長期施肥下旱地紅壤不同保護(hù)態(tài)有機(jī)碳庫變化特征

李文軍，黃慶海，李大明，柳開樓，張文菊，徐明崗*

（1.江西省紅壤研究所，江西省紅壤耕地保育重點實驗室，南昌 330046；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，耕地培育技術(shù)國家工程實驗室，北京 100081；3.湖南文理學(xué)院，洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)與發(fā)展湖南省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 常德 415000）

土壤有機(jī)碳（Soil organic carbon，SOC）是土壤肥力和質(zhì)量的核心，促進(jìn)土壤固碳是提升土壤生態(tài)服務(wù)價值的重要基礎(chǔ)[1-2]。土壤總有機(jī)碳由一系列相互間存在高度異質(zhì)性的分組分構(gòu)成，不同組分對土壤總有機(jī)碳的積累與穩(wěn)定具有相應(yīng)的作用[3]。Six等[4]提出土壤有機(jī)碳穩(wěn)定的概念模型，指出土壤固持的有機(jī)碳存在未保護(hù)、物理保護(hù)、化學(xué)保護(hù)、生物化學(xué)保護(hù)等多種穩(wěn)定機(jī)制，該碳庫模型從機(jī)理上較好地解釋了土壤固碳的動態(tài)變化特征[5]。Stewart 等[6]據(jù)此提出土壤有機(jī)碳的物理-化學(xué)聯(lián)合分組方法，該法將土壤總有機(jī)碳分離為未保護(hù)及受物理、化學(xué)、生物化學(xué)等作用保護(hù)的多種有機(jī)碳組分，可更全面地研究土壤不同有機(jī)碳組分的變化特征[7]。施肥是調(diào)控農(nóng)田土壤有機(jī)碳動態(tài)的重要措施，不同保護(hù)態(tài)有機(jī)碳組分對施肥的響應(yīng)有明顯差異。一些研究顯示長期施有機(jī)肥可提高土壤各有機(jī)碳組分的含量，其中未保護(hù)有機(jī)碳和物理保護(hù)有機(jī)碳組分含量提高最為明顯[3，8]，Ding 等[9]的研究結(jié)果則表明施有機(jī)肥后惰性有機(jī)碳（受化學(xué)作用和生物化學(xué)作用保護(hù)的有機(jī)碳）含量的增幅相較活性有機(jī)碳更為明顯。除此之外，長期施肥下土壤不同保護(hù)態(tài)有機(jī)碳組分的含量變化也受到施肥模式的明顯影響[8]。針對長期施肥后土壤不同保護(hù)機(jī)制的有機(jī)碳庫對總有機(jī)碳固存的相對貢獻(xiàn)，當(dāng)前的研究結(jié)果也不盡相同[10-11]。由于受試驗條件及土壤特性等差異的影響，土壤不同保護(hù)態(tài)有機(jī)碳庫對施肥的響應(yīng)及其與總有機(jī)碳變化間的關(guān)系尚存在明顯的不確定性，加強(qiáng)施肥影響下特定類型土壤有機(jī)碳組分變化的研究仍是土壤固碳學(xué)的重要課題[3，11]。

紅壤是南方地區(qū)極為重要的土壤資源，旱地是紅壤重要的利用方式，長期試驗結(jié)果表明不同培肥措施對旱地紅壤總有機(jī)碳的積累具有重要影響[12]。土壤不同保護(hù)態(tài)的有機(jī)碳庫具有不同的肥力效應(yīng)和生物有效性[13]，當(dāng)前針對施肥影響下旱地紅壤有機(jī)碳組分特征的研究，大多是根據(jù)土壤總有機(jī)碳周轉(zhuǎn)速率的快慢及控制轉(zhuǎn)化的因素將其分為易氧化有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳、水溶性有機(jī)碳等組分[14-15]，這些離散、獨立的有機(jī)碳組分只能反映土壤總有機(jī)碳庫中某組分量的變化[16]，未能與土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定機(jī)制充分聯(lián)系，更難以真實地反映土壤有機(jī)碳的固存和轉(zhuǎn)化過程[11]。因此，本研究以旱地紅壤長期施肥試驗為基礎(chǔ)，采用物理-化學(xué)聯(lián)合分組方法，分析不同施肥下土壤不同保護(hù)態(tài)有機(jī)碳組分的含量變化及其與總有機(jī)碳含量間的關(guān)系，探究土壤不同保護(hù)態(tài)有機(jī)碳庫儲量對累積碳投入的響應(yīng)，旨在為旱地紅壤優(yōu)化培肥及增碳管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

