吳萍萍 王 靜 李錄久 汪 霄

(安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所/安徽養(yǎng)分循環(huán)與資源環(huán)境省級(jí)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031)

沿淮平原是我國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū)之一，以小麥-水稻、小麥-玉米等輪作制度為主，化肥施用量分布不均衡，部分地區(qū)過(guò)量施肥現(xiàn)象突出，化肥年投入量達(dá)458～573 kg·hm-2[1]?；蔬^(guò)量投入除了導(dǎo)致較低的氮肥利用率和水體富營(yíng)養(yǎng)化、溫室氣體排放等環(huán)境污染外，還會(huì)對(duì)土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生不利影響，如土壤酸化、次生鹽漬化和生物多樣性下降等[2]。2015年，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部出臺(tái)《到2020年化肥使用零增長(zhǎng)行動(dòng)方案》以解決化肥過(guò)量和不合理施用問(wèn)題，秸稈還田、有機(jī)肥替代等土壤作物綜合管理技術(shù)通過(guò)改良土壤肥力進(jìn)而促進(jìn)肥料施用效率的提升，是進(jìn)一步節(jié)肥增效的關(guān)鍵[3]。減少化肥施用量并配合有機(jī)物料施用以緩解過(guò)量施肥帶來(lái)的土壤質(zhì)量退化是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中亟需解決的問(wèn)題[4]。

秸稈和生物炭作為有機(jī)物料還田的主要類(lèi)型之一，其對(duì)土壤肥力，特別是有機(jī)碳組分的影響受到較多關(guān)注[5-9]。研究發(fā)現(xiàn)，土壤活性有機(jī)碳占土壤有機(jī)碳總量的比例很小，卻直接參與土壤生物化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程，是土壤微生物活動(dòng)的碳源和土壤養(yǎng)分流的驅(qū)動(dòng)力[10]。與土壤總有機(jī)碳變化相比，活性有機(jī)碳受植物、微生物、土壤環(huán)境等影響強(qiáng)烈，降解速率較快，能夠在短時(shí)間內(nèi)對(duì)秸稈還田等農(nóng)業(yè)管理措施產(chǎn)生響應(yīng)，并起到指示性作用，常被認(rèn)為是農(nóng)田管理措施的早期敏感指標(biāo)[11]。多數(shù)研究表明，有機(jī)物料還田使微生物獲得充足底物，而有機(jī)物降解產(chǎn)物是土壤活性碳組分的主要來(lái)源，因此，施用有機(jī)物料可顯著提高土壤有機(jī)碳及活性碳組分含量，穩(wěn)定土壤有機(jī)碳庫(kù)，改善土壤理化性狀[5-9,12]。

目前關(guān)于化肥減量配施生物炭或秸稈等有機(jī)物料的研究主要集中在紫色土、黃壤、水稻土等土壤類(lèi)型上。如在紫色土地區(qū)中，化肥減量15%配施生物炭和秸稈還田有利于改善土壤養(yǎng)分、提高化肥利用率，達(dá)到減少氮肥、磷肥施用量和提高作物產(chǎn)量的效果[4]。也有研究表明，化肥減施50%配施生物有機(jī)肥可增加旱地紫色土中土壤微生物量有機(jī)碳和輕組分有機(jī)碳含量[13]。李增強(qiáng)等[14]對(duì)水稻土的研究發(fā)現(xiàn)，紫云英配施80%化肥條件下土壤活性有機(jī)碳含量較配施60%化肥時(shí)低。而湘南雙季稻種植區(qū)的研究則表明，與常規(guī)施肥相比，化肥氮減量20%～40%配施綠肥可以維持水稻土土壤有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀素的供應(yīng)[15]。沿淮平原地帶性土壤主要為砂姜黑土，表現(xiàn)出質(zhì)地黏重、有機(jī)質(zhì)含量及品質(zhì)低等不良特征，有機(jī)物料施用是改良砂姜黑土的有效措施之一[16]。以往研究指出，施用生物炭或秸稈還田能在一定程度上提升砂姜黑土活性有機(jī)質(zhì)及全量有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤理化性質(zhì)[9,17]，但有關(guān)化肥減量下配施生物炭或秸稈還田對(duì)砂姜黑土固碳培肥的影響尚未完全明確。因此本研究以沿淮平原稻麥輪作區(qū)砂姜黑土為研究對(duì)象，分析常規(guī)化肥用量及減量施用條件下有機(jī)物料對(duì)砂姜黑土總有機(jī)碳、活性有機(jī)碳組分以及養(yǎng)分含量的影響，探討土壤碳庫(kù)管理指數(shù)對(duì)施肥措施的響應(yīng)，并應(yīng)用相關(guān)性分析和主成分分析明確土壤有機(jī)碳組分、養(yǎng)分因子間關(guān)聯(lián)程度及不同施肥措施的固碳培肥效果，以期為沿淮平原稻麥輪作區(qū)化肥減量增效、農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

