
response to different fertilizations. The objective of the study was to build a deeper insight into how SOC mineralization
responds to long-term fertilization in semiarid agro-ecosystems. The results showed that SOC mineralization rates were high at
the initial stage and then slowly decreased at different temperature (15 and 25 ) and fertilization ℃ ℃ treatments. Fertilization
and cultivation temperature significantly influenced SOC mineralization. Compared with the no fertilization treatment (control),
long-term application of phosphorus (P), combined nitrogen and phosphorus (NP), and combined nitrogen, phosphorus manure
(NPM) increased cumulative mineralized SOC (Cmin) by 41%, 85% and 89%, respectively, at 15 ℃, and by 7%, 46% and 77%,
respectively, and 25 ℃. Also compared with control, P, NP and NPM application conditions decreased SOC mineralization
sensitivity to temperature by 25%, 21% and 6%, respectively. Long-term fertilization changed the parameters of SOC
mineralization, which varied with fertilizer type and cultivation temperature. SOC mineralization potential (Cp) of P, NP and
NPM treatments increased by 29%, 65% and 48%, respectively, compared with that of control at 15 ℃. However, at 25 ℃, Cp
increased by 2% under NP condition, increased by 21% under NPM condition, and decreased by 36% under P treatment
compared with that under control. SOC mineralization constant (k) varied slightly at 15 ℃, but greatly increased due to
fertilization at 25 ℃. Additionally at 25 ℃, cumulative Cmin and Cp were enhanced positively with increasing of both SOC
and soil total nitrogen content. But at 15 ℃, Cmin and Cp were barely positively correlated with SOC and soil nitrogen. In
conclusion, long-term fertilization increased SOC mineralization in legume-grain rotation systems in semiarid Loess Plateau,
and decreased SOC mineralization sensitivity to temperature.
Keywords Semiarid agro-ecosystem; Legume-grain rotation; Long-term fertilization; Soil organic carbon mineralization;
Temperature sensitivity