長期施肥試驗在江西省紅壤研究所（116°20′24″E，28°15′30″N）進(jìn)行，該地屬亞熱帶季風(fēng)性氣候區(qū)，年均降雨量1 537 mm，多年平均氣溫18.1 ℃。供試土壤為第四紀(jì)紅黏土發(fā)育的紅壤。長期施肥定位試驗開始于1986年，種植制度為春玉米-秋玉米-冬閑。1986 年0～20 cm 土壤基本理化性質(zhì)為：總有機(jī)碳9.39 g·kg-1，全氮0.98 g·kg-1，全磷1.42 g·kg-1，全鉀15.83 g·kg-1，pH 6.0。

1.2 試驗設(shè)計

本研究選取長期施肥試驗的不施肥（CK）、單施氮肥（N）、施常量氮磷鉀肥（NPK）、施2倍量氮磷鉀肥（HNPK）、氮磷鉀肥配施有機(jī)肥（NPKM）、單施有機(jī)肥（M）6 個處理。每個處理均設(shè)3 個重復(fù)，小區(qū)面積為22.2 m2，隨機(jī)區(qū)組排列，各小區(qū)之間用深60 cm 水泥埂隔開。春玉米與秋玉米季的施肥制度保持一致，每季施肥量見表1。氮肥、磷肥、鉀肥和有機(jī)肥的種類分別為尿素、鈣鎂磷肥、氯化鉀和鮮豬糞。磷肥、鉀肥和有機(jī)肥在玉米種植前作基肥一次性施用，氮肥分基肥（70%）和追肥（30%）施用。烘干基豬糞的總有機(jī)碳及養(yǎng)分含量為：總有機(jī)碳340 g·kg-1，全氮12.0 g·kg-1，全磷9.0 g·kg-1，全鉀10.0 g·kg-1。不同處理間其他管理措施保持一致。

表1 不同處理每季施肥量（kg·hm-2）Table 1 Amount of fertilizers for each crop season in different treatments（kg·hm-2）

1.3 樣品采集與分析

1.3.1 樣品采集及預(yù)處理

2017 年秋玉米收獲后，每個小區(qū)按“S”形采集耕層（0～20 cm）10 個樣點的混合土樣，去除動、植物殘體及石礫后風(fēng)干，過2 mm 篩備用。同時，用環(huán)刀按“S”形采集耕層原狀土壤樣品，并測定其容重。

1.3.2 土壤有機(jī)碳物理-化學(xué)聯(lián)合分組

采用改進(jìn)的物理-化學(xué)聯(lián)合分組方法對土壤有機(jī)碳進(jìn)行分組，其操作步驟如下[6]：

第一步為團(tuán)聚體分組：稱取20 g過篩風(fēng)干土樣置于微團(tuán)聚體分離器的250 μm+53 μm 套篩上，放入50顆玻璃珠，在恒定水流下擺動套篩直至分離器排出的水流為澄清狀態(tài)，殘留在上層250 μm 篩上的組分為游離粗顆粒有機(jī)質(zhì)（cPOM），留在53 μm 篩上的組分是微團(tuán)聚體（μAgg），通過53 μm 篩的組分為游離粉黏粒（dsilt+clay）。該步所分離的物質(zhì)組分在60 ℃下烘干至恒質(zhì)量并測定。

第二步為密度分組：稱取8.0 g 第一步分離得到的微團(tuán)聚體與35 mL 1.8 g·cm-3的碘化鈉混勻，靜置20 min 后，4 000 r·min-1離心20 min，離心后的懸液過0.45 μm 濾膜，重復(fù)操作2～3次，留在濾膜上的組分為游離細(xì)顆粒有機(jī)質(zhì)（fPOM）；剩余的土壤經(jīng)清洗離心后，加入60 mL 5 g·L-1的六偏磷酸鈉溶液（加12 顆玻璃珠），以180 r·min-1的速率振蕩18 h 后過53 μm 篩，留在篩上的組分為微團(tuán)聚體閉蓄的顆粒物質(zhì)（iPM），通過53 μm 篩的組分為閉蓄粉黏粒（μsilt+clay）。該步所分離的物質(zhì)組分在60 ℃下烘干至恒質(zhì)量并測定。