定位試驗(yàn)于2018—2020年在安徽省蚌埠市懷遠(yuǎn)縣(117°04′12″E，32°58′58″N)進(jìn)行，該地位于黃淮海平原南緣，屬于暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫15.3℃，年均降水量874.6 mm。試驗(yàn)地為水稻-小麥輪作制度，土壤類(lèi)型為潛育型水稻土砂姜黑土，試驗(yàn)前0～20 cm耕層土壤的基本理化性質(zhì)如下：pH值6.27，有機(jī)碳含量12.4 g·kg-1，全氮含量1.4 g·kg-1，堿解氮含量97.7 mg·kg-1，有效磷含量18.5 mg·kg-1，速效鉀含量104.9 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在水稻季開(kāi)展，設(shè)5個(gè)處理：1)常規(guī)單施氮、磷、鉀化肥(F，對(duì)照)；2)常規(guī)施肥+秸稈生物炭(F+B)；3)氮、磷、鉀化肥減量20%+秸稈生物炭(80%F+B)；4)常規(guī)施肥+秸稈還田(F+S)；5)氮、磷、鉀化肥減量20%+秸稈還田(80%F+S)。每個(gè)處理3次重復(fù)，小區(qū)面積為26.0 m2，完全隨機(jī)區(qū)組排列。

水稻生長(zhǎng)季所用氮肥、磷肥和鉀肥分別為尿素、過(guò)磷酸鈣和氯化鉀，其中40%的氮肥和全部的磷、鉀肥作為基肥在秧苗移栽前施入，另外60%的氮肥分別在分蘗期和孕穗期追施。有機(jī)物料施用以6 000 kg·hm-2小麥秸稈的還田碳量為基準(zhǔn)，設(shè)置生物炭等碳量還田。還田秸稈為供試農(nóng)田上一季小麥秸稈，平均全碳含量42.8%，全氮、磷和鉀平均含量分別為1.82、0.91和6.92 g·kg-1。所用生物炭由農(nóng)作物秸稈在限氧條件下500℃熱解1 h而成，pH值9.37，平均全碳含量52.3%，全氮、磷和鉀平均含量分別為4.4、6.2和50.6 g·kg-1。各處理化肥和有機(jī)碳施用量見(jiàn)表1。

表1 水稻季各處理化肥和有機(jī)碳施用量

水稻品種為常糯1號(hào)，購(gòu)自懷遠(yuǎn)縣農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)，每年5月中上旬育秧，6月上旬移栽，10月中下旬收獲。小麥留茬高度約為5～8 cm，收獲后將麥秸移出試驗(yàn)田風(fēng)干，切碎成5 cm左右的小段備用。水稻移栽前，將小麥秸稈或生物炭撒勻于相應(yīng)處理的小區(qū)，翻耕入土，隨后進(jìn)行施肥移栽等措施。小麥生長(zhǎng)季各處理只施化肥，施肥量均為N 200 kg·hm-2、P2O590 kg·hm-2和K2O 90 kg·hm-2。其他田間管理措施與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣一致。

1.3 樣品采集與測(cè)定

于2020年10月水稻收獲期采集各小區(qū)0～20 cm耕層土壤，隨機(jī)選取5個(gè)點(diǎn)，組成混合土樣。帶回安徽養(yǎng)分循環(huán)與資源環(huán)境實(shí)驗(yàn)室后剔除其中的植物殘?bào)w和石塊等，在陰涼通風(fēng)處自然風(fēng)干，用于測(cè)定土壤有機(jī)碳組分及養(yǎng)分含量。土壤pH值采用電位法(水土比2.5∶1)測(cè)定，全氮(total nitrogen, TN)采用半微量凱氏定氮法測(cè)定，堿解氮(alkali-hydrolyzed nitrogen, AN)采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定，有效磷(available phosphorus, AP)采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定，速效鉀(available potassium, AK)采用NH4OAC浸提-火焰光度計(jì)法測(cè)定[18]。

