施肥對土壤有機碳含量及碳庫管理指數(shù)的影響

張貴龍，趙建寧，宋曉龍，劉紅梅，張瑞，姬艷艷，楊殿林

(農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護科研監(jiān)測所，天津300191)

土壤有機碳是表征土壤質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)之一，同時在全球碳循環(huán)過程中也扮演著重要角色。由于土壤碳的庫容巨大，其活動顯著影響大氣CO2濃度［1］。作為《京都議定書》認可的固碳方法之一，農(nóng)田土壤固碳在諸多溫室氣體減排措施中被譽為多目標(biāo)共贏的潛力途徑。

農(nóng)田施肥直接或間接地調(diào)控土壤有機質(zhì)的輸入，一定程度上影響土壤有機碳的積累和礦化［2］。因此，研究土壤有機碳在施肥條件下的動態(tài)機制，對于實現(xiàn)土壤有機碳庫的正向培育具有重要意義。由于背景水平和自然水平的變異，土壤有機碳通常短時間內(nèi)較小的變化不易被察覺，但是，土壤有機碳的某一組分含量可以作為有機碳庫變化的更敏感指標(biāo)［3］。Lefroy 等［4］研 究 發(fā) 現(xiàn)，能 被 333 mmol/L KMnO4氧化的土壤有機碳在種植作物時變化最大，可作為活性有機碳，不能被氧化的稱為非活性有機碳，并提出土壤碳庫管理指數(shù)(CPMI)的概念。CPMI因結(jié)合了土壤碳庫指標(biāo)和土壤碳庫活度指標(biāo)，既反映外界管理措施對土壤有機碳總量的影響，也反映了土壤有機碳組分的變化情況。CPMI上升表明土壤肥力上升，反之則表明土壤肥力下降［5］。目前，在土壤有機碳的累積和礦化方面，國內(nèi)外已經(jīng)開展了大量研究，這些研究為深入認識土壤有機碳庫的活動規(guī)律奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。但是多數(shù)研究結(jié)果反映的是長期定位施肥體系下的累積效應(yīng)，而揭示短期施肥對土壤有機碳的影響，更利于及早調(diào)整和優(yōu)化施肥措施。本文在借鑒前人研究的基礎(chǔ)上，以華北集約化農(nóng)田為研究對象，監(jiān)測和分析玉米種植季節(jié)土壤有機碳和碳庫管理指數(shù)的變化過程，揭示土壤有機碳與作物生產(chǎn)力的關(guān)系，為提高土壤質(zhì)量管理和增強農(nóng)業(yè)固碳減排潛力提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2010年6月～10月年在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院武清農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境野外科學(xué)觀測試驗站內(nèi)進行，該基地位于天津市武清區(qū)(北緯39°21'，東經(jīng)117°12')，海拔6.3m，屬于暖溫帶半濕潤大陸性氣候。年平均氣溫11.4～12.9℃。7月份氣溫最高，平均在26～27℃以上，1月份氣溫最低，平均在3～5℃，年平均無霜期為196～246 d，年均降水量520～660 mm，6、7、8月份降水量占全年的75%左右。土壤類型為潮土，成土母質(zhì)為河流沖積物，剖面質(zhì)地均一，土壤有機碳(SOC)含量10.83g/kg，全氮(TN)含量0.72 g/kg。土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量分別為19.95、5.06 mg/kg，速效磷和速效鉀含量分別為18.60、50.67mg/kg，pH值7.58。輪作方式為冬小麥—夏玉米。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采取完全隨機區(qū)組設(shè)計，設(shè)不施肥(CK)、單施有機肥(OF)、推薦施肥(RF)、習(xí)慣施肥(CF)和單施化肥(NPK)5個處理，所有處理三次重復(fù)，小區(qū)面積為400m2(40m×10m)，小區(qū)間由50cm走道間隔。有機肥施用量為15t/hm2(干重)，由牛糞和雞糞混合堆腐而成，其有機質(zhì)含量18.17%，總氮含量0.69%，P2O5含量0.65%，K2O含量0.38%。氮肥為尿素，含N 46.4%，磷肥為過磷酸鈣，含P2O512%，鉀肥為硫酸鉀，含K2O 50%。供試作物為玉米。有機肥和磷鉀肥作基肥在整地前施入，氮肥60%作基肥，40%在玉米小喇叭口期追施。田間管理同一般大田生產(chǎn)，具體施肥方案見表1。

表1 試驗處理施肥Table 1 The rates of fertilizer application

1.3 土壤采樣與分析

在玉米種植前后，在各小區(qū)按“S”型選取6點，用土鉆法取0～60 cm土層土樣，混合均勻帶回實驗室，風(fēng)干后過1 mm和0.25 mm篩后測定土壤基本理化性質(zhì)和活性有機碳。土壤pH值用pH計測定(水 ∶土 =2.5 ∶1)［6］;土壤全氮(TN)用半微量凱氏法［6］;全磷用碳酸鈉熔融—鉬銻抗比色法［6］;速效磷用Olsen法［6］;速效鉀用乙酸銨提取—火焰光度法［6］測定?？傆袡C碳用重鉻酸鉀氧化外加熱法［6］測定;活性有機碳(AOC)的測定參考徐明崗等［5］的方法;非活性有機碳含量(NAOC)為總有機碳和活性有機碳含量之差。

