長期施肥對黃壤性水稻土有機碳礦化的影響*

郭 振 王小利? 段建軍 焦克強 孫沙沙 段英華張雅蓉 李 渝 蔣太明

（1 貴州大學農(nóng)學院，貴陽 550025）

（2 貴州大學煙草學院/貴州省煙草品質(zhì)研究重點實驗室，貴陽 550025）

（3 中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/耕地培育技術(shù)國家工程實驗室，北京 100081）

（4 農(nóng)業(yè)部貴州耕地保育與農(nóng)業(yè)環(huán)境科學觀測實驗站，貴陽 550006）

土壤有機碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫［1］，其微小程度的變化均將影響碳向大氣的排放，進而影響陸地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能［2］。而土壤有機碳礦化作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中重要的生物化學過程，與土壤中養(yǎng)分元素的維持和溫室氣體的形成密切相關，其釋放CO2速率的高低及動態(tài)變化過程也是反映土壤質(zhì)量變化的重要指標［3-4］。土壤有機碳礦化受土壤水分［5］、土壤溫度［6］、土壤質(zhì)地［7］和外源物料［8-9］等多種因素的綜合影響。長期定位試驗由于克服了氣候、年際變化等對肥效的影響，結(jié)果更為準確，因此，通過長期定位試驗來研究施肥對有機碳礦化的影響更具說服力［10］。目前，國內(nèi)外學者已在長期施肥對土壤有機碳礦化的影響方面開展了大量的研究：在東北黑土的長期定位施肥試驗中，苗淑杰等［11］認為，單施化肥、單施有機肥和有機無機肥配施的處理均可顯著提高土壤有機碳的礦化速率和累積礦化量。劉麗等［12］卻發(fā)現(xiàn)單施化肥對黑土有機碳的累積礦化量并無顯著性影響。Wagai等［13］研究也表明化肥的施用對CO2排放的影響不顯著。李夢雅等［14］在紅壤上的研究表明，長期施用有機肥或者有機無機肥配施顯著地影響了土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)，提高了微生物的活性，從而促進了微生物對土壤有機碳的礦化，其有機碳礦化釋放的CO2量較施用化肥明顯提高，與張旭博等［15］的研究結(jié)果一致。Ginting等［16］則認為，長期施用有機肥是通過影響碳的轉(zhuǎn)化過程來影響土壤CO2的排放。吳萌等［10］對重慶紫色土的研究表明，與不施肥處理相比，長期施用氮磷鉀肥和秸稈還田配施化肥加快了有機碳的周轉(zhuǎn)速率，提高了土壤有機碳的累積礦化量。Li等［17］研究表明，土壤有機碳礦化釋放CO2的強度與有機物的輸入和土壤有機碳的含量有關。

綜上，關于長期施肥對土壤有機碳礦化的影響研究雖有報道，但主要集中在黑土、紅壤和紫色土等土壤上，而對西南地區(qū)黃壤性水稻土有機碳礦化的研究較少。本研究以貴州黃壤稻田22年長期定位施肥試驗為依托，通過室內(nèi)培養(yǎng)、堿液吸收法結(jié)合一級動力學方程擬合，揭示長期不同施肥處理下黃壤性水稻土有機碳礦化的動態(tài)變化規(guī)律，為預測土壤有機碳庫平衡提供數(shù)據(jù)參考，并明確黃壤區(qū)域最佳施肥模式。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

長期試驗地位于貴州省貴陽市小河區(qū)貴州省農(nóng)業(yè)科學院內(nèi)（106°39′52′′E，26°29′49′′N），地處黔中丘陵區(qū)，屬亞熱帶季風氣候，平均海拔1 071 m，年均氣溫15.3℃，年均日照時數(shù)1 354 h左右，相對濕度75.5%，全年無霜期270 d左右，年降水量1 100～1 200 mm。試驗地為黃壤性水稻土（富鋁常濕富鐵土），成土母質(zhì)為三疊系灰?guī)r與砂頁巖風化物。該長期定位試驗始于1995年，2002—2006年由于試驗基地灌溉設施損毀，無法滿足水稻種植，改種玉米。其他時間種植水稻品種如下：金麻粘（1993—1998年）、農(nóng)虎禾（1999—2001年）、香兩優(yōu)875（2007—2008年）、汕優(yōu)聯(lián)合2號（2009年）和茂優(yōu)601（2010—2015年）。1994年采集基礎土樣，其耕層（0～20 cm）土壤基本性質(zhì)為：有機質(zhì)31.15 g kg-1，全氮1.76 g kg-1，全磷2.3 g kg-1，全鉀13.84 g kg-1，堿解氮134.4 mg kg-1，有效磷21.1 mg kg-1，速效鉀157.9 mg kg-1，pH為6.6。

