長(zhǎng)期定位施肥下灰漠土有機(jī)碳演變特征分析

王西和，蔣勱博，王志豪，劉驊

(新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所/綠洲養(yǎng)分與水土資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/國(guó)家灰漠土肥力與肥料效益監(jiān)測(cè)站，烏魯木齊 830091)

長(zhǎng)期定位施肥下灰漠土有機(jī)碳演變特征分析

王西和，蔣勱博，王志豪，劉驊

(新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所/綠洲養(yǎng)分與水土資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/國(guó)家灰漠土肥力與肥料效益監(jiān)測(cè)站，烏魯木齊 830091)

【目的】研究不同施肥管理措施下農(nóng)田土壤有機(jī)碳的變化規(guī)律，探明灰漠土有機(jī)碳含量提升及定向培育指標(biāo)。【方法】依托始于1990年的國(guó)家灰漠土肥力與肥料效益長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，分析耕層與剖面土壤有機(jī)碳(SOC)的動(dòng)態(tài)演變特征，擬合有機(jī)碳SOC(g/kg)與試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間t(a)的線型回歸方程，確定土壤有機(jī)碳變化的特征值?！窘Y(jié)果】耕層(0～20 cm)土壤有機(jī)碳含量與施肥年限間存在顯著相關(guān)性，配施有機(jī)肥(1.5NPKM、NPKM)和PK處理達(dá)極顯著相關(guān)；施用有機(jī)肥(1.5NPKM、NPKM)土壤有機(jī)碳的增加速率分別是秸稈還田(NPKS)的28.8和15.2倍。除NP處理表現(xiàn)為增碳外，其他施用化肥處理均表現(xiàn)為減碳。NK、NPK、N、PK處理土壤有機(jī)碳下降速率依次為0.024、0.027、0.031和0.059 g/(kg·a)?；夷劣袡C(jī)碳投入的平均轉(zhuǎn)化效率為23.6 %(線性方程：Ssoc= 0.236C-0.306(R2= 0.894，P< 0.001))，維持新疆灰漠土有機(jī)碳的碳投入量為1.3 t/(hm2·a)?！窘Y(jié)論】與不施肥或長(zhǎng)期施用化肥相比，在干旱區(qū)灰漠土采用有機(jī)無(wú)機(jī)配施固碳效應(yīng)顯著，其碳投入與土壤有機(jī)碳呈顯著線性正相關(guān)(P< 0.001)，增加土壤碳投入(有機(jī)肥或秸稈)仍然是提升或維持土壤肥力的主要措施。

