土壤碳库储存量巨大，约是大气碳库的3倍，是植被碳库的2倍多^[1]，其较小幅度的变化都可影响到碳向大气的排放量^[2]，进而影响全球气候变化，因此土壤有机碳动态变化成为陆地生态系统碳循环和全球气候变化研究的热点问题之一^{[1, 2, 3]}. 土壤有机碳矿化是土壤有机碳在微生物驱动下由酶作用的生物化学过程，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^[4,5]，土壤有机碳矿化受多种因素影响，如土壤温度、 土壤水分、 土壤有机碳的性质以及土壤微生物群落组成和活性^[6]等，土壤酶参与土壤中一切生物化学过程，是土壤生态系统中物质循环和能量流动中最为活跃的生物活性物质^[7]，土壤酶种类和活性是反映土壤有机碳转化特征的敏感指标^[8]，土壤酶参与土壤碳氮的转化，对提高土壤肥力有重要作用^[9].

果园生草制作为绿色果品生产措施1998年在全国推广^[10]，果园生草可以降低土壤容重，增大土壤空隙度，提高土壤有机碳含量、 微生物的数量和活性^[11,12]以及土壤酶的活性^[13,14]，这些变化必然会对有机碳矿化产生影响. 目前我国对土壤有机碳矿化的研究侧重于林地^[15]、 水稻土 ^[16]、 沙地^[17]和湿地^[18,19]等，关于果园生草土壤有机碳矿化的研究比较少见. 本研究旨在从机制角度了解生草条件下果园土壤肥力状况并筛选出更加适宜改善果园土壤生态环境的草种，以期为进一步探讨生草对果园土壤碳收支的影响、 生草果园生态系统对全球碳循环的影响、 苹果园土壤生草科学管理、 土壤养分的科学管理和果园生草推广提供理论依据和数据支撑.

1 材料与方法 1.1 试验区概况

试验区是白水县中部杜康镇塬面西北农林科技大学苹果试验站果园，位于渭北黄土高原苹果代表产区白水县，地处东经109°16′~109°45′，北纬35°04′~35°27′，属暖温带大陆性季风气候，平均海拔850 m左右，土壤为黄绵土，土层深厚，剖面质地均匀，多年平均气温11.4℃，多年平均降水量577.8 mm，降水年际变化大，年内分配不均，日照充足，光热资源丰富，无霜期207 d. 苹果品种为13 a生乔化红富士(富士/新疆野苹果Malus demestica Borkh)，栽植密度3 m×8 m.

选取苹果园清耕(clear tillage)、 苹果∕白三叶(Trifolium repens)间作、 苹果∕小冠花(Coronilla varia L.)间作3种管理模式(下文分别用对照、 白三叶和小冠花简称)，每个模式重复3次，共9个小区，每小区面积是30 m²(6棵苹果树)，2005年3月进行间生草播种，现已持续生草7 a，播前深翻整地，开沟条播，播种密度为0.75g ·m^-2，每年刈割2~3次，覆盖于苹果树行间，各处理区的生态条件和田间管理措施保持一致.

2012年7月在各处理区随机布设3个采样点，清除表层凋落物，用土钻分别采集0~5 cm、 5~10 cm、 10~20 cm和20~40 cm土层土样，同一采样点同一层次土壤混匀作为1个样品，共36个样，土样去除根系、 枯落物，分成两个部分，一部分自然风干，用于测定土壤基本理化性质和土壤酶活性，另一部分装入冰袋立即运回实验室用于土壤有机碳矿化的室内培养测定.

土壤有机碳矿化培养：将样品在30℃恒温培养箱中预培养一周，以使土壤从4℃状态下恢复到常温状态，使各种条件相对一致. 称取20 g预培养过的鲜土置于广口瓶底部，用蒸馏水调土壤含水量至田间持水量的60%，在50 mL吸收瓶装入20 mL 0.01 mol ·L^-1 NaOH溶液，并置于广口瓶内，加盖密封，置于30℃的恒温培养箱中培养，每个样设置3个重复，每次用称重法矫正土壤含水量. 分别在培养的第1、 3、 5、 7、 10、 13、 17、 23、 31 d，取出装有碱液的吸收瓶，加入2 mL 1 mol ·L^-1 BaCl₂溶液和两滴酚酞指示剂用0.1 mL ·L^-1盐酸滴定至微红色，测定土壤中CO₂-C的释放量.

