間作和施肥對黃壤有機碳礦化的影響

皮義均， 王小利， 段建軍， 何 進， 林仕芳， 龍大勇， 張利武

(1.貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 貴陽 550025； 2.貴州大學(xué)煙草學(xué)院， 貴陽 550025； 3.陽煤納谷(山西)節(jié)能服務(wù)有限責(zé)任公司， 山西 陽泉 045000)

土壤碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫，對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳排放乃至溫室效應(yīng)有重要影響[1]。間作能夠顯著提高玉米和大豆根干質(zhì)量、總根長、總根表面積、根系分泌總糖和總有機酸含量[2]。玉米大豆間作能夠增加土壤有機碳(SOC)的含量，改善土壤營養(yǎng)和根際微生物群落，降低土壤有機碳礦化，增強土壤固碳能力[3]。間作增加SOC以及活性有機碳，通過提高土壤微生物生物量和活性促進土壤有機質(zhì)的降解[4]。施肥是影響土壤有機碳積累最為重要的人為因素。Iqbal等[5]研究表明，施用氮肥會增加土壤中CO2的釋放量。施用化肥降低土壤微生物量碳含量，而施入有機肥增加土壤微生物量[6,7]。有機肥處理的土壤總有機碳累積礦化顯著增高[8]。

黃壤是亞熱帶地帶性土壤，是貴州省面積最大的土壤類型，占全省土壤總面積的46.4%[9]。對黃壤的研究主要集中在施肥對作物產(chǎn)量、黃壤有機碳組分的影響[10,11]，以及施肥對紫色土礦化的影響[12]，尚未見對不同間作和施肥模式下黃壤旱地有機碳礦化及其CO2釋放特征進行研究的報道。目前對玉米大豆間作的研究主要集中在不同作物品種、種植密度、種植比例對玉米大豆生長發(fā)育、生理特征、產(chǎn)量、經(jīng)濟效益、養(yǎng)分和水分利用等方面[13]。國內(nèi)外雖然對玉米大豆間作系統(tǒng)下土壤有機碳礦化以及CO2氣體排放有不少研究，但不同條件下結(jié)果不同，間作降低土壤CO2排放[14]，促進土壤CO2排放[15]或?qū)ν寥繡O2的累積排放量沒有顯著影響[16]。

本研究通過大田試驗和室內(nèi)礦化培養(yǎng)試驗，研究玉米大豆間作與不同施肥模式對土壤有機碳礦化速率的影響，為西南山地玉米大豆間作種植和施肥及與土壤生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)系提供基礎(chǔ)技術(shù)和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于貴州省安順市西秀區(qū)雞場鄉(xiāng)(106°5′59″E，26°6′29″N)，地處黔中丘原區(qū)，海拔1 271 m，屬亞熱帶季風(fēng)濕潤型氣候，年均氣溫13.2～15 ℃，年均降雨量968～1 309 mm。土壤為黃壤，基本性質(zhì)為：有機碳17.06 g/kg，堿解氮126.73 mg/kg，有效磷20.92 mg/kg，速效鉀159.50 mg/kg，pH值4.54。

1.2 試驗設(shè)計

試驗地采用裂區(qū)設(shè)計，主區(qū)處理為種植方式，設(shè)3個處理：①MM：玉米單作；②SM：大豆單作；③IN：玉米/大豆間作，裂區(qū)處理為施肥方式，按照等氮量原則設(shè)置4個處理：①ck：不施肥對照；②0.5 NPM：化肥+有機肥配施；③NP：氮磷肥配施；④M：單施有機肥，共12個處理，重復(fù)3次，36個小區(qū)，小區(qū)面積21.78 m2(3.3 m×6.6 m)，小區(qū)之間間隔1 m。玉米單作(行距×株距=60 cm×30 cm)、大豆單作(行距×株距=40 cm×20 cm)。間作時，玉米和大豆的行距為60 cm，玉米株距30 cm，大豆株距20 cm(圖1)。玉米和大豆每穴分別留苗1株和2株。供試玉米品種為“黔單16號”，大豆品種為安順本地春大豆。供試有機肥為貴州萬盛肥料廠所生產(chǎn)生物有機肥(含有機質(zhì) 45%，含N 2.29%，含P 1.2%)、氮肥為尿素(含N 46.2%)、磷肥為過磷酸鈣(含P 7.0%)，所有肥料均作為基肥一次施用，各處理的施肥量見表1。田間管理均同當(dāng)?shù)卮筇镆恢隆?/p>

