長(zhǎng)期不同施肥下黑土與灰漠土有機(jī)碳儲(chǔ)量的變化

解麗娟，王伯仁，徐明崗，彭 暢，劉 驊

(1中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，農(nóng)業(yè)部作物營(yíng)養(yǎng)與施肥重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，北京100081;2吉林農(nóng)業(yè)科學(xué)院資源與環(huán)境中心，長(zhǎng)春130012;3新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，烏魯木齊830000)

1 m土層土壤碳庫(kù)是全球植被碳庫(kù)的4.1倍、全球大氣碳庫(kù)的3倍［1］。不合理利用土地，不僅會(huì)提高土壤CO2釋放，加劇全球溫室效應(yīng)，還會(huì)降低土壤肥力，導(dǎo)致作物減產(chǎn)［2］。因此，提高土壤有機(jī)碳含量，不僅關(guān)系到減少溫室氣體排放，而且與土壤肥力密切相關(guān)。

黑土和灰漠土是我國(guó)北方典型的農(nóng)業(yè)土壤，其有機(jī)碳庫(kù)的變化，受到耕作、施肥等人為管理措施的顯著影響，特別是不同施肥方式對(duì)表層土壤有機(jī)碳含量有很大影響［3－5］。陳盈等研究表明［3］，施用有機(jī)肥不僅可以顯著提高黑土中大團(tuán)聚體的比例，還可以顯著提高黑土表土有機(jī)碳含量，化肥與有機(jī)肥配施效果更顯著。撂荒、單施化肥僅能維持灰漠土有機(jī)碳各組分含量，而長(zhǎng)期有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施能夠顯著提高土壤有機(jī)碳各組分含量［6］。迄今為止，對(duì)土壤有機(jī)碳的研究主要集中在不同土地利用與管理方式下耕層土壤有機(jī)碳含量的變化等方面［7－10］，關(guān)于長(zhǎng)期施肥對(duì)下層土壤有機(jī)碳含量的影響鮮見(jiàn)報(bào)道。

土壤有機(jī)碳庫(kù)主要分布在1 m土層土壤［11－12］，一般根據(jù)1 m土層土壤有機(jī)碳含量計(jì)算全球土壤碳庫(kù)［13］。由于缺乏土壤剖面資料，我國(guó)一般是利用全國(guó)土壤普查數(shù)據(jù)或《中國(guó)土種志》數(shù)據(jù)來(lái)估算土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，這些估算的土壤碳儲(chǔ)量有可能存在一定的不確定性［14］。因此本研究選取了灰漠土與黑土兩個(gè)不同土壤類型的長(zhǎng)期試驗(yàn)，比較分析了7個(gè)不同施肥處理下1 m深剖面土壤有機(jī)碳的含量與儲(chǔ)量，一方面可以精確計(jì)算土壤碳儲(chǔ)量，另一方面可以研究長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤下層有機(jī)碳分布的影響。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤為長(zhǎng)期土壤肥料定位試驗(yàn)點(diǎn)的黑土與灰漠土，黑土采自吉林省公主嶺市吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)地內(nèi) (東經(jīng) 124°48'34″，北緯 43°30'23″)，灰漠土采自新疆烏魯木齊市以北25 km的新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院“國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技示范園區(qū)”內(nèi)(東經(jīng)87°46'45″，北緯 43°95'26″)。這兩種土壤分別代表了我國(guó)不同氣候條件下的區(qū)域典型農(nóng)田土壤。黑土是我國(guó)溫帶濕潤(rùn)氣候區(qū)的主要土壤類型之一，成土母質(zhì)主要是第四紀(jì)中更新世黃土狀亞粘土［7］;灰漠土是我國(guó)溫帶荒漠區(qū)主要土壤類型之一，成土母質(zhì)為黃土狀洪積－沖積物，部分為風(fēng)積物和坡積物［7］。兩個(gè)長(zhǎng)期試驗(yàn)均始于1990年，試驗(yàn)點(diǎn)基本情況見(jiàn)表1，試驗(yàn)開始時(shí)的土壤基本化學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表2。

