段建軍, 羅安煥, 李瑞東, 陳 領, 陳 佳, 王小利, 高照良

(1.貴州大學煙草學院,貴州省煙草品質(zhì)重點實驗室,貴陽 550025; 2.貴州大學農(nóng)學院,貴陽 550025; 3.中科院普定喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測站,中科院貴陽地球化學研究所,貴陽 562100;4.西北農(nóng)林科技大學水土保持研究所,中科院水利部水土保持研究所,陜西 楊凌 712100)

高照良(1969—),男,博士,研究員,博士生導師,主要從事農(nóng)業(yè)水土工程和荒漠化防治研究。E-mail:gzl@ms.iswc.ac.cn

土壤有機碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的有機碳分庫，易受土地利用、土壤管理和升溫等影響，進而影響全球碳平衡和氣候變化。在全球氣候變暖和大力提倡秸稈直接還田的大背景下，探討秸稈輸入和溫度對土壤原有有機碳礦化及其激發(fā)效應和溫度敏感性的影響，對揭示秸稈還田和氣候變暖及其交互作用對精準和深入理解農(nóng)田土壤肥力和有機碳庫演變及全球氣候變化的影響和反饋具有重要意義。

秸稈直接還田等外源有機碳輸入為土壤微生物提供充足碳源和能源，改變土壤微生物生物量、群系組成和活性，影響土壤有機碳礦化的由外源有機物輸入土壤引起土壤原有有機質(zhì)礦化改變的現(xiàn)象稱為激發(fā)效應。激發(fā)效應正負和大小因生態(tài)系統(tǒng)、植被、土壤、外源有機物性質(zhì)、溫度、水分以及表征方式等不同而存在顯著差異。如C標記凋落物對天然林地土壤有機碳礦化產(chǎn)生正激發(fā)效應而人工林地產(chǎn)生負激發(fā)效應，C標記稻草提高了紅壤土壤有機碳的礦化速率而降低了棕色石灰土土壤有機碳的礦化速率，葡萄糖和黑麥草對草原土壤原有有機碳礦化產(chǎn)生正激發(fā)效應，且激發(fā)效應葡萄糖大于黑麥草。外源有機物對土壤有機碳礦化的激發(fā)效應還受土壤理化性質(zhì)和土壤微生物對輸入的外源有機物偏好等因素影響。如秸稈配施適量氮肥顯著提高土壤有機碳和微生物量生物量碳含量及土壤脲酶和多酚氧化酶活性，施用生物炭抑制土壤有機碳礦化。溫度是影響土壤物理、化學和生物學過程的重要環(huán)境因子，顯著影響土壤有機碳礦化，即土壤有機碳礦化和土壤呼吸的溫度敏感性，并用溫度系數(shù)表征，其含義是溫度每升高10 ℃時土壤有機碳礦化速率或礦化量增加的倍數(shù)。溫度對激發(fā)效應的影響因外源物質(zhì)種類、數(shù)量和土壤系統(tǒng)而不同。如溫度影響土壤微生物對外源輸入有機碳和土壤原有有機碳底物利用效率影響外源輸入有機碳和土壤原有有機碳礦化，改變激發(fā)效應。葡萄糖和杉木凋落物激發(fā)效應隨溫度升高而降低，苜蓿的激發(fā)效應隨溫度升高而增加，溫度升高不影響蔗糖的激發(fā)效應等。傳統(tǒng)上認為是一個常數(shù)，但大量研究表明，也隨溫度變化而變化。如土壤有機碳礦化隨溫度升高而降低、增大或保持穩(wěn)定。因此不同溫度狀態(tài)或溫度系統(tǒng)中土壤有機碳礦化溫度系數(shù)可能具有不確定性或是溫度的函數(shù)，應引入溫度系數(shù)函數(shù)描述之。

貴州地處中國西南喀斯特區(qū)域中心，碳酸鹽巖分布廣泛，發(fā)育形成的石灰土土壤土層淺薄，生產(chǎn)力低下，水土流失嚴重，土壤有機碳庫易受人類活動與自然環(huán)境雙重影響，是生態(tài)環(huán)境脆弱帶和全球氣候變化敏感地區(qū)之一。秸稈直接和碳化還田等資源化利用是增加土壤有機碳庫儲量、減緩大氣CO濃度升高和培肥土壤的重要農(nóng)業(yè)技術措施，隨著沃土工程實施和碳達峰、碳中和理念的提出和實踐秸稈還田在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應用中愈受關注。水稻是貴州省重要的糧食作物，水稻秸稈資源量大，農(nóng)民素有稻草還田習慣，加之近年來貴州省年平均氣溫波動性上升，因此，通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗或土壤原位試驗定量水稻秸稈還田后水稻秸稈礦化分解和對貴州喀斯特石灰土土壤有機碳礦化及激發(fā)效應和溫度敏感性的影響及對溫度的響應對沃土工程實施、耕地肥力提升、土壤有機碳庫儲量估算和全球變化技術措施選擇均具有重要意義。本文以貴州喀斯特地區(qū)典型黃色石灰土為對象，采用室內(nèi)土壤培養(yǎng)結(jié)合C穩(wěn)定性碳同位素標記技術，探討溫度和水稻秸稈碳輸入對土壤原有有機碳礦化、激發(fā)效應和溫度敏感性的影響，比較了激發(fā)效應不同表征形式的時間動態(tài)和溫度響應，引入土壤有機碳礦化速率和累積礦化量溫度敏感函數(shù)描述和表征土壤有機碳礦化的溫度敏感性，并將其定義為土壤有機碳礦化速率和累積礦化量的溫度函數(shù)的導數(shù)與溫度敏感性函數(shù)的商，以期為貴州喀斯特農(nóng)田秸稈還田、土壤固碳減排和土壤有機碳庫預測等提供參考，豐富對土壤有機碳激發(fā)效應和溫度系數(shù)表征和深入理解。

1 材料與方法

1.1 供試材料

土壤培養(yǎng)試驗供試土壤樣品采自中國科學院普定喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站(105°44′54″E,26°15′41″N),海拔1 338 m。該地屬中亞熱帶濕潤性季風氣候區(qū)，年平均氣溫15.1 ℃，年平均降水量1 397 mm，年平均蒸發(fā)量920 mm；地形屬典型喀斯特山地；成土母質(zhì)為石灰?guī)r；土壤類型為石灰土；試驗地種植方式為玉米-油菜輪作。采用隨機采樣法于2019年10月玉米收獲后在樣地內(nèi)18個點采集0—20 cm土層混合土壤樣品，帶回實驗室后置于陰涼通風處風干，去除動植物殘體及石粒等雜質(zhì)后過2 mm篩，充分混勻裝入自封袋中備用。四分法分取過2 mm篩土樣200.00 g進一步研磨并全部過0.149 mm篩后裝入自封袋備用。前者用于土壤有機碳礦化培養(yǎng)試驗和土壤pH、堿解氮、有效磷和速效鉀等測定，后者用于土壤全氮、全磷和全鉀測定。供試土壤pH為6.62，有機碳、全氮、全磷和全鉀含量分別為18.74，1.99，0.87，20.66 g/kg干土，堿解氮、有效磷和速效鉀含量分別為110.91，10.25，281.87 mg/kg干土，風干土含水量2.38%。供試水稻秸稈為溫室內(nèi)通過飼喂C穩(wěn)定性同位素CO的水稻秸稈，水稻秸稈C豐度2.79%，有機碳含量36.24%，全N 0.72%。水稻秸稈粉碎并全部過2 mm篩后混勻備用。

