長期施肥下黃壤有機(jī)碳庫演變及固存特征

張雅蓉，李 渝，劉彥伶，黃興成，張文安，蔣太明

(1.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 土壤肥料研究所，貴州 貴陽 550006；2.農(nóng)業(yè)部貴州耕地保育與農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站，貴州 貴陽 550006；3.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 茶葉研究所，貴州 貴陽 550006)

【研究意義】農(nóng)田土壤碳庫是最大也是最活躍的碳庫之一，是全球碳循環(huán)的核心內(nèi)容，農(nóng)田對于溫室氣體減排的潛力主要是對土壤有機(jī)碳(SOC)的固定。SOC的存儲(chǔ)對于改善土壤理化性質(zhì)、提高和穩(wěn)定作物產(chǎn)量及提升環(huán)境質(zhì)量有重要作用[1-2]。農(nóng)田管理措施(有機(jī)無機(jī)肥配施、秸稈還田、保護(hù)性耕作等)、土壤性質(zhì)、土地利用方式、植物品種和氣候變化等均是影響SOC固定、轉(zhuǎn)化及釋放的重要條件[3-6]。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國土壤碳儲(chǔ)量占全球總儲(chǔ)量的12 %，表土平均SOC密度僅為歐盟平均值的70 %～75 %[7]，若采取合理的措施使土壤有機(jī)質(zhì)提高30 %～40 %，全國僅耕地就可增加固碳約10億t[8]。我國農(nóng)田土壤固碳潛力巨大，因此，研究改變農(nóng)業(yè)措施來重新收集和固定能源排放的碳，對實(shí)現(xiàn)我國經(jīng)濟(jì)和環(huán)境發(fā)展雙贏具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】近年來，如何科學(xué)估算土壤固碳潛力、評價(jià)土壤固碳飽和水平、明確土壤碳的“源匯關(guān)系”備受國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者關(guān)注。較多通過全國第二次土壤普查數(shù)據(jù)與長期定位試驗(yàn)數(shù)據(jù)的結(jié)合，從區(qū)域尺度上闡述我國農(nóng)田土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化和固碳效應(yīng)[9-14]，且過往較多研究主要集中在稻田土壤有機(jī)碳庫，對旱地碳庫變化研究略少[10-11，15]。近幾年，黃壤碳庫研究也只是不同施肥措施對有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化、不同組分變化差異及平衡特征等方面的影響[2，16-18]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】黃壤是中國南方山區(qū)重要的土壤類型，全國25.3 %的黃壤集中分布在貴州，面積分別占貴州國土面積和土壤面積的41.9 %和46.4 %，是貴州主要的農(nóng)業(yè)土壤類型。相關(guān)學(xué)者通過模型計(jì)算全國28個(gè)省市自治區(qū)的農(nóng)田土壤固碳潛力發(fā)現(xiàn)，貴州省總固碳潛力高達(dá)8.4 Tg，僅低于湖南省和廣東省，遠(yuǎn)高出其余省份[19-20]，可見，研究黃壤區(qū)域土壤固碳的意義重大?！緮M解決的關(guān)鍵問題】筆者前期研究發(fā)現(xiàn)，旱地土壤有機(jī)碳與作物產(chǎn)量間有明顯相關(guān)性且不同施肥條件下有機(jī)碳庫差異較大。鑒于土壤碳循環(huán)研究的重要性，筆者基于黃壤肥力與肥效長期定位試驗(yàn)相關(guān)研究基礎(chǔ)，對長期不同施肥處理下黃壤有機(jī)碳儲(chǔ)量變化，長期外源碳投入與碳固存關(guān)系及其與作物產(chǎn)量相互關(guān)系進(jìn)行探討，明確長期施肥條件下黃壤旱地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳庫水平、源匯關(guān)系及典型黃壤區(qū)增加土壤碳固存的合理施肥方案，為黃壤地區(qū)合理施肥、地力培育、作物產(chǎn)量提升及進(jìn)一步解釋黃壤固碳機(jī)制、確定固碳潛力提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)點(diǎn)位于貴州省貴陽市花溪區(qū)貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院內(nèi)(106°07′E，26°11′N)，地處黔中黃壤丘陵區(qū)，平均海拔1071 m，年均氣溫15.3 ℃，年均日照時(shí)數(shù)1354 h，相對濕度75.5 %，全年無霜期270 d，年降雨量1100～1200 mm。土壤類型為黃壤，成土母質(zhì)為三疊系灰?guī)r與砂頁巖風(fēng)化物。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

