灌淤土農(nóng)田土壤有機(jī)碳及碳庫管理指數(shù)對(duì)施肥措施的響應(yīng)

趙　營，郭鑫年，羅健航，陳曉群，馬　蕓

(1.寧夏回族自治區(qū)土壤與植物營養(yǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所， 寧夏 銀川 750002;2.寧夏農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)技術(shù)研究所， 寧夏 銀川 750002)

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灌淤土農(nóng)田土壤有機(jī)碳及碳庫管理指數(shù)對(duì)施肥措施的響應(yīng)

趙營1，郭鑫年1，羅健航1，陳曉群1，馬蕓2

(1.寧夏回族自治區(qū)土壤與植物營養(yǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所， 寧夏 銀川 750002;2.寧夏農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)技術(shù)研究所， 寧夏 銀川 750002)

摘要：為了探討施肥對(duì)灌淤土水旱輪作農(nóng)田土壤有機(jī)碳和碳庫管理指數(shù)的影響特征，尋求合適的土壤增碳措施，在寧夏引黃灌區(qū)水稻-春小麥-春玉米輪作體系中，通過3 a田間定位試驗(yàn)研究了不施肥(CK)、平衡施用化肥(NPK)、單施有機(jī)肥(M)、化肥+有機(jī)肥配施(NPK+M)、化肥+玉米秸稈(NPK+S)和農(nóng)民習(xí)慣施肥(CON)6個(gè)不同施肥措施對(duì)0～20 cm耕層土壤總有機(jī)碳、活性有機(jī)碳含量及碳庫管理指數(shù)的影響。結(jié)果表明，在同等氮素供應(yīng)水平下，無論水田或旱地，NPK、M、NPK+M和NPK+S處理都能達(dá)到土壤增碳效果，3年的土壤培肥后，其土壤總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳含量分別達(dá)10.03～10.60 g·kg-1和3.00～4.35 g·kg-1，與試驗(yàn)前(9.92 g·kg-1和2.48 g·kg-1)相比分別提高了1.2%～6.8%和20.8%～75.2%，M處理顯著高于CK。施用有機(jī)肥3 a以上，才能顯著提高土壤碳庫、碳庫活度、活度指數(shù)和碳庫管理指數(shù)。因此，從土壤總有機(jī)碳及其活性組分提升的角度考慮，應(yīng)在平衡施用NPK的基礎(chǔ)上，提倡水旱輪作農(nóng)田長期增施有機(jī)肥來提高土壤碳庫管理指數(shù)。

關(guān)鍵詞：灌淤土農(nóng)田；水旱輪作；施肥；土壤總有機(jī)碳；土壤活性有機(jī)碳；土壤碳庫管理指數(shù)

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤肥力的重要特征，維持農(nóng)田土壤碳庫平衡，增加土壤活性有機(jī)碳組分含量對(duì)土壤培肥起著重要作用。土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定機(jī)制決定著土壤固定和儲(chǔ)備有機(jī)碳的能力，土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性對(duì)全球碳平衡起著重要作用，被認(rèn)為是影響全球“溫室效應(yīng)”的主要因素[1]。施肥是最直接影響土壤有機(jī)碳及其組分含量和碳庫管理指數(shù)的因素[1-6]，秸稈還田或地表覆蓋也是提高表層土壤有機(jī)碳及其組分含量、維持土壤有機(jī)碳庫平衡的重要措施[7-10]。在西北干旱綠洲區(qū)的旱作條件下，輪作模式對(duì)棉田土壤團(tuán)聚體組成及有機(jī)碳分布存在不同的影響，棉花與大豆或玉米短期輪作倒茬有利于土壤團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定[11]。施肥對(duì)水稻田土壤有機(jī)碳分布和組分特征影響已有研究[4,12]，水旱輪作由于存在明顯的干濕交替，而這種干濕交替對(duì)土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)化具有重要影響。水田和旱地土壤有機(jī)碳周轉(zhuǎn)對(duì)水分的響應(yīng)也已有探討[13]，但施肥措施對(duì)水旱輪作體系農(nóng)田土壤有機(jī)碳組分含量和碳庫管理指數(shù)影響的研究尚待深入。