1.2 試驗設計

土壤培養(yǎng)試驗因素為添加水稻秸稈和培養(yǎng)溫度。水稻秸稈添加量設置2個水平，即不添加和添加1.50 g/kg干土(按一般耕地實際還田量4 t/hm換算確定)。培養(yǎng)溫度設置3個水平，即15，25，35 ℃。同時每個培養(yǎng)溫度分別設置1個無土無秸稈的空白對照處理以校正環(huán)境CO。試驗共9個處理(表1)，3次重復，共27組礦化培養(yǎng)微系統(tǒng)。

表1 土壤礦化培養(yǎng)試驗的試驗處理

稱取30.80 g(相當于30.00 g烘干土)風干土于250 mL棕色廣口玻璃瓶中，用去離子水調(diào)節(jié)土壤含水量至45%飽和含水量，將棕色廣口玻璃瓶和裝有去離子水的50 mL小燒杯放入1 L的廣口塑料瓶中，蓋緊蓋子(有橡膠墊以防止漏氣)，置于25 ℃恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)避光預培養(yǎng)7天，期間每天定時用稱重法保持土壤含水量恒定。預培養(yǎng)結(jié)束后按1.50 g/kg干土水稻秸稈添加量向?qū)幚淼?50 mL棕色廣口玻璃培養(yǎng)瓶中加入過2 mm篩的水稻秸稈，充分混勻后按試驗設計分別將250 mL棕色廣口玻璃培養(yǎng)瓶置于15，25，35 ℃恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)避光培養(yǎng)60天，稱重法每天定時加入適量去離子水以保持恒重。培養(yǎng)過程中于1，5，10，15，30，60天時采集氣體樣品測定CO含量和CO豐度。采集氣體樣品時，先用空氣泵向培養(yǎng)瓶內(nèi)通氣5 min，確保培養(yǎng)瓶內(nèi)氧氣充足以滿足土壤微生物呼吸，然后蓋緊橡皮塞子并產(chǎn)氣4 h后用30 mL無菌注射器采集30 mL氣體樣品，保存于10 mL頂空瓶中，氣相色譜-質(zhì)譜儀聯(lián)用法測定4 h產(chǎn)生的CO量和CO豐度。

1.3 測定指標與方法

氣體樣品中CO含量用氣相色譜儀(Agilent 7890A，美國)測定，CO豐度用穩(wěn)定性同位素質(zhì)譜儀(Thermo Scientific MAT253，美國)測定。土壤田間持水量、pH、有機碳、全氮、全磷和全鉀分別用環(huán)刀法、土壤pH計(水土比為2.5∶1)、重鉻酸鉀容量—外加熱法、半微量開氏法、NaOH熔融—鉬銻抗比色法和NaOH熔融—火焰光度法測定。

1.4 數(shù)據(jù)計算與處理

(1) 土壤有機碳礦化速率計算公式為：

(1)

式中：為土壤有機碳礦化速率[mg/(kg·d)]；和分別為無土壤空白對照處理和有土壤處理培養(yǎng)4 h后CO的濃度(mol/mL)；為CO-C的摩爾質(zhì)量(12 g/mol)；為溫度校正后的分子體積(mL)；為培養(yǎng)瓶的容積(250 mL)；為風干土的質(zhì)量(g)；為風干土的質(zhì)量含水量(g水/g干土)；為產(chǎn)生CO氣體的時間(4/24 d)。其中計算公式為：

(2)

式中：0.022 41為273.15 K時理想氣體的摩爾體積(L)；為培養(yǎng)溫度(℃)。

(2) 土壤有機碳累積礦化量計算公式為：

(3)

式中：為培養(yǎng)時間內(nèi)土壤總有機碳累積礦化量(mg/kg)；和+1分別為培養(yǎng)過程中第和+1次氣體采樣的土壤有機碳礦化速率[mg/(kg·d)]；和+1分別為第和+1次氣體采樣的培養(yǎng)時間(天)。

(3) 水稻秸稈累積礦化量計算公式為：

(4)

式中：為水稻秸稈累積礦化量(mg/kg)；為土壤總有機碳累積礦化量(mg/kg)；,COC和,COC分別為添加和不添加水稻秸稈處理釋放的CO的C豐度；C和C分別為水稻秸稈和原始土壤的C豐度。

(4) 添加水稻秸稈處理土壤原有有機碳累積礦化量計算公式為：

=-

(5)

式中：為土壤原有有機碳累積礦化量(mg/kg)；為添加水稻秸稈處理的土壤總有機碳累積礦化量(mg/kg)；為水稻秸稈累積礦化量(mg/kg)。

(5) 水稻秸稈有機碳礦化的貢獻率計算公式為：

(6)

式中：水稻秸稈有機碳的礦化貢獻率(%)。

(6)水稻秸稈對土壤原有有機碳礦化速率和累積礦化量激發(fā)效應計算公式為：

=--

(7)

=--

(8)

式中：為水稻秸稈對土壤原有有機碳礦化速率激發(fā)效應[mg/(kg·d)]；為水稻秸稈對土壤原有有機碳累積礦化量激發(fā)效應(mg/kg)；和分別為添加和不添加水稻秸稈處理土壤總有機碳累積礦化速率[mg/(kg·d)]；為相同培養(yǎng)溫度下添加水稻秸稈處理的水稻秸稈礦化速率[mg/(kg·d)]；和分別為添加和不添加水稻秸稈處理土壤總有機碳累積礦化量(mg/kg)；為相同培養(yǎng)溫度下添加水稻秸稈處理的水稻秸稈累積礦化量(mg/kg)。

(7)水稻秸稈對土壤原有有機碳礦化速率和累積礦化量相對激發(fā)效應計算公式為：

(9)

(10)

式中：RPE為水稻秸稈對土壤原有有機碳礦化速率相對激發(fā)效應(%)；RPE為水稻秸稈對土壤原有有機碳累積礦化量相對激發(fā)效應(%)。

(8)土壤有機碳礦化速率和累積礦化量溫度系數(shù)10,和10,計算公式為：

(11)

(12)

式中：10,和10,分別是土壤有機碳礦化速率和累積礦化量溫度系數(shù)；和分別是較高和較低培養(yǎng)溫度的土壤有機碳礦化速率[mg/(kg·d)]；和分別是較高和較低培養(yǎng)溫度的土壤有機碳累積礦化量(mg/kg)；和分別是較高和較低培養(yǎng)溫度(℃)。

(9)土壤有機碳礦化速率和累積礦化量溫度系數(shù)函數(shù)10,()和10,()構建

首先建立土壤有機碳礦化速率和累積礦化量的溫度響應函數(shù)()和()，分別求其一階導函數(shù)d()d和dF()d，其含義分別是溫度時單位溫度變化礦化速率的變化量[mg/(kg·d·℃)]和累積礦化量的變化量[mg/(kg·℃)]。因習慣上溫度系數(shù)定義為溫度變化10 ℃時有機碳礦化速率或累積礦化量增加或減小的倍數(shù)，所以用10d()d和10dF()d分別為溫度時溫度升高或降低10 ℃土壤有機碳礦化速率和累積礦化量的增加或減小量。然后其分別與溫度時礦化速率和累積礦化量溫度響應函數(shù)()和()加和即10d()d+()和10d()d+()分別為溫度增加或減小10 ℃時的礦化速率和累積礦化量。最后10d()d+()和10d()d+()分別除以礦化速率和累積礦化量溫度響應函數(shù)()和()即10,()=(10d()d+())()和10,()=(10d()d+())()分別為礦化速率和累積礦化量溫度系數(shù)函數(shù)。例如，分別用二次函數(shù)擬合土壤有機碳礦化速率和累積礦化量溫度響應函數(shù)，即10,=++和10,=++，則其一階導函數(shù)分別為d10,=2+和d10,=2+，一階導函數(shù)乘以10與原函數(shù)的和分別為10,+d10,=+(20+)+(10+)和10,+d10,=+(20+)+(10+)，最終的礦化速率和累積礦化量溫度系數(shù)函數(shù)分別為公式(13)和(14)，