兩個(gè)試驗(yàn)各設(shè)置了12個(gè)處理。本文在黑土長(zhǎng)期土壤肥料定位試驗(yàn)中選擇了其中的7個(gè)處理：1)不施肥對(duì)照(CK);2)單施氮肥(N);3)氮磷配施(NP);4)氮磷鉀配施(NPK);5)氮磷鉀(常量)+秸稈(NPKS);6)氮磷鉀(常量)+有機(jī)肥(常量)(NPKM);7)氮磷鉀(1.5倍)+有機(jī)肥(1.5倍)(NPKM2)。在灰漠土長(zhǎng)期土壤肥料定位試驗(yàn)中也選擇7個(gè)處理：1)不施肥對(duì)照(CK);2)單施氮肥(N);3)氮磷配施(NP);4)氮磷鉀配施(NPK);5)氮磷鉀(4/5)+秸稈(NPKS);6)氮磷鉀(1/3)+常量有機(jī)肥(NPKM);7)氮磷鉀(2/3)+增量有機(jī)肥(2倍)(NPKM2)。種植制度均為一年一熟制，黑土為玉米連作，灰漠土為玉米—冬小麥—春小麥輪作。

表1 試驗(yàn)點(diǎn)概況Table 1 General information of the experimental sites

表2 試驗(yàn)開始時(shí)土壤基本性質(zhì)(1989)Table 2 Basic properties of soils at the beginning of the experiments

黑土試驗(yàn)點(diǎn)肥料用量為N 165 kg/hm2、P2O582.5 kg/hm2、K2O 82.5 kg/hm2，氮、磷、鉀化肥分別為尿素，磷酸二銨、過(guò)磷酸鈣，氯化鉀或硫酸鉀;有機(jī)肥為豬糞或牛糞，在NPKM與NPKM2處理中施用量分別為30 t/hm2與45 t/hm2;秸稈還田為當(dāng)年收獲的作物秸稈(7500 kg/hm2);有機(jī)肥(及秸稈)和無(wú)機(jī)肥配合的施氮量與化肥小區(qū)的相同，有機(jī)氮與無(wú)機(jī)氮的比例為7∶3?；夷猎囼?yàn)點(diǎn)1990～1994年肥料用量為 N 99 kg/hm2、P2O559 kg/hm2、K2O 19.8 kg/hm2，1994 年以后為 N 300 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 120 kg/hm2，氮、磷、鉀化肥分別是尿素、磷酸二銨、三料磷肥與硫酸鉀;有機(jī)肥為羊糞，在NPKM與NPKM2處理中施用量分別為30 t/hm2和60 t/hm2;秸稈還田為當(dāng)年收獲的作物秸稈(當(dāng)年該小區(qū)秸稈全部還田)。

1.2 樣品與數(shù)據(jù)采集

采集長(zhǎng)期保存的1989、2001年黑土土樣，1989年、2002年灰漠土土樣，磨細(xì)過(guò)0.25mm篩備用。這些樣品均為長(zhǎng)期試驗(yàn)歷史樣品，無(wú)重復(fù)。

2009年黑土與灰漠土土壤樣品于2009年9月底作物收獲后采集。長(zhǎng)期試驗(yàn)均為大區(qū)試驗(yàn)(黑土大區(qū)面積400 m2、灰漠土468 m2)，受當(dāng)時(shí)條件的限制未設(shè)置重復(fù)。為了彌補(bǔ)這方面的缺陷，2009年采樣時(shí)將每個(gè)大區(qū)均勻分成3個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)按“S”型用土鉆取 0—20 cm、20—40 cm、40—60 cm、60—80 cm、80—100 cm具有代表性的土樣3個(gè)(均為多點(diǎn)混合樣)，風(fēng)干后磨細(xì)過(guò)0.25mm篩備用。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

土壤有機(jī)碳用重鉻酸鉀容量法測(cè)定［15］;土壤容重用環(huán)刀法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel 2003和SPSS 16.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，2009年數(shù)據(jù)為平均值，處理間顯著性檢驗(yàn)用LSD法(t=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 黑土長(zhǎng)期施肥下土壤剖面有機(jī)碳分布及其儲(chǔ)量的變化