1.2 試驗設計

本研究選取該長期試驗點5個代表性施肥處理：對照（CK）、施化肥（NPK）、低量有機無機肥配施（0.5MNPK）、施牛糞（M）和常量有機無機肥配施（MNPK）處理。試驗小區(qū)面積為201 m2，采用大區(qū)對比試驗，不設重復。所施化肥類型為尿素（含N 46%）、過磷酸鈣（含P2O516%）、氯化鉀（含K2O 60%），有機肥為牛廄肥（含C 413.8 g kg-1、N 2.7 g kg-1、P2O51.3 g kg-1、K2O 6.0 g kg-1）。常規(guī)用量（NPK處理）為每年施化肥N 165.0 kg hm-2、P 36.0 kg hm-2、K 68.5 kg hm-2，有機肥（M處理）61.1 t hm-2。每年根據(jù)有機肥的養(yǎng)分含量來調(diào)節(jié)化學氮肥的施用量，除MNPK處理氮肥施用量不同外，其余施氮小區(qū)的氮素施用量相同。種植制度為一年一季水稻，在水稻播種前，各處理按照試驗設計方案分別施用氮磷鉀肥或配施有機肥作基肥，在水稻生長期再追施2次尿素，水稻于每年4月份插秧，10月中下旬收獲，其他時間休閑。具體施肥方案如表1所示。

1.3 土壤樣品采集

2015年10月水稻收獲后，采集各小區(qū) 0～20 cm 耕層土壤樣品：將各小區(qū)等分為3個樣塊（67 m2），每個樣塊均勻采集5點組成一個混合樣，每個小區(qū)采集3個土壤樣品作為3次重復。將采集的土壤樣品除去動植物殘體后在室溫下風干，一份過2 mm篩，用于土壤有機碳的礦化培養(yǎng)試驗，一份過0.25 mm篩，用于測定土壤有機碳。

表1 各處理每年有機肥及純養(yǎng)分施用量Table 1 Application rate of organic manure and chemical fertilizer in terms of nutrient element relative to treatment

1.4 土壤有機碳礦化培養(yǎng)試驗

土壤有機碳礦化培養(yǎng)采用堿液吸收法［18］：稱取過2 mm篩的風干土壤樣品30.0 g于50 ml燒杯中，用去離子水調(diào)節(jié)至田間持水量的60%左右，置于1 000 ml 培養(yǎng)瓶底部，在25℃培養(yǎng)箱中預培養(yǎng)7 d。然后將盛有10 ml 0.1 mol L-1NaOH溶液的50 ml吸收杯放置于培養(yǎng)瓶底部，加蓋密封，在25℃恒溫箱中暗培養(yǎng)。每個施肥處理重復3次，同時設3個空白對照，共18組礦化培養(yǎng)微系統(tǒng)。在培養(yǎng)的第2、4、6、8、10、12、14、16、18、21、24、27和30 天時，更換堿液吸收杯并加水至恒重，吸收杯中加入1 mol L-1BaCl2溶液2 ml，再滴加2滴酚酞指示劑，用0.1 mol L-1HCl（每次滴定前用硼砂進行標定）滴定至紅色消失。根據(jù)CO2的釋放量計算培養(yǎng)期內(nèi)土壤有機碳的礦化量。

1.5 測定方法

土壤有機碳采用K2Cr2O7-H2SO4外加熱法測定；土壤全氮、全磷和全鉀分別采用半微量凱氏定氮法、堿熔—鉬銻抗比色法和NaOH熔融—火焰光度法測定；堿解氮、有效磷和速效鉀分別采用擴散法、NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法和NH4OAc浸提—火焰光度法測定；pH用電位計法（水土比為2.5∶1）測定［19］。