黃壤肥力與肥效長期試驗(yàn)始于1994年(勻地試驗(yàn))，初始土壤pH 6.7，有機(jī)質(zhì)為43.6 g/kg，全氮為2.05 g/kg，全磷為0.99 g/kg，全鉀為10.7 g/kg。種植制度為1年1季玉米。試驗(yàn)采用大區(qū)對比試驗(yàn)，每個(gè)區(qū)面積340 m2，共設(shè)置12個(gè)處理，選取其中10個(gè)處理，分別為減量有機(jī)肥+減量化肥(1/4M+3/4NPK)、中量有機(jī)肥+中量化肥(1/2M+1/2NPK)、全量有機(jī)肥(M)、對照(CK)、全量有機(jī)肥+化肥(M+NPK)、全量氮磷鉀肥(NPK)、偏施氮鉀肥(NK)、偏施氮肥(N)、偏施氮磷肥(NP)和偏施磷鉀肥(PK)?；暑愋蜑槟蛩?N 46 %)、普鈣(P2O516 %)、氯化鉀(K2O 60 %)。試驗(yàn)用有機(jī)肥為牛廄肥(年平均養(yǎng)分含量分別為C 264 g/kg、N 16.6 g/kg、P2O53.8 g/kg、K2O 22.8 g/kg)[21]，年均施入122.2 t/hm2，每年按照有機(jī)肥養(yǎng)分含量來調(diào)節(jié)化學(xué)氮肥施用量，除CK、PK處理不施氮肥，M+NPK處理氮肥施用量加倍外，其余施氮小區(qū)氮素施用量相同，年純氮施入量為330 kg/hm2，施化肥小區(qū)按照N∶P2O5∶K2O =2∶1∶1施用磷、鉀肥。每年春季在玉米播種前施磷鉀肥或配施有機(jī)肥作基肥，通過翻耕，均勻施入土壤，翻耕深度20 cm左右。在玉米生長期(苗期和喇叭口期)追施2次氮肥(尿素)，冬季不施肥。各處理具體施肥方案見表1。

表1 每年各處理純養(yǎng)分的施用量

1.3 樣品采集與分析

土壤樣品(耕層0～20 cm)于每年玉米收獲后，用“梅花形”采樣法在每個(gè)小區(qū)按上、中、下3個(gè)部分共采集15個(gè)樣點(diǎn)，分別混合均勻，去除根系帶回風(fēng)干研磨備用。植株樣品于玉米成熟期剔除邊行植株后，在每部分中間人工收獲2行，收獲后的玉米秸稈和籽粒均在70 ℃條件下烘干48 h后稱量，計(jì)算玉米莖、葉生物產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量，籽粒水分控制在12.0 %以下。試驗(yàn)初期由于人員及經(jīng)費(fèi)等問題致使部分年份土樣不齊，因此選取10個(gè)處理1994-1996年、2006-2015年共13 a的土壤樣品及1995-2015年共21 a連續(xù)玉米產(chǎn)量數(shù)據(jù)，分析測定土壤有機(jī)質(zhì)及玉米生物產(chǎn)量(籽粒產(chǎn)量+秸稈產(chǎn)量)等指標(biāo)。土壤有機(jī)質(zhì)測定采用重鉻酸鉀容量法[22]，土壤有機(jī)碳=有機(jī)質(zhì)×0.58，0.58為碳含量轉(zhuǎn)化系數(shù)。

(1)有機(jī)碳儲(chǔ)量計(jì)算。

SOCstock=(SOCi×BD×Hi)×0.1

式中，SOCstock為特定深度的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量(t/hm2)；SOCi為第i層土壤的有機(jī)碳濃度(g/kg)；BD為第i層土壤容重(g/cm3)；Hi為第i層土壤厚度(cm)，0.1為單位轉(zhuǎn)化系數(shù)。

