不同施肥措施對黃土丘陵區(qū)農(nóng)田土壤有機碳組分和碳庫管理指數(shù)的影響①

劉 強，梁 鑫，董佩麗，李 湘，史愛玲，王莉霞*，徐德華

不同施肥措施對黃土丘陵區(qū)農(nóng)田土壤有機碳組分和碳庫管理指數(shù)的影響①

劉 強1,2，梁 鑫1，董佩麗1，李 湘1，史愛玲1，王莉霞1*，徐德華3

(1天水師范學院資源與環(huán)境工程學院，甘肅天水 741000；2中國科學院水利部水土保持研究所，陜西楊凌 712100；3 太原師范學院地理科學學院，山西晉中 030619)

基于中科院安塞水土保持試驗站長期定位試驗，研究了5種不同施肥措施，包括不施肥(CK)、氮磷肥配施(NP)、氮磷鉀肥配施(NPK)、單施有機肥(M)和有機肥配施氮磷肥(MNP)對土壤有機碳組分及碳庫管理指數(shù)(CPMI)的影響。結果表明：不同施肥處理均能增加不同土層土壤有機碳及其組分含量，且土壤有機碳及其組分含量隨土層深度增加而逐漸降低；施用有機肥處理(M和MNP) 0 ～ 20 cm土壤有機碳及其組分含量顯著高于化肥處理(NP和NPK)和CK處理；與CK處理相比，M和MNP處理有機碳含量分別增加133.59%、118.52% (<0.05)，易氧化有機碳含量分別增加51.73%、48.20% (<0.05)，可溶性有機碳含量分別增加61.54%、53.21% (<0.05)，土壤微生物生物量碳含量分別增加68.34%、113.04% (<0.05)；除土壤微生物生物量碳以外，不同施肥處理20 ～ 40 cm土壤有機碳及其組分含量均無顯著差異；不同施肥處理顯著提高0 ～ 20 cm 土壤CPMI，M處理下CPMI在所有施肥處理中最高。因此，施用有機肥是有效提高旱區(qū)土壤質量，增強土壤碳“匯”功能的農(nóng)田施肥措施。

施肥措施；黃土丘陵區(qū)；有機碳；活性有機碳；碳庫管理指數(shù)

土壤有機碳(SOC)作為反映土壤質量的一個重要指標，對于提高土壤肥力具有重要意義[1]。其可以改善土壤結構，保持土壤水分，改變微量元素的吸附特性，對土壤滲透性、腐蝕性、親水性和養(yǎng)分循環(huán)等特性具有較強影響[2]。同時，其具有膠體特性，能吸附較多陽離子，使土壤具有保肥性和緩沖性[3–5]，進而改善土壤物理化學性質，形成良好土壤結構[4]。另外，其還可以改善土壤通氣性，對土壤物理、化學和生物化學過程起著重要調控作用，其微小變化將對大氣中的CO2濃度產(chǎn)生重要影響[6]。土壤活性有機碳主要可分為可溶性有機碳(DOC)、易氧化有機碳(ROC)和微生物生物量碳(MBC)等3類，雖然其在SOC總量中占比較小，穩(wěn)定性較差[7]，易在短時間內(nèi)降解[8]，但具有循環(huán)速率快、有效性較高等特點[9]。在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，土壤碳庫管理指數(shù)(CPMI)是土壤質量評估與土地管理的關鍵性指數(shù)，其充分考慮了土壤碳庫數(shù)量與土壤碳庫活度之間的關系，比活性有機碳能更為敏感地指示土壤碳庫對不同管理措施的響應，可準確評價土壤質量水平[10]。

施肥作為改善土壤質量的關鍵生產(chǎn)措施，影響SOC和營養(yǎng)物質輸移，以及土壤固碳效果[11]，研究SOC及其活性組分在施肥環(huán)境下的動態(tài)機制對土壤碳庫正向培育具有重要意義。Moharana等[12]研究發(fā)現(xiàn)，施用有機肥比化肥顯著提高了土壤中活性有機碳含量。梁貽倉[7]基于長期施肥對耕作土壤DOC及其活性組分進行研究，發(fā)現(xiàn)施肥會顯著影響SOC及其活性組分含量。郭亞軍等[13]基于長期施肥，采用施用有機肥或有機無機肥配施的試驗方法，發(fā)現(xiàn)施用有機肥處理下SOC及其活性組分含量有明顯增加。陳鴿等[14]研究發(fā)現(xiàn)，施肥處理下SOC、ROC、DOC和MBC含量顯著高于對照土壤。

