長期不同施肥對潮土有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響

魏 猛，張愛君，李洪民，唐忠厚，陳曉光，王 會(huì)，諸葛玉平，婁燕宏

(1.江蘇徐淮地區(qū)徐州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，江蘇徐州甘薯研究中心，江蘇 徐州 221131； 2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，山東 泰安 271018)

土壤有機(jī)碳(SOC)是土壤養(yǎng)分循環(huán)及肥力供應(yīng)的核心物質(zhì)，是衡量土壤肥力高低的重要指標(biāo)之一，在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中占有非常重要的位置[1-2]。全球約有1.5×1018g的碳以有機(jī)碳形態(tài)固持在土壤中，這相當(dāng)于植被碳庫的3倍、大氣碳庫的2倍[3]，土壤碳的微弱變化能夠?qū)θ蛱嫉钠胶庠斐芍卮笥绊慬4-5]。因此，土壤有機(jī)碳的研究具有重要意義。

農(nóng)業(yè)土壤作為直接人為管理下的土壤類型，農(nóng)業(yè)管理措施顯著影響著土壤碳的變化。農(nóng)業(yè)管理措施中施肥可以通過提高作物生物量或外源碳投入來增加土壤有機(jī)物的投入，從而提高農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量，是影響土壤有機(jī)碳庫最主要的因素[6]。2個(gè)著名的長期試驗(yàn)(英國洛桑研究所的Broadbalk和美國Morrow)研究表明，有機(jī)無機(jī)配施能夠顯著提高有機(jī)碳含量[7]；在我國長期定位試驗(yàn)中有研究表明，施用化肥或有機(jī)肥均可以增加土壤有機(jī)碳含量[8-10]。但也有研究表明，在短時(shí)間內(nèi)施用少量牛糞，并不能增加有機(jī)碳含量[11]；施用化肥后有機(jī)碳含量呈下降趨勢，有機(jī)碳平衡呈現(xiàn)負(fù)值[12]。在黑土上[13]，長期有機(jī)無機(jī)配施有機(jī)碳儲(chǔ)量為43.3～50.1 t/hm2，單施化肥處理有機(jī)碳儲(chǔ)量為33.4～33.2 t/hm2；在紅壤上[14]，長期有機(jī)無機(jī)配施處理的平均有機(jī)碳儲(chǔ)量為43.6～48.4 t/hm2，顯著高于單施化肥處理(36.9 t/hm2)。

由于土壤有機(jī)碳庫組成的復(fù)雜性和影響因素的多樣性，即使根據(jù)長期定位試驗(yàn)資料分析不同施肥模式下土壤有機(jī)碳庫變化，用以估計(jì)耕地土壤的有機(jī)碳及有機(jī)碳儲(chǔ)量的結(jié)果仍存在差異，因此，應(yīng)加強(qiáng)不同土壤類型有機(jī)碳及其儲(chǔ)量的研究。潮土是我國重要的農(nóng)業(yè)土壤，面積達(dá)267萬hm2，由于其在糧食生產(chǎn)中的重要地位，相關(guān)研究受到長期重視[15]。本研究以開始于1980年的潮土長期定位試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析有機(jī)碳含量演變特征、有機(jī)碳儲(chǔ)量變化及其與外源碳投入的關(guān)系，為潮土區(qū)土壤固碳技術(shù)體系提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地在江蘇徐淮地區(qū)徐州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所(N 34°16′，E 117°17′)，土壤為砂壤質(zhì)潮土。該區(qū)屬暖溫帶半濕潤氣候區(qū)，年平均氣溫14 ℃，平均年降水量為860 mm。長期試驗(yàn)開始于1980年秋季，在1981-2001年為小麥-玉米種植模式，2002年后改為小麥-甘薯種植模式。試驗(yàn)開始時(shí)耕層土壤有機(jī)碳為6.26 g/kg，全氮為0.66 g/kg，全磷為0.74 g/kg，有效磷為12.00 mg/kg，速效鉀為63.00 mg/kg，pH值8.01。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)8個(gè)處理：①不施肥(CK)，②單施氮肥(N)，③施氮磷肥(NP)，④施氮磷鉀肥(NPK)，⑤單施有機(jī)肥(M)，⑥施有機(jī)肥和氮肥(MN)，⑦施有機(jī)肥和氮磷肥(MNP)，⑧施有機(jī)肥和氮磷鉀肥(MNPK)，每個(gè)處理重復(fù)4次，隨機(jī)區(qū)組排列。氮、磷、鉀肥每年施用量為純N 300 kg/hm2，P2O5150 kg/hm2，K2O 225 kg/hm2；有機(jī)肥每年施用量(鮮基)為1981-1984年施馬糞，年施用量(鮮基)75 t/hm2，有機(jī)碳含量為148～159 g/kg，水分含量為42%～55%，年均養(yǎng)分投入量為：N 221～308 kg/hm2、P2O5150～375 kg/hm2、K2O 450～563 kg/hm2；1985年以后改為施豬糞，年施用量(鮮基)37.5 t/hm2，有機(jī)碳含量為138～301 g/kg，水分含量為45%～58%，年均養(yǎng)分投入量為：N 98～141 kg/hm2、P2O594～159 kg/hm2、K2O 150～281 kg/hm2。作物根茬進(jìn)行還田，作物其他管理措施與大田一致。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 樣品采集與測定 在6月上旬(小麥?zhǔn)斋@后)采集耕層土樣，在每小區(qū)取5點(diǎn)混合成1個(gè)土樣，重復(fù)4次。容重采用環(huán)刀法測定，每小區(qū)采集5點(diǎn)環(huán)刀樣品；有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀-濃硫酸氧化法測定[16]。