長(zhǎng)期定位施肥；土壤有機(jī)碳；演變特征；有機(jī)碳儲(chǔ)量；固碳速率

0 引 言

【研究意義】農(nóng)田土壤有機(jī)碳庫(kù)是形成土壤肥力的基礎(chǔ)，也是土壤養(yǎng)分的載體和來(lái)源，對(duì)土壤的各種物理、化學(xué)、生物性狀和土壤肥力都具有深刻的影響。除此之外，土壤有機(jī)碳庫(kù)的變化與全球氣候變化也有著密切的聯(lián)系[1]。據(jù)估計(jì)，地球表面1 m土層中有機(jī)碳儲(chǔ)量可達(dá)1 500～2 000 Pg(1 Pg = 1015g)，其中，農(nóng)田土壤就貯存了約111～117 Pg的有機(jī)碳，占全球土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的10 %[2]，在全球陸地碳循環(huán)中發(fā)揮著重要的作用。因此，農(nóng)田土壤固碳與碳庫(kù)演變已成為自20世紀(jì)90年代以來(lái)，全球氣候變化和糧食安全研究的熱點(diǎn)科學(xué)問(wèn)題。新疆灰漠土區(qū)位于天山北坡經(jīng)濟(jì)帶，是重要的糧經(jīng)作物主產(chǎn)區(qū)，農(nóng)業(yè)和生態(tài)地位十分重要。開展灰漠土區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)碳演變規(guī)律研究，將施肥措施對(duì)有機(jī)碳的固持定量化，對(duì)于維持并提高農(nóng)田土壤肥力和生產(chǎn)力，促進(jìn)農(nóng)田固碳減排、保證糧經(jīng)作物生產(chǎn)與生態(tài)健康均具有重要的科學(xué)意義和實(shí)踐價(jià)值。【前人研究進(jìn)展】農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的施肥、耕作等農(nóng)業(yè)管理措施不僅直接改變了土壤肥力，影響了農(nóng)田的生產(chǎn)力及其穩(wěn)定性[3]，而且不合理的農(nóng)業(yè)管理措施引起的土壤有機(jī)碳庫(kù)損失和下降，已經(jīng)對(duì)全球環(huán)境和氣候變化產(chǎn)生了重要的影響[4-5]。文獻(xiàn)表明，土壤在由自然生態(tài)系統(tǒng)(包括林地和濕地)向農(nóng)田系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化過(guò)程中損失了大量的碳[6]。另外，人為的農(nóng)業(yè)管理措施，如施肥等，對(duì)農(nóng)田土壤有機(jī)碳庫(kù)具有較大的影響。采用合理有效的農(nóng)業(yè)管理措施，如有機(jī)無(wú)機(jī)配合施用、增加有機(jī)肥用量、秸稈粉碎還田等，亦或采用高效集約的農(nóng)作制度，均可以提高農(nóng)田土壤有機(jī)碳庫(kù)的水平。而通過(guò)制定合理的農(nóng)業(yè)管理措施，可將農(nóng)田土壤有機(jī)碳庫(kù)恢復(fù)到其之前損失量的50%～66%[6]。20世紀(jì)80年代中期以來(lái)，我國(guó)大部分農(nóng)田土壤有機(jī)碳庫(kù)出現(xiàn)了明顯的上升趨勢(shì)[7-9]，平衡施肥與配施有機(jī)肥、秸稈還田及免耕等農(nóng)業(yè)措施對(duì)其起到了積極作用[8]。這些措施不僅直接提高了作物的產(chǎn)量水平，而且也通過(guò)有機(jī)肥的大量施入增加了農(nóng)田系統(tǒng)的碳投入，進(jìn)而對(duì)農(nóng)田系統(tǒng)的碳循環(huán)產(chǎn)生了重要影響。研究表明，長(zhǎng)期施用有機(jī)肥土壤有機(jī)碳含量均可得到提升，有機(jī)質(zhì)(碳)含量每提高1 g/kg，作物的穩(wěn)產(chǎn)性提高10%～20%[7,10]，化肥與農(nóng)家肥或秸稈結(jié)合可使黃土旱地土壤有機(jī)碳增加330 kg/(hm2·a)[11]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】20多年來(lái)我國(guó)農(nóng)田土壤總有機(jī)碳呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，但關(guān)于我國(guó)灰漠土區(qū)不同施肥(化肥、有機(jī)肥、有機(jī)無(wú)機(jī)配施及秸稈還田)對(duì)農(nóng)田土壤有機(jī)碳的影響尚待進(jìn)一步研究。研究對(duì)灰漠土長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)26 a的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算及線性模擬的方法，比較不同施肥措施下土壤有機(jī)碳隨施肥時(shí)間的變化規(guī)律，探討有機(jī)碳投入與土壤有機(jī)碳變化的關(guān)系及有機(jī)碳儲(chǔ)量的變化?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】闡明不同施肥措施下灰漠土有機(jī)碳的隨施肥時(shí)間變化的速率，研究土壤有機(jī)碳隨時(shí)間變化的數(shù)學(xué)模型，定量農(nóng)田有機(jī)碳投入與土壤有機(jī)碳變化的關(guān)系，揭示土壤有機(jī)碳庫(kù)對(duì)系統(tǒng)投入的響應(yīng)，明確施肥對(duì)土壤有機(jī)碳庫(kù)提升的貢獻(xiàn)，為灰漠土農(nóng)田土壤有機(jī)碳庫(kù)穩(wěn)定與提升提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)土壤為灰漠土，主要發(fā)育在黃土狀母質(zhì)上。長(zhǎng)期定位肥料試驗(yàn)自1990年開始，并在1988～1989年進(jìn)行2年的勻地。勻地后耕層(0～20 cm)土壤基本理化性狀為：土壤有機(jī)質(zhì)含量15.2 g/kg，全氮0.868 g/kg，堿解氮55.2 mg/kg，全磷0.667 g/kg，有效磷3.4 mg/kg，全鉀23 g/kg，速效鉀288 mg/kg，緩效鉀1 764 mg/kg，pH 8.1，CEC 16.2 cmol(+)/kg，容重1.25 g/cm3。作物為一年一熟輪作制，，輪作作物為冬小麥-玉米-春小麥(棉花)，2009年以后將春小麥改種為棉花。

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

研究選擇其中9個(gè)處理作為研究對(duì)象：(1)不施肥(CK)；(2)氮(N)；(3)氮磷(NP)；(4)氮鉀(NK)；(5)磷鉀(PK)；(6)氮磷鉀(NPK)；(7)常量氮磷鉀+常量有機(jī)肥(NPKM)；(8)增量氮磷鉀+增量有機(jī)肥(1.5NPKM)；(9)氮磷鉀+秸稈還田(4/5NPK+S)。小區(qū)面積為468 m2，不設(shè)重復(fù)；小區(qū)間采用預(yù)制鋼筋水泥板埋深70 cm進(jìn)行隔離，地表露出10 cm，并加筑土埂，避免了小區(qū)間水肥竄滲現(xiàn)象。氮、磷、鉀化肥分別用尿素、磷酸二銨、三料磷肥和硫酸鉀，N∶P2O5∶K2O = 1∶0.6∶0.2；有機(jī)肥為干羊糞，含N 8.0 g/kg，P2O52.3 g/kg，K2O 3.0 g/kg；秸稈還田采用當(dāng)季作物的秸稈本田全部還田?？偟?0 %的氮肥及全部磷、鉀肥作為基肥施用，在播種前將基肥均勻撒施地表，深翻后播種；40 %的氮肥根據(jù)作物不同，分2～4次追肥。有機(jī)肥(羊糞)每年施用一次，每年作物收獲后均勻撒施深翻，秸稈是利用當(dāng)季作物收獲后的全部秸稈粉碎撒施后深翻。表1，2

