施肥方式對土壤活性有機碳及碳庫管理指數(shù)的影響

羅原駿，蒲玉琳，，*，龍高飛，葉 春，朱 波

(1.四川農業(yè)大學 資源學院，四川 成都 611130； 2.中國科學院 山地表生過程與生態(tài)調控重點實驗室，四川 成都 610041； 3.四川省地質礦產勘查開發(fā)局 成都水文地質工程地質隊，四川 成都 610072)

土壤有機碳是維持土壤養(yǎng)分穩(wěn)定保存和有效供應的重要物質基礎[1-2]，因庫容量巨大，在全球碳循環(huán)中扮演著重要角色[2]，即便是土壤碳庫發(fā)生輕微波動，也可能導致大氣CO2濃度產生重大改變，從而影響全球氣候變化[3]?；钚杂袡C碳(active organic carbon， AOC)是指土壤有機碳中有效性較高、易被氧化分解、受外環(huán)境影響較大的那部分有機碳[4]。它的數(shù)量雖小[5]，但對土壤環(huán)境變化的反應比總有機碳敏感，能夠對土壤碳庫變化作出迅速響應[6-7]。在農田生態(tài)系統(tǒng)中，碳庫管理指數(shù)(carbon pool management index， CPMI)常被用來表征不同農業(yè)管理措施下土壤的碳庫狀況，由于其綜合考慮了土壤碳庫總量與碳庫活度的變化情況，因此，可比活性有機碳更為靈敏地指示土壤碳庫對不同農業(yè)措施的響應，準確評價土壤質量水平[8-10]。

施肥作為提高作物單產與保證糧食安全的重要措施之一，會直接或間接地調控土壤有機質及養(yǎng)分的輸入，并影響土壤的固碳效應[4]。曾駿等[11]和Moharana等[12]認為，施肥可以提高漠土或始成土的易氧化有機碳(PXOC)含量，并以有機-無機肥配施的提升作用最為顯著；張瑞等[13]認為，在加入等量有機肥的條件下再配施化肥，對潮土PXOC、溶解性有機碳(DOC)的提升作用并不突出；張貴龍等[8]曾報道，單施化肥對潮土PXOC含量無顯著影響；徐明崗等[14]卻發(fā)現(xiàn)，單施化肥顯著降低了紅壤的PXOC含量?？梢?，土壤有機碳活性組分對施肥方式的響應特征并不一致，可能會受到土壤類型的影響，從而出現(xiàn)不同甚至相反的結果。因此，開展區(qū)域土壤有機碳固存量和質量在不同農業(yè)管理措施下，特別是種養(yǎng)廢棄物替代化學肥料后的變化研究尤為必要。

紫色土是我國長江以南地區(qū)廣泛分布的重要耕地資源之一，以四川盆地分布最為集中。它是由紫色砂、頁巖類風化而成的巖性土，土層淺薄，剖面分化不明顯，長期保持在初級發(fā)育階段[15]。紫色土的這些特征導致其有機質含量低，結構性差，易遭受侵蝕。受人為生產活動的影響，部分地區(qū)紫色土退化嚴重，在相當程度上制約了紫色土的肥力水平。近年來，國內關于土壤AOC對不同施肥方式響應的研究較為廣泛，但涉及的土壤類型主要集中于紅壤、黑土、漠土等地帶性土壤[11，14，16]和長江中下游平原以水稻土為主的人為土壤[17-19]，關于施肥方式對紫色土AOC組分及CPMI的影響尚不明晰。鑒于此，本文以中國科學院鹽亭紫色土農業(yè)生態(tài)試驗站6種長期(11 a)施肥處理的紫色土為對象，研究不同施肥處理對土壤有機碳的固存效應、活性組分含量、CPMI的影響，以期為優(yōu)化紫色土農田施肥管理、提升紫色土肥力提供基礎數(shù)據(jù)與理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