2.1.1 土壤剖面有機(jī)碳含量 由表3可以看出，同一施肥處理下不同土層有機(jī)碳含量均表現(xiàn)為0—20 cm＞20—40 cm＞40—100 cm，但層次之間變化幅度存在明顯差異。NPKM2處理的0—20 cm土層有機(jī)碳含量是80—100 cm土層的6.9倍;CK處理0—20 cm土層的有機(jī)碳含量是80—100 cm的3.7倍。這是因?yàn)槭┓?0年后有機(jī)無(wú)機(jī)配施顯著提高了0—20 cm土層的有機(jī)碳含量。

同一土壤層次不同施肥處理間比較，0—20 cm與20—40 cm土層均表現(xiàn)為單施化肥處理的有機(jī)碳含量小于有機(jī)無(wú)機(jī)配施處理，所有施肥處理之間40—100 cm各層次間有機(jī)碳含量無(wú)顯著性差異。與CK相比，0—20 cm土層內(nèi)NPKM、NPKM2處理的有機(jī)碳增幅為29.0%和49.4%，表明NPKM2處理提高有機(jī)碳的效果顯著大于NPKM。單施化肥、秸稈還田配施化肥與對(duì)照相比有機(jī)碳含量無(wú)顯著差異。20—40 cm土層內(nèi)有機(jī)碳含量 NPKM、NPKM2兩處理與CK相比增幅分別為60.6%和77.6%，不同有機(jī)肥配施處理間有機(jī)碳含量無(wú)顯著差異;40—100 cm土層內(nèi)所有處理之間有機(jī)碳含量均無(wú)顯著差異，說(shuō)明在施肥年限內(nèi)所有施肥處理對(duì)黑土有機(jī)碳含量只能影響到0—40 cm。

表3 2009年不同施肥處理黑土剖面有機(jī)碳含量(g/kg)Table 3 Organic carbon contents in the profile of black soil under different fertilization treatments(2009)

2.1.2 黑土有機(jī)碳儲(chǔ)量 與CK相比，有機(jī)無(wú)機(jī)配施處理隨著施肥年限的增長(zhǎng)可以顯著提高黑土0—40 cm土層的有機(jī)碳儲(chǔ)量(表4)，0—20 cm與20—40 cm土層的NPKM和NPKM2處理與對(duì)照相比有機(jī)碳儲(chǔ)量分別提高了29.2%、49.5%與60.3%、77.3%。秸稈配施化肥處理與對(duì)照相比0—20 cm、20—40 cm土層中有機(jī)碳儲(chǔ)量分別提高了10.4%、41.7%。CK、N、NP、NPK 處理經(jīng) 20年施肥后，1 m深土體內(nèi)有機(jī)碳儲(chǔ)量基本保持穩(wěn)定。

將2001年與1989年相比，NPKM2處理0—20 cm與20—40 cm土層有機(jī)碳儲(chǔ)量分別提高了C 11.7 t/hm2和5.7 t/hm2，其余處理基本保持初始水平。2009年與2001年相比，0—20 cm土層的CK、N、NP、NPK處理有機(jī)碳儲(chǔ)量均保持穩(wěn)定并略有上升，平均上升了 C 1.3 t/hm2;NPKS、NPKM、NPKM2處理在0—20 cm土層中有機(jī)碳儲(chǔ)量在施肥20年后均有大幅上升，年均增幅分別為C 0.3 t/hm2、0.6 t/hm2、0.9 t/hm2;20—40 cm土層 的CK處理有機(jī)碳儲(chǔ)量下降了C 3.9 t/hm2，N、NP、NPK處理略有上升或持平，NPKS、NPKM、NPKM2處理有機(jī)碳儲(chǔ)量均有所上升，年均增幅分別為C 0.2 t/hm2、0.4 t/hm2、0.6 t/hm2;40—100 cm所有處理基本保持初始水平。

2.2 灰漠土長(zhǎng)期施肥下土壤剖面有機(jī)碳分布及其儲(chǔ)量的變化

2.2.1 土壤剖面有機(jī)碳含量 由表5可以看出，CK、N、NP、NPK、NPKM 五個(gè)處理不同土層有機(jī)碳含量均表現(xiàn)為0—20 cm＞20—40 cm＞40—100 cm;NPKS、NPKM2處理不同土層有機(jī)碳含量均表現(xiàn)為0—20 cm ＞20—40 cm ＞40—60 cm ＞60—100 cm，說(shuō)明NPKS與NPKM2處理可以影響到灰漠土0—60 cm的有機(jī)碳含量。同一施肥處理不同土壤層次間有機(jī)碳含量的變幅存在明顯差異：NPKM2處理0—20 cm土層有機(jī)碳含量是80—100 cm的4.9倍;CK處理0—20 cm有機(jī)碳含量是80—100 cm的2.3倍。