表1 田間試驗各處理施肥量 單位：kg/hm2

圖1 作物間作示意圖

1.3 土壤樣品采集與分析方法

2020年8月玉米和大豆收獲后采集土壤樣品，用土鉆在一個小區(qū)按S形線路采集5點組成0～20 cm耕層土壤混合樣品，除去動、植物殘體后充分混勻，分成兩份，一份新鮮土過孔徑2 mm篩，約200 g放置于4 ℃冰箱內(nèi)用于土壤礦化培養(yǎng)試驗及微生物量碳測定；另一份自然風(fēng)干后研磨過0.149 mm篩，用于土壤有機碳的測定。土壤含水量采用烘干法，土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定[17]。

1.4 土壤有機碳礦化培養(yǎng)試驗

土壤有機碳礦化培養(yǎng)將采用堿液吸收法[8]：稱取過2 mm篩的鮮土(保存于4 ℃冰箱)和土壤樣品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45%左右，置于1 000 mL培養(yǎng)瓶底部，在25 ℃培養(yǎng)箱中預(yù)培養(yǎng)7 d。然后將盛有10 mL 0.1 mol/L NaOH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)。每個處理重復(fù)3次，同時設(shè)3個空白對照，共111組礦化培養(yǎng)微系統(tǒng)。在培養(yǎng)的第1、2、3、6、9、12、15、18、21、24、27、30、33 d時，更換堿液吸收杯并加水至恒重，吸收杯中加入1 mol/L BaCl2溶液2 mL，再滴加2滴酚酞指示劑，用0.1 mol/L HCl(每次滴定前用無水硼砂進行標(biāo)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 計算公式

土壤有機碳礦化計算公式為[8]：

土壤有機碳礦化量(CO2mg/kg)=cHCl×(v0-v1)×22/0.03；其中，cHCl為鹽酸濃度，單位mol/L；v0為空白滴定的體積，單位mL；v1為消耗鹽酸的體積，單位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。

土壤有機碳礦化速率(CO2mg/(kg·d)=培養(yǎng)時間內(nèi)有機碳礦化量(CO2mg/kg)/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)/土壤總有機碳(g/kg)]×100%。

1.6 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用DPS 7.05軟件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WPS Office 2021軟件作圖，圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 間作和施肥對土壤有機碳的影響

由圖2可知，間作和施肥處理下SOC含量介于14.62～20.06 g/kg之間。不同施肥處理下，與玉米單作和大豆單作相比，間作后SOC含量分別降低了4.4%和6.13%。不同種植模式下，與ck處理相比，施肥后(0.5 NPM、NP、M處理)SOC含量顯著增加了17.95%、20.41%、26.89%(p<0.05)。其中，間作條件下，與ck相比，0.5 NPM、NP、M處理的SOC增加了3.54%、14.18%、21.89%，其中M處理和NP處理差異均達到顯著水平(p<0.05)。

注：柱上不同字母表示處理間有顯著差異(p<0.05)。下同。圖2 不同種植方式和施肥處理下土壤有機碳含量

F檢驗結(jié)果表明(表2)，不同種植方式、施肥及其交互作用對SOC累積礦化量、SOC累積礦化率和礦化前的土壤有機碳(SOC)、土壤微生物生物量碳(SMBC)、微生物熵(qMB)均有顯著影響(p<0.05)，且施肥的影響大于種植方式。

表2 不同種植方式和施肥處理對土壤有機碳累積礦化量和累積礦化率及礦化前后SOC、SMBC和qMB的影響(F值)

