長期施肥和秸稈覆蓋土壤活性有機質(zhì)及碳庫管理指數(shù)變化

王改玲，李立科，郝明德,3*

（1 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西太谷 030801；2 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊陵 712100；3 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西楊陵 712100）

長期施肥和秸稈覆蓋土壤活性有機質(zhì)及碳庫管理指數(shù)變化

王改玲1，李立科2，郝明德2,3*

（1 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西太谷 030801；2 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊陵 712100；3 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西楊陵 712100）

【目的】研究長期施肥和秸稈覆蓋對土壤活性有機質(zhì)和碳庫管理指數(shù)的影響，為渭北旱塬區(qū)秸稈覆蓋模式的完善提供理論依據(jù)。 【方法】長期定位試驗于 1981 年開始，布設(shè)于陜西省合陽縣，設(shè)空白對照 (CK)、氮磷肥配施 (NP)、氮磷有機肥配施 (NPM)、氮磷肥配施 + 秸稈覆蓋 (NP + FG)、氮磷有機肥配施 + 秸稈覆蓋(NPM + FG) 5 個處理，測定 28 年后土壤有機質(zhì)、不同活性組分有機質(zhì)含量及土壤養(yǎng)分含量、酶活性，研究長期施肥和秸稈覆蓋對土壤活性有機質(zhì)、碳庫管理指數(shù)的影響及其與土壤酶活性、養(yǎng)分含量的相關(guān)關(guān)系。 【結(jié)果】1) NP 處理較 CK 處理顯著提高了土壤高活性有機質(zhì)含量 48.7%，對其他活性組分影響不顯著；NPM 處理土壤總有機質(zhì)含量提高了 120.0%，高、中、低活性有機質(zhì)含量分別提高了 137.4%、136.3% 和 93.4%。2) 以 CK 為參考土壤，NP 處理土壤高活性、中活性和活性碳庫管理指數(shù)分別提高了 54.66、17.93 和 2.65；NPM 處理分別提高了 139.28、140.92 和 83.59。NP + FG 處理土壤高、中、低活性碳庫管理指數(shù)較 NP 處理分別提高 75.01、191.43 和 122.90；NPM + FG 處理較 NPM 處理分別提高了 58.93、121.35 和 93.43。3) 高活性有機質(zhì)、高活性碳庫管理指數(shù)與轉(zhuǎn)化酶呈極顯著相關(guān)，中、低活性碳庫管理指數(shù)與轉(zhuǎn)化酶呈顯著相關(guān)。 【結(jié)論】NPM 處理顯著提高了土壤高、中、活性碳庫管理指數(shù)；施肥基礎(chǔ)上秸稈覆蓋進一步提高了土壤的碳庫管理指數(shù)，在氮磷肥配施基礎(chǔ)上進行秸稈覆蓋對碳庫管理指數(shù)的提升作用大于氮磷有機肥配施基礎(chǔ)上秸稈覆蓋的作用；活性有機質(zhì)與總有機質(zhì)相比，更能反映土壤酶活性的變化，有機質(zhì)的活性越高，對指示酶活性和土壤質(zhì)量的變化越敏感。在渭北旱塬區(qū)，氮磷肥基礎(chǔ)上秸稈覆蓋表現(xiàn)出顯著提高土壤碳庫管理指數(shù)和培肥的優(yōu)勢。

施肥；秸稈覆蓋；活性有機質(zhì)；碳庫管理指數(shù)；長期定位試驗

土壤有機質(zhì)是表征土壤質(zhì)量的關(guān)鍵指標，直接或間接地影響著土壤特性和養(yǎng)分循環(huán)。長期以來，土壤有機質(zhì)數(shù)量變化得到了較多關(guān)注。隨著對土壤養(yǎng)分循環(huán)和有機質(zhì)動態(tài)變化研究的深入，活性有機質(zhì) (LOC) 與土壤碳庫管理指數(shù)逐漸成為土壤質(zhì)量評價和土壤管理的重要指標[1]。活性有機質(zhì)是土壤中易被微生物分解利用、有效性較高、對植物養(yǎng)分供應(yīng)有最直接作用的那部分有機質(zhì)。在對土壤活性有機質(zhì)研究中，Logninow 等[2]根據(jù)不同濃度過量的高錳酸鉀 (33、167、333 mmol/L) 氧化土壤有機質(zhì)的數(shù)量將其分成高活性有機質(zhì)、中活性有機質(zhì)、活性有機質(zhì)、非活性有機質(zhì) 4 種不同的級別。之后，Lefroy等[3]首次提出碳庫管理指數(shù) (carbon pool management index，CMI) 的概念。CMI 結(jié)合了土壤碳庫指標和土壤中碳庫活度兩個方面的內(nèi)容，能夠比較全面和動態(tài)地反映外界條件對土壤有機質(zhì)性質(zhì)的影響[4]。目前，我國對土壤活性有機質(zhì)的研究還較少，且側(cè)重于探討在不同施肥制度[4–5]、耕作制度[6]及土地利用方式[7]等措施下土壤活性有機質(zhì)和 CMI 的變化規(guī)律。