土壤有機碳礦化量（CO2mg kg-1）=CHCl×（V0-V1）× 22 / 0.03；其中，CHCl為鹽酸濃度，mol L-1；V0為空白滴定的體積，ml；V1為消耗鹽酸的體積，ml。

土壤有機碳累積礦化量指從培養(yǎng)開始至某一時間點土壤CO2總釋放量，采用一級動力學方程進行擬合［14，20］，即：Ct=C0（1-e-kt）；其中：Ct為經(jīng)過t時間后土壤有機碳的累積礦化量，g kg-1；C0為土壤潛在可礦化有機碳量，g kg-1；k為有機碳庫的周轉(zhuǎn)速率常數(shù)，d-1；t為培養(yǎng)天數(shù)，d。半周轉(zhuǎn)期T1/2= ln2/k。

土壤有機碳礦化速率（CO2mg kg-1d-1）=培養(yǎng)時間內(nèi)有機碳礦化量（CO2mg kg-1）/ 培養(yǎng)天數(shù)（d）。

土壤有機碳累積礦化率（%）=至某一時間點的土壤有機碳累積礦化量（g kg-1）/ 土壤總有機碳（g kg-1）× 100%。

1.6 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0 進行方差分析和鄧肯（Duncan）多重比較，比較不同處理間在p＜0.05水平的顯著性差異；用Excel 2016作圖，Origin 9.0進行一級動力學方程擬合。

2 結(jié) 果

2.1 長期施肥處理土壤總有機碳

長期（22年）施肥后，5個不同施肥處理土壤有機碳（SOC）含量在21.6～39.4 g kg-1之間（圖1）。方差分析結(jié)果表明，不同施肥處理間SOC含量存在差異。與CK處理的SOC含量（22.79 g kg-1）相比，NPK處理下降了5.4%，未達顯著差異水平（p＞0.05）。有機肥處理（0.5MNPK、M和MNPK）的SOC含量較CK處理和NPK處理分別提高了30.6%～72.9%和38.1%～82.8%，其中，以M處理效果最顯著。

圖1 各處理土壤有機碳含量Fig. 1 Contents of soil organic carbon（SOC）relative to treatment

2.2 長期施肥處理土壤有機碳礦化速率

長期不同施肥處理下土壤有機碳礦化速率隨培養(yǎng)時間呈下降趨勢（圖2），且符合對數(shù)函數(shù)關系y= a + b ln（x）（p＜0.01）（表2），表明培養(yǎng)時間每變化1%個單位時，土壤有機碳礦化速率將變化b%的絕對值。根據(jù)土壤有機碳礦化速率下降的快慢可將其劃分為三個階段：培養(yǎng)前期（第2～4天），CO2產(chǎn)生速率由峰值（第2天）開始迅速下降，變化幅度較大；中期（第4～24天），CO2的產(chǎn)生速率處于緩慢下降至穩(wěn)定的階段，第4天和24天的礦化速率分別為第2天的70.6%～94.2%和13.5%～22.5%；末期（第24～30天），CO2的產(chǎn)生速率變化幅度較小，且隨培養(yǎng)時間的延長不同施肥處理之間CO2的產(chǎn)生速率趨于一致，第30天的礦化速率為第2天的7.3%～12.7%，顯著降低（p＜0.05）。

圖2 各處理土壤有機碳礦化速率Fig. 2 Mineralization rate of SOC relative to treatment

2.3 長期施肥處理土壤有機碳礦化量

由圖3可以看出，各施肥處理下CO2的累積釋放量隨培養(yǎng)時間呈上升趨勢，但其累積釋放強度逐漸減緩。培養(yǎng)結(jié)束（第30天）時，與CK處理的土壤有機碳累積礦化量（1.46 g kg-1）相比，NPK處理和0.5MNPK處理分別降低和增加了15.7%和9.9%，但未達到顯著差異水平（p＞0.05），M處理和MNPK處理則分別增加了62.6%和44.2%，明顯高于其他各施肥處理（p＜0.05）。