土壤有机碳用重铬酸钾容量法(外加热)测定; 土壤pH值直接用pH计进行测定，水土比2.5 ∶1; 土壤全氮用凯氏法消解，凯氏定氮仪测定; 速效钾用醋酸铵浸提，火焰分光光度法测定; 轻组有机碳用碘化钠提取，在岛津TOC- SSM- 5000A 碳分析仪上测定; 土壤蔗糖酶和纤维素酶用3,5-二硝基水杨酸比色法测定; 过氧化氢酶用高锰酸钾滴定法; 土壤脲酶用靛酚比色法测定. 各处理土壤的基本性质见表 1.

表 1(Table 1)

表 1 3个处理土壤理化性质Table 1 Physicochemical properties of soil in 3 treatments 不同处理 土壤深度 /cm 容重 /g·cm-3 土壤pH 土壤全氮 /g·kg-1 土壤有机碳 /g·kg-1 速效钾 /mg·kg-1 轻组有机碳 /mg·kg-1 0~5 1.05 8.21 0.99 16.04 115.45 7.99 白三叶 5~10 1.19 8.22 0.78 15.02 116.32 6.32 10~20 1.24 8.19 0.67 13.97 99.56 2.15 20~40 1.30 8.24 0.52 11.84 81.64 1.45 0~5 1.14 8.16 0.92 14.97 93.33 7.05 小冠花 5~10 1.27 8.18 0.71 14.93 89.83 5.43 10~20 1.28 8.19 0.65 13.78 85.33 1.65 20~40 1.34 8.21 0.58 12.64 77.17 0.57 0~5 1.30 8.16 0.67 11.64 71.33 1.47 对照 5~10 1.32 8.14 0.62 11.60 66.00 1.08 10~20 1.39 8.17 0.58 11.58 62.67 0.84 20~40 1.39 8.18 0.55 10.58 61.00 0.48

表 1 3个处理土壤理化性质Table 1 Physicochemical properties of soil in 3 treatments

1.4 数据处理

应用一级动力学方程分析土壤有机碳矿化动态^[20]：

所有数据采用 Excel 和 SPSS 18.0处理.

2 结果与分析 2.1 各处理土壤有机碳矿化动态 2.1.1 土壤有机碳矿化速率

图 1为不同处理土壤有机碳矿化率随培养时间的动态变化规律. 各处理4个土层土壤有机碳日矿化率呈现明显的特征：培养初期，土壤有机碳日矿化率迅速上升，在第3 d达到最大值，之后大幅度下降，8 d后日矿化率较低且趋于稳定. 由于不同处理条件下、 不同土层土壤有机碳的数量和稳定性存在差异，有机碳日矿化率也不同. 在培养初期，相同处理不同土层有机碳日矿化率表现为：0~5 cm>5~10 cm>10~20 cm>20~40 cm，2个生草处理0~5 cm土层有机碳日矿化率显著高于另3层，这3层间差异不显著，对照处理不同土层有机碳矿化率差异不显著. 不同处理条件下土壤有机碳矿化率大小顺序为：白三叶＞小冠花＞对照，相同土层，白三叶和小冠花处理土壤有机碳矿化率差异不显著，对照处理与2个生草处理差异显著. 随着培养时间的增加，不同处理不同土层间的差异逐渐减小，土壤有机碳日矿化率趋于稳定.

