史康婕, 周懷平, 楊振興, 解文艷, 程 曼

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長期施肥下褐土易氧化有機碳及有機碳庫的變化特征*

史康婕1, 周懷平2**, 楊振興2, 解文艷2, 程 曼2

(1. 山西大學(xué)生物工程學(xué)院 太原 030006; 2. 山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所 太原 030031)

本研究探討了24年長期施肥對褐土土壤有機碳(TOC)、有機碳儲量(TOCs)、凈固碳效率(NCSE)和碳庫管理指數(shù)(CPMI)的影響, 為評價褐土土壤碳庫變化與質(zhì)量及科學(xué)施肥提供理論依據(jù)。研究以褐土肥力與肥料長期定位試驗為平臺, 通過9個處理[A組: 不施肥處理(N0P0、CK); B組: 單施無機肥處理(N1P1、N2P2、N3P3和N4P4); C組: 有機肥與無機肥配施處理(N2P1M1、N3P2M3和N4P2M2); D組: 單施高量有機肥處理(M6)]測定土壤TOC與易氧化有機碳(ROOC)含量, 并計算TOCs、NCSE及CPMI等相關(guān)指標(biāo)。結(jié)果表明, 在不同土層不同時期施用較高量有機肥配施無機肥及施用高量有機肥(N3P2M3、N4P2M2和M6)均可提高TOC和ROOC含量, 且隨土層深度加深提升作用減弱。TOCs、NCSE與0~20 cm土層TOC含量在時間和空間上的變化規(guī)律基本一致。施用高量有機肥(C組、D組)可有效提高TOCs, A組、B組的TOCs均值分別比C組、D組低76.77%與17.36%。長期施肥處理可提高NCSE, 尤其是施用有機肥處理可顯著提高NCSE。NCSE為D組>C組>A組= B組; D組NCSE為1 152.27 kg·hm-2·a-1, 是C組的2.51倍, B組的16.20倍。與試驗前相比, C組和D組的CPMI無顯著變化, 且C組與D組間差異不顯著, 但A組與B組比試驗前降低16.38~40.02。與A組(CK)相比, B組中N1P1處理與C、D組處理顯著影響CPMI, 提高了23.30~45.67。在0~40 cm土層CPMI與ROOC含量呈顯著正相關(guān), CPMI可以很好地指示有機碳的變化。可見, 施用高量有機肥或者較高量有機肥與無機肥配施可極顯著提高褐土土壤TOCs、NCSE和CPMI, 即施用高量有機肥或者較高量有機肥與無機肥配施(N3P2M3和N4P2M2)有利于褐土有機碳的固存, 可減少無機肥的施用量, 使土壤性質(zhì)向良性方向發(fā)展, 培肥土壤。

長期施肥; 有機肥; 有機碳儲量; 碳庫管理指數(shù); 凈固碳效率; 土壤有機碳; 易氧化有機碳

土壤有機碳是土壤的重要組成部分[1], 不僅有助于緩解溫室效應(yīng), 還能增加土壤持水量和養(yǎng)分的有效性, 故有機碳的固存尤為重要。有機碳儲量(total organic carbon storage, TOCs)與凈固碳效率(net carbon sequestration efficiency, NCSE)是土壤固碳潛力的關(guān)鍵指標(biāo), 能較好地反映土壤有機碳對施肥措施的響應(yīng); 且土壤有機碳儲量可以指示不同碳組分周轉(zhuǎn)平衡后的結(jié)果, TOCs和NCSE被用來評價土壤質(zhì)量和土壤管理措施[2]。但是, 土壤有機碳含量是容量指標(biāo), 不足以全面反映土壤質(zhì)量的內(nèi)在變化[3]。因此, 能被333 mmol?L-1KMnO4氧化[4]的易氧化有機碳(readily oxidizable organic carbon, ROOC)便被引進(jìn)作為土壤有機質(zhì)的活性指標(biāo)[5]。ROOC周轉(zhuǎn)時間較短, 與土壤養(yǎng)分的供應(yīng)和作物生長密切相關(guān), 是植物營養(yǎng)素的主要來源[6], 可以用來指示土壤有機質(zhì)的早期變化[7]。僅憑借ROOC含量這一指標(biāo)仍不足以全面反映土壤有機碳庫的更新變化狀況; 土壤碳庫管理指數(shù)(carbon pool management index, CPMI)結(jié)合了人為影響下土壤碳庫指標(biāo)和土壤碳庫活度兩個方面的內(nèi)容, 反映了外界條件對土壤有機質(zhì)數(shù)量變化的影響及土壤活性有機質(zhì)數(shù)量的變化, 能夠較全面和動態(tài)地反映外界條件對土壤有機質(zhì)性質(zhì)的影響[8]。

長期施肥是培肥土壤的主要手段, 在一定條件下, 對農(nóng)田土壤養(yǎng)分的涵養(yǎng)起著主要作用。儀明媛[9]分析了長期施肥下吉林公主嶺黑土土壤有機碳庫含量的變化特征, 認(rèn)為長期施用氮、氮磷和氮磷鉀化肥對土壤有機碳庫無顯著影響。王飛等[10]基于32年的長期定位試驗, 研究了南方丘陵黃泥田不施肥、單施化肥、化肥+牛糞、化肥+全部稻草還田處理下, 歷年水稻產(chǎn)量、代表性年份耕層土壤有機碳含量及固碳速率的變化, 認(rèn)為化肥配施有機肥或配合秸稈還田較單施化肥明顯提高了土壤的固碳速率。何翠翠[11]分析了長期不同施肥措施以及不同輪作制度對黑土活性有機質(zhì)及其有機碳組分的影響, 認(rèn)為有機肥與化肥配施可以顯著提高土壤有機質(zhì), 以撂荒處理為參考土樣, 有機肥和氮磷鉀肥配施處理的碳庫管理指數(shù)均大于100。佟小剛[12]測得紅壤、中層黑土、厚層黑土、灰漠土、黑壚土及潮土6種農(nóng)田土壤的有機碳庫和氧化活性有機碳庫, 分析了長期施肥下土壤有機碳庫在含量、分布、時間序列及區(qū)域上的變化特征, 結(jié)論認(rèn)為不同施肥處理總體上增加了活性有機碳所占的比例, 且以配施有機肥提升幅度最大, 增幅達(dá)44.0%~63.4%。由此可見, 國內(nèi)對長期施肥措施下有機碳庫動態(tài)變化的研究僅局限于TOC與ROOC含量的變化特征, 并未將CPMI、NCSE和TOCs一起進(jìn)行相關(guān)性分析[13-14]。國內(nèi)研究對多種土壤[11,15-16]在長期施肥措施下土壤有機碳庫變化特征有較深入研究, 但缺乏對褐土土壤有機碳庫的系統(tǒng)研究, 且在不同地形、自然環(huán)境以及人為管理等因素下, 長期施肥對土壤有機碳及其易氧化有機碳轉(zhuǎn)化的影響存在差異, 如長期試驗中潮土、紅壤、塿土總有機碳含量均增加, 但易氧化有機碳含量變化卻沒有得到一致結(jié)論[14-16]。

