不同管理措施土無機碳儲量及其與有機碳含量的關系

楊文靜,張樹蘭,楊學云

(西北農林科技大學 資源環(huán)境學院，陜西 楊凌 712100)

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楊文靜,張樹蘭,楊學云

(西北農林科技大學 資源環(huán)境學院，陜西 楊凌 712100)

【目的】 研究長期不同管理措施和作物輪作體系下，不同施肥處理土壤剖面中無機碳含量分布和無機碳儲量及其與耕層土壤有機碳含量的關系?！痉椒ā?采用長期定位試驗(1990-2014年)，以土婁土為供試土壤，設置裸地休閑、自然撂荒及冬小麥-夏玉米輪作體系(以下簡稱作物輪作體系)3種土壤管理措施，其中作物輪作體系設9個施肥處理，分別為不施肥(對照，CK)、氮肥(N)、氮鉀(NK)、磷鉀(PK)、氮磷(NP)、氮磷鉀(NPK)、秸稈+氮磷鉀(SNPK)、低量有機肥+氮磷鉀(M1NPK)和高量有機肥+氮磷鉀(M2NPK)，共計11個處理，測定耕層(0～20 cm)有機碳含量、不同土層(0～300 cm)無機碳含量，并計算0～100 cm、0～300 cm土層無機碳儲量，然后分析不同土層無機碳儲量與耕層有機碳含量的關系?！窘Y果】 不同土壤管理措施顯著影響了0～20 cm土層有機碳含量，其中長期撂荒與作物輪作體系的土壤有機碳含量相近，且顯著高于裸地休閑處理。在作物輪作體系下，不同施肥處理對0～20 cm 土層有機碳含量也有明顯影響，其中有機物和N、P、K配施的SNPK、M1NPK、M2NPK處理的有機碳含量顯著高于CK。不同土壤管理措施和作物輪作體系下各施肥處理0～300 cm土層的無機碳含量分布均呈類似“S”形曲線， 其中0～40 cm土層較高，隨著土層深度的增加無機碳含量下降較快，在80～140 cm土層最低，然后逐步升高到160～180 cm達到最高值，之后一直呈緩慢下降趨勢。對于0～100 cm土層無機碳儲量，裸地休閑處理顯著高于自然撂荒和作物輪作體系處理；作物輪作體系中M2NPK處理顯著高于其他處理。對于0～300 cm土層無機碳儲量，裸地休閑處理顯著高于自然撂荒處理；作物輪作體系中施用有機肥處理則顯著低于其他施肥處理，其他施肥處理均提高了0～300 cm土層無機碳儲量，其中PK、NP、NPK、SNPK處理顯著高于CK。0～100 cm土層無機碳儲量與耕層土壤有機碳含量之間呈顯著正相關，但0～300 cm土層無機碳儲量與耕層土壤有機碳含量呈負相關?！窘Y論】 在干旱、半干旱地區(qū)，如果有灌溉條件，建議用0～300 cm土層無機碳儲量來研究無機碳與有機碳的關系較為準確。另外在研究區(qū)施用有機肥可顯著提高土壤有機質含量，但不能同時提高土壤無機碳固存。

土婁土；長期試驗；土壤有機碳；土壤無機碳

土壤碳庫是地球上最大的碳庫[1]，包括有機碳庫和無機碳庫，其0～1 m深土層碳儲量是大氣碳庫的3倍。因而土壤碳庫很小的變動都可能改變大氣中CO2的濃度[2]。全球約1/3的陸地面積屬于干旱、半干旱地區(qū)，該地區(qū)土壤碳庫主要以無機碳的形式存在[3]，且無機碳儲量是有機碳儲量的2～10倍[4]。因此，研究土壤管理措施對無機碳的影響對于溫室氣體二氧化碳排放控制有重要的意義。