年際間水旱輪作是寧夏引黃灌區(qū)典型的農(nóng)田耕作制度，但在水稻、春小麥和春玉米施肥中，重施化肥，輕施有機(jī)肥，施用有機(jī)肥農(nóng)戶比例不到40%，水稻、春小麥和麥套玉米平均施氮量分別高達(dá)306.0、318.0 kg·hm-2和631.5 kg·hm-2，作物的氮肥施用普遍嚴(yán)重過量，但土壤有機(jī)質(zhì)含量并沒明顯提高[14]。另外，水旱輪作作物秸稈還田的比例逐漸降低，農(nóng)田土壤有機(jī)碳提升緩慢，亟需研究提出該輪作體系下農(nóng)田土壤增碳的施肥管理措施。因此，本文通過3 a的田間定位培肥試驗(yàn)，以灌淤土土壤有機(jī)碳為研究對(duì)象，研究了不同施肥措施對(duì)水旱輪作農(nóng)田耕層土壤總有機(jī)碳含量、土壤C/N值和活性有機(jī)碳含量的影響，分析評(píng)價(jià)了不同施肥措施下土壤碳庫管理指數(shù)和碳庫穩(wěn)定性特征，為寧夏引黃灌區(qū)水旱輪作農(nóng)田土壤增碳管理提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2008—2010年在寧夏引黃灌區(qū)的中寧縣舟塔鄉(xiāng)康灘村進(jìn)行，地理坐標(biāo)為東經(jīng)105°38′7″，北緯37°30′38″，該地海拔1 110 m，主要?dú)夂蛱攸c(diǎn)是干旱少雨，是典型的灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)，種植制度一般為水旱輪作(水稻與小麥或玉米2～3年際間輪作)。土壤類型為灌淤土，0～20 cm土壤的基礎(chǔ)理化性質(zhì)為：pH 7.3，有機(jī)質(zhì)17.1 g·kg-1(有機(jī)碳9.92 g·kg-1)，全氮1.08 g·kg-1，無機(jī)氮(硝態(tài)氮+銨態(tài)氮)22.5 mg·kg-1，有效磷19.4 mg·kg-1，速效鉀102.0 mg·kg-1。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)6個(gè)施肥處理：不施肥(CK，不施任何肥料)、平衡施用化肥(NPK)、單施有機(jī)肥(M)、化肥+有機(jī)肥配施(NPK+M)、化肥+玉米秸稈(NPK+S)和農(nóng)民習(xí)慣施肥(CON)，每個(gè)小區(qū)面積33 m2(5.5 m×6 m)，隨機(jī)區(qū)組排列，重復(fù)3次。習(xí)慣施肥處理按當(dāng)?shù)卣{(diào)查平均水平，其它各施肥處理在等氮量的基礎(chǔ)上進(jìn)行，NPK+M處理的氮輸入比例為1∶1，磷鉀不足部分以化肥補(bǔ)充。氮肥為含N 46%尿素，磷肥為普通過磷酸鈣P2O512%，鉀肥為硫酸鉀K2O 50%，有機(jī)肥為牛糞(鮮基：C 164.3 g·kg-1、N 10.3 g·kg-1、P2O52.4 g·kg-1、K2O 13.8 g·kg-1)，秸稈為玉米秸稈(C 450.0 g·kg-1、N 5.0 g·kg-1、P2O54.0 g·kg-1、K2O 16.7 g·kg-1)還田量4.5 t·hm-2。不同施肥處理化肥和有機(jī)肥養(yǎng)分輸入量如表1所示。

水旱輪作作物為水稻-春小麥-春玉米，各施肥處理小區(qū)的水旱輪作周期保持同步。供試水稻品種為寧粳28號(hào)，前茬作物為麥套玉米，2008年5月17日插秧，行穴距25 cm×9 cm，每穴3苗，9月29日收獲取樣。水稻氮肥基施50%，分別在分蘗期和孕穗期追施25%，有機(jī)肥和磷、鉀肥全部基施。供試小麥品種為寧春16號(hào)，2009年3月9日播種，播種量為300 kg·hm-2，行距10 cm，7月16日收獲。春小麥氮肥基施60%，分別在分蘗期和拔節(jié)期追施20%。農(nóng)民習(xí)慣施肥處理2/3的氮肥和全部磷肥基施，1/3的氮肥在小麥灌頭水前(分蘗前期)追施。供試玉米品種為鄭大12號(hào)，2010年4月7日播種，播種量為60 kg·hm-2，寬窄行種植(寬90 cm×窄30 cm)，栽培密度7.5萬株·hm-2，9月23日收獲。30%氮肥和全部磷、鉀肥基施，30%的氮肥在玉米拔節(jié)前追施，40%的氮追施在玉米大喇叭口期。各個(gè)水旱輪作作物生育期間的田間灌水等管理同當(dāng)?shù)卮筇铩?/p>