第三步為化學(xué)酸解：稱取0.5 g 游離粉黏粒、閉蓄粉黏粒與25 mL 6 mol·L-1HCl 混勻后，在95 ℃下回流16 h，過0.45 μm 濾膜濾去酸解液，殘留物質(zhì)為含非酸解碳的粉黏粒組分（NH-dsilt+clay、NH-μsilt+clay），將其在60 ℃下烘干至恒質(zhì)量并測定。

全土樣品及上述各烘干的土壤物質(zhì)組分過0.15 mm 篩后，采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定其中的有機(jī)碳含量。

土壤固持的有機(jī)碳具多重穩(wěn)定機(jī)制，不同有機(jī)碳庫的保護(hù)方式有所差異[4，7]：未保護(hù)有機(jī)碳是顆粒有機(jī)碳，呈游離狀態(tài)；物理保護(hù)有機(jī)碳是指被土壤微團(tuán)聚體閉蓄包裹的顆粒有機(jī)碳，其與分解者和酶存在空間隔離；化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳是指高價鐵鋁氧化物和黏土礦物通過配位體置換、絡(luò)合作用等結(jié)合的有機(jī)碳，其生物有效性較低；生物化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳指依靠有機(jī)碳自身抗降解性形成的穩(wěn)定難降解物質(zhì)，其抗降解性主要受輸入的碳的類型及有機(jī)質(zhì)自身結(jié)構(gòu)的生化抗性影響。物理-化學(xué)聯(lián)合分組方法根據(jù)Six 等[4]提出的有機(jī)碳穩(wěn)定性模型，考慮有機(jī)碳在土壤中存在的空間位置及其與土壤顆粒、粉黏粒結(jié)合方式的差異，將總有機(jī)碳劃分為6個不同保護(hù)態(tài)有機(jī)碳庫[6]，分別為：未保護(hù)有機(jī)碳[游離粗顆粒有機(jī)碳（cPOC）、游離細(xì)顆粒有機(jī)碳（fPOC）]、物理保護(hù)有機(jī)碳[閉蓄顆粒有機(jī)碳（iPOC）]、物理-化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳[酸解閉蓄粉黏粒有機(jī)碳（HC-μsilt+clay）]、物理-生物化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳[非酸解閉蓄粉黏粒有機(jī)碳（NHC-μsilt+clay）]、化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳[酸解游離粉黏粒有機(jī)碳（HC-dsilt+clay）]、生物化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳[非酸解游離粉黏粒有機(jī)碳（NHC-dsilt+clay）]。其中，物理-化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳同時受微團(tuán)聚體的物理保護(hù)和閉蓄粉黏粒的化學(xué)保護(hù)，物理-生物化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳則同時受微團(tuán)聚體的物理保護(hù)和閉蓄粉黏粒的生物化學(xué)保護(hù)。

1.3.3 計算方法與統(tǒng)計分析

土壤物理-化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳的含量由土壤中閉蓄粉黏粒有機(jī)碳含量減去物理-生物化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳含量計算得到；土壤化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳含量由土壤中游離粉黏粒有機(jī)碳含量減去生物化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳含量計算得到。除此之外，土壤其他有機(jī)碳組分的含量均采用公式（1）計算：

式中：SOC（iF）content為土壤i有機(jī)碳組分的含量，g·kg-1；MP（iF）為土壤中i物質(zhì)組分的含量，%；OC（iF）content為土壤i物質(zhì)組分中有機(jī)碳含量，g·kg-1。

土壤各有機(jī)碳庫含量占總有機(jī)碳的比例采用公式（2）計算：

式中：AP為土壤i有機(jī)碳庫的含量占總有機(jī)碳的比例，%；TOCcontent為土壤總有機(jī)碳含量，g·kg-1。

式中：SOC（iF）stock為土壤i有機(jī)碳庫儲量，t·hm-2；B為土壤容重，g·cm-3；H為土層深度，cm。

累積碳投入量估算：各處理的累積碳投入量是其各試驗?zāi)攴莸奶纪度肓恐?。本試驗每季作物收獲后秸稈全部移除，土壤的有機(jī)碳投入僅包括作物根茬碳和有機(jī)肥碳。