土壤總有機(jī)碳(soil total organic carbon, SOC)采用Multi N/C 2100重鉻酸鉀容量法-外加熱法測(cè)定，水溶性有機(jī)碳(dissolved organic carbon, DOC)采用Multi N/C 2100水浸提-TOC儀(德國(guó)耶拿分析儀器股份公司)測(cè)定，易氧化有機(jī)碳(labile organic carbon, LOC)采用333 mmol·L-1高錳酸鉀氧化法測(cè)定[19]，顆粒有機(jī)碳(particulate organic carbon, POC)采用Cambardella等[20]的方法測(cè)定。

碳庫(kù)管理指數(shù)采用徐明崗等[19]的方法計(jì)算，其中活性有機(jī)碳以易氧化有機(jī)碳表征，參照土壤取試驗(yàn)地附近未種植作物、不施肥的空閑地土壤，具體計(jì)算方法如下：

碳庫(kù)指數(shù)(carbon pool index, CPI)=土樣總有機(jī)碳含量(g·kg-1)/參照土壤總有機(jī)碳含量(g·kg-1)；

碳庫(kù)活度(carbon pool activity, CPA)=活性有機(jī)碳含量/(總有機(jī)碳含量-活性有機(jī)碳含量)；

碳庫(kù)活度指數(shù)(carbon pool activity index, CPAI)=土樣碳庫(kù)活度/參照土壤碳庫(kù)活度；

碳庫(kù)管理指數(shù)(carbon pool management index, CPMI)=CPI×CPAI×100。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel 2010、SPSS 18.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。處理間比較采用One-way ANOVA分析，差異顯著性分析用Duncan法，顯著性水平為0.05。相關(guān)性分析采用Pearson相關(guān)系數(shù)和雙側(cè)顯著性檢驗(yàn)，并對(duì)不同處理土壤活性有機(jī)碳組分及肥力因子等指標(biāo)進(jìn)行主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 化肥減施下有機(jī)物料對(duì)土壤總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳含量的影響

由圖1-A可知，常規(guī)施肥下增施生物炭對(duì)土壤總有機(jī)碳的提升作用最明顯，F(xiàn)+B處理土壤總有機(jī)碳含量較F處理顯著提高19.6%(P<0.05)。F+S、80%F+B和80%F+S 3個(gè)處理土壤總有機(jī)碳含量較F處理的變化幅度在0.8%～8.9%之間，差異未達(dá)顯著水平。

由圖1-B可知，化肥減施下增施有機(jī)物料能夠顯著增加土壤水溶性有機(jī)碳含量，80%F+B和80%F+S兩處理土壤水溶性有機(jī)碳含量較F處理分別顯著提高28.6%和21.6%(P<0.05)。F+B和F+S處理土壤水溶性有機(jī)碳含量增加幅度相對(duì)較低，分別較F處理提高14.2%和13.5%。

由圖1-C可知，增施有機(jī)物料可顯著提高土壤顆粒有機(jī)碳含量，增幅在23.7%～61.1%之間，與F處理間差異均達(dá)顯著水平(P<0.05)，其中80%F+S處理的土壤顆粒有機(jī)碳含量最高。

由圖1-D可知，秸稈還田對(duì)土壤易氧化有機(jī)碳組分的增加幅度高于生物炭。F+S和80%F+S處理土壤易氧化有機(jī)碳含量較F處理分別提高23.5%和36.3%，F(xiàn)+B和80%F+B處理則分別提高12.5%和16.2%；除F+B處理外，各處理與F處理間差異均達(dá)顯著水平(P<0.05)。表明與增施生物炭相比，秸稈還田更有利于土壤易氧化有機(jī)碳含量的提高，且化肥減施條件下施用有機(jī)物料能夠進(jìn)一步增加土壤易氧化有機(jī)碳組分含量。

注：誤差線(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)偏差(n=3)；不同小寫(xiě)字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