1.3土樣采集與測(cè)定

本研究土樣來源于3 a的水旱輪作試驗(yàn)。試驗(yàn)前，采集5點(diǎn)混合0～20 cm耕層土樣；每季作物收獲后，按小區(qū)采集不同施肥處理0～20 cm耕層土樣，3點(diǎn)混合。土壤總有機(jī)碳采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定，活性有機(jī)碳采用333 mmol·L-1KMnO4氧化法測(cè)定，土壤非活性有機(jī)碳=土壤總有機(jī)碳-活性有機(jī)碳。

1.4計(jì)算公式

土壤碳庫管理指數(shù)計(jì)算公式參考張貴龍等[15]的方法： 碳庫指數(shù)(Carbon pool index, CPI)=樣品總有機(jī)碳(g·kg-1)/參照土壤總有機(jī)碳(g·kg-1)，以試驗(yàn)前起始土壤為參照土壤；土壤碳的不穩(wěn)定性，即碳庫活度(A)=樣品中的活性有機(jī)碳(LOC)/樣品中的非活性有機(jī)碳(NLOC)；碳庫活度指數(shù)(Activity index, AI)=樣品的碳庫活度(A)/對(duì)照的碳庫活度(A0)，試驗(yàn)前起始土壤為對(duì)照；碳庫管理指數(shù)(Carbon management index, CMI)：指土壤管理措施引起土壤有機(jī)碳變化的指標(biāo)，能夠反映農(nóng)作施肥措施對(duì)土壤碳量下降或更新的程度，碳庫管理指數(shù)CMI=CPI×AI×100。

文中所有數(shù)據(jù)采用Excel 2007和DPS 7.05軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2結(jié)果與分析

2.1水旱輪作農(nóng)田土壤總有機(jī)碳及C/N值對(duì)不同施肥措施的響應(yīng)

水旱輪作體系下，灌淤土農(nóng)田土壤總有機(jī)碳含量和C/N值對(duì)不同施肥措施的響應(yīng)如表2所示。結(jié)果表明，2008年水稻和2009年春小麥季，不同施肥處理間土壤總有機(jī)碳含量差異未能達(dá)顯著水平；到2010年春玉米季，M相對(duì)于CK處理的土壤總有機(jī)碳含量才顯著增加，但其與其它施肥措施間也無顯著差異。無論水田還是旱田，NPK、M、NPK+M和NPK+S處理都能起到一定的土壤增碳作用，經(jīng)過3 a的土壤培肥，其土壤總有機(jī)碳含量達(dá)10.03～10.60 g·kg-1，與試驗(yàn)前的9.92 g·kg-1相比，NPK、M、NPK+M和NPK+S處理土壤總有機(jī)碳分別提高了1.2%、6.8%、2.9%和2.3%。農(nóng)民習(xí)慣施肥(CON處理)僅能基本維持土壤有機(jī)碳含量水平。因此，從土壤增碳的角度考慮，同等氮素供應(yīng)水平下，大量單施有機(jī)肥(M處理)的土壤增碳作用最好，且連續(xù)3 a以上施肥才有顯著效果；其次是NPK+M、NPK+S和NPK處理。

注：表中同一作物季施肥處理間不同小寫字母表示5%顯著水平，±后面數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)差；下同。

Note： Different small letters among different fertilization methods in the same crop season showed significant difference at 5%, data after ± were standard deviation (SD); hereinafter.