各處理下各試驗?zāi)攴葑魑锔缣纪度肓坎捎霉剑?）計算：

式中：OCinput-crop為作物根茬碳投入量，t·hm-2；Yg和Ys分別為作物籽粒產(chǎn)量和秸稈風(fēng)干生物量，kg·hm-2；Rr為光合碳進(jìn)入地下部分的比例，%；Dr為作物根系生物量平均分布在0～20 cm土層的比例，%；Rs為作物收割留茬占秸稈的比例，%；W和OCcontent-crop分別為玉米作物地上部分風(fēng)干樣的含水量（%）和有機(jī)碳含量（g·kg-1）。

各處理下各試驗?zāi)攴萦袡C(jī)肥碳投入量采用公式（5）計算：

式中：OCinput-manure為有機(jī)肥碳投入量，t·hm-2；Am為每年施用有機(jī)肥的鮮質(zhì)量，kg·hm-2；Wo為有機(jī)肥含水量，%；OCcontent-manure為有機(jī)肥的有機(jī)碳含量，g·kg-1。

式（4）、式（5）中相關(guān)參數(shù)取值通過實測或相關(guān)研究[17]獲得。

式中：γsr為系統(tǒng)對外散熱損失比例，取0.5%；Qp為給水泵加入系統(tǒng)的能量，kJ/h；hBFP,in、hBFP,out分別為給水泵進(jìn)、出口給水的焓，kJ/kg。

用SPSS 16.0 軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，采用單因素方差分析比較不同處理間測定結(jié)果的差異（α=0.05）；采用線性回歸分析土壤各有機(jī)碳組分與總有機(jī)碳含量之間的關(guān)系。采用線性方程函數(shù)和米氏方程函數(shù)對當(dāng)前土壤各保護(hù)態(tài)有機(jī)碳庫的儲量與累積碳投入量間的關(guān)系進(jìn)行擬合，選取最佳函數(shù)模型。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期施肥下土壤總有機(jī)碳及各保護(hù)態(tài)有機(jī)碳組分含量

1986—2017 年連續(xù)施肥31 年后，除N 處理外，其他施肥處理的土壤總有機(jī)碳含量均顯著高于CK 處理，增幅為13.3%～48.0%（P＜0.05，表2）。NPK和HNPK處理間的土壤總有機(jī)碳含量差異不顯著（P＞0.05），但均顯著低于M和NPKM處理（P＜0.05）。

經(jīng)物理-化學(xué)聯(lián)合分組后，不同處理下土壤總有機(jī)碳的回收率為95.4%～101.2%，說明該分組方法準(zhǔn)確可靠。表2 顯示，各處理土壤中生物化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳（NHC-dsilt+clay）的含量均最高，變幅為2.50～2.75 g·kg-1，未保護(hù)游離細(xì)顆粒有機(jī)碳（fPOC）的含量最低，變幅僅為0.04～0.09 g·kg-1；不施肥（CK）、施化肥（N、NPK、HNPK）、施有機(jī)肥（M、NPKM）處理下，土壤其他有機(jī)碳組分含量的變幅則分別為0.75～1.68、0.81～1.79、1.31～2.45 g·kg-1。

