去除溶解性有机质对红壤水稻土碳氮矿化的影响

1、中国农业科学 2007,40(1):107-113 Scientia Agricultura Sinica去除溶解性有机质对红壤水稻土碳氮矿化的影响韩成卫1,2，李忠佩1,2，刘 丽1,2,车玉萍 1（1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，南京 210008；2中国科学院研究生院，北京 100039）摘要：【目的】研究溶解性有机质（DOM）对红壤水稻土碳、氮矿化作用的影响，为正确认识红壤碳、氮循环的过程机制、制订科学的养分管理措施及有效控制温室气体排放提供参考依据。【方法】采用发育于第四纪红粘土的水稻土，以旱地红壤为对照，通过室内恒温培养试验研究了去除DOM土和原土间有

2、机碳、氮的矿化差异。【结果】去除DOM使土壤有机碳的累积矿化量在培养前期（12 d）下降了6.3%8.9%（平均7.5%），但整个培养期内仅降低3.6%6.1%（平均5.0%），其影响不显著。去除DOM对不同土壤有机氮矿化的影响不同。3种水稻土在去除DOM后，土壤有机氮的累积矿化量显著下降，降幅为11.2%18.3%（平均12.9%），而旱地红壤仅下降7.6%，与原土没有显著差异。【结论】DOM是土壤微生物生命活动中重要的氮素来源和有机氮矿化的原初物质，虽然只占土壤有机质的很少一部分，但在红壤水稻土有机氮的矿化中起重要作用。关键词：红壤水稻土；去除溶解性有机质；碳氮矿化Influence on

3、 Carbon and Nitrogen Mineralization after Dissolved Organic Matter Removal in Subtropical Chinese Paddy SoilsHAN Cheng-wei1, 2, LI Zhong-pei1, 2, LIU Li1, 2, CHE Yu-ping1(1 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 21000

4、8;2 Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039)Abstract: 【Objective】The effects of dissolved organic matter (DOM) were studied on carbon and nitrogen mineralization in subtropical Chinese paddy soils. as The pupose was to provide a firm foundation for better understanding of

5、the mechanisms of C, N cycle, establishing scientific nutrient managements, and regulating greenhouse gas emission in soils. 【Method】 Incubation experiments were conducted, and chemical analysis of paddy soils was derived from Quaternary red clay. A comparison with upland red soil was made, and the

6、difference found was in mineralization of soil organic carbon. Nitrogen was investigated between DOM removed soil and the original; 【Result】Soil organic C mineralization decreased by 6.3%-8.9% with an average of 7.5% after DOM removed in the first period (12d) and only by 3.6%-6.1% with an average o

7、f 5.0% in the whole incubation period. There was not significant difference. The effects of DOM removal on the mineralization of soil organic N were different. The cumulative mineralization of soil organic N in paddy soils after DOM removal decreased significantly (11.2%-18.3%) with an average of 12

8、.9%. Compared with paddy soils, the cumulative mineralization of red soil organic N in upland only decreased by 7.6%. 【Conclusion】It was suggested that while being a small proportion of the soil OM, DOM plays a significant role in the transport and supply of nitrogen (N) to microbial population. It

9、is the initial substrate for OM mineralization and considered to be important in the N mineralization.Key words: Paddy soils in subtropical China; Removal of dissolved organic matter; Mineralization of C, N0 引言【研究意义】有机质的矿化是土壤中重要的生物 化学过程，直接关系到土壤中养分元素的释放与供应、温室气体的形成、以及土壤质量的保持等。揭示土壤中有机质的矿化规律对于土壤养分和温室气体排

10、放的收稿日期：2006-06-14；接受日期：2006-10-20基金项目：国家自然科学基金（40471066）和国家重点基础研究发展计划“973”项目（2005CB121108）资助作者简介：韩成卫（1980-）男，山东济宁人，硕士研究生，研究方向为土壤生物化学。Tel: E-mail: cwhan。通讯作者李忠佩（1962-），男，广西临桂人，博士生导师，研究方向为土壤生物化学和土壤生态学。Tel: E-mail: zhpli108 中 国 农 业 科 学 40卷有效管理等都有重要的理论和实践意义1。土壤有机质的矿化过程是在微生物的参

