張世漢, 武 均,2, 張仁陟,2,3, 蔡立群,2,3, 齊 鵬,2, 張 軍,2,3

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 蘭州 730070; 2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 甘肅省干旱生境作物學(xué)重點實驗室, 蘭州 730070; 3.甘肅省節(jié)水農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心, 蘭州 730070)

土壤有機(jī)碳是維持土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤質(zhì)量以及保證土壤養(yǎng)分循環(huán)平衡的重要指標(biāo)，其微小變化都會直接影響土壤肥力高低，進(jìn)而影響土地生產(chǎn)力[1]。土壤碳庫作為地球陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫，其動態(tài)平衡與大氣碳庫和全球氣候的變化密切相關(guān)[2-3]。由于長期不合理的農(nóng)作措施使農(nóng)田土壤碳庫受到嚴(yán)重干擾，破壞了農(nóng)田土壤有機(jī)碳組分的周轉(zhuǎn)，影響到農(nóng)田土壤碳庫的動態(tài)平衡[3]，而合理的農(nóng)作措施不僅可以增加土壤碳匯，改善土壤質(zhì)量，提高土壤生產(chǎn)力水平，還可減少農(nóng)田土壤溫室氣體的排放。因此，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤碳循環(huán)備受關(guān)注。農(nóng)田土壤有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)非常緩慢，單純的土壤有機(jī)碳含量測定并不能完全反映土壤質(zhì)量變化和養(yǎng)分狀況[4]。土壤顆粒有機(jī)碳是由未分解或半分解的動植物和根系殘體組成的，并與土壤砂粒組分結(jié)合的那部分有機(jī)碳，顆粒有機(jī)碳在土壤中周轉(zhuǎn)速度較快，易受土壤農(nóng)作措施的影響，對表層土壤中有機(jī)物含量變化非常敏感，并且在土壤碳循環(huán)中起著重要作用，因此，顆粒有機(jī)碳被當(dāng)作土壤有機(jī)碳庫變化的敏感指標(biāo)[5-6]。氮素作為作物需求量最大的礦質(zhì)元素，不僅能提升土壤肥力、增加作物產(chǎn)量[7-8]，還會影響微生物群落與豐度，進(jìn)而影響農(nóng)田土壤生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)[9]。

隴中黃土高原受地理位置、氣候環(huán)境的影響，土壤貧瘠，生產(chǎn)力低下[10]。施氮是該區(qū)提高作物產(chǎn)量的重要農(nóng)作措施，但長期不合理施氮會改變土壤理化性質(zhì)，使土壤肥力及土壤固碳能力下降[9,11]，甚至造成土壤中氮殘留量或損失量顯著增加，導(dǎo)致肥料浪費、土壤環(huán)境受污染[8]。由于顆粒態(tài)有機(jī)碳是土壤有機(jī)碳庫變化的敏感指標(biāo)，探究施氮對其影響，能準(zhǔn)確反映施氮對該區(qū)土壤肥力及土壤固碳能力的影響效應(yīng)。目前，土壤有機(jī)碳的研究主要集中在土地利用方式、耕作措施、施肥等農(nóng)作措施對其含量變化與周轉(zhuǎn)機(jī)制的影響[12-17]。施氮對農(nóng)田土壤有機(jī)碳的影響還沒有統(tǒng)一的定論，李小涵等[15]研究表明，旱地土壤0—30 cm 土層有機(jī)碳含量隨氮肥用量增加，呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢；張秀蘭等[16]研究發(fā)現(xiàn)，施氮對土壤有機(jī)碳含量無顯著影響；王楠等[17]研究表明，施氮水平對不同基礎(chǔ)肥力土壤有機(jī)碳含量的影響規(guī)律不一，低肥力土壤難氧化有機(jī)碳(DOC)抵御外源氮素干擾的能力較差，施氮能加速該組分的礦化，大幅降低土壤有機(jī)碳的氧化穩(wěn)定性，不利于肥力保蓄；適宜氮素用量更有利于高肥力土壤易氧化有機(jī)碳(ROC)的積累。此外，施氮對土壤有機(jī)碳的影響研究較多，但由于其周轉(zhuǎn)速率緩慢，不足以完全表征土壤質(zhì)量及養(yǎng)分狀況。因此，本研究依托甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)在定西市安定區(qū)李家堡鎮(zhèn)于2013年布設(shè)的施氮定位試驗，結(jié)合重液分組法，通過對該試區(qū)2017年土壤總有機(jī)碳、游離態(tài)顆粒有機(jī)碳、閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳、礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳含量的測定分析，以探明不同施氮水平對土壤總有機(jī)碳、游離態(tài)顆粒有機(jī)碳、閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳、礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳的影響，并為該區(qū)春小麥栽培尋求有利于改善土壤養(yǎng)分狀況、促進(jìn)土壤固碳能力的合理施氮量。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)區(qū)位于隴中黃土高原半干旱丘陵溝壑區(qū)的定西市李家堡鎮(zhèn)甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)旱農(nóng)綜合試驗站，屬中溫帶半干旱區(qū)，平均海拔2 000 m，無霜期140 d，年均日照時數(shù)2 476.6 h，年均太陽輻射594.7 kJ/cm2，年均氣溫6.4℃，≥0℃積溫2 933.5℃，≥10℃積溫2 239.1℃；年平均降水量390.9 mm，蒸發(fā)量1 531 mm，80%保證率的降水量為365 mm，變異系數(shù)為24.3%，是典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。試區(qū)農(nóng)田土壤為典型的黃綿土，質(zhì)地均勻，土質(zhì)綿軟，疏松多孔。