目前，國內(nèi)外對SOC組分及CMPI的研究較為廣泛，并取得了一定的研究成果。這些研究主要集中于山地、森林、草原和草甸等生態(tài)系統(tǒng)，而對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的研究較少，且已有研究多集中于東北、華北、長江中下游等地區(qū)[8]，而關于黃土丘陵區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的研究尚有欠缺。鑒于此，本研究基于中科院安塞水土保持試驗站長期定位試驗，分析了不同施肥處理對SOC固存效應、活性組分含量以及CMPI的影響，以期為提升黃土丘陵區(qū)農(nóng)田土壤碳“匯”能力提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在安塞區(qū)中科院水土保持試驗站進行，其位于黃土高原丘陵溝壑區(qū)(109°18′57.99″E，36°51′24.23″N)，是國家野外站在該類型區(qū)唯一的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗站。安塞區(qū)海拔高度為1 012 ～ 1 731 m，主要山岳有高峁山、雅行山、白豬山、天澤山等。受溫帶大陸性半干旱季風氣候影響，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，年均氣溫為8.8 ℃，年均降水量為505.3 mm，年均日照時數(shù)為2 395.6 h，全年無霜期約為157 d。植被多以矮小灌木叢為主，垂直多孔節(jié)理的黃土地貌廣布，易受夏季強降雨侵蝕，水土流失問題嚴重。

安塞區(qū)農(nóng)業(yè)種植類型以傳統(tǒng)旱作農(nóng)業(yè)為主，全年依靠降水維生，無灌溉條件。試驗區(qū)主要土壤類型為黃綿土，0 ～ 20 cm土壤理化性質為pH 8.46，有機碳 8.05 g/kg，全氮 0.38 g/kg，全磷 0.59 g/kg，全鉀 15.8 g/kg，有效磷9.72 mg/kg，速效鉀81.1 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗小區(qū)為長方形(8.57 m×3.5 m)，共設置5種施肥處理：不施肥(CK)、氮磷肥配施(NP)、氮磷鉀肥配施(NPK)、單施有機肥(M)、有機肥配施氮磷肥(MNP)。每種施肥處理重復4次，采用隨機區(qū)組排列。長期定位試驗始于1999年，作物種植方式采用谷子–大豆–谷子–糜子輪作類型，其中2018年種植作物為大豆，2019年種植作物為谷子，試驗各小區(qū)施肥長期保持不變。作物種植前將有機肥、鉀肥和磷肥作為基肥一次性施入，氮肥在種植前只施入20%，剩余80% 的氮肥在作物開花期追施。有機肥為羊糞，主要養(yǎng)分含量為有機碳24.36 g/kg，全氮11.24g/kg，全磷17.43 g/kg，施用量為7 500 kg/hm2；氮肥為尿素(含N 460 g/kg)，施用量為212 kg/hm2；磷肥為磷酸鈣(含P2O5440 g/kg)，施用量為170 kg/hm2；鉀肥為硫酸鉀(含K2O 500 g/kg)，施用量為120 kg/hm2。

1.3 土樣采集與處理

土壤樣品采集以試驗小區(qū)為單位，于2019年谷子收獲后5 d按“S”形選取5個采樣點，采集0 ～ 20 cm和20 ～ 40 cm土層土樣，四分法留取500 g左右。土樣裝袋貯存并帶回實驗室，一部分土壤樣品在–4 ℃保存，用于測定土壤MBC和DOC；另一部分土壤樣品在自然條件下風干、研磨和過篩，用于其他指標測定。

采用土水質量比1∶2.5浸提，pH計測定土壤pH；利用K2Cr2O7容量法測定SOC含量[15]；利用KMnO4氧化比色法測定ROC含量[16]；采用氯仿熏蒸–浸提法測定MBC含量[17]；采用1 mol/L KCl浸提–重鉻酸鉀容量法測定DOC含量[18]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

將CK處理土壤碳庫活度和有機碳含量作為參考，計算不同施肥處理的碳庫管理指數(shù)。具體計算方法[1]為：碳庫指數(shù)(CPI)=各施肥處理SOC含量/CK處理SOC含量；碳庫活度(A)=ROC含量/(SOC含量–ROC含量)；碳庫活度指數(shù)(AI)=各施肥處理碳庫活度/CK處理碳庫活度；碳庫管理指數(shù)(CPMI)=碳庫指數(shù)×碳庫活度指數(shù)×100%。