2.2 間作和施肥對土壤有機碳礦化速率的影響

由圖3可知，在整個培養(yǎng)期內(nèi)(0～33 d)，所有處理下的SOC礦化速率隨時間延長呈下降趨勢，而且日均土壤礦化速率在培養(yǎng)期內(nèi)呈相同的變化趨勢，下降趨勢分為三個時期，初期為1～3 d，SOC礦化速率最快，CO2的釋放量由峰值(第1天)迅速下降，在曲線上最陡峭，釋放的CO2最多。中期3～24 d，CO2釋放逐漸減少，不同種植方式在第3天和第24天的礦化速率為第1天的21.67%～33.92%和7.11%～8.41%，不同施肥處理在第3天和第24天的礦化速率分別僅為第1天的24.16%～30.41%和7.03%～8.37%，不同種植方式和施肥處理均顯著降低。末期為24～33 d，釋放的CO2最少，不同施肥處理下第33天的有機碳礦化速率僅為第1天的1.28%～1.77%，不同種植方式在第33天的有機碳礦化速率僅為第1天的0.41%～2.37%，礦化速率顯著降低，釋放CO2的速率趨向一致。在培養(yǎng)期33 d內(nèi)，SOC礦化速率符合對數(shù)函數(shù)關(guān)系y=b+kln(t)(表2)，它表示在培養(yǎng)期內(nèi)每變化1%個單位，SOC礦化速率將會變化k%的絕對值。

圖3 不同種植方式和施肥處理下土壤有機碳礦化速率

2.3 間作和施肥對土壤有機碳累積礦化量、累積礦化率的影響

由圖4可知，不同處理下的SOC累積礦化量在前期較快，隨培養(yǎng)時間的延長呈上升的趨勢，但增幅速度減慢且漸趨平緩，第33天培養(yǎng)結(jié)束時，不同種植方式之間的SOC累積礦化量大小關(guān)系為玉米單作>大豆單作>間作，間作與玉米單作和大豆單作相比，分別降低了20.55%和4.68%。不同施肥處理之間SOC累積礦化量的大小關(guān)系為0.5 NPM>NP>M>ck，與ck處理(1 038 mg/kg)相比，0.5 NPM處理增加了22.31%，明顯高于其他處理(p<0.05)。

圖4 不同種植方式和施肥處理下土壤有機碳累積礦化量

表3 不同種植方式和施肥處理下土壤有機碳礦化速率回歸方程

SOC累積礦化率的高低能夠判斷土壤固碳能力，速率高則固碳能力弱，速率低則固碳能力強。從第33天SOC累積礦化率可知(圖5)，間作和施肥處理下SOC累積礦化率均有差異，在5.95%～9.62%之間。F檢驗結(jié)果(表2)表明，不同種植方式、施肥及其交互作用對SOC累積礦化率產(chǎn)生顯著影響。

圖5 培養(yǎng)33 d不同種植方式和施肥下的土壤有機碳累積礦化率

不同施肥處理下，間作累積礦化率較玉米單作降低13.37%，但較大豆單作增加了1.83%，表現(xiàn)為玉米單作>間作>大豆單作。不同種植模式下，M處理較ck、0.5 NPM、NP處理分別降低15.78%、15.91%、7.75%。

2.4 間作和施肥對SMBC和SMBC/SOC(qMB)的影響

如表4所示，礦化前后不同處理SOC含量在13.34～20.11 g/kg之間，礦化后有機碳含量下降了0.84～1.52 g/kg，以大豆單作ck處理下降最多。

表4 不同種植方式和施肥下礦化前后土壤有機碳、微生物量碳和微生物熵

礦化前后SMBC含量分別在88.82～415.99 mg/kg和41.89～257.69 mg/kg之間，礦化前不同種植方式、施肥及其交互作用對SMBC均產(chǎn)生顯著影響(表2)；不同施肥處理下，間作較玉米單作和大豆單作增加62.51%、48.05%；不同種植模式下，除NP外，0.5 NPM、M較ck分別增加132.79%、162.88%，其中M處理顯著增加；間作和施肥均顯著增加了SMBC含量。礦化后SMBC下降范圍在1.97～289.31 mg/kg之間，其中間作M下降最明顯。