图 1

Fig. 1

图 1 不同生草果园土壤有机碳日矿化率Fig. 1 Daily average amount of SOC mineralization in 3 treatments

2.1.2 土壤有机碳累积矿化量

土壤有机碳累积矿化释放的CO₂-C量是指：在一定时间内土壤有机碳矿化为无机碳后所释放的CO₂数量(以CO₂-C释放 mg ·kg^-1干土计),它是土壤有机碳矿化速率的表征之一^[21]. 图 2表明不同处理土壤有机碳累积矿化量在不同矿化阶段存在一定差异. 3个处理在垂直方向上变化趋势一致：土壤有机碳累积矿化量随土层加深而呈不同程度的减小，增加速率先快后慢，相同土层不同处理土壤有机碳累积矿化量大小趋势一致：白三叶＞小冠花＞对照，大小顺序与3个处理有机碳含量(表 1)趋势一致. 培养前3 d，白三叶、 小冠花和对照有机碳累计矿化量的变化范围分别是11.6~318、 8.9~278和20.2~188.1 mg ·kg^-1，培养7 d后，3个处理有机碳累计矿化量的变化范围分别是189.6~590、 145~541.23和107.8~367.69 mg ·kg^-1，与对照比较生草显著提高土壤有机碳累积矿化量，但是白三叶与小冠花样地土壤有机碳累积矿化量差异不显著.

图 2

Fig. 2

图 2 不同生草果园土壤有机碳累积矿化量Fig. 2 Accumulative amount of SOC mineralization in 3 types of soil

2.2 土壤有机碳矿化拟合

运用一级动力学方程对3个处理土壤有机碳矿化动态进行拟合，拟合参数(Cp和k值)和决定系数见表 2，拟合效果较好. 不同处理各土层土壤有机碳矿化碳潜力(Cp)存在一定差异，变化范围0.252~2.74g ·kg^-1，相同处理上层土壤有机碳矿化碳潜力显著高于下层土壤，白三叶处理0~5 cm与5~10 cm之间差异不显著(P>0.05)，对照处理10~20 cm与20~40 cm差异不显著(P>0.05); 相同土层不同处理土壤Cp有显著差异，2个生草处理显著高于清耕处理(P<0.05)，生草显著影响Cp值. k值表示有机碳矿化速率常数，其范围0.019~0.051 d^-1. Cp/SOC值能反映土壤有机碳矿化能力，相同处理不同土层间Cp/SOC值大小顺序为：0~5 cm>5~10 cm>10~20 cm>20~40 cm，白三叶处理0~5 cm土层比5~10 cm土层略微偏小，可能因为0~5 cm土层有机碳含量较高，相同土层不同处理间Cp/SOC值表现为白三叶＞小冠花＞对照.

表 2(Table 2)

表 2 土壤有机碳矿化拟合参数及决定系数1)Table 2 Modeling parameters of soil organic carbon mineralization and determinative coefficient 不同处理 土壤深度 /cm 拟合参数 Cp/SOC /% 有机碳矿化率 /% Cp/g·kg-1 k/d-1 R2 白三叶 0~5 1.672±0.293a 0.031±0.010 0.99 10.4 3.7 5~10 1.573±0.266a 0.021±0.065 0.99 10.5 3.3 10~20 1.024±0.246b 0.025±0.006 0.99 7.3 2.3 20~40 0.607±0.121c 0.034±0.003 0.98 5.1 2.0 小冠花 0~5 2.740±0.667d 0.019±0.006 0.99 18.3 3.6 5~10 1.527±1.707a 0.023±0.016 0.99 10.2 2.7 10~20 0.760±0.229c 0.039±0.016 0.99 5.5 2.1 20~40 0.478±0.195e 0.050±0.034 0.99 3.9 1.5 对照 0~5 0.566±0.077c 0.046±0.008 0.98 4.9 3.2 5~10 0.429±0.098e 0.045±0.033 0.97 3.7 2.2 10~20 0.309±0.051f 0.051±0.026 0.96 2.7 1.5 20~40 0.252±0.141f 0.048±0.027 0.95 2.4 1.4 1)小写字母表示不同处理不同层次土壤间Cp的比较，字母相同的表示差异不显著(P>0.05)，字母不同的表示差异显著(P<0.05)；Cp和k分别为土壤有机碳矿化碳潜力和土壤有机碳矿化速率常数

表 2 土壤有机碳矿化拟合参数及决定系数1)Table 2 Modeling parameters of soil organic carbon mineralization and determinative coefficient

