不同菌渣施用量對柑橘園土壤有機(jī)碳及其組分的影響

王義祥 王峰 葉菁 黃勤樓 翁伯琦 黃毅斌

摘 要 采用物理和化學(xué)分組的方法分析不同施肥條件下柑橘果園有機(jī)碳組分的變化規(guī)律。結(jié)果表明：與不施肥和單施化肥相比，施肥2 a后施用有機(jī)肥柑橘園土壤有機(jī)碳含量沒有顯著性差異；單施菌渣有機(jī)肥和有機(jī)無機(jī)配施處理柑橘園土壤可溶性有機(jī)碳、微生物生物量碳、顆粒有機(jī)碳和輕組有機(jī)碳分別提高26.39%～75.97%和13.95%～58.66%、76.46%～264.25%和5.97%～118.74%、23.02%～73.71%和17.97%～66.58%、31.07%～70.61%和17.34%～52.74%，表明合理施用有機(jī)肥不能顯著提高果園表層土壤的總有機(jī)碳含量，但可顯著提高果園土壤活性有機(jī)碳含量。

關(guān)鍵詞 菌渣；柑橘果園；土壤；有機(jī)碳；組分

中圖分類號 S666 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

土壤有機(jī)碳是表征土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，它在維持土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，保持土壤耕作，提高土壤的保水能力和緩沖能力方面具有重要作用。根據(jù)其功能和穩(wěn)定性的不同，土壤有機(jī)碳可以分成不同的組分。同時，土壤有機(jī)碳組分研究也是探知土壤有機(jī)碳在經(jīng)營管理措施下變化的重要環(huán)節(jié)。

農(nóng)業(yè)施肥對土壤有機(jī)碳影響深刻，一方面通過影響地上植被的生物量、直接增加有機(jī)碳源來影響土壤碳源的供應(yīng)量；另一方面對土壤微生物活性及呼吸強(qiáng)度具有重要的影響。近年來有關(guān)施肥對土壤有機(jī)碳庫的影響受到許多研究者的關(guān)注，就施肥（包括化肥、有機(jī)肥、無機(jī)有機(jī)配施、秸稈還田）對土壤有機(jī)碳儲量、組分方面做了大量細(xì)致的研究工作。多數(shù)研究認(rèn)為，不均衡施用化肥不僅會造成土壤有機(jī)碳含量降低，而且也導(dǎo)致活性有機(jī)碳的下降，而施用有機(jī)肥或化肥有機(jī)肥配合施用能明顯提高土壤總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳的含量，但由于受到氣候、土壤母質(zhì)和耕作方式等諸多因素的影響，土壤有機(jī)碳及其組分對相同施肥措施的響應(yīng)在不同的區(qū)域存在較大差異[1]。王峰[2]對柑橘果園的施肥實驗表明，施肥1 a后，施用有機(jī)肥處理土壤有機(jī)碳含量增加幅度為1.53%～15.7%，而單施化肥和不施肥處理土壤有機(jī)碳含量降低了7.14%和20.19%。Sara等[3]研究表明，施用豬糞有機(jī)肥可以顯著提高杏樹果園土壤可溶性有機(jī)碳和微生物生物量碳含量，對增加土壤碳匯具有積極的影響。Altieri等[4]研究表明，在橄欖果園內(nèi)施用橄欖加工廢棄物5 a后，土壤有機(jī)碳和腐殖質(zhì)含量分別提高了40%和58%。由于土壤活性有機(jī)碳能顯著影響土壤化學(xué)物質(zhì)的溶解、吸附、解吸、吸收、遷移乃至生物毒性等行為，在營養(yǎng)元素的地球生物化學(xué)過程中起著重要的作用，而目前有關(guān)施肥對果園土壤活性有機(jī)碳影響的研究還較少。因此，本研究通過紅壤果園田間定位試驗，研究不同施肥措施柑橘園土壤活性有機(jī)碳及其組分的變化，旨在探索不同施肥措施下土壤有機(jī)碳質(zhì)量變化及其相互關(guān)系，為提高紅壤果園肥力和土壤碳匯功能提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于福建省閩侯縣白沙鎮(zhèn)樓格村農(nóng)科新興示范場，東經(jīng)119°06′，北緯26°13′，屬暖濕亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，全年無霜期達(dá)300 d左右；年均日照時數(shù)為1 700～1 980 h；氣候溫和，年平均氣溫19.2 ℃，最冷1月份平均氣溫10.5 ℃，最熱7月份平均氣溫32.6 ℃；雨量充沛，平均濕度77%，年均降水量1 342.5 mm。試驗園區(qū)2001年由山地開墾而成，海拔96 m，現(xiàn)為梯臺式種植模式，柑橘品種為臍橙52（Cirtus sinensis Navel52），株行距為3.5 m×3.5 m。果樹下主要草被有艾蒿（Aremisia argyi）、蓮子草（Alternanthera Sessilis）、雀舌草（Stellaria alsine）、畫眉草（Eragrostis pilosa）等。定期施肥，春季施底肥兼松耕改土（施有機(jī)肥+化肥），花期施少量復(fù)合肥?；?，果期施壯果肥。試驗地土壤為紅壤，成土母質(zhì)為花崗巖坡積物，土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)見表1。