10,=(+(20+)+(10+))

(++)

(13)

10,=(+(20+)+(10+))

(++)

(14)

式中：10,和10,分別為土壤有機碳礦化速率和累積礦化量溫度系數(shù)；為培養(yǎng)溫度(℃)；、、、和為擬合方程的系數(shù)。

所有數(shù)據(jù)用Excel 2019軟件整理、計算和繪制圖表，用SPSS 28.0軟件進行顯著性檢驗(<0.05)、方差分析和LSD多重比較，冪函數(shù)用Excel 2019軟件擬合，一級動力學方程用Sigmaplot 14.0擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 貴州喀斯特石灰土土壤有機碳礦化速率對水稻秸稈輸入和培養(yǎng)溫度的響應

由圖1可知，15，25，35 ℃培養(yǎng)溫度下不輸入水稻秸稈石灰土土壤有機碳、輸入水稻秸稈石灰土土壤總有機碳、原有有機碳和水稻秸稈有機碳礦化速率總體上均隨培養(yǎng)時間延長逐漸降低，隨培養(yǎng)溫度升高而升高。其中1天時15，25，35 ℃培養(yǎng)溫度下不輸入水稻秸稈石灰土土壤有機碳、輸入水稻秸稈石灰土土壤總有機碳、原有有機碳和水稻秸稈有機碳礦化速率依次分別為9.50，24.70，34.34 mg/(kg·d)、110.78，121.30，127.85 mg/(kg·d)、95.23，103.57，111.41 mg/(kg·d)和20.61，22.14，19.27 mg/(kg·d)，即培養(yǎng)溫度從15 ℃上升到25 ℃和從25 ℃上升到35 ℃時有機碳礦化速率依次分別增加15.20，9.64 mg/(kg·d)、10.52，6.55 mg/(kg·d)、8.34，7.84 mg/(kg·d)和1.53，-2.78 mg/(kg·d)，除從25 ℃升高到35 ℃時水稻秸稈有機碳礦化速率降低外，其余均升高；30天時有機碳礦化速率依次分別為7.10，7.14，22.28 mg/(kg·d)、14.57，20.13，38.18 mg/(kg·d)、9.89，14.88，22.50 mg/(kg·d)和0.37，1.37，1.46 mg/(kg·d)，較1天時降幅依次分別為25.26%，71.09%，35.12%、86.85%，83.40%，70.14%、89.61%，85.63%，79.80%和98.20%，93.81%，92.42%，培養(yǎng)溫度從15 ℃上升到25 ℃和從25 ℃上升到35 ℃有機碳礦化速率依次分別增加0.04，14.14 mg/(kg·d)、5.65，18.05 mg/(kg·d)、4.99，7.62 mg/(kg·d)和1.00，0.09 mg/(kg·d)，增幅依次分別為0.56%和198.04%、38.78%和89.67%、50.64%和50.21%、270.27%和6.14%；60天培養(yǎng)結(jié)束時有機碳礦化速率依次分別為5.29，8.15，18.18 mg/(kg·d)、9.14，11.97，18.56 mg/(kg·d)、11.65，15.49，27.71 mg/(kg·d)和0.21，0.58，0.68 mg/(kg·d)，分別較1，30天降幅依次為44.32%，67.00%，47.06%、91.75%，90.13%，85.48%、98.98%，97.38%，96.47%和98.98%，97.38%，96.47%以及25.49%，-14.14%，18.40%、37.26%，40.54%，51.39%、17.80%，4.10%，23.16%和43.24%，57.66%，53.42%，培養(yǎng)溫度從15 ℃上升到25 ℃和從25 ℃上升到35 ℃有機碳礦化速率依次分別增加2.86，10.03 mg/(kg·d)、2.83，6.59 mg/(kg·d)、3.84，12.22 mg/(kg·d)和0.37，0.10 mg/(kg·d)，增幅依次分別為54.06%，123.07%、30.96%，55.05%、50.64%，78.89%和176.19%，17.24%。

圖1 培養(yǎng)溫度對有機碳礦化速率及擬合曲線V=at-b的影響

冪函數(shù)=-可較好擬合15，25，35 ℃培養(yǎng)溫度下0～60天不添加水稻秸稈石灰土土壤有機碳、添加水稻秸稈石灰土土壤總有機碳、原有有機碳和水稻秸稈有機碳礦化速率的培養(yǎng)時間演變動態(tài)(表2)，且參數(shù)和可分別表征有機碳最大礦化速率和時間演變速率。由表2可知，15，25，35 ℃培養(yǎng)溫度下0～60天培養(yǎng)時間內(nèi)貴州喀斯特石灰土土壤有機碳、添加水稻秸稈石灰土土壤總有機碳、原有有機碳和水稻秸稈有機碳礦化速率均隨培養(yǎng)時間呈冪函數(shù)下降。其中15，25，35 ℃培養(yǎng)溫度下除添加水稻秸稈石灰土水稻秸稈有機碳礦化速率函數(shù)系數(shù)()即理論最大礦化速率分別為11.019 4，40.913 4，36.385 7 mg/(kg·d)，隨溫度升高呈先增大后減小規(guī)律外，不添加水稻秸稈石灰土土壤有機碳、添加水稻秸稈石灰土土壤總有機碳和土壤原有有機碳0～60天表征最大礦化速率的擬合函數(shù)參數(shù)()均隨培養(yǎng)溫度升高而增大，其值依次分別為9.813 9，27.503 7，35.346 7 mg/(kg·d)、108.403 1，157.034 0，165.905 3 mg/(kg·d)以及77.569 0，144.656 9，146.384 6 mg/(kg·d)。15，25，35 ℃培養(yǎng)溫度下不添加水稻秸稈石灰土土壤有機碳和添加水稻秸稈石灰土土壤原有有機碳礦化速率函數(shù)參數(shù)()依次分別為0.121 5，0.333 0，0.163 5和0.510 1，0.543 5，0.410 6，隨溫度升高均先增大后減小，表現(xiàn)為培養(yǎng)溫度從15 ℃升高到25 ℃時有機碳礦化速率隨培養(yǎng)時間延長減小幅度隨溫度升高而增大，培養(yǎng)溫度從25 ℃升高到35 ℃時有機碳礦化速率隨培養(yǎng)時間延長減小幅度隨溫度升高而減小。二者不同在于不添加水稻秸稈石灰土土壤有機碳礦化速率隨培養(yǎng)時間延長減小速率是35 ℃大于15 ℃，添加水稻秸稈石灰土土壤原有有機碳礦化速率隨培養(yǎng)時間延長減小速率是15 ℃大于35 ℃。隨培養(yǎng)溫度升高添加水稻秸稈石灰土土壤總有機碳礦化速率和水稻秸稈有機碳礦化速率均隨培養(yǎng)時間延長而減小的速率不斷減小，二者15，25，35 ℃培養(yǎng)溫度下的冪函數(shù)參數(shù)()分別為0.592 5，0.580 2，0.454 4和0.999 8，0.879 4，0.836 1。

表2 不同培養(yǎng)溫度下有機碳礦化速率擬合函數(shù)V=at-b的參數(shù)