(2)固碳速率和固碳效率計(jì)算方法[14，23-24]。

△SOCstock=SOCstock-2-SOCstock-1

SOCSR=△SOCstock/n

SOCSE=(SOCstock-1-SOCstock-c)/(Cinput-t-Cinput-c)

式中，SOCstock-2、SOCstock-1和ΔSOCstock分別代表某處理施肥n年后樣地有機(jī)碳儲(chǔ)量、試驗(yàn)前樣地土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量和有機(jī)碳儲(chǔ)量的變化量；SOCstock-t、SOCstock-c、Cinput-t和Cinput-c分別代表處理、對照的有機(jī)碳儲(chǔ)量和外源有機(jī)碳輸入量；n代表外源有機(jī)碳輸入的累積年份；SOCSR、SOCSE分別代表土壤固碳速率和固碳效率。

2017年，原國土資源部貫徹落實(shí)《中共中央國務(wù)院關(guān)于深化石油天然氣體制改革的若干意見》，穩(wěn)步推進(jìn)油氣勘查開采體制改革。積極開展頁巖氣區(qū)塊出讓工作，委托貴州省政府拍賣出讓正安頁巖氣勘查區(qū)塊；繼續(xù)推進(jìn)新疆油氣勘查開采改革試點(diǎn)，委托新疆維吾爾自治區(qū)政府掛牌出讓柯坪南、溫宿、溫宿西三個(gè)油氣勘查區(qū)塊；實(shí)施煤層氣礦業(yè)權(quán)審批改革試點(diǎn)，將煤層氣委托審批下放試點(diǎn)從山西擴(kuò)大到新疆、貴州等六省(區(qū))，山西省國土資源廳完成了10個(gè)煤層氣勘查區(qū)塊的招標(biāo)出讓；經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)，天然氣水合物成為我國第173個(gè)礦種。

(3)累積碳投入量計(jì)算。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中外源有機(jī)碳輸入主要來自作物殘茬(根系+秸稈殘茬)、秸稈還田及有機(jī)物料加入。本研究無秸稈還田處理，作物收獲時(shí)地上部分均隨籽粒全部移走，為此，有機(jī)碳投入主要來自作物地下部分根系、秸稈殘茬及有機(jī)肥投入。

來源于作物的有機(jī)碳投入計(jì)算公式：

Cinput=[Ys×Rs+(Ys+Yg)×R×Dy]×(1-W)×Ccrop×0.001

其中，Ys為秸稈產(chǎn)量(kg/hm2)，Yg為作物籽粒產(chǎn)量(kg/hm2)，R為光合作用進(jìn)入地下部分的碳比例(R=26 %[25])，Dγ為作物根系生物量平均分布在0～20 cm土層的比例(Dγ=85 %[26])，Rs為作物收割留茬占秸稈的比例(Rs=3 %[27])，W、Ccrop(g/kg)分別為玉米地上部分風(fēng)干樣的含水量(13 %)和含碳量(玉米平均烘干基有機(jī)碳含量為444 g/kg，即44.4 %)。

來源于有機(jī)肥的碳投入計(jì)算公式：

Cinput-M=Am×(1-W)×ManureC×0.001

1.4 數(shù)據(jù)處理

用軟件Excel 2010、SPSS 19.0及SigmaPlot 10.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和圖表處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期不同施肥處理黃壤有機(jī)碳的變化趨勢

從圖1看出，施用有機(jī)肥的土壤有機(jī)碳含量均呈明顯上升趨勢。經(jīng)過21 a施有機(jī)肥，土壤有機(jī)碳平均含量為M>M+NPK>1/2M+1/2NPK>1/4M+3/4NPK，分別較CK增加26 %、22 %、20 %和14 %；土壤有機(jī)碳年增加速率為M>1/4M+3/4NPK=M+NPK>1/2M+1/2NPK(表2)。施化肥的土壤有機(jī)碳呈緩慢上升或下降趨勢。經(jīng)過21年施化肥，土壤有機(jī)碳平均含量為PK>NP>N>CK>NPK>NK，NPK、NK處理均比CK低6 %，N處理與CK相當(dāng)，NP和PK分別比CK高3 %和8 %；土壤有機(jī)碳年增加速率為CK>NP>PK>N，NPK和NK降低速率相當(dāng)。表明，有機(jī)肥或有機(jī)肥與化肥配合施用，是有效增加土壤有機(jī)碳含量和維持土壤有機(jī)碳的重要措施。