0—20 cm土層內(nèi)，與CK相比，NPKM、NPKM2兩個(gè)處理的有機(jī)碳含量顯著提高，增幅分別高達(dá)109.7%和183.1%;N、NP、NPK、NPKS處理有機(jī)碳含量均有不同程度的提高，增幅在6.3% ～21.9%。20—40 cm土層內(nèi)NPKM、NPKM2處理與CK相比分別提高了37.2%和93.6%，其余處理有機(jī)碳含量與CK相比無(wú)顯著性差異。在40—60 cm土層內(nèi)NPKM2、NPKS兩處理的有機(jī)碳含量比CK顯著提高了42.1%、26.3%，其余處理與CK相比無(wú)顯著差異;60—100 cm各層次內(nèi)不同施肥處理之間有機(jī)碳含量無(wú)顯著差異。

表4 不同施肥年限下黑土不同土層有機(jī)碳儲(chǔ)量(C t/hm2)Table 4 Organic carbon storage in black soil in different layers after different years fertilization

表5 2009年不同施肥處理灰漠土剖面有機(jī)碳含量(g/kg)Table 5 Organic carbon contents in the profile of grey-desert soil under different fertilization treatments(2009)

2.2.2 灰漠土有機(jī)碳儲(chǔ)量 隨著施肥年限的增長(zhǎng)有機(jī)無(wú)機(jī)配施處理可以顯著提高灰漠土0—40 cm的有機(jī)碳儲(chǔ)量，2002年與 1989年相比，NPKM、NPKM2處理0—20 cm土層的有機(jī)碳儲(chǔ)量分別提高了31.1%、69.3%(表6);2009年與2002年相比，NPKM、NPKM2在 0—20 cm土層分別提高了37.2%、43.4%。在施肥年限內(nèi) NPKS處理0—20 cm土層有機(jī)碳儲(chǔ)量基本持平，20—100 cm各層次略有下降，下降幅度為C 2.4～3.8 t/hm2。對(duì)照與單施化肥處理的1 m土體有機(jī)碳儲(chǔ)量均有不同程度下降，CK、N、NP、NPK處理在1 m土體各個(gè)層次有機(jī)碳儲(chǔ)量下降幅度在C 1.8～6.6 t/hm2之間。

表6 不同施肥年限下灰漠土不同層次有機(jī)碳儲(chǔ)量(C t/hm2)Table 6 Organic carbon storages in grey-desert soil in different layers after different years fertilization

2.2.3 施肥20年后0—100 cm土層有機(jī)碳儲(chǔ)量的變化 與1989年相比，施肥20年后黑土與灰漠土的0—100 cm土層中，有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施處理的有機(jī)碳儲(chǔ)量呈上升趨勢(shì)(圖1)。黑土與灰漠土中NPKM處理有機(jī)碳儲(chǔ)量分別提高了C 25.0 t/hm2與9.2 t/hm2，NPKM2分別提高了 C 30.7 t/hm2與40.6 t/hm2。CK處理有機(jī)碳儲(chǔ)量在兩種土壤中均有下降，分別下降了C 6.1 t/hm2與18.6 t/hm2。黑土中N、NP、NPK、NPKS處理有機(jī)碳儲(chǔ)量略有增加，說(shuō)明單施化肥與秸稈還田配施化肥可以維持黑土有機(jī)碳儲(chǔ)量水平?；夷林蠳、NP、NPK、NPKS處理有機(jī)碳儲(chǔ)量略有下降，下降幅度在C 6.7～18.4 t/hm2之間，說(shuō)明單施化肥與秸稈還田不能維持灰漠土1 m土層的有機(jī)碳儲(chǔ)量水平。

3 討論

3.1 長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤有機(jī)碳含量及其剖面分布的影響

圖1 不同施肥20年后(2009年)0—100 cm的有機(jī)碳儲(chǔ)量Fig．1 Organic carbon storage in 0 －100 cm layer after 20 years fertilization in 2009