以撂荒地土壤為參考土壤，其總有機碳含量為9.71g/kg，活性有機碳含量為1.38 g/kg，土壤碳庫管理指數(shù)計算方法如下:

碳庫指數(shù)(CPI)=樣品全碳含量(g/kg)/參考土壤全碳含量(g/kg);

碳庫活度(A)=活性碳含量/非活性碳含量;

碳庫活度指數(shù)(AI)=樣品碳庫活度/參考土壤碳庫活度;

碳庫管理指數(shù)(CPMI)=碳庫指數(shù)×碳庫活度指數(shù)×100=CP I×A I×100。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel軟件進行試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和圖表制作，多重比較采用新復(fù)極差(D.B.Duncan)法［7］。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤總有機碳

外源有機質(zhì)的輸入是土壤有機碳含量增加的主要途徑之一，施肥對土壤有機碳的影響因肥料的種類不同而異。由圖1可以看出，施用有機肥能夠顯著促進土壤(0—60cm)有機碳的累積，單施化肥(NPK)對土壤有機碳的累積作用不明顯。與對照(CK)相比，單施有機肥處理(OF)土壤有機碳含量增加了11.68%，推薦施肥(RF)和習(xí)慣施肥(CF)土壤有機碳含量分別增加6.57%和7.58%。相比之下，單施有機肥對土壤有機碳累積促進效果要大于有機無機配施，這可能是由于無機氮的施入，降低了土壤的碳氮比，使土壤微生物活性提高，有機碳礦化分解加快［8］。

2.2 土壤活性有機碳

不同的施肥措施根層土壤活性有機碳含量也不盡相同(圖1)。與對照相比，單施有機肥處理，土壤活性有機碳含量增加了21.71%。推薦施肥和習(xí)慣施肥處理，土壤活性有機碳含量分別增加了8.53%、4.26%。單施化肥處理的土壤有機碳含量下降5.0%，與對照差異不顯著。說明施用有機肥對土壤活性有機碳有顯著的促進效果。不同處理間，土壤活性有機碳含量的變化幅度較總有機碳大，顯示活性有機碳對施肥措施的響應(yīng)較為敏感，有助于指示或預(yù)警土壤質(zhì)量的變化［9－10］。

2.3 土壤碳庫管理指數(shù)

與不施肥相比，單施有機肥(OF)、推薦施肥(RF)和習(xí)慣施肥(CF)處理的土壤碳庫指數(shù)(CPI)分別增加了11.43%、6.67%、7.62%，單施化肥處理沒有表現(xiàn)出明顯的效應(yīng)(表2)。碳庫活度和碳庫活度指數(shù)受施肥措施的影響不顯著。相對于單施化肥(NPK)，單施有機肥(OF)土壤碳庫管理指數(shù)增加31.79，推薦施肥(RF)和習(xí)慣施肥(CF)處理分別增加了13.01、8.45。由此可見施有機肥或有機無機配施對于提高土壤碳庫指數(shù)和碳庫管理指數(shù)較化肥單施更具積極意義。

2.4 作物產(chǎn)量與有機碳庫指標(biāo)的相關(guān)分析

圖2顯示，施肥處理(OF、RF、CF、NPK)玉米產(chǎn)量較 CK增加0.45～1.01t/hm2，其中 OF，RF和CF處理玉米產(chǎn)量較CK顯著增加。由表3可以看出，土壤總有機碳含量與活性有機碳含量存在極顯著(P＜0.01)的相關(guān)性，說明總有機碳與活性有機碳存在轉(zhuǎn)化關(guān)系。此外，總有機碳與碳庫管理指數(shù)和玉米子粒產(chǎn)量也存在顯著的相關(guān)關(guān)系。

活性有機碳含量和碳庫管理指數(shù)均與玉米子粒產(chǎn)量存在極顯著的相關(guān)性，且相關(guān)系數(shù)明顯大于總有機碳，說明活性有機碳含量變化與作物產(chǎn)量和碳庫管理指數(shù)的關(guān)系更為密切。玉米子粒產(chǎn)量與碳庫管理指數(shù)也存在極顯著的相關(guān)關(guān)系，表明碳庫管理指數(shù)能夠指示土壤肥力水平的變化。

圖1 施肥對土壤總有機碳和活性有機碳含量的影響Fig.1 Effects of fertilization on total organic carbon(TOC)and active organic carbon(AOC)contents of soil

表2 不同施肥處理土壤碳庫管理指數(shù)Table 2 Carbon management index of the soils applied with different fertilization treatments

圖2 不同施肥處理下玉米子粒產(chǎn)量Fig.2 Corn grain yields under different fertilization treatments

表3 土壤有機碳庫指標(biāo)的相關(guān)性Table 3 Correlation coefficients of the indexes of organic carbon pool in soil