1.3.2 計(jì)算方法 有機(jī)碳儲(chǔ)量[13-14]：SOCstock= (SOC×BD×H)×0.1

式中，SOCstock為有機(jī)碳儲(chǔ)量(t/hm2)；SOC為有機(jī)碳含量(g/kg)；BD為土壤容重(g/cm)；H為土壤厚度(20 cm);0.1為單位轉(zhuǎn)化系數(shù)。

累積碳投入量[17-18]：作物有機(jī)碳投入計(jì)算：Cinput-crop=((Yg+Ys)×R×Dr+Rs×Ys)×(1-Wcrop)×Ccrop×10-3

式中，Cinput-crop為作物來源有機(jī)碳投入量(kg/hm2);Yg為作物籽粒產(chǎn)量(kg/hm2)；Ys為秸稈產(chǎn)量(kg/hm2)；R為光合作用進(jìn)入地下部分的碳的比例(小麥：30%；玉米：26%)；Dr為作物根系生物量平均分布在耕層的比例(小麥：75.3%；玉米：85.1%)；Rs為作物收割留茬占秸稈的比例(小麥：15%；玉米：3%)；Wcrop為作物地上部分風(fēng)干樣的含水量(小麥：14%；玉米：14%)；Ccrop為作物地上部分風(fēng)干樣的含碳量(小麥：399 g/kg；玉米：444 g/kg)。另外，甘薯塊根及藤蔓基本完全收獲，碳投入極少，本研究將甘薯季碳投入量忽略不計(jì)。

有機(jī)肥碳投入計(jì)算：Cinput-m=Mc×(1-Wm)×Am×10-3

式中，Cinput-m為作物來源有機(jī)肥投入量(kg/hm2);Mc為施用有機(jī)肥的碳含量(g/kg)；Wm為施用有機(jī)肥的含水量；Am為每年施用有機(jī)肥施用量(鮮基重，kg/hm2)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用統(tǒng)計(jì)軟件Microsoft Excel 2007、SPSS 13.0和SigmaPlot 12.5進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期不同施肥下土壤有機(jī)碳含量變化

8個(gè)處理有機(jī)碳含量隨著試驗(yàn)時(shí)間增加均有不同程度的增加(圖 1)。不施肥處理(CK)有機(jī)碳含量從初始的6.26 g/kg，經(jīng)過35年的根茬還田，有機(jī)碳含量達(dá)8.29 g/kg，年均增加量為0.06 g/kg；施用化肥處理(N、NP、NPK)有機(jī)碳總增加量分別為2.62，2.96，3.00 g/kg，年均增加量分別為0.07，0.08，0.09 g/kg，其中單施氮肥處理(N)增幅最??；單施有機(jī)肥處理(M)有機(jī)碳含量增至12.29 g/kg，年均增加量為0.17 g/kg；有機(jī)無機(jī)配施處理(MN、MNP、MNPK)有機(jī)碳含量分別增加至13.51，14.02，14.78 g/kg，年均增加量分別為0.21，0.22，0.24 g/kg。

圖1 長期不同施肥下土壤有機(jī)碳含量變化Fig.1 The change of soil organic carbon content under different long-term fertilization