土壤有机碳矿化率是指在一定时间内土壤有机碳矿化释放的CO₂-C含量占土壤有机碳含量的比例，是表征土壤有机碳矿化速率的指标之一^[22]. 可以反映土壤的固碳能力，分配比例越低，固碳能力越强，反之能力较弱. 3个处理土壤有机碳矿化率在垂直方向上变化趋势：0~5 cm>5~10 cm>10~20 cm>20~40 cm，生草处理和清耕处理随着土层增加土壤固碳能力均增强，变化趋势与有机碳累计矿化量相同，说明果园生草后在垂直水平上没有改变土壤固碳能力变化趋势，相同土层不同处理间土壤有机碳矿化率顺序为：白三叶＞小冠花＞对照，对照处理土壤固碳能力最强，小冠花处理次之，白三叶处理最弱，果园生草后减弱了土壤的固碳能力.

表 3为3个处理不同土层土壤酶活性，4种酶活性随着土层加深呈不同程度的减弱，同一土层2生草处理4种酶活性显著(P<0.05)高于对照处理，说明生草明显促进土壤酶活性，过氧化氢酶、 蔗糖酶、 脲酶和纤维素酶活性各土层大小顺序：白三叶＞小冠花＞对照.

表 3(Table 3)

表 3 不同处理不同土层土壤酶活性1)Table 3 Soil enzyme activities in different treatments at different depths 土壤深度/cm 不同处理 过氧化氢酶/mL·g-1 蔗糖酶/mg·g-1 脲酶/mg·g-1 纤维素酶/mg·g-1 白三叶 0.672±0.013a 20.521±0.691a 2.555±0.282a 2.328±0.111a 0~5 小冠花 0.652±0.007a 18.086±0.737b 2.024±0.252b 2.020±0.192a 对照 0.432±0.044b 9.1701±0.720c 0.969±0.078c 0.891±0.043b 白三叶 0.595±0.096ac 17.337±1.075b 2.135±0.121a 1.729±0.035c 5~10 小冠花 0.585±0.013a 14.807±1.007d 1.659±0.233d 1.412±0.164d 对照 0.327±0.063d 8.131±0.704cf 0.699±0.057b 0.739±0.040be 白三叶 0.517±0.043bc 14.620±1.131de 1.855±0.076b 1.270±0.098d 10~20 小冠花 0.508±0.129ab 12.644±0.758e 1.191±0.087c 1.007±0.032b 对照 0.291±0.047d 6.789±0.856f 0.449±0.019e 0.593±0.129ef 白三叶 0.428±0.047b 12.583±0.978e 1.183±0.092c 0.900±0.052b 20~40 小冠花 0.397±0.047b 9.999±0.626c 0.895±0.082c 0.624±0.077e 对照 0.254±0.001d 4.699±0.503g 0.341±0.072e 0.426±0.052f 1)小写字母表示不同处理不同层次土壤间土壤酶活性的比较，字母相同的表示差异不显著(P>0.05)，字母不同的表示差异显著(P<0.05)

表 3 不同处理不同土层土壤酶活性1)Table 3 Soil enzyme activities in different treatments at different depths

土壤中过氧化氢酶、 脲酶、 蔗糖酶和纤维素酶参与土壤中碳循环，对土壤有机碳的分解和转化起着重要作用^[23]，因此对3个处理4种土壤酶活性与土壤有机碳潜在矿化碳潜力(Cp)、 矿化速率常数(k)和有机碳累积矿化量进行Pearson相关性分析，结果见表 4，3个处理4种酶活性与Cp和土壤有机碳累积矿化量分别达到显著(P<0.05)或极显著相关(P<0.01)，只有白三叶处理Cp值与过氧化氢酶以及对照处理Cp值与蔗糖酶没达到显著水平，2个生草处理4种酶与Cp值和土壤有机碳累积矿化量的Pearson相关系数均大于对照处理，2个生草处理Cp值和有机碳累积矿化量与蔗糖酶和纤维素酶活性的相关系数大于其与脲酶和过氧化氢酶活性的相关系数，说明蔗糖酶和纤维素酶与土壤有机碳矿化相关性较大，小冠花处理有机碳矿化速率常数与4种酶活性是负相关，与过氧化氢酶和脲酶活性显著负相关(P<0.05)，另2个处理土壤酶活性与有机碳矿化速率常数相关性规律不强.