土壤有机碳是土壤的重要组成部分, 也是土壤
质量的核心, 在土壤养分供应、生物活动、生态系统
物质循环以及结构和功能变化等方面意义重大[12]。
土壤有机碳的矿化是陆地生态系统碳循环过程的重
要环节 , 对土壤生产力的持续性和土壤大气系统
CO2 交换等具有显著影响[34]。一方面, 土壤有机碳
的矿化使得土壤中活性有机碳含量逐渐降低, 土壤
生物性质、物理性质和肥力状况等均会相应发生变
化[56]。另一方面, 有机碳矿化过程使得土壤向大气
释放的 CO2 数量增加, 大气温室效应增强, 气温升
高反过来又促进了土壤有机碳的矿化, 从而形成有
机碳矿化温度升高之间的正反馈效应 [78]。因此 ,
深入认识不同类型生态系统土壤有机碳的矿化特征
及其影响因素对于开展土壤管理和应对气候变化等
工作具有重要的实践意义[4]。
不同生态系统土壤有机碳矿化特征差异很大。
吴建国等[9]对祁连山中部 4 种典型生态系统的研究
表明, 高寒草甸和山地森林的土壤有机碳矿化速率
和土壤有机碳矿化速率比例均显著高于荒漠草原。
另外, 土壤管理措施也会影响有机碳的矿化。代景
忠等[10]研究发现, 草地封育后会降低土壤有机碳的
矿化速率和温度敏感性; 张旭博等 [11]研究发现, 施
肥显著提高了土壤微生物量碳和可溶性有机碳含量,
进而提高了土壤有机碳的矿化速率和矿化量。此外,
土壤有机碳的矿化也受环境因素和土壤性质的影
响。在环境因素中, 温度是影响土壤有机碳矿化的
主要因子[1213]。温度通过影响根系和微生物的代谢
活动以及各种酶的活性控制土壤有机碳的分解[1415]。
在一定范围内, 土壤有机碳的累积矿化量和矿化速
率均随温度的升高而增加。温度对土壤有机碳矿化
的影响通常用温度敏感性(Q10)表示。Q10表示温度每
升高 10 ℃时, 土壤呼吸速率增加的倍数[12,16]。目前,
关于土壤有机碳矿化的温度敏感性问题, 研究者已
开展了大量的研究。例如, 吴建国等[17]通过 61 d的
室内培养试验发现, 祁连山北坡云杉(Picea asperata)
林和草甸土壤有机碳矿化的 Q10 变化范围为 1~2。
Bond-Lamberty 等 [18]的研究结果表明, 全球尺度土
壤呼吸的 Q10介于 1.5左右。然而, 这些研究主要集
中在自然生态系统, 对于人为干预频繁的旱作农田
生态系统关注较少。施肥作为农田生态系统的一个重
要管理措施, 可以显著影响土壤有机碳的含量[19]。例
如, 焦晓光等[20]研究了连续 28年施用不同肥料后黑
土和暗棕壤的土壤养分特征, 结果表明, 与不施肥
对照相比, 各施肥处理均显著增加土壤有机质和氮
磷钾养分含量。此外, 施肥措施还可以改变有机碳
的组成和存在状态[21], 从而对有机碳的矿化产生影
响。因此, 亟需开展长期不同施肥措施下土壤有机
碳矿化特征和温度敏感性的研究。
粮豆轮作体系是半干旱黄土区被广泛采用的
一种种植制度。与作物连作相比, 粮豆轮作可以增
强土壤碳汇功能和农田生态系统的生物多样性 [22],
对于该区域粮食生产和畜牧业发展意义重大。本文
以粮豆轮作种植体系为研究对象 , 采集土壤样品
进行两种不同温度(15 ℃和 25 )℃ 的室内矿化培养
10 中国生态农业学报 2016 第 24卷


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试验, 研究了长期不同施肥措施下土壤有机碳的矿
化特征、温度敏感性以及土壤有机碳矿化与土壤
碳氮之间的关系 , 以期为该区域土壤有机碳的管
理和未来气候变化情景下预测土壤有机碳变化提
供依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
试验在中国科学院长武黄土高原农业生态试验
站进行。试验站成立于 1984年, 位于陕西省长武县,
海拔 1 200 m。研究区为典型的黄土高原沟壑区, 土
壤类型为黄盖黑垆土, 成土母质为马兰黄土。气候
类型为暖温带半湿润大陆性季风气候, 年日照时数
2 226.5 h, 日照百分率 51%, 年总辐射 483.7 kJcm3,
年均气温 9.2 , ℃ 塬面全年>0 ℃积温为 3 029 , ℃ 多
年平均无霜期 171 d; 年降雨量 578 mm, 年内降雨主
要集中在 7—9 月份, 占全年降雨量的 53%。试验开
始时测得土壤的基本理化性状为: 有机碳 6.09 gkg1,
全氮 0.8 gkg1和全磷 0.7 gkg1。
1.2 试验设计
长武黄土高原农业生态试验站长期定位试验布
设于 1984年, 包括不同作物种植系统(玉米连作、小
麦连作、苜蓿连作、粮豆轮作)和施肥处理。本研究
选取粮豆 3年轮作种植系统进行研究。试验共包含
4个施肥处理, 分别为: 不施肥(CK)、单施磷肥(P)、