2.2 貴州喀斯特石灰土土壤有機碳累積礦化量對水稻秸稈輸入和培養(yǎng)溫度的響應

由圖2和表3可知，15，25，35 ℃培養(yǎng)溫度下0～60天培養(yǎng)期內(nèi)不添加水稻秸稈石灰土土壤有機碳、添加水稻秸稈石灰土土壤總有機碳、水稻秸稈有機碳和土壤原有有機碳累積礦化量均隨培養(yǎng)時間延長逐步增加且與培養(yǎng)時間呈一級動力學函數(shù)關系，累積礦化量培養(yǎng)結(jié)束時最大，并隨培養(yǎng)溫度升高而增大。其中15，25，35 ℃培養(yǎng)溫度不添加水稻秸稈石灰土30天時總有機碳累積礦化量分別為237.98，383.23，725.64 mg/kg，60天時累積礦化量分別為423.75，612.61，1 332.57 mg/kg，前30天和后30天累積礦化量分別占60天累積礦化量的56.16%，62.56%，54.45%和43.84%,37.44%，45.55%，均表現(xiàn)為前30天>后30天，即累積礦化量增量和增幅均隨培養(yǎng)時間延長逐漸減小。同時不添加水稻秸稈石灰土土壤有機碳累積礦化量隨培養(yǎng)溫度升高而增大，但表征潛在最大累積礦化量的一級動力學方程參數(shù)隨培養(yǎng)溫度升高先減小后增大，對應的參數(shù)分別為1 220.602 0，729.558 6，3 052.443 7 mg/kg。擬合函數(shù)的參數(shù)分別為0.007 1，0.028 8，0.009 5，表明不添加水稻秸稈喀斯特石灰土土壤有機碳累積礦化量25 ℃培養(yǎng)溫度下隨培養(yǎng)時間延長增加速率最低，其次是35 ℃，15 ℃下累積礦化量隨培養(yǎng)時間延長增速最快。添加水稻秸稈石灰土土壤總有機碳累積礦化量也隨溫度升高增大，如30，60天時15，25，35 ℃培養(yǎng)溫度下依次分別為782.93，1 525.13，2 009.83 mg/kg和1 138.53，2 006.53，2 860.95 mg/kg。15，25，35 ℃培養(yǎng)溫度下添加水稻秸稈石灰土土壤總有機碳累積礦化量前30天和后30天分別占60天累積礦化量的68.77%，76.01%，70.25%和31.23%，23.99%，29.75%，亦均表現(xiàn)為前30天>后30天。添加水稻秸稈石灰土水稻秸稈有機碳和土壤原有有機碳累積礦化量隨培養(yǎng)溫度的變化規(guī)律與土壤總有機碳累積礦化量變量規(guī)律類似，亦均隨培養(yǎng)溫度升高而增大且升高增幅更大。其中30，60天時15，25，35 ℃培養(yǎng)溫度下水稻秸稈有機碳累積礦化量依次分別為36.87，152.62，160.32 mg/kg和43.10，169.51，180.23 mg/kg。前30天和后30天累積礦化量分別占60天累積礦化量的85.54%，90.04%，88.95%和14.45%，9.96%，11.05%。30，60天時15，25，35 ℃培養(yǎng)溫度下土壤原有有機碳累積礦化量分別為746.07，1 372.51，1 849.51 mg/kg和1 095.43，1 837.13，2 680.72 mg/kg，占60天累積礦化量百分比依次分別為68.13%，74.71%，68.99%和31.87%，23.29%，31.01%，亦為前30天>后30天。從一級動力學擬合方程看添加水稻秸稈石灰土土壤總有機碳、原有有機碳和水稻秸稈有機碳累積礦化量參數(shù)均隨培養(yǎng)溫度升高逐漸增大，即潛在最大累積礦化量隨培養(yǎng)溫度升高而增大；添加水稻秸稈石灰土土壤總有機碳和水稻秸稈有機碳累積礦化量參數(shù)均隨培養(yǎng)溫度升高先減小后增大但仍小于15 ℃時，土壤原有有機碳累積礦化量一級動力學方程參數(shù)與不添加水稻秸稈石灰土土壤有機碳累積礦化量一級動力學方程參數(shù)類似，均隨溫度升高先增大后減小但仍大于15 ℃時。其中15，25，35 ℃培養(yǎng)溫度下添加水稻秸稈石灰土土壤總有機碳、土壤原有有機碳和水稻秸稈有機碳累積礦化量與培養(yǎng)時間的一級動力學擬合方程參數(shù)依次分別為2 072.5 233，3 052.443 7，3 226.791 3 mg/kg、1 366.627 6，1 924.560 6，3 125.063 1 mg/kg和40.258 4，169.226 8，177.781 2 mg/kg，對應的一級動力學擬合方程參數(shù)依次分別為0.049 5，0.009 5，0.034 9、0.026 8，0.045 9，0.031 6和0.116 9，0.089 9，0.094 2。

表3 不同培養(yǎng)溫度下有機碳0～60天累積礦化量擬合函數(shù)F=a(1-e-bt)的參數(shù)

2.3 水稻秸稈輸入對貴州喀斯特石灰土土壤有機碳礦化速率和累積礦化量貢獻的演變動態(tài)及溫度響應

貴州喀斯特石灰土水稻秸稈輸入后土壤總有機碳和原有有機碳礦化速率和累積礦化量均顯著大于無水稻秸稈輸入土壤有機碳礦化速率和累積礦化量(圖1和圖2)，其原因首先在于水稻秸稈輸入土壤總有機碳含量更高，礦化速率和累積礦化量包含輸入水稻秸稈有機碳礦化速率和累積礦化量。圖1d和圖1b數(shù)據(jù)相除或圖2d和圖2b數(shù)據(jù)相除即為水稻秸稈有機碳礦化對土壤總有機碳礦化速率或累積礦化量的貢獻率(圖3a和圖3b)，其中礦化速率貢獻率反映水稻秸稈輸入的“瞬時”貢獻，累積礦化量貢獻率反映培養(yǎng)時段內(nèi)水稻秸稈輸入的“平均”貢獻。由圖3a可知，水稻秸稈對土壤總有機碳礦化速率貢獻率15 ℃培養(yǎng)溫度下除1天時較大，貢獻率18.60%外，其余時間貢獻率均較小，并整體上隨培養(yǎng)時間延長減小。25 ℃培養(yǎng)溫度下礦化速率貢獻率1，5，10，15天時均較大，貢獻率依次為18.30%，14.30%，22.80%和23.60%，30和60天時較小，貢獻率分別為6.80%和4.80%，隨培養(yǎng)時間延長整體上亦減小。35 ℃培養(yǎng)溫度下礦化速率貢獻率與25 ℃時類似，即1，5，10，15天時較大，30，60天時較小，貢獻率依次為15.10%，14.50%，14.20%，11.70%，3.80%和3.70%，總體上隨培養(yǎng)時間延長減小。從不同溫度下礦化速率貢獻率對比看，除1天時水稻秸稈礦化對土壤總有機碳礦化速率貢獻率為15 ℃>25 ℃和35 ℃外，其余培養(yǎng)時間均為15 ℃<25 ℃和35 ℃。25 ℃培養(yǎng)溫度下水稻秸稈礦化對土壤總有機碳礦化速率貢獻率除5天時與35 ℃培養(yǎng)溫度基本相當外，其余培養(yǎng)時間水稻秸稈有機碳礦化速率貢獻均是25 ℃>35 ℃。

圖2 培養(yǎng)溫度對有機碳累積礦化量及擬合函數(shù)F=a(1-e-bt)的影響

由圖3b可知，水稻秸稈對土壤總有機碳累積礦化量貢獻隨培養(yǎng)時間和培養(yǎng)溫度變化情況與礦化速率貢獻率類似。只是由于土壤總有機碳累積礦化量貢獻率包含某次測定時整個培養(yǎng)過程水稻秸稈有機碳礦化貢獻而除1天時貢獻率相同外，其他時間礦化速率貢獻率減小時累積礦化量貢獻率亦減小，但累積礦化量貢獻率>礦化速率貢獻率；礦化速率貢獻率增大時累積礦化量貢獻率亦增大，但累積礦化量貢獻率<礦化速率貢獻率。具體地，15 ℃培養(yǎng)溫度下1，5，10，15，30，60天時累積礦化量貢獻率分別為18.60%，8.46%，8.62%，7.29%，5.89%，4.92%；25 ℃培養(yǎng)溫度下分別為18.25%，15.36%，17.82%，19.07%，15.91%，13.32%；35 ℃培養(yǎng)溫度下分別為15.07%，14.61%，14.46%，13.79%，10.47%，8.81%。除1天時累積礦化量貢獻率15 ℃>25 ℃和25 ℃>35 ℃外，其余采樣時間均是25 ℃>35 ℃和35 ℃>15 ℃。

