有機物料投入對作物產量及潮土固碳的影響

楊蘇 李傳哲 王靜 汪吉東 張永春 李輝信 艾玉春

摘要：通過連續(xù)2年施入不同用量有機肥、秸稈菌渣和樹枝菌渣，探究有機物料投入下環(huán)境因子及土壤理化性質對作物產量及土壤碳礦化、積累的影響，為作物穩(wěn)產高產及土壤培肥的最佳碳投入方案提供理論依據。采用Li-8100田間原位法監(jiān)測不同生育期土壤呼吸速率，設置7個施肥處理：6 000 kg/hm2有機肥（M1）、12 000 kg/hm2有機肥（M2）、6 000 kg/hm2樹枝菌渣（B1）、12 000 kg/hm2樹枝菌渣（B2）、6 000 kg/hm2秸稈菌渣（S1）、12 000 kg/hm2秸稈菌渣（S2）和不施有機物的對照（CK）。結果顯示，3種有機物料投入均提高了土壤總有機碳及活性碳氮含量，增加了玉米和小麥的產量，玉米產量增幅17.5%～45.9%，小麥產量增幅30.8%～68.6%，其中B2處理增產效果最佳。外源碳投入顯著增加土壤總有機碳含量，與此同時也引發(fā)土壤碳的礦化，增強土壤呼吸，表現為：總有機碳含量樹枝菌渣處理>秸稈菌渣處理≥有機肥處理，呼吸總量秸稈菌渣處理>有機肥處理>樹枝菌渣處理。相關性分析結果表明，土壤碳固存量與碳投入量和作物產量呈極顯著正相關關系，與易氧化有機碳、全氮和堿解氮含量呈顯著正相關關系，而與pH的相關性不顯著。總之，有機物料投入可提高土壤養(yǎng)分含量，促進作物增產，其中12 000 kg/hm2樹枝菌渣施肥處理的培肥和增產效果最佳。

關鍵詞：有機物料;固碳潛力;有機碳;土壤呼吸

中圖分類號：S141.4文獻標識碼：A文章編號：1000-4440（2020）03-0569-08

Effects of organic material input on crop yield and carbon sequestration in tidal soil

YANG Su1，2，LI Chuan-zhe1，WANG Jing2，WANG Ji-dong1，ZHANG Yong-chun1，LI Hui-xin2，AI Yu-chun1

（1.Jiangsu Observation and Experiment Station of Arable Land Conservation Science， Ministry of Agriculture and Rural Affairs/Institute of Agricultural Resources and Environment， Jiangsu Academy of Agricultural Sciences， Nanjing 210014， China; 2.College of Resources and Environmental Science， Nanjing Agricultural University， Nanjing 210095， China）

Abstract：To provide theoretical basis for the optimal carbon input scheme， the effects of environmental factors and soil physical and chemical properties on crop yield and soil carbon mineralization and accumulation were investigated by applying different amounts of organic fertilizer， straw mushroom residue and lignin mushroom residue for two consecutive years. The soil respiration rate in different growth stages was monitored by Li-8100 field in situ method. Seven treatments were set up： 6 000 kg/hm2 organic fertilizer （M1）， 12 000 kg/hm2 organic fertilizer （M2）， 6 000 kg/hm2 lignin mushroom residue （B1）， 12 000 kg/hm2 lignin mushroom residue （B2）， 6 000 kg/hm2 straw mushroom residue （S1）， 12 000 kg/hm2 straw mushroom residue （S2） and no organic matter （CK）. The results showed that the application of three organic materials increased the total organic carbon and activated carbon and nitrogen contents， and increased the yield of corn and wheat. The yield of corn and wheat increased by 17.5%-45.9% and 30.8%-68.6% respectively， and B2 treatment had the best effect on increasing yield. Exogenous carbon input significantly increased the total organic carbon content of the soil， and it also led to soil carbon mineralization and enhanced soil respiration. The total organic carbon content followed the order of B>S≥M， total respiration followed the order of S>M>B. The results of correlation analysis showed that soil carbon sequestration was significantly positively correlated with carbon input and crop yield， and positively correlated with the contents of easily oxidized organic carbon， total nitrogen and alkalytic nitrogen， but there was no significant correlation with pH. In conclusion， the input of organic materials can increase soil nutrient content and improve crop yield. The treatment of 12 000 kg/hm2 lignin mushroom residue has the best effect.