1.2 試驗設(shè)計

試驗始于2013年，種植模式為春小麥連作，供試作物為春小麥“定西40號”，共設(shè)4個氮素(尿素，N46%)梯度，N0(0 kg/hm2，無添加)，N52.5(52.5 kg/hm2，低量添加)，N105(105 kg/hm2，適量添加)，N157.5(157.5 kg/hm2，過量添加)，另外，各處理均施P2O5105 kg/hm2。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，3次重復(fù)，共計12個小區(qū)，小區(qū)面積為3 m×5 m=15 m2。于每年3月播種，8月收獲，播種量為187.5 kg/hm2，行距20 cm，各處理P2O5與氮素均于每年播種前根據(jù)各處理所需用量同磷肥一并均勻撒施于各小區(qū)后，迅速利用播種機(jī)播種[播深(7±2) cm]，待肥料與土壤混合，利用耙耱?qū)⒌伛蚱健?/p>

1.3 測定方法和數(shù)據(jù)處理

在2017年8月小麥?zhǔn)斋@后，各小區(qū)采用五點法分別采集0—5 cm，5—10 cm，10—20 cm土層土樣并混合均勻，帶回實驗室風(fēng)干。土壤總有機(jī)碳(STOC)、游離態(tài)顆粒有機(jī)碳(FPOC)、閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳(OPOC)、礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳(MOC)均采用碳氮聯(lián)合分析儀測定(Multi N/C 2100s Jena，Germany)，具體參考武均等[18]對顆粒態(tài)有機(jī)碳組分的測定方法，其中，顆粒態(tài)有機(jī)碳(POC)=游離態(tài)顆粒有機(jī)碳(FPOC)+閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳(OPOC)[18]。0—20 cm的土壤總有機(jī)碳、游離態(tài)顆粒有機(jī)碳、閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳和礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳平均含量采用加權(quán)平均法計算，具體如下公式所示(以STOC為例)：

STOC0—20cm=(STOC0—5cm+STOC5—10cm+STOC10—20cm×2)/4

文中數(shù)據(jù)、圖表采用Excel 2010處理，利用SPSS 21.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，多重比較采用Duncan法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮水平對總有機(jī)碳含量的影響

由圖1可知，不同處理下STOC含量均隨土層的加深而降低。在0—10 cm各土層中，各處理下STOC含量均以N105處理最高，N0處理最低，STOC含量排序均為N105>N157.5>N52.5>N0，且N52.5，N105，N157.5處理下STOC含量顯著高于N0處理(p≤5%)，而10—20 cm土層，N105與N157.5處理間差異不顯著。在0—20 cm土層，各處理土壤(加權(quán)平均，下同)STOC含量排序為N105≥N157.5>N52.5>N0，且N52.5，N105和N157.5處理顯著高于N0處理。