田間試驗設置在中國科學院鹽亭紫色土農業(yè)生態(tài)試驗站，地處四川盆地中北部的鹽亭縣林山鄉(xiāng)(105°27′ E，31°16′ N，海拔420 m)。該區(qū)屬于典型丘陵地帶，亞熱帶季風氣候，年平均氣溫17.3 ℃，年均降水量826 mm，無霜期300 d。土壤類型以水稻土和石灰性紫色土為主，由侏羅系蓬萊鎮(zhèn)母質發(fā)育而成，土層厚度20～70 cm。土壤質地為中壤至輕壤，部分為砂質土。試驗地土壤為石灰性紫色土，母質為侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組紫色頁巖。

1.2 試驗設計

試驗小區(qū)設在6.5°坡耕地，每小區(qū)規(guī)格6 m×4 m，共18個。設置6個處理：不施肥(CK)，單施氮肥(N)，配施氮磷鉀肥(NPK)，單施有機肥(OM)，有機肥配施氮磷鉀肥(OMNPK)，秸稈還田配施氮磷鉀肥(RSDNPK)。每個處理重復3次，隨機排列。試驗開始于2003年冬小麥季，種植方式為冬小麥與夏玉米輪作，同一施肥處理的每年施肥種類與用量一致，且均作基肥一次性施入。除CK外，所有施肥處理的年總施氮量保持在同一水平(280 kg·hm-2)，其中，小麥季氮素施用量為130 kg·hm-2，玉米季為150 kg·hm-2。磷肥(P2O5)與鉀肥(K2O)年用量分別為180、72 kg·hm-2，小麥季與玉米季各一半?；瘜W氮肥為碳酸氫銨(N 17%)，磷肥為過磷酸鈣(P2O512%)，鉀肥為氯化鉀(K2O 60%)，有機肥為豬糞，含純N量約為0.2%(鮮重)。OMNPK處理的化肥氮與豬糞氮含量比為3∶7，RSDNPK處理的秸稈氮與化肥氮含量比是2∶8。還田秸稈采用小區(qū)內上一季的玉米或小麥秸稈，玉米與小麥秸稈純N量分別大致為0.8%(干重)、0.5%(干重)，秸稈于耕作前切碎，按覆土填埋的方式施入土壤。

1.3 土樣采集

試驗連續(xù)進行11 a后，于2014年玉米收后、小麥播種前，每個小區(qū)按棋盤法布設5個采樣點，采集耕層(0～20 cm)土壤，四分法縮至5 00 g左右，裝于自封塑料袋內帶回實驗室。一部分-4 ℃保存，用于測定土壤DOC和微生物量碳(MBC)；另一部分在自然條件下風干、研磨、過篩，用于其他指標測定。

1.4 指標測定

土壤pH值，土水質量體積比1∶2.5浸提—pH計測定；土壤總有機碳(TOC)，K2Cr2O7容量法[20]；PXOC，0.333 mol·L-1KMnO4氧化—比色法[21]；DOC，1 mol·L-1KCl浸提(液土體積質量比5∶1)—重鉻酸鉀容量法[22]；MBC，氯仿熏蒸—0.5 mol·L-1K2SO4浸提—重鉻酸鉀容量法；全氮(TN)，CuSO4-K2SO4-Se(質量比100∶10∶1)消化—半微量凱氏定氮法；堿解氮(AN)，堿解擴散法；全磷(TP)，酸溶—鉬銻抗比色法，速效磷(AP)，0.5 mol·L-1NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法[20]。試驗11 a后各處理土壤基本理化性質如表1所示。

1.5 碳庫管理指數(shù)計算

以CK作為參考土壤，將CK土壤碳庫活度(A)和TOC含量的平均值作為參考土壤的A和TOC含量，依照文獻[6]的方法計算不同施肥方式下土壤的A、碳庫活度指數(shù)(AI)、碳庫指數(shù)(CPI)和碳庫管理指數(shù)(CPMI)

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

應用Excel 2013進行數(shù)據(jù)整理和圖表制作，利用SPSS 17.0進行方差分析(one way-AVOVA)，基于新復極差法(Duncan)進行差異顯著性分析，利用皮爾遜(Pearson)雙側檢驗法分析土壤有機碳及其活性組分，氮、磷養(yǎng)分含量和CPMI的相關性。