氮磷肥配施(NP)和氮磷有机肥配施(NPM)。每个处
理重复 3次, 共 12个小区。小区长 10.3 m, 宽 6.5 m。
作物轮作方式为豌豆小麦小麦+糜子。施用的氮肥
为尿素, 磷肥为过磷酸钙, 有机肥为牛粪。P 处理
施肥量为 26.2 kg(P2O5)hm2a1, NP处理施肥量为
120 kg(N)hm2a1+26.2 kg(P2O5)hm2a1, NPM处理
施肥量为 120 kg(N)hm2a1+26.2 kg(P2O5)hm2a1+
75 thm2a1(牛粪)。有机肥中有机碳、全氮和全磷
含量分别为 17.68 gkg1、1.97 gkg1和 0.97 gkg1。
肥料于作物播种前撒施于地表, 然后翻耕土壤。其
中, 不同施肥处理土壤的基本理化性质见表 1。
表 1 不同施肥处理土壤的基本理化性质
Table 1 Basic physicochemical properties of soils under different fertilizer treatments
处理
Treatment
pH
有机碳
Organic carbon
(gkg1)
全氮
Total nitrogen
(gkg1)
全磷
Total phosphorus
(gkg1)
速效磷
Olsen phosphorus
(mgkg1)
速效钾
Available potassium
(mgkg1)
碱解氮
Alkali-hydrolysis
nitrogen
(mgkg1)
CK 7.85 8.37 0.75 0.68 2.84 149.88 38.71
P 7.83 8.98 0.79 0.91 25.12 140.11 41.21
NP 7.82 10.07 0.95 0.93 18.85 142.79 55.07
NPM 7.80 13.19 1.21 1.06 47.28 301.67 72.24
CK: 不施肥; P: 单施磷肥; NP: 氮磷肥配施; NPM: 氮磷有机肥配施。下同。CK: no fertilization; P: single application of 26.2 kg(P2O5)hm2a1; NP:
combined application of 120 kg(N)hm2a1 and 26.2 kg(P2O5)hm2a1; NPM: combined application of 120 kg(N)hm2a1, 26.2 kg(P2O5)hm2a1
and 75 t(cow manure)hm2a1. The same below.

1.3 样品采集与处理
于 2011年 9月在每个小区内按“S”形随机采集 5
个点 0~20 cm 土层土壤样品并组成混合样品, 带回
实验室风干后, 剔除凋落物、植物根系等杂物。其
中, 一部分土样研磨过 2.0 mm筛供矿化培养用; 另
一部分土样研磨过 0.25 mm筛以供土壤有机碳和全
氮的测定。土壤有机碳用重铬酸钾外加热法测定 ,
全氮用凯氏定氮法测定[23]。
1.4 土壤有机碳矿化培养试验
本试验采用室内恒温培养、碱液吸收法测定土
壤有机碳的矿化量。具体步骤为: 称取 10.0 g 土壤
样品于 250 mL玻璃组培瓶中, 并使其均匀覆盖底部,
然后用蒸馏水调节水分含量达到田间持水量的 60%;
将盛有 5 mL 0.5 molL1 NaOH溶液的卡口瓶小心地
放置于组培瓶内, 并将组培瓶加盖密封, 分别置于
15 ℃和 25 ℃的生化培养箱中恒温培养(每处理均 3
次重复)。于培养后的第 2 d、4 d、8 d、15 d、22 d、
29 d、36 d、43 d、50 d和 57 d取出吸收瓶, 将其中
的溶液完全转移到 250 mL 三角瓶中。然后 , 加入
1 molL1 BaCl2溶液 2 mL 及 2 滴酚酞指示剂 , 用
0.5 molL1 的盐酸溶液滴定至红色消失, 根据 CO2
的释放量计算培养期内不同处理的土壤有机碳矿化
量。培养过程中, 用称重法定期校正土壤含水量。
同时每个温度下设置 6 个不加土样的组培瓶作为空
白对照。
1.5 数据分析
土壤 CO2-C的累积过程符合一级反应动力学方
程, 因此采用一级动力学方程对有机碳累积矿化量
进行拟合, 其表达式为:
min p (1 e )
ktC C   (1)
式中: Cmin为经过 t(d)时间后土壤有机碳的累积矿化
量(gkg1), Cp为土壤潜在矿化有机碳量(gkg1), k为
第 1期 马天娥等: 长期施肥措施下土壤有机碳矿化特征研究 11


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有机碳矿化速率常数(d1), t为培养天数(d)。
本试验中数据的方差分析与作图采用 JMP软件