11、与下进行的，除受环境因子、土壤理化性质、土壤生物因素的影响外，土壤有机质的化学组成和存在状态是影响其分解速率的一个关键因素。土壤有机质是由生物有效性不同的各组分组成，固相中的有机质较难分解，而溶解性的有机质（DOM）较易为微生物利用。一般认为，有机质的解聚和溶解是其矿化的先决条件，有机质在转化为CO2、NH4+-N前必须先进入溶液中2。因此DOM的动态变化应与土壤有机质的矿化过程有着密切关系。【前人研究进展】目前，国外在DOM对土壤有机质的矿化过程影响方面进行了一些研究。Cookson应用氮循环N15同位素稀释法研究了DOM对农业土壤碳、过程的影响，结果表明DOM对土壤有机碳的矿化没有显著的影

12、响，但在土壤微生物氮源的供应上起重要的作用，农业土壤氮素供应量的25%来自于溶解有机氮（DON）3。Jone研究表明DON化合物在草地土壤有机质矿化和无机氮固定过程中起着中间氮库的作用，土壤氮转化过程的瓶颈在于固相有机氮向DON的转变，而不是由DON矿化为无机态 氮4,5。Hayes认为DOM是微生物生长的速效基质，是土壤中易矿化性碳、氮的主要来源6。【本研究切入点】溶解性用7。近年来其研究受到广泛重视，但主要是集中在森林和草地土壤，关于其在农田土壤特别是水田土壤表1 供试土壤的基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of st

13、udied soils土壤类型 Soil types高肥力水稻土 Paddy soil with high productivity 中肥力水稻土 Paddy soil with middle productivity 低肥力水稻土 Paddy soil with low productivity 旱地红壤 Upland red soil全碳 Org. C (g·kg-1)23.0 11.4 8.48 6.60全氮 Total N(g·kg-1)2.38 1.40 0.94 0.91碳、氮转化过程中的作用的研究尚报道较少8。红壤稻田是中国南方最重要的耕作土地类型，由于水热条

14、件优越，微生物活动强烈，碳循环过程速率较快。研究揭示DOM在红壤水稻土碳、氮转化中的作用将有助于正确认识红壤碳氮循环的过程机制，对制订合理可行的养分管理措施和有效控制全球气候变化等都具有重要的理论和实践意义。【拟解决的关键问题】本文采集发育于第四纪红粘土的不同肥力水稻土和旱地红壤，通过培养试验观测比较DOM在红壤水稻土碳、氮转化中的作用。1 材料与方法1.1 供试土壤供试土样于2006年1月采自江西省鹰潭市中国科学院红壤生态实验站周围农户的水稻田。该站地处中国中亚热带地区，气候温热多雨，年均温17.6 ，年降水量1 794.7 mm，年蒸发量1 318 mm，无霜期261 d。选择发育于第四纪

15、红粘土的高、中、低3种肥力的水稻土，并以相同母质发育的旱地红壤作为对比，采用多点混合方式采集表层020 cm土壤，样品保持新鲜状态带回室内，挑去肉眼可见的粗根和石块等，将样品分为两份，一份保持新鲜状态供提取DOM和培基本理化性质见表1。 1.2 试验方法有机质在土壤有机质分解等过程中有着重要的作 养试验用，一份风干磨细供化学分析用。供试土壤的碱解氮pH 5.22 5.25 5.33 4.99(mg·kg-1) 228.5 157.1 71.4 64.3速效磷 (mg·kg-1) 22.1 10.1 13.3 32.3颗粒组成Composition of particle s

16、izes（%） 20.05 mm 0.050.002 mm<0.002mm31.1 21.7 26.5 29.351.6 45.5 37.2 29.717.3 32.8 36.3 14.5Available NAvailable P采用室内恒温培养法，通过比较原土及其去除DOM后碳、氮矿化量差异来确定DOM在土壤碳、氮矿化过程中的作用。1.2.1 土壤DOM的去除 按照Liang等911的方法提取DOM，操作过程为：称取过2 mm筛的新鲜土壤适量，作水分校正后按水土比21（干土重）与超纯水混合，常温下振荡30 min，离心（4 000 r/min）20 min，倾出上清液。所得上清液过0