進(jìn)一步對比分析連續(xù)施肥35年有機(jī)碳平均含量的變化特征(圖 2)，施用有機(jī)肥或化肥顯著提高有機(jī)碳平均值，其中以有機(jī)無機(jī)配施處理(MN、MNP、MNPK)增幅最大，分別為90.6%，96.0%，100.8%；單施有機(jī)肥處理次之，增幅為78.1%；其次為施用化肥處理(N、NP、NPK)，增幅分別為 16.1%，20.5%，26.1%，且與單施有機(jī)肥處理差異達(dá)到顯著水平。由此可見，施用有機(jī)肥比單施化肥能更快速地提高有機(jī)碳含量，以有機(jī)無機(jī)配施提升效果更為顯著。

不同小寫字母表示不同施肥處理間差異顯著(P<0.05)。圖3同。Different lowercase letters indicated significant difference among treatments at 0.05 level.The same as Fig.3.

2.2 長期不同施肥下土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量變化

分析3個(gè)時(shí)期(1980，1992，2015年)耕層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量(圖 3)，結(jié)果表明，不同施肥方式對0～20 cm有機(jī)碳儲(chǔ)量影響顯著。與1980年試驗(yàn)開始時(shí)相比，施肥處理有機(jī)碳儲(chǔ)量在不同階段均有不同程度的增加。經(jīng)過12年(1992年)不同施肥，與初始有機(jī)碳儲(chǔ)量相比，施用化肥處理有機(jī)碳儲(chǔ)量增加2.0%～21.7%，施用有機(jī)肥處理有機(jī)碳儲(chǔ)量增加51.0%～62.9%。經(jīng)過35年(2015年)不同施肥，不施肥處理有機(jī)碳儲(chǔ)量為20.98 t/hm2；施用化肥處理有機(jī)碳儲(chǔ)量為21.14～23.83 t/hm2，與初始有機(jī)碳儲(chǔ)量相比，增加35.0%～52.1%；單施有機(jī)肥處理有機(jī)碳儲(chǔ)量為27.41 t/hm2；有機(jī)無機(jī)配施處理有機(jī)碳儲(chǔ)量為30.00～30.46 t/hm2，與初始有機(jī)碳儲(chǔ)量相比，增加91.6%～94.5%。

圖3 長期不同施肥下土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量變化Fig.3 The change of soil organic carbon storage under different long-term fertilization

進(jìn)一步對比分析不同施肥35年后處理間有機(jī)碳儲(chǔ)量差異，與CK處理相比，施用化肥處理有機(jī)碳儲(chǔ)量增加0.8%～13.6%，其中NP處理達(dá)到顯著水平；施用有機(jī)肥處理有機(jī)碳儲(chǔ)量顯著增加30.6%～45.2%，以有機(jī)無機(jī)配施處理增加幅度最高(40.3%～45.2%)，且顯著高于單施有機(jī)肥和化肥處理。

2.3長期不同施肥下碳投入量變化

不同施肥方式?jīng)Q定碳投入量大小，施用有機(jī)肥處理的碳投入量明顯高于施用化肥和不施肥處理(圖 4)。施用有機(jī)肥處理歷年平均碳投入量以處理MNPK最高，為7.04 t/(hm2·年)。

經(jīng)過35年的連續(xù)不同施肥后處理間有機(jī)碳含量差異較大(圖 1)，不施肥和施用化肥處理35年累積碳投入量為28.1～84.2 t/hm2，碳投入量較低，其全部來源于作物殘茬的生物量投入；單施有機(jī)肥及有機(jī)無機(jī)配施處理的碳投入來源于作物殘茬生物量投入和外源有機(jī)肥碳投入，35年累積碳投入量高達(dá)206.6～246.6 t/hm2，以處理MNPK累積碳投入量最高(圖 5)。

圖4 長期不同施肥下碳投入量變化Fig.4 The change of carbon input under different long-term fertilization圖5 長期不同施肥下累積碳投入量變化Fig.5 The change of cumulative carbon input under different long-term fertilization

2.4 長期不同碳投入與有機(jī)碳儲(chǔ)量的關(guān)系

將各處理2015年耕層有機(jī)碳儲(chǔ)量變化與累積碳投入量進(jìn)行相關(guān)分析可得：y=0.087 8x-0.791 5，其中x(t/hm2)代表35年累積碳投入量，y(t/hm2)代表35年有機(jī)碳儲(chǔ)量變化量(圖6)。由線性方程可知，有機(jī)碳儲(chǔ)量變化量與累積碳投入量之間呈極顯著正相關(guān)(R2=0.944 7，P<0.01)。在定位施肥的35年間有機(jī)碳轉(zhuǎn)化率為0.087 8 t/(hm2·年)，即每年投入1 t的有機(jī)物料碳，其中0.087 8 t 能進(jìn)入土壤有機(jī)碳庫，要想維持該試驗(yàn)點(diǎn)潮土初始有機(jī)碳水平，最小累積碳投入量為9.01 t/hm2。