表2還可以看出，同一個(gè)作物季不同施肥措施的土壤C/N值差異不顯著，但相對(duì)于試驗(yàn)前基礎(chǔ)比值(9.18)，不同施肥措施都有調(diào)控土壤C/N值的作用。M和NPK+M處理主要是通過施用高C/N值的牛糞來增加土壤有機(jī)碳含量進(jìn)行調(diào)控，其土壤C/N值從試驗(yàn)前的9.18分別提高到2008—2010年不同作物季的9.38～10.00和9.46～9.67。而CK處理是通過降低土壤氮素盈余量來提高土壤C/N值，2008年水稻和2009年春小麥季分別為9.71和9.54，但隨著土壤有機(jī)碳的不斷消耗，其2010年春玉米季土壤C/N值又降為9.35。另外，水田進(jìn)行秸稈還田(NPK+S處理)會(huì)加速土壤有機(jī)碳礦化，降低土壤C/N值，2008年水稻季土壤C/N值僅為8.61，低于試驗(yàn)前的基礎(chǔ)比值9.18?？傮w來說，各輪作作物季不同施肥措施下土壤C/N值一般都在10以下。

2.2水旱輪作農(nóng)田土壤活性與非活性有機(jī)碳含量對(duì)不同施肥措施的響應(yīng)

表3結(jié)果表明，不同施肥措施對(duì)水旱輪作農(nóng)田土壤活性有機(jī)碳含量影響各有差異，但對(duì)非活性有機(jī)碳含量的差異影響都不顯著。

施肥對(duì)2008年水田和2009年旱地土壤活性有機(jī)碳含量均無顯著影響，但在2010年春玉米季出現(xiàn)顯著性差異，除CK(2.38 g·kg-1)外，其它施肥處理下土壤活性有機(jī)碳含量達(dá)2.78～4.35 g·kg-1，M處理達(dá)到顯著水平。相比試驗(yàn)前(2.48 g·kg-1)，M、NPK+M、NPK+S處理對(duì)提高土壤活性有機(jī)碳效果明顯，其2010年春玉米季土壤非活性有機(jī)碳含量降低到6.25～6.85 g·kg-1，但這3個(gè)施肥處理間差異并不明顯。參照表2數(shù)據(jù)，不同施肥措施下土壤活性有機(jī)碳組分占總有機(jī)碳比例最高的是M處理，不同作物季比例達(dá)25.8%～42.2%，平均為32.8%；其次是NPK+M和NPK+S處理，不同作物季比例分別為26.9%～34.0%和27.1%～32.6%，平均分別為30.2%和29.2%。而CK處理會(huì)降低其活性有機(jī)碳組分含量，尤其是在2009年旱地作物季表現(xiàn)更為突出。NPK處理一定程度上也能提高土壤活性有機(jī)碳組分含量，這可能是平衡施肥增加了作物根系等秸稈殘留物，但水田或旱地都未能達(dá)到顯著水平。因此，從長遠(yuǎn)來看，在合理施用化肥的基礎(chǔ)上增施有機(jī)肥是提高土壤活性有機(jī)碳組分的重要措施。

2.3水旱輪作農(nóng)田土壤碳庫管理指數(shù)及其穩(wěn)定性分析

施肥措施是影響土壤有機(jī)碳庫儲(chǔ)備和更新的重要因素，從而影響農(nóng)田土壤有機(jī)碳平衡和穩(wěn)定性。2008—2010年水稻-春小麥-春玉米輪作體系下，不同施肥措施都或多或少地影響農(nóng)田土壤有機(jī)碳庫指數(shù)(CPI)，如圖1所示。2008年水稻和2009年春小麥季，不同施肥處理間碳庫指數(shù)差異不顯著，說明短期的培肥并不能對(duì)土壤有機(jī)碳庫產(chǎn)生明顯的影響，直到2010年春玉米季，M較CK處理顯著提高了土壤碳庫指數(shù)。由此可見，長期施用有機(jī)肥的增碳或固碳措施能顯著提高農(nóng)田土壤碳庫指數(shù)。

碳庫活度(A)是農(nóng)田土壤活性有機(jī)碳組分的表征。圖2(a)結(jié)果表明，2008—2009兩年的土壤培肥對(duì)農(nóng)田土壤碳庫活度影響很小，主要是施肥措施對(duì)碳庫活性組分影響很有限，培肥第3年(2010年春玉米季)起，與CK、CON處理相比，M處理能顯著提高土壤碳庫活度，但其與NPK、NPK+M和NPK+S處理間差異不顯著。這表明，農(nóng)民習(xí)慣施肥措施不利于農(nóng)田土壤碳庫活度的穩(wěn)定，而持續(xù)增施有機(jī)肥是提高土壤碳庫活度的關(guān)鍵。

碳庫活度指數(shù)(AI)是指施肥處理后不穩(wěn)定性與施肥前不穩(wěn)定性的比較。水旱輪作體系不同施肥措施下土壤碳庫活度指數(shù)如圖2(b)所示，可以看出，2010年春玉米季，不同施肥措施間的土壤碳庫活度指數(shù)存在顯著差異，與CK、CON處理相比，M處理也能顯著提高土壤碳庫活度指數(shù)，但其與其它施肥處理間差異不明顯。

注：圖中誤差棒表示標(biāo)準(zhǔn)差，同一作物季施肥處理間不同小寫字母代表5%顯著水平差異；下同。

Note： The vertical bars indicate the standard deviation of the mean, and the square columns in the same crop season with different small letters show significant difference at 5%; the same as below.