表 4(Table 4)

表 4 土壤Cp、k和SOC累积矿化量与土壤酶活性之间的关系1) (n=12)Table 4 Correlations of Cp,k and accumulative amount of SOC mineralization with soil enzymes activity(n=12) 土壤酶 白三叶 小冠花 对照 Cp k SOC 累积矿化量 Cp k SOC 累积矿化量 Cp k SOC 累积矿化量 过氧化氢酶 0.57 0.082 0.763** 0.653* -0.635* 0.683* 0.576* 0.213 0.636* 蔗糖酶 0.746** -0.058 0.939** 0.717** -0.502 0.91** 0.448 -0.024 0.735** 脲酶 0.589* 0.159 0.918** 0.665** -0.616* 0.896** 0.580* 0.016 0.729** 纤维素酶 0.777** 0.076 0.952** 0.787** -0.486 0.944** 0.643* -0.203 0.854** 1) *表示在0.05水平下显著相关，**表示0.01在水平下显著相关

表 4 土壤Cp、 k和SOC累积矿化量与土壤酶活性之间的关系1) (n=12)Table 4 Correlations of Cp,k and accumulative amount of SOC mineralization with soil enzymes activity(n=12)

3 讨论

土壤有机碳矿化是土壤中重要的生物化学过程，直接关系到土壤养分元素的释放与供应、 CO₂气体的排放以及土壤质量的维持^[21]. 土壤理化性质的差异(尤其是作为有机碳矿化基质的有机碳含量和稳定性的差异)、 人为因素的干扰都会对有机碳矿化速率、 累积矿化量产生影响. 在培养初期，土壤有机碳日矿化率变化幅度较大，先增加后减少，第3 d达到峰值，分析原因可能是在土壤有机碳矿化培养初期，轻组有机碳快速分解，供微生物代谢所需的营养源充足^[21]，培养7 d后，日矿化率继续降低，幅度较小，日矿化率低且稳定，因为在培养的中后期，轻组有机碳逐渐分解，较难分解的碳组分开始分解，营养源减少成为限制微生物活动的主要因素^[21]，这与多数研究结果相同^{[16, 22, 24, 25, 26, 27]}. 如孙中林等^[16]对水稻土有机碳矿化的研究发现，水稻土有机碳矿化分3个阶段: 快速矿化阶段，缓慢矿化阶段和矿化率基本稳定阶段.

不同土层有机碳日矿化率：0~5 cm>5~10 cm>10~20 cm>20~40 cm，有机碳日矿化率随土层加深而减小，与不同土层有机碳含量变化趋势相同(表 1). 这一结果与多数学者的研究结果相近^[21,26]. 2个生草处理表层0~5 cm与另3个土层有机碳矿化差异显著(P<0.05)，土壤表层有机碳含量较高，尤其轻组有机碳含量高，供微生物代谢的营养源充足，土壤有机碳的生物有效性高，有机碳日矿化率较高. 5~10 cm、 10~20 cm与20~40 cm 3个土层间差异不显著(P>0.05)，可能由于室内培养改变了下层土壤与空气的接触、 改变了土壤含水量，促进了下层土壤有机碳的矿化，在田间条件下，下层土壤未扰动，处于厌氧环境下，室内培养设置温度可能比田间条件下高，会促进下层土壤有机碳矿化，下层土壤有机碳矿化率会比实验室条件下测定值小^[28].

相同土层2个生草处理土壤有机碳累积矿化量与对照处理差异显著(P<0.05)，2个生草处理间差异不显著. 产生差异原因比较复杂，包括微生物种类、 数量和活性的差异、 土壤理化性质(土壤有机碳含量和稳定性)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. 许多学者研究^{[17, 29, 30]}得出相似结论，凋落物进入土壤后均能促进土壤有机碳矿化. 凋落物作为土壤的外源有机物，进入土壤增加土壤有机碳含量、 改变土壤理化性质^[31]、 改变土壤微生物种群结构、 密度和多样性^[32,33]. 由于不同凋落物输入到土壤的有机碳质量和数量不同，含有不同凋落物的土壤有机碳矿化存在差异^[34,35]. 李会科等^[11]对黄土高原渭北苹果园生草土壤性状测定的结果表明，生草能显著提高0~20 cm土层有机质含量，生草后土壤3大微生物类群数量得到显著提高. 生草类型不同，凋落物的质量和数量存在差异，对土壤中有机碳的含量和稳定性影响不同，如种植白三叶改善土壤有机质的效果强于种植黑麦草^[11]，对有机碳矿化产生不同影响.