另外，研究顯示，我國由于大量使用化肥導致土壤明顯酸化[12],使全國約51%的耕作土地無機碳流失[13]。加之鈣是作物生長所必需的中量營養(yǎng)元素,作物每年會從土壤中吸收一定量的鈣，也可能降低土壤無機碳含量。盡管合理施肥可提高土壤有機碳含量，隨磷肥或有機肥施用也可以輸入一定量的鈣，這可能有助于固存無機碳；但考慮到施肥引起土壤酸化進而導致無機碳分解，以及碳酸鈣深層淋溶等因素對土壤中無機碳的影響，因此，十分有必要深入理解土壤管理措施，特別是在農田系統(tǒng)長期施用肥料對較大尺度土壤剖面(0～300 cm)無機碳分布、儲量及與有機碳的關系影響。本研究利用陜西楊凌國家黃土肥力與肥料效益監(jiān)測基地的長期定位試驗(24年), 研究土壤無機碳剖面分布、儲量以及其與耕層土壤有機碳的關系，探討半濕潤易旱區(qū)土壤管理措施對無機碳固存的影響，為建立合理的土壤管理措施、減少碳排放提供依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗地點

本試驗在國家黃土肥力和肥料效益監(jiān)測基地進行，基地位于黃土高原南部陜西省楊凌示范區(qū)三級階地(34°17′51″ N, 108°00′48″ E，海拔534 m)。試驗點的平均氣溫13 ℃，年降水量550 mm,主要分布在6-9月。供試土壤屬于土婁土(旱耕土墊人為土)，黃土母質。試驗開始前種植了3季作物勻地，起始土壤有機碳含量為7.32 g/kg，全氮0.92 g/kg，速效磷9.57 mg/kg，速效鉀191 mg/kg,容重1.35 g/cm3，pH 8.60(土水質量體積比1∶1)，碳酸鹽含量11.57 g/kg。

1.2試驗設計

試驗開始于1990年秋，設置裸地休閑(Fallow，沒有任何植物生長，不施肥)、自然撂荒(Set aside，沒有任何人為擾動)以及冬小麥-夏玉米輪作體系(Cropping，一年兩熟，以下簡稱作物輪作體系)3種土壤管理措施。在作物輪作體系中設置了9個施肥處理，分別為：1)對照(CK)：不施任何肥料；2)氮肥(N)；3)氮鉀(NK)；4)磷鉀(PK)；5)氮磷(NP)；6)氮磷鉀(NPK)；7)秸稈+氮磷鉀(SNPK)；8)低量有機肥+氮磷鉀(M1NPK)；9)高量有機肥+氮磷鉀(M2NPK)，其中NP處理與當?shù)剞r民習慣施肥相似，故將其作為冬小麥-夏玉米輪作體系的代表，與裸地休閑、自然撂荒進行分析和比較。本試驗共有11個處理，隨機排列，小區(qū)面積196 m2(14 m×14 m)。冬小麥-夏玉米輪作體系9個施肥處理氮、磷、鉀的施用量見表1。

表 1　冬小麥-夏玉米輪作體系施肥試驗中氮、磷、鉀的用量Table 1　Treatments and rates of fertilizers in winter wheat-summer maize rotation cropping system 　 kg/hm2

由表1可見，小麥季氮、磷、鉀(N、P、K單質)的施用量分別為165.0，57.6，68.5 kg/hm2，玉米季施用量分別為187.5，24.6，77.8 kg/hm2。各處理的N、P、K化肥用量相同，秸稈的N、P、K量未計入施肥量，有機肥的P、K量未計入施肥量。SNPK處理的秸稈每年于冬小麥秋播時一次施入；其中1990年到1998年采用小麥秸稈，用量為4 500 kg/hm2(干質量)；自1999年后采用玉米秸稈，為當季該小區(qū)的全部玉米秸稈，平均為4 392 kg/hm2(變幅為2 630～5 990 kg/hm2)，用鍘刀切成3 cm長的小段，秋播小麥時一次施入。有機肥每年在秋季小麥播種時一次性施入，M1NPK和M2NPK處理中來自有機肥的氮素和無機化肥的氮素比例為7∶3，按含氮量折合成相應的牛糞施入。小麥生育期M1NPK處理與NPK處理的氮素、磷、鉀化肥的施入量相同；小麥生育期M2NPK處理的氮素與磷、鉀化肥用量為M1NPK的1.5倍；玉米生育期M1NPK和M2NPK處理的氮、磷、鉀用量均與NPK處理相等且全部用化肥。