(v10.0)和 SigmaPlot 12.5进行。
2 结果与分析
2.1 不同施肥处理土壤有机碳的矿化特征
两种培养温度下不同施肥处理土壤有机碳矿
化速率(v)随培养时间的动态变化如图 1所示。培养
初期, 土壤有机碳矿化速率(v)迅速升高, 并在第 2 d
左右达到高峰, 之后随着培养时间的延长而缓慢下
降。至第 57 d培养结束时, NPM处理在 15 ℃下其
土壤有机碳矿化速率(v)为 0.028 gkg1d1, 分别是
NP、P和 CK处理的 1.02倍、1.34倍和 1.89倍, 在
25 ℃下为 0.041 gkg1d1, 分别是 NP、P和 CK处
理的 1.21 倍、1.66 倍和 1.77 倍。土壤有机碳矿化
速率 (v)在两个培养温度下均呈现 NPM>NP>P>
CK 的趋势 , 表明施肥有利于土壤有机碳矿化速率
的提高。

图 1 两种培养温度下不同施肥处理土壤有机碳(SOC)的矿化速率(v)及累积矿化量(Cmin)
Fig. 1 Mineralization rate and cumulative mineralization of soil organic carbon (SOC) for different fertilization treatments under
two cultivation temperatures
从图1可以看出, 两个培养温度下(15 ℃和 25 ), ℃
不同施肥处理土壤在前 22 d 其有机碳累积矿化量
(Cmin)增加较快, 从第 22 d开始至培养结束时增加较
为缓慢。另外, 在两个培养温度下, 土壤有机碳累积
矿化量(Cmin)也呈现出 NPM>NP>P>CK 的趋势。方
差分析结果表明, 在 15 ℃培养温度下, NPM和 NP
处理土壤有机碳矿化速率(v)和累积矿化量(Cmin)均
显著高于 CK处理(P<0.05), 但两者之间差异不显著
(P>0.05); 在 25 ℃培养温度下, NPM处理土壤有机
碳矿化速率(v)和累积矿化量(Cmin)均显著高于 P 处
理和 CK处理(P<0.05), P处理和 CK处理之间没有
显著差异(P>0.05), 同时 NP 处理土壤有机碳矿化
速率 (v)和累积矿化量 (Cmin)也显著高于 CK 处理
(P<0.05)。
2.2 不同施肥处理土壤有机碳累积矿化量
在本试验 57 d的培养期内, 土壤有机碳累积矿
化量(Cmin)介于 1.0~2.8 gkg1, 矿化碳(Cmin)占有机
碳(C0)的比例(Cmin/C0)介于 0.11~0.23, 且 25 ℃培养
条件下的 Cmin和 Cmin/C0均显著高于 15 (℃ P<0.05)
(图 2)。CK、P、NP和 NPM处理在 25 ℃培养条件
下的 Cmin较 15 ℃培养条件下分别提高 57%、19%、
24%和 47%, 各处理的 Cmin/C0较 15 ℃培养条件下分
别提高 73%、20%、22%和 47%。与 CK相比, 长期
单施 P、NP和 NPM使 Cmin在 15 ℃时分别增加 41%、
85%和 89%(P<0.05), 在 25 ℃时分别增加 7%、46%
和 77%(P<0.05)。方差分析表明, 两个温度下, 不同
施肥处理之间矿化碳占有机碳的比例(Cmin/C0)差异
均不显著(P>0.05)。
12 中国生态农业学报 2016 第 24卷


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图 2 两种培养温度下不同施肥处理土壤有机碳累积矿化量(Cmin)和矿化碳占有机碳的比例(Cmin/C0)
Fig. 2 Cumulative mineralization of soil organic carbon (Cmin) and ratio of mineralized carbon to total organic carbon (Cmin/C0) for
different fertilization treatments under two cultivation temperatures
大、小写字母分别表示 15 ℃和 25 ℃下不同施肥处理间 Cmin或 Cmin /C0的比较, 不同字母表示差异显著(P<0.05, α=0.05)。Uppercase
and lowercase letters mean comparison results of Cmin and Cmin/C0 at 15 ℃ and 25 ℃, respectively, under different fertilizer treatments;
different letters mean significant difference (P < 0.05, α = 0.05).