長(zhǎng)期試驗(yàn)的玉米品種為SC704、新玉7號(hào)、中南9號(hào)，5月上旬播種，播種量為45 kg/hm2，于9月下旬收獲；棉花品種新陸早系列，4月中下旬播種，播種量為60～75 kg/hm2，9月中旬開始收獲；春麥品種為新春2號(hào)、新春8號(hào)，4月上旬播種，播種量為390 kg/hm2，7月下旬收獲；冬小麥品種分別為新冬17號(hào)、新冬18號(hào)和新冬19號(hào)，播種量為375 kg/hm2，9月下旬播種，翌年7月中旬收獲；棉花品種主要為伊陸早7號(hào)，4月中下旬播種，9月底開采。

1.2.2 樣品采集

在作物成熟期分層采集0～20 cm、20～40 cm環(huán)刀樣測(cè)定土壤容重，為減少對(duì)試驗(yàn)地土層的擾動(dòng)，40 cm以下容重的測(cè)定采取在相鄰的地塊挖掘剖面進(jìn)行分層測(cè)定。

土壤有機(jī)質(zhì)的樣品采集，在每季作物收獲后用不銹鋼土鉆取土壤樣品，每小區(qū)取樣10個(gè)點(diǎn)混合成一個(gè)樣，取樣深度0～20 cm、20～40 cm，取樣后立即風(fēng)干保存，并取部分土樣磨細(xì)過(guò)篩，供測(cè)試分析用。2009年測(cè)試剖面(0～100 cm)土壤有機(jī)質(zhì)時(shí)，在采樣中將試驗(yàn)小區(qū)劃分為三個(gè)亞區(qū)，每個(gè)亞區(qū)五個(gè)樣點(diǎn)的土樣進(jìn)行混合。土壤有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀容量法進(jìn)行測(cè)試，土壤有機(jī)碳通過(guò)有機(jī)質(zhì)含量除以轉(zhuǎn)換系數(shù)1.724計(jì)算而得。

表1 試驗(yàn)處理及施肥量(1990～1994年)

Table 1 The design of treatment and quantity of fertilization (1990-1994)

肥料Fertilizer1.5NPKMNPKNPKMCKNKNNPPKNPKS干羊糞(t/hm2)Sheepmanure60.0030.0000000N(kg/hm2)59.699.429.8099.499.499.4089.4P2O5(kg/hm2)40.066.920.000066.966.956.1K2O(kg/hm2)16.523.18.25023.10023.120.8

表2 試驗(yàn)處理及施肥量(1994年以后)

Table 2 The design of treatment and quantity of fertilization (After 1994)

肥料Fertilizer1.5NPKMNPKNPKMCKNKNNPPKNPKS干羊糞(t/hm2)Sheepmanure60.0030.0000000N(kg/hm2)151.8241.584.90241.5241.5241.50216.7P2O5(kg/hm2)90.4138.051.4000138.0138.0116.6K2O(kg/hm2)19.061.912.4061.90061.952.0

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

有機(jī)碳儲(chǔ)量(C t /hm2) = ΣSOCi×Di×Hi× 10-1，式中：SOCi為第i層有機(jī)碳含量(g/kg)；Di為第i層土壤容重(g/cm3)；Hi為第i層的土壤厚度(cm)；i表示土層。

數(shù)據(jù)采用Excel 2007和SPSS 16.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，處理間顯著性檢驗(yàn)用LSD法。

2 結(jié)果與分析

2.1 長(zhǎng)期定位施肥土壤有機(jī)碳的演變規(guī)律

土壤有機(jī)碳(Soil Organic Carbon；SOC)是組成有機(jī)質(zhì)的核心物質(zhì)，土壤有機(jī)碳含量的高低，一般取決于土壤有機(jī)物質(zhì)的年礦化量、輸入量和輸出量，是評(píng)價(jià)土壤肥力條件的一個(gè)重要指標(biāo)。對(duì)灰漠土土壤有機(jī)碳含量與施肥年限(26 a)的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析表明，在新疆灰漠土長(zhǎng)期定位施肥條件下，不同施肥措施0～20 cm土壤有機(jī)碳含量的變化趨勢(shì)明顯，且土壤有機(jī)碳的積累過(guò)程符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程。圖1

圖1 不同施肥處理下耕層(0～20 cm)土壤有機(jī)碳含量的變化(1989～2014年)

Fig.1 Different fertilization treatments in topsoil changes in SOC content (1989-2014)

因此，試驗(yàn)期間不同施肥措施下，土壤有機(jī)碳年變化速率的計(jì)算方法，采用土壤有機(jī)碳SOC(g/kg)與試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間t(a)的線型回歸方程進(jìn)行擬合，線性方程的斜率a即為土壤有機(jī)質(zhì)的年均變化速率(g/(kg·a))，b為土壤有機(jī)碳的年分解速率(g/(kg·a))，方程式為：

SOC=at+b.