針對上述問題, 本研究選擇在半干旱、半濕潤區(qū)的褐土上進(jìn)行24年的長期定位施肥試驗, 代表了我國34°~40°N, 103°~122°E之間主要土壤類型、耕作制度和氣候差異明顯的典型農(nóng)田土壤, 揭示化肥有機肥長期配合施用下褐土農(nóng)田土壤有機碳庫的變化特征, 探討了褐土TOCs與NCSE、CPMI的關(guān)系, 以闡明長期施肥對有機碳變化的影響和改善農(nóng)田土壤質(zhì)量的原因, 提出最能反映土壤肥力和生產(chǎn)力的有機碳庫指標(biāo), 為褐土培肥、糧食增產(chǎn)和減少溫室氣體排放等提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

長期定位施肥試驗設(shè)在山西省壽陽縣宗艾村國家旱作農(nóng)業(yè)科技攻關(guān)試驗區(qū)的北坪旱塬上。試驗區(qū)海拔1 130 m, 多年平均氣溫7.6 ℃, ≥10 ℃年積溫3 400 ℃, 年無霜期135~140 d, 年均降雨量501.1 mm (年際間變率大), 干燥度1.3, 屬半濕潤偏旱區(qū)。試驗土壤為褐土(褐土性土), 質(zhì)地輕壤, 土層深厚, 地勢平坦, 地下水埋深50 m以上。1992年播前耕層土壤(0~20 cm)基本性質(zhì)為: pH 8.3, 有機質(zhì)23.80 g?kg-1,全氮1.05 g?kg-1, 全磷0.79 g?kg-1, 堿解氮106.4 mg?kg-1, 有效磷4.84 mg?kg-1, 速效鉀100 mg?kg-1。每年秋季結(jié)合耕翻將肥料一次性施入。供試氮肥為尿素, 含N 46%; 磷肥為過磷酸鈣, 含P2O512%~14%; 有機肥為腐熟濕牛糞(含水量為49.70%~50.00%), 風(fēng)干后腐熟牛糞有機質(zhì)含量90.5~127.3 g?kg-1, 全氮(N)含量3.93~4.97 g?kg-1, 全磷(P2O5)含量1.37~1.46 g?kg-1, 全鉀(K2O)含量14.1~34.3 g?kg-1。種植制度為一年1季玉米, 品種1992—1995年為‘煙單14號’, 1996— 2002年為‘晉單34號’, 2003—2009年為‘強盛31號’, 2010—2015年為‘晉單81號’, 密度均為4.5~7.0萬株?hm-2。播種時間為4月15—28日, 收獲時間為9月20日至10月10日。田間管理按大田豐產(chǎn)要求進(jìn)行。本文中所選取試驗區(qū)均未涉及秸稈還田處理, 秸稈在秋收后移出試驗區(qū)。

1.2 試驗設(shè)計

氮、磷有機肥配合施用長期定位試驗從1992年春開始, 到2015年已歷時24年。試驗采用氮、磷、有機肥3因素4水平正交設(shè)計, 另設(shè)對照和高量有機肥區(qū), 共18個處理, 小區(qū)面積66.7 m2, 隨機排列, 無重復(fù)。氮肥、磷肥與有機肥以不同水平施用。本研究選用其中的9個處理, 即: 不施肥對照A組(CK, N0P0), 不同氮、磷化肥配施處理B組(N1P1、N2P2、N3P3、N4P4), 氮、磷化肥與有機肥配施處理C組(N2P1M1、N3P2M3、N4P2M2)以及單施高量有機肥處理D組(M6), 以AB組進(jìn)行單施化肥的單因素分析, AD組進(jìn)行單施有機肥的分析, C組為田間管理中經(jīng)濟(jì)效益較高的、土壤理化性質(zhì)較好的處理。本試驗主要研究了不同施肥措施下田間土壤的綜合指標(biāo), 故加入C組進(jìn)行分析測試。各處理肥料的具體施用量見表1。

表1 長期定位施肥試驗各處理養(yǎng)分年投入量

1.3 測定項目與方法

1.3.1 測定項目

本研究測定了1992年基礎(chǔ)土樣及1996年、2001年、2006年、2012年和2015年土樣中土壤有機碳及易氧化有機碳含量。

1.3.2 測定方法

試驗點每年秋季作物收獲后, 用土鉆采集0~20 cm、20~40 cm和40~60 cm土層土壤樣品, 每個處理隨機取6~10個點, 混合制樣(因本試驗各處理無重復(fù), 故采樣時人為設(shè)置3個重復(fù)), 所采土樣風(fēng)干后一部分過0.25 mm篩測TOC, 一部分過0.149 mm篩測ROOC。

土壤TOC含量采用重鉻酸鉀-外加熱法測定; 土壤容重的測定采用環(huán)刀法; pH測定采用電位法[1]。ROOC含量采用333 mmol·L-1高錳酸鉀氧化法測定[7]。