1.2 方法

1.2.1 試驗設(shè)計 施肥試驗從2008年開始，共設(shè)6個處理：Ⅰ 不施肥（CK）；Ⅱ 單施化肥（M1）；Ⅲ 75%化肥+25%菌渣有機(jī)肥（M2）；Ⅳ 50%化肥+50%化肥（M3）；Ⅴ 25%化肥+75%菌渣有機(jī)肥（M4）；Ⅵ 單施菌渣有機(jī)肥（M5）。每個處理設(shè)3個施肥小區(qū)，小區(qū)面積為70 m2，共18個小區(qū)，隨機(jī)排列。施肥量為每100 kg臍橙產(chǎn)量年施全N為1.2 kg（折算為每株年施氮量0.42 kg），N ∶ K2O ∶ P2O5為1 ∶ 1 ∶ 1；菌渣以基肥的形式在秋冬季一次性施入，化肥以基肥加追肥的形式分批施入（基肥50%、花前肥20%、壯果肥30%）。有機(jī)肥為種植蘑菇后的菌渣廢料，采用環(huán)施法，每年施肥1次，施肥點在每株柑橘樹冠投影外側(cè)（距樹干60 cm），向挖開的條形溝（寬15 cm，深10 cm）均勻撒入肥料后覆土，具體肥料用量見表2。

1.2.2 土壤樣品采集及處理 柑橘園施肥2 a后，于2010年12月下旬在每個施肥樣區(qū)按S形布設(shè)5棵取樣樹。分別于每棵取樣樹四周施肥溝的內(nèi)外側(cè)30 cm處設(shè)置8個采樣點，挖取采集0～20 cm、20～40 cm 2個層次的土壤樣品，用環(huán)刀法采集測定土壤容重樣品。將每個樣區(qū)不同層次采樣點的土樣混合均勻，采用多點采集方法形成混合樣品。一份揀去石礫、植物根系和碎屑，過2 mm土壤篩，儲藏于4 ℃冰箱中用于土微生物量碳（MBC）、土壤可溶性有機(jī)碳（DOC）測定；另一份風(fēng)干后揀去石礫、植物根系和碎屑后，在室內(nèi)通風(fēng)處風(fēng)干后過0.25 mm篩，用于測定土壤理化性質(zhì)。

1.2.3 測定內(nèi)容與方法 土壤顆粒有機(jī)碳（Particle Organic Carbon，POC）測定按照Franzluebbers和Stuedemann的方法，通過濕篩法獲得53～2 000 μm的顆粒組分[5]；土壤輕組有機(jī)碳（Light fraction organic carbon，LFOC）測定參照Besnard等的相對密度分組法[6]，所用重液是密度為1.7 g/cm3的NaI溶液。土壤水溶性有機(jī)碳（Dissolved Organic Carbon，DOC）分析用Ghani等的方法[7]， 土壤微生物生物量碳（Microbial Biomass Carbon， MBC）測定采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法[8]。浸提液有機(jī)碳濃度用島津TOC-VCPH儀測定，土壤有機(jī)碳測定采用重鉻酸鉀-外加熱法[9]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel2003和DPS7.05統(tǒng)計分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)計算處理及差異顯著性檢驗和相關(guān)性分析，多重比較采用LSD法。