渭北旱塬地處黃土高原中南部，自然降水偏少，且季節(jié)分布不均；土壤貧瘠，肥力不足，致使糧食產(chǎn)量低而不穩(wěn)。秸稈覆蓋與施肥配合已逐漸成為該區(qū)廣泛采用的一種節(jié)水培肥措施。目前，秸稈覆蓋還田在強化土壤有機質(zhì)積累方面?zhèn)涫荜P(guān)注[8–10]，秸稈覆蓋對土壤活性有機質(zhì)組分的影響已有一些研究[11–12]。不同施肥條件下秸稈覆蓋對土壤 LOC 和 CMI的變化狀況卻鮮見報道。本研究以設(shè)置在陜西省合陽縣的長期定位試驗為依托，研究不同施肥條件下秸稈覆蓋對土壤活性碳庫的影響及其與土壤酶活性、養(yǎng)分含量的相關(guān)關(guān)系，旨在為渭北旱塬區(qū)秸稈覆蓋模式的完善和區(qū)域碳循環(huán)提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

長期定位試驗于 1981 年開始，設(shè)在渭北旱塬區(qū)的東北部陜西合陽縣甘井鄉(xiāng)。試驗區(qū)年平均溫度 10.5℃，極端最高溫度 40.1℃，極端最低溫度 –20.1℃。年均降雨量 598.8 mm。試驗地土壤類型為壚土。1981 年試驗前土壤有機質(zhì)含量 11.2 g/kg、全氮 0.737 g/kg、全磷 1.396 g/kg、速效氮 13.8 mg/kg、速效磷 2.27 mg/kg和速效鉀 148.6 mg/kg，pH 8.4[10]。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè) CK、NP、NPM、NP + FG、NPM + FG 5 個處理，3 次重復(fù)。氮肥 (N) 用量為 337.5 kg/hm2，供試肥料為尿素 (含氮 46%)；磷肥 (P) 用量為 337.5 kg/hm2(按 P2O5計)，供試肥料為過磷酸鈣 (含磷17%)；有機肥 (M) 用量為 37500 kg/hm2，種類為腐熟的牛廄肥 (有機質(zhì)含量 14.5%、氮 0.3%、磷 P2O50.2%)；秸稈覆蓋 (FG) 為小麥收獲后將秸稈粉碎成5 cm 左右覆蓋在茬口上，覆蓋量 11250 kg/hm2。小區(qū)面積為 15 m2。播種作物為小麥[10]，每年 9 月15～30 日播種，次年 6 月 15～25 日收獲。

長期試驗 28 年后，下一季小麥播種前 (采樣時間 2009 年 9 月 4 日) 采集耕層土壤樣品 (0—20 cm)，將土樣風干過篩后，分析其活性有機質(zhì)含量，及其他主要養(yǎng)分含量、酶活性。

1.3 活性有機質(zhì)測定及碳庫管理指數(shù) (CMI) 計算

用 K2Cr2O7氧化法測定土壤總有機質(zhì)含量[13]，用KMnO4氧化法測定土壤中的活性有機質(zhì)含量[1,4]。

土壤中活性有機質(zhì)測定的具體操作步驟：稱取約含 15 mg 碳的土樣于 30 mL 塑料旋蓋離心管中，加入 25 mL KMnO4溶液，振蕩 1 h，2000 r/min 轉(zhuǎn)速下離心 5 min。取上清液用去離子水稀釋，用分光光度計在波長 565 nm 處測定稀釋樣品的吸光度。由空白 (不加土壤) 與土壤樣品的吸光度之差計算 KMnO4溶液濃度的變化，從而計算氧化的碳量或活性有機質(zhì)含量 (氧化過程中 1 mmol KMnO4消耗 C 0.75 mmol或 9 mg)。

試驗中選擇 KMnO4濃度為 33 mmol/L、167 mmol/L和 333 mmol/L，由此測定出的 3 組活性有機質(zhì)分別稱為高活性有機質(zhì)、中活性有機質(zhì)和活性有機質(zhì)。