2.2 長期不同施肥處理黃壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的變化特征

從圖2看出，不同施肥處理碳投入量不同，整體呈上升趨勢。土壤累積碳投入量為M+NPK>M>1/2M+1/2NPK>1/4M+3/4NPK>NPK>NP>NK>N>PK>CK(表3)，與化肥處理相比，有機(jī)肥施用明顯增加了有機(jī)碳投入量，累積碳投入量比CK高5.80～20.55倍，化肥處理比CK 高0.3～0.96倍。CK年均碳投入量最低，相比其余處理，其碳投入主要來源于長期不施肥的作物地上部分殘茬、地下根部碳投入及大氣干濕沉降。施有機(jī)肥處理累積碳投入量隨年份顯著提升，施化肥處理低于有機(jī)肥處理。

各處理有機(jī)碳儲(chǔ)量波動(dòng)較大，整體呈上升趨勢，以施有機(jī)肥處理較高(圖2)。有機(jī)碳儲(chǔ)量為M>1/2M+1/2NPK>1/4M+3/4NPK>M+NPK>PK>NP>N>CK>NPK>NK(表3)。其中，有機(jī)肥各處理比CK高13 %～19 %，且各有機(jī)肥處理間差異較小?；侍幚硪訬K和NPK略低，分別比CK低7 %和5 %；PK、NP處理分別比CK高8 %和2 %，N處理與CK無明顯差異。碳儲(chǔ)量變化與有機(jī)碳變化類似，亦表現(xiàn)為施有機(jī)肥處理碳儲(chǔ)量較高，且與化肥處理相比，差異較明顯。

圖中MNPK處理換為M+NPK，下同圖1 不同施肥處理土壤有機(jī)碳含量變化趨勢Fig.1 Variation trend of soil organic carbon content of different treatments

處理 Treatment有機(jī)碳平均含量(g/kg)Average soil organic carbon content比CK增減( %)To CK 年增減速率(g/kg)Annual increase and decrease rate1/4M+3/4NPK23.9±4.2 bcd140.381/2M+1/2NPK25.1±3.6 cd200.37M26.6±4.6 d260.54CK21.0±2.4 ab-0.10M+NPK25.6±4.8 cd220.38NPK19.7±2.5 a-6-0.03NK19.6±2.4 a-6-0.03N21.1±2.9 ab00.03NP21.7±2.3 ab30.07PK22.8±2.6 bc80.06

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。

Note: Different lowercase letters in the same column indicate significance of difference atP<0.05 level. The same as below.

圖2 不同施肥處理土壤累積碳投入量與有機(jī)碳儲(chǔ)量變化趨勢Fig.2 Soil accumulation carbon input and organic carbon storage variation trend of different treatments

表3 不同處理土壤有機(jī)碳累積投入量和有機(jī)碳儲(chǔ)量

2.3 土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量變化與累積碳投入量的關(guān)系

一般而言，土壤有機(jī)碳含量隨著外源有機(jī)碳輸入量的增加而增加，但根據(jù)碳飽和理論，土壤的固碳量不會(huì)無限增加，最終會(huì)趨于飽和。投入一定碳量，當(dāng)距離碳飽和值較遠(yuǎn)時(shí)，土壤有機(jī)碳增量較多(此時(shí)固碳效率也較高)；當(dāng)距離飽和值較近時(shí)，土壤有機(jī)碳增量較低(固碳效率也較低)。