圖3 水稻秸稈對土壤總有機碳礦化速率和累積礦化量的貢獻及其溫度響應

2.4 水稻秸稈輸入對貴州喀斯特石灰土土壤原有有機碳礦化速率和累積礦化量的激發(fā)效應及溫度響應

貴州喀斯特石灰土水稻秸稈輸入土壤總有機碳礦化速率和累積礦化量顯著增大不僅由于包含了輸入水稻秸稈有機碳的礦化，即水稻秸稈有機碳礦化對土壤總有機碳礦化速率和累積礦化量的貢獻，還在于水稻秸稈輸入促進土壤原有有機碳礦化，即激發(fā)效應。類似地，水稻秸稈對土壤原有有機碳礦化的激發(fā)效應也可基于土壤原有有機碳礦化速率和累積礦化量表征，即礦化速率激發(fā)效應和累積礦化量激發(fā)效應。此外激發(fā)效應還可用礦化速率和累積礦化量的變化量或相對變化量表示，即激發(fā)效應和相對激發(fā)效應。

貴州喀斯特黃色石灰土水稻秸稈輸入土壤原有有機碳礦化速率和累積礦化量遠大于土壤有機碳礦化速率(圖1a、圖1c)和累積礦化量(圖2a、圖2c)，即水稻秸稈輸入促進貴州喀斯特黃色石灰土土壤原有有機碳礦化為正激發(fā)效應，其中礦化速率激發(fā)效應和相對激發(fā)效應表征測定時的“瞬時”激發(fā)效應(圖4a、圖4b)，累積礦化量激發(fā)效應和相對激發(fā)效應表征培養(yǎng)開展至測定時的“平均”激發(fā)效應(圖4c、圖4d)。由圖4可知，15，25，35 ℃培養(yǎng)溫度下0～60天培養(yǎng)期內(nèi)水稻秸稈輸入對土壤原有有機碳礦化均產(chǎn)生強正激發(fā)效應，但不同培養(yǎng)時刻或時段土壤原有有機碳礦化速率激發(fā)效應()、相對激發(fā)效應(RPE)和累積礦化量相對激發(fā)效應(RPE)均隨培養(yǎng)時間延長減小，累積礦化量激發(fā)效應()隨培養(yǎng)時間延長增大。其中15，25，35 ℃培養(yǎng)溫度下土壤原有有機碳礦化速率激發(fā)效應()為0.22～85.73 mg/(kg·d)(圖4a)，礦化速率相對激發(fā)效應(RPE)為0.99%～902.47%；土壤原有有機碳累積礦化量激發(fā)效應()為77.06～1348.15 mg/kg(圖4a)，累積礦化量相對激發(fā)效應(RPE)為101.17%～902.36%。培養(yǎng)溫度顯著影響水稻秸稈輸入的激發(fā)效應，并因激發(fā)效應表征和培養(yǎng)時間不同而不同。其中土壤原有有機碳礦化速率激發(fā)效應()對培養(yǎng)溫度的響應是1天時15 ℃>25 ℃>35 ℃，5天時25 ℃>35 ℃>15 ℃，10，15，60天時35 ℃>25 ℃>15 ℃，30天時25 ℃>15 ℃>35℃，且35 ℃的(PE)異常偏小。礦化速率相對激發(fā)效應(RPE)對培養(yǎng)溫度的響應是1，10，60天時15 ℃>25 ℃>35 ℃，5天時25 ℃>35 ℃>15℃，15和30天時25 ℃>15 ℃>35 ℃，且30天時35 ℃的(RPE)異常偏小。累積礦化量激發(fā)效應()對培養(yǎng)溫度的響應是1天時15 ℃>25 ℃>35 ℃，5天時25 ℃>35 ℃>15 ℃，10，15，30，60天時35 ℃>25 ℃>15 ℃。累積礦化量相對激發(fā)效應(RPE)對培養(yǎng)溫度的響應是1，10，15天時15 ℃>25 ℃>35 ℃，5，30，60天時25 ℃>15 ℃>35 ℃。此外培養(yǎng)溫度越低，初始礦化速率激發(fā)效應越大，隨培養(yǎng)時間延長弱化速率也越快。

水稻秸稈輸入對貴州喀斯特黃色石灰土土壤原有有機碳礦化的激發(fā)效應隨培養(yǎng)時間延長減小或增大可用冪函數(shù)=擬合(圖4,表4)。冪函數(shù)系數(shù)()表征1天時的激發(fā)效應，即理論初始激發(fā)效應，冪函數(shù)參數(shù)()表征激發(fā)效應隨培養(yǎng)時間的變化速率。其中15，25，35 ℃培養(yǎng)溫度下水稻秸稈輸入對貴州喀斯特黃色石灰土土壤原有有機碳礦化速率和累積礦化量的理論初始激發(fā)效應分別為69.929 2，125.729 6，160.389 3 mg/(kg·d)和72.891 7，99.309 2，95.940 4 mg/kg，理論初始相對激發(fā)效應分別為712.553 7%，457.137 4%，453.760 8%和750.880 7%，341.262 2%，260.036 1%。土壤原有有機碳礦化速率激發(fā)效應、礦化速率相對激發(fā)效應和累積礦化量激發(fā)效應的冪函數(shù)參數(shù)均<0，且相同溫度下其絕對值是土壤礦化速率激發(fā)效應>礦化速率相對激發(fā)效應>累積礦化量相對激發(fā)效應，以及土壤礦化速率激發(fā)效應和相對激發(fā)效應的冪函數(shù)參數(shù)的絕對值為35 ℃>15 ℃>25 ℃，與土壤累積礦化量相對激發(fā)效應為15 ℃>35 ℃>25 ℃。土壤累積礦化量激發(fā)效應的冪函數(shù)參數(shù)>0，表明其隨培養(yǎng)時間延長增大，15，25，35 ℃的參數(shù)分別為0.538 6，0.671 5和0.713 2，即35 ℃>25 ℃>15 ℃，表明溫度越低，激發(fā)效應隨培養(yǎng)時間延長增加幅度越小。

表4 不同培養(yǎng)溫度下水稻秸稈激發(fā)效應擬合函數(shù)的參數(shù)