碳庫管理指數(shù) (CMI) 指土壤碳庫指數(shù)與碳庫活度指數(shù)的乘積，從土壤有機質(zhì)數(shù)量和活性兩方面反映了土壤管理措施對土壤有機質(zhì)的影響。

CMI 的計算方法[1,4]：

CMI = CPI × LI × 100

其中，CPI 表示碳庫指數(shù)，指樣品土壤與參考土壤總有機質(zhì)含量的比值，即，

碳庫指數(shù) (CPI) = 樣品土壤總有機質(zhì)含量 (g/kg)/參考土壤總有機質(zhì)含量 (g/kg)

LI 表示土壤碳庫的活度指數(shù)，指樣品土壤與參考土壤碳庫活度的比值，即，

LI = 樣品土壤碳庫活度 (L)/參考土壤碳庫活度 (L0)

碳庫活度 (L) 指土壤中的不同活性組分有機質(zhì)與該活性對應(yīng)的非活性有機質(zhì)的比，即，

碳庫活度 (L) = 活性有機質(zhì) (LOC)/非活性有機質(zhì)(NLOC)

試驗以 CK 土壤為參考土壤，計算 CMI。

1.4 土壤養(yǎng)分、酶活性的測定

測定土壤有機質(zhì)、速效氮、速效磷、速效鉀、全氮、全磷、全鉀等養(yǎng)分含量。土壤養(yǎng)分含量均采用常規(guī)方法測定[13]。

用靛酚比色法測定脲酶活性，磷酸苯二鈉比色法測定堿性磷酸酶活性，3,5-二硝基水楊酸比色法測定轉(zhuǎn)化酶活性，滴定法測定過氧化氫酶活性[14]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

用 SPSS 軟件對有機質(zhì)組分間及有機質(zhì)與土壤養(yǎng)分、酶活性進行相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期施肥、秸稈覆蓋對土壤有機質(zhì)組分的影響

表 1 表明 ，施用化肥顯著提高了土壤高活性有機質(zhì)的含量 (P ＜ 0.05)，亦使總有機質(zhì)和中活性、活性有機質(zhì)含量有所提高，但與 CK 差異不顯著。NPM 施用顯著提高了土壤總有機質(zhì)和不同活性組分有機質(zhì)的含量 (P ＜ 0.05)。長期施 NPM 肥土壤總有機質(zhì)含量為 22.348 g/kg，較 CK 提高 12.280 g/kg，提高 120.0%；較 NP 提高 11.199 g/kg，提高 100.0%。NPM 肥使高活性、中活性、活性有機質(zhì)分別提高到2.464、5.443 和 5.715 g/kg，較 CK 分別提高 137.4%、136.3% 和 93.4%，較 NP 分別提高 59.7%、103.2%、84.2%，NPM 與 NP、CK 均達 0.05 顯著水平。

表1 28 年定位試驗后不同處理土壤有機質(zhì)組分 (g/kg)Table 1 Components of various organic matter in soil after the 28-year experiment

在施肥基礎(chǔ)上秸稈覆蓋進一步提高了土壤總有機質(zhì)含量和不同活性組分有機質(zhì)含量。NP + FG 處理總有機質(zhì)含量為 27.572 g/kg，較 NP 處理提高146.3%；高活性、中活性、活性有機質(zhì)含量亦較 NP處理均有明顯提高，其中高活性有機質(zhì)含量提高36.3%，中活性有機質(zhì)含量提高 158.3%，活性有機質(zhì)含量提高 82.2%；NPM + FG 處理總有機質(zhì)為35.445 g/kg，較 NPM 處理提高 58.6%，高活性、中活性、活性有機質(zhì)含量分別較 NPM 提高 27.6%、52.3%、52.8%，說明秸稈覆蓋對提高中活性、活性有機質(zhì)含量的作用大于對高活性有機質(zhì)的作用；在NP 基礎(chǔ)上秸稈覆蓋的作用大于 NPM 基礎(chǔ)上秸稈覆蓋的作用。

2.2 長期施肥、秸稈覆蓋對土壤碳庫管理指數(shù)的影響

表2 28 年定位試驗后不同處理土壤的碳庫管理指數(shù)Table 2 Carbon management index in soil after the 28-year experiment

由表 2 可見，不同施肥亦影響了土壤碳庫活度指數(shù)，從而影響土壤碳庫管理指數(shù)。以長期不施肥(CK) 土壤作為參考土壤，施氮，磷肥 28 年后，土壤高活性、中活性、活性有機質(zhì)碳庫管理指數(shù)分別提高了 54.66、17.93 和 2.65；施 NPM，高活性、中活性、活性有機質(zhì)碳庫管理指數(shù)分別提高了 139.28、140.92和 83.59。說明有機無機肥配合施用對高活性、中活性、活性有機質(zhì)碳庫管理指數(shù)均有較大的作用，無機肥的作用主要增加高活性有機質(zhì)的碳庫管理指數(shù)。