17、.45 m微孔滤膜，测定浸提液中DOM（DOC和DON）浓度。将处理过的土壤在室温下预培养1周，以使土壤恢复平衡。 1.2.2 土壤有机碳矿化试验 采用室内恒温培养、碱液吸收法测定土壤有机碳的矿化量12。分别称取去DOM土和原土50 g（以烘干基计）各3份，置于500 ml培养瓶中，按水土比11加入超纯水进行淹水培养。然后将盛有5 ml 0.2 mol·L-1 NaOH溶液的10 ml特制容量瓶小心地置于培养瓶内，将培养瓶加盖密封好，于（28±1）恒温培养，同时做空白试验。在培养的2、4、6、8、10、12、16、20 d取出容量瓶，滴1期 韩成卫等：去除溶解性有机质对红壤

18、水稻土碳氮矿化的影响 109定，并根据CO2的释放量计算培养期内土壤有机碳的矿化量。1.2.3 土壤有机氮的矿化试验 取去DOM土和原土20 g（以烘干基计）各3份于150 ml培养瓶中，以11的水土比加入超纯水，置于28培养箱中恒温培养。30 d后所有处理均加水至水土比为51，并按 振荡1 h后用2 mol·L-1 KCl的浓度需要加入结晶KCl，常规滤纸过滤。之后取滤液用连续流动分析仪测定矿质氮量（NH4+-N + NO-3-N）。以培育后与培育前的土壤矿质氮量之差表示土壤有机氮矿化量。土壤氮素矿化率 = 土壤氮素矿化量/土壤全氮量×100%。 1.3 分析方法13土壤

19、pH值采用电位计法测定；土壤有机质用重铬酸钾容量法，全氮用半微量凯氏法测定；土壤水解氮用碱解扩散法，土壤有效磷用0.03 mol·L-1氟化铵土壤的机械-0.1 mol·L-1盐酸浸提-钼锑抗比色法测定；组成用吸管法测定；DOC用岛津TOC-5000A总有机碳仪测定。DON含量通过以下方法测定：用连续流动分析仪测定溶液中的NH4+-N、NO-3-N、TDN（水溶性总氮），DON = TDN - NO3-N - NH4+-N。各处理之间相关指标的差异显著性采用SPSS12.0软件进行统计分析。2 结果与分析2.1 不同肥力土壤溶解性有机质的含量土壤中溶解性有机碳（DOC）含量

20、的大小可以反映土壤中潜在活性养分含量和周转速率，与土壤养分循环和供应状况有密切关系14。结果表明，不同肥力和利用方式的土壤DOC含量差异显著。从图1-A可以看出，水稻土的DOC含量明显高于旱地红壤。3种水稻土的DOC含量在8.342.6 mg·kg-1间，平均为22.4 mg·kg-1，而旱地红壤为4.5 mg·kg-1，仅为前者的20%。不同肥力水平的水稻土间，DOC含量以高肥最高，中肥次之，低肥最低，三者间的差异均达极显著水平（P<0.01），总体表现为随着红壤水稻土的熟化程度的增加而增加。值得关注的是高、中肥力水稻土有机碳含量分别是低肥力水稻土的2.7

21、和1.3倍，而DOC含量却是后者的5.1和2.0倍，这说明DOC含量能更灵敏地反映土壤不同肥力水平的差异。溶解性有机氮（DON）是土壤活性有机质的一部PSHP PSMP PSLP URS PSHP PSMP PSLP URS不同大、小写字母分别表示差异极显著(P <0.01)和显著(P <0.05) Different capital and small alphabetic on the tops of the bars mean significant difference at P < 0.01 and 0.05 respectivelyPSHP: Paddy soil

22、 with high productivity；PSMP：Paddy soil with middle productivity；PSLP：Paddy soil with low productivity；URS：Upland red soil 下同 The same as below图 1 不同土壤溶解性有机碳（A）、氮（B）的含量 Fig. 1 DOM contents of paddy soils and upland red soil分，容易被土壤微生物分解，在土壤氮素供应方面起如图1-B所示，4种土壤的DON含着重要的作用15。量与DOC的变化趋势一致，即高肥力水稻土 > 中肥