圖4 培養(yǎng)溫度對水稻秸稈的激發(fā)效應及擬合曲線的影響

2.5 貴州喀斯特黃色石灰土土壤有機碳溫度系數(shù)(Q10)的演變動態(tài)及對水稻秸稈輸入的響應

溫度系數(shù)()反映土壤有機碳礦化的溫度響應，并因土壤類型、耕作方式和培養(yǎng)溫度系統(tǒng)等而不同。與水稻秸稈有機碳礦化對土壤總有機碳礦化的貢獻和水稻秸稈輸入對土壤原有有機碳礦化的激發(fā)效應類似，貴州喀斯特黃色石灰土水稻秸稈輸入和不輸入土壤有機碳礦化的溫度系數(shù)()同樣可用礦化速率溫度系數(shù)(10,)和累積礦化量溫度系數(shù)(10,)表征。由圖5可知，貴州喀斯特黃色石灰土有機碳和水稻秸稈輸入后土壤總有機碳礦化速率(10,)和累積礦化量溫度系數(shù)(10,)均隨培養(yǎng)時間延長呈波動性變化，其值范圍分別在1.01～3.12和1.01～2.60。其中15～25，25～35 ℃溫度體系下無水稻秸稈輸入土壤有機碳礦化速率溫度系數(shù)(10,)值分別在1.01～2.60,1.39～3.12，且15～25 ℃溫度體系下土壤有機碳礦化速率溫度系數(shù)(10,)隨培養(yǎng)時間延長逐漸減小；25～35 ℃溫度體系下隨培養(yǎng)時間延長逐漸增大。其結(jié)果是15～25 ℃溫度體系下培養(yǎng)1，5，10天時無水稻秸稈輸入石灰土土壤有機碳礦化速率溫度系數(shù)(10,)高于25～35 ℃溫度體系，15，30,60天時小于25～35 ℃溫度體系。15～25，25～35 ℃培養(yǎng)溫度體系下水稻秸稈輸入石灰土土壤總有機碳礦化速率溫度系數(shù)(10,)值分別在1.09～2.18和1.05～1.90，其中15～25 ℃溫度體系下土壤總有機碳礦化速率溫度系數(shù)(10,)隨培養(yǎng)時間延長先增加后逐漸減小，25～35 ℃溫度體系下隨培養(yǎng)時間延長先逐漸增大后減小再增大再減小。最終導致15～25 ℃溫度體系下培養(yǎng)1，5，10,15天時水稻秸稈輸入石灰土土壤總有機碳礦化速率溫度系數(shù)(10,)高于25～35 ℃溫度體系，30,60天時低于25～35 ℃溫度體系。15～25，25～35 ℃溫度體系下無水稻秸稈輸入石灰土土壤有機碳累積礦化量溫度系數(shù)(10,)(圖5b) 1，5，10，15，30,60天時分別為(2.60，2.51，2.43，1.95，1.50,1.52)和(1.39，1.51，1.50，1.67，2.13,2.17)，表現(xiàn)為低溫體系下隨培養(yǎng)時間延長逐漸減小，高溫體系下隨培養(yǎng)時間延長逐漸增大。最終結(jié)果是(10,)≤15天時低溫體系>高溫體系，≥30天時高溫體系>低溫體系。15～25，25～35 ℃體系下1，5，10，15，30,60天時水稻秸稈輸入石灰土土壤總有機碳累積礦化量溫度系數(shù)(10,)依次分別為(1.09，1.72，1.73，1.66，1.58,1.51)和(1.05，1.14，1.28，1.32，1.47,1.49)，表現(xiàn)為(10,)低溫體系>高溫體系和低溫體系下(10,)隨培養(yǎng)時間延長先增大后減小，高溫體系下隨培養(yǎng)時間延長單調(diào)增大的規(guī)律。

注：T1、T2和T3分別表示培養(yǎng)溫度為15，25,35 ℃；L和LS分別表示培養(yǎng)基質(zhì)為石灰土和石灰土+1.50 g水稻秸稈/kg干土。圖5 溫度對土壤總有機碳礦化速率溫度系數(shù)(Q10,V)和累積礦化量溫度系數(shù)(Q10,F) 的影響

從水稻秸稈輸入對()的影響看，15～25 ℃溫度體系下水稻秸稈輸入使1，5，10,60天時土壤有機碳礦化速率溫度系數(shù)(10,)降低，且隨培養(yǎng)時間延長降低幅度逐漸減小，15，30天時使(10,)增大。25～35 ℃溫度體系下除5天外水稻秸稈輸入均使土壤有機碳礦化速率溫度系數(shù)(10,)降低。15～25，25～35 ℃溫度體系下水稻秸稈輸入均使土壤總有機碳累積礦化量溫度系數(shù)(10,)降低，且15～25 ℃溫度體系下培養(yǎng)早期降低幅度大于后期，25～35 ℃溫度體系下隨培養(yǎng)時間延長降低幅度逐漸增大。

以上分析表明，無水稻秸稈輸入石灰土土壤有機碳和水稻秸稈輸入石灰土土壤總有機碳礦化速率溫度系數(shù)(10,)和累積礦化量溫度系數(shù)(10,)均隨升溫體系不同而不同，即(10,)和(10,)均是溫度的函數(shù)，因此可構建土壤有機碳礦化速率和累計礦化量溫度系數(shù)函數(shù)(10,)()和(10,)()更精準地描述(10,)和(10,)的溫度響應。本文以二次函數(shù)擬合無和有水稻秸稈輸入時貴州喀斯特石灰土土壤總有機碳礦化速率()的溫度響應函數(shù)() (圖6a，圖6b、表5)和累積礦化量()的溫度響應函數(shù)() (圖6c，圖6d、表5)為例，構建其礦化速率溫度系數(shù)函數(shù)(10,)() (圖6e，圖6f、表5)和累積礦化量溫度系數(shù)函數(shù)(10,)() (圖6g，圖6h、表5)并進行分析。結(jié)果表明，1，5,10天時無水稻秸稈輸入石灰土土壤有機碳礦化速率()隨培養(yǎng)溫度升高而升高，且擬合的二次曲線開口向下；15，30，60天時礦化速率隨培養(yǎng)溫度升高先降低后升高，二次曲線開口向上，拐點溫度分別為19.66，19.97，15.99 ℃(圖6a、表5)。相應地1，5，10天時貴州喀斯特黃色石灰土無水稻秸稈輸入土壤有機碳礦化速率溫度系數(shù)(10,)在15～35 ℃范圍內(nèi)均隨培養(yǎng)溫度升高而降低，且隨培養(yǎng)時間延長降低幅度逐漸減??；15，30，60天時隨培養(yǎng)溫度升高先快速升高后緩慢降低(圖6e，表5)。15～35 ℃溫度范圍內(nèi)1天時貴州喀斯特黃色石灰土水稻秸稈輸入土壤總有機碳礦化速率隨培養(yǎng)溫度升高而升高，5天時隨培養(yǎng)溫度升高礦化速率先升高后降低，拐點溫度為34.45 ℃，二者擬合的二次曲線開口均向下；30天時隨培養(yǎng)溫度升高先降低后升高，拐點溫度為15.54 ℃；10，15，60天時均隨培養(yǎng)溫度升高而升高；10，15，30，60天時擬合的二次曲線開口均向上。相應地，1，5，10，15天時貴州喀斯特黃色石灰土水稻秸稈輸入土壤總有機碳礦化速率溫度系數(shù)(10,)隨培養(yǎng)溫度升高而降低，且隨培養(yǎng)時間延長降低幅度逐漸減少；30，60天時隨配溫度升高先升高后降低(圖6f、表5)。

注：a、c、e、g為不添加水稻秸稈石灰土；b、d、f、h為添加水稻秸稈石灰土。圖6 溫度對土壤有機碳礦化速率和累積礦化量及溫度系數(shù)(Q10，V和Q10，F(xiàn))的影響

表5 不同培養(yǎng)時間土壤有機碳礦化速率的溫度響應函數(shù)及礦化速率溫度系數(shù)函數(shù)