圖1水旱輪作體系不同施肥措施下土壤碳庫指數(shù)

Fig.1Soil carbon pool index (CPI) by different fertilization

methods in the paddy-upland rotation system

土壤碳庫管理指數(shù)(CMI)表征著土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性大小。圖3是水旱輪作體系不同施肥措施下的土壤碳庫管理指數(shù)差異比較，結(jié)果表明，M、NPK+M和NPK+S處理都有利于土壤有機(jī)碳的提升和穩(wěn)定，連續(xù)培肥3 a以上才能顯著增碳和促進(jìn)土壤有機(jī)碳組分的穩(wěn)定。對(duì)不同施肥措施而言，M處理最有利于農(nóng)田土壤有機(jī)碳庫的穩(wěn)定，其次是NPK+M和NPK+S處理，CON處理的效果最差。因此，應(yīng)當(dāng)在合理施用化肥的基礎(chǔ)上，提倡農(nóng)田長期增施有機(jī)肥來提高水旱輪作農(nóng)田土壤碳庫管理指數(shù)，促進(jìn)土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定。

圖3水旱輪作體系不同施肥措施下土壤碳庫管理指數(shù)

Fig.3Soil carbon management index (CMI) by different fertilization

methods in the paddy-upland rotation system

3討論

施肥、耕作和秸稈還田等措施都對(duì)農(nóng)田土壤有機(jī)碳組分、碳庫平衡和固碳潛力等產(chǎn)生影響[1-12,15]。在東北黑土條件下，有機(jī)無機(jī)不同配比對(duì)土壤有機(jī)碳、活性有機(jī)碳、碳庫管理指數(shù)及糧食產(chǎn)量均有影響，有機(jī)無機(jī)氮在1∶1配比下能達(dá)顯著水平；短期內(nèi)少量施用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，土壤中的有機(jī)碳含量也明顯增加[3]。本研究也有類似結(jié)果，在2008年水稻和2009年春小麥前兩個(gè)作物季，不同土壤培肥措施對(duì)水田或旱地土壤總有機(jī)碳、活性有機(jī)碳含量均無顯著影響，但隨著牛糞施用量增加，在2010年春玉米季，M處理相對(duì)于CK處理土壤總有機(jī)碳才顯著增加，說明在該水旱輪作體系下，短期連續(xù)增施有機(jī)肥在3 a以上才有明顯的土壤增碳和改善土壤碳庫活性組分的效果。許多研究已證實(shí)，在旱地土壤上，化肥氮與有機(jī)肥或秸稈配合以及長期施用有機(jī)肥有利于0～20 cm耕層土壤有機(jī)碳及其活性組分的累積[5-6,16]，種植綠肥后直接還田也能顯著促進(jìn)土壤總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳的累積[17]。長期單施化肥對(duì)土壤中有機(jī)碳無明顯影響[18]，這也解釋了本試驗(yàn)中農(nóng)民長期單施化肥(CON處理)僅能維持土壤有機(jī)碳含量水平，而不能明顯提高的原因。本試驗(yàn)由于是在等養(yǎng)分供應(yīng)條件下進(jìn)行，在水旱輪作體系有機(jī)無機(jī)配合以及化肥與秸稈配合的土壤增碳效果均未達(dá)顯著水平，僅單施有機(jī)肥(M)處理在第3年有顯著性差異。土壤有機(jī)碳庫活性的提高，也與土壤微生物量碳和土壤速效養(yǎng)分供應(yīng)密切相關(guān)[18-19]。有機(jī)肥對(duì)土壤微生物量碳的影響最大，而土壤微生物量碳與土壤肥力關(guān)系緊密，土壤微生物量碳與土壤活性有機(jī)碳呈顯著的正相關(guān)[18]，活性有機(jī)碳與土壤堿解氮、速效鉀含量都呈極顯著正相關(guān)[19]。而在該水旱輪作條件下，不同施肥措施下活性有機(jī)碳的變化對(duì)土壤微生物量碳、土壤速效養(yǎng)分含量影響的研究還需探討。