土壤有機碳累積礦化率可以反映土壤固碳能力的強弱，該比例越低，表明土壤的固碳能力越強，反之，則固碳能力越弱。由圖4可以看出，培養(yǎng)30 d后，雖然各施肥處理的土壤有機碳累積礦化率未達到顯著差異（p＞0.05），但從數(shù)值上看仍然有所差異。NPK處理和有機肥（0.5MNPK、M和MNPK）處理的土壤有機碳累積礦化率較CK處理（6.4%）分別降低了0.7%和0.8%～1.2%，其中，以M處理降幅最大，MNPK處理次之。間接表明，不同施肥處理對土壤有機碳起著不同程度的固定作用，有機肥施用效果好于化肥。

表2 各處理下土壤有機碳礦化速率回歸方程Table 2 Regression equation of SOC mineralization rate relative to treatment

圖3 各處理土壤有機碳累積礦化量Fig. 3 Cumulative mineralization of SOC relative to treatment

2.4 長期施肥處理土壤有機碳礦化參數(shù)

長期不同施肥處理下，土壤有機碳累積礦化量與培養(yǎng)天數(shù)之間的動態(tài)變化可以用一級動力學方程（Ct=C0（1-e-kt））進行擬合（p＜0.01），C0表示土壤潛在可礦化有機碳量（表3）。結(jié)果表明，M處理和MNPK處理的C0較CK處理（1.55 g kg-1）增加了73.6%和51.0%，較其他施肥處理有顯著性提高（p＜0.05）；0.5MNPK處理和NPK處理下的C0較CK處理分別提高和降低了21.3%和11.6%。說明長期施用有機肥（0.5MNPK、M和MNPK）對土壤潛在可礦化有機碳的增加有較好的促進作用，以M處理最為突出，而長期施用化肥（NPK）不利于土壤潛在可礦化有機碳的增加。不同施肥處理下土壤有機碳庫的周轉(zhuǎn)速率（k，0.064～0.076 d-1）以及半周轉(zhuǎn)期（T1/2，9.1～10.9 d）也存在差異但未達顯著水平（p＞0.05），其中，常量有機無機肥配施可有效縮短土壤有機碳的周轉(zhuǎn)時間，增加周轉(zhuǎn)速率。

圖4 培養(yǎng)30 d各處理土壤有機碳累積礦化率Fig. 4 Cumulative mineralization rate of SOC during the 30 days of incubation relative to treatment

表3 培養(yǎng)30 d土壤有機碳累積礦化量及其動力學方程參數(shù)Table 3 Cumulative mineralization of SOC after the 30 days of incubation and parameters of its kinetic equations

3 討 論

3.1 長期施肥下黃壤性水稻土總有機碳含量變化的原因

長期施用化肥對土壤總有機碳含量的影響主要與研究區(qū)域的氣候和土壤本底養(yǎng)分有關［21-22］。本研究結(jié)果表明，長期施用化肥（NPK）使土壤總有機碳含量呈現(xiàn)虧損狀態(tài)，較CK處理下降了5.40%，不同于吳萌等［10］和苗淑杰等［11］的研究，但與喬云發(fā)等［21］在黑土及李渝等［22］在黃壤性水稻土上的研究一致。其原因在于，單施化肥處理下，土壤中無外源有機物質(zhì)的投入，有機碳的來源主要依靠作物收獲后殘留在土壤中的作物根茬，而這部分殘留物不足以彌補有機碳的礦化消耗，并且，即使每年施用化肥也不能阻止土壤有機碳的礦化，最終導致土壤有機碳的虧缺［23］。此外，還可能與長期試驗地土壤有機碳含量的平衡點有關，當土壤有機碳含量低于最低平衡點時，施用化肥就能提高土壤有機碳含量［22，24］，反之則不能。本試驗結(jié)果還表明，長期施用有機肥（M、0.5MNPK和MNPK）均能提高土壤總有機碳含量，其中，以M處理提高最顯著，其次為MNPK處理，說明單施有機肥（牛糞）是提升土壤總有機碳的有效施肥模式，因為施用有機肥一方面直接增加了土壤中碳源的投入，另一方面，施用有機肥使作物生物量尤其是根茬及根系分泌物的歸還量大量增加，從而間接增加了碳的投入量［25］。