1.3.3 有機碳儲量(TOCs)及凈固碳效率(NCSE)計算方法

TOCs儲量計算公式:

TOCs=∑(C×p×T)×10-1(1)

式中: TOCs為某一深度的土壤有機碳儲量(t·hm-2),C為第層土壤的TOC含量(g·kg-1),p為第層土壤容重(g·cm-3),T為第層土壤厚度(cm),為土層數(shù)。

凈固碳效率(NCSE)計算公式:

CSE=(TOCsm-TOCs0)×1 000/(2)

式中: CSE為第層的固碳效率, TOCsm為第層的有機碳儲量, TOCs0為第層的初始有機碳儲量,表示施肥處理經(jīng)歷的年限, 本試驗為24年。

凈固碳效率NCSE=CSE-CSE0(3)

式中: CSE為第層的凈固碳效率, CSE0為2015年第層CK處理的固碳效率,為不同處理。

1.3.4 碳庫管理指數(shù)計算方法

碳庫管理指數(shù)(CPMI)是指碳庫指數(shù)與活度指數(shù)的乘積的100倍, 其中, 碳庫指數(shù)(CPI,carbon pool index)為樣品中TOC含量與參考土樣TOC含量的比值(本試驗中分別選取1992年和2015年0~20 cm土層的土壤作為參考土樣進(jìn)行計算), 活度指數(shù)(AI,activity index)為樣本碳庫活度與參考土樣碳庫活度比值, 碳庫活度(A, activity)為ROOC與(TOC-ROOC)的比值。

CPMI=CPI×AI×100(4)

CPI=TOC(樣本)/TOC(參考土樣)(5)

AI=(樣本)/(參考土樣)(6)

=ROOC/(TOC-ROOC) (7)

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

采用Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與作圖, SPSS 17.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行方差分析與相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期不同施肥處理對土壤有機碳(TOC)含量及有機碳儲量(TOCs)的影響

2.1.1 對耕層TOC含量年際變化特征的影響

不同施肥處理對耕層(0~20 cm)TOC含量年際變化特征的影響主要表現(xiàn)為施用有機肥的提升作用, 與試驗前相比, 經(jīng)過24年處理后M6和N3P2M3、N4P2M2, TOC含量明顯高于初始狀態(tài), 為14.67~ 23.15 g?kg-1, 提高11.56%~67.63%, N2P1M1處理在2015年TOC含量比初始值降低了8.83%。N3P2M3、N4P2M2處理TOC含量整體上呈現(xiàn)逐年上升的趨勢, N2P1M1基本保持平穩(wěn)變化趨勢; 而對照組(N0P0)與單施無機肥區(qū)組TOC含量則逐年降低, 比試驗前降低23.82%~29.04%(圖1)。通過C組、D組、B組分別與A組的對比可知, C、D組TOC含量顯著高于A、B組。

從圖1可看出, C、D組, 除N2P1M1處理在2001年比A組低外, TOC含量都高于A組且有繼續(xù)提升的趨勢; A、B組中, 隨著施肥年限的增加, TOC含量逐漸與A組接近且有低于A組繼續(xù)下降的趨勢。

2.1.2 對TOC含量剖面變化特征的影響

經(jīng)過連續(xù)24年施肥處理后, 褐土耕層(0~20 cm) TOC含量產(chǎn)生了明顯差異(圖2)。不同處理TOC含量大小順序為D組>C組>A、B組。A、B組TOC含量為9.80~10.53 g·kg-1, 平均為10.14 g·kg-1, 各處理間差異不顯著。C組TOC含量為12.59~15.95 g·kg-1, 平均為14.40 g·kg-1, 較A、B組差異極顯著, TOC含量增加42.01%。D組TOC含量為23.15 g·kg-1, 較A、B組和C組差異均極其顯著, TOC含量分別增加128.30%和60.76%, 較A組增加135.74%。

土壤20~40 cm土層中C、D組對TOC含量影響顯著; A、B組中施用較高量無機肥會使該層TOC含量進(jìn)一步下降。40~60 cm土層中D組顯著增加TOC含量, 施用無機肥的區(qū)組(B組), 土層中TOC含量明顯減少, 且B組內(nèi)無顯著性差異。

2.1.3 對TOCs的影響

圖3中CK0為1992年基礎(chǔ)土樣的TOCs值。由圖3可知, 僅D組TOCs高于CK0, 其他處理均有所降低, 施用有機肥較多的處理TOCs降低較少。C、D組的TOCs極顯著高于A、B組, C、D組TOCs比A組與B組分別提高76.77%、17.36%; N1P1處理TOCs最低, M6處理TOCs最高, N4P4顯著高于B組其他處理。

不同小寫字母表示處理間差異達(dá)5%顯著水平, 不同大寫字母表示處理間差異達(dá)1%顯著水平。Different lowercase letters mean significant difference at 5% lever, and different capital letters denote significant differences at 1% lever among different treatments.

CK0為1992年基礎(chǔ)土樣的TOCs值。不同大寫字母表示在0~60 cm土層不同處理間差異達(dá)1%顯著水平。CK0is the TOCs value of the basic soil samples in 1992. Different capital letters denote significant differences at 1% level in 0-60 cm soil layer among different treatments.