土壤有機(jī)碳的累積和釋放(礦化作用等)是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡過程[20]，而土壤C/N值影響土壤微生物活性，從而影響土壤碳、氮的礦化和固定，通常土壤C/N值為10較為合適[21]，本試驗(yàn)中不同施肥措施下土壤C/N值通常都在10以下，但通過長期土壤增碳固碳和土壤氮素盈余的降低，土壤C/N值應(yīng)該可以調(diào)控到10以上。在西北黃土旱塬黑壚土上[22]，長期增施有機(jī)肥和秸稈還田提高了土壤有機(jī)碳固定與積累。在洞庭湖平原紅壤性水稻土上，與單施氮、磷、鉀肥處理相比，有機(jī)肥與化學(xué)氮、磷、鉀肥配施也更有利于土壤固碳能力的增強(qiáng)[12]。而本試驗(yàn)水旱輪作灌淤土農(nóng)田條件下，同等養(yǎng)分供應(yīng)時(shí)，有機(jī)肥和化肥配施、秸稈和化肥配施的土壤固碳效應(yīng)并沒有單施有機(jī)肥的效果明顯。

土壤碳庫管理指數(shù)與土壤的化學(xué)性質(zhì)尤其是土壤養(yǎng)分因子呈顯著或極顯著相關(guān)，反映了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施對(duì)土壤碳庫的影響，運(yùn)用土壤碳庫管理指數(shù)可以很好地反映出土壤碳庫的動(dòng)態(tài)變化。碳庫管理指數(shù)明顯受施肥的影響，可反映農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施對(duì)土壤碳庫的影響，因此可用來評(píng)估土壤碳庫的變化[2]。活性有機(jī)碳含量與碳庫管理指數(shù)存在極顯著的相關(guān)性[17]。本研究中，水旱輪作體系連續(xù)增施有機(jī)肥3 a后，才對(duì)土壤碳庫活度、碳庫活度指數(shù)和碳庫管理指數(shù)產(chǎn)生顯著影響；在黃土高原旱地土壤上，秸稈覆蓋4 a后碳庫管理指數(shù)才有顯著提高[10]，這說明無論水旱輪作或旱地條件下，其土壤有機(jī)碳組分改善得極其緩慢，需要長期、合理地培肥措施才能顯著提升土壤碳庫。有研究表明，糧食作物產(chǎn)量與有機(jī)碳庫活度呈顯著或極顯著相關(guān)[17,23]，施有機(jī)肥或有機(jī)、無機(jī)肥適當(dāng)配施能提高土壤有機(jī)碳含量和土壤碳庫管理指數(shù)，有利于改善土壤質(zhì)量，提高土壤肥力。但水旱輪作的干濕交替條件下土壤碳庫周轉(zhuǎn)與旱地土壤不同，研究結(jié)果顯示，風(fēng)干土壤再濕潤后會(huì)加劇土壤有機(jī)碳礦化，與未風(fēng)干土壤相比，風(fēng)干土壤再濕潤后的2～6 d，其有機(jī)碳礦化量提高5倍[24]。在淹水條件下，無論水田還是旱地土壤有機(jī)碳礦化速率均高于好氣條件[13]，干濕交替過程促進(jìn)了有機(jī)碳的降解。這也解釋寧夏引黃灌區(qū)水旱輪作農(nóng)田土壤有機(jī)碳提升緩慢的原因，需要土壤培肥3 a以上才能夠顯著增碳和促進(jìn)土壤有機(jī)碳組分的穩(wěn)定。

4結(jié)論

(1) 在水旱輪作體系中，NPK、M、NPK+M和NPK+S處理都能起到土壤增碳作用。同等氮素供應(yīng)水平下，2010年春玉米種植后，NPK、M、NPK+M和NPK+S處理土壤總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳含量分別達(dá)10.03～10.60 g·kg-1和3.00～4.35 g·kg-1，與試驗(yàn)前(9.92 g·kg-1和2.48 g·kg-1)相比，土壤總有機(jī)碳含量分別提高了1.2%、6.8%、2.9%和2.3%，土壤活性有機(jī)碳含量分別提高了20.8%、75.2%、38.3%和33.1%。