相比試驗(yàn)初始土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，施肥21 a后，單施有機(jī)肥和有機(jī)肥配施化肥處理的有機(jī)碳儲(chǔ)量增量較高，M、1/2M+1/2NPK、M+NPK、1/4M+3/4NPK處理分別為 27.32、25.57、25.13和18.99 t/hm2；不施肥、施化肥處理有機(jī)碳儲(chǔ)量為7.29～16.19 t/hm2，其中，CK、PK處理較高，NPK最小。有機(jī)碳儲(chǔ)量與有機(jī)碳含量、容重及土壤中有機(jī)物料來源有關(guān)。CK和各化肥處理連續(xù)施肥21年后，累積碳投入量僅13.01～25.45 t/hm2，有機(jī)肥與化肥配施處理累積碳投入量達(dá)88.53～280.42 t/hm2(圖3)。長期施肥條件下，各處理土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量變化量與累積碳投入量呈顯著漸進(jìn)相關(guān)性(P<0.01)，即土壤碳儲(chǔ)量變化量隨著碳投入量的增加先顯著升高，后緩慢變化。當(dāng)有機(jī)碳儲(chǔ)量變化量為0時(shí)，維持土壤初始碳儲(chǔ)量水平的最小碳投入量(Cmin)為1.41 t/hm2，此值遠(yuǎn)小于各處理累積碳投入量，表明試驗(yàn)點(diǎn)黃壤固碳潛力較大，且在目前較高的有機(jī)碳投入水平下，土壤有機(jī)碳的固持已接近飽和。

為更加清晰呈現(xiàn)黃壤有機(jī)碳儲(chǔ)量變化與碳投入關(guān)系，找到分界拐點(diǎn)值，應(yīng)用回歸分析中分段函數(shù)求解。從圖4看出，當(dāng)累積碳投入量≤54.29 t/hm2時(shí)，有機(jī)碳儲(chǔ)量平均為0.39 t/hm2、有機(jī)碳含量為21.0 g/kg，土壤的固碳效率為26.62 %；當(dāng)累積碳投入量>54.29 t/hm2，由于有機(jī)碳儲(chǔ)量顯著增大，平均為10.07 t/hm2、有機(jī)碳含量為26.8 g/kg，距離飽和值更近，因此固碳效率顯著下降[28-29]，為1.72%。表明，黃壤固碳效率并非隨碳投入量增加而維持不變，當(dāng)有機(jī)碳隨碳投入量增長到一定水平后，固碳效率比低有機(jī)碳水平階段明顯降低。

圖3 不同處理有機(jī)碳儲(chǔ)量變化與累積碳投入響應(yīng)關(guān)系Fig.3 The response relationship between SOC storage variation and accumulation carbon input of different treatments

2D Graph 1；t1=min(t);t2=max(t);region1(t)=[y1×(T1-t)+y2×(t-t1)/(T1-t1)];region2(t)=(y2×(T2-t)+y3×(t-T1)/(t2-T1));f=if[t<=T1,region(t),region2(t)]圖4 不同碳投入范圍與有機(jī)碳儲(chǔ)量變化的關(guān)系Fig.4 The relationship between different accumulation carbon input and organic carbon storage variation

2.4 長期不同施肥下黃壤有機(jī)碳變化的產(chǎn)量效應(yīng)

前期研究表明，玉米持續(xù)性、穩(wěn)定性生產(chǎn)主要受土壤有機(jī)碳含量影響[2]。通過對玉米產(chǎn)量與土壤有機(jī)碳含量統(tǒng)計(jì)分析得出，黃壤有機(jī)碳每提升1 g/kg，玉米產(chǎn)量最多能夠增加7.25 kg/hm2，黃壤累積有機(jī)碳投入量與玉米產(chǎn)量有極顯著相關(guān)性，土壤累積碳投入量與作物產(chǎn)量間也符合“線-線”模型(圖5)，當(dāng)黃壤累積碳投入量為13.99 t/hm2時(shí)，玉米產(chǎn)量平均達(dá)4728.1 kg/hm2；當(dāng)黃壤累積碳投入量>13.99 t/hm2時(shí)，玉米產(chǎn)量隨累積碳投入量的增加趨勢明顯變緩。同有機(jī)碳儲(chǔ)量變化情況相似，玉米產(chǎn)量隨著碳投入量增加而增加，但也存在閾值，當(dāng)達(dá)到外源碳投入所能得到的最高產(chǎn)量后，持續(xù)的碳投入對作物增產(chǎn)影響較小。