小麥生育期所有肥料在播種前一次施入，玉米生育期在播種后1個月左右結合中耕除草施入。施用的化肥為尿素，磷肥為過磷酸鈣，鉀肥為硫酸鉀。小麥生育期內灌溉1～2次，玉米生育期灌溉2～4次，每次灌溉量為90 mm左右。收獲時除SNPK處理的玉米秸稈外，所有作物的地上部分全部移走。

1.3樣品的采集與指標測定

土壤樣品采集于2014年7月，每處理采集3個重復，土鉆直徑2.0 cm，每20 cm 1層取至300 cm，每重復取2個剖面，按層次合并混勻，裝入塑料袋后帶回實驗室，人工去除植物殘體等雜物，自然風干。風干土過孔徑0.15 mm篩，進行耕層土壤有機碳及剖面無機碳含量測定。

另外，用環(huán)刀(5 cm高、直徑7 cm)采集0～20 cm(每5 cm 為1層)土層原狀土，測定土壤容重；在20～100 cm土層中采用土壤容重鉆取樣測定土壤容重，采樣間距10 cm，容重鉆內的不銹鋼容重環(huán)內徑為5.06 cm，高6 cm。每個處理取3次重復。

土壤有機碳含量測定采用重鉻酸鉀容量法(外加熱)[14]，無機碳含量測定用吸收法[15-16]。

1.4無機碳儲量計算方法

土壤剖面無機碳儲量為各處理每層(20 cm)結果的加和，參考梁愛珍等[17]的方法, 每層碳儲量按以下公式計算：

SIC(20 cm)=2×BD×C。

(1)

式中：SIC(20 cm)為20 cm深度土層土壤無機碳儲量(kg/hm2)，BD為該層土壤容重(g/cm3)；C為該層土壤無機碳含量(g/kg)。

0～100 cm土層土壤容重采用實測結果，其中，0～20 cm土層用環(huán)刀采樣，每5 cm為1層；20～100 cm用容重鉆每10 cm按1層測定，每區(qū)3個點;100 cm以下土層土壤容重采用1990年試驗開始時的測定結果。

1.5數(shù)據(jù)處理與分析

試驗結果進行單因素方差分析，當方差分析顯著時，采用LSD法進行多重比較，顯著水平P<0.05，數(shù)據(jù)分析采用DPS v7.05軟件進行。

2　結果與分析

2.1長期不同管理措施及施肥條件下0～20 cm土層有機碳含量的變化

圖1為長期不同土壤管理措施及冬小麥-夏玉米輪作體系下不同施肥處理0～20 cm土層土壤有機碳含量結果。

圖 1　長期不同管理措施(A)及作物輪作體系下各施肥處理(B)0～20 cm土層的有機碳含量

不同土壤管理措施顯著影響土壤有機碳含量，長期撂荒與作物輪作體系有機碳含量相近，并顯著高于裸地休閑(圖1-A)。在作物輪作體系中，長期不施N或P(N、NK、PK)耕層有機碳含量與CK相近(圖1-B)。長期施用N、P化肥(NP、NPK) 耕層土壤有機碳含量顯著高于CK，而長期施用有機物并配合N、P、K化肥(SNPK、M1NPK、M2NPK) 土壤有機碳含量也顯著高于CK及其他化肥處理，而且有機物配合N、P、K化肥處理間差異顯著，土壤有機碳含量表現(xiàn)為M2NPK>M1NPK>SNPK。

2.2長期不同管理措施及施肥條件下0～300 cm土層無機碳含量的分布

圖2-A顯示，不同土壤管理措施0～300 cm土壤剖面無機碳含量的分布相似，均呈近似“S”曲線：0～40 cm土層無機碳含量較高，隨著土層深度的增加呈較快下降趨勢，在80～140 cm土層最低，之后隨土層深度增加又逐步升高，到160～180 cm土層達到最高值，之后隨土層深度增加呈緩慢下降趨勢。