表1 2014年各施肥處理0～20 cm土層土壤主要理化性質Table 1 Main physicochemical properties in 0-20 cm soil under different treatments

2 結果與分析

2.1 施肥方式對土壤有機碳及其活性組分的影響

如圖1所示，施肥對土壤TOC的影響因處理不同而有所差異。與CK相比，除N處理外，RSDNPK、OM、OMNPK和NPK處理的土壤有機碳含量均顯著(P<0.05)提高，增幅分別為142.8%、91.4%、67.3%、27.6%，其中，RSDNPK處理促進土壤有機碳積累的效果顯著(P<0.05)優(yōu)于其他處理。OM、OMNPK處理的土壤有機碳含量顯著(P<0.05)高于NPK，說明豬糞等有機物料比常規(guī)化學氮磷鉀肥更有利于提高土壤有機碳含量。OMNPK處理的TOC含量顯著(P<0.05)小于OM處理。N的TOC含量顯著(P<0.05)低于其他施肥處理，表明不均衡施肥會降低肥效，不利于土壤有機碳的積累。

與CK相比，N處理的PXOC含量無顯著差異，而OM、RSDNPK、OMNPK和NPK處理的PXOC含量均顯著(P<0.05)提高，增幅分別為109.2%、95.4%、39.3%、33.7%。OM和RSDNPK處理的PXOC含量顯著(P<0.05)高于NPK和OMNPK處理，說明單施有機肥和秸稈還田配施化肥是提高土壤PXOC的有效方式，這與施肥方式對TOC的影響規(guī)律基本一致。OMNPK和NPK處理的土壤PXOC含量差異不顯著，說明在相同氮素水平下，有機肥配施化肥對土壤PXOC含量的提升效果并不比常規(guī)施用化學氮磷鉀肥的好。

同一指標柱上無相同字母的表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。Bars marked by no same letters for the same index showed significant difference at P<0.05. The same as below.

如圖2所示，與CK相比，RSDNPK、OMNPK、OM、NPK和N處理的MBC含量分別提高70.8%、58.1%、57.5%、32.6%、13.3%，但是，NPK、N與CK處理的MBC含量無顯著差異，說明單獨施用化肥對于提高土壤MBC含量作用不大。N處理的土壤MBC含量顯著(P<0.05)低于RSDNPK、OMNPK、OM處理，NPK處理的MBC含量顯著(P<0.05)低于RSDNPK處理。這說明有機物料對提升土壤MBC的效果優(yōu)于化肥，并以秸稈還田配施化學氮磷鉀肥的效果最好。

NPK、OM、OMNPK、RSDNPK處理土壤的DOC含量分別比CK增加13.0%、35.1%、14.1%、46.2%，但差異均不顯著。除N處理外，其他處理間土壤DOC含量差異均不顯著。這表明供試土壤DOC對施肥措施的響應不甚敏感。

2.2 施肥方式對土壤活性有機碳分配比例的影響

由表2可知，各處理的PXOC占TOC的比例，即PXOC分配比例為36.18%～49.13%。與CK相比，N、NPK、OM、OMNPK處理的PXOC分配比例無顯著差異，但RSDNPK處理的PXOC分配比例卻顯著(P<0.05)降低。各處理的MBC分配比例為1.64%～2.58%，與CK相比，N、NPK、OM、OMNPK處理的MBC分配比例無顯著差異，但RSDNPK處理的MBC分配比例卻顯著(P<0.05)降低。各處理的DOC分配比例為0.57%～0.94%，無顯著差異。

圖2 不同處理對MBC、DOC含量的影響Fig.2 Effects of different treatments on soil MBC and DOC content

表2 土壤活性有機碳占總有機碳的比例Table 2 Percentage of active organic carbon to total organic carbon