2D Graph 1；t1=min(t);t2=max(t);Region1(t)=[y1×(T1-t)+y2×(t-t1)/(T1-t1)];region2(t)=(y2×(T2-t)+y3×(t-T1)/(t2-T1));f=if[t<=T1,region(t),region2(t)]圖5 不同碳投入量與玉米產(chǎn)量的關(guān)系Fig.5 The relationship between accumulation carbon input and maize yield

肥力水平Fertility level有機(jī)碳儲(chǔ)量(t/hm2)SOC storage 固碳效率( %)Carbon sequestration efficiency所需外源碳投入量(t/hm2)Exogenouscarbon input 需投入有機(jī)肥(t/hm2,干基)Organic manure input 牛糞豬糞玉米秸稈起始 Origination 52.8 低肥力階段Low fertility period有機(jī)碳提升5 %55.4426.629.937.625.723.2有機(jī)碳提升10 %58.0826.6219.875.151.346.5高肥力階段High fertility period有機(jī)碳維持62.91.72587.22224.31519.71375.2

2.5 不同肥力水平土壤有機(jī)碳提升機(jī)制

由不同累積碳投入階段的有機(jī)碳轉(zhuǎn)化效率(表4)可知，在低碳投入水平(累積碳投入量≤54.29 t/hm2)，有機(jī)碳含量較低的土壤低肥力階段，土壤固碳效率為26.62 %，即每投入100 t碳，有26.62 t碳固持在土壤中。因此，處于低肥力階段時(shí)，黃壤旱地土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量若提升5 %，需再額外累積投入干牛糞37.6 t(干豬糞25.7 t，玉米秸稈約23.2 t)。土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量升高10 %，則需額外累積投入干牛糞75.1 t(干豬糞51.3 t，玉米秸稈約46.5 t)。在較高碳投入水平下(累積碳投入量>54.29 t/hm2)，有機(jī)碳含量較高的土壤高肥力階段(有機(jī)碳儲(chǔ)量為62.9 t/hm2)，土壤固碳效率下降至1.72 %，此階段若要提升土壤固碳量或維持土壤有機(jī)碳固存量，需要投入大量的外源有機(jī)物，這會(huì)導(dǎo)致大量能源物質(zhì)浪費(fèi)和增加環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。因此，黃壤有機(jī)碳庫容量接近飽和狀態(tài)時(shí)，通過外源碳投入來實(shí)現(xiàn)固碳較為困難，可能需要通過實(shí)行保護(hù)性耕作制度、改善土壤環(huán)境(pH、Eh、C/N等)等使土壤發(fā)生自然積累，達(dá)到進(jìn)一步固碳[9，30]。

3 討 論

3.1 長期有機(jī)肥及有機(jī)無機(jī)肥配施對黃壤有機(jī)碳的影響

長期不同施肥條件下，黃壤有機(jī)碳變化明顯受施肥的影響。有機(jī)碳含量、有機(jī)碳儲(chǔ)量、固碳速率及累積碳投入量均表現(xiàn)為施有機(jī)肥處理優(yōu)于施化肥和不施肥處理。這是由于長期施用有機(jī)肥或有機(jī)肥和氮磷鉀礦質(zhì)肥料配合施用，有利于土壤總有機(jī)碳、活性碳、微生物碳和礦化碳含量的提高[31-32]。有機(jī)碳變化在前期研究工作中有較詳細(xì)分析[2]，此處不再贅述。通過有機(jī)碳儲(chǔ)量分析可知，同一層次有機(jī)碳儲(chǔ)量差異主要由各處理有機(jī)碳含量和容重不同所致，PK處理有機(jī)碳儲(chǔ)量較高，而NPK和NK處理又略低于CK，是由于在同等施磷水平下NP和PK處理的累積磷盈余量較高[33]，即土壤有機(jī)碳含量與有效磷隨著磷盈虧變化量呈顯著正相關(guān)關(guān)系[34]的結(jié)果一致。研究結(jié)果表明，施用化肥氮處理有機(jī)碳儲(chǔ)量與CK接近或略低，是因?yàn)殚L期有機(jī)肥配施化肥可增加土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性，由于土壤碳氮耦合效應(yīng)關(guān)系，化學(xué)氮肥施用促進(jìn)土壤有機(jī)碳的降解，增加CO2釋放[35]。此外，有機(jī)肥和化肥施用均可降低耕層土壤容重[36]，在本研究中，有機(jī)碳儲(chǔ)量與有機(jī)碳含量變化情況相似，表明土壤容重相比有機(jī)碳含量對各處理儲(chǔ)量影響較小。