由表2 可知，與不施肥相比，長期不同施肥處理對土壤各保護(hù)態(tài)有機(jī)碳組分含量的影響不同。N 處理土壤各有機(jī)碳組分含量均與CK 處理無顯著差異（P＞0.05）。施氮磷鉀肥與有機(jī)肥各處理的土壤未保護(hù)態(tài)有機(jī)碳與物理保護(hù)態(tài)有機(jī)碳組分的含量均顯著高于CK 處理（P＜0.05），其中，土壤未保護(hù)有機(jī)碳含量（cPOC 和fPOC 含量之和）提高39.2%～221.5%，物理保護(hù)有機(jī)碳（iPOC）的含量提高41.9%～132.3%。與CK 和N 處理相比，M 和NPKM 處理亦顯著提高土壤物理-化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳組分（HC-μsilt+clay）、物理-生物化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳組分（NHC-μsilt+clay）、化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳組分（HC-dsilt+clay）的含量，升幅分別為1.25～1.34、1.31～1.51 倍和1.13～1.23 倍，而NPK 和HNPK 處理對這三個有機(jī)碳組分的含量無顯著影響（P＞0.05）。對于生物化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳組分（NHCdsilt+clay），不同施肥處理間的含量均無顯著差異（P＞0.05），但HNPK 和M 處理的含量顯著高于CK 處理（P＜0.05）。表2 顯示，與施化肥各處理（N、NPK、HNPK）相比，M 和NPKM 處理亦顯著提高了土壤游離粗顆粒有機(jī)碳和物理保護(hù)有機(jī)碳（iPOC）的含量（P＜0.05）。

表2 長期施肥下土壤總有機(jī)碳及其各保護(hù)態(tài)組分含量（g·kg-1）Table 2 Content of total soil organic carbon and its fractions with varying protection mechanisms under long-term fertilization（g·kg-1）

2.2 長期施肥下土壤各保護(hù)態(tài)有機(jī)碳含量占總有機(jī)碳的比例

由各保護(hù)態(tài)有機(jī)碳庫的含量占總有機(jī)碳的比例（圖1）可見，不同處理間土壤未保護(hù)有機(jī)碳、物理保護(hù)有機(jī)碳、物理-化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳、物理-生物化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳、化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳和生物化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳含量占總有機(jī)碳的比例分別為9.6%～19.6%、11.2%～16.8%、10.3%～12.1%、16.0%～17.7%、15.7%～20.3%和21.1%～30.8%。各處理中生物化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳含量占總有機(jī)碳的比例均最高，CK 和N 處理下未保護(hù)有機(jī)碳含量占總有機(jī)碳的比例最低，其他處理則是物理-化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳含量占總有機(jī)碳的比例最低。

圖1 顯示，CK 和N 處理間的各保護(hù)態(tài)有機(jī)碳庫含量占總有機(jī)碳的比例均無顯著差異（P＞0.05），說明單施氮肥對土壤總有機(jī)碳中各保護(hù)態(tài)有機(jī)碳庫的數(shù)量分配無明顯影響。與不施肥相比，施氮磷鉀肥及有機(jī)肥（NPK、HNPK、NPKM、M）處理的土壤未保護(hù)有機(jī)碳和物理保護(hù)有機(jī)碳的含量占總有機(jī)碳的比例分別增加1.9～10.0 個百分點和2.5～5.5 個百分點，增幅均達(dá)顯著水平（P＜0.05），但土壤化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳和生物化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳的含量占總有機(jī)碳的比例卻有顯著降低（P＜0.05）。不同處理間，土壤物理-化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳和物理-生物化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳的含量占總有機(jī)碳的比例差異均不顯著（P＞0.05）。與施化肥各處理相比，NPKM、M處理土壤未保護(hù)有機(jī)碳含量占總有機(jī)碳的比例分別增加7.5～9.7、7.2～9.4 個百分點，其增幅亦達(dá)顯著水平（P＜0.05）。

圖1 長期施肥下土壤各有機(jī)碳庫含量占總有機(jī)碳的比例Figure 1 Content proportions of soil organic carbon pools with varying protection mechanisms to TOC under long-term fertilization

2.3 土壤不同保護(hù)態(tài)有機(jī)碳組分與總有機(jī)碳含量之間的關(guān)系

利用線性回歸方程（y=ax+b）擬合土壤不同保護(hù)態(tài)有機(jī)碳組分與總有機(jī)碳含量之間的關(guān)系，結(jié)果如表3 所示，土壤各保護(hù)態(tài)有機(jī)碳組分與總有機(jī)碳含量均呈正相關(guān)關(guān)系，其中cPOC、物理保護(hù)有機(jī)碳的含量與總有機(jī)碳含量的相關(guān)性最好，在P＜0.001 水平達(dá)極顯著水平。線性回歸方程的斜率表示隨土壤總有機(jī)碳含量變化的各保護(hù)態(tài)有機(jī)碳組分含量變化量，由表3可知，隨總有機(jī)碳含量的增加，cPOC 含量的增加最為明顯，其次是iPOC?？傆袡C(jī)碳含量每提升一個單位（g·kg-1），cPOC、iPOC 含量的變化率分別達(dá)44.3%、28.0%。物理-化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳、物理-生物化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳、化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳的含量與總有機(jī)碳含量呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），其變化率僅為8.4%～15.3%。生物化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳含量與總有機(jī)碳含量無顯著正相關(guān)性（P＞0.05）。