礦化前后qMB分別在0.37%～2.39%和0.15%～1.46%之間。礦化前不同種植方式、施肥對qMB均產(chǎn)生顯著影響；不同施肥處理下，間作qMB較玉米單作和大豆單作增加了70.35%、62.33%；不同種植模式下，0.5 NPM和M處理較ck增加96.87%、104.57%，NP較ck下降15.89%。礦化后除大豆單作ck外，qMB下降了11.43%～67.62%，以間作M下降最高。

2.5 土壤有機碳礦化量與有機碳累積礦化率以及SOC、SMBC、qMB變化值的關(guān)系

相關(guān)性分析表明(表5)，SOC累積礦化量、SOC累積礦化率、SOC變化值之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與SMBC變化值、qMB變化值無顯著相關(guān)。SMBC變化值與qMB變化值呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。這說明SOC累積礦化量、SOC累積礦化、SOC變化值之間相互聯(lián)系非常密切，但與SMBC變化值和qMB變化值關(guān)系不大。

表5 土壤有機碳累積礦化量與有機碳累積礦化率及SOC、SMBC和qMB變化值的相關(guān)性

3 討 論

3.1 土壤有機碳含量

土壤中的有機碳輸入主要來自作物收割后殘留的根系、根系分泌物以及有機肥的施入。間作增加了SOC消耗，可能是種植年限比較短，導(dǎo)致土壤中殘留的根系以及根系分泌物比較少，間作系統(tǒng)根系發(fā)達，消耗SOC的速度快。本研究結(jié)果得出，間作下，單施化肥和單施有機肥土壤有機碳提高了14.18%～21.89%。但M處理下，與玉米單作相比，間作沒有降低。因為間作增加了化學(xué)成分復(fù)雜的土壤可溶性有機碳[18]，且不同耕作方式對土壤的有機質(zhì)及養(yǎng)分含量會產(chǎn)生影響[19]。烏達木等[3]研究發(fā)現(xiàn)，全土中玉米/大豆間作處理的土壤有機碳含量顯著低于大豆單作處理，與本研究結(jié)果一致。長期施用有機肥能夠提高土壤總有機碳含量[8]，與本研究結(jié)果不盡相同，可能是由于施肥能夠促進作物生長，影響作物根系及根系分泌物，施肥處理土壤中的有機碳輸入量多。

3.2 土壤有機碳礦化速率、累積礦化量、累積礦化率

本研究表明，間作、施肥及其交互作用對有機碳累積礦化量交互效應(yīng)達到顯著水平，且施肥影響更大。間作能夠降低土壤有機碳礦化的速率，施肥提高了土壤有機碳的礦化速率。因為耕作方式能夠顯著影響土壤有機碳累積礦化量和土壤有機碳礦化[20]，施肥可以顯著提高土壤有機碳礦化速率[21]。土壤有機碳礦化速率前期快，中期慢，后期趨于平緩，且土壤有機碳礦化速率與培養(yǎng)時間為顯著對數(shù)函數(shù)關(guān)系，與康成芳等[22]的研究結(jié)果一致。因為土壤有機碳礦化過程與土壤中的可利用有機物質(zhì)有關(guān)，在培養(yǎng)前期，土壤中存在大量簡單易分解的糖類、蛋白質(zhì)、纖維素等有機化合物，為土壤微生物提供了大量的能量來源，導(dǎo)致礦化速率和累積礦化量的提高[23]，隨著培養(yǎng)時間的增加，土壤有機碳礦化速率隨著土壤可利用簡單有機物的消耗而降低，培養(yǎng)后期，土壤中剩下的都是難分解的復(fù)雜化合物，如木質(zhì)素、殘留根系和凋落物等，難以被微生物分解利用，所以礦化速率達到最低。

