干旱胁迫对灵武长枣种植园土壤矿化碳特征的影响

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　　摘要：试验在灵武长枣种植园内设置土壤不同干旱水平，测定土壤理化性质、土壤矿化碳及土壤碳组分，研究不同干旱水平下土壤理化性质及其土壤碳组分与土壤矿化碳之间的关系，探讨不同干旱水平土壤矿化碳的变化特征。结果表明，不同干旱胁迫下土壤矿化碳存在一定的差异，随着干旱胁迫的加剧，土壤矿化碳含量呈下降趋势。且在不同程度的干旱胁迫下，随着土壤pH值、含水率、全氮含量等的增大，土壤矿化碳含量也不断增加;随着土壤全碳含量的增加，土壤矿化碳含量呈递减趋势。
　　关键词：干旱胁迫;灵武长枣;土壤矿化碳;土壤碳组分
　　中图分类号：S153.6+1文献标识号：A文章编号：1001-4942（2019）04-0105-05
　　Abstract The relationships of soil physical and chemical properties and carbon fractions with soil mineralized carbon and the variation characteristics of soil mineralized carbon in Lingwu long jujube plantation were studied under different drought levels. The results showed that the soil mineralized carbon  was different under different drought stress levels， and showed a decrease trend with the intensification of drought stress. With the increase of soil pH value， moisture content and total nitrogen content， the soil mineralized carbon content increased. And the mineralized carbon content of soil decreased with the increase of soil total carbon content.
　　Keywords Drought stress; Lingwu long jujube; Soil carbon mineralization; Soil carbon components
　　干旱胁迫是植物逆境最普遍的形式，干旱胁迫可以发生在植物的不同发育阶段，并影响植物形态的建成，是导致经济林木生产力下降及林木枯梢、死亡的主要原因[1，2]，同时对植物的各生理指标也存在显著影响[3，4]。干旱胁迫下的土壤养分及其各指标也发生变化，从而对植物的生长发育产生一定的影响[5，6]。土壤有机碳矿化主要是指土壤固有有机质和外源有机质（植物凋落物、根茬、以及人为有机物料的投入等）在微生物的作用下分解，并向大气释放二氧化碳的过程[7]。土壤自身的理化性质[8]及其碳组分含量[9]直接或间接地影响有机碳矿化，此外，温度和水分也对土壤矿化碳含量存在影响[10，11]。据相关研究表明，土壤矿化碳含量越高，则土壤有机质含量越高，其微生物活动就越显著，对土壤质地及其土壤养分组成的改善作用越显著，从而增加作物产量[12，13]。
　　 寧夏地处西北内陆，属干旱半干旱地区，水资源缺乏，年降雨量少，因此，干旱成为了植物生长发育的限制因子。灵武长枣是宁夏区域特色的主要经济林树种之一，本试验通过测定不同干旱水平下土壤理化性质及其碳组分含量等，探讨干旱胁迫下灵武长枣种植园土壤的矿化程度，为灵武长枣提质增效栽培实践提供理论依据。
　　1 材料与方法
　　 1.1 研究区概况
　　 试验设在宁夏永宁县宁夏大学实验农场，该农场位于宁夏中部黄河冲积平原的永宁县境内，地处西北内陆，属中温带干旱气候区，年降水量180～200 mm，年均气温8.5℃。枣树树龄为8年，株行间距为2 m×3 m，土壤类型为灌淤土。