3.2 長期施肥下土壤有機碳礦化速率及礦化量的影響因素

土壤有機碳在微生物作用下礦化分解釋放CO2是稻田微系統(tǒng)碳素輸出的重要途徑，也是碳循環(huán)的重要組成部分［26］。施肥作為一項最主要的農(nóng)田管理措施，通過改變土壤微生物的活性影響土壤有機碳的礦化［20，27］。本試驗中，在培養(yǎng)初期CO2產(chǎn)生速率較快，因為經(jīng)過預培養(yǎng)后，礦化初期土壤中存在大量易分解的糖類和蛋白質(zhì)等活性有機物質(zhì)，為土壤微生物提供了豐富的碳源和養(yǎng)分，使微生物活性增加［6］。之后，隨著培養(yǎng)時間的延長，土壤有機碳礦化速率隨著易分解有機物質(zhì)的減少而逐漸降低，至培養(yǎng)后期，土壤中的有機物質(zhì)主要為難分解的纖維素和木質(zhì)素等，不能被微生物利用，使微生物的活性受到抑制，所以有機碳礦化速率表現(xiàn)為最低。在30 d的礦化培養(yǎng)試驗中，CO2釋放速率呈現(xiàn)出先高后低的趨勢，與眾多研究結(jié)果［3，25］一致。此外，本試驗中土壤有機碳礦化速率與培養(yǎng)時間呈對數(shù)函數(shù)關系，與李忠佩等［4］和陳濤等［28］的研究結(jié)果一致。

長期不同施肥處理下土壤有機碳的累積礦化量一般表現(xiàn)為施肥處理高于不施肥處理，施有機肥或有機無機肥配施高于施化肥處理［15］。陳濤等［28］對國家級長期定位監(jiān)測點的河沙泥和黃泥稻田土壤有機碳的研究表明，高量和中量有機肥處理下的土壤有機碳累積礦化量和呼吸速率高于化肥處理和對照處理，說明有機肥的高投入對土壤有機碳的礦化有一定的促進作用。本研究中，有機肥處理的CO2釋放量和日均礦化速率也均高于化肥處理。這是因為，土壤中可用于礦化的有機碳含量由土壤有機碳輸入和輸出之間的平衡所決定［24］。施用有機肥作為農(nóng)田土壤有機物料輸入的一個主要途徑，其促進了植物生長，使根系生物量和分泌物的種類、數(shù)量大量增加，從而增加了土壤中可用于礦化的活性有機碳的含量［20］，使得碳素輸入大于輸出，因此，土壤呼吸強度變大。關于施用化肥對土壤有機碳累積礦化量和日均礦化速率的影響，不同研究者結(jié)果不盡一致。苗淑杰等［11］對東北黑土和張旭博等［15］對南方紅壤的研究均表明，長期施用化肥（NPK）處理較不施肥（CK）處理土壤有機碳的累積礦化量和礦化速率均有所提高，說明化肥施入對土壤有機碳的礦化有一定的促進作用。王朔林等［25］在對栗褐土有機碳礦化進行研究時提出，長期施用化肥（N和NP）也增加了土壤有機碳累積礦化量和日均礦化速率，其原因是化肥的施用略微降低了土壤的pH（8.17～7.99），改善了土壤性質(zhì)，達到了微生物最適生長環(huán)境，從而促進了其生長繁殖。李英臣等［9］研究不同氮施入水平對濕地草甸沼澤土有機碳礦化的影響時指出，隨著培養(yǎng)時間的進行，有效碳源成為微生物活動的限制因素，降低了土壤微生物活性，從而抑制了土壤有機碳的礦化速率，降低了土壤有機碳的累積礦化量。本試驗中，NPK處理的土壤有機碳累積礦化量和日均礦化速率均低于CK處理，原因可能是，長期施用化肥不利于土壤團聚體結(jié)構(gòu)形成，使微生物生長環(huán)境變劣，導致土壤微生物生物量降低［29］，還可能是化肥中的氮素與土壤中的木質(zhì)素結(jié)合生成更穩(wěn)定的有機化合物［30］，繼而抑制了土壤有機碳的礦化，具體原因仍有待進一步研究。