Key words：organic material;carbon sequestration potential;organic carbon;soil respiration

中國對耕地質量十分重視。有機質含量低是限制土壤地力提升的重要障礙因素，提升有機質含量，培肥地力，改善土壤養(yǎng)分結構，逐步提高耕地質量，是今后很長時期農業(yè)綜合生產力建設的基礎性重大工程[1]。單一施用化肥會造成土壤板結、漏水漏肥，作物抗逆性降低，作物減產。對于本身有機質含量低、物理結構差的潮土，在施用化肥的基礎上，通過外源碳投入來提升土壤肥力成為大家關注的重點。

有機物料施用是通過外源碳投入增加土壤有機質的最直接有效的方式。土壤有機碳是土壤肥力的基礎，碳礦化與積累的動態(tài)變化決定了土壤碳的平衡，對于評價土壤質量及改良土壤具有指導作用。在當前“減肥減污”的大背景下，有機肥和有機物料等化肥替代產品成為農業(yè)關注的重點，探究其施用對土壤碳的礦化及積累的影響，對于改土增產和指導農民科學施肥具有現實的意義。

土壤碳礦化主要來源于土壤呼吸，是僅次于光合作用的第2大碳通量，占生態(tài)系統總呼吸量的60%～90%[2-3]。目前關于土壤呼吸的研究多集中在森林、草原等生態(tài)系統[4-5]，就地域而言則多集中在中緯度的溫帶草地和森林，而對占全球陸地表面12%的農田生態(tài)系統的研究較少。目前，農田生態(tài)系統由于人為擾動頻繁、固碳潛力大等特點，成為研究的焦點。長期以來，在眾多影響土壤呼吸的自然因素中，溫度和水分被認為是影響土壤呼吸的主要環(huán)境因素，也一直是研究者關注的熱點[6-7]。土壤溫度通過改變微生物的活性來調節(jié)其代謝和氧化分解等活動[8]，間接影響土壤呼吸。而土壤濕度是通過改變植物根和微生物的生理過程、影響底物和氧氣的擴散來調節(jié)土壤呼吸。多數研究結果表明外源碳投入會增加土壤有機碳和微生物量碳，有機碳可增加土壤呼吸的底物，提高土壤呼吸速率。臧逸飛等[9]的研究結果表明，施用有機肥26年后土壤呼吸的增長幅度為15.91%～75.73%。吳會軍等[10]認為增施有機肥會改善土壤結構，增加小麥根系呼吸速率，顯著影響土壤呼吸速率。近年來，有研究者認為土壤理化性狀也是影響土壤呼吸的重要因素，退化生態(tài)系統的治理恢復措施與恢復年限可有效提高土壤固碳能力，促進土壤呼吸 [11-13]。

本試驗通過添加不同種類和用量有機物料，探究黃河故道潮土土壤呼吸的變化和碳投入量對土壤呼吸的影響及土壤呼吸與土壤環(huán)境因子的關系，為明確外源碳投入量對旱作農田生態(tài)系統碳排放量的影響提供數據支撐，為農田土壤合理添加有機物料和保證作物高產穩(wěn)產，以及制定科學有效的土壤碳調控管理措施提供最佳方案。