表3 土壤不同保護(hù)態(tài)有機(jī)碳組分與總有機(jī)碳含量之間的相關(guān)關(guān)系（n=6）Table 3 Correlations between the contents of TOC and SOC fractions with varying protection mechanisms（n=6）

2.4 累積碳投入量及其與土壤不同保護(hù)態(tài)有機(jī)碳庫儲量間的關(guān)系

不同處理間土壤的有機(jī)碳投入量存在明顯差異（圖2），與不施肥相比，施肥處理由于增加了玉米生物量，作物根茬碳累積投入量顯著提高（P＜0.05），增幅為1.3～4.4 倍。施肥處理中，N 處理的作物根茬碳累積投入量最少，僅相當(dāng)于其他施肥處理作物根茬碳累積投入量的29.6%～45.7%。NPKM 和M 處理投入的碳包括作物根茬碳和有機(jī)肥碳，其總碳累積投入量是其他處理的2.4～10.2倍。

圖2 長期施肥下土壤累積碳投入量Figure 2 Soil accumulated organic carbon input during the experiment period under long-term fertilization

土壤各保護(hù)態(tài)有機(jī)碳庫的儲量與試驗期間土壤累積碳投入量間的關(guān)系表明，除生物化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳外，土壤其他各保護(hù)態(tài)有機(jī)碳庫的儲量均與土壤累積碳投入量存在極顯著的線性正相關(guān)關(guān)系（R2=0.788～0.994，P＜0.01）（圖3a～圖3e）。線性回歸方程的斜率表示土壤各保護(hù)態(tài)有機(jī)碳庫的積累速率，其變幅為0.006～0.032 t·hm-2，其中土壤未保護(hù)有機(jī)碳庫的斜率最高，是其他有機(jī)碳庫斜率的1.6～5.3 倍。土壤生物化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳儲量與累積碳投入量間的關(guān)系可用米氏函數(shù)擬合（R2=0.476，P＞0.05）（圖3f），表明土壤生物化學(xué)保護(hù)態(tài)有機(jī)碳當(dāng)前處于近平衡狀態(tài)。

圖3 長期施肥下累積碳投入量與土壤不同保護(hù)態(tài)有機(jī)碳庫儲量間的關(guān)系Figure 3 Relationships between accumulated total carbon input and storages of soil organic carbon pools with varying protection mechanisms under long-term fertilization

3 討論

3.1 長期施肥對土壤不同保護(hù)態(tài)有機(jī)碳組分的影響

本研究中，與不施肥相比，NPKM 和M 處理均顯著提高土壤總有機(jī)碳及除化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳和生物化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳外的其他各有機(jī)碳組分的含量，且效果好于施氮磷鉀肥處理。這主要歸因于施有機(jī)肥可直接向土壤輸入有機(jī)碳，且有機(jī)無機(jī)肥配施提高作物根茬碳投入量及增強(qiáng)微生物固碳活性的綜合效應(yīng)也明顯強(qiáng)于化肥單施[8，10]。單施氮肥對土壤各保護(hù)態(tài)有機(jī)碳組分含量無明顯影響，這可能是由于長期單施化肥加速旱地紅壤酸化，進(jìn)而對作物根茬碳的輸入及其固定產(chǎn)生不利影響[18]。施氮磷鉀肥及有機(jī)肥均顯著提高土壤未保護(hù)有機(jī)碳的含量及其占總有機(jī)碳的比例，這與以往一些研究[10，19]結(jié)果相似。土壤未保護(hù)有機(jī)碳主要由植物殘茬及真菌菌絲、孢子所組成[4，20]，輸入土壤的外源碳在分解后會首先向游離活性有機(jī)碳和物理保護(hù)有機(jī)碳轉(zhuǎn)化[3，8]。平衡施肥尤其是有機(jī)無機(jī)肥配施會增加外源碳輸入量，促進(jìn)土壤小粒徑團(tuán)聚體膠結(jié)為大團(tuán)聚體[21]，有機(jī)碳投入水平越高越有利于土壤總有機(jī)碳中未保護(hù)態(tài)組分的積累[20]。研究表明，土壤顆粒有機(jī)碳等活性碳組分對不同施肥響應(yīng)敏感，能夠作為總有機(jī)碳變化的良好指示組分[3，8]。本研究顯示土壤總有機(jī)碳含量變化引起的游離粗顆粒有機(jī)碳含量的變化率達(dá)44.3%（表3），說明游離粗顆粒有機(jī)碳對施肥后旱地紅壤總有機(jī)碳的固存有重要貢獻(xiàn)。