本研究中黑土與灰漠土有機(jī)碳的變化主要體現(xiàn)在0—40 cm土層內(nèi)，40—100 cm層次有機(jī)碳受不同施肥影響較小。潘根興［11］根據(jù)《中國(guó)土種志》計(jì)算得出，我國(guó)表層土壤碳庫(kù)是總碳庫(kù)的2/5，有機(jī)碳大多集中在表層。袁穎紅［16］研究表明，長(zhǎng)期施肥對(duì)紅壤性水稻土有機(jī)碳含量的影響主要表現(xiàn)在表層。耕地土壤中有機(jī)碳含量多少主要取決于有機(jī)物料的投入與分解狀況，不同的施肥方式?jīng)Q定了有機(jī)物料的投入量從而對(duì)有機(jī)碳產(chǎn)生顯著影響。作物殘茬、枯枝落葉、肥料大多進(jìn)入在土壤表層，所以會(huì)顯著提高表層土壤有機(jī)碳含量。

本研究表明，在長(zhǎng)期肥料試驗(yàn)中有機(jī)無(wú)機(jī)配施化肥處理可明顯提高土壤表層的有機(jī)碳含量。由于有機(jī)肥與化肥配施處理中顯著增加了有機(jī)物料的投入量，從而使土壤中微生物活動(dòng)增強(qiáng)、土壤有機(jī)碳含量顯著提高，這與其他研究結(jié)果一致［17－19］。陳盈［3］等研究表明，在黑土上施用有機(jī)肥有利于提高土壤有機(jī)碳含量;韓曉日［17］等研究表明棕壤經(jīng)過(guò)27年試驗(yàn)后，化肥配施有機(jī)肥區(qū)大于單施化肥區(qū)，長(zhǎng)期有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施可以增加有機(jī)碳含量?；夷劣袡C(jī)無(wú)機(jī)配施有機(jī)碳提高幅度大于黑土，這可能是因?yàn)榛夷疗鹗加袡C(jī)碳含量很低，僅為8.80 g/kg，而黑土中起始有機(jī)碳含量為13.23 g/kg，故灰漠土中高量有機(jī)無(wú)機(jī)配施有機(jī)碳增幅大于黑土。

施肥20年后兩種土壤的NPKS處理土壤有機(jī)碳變化有所不同?；夷?—40 cm土層有機(jī)碳變化量不大，而在黑土中有機(jī)碳略有增加。這是因?yàn)樵诨夷辽辖斩掃€田后，進(jìn)入土壤的秸稈在腐熟過(guò)程中需要一定的碳氮比［20］，從而消耗一定量的氮素，而灰漠土基礎(chǔ)肥力較差，會(huì)因?yàn)榈毓?yīng)不足，影響秸稈腐熟;由于黑土基礎(chǔ)肥力較高，能較充分地提供秸稈腐熟所需的氮素，故在兩種土壤中秸稈配施化肥處理對(duì)有機(jī)碳含量的影響不同。不施肥與單施化肥處理能基本維持黑土1 m土層有機(jī)碳含量，而灰漠土1 m土層的有機(jī)碳含量均有不同程度下降，這與其他研究結(jié)果一致［14］。說(shuō)明在施肥年限內(nèi)不施肥與單施化肥可以基本維持黑土有機(jī)碳的初始水平，而不能維持灰漠土中的有機(jī)碳平衡。

3.2 長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響

我國(guó)耕作旱地土壤其表土平均有機(jī)碳儲(chǔ)量為C 35.9 ±32.8 t/hm2［21］，歐盟的農(nóng)田土壤平均碳儲(chǔ)量為C 53.0 t/hm2左右［22］。本研究結(jié)果表明，長(zhǎng)期施用化肥與不施肥處理黑土與灰漠土的表層土壤碳儲(chǔ)量?jī)H為C 20.0 t/hm2左右，處于較低水平。長(zhǎng)期有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施20年可以使黑土與灰漠土表層土壤碳儲(chǔ)量達(dá)到C 50.0 t/hm2左右，達(dá)到了我國(guó)表土碳儲(chǔ)量的較高水平。有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施既可以提高土壤固碳能力、減少CO2排放，又可以提高土壤有機(jī)碳含量，從而培肥土壤，是較優(yōu)的施肥方式。

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