1材料與方法

1.1試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于江蘇省鹽城市濱海縣界牌鎮(zhèn)三壩村黃河灣綠色科技有限公司試驗基地 （北緯33°43′，東經119°37′），試驗區(qū)地處北溫帶，氣候溫和，降雨充沛，常年平均氣溫14.1 ℃，最高溫39 ℃，最低溫-10 ℃。降雨量536～1 372 mm，年平均降雨量為942.6 mm。其中江蘇省鹽城市濱海縣2017年降雨量為1 131 mm，2018年降雨量為1 279 mm，2019年截至10月降雨量為818 mm，試驗區(qū)地勢平坦，土壤類型為脫鹽潮土。樣地土壤有機質含量4.42 g/kg，全氮含量0.18 g/kg，有效磷含量2.63 mg/kg，速效鉀含量63.30 mg/kg，pH值 8.58。

1.2試驗設計

試驗于2017年7月在江蘇省鹽城市濱?？h界牌鎮(zhèn)黃河灣綠色科技有限公司試驗基地內進行，屬于小麥-玉米輪作制度。共設置7個處理，分別為有機肥6 000 kg/hm2（M1）、有機肥12 000 kg/hm2 （M2）、樹枝菌渣6 000 kg/hm2 （B1）、樹枝菌渣12 000 kg/hm2 （B2）、秸稈菌渣6 000 kg/hm2 （S1）、秸稈菌渣12 000 kg/hm2 （S2）和對照（CK），每個處理3個重復，采用完全隨機排列，每個小區(qū)面積為96 m2（長12 m，寬8 m）。添加的有機肥（M）由阿古利斯有限公司提供，主要原材料為中藥渣;秸稈菌渣（S）系草菇生產后的秸稈類菌渣;樹枝菌渣（B）系香菇生產后樹枝類菌渣。有機物料養(yǎng)分含量見表1（小麥秸稈和玉米秸稈養(yǎng)分含量為當季測定值，有機肥、秸稈菌渣和樹枝菌渣養(yǎng)分含量為2017-2018年2年平均值）。于2017年玉米季開始施用。玉米品種為蠡玉31號，于2018年6月30日播種，10月13日收獲。小麥品種為華麥七號，于2018年10月25日播種，2019年6月12日收獲。玉米季采用小麥根茬全量還田，小麥季采用玉米根茬全量還田，還田量依據作物產量而定，玉米草谷比為1.73，小麥草谷比為1.28。還田方式均為留茬15 cm直接翻耕到土壤中，翻耕深度為20 cm，采用人工播種的方式。玉米株間距為25 cm，行間距為70 cm，小麥行間距為15 cm。玉米季和小麥季勻施復合肥（N∶P2O5∶K2O比例為18∶12∶10） 600 kg/hm2，復合肥作基肥一次性施入。玉米季在拔節(jié)期和大喇叭口期追施尿素，小麥季在返青期和拔節(jié)期追施尿素，追肥均占總氮用量的30%。于玉米和小麥的不同生長期（表2）監(jiān)測土壤呼吸速率和0～10 cm土層土壤溫度、濕度。在收獲期每個小區(qū)S形取0～10 cm土層土壤樣品5個，組成混合樣品，帶回試驗室進行風干、研磨、過篩，測定土壤理化指標。

1.3試驗方法

土壤呼吸監(jiān)測采用開路式土壤碳通量自動監(jiān)測系統，儀器型號為 Li-8100（ Li-COR，Lincoln，NE，USA），開始監(jiān)測前在每個小區(qū)相同的位置（作物株間）固定一個長期監(jiān)測呼吸的PVC底座（高20 cm，直徑20 cm）。為減少放置 PVC底座對土壤的擾動，初次測定在PVC底座插入土壤 24 h后進行。為防止有機物料添加不均對試驗結果造成的影響，先計算出PVC管內土壤的體積，再按比例添加有機物料。在每次測定前1 d，檢查PVC底座是否完好，并用剪刀貼地剪除底座內的可見植物，減少植物呼吸和土壤擾動對土壤呼吸的影響。同步監(jiān)測PVC底座附近0～10 cm土壤溫度和濕度，土壤溫度采用Li-8100自帶的溫度探頭測定，土壤濕度采用野外采樣-室內烘干法測定。土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀-外加熱法測定，土壤易氧化有機碳含量采用333 mol高錳酸鉀氧化法測定，土壤全氮含量采用凱氏蒸餾法測定，土壤堿解氮含量采用堿解擴散法測定，pH采用液土比為2.5∶1.0（質量比）的電位法測定。