2.2 長期不同施肥處理對土壤凈固碳效率(NCSE)的影響

表2反映了經(jīng)過24年不同施肥處理土壤不同土層NCSE的變化。0~20 cm、20~40 cm和0~40 cm土層, 凈固碳效率為D組>C組>A、B組。0~20 cm土層D組NCSE為1 152.27 kg·hm-2·a-1, 是C組的2.51倍, B組的16.20倍, 可見施用高量有機肥可顯著提高土壤凈固碳效率。B組與A組均未施用有機肥, 其NCSE差異不顯著。20~40 cm土層, B組表現(xiàn)為凈碳釋放, 除N4P2M2處理為凈碳釋放外C、D組為凈碳固定。綜合0~40 cm土層, B組平均表現(xiàn)為凈碳釋放, C、D組為凈碳固定, 且C組中N3P2M3固碳效率與D組的M6均較好, 可能是因為這兩個處理施用較高量的有機肥; B組中N1P1與N3P3處理固碳效率相對最差, 為凈碳釋放, 由此可見, 長期施用中低量無機肥, 會使土壤固碳能力降低。

2.3 長期不同施肥處理對土壤易氧化有機碳(ROOC)含量的影響

2.3.1 對耕層ROOC含量年際變化特征的影響

從圖4得出, 1992—2015年ROOC的含量變化為1.82~4.07 g·kg-1。與試驗前相比, C、D組ROOC含量呈先下降后緩慢上升的趨勢; B組ROOC含量呈下降趨勢且降低量較大, 有低于A組的趨勢。

表2 不同施肥處理下0~60 cm土層土壤凈固碳效率(NCSE)

不同小寫字母表示處理組間差異達(dá)5%顯著水平, 不同大寫字母表示處理間差異達(dá)1%顯著水平。Different lowercase letters mean significant differences at 5% level among different treatment groups, and different capital letters denote significant differences at 1% level among different treatments.

每一時期, C、D組ROOC含量除N4P2M2處理在1996年時低于CK外, 其他均高于CK, 且2015年M6處理與N3P2M3處理ROOC含量第1次超過試驗前且有一直上升的趨勢; B組在2001年除N3P3低于CK外, 其他處理ROOC含量也有所增加但均低于試驗前。較試驗前, 2015年, 各個處理(N0P0、N1P1、N2P2、N3P3、N4P4、N2P1M1、N3P2M3、N4P2M2、M6)的ROOC含量分別提高-31.34%、-20.16%、-20.16%、-33.51%、-36.78%、-11.17%、0.54%、-9.81%和10.90%, 有機肥施用量高ROOC含量相對高。由此得出, 施用有機肥促進(jìn)ROOC的轉(zhuǎn)化積累, 而ROOC的含量直接關(guān)系土壤微生物的活性, 對土壤礦物質(zhì)和質(zhì)地的影響巨大。

2.3.2 對ROOC含量剖面變化特征的影響

經(jīng)過24年的長期施肥, 不同處理對耕層(0~20 cm)ROOC含量的影響極顯著(圖5)。ROOC含量為M6、N3P2M3>N2P1M1、N4P2M2>N0P0、N1P1、N2P2、N3P3、N4P4,平均值分別為3.88 g·kg-1、3.29 g·kg-1和2.628 g·kg-1, 與對照處理(N0P0)相比分別增長53.97%、30.56%和4.29%?？梢? 施肥處理會極顯著影響耕層ROOC的轉(zhuǎn)化與固定。

在20~40 cm土層, ROOC對施肥處理的響應(yīng)為C、D組(施用有機肥區(qū)組)>A、B組(未施用有機肥區(qū)組), 平均值為3.17 g·kg-1和2.28 g·kg-1, 分別比CK(不施肥區(qū)組)增長39.76%和0.53%?？梢? 施用有機肥對該層ROOC含量有極顯著影響。

在40~60 cm土層, 各施肥處理間差異無明顯規(guī)律, 但可以看出農(nóng)民習(xí)慣施用無機肥處理(N2P2) ROOC含量最低, 為1.59 g·kg-1, M6處理含量最高, 為3.17 g·kg-1,兩者差異顯著, 且與N0P0相比, 增長-43.21%和13.21%。故長期施用一定量的化肥會降低40~60 cm土層ROOC含量, 施用高量有機肥會提高其含量。

不同小寫字母表示處理間差異達(dá)5%顯著水平, 不同大寫字母表示處理間差異達(dá)1%顯著水平。Different lowercase letters mean significant differences at 5% level, and different capital letters denote significant differences at 1% level among different treatments.

表3 不同施肥處理的碳庫指數(shù)、碳庫活度、活度指數(shù)和碳庫管理指數(shù)

不同小寫字母表示處理間差異達(dá)5%顯著水平, 不同大寫字母表示處理間差異達(dá)1%顯著水平。Different lowercase letters mean significant differences at 5% level, and different capital letters denote significant differences at 1% level among different treatments.

2.4 長期施肥對土壤碳庫管理指數(shù)(CPMI)的影響

以1992年0~20 cm的TOC含量和土壤碳庫活度基礎(chǔ)值為參考值, 并作為顯著性差異計算的基礎(chǔ)值, 計算2015年各處理0~20 cm土層的CPMI, 記為CPMI1; 以2015年0~20 cm CK處理的TOC含量和土壤碳庫活度基礎(chǔ)值為參考值, 計算2015年各處理0~20 cm土層的CPMI, 記為CPMI2, 結(jié)果見表3。A、B組與N2P1M1處理CPI顯著降低, 降低值為8.83%~29.03%, N3P2M3、M6處理CPI值顯著提高, 且隨有機肥的增高差異更加顯著, 為15.50%~67.63%, N4P2M2處理與試驗前無差異, 這與TOC含量變化相一致。與CK相比, 施用有機肥明顯提高了CPI值。

碳庫活度指數(shù)除N1P1、N2P2處理與試驗前無顯著差異外, 其他處理均顯著降低, 降低量為42.00%~ 0.03%。與CK相比, 施用低量無機肥顯著提高了碳庫活度而施用高量有機肥顯著降低了碳庫活度。施肥對碳庫活度指數(shù)影響與對碳庫活度一致。

以1992年為參考, 施用有機肥后C、D組CPMI1基本無顯著差異, 維持初始水平, 有機肥施用量越多, 越接近初始狀態(tài); A、B組CPMI1顯著降低, 降低值為16.38~40.02。以CK為參考, 施用低量無機肥的處理(N1P1)與施用有機肥的區(qū)組(C、D組)顯著影響CPMI2, 提高23.30~45.67。施用有機肥的區(qū)組(C、D組)中, CPMI2值的提高量與有機肥施用量有關(guān)。施用高量無機肥處理CPMI2值比CK降低11.56。

表4 不同土層土壤有機碳、易氧化有機碳及碳庫管理指數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)

0.05=0.459*,0.01=0.959**。*和**分別表示5%和1%水平顯著相關(guān)。* and ** mean significant correlation at 5% and 1% levels, respectively.