2.3 施肥方式對土壤碳庫管理指數(shù)的影響

如表3所示，以CK作為參考，N、NPK、OM處理的A和AI無顯著差異，而OMNPK、RSDNPK處理的A和AI顯著(P<0.05)低于NPK和OM處理。以CK作為參考，N處理的CPI最低，NPK、OMNPK、OM、RSDNPK處理的CPI依次增加，且各處理間均差異顯著(P<0.05)。N、NPK和OMNPK處理的CPMI無顯著差異，均顯著(P<0.05)低于OM，RSDNPK處理的CPMI顯著(P<0.05)低于OM處理，但顯著(P<0.05)高于N和OMNPK處理?？梢?，單獨施用有機肥和秸稈還田配施氮磷鉀肥對土壤碳庫管理指數(shù)提升效果更好，有利于改善土壤質量。

2.4 土壤碳庫指標與氮、磷養(yǎng)分的相關性

為揭示在性質特殊的區(qū)域土壤——紫色土中，哪些碳庫指標能作為表征土壤質量變化的敏感指標，將所有處理的土壤碳庫指標與氮、磷養(yǎng)分作相關分析。如表4所示，土壤TOC與全氮、堿解氮、全磷、速效磷均呈極顯著(P<0.01)正相關，說明土壤有機碳與氮、磷養(yǎng)分關系密切，增加土壤有機碳的含量有助于改善土壤養(yǎng)分肥力狀況。

土壤TOC與PXOC、MBC、DOC均呈極顯著(P<0.01)正相關，且與PXOC的相關系數(shù)最高，說明PXOC可作為反映土壤碳庫變化的敏感指標。PXOC、MBC與氮、磷養(yǎng)分也存在顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)的正相關關系，除了TP外，PXOC與其余養(yǎng)分指標的相關系數(shù)均大于TOC，表明PXOC能夠比TOC更靈敏地反映土壤養(yǎng)分的變化情況。AN、AP與PXOC的相關系數(shù)最高，AN、AP含量直接決定土壤有效態(tài)氮、磷養(yǎng)分的含量，與作物生長狀況和產量密切相關，這說明PXOC還能夠在一定程度上反映土壤養(yǎng)分的供應能力。

CPMI不僅與氮磷養(yǎng)分含量(除TP外)呈極顯著(P<0.01)正相關，還與TOC、MBC、PXOC存在顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)的正相關性，說明土壤CPMI亦可以作為指示土壤質量變化的可靠指標。

表3 不同施肥方式對土壤碳庫活度、碳庫活度指數(shù)、碳庫指數(shù)和碳庫管理指數(shù)的影響Table 3 Effects of different fertilization treatments on soil activity of carbon， activity index， carbon pool index and carbon pool management index

表4 土壤活性有機碳、碳庫管理指數(shù)與氮、磷養(yǎng)分的相關性Table 4 Relationships within soil AOC， CPMI and N， P nutrient

3 討論

本研究通過對不同施肥處理長達11 a的長期連續(xù)定位試驗發(fā)現(xiàn)，除單施氮肥外，所試驗的其他施肥方式均可提高土壤有機碳及其活性組分含量。秸稈還田配施氮磷鉀化肥和單施有機肥對提升有機碳及其活性組分含量、碳庫管理指數(shù)的效果最佳，對土壤非活性有機碳的貢獻作用較大，能夠提高土壤碳庫的穩(wěn)定性。PXOC含量與碳庫管理指數(shù)可作為表征紫色土質量高低的敏感指標。

本研究顯示，除了單施化學氮肥外，所試驗的各施肥方法均能顯著提高土壤有機碳含量。其中，化學氮磷鉀肥配施能夠促進作物根系生長，通過增加地下生物量來提高土壤有機質含量[23]。有機肥配施氮磷鉀化肥提升有機碳的效果顯著優(yōu)于氮磷鉀化肥處理，但不及單施有機肥處理，這與張瑞等[13]的研究結果類似。這可能是因為土壤有機碳含量主要與有機物料的輸入量有關[24]，雖然各施肥處理的氮素水平一致，但單施有機肥時，每年向土壤中輸入的有機物的量約為有機無機配施的2.5倍，也遠遠大于單施化肥處理。在配施化學氮磷鉀肥的基礎上，秸稈還田對土壤有機碳的提升效果顯著優(yōu)于配施有機肥，這與王改玲等[4]的研究結果基本一致。一方面，可能是因為相比作物秸稈，豬糞的活性有機物含量高，更容易在土壤中被微生物分解[25]；另一方面，小麥和玉米秸稈中含有較多的高分子化合物，如木質素、纖維素和半纖維素等[26]，這些復雜有機物難以徹底分解，在微生物作用下可分解成腐殖質合成的原材料，如芳香族化合物(多元酚)和含氮化合物(氨基酸或肽)等，促進秸稈腐解產物形成腐殖質，從而有助于土壤有機質的積累[27]。