應用Excel 2019進行數(shù)據(jù)整理和圖表制作；采用SPSS17.0進行不同施肥處理的單因素方差分析(one-way，ANOVA)，用Duncan檢驗法進行多重比較，采用Pearson相關系數(shù)法對SOC及其活性組分之間進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理土壤有機碳含量的變化

與CK處理相比，不同施肥處理均能增加不同土層SOC含量，且SOC含量隨土層深度增加而降低(圖1A)。與CK處理相比，0 ～ 20 cm土層NP、NPK、M和MNP處理SOC含量分別增加21.42%、31.13%、133.59% 和118.31% (<0.05)，有機肥處理(M和MNP)SOC含量高于化肥(NP和NPK)和CK處理；與CK處理相比，NP、NPK、M和MNP處理下20 ～ 40 cm土層SOC含量差異不顯著，分別增加12.01%、14.21%、15.03% 和11.22%，M處理SOC含量最高，比CK處理高15.03%。

2.2 不同施肥處理土壤有機碳組分的變化

施肥能增加不同土層ROC含量，且ROC含量隨土層深度增加而降低(圖1B)。與CK處理相比，0 ～ 20 cm土層NP、NPK、M和MNP處理ROC含量分別增加13.28%、14.07%、57.76% 和48.20% (<0.05)，施用有機肥處理(M和MNP)ROC含量高于化肥(NP和NPK)和CK處理；與CK處理相比，NP、NPK、M和MNP處理20 ～ 40 cm土層ROC含量增加不顯著，分別增加12.28%、15.13%、14.76% 和13.87%。

(圖中小寫字母不同表示同一土層不同處理間差異顯著(P<0.05))

施肥能增加不同土層DOC含量，且DOC含量隨土層深度增加而降低(圖1C)。與CK處理相比，0 ～ 20 cm土層NP、NPK、M和MNP處理DOC含量分別增加10.86%、9.94%、61.54%、53.21% (<0.05)，施用有機肥處理(M和MNP)DOC含量高于化肥(NP和NPK)和CK處理；與CK處理相比，NP、NPK、M和MNP處理20 ～ 40 cm土層DOC含量增加不顯著，分別增加3.13%、4.11%、10.35% 和9.49%。

施肥能增加不同土層MBC含量，且MBC含量隨土層深度增加而降低(圖1D)。與CK處理相比，0 ～ 20 cm土層NP、NPK、M和MNP處理MBC含量分別增加40.09%、46.05%、68.34%、113.04% (<0.05)；與CK處理相比，NP、NPK、M和MNP處理20 ～ 40 cm土層MBC含量分別增加30.21%、45.83%、73.79% 和81.12% (<0.05)。施用有機肥處理(M和MNP)不同土層MBC含量高于化肥(NP和NPK)和CK處理。

2.3 不同施肥處理土壤有機碳組分比例和碳庫管理指數(shù)的變化

土壤MBC/SOC比值隨土層深度增加呈增加趨勢(表1)。不同施肥處理對0 ～ 20、20 ～ 40 cm土層MBC/SOC比值的影響達顯著性水平(<0.05)，MBC/SOC比值分別為0.34% ～ 0.54%、0.46% ～ 1.17%。

表1 不同施肥處理對土壤活性有機碳組分占比和碳庫管理指數(shù)的影響

注：表中同列小寫字母不同表示同一土層不同處理間差異顯著(<0.05))。

土壤ROC/SOC比值隨土層深度增加呈增加趨勢(表1)。施肥處理對0 ～ 20、20 ～ 40 cm土層ROC/SOC比值的影響達顯著性水平(<0.05)，ROC/SOC比值分別為16.06% ～ 24.87%、34.01% ～ 37.26%。

土壤DOC/SOC比值隨土層深度增加也呈增加趨勢(表1)。施肥處理對0 ～ 20 cm土層DOC/SOC比值的影響達顯著性水平(<0.05)，DOC/SOC比值為0.26% ～ 0.39%；但對20 ～ 40 cm土層DOC/SOC比值的影響未達顯著性水平，DOC/SOC比值為0.71% ～ 0.78%。

施肥處理對0 ～ 20 cm土層CPI、AI、A和CPMI有顯著影響，而對20 ～ 40 cm土層沒有顯著影響(表1)。其中，0 ～ 20 cm土層CPMI在100 ～ 135.72，M處理最高，為135.72；20 ～ 40 cm土層CPMI在100 ～ 130.80，M處理最高，為130.80。

