樱桃栽培中施用蚯蚓粪对土壤有机碳氧化稳定性及碳库管理指数的影响

井大炜, 王明友, 张 红, 郑 芳, 李士平

(1.德州学院, 山东 德州 253023; 2.山东农业大学 资源与环境学院, 山东 泰安 271018)



樱桃栽培中施用蚯蚓粪对土壤有机碳氧化稳定性及碳库管理指数的影响

井大炜1,2, 王明友1, 张 红1, 郑 芳1, 李士平1

(1.德州学院, 山东 德州 253023; 2.山东农业大学 资源与环境学院, 山东 泰安 271018)

摘要：[目的] 探讨樱桃栽培中蚯蚓粪与化肥以不同比例配施对土壤有机碳、易氧化碳、氧化稳定性及碳库管理指数的影响，为提高土壤质量管理和增强农业固碳减排潜力提供依据。 [方法] 通过5 a的大田试验,研究N100(尿素提供100%的氮)，M10N90(蚯蚓粪和尿素分别提供10%和90%的氮)，M30N70(蚯蚓粪和尿素分别提供30%和70%的氮)和M50N50(蚯蚓粪和尿素各提供50%的氮)等不同施肥处理对土壤有机碳(SOC)、微生物量碳(MBC)、易氧化碳(ROC)含量、有机碳氧化稳定性及碳库管理指数(CPMI)的影响。[结果] M30N70和M50N50处理的SOC含量分别比N100处理高出12.07%和18.75%; M30N70处理的MBC,ROC含量和CPMI均最高,并显著高于其它处理,其中ROC含量分别比N100,M10N90和M50N50处理提高51.34%,15.16%和6.47%,CPMI分别高出73.07,30.06和20.71;但M30N70处理的有机碳氧化稳定系数明显低于其他处理,比N100处理降低36.22%。[结论] 在樱桃栽培中配施蚯蚓粪措施有利于改善土壤质量,提高土壤肥力,其中蚯蚓粪与化肥以3∶7比例搭配的影响作用最显著。

关键词：樱桃; 蚯蚓粪; 易氧化碳; 氧化稳定系数; 碳库管理指数

土壤有机质是植物生长所需养分的源泉和微生物生命活动的能量来源，它积极地调控着土壤的物理、化学和生物学特征，而其中储藏的有机碳库为表层陆地生态系统中最大的碳库，其微小变化将对大气CO2浓度产生深远的影响[1]。氧化稳定性是土壤有机碳的一个重要性质，与有机碳抵抗氧化的能力有关，关系到有机碳分解的难易、在土壤中存留时间和养分的释放等诸多方面[2]。根据分解的难易程度不同，土壤有机碳可分为易氧化有机碳和难氧化有机碳，易氧化有机碳在土壤养分供应方面具有重要作用，而难氧化有机碳有利于土壤结构的稳定，在有机无机复合体的形成和土壤结构的保持方面具有重要作用，也关系到土壤有机碳的储存。袁可能提出用氧化稳定系数(Kos)来衡量土壤的氧化稳定性，Kos值越大，氧化稳定性越大，反之，则越小[3]。而且，土壤有机碳的背景值很高和自然土壤分异性大，整个土壤有机碳的微小变化很难发现，因此探求土壤全碳敏感指示因子很有必要。有研究认为，土壤有机碳的活性、氧化稳定性和碳库管理指数(CPMI)是反映土壤碳库的重要指标，对评价土壤有机质和土壤肥力状况有重要意义[4]。

施入不同配比的有机—无机肥与土壤有机碳含量、碳质量密切相关[5]。相关研究表明，有机肥与化肥混施能增加土壤有机碳含量和CPMI[6]。蚯蚓粪具有良好的团粒结构，通透性好，水气调和，且有保水、保肥性能；并且其矿质养分丰富，有机质含量多，含有多种利于植物生长的酶、腐殖质和植物激素类物质[7]。中国从20世纪80年代开始兴起蚯蚓养殖业，北京、天津、云南等地都建有不同规模的蚯蚓养殖场，蚯蚓粪年产量达数十万吨[8]。可见，蚯蚓粪的应用已得到了高度重视。前人关于蚯蚓粪进行了大量的研究，但主要集中在草莓、黄瓜等农作物上[9-10]，而关于蚯蚓粪在大樱桃方面的研究报道还较少，尤其是关于施用蚯蚓粪对大樱桃土壤有机碳氧化稳定性及碳库管理指数的研究尚属空白。为此，本研究选用经蚯蚓吞食牛粪后产生的蚯蚓粪为供试原料，探讨蚯蚓粪与化肥以不同比例配施对土壤有机碳、易氧化碳、氧化稳定性及碳库管理指数的影响，旨在为提高土壤质量管理和增强农业固碳减排潜力提供理论依据。