2.2 化肥減施下有機(jī)物料對(duì)土壤活性有機(jī)碳所占比例的影響

由表2可知，增施生物炭或秸稈還田能夠不同程度地提高各活性有機(jī)碳組分占土壤總有機(jī)碳的比例。相較于F處理，顆粒有機(jī)碳(POC)所占比例在增施生物炭或秸稈還田處理中提高了3.3～8.0個(gè)百分點(diǎn)，其中80%F+S處理土壤顆粒有機(jī)碳所占比例提升幅度最大；秸稈還田使土壤易氧化有機(jī)碳(LOC)所占比例顯著提高4.1～5.6個(gè)百分點(diǎn)(P<0.05)；生物炭對(duì)易氧化有機(jī)碳所占比例的作用不明顯；水溶性有機(jī)碳(DOC)所占比例的變化幅度在0.04～0.17個(gè)百分點(diǎn)之間，各處理間無(wú)顯著差異。綜上，本研究中有機(jī)物料施用主要影響土壤易氧化有機(jī)碳和顆粒有機(jī)碳所占比例，且化肥減施下秸稈還田對(duì)兩種活性有機(jī)碳組分所占比例的提升效應(yīng)較明顯。

表2 各活性有機(jī)碳組分占土壤總有機(jī)碳的比例

2.3 化肥減施下有機(jī)物料對(duì)土壤碳庫(kù)管理指數(shù)的影響

土壤碳庫(kù)管理指數(shù)既可以反映土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的變化，也能反映土壤有機(jī)碳組分的變化情況，并且能指示土壤肥力和土壤質(zhì)量的變化。由表3可知，秸稈還田顯著提高了土壤碳庫(kù)活度和碳庫(kù)活度指數(shù)，與F處理相比，F(xiàn)+S和80%F+S處理的土壤碳庫(kù)管理指數(shù)分別顯著增加了22.7和35.2(P<0.05)。而增施生物炭的F+B和80%F+B處理中，土壤碳庫(kù)活度和碳庫(kù)活度指數(shù)兩個(gè)指標(biāo)變化不顯著，碳庫(kù)管理指數(shù)增加不顯著?？梢?jiàn)，在化肥減量條件下秸稈還田更有利于增加土壤活性有機(jī)碳含量；而增施生物炭雖然可提高土壤總有機(jī)碳水平，但碳庫(kù)活庫(kù)并未相應(yīng)提高。

表3 不同處理土壤碳庫(kù)管理指數(shù)

2.4 化肥減施下有機(jī)物料對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響

由圖2可知，土壤有效磷和速效鉀含量均在F+B處理中最高，較F處理分別提高11.1%和30.8%，表明常規(guī)施肥下增施生物炭能夠不同程度地提高土壤磷和鉀有效性。80%F+B、F+S和80%F+S 3處理中土壤速效鉀含量較F處理提高5.7%～17.5%，而有效磷含量則降低6.5%～15.7%，表明連續(xù)3年減量施肥可能不利于土壤有效磷的維持。各處理土壤pH值、全氮和堿解氮含量無(wú)顯著差異。

圖2 不同處理土壤pH值及養(yǎng)分含量

2.5 土壤有機(jī)碳組分與養(yǎng)分含量間相關(guān)性分析

由表4可知，DOC、POC與LOC之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.527、0.558和0.607，表明土壤水溶性有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳等活性有機(jī)碳組分之間存在相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系。DOC、POC、LOC分別與CPMI之間存在顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系(r=0.537、0.552、0.983)，而與SOC之間相關(guān)性均不顯著，表明碳庫(kù)管理指數(shù)對(duì)活性有機(jī)碳的變化較為敏感，可以作為反映土壤活性碳庫(kù)變化情況的指示性指標(biāo)；而活性有機(jī)碳與土壤總有機(jī)碳的變化并不一致。此外，SOC與TN、AP之間(r=0.743、0.636)、POC與AK之間(r=0.556)也表現(xiàn)出顯著或極顯著正相關(guān)，說(shuō)明土壤養(yǎng)分水平也可能顯著影響土壤總有機(jī)碳及部分活性有機(jī)碳組分的變化。