2.4 土壤有機碳及其活性組分與土壤碳庫管理指數(shù)的相關性

由圖2可知，SOC含量與DOC、MBC和ROC含量呈極顯著正相關關系(<0.01)，與CPMI和AI呈顯著負相關關系(<0.05)，與CPI呈極顯著正相關關系(<0.01)；與MBC/SOC、DOC/SOC和ROC/SOC比值呈極顯著負相關關系(<0.01)。DOC含量與CPMI和AI呈顯著負相關關系(<0.05)。MBC含量與CPMI和AI呈極顯著負相關關系(<0.01)，與CPI呈極顯著正相關關系(<0.01)。CPMI與AI呈極顯著正相關關系(<0.01)，與CPI呈顯著負相關關系(<0.05)。AI與CPI呈顯著負相關關系(<0.05)(圖2)。

3 討論

3.1 不同施肥措施對土壤有機碳及其活性組分的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，施肥處理可提高不同土層SOC及其活性組分含量。在0 ～ 20 cm土層，有機肥處理(M和MNP)SOC及其活性組分含量高于化肥(NP和NPK)和CK處理。這是由于有機肥本身含有一定數(shù)量的有機碳，施入土壤后可以使SOC及其活性組分得到更新和補償，且這種作用具有可持續(xù)性[19]。施用有機肥可以為作物和土壤微生物提供養(yǎng)分，促進作物地上部和根系的生長，增加根系分泌物和有機殘體的數(shù)量，使土壤微生物和作物根系產(chǎn)生較大分子的多糖和分泌物，與礦物顆粒膠結形成團聚體，穩(wěn)定土壤結構，阻止SOC及其活性組分迅速分解[20]。眾多以長期施肥定位試驗為平臺的研究發(fā)現(xiàn)，土壤施用有機肥能夠有效促進SOC轉化，改善土壤質量，提高SOC及其活性組分含量[21–27]。在本研究中，20 ～ 40 cm土層SOC及其活性組分含量低于0 ～ 20 cm土層，這是由于SOC隨土壤表層到底層的深度增加而減少。0 ～ 20 cm土層中微生物活性較高，作物根系分泌物腐爛后形成有機膠體的固定作用，使得SOC及其活性組分含量較高，但隨著土層深度增加，有機膠體的固定作用減弱。在本研究中，除MBC以外，不同施肥處理20 ～ 40 cm土層SOC及其組分含量均無顯著差異，原因可能是土層越深土壤中植物根系殘體和有機物料固定作用減弱，土壤微生物活性降低，導致土壤有機碳循環(huán)速率降低[28]，造成有機碳及其活性組分在土壤中穩(wěn)定存在，各施肥處理之間差異不顯著。

(藍色和紅色分別代表正相關和負相關，左下半邊中的數(shù)字代表相關系數(shù)，與右上半邊的圖形對應； *表示在P<0.05水平顯著，**表示在P<0.01水平顯著)

3.2 不同施肥措施對土壤碳庫管理指數(shù)的影響

土壤碳庫活度(A)可用來反映SOC的穩(wěn)定程度。本研究結果表明，不同土層施用化肥處理A高于有機肥處理。土壤碳庫指數(shù)(CPI)、碳庫活度指數(shù)(AI)和碳庫管理指數(shù)(CPMI)是相互關聯(lián)的指標，通過對土壤CPMI的研究，可綜合分析對土壤CPI和AI的影響，反映土壤碳庫數(shù)量和質量的動態(tài)變化。本研究結果表明，與CK處理相比，各施肥處理能不同程度地提高0 ～ 20 cm土壤CPMI，從而有利于改善土壤質量。施用有機肥處理(M和MNP)不同土層的CPMI高于化肥處理(NP和NPK)和CK處理，表明施用有機肥可以增強土壤碳“匯”功能，增加碳素穩(wěn)定性。其中M處理CPMI值最大，這是由于M處理本身含有一定數(shù)量的有機碳，可以為作物和土壤微生物提供養(yǎng)分，促進作物地上部和根系的生長，增加根系分泌物和有機殘體的數(shù)量，與礦物顆粒膠結形成團聚體，穩(wěn)定土壤結構，有利于形成激發(fā)效應，阻止SOC的迅速分解，增加SOC含量，從而提高土壤CPMI。施用化肥處理雖在一定程度上提高A，促進植物生長，改善土壤質量，增強土壤養(yǎng)分循環(huán)，但缺乏有效且持續(xù)的碳源補充，造成土壤微生物活性和質量降低，減少了土壤碳庫活化與養(yǎng)分供應，造成土壤CPMI指數(shù)下降，不利于提高土壤碳庫質量。在20 ～ 40 cm土層，不同施肥處理CPMI差異不顯著，這可能與土壤微生物活性降低導致SOC循環(huán)速率降低，使有機碳在土壤中穩(wěn)定存在，碳庫活性降低有關[29]。