注：同一土層的不同小寫字母表示不同處理間差異達(dá)到顯著水平(p≤5%水平)，下同。
圖1 不同施氮水平對各土層土壤總有機(jī)碳含量的影響

2.2 不同施氮水平對游離態(tài)顆粒有機(jī)碳含量的影響

由圖2可知，不同處理下土壤FPOC含量均隨土層的加深而降低。在0—5 cm和10—20 cm土層中，各處理土壤FPOC含量均以N105處理最高，N0處理最低，土壤FPOC含量排序均為N105>N157.5>N52.5>N0，N52.5，N105和N157.5處理的土壤FPOC含量均顯著高于N0處理，而在5—10 cm土層，N105和N157.5處理顯著高于N0處理，N52.5處理與N0處理差異不顯著。在0—20 cm土層，各處理土壤FPOC含量排序為N105>N157.5>N52.5≥N0，且N105和N157.5處理顯著高于N0處理，而N52.5處理與N0處理差異不顯著。

2.3 不同施氮水平對閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳含量的影響

由圖3可知，不同處理下土壤OPOC含量均隨土層的加深而降低。在0—20 cm各土層中，各處理土壤OPOC含量均以N105處理最高，N0處理最低；土壤OPOC含量排序均為N105>N157.5>N52.5>N0，且N52.5，N105和N157.5處理的土壤FPOC含量顯著高于N0處理。在0—20 cm土層，各處理土壤OPOC含量排序為N105>N157.5>N52.5>N0，且N52.5，N105和N157.5處理均顯著高于N0處理。

圖2 不同施氮水平對各土層土壤游離態(tài)顆粒有機(jī)碳含量的影響

圖3 不同施氮水平對各土層土壤閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳含量的影響

2.4 不同施氮水平對礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳含量的影響

由圖4可知，不同處理下土壤MOC含量均隨土層的加深而降低。在0—10 cm各土層中，各處理下土壤MOC含量均以N105處理最高，N0處理最低，土壤MOC含量排序均為N105≥N157.5>N52.5≥N0，且N105，N157.5處理下土壤MOC含量顯著高于N0處理；而在10—20 cm土層中，N52.5，N105，N157.5處理下土壤MOC含量均顯著高于N0處理。在0—20 cm土層，各處理土壤MOC含量排序為N105≥N157.5>N52.5≥N0，且N105和N157.5處理顯著高于N0處理，而N52.5處理與N0處理差異不顯著。

圖4 不同施氮水平對各土層土壤礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳含量的影響

2.5 不同施氮水平對不同土壤有機(jī)碳組分分布的影響

由圖5可知，不同處理下的STOC含量均以MOC為主，且MOC/STOC范圍為77.71%～84.77%；而POC含量僅占STOC含量的11.09%～20.99%，其中FPOC/STOC范圍為3.77%～8.72%，OPOC/STOC范圍為7.32%～12.27%。各處理下FPOC/STOC和OPOC/STOC均隨土層的加深而減小，MOC/STOC與之相反。在0—20 cm各土層中，F(xiàn)POC/STOC和OPOC/STOC在N105處理下最高，N0處理下最低，而MOC/STOC與之相反。

圖5 不同施氮水平對各土層土壤有機(jī)碳組分分布特征

3 討 論

3.1 不同施氮水平對總有機(jī)碳含量的影響

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳含量的高低主要取決于土壤有機(jī)碳輸入與降解之間的平衡[19]。施氮能提高作物生物量[20]，有利于STOC的積累，同時施氮可提高微生物活性[21]，促進(jìn)微生物對STOC的分解，二者之間的平衡受土壤肥力基礎(chǔ)、土壤質(zhì)地、水熱條件等因素的影響，因此，施氮對STOC的影響尚無統(tǒng)一定論[10,15-17]。本研究結(jié)果表明，在0—20 cm各土層，不同施氮處理下STOC含量均隨土層深度的增加而降低。這主要是因為隨著施氮量增加，作物凋零及根茬、根系殘留物隨之增多[20]，從而增加了STOC含量；隨著土層加深作物凋零物及根茬、根系殘留物減少，STOC含量隨之減少；施氮導(dǎo)致根系表層化，大量的根系分泌物集中于表層土壤[21]，導(dǎo)致土壤下層STOC含量較低。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著施氮量的增加，STOC含量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，在N105處理下STOC含量最高，施氮量繼續(xù)增加，STOC含量反而降低，這與李小涵等[15]的研究結(jié)果吻合。這可能是由于氮素進(jìn)入土壤后，只有被水溶解成離子后才能被作物吸收利用，而過量的氮素投入會消耗過多的水分，導(dǎo)致土壤含水率下降，降低作物對氮素的利用效率[21-22]，作物凋零物及根茬、根系殘留物隨之減少；過量施氮不利于土壤團(tuán)聚體形成、降低土壤碳氮比值，使土壤結(jié)構(gòu)逆向發(fā)展，進(jìn)而抑制了STOC的保持[20]；施氮使土壤有機(jī)碳礦化速率加快，隨著施氮量的增加，有機(jī)碳累計礦化量有增加的趨勢[23]，故過量施氮不利于STOC的固持。因此，氮素對STOC的影響可能存在一個閾值，施氮超過這個閾值對STOC含量的提升不明顯或者有明顯的抑制作用。