2 結(jié)果與分析

2.1 柑橘園土壤有機(jī)碳含量的變化

土壤有機(jī)碳含量是土壤有機(jī)碳輸入與輸出之間平衡的結(jié)果。由圖1可見，土壤有機(jī)碳含量的變化規(guī)律為施用有機(jī)肥處理（M2、M3、M4和M5）>化肥處理（M1）>不施肥處理（CK）。就0～20 cm土層而言，施用有機(jī)肥的M2、M3、M4和M5處理土壤有機(jī)碳含量分別比不施肥處理（CK）提高5.8%、9.6%、14.5%和6.9%，分別比施化肥處理（M1）提高2.4%、6.1%、10.8%和3.5%，而有機(jī)肥處理中又以M4處理的土壤有機(jī)碳含量增幅最大。M1處理土壤有機(jī)碳含量比CK處理提高3.3%。方差分析結(jié)果顯示，不同施肥處理間土壤有機(jī)碳含量的差異均不顯著。就20～40 cm土層而言，M4處理土壤總有機(jī)碳含量高于CK、M1、M2、M3和M5處理，但各處理間的差異均不顯著。不同土層而言，CK、M1、M2、M3、M4和M5處理0～20 cm土層的土壤有機(jī)碳含量均顯著高于20～40 cm土層，表現(xiàn)為隨土層加深，土壤有機(jī)碳含量降低的趨勢。

2.2 柑橘園土壤有機(jī)碳密度的變化

由圖2可見，不同施肥處理土壤有機(jī)碳密度的大小順序為M4>M5>M3>M2>M1>CK。對0～20 cm土層而言，M2、M3、M4和M5處理土壤有機(jī)碳密度分別比CK處理提高4.6%、8.1%、12.4%和5.2%，分別比M1處理提高2.3%、5.8%、10.0%和3.0%，M1處理土壤有機(jī)碳含量比CK處理提高2.2%。方差分析結(jié)果顯示，CK、M1、M2、M3、M4和M5處理間土壤有機(jī)碳密度的差異均不顯著。對20～40 cm土層而言，M4處理土壤總有機(jī)碳密度高于CK、M1、M2、M3和M5處理，但各處理間的差異均不顯著。就不同土層而言，CK、M1、M2、M3、M4和M5處理0～20 cm土層的土壤有機(jī)碳密度均顯著高于20～40 cm土層，表現(xiàn)為隨土層加深，土壤有機(jī)碳密度降低的趨勢。

2.3 柑橘園土壤可溶性有機(jī)碳（DOC）含量的變化

土壤可溶性有機(jī)碳（DOC）主要來源于近期外源有機(jī)物輸入和土壤有機(jī)質(zhì)中的腐殖質(zhì)，是養(yǎng)分移動的載體因子，對土壤C、N、P、S等的遷移轉(zhuǎn)化起著重要作用。由圖3可見，不同處理土壤DOC含量的大小順序為M4>M5>M3>M2>M1>CK。0～20 cm土層中，M2、M3、M4和M5處理DOC含量分別比CK和M1處理提高26.39%和13.95%、41.73%和27.24%、75.97%和58.66%、37.72%和24.17%，其中M2、M3、M4和M5與CK處理間的差異達(dá)到顯著水平，M3、M4和M5與M1處理間的差異亦達(dá)顯著水平。20～40cm土層中，M2、M3、M4、M5處理土壤DOC含量均顯著高于CK處理，但M1處理與CK處理間的差異不顯著。就垂直變化而言，不同處理0～20 cm土層土壤DOC含量均高于20～40 cm土層，表現(xiàn)為隨土層加深，土壤DOC含量呈降低的趨勢。

2.4 柑橘園土壤微生物量碳（MBC）含量的變化

土壤微生物量碳是土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)化的活性庫或源，是碳素循環(huán)和周轉(zhuǎn)的媒介，是表征土壤受外界影響后土壤有機(jī)碳變化狀況的較好指標(biāo)。由圖4可見，不同處理土壤微生物量碳含量表現(xiàn)為施有機(jī)肥處理（M2、M3、M4、M5）高于單施化肥和不施肥處理，且土壤微生物量碳含量隨著有機(jī)肥施用量的增加而提高。在0～20 cm土層中，土壤微生物量碳含量以M4處理最高，分別比CK、M1、M2、M3和M5處理增加264.25%、117.74%、106.42%、74.98%和4.17%，其中M4與CK、M1、M2和M3處理間的差異均達(dá)到顯著水平，但M4與M5處理間的差異不顯著。M1處理比CK處理提高66.52%，它們間的差異亦達(dá)到顯著水平。20～40 cm土層M1、M2、M3、M4和M5處理的土壤微生物量碳含量均顯著高于CK處理，但M1、M2、M3、M4和M5處理間的差異不顯著。就垂直變化而言，各處理0～20 cm土層微生物量碳含量均顯著高于20～40 cm土層，表現(xiàn)為隨土層加深，土壤微生物量碳含量呈降低的趨勢。