表4 土壤有機(jī)碳組分、碳庫(kù)管理指數(shù)與養(yǎng)分含量間相關(guān)性

2.6 主成分分析

對(duì)土壤總有機(jī)碳、活性有機(jī)碳組分、碳庫(kù)管理指數(shù)及養(yǎng)分含量等進(jìn)行主成分分析，結(jié)果如表5所示。按特征值>1的提取原則，得到3個(gè)主成分，累積貢獻(xiàn)率為84.221%；其中第1主成分(PCA1)對(duì)原始數(shù)據(jù)總方差的貢獻(xiàn)率達(dá)34.564%，主要與易氧化有機(jī)碳、碳庫(kù)管理指數(shù)、顆粒有機(jī)碳以及水溶性有機(jī)碳等指標(biāo)有關(guān)，反映土壤活性碳庫(kù)水平；第2主成分(PCA2)對(duì)原始數(shù)據(jù)總方差的貢獻(xiàn)率為28.702%，有效磷、總有機(jī)碳以及全氮為主要解釋指標(biāo)，反映土壤有效磷及碳、氮總量的供應(yīng)水平；第3主成分(PCA3)對(duì)原始數(shù)據(jù)總方差的貢獻(xiàn)率為20.955%，主要關(guān)聯(lián)因子為pH值和速效鉀含量，反映土壤酸堿度、鉀有效性等指標(biāo)對(duì)土壤性質(zhì)的影響。

表5 主成分載荷矩陣(各項(xiàng)指標(biāo)的特征向量)

進(jìn)一步根據(jù)主成分得分分析各處理指標(biāo)特征(表6)，在以PCA1所代表的得分水平上，PCA1得分的最大正值為80%F+S處理，活性有機(jī)碳組分及碳庫(kù)管理指數(shù)等指標(biāo)在該處理中具有較高載荷，表明化肥減量下秸稈還田有利于提高土壤活性有機(jī)碳組分及碳庫(kù)管理指數(shù)。PCA2得分的最大正值為F+B處理，負(fù)值中80%F+S處理距離原點(diǎn)最遠(yuǎn)，表明常規(guī)施肥下增施生物炭土壤磷有效性及有機(jī)碳和氮素水平相對(duì)較高，而減量施肥下秸稈還田相關(guān)指標(biāo)處于較低水平。PCA3代表的得分水平上，F(xiàn)+B和80%F+B兩處理得分明顯高于其他處理，表明無(wú)論常規(guī)施肥還是減量施肥下，增施生物炭均有利于提高土壤pH值和鉀供應(yīng)水平。

表6 各處理主成分得分

3 討論

3.1 化肥減施下有機(jī)物料對(duì)土壤有機(jī)碳組分的影響

本研究表明，常規(guī)施肥下增施生物炭可顯著提高土壤總有機(jī)碳含量，化肥減施下施用有機(jī)物料土壤總有機(jī)碳無(wú)明顯變化。原因在于，生物炭是一種高度芳香化且具有豐富碳源的有機(jī)物料，屬于惰性有機(jī)碳，具有極強(qiáng)的穩(wěn)定性和抗生物化學(xué)降解能力[21]，其土壤有機(jī)碳氧化穩(wěn)定系數(shù)顯著高于秸稈[6]。因此，生物炭還田后可以快速直接提高土壤有機(jī)碳，有利于土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定保存。小麥秸稈富含木質(zhì)素、纖維素等有機(jī)化合物，易于分解礦化，其歸還的碳通過(guò)土壤呼吸損失的量高于生物炭[7]。有研究發(fā)現(xiàn)，生物炭對(duì)水稻土有機(jī)碳的增加總量達(dá)到碳投入總量的86.02%～91.77%，而連續(xù)秸稈還田土壤有機(jī)碳的增加總量?jī)H占24.88%，表明添加生物炭比秸稈更有增加土壤碳匯的潛力[8]。同時(shí)，生物炭和秸稈還能夠通過(guò)提高土壤孔隙度、降低容重、增加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，從而改良土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤肥力和作物產(chǎn)量[9]，進(jìn)而增加凋落物、根茬和根系等有機(jī)物的輸入。此外，有報(bào)道指出，砂姜黑土區(qū)磷素是作物生產(chǎn)的主要限制因素之一[22]。本研究中，化肥減施下土壤磷有效性降低，可能會(huì)導(dǎo)致作物根系、根茬等內(nèi)源有機(jī)物輸入相應(yīng)減少，因而化肥減量下施用有機(jī)物料土壤總有機(jī)碳增加幅度不明顯。