23、力水稻土 > 低肥力水稻土 > 旱地红壤。高肥力水稻土的DON含量达15.3 mg·kg-1，分别是中、低肥力水稻土和旱地红壤的1.6、2.0、2.7倍。差异显著性检验表明，高肥力水稻土的DON含量与中、低肥力水稻土、旱地红壤间的差异性均达到了极显著水平（P<0.01），中、低肥力水稻土与旱地红壤的差异达到显著水平（P<0.05），而中、低肥力水稻土间的差110 中 国 农 业 科 学 40卷异不显著。2.2 去除溶解性有机质对土壤有机碳矿化的影响 2.2.1 培养过程中土壤有机碳矿化动态 培养过程中，不同土壤有机碳矿化的动态变化见图2。可以看出，4种土壤无论

24、是原土和还是去DOM土，其有机碳的矿化均表现出相同的趋势，前期土壤有机碳的矿化速率较快，随着培养时间的延长而迅速下降，至第12天时原土和去DOM土分别降至开始时的46.1%66.7%（平均54.8%）和49.2%70.1%（平均58.6%），统计结果表明仅前12 d的矿化量即占到20 d矿化总量的65.9%73.2%（平均70%）。12 d以后矿化速率缓慢下降并逐渐趋于稳定，保持在试验开始时的50%左右。总体来说，培养期间土壤有机碳矿化速率变化符合对数函数，相关方程式如表2所示，式中，Y为有mg·kg-1·d-1），X为培养时间（d）。 机碳矿化速率（CO2，2.2.2 去

25、除DOM对不同土壤有机碳矿化量的影响 室内恒温培养20 d的结果表明，去除DOM使培养前期土壤有机碳的矿化速率和累积矿化量均有所下降，但从整个培养过程看其影响并不显著。由图2可以看出，培养前期4种去DOM土的有机碳矿化速率均低于原土，但随着培养时间的延长这种差异逐渐减小，直至基本一致。培养开始时原土有机碳的矿化速率在14.869.1 mg·kg-1·d-1之间，而去除DOM土为13.461.5 mg·kg-1·d-1，两者相差1.47.6 mg·kg-1·d-1（平均培养时间 Incubation time(d) 培养时间 Incub

26、ation time(d) 原土 The original 去DOM土 DOM removed soil图 2 培养过程中不同处理土壤有机碳的矿化速率变化Fig. 2 Mineralization rate of soil organic carbon under different treatments during incubation period表2 培养过程中不同土壤有机碳矿化动态的拟合方程Table 2 Simulating equations for Mineralization of soil organic carbon during incubation period土壤类

27、型 Soil types高肥力水稻土 Paddy soil with high productivity 中肥力水稻土 Paddy soil with middle productivity 低肥力水稻土 Paddy soil with low productivity 旱地红壤 Upland red soil相关方程（相关系数）Equations(coefficient) 原土 Original soilY=-18.659lnX+77.319 (R=0.993*) Y=-17.927lnX+83.344 (R2=0.986*) Y=-6.552lnX+34.796 (R2=0.977*) Y

28、=-3.150lnX+17.497 (R2=0.969*)2去DOM土 DOM removed soil Y=-15.296lnX+67.994 (R2=0.987*) Y=-14.720lnX+73.858 (R2=0.977*) Y=-4.980lnX+30.007 (R2=0.963*) Y=-2.481lnX+15.611 (R2=0.966*)1期 韩成卫等：去除溶解性有机质对红壤水稻土碳氮矿化的影响 1114.8 mg·kg-1·d-1），而到第12天时原土仅比去DOM土高0.41.7 mg·kg-1·d-1（平均1.1 mg·kg