2.5 柑橘園土壤顆粒有機(jī)碳含量的變化

由圖5可知，0～20 cm土層有機(jī)肥處理的柑橘園土壤顆粒有機(jī)碳含量顯著高于化肥（M1）處理和不施肥（CK）處理，其中以M4處理的土壤顆粒有機(jī)碳含量最高，分別比CK、M1、M2、M3和M5處理增加73.7%、66.6%、41.2%、17.3%和3.6%，其中M4與CK、M1和M2處理間的差異達(dá)到顯著水平，但M4與M3及M5處理間的差異不顯著。M1處理土壤顆粒有機(jī)碳含量比CK處理提高4.3%，但差異未達(dá)到顯著水平。從20～40 cm土層來看，不同處理的土壤顆粒有機(jī)碳含量大小順序為M4>M5>M3>M2>M1>CK，但各處理間的差異均不顯著。就垂直變化而言，各處理0～20 cm土層顆粒有機(jī)碳含量均顯著高于20～40 cm土層，表現(xiàn)為隨土層加深，土壤顆粒有機(jī)碳含量呈降低的趨勢。

2.6 柑橘園土壤輕組有機(jī)碳（LFOC）含量的變化

土壤輕組有機(jī)碳主要由可識別的不同分解階段的植物殘體組成，是土壤中的易分解碳庫，常被作為判斷耕作、施肥等對土壤碳庫影響的一個非?？焖俣行У暮饬恐笜?biāo)。由圖6可知，柑橘園0～20 cm土壤輕組有機(jī)碳含量隨著有機(jī)肥施用量的增加而增加。M3、M4和M5處理土壤輕組有機(jī)碳含量分別比CK和M1處理提高36.88%和70.61%、87.41%和22.54%，52.74%和67.78%，且與CK和M1間的差異達(dá)到顯著水平，但M4和M5處理間的差異不顯著。M2處理土壤輕組有機(jī)碳含量比CK和M1處理分別提高31.07%和17.34%，但與CK和M1處理間的差異不顯著，CK與M1處理間的差異亦不顯著。

2.7 柑橘園土壤活性有機(jī)碳與總有機(jī)碳間的關(guān)系

相關(guān)分析結(jié)果表明，供試柑橘園土壤總有機(jī)碳與各活性有機(jī)碳形態(tài)間以及不同活性有機(jī)碳形態(tài)之間均存在顯著或極顯著的正相關(guān)關(guān)系（p<0.01）（表3），說明了不同施肥方式下柑橘園土壤有機(jī)碳活性組分的變化很大程度上依賴于有機(jī)碳總儲量的變化，故土壤有機(jī)碳活性組分變化能夠很好地反映出土壤有機(jī)碳庫的變化；另一方面也說明了有機(jī)碳活性組分之間關(guān)系密切，雖然它們的表述與測定方法不同，但都在一定程度上表征了土壤中較高活性部分的有機(jī)碳含量。

2.8 柑橘園土壤有機(jī)碳質(zhì)量的變化

土壤中活性碳庫占總有機(jī)碳的百分比可以反映土壤有機(jī)碳質(zhì)量，其中土壤微生物生物量碳/全碳作為土壤碳庫質(zhì)量的敏感指示因子可以推斷碳素的有效性；土壤活性碳與全碳的比值可以度量土壤有機(jī)碳的氧化穩(wěn)定性[10-11]；輕組有機(jī)碳/全碳可以表示土壤有機(jī)碳在非保護(hù)性庫中的分配比例[12]。由表4可知，不同施肥處理柑橘園土壤可溶性有機(jī)碳、微生物量碳、顆粒有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳占總有機(jī)碳比率的大小順序為M5>M4>M3>M2>M1>CK，說明施用有機(jī)肥或有機(jī)無機(jī)肥配施可以不同程度提高柑橘園土壤碳素的有效性、氧化穩(wěn)定性以及土壤有機(jī)碳在非保護(hù)性庫中的分配比例，有利于提高果園土壤有機(jī)碳的質(zhì)量。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