施肥基礎(chǔ)上秸稈覆蓋明顯提高了 3 種活性有機質(zhì)組分的碳庫管理指數(shù)，NP + FG 處理土壤高活性、中活性、活性有機質(zhì)碳庫管理指數(shù)分別較 NP 處理提高 75.01、191.43 和 122.90；NPM + FG 處理土壤高活性、中活性、活性有機質(zhì)碳庫管理指數(shù)分別較NPM 處理提高 58.93、121.35 和 93.43。說明施肥基礎(chǔ)上秸稈覆蓋顯著提高了土壤的碳庫管理指數(shù)，且對中活性、活性有機質(zhì)碳庫管理指數(shù)的作用大于對高活性有機質(zhì)碳庫管理指數(shù)的作用；在 NP 處理基礎(chǔ)上進行秸稈覆蓋對碳庫管理指數(shù)的作用大于在 NPM處理基礎(chǔ)上的作用。

2.3 不同活性有機質(zhì)與總有機質(zhì)、活性有機質(zhì)與土壤養(yǎng)分及酶活性的相關(guān)分析

表3 土壤活性有機質(zhì)與總有機質(zhì)的相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficients between labile organic carbon and total organic carbon

不同活性組分有機質(zhì)與總有機質(zhì)、3 種活性有機質(zhì)之間的相關(guān)分析 (表 3) 表明，3 種活性有機質(zhì)與總有機質(zhì)之間呈極顯著相關(guān)關(guān)系，3 種活性有機質(zhì)之間亦呈極顯著相關(guān)關(guān)系，其中活性有機質(zhì)與中活性有機質(zhì)相關(guān)系數(shù)最高，為 0.981，這與徐明崗等的研究結(jié)果一致[15]。與有機質(zhì)活性組分間的結(jié)果一致，不同活性有機質(zhì)碳庫管理指數(shù)間均達到極顯著相關(guān)，其中以中活性有機質(zhì)碳庫管理指數(shù)與活性有機質(zhì)碳庫管理指數(shù)最高，為 0.976。

不同活性組分有機質(zhì)、總有機質(zhì)與土壤養(yǎng)分、酶活性的相關(guān)分析表明，3 種活性有機質(zhì)、總有機質(zhì)與土壤全氮、全磷、速效氮、有效磷和速效鉀均呈極顯著相關(guān)，高、中活性有機質(zhì)和總有機質(zhì)含量亦與全鉀含量達顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別達到 0.519、0.523 和 0.522 (表 4)。高活性有機質(zhì)、高活性碳庫管理指數(shù)與轉(zhuǎn)化酶呈極顯著相關(guān)，中、低活性碳庫管理指數(shù)與轉(zhuǎn)化酶呈顯著相關(guān)；3 種不同活性有機質(zhì)組分與磷酸酶呈顯著相關(guān)，總有機質(zhì)與磷酸酶相關(guān)性不顯著。不同活性有機質(zhì)組分與土壤磷酸酶、轉(zhuǎn)化酶活性的相關(guān)性大小表現(xiàn)為高活性有機質(zhì) ＞ 中活性有機質(zhì) ＞ 活性有機質(zhì)。不同活性有機質(zhì)、總有機質(zhì)含量與脲酶活性相關(guān)性均未達顯著水平，但亦表現(xiàn)出有機質(zhì)組分的活性越高，相關(guān)系數(shù)越大的趨勢(表 5)。

表4 土壤有機質(zhì)與土壤養(yǎng)分的相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficients between soil organic carbon and soil nutrient contents

表5 土壤有機質(zhì)與土壤酶活性的相關(guān)系數(shù)Table 5 Correlation coefficients between soil organic carbon and enzyme activities

3 討論

氮磷與有機肥配施因向土壤中直接輸入了外源有機質(zhì)，提高了土壤有機質(zhì)含量；同時還為微生物活動提供了碳源，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)[16]，從而提高活性有機質(zhì)含量，這與多數(shù)研究結(jié)果相似。