土壤固碳速率是反映某一時(shí)間段內(nèi)土壤有機(jī)碳密度變化的重要參數(shù)[37]。研究結(jié)果表明，有機(jī)肥處理的有機(jī)碳固定速率高于CK和化肥處理，有機(jī)肥施用較CK提高17 %～69 %；相比有機(jī)肥處理，各化肥處理固碳速率明顯降低，與CK相比，各化肥處理降低6 %～55 %。NPK、NK、CK、N和NP處理的多數(shù)年份土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量相比初始值有所減少，土壤固碳速率為負(fù)值，表明該處理有機(jī)碳密度減少，表現(xiàn)為碳源[38]。

3.2 長期不同施肥下黃壤有機(jī)碳庫的提升和維持

研究結(jié)果表明，長期施有機(jī)肥處理土壤碳投入是化肥處理的10倍左右。有機(jī)肥與化肥配施對作物產(chǎn)量的提升作用明顯優(yōu)于化肥單施、偏施和不施肥[2，18]。在長期不同有機(jī)碳投入影響下，黃壤有機(jī)碳庫不斷發(fā)生變化，影響本區(qū)域乃至全球碳循環(huán)。本研究去除原始植被殘留、農(nóng)作物殘?bào)w及土壤基礎(chǔ)地力影響(以CK處理有機(jī)碳儲(chǔ)量及碳投入為背景值)，計(jì)算各施肥處理有機(jī)碳儲(chǔ)量與累積碳投入量的關(guān)系亦符合雙線模型，當(dāng)碳投入量過高，有機(jī)碳庫容量逐步趨于飽和。

本試驗(yàn)點(diǎn)黃壤碳投入量為54.29 t/hm2時(shí)，有機(jī)碳儲(chǔ)量達(dá)到距離碳飽和值最遠(yuǎn)的最大庫容，且在此時(shí)玉米產(chǎn)量達(dá)6046.1 kg/hm2；綜合所有處理有機(jī)碳投入水平可知，施化肥和不施肥處理碳投入量過低，全量有機(jī)肥、單施有機(jī)肥及中量有機(jī)肥和化肥(1/2M+1/2NPK)處理碳投入量均過高，會(huì)導(dǎo)致有機(jī)碳庫容提前達(dá)到飽和，且易浪費(fèi)資源和增加環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)，1/4M+3/4NPK是較為合理的施肥方案。

4 結(jié) 論

(1)有機(jī)肥與化肥配施對黃壤有機(jī)碳含量、有機(jī)碳密度和固碳速率提升有顯著作用。綜合不同施肥制度對黃壤地力、作物持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)能力、化肥減施及土壤碳庫容量等的影響，較合理的施肥方案仍然為有機(jī)肥與化肥配施，且化學(xué)磷肥、鉀肥的合理施用至關(guān)重要，其中以1/4M+3/4NPK施肥方案較為合理。

(2)不同碳投入水平下，黃壤有機(jī)碳儲(chǔ)量先線性增加，后逐漸平緩。黃壤在持續(xù)的碳投入下逐漸接近碳飽和水平，有機(jī)肥處理因高碳投入而更為明顯。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中，有機(jī)肥宜與化學(xué)肥料配施，但有機(jī)肥施用量不宜過高，找到適宜作物增產(chǎn)、土壤培肥和土壤碳庫容量保持穩(wěn)定變化的節(jié)點(diǎn)是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳的核心。為持續(xù)土壤“匯”效應(yīng)，改善土壤理化環(huán)境、制定合理施肥措施循序漸進(jìn)是保持黃壤持續(xù)固碳、延長達(dá)到土壤碳飽和點(diǎn)時(shí)間和增加作物產(chǎn)量的優(yōu)良措施。

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