1.4數據處理

采用 Excel 2016、SPSS 25.0、Origin 2018、R Studio進行數據處理和分析。采用雙變量相關分析中的 Pearson 分析，分析土壤呼吸速率與土壤溫度、土壤濕度的相關性。以不同生長期土壤呼吸速率（以8∶00-10∶00測定值為全天呼吸平均值[10]），乘以生長期的天數，累計相加計算出玉米和小麥全生育期土壤呼吸總量。

2結果與分析

2.1有機物料對玉米和小麥產量的影響

從圖1 中可以看出，外源有機物料添加會顯著增加玉米和小麥的產量，且隨有機物料用量的增加，作物產量呈增加的趨勢。添加量為6 000 kg/hm2時玉米和小麥的增幅分別為17.5%～30.7%、30.8%～46.7%，添加量為12 000 kg/hm2時增幅分別為24.8%～45.9%、55.8%～68.6%。不同有機物料對玉米和小麥的增產效果不同，玉米表現為B>M>S，小麥為B>S>M，其中B2處理對玉米和小麥的產量影響最顯著，產量最高值分別達4 536 kg/hm2和7 522 kg/hm2。

2.2有機物料施用下土壤呼吸的動態(tài)變化

玉米季土壤呼吸速率呈先上升后下降的趨勢，在拔節(jié)期達到最大值[7.65 μmol/（m2·s）]，抽雄-授粉期保持穩(wěn)定，在乳熟期由于低溫脅迫，呼吸速率降至生育期最低，其值為0.98 μmol/（m2·s）。從圖2中可以看出，外源有機物料施用會顯著增加土壤呼吸速率，且隨有機物料用量的增加呈現增加的趨勢，但不同有機物料對呼吸速率的影響不同，表現為S>M>B。

小麥季土壤呼吸速率與玉米季不同，呈現先下降后上升的趨勢，在返青期降至最低值，其值為0.64～1.51 μmol/（m2·s），在拔節(jié)期快速上升，在成熟期達到另一個峰值，但仍低于苗期呼吸速率。從圖2可以看出，小麥季呼吸速率在返青期和拔節(jié)期差異較大，在抽穗期和成熟期差異減小，總體表現為S>M>B。樹枝菌渣由于自身碳氮比高，在土壤中不易被微生物利用，分解較慢，導致土壤呼吸低，而秸稈菌渣和樹枝菌渣碳氮比相近，因此二者呼吸速率無顯著差異，但均顯著高于對照。

M：有機肥;S：秸稈菌渣;B：樹枝菌渣。M1：有機肥6 000 kg/hm2+NPK肥;M2：有機肥12 000 kg/hm2+NPK肥;B1：樹枝菌渣6 000 kg/hm2+NPK肥;B2：樹枝菌渣12 000 kg/hm2+NPK肥;S1：秸稈菌渣6 000 kg/hm2+NPK肥;S2：秸稈菌渣12 000 kg/hm2+NPK肥;CK：NPK肥（對照）。不同小寫字母表示處理間差異顯著（P<0.05）。