碳素是生命過程的核心元素之一，碳和氮、磷元素循環(huán)過程相互耦合[17]?；谏鷳B(tài)化學(xué)計量學(xué)理論，碳元素的生物地球化學(xué)循環(huán)取決于其和氮、磷等養(yǎng)分元素間的平衡關(guān)系[18]。本研究結(jié)果表明，施用氮、磷肥對土壤有機質(zhì)含量的影響不顯著，卻明顯提高了高活性有機質(zhì)含量和碳庫管理指數(shù)?？赡苁且驗槭┯玫?、磷能夠促進作物根系的生長，增加地下部分生物量，即增加外源有機質(zhì)的輸入，同時還降低土壤碳氮比值，加速土壤有機質(zhì)的分解礦化，致使有機質(zhì)無明顯積累。與張貴龍等、胡誠等和曾駿等的研究結(jié)果相似[19–21]。潘根興等[22]的研究表明，單施化肥處理土壤碳的礦化損失大大高于配施有機肥處理。Tian 等[23]在觀測中國土壤的 C∶N∶P 時發(fā)現(xiàn)，中國土壤中 C∶N∶P 平均比值分別為 60∶5∶1。土壤 TOC 的 C∶N 與 TOC 的分解速率呈反比[24]。筆者前期研究表明，NP 處理中土壤 C∶N 為 11.4，較CK 處理 12.4 降低，同時轉(zhuǎn)化酶活性明顯提高[10]，與本結(jié)果相吻合。徐明崗等[15]的研究表明，紅壤耕作施肥 10 年后，單施無機肥和有機無機肥中土壤高活性有機碳含量均高于 CK。吳小丹等[25]的研究亦表明，施肥種植 15 年內(nèi)，土壤活性有機質(zhì)含量組分均呈現(xiàn)出不同程度的增長趨勢，其中高活性有機質(zhì)的增長幅度大于中活性有機質(zhì)大于活性有機質(zhì)等。

秸稈覆蓋還田顯著增加土壤總有機質(zhì)和不同活性組分有機質(zhì)含量，還顯著提高了不同活性有機質(zhì)的碳庫管理指數(shù)，這與蔡太義等、路文濤等、陳鮮妮等的研究結(jié)果一致[11–12,26–27]。說明秸稈還田不僅能顯著提高土壤有機質(zhì)儲量，也能明顯改善土壤有機質(zhì)的活性和質(zhì)量。研究結(jié)果還表明，不同施肥措施條件下，秸稈覆蓋對強化土壤有機質(zhì)積累與轉(zhuǎn)化的能力明顯差異，使土壤有機質(zhì)含量和碳庫管理指數(shù)表現(xiàn)為 NPM + FG 處理顯著大于 NP + FG 處理，但與未覆蓋還田相比，NMP 處理基礎(chǔ)上覆蓋還田的作用小于 NP 處理基礎(chǔ)上覆蓋還田的作用。其原因可能是由于不同施肥條件下，土壤和秸稈的 C∶N∶P 不同，從而影響了秸稈在土壤中的礦化分解及原有有機質(zhì)的礦化。陳興麗等[28]的研究表明，施用化肥或化肥與有機肥配施明顯增加了玉米秸稈的氮素含量，降低了其 C/N，使碳的礦化率顯著高于相應(yīng)不施肥處理。Wu 等[29]的研究表明，稻稈還田加氮、磷肥處理比單施氮、磷肥處理總有機碳含量顯著增加，而且對保持和恢復(fù)貧瘠土壤有機質(zhì)含量也更有效。

相關(guān)分析表明，活性有機質(zhì)與總有機質(zhì)、碳庫管理指數(shù)之間呈極顯著相關(guān)關(guān)系；總有機質(zhì)、不同活性有機質(zhì)與土壤轉(zhuǎn)化酶活性呈顯著或極顯著相關(guān)，不同活性有機質(zhì)與土壤磷酸酶顯著相關(guān)，而總有機質(zhì)與磷酸酶相關(guān)性不顯著；不同活性有機質(zhì)及其碳庫管理指數(shù)與蔗糖酶、磷酸酶活性的相關(guān)系數(shù)均表現(xiàn)為高活性有機質(zhì) ＞ 中活性有機質(zhì) ＞ 活性有機質(zhì) ＞ 總有機質(zhì)，說明活性有機質(zhì)與總有機質(zhì)相比，更能反映土壤酶活性的變化，且有機質(zhì)的活性越高，對指示酶活性和土壤質(zhì)量的變化越敏感，這與徐明崗等和路文濤等的結(jié)論相同[15,26]。

4 結(jié)論

1) 長期施肥影響土壤不同活性組分有機質(zhì)含量及碳庫管理指數(shù)。氮磷肥長期配施提高了土壤高活性有機質(zhì)含量及高活性碳庫管理指數(shù)，氮磷與有機肥配施對提高土壤高、中、低不同活性組分有機質(zhì)含量及各組分碳庫管理指數(shù)均有顯著作用。