29、-1·d-1），是开始时的18.4%32.3%（平均23.2%）。培养16 d后，原土和去DOM土间有机碳的矿化速率基本无明显差异。从培养期间土壤有机碳的累积矿化量来看，培养12 d时，4种原土的累积矿化量介于143615.1 mg·kg-1之间（中肥力水稻土最高，其原因待研究），去DOM土为134571.2 mg·kg-1，减少了6.3%8.9%（平均7.5%），而培养结束时（20 d）仅下降了3.6%6.1%（平均5.0%）（图3）。差异显著性检验表明，4种原土和去DOM土有机碳的累积矿化量在培养的前12 d差异显著（P<0.05），而整个培养期间的差异

30、不显著。2.3 去除溶解性有机质对土壤有机氮矿化的影响 2.3.1 不同土壤有机氮的矿化量 土壤氮素的矿化与土壤氮素的供应密切相关。在陆地生态系统中，矿化作用是供给作物生长所需氮素和其它养分的重要过程。土壤氮素的矿化量是土壤有机氮的含量、生物分解性、矿化的水热条件和时间等的函数16。用培养试验研究土壤氮素的矿化量时，一般以培养后矿质氮的增量作为矿化量的量度。在30 d培养期内，4种原土有机氮的累积矿化量介于11.847.6 mg·kg-1间，矿化率变动在1.25%2.0%，其大小顺序均为高肥力水稻土 > 中肥力水稻土 > 低肥力水稻土 > 旱地红壤，随着红壤的熟化过

31、程而升高。土壤肥沃程度影响着土壤微生物的群体和数量，因而影响着土壤有机氮的矿化难易和快慢。一般情况下，肥沃土壤的微生物数量多，微生物活动剧烈，有机氮矿化快，而瘠薄土壤反之。2.3.2 去除DOM对不同土壤有机氮矿化的影响 去除DOM对不同土壤有机氮矿化的影响不同。从图4可以看出，DOM的去除明显降低了水稻土有机氮的累计矿化量。整个培养期间，高、中、低肥力水稻土在去除DOM后，有机氮的累积矿化量比其原土分别减少了5.3、3.1、2.67 mg·kg-1，降幅分别为11.2%、13.1%、18.3%（平均12.9%），两者间的差异均达显著水平（P<0.05）。这表明DOM在红壤水稻

32、土有机氮的矿化过程中起着较为重要的作用。这与国外的一些研究结果相吻合35。与水稻土相比，旱地红壤去除DOM对有机氮矿化的影响较小，其累积矿化量仅下降了7.6%，差异不显著。研究结果还表明，培养期间因去除DOM而降低的土壤有机氮的累积矿化量约为DON含量的18.2%34.4%（平均29.8%），这说明该部分DON的生物有效性比较高，在土壤有机氮矿化过程中起关键作用。PSHP PSMP PSLP URS图 3 整个培养期间不同土壤有机碳的累积矿化量 Fig. 3 Accumulative amount of carbon mineralized underdifferent treatments

33、during incubation periodPSHP PSMP PSLP URS图 4 培养过程中不同处理土壤有机氮的累积矿化量 Fig. 4 Gross of soil nitrogen mineralization under differenttreatments during incubation period3 讨论3.1 不同肥力土壤溶解性有机质的含量田间条件下DOM含量变化除受水、热等自然因素的影响外，施肥、作物轮作及耕作管理等人为因素都有着重要的影响7。不同土壤间由于作物类型和耕作方式的不同，致使凋落物量和质量不同而引起有机碳归还到土壤中的量不同，进而导致DOM含量的差异。

34、红壤水耕条件下，由于施肥管理水平较高，大量的作物残体和其它有机物质归还使得土壤溶解性有机质含量处于较高水平。相比较而言，红壤旱耕利用条件下，作物生长较差，管理水平和有机物质的进入量均较低，因而土壤DOM的含量较低。此外，水田土112 中 国 农 业 科 学 40卷壤由于长期处于淹水状态下，土壤有机碳的溶出和团聚体的分散作用强烈1，从而导致水田土壤DOM含量高于肥力相近的旱地。3.2 去除溶解性有机质对土壤有机碳矿化的影响土壤中DOC的生物有效性较高，是微生物生长和生物分解过程中的重要能量来源17,18，但有关DOC和土壤有机碳矿化的关系报道不一。一些研究表明，土壤中DOC含量高低和周转速率将直