圖6 長期不同施肥下累積碳投入量與有機(jī)碳儲(chǔ)量變化量的關(guān)系Fig.6 Relationship between cumulative carbon input and variable organic carbon storage under different long-term fertilization

本研究進(jìn)一步將各年份施肥處理的有機(jī)碳儲(chǔ)量與累積碳投入量分別減去對應(yīng)年份的不施肥處理，得到各年份施肥處理的有機(jī)碳儲(chǔ)量變化量和累積碳投入變化量，并將累積碳投入變化量(x)與有機(jī)碳儲(chǔ)量變化量(y)進(jìn)行分段線性方程擬合(圖7)。從結(jié)果可以看出，上升階段的擬合方程為： a：y=0.181 6x+0.469 8(R2=0.762 2，P<0.01)，當(dāng)累積碳投入量小于83 t/hm2時(shí)，有機(jī)碳儲(chǔ)量平均值為20.7 t/hm2(有機(jī)碳含量為(8.3±1.8)g/kg)，土壤固碳效率為18.2%，有機(jī)碳含量隨外源有機(jī)碳投入量的增加而顯著增加；而隨著累積碳投入量大于83 t/hm2后，有機(jī)碳儲(chǔ)量平均為33.2 t/hm2(有機(jī)碳含量為(13.3±1.7)g/kg)，擬合方程為： b：y=0.015 6x+14.241 0(R2=0.051 4，P<0.05)，其相關(guān)性系數(shù)明顯降低，有機(jī)碳儲(chǔ)量隨外源有機(jī)碳投入量增加的增加幅度明顯減緩，土壤平均固碳效率為11.5%。

圖7 長期不同施肥下累積碳投入變化量與有機(jī)碳儲(chǔ)量變化量的關(guān)系Fig.7 Relationship between variable cumulative carbon input and variable organic carbon storage under different long-term fertilization

3 討論

3.1 長期施肥下有機(jī)碳演變特征

土壤有機(jī)碳的含量水平主要是由系統(tǒng)輸入和輸出量的相對大小決定的[14]。施肥是影響土壤有機(jī)碳庫的重要因素，不同的施肥方式對土壤有機(jī)碳的影響不同，尤其是有機(jī)肥的施用是調(diào)控土壤有機(jī)碳的重要方式之一[19-20]。本研究結(jié)果表明，通過35年的長期定位施肥試驗(yàn)，不施肥處理和施肥處理有機(jī)碳含量均有不同程度的增加，與初始有機(jī)碳相比，有機(jī)無機(jī)配施處理有機(jī)碳的含量可增加二倍以上。這是由于施肥促進(jìn)作物生長，從而增加殘留在土壤中的根茬；另外有機(jī)肥的施用可直接為土壤提供有機(jī)碳源，促進(jìn)有機(jī)碳及養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化，提高有機(jī)碳的固定量[12]。長期施用化肥處理有機(jī)碳含量也隨著試驗(yàn)?zāi)晗薜脑黾佣黾?，其中NPK處理經(jīng)過35年的施肥有機(jī)碳含量增加了3.00 g/kg，這可能主要是由于試驗(yàn)開始前土壤有機(jī)碳低于最低平衡點(diǎn)，化肥的施用有助于提高有機(jī)碳含量[21]，這與研究認(rèn)為的施用化肥能使有機(jī)碳含量維持平衡或提高結(jié)果相一致[22-23]。施肥處理中以有機(jī)無機(jī)配施處理土壤有機(jī)碳增加幅度最高，顯著高于單施化肥處理[24-25]。

3.2 長期施肥下有機(jī)碳儲(chǔ)量對不同碳投入量的響應(yīng)

土壤有機(jī)碳存儲(chǔ)對于促進(jìn)土壤理化性質(zhì)，維持作物生產(chǎn)力和環(huán)境質(zhì)量具有重要作用[26]。我國耕作旱地耕層土壤平均有機(jī)碳儲(chǔ)量為(38.4±31.2)t/hm2[27]，歐盟的農(nóng)田耕層土壤平均有機(jī)碳儲(chǔ)量為53.0 t/hm2左右[28]。本研究結(jié)果表明，經(jīng)過35年長期施肥，不施肥和施用化肥處理耕層有機(jī)碳儲(chǔ)量為20.98～23.83 t/hm2，處于較低水平；單施有機(jī)肥有機(jī)碳儲(chǔ)量為27.41 t/hm2；有機(jī)無機(jī)配施有機(jī)碳儲(chǔ)量達(dá)到30.00～30.46 t/hm2，接近達(dá)到了我國旱地耕層有機(jī)碳儲(chǔ)量的平均水平。因此，施用有機(jī)肥有利于土壤培肥，以有機(jī)無機(jī)配施方式最優(yōu)。