　　1.2 试验设计及方法
　　 试验设置3个土壤干旱水平：轻度干旱（Ⅰ，含水量为田间持水量的70%～75%）、中度干旱（Ⅱ，含水量为田间持水量的50%～55%）、重度干旱（Ⅲ，含水量为田间持水量的35%～40%）。5月初在样地随机选取18株枣树，在树干四周1.5 m范围内开取宽40 cm、深80 cm的沟后用塑料地膜围绕进行水分隔离。用由土壤水分感应器、控制器、电磁阀、滴灌设备组成的基于土壤含水量变化的自动灌溉系统进行不同处理的土壤含水量监控。
　　1.3 土壤样品采集
　　 11月份对土壤进行采样，采用五点取样法对各处理区域土壤进行取样，分别用土钻钻取0～20、20～40 cm土层的土样，分层混合装入塑料密封袋带回实验室。1份放在4℃冰箱中用于土壤微生物碳和矿化碳的测定;1份自然风干，用于惰性碳、易氧化有机碳、颗粒有机碳、全碳及其土壤理化性质的测定，每个指标测定3次重复。
　　1.4 测定项目及方法
　　 土壤理化性状及碳组分的测定：利用环刀法测定土壤容重;土壤pH值和含水率分别用电位法和烘干法测定;用凯氏定氮法测全氮、钼锑抗比色法测定土壤速效磷、碱扩散法测速效氮[14]。土壤全碳采用重铬酸钾外加热法测定;土壤微生物有机碳采用氯仿熏蒸浸提法测定;土壤惰性有机碳采取盐酸消煮法测定;采用湿筛法测定土壤颗粒有机碳;易氧化有机碳采用分光光度计比色法测定[15]。
　　 土壤矿化碳的测定：采用室内恒温培养，碱液吸收法测定土壤矿化碳含量。称取预处理后的样土30 g均匀置于500 mL棕色广口瓶底，加入相当于田间饱和含水量60%的去离子水。吸取0.2 mol/L NaOH 25 mL放入一个50 mL烧杯内（为CO2吸收杯），将吸收杯挂在塑料内垫下方，再将塑料内垫和吸收杯悬挂在上述广口瓶内供试样品的上端。随后将广口培养瓶加盖密封放入30℃恒温培养箱中培养;另设不加供试样品的空白处理。在放置培养1、2、3、4、6、7、14、21、25、35 d时取出培养瓶内的吸收杯。取出碱液加入1.0 mol/L BaCl2溶液15 mL，再加入2滴酚酞指示剂，用0.1 mol/L HCl 标准液滴定至红色消失，测定释放出的CO2量[16]。用称重法校正水分含量并按如下公式计算矿化有机碳分解率： 　　有机碳分解率（%）= （V0-Vi）×C×0.006/W×100。
　　式中，V0为空白盐酸滴定量（mL）;Vi为样品盐酸滴定量（mL）;C为标准盐酸溶液的浓度（mol/L）;W为样品中有机碳总量（g）;0.006相当于1 mmol盐酸溶液的碳的克数。
　　1.5 数据处理
　　 试验所有数据经Micorosft Excel、DPS 7.05软件处理并进行统计分析。
　　2 结果与分析
　　2.1 干旱胁迫对土壤碳组分的影响
　　 表1显示不同干旱水平下各土层深度土壤碳组分的变化规律。在0～20 cm土层范围，土壤全碳、颗粒有机碳、易氧化有机碳、微生物碳、惰性碳在重度干旱胁迫下分别为12.61、10.71、0.09 g/kg、1.47 mg/kg、6.09 g/kg，分别比轻度干旱胁迫处理高出17.74%、0.75%、3.50倍、75.00%、1.33%，土壤全碳、颗粒有机碳、惰性碳中度干旱胁迫处理最小，分别为9.37、9.17、3.45 g/kg，比轻度干旱胁迫处理下降12.51%、13.73%、42.60%，而易氧化有机碳和微生物碳为中度干旱胁迫处理最大，分别为0.19 g/kg、3.37 mg/kg，分别比轻度干旱胁迫处理高出8.50、3.01倍。干旱胁迫对土壤全碳、颗粒有机碳、易氧化有机碳、微生物有机碳、惰性碳的影响均存在极显著差异（P<0.01）。
　　 在20～40 cm土层范围，土壤全碳、颗粒有机碳、易氧化有机碳、微生物碳、惰性碳在重度干旱胁迫下分别为9.31、7.77、0.17 g/kg、2.21 mg/kg、3.75 g/kg，分别比轻度干旱胁迫处理高出10.44%、8.07%、13.33%、1.99倍、8.70%，土壤全碳、颗粒有机碳、惰性碳中度干旱胁迫处理最小，分别为7.33、6.83、1.10 g/kg，比轻度干旱胁迫处理下降13.05%、5.01%、68.12%，而易氧化有机碳和微生物碳中度干旱胁迫处理最大，分别为0.23 g/kg、2.26 mg/kg，分别比轻度干旱胁迫處理高出53.33%、2.05倍。干旱胁迫对土壤全碳、颗粒有机碳、易氧化有机碳、微生物有机碳、惰性碳均存在极显著差异（P<0.01）。