化肥減量條件下秸稈還田可顯著提升土壤有機(jī)碳活度和質(zhì)量。原因在于，水溶性有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳等活性有機(jī)碳組分主要由不同分解階段植物殘?bào)w和微生物分解產(chǎn)物組成，常規(guī)施肥時(shí)較高的化肥投入通常會(huì)為微生物生長(zhǎng)提供更多速效養(yǎng)分，特別是礦質(zhì)態(tài)氮、磷等微生物活動(dòng)所必需的元素，并促進(jìn)微生物活性，使秸稈分解速率較快且分解較完全，使得土壤顆粒有機(jī)碳等分解中間產(chǎn)物含量較低[23]。而化肥減量條件下土壤碳氮比相對(duì)較高，在一定程度上制約了微生物對(duì)有機(jī)物料和土壤原有有機(jī)質(zhì)的分解速率[24]，使得較多的秸稈、根系半分解殘?bào)w殘留在土壤中，導(dǎo)致土壤中活性有機(jī)碳組分含量較高。

本研究中生物炭在500℃高溫下制備而成，酯族和芳烴化合物較多[25]，表現(xiàn)出高度的化學(xué)和生物穩(wěn)定性，可直接被微生物所利用的組分含量有限[21]，因而對(duì)活性有機(jī)碳的促進(jìn)作用不如秸稈。生物炭對(duì)活性有機(jī)碳的增加可能主要通過(guò)改善土壤結(jié)構(gòu)、吸附養(yǎng)分等，為微生物生長(zhǎng)和繁殖提供棲息地，提高微生物活性，促進(jìn)土壤原有有機(jī)碳的礦化和呼吸[26]，從而增加土壤易氧化有機(jī)碳含量。與生物炭相比，小麥秸稈中可溶性物質(zhì)及纖維素含量相對(duì)較高[27]，在土壤中易于被微生物分解利用，從而直接增加活性有機(jī)碳含量；同時(shí)，秸稈中碳有效性高于生物炭，可為微生物生長(zhǎng)提供充足能源和基質(zhì)[28]，也有利于土壤中活性有機(jī)碳含量的提高。

3.2 化肥減施下有機(jī)物料對(duì)土壤活性有機(jī)碳所占比例及土壤碳庫(kù)管理指數(shù)的影響

土壤總有機(jī)碳中活性有機(jī)碳的占比可用于表征土壤總有機(jī)碳的穩(wěn)定性和有效性，占比越高表示該碳組分越易被微生物利用，從而有效性越高[29]。本研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)物料施用對(duì)土壤易氧化有機(jī)碳和顆粒有機(jī)碳所占比例的影響大于水溶性有機(jī)碳。水溶性有機(jī)碳在土壤總有機(jī)碳中僅占0.85%～1.06%，且易受氣候變化、耕作等田間管理措施影響，對(duì)環(huán)境變化比較敏感[5]，這可能是其所占比例在不同有機(jī)物料處理中差異不明顯的原因之一?；蕼p施下秸稈還田土壤易氧化有機(jī)碳和顆粒有機(jī)碳所占比例最高，表明這一措施更能促進(jìn)兩種活性有機(jī)碳組分在土壤總有機(jī)碳中的分配，進(jìn)而提高土壤有機(jī)碳活性。