農(nóng)田土壤中有機(jī)碳主要來源于作物殘?bào)w(稻草、殘茬、根系和根系滲出液)和添加到土壤中的有機(jī)肥。通過返回土壤的地上作物生物量(秸稈還田)或者是直接添加有機(jī)糞肥等措施，不僅可以提高作物產(chǎn)量，而且能促進(jìn)有機(jī)碳的固持[29]。因此，土壤中有機(jī)物質(zhì)來源數(shù)量和質(zhì)量的差異，必然影響有機(jī)碳儲(chǔ)量的變化。本研究結(jié)果表明，施用有機(jī)肥處理累積碳投入量明顯高于施用化肥和不施肥處理，以處理MNPK累積碳投入量最高。這是由于施用有機(jī)肥處理的碳投入不僅單純來源于作物殘茬生物量投入，其主要來源于施用的有機(jī)肥。本研究通過相關(guān)分析得到了有機(jī)碳儲(chǔ)量變化與累積碳投入量線性相關(guān)方程，且相關(guān)系數(shù)達(dá)到極顯著水平，這也說明潮土有機(jī)碳儲(chǔ)量隨碳投入量的增加而增加，并得出要想維持該試驗(yàn)點(diǎn)潮土初始有機(jī)碳水平最小累積碳投入量為9.01 t/hm2。

一般而言，土壤有機(jī)碳含量隨著外源有機(jī)碳投入量的增加而增加。在旱地土壤研究中指出土壤固碳量隨碳投入呈線性增加[30-33]。然而，土壤固碳量和碳投入量的關(guān)系是更加的復(fù)雜，根據(jù)碳飽和理論，土壤的固碳量不會(huì)無限增加，而是最終會(huì)趨于飽和值[34-35]。當(dāng)外源碳投入量一定時(shí)，土壤固碳量距離碳飽和值較遠(yuǎn)時(shí)，有機(jī)碳增量會(huì)較多(固碳效率較高)，而土壤固碳量距離飽和值較低時(shí)，有機(jī)碳的增量會(huì)較低(固碳效率較低)。也有研究表明，旱地土壤中投入大量的有機(jī)物之后，有機(jī)碳含量并沒有顯著增加，表現(xiàn)出碳飽和跡象[36-37]。本研究結(jié)果表明，當(dāng)累積碳投入量小于83 t/hm2時(shí)，土壤的固碳效率為18.2%，有機(jī)碳儲(chǔ)量隨外源有機(jī)碳投入量的增加而顯著增加；當(dāng)累積碳投入量大于83 t/hm2后，有機(jī)碳儲(chǔ)量隨外源有機(jī)碳投入量增加的幅度明顯減緩，土壤固碳效率下降僅為11.5%。這是由于當(dāng)累積碳投入量達(dá)到83 t/hm2后，有機(jī)碳儲(chǔ)量數(shù)值已經(jīng)較大，距離飽和值更近，土壤固碳效率并不隨碳投入量增加而一直保持不變。當(dāng)有機(jī)碳隨碳投入增加到一定水平后，土壤固碳效率比低有機(jī)碳水平階段的固碳效率降低，呈現(xiàn)出“線性+平臺(tái)”趨勢。

施肥處理土壤有機(jī)碳含量和有機(jī)碳儲(chǔ)量均呈增加趨勢，以有機(jī)無機(jī)配施增幅最大，單施有機(jī)肥次之。土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量變化量與累積碳投入量之間呈極顯著正相關(guān)性，要想維持該潮土區(qū)初始有機(jī)碳水平最小累積碳投入量為9.01 t/hm2。

有機(jī)碳儲(chǔ)量變化量與累積碳投入 變化量線性擬合，呈現(xiàn)出“線性+平臺(tái)”趨勢。當(dāng)累積碳投入量小于83 t/hm2時(shí)，有機(jī)碳儲(chǔ)量隨外源有機(jī)碳投入量的增加而顯著增加；當(dāng)累積碳投入量大于83 t/hm2后，有機(jī)碳儲(chǔ)量隨外源有機(jī)碳投入量增加的幅度明顯減緩。

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