　　 由表1还可以看出，0～20 cm土层土壤全碳、颗粒有机碳及惰性碳、微生物碳含量大于20～40 cm土层，土层深度对土壤全碳、颗粒有机碳、易氧化有机碳及惰性碳含量的影响差异不显著（P>0.05），而对微生物碳的影响存在显著差异（P<0.05）。
　　2.2 土壤矿化碳含量随时间的变化
　　 由图1、图2可以看出，在35天的培养周期内，培养前6天，0～20、20～40 cm土层的土壤矿化碳含量逐渐增大，总体趋势较为平缓，在第7天矿化碳含量迅速达到最大，之后由于微生物的活动逐渐减弱，土壤矿化量逐渐减少，25天之后，矿化碳含量变化逐渐趋于平缓。3个处理之间的矿化量也存在一定差异，其中处理Ⅰ矿化碳含量最高，处理Ⅱ次之，处理Ⅲ最低。
　　2.3 干旱胁迫对不同土层土壤矿化碳含量的影响
　　 从图3可以看出，两个土层三种处理之间土壤矿化量存在极显著差异（P<0.01），处理Ⅰ的土壤矿化碳含量最高，其次是处理Ⅱ，处理Ⅲ最低。且土壤碳矿化量有随着土层加深逐渐变小的趋势，即0～20 cm的土层矿化量比20～40 cm的土层大。
　　2.4 土壤矿化碳与土壤理化性状相关性分析
　　 由表2可知，在干旱胁迫下，土壤矿化碳含量与土壤速效氮、速效磷、有机碳、土壤容重的相关性不显著，而与土壤pH值、含水率存在显著正相关，与土壤全氮存在极显著正相关，即随着土壤pH的升高、土壤含水率和全氮含量的增大，土壤矿化碳含量也不断增加。说明土壤pH值、含水率、全氮是影响土壤矿化碳含量变化的重要因素。
　　2.5 土壤矿化碳与碳组分相关性分析
　　 从表3可以看出，干旱胁迫下，土壤矿化碳含量与土壤全碳存在显著负相关，与土壤惰性碳、颗粒有机碳、微生物碳、易氧化有机碳相关性不显著，随着土壤全碳含量的增加，土壤矿化碳含量呈递减趋势。说明土壤全碳对矿化碳的变化影响显著，而土壤惰性碳、颗粒有机碳、微生物碳、易氧化有机碳对矿化碳的变化影响不大。
　　3 讨论
　　 土壤有机碳矿化量表示土壤有机碳分解的快慢，其随时间的变化趋势与土壤有机碳的组分[17]、土壤含水量[18]等密切相关。在试验期间，培养前期土壤有机碳矿化速率快，积累矿化量增长较多，培养后期均趋于平缓，与张文娟[19-21]等的研究具有一致性。通过试验观察及数据分析发现，土壤有机碳矿化速率的影响因子包括微生物因素（土壤微生物种类和数量、植被类型、调落物的性质和数量）和非生物因素（土壤养分组成等物理和化学性质、土壤有机碳的数量和质量），与向成华[22-24]等的研究具有一致性。土壤矿化碳含量的增加，有利于土壤养分的积累，改善土壤结构，提高土壤的生产力。本试验结果表明，在不同水平的干旱胁迫下，三个处理的土壤碳矿化量存在差异，产生差异的原因主要包括：土壤含水率、微生物种类、数量和活性的差异，土壤理化性质的差异、凋落物性质和数量的差异，不同草种、根系分泌物的差异等。土壤含水率对土壤有机碳矿化存在不同程度的影响，随着土壤含水率的增加，土壤矿化碳含量有所增加。随着干旱胁迫的加剧，土壤碳组分含量以及土壤矿化碳含量降低，从而降低了土壤养分含量，在一定程度上降低了枣园的生产力。
　　4 结论
　　 （1） 不同干旱胁迫下，灵武长枣种植园土壤矿化碳存在差异，随着干旱胁迫的加剧，土壤矿化碳含量表现为下降的趋势。干旱胁迫下，不同土层土壤有机碳矿化规律一致，培养初期，矿化碳含量呈上升趋势，第7天达到最大值，之后矿化量明显下降。 　　 （2） 不同干旱胁迫下，随着土壤pH值的升高、土壤含水率和全氮含量的增加，土壤矿化碳含量也不断增大，而随着土壤全碳含量的增加，土壤矿化碳含量呈递减趋势。
　　 （3） 随着干旱胁迫的加剧，土壤碳组分含量以及土壤矿化碳含量降低，从而降低了土壤养分含量，在一定程度上降低了枣园的生产力。
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