土壤碳庫(kù)管理指數(shù)作為評(píng)價(jià)土壤有機(jī)碳質(zhì)量的指標(biāo)，可反映有機(jī)碳被微生物和植物利用的難易程度[30]，其值越大表示有機(jī)碳越容易被利用，碳庫(kù)活度和質(zhì)量也相應(yīng)越高。相關(guān)性分析表明，碳庫(kù)管理指數(shù)與水溶性有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳等指標(biāo)間存在顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系，表明碳庫(kù)管理指數(shù)可以作為反映土壤活性有機(jī)碳庫(kù)變化的敏感指標(biāo)。本研究中，化肥減施下秸稈還田土壤碳庫(kù)活度和碳庫(kù)管理指數(shù)顯著高于單施化肥及增施生物炭處理，這與秸稈還田在化肥減量條件下更有利于增加土壤中活性有機(jī)碳，特別是易氧化有機(jī)碳水平有關(guān)。易氧化有機(jī)碳主要來(lái)源于作物根系、地上部分殘?bào)w歸還、死亡土壤微生物體內(nèi)物質(zhì)釋放及土壤原有機(jī)碳活化等[28]。秸稈作為一種易分解有機(jī)物料，能夠直接增加易氧化有機(jī)碳含量及其所占比例，同時(shí)促進(jìn)原有土壤有機(jī)碳的分解，形成較多的土壤活性有機(jī)碳[14]。也有研究發(fā)現(xiàn)，秸稈炭化還田可以有效提高土壤碳庫(kù)管理指數(shù)，且與生物炭施用量呈顯著正相關(guān)關(guān)系[5]，這可能與其所用秸稈生物炭中含有較多活性有機(jī)碳有關(guān)。生物炭中活性有機(jī)碳成分及含量因熱解溫度及生物質(zhì)材料不同而有較大差異，相對(duì)低溫(≤400℃)制備的生物炭輸入可增加土壤活性有機(jī)碳含量，而相對(duì)高溫(>400℃)制備的生物炭則表現(xiàn)出相反規(guī)律[31]。

3.3 化肥減施下有機(jī)物料對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響

常規(guī)施肥下增施生物炭土壤有效磷和速效鉀含量處于較高水平，連續(xù)3年化肥減施則不利于土壤有效磷的維持。一方面可能是因?yàn)?，生物炭中的磷和鉀在熱解過(guò)程中基本被保留下來(lái)，且大多以可被植物吸收利用的可溶態(tài)形式存在[32]，同時(shí)，生物炭豐富的礦質(zhì)養(yǎng)分、孔隙結(jié)構(gòu)和巨大比表面積還可能通過(guò)改變土壤理化性質(zhì)等，影響土壤中磷和鉀的有效性[33]，而本研究所用小麥秸稈本身磷含量較低，且試驗(yàn)?zāi)晗掭^短，秸稈還田對(duì)土壤磷素的活化作用不足以抵消化肥減量20%造成的磷供應(yīng)水平下降。另一方面可能與秸稈類(lèi)有機(jī)物料較高的碳磷比有關(guān)，導(dǎo)致在礦化過(guò)程中由于微生物的同化作用而引起磷的生物固持，從而使土壤有效磷含量降低[34]。典型砂姜黑土耕層土壤有效磷含量整體偏低，磷有效性不足通常是砂姜黑土作物生產(chǎn)的重要限制因素[22]。相似的研究發(fā)現(xiàn)，化學(xué)磷肥減施50%時(shí)作物吸磷量大于秸稈還田提升的土壤有效磷素，導(dǎo)致砂姜黑土耕層有效態(tài)磷素的下降和耗竭[35]。因此，試驗(yàn)區(qū)域?qū)嵤┗蕼p量時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎考慮磷肥用量，避免對(duì)土壤磷素供應(yīng)產(chǎn)生不良影響。

綜上所述，化肥減量20%下秸稈還田對(duì)土壤活性有機(jī)碳組分的促進(jìn)效應(yīng)較明顯，較常規(guī)單施化肥處理能夠顯著提高土壤活性有機(jī)碳組分含量、比例和碳庫(kù)管理指數(shù)，改善土壤碳庫(kù)活度和質(zhì)量。常規(guī)施肥下增施生物炭有利于土壤總有機(jī)碳的提升及穩(wěn)固，同時(shí)可提供較多的磷、鉀養(yǎng)分，從土壤固碳角度考慮具有優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)，沿淮平原稻麥輪作區(qū)水稻季常規(guī)施肥下增施生物炭有利于砂姜黑土總有機(jī)碳的提升，較單施化肥提高19.6%；化肥減量20%條件下秸稈還田土壤活性有機(jī)碳含量、所占比例及土壤碳庫(kù)管理指數(shù)相對(duì)較高，水溶性有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳含量較單施化肥處理分別增加28.6%、61.1%和36.3%。常規(guī)施肥下增施生物炭能夠不同程度地提高土壤磷和鉀有效性，較單施化肥處理分別提高11.1%和30.8%。連續(xù)3年化肥減施不利于土壤有效磷的維持。綜上，化肥減施下秸稈還田有利于改善土壤碳庫(kù)活度和質(zhì)量，而常規(guī)施肥下增施生物炭在土壤固碳方面具有優(yōu)勢(shì)。