3 討論

土壤有機碳是進入土壤的有機質(zhì)在微生物作用下分解礦化的產(chǎn)物，施有機肥或有機無機配施，均因向土壤中直接輸入了外源有機質(zhì)，能夠顯著增加土壤有機碳含量［11－13］。本試驗中，單施有機肥、推薦施肥和習(xí)慣施肥三個處理再次驗證了這一結(jié)論。單施化肥對土壤有機碳的作用表現(xiàn)較為復(fù)雜，有研究認為施用氮磷鉀(NPK)化肥，能夠促進作物根系的生長，增加地下部分的生物量，即增加外源有機質(zhì)的輸入，顯著提高土壤有機碳含量［14－16］。另有研究認為，單施化肥雖有利于根系的增加，但引起土壤碳氮比值降低，加速了土壤有機碳的分解礦化，不僅消耗根系增加的有機碳，而且還會消耗原始有機碳，不利于其在土壤中的累積［17－19］。本文研究中，單施化肥對土壤有機碳含量沒有表現(xiàn)出顯著的促控作用，胡誠［8］和曾駿等［11］的研究也有類似的結(jié)果。看來化肥對土壤有機碳的影響比較復(fù)雜，是作物根系生長、土壤礦化條件、土壤性質(zhì)等多種因素綜合作用的結(jié)果。

施肥影響土壤碳、氮的可礦化量及微生物活性［20］，施用有機肥能增加土壤微生物活動碳源，使較多的有機質(zhì)被微生物分解轉(zhuǎn)化為低分子量的有機質(zhì)，部分有機質(zhì)又被土壤微生物吸收，不僅增加了土壤中低分子量的有機碳含量，同時提高了土壤微生物碳庫［21］。施用化學(xué)肥料，會提高難氧化有機質(zhì)含量，增加土壤有機碳的氧化穩(wěn)定性［22］，使土壤微生物量碳(MBC)、水溶性有機碳(WSOC)以及輕組有機碳(LFOC)的含量顯著下降［23－24］。施肥增加了土壤輕組有機碳，與不施肥相比，施肥土壤中70%的活性有機碳來源于輕組，而不施肥僅有40%的活性有機碳來源于輕組［25］，有機物料的投入對于土壤輕組有機碳含量具有決定作用［23］。本文研究結(jié)果顯示，施有機肥、推薦施肥和習(xí)慣施肥，較不施肥或單施化肥顯著提高了土壤活性有機碳的含量，這與多數(shù)研究［26－30］結(jié)果一致。

王晶［31］和宇萬太等［32］的研究結(jié)果顯示，施有機肥或有機無機配合施用均較不施肥或單施化肥顯著提高土壤碳庫管理指數(shù)，這與本文中單施有機肥(OF)和推薦施肥(RF)兩個處理的結(jié)果類似。單施化肥碳庫管理指數(shù)與不施肥相比沒有顯著變化，但與參考土壤相比顯著下降，這與早期在潮土上的有關(guān)研究稍有不同，沈紅等［33］和徐明崗等［5］研究結(jié)果顯示，單施化肥(NPK)處理土壤碳庫管理指數(shù)低于參考土壤，但是顯著高于不施肥處理，造成這些結(jié)果的差異可能與試驗地原初有機質(zhì)含量、施肥水平和施肥持續(xù)時間長短不同等因素有關(guān)，具體原因需要繼續(xù)研究。相關(guān)分析表明，活性有機碳與總有機碳、碳庫管理指數(shù)以及作物產(chǎn)量均存在極顯著的相關(guān)關(guān)系，說明活性有機碳能夠很好地反映土壤肥力特性。吳小丹等［34］研究認為，受施肥措施的影響，土壤活性有機質(zhì)含量和碳庫管理指數(shù)(CMI)的變化幅度大于土壤總有機質(zhì)的變化幅度，且水稻產(chǎn)量與CMI的相關(guān)性達到極顯著水平，CMI可以作為評價土壤質(zhì)量的指標(biāo)，Blair等［3］和邵月紅等［35］的研究也有與之一致的觀點。

4 結(jié)論

1)與不施肥或單施化肥相比，施有機肥、推薦施肥和習(xí)慣施肥，分別顯著提高了土壤有機碳含量和活性有機碳含量。土壤活性有機碳對施肥措施的響應(yīng)較為敏感，可以指示土壤碳庫的早期變化。

2)施有機肥和推薦施肥對土壤碳庫指數(shù)、碳庫活度和碳庫活度指數(shù)的提升均有促進作用，且土壤碳庫管理指數(shù)比不施肥處理分別高30.34、11.27。習(xí)慣施肥和化肥單施對土壤碳庫管理指數(shù)沒有顯著影響。

3)土壤活性有機碳與總有機碳、碳庫管理指數(shù)、玉米子粒產(chǎn)量均存在極顯著的相關(guān)關(guān)系。碳庫管理指數(shù)與玉米子粒產(chǎn)量極顯著相關(guān)，能夠指示土壤肥力的變化。

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