3.2 不同施氮水平對顆粒態(tài)有機(jī)碳含量的影響

本研究結(jié)果表明，不同施氮處理下土壤FPOC含量與OPOC含量均隨土層加深而降低，這與STOC的含量的變化趨勢一致，表層STOC含量較高，促進(jìn)了團(tuán)聚體的形成，尤其是OPOC被團(tuán)聚體包裹而受到物理保護(hù)[24-25]，減小了與微生物接觸的可能，減緩了微生物對土壤OPOC的分解速率[26]，有利于土壤OPOC的積累。在0—20 cm各土層，較之N0處理，N52.5，N105和N157.5處理均可顯著提升土壤FPOC和OPOC含量，且N105處理下對土壤FPOC和OPOC含量提升效應(yīng)最優(yōu)，隨著施氮量繼續(xù)增加，土壤FPOC和OPOC含量反而降低。這可能是由于施氮可增加作物根系分泌物與微生物分泌物[27]，這些分泌物與土壤顆粒結(jié)合可以增加團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[28]，增加了團(tuán)聚體對土壤OPOC的保護(hù)作用，有利于土壤OPOC的保持；而過量施氮，不利于土壤形成良好的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)[20]，使土壤OPOC缺乏物理保護(hù)，容易被微生物利用而損失。此外，施氮能增加土壤OPOC/STOC和FPOC/STOC，且OPOC/STOC高于FPOC/STOC，這可能與受團(tuán)聚體的保護(hù)程度有關(guān)[18]。

3.3 不同施氮水平對礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳含量的影響

本研究結(jié)果表明，不同處理下土壤MOC含量均隨土層的加深而降低，這與STOC，F(xiàn)POC和OPOC的變化趨勢一致。在0—20 cm各土層，N105與N152.5處理均可顯著提升土壤MOC含量，而N52.5處理對其提升效應(yīng)不顯著。這可能是適量施氮與過量施氮使根系分泌物與微生物分泌物增多，這些分泌物可直接與土壤黏粒相結(jié)合[29-30]，有利于土壤MOC的積累；此外，氮素的添加能減緩?fù)寥赖叵拗疲瑢?dǎo)致微生物可利用的基質(zhì)增加而活性提高[21]，增加了微生物對有機(jī)物的分解作用[31]。在不同處理下MOC/STOC隨土壤加深而增大，與POC/STOC變化趨勢相反，這可能是由于土壤上層有機(jī)物量高于下層，導(dǎo)致土壤活性有機(jī)碳比例較高[18]。在0—20 cm各土層，各處理下MOC/STOC均高于POC/STOC，這表明該區(qū)土壤MOC為SOC的主要形態(tài)。

4 結(jié) 論

施氮可不同程度提升土壤總有機(jī)碳、游離態(tài)顆粒有機(jī)碳、閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳和礦質(zhì)結(jié)合態(tài)顆粒有機(jī)碳含量，且以N105處理提升效應(yīng)最優(yōu)。不同處理下，礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)氮占總有機(jī)碳的比例高于顆粒態(tài)有機(jī)碳占總有機(jī)碳的比例，表明該地區(qū)土壤有機(jī)碳庫組成中，土壤礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳占絕對優(yōu)勢。N105處理可顯著增大土壤游離態(tài)顆粒有機(jī)碳和閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳占總有機(jī)碳的比例，而降低礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳占總有機(jī)碳的比例。綜上所述，施氮可提升土壤固碳能力，且N105處理最優(yōu)，暫可篩選為該地區(qū)春小麥栽培的合理施氮量。施氮對顆粒態(tài)有機(jī)氮組分含量的影響可能存在一個閾值，而本研究對該閾值界定證據(jù)不足，還需進(jìn)一步研究。