35、接影响到微生物的组成和活性，从而影响土壤有机碳的矿化过程。在很多土壤上，DOC和可矿化释放的CO2-C有很好的相关性1922。但有些学者却有不同的看法。Cook通过室内培养试验发现随着培养时间的延长，土壤有机碳的矿化速率逐渐降低，但土壤中DOC的含量却保持稳定甚至有所升高23。Lundquist对加利福尼亚农田土壤研究后指出，DOC与土壤有机碳的矿化并没有直接的联系，DOC不一定是微生物生长的速效基 质24。本研究的结果表明，去除DOM尽管降低了培养前期土壤有机碳的矿化速率和累积矿化量，但从整个培养过程看，其影响并不显著。这与Cookson等人的研究结果一致3。这可能是由于：（1）土壤微生物能

36、够通过胞外酶将固相有机质降解为小分子量的溶解性有机质，使微生物生命活动所需的碳源与土壤中有效态DOC没有必然的联系。（2）DOC的芳构化程度较高，生物有效性较低。研究表明，E280值与DOC中芳香族化合物有关，E280值越大说明DOC中芳香族化合物数量越多，结构越复杂，DOC的可利用性越低25。供试土壤DOC的E280值在0.030.049间（待发表），这表明土壤DOC的芳环物质较多，可利用性较低。 3.3 去除溶解性有机质对土壤有机氮矿化的影响目前有关土壤有机氮的硝化机制报道较多，但对农业土壤中DON向NH4+-N的转变过程却关注较 少15。本研究中去除DOM明显降低了水田土壤有机氮的矿化量

37、，这可能与氮素转化过程中DON的特殊地位有关。在土壤有机氮的矿化过程中，尽管土壤微生物可通过转氨酶直接把有机氮转化为NH4+-N，但其主要途径是先由胞外酶把非溶解的有机氮分解和解聚成DON，然后小分子量的DON进入细胞进行下一步分解代谢26。微生物体的氮素状况决定氮的矿化和固持。因此DON在土壤有机质矿化过程中起着中间氮库的作用，并作为土壤有机氮矿化的初始物质调控着土壤NH4+-N的供应和氮素的生物转化过程。土壤有机质的分解会导致溶解性有机化合物的产生，但这些有机化合物并非全部被微生物进一步降解，可能仅有一部分DON会被矿化。相关研究表明DON是由易降解和难降解两部分组成，前者的周转期为15

38、d，而后者则需80 d至9 a25, 27, 28。因此土壤有机氮的矿化与DON中活性部分的关系更为密切。本研究的结果也证实了这一点。由于DON是一类成分复杂的混合物，不同来源的DON的性质与组成差别较大，在陆地生态系统中的功能和行为有很大的差异29，因此仅仅关注DON的整体，而不深入了解其具体组成将限制对其生态功能的正确认识。4 结论在室内恒温淹水培养过程中，不同处理的土壤有机碳随着培养时间的延长有相似的矿化趋势。前期分解速率较快，后期迅速下降并逐渐趋于平稳。去除DOM尽管降低了培养前期土壤有机碳的累积矿化量，但总体来看其影响并不显著。去除DOM对土壤有机氮的矿化影响较为明显（旱地红壤除外）

39、，与原土相比，去除DOM的水稻土有机氮的累积矿化量下降了11.2%18.3%（平均12.9%）。研究结果表明，尽管DOM只占土壤有机质的很少一部分，却是土壤微生物生命活动中重要的氮素来源，在红壤水稻土氮素转化过程中起重要作用。但本项研究仅在第四纪红粘土发育的水稻土和旱地红壤上进行，由于红壤地区土壤类型复杂、土壤母质多样，耕作利用方式繁多，不同时期土壤DOM的含量和组成可能因作物生长和环境等因素的影响而变异较大，因此要正确估计去除DOM对区域土壤碳、氮矿化的影响，还需要进行更深入的研究。References1李忠佩, 张桃林, 陈碧云. 可溶性有机碳的含量动态及其与土壤有机碳矿化的关系. 土壤学

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