對(duì)土壤有機(jī)碳含量與施肥年限間的擬合直線分析表明，1.5NPKM、NPKM、PK處理土壤有機(jī)碳含量與施肥年限之間的線性擬合度達(dá)極顯著正相關(guān)(P< 0.01)，NK、N處理為呈負(fù)相關(guān)(P< 0.01)，NPKS、NPK、NP、CK處理各呈線性相關(guān)。表3

隨著施肥年限的延長(zhǎng)，不施肥(CK)處理，土壤有機(jī)碳呈下降趨勢(shì)，下降速率為0.022 g/(kg·a)。配施有機(jī)肥(1.5NPKM、NPKM)處理土壤有機(jī)碳含量持續(xù)增加，增加速率分別為0.605和0.319 g/(kg·a)。配施秸稈還田(NPKS)處理土壤有機(jī)碳含量較穩(wěn)定并有增加趨勢(shì)為0.021 g/(kg·a)，但在1989～2000年的前11年，其有機(jī)碳增加速率為0.015 g/(kg·a)，從2001～2014年的14年間，有機(jī)碳以0.065 g/(kg·a)的速率大幅度增加，增加速率是前一階段的4.3倍，說(shuō)明長(zhǎng)期秸稈還田對(duì)提高土壤有機(jī)碳含量效果明顯。而施用有機(jī)肥(1.5NPKM、NPKM)土壤有機(jī)碳的增加速率，分別是秸稈還田(NPKS)的28.8和15.2倍，有機(jī)肥施用量越大，土壤有機(jī)碳累積量也越高。因此，配施有機(jī)肥對(duì)提高土壤有機(jī)碳含量的效果顯著優(yōu)于秸稈還田。

單施化肥條件下，土壤有機(jī)碳含量變化較緩慢，NP處理土壤有機(jī)碳有增加趨勢(shì)，速率為0.015 g/(kg·a)；其他處理(NPK、NK、N、PK)均呈下降趨勢(shì)，下降速率分別為0.027、0.024、0.031和0.059 g/(kg·a)，下降速率大小依次分為PK > N > NPK > NK，且下降速率均大于CK處理；PK處理有機(jī)碳下降速率分別是N、NPK、NK、CK處理的1.9、2.2、2.4和2.7倍，說(shuō)明，不施氮肥或不施肥，增加了土壤中氮素的消耗從而加大了有機(jī)質(zhì)的礦化，減少了有機(jī)質(zhì)的累積。 表3

表3 灰漠土有機(jī)碳含量(SOC)與試驗(yàn)?zāi)晗?t)的相關(guān)性

Table 3 Correlation between SOC content and test years (t) of gray desert soil

注：表中r為線性相關(guān)系數(shù)，n為樣本數(shù)Note: in the table, the r is the linear correlation coefficient, and the n is the sample number

2.2 長(zhǎng)期施肥下灰漠土有機(jī)碳循環(huán)特征

農(nóng)田系統(tǒng)有機(jī)碳的投入，從來(lái)源來(lái)分，主要包括2個(gè)來(lái)源：系統(tǒng)碳投入=作物來(lái)源(根系及分泌物+殘茬)+有機(jī)肥來(lái)源。作物來(lái)源的有機(jī)碳投入計(jì)算公式如下：

Cinput=((Yg+Ys)×R×Dr+Rs×Ys)×(1-W)×Ccrop.

其中，Yg為作物(小麥、玉米、棉花)籽粒產(chǎn)量(kg/hm2)，Ys為秸稈產(chǎn)量(kg/hm2)。R為作物光合作用進(jìn)入地下部分的碳的比例，小麥為30%、玉米為26%，棉花29%；Dr為作物根系生物量平均分布在耕層(0～20 cm)的比例，小麥為73.5%、玉米為85.1%、棉花實(shí)測(cè)平均為75.3%。Rs為作物收割后農(nóng)田留茬占秸稈的比例，其中小麥不施肥處理留茬系數(shù)為18.3 %，其余處理為13.1%；玉米收獲后，所有處理的留茬系數(shù)為3.0 %；棉花取實(shí)測(cè)平均值為28.0%。W為作物風(fēng)干樣的含水量，取值為14%。Ccrop為作物含碳量，其中，小麥烘干基含碳量平均取值為399 g/kg，玉米烘干基含碳量平均取值為444 g/kg，棉花烘干基含碳量平均取值為382 g/kg。

有機(jī)肥碳(C t/hm2)=188 g/kg×(1 -G%)×施用羊糞鮮基重/1 000。其中G%為實(shí)測(cè)羊糞含水量；188 g/kg為實(shí)測(cè)羊糞含碳量。

土壤有機(jī)碳的變化速率(C t/hm2·a)=土壤有機(jī)碳的平均變化速率(g/(kg·a))×土壤容重ρb(g/cm3)×667 m2×15×耕層厚度D(cm)×10-5。