土壤有機碳活性組分中，PXOC是反映土壤有機碳氧化穩(wěn)定性的一個重要指標，它與土壤養(yǎng)分的供應和碳庫的穩(wěn)定性密切相關[28]。MBC來源于土壤微生物，是土壤有機物分解和礦化的動力，它與土壤肥力關系密切，因此極易受到土壤管理措施的影響，是反映土壤養(yǎng)分有效性和土壤微生物狀況隨環(huán)境變化的敏感指標[29]。大量研究顯示，PXOC和MBC對施肥措施響應敏感[5，30-31]，相比不施肥或僅施化肥，有機肥或有機-無機肥配施能夠顯著提高PXOC和MBC含量，本研究也再次論證了這一點。這是因為：一方面，施用有機肥能為土壤微生物提供充足的碳源與能源，促進微生物生長繁殖，使微生物活性大大提高，MBC水平也因此得以顯著提升[32]；另一方面，進入土壤的有機物和秸稈被微生物大量分解，其分解產物的氧化穩(wěn)定性較低，從而成為易氧化有機碳的重要來源[33]。土壤溶解性有機碳是土壤中能被水、鹽溶液等提取的可溶解有機碳組分，主要來源于土壤腐殖質和植物凋落物及其根系分泌物等，雖然占土壤總有機碳的比例不到2%，但它是土壤微生物可直接利用的主要碳源，在土壤生物化學轉化過程中起重要作用[34]。研究表明，有機肥和秸稈含有大量易被微生物降解的有機物質，施入土壤后能夠顯著提高溶解性有機碳含量[35]。本研究顯示，相比CK，各施肥處理的DOC無顯著變化，這與宇萬太等[36]的研究結果有所差異，可能是因為溶解性有機碳分子量小，容易被土壤微生物直接利用而消耗[37]。另外，本研究供試土壤的采樣時間為10月份，系玉米收獲后的休閑期。這一時期由于缺少作物根系分泌物，微生物活性降低，加之當?shù)剡@一時期降水較少，土壤含水量大大降低，從而導致不同施肥處理土壤DOC含量均回落至較低水平，故與CK間的差異不明顯[38]。值得注意的是，秸稈還田處理的DOC含量最高，且顯著高于N處理，這應該與作物秸稈增加了植物殘體的歸還量有關。

碳庫管理指數(shù)可指示土壤有機碳及其活性組分的動態(tài)變化，受土壤碳庫和碳庫活度的共同影響。本研究發(fā)現(xiàn)，對土壤活性有機碳提升效果明顯的OMNPK和RSDNPK處理，其碳庫活度和碳庫活度指數(shù)反而下降，并且顯著低于NPK和OM處理，說明有機-無機肥配施不僅能提高土壤活性有機碳，還能更大幅度地提高土壤非活性有機碳含量，在改善土壤肥力的同時，有效維持土壤碳庫的穩(wěn)定，這也解釋了在該施肥方式下活性有機碳分配比例較低的原因。從CPMI來看，單施有機肥和秸稈還田配施氮磷鉀肥兩種施肥方式的提升作用顯著，再次證實了有機肥和秸稈還田在提高土壤質量方面的突出作用。但本研究中，OMNPK處理的CPMI較N、NPK處理并無顯著提高，這與張文峰等[39]和Moharana等[12]的研究結果相反。究其原因，可能與有機肥配施氮磷鉀化肥增加的有機碳以非活性有機碳為主，導致碳庫活度指數(shù)比NPK處理低有關。