從3種土壤管理措施下土壤剖面中無機碳含量的分布結果(圖2-A)可以看出，在耕層(0～20 cm)休閑處理顯著高于撂荒和作物輪作體系處理，在140～160 cm土層，撂荒處理顯著低于休閑和作物輪作體系處理，而其他土層3個處理間沒有顯著差異，不過總體而言撂荒處理土壤剖面無機碳的含量最低。

圖 2長期不同管理措施(A)及作物輪作體系下各施肥處理(B、C)0～300 cm土層中無機碳含量的分布

圖中線段“-”表示處理間差異達顯著水平(P<0.05)時的LSD值

Fig.2Distribution of soil inorganic carbon content in depth of 0-300 cm with different soil management regimes (A) and fertilization treatments under cropping (B,C) in the long-term experiment in loess soil

“-” represents LSD values atP<0.05 level between treatments

在作物輪作體系中，與CK相比，長期施用化肥顯著影響了部分土層無機碳含量，在40～60 cm土層，N處理土壤無機碳含量顯著低于其他處理；在120～140 cm土層，NP處理土壤無機碳含量顯著高于其他處理；在160～180 cm土層，NP和NPK處理顯著高于CK；在140～160 和220～260 cm土層，施肥處理均顯著高于CK。總體而言，施用化肥可以增加土壤中的無機碳含量(圖2-B)。

由圖2-C可見，長期高量有機肥配施NPK較CK或NPK顯著改變了土壤剖面無機碳含量的分布。在0～140 cm土層M2NPK處理無機碳含量最高，并且在80～140 cm土層顯著高于CK及其他處理，而在160～220 cm土層M2NPK處理無機碳含量低于CK及其他處理，至220～260 cm土層M2NPK處理顯著低于其他施肥處理。M1NPK處理與CK相比土壤無機碳含量的剖面分布沒有明顯的變化，在140～220 cm土層M1NPK處理無機碳含量低于CK，在220～300 cm土層，M1NPK處理卻高于CK。SNPK處理與CK相比0～140 cm土層無機碳含量分布沒有差異，而在下部土體的 140～160, 220～260 cm土層SNPK處理顯著高于CK(圖 2-C)。

2.3長期不同管理措施及施肥條件下土壤無機碳儲量的變化

圖3和圖4為長期不同土壤管理措施下0～300 cm土層無機碳儲量結果。由圖3可以看出，0～100 cm土層中，裸地休閑處理的無機碳儲量顯著高于作物輪作體系和撂荒處理，而后兩者之間沒有顯著差異。作物輪作體系下，M2NPK處理0～100 cm土層無機碳儲量最高，并顯著高于其他處理(圖3-B)；N處理的無機碳儲量最低，并顯著低于SNPK和M2NPK處理，其他處理之間沒有顯著差異。

圖 3　長期不同管理措施(A)及作物輪作體系下各施肥處理(B)0～100 cm土層中的無機碳儲量

圖 4　長期不同管理措施(A)及作物輪作體系下各施肥處理(B)0～300 cm土層中的無機碳儲量

不同土壤管理措施下，0～300 cm土層無機碳儲量測定結果(圖4-A)顯示，休閑處理顯著高于撂荒處理，而作物輪作體系與休閑或撂荒處理均沒有顯著差異。作物輪作體系中，施用化肥或秸稈還田配合NPK較CK均提高了土壤無機碳儲量，其中PK、NP、NPK及SNPK處理與CK之間差異均達到顯著水平；有機肥與NPK配施處理則降低了無機碳的儲量，而且顯著低于其他施肥處理。

另外，0～20 cm土層無機碳儲量平均占0～100 cm土層無機碳儲量的28.5%(變幅24.3%～31.6%)；0～100 cm土層無機碳儲量占0～300 cm土層的22.8%(變幅20.1%～28.2%)；100～200 cm土層無機碳儲量占0～300 cm土層的29.1%(變幅23.8%～31.9%)；200～300 cm土層無機碳儲量占0～300 cm土層的48.1%(變幅41.4%～51.5%)。由此看來，0～100 cm土層無機碳只有0～300 cm土層的1/5多些。