果園生態(tài)系統(tǒng)的碳投入主要來自根系及其分泌物、凋落物和有機(jī)肥投入，施用有機(jī)肥可以刺激根系和地上部分生長，從而增加土壤有機(jī)碳含量[13]。本研究施肥試驗結(jié)果表明，采用有機(jī)無機(jī)配施有利于提高土壤有機(jī)碳含量，且呈現(xiàn)出隨有機(jī)肥施用量增加而增加的趨勢，這是由于施用有機(jī)肥為果樹和地被雜草的生長提供了大量所需養(yǎng)分，從而促進(jìn)了植物根系的生長，根系分泌物增加，并加快了細(xì)根的周轉(zhuǎn)速率等原因所致[14]。Leroy等[15]采用旋耕機(jī)將有機(jī)肥施入土壤1 a后（施肥量為4 t C/hm2），調(diào)查土壤有機(jī)碳含量的變化發(fā)現(xiàn)，施用牛糞+秸稈和蔬菜、水果廢棄混合物處理的土壤有機(jī)碳含量有顯著提高。趙紅等[16]采取先將有機(jī)肥灑于土壤表面然后翻耕的施肥方法，連續(xù)2 a后的試驗結(jié)果表明，少量施加牛糞不能顯著增加土壤有機(jī)碳含量，但隨著牛糞施用量的增加（>20.7 t/hm2），土壤中的有機(jī)碳含量也明顯增加。本研究中不同有機(jī)肥處理與不施肥和化肥處理間土壤有機(jī)碳含量并沒有顯著性差異，這與本實驗有機(jī)肥的施用方法和土壤采集方法有關(guān)。為了減少對果樹根系的傷害，果園施肥采用條形溝施肥法，從而導(dǎo)致有機(jī)肥并未與土壤完全混合。土壤樣品采集時為了避免施肥溝處土壤有機(jī)碳含量偏高，采取在施肥溝內(nèi)外側(cè)30 cm處采集土壤混合樣品。因此施肥溝內(nèi)外側(cè)的土壤有機(jī)碳主要來源于枯死凋落物、根系分泌物、枯死細(xì)根的輸入以及施肥溝內(nèi)有機(jī)碳在土壤中隨水分的遷移等[17]，短期內(nèi)施肥并不能引起枯死凋落物和細(xì)根等外源碳量的顯著變化[18]，土壤中移動性較強(qiáng)的活性有機(jī)碳占總有機(jī)碳的比例又非常小，這些都是導(dǎo)致本研究中短期內(nèi)施用有機(jī)肥致使果園土壤有機(jī)碳含量未顯著增加的主要原因。

土壤活性有機(jī)碳是土壤中碳庫源匯轉(zhuǎn)化最活躍的部分，其對農(nóng)業(yè)管理措施十分敏感。本研究結(jié)果表明，單施有機(jī)肥、有機(jī)無機(jī)配施處理土壤微生物量碳和可溶性有機(jī)碳含量均高于單施化肥和不施肥處理，說明施用有機(jī)肥后，這些物質(zhì)進(jìn)入土壤后易被分解利用，腐解過程中放出大量活性組分，增加了土壤中可溶性有機(jī)碳含量；隨著投入的有機(jī)物及活性有機(jī)碳組分的增加，土壤微生物生命活動需的能量來源豐富，土壤微生物迅速增殖，進(jìn)而微生物量碳含量顯著增加。土壤活性有機(jī)碳占土壤總有機(jī)碳的比率被稱為該種活性有機(jī)碳的分配比例[19]，它比活性有機(jī)碳總量更能反映不同施肥作用對土壤碳行為的影響效果。張璐等[20]長期施肥對3種典型農(nóng)田土壤-黑土、灰漠土和紅壤有機(jī)碳影響的研究表明，長期不施肥或只施氮肥多數(shù)導(dǎo)致土壤總有機(jī)碳含量和活性有機(jī)碳所占比例下降，有機(jī)無機(jī)配施能維持和提高土壤有機(jī)碳含量和活性有機(jī)碳所占比例。在本研究中，無機(jī)有機(jī)配施處理土壤活性有機(jī)碳占總有機(jī)碳的比率均高于對照和單施化肥處理。各種活性有機(jī)組分之間的顯著關(guān)系表明，不同有機(jī)碳組分之間具有顯著的相關(guān)性，表明不同有機(jī)碳組分之間相互影響，特別是在短期內(nèi)輕組有機(jī)碳、可溶性有機(jī)碳、微生物生物量碳可作為土壤有機(jī)質(zhì)變化的敏感指標(biāo)。

3.2 結(jié)論

相對不施肥處理，施用菌渣有機(jī)肥一定程度提高了果園土壤有機(jī)物的輸入量，進(jìn)而能提高土壤有機(jī)碳含量5.8%～14.8%，土壤輕組有機(jī)碳、可溶性有機(jī)碳、微生物量碳也分別提高了17.3%～87.4%、14.0%～76.0%和6.0%～264.2%，且隨著菌渣施用量的增加，果園土壤有機(jī)碳含量增加幅度提高，但施用菌渣有機(jī)肥并未顯著提高果園土壤總有機(jī)碳含量，而輕組有機(jī)碳、可溶性有機(jī)碳、微生物生物量碳等組分顯著增加，因此其可作為反映土壤有機(jī)質(zhì)變化的敏感指標(biāo)。

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