此外，本試驗中，與CK處理相比，所有施肥處理的土壤有機碳累積礦化率均有所下降。其中，化肥處理的土壤有機碳累積礦化率大于有機肥處理，小于CK處理，說明長期施用化肥處理的有機碳損失率大于有機肥處理小于CK處理；M處理的土壤有機碳累積礦化量最高，但累積礦化率最低，說明長期施用有機肥在增加土壤有機碳累積礦化量的同時不會增加有機碳的損失率，這可能與有機肥的膠結(jié)作用有關。段建南等［31］研究表明，有機肥的膠結(jié)作用有利于團聚體結(jié)構(gòu)的形成，而顆粒有機碳受到團聚體的包裹作用從而避免被微生物降解，因此，經(jīng)有機肥處理后土壤有機碳礦化率有所降低。

3.3 不同施肥處理下土壤有機碳礦化參數(shù)的變化

本研究中，長期施肥條件下，M處理的土壤潛在可礦化有機碳量（C0）最高，MNPK處理次之，且均顯著高于其他處理（0.5MNPK、CK和NPK），與李夢雅等［14］和張旭博等［15］在長期施肥條件下紅壤有機碳礦化方面的研究結(jié)果一致，這主要是由于施用有機肥增加了土壤中可供微生物利用的碳源和營養(yǎng)元素，促進了微生物的生長繁殖，提高了土壤CO2的釋放量和土壤潛在可礦化有機碳量。但王朔林等［25］對栗褐土的研究表明，有機無機肥配施處理的C0值高于單施有機肥處理。本研究中，C0/SOC值在各處理間無顯著差異，說明長期不同施肥處理下，土壤潛在可礦化有機碳與土壤有機碳具有同步增減的現(xiàn)象［10］。

有機碳庫的周轉(zhuǎn)速率常數(shù)（k）是多因子綜合作用的結(jié)果。李順姬等［32］研究發(fā)現(xiàn)，k值受土壤類型、養(yǎng)分含量、顆粒組成及pH的影響，同時與土壤母質(zhì)也有很大關系。陳吉等［33］對潮土有機碳礦化的研究發(fā)現(xiàn)，長期施肥處理對k值的影響并不顯著。本試驗中四個施肥處理的土壤有機碳周轉(zhuǎn)速率和半周轉(zhuǎn)期同樣無顯著差異，但0.5MNPK處理和M處理的有機碳周轉(zhuǎn)速率低于CK處理，可能是長期施肥影響了土壤的多種性質(zhì)所致［33］，今后應加強土壤有機碳周轉(zhuǎn)速率與土壤理化性質(zhì)及微生物學特性方面的相關性研究。

由于試驗條件的限制，本試驗采用30 g土壤樣品在室內(nèi)恒溫培養(yǎng)條件下，結(jié)合堿液吸收法模擬稻田土壤有機碳的礦化特征，根據(jù)一級動力學方程擬合的土壤潛在可礦化有機碳在一定程度上可用來預測田間土壤有機碳的動態(tài)變化趨勢，而田間條件下影響土壤有機碳礦化的環(huán)境因素非常冗雜，因此，本研究結(jié)果與田間條件下多因素綜合作用的結(jié)果可能存在差異。今后尚需加強相關控制試驗的研究以及土壤有機碳礦化的田間原位試驗研究。

4 結(jié) 論

長期施用有機肥（0.5MNPK、M和MNPK）可不同程度提高黃壤性水稻土總有機碳含量，且以單施牛糞和常量有機無機肥配施效果最顯著；單施牛糞和常量有機無機肥配施均可顯著提高土壤有機碳的累積礦化量、潛在可礦化有機碳量和礦化速率，降低土壤有機碳的累積礦化率。土壤有機碳礦化速率與培養(yǎng)時間呈極顯著的對數(shù)函數(shù)關系。單施有機肥或者常量有機無機肥配施在促進土壤有機碳積累的同時降低其累積礦化率，增強了土壤的固碳能力，可作為黃壤性水稻土碳庫管理的較好選擇。

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