微團(tuán)聚體對顆粒有機(jī)碳的物理保護(hù)是土壤固持有機(jī)碳長期穩(wěn)定的重要機(jī)制[4]，Six 等[22]的研究表明，不同土壤類型和氣候條件下，團(tuán)聚體閉蓄顆粒有機(jī)碳含量的變化特征是判斷土壤管理對總有機(jī)碳影響的重要指標(biāo)，本研究也表明土壤物理保護(hù)有機(jī)碳與總有機(jī)碳含量間關(guān)系密切。長期施氮磷鉀肥及有機(jī)肥均顯著增加旱地紅壤物理保護(hù)有機(jī)碳的含量及其占總有機(jī)碳的比例，這與王朔林等[8]在栗褐土上的研究結(jié)果一致，但與曹寒冰等[20]在礦區(qū)復(fù)墾土壤上的研究結(jié)果明顯不同。這種差異可能是因為曹寒冰等[20]的研究中供試土壤僅培肥6 年，且其閉蓄顆粒有機(jī)碳組分是從大團(tuán)聚體中分離得到的，而本研究和王朔林等[8]的研究中供試土壤則是從原土中獲取的。單施有機(jī)肥特別是與化學(xué)氮磷鉀肥配施提升旱地紅壤總有機(jī)碳中物理保護(hù)有機(jī)碳的含量及其分配比例的效果優(yōu)于單施化肥（表2、圖1），其原因可能在于：與施化肥相比，長期施有機(jī)肥一方面增強(qiáng)了土壤中微生物的活性，加快大團(tuán)聚體中多糖物質(zhì)的破碎及其向土壤物理保護(hù)有機(jī)碳組分的轉(zhuǎn)化[4]，另一方面則促進(jìn)作物根系生長及其分泌物的增加，增強(qiáng)了土壤微團(tuán)聚體的穩(wěn)定性及其對土壤有機(jī)碳的物理保護(hù)作用[10]。

土壤化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳和生物化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳是土壤粉黏粒與有機(jī)物質(zhì)分解的最終產(chǎn)物相結(jié)合的部分，主要由腐殖質(zhì)組成[23]。施化肥對供試土壤游離粉黏粒和閉蓄粉黏粒中各有機(jī)碳組分的含量無明顯影響，這表明化肥投入的有機(jī)碳經(jīng)微生物分解合成的腐殖質(zhì)尚不足以顯著提高粉黏粒結(jié)合態(tài)有機(jī)碳含量，這與曹寒冰等[20]的研究結(jié)果一致。施有機(jī)肥條件下，與化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳、生物化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳組分相比，供試土壤物理-化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳、物理-生物化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳組分含量的提升更為明顯，這可能是由于土壤游離粉黏粒直接與外源碳接觸，其碳含量更容易達(dá)到平衡，而閉蓄粉黏粒因受微團(tuán)聚體的物理保護(hù)，其結(jié)合態(tài)有機(jī)碳含量在達(dá)到平衡時存在時間上的滯后性[6，19]。