2.5 長期不同施肥處理土壤有機碳(TOC)、易氧化有機碳(ROOC)與碳庫管理指數(shù)(CPMI)的相關(guān)性分析

通過對不同土層TOC、ROOC和CPMI進(jìn)行相關(guān)性分析得出, 0~20 cm和20~40 cm土層, TOC含量僅與下一層TOC含量極顯著正相關(guān)、與該層的ROOC含量極顯著正相關(guān), 揭示了TOC隨土層加深而下移, ROOC在一定程度上可反映該層TOC的含量且TOC含量的增加可引起ROOC含量的增加。在20~40 cm、40~60 cm土層, TOC含量對下一層顯著相關(guān), 對ROOC含量無相關(guān)關(guān)系, ROOC含量與下一層ROOC含量無顯著影響, 揭示了ROOC也會向下移動。CPMI與0~20 cm ROOC呈極顯著正相關(guān), 與20~40 cm ROOC呈顯著正相關(guān), 揭示了ROOC對CPMI有極大影響而TOC對其影響較小。上述相關(guān)性分析進(jìn)一步揭示了ROOC是指示土壤碳庫的靈敏指標(biāo), 可反映短期內(nèi)土壤有機碳庫的變化特征。由此可知, CPMI指數(shù)可以良好地指示土壤質(zhì)量和有機碳的變化。

3 討論

3.1 長期不同施肥處理對土壤有機碳(TOC)含量、有機碳儲量(TOCs)及凈固碳效率(NCSE)的影響

施肥是一項重要的農(nóng)田管理措施, 對TOC的提升有重要作用。農(nóng)田TOC數(shù)量決定于農(nóng)田有機物料的輸入與降解的平衡[15,17]。土壤有機質(zhì)的輸入主要來自作物的分泌物、殘留在土壤中的根茬、枯枝落葉以及每年施入土壤中的有機肥料[18]。本試驗表明, 24年施肥處理, 與A、B組相比, C、D組顯著提高了TOC含量, 這與前人的研究結(jié)果一致[11,19-20]。施用有機肥可補給土壤TOC, 提高農(nóng)作物生物產(chǎn)量, 進(jìn)而增加殘茬和根向土壤的輸入, 增加了有機碳的歸還量, 極大程度地維持和提升了土壤有機質(zhì)含量, TOC含量將大幅度增加[21]。本試驗區(qū)土壤初始有機質(zhì)含量較高。張璐等[3]、梁堯等[22]針對長期單施化肥對黑土有機碳變化動態(tài)的研究表明, 在有機質(zhì)含量較高的土壤上, 長期施用化肥會導(dǎo)致土壤TOC含量的降低。這是由于施用化肥, 土壤中有機碳的來源主要是作物根茬等殘留物, 農(nóng)作物生長較旺盛, 土壤有機碳入不敷出、很難積累。

在剖面分布上TOC含量的變化原因在于有機肥的施用增加了土壤肥力, 有利于作物根系向下向遠(yuǎn)處生長, 產(chǎn)生更多的根系分泌物[22], 根系的膠結(jié)作用有助于土壤結(jié)構(gòu)的優(yōu)化, 微生物活性增加, 保肥保水能力提高, 所以施用有機肥的根際土壤中TOC含量較高。

TOCs、NCSE與TOC含量在時間和空間上的變化規(guī)律基本一致, 表明施用高量有機肥對于提高耕層有機碳儲量、固碳效果均最佳, 故農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)多施用有機肥, 減少化肥的施用量。綜合0~40 cm的NCSE, A、B和C組為碳凈釋放, D組為凈碳固定, 且C組的N3P2M3固碳效果好于除D組外的其他處理, 而N1P1的固碳效果最差; 前人的研究中有機無機肥配施的效果最佳, 與本研究的結(jié)論不一致, 可能因為本試驗中選取的有機無機肥配施處理中有機肥施用量偏低[23], 土壤活性提高但有機質(zhì)入不敷出, 有機質(zhì)難以積累。在后續(xù)試驗中應(yīng)添加高量有機肥配施無機肥的處理, 來加以探索研究單施高量有機肥、高量有機肥配施無機肥兩者的效果。

3.2 施肥對土壤易氧化有機碳的影響

本研究表明, 24年有機肥的施用促進(jìn)土壤ROOC的轉(zhuǎn)化積累, D組ROOC含量顯著增加, C組施用稍高量有機肥處理維持基礎(chǔ)值, 施用低量有機肥處理與C組ROOC均有所下降, 其中施用高量無機肥處理下降最多。張亞杰、王艷、楊金鈺等[24-26]均有相似結(jié)論。ROOC含量隨土層深度的增加而減少, 施用有機肥的處理能夠提高0~40 cm土層ROOC含量, 這一結(jié)論與前人的研究相一致[27-29]。以上結(jié)果都表明施用高量有機肥有顯著提升ROOC的作用。本試驗中中量有機無機肥配施處理雖然也有保持提升ROOC的作用, 但由于未設(shè)計高量有機肥配施無機肥方案, 尚不能確定是否高量有機肥配施無機肥更有利于ROOC的積累。由于種植作物為一年1季的玉米, 且耕作措施等對40~60 cm土層的擾動較少, 不同施肥處理對40~60 cm土層ROOC含量無顯著影響; 單施高量有機肥處理中土壤具有質(zhì)地疏松, 植物根系生長良好, 土壤透氣透水性高, 微生物活動旺盛等特點, 在連續(xù)施肥24年后使D組ROOC含量顯著高于其他處理及初始狀態(tài), 但仍需做后續(xù)試驗來探究驗證該猜想。