2.4長期不同管理措施及施肥條件下土壤有機碳含量與無機碳儲量之間的關系

基于耕層土壤有機碳是土壤有機碳的主體，本研究將不同深度土層土壤無機碳儲量與耕層土壤有機碳含量進行相關分析，來探討剖面土壤無機碳與土壤有機碳的關系。從圖5可以看出，耕層土壤(0～20 cm)無機碳儲量與有機碳含量之間沒有顯著的相關性(圖5-A)；0～100 cm土層無機碳儲量與耕層有機碳含量之間存在顯著的正相關關系(P<0.05)(圖5-B)；0～200 cm土層無機碳儲量與耕層有機碳含量之間無顯著相關關系(圖5-C)；但0～300 cm土層無機碳儲量與耕層有機碳含量之間存在顯著的負相關關系(P<0.1)(圖5-D)。

圖 5　長期不同管理措施下耕層(0～20 cm)有機碳含量與不同土層無機碳儲量的線性相關性

3　討　論

不論不同土壤管理措施還是作物輪作體系中，不同施肥模式土壤無機碳含量的剖面分布均呈類“S”形曲線，這與董燕婕等[11]報道的結果相似。無機碳在土壤剖面的分布是長期成土和農業(yè)耕作過程的結果，與降水(灌溉)引起的土壤碳酸鹽淋溶作用緊密相關。在降水(灌溉)進入土壤形成土壤水的過程中，與土壤中的二氧化碳和碳酸鈣生成可溶性的重碳酸鈣，從而將上層土壤中的碳酸鈣淋溶并帶到下層，并在土壤含水量降低后，重碳酸鈣脫水再生成碳酸鈣，導致碳酸鈣在土壤剖面的再分布[18-19]。加之，土婁土剖面中80～140 cm土層屬于粘化層，粘化層由于強烈的淋溶作用本身無機碳(碳酸鈣)含量就很少，因此也使得緊接著淋溶層的鈣積層無機碳含量較高。

在本研究中，長期作物輪作處理或自然撂荒處理較裸地休閑處理表層土壤無機碳含量顯著減少，這可能與土壤有機碳增加以及植物根系分泌有機酸導致無機碳分解有關。而自然撂荒處理土壤無機碳含量整體低于休閑或作物輪作體系處理，而且在140～160 cm土層顯著降低，這可能與撂荒條件下植物吸收土壤鈣素，而沒有外源鈣的投入，無機碳分解之后難于形成次生碳酸鈣有關。無機碳的這種分布特點也導致自然撂荒處理土壤無機碳儲量最低，而裸地休閑處理最高。與裸地休閑處理相比，作物輪作體系處理較裸地休閑處理僅降低了0～100 cm土層無機碳儲量，但沒有影響0～300 cm土層無機碳儲量，表明種植作物施肥僅可改變無機碳儲量的再分布。

本研究中，不同深度土層的無機碳儲量與耕層有機質含量的關系不同，其中0～100 cm土層土壤無機碳儲量與耕層有機質含量呈顯著正相關關系，而0～300 cm土層土壤無機碳儲量與耕層有機質含量呈負相關關系。此外，0～100 cm土層土壤無機碳儲量占0～300 cm土層無機碳儲量的22.8%，表明利用0～100 cm土層無機碳與有機碳的關系來說明有機碳向無機碳轉化不能真正反映二者的關系。楊學云等[23]在同一試驗地發(fā)現(xiàn)，施氮肥和施氮鉀肥處理硝態(tài)氮含量在土層深度為400 cm處有明顯累積。通過比較灌溉試驗和旱地試驗磷剖面分布特征，楊學云等[24]還發(fā)現(xiàn)，灌溉影響磷分布土層深度亦可達到3 m。這充分表明，即使在干旱半干旱地區(qū)，如果有灌溉條件，研究無機碳儲量僅限于1 m土體也有很大局限，甚至可能得出完全相反的結論。