2) 秸稈覆蓋顯著提高了土壤不同活性組分有機質(zhì)含量及各組分碳庫管理指數(shù)。28 年后，氮磷肥配合秸稈覆蓋使土壤高、中、低活性碳庫管理指數(shù)較氮磷肥分別提高了 75.01、191.43 和 122.90，效果顯著大于氮磷有機肥配施基礎(chǔ)上秸稈覆蓋的作用。

3) 活性有機質(zhì)與總有機質(zhì)相比，更能反映土壤酶活性的變化。有機質(zhì)的活性越高，對指示酶活性和土壤質(zhì)量的變化越敏感。

[1]何翠翠, 王立剛, 王迎春, 等. 長期施肥下黑土活性有機質(zhì)和碳庫管理指數(shù)研究[J]. 土壤學(xué)報, 2015, 52(1): 194–202. He C C, Wang L G, Wang Y C, et al. Effect of long-term fertilization on labile organic matter and carbon pool management index of black soil[J]. Acta Pedologica Sinica, 2015, 52(1): 194–202.

[2]Logninow W, Wisniewski W, Strony W M, et al. Fractionation of organic carbon based on susceptibility to oxidation[J]. Polish Journal of Soil Science, 1987, 20: 47–52.

[3]Lefroy R D B, Blair G, Strong W M. Changes in soil organic matter with cropping as measured by organic carbon fractions and 13C natural isotope abundance[J]. Plant and Soil, 1993, 155–156: 399–402.

[4]徐明崗, 于榮, 孫小鳳, 等. 長期施肥對我國典型土壤活性有機質(zhì)及碳庫管理指數(shù)的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2006, 12(4): 459–465. Xu M G, Yu R, Sun X F, et al. Effects of long-term fertilization on labile organic matter and carbon management index (CMI)of the typical soils of China[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2006, 12(4): 459–465.

[5]沈宏, 曹志洪, 徐志紅. 施肥對土壤不同碳形態(tài)及碳庫管理指數(shù)的影響[J]. 土壤學(xué)報, 2000, 37(2): 166–173. Shen H, Cao Z H, Xu Z H. Effects of fertilization on different carbon fractions and carbon pool management index in soils[J]. Acta Pedologica Sinica, 2000, 37(2): 166–173.

[6]羅友進, 王子芳, 高明, 等. 不同耕作制度對紫色水稻土活性有機質(zhì)及碳庫管理指數(shù)的影響[J]. 水土保持學(xué)報, 2007, 21(5): 55–58. Luo Y J, Wang Z F, Gao M, et al. Effects of different tillage systems on soil labile organic matter and carbon management index of purple paddy soil[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2007, 21(5): 55–58.

[7]邱莉萍, 張興昌, 程積民. 土地利用方式對土壤有機質(zhì)及其碳庫管理指數(shù)的影響[J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2009, 29(1): 84–89. Qiu L P, Zhang X C, Cheng J M. Effects of land-use type on soil organic matter and carbon management index[J]. China Environmental Science, 2009, 29(1): 84–89.

[8]鄧祥征, 韓健智, 王小彬, 等. 免耕與秸稈還田對中國農(nóng)田土壤有機碳貯量變化的影響[J]. 中國土壤與肥料, 2010, (6): 22–28. Deng X Z, Han J Z, Wang X B, et al. Effect of no-tillage and crop residue return on soil organic carbon dynamics of cropland inChina[J]. Soil and Fertilizer Sciences in China, 2010, (6): 22–28.

[9]田慎重, 寧堂原, 王瑜, 等. 不同耕作方式和秸稈還田對麥田土壤有機碳含量的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2010, 21(2): 373–378. Tian S Z, Ning T Y, Wang Y, et al. Effects of different tillage methods and straw-returning on soil organic carbon content in a winter wheat field[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2010, 21(2): 373–378.

[10]王改玲, 李立科, 郝明德, 等. 長期施肥及不同施肥條件下秸稈覆蓋、灌水對土壤酶活性和養(yǎng)分含量的影響[J]. 核農(nóng)學(xué)報, 2012, 26(1): 129–134. Wang G L, Li L K, Hao M D, et al. Effect of long-term fertilization, stubble mulch and irrigation under different fertilization on soil enzyme activities and contents of soil nutrients[J]. Journal of Nuclear Agricultural Science, 2012, 26(1): 129–134.

[11]蔡太義, 黃會娟, 黃耀威, 等. 不同量秸稈覆蓋還田對土壤活性有機碳及碳庫管理指數(shù)的影響[J]. 自然資源學(xué)報, 2012, 27(6): 964–974. Cai T Y, Huang H J, Huang Y W, et al. Effects of different rates of straw mulching and returning to field on soil labile organic carbon and carbon pool management index[J]. Journal of Natural Resources, 2012, 27(6): 964–974.