貴州喀斯特黃色石灰土無水稻秸稈輸入土壤有機碳累積礦化量() 1，5，10，15天時均隨培養(yǎng)溫度升高而升高，且二次曲線除15天時開口向上外，其他培養(yǎng)時間時開口均向下；30，60天時隨培養(yǎng)溫度升高先降低后升高，拐點溫度分別為15.82，15.90 ℃，二次曲線開口均向上(圖6c、表6)。相應地，土壤有機碳礦化速率溫度系數(shù)(10,)除30，60天時隨培養(yǎng)溫度升高而升高外，其他培養(yǎng)時間均隨培養(yǎng)溫度升高而降低，且5天時降低速率最快(圖6g、表6)。水稻秸稈輸入土壤總有機碳累積礦化量均隨培養(yǎng)溫度升高而升高，其中1，5，10，15天時二次曲線開口向下，即二次項系數(shù)<0；30，60天時二次曲線開口向上，即二次項系數(shù)>0 (圖6d、表6)。所有培養(yǎng)時間土壤總有機碳累積礦化量溫度系數(shù)(10,)均隨培養(yǎng)溫度升高而降低(圖6h、表6)。

表6 不同培養(yǎng)時間土壤有機碳累積礦化量的溫度響應函數(shù)及累計礦化量溫度系數(shù)函數(shù)

3 討 論

3.1 水稻秸稈輸入和溫度升高顯著促進貴州喀斯特黃色石灰土土壤和水稻秸稈有機碳礦化

土壤有機碳礦化是土壤微生物滿足自身能源、碳源和營養(yǎng)需求，分解土壤有機碳并釋放CO的過程，是土壤有機碳輸出的主要途徑，對土壤—大氣碳循環(huán)起重要作用。本試驗發(fā)現(xiàn)，水稻秸稈不輸入石灰土土壤有機碳及水稻秸稈輸入石灰土土壤總有機碳、原有有機碳和水稻秸稈有機碳礦化速率最大值均出現(xiàn)在培養(yǎng)1天時，且1～30天時礦化速率較高，隨培養(yǎng)時間延長降低速率也較快；之后礦化速率雖亦隨培養(yǎng)時間延長逐漸降低但降低速率趨于平緩。無外源有機碳輸入情況下培養(yǎng)初期土壤活性有機碳如易氧化分解的糖類和蛋白質(zhì)類等物質(zhì)較多，能較好滿足土壤微生物的碳源和能源需求，短期內(nèi)極大促進土壤微生物數(shù)量和活性及有機碳礦化。隨著培養(yǎng)時間延長，土壤易分解有機碳因土壤微生物消耗且無外源輸入而逐漸減少，土壤微生物生物量和活性因缺少速效碳源而降低，并從以活性有機碳為碳源的群系向以惰性有機碳為碳源的群系演變，礦化速率隨培養(yǎng)時間延長逐漸降低。楊芳等研究表明，貴州喀斯特黑色石灰土土壤有機碳礦化速率隨培養(yǎng)時間延長降低，累積礦化量隨培養(yǎng)時間延長升高，與本文結(jié)果一致。

水稻秸稈輸入土壤總有機碳和原有有機碳礦化速率均較水稻秸稈不輸入土壤有機碳礦化速率大幅增加的原因在于水稻秸稈輸入增加了土壤總有機碳和活性有機碳含量及其正激發(fā)效應。陳晨等研究表明，羊糞分別使輕度和中度堿化土土壤DOC含量增加20.66%和74.10%，土壤有機碳礦化顯著增強。徐學池等發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈顯著增加了棕色石灰土土壤DOC含量、土壤總PLFAs、細菌和真菌PLFA摩爾質(zhì)量濃度和革蘭氏陽性菌比例，具有顯著正激發(fā)效應。升溫和添加葡萄糖顯著促進農(nóng)田和濕地土壤有機碳礦化，且農(nóng)田土壤有機碳礦化速率和累積礦化量顯著高于濕地土壤。本研究中水稻秸稈不輸入石灰土土壤有機碳礦化速率和累積礦化量及水稻秸稈輸入石灰土土壤總有機碳礦化速率和累積礦化量均隨培養(yǎng)溫度升高而升高，并可用二次函數(shù)較好地擬合，與楊芳等、林杉等和陳曉芬等研究結(jié)果類似。溫度升高增強土壤微生物和土壤酶活性，促進土壤有機碳礦化。本研究結(jié)果還表明，水稻秸稈對貴州喀斯特黃色石灰土土壤總有機碳礦化速率和累積礦化量貢獻率亦受溫度顯著影響，除1天時外均以25 ℃培養(yǎng)溫度下最高，其次是35，15 ℃下最低，表明溫度不僅顯著影響貴州喀斯特黃色石灰土土壤有機碳礦化，溫度升高也顯著促進輸入的水稻秸稈有機碳礦化，這與葛云輝等的研究結(jié)果類似。

3.2 水稻秸稈輸入顯著影響貴州喀斯特黃色石灰土土壤有機碳的溫度系數(shù)(Q10)

土壤有機碳溫度系數(shù)()是土壤溫度升高10 ℃時土壤有機碳礦化速率或累積礦化量增加的倍數(shù)，可表征土壤有機碳礦化對溫度變化的響應，其值越大表明土壤有機碳對溫度變化越敏感。但不同文獻或使用礦化速率溫度系數(shù)，或使用累積礦化量溫度系數(shù)，并都用()表示，造成不同文獻結(jié)果和結(jié)論間比較的困難和不精確性。本研究同時使用礦化速率溫度系數(shù)和累積礦化量溫度系數(shù)并分別用符號10, 和10, 表示，在此基礎上構建了礦化速率溫度系數(shù)函數(shù)(10,)()和累積礦化量溫度系數(shù)函數(shù)(10,)()描述溫度系數(shù)對溫度的響應。本研究發(fā)現(xiàn)，水稻秸稈不輸入石灰土土壤有機碳(10,)和(10,)分別在1.01～3.12和1.39～2.60，水稻秸稈輸入石灰土土壤總有機碳(10,)和(10,)分別在1.05～2.18和1.05～1.78，二者間存在明顯差異，即水稻秸稈輸入顯著降低了石灰土土壤有機碳溫度系數(shù)(10,)和(10,)，二者變幅均較大且(10,)變幅大于(10,)，以及水稻秸稈不輸入石灰土土壤有機碳礦化(10,)和(10,)變幅均大于水稻秸稈輸入石灰土。林杉等研究表明，湖南長期施肥水稻土土壤(10,)范圍在1.01～1.53；魏圓云等發(fā)現(xiàn)，華北平原農(nóng)田和濕地土壤(10,)值在1.2～1.6，且添加葡萄糖對農(nóng)田和濕地土壤有機碳溫度敏感系數(shù)(10,)影響不顯著。還有研究指出，不同施肥處理水稻土土壤有機碳礦化溫度系數(shù)(10,)為1.31～1.75，施肥提高了土壤有機碳礦化的溫度敏感性。Creamer等研究表明，外源有機碳碳輸入提高了土壤有機碳礦化溫度敏感性，并因外源碳輸入改變土壤微生物群落結(jié)構所致。這些結(jié)果之間土壤有機碳礦化溫度系數(shù)(10,)差異亦較大，且對外源有機碳輸入響應不同，其原因可能是因為所研究土壤不同且來自不同生態(tài)系統(tǒng)，并與土壤有機碳特別是活性有機碳的數(shù)量、質(zhì)量和組成有關。中國各生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸()范圍在1.3～4.8，其值因生態(tài)系統(tǒng)類型和植被類型而不同。本研究發(fā)現(xiàn)，(10,)和(10,)隨培養(yǎng)溫度升高而變化的規(guī)律因有水稻秸稈輸入和培養(yǎng)時間不同而不同。如本研究中水稻秸稈不輸入石灰土土壤有機碳礦化速率溫度系數(shù)(10,)培養(yǎng)1～10天隨培養(yǎng)溫度升高降低，15～60天隨培養(yǎng)溫度升高升高；而水稻秸稈輸入石灰土土壤總有機碳礦化速率溫度系數(shù)(10,)培養(yǎng)1～15天隨培養(yǎng)溫度升高降低，30～60天隨培養(yǎng)溫度升高升高。葛序娟等的50天室內(nèi)培養(yǎng)試驗表明，三峽庫區(qū)水稻土土壤(10,)范圍為1.48～2.88，且隨培養(yǎng)溫度升高和隨培養(yǎng)時間延長降低，與本文結(jié)果較一致。王峰等也指出，<20 ℃的低溫條件下土壤有機碳礦化對升溫敏感性更強。但本文結(jié)果還表明，溫度對土壤有機碳礦化的溫度系數(shù)(10,)的影響因培養(yǎng)時間不同而變化，也因水稻秸稈輸入對培養(yǎng)時間和培養(yǎng)溫度響應不同。此外，本文還提出并以土壤有機碳礦化速率和累積礦化量溫度響應函數(shù)二次曲線擬合為例，構建了不同培養(yǎng)時間和水稻秸稈輸入和不輸入土壤有機碳礦化速率和累積礦化量溫度系數(shù)函數(shù)(10,)(T)和(10,)(T)，可更好展示和表征土壤有機碳溫度系數(shù)的溫度響應。