相關(guān)性分析表明， 灰漠土有機(jī)碳變化速率與系統(tǒng)總有機(jī)碳投入之間呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)關(guān)系(R2=0.894，P<0.001)。灰漠土有機(jī)碳變化速率隨有機(jī)碳投入的增加而增加，表明灰漠土仍具有一定的固碳潛力。灰漠土有機(jī)碳的變化速率與有機(jī)碳投入的關(guān)系可以用直線線性方程表示：Ssoc=0.236C-0.306，式中C代表有機(jī)碳投入量；方程的斜率表示有機(jī)碳投入量增加或減少一個(gè)單位時(shí)，土壤有機(jī)碳產(chǎn)生相應(yīng)變化的程度，即投入有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化率；直線在X軸上的截距表示當(dāng)土壤的有機(jī)碳不在發(fā)生變化是，即投入和分解達(dá)到平衡時(shí)，所需的維持投入量。由線性方程可知，系統(tǒng)有機(jī)碳投入的平均轉(zhuǎn)化效率為23.6 %，維持新疆灰漠土系統(tǒng)土壤有機(jī)碳的碳投入量為1.3 t/(hm2·a)，土壤有機(jī)碳的年分解速率0.306 t/(hm2·a)，進(jìn)一步分析表明，灰漠土每年輸入5.53 t/hm2外源有機(jī)碳，每年約可增加1.00 t/hm2的農(nóng)田土壤有機(jī)碳。圖2

圖2 耕層(0～20 cm)土壤有機(jī)碳變化率與有機(jī)碳投入的關(guān)系

Fig.2 The relationship between the rate of SOC in topsoil and organic carbon inputs

2.3 土壤剖面有機(jī)碳儲(chǔ)量的變化

灰漠土施肥20年后，0～100 cm土層有機(jī)碳儲(chǔ)量與試驗(yàn)起始值相比(1989年)，配施有機(jī)肥處理有了顯著提高(P<0.05)，1.5NPKM和NPKM處理，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量分別提高了40.6和9.2 t/hm2。N、NP、NPK、NPKS處理，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量略有下降，下降幅度為6.7～18.4 t/hm2。不施肥(CK)處理，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量下降了18.6 t/hm2，其下降幅度最大，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量最小。說(shuō)明單施化肥與秸稈還田均不能維持灰漠土0～100 cm土層中的有機(jī)碳儲(chǔ)量。圖3

注：不同字母表示不同處理間差異達(dá)5%顯著水平

Note: The different letters on the column indicate that the differences between different treatments reached 5% significant level

圖3 施肥20 a后(2009年)灰漠土0～100 cm的有機(jī)碳儲(chǔ)量(t/hm2)

Fig.3 Organic carbon storageof 0-100 cm in grey desert soil20 years after fertilization (2009)

3 討 論

農(nóng)田土壤現(xiàn)存有機(jī)碳水平因管理措施不同，從而表現(xiàn)出差異性，其根本原因?yàn)榉?、中耕等耕作措施擾動(dòng)了土壤結(jié)構(gòu)，使土壤的通透性得到改善，從而增強(qiáng)了土壤的呼吸作用，促進(jìn)了土壤有機(jī)碳的分解。另外，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形勢(shì)的改變，傳統(tǒng)的土雜肥、堆漚肥等農(nóng)家肥已很少施用，導(dǎo)致有機(jī)物料投入嚴(yán)重不足，相反的做法卻是作物秸稈的清除或焚燒，以至于農(nóng)田系統(tǒng)有機(jī)物的歸還量急劇減少，土壤有機(jī)碳的損失得不到外源碳的補(bǔ)償，是導(dǎo)致土壤有機(jī)碳下降的主要因素。美國(guó)有耕地面積為1.7 × 108hm2，占其國(guó)土面積19%，據(jù)估算，土地農(nóng)用已導(dǎo)致其農(nóng)田土壤有機(jī)碳損失達(dá)50×109t之多[12]。據(jù)黃耀等[13]研究表明, 近20 a來(lái)，我國(guó)耕作土壤的有機(jī)碳呈現(xiàn)較為明顯的增加趨勢(shì)，大約增加311～401 TgC。其增加原因可能是20世紀(jì)80年代后期，我國(guó)政府出臺(tái)了相應(yīng)的農(nóng)田保護(hù)措施，如配施有機(jī)肥、化肥平衡施用、秸稈還田、少耕或免耕等技術(shù)的推廣，極大促進(jìn)了農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量的增加[14]。而張旭博等[15]的研究認(rèn)為，21世紀(jì)末期我國(guó)農(nóng)田土壤有機(jī)碳庫(kù)含量和1980年相比，將會(huì)下降10%左右，但如果及時(shí)采取有效的管理措施，可抑制農(nóng)田土壤碳庫(kù)的降低，甚至能夠提高。如果農(nóng)田系統(tǒng)碳投入能夠以每年1%的速度增加，我國(guó)土壤碳庫(kù)將會(huì)在21世紀(jì)末增加2倍?？梢?jiàn)，農(nóng)田土壤碳庫(kù)的增加或減少，源、匯功能的轉(zhuǎn)變，與農(nóng)業(yè)管理措施密不可分。