[12]蔡太義, 黃耀威, 黃會娟, 等. 不同年限免耕秸稈覆蓋對土壤活性有機碳和碳庫管理指數(shù)的影響[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 2011, 30(9): 1962–1968. Cai T Y, Huang Y W, Huang H J, et al. Soil labile organic carbon and carbon pool management index as affected by different years notilling with straw mulching[J]. Chinese Journal of Ecology, 2011, 30(9): 1962–1968.

[13]鮑士旦. 土壤農(nóng)化分析(第3版)[M]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)出版社, 2005. Bao S D. Soil agricultural chemistry analysis(3rd edition)[M]. Beijing: Chinese Agriculture Press, 2005.

[14]關(guān)松蔭. 土壤酶及其研究法[M]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)出版社, 1986. Guan S Y. Soil enzyme and its research method[M]. Beijing: Chinese Agriculture Press, 1986.

[15]徐明崗, 于榮, 王伯仁. 長期不同施肥下紅壤活性有機質(zhì)與碳庫管理指數(shù)變化[J]. 土壤學(xué)報, 2006, 43(5): 723–729. Xu M G, Yu R, Wang B R, et al. Labile organic matter and carbon management index in red soil under long-term fertilization[J]. Acta Pedologica Sinica, 2006, 43(5): 723–729.

[16]韓志卿, 張電學(xué), 王介元, 等. 長期施肥對土壤有機質(zhì)氧化穩(wěn)定性動態(tài)變化及其與肥力關(guān)系的影響[J]. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2000, 23(3): 31–35. Han Z Q, Zhang D X, Wang J Y, et al. The effect of long-term fertilization on the relationship between dynamic changes of oxidation stability of soil organic matter and soil fertility[J]. Journal of Agricultural University of Hebei, 2000, 23(3): 31–35.

[17]Lal R. Soil carbon sequestration impacts on global climate change and food security[J]. Science, 2004, 304(5677): 1623–1627.

[18]Sinsabaugh R L, Manzoni S, Moorhead D L, et al. Carbon use efficiency of microbial communities: Stoichiometry, methodology and modelling[J]. Ecology Letters, 2013, 16(2): 930–939.

[19]張貴龍, 趙建寧, 宋曉龍, 等. 施肥對土壤有機碳含量及碳庫管理指數(shù)的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2012, 18(2): 359–365. Zhang G L, Zhao J N, Song X L, et al. Effects of fertilization on soil organic carbon and carbon pool management index[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2012, 18(2): 359–365.

[20]胡誠, 喬艷, 李雙來, 等. 長期不同施肥方式下土壤有機碳的垂直分布及碳儲量[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2010, 18(4): 689–692. Hu C, Qiao Y, Li S L, et al. Vertical distribution and storage of soil organic carbon under long-term fertilization[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2010, 18 (4): 689–692.

[21]曾駿, 郭天文, 于顯楓, 等. 長期施肥對土壤活性有機碳和碳庫管理指數(shù)的影響[J]. 土壤通報, 2011, 42(4): 812–815. Zeng J, Guo T W, Yu X F, et al. Effect of fertilization on soil active C and C pool management index[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2011, 42(4): 812–815.

[22]潘根興, 周萍, 張旭輝, 等. 不同施肥對水稻土作物碳同化與土壤碳固定的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報, 2006, 25(11): 3704–3710. Pan G X, Zhou P, Zhang X H, et al. Effect of different fertilization practices on crop carbon assimilation and soil carbon sequestration[J]. Acta Ecologica Sinica, 2006, 25(11): 3704–3710.

[23]Tian H Q, Chen G S, Zhang C, et al. Pattern and variation of C∶N∶P ratios in China's soils: A synthesis of observational data[J]. Biogeochemistry, 2010, 98(1–3): 139–151.

[24]Chapin III F S, Matson P A, Mooney H A. Principles of terrestrial ecosystem ecology[M]. New York: Springer, 2011.

[25]吳小丹, 蔡立湘, 魯艷紅, 等. 長期不同施肥制度對紅壤性水稻土活性有機質(zhì)及碳庫管理指數(shù)的影響[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報, 2008, 24(12): 283–288. Wu X D, Cai L X, Lu Y H, et al. Effects of long-term fertilization systems on soil labile organic matter and carbon management index of reddish paddy soil[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2008, 24(12): 283–288.