3.3 長期施肥對土壤碳庫管理指數(shù)(CPMI)的影響

無機肥對CPI的降低與有機肥對CPI的提高與對TOC含量的影響一致。由碳庫活度的計算式可知, 雖然施用有機肥顯著提高了ROOC含量, 即活性有機質(zhì)含量, 但非活性有機質(zhì)含量提高量遠(yuǎn)高于ROOC的提高量, 所以碳庫活度并未大幅提高; 僅在施用高量有機肥時CPI顯著高于初始值67%。施用有機肥提高TOC含量可能是因為有機肥本身含有高量有機碳, 隨施肥而帶入土壤, 在土壤微生物作用下轉(zhuǎn)化進(jìn)入土壤; 而土壤、AI并未提高, 主要受該基地自然環(huán)境因素(處于半濕潤偏旱區(qū))影響, 土壤微生物活動受到一定的限制, 土壤中有機質(zhì)的分解相對較慢。

隨著人為因素對農(nóng)田土壤與農(nóng)田微壞境的擾動, 農(nóng)田土壤的CPMI降低, 土壤性質(zhì)向不良方向發(fā)展, 但是通過施用有機肥使得土壤肥力的降低被減緩甚至有所提升。以CK作為參考時, 施用低量無機肥的處理也提高了CPMI, 是因為本試驗的土壤屬于堿性土壤, 施用低量無機肥后土壤pH降低至適合微生物活動的值; 施用有機肥顯著提高了CPMI, C、D組CPMI>1, 即這兩個區(qū)組不僅改善了土壤的基本理化性狀, 使土壤向良性方向發(fā)展, 而且有效提高了土壤對作物有效養(yǎng)分的供給能力, 增加作物產(chǎn)量。

3.4 土壤有機碳、易氧化有機碳和碳庫管理指數(shù)的相關(guān)關(guān)系

在0~40 cm土層中, ROOC含量隨土層深度增加而減少, 與TOC呈極顯著正相關(guān), 董揚紅等[30]對易氧化有機碳的研究中也得出相似結(jié)論。ROOC含量很大程度依賴于TOC的貯存量, 但也表征土壤碳平衡和土壤生物學(xué)肥力的理想指標(biāo), 對土壤中微生物的活動起決定性作用; 同時土壤的性質(zhì)間接影響其變化, 例如耕層土壤的淋失會導(dǎo)致ROOC的流失。

碳庫管理指數(shù)CPMI與0~20 cm、20~40 cm土層中ROOC含量顯著正相關(guān), 表明ROOC含量對CPMI影響極顯著, 該相關(guān)性分析進(jìn)一步揭示了ROOC是指示土壤碳庫的靈敏指標(biāo), 可反映短期內(nèi)土壤有機碳庫的變化特征, CPMI指數(shù)可以良好指示土壤質(zhì)量和有機碳的變化。

4 結(jié)論

24年長期施肥對褐土剖面有機碳、易氧化有機碳含量與碳庫管理指數(shù)產(chǎn)生了不同影響。24年后, 耕層土壤施用中高量有機肥可極顯著地提高土壤有機碳含量與易氧化有機碳含量, 不施有機肥處理其值顯著降低。剖面中, 兩者隨土層深度增加而減少, 但40~60 cm土層中, 易氧化有機碳含量受各種施肥的影響較小。施用有機肥能顯著提高碳庫管理指數(shù), 改善土壤的基本理化性狀。TOCs、NCSE與TOC含量在時間和空間上的變化規(guī)律基本上一致, 說明施用高量有機肥對于提高耕層有機碳儲量、固碳效果均最佳, 是提高土壤肥力的有效措施。

可見, 施用高量有機肥或者高量有機無機肥配施可極顯著提高土壤有機碳含量與易氧化有機碳含量和碳庫管理指數(shù), 施用高量有機肥有利于有機碳的固存, 減少化肥施用量, 使土壤性質(zhì)向良性方向發(fā)展, 培肥土壤。

[1] 鮑士旦. 土壤農(nóng)化分析[M]. 第3版. 北京: 中國農(nóng)業(yè)出版社, 2008 Bao S D. Soil and Agricultural Chemistry Analysis[M]. 3rd ed. Beijing: China Agriculture Press, 2008

[2] Venkaiesh M S, Hazra K K, Ghosh P K, et al. Long-term effect of pulses and nutrient management on soil carbon sequestration in Indo-Gangetic plains of India[J]. Canadian Journal of Soil Science, 2012, 93: 127–136

[3] 張璐, 張文菊, 徐明崗, 等. 長期施肥對中國3種典型農(nóng)田土壤活性有機碳庫變化的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2009, 42(5): 1646–1655 Zhang L, Zhang W J, Xu M G, et al. Effects of long-term fertilization on change of labile organic carbon in three typical upland soils of China[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2009, 42(5): 1646–1655

[4] Lefroy R D B, Blair G J, Strong W M. Changes in soil organic matter with cropping as measured by organic carbon fractions and13C natural isotope abundance[J]. Plant and Soil, 1993, 155(1): 399–402

[5] Biederbeck V O, Janzen H H, Campbell C A, et al. Labile soil organic matter as influenced by cropping practices in an arid environment[J]. Soil Biology and Biochemistry, 1994, 26(12): 1647–1656

[6] 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(3): 723–729 Xu M G, Yu R, Wang B R. Labile organic matter and carbon management index in red soil under long-term fertilization[J]. Acta Pedologica Sinica, 2006, 43(3): 723–729

[7] Blair G J, Lefroy R D B, Lisle L. Soil carbon fractions based on their degree of oxidation, and the development of a carbon management index for agricultural systems[J]. Crop and Pasture Science, 1995, 46(7): 1459–1466

[8] 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

[9] 儀明媛. 長期施肥下黑土碳庫變化及土壤有機碳礦化特征[D]. 南昌: 江西農(nóng)業(yè)大學(xué), 2011 Yi M Y. Change characteristics of organic carbon pools and carbon mineralization in black soil under long-term fertilization[D]. Nanchang: Jiangxi Agricultural University, 2011