灰漠土是我國(guó)西北干旱區(qū)具有代表性的地帶性土壤類型，80%以上分布在新疆境內(nèi)。目前，秸稈還田仍是農(nóng)田碳投入的主要措施，試驗(yàn)結(jié)果顯示秸稈還田能維持土壤有機(jī)碳，這與我國(guó)其他區(qū)域存在差異。鄧祥征等[16]認(rèn)為，實(shí)施秸稈還田措施對(duì)土壤有機(jī)碳的增匯效應(yīng)具有顯著的空間分異特征，黃淮海區(qū)、長(zhǎng)江中下游區(qū)、華南區(qū)和西南區(qū)的增匯效果表現(xiàn)突出。李金全等[17]研究發(fā)現(xiàn)，水田耕層土壤有機(jī)碳含量(18.26 ± 7.06) g/kg顯著高于旱地土壤(11.63 ± 5.65) g/kg(P< 0.001)。旱作農(nóng)田區(qū)，作物種類對(duì)土壤有機(jī)碳含量無(wú)顯著影響(P= 0.37)；在pH<7的酸性土壤中，土壤有機(jī)碳含量與pH之間沒(méi)有顯著相關(guān)性；而在土壤pH>7的條件下，土壤有機(jī)碳含量與pH之間呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。因此，為了防止土壤有機(jī)碳由溫室氣體的吸收庫(kù)向排放源的轉(zhuǎn)化，應(yīng)用土地利用方式制定適宜的和長(zhǎng)期的規(guī)劃，加強(qiáng)土地利用管理，有效平衡用地矛盾，制定合理的輪作制度，通過(guò)改變種植作物的類型來(lái)增加秸稈對(duì)農(nóng)田的有機(jī)碳投入，實(shí)現(xiàn)耕地的用養(yǎng)結(jié)合，加強(qiáng)不同自然區(qū)域作物秸稈還田對(duì)土壤有機(jī)碳演變的研究，加大對(duì)秸稈還田的扶持力度，鼓勵(lì)增施有機(jī)肥，對(duì)施用有機(jī)肥進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)貼。

長(zhǎng)期定位肥料試驗(yàn)當(dāng)年的監(jiān)測(cè)的有機(jī)碳結(jié)果，只表示當(dāng)季有機(jī)碳平衡與穩(wěn)定，多年的監(jiān)測(cè)結(jié)果才能夠真實(shí)地反應(yīng)出土壤有機(jī)碳的累積效應(yīng)。柳影等[18]對(duì)長(zhǎng)期不同施肥條件下黑土的有機(jī)質(zhì)含量變化特征的研究認(rèn)為，長(zhǎng)期不施肥或單施化肥土壤有機(jī)碳含量呈下降趨勢(shì)；李渝等[19]對(duì)長(zhǎng)期施肥對(duì)黃壤性水稻土耕層有機(jī)碳平衡特征的研究表明，不施肥和施用化肥處理的有機(jī)碳表現(xiàn)為虧缺；黃晶等[20]對(duì)長(zhǎng)期施肥下紅壤性水稻土有機(jī)碳儲(chǔ)量變化的研究表明，連續(xù)30 a的不同施肥，各處理(PKM、NKM、NPM、M、NPK、NPKM)土壤有機(jī)碳含量均趨于穩(wěn)定，土壤有機(jī)碳含量的增加趨勢(shì)在初期較快，但6 a后逐漸趨于穩(wěn)定。

試驗(yàn)單施化機(jī)肥(NPK、NK、N、NP)土壤有機(jī)碳年均變幅較小(0.2%～0.3 %)，有機(jī)碳與試驗(yàn)?zāi)晗薜臄M合曲線斜率也較小，且為負(fù)值，也表明了呈現(xiàn)出緩慢下降趨勢(shì)。

4 結(jié) 論

長(zhǎng)期定位施肥下，灰漠土有機(jī)碳投入量與土壤有機(jī)碳變化速率呈顯著直線相關(guān)性，有機(jī)碳投入的平均轉(zhuǎn)化效率為23.6 %，維持新疆灰漠土農(nóng)田系統(tǒng)土壤有機(jī)碳的碳投入量為1.3 t/(hm2·a)，土壤有機(jī)碳的年均分解速率0.306 t/(hm2·a)；長(zhǎng)期配施有機(jī)肥(1.5NPKM)能有效增加灰漠土有機(jī)碳的積累，土壤有機(jī)碳的年均增加速率為0.605 g/(kg·a)，顯著提高土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，在1 m土體上的有機(jī)碳儲(chǔ)量提高了40.6 t/hm2；長(zhǎng)期單施化肥不能提高土壤有機(jī)碳含量，尤其是不施氮肥，土壤有機(jī)碳下降較明顯，單施化肥土壤有機(jī)碳年均下降速率為0.3 g/(kg·a)，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量下降幅度在6.7～18.4 t/hm2。因此，長(zhǎng)期配施有機(jī)肥和秸稈還田是提高和維持土壤肥力的有效措施。

References)

[1] Zhang, X., Xu, M., Sun, N., Xiong, W., Huang, S., & Wu, L. (2016). Modelling and predicting crop yield, soil carbon and nitrogen stocks under climate change scenarios with fertiliser management in the north China plain.Geoderma, (265):176-186.