相對(duì)于CK處理，M處理的土壤增碳效果最好，且連續(xù)施用有機(jī)肥3 a以上才能顯著提高土壤總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳含量；其次是NPK+M、NPK+S和NPK處理，CON處理僅能基本維持土壤總有機(jī)碳及活性組分含量水平。不同施肥措施均起到調(diào)節(jié)土壤C/N值的作用，但其土壤C/N值一般都在10以下。

(2) 對(duì)不同施肥措施而言，M處理最有利于農(nóng)田土壤碳庫的穩(wěn)定，其次是NPK+M和NPK+S處理，CON處理效果最差。連續(xù)施用有機(jī)肥定位培肥3 a以上，才能顯著提高灌淤土農(nóng)田土壤碳庫、碳庫活度、活度指數(shù)和碳庫管理指數(shù)，并明顯促進(jìn)土壤有機(jī)碳組分的穩(wěn)定。

因此，寧夏引黃灌區(qū)水旱輪作體系中，在平衡施用氮、磷、鉀肥的基礎(chǔ)上，適當(dāng)增施有機(jī)肥有利于提高土壤碳庫管理指數(shù)和土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性，但需要連續(xù)培肥3 a以上才能達(dá)到顯著的效果。

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Soil organic carbon and carbon management index affected by the different fertilization methods in the field of irrigation silting soils

ZHAO Ying1, GUO Xin-nian1, LUO Jian-hang1, CHEN Xiao-qun1, MA Yun2

(1.KeyLaboratoryofSoilandPlantNutritionofNingxiaHuiAutonomousRegion,InstituteofAgriculturalResourcesandEnvironment,NingxiaAcademyofAgricultureandForestrySciences,Yinchuan,Ningxia750002,China; 2.InstituteofQualityStandardandTestingTechnologyforAgro-productsofNingxiaAcademyofAgricultureandForestrySciences,Yinchuan,Ningxia750002,China)

Keywords:the paddy-upland rotation system; fertilization; soil total organic carbon; soil labile organic carbon; soil carbon management index (CMI)

Abstract：In order to investigate the characteristics of fertilization effects on soil organic carbon and carbon management index of irrigation silting soils in the paddy-upland rotation field, and look for a suitable method for soil carbon improvement and sequestration, a three-year field experiment was conducted to study the effects of six different fertilization methods including no fertilizer (CK), balanced application of chemical fertilizers (NPK), application of manure (M), combination of or-inorganic fertilizers (NPK+M), chemical fertilizers plus maize straw (NPK+S), and conventional fertilizers by farmers (CON) on soil total organic carbon content, labile organic carbon content, and carbon management index of the 0～20 cm topsoil in the rotation system of paddy rice-spring wheat-spring maize in the Yellow River irrigation region of Ningxia. The results showed that soil organic carbon content was increased to some extent by treatments NPK, M, NPK+M, and NPK+S under the same N supply in paddy or upland fields. Compared with the soil before any treatment where the corresponding contents were 9.92 and 2.48 g·kg-1, soil total and labile organic carbon contents were 10.03～10.60 and 3.00～4.35 g·kg-1with these treatments after three years fertilization, improved by 1.2%-6.8% and 20.8%～75.2%, respectively. A significant difference was further found between treatment M and CK. Soil carbon pool index, organic carbon activity, organic carbon activity index, and carbon management index were also significantly increased by the application of manure after three years. Therefore, in consideration of soil organic carbon and increase in its labile component, a balance application of N, P, and K fertilizers should be the base to promote a long-term application of manure for the enhancement of soil carbon management index in the paddy-upland rotation field.

文章編號(hào)：1000-7601(2016)03-0016-07

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.03.03

收稿日期：2015-05-12

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41401319)；寧夏自然科學(xué)基金項(xiàng)目(NZ13104)

作者簡介：趙營(1979—)，男，河南項(xiàng)城人，副研究員，博士，主要從事土壤培肥與農(nóng)田養(yǎng)分循環(huán)研究。 E-mail: tony029@126.com。 通信作者：馬蕓(1967—)，女，山東棗莊人，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，從事農(nóng)產(chǎn)品與農(nóng)化分析方法研究。E-mail:345797930@qq.com。

中圖分類號(hào)：S153.6； S158.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A