3.3 溫度顯著影響水稻秸稈碳輸入對貴州喀斯特石灰土土壤原有有機碳礦化的激發(fā)效應

Wu等認為，外源物質(zhì)輸入對土壤有機碳礦化的激發(fā)效應有2種機制，外源有機物質(zhì)輸入加速土壤微生物生物量碳周轉(zhuǎn)，提高單位微生物生物量的碳轉(zhuǎn)化速率，和底物濃度增加提高土壤微生物生物量，進而提高微生物生物量的碳轉(zhuǎn)化總量。本研究中水稻秸稈輸入大幅提高了培養(yǎng)過程中不同培養(yǎng)時間土壤原有有機碳礦化速率和累積礦化量，表現(xiàn)出強正激發(fā)效應。本研究還發(fā)現(xiàn)，表征激發(fā)效應的指標和方法不同，外源物質(zhì)對土壤原有有機碳激發(fā)效應的大小、量綱單位、隨培養(yǎng)時間演變和溫度響應皆不相同，這可能是不同文獻間關于外源物質(zhì)對土壤有機碳礦化激發(fā)效應結(jié)論不同的重要原因或原因之一。魏圓云等研究表明，培養(yǎng)過程中葡萄糖對華北平原農(nóng)田和濕地土壤有機碳礦化的激發(fā)效應持續(xù)增長，培養(yǎng)前14天增長較快, 之后逐漸平緩，其所采用的激發(fā)效應是累積礦化量激發(fā)效應，并用添加葡萄糖處理的土壤總有機碳累積礦化量與不添加葡萄糖的對照處理的土壤有機碳累積礦化量差減計算，未剔除添加的葡萄糖礦化的貢獻。徐學池等對廣西河池喀斯特長期施肥定位試驗中不施肥、單施無機肥和秸稈與無機肥配施處理土樣室內(nèi)培養(yǎng)試驗表明，添加玉米秸稈對單施秸稈處理土壤累積礦化量激發(fā)效應在838.8～1 587.1 mg/kg，且顯著高于單施無機肥和秸稈與無機肥配施處理土壤，其所采用的激發(fā)效應亦是累積礦化量激發(fā)效應，亦基于添加秸稈后土壤有機碳總礦化量計算。冷雪梅等發(fā)現(xiàn)，添加玉米秸稈對江蘇如皋高砂土優(yōu)化施肥基礎上牛糞替代20%化學氮肥處理土壤有機碳礦化產(chǎn)生負激發(fā)效應，對如皋高砂土不施肥、農(nóng)民習慣施肥和優(yōu)化施肥處理和溧陽白土不施肥、農(nóng)民習慣施肥、優(yōu)化施肥處理和優(yōu)化施肥基礎上牛糞替代20%化學氮肥處理產(chǎn)生正激發(fā)效應，且隨培養(yǎng)時間延長逐漸降低，其所采用的激發(fā)效應則是礦化速率相對激發(fā)效應。張?zhí)炝氐劝l(fā)現(xiàn)，3種林木非正常凋落物輸入對土壤有機碳礦化的激發(fā)效應分3個階段，0～7天均引起土壤有機碳強烈負激發(fā)效應并短期內(nèi)達到峰值，峰值分別為-50.05%，-117.72%和-124.08%；7～35天負激發(fā)效應強度逐步下降，且先快速下降后速率轉(zhuǎn)慢；35～110天激發(fā)效應較為平穩(wěn)，其中黧蒴錐和浙江潤楠非正常凋落物輸入對土壤有機碳的激發(fā)效應逐漸轉(zhuǎn)為正值，馬尾松非正常凋落物維持負激發(fā)效應并緩慢下降至消失，其所采用的激發(fā)效應是土壤原有有機碳礦化速率相對激發(fā)效應。李瑞東等發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng)前期(1～10天) CaCO添加表現(xiàn)為強烈負激發(fā)效應，15，25，35 ℃培養(yǎng)溫度最強可分別達-54.0%，-81.0%和-69.3%，其所采用的激發(fā)效應是土壤原有有機碳累積礦化量相對激發(fā)效應。因此在進行文獻對比分析如Meta分析和文獻參考引用時應注意其所采用的激發(fā)效應表征形式、方法和指標。本研究還發(fā)現(xiàn)，溫度對激發(fā)效應的影響因培養(yǎng)時間、表征激發(fā)效應的指標不同而不同，亦即溫度亦影響添加水稻秸稈的激發(fā)效應的強弱，與李瑞東等的結(jié)果類似，其原因可能是土壤有機碳和水稻秸稈有機碳礦化隨溫度升高而增加可為土壤微生物提供更多碳源和能源；同時作為響應土壤微生物生物量亦增加并釋放更多胞外酶進入土壤，進一步促進土壤有機碳的礦化，形成正反饋系統(tǒng)，從而影響激發(fā)效應。李赟等研究表明，培養(yǎng)溫度和50%及200%微生物生物量碳當量葡萄糖添加顯著影響葡萄糖對土壤原有有機碳的激發(fā)效應，與本文結(jié)果較為一致。

4 結(jié) 論

15～35 ℃溫度范圍和0～60天培養(yǎng)時間內(nèi)，溫度升高顯著增加了貴州喀斯特黃色石灰土土壤有機碳、水稻秸稈輸入土壤總有機碳、土壤原有有機碳和輸入的水稻秸稈有機碳的礦化速率和累積礦化量。水稻秸稈輸入對土壤原有有機碳礦化產(chǎn)生顯著正激發(fā)效應，且正激發(fā)效應隨溫度升高而強化。水稻秸稈對土壤有機碳礦化速率和累積礦化量的貢獻除1天外均是25 ℃最大，其次是35 ℃，15 ℃最小。添加水稻秸稈明顯降低貴州喀斯特黃色石灰土土壤有機碳礦化的溫度敏感性。溫度影響土壤有機碳礦化的溫度敏感性，并因表征溫度敏感性的指標和培養(yǎng)時間長短不同而不同，建立不同培養(yǎng)時間的礦化速率和累積礦化量溫度敏感系數(shù)的溫度函數(shù)可精確表征其對溫度的響應。培養(yǎng)試驗結(jié)果表明，水稻秸稈還田或氣候變暖均可增加貴州喀斯特黃色石灰土農(nóng)田土壤CO溫室氣體的排放強度和排放量，但水稻秸稈還田可以減緩全球變暖所致的CO排放潛力。研究結(jié)果對貴州喀斯特農(nóng)田土壤秸稈還田、土壤固碳減排、土壤有機碳管理和土壤有機碳庫預測等提供參考和借鑒，對豐富土壤有機碳激發(fā)效應和溫度系數(shù)()的表征和深入理解具有重要意義。