堆肥污泥改良土壤中有机碳矿化的温度敏感性：来自四种Q10估算方法的结果

《Archives of Agronomy and Soil Science》：Temperature sensitivity of organic carbon mineralization in composted sludge amended soil: results from four Q10 estimation approaches

　　

堆肥污泥（composted sewage sludge, CSS）可以通过提高土壤肥力和有机碳（soil organic carbon, SOC）来修复退化土地。然而，污泥改良土壤中有机碳矿化的温度敏感性（Q₁₀）仍不清楚。研究人员将退化草地土壤样品与0–20%的堆肥污泥（CK至M20）在25–35°C下培养35天。采用“等时间法”、“等碳法”、“单碳库模型”和“双碳库模型”方法评估了SOC矿化的Q₁₀。分析了化学性质和酶活性，以确定影响SOC矿化Q₁₀值的关键因素。SOC、总氮（total nitrogen, TN）和总磷（total phosphorus, TP）随污泥添加量增加而增加，而碳氮比（C:N ratio）则下降。土壤酶活性随污泥添加量增加先升后降，在M5至M15处理中达到峰值。累积矿化碳随污泥添加量和温度升高而增加。不同模型得出相反的Q₁₀模式。“等时间法”和“等碳法”显示Q₁₀随污泥添加而降低，而“单碳库模型”和“双碳库模型”则显示先升后降。随机森林（random forest, RF）分析表明，SOC、TN和TP含量是Q₁₀变化的主要贡献因素。这些发现表明，CSS改变了SOC矿化的Q₁₀，其中养分状况比酶活性更为重要。

**论文解读：堆肥污泥改良土壤中有机碳矿化的温度敏感性——基于四种Q₁₀估算方法的分析**

**研究背景与问题**
全球城市化和工业化导致污水处理副产物——污泥产量激增，预计到2025年将达1.5–2亿吨。与此同时，全球超过75%的土地出现退化，表现为土壤有机碳（SOC）和肥力下降。堆肥污泥（CSS）富含有机碳、氮和磷，具有改良退化土壤碳含量和提升肥力的潜力。然而，温度是影响SOC矿化的关键因子，温度敏感性（Q₁₀）可量化每升温10°C时SOC矿化速率的变化，对评估碳通量和预测气候变化情景下的碳动态至关重要。现有研究多关注污泥添加对土壤肥力和SOC动态的影响，但对污泥改良土壤中SOC矿化的Q₁₀认识不足，尤其缺乏不同估算方法的比较。为此，研究人员开展实验室培养实验，以评估不同剂量CSS对SOC矿化Q₁₀的影响，并识别主要驱动因子。该项研究发表在《Archives of Agronomy and Soil Science》。

**主要技术方法（不超过250字）**
本研究采用实验室培养实验，将退化草地表层土壤（0–10 cm，采自中国黄土高原王茂沟流域，黄土，有机碳和总氮含量低）与不同比例（0%、2%、5%、10%、15%、20%）的堆肥污泥（原料来自西安市污水处理厂，好氧堆肥30天，重金属含量符合中国农用标准）混合，于25°C和35°C黑暗培养35天，持续测定CO₂通量（气相色谱法）。采用四种方法估算Q₁₀：（1）等时间法，基于相同时间间隔的总碳损失；（2）等碳法，基于矿化等量碳所需时间；（3）单碳库一阶动力学模型；（4）双碳库一阶动力学模型（区分活性碳库CL和惰性碳库CR）。同时测定土壤化学性质（SOC、TN、TP、C:N）和四种水解酶活性（β-葡萄糖苷酶BG、纤维二糖水解酶CBH、N-乙酰氨基葡萄糖苷酶NAG、碱性磷酸酶ALP，采用荧光微孔板法），并通过随机森林（RF）模型分析影响Q₁₀的关键因子。

**研究结果**
**土壤化学性质与特异性酶活性**
通过化学分析和酶活性测定发现：SOC、TN和TP含量随污泥添加量显著增加（M20处理较CK分别提高9.27、11.29和6.96倍），而C:N比则显著降低（M20降低17.46%）。酶活性方面，BG活性随污泥量增加持续升高（M15最高，较CK高78.13%）；CBH和NAG活性先升后降（M10最高，分别较CK高49.02%和213.73%）；ALP活性总体升高6.07–13.37%。高用量下CBH和NAG活性下降，可能与重金属累积或微生物下调酶合成有关。

**累积矿化碳**
通过CO₂排放量计算得出：累积矿化碳随污泥添加量和培养温度显著增加（M20在25°C和35°C下分别较CK提高2.52倍和1.72倍）；35°C下的累积矿化碳比25°C高13.62%–71.14%。

**SOC矿化的温度敏感性**
采用四种方法分别计算Q₁₀值，得出不同趋势：
- **等时间法**：Q₁₀随培养时间显著降低，且随污泥添加量先降后升（M5最低）。
- **等碳法**：当碳矿化率达6%时，污泥添加显著降低Q₁₀（较CK降低19.10%–37.15%），但各处理间差异不显著。
- **单碳库模型法**：潜在可矿化碳库C₀随污泥量增加，矿化速率常数k₀在35°C下先升后降（M10最高）；Q₁₀先升后降，M10最高（较CK增加54.66%）。
- **双碳库模型法**：活性碳库CL随污泥量增加（M20较CK提高5.57倍），惰性碳库CR则下降（M20较CK降低19.03%）；活性碳库矿化速率常数k_L在25°C下下降，在35°C下先升后降（M5最高）；惰性碳库k_R受污泥影响显著；活性碳库Q₁₀先升后降（M5最高，较CK增加99.07%），惰性碳库Q₁₀也先升后降（M10最高，显著高于CK）。

**Q₁₀值的驱动因子**
随机森林模型分析表明：对于等时间法等方法的Q₁₀，SOC、TN、TP含量是主要解释变量（解释方差10.51%–12.25%）；对单碳库模型Q₁₀，BG活性最重要（解释方差15%）；对双碳库模型，SOC、TP、TN和BG是关键因子。总体而言，养分含量（SOC、TN、TP）对Q₁₀变化的解释力强于酶活性。

**讨论与结论**
讨论部分指出，不同方法得出Q₁₀趋势相反（等时间/等碳法显示降低，碳库模型显示先升后降），表明方法选择对评估温度敏感性至关重要。温度敏感性碳质量假说认为，易分解碳（高质量）的Q₁₀低于难分解碳（低质量），本研究结果部分支持该假说。随机森林分析强调养分状态（SOC、TN、TP）是比酶活性更显著的影响因素。研究结论翻译如下：
本研究通过实验室培养实验评估了不同剂量堆肥污泥对SOC矿化温度敏感性的影响。采用四种不同方法评估Q₁₀的变化。等时间法和等碳法的结果表明，堆肥污泥添加显著降低了SOC矿化的温度敏感性。相反，单碳库和双碳库模型表明，温度敏感性随污泥用量先升后降。具体而言，单碳库模型揭示10%堆肥污泥处理下SOC矿化温度敏感性最高；双碳库模型进一步表明，5%堆肥污泥处理使活性碳库矿化的温度敏感性最高，而10%处理使惰性碳库矿化的温度敏感性最高。随机森林分析强调，SOC、TN和TP含量比酶活性更能有效解释SOC矿化温度敏感性的变化。这些发现表明，堆肥污泥添加显著改变了SOC矿化的温度敏感性，且不同方法得出的结果存在差异。需要进一步研究阐明不同污泥施用情景下的SOC动态，尤其是开展田间试验验证室内培养结果。