玉米/大豆間作在一定程度上可降低土壤有機碳礦化作用，增強土壤固碳能力[18]。本研究發(fā)現(xiàn)間作可以降低土壤有機碳的累積礦化量，0.5 NPM處理的間作可以顯著降低土壤有機碳累積礦化率。因為間作改變了土壤理化性質(zhì)、微生物群落和多樣性，進而影響有機碳的穩(wěn)定性[24]。長期施肥可有效促進栗褐土有機碳的積累，降低土壤有機碳累積礦化率，提高土壤固碳能力[25]，施用的綠肥(與NPK或NPK農(nóng)家肥組合)可提高土壤有機碳周轉(zhuǎn)率[26]。玉米單作與大豆單作的M處理和0.5 NPM處理可以看出，有機肥有促進土壤固碳培肥的能力，施肥會提高土壤有機碳的累積礦化量，有機肥能夠降低土壤有機碳累積礦化率。

3.3 土壤微生物量碳及微生物熵

本研究表明，間作或施用有機肥均能夠顯著增加SMBC含量。礦化前后不同種植方式、施肥及交互效應(yīng)的SMCB達到顯著水平。礦化后各種植方式的0.5 NPM處理顯示，無機有機肥配施能夠顯著提高SMBC含量。研究指出，NPKM處理有利于緩解MBC含量的下降，并有效地維持土壤微生物碳氮的生態(tài)化學(xué)計量平衡[27]。純施有機肥處理顯著提高了土壤微生物量碳含量，純化肥處理和有機無機肥配施對微生物量碳的提高效果相當(dāng)[28]。與不施肥和無機肥處理相比，M和MPNK處理TOC、MBC顯著增加[29]。這是因為施用有機肥以及有機無機肥配施能夠豐富土壤中的土壤碳源以及營養(yǎng)物質(zhì)，提供了更加全面的養(yǎng)分供給微生物生長利用。間作模式的微生物生物量碳顯著高于單作[30]，本研究礦化后NP處理和M處理顯示，間作和大豆單作處理，能顯著增加SMBC含量，間作和有機肥的施用能夠提高土壤中微生物的活性，提高土壤微生物量碳含量以及qMB數(shù)值。間作系統(tǒng)豐富了微生物群落，改善土壤環(huán)境，搭配有機肥可以刺激土壤微生物的快速生長和大量繁殖。

3.4 SOC累積礦化量與SOC累積礦化率及SOC、SMBC、qMB變化值的相關(guān)性

土壤有機碳累積礦化量、有機碳累積礦化率、SOC變化值之間相互聯(lián)系非常密切，呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，但與SMBC變化值、qMB變化值無顯著相關(guān)。團聚體有機碳累積礦化量與有機碳呈極顯著正相關(guān)，且與有機碳相關(guān)性最大[31]。可能是因為土壤有機碳累積礦化量的消耗基本來源于土壤有機碳，而土壤累積礦化率來源于累積礦化量，所以它們之間的相關(guān)性顯著。SMBC變化值和qMB變化值與SOC之間聯(lián)系聯(lián)系較小，長期施肥下的SMBC、qMB均與SOC呈極顯著正相關(guān)[32]?？赡苁且驗榉N植年限短的原因，也可能是影響SMBC變化的部分土壤有機碳占總有機碳的比例非常小，導(dǎo)致影響不明顯。

4 結(jié) 論

間作對土壤有機碳影響不明顯，但增加了微生物量碳含量，且施用有機肥顯著增加了土壤有機碳和微生物量碳含量。間作降低了土壤有機碳礦化速率、累積礦化量和累積礦化率，提高了土壤有機碳的穩(wěn)定性。施用化肥提高了土壤有機碳礦化速率和累積礦化量，降低了有機碳的穩(wěn)定性，但施用有機肥可降低土壤有機碳的累積礦化率，促進土壤固碳培肥。間作或施用有機肥均顯著降低了土壤有機碳礦化率，增強土壤有機碳的穩(wěn)定性，所以在黃壤旱地采用“間作+有機肥”模式更有利于土壤的固碳和培肥。土壤有機碳累積礦化量、有機碳累積礦化率、SOC變化值之間呈極顯著正相關(guān)，SMBC變化值與qMB變化值呈極顯著正相關(guān)。