土壤酶在一定程度上反映土壤养分转化的动态，土壤中生化反应的方向与强度，对维持土壤生态系统的碳、 氮平衡起着重要作用^[36]. 土壤酶^[36]主要来源于土壤微生物和植物根系分泌. 生草类型不同其枯落物、 根系分布以及根系分泌物的性质也不相同，对土壤酶、 土壤微生物和有机碳的空间分布产生影响，而影响有机碳矿化^[29]. 有研究表明生草能明显提高土壤酶活性，如幼龄荔枝园生草后土壤转化酶、 蛋白酶、 脲酶、 过氧化物酶活性均明显增加^[37]，梨园种植白三叶草可显著提高土壤中脲酶、 蔗糖酶活性，提高土壤磷酸酶活性^[14]，本研究中2个生草处理土壤酶活性与土壤有机碳累积矿化量和Cp值的相关性较好，土壤蔗糖酶、 纤维素酶、 脲酶和过氧化氢酶活性与土壤有机碳的分解和转化密切相关，土壤酶活性影响土壤微生物对土壤有机碳的作用.

本研究利用一级动力学方程拟合得到的土壤有机碳矿化碳潜力(Cp)变化范围为0.252~2.74 g ·kg^-1，与前人研究结果相比偏大，一方面可能因为生草后外源枯落物的输入和根系分泌物的增加导致土壤有机碳库变大，另一方面可能有人为因素的干扰，采集土样中含有大量植物根系，在预处理中去除其中的根系枯枝落叶破坏了土壤团聚体，增加了原来被土壤团聚体保护的有机碳与空气的接触，加速了矿化有机碳的量，导致拟合所得Cp值比实际值偏大.

土壤有机碳矿化率某种程度上可以反映土壤的固碳能力^[28]. 相同处理在垂直分布上有机碳矿化率随土层的增加而降低，土壤有机碳矿化率的变化与土壤有机碳矿化碳潜力的变化规律一致，说明下层土壤固碳能力高于上层，这与李顺姬等^[21]的研究结果一致，3个处理土壤有机碳矿化率2个生草处理高于对照处理，这表明对照处理固碳能力最强，说明果园生草后反而减弱了土壤的固碳能力. 可能因为果园土壤生草后枯落物进入土壤增加土壤有机碳含量，植物根系分泌物促进该层土壤微生物活动和土壤酶活性^[14,37]，使得该层轻组有机碳含量明显高于下层，生草后果园土壤容重降低、 增加土壤空隙^{[11, 31, 38]}，增加了土壤有机碳与空气的接触面积，更加有利于土壤有机碳矿化，土壤固碳能力变弱.

4 结论

(1)3个处理不同土层土壤有机碳矿化规律一致，在培养初期第3 d日矿化率到达最大，白三叶、 小冠花和对照处理分别为50.3、 17.7和20.9 mg ·(kg ·d)^-1，接着降低，后期保持低且比较稳定的趋势.

(2)3个处理土壤有机碳累积矿化量的范围分别为240~590、 186~541和142~367 mg ·kg^-1，2个生草处理显著大于对照处理，果园生草显著提高土壤有机碳矿化，3个处理在垂直方向上的顺序：0~5 cm>5~10 cm>10~20 cm>20~40 cm.

(3)运用一级动力学方程对3处理土壤有机碳矿化动态进行拟合，拟合效果较好，拟合参数Cp值和k值分别为0.252~2.74g ·kg^-1 和0.019~0.051 d^-1.

(4)蔗糖酶和纤维素酶与3个处理土壤有机碳累积矿化量显著相关，蔗糖酶和纤维素酶参与土壤碳循环，且与土壤有机碳矿化密切相关