1材料与方法

1.1　试验地点与供试材料

试验地点设在山东农业大学南校区试验基地，供试土壤为潮土，土壤速效氮25.32 mg/kg，速效磷21.89 mg/kg，速效钾67.25 mg/kg，有机碳含量6.58 g/kg。供试蚯蚓粪为蚯蚓吞食牛粪后的产物，全量N，P，K含量分别为1.68%，1.29%和0.95%，有机碳含量为196.35 mg/kg，活性有机碳含量为105.72 mg/kg；所用化肥为尿素、过磷酸钙、氯化钾。樱桃为3年生‘吉塞拉’，生长一致，无病虫害。

1.2　试验设计

采用大田试验，随机区组设计，设5个处理：CK，不施肥；N100，100%的氮由尿素提供；M10N90，10%的氮由蚯蚓粪提供(580.5 kg/hm2)，90%的氮由尿素提供；M30N70，30%的氮由蚯蚓粪提供(174 1.5 kg/hm2)，70%的氮由尿素提供；M50N50，50%的氮由蚯蚓粪提供(290 2.5 kg/hm2)，50%的氮由尿素提供。每个处理重复3次，每小区面积为10 m×9 m=90 m2，共计15个小区，每小区樱桃15株。除CK外，各处理均为等养分量，N，P和K含量相当于97.5，27和108 kg/hm2，各处理P和K不足部分分别用过磷酸钙、硫酸钾补足[11]。试验从2008年开始，以后每年的施肥量随着樱桃树龄的变化进行同比例调整。

1.3　测定项目与方法

2012年10月9日，在各小区按“S”型选取6点，用土钻法取0—20 cm土层土样，混合均匀后迅速带回实验室，用四分法取出适量土样分成两部分，一部分新鲜土样过2 mm筛立即进行土壤微生物量碳的测定，一部分土样风干过1 mm筛后进行土壤有机碳等指标的测定。土壤微生物量碳的测定采用氯仿熏蒸—K2SO4浸提法；土壤总有机碳的测定采用重铬酸钾氧化外加热法；易氧化碳(ROC)的测定采用袁可能法[3]。

以试验开始前未经处理的土样相互混合作为参考土壤，其总有机碳含量为8.92 g/kg，活性有机碳含量为2.65 g/kg，土壤碳库管理指数的计算方法如下：

碳库指数=样品全碳含量/参考土壤全碳含量

碳库活度=活性碳含量/非活性碳含量

碳库活度指数=样品碳库活度/参考土壤碳库活度

碳库管理指数=碳库指数×碳库活度指数×100

氧化稳定系数=稳定性有机碳/易氧化碳

稳定性有机碳=总有机碳-易氧化碳。

1.4　数据处理

采用SPSS 17.0软件进行数据统计分析，采用单因素方差分析(One-way ANOVA)和最小显著差异法(LSD)比较不同处理组间的差异(α=0.05)。

2结果与分析

2.1　土壤有机碳含量

土壤有机碳含量是土壤中所有有机物质的总碳量。从图1可知，不同施肥处理对土壤有机碳含量的影响存在明显差异：N100处理与CK差异不显著，而配施蚯蚓粪的3个处理均明显升高。同N100处理相比，M10N90，M30N70和M50N50处理的有机碳含量分别提高6.90%，12.07%和18.75%，差异均达显著水平。可见蚯蚓粪与化肥配施对土壤有机碳的作用效果明显优于单施化肥。在配施蚯蚓粪的3个处理中，M50N50处理的有机碳含量最高，依次是M30N70和M10N90处理。表明随着蚯蚓粪所占比例的增加，土壤有机碳含量也呈递增的变化趋势。这可能是因为：(1) 随着加入蚯蚓粪比重的增加，带入的有机质也相应增多；(2) 蚯蚓粪与化肥以1∶9和3∶7比例配施，相比5∶5比例配施能更明显地降低土壤的碳氮比，使土壤微生物活性提高更快，从而导致有机碳的矿化分解加快。

注：不同小写字母表示差异显著。下同。

2.2　土壤微生物量碳含量

土壤微生物量碳(MBC)是指土壤中体积小于5～105 μm3活的细菌、真菌、藻类和土壤微动物体内所含的碳，它能够反映土壤的生物学质量。由图2可见，同CK相比，N100，M10N90，M30N70和M50N50处理的MBC含量分别提高19.24%，55.18%，80.98%和63.62%，差异均达显著水平。说明不同施肥措施均能明显提高土壤的微生物生物量碳。在各施肥处理中，M30N70处理的MBC含量最高，并显著高于其他处理，分别比N100，M10N90和M50N50处理高出51.78%，16.62%和10.61%；其次是M10N90和M50N50处理，两处理间无明显差异，但均显著高于N100处理。由此可见，蚯蚓粪与化肥配施处理对土壤微生物量碳含量的提高幅度明显大于单施化肥。而在3个配施处理中，随着蚯蚓粪所占比例的增加，土壤微生物量碳含量呈先升高后降低的趋势，表明蚯蚓粪与化肥以3∶7比例搭配对微生物量碳的作用效果最佳。