本研究中, 土壤有机碳矿化的 Q10 介于 1.19~
1.57。P、NP和 NPM处理土壤有机碳矿化的 Q10分
别较 CK 处理降低 25%、21%和 6%。可见, 对于半
干旱黄土区粮豆轮作种植系统而言, 长期施肥可以
降低土壤有机碳矿化的温度敏感性。
2.3 不同施肥处理土壤有机碳矿化的动力学特征
研究结果表明 , 施肥改变了土壤有机碳矿化
的动力学特征参数 , 但改变程度与施肥种类和培
养温度有关(表 2)。在 15 ℃培养条件下 , 各处理土
壤潜在矿化有机碳量(Cp)介于 1.50~2.48 gkg1, 占
土壤有机碳总量(C0)的 17%~25%。与 CK处理相比,
P、NP和 NPM处理的 Cp分别增加 29%、65%和 48%,
但差异不显著(P>0.05)。在 25 ℃培养条件下, 各处
理土壤的 Cp 介于 1.73~3.26 gkg1, 占 C0 的
19%~34%。与 CK处理相比, NP和 NPM处理的 Cp
分别增加 2%和 21%(P>0.05), 而 P处理则减少 36%
(P>0.05)。此外, CK、NP和 NPM处理的 Cp在 25 ℃
培养条件下较 15 ℃培养条件下分别提高 80%、12%
和 46%, 而 P 处理则降低 11%。Cp/C0呈现出与 Cp
相似的变化趋势。不同施肥处理对 Cp/C0值无显著
影响(P>0.05), 而培养温度对土壤 Cp和 Cp/C0值均
有显著影响(P<0.05)。此外 , 不同施肥处理土壤有
机碳矿化速率常数 k在 15 ℃培养条件下变化较小 ,
在 25 ℃条件下则有较大幅度增加 , 但差异不显著
(P>0.05)。同时培养温度对土壤 k 值没有显著影响
(P>0.05)。
表 2 不同施肥处理不同温度下土壤有机碳矿化的一级动力学参数及 Cp/C0值
Table 2 Parameters of the first-order kinetics and Cp/C0 values for soil organic carbon mineralization at different temperatures for
different fertilization treatments
15 ℃ 25 ℃ 处理
Treatment Cp (gkg1) Cp/C0 k (d1) Cp (gkg1) Cp/C0 k (d1)
CK 1.50±0.54a 0.17±0.06a 0.027±0.006a 2.70±0.02ab 0.34±0.01a 0.014±0.002a
P 1.95±0.01a 0.21±0.01a 0.023±0.001a 1.73±0.32b 0.19±0.03b 0.027±0.002a
NP 2.48±0.10a 0.25±0.02a 0.029±0.007a 2.77±0.14ab 0.28±0.02ab 0.027±0.005a
NPM 2.23±0.06a 0.17±0.01a 0.036±0.006a 3.26±0.43a 0.25±0.02ab 0.028±0.004a
Cp表示土壤潜在矿化有机碳量, C0表示土壤有机碳含量, k表示有机碳矿化速率常数。同列数据后不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。
Cp is potential mineralization amount of soil organic carbon. C0 is content of soil organic carbon. k is constant of mineralization rate of soil organic
carbon. Values followed by different letters in the same column are significantly different among treatments (P < 0.05).