[2] Paustian, K., Andren, O., Janzen, H., Lal, R., Tian, G., & Tiessen, H., et al.(1997).Agricultural soil as a carbon sink to offset Co2emissions.SoilUseandManagement, (13):230-244.

[3] Hutchinson, J. J., Campbell, C. A., & Desjardins, R. L. (2007). Some perspectives on carbon sequestration in agriculture.Agricultural&ForestMeteorology, 142(s 2-4):288-302.

[4] Lal, R. (2004). Soil carbon sequestration impacts on global climate change and food security.Science, 304(5677):1,623-1,627.

[5] Sommer, R., & Bossio, D. (2014). Dynamics and climate change mitigation potential of soil organic carbon sequestration.JournalofEnvironmentalManagement, 144(21):83-87.

[6] Lal, R. (2004). Soil carbon sequestration to mitigate climate change.Geoderma, 123(1-2):1-22.

[7] 潘根興,趙其國(guó). 我國(guó)農(nóng)田土壤碳庫(kù)演變研究:全球變化和國(guó)家糧食安全[J]. 地球科學(xué)進(jìn)展,2005,20(4):384-392.

PAN Gen-xing, ZHAO Qi-guo. (2005). Study on evolution of organic carbon stock in agricultural soil of china: facing the challenge of global change and food security [J].AdvancesinEarthScience, 20(4):384-392.(in Chinese)

[8] Liu, S., Huang, D., Chen, A., Wei, W., Brookes, P. C., & Li, Y., et al. (2014). Differential responses of crop yields and soil organic carbon stock to fertilization and rice straw incorporation in three cropping systems in the subtropics.AgricultureEcosystems&Environment, 184(1):51-58.

[9] Thomson, A. M., Izaurralde, R. C., Rosenberg, N. J., & He, X. (2006). Climate change impacts on agriculture and soil carbon sequestration potential in the Huanghai plain of China.AgricultureEcosystems&Environment, 114(2-4):195-209.

[10] 徐明崗，梁國(guó)慶，張夫道,等. 中國(guó)土壤肥力演變[M]. 北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社,2006.

XU Ming-gang, LIANG Guo-qin, ZHANG Fu-dao, et al. (2006).China'sevolutionofsoilfertility[M]. Beijing:China Agricultural Science and Technology Press.. (in Chinese)

[11] Fan, T., B.A. Stewart, Wang, Y., Luo, J., & Zhou, G. (2005). Long-term fertilization effects on grain yield, water-use efficiency and soil fertility in the dryland of loess plateau in china.AgricultureEcosystems&Environment, 106(4):313-329.

[12] Lal, R., Follett, R. F., Kimble, J., & Cole, C. V. (1999). Managing u.s. cropland to sequester carbon in soil.JournalofSoil&WaterConservation, 54(1):374-381.

[13] 黃耀,孫文娟. 近20年來(lái)中國(guó)大陸農(nóng)田表土有機(jī)碳含量的變化趨勢(shì)[J]. 科學(xué)通報(bào),2006,51(7):750 -763.

HUANG Yao, SUN Wen-juan. (2006).The past 20 years the trend in mainland China farmland topsoil organic carbon content [J].ChineseScienceBulletin, 51(7):750-763. (in Chinese)

[14] 梁二,蔡典雄,代快,等. 中國(guó)農(nóng)田土壤有機(jī)碳變化: I驅(qū)動(dòng)因素分析[J]. 中國(guó)土壤與肥料,2010,(6):80-86.

LIANG Er, CAI Dian-xiong, DAI Kuai, et al. (2010). Changes in soil organic carbon in croplands of China: I Analysis of driving forces [J].SoilandFertilizerSciencesinChina, (6):80-86. (in Chinese)

[15] 張旭博,孫楠,徐明崗,等. 全球氣候變化下中國(guó)農(nóng)田土壤碳庫(kù)未來(lái)變化[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),2014,47(23):4 648-4 657.

ZHANG Xu-bo, SUN Nan, XU Ming-gang, et al. (2014). Soil organic carbon in agricultural soils in China under global climate change [J].ScientiaAgriculturaSinica, 47(23):4,648-4,657. (in Chinese)

[16] 鄧祥征,韓健智,王小彬,等. 免耕與秸稈還田對(duì)中國(guó)農(nóng)田土壤有機(jī)碳貯量變化的影響[J]. 中國(guó)土壤與肥料,2010,(6):22-28.

DENG Xiang-zheng, HAN Jian-zhi, WANG Xiao-bin, et al. (2010). Effect of no-tillage and crop residue return on soil organic carbon dynamics of cropland in China [J].SoilandFertilizerSciencesinChina, (6):22-28. (in Chinese)

[17] 李金全,李兆磊,江國(guó)福,等. 中國(guó)農(nóng)田耕層土壤有機(jī)碳現(xiàn)狀及控制因素[J]. 復(fù)旦學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,55(2):247-266.