4　結　論

土婁土長期撂荒、作物輪作處理耕層有機碳含量較裸地休閑處理明顯增加，在作物輪作體系下有機物和N、P、K配施的處理耕層有機碳含量顯著高于CK。土婁土長期撂荒處理無機碳儲量較裸地休閑處理明顯降低，而在作物輪作體系下施肥可以保持土壤無機碳儲量。冬小麥-夏玉米輪作體系長期施用N、P化肥及秸稈還田較不施肥可以顯著增加0～300 cm土層無機碳儲量，而有機肥與NPK配施可以降低0～300 cm土層無機碳儲量。表明在該區(qū)域灌溉條件下施用有機肥可以提高土壤有機質含量，但并不能同時提高土壤無機碳固存。在研究區(qū)探討無機碳與有機碳的關系時用0～300 cm土層土壤無機碳儲量進行分析，可以全面反映二者的關系。

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Effect of long-term soil management and fertilization on storage of soil inorganic carbon and its relationship with soil organic carbon content in plough layer of manual loess soil

YANG Wenjing,ZHANG Shulan,YANG Xueyun

(CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

【Objective】 The storages of soil organic carbon (SOC) and inorganic carbon (SIC) under soil management and fertilization were investigated.【Method】 This study was based on a 24-year long experiment (1990-2014) in manual loess soil.There were three soil management regimes,i.e.bare fallow (Fallow),cropland abandonment (Set aside),and winter wheat and summer maize rotation system (Cropping).Under Cropping, there were nine nutrient management regimes,i.e.un-amended (control,CK),nitrogen (N),nitrogen and potassium (NK),phosphorus and potassium (PK),nitrogen and phosphorus (NP),nitrogen,phosphorus and potassium (NPK),wheat/maize straw (S) with NPK (SNPK) and two dose of dairy manure (M) with NPK (M1NPK and M2NPK).A total of eleven treatments were included.The contents of SOC in plough layer and SIC in different depths were measured and the correlation between SIC stock in different soil depths and SOC content in plough layer (0-20 cm) was analyzed.【Result】 Set aside had significantly higher SOC content than Fallow in depth of 0-20 cm.Under Cropping system,the organic matter with N,P,and K fertilizers (SNPK,M1NPK,and M2NPK) had significant higher SOC contents than CK.Under different management and fertilization regimes,the distribution of SIC in soil profile of 0-300 cm showed the a “S” pattern.The content of SIC was high in topsoil (0-40 cm),then rapidly declined with the increase of soil depth and reached the lowest value at the depth of 80-140 cm before gradually increasing and reaching the maximum value at the depth of 160-180 cm.Fallow had significant higher SIC stock than Set aside and Cropping in the depth of 0-100 cm.Under cropping system,SIC stocks in depth of 0-100 cm in M2NPK treatment was significantly higher than others.Fallow had higher SIC stocks in depth of 0-300 cm soil than Set aside and SIC stocks in M1NPK and M2NPK treatments were significantly lower than other fertilizer treatments.The other fertilizer treatments increased SIC stocks in depth of 0-300 cm,and SIC stocks of PK,NP,NPK,and SNPK treatments were significantly higher than that of CK.SIC stocks in the depth of 0-100 cm were significantly and positively correlated with topsoil SOC content,while SIC stocks in the depth of 0-300 cm was negatively correlated with topsoil SOC content.【Conclusion】 It is suggested to use the soil layer of 0-300 cm for investigation of the relationship between SOC and SIC in arid and semiarid areas. Applying organic manure could increase SOC content in soil but could not increase SIC sequestration.

lou soil;long-term field experiment;soil organic carbon;soil inorganic carbon

時間:2016-08-0909:40DOI：10.13207/j.cnki.jnwafu.2016.09.011

2015-03-09

公益性行業(yè)(農業(yè))科研項目(201203030)

楊文靜(1990-)，女，山西壽陽人，碩士，主要從事農田物質循環(huán)與環(huán)境研究。 E-mail:wenjing2723@163.com

楊學云(1967-)，男，寧夏青銅峽人，研究員，博士，博士生導師，主要從事土壤肥力監(jiān)測與環(huán)境研究。

E-mail:xueyunyang@hotmail.com

S153.6+1

A

1671-9387(2016)09-0074-09

網絡出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20160809.0940.022.html