3.2 長期施肥下土壤不同保護(hù)態(tài)有機(jī)碳庫飽和特性

碳飽和理論認(rèn)為，土壤對有機(jī)碳的固持并非隨碳投入的增加而無限度增加，而是存在一個最大的保持容量，即飽和水平[4]。土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定機(jī)制決定著土壤不同有機(jī)碳庫的固存容量，因而不同保護(hù)態(tài)有機(jī)碳庫的飽和特性也可能存在較大差異[5-6，24]。本研究結(jié)果顯示，土壤未保護(hù)有機(jī)碳和物理保護(hù)有機(jī)碳的儲量均與累積碳投入量呈極顯著線性正相關(guān)（圖3a、圖3b），說明這些有機(jī)碳庫目前尚處于快速積累階段，尚未達(dá)平衡或出現(xiàn)飽和限制，這與以往的一些研究[6，20，24]結(jié)果一致。土壤未保護(hù)和物理保護(hù)的有機(jī)碳具有較高的生物活性[4]，但土壤未保護(hù)有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)更快[4，6]，其飽和行為甚至不受土壤總有機(jī)碳飽和限制的影響[24]，其飽和與否主要取決于受土壤溫度、濕度及底物的生物可利用性等因子調(diào)控的碳輸入與輸出之間的平衡[6，25]。相反，物理保護(hù)有機(jī)碳依賴于微團(tuán)聚體的閉蓄作用而存在，其固存潛力變化受到微團(tuán)聚體數(shù)量變化的制約[26]。有研究[27]發(fā)現(xiàn)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳存在飽和現(xiàn)象，因此土壤物理保護(hù)有機(jī)碳的固存飽和或平衡特征受到團(tuán)聚體結(jié)合碳動態(tài)變化的明顯影響。

已有研究[25，27]發(fā)現(xiàn)，土壤可能存在碳飽和的等級性。即隨碳投入量的不斷增加，粉黏粒結(jié)合碳會先達(dá)到飽和[27-28]，進(jìn)一步的碳積累將發(fā)生在團(tuán)聚體和顆粒有機(jī)質(zhì)中[28]。Stewart 等[25]認(rèn)為不同保護(hù)機(jī)制下的粉黏粒結(jié)合態(tài)碳也可能存在明顯的分級飽和現(xiàn)象，與閉蓄粉黏粒結(jié)合態(tài)碳相比，游離粉黏粒結(jié)合碳可更快地達(dá)到平衡或飽和狀態(tài)。本研究中，生物化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳儲量與累積碳投入量間呈現(xiàn)米氏方程關(guān)系，這與Xu 等[19]在東北棕壤上的研究結(jié)果一致，這可能與土壤生物化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳的穩(wěn)定性較高及本研究供試土壤中1∶1 型黏土礦物的固碳容量較低有關(guān)[4，25，27]。外源碳的投入是土壤碳庫發(fā)生積累的源動力，土壤各有機(jī)碳庫在達(dá)飽和之前，可能經(jīng)歷多次平衡或穩(wěn)定過程，土壤有機(jī)碳庫發(fā)生平衡及最終實現(xiàn)飽和的過程均與其飽和虧缺特征及外源有機(jī)碳投入水平關(guān)系密切[25，29]。土壤不同保護(hù)態(tài)有機(jī)碳庫間存在著密切聯(lián)系，其穩(wěn)定機(jī)制與穩(wěn)定過程也大不相同，今后除需加強(qiáng)長期動態(tài)監(jiān)測外，也需結(jié)合歷史土樣分析與同位素標(biāo)記技術(shù)深化認(rèn)識土壤不同保護(hù)態(tài)有機(jī)碳庫的周轉(zhuǎn)及飽和特征。

4 結(jié)論

（1）長期施氮磷鉀肥及有機(jī)肥均顯著提高旱地紅壤未保護(hù)有機(jī)碳和物理保護(hù)有機(jī)碳的含量及其占總有機(jī)碳的比例，有機(jī)培肥提升土壤有機(jī)碳的固存、活性及物理保護(hù)作用的效果均優(yōu)于施氮磷鉀肥。施肥后旱地紅壤新增有機(jī)碳優(yōu)先固存在未保護(hù)游離粗顆粒有機(jī)碳和物理保護(hù)有機(jī)碳組分中。

（2）在當(dāng)前碳投入水平下，旱地紅壤的生物化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳已接近平衡狀態(tài)，而未保護(hù)有機(jī)碳和其他保護(hù)態(tài)有機(jī)碳則仍有較明顯的固存潛力。