各處理見圖1注。

2.3呼吸速率與土壤溫度、濕度的相關性

土壤溫度和濕度是影響土壤呼吸季節(jié)性變化的重要因素，這是由于微生物的生命活動必不可少受到溫度、濕度等環(huán)境因素的影響。將土壤呼吸速率與溫度和濕度擬合為二次曲線后發(fā)現，呼吸速率與溫度的擬合度較高，R2在0.39至0.66之間，達到極顯著水平（P<0.01），而與濕度的擬合效果較差（圖3）。隨有機物料施用量的增加，呼吸速率與溫度和濕度的相關性略有增加，施用有機肥處理土壤呼吸速率與溫度的相關性優(yōu)于樹枝菌渣和秸稈菌渣處理，而呼吸速率與濕度的相關性則表現為樹枝菌渣處理優(yōu)于有機肥和秸稈菌渣處理。

各處理見圖1注。

2.4土壤呼吸與土壤理化性質及作物產量的相關性

Pearson雙因素相關分析結果（表3）表明，土壤呼吸總量與土壤有機質、碳投入量、產量及pH呈顯著正相關關系，與有機質相關系數最大（0.52）。碳投入量極顯著增加了有機質、易氧化有機碳和堿解氮含量。易氧化有機碳和堿解氮屬于土壤中的活性組分，易被作物吸收利用，因此與作物產量呈正相關關系。而土壤pH增高顯著增加碳的礦化，減少了碳的積累，因此與作物產量呈負相關關系。

2.5玉米季和小麥季碳的投入與礦化

土壤中碳的投入分為2部分：秸稈還田中的碳和外源有機物料投入的碳。不同有機物料的碳含量不同，導致土壤碳投入量不同，總體表現為B>S>M。B2處理碳投入量最大，其值為4 111 kg/hm2，比其他處理高1 261～2 897 kg/hm2。由圖4可知，玉米季土壤呼吸總量為3 718～4 650 kg/hm2，小麥季為3 901～5 532 kg/hm2，且土壤呼吸整體隨碳投入量的增加而增加，表現為S>M>B。

1.00SR、SOM、ROC、TN、AN、Y、CI分別表示土壤呼吸速率、土壤有機質含量、氧化有機碳含量、總氮含量、堿解氮含量、作物產量、碳投入量。

各處理見圖1注。

2.6有機物料施用下土壤易氧化有機碳與總有機碳含量變化

外源碳投入會增加土壤有機碳含量（圖5）。連續(xù)施用2年有機物料后，土壤有機碳含量為3.03～4.52 g/kg，與CK相比增幅為25.9%～73.1%。不論玉米季還是小麥季B2處理總有機碳含量最高，顯著高于其他處理。易氧化有機碳含量隨有機物料施用量的增加呈增加的趨勢。玉米季易氧化有機碳占總有機碳的24.3%～39.1%，小麥季為24.5%～37.45%。由于夏玉米生育期短，有機物料腐解少，殘留在土壤中的活性有機碳含量高，而冬小麥生育期長，易氧化有機碳占總有機碳比例低。

各處理見圖1注。不同小寫字母表示處理間差異顯著（P<0.05）。

2.7碳投入與碳投入引起的土壤有機碳增加量的擬合曲線

碳投入會引起土壤有機碳含量的增加。由圖6擬合曲線可知，碳投入量與土壤有機碳增加量呈極顯著正相關關系（P<0.01），且二者擬合為一次函數效果最好，R2為0.371。