[26]路文濤, 賈志寬, 張鵬, 等. 秸稈還田對寧南旱作農(nóng)田土壤活性有機碳及酶活性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2011, 30(3): 522–528. Lu W T, Jia Z K, Zhang P, et al. Effects of straw returning on soil labile organic carbon and enzyme activity in semi-arid areas of Southern Ningxia, China[J]. Journal of Agro-environment Science, 2011, 30(3): 522–528.

[27]陳鮮妮, 岳西杰, 葛璽祖, 等. 長期秸稈還田對塿土耕層土壤有機碳庫的影響[J]. 自然資源學(xué)報, 2012, 27(1): 25–32. Chen X N, Yue X J, Ge X Z, et al. Effect of long-term residue return on soil organic carbon storage[J]. Journal of Natural Resources, 2012, 27(1): 25–32.

[28]陳興麗, 周建斌, 劉建亮, 等. 不同施肥處理對玉米秸稈碳氮比及其礦化特性的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2009, 20(2): 314–319. Chen X L, Zhou J B, Liu J L, et al. Effects of fertilization on carbon/nitrogen ratio of maize straw and its mineralization in soil[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2009, 20(2): 314–319.

[29]Wu T Y, Schoenau J J, Li F M. Influence of cultivation and fertilization on total organic carbon and carbon fractions in soils from the Loess Plateau of China[J]. Soil and Tillage Research, 2004, 77: 59–68.

Effect of long-term fertilization and straw mulch on the contents of labile organic matter and carbon management index

WANG Gai-ling1, LI Li-ke2, HAO Ming-de2,3*
( 1 Institute of Resource and Environment, Shanxi Agricultural University, Taigu, Shanxi 030801, China; 2 College of Resource and Environment, Northwest A&F University, Yangling, Shannxi 712100, China; 3 Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A&F University, Yangling, Shannxi 712100, China )

【Objectives】Effects of fertilization and straw mulch on the contents of soil labile organic matter and carbon management index were investigated to evaluate the sustainable straw mulch methods for Weibei rain-fed Highland of China.【Methods】A 28-year-long field experiment, located in Heyang County, Shaanxi Province since 1981, was used for the study. Five treatments were included in this experiment, neither fertilization nor straw mulch (CK), nitrogen and phosphate co-application (NP), nitrogen, phosphate and manure co-application (NPM), nitrogen and phosphate and straw mulch together (NP + FG), and nitrogen, phosphate and manure coapplication and straw mulch (NPM + FG). The contents of total organic matter, labile organic matter and soil nutrients and soil enzyme activities were measured. The contents of soil labile organic matter and carbonmanagement index were studied. Further, their correlations with soil enzyme activities, soil nutrient contents were revealed. The contents of soil labile organic matter were measured using the KMnO4oxidation method.【Results】1) Compared with CK, the NP increased the content of high labile organic matter by 48.7%, and had no significant influence on other fractions of labile organic matter. The NPM increased the content of total organic matter by 120.0%, and increased the high-labile, middle-labile and low-labile organic matter by 137.4%, 136.3% and 93.4%, respectively. 2) Taken the CK as reference soil, the high labile carbon management index (HCMI), mid-labile carbon management index (MCMI) and carbon management index (CMI) in the treatment NP were increased by 54.66, 17.93 and 2.65, in the treatment NPM were increased by 139.28, 140.92 and 83.59; taken NP as reference soil, those in the treatment NP+FG were by 75.01, 191.43 and 122.90, and compared to NPM, those in the NPM+FG were by 58.93, 121.35 and 93.43. 3) All the three fractions of labile organic matter were very significantly correlated with total organic matter, HLOM and HCMI were very significantly correlated with the invertase activity, MCMI and CMI were significantly correlated with the invertase activity. Compared with total organic matter, labile organic matter could reflect the change of soil enzyme activities and soil quality more sensitively. 【Conclusions】HCMI was affected by the NP application obviously, and HCMI, MCMI and CMI were affected by the NPM obviously. The effects of straw mulch on CMI were evident, being more evident under the condition of NP fertilization than under the condition of NPM fertilization. Straw mulch under the condition of NP fertilization could increase soil carbon management index and improve soil fertility better in Weibei rain-fed tableland of China.

fertilization; straw mulch; labile organic matter; carbon management index; long-term experiment

2016–03–09接受日期：2016–09–21

國家科技支撐計劃項目（2015BAD22B0104）；西北農(nóng)林科技大學(xué)科技成果推廣項目（TGZX2015-24）；山西省科技攻關(guān)項目（20140311008-5）資助。

王改玲（1971—），女，山西太原人，博士，教授，主要從事土壤肥力與環(huán)境效應(yīng)研究。 E-mail：gailingwang@qq.com

* 通信作者 E-mail：mdhao@ms.iswc.ac.cn