LI Jin-quan, LI Zhao-le, JIANG Guo-fu, et al. (2016). A study on soil organic carbon in ploughLayer of China?s Arable Land [J].JournalofFudanUniversity(Natural Science), 55(2):247-266. (in Chinese)

[18] 柳影,彭暢,張會(huì)民,等. 長(zhǎng)期不同施肥條件下黑土的有機(jī)質(zhì)含量變化特征[J]. 中國(guó)土壤與肥料,2011,(5):7-11.

LIU Ying, PENG Chang, ZHANG Hui-min, et al. (2011). Dynamic change of organic matter in the black soil under long-term fertilization [J].SoilandFertilizerSciencesinChina, (5):7-11. (in Chinese)

[19] 李渝,羅龍?jiān)?何昀昆,等. 長(zhǎng)期施肥對(duì)黃壤性水稻土耕層有機(jī)碳平衡特征的影響[J]. 西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2014,27(6):2 428-2 431.

LI Yu, LUO Long-zao, HE Yun-kun, et al. (2014). Effects of long-term fertilizations on soil organic carbon balance in paddy soil from yellow earth [J].SouthwestChinaJournalofAgriculturalSciences, 27(6):2,428-2,431. (in Chinese)

[20] 黃晶,張楊珠,高菊生,等. 長(zhǎng)期施肥下紅壤性水稻土有機(jī)碳儲(chǔ)量變化特征[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2015,26(11):3 373-3 380.

HUANG Jing, ZHANG Yang-zhu, GAO Ju-sheng, et al. (2015).Variation characteristics of soil carbon sequestration under long-term different fertilization in red paddy soil [J].ChineseJournalofAppliedEcology, 26(11):3,373-3,380. (in Chinese)

Fund project:Supported by Key Projects in the National Science & Technology Pillar Program during the Twelfth Five-year Plan Period. (2012BAD42B02)

Evolution Analysis of Soil Organic Carbon Characteristics by Long-term Fertilization in a Grey Desert Soil

WANG Xi-he, JIANG Mai-bo, WANG Zhi-hao, LIU Hua

(ResearchInstituteofSoil,FertilizerandAgriculturalWaterConservation/keyLaboratoryofOasisNutrientAndEfficientUtilizationofWaterandSoilResources,XinjiangAcademyofAgriculturalSciences/NationalGrayDesertSoilFertilityandFertilizerEffectMonitoringStation,Urumqi830091,China)

【Objective】 To study the effect of long-term different fertilization regimes on soil organic carbon (SOC) and the sequestration rate of SOC.【Method】A long-term experiment was conducted using various fertilizations from 1990 to 2014 in wheat (Triticumaestivium) and maize (Zeamays) crop rotation system in grey desert soil. Using undisturbed soil samples from the surface and subsurface layers, we explored the sequestration rate of SOC. Regression analyses were used to test the relationships between the contents of SOC and the time series.【Result】Results showed that the C concentrations in the surface layers (0-20 cm) were significantly correlated with the time series by fertilization under 1.5NPKM, NPKM, and PK treatments. Compared to NPKS treatment, the C sequestration rates under manure added treatment (1.5NPKM and NPKM) were 28.8 and 15.2 times, respectively. The annual C decreasing rates under NK, NPK, N and PK treatments were 0.024 g/(kg·a), 0.027 g/(kg·a), 0.031 g/(kg·a) and 0.059 g/(kg·a), respectively aside from NP treatment. In addition, the C sequestration rate was 23.6 % from the exogenous C input (linear equations:Ssoc= 0.236C-0.306,R2= 0.894，P< 0.001), and the carbon input was 1.3 t/(hm2·a) in order to sustain the level of SOC in grey desert soils.【Conclusion】Compared to CK and mineral fertilizer added treatments, increasing carbon input (manure or straw returned) was significantly positively correlated with SOC sequestration (P< 0.001). Thus, increasing exogenous C input (manure or straw returned) plays a key role in C sequestration and improving soil fertility in the grey desert soil area.

long-term fertilization; soil organic carbon; evolution characteristics; soil organic carbon storage；C sequestration rate

2016-08-15

新疆維吾爾自治區(qū)自然科學(xué)基金項(xiàng)目“長(zhǎng)期施肥下新疆灰漠土有機(jī)碳庫(kù)演變特征與固碳潛力”(2012211B43)

王西和(1981-)，男，安徽阜陽(yáng)人，副研究員，研究方向?yàn)檗r(nóng)田土壤肥力演變，(E-mail)wxh810701@163.com

劉驊(1961-)，女，安徽人，研究員，研究方向?yàn)橥寥婪柿Γ?E-mail)liuhualh@sohu.com

10.6048/j.issn.1001-4330.2016.12.018

S158.3；S156.6

：A

：1001-4330(2016)12-2299-08