3討論

不論玉米季還是小麥季，土壤呼吸速率均呈現明顯的季節(jié)性變化，即8月份達到最大值，12月出現最低值。這是由于土壤呼吸受生物和非生物因素的共同控制，而這些生物因素和非生物因素會隨著季節(jié)的變化而發(fā)生變化[14]。目前被廣泛認可的環(huán)境因子溫度和濕度可以解釋土壤呼吸變化的55%～86%[15]。但通過擬合曲線發(fā)現，土壤濕度與土壤呼吸擬合為三次函數效果較好。這一方面可能是由于濕度采用室外取樣-室內烘干法測定，結果有一定的誤差;另一方面是試驗區(qū)降雨量較為集中，潮土結構差，易漏水漏肥。除外界環(huán)境因素外，有機物料的種類對土壤呼吸也有影響?？傮w來說，土壤呼吸總量大小順序為秸稈菌渣（S）處理>有機肥（M）處理≥樹枝菌渣（B）處理，這主要與添加物料的碳氮比（C/N）和物質組成有關。李昌明[16]等認為C/N和物質組成是影響腐解的主要因素，可溶性成分和半纖維素含量越高、C/N越低的物質在土壤中的分解越快，而木質素含量高、C/N高的物質在土壤中分解較慢。秸稈菌渣的C/N和木質素含量比有機肥和樹枝菌渣的低，可為微生物提供較高的碳、氮源和營養(yǎng)物質，促進微生物的生長和繁殖，更能顯著地增加土壤呼吸。張東秋等[17]、王新源等[18]認為pH也可以通過調控土壤中化學反應和微生物體內酶的多樣性來影響土壤呼吸速率。劉岳燕通過實驗證明，土壤pH過高（>8.5）或過低（<5.5）都會抑制土壤微生物的活動，減緩有機碳的周轉，使得土壤中有機碳的分解速率下降[19]。本研究的供試土壤為潮土，偏堿性，pH為8.58，通過2年的有機物料施用后，土壤pH向中性過度，有利于微生物生存和作物產量增加，導致土壤微生物和根系的呼吸增強。臧逸飛等[9]、范利超等[20]認為外源碳投入會增加土壤呼吸，但總體表現為土壤的“碳匯”， 而本研究中碳投入量與土壤有機碳增加量的擬合曲線顯示，二者呈極顯著正相關關系（P<0.01），也證明了此觀點。土壤呼吸的影響因素較多，包括環(huán)境因子、土壤性質、植被類型和區(qū)域尺度，但通常這些因子都是相互作用的，共同影響土壤呼吸[21-23]。目前關于土壤呼吸的研究普遍存在時間尺度連續(xù)性差、測定間隔長、空間區(qū)域范圍小等問題。因此今后研究的重點應同時兼顧土壤呼吸測定的同時性和連續(xù)性，從而建立多因素影響下的土壤呼吸模型，為以后估計土壤呼吸量奠定基礎。

本試驗投入土壤中的碳來源有2個部分：一部分來源于秸稈，一部分來源于有機物料。但有機物料投入的碳占主導，秸稈中的碳占少部分，不能滿足微生物及作物生長的需求，因此外源有機物料投入對土壤有機碳含量提升及作物產量增加發(fā)揮至關重要的作用。相關性分析結果顯示，土壤呼吸速率與有機質含量、碳投入量及作物產量呈顯著正相關關系，外源碳投入會增加土壤養(yǎng)分含量，協調水肥氣熱等因子的相互關系，進而增加作物產量。這主要是因為有機物的施入會顯著提高表土有機碳含量，增加土壤活性養(yǎng)分，例如易氧化有機碳和堿解氮，為微生物活動提供了大量的營養(yǎng)和能源，促進了微生物呼吸[24]，同時也增加了微生物對碳、氮的固定，而碳、氮是作物生長的主要養(yǎng)分，二者呈極顯著正相關關系，具有良好的耦合效應，可以共同促進作物產量的增加。在所有處理中，樹枝菌渣添加量為12 000 kg/hm2的增產效果最明顯，這主要是由于樹枝菌渣碳投入量大。多投入的碳一部分來源于樹枝菌渣較高的碳含量，施用量相同時進入土壤的碳多;另一部分是由于作物產量高，相應的秸稈還田量大，導致土壤碳投入量大。樹枝菌渣碳氮比高，木質素含量高，在土壤中不易分解，因此礦化消耗的碳少，固存的量多，對改良黃河故道潮土，增強土壤固碳潛力，增加作物產量具有明顯的作用。

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（責任編輯：張震林）