2.4 有机碳矿化对土壤碳氮含量的依赖特征
通过分析土壤有机碳矿化特征以及矿化动力学
参数与土壤碳、氮含量之间的关系发现, 不同培养温
度下 Cmin/C0、Cp/C0和 k 均不受土壤有机碳、全氮含
量以及碳氮比的影响(P>0.05), Cmin和 Cp也不受碳氮
比的影响(P>0.05)。但是, Cmin和 Cp与土壤有机碳和
全氮含量的关系则与温度有关(表 3)。Cmin和 Cp随土
壤有机碳和全氮含量的增加而增加, 这种增加关系
在 15 ℃培养温度下不显著(P>0.05), 而在 25 ℃培养
温度下分别达到极显著(P<0.01)和显著水平(P<0.05)
(表 3), 表明低温条件下土壤有机碳的矿化不受土壤有
机碳和全氮含量的限制, 而在较高温度下则受限制。
第 1期 马天娥等: 长期施肥措施下土壤有机碳矿化特征研究 13


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表 3 不同温度下土壤 C0、N0、C/N与土壤有机碳矿化参数间的相关性
Table 3 Correlation coefficients between soil C0, N0, C/N and parameters of soil organic carbon mineralization at different
temperatures
Cmin Cmin/C0 Cp Cp/C0 k 土壤性质
Soil property
温度
Temperature (℃) r P r P r P r P r P
15 0.52 0.126 9 0.09 0.806 4 0.39 0.264 8 0.25 0.482 8 0.36 0.306 5C0
25 0.92 <0.000 1 0.37 0.263 8 0.64 0.034 3 0.10 0.769 6 0.39 0.241 7
15 0.57 0.082 9 0.00 0.990 4 0.40 0.258 6 0.23 0.517 5 0.46 0.183 9N0
25 0.94 <0.000 1 0.47 0.146 7 0.66 0.026 7 0.04 0.898 3 0.39 0.239 1
15 0.38 0.284 0 0.30 0.406 6 0.11 0.769 0 0.03 0.934 8 0.52 0.124 8C/N
25 0.02 0.950 3 0.37 0.264 1 0.06 0.860 9 0.26 0.445 6 0.05 0.884 6
C0和N0分别表示土壤有机碳含量和土壤全氮含量。P<0.01和 P<0.05分别表示相关性达 0.01和 0.05显著水平。C0 and N0 indicate soil organic
carbon content and total nitrogen content, respectively. P < 0.01 and P < 0.05 mean significant correlation at 0.01 and 0.05 levels, respectively.

3 讨论与结论
粮豆轮作体系作为半干旱黄土区广泛采用的
一种种植制度, 与作物连作相比, 可以增强土壤碳
汇功能和农田生态系统的生物多样性[22], 对于该区
域粮食生产和畜牧业发展意义重大。本研究结果表
明, 不同施肥处理土壤有机碳矿化量均随温度的升
高而增加, 这与其他研究者的报道一致。Zak 等[24]
研究发现, 美国硬木林土壤在 25 ℃培养温度下的土
壤有机碳矿化量显著高于 15 ℃和 5 ; ℃ 黄耀等[25]
报道, 当培养温度从 12 ℃升高到 24 ℃时, 30 d培养
时段内土壤有机碳的分解量增加 1.83~2.09倍; 刘燕
萍等[26]研究发现, 当温度从 15 ℃升高到 25 ℃时,
水田和林地土壤有机碳矿化释放的 CO2-C累积量分
别增加 157.8%和 135.8%。同时, 研究者关于温度对
土壤有机碳矿化的促进作用也做出了较为一致的解
释。Kirschbaum[15]认为, 在一定范围内, 温度升高后
土壤有机碳矿化量的增加可能与土壤微生物和酶类
活性的增强有关。Rustad 等[27]发现, 在一定范围内
温度升高有利于微生物群落的生长和繁衍, 提高了
微生物的活性; 冯瑞芳等[28]研究表明, 温度升高显
著增加了土壤有机层和矿质土壤层的酶活性, 并且
土壤有机层的转化酶、硝酸还原酶和脲酶活性增加