[10] 王飛, 李清華, 林誠, 等. 不同施肥模式對南方黃泥田耕層有機碳固存及生產(chǎn)力的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2015, 21(6): 1447–1454 Wang F, Li Q H, Lin C, et al. Effect of different fertilization modes on topsoil organic carbon sequestration and productivity in yellow paddy field of southern China[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2015, 21(6): 1447–1454

[11] 何翠翠. 長期不同施肥措施對黑土土壤碳庫及其酶活性的影響研究[D]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院, 2014: 16–24 He C C. Effects of long-term fertilization on soil carbon pools and enzymes activity of black soil in cropland of Northeast China[D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2014: 16–24

[12] 佟小剛. 長期施肥下我國典型農(nóng)田土壤有機碳庫變化特征[D]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院, 2008: 33–56 Tong X G. Change characteristics of soil organic carbon pools in typical cropland of China under long-term fertilization[D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2008: 33–56

[13] 王朔林, 王改蘭, 趙旭, 等. 長期施肥對栗褐土有機碳含量及其組分的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2015, 21(1): 104–111 Wang S L, Wang G L, Zhao X, et al. Effect of long-term fertilization on organic carbon fractions and contents of Cinnamon soil[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2015, 21(1): 104–111

[14] 王玲莉, 婁翼來, 石元亮, 等. 長期施肥對土壤活性有機碳指標(biāo)的影響[J]. 土壤通報, 2008, 39(4): 752–755 Wang L L, Lou Y L, Shi Y L, et al. Long-term fertilization on indicators of soil active organic carbon[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2008, 39(4): 752–755

[15] 宇萬太, 趙鑫, 馬強, 等. 長期定位試驗下施肥對潮棕壤活性碳庫及碳庫管理指數(shù)的影響[J]. 土壤通報, 2008, 39(3): 539–544 Yu W T, Zhao X, Ma Q, et al. Effect of long-term fertilization on available carbon pool and carbon pool management index in an aquic brown soil[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2008, 39(3): 539–544

[16] 馬力, 楊林章, 肖和艾, 等. 施肥和秸稈還田對紅壤水稻土有機碳分布變異及其礦化特性的影響[J]. 土壤, 2011, 43(6): 883–890 Ma L, Yang L Z, Xiao H A, et al. Effects of fertilization and straw returning on distribution and mineralization of organic carbon in paddy soils in subtropical China[J]. Soils, 2011, 43(6): 883–890

[17] 梁堯, 韓曉增, 宋春, 等. 不同有機物料還田對東北黑土活性有機碳的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2011, 44(17): 3565–3574 Liang Y, Han X Z, Song C, et al. Impacts of returning organic materials on soil labile organic carbon fractions redistribution of mollisol in northeast China[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2011, 44(17): 3565–3574

[18] 梁堯. 有機培肥對黑土有機質(zhì)消長及其組分與結(jié)構(gòu)的影響[D]. 北京: 中國科學(xué)院, 2012 Liang Y. Effect of organic amendments application on dynamics, fractions and structural properties of soil organic matter in Black soil[D]. Beijing: Chinese Academy of Sciences, 2012

[19] 王琳, 李玲玲, 高立峰, 等. 長期保護(hù)性耕作對黃綿土總有機碳和易氧化有機碳動態(tài)的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2013, 21(9): 1057–1063 Wang L, Li L L, Gao L F, et al. Effect of long-term conservation tillage on total organic carbon and readily oxidizable organic carbon in loess soils[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2013, 21(9): 1057–1063

[20] 尹云鋒, 蔡祖聰. 不同施肥措施對潮土有機碳平衡及固碳潛力的影響[J]. 土壤, 2006, 38(6): 745–749 Yin Y F, Cai Z C. Effect of fertilization on equilibrium levels of organic carbon and capacities of soil stabilizing organic carbon for fluvo-aquic soil[J]. Soils, 2006, 38(6): 745–749

[21] 馬天娥, 魏艷春, 楊憲龍, 等. 長期施肥措施下土壤有機碳礦化特征研究[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2016, 24(1): 8–16 Ma T E, Wei Y C, Yang X L, et al. Mineralization characteristics of soil organic carbon under long-term fertilization management[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2016, 24(1): 8–16

[22] 梁堯, 苑亞茹, 韓曉增, 等. 化肥配施不同劑量有機肥對黑土團(tuán)聚體中有機碳與腐殖酸分布的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2016, 22(6): 1586–1594 Liang Y, Yuan Y R, Han X Z, et al. Distribution of organic carbon and humic acids in aggregates of Mollisol as affected by amendments with different rates of organic manure plus mineral fertilizer[J]. Acta Pedologica Sinic, 2016, 22(6): 1586–1594

[23] 蘭宇, Asshraf M I, 韓曉日, 等. 長期施肥對棕壤有機碳儲量及固碳速率的影響[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2016, 36(1): 264–270 Lan Y, Asshraf M I, Han X R, et al. Effect of long-term fertilization on total organic carbon storage and carbon sequestration rate in a brown soil[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2016, 36(1): 264–270

[24] 張亞杰, 錢慧慧, 劉坤平, 等. 施肥對玉米/大豆套作土壤活性有機碳組分及碳庫管理指數(shù)的影響[J]. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2016, 37(3): 29–36 Zhang Y J, Qian H H, Liu K P, et al. Effect of fertilization on soil active organic carbon and carbon pool management index under maize/soybean intercropping condition[J]. Journal of South China Agricultural University, 2016, 37(3): 29–36

[25] 王艷, 楊麗娟, 周崇峻, 等. 長期施肥對設(shè)施蔬菜栽培土壤易氧化有機碳含量及其剖面分布的影響[J]. 水土保持通報, 2010, 30(4): 32–35 Wang Y, Yang L J, Zhou C J, et al. Effects of long-term fertilization on the EOC content in vegetable soil in greenhouse[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2010, 30(4): 32–35