本研究結果表明，不同施肥處理ROC、DOC和MBC與SOC含量之間呈極顯著正相關，即SOC活性組分含量很大程度上依賴于SOC含量。SOC及其活性組分含量和比例與CPMI之間存在顯著相關性，表明這些指標均可指示土壤碳素變化特征。

4 結論

1)不同施肥處理均能有效提高不同土層SOC及其組分含量。不同施肥處理0 ～ 20 cm土層SOC及其組分含量具有顯著差異，而20 ～ 40 cm土層無顯著差異(除MBC外)，且SOC及其組分含量隨土層深度增加而降低。

2)施用有機肥處理(M和MNP)0 ～ 20 cm土層SOC及其組分含量高于化肥(NP和NPK)和CK處理；除MBC外，20 ～ 40 cm土層SOC及其組分含量均無顯著差異。

3)不同施肥處理顯著提高0 ～ 20 cm 土層CPMI，M處理CPMI在所有施肥處理中最高；20 ～ 40 cm 土層中各施肥處理CPMI差異不顯著。

4)施用有機肥是旱區(qū)提高土壤土壤肥力，增強土壤碳“匯”功能的農(nóng)田施肥措施。

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Effects of Different Fertilization Methods on Farmland Soil Active Organic Carbon and Carbon Pool Management Indicators in Loess Hilly Area

LIU Qiang1, 2, LIANG Xin1, DONG Peili1, LI Xiang1, SHI Ailing1, WANG Lixia1*, XU Dehua3

(1 College of Resources and Environmental Engineering, Tianshui Normal University, Tianshui, Gansu 741000, China; 2 Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling, Shaanxi 712100, China; 3 School of Geography Science, Taiyuan Normal University, Jinzhong, Shanxi 030619, China)

Based on the long-term experiment in Ansai Soil and Water Conservation Experimental Station, Chinese Academy of Sciences, this study investigated the effects of five different fertilization methods, including no fertilization (CK), combined application of nitrogen and phosphorus (NP), combined application of nitrogen, phosphorus and potassium (NPK), single application of organic fertilizer (M) and combined application of nitrogen and phosphorus in organic fertilizer (MNP) on soil organic carbon (SOC) composition and carbon pool management index (CPMI). The results show that different fertilization treatments increase SOC contents and components in different soil layers, and SOC content and components are decreased with the increase of soil depth. SOC contents and components in 0–20 cm treated with organic fertilizer (M and MNP) are significantly higher than those treated with chemical fertilizer (NP and NPK) and CK. Compared with CK, M and MNP increase SOC content by 133.59% and 118.52% (<0.05), easily oxidized organic carbon content by 51.73% and 48.20% (<0.05), soluble organic carbon content by 61.54% and 53.21% (<0.05), soil microbial carbon content by 68.34% and 113.04% (<0.05), respectively. Except for soil microbial carbon, no significant difference is found in SOC contents and components in 20–40 cm under different fertilization treatments. Different fertilization methods significantly increase soil CPMI in 0–20 cm, and CPMI is the highest under M. In conclusion, applying organic fertilizer can improve soil quality and enhance soil carbon sink function.

Fertilization methods; Loess hilly area; Soil organic carbon (SOC); Soil active organic carbon; Carbon pool management index (CPMI)

S182.2

A

10.13758/j.cnki.tr.2023.02.027

劉強, 梁鑫, 董佩麗, 等. 不同施肥措施對黃土丘陵區(qū)農(nóng)田土壤有機碳組分和碳庫管理指數(shù)的影響. 土壤, 2023, 55(2): 446–452.

國家重點研發(fā)計劃項目 (2017YFE0118100)、國家自然科學基金項目 (42077075)和甘肅省自然科學基金項目(22JR5RE195)資助。

(wanglixia@tsnu.edu.cn)

劉強(1983—)，男，甘肅蘭州人，博士，副教授，主要從事土壤生態(tài)研究。E-mail:guangmingliu1983@163.com