更显著。随着土壤微生物和酶类活性的增强, 土壤
中有机质的分解过程加剧 , 有机碳矿化速率增加 ,
矿化量亦随之增加。
本研究中, 两个培养温度下各处理土壤有机碳
累积矿化量均呈现 NPM>NP>P>CK的趋势。一方面,
这可能是因为长期施肥可以促进植物生长, 增加植
物根系生物量和分泌物的种类和数量, 从而增加土
壤中可用于矿化的活性有机碳的数量[29]。另一方面,
长期施肥也可以增加土壤氮素含量, 而氮含量的增
加可以促进土壤中原有有机碳的矿化[30]。虽然半干
旱黄土区农业生态系统主要的养分限制因子是氮素[31],
单施磷肥很少促进植物生长, 甚至会降低作物产量[32]。
然而 , 本研究所涉及的种植系统有豆科作物参与 ,
而 P 肥的施用可以促进豆科植物固氮[33], 从而增加
土壤氮素含量。在本研究的粮豆轮作系统中, 单施
磷肥可以使土壤氮素增加 12%, 从而促进土壤有机
碳的矿化。此外, 有机肥中含有大量的有机碳和多
样的生物活性物质(微生物、酶等)[34], 这些物质不但
能够提供更多的可矿化碳, 还能加速土壤中新输入
的和原有有机碳的矿化。考虑到作物地上部与地下
部生物量之间的显著相关关系 [35], 我们认为 NPM
处理对根系生物量及分泌物的增加作用也应该大于
NP处理。这与唐海明等[36]的研究结果一致, 也解释
了本研究中 NPM 处理土壤有机碳矿化量显著高于
其他处理的原因。然而, 需要指出的是, NPM处理施
用有机肥中的有机碳也参与了矿化过程, 因此在今
后的研究中应该对土壤中原有有机碳和新输入有机
碳的矿化加以区分。
土壤有机碳矿化受土壤管理措施、环境因素和
土壤性质等因素的影响, 其中, 土壤有机碳矿化的
温度敏感性问题已成为近年的研究热点。Q10表示温
度每升高 10 ℃时, 土壤呼吸速率增加的倍数[12,16]。
Hamdi 等[37]对小麦高粱牧草轮作系统的研究表明,
土壤有机碳矿化的 Q10介于 1.7~1.8。吴建国等[17]通
过 61 d的室内培养试验发现, 祁连山北坡云杉林和
草甸土壤有机碳矿化的 Q10变化范围为 1~2。本研究
中, 土壤有机碳矿化的 Q10 介于 1.19~1.57, 这与国
内外其他研究者的结果相近。另外, 不同施肥处理
Q10值的变化顺序为 CK>NPM>NP>P。可见, 对于半
干旱黄土区粮豆轮作种植系统而言, 长期施肥降低
了土壤有机碳矿化的温度敏感性, 从而减缓了土壤
CO2释放气温升高之间的正反馈效应[7]。
本研究中, NP 和 NPM 处理对土壤有机碳矿化
14 中国生态农业学报 2016 第 24卷


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动力学特征的影响与其他研究结果一致[24,38], 但是
P 处理的影响则与其他研究结果相反, 这可能与土
壤有机碳矿化的底物供应有关。NP 和 NPM 处理显
著增加了土壤中活性有机碳的含量[39], 增强了有机
碳矿化的底物供应; P处理对土壤微生物碳源利用和
功能多样性的影响是多个因素综合作用的结果, 受
土壤采集方式、磷肥施用持续时间和试验条件等多
个因素的影响。例如, 已有研究表明, 短期磷施用增
加了土壤微生物对碳源的利用和功能多样性, 而长
期磷施用在很大程度上则降低了其对土壤碳源的利
用和功能多样性[40]。本研究是在长期定位施肥条件
下进行, 所以 P 处理对土壤活性有机碳的增加作用
较小, 而且在温度较高时, 这些新增加的活性有机
碳与土壤中细颗粒结合作用较强[41], 其有效性有所
降低, 底物限制较为明显。此外, 土壤有机碳矿化速
率常数的变化也证明了底物供应的作用。本试验中,
P 处理土壤有机碳矿化速率常数(k)随温度的升高而
增加 , 而其他处理均随温度的升高而降低 ; 另外 ,
不同施肥处理土壤有机碳矿化速率常数在 15 ℃培
养条件下变化较小, 而在 25 ℃条件下则有较大幅度
增加。这些结果均表明, 土壤有机碳矿化在温度较
低时不受底物限制, 而在温度较高时则受到底物限
制。在本研究中, 不同培养温度和不同培养时间段,
NPM、NP 和 P 处理土壤有机碳累积矿化量均高于
CK 处理, 表明施用化肥或有机肥促进了土壤有机
碳的矿化。然而, 长期施肥使土壤有机碳库容明显
增加 , 矿化碳占有机碳的比例(Cmin/C0)却并没有显
著增加。因此, 施用化肥或有机肥更有利于土壤有
机碳的固持。
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