[26] 楊金鈺, 劉驊, 王西和, 等. 長期施肥下灰漠土易氧化有機碳的變化特征研究[J]. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2014, (3): 240–245 Yang J Y, Liu H, Wang X H, et al. A study on changes of readily oxidation carbon in grey desert soil under a long-term fertilization regime[J]. Journal of Xinjiang Agricultural University, 2014, (3): 240–245

[27] 徐俠, 王豐, 欒以玲, 等. 武夷山不同海拔植被土壤易氧化碳[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 2008, 27(7): 1115–1121 Xu X, Wang F, Luan Y L, et al. Soil readily oxidizable carbon along an elevation gradient of Wuyi Mountains in southeastern China[J]. Chinese Journal of Ecology, 2008, 27(7): 1115–1121

[28] 姜培坤. 不同林分下土壤活性有機碳庫研究[J]. 林業(yè)科學(xué), 2005, 41(1): 10–13 Jiang P K. Soil active carbon pool under different types of vegetation[J]. Scientia Silvae Sinicae, 2005, 41(1): 10–13

[29] 賈松偉. 黃土丘陵區(qū)不同坡度下土壤有機碳流失規(guī)律研究[J].水土保持研究, 2009, 16(2): 30–33 Jia S W. Soil organic carbon loss under different slope gradients in loess hilly region[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2009, 16(2): 30–33

[30] 董揚紅, 曾全超, 安韶山, 等. 黃土高原不同林型植被對土壤活性有機碳及腐殖質(zhì)的影響[J]. 水土保持學(xué)報, 2015, 29(1): 143–148 Dong Y H, Zeng Q C, An S S, et al. Effects of different forest types on soil active organic carbon and soil humus composition in the loess plateau[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2015, 29(1): 143–148

Characteristics of readily oxidizable organic carbon and soil organic carbon pool under long-term fertilization in cinnamon soils*

SHI Kangjie1, ZHOU Huaiping2**, YANG Zhenxing2, XIE Wenyan2, CHENG Man2

(1. College of Biological Engineering, Shanxi University, Taiyuan 030006, China; 2. Institute of Agricultural Environment & Resources, Shanxi Academy of Agricultural Sciences, Taiyuan 030031, China)

The effects of 24 years of long-term fertilization on total organic carbon (TOC), total organic carbon storage (TOCs), net carbon sequestration efficiency (NCSE) and carbon pool management index (CPMI) of cinnamon soils were analyzed in order to provide theoretical basis for the evaluation of soil carbon pool change and quality, and to guide scientific application mode of fertilizers in cinnamon soils. Using data from long-term experiment on soil fertility and fertilizer use history, TOC and ROOC (readily oxidizable organic carbon) contents were analyzed and the relative indexes for TOCS, NCSE and CPMI were calculated for 9 different treatment conditions. The treatments included Group A [no fertilization treatment (N0P0, CK)], Group B [single application of inorganic fertilizer treatments (N1P1, N2P2, N3P3and N4P4)], Group C [mixed organic and inorganic fertilizers treatments (N2P1M1, N3P2M3and N4P2M2)] and Group D [single application of high amount of organic fertilizer treatment (M6)]. Results showed that the application of medium and high organic manure (N3P2M3and N4P2M2) increased the contents of TOC and ROOC in different soil layers and in different periods, but the promotion effect decreased with increasing soil depth. TOCS, NCSE and TOC had similar trends in both time and space. TOCS increased with increasing application of organic fertilizer (Group C, Group D), with 76.77% and 17.36% lower for average of Group A and Group B than that for Group C and Group D, respectively. Long-term fertilization improved net carbon fixation efficiency and the application of organic fertilizer significantly improved NCSE. NCSE decreased in the order of Group D > Group C > Group A > Group B. NCSE for Group D was 1 152.27 kg·hm-2·a-1, which was 2.51 times that of Group C, and 16.20 times that of Group B. Compared with CMPI before the experiment, there was no significant difference in CPMIs of Group C and Group D; while CPMIs of Group A and Group B decreased by 16.38-40.02. Also compared with control, the application of low-level inorganic fertilizer treatment (N1P1) and application of organic fertilizer of Group C and Group D significantly increased CPMI by 23.30-45.67. There was a significant positive correlation between CPMI and ROOC in the 0-40 cm soil layer, which implied that CPMI was a good indicator for organic carbon change. As noted, the application of high amount of organic manure or high amounts of organic and inorganic fertilizers (N3P2M3and N4P2M2) significantly improved soil TOCS, NCSE and CPMI. In other words, application of high amounts of organic fertilizer increased organic carbon sequestration, decreased the application of inorganic fertilizer and enhanced better soil development and soil fertility.

Long-term fertilization; Organic fertilizer; Total organic carbon storage; Carbon pool management index; Net carbon sequestration efficiency; Soil total organic carbon; Oxdizible organic carbon

10.13930/j.cnki.cjea.160688

S158

A

1671-3990(2017)04-0542-11

2016-08-07

2016-12-28

Aug. 7, 2016; accepted Dec. 28, 2016

* 農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201203030-08-03)和山西省科技攻關(guān)項目(20150311016-1)資助

* The study was supported by the Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest of China (201203030-08-03) and Shanxi Province Science and Technology Research Project (20150311016-1).

** Corresponding author, E-mail: huaipingzhou@126.com

**通訊作者:周懷平, 主要從事旱作農(nóng)田土壤資源持續(xù)利用研究。E-mail: huaipingzhou@126.com

史康婕, 主要研究旱作農(nóng)田土壤資源可持續(xù)利用。E-mail: ashikangjie@126.com

史康婕, 周懷平, 楊振興, 解文艷, 程曼. 長期施肥下褐土易氧化有機碳及有機碳庫的變化特征[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2017, 25(4): 542-552

Shi K J, Zhou H P, Yang Z X, Xie W Y, Cheng M. Characteristics of readily oxidizable organic carbon and soil organic carbon pool under long-term fertilization in cinnamon soils[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2017, 25(4): 542-552