图2　 配施蚯蚓粪对土壤微生物量碳含量的影响

2.3　土壤易氧化碳及有机碳氧化稳定性

易氧化碳是土壤有机质中的活性部分，直接参与土壤生物化学转化过程的活性组分以及微生物活动能源和土壤养分的驱动力，对土壤碳及质量变化具有更高的灵敏性。由表1可以看出，与CK相比，N100处理的易氧化碳含量下降，但未达到差异显著水平，而配施蚯蚓粪处理的易氧化碳含量则显著升高，其中M30N70处理最高，并显著高于其它处理，分别比CK，N100，M10N90和M50N50处理提高43.12%，51.34%，15.16%和6.47%。从易氧化碳占有机碳的百分比来看，各处理的大小次序为：M30N70>M10N90≈M50N50>CK>N100。M50N50处理的稳定性有机碳含量明显高于其它处理，而其它处理之间差异均未达显著水平。

各处理的稳定性有机碳占有机碳百分比、氧化稳定系数的变化规律均是：N100>CK>M50N50≈M10N90>M30N70，可见N100处理最高，且明显高于其它处理；而在配施蚯蚓粪处理中，M30N70处理的稳定性有机碳占有机碳百分比及氧化稳定系数均显著低于其它处理，其中氧化稳定系数分别比CK，N100，M10N90和M50N50处理下降29.60%，36.22%，13.85%和17.27%。数据表明，单施化肥处理降低了土壤氧化碳含量且显著提高了有机碳氧化稳定系数，而配施蚯蚓粪的3个处理显著提高了易氧化碳含量且明显降低了氧化稳定系数，其中蚯蚓粪与化肥以3∶7比例配施的影响作用最明显。

2.4　土壤碳库管理指数

表2中的CKT代表参考土壤，是试验开始前各个处理的土样相互混合后测定的结果。从表2可知，不同处理下CPI的变化趋势与有机碳含量基本一致。M30N70处理的A，AI和CPMI均最高，并显著高于其它处理，其中CPMI分别比N100，M10N90和M50N50处理高出73.07，30.06和20.71。M10N90和M50N50处理的A，AI和CPMI亦显著高于CK和N100，其中M10N90与M50N50处理之间的A，AI无显著性差异，但M50N50处理的CPMI明显高于M10N90。由此表明，与单施化肥相比，配施蚯蚓粪更有利于提高土壤碳库指数、碳库活度、碳库活度指数及碳库管理指数，而在蚯蚓粪与化肥的不同比例搭配中，以3∶7比例搭配的效果最明显。

表1　配施蚯蚓粪对土壤易氧化有机碳和氧化稳定系数的影响

注：同列不同小写字母表示处理间差异显著(p<0.05)。下同。

表2　配施蚯蚓粪对土壤碳库管理指数的影响

3讨 论

土壤有机碳的数量取决于有机碳的输入和土壤有机碳微生物分解之间的平衡。单施化肥在改变土壤有机碳含量上的作用效果说法不一：土壤有机碳的含量可能升高、降低或保持原有平衡[12]。施用化肥提高土壤有机碳的原因主要在于化肥促进作物生长，增加作物根茬、枝叶等的残留量。相反，施用化肥，特别是氮肥，将加快土壤原有有机碳的消耗，使积累在土壤中有机碳的数量减少[13]。本研究中单施化肥对土壤有机碳含量的影响不明显，可能与施肥时间较短有关，有机碳积累较少。而配施蚯蚓粪处理的有机碳含量显著高于对照和单施化肥，这与梁尧等[14]在农田生态系统上的研究结果一致。主要是由于施用蚯蚓粪后，增加了作物产量，使归还土壤的根茬增多，同时促进了根系和微生物的活动，从而增加了进入土壤的根系分泌物和有机残体数量；另一方面蚯蚓粪的施入，为土壤提供了直接的有机碳源，增加了土壤的有机碳库。可见，配施有机肥是提高土壤碳储量的有效措施。

土壤微生物量碳是土壤中最活跃的因子之一，它对土壤环境的变化比较敏感，是反映土壤有机碳质量的重要指标[15]。土壤微生物量碳与输入到土壤中有机碳源的生物有效性密切相关。本试验得出，同对照和单施化肥相比，蚯蚓粪与化肥配施处理明显提高了微生物量碳含量，这与李娟等[16]在褐土上的研究结果相似。本试验还得出，蚯蚓粪与化肥以3∶7比例配施的效果优于1∶9和5∶5比例，原因如下。

(1) 蚯蚓粪本身是C/N比较低的粪肥，而3∶7比例配施能更好地调节土壤C/N比，从而使较多的粪肥被微生物分解转化为低分子量的有机质，同时这一部分有机质又被土壤微生物吸收成为其机体的一部分，这样不仅增加了土壤中低分子量的有机碳含量，且更大地提高了土壤微生物碳库[17]；

(2) 3∶7比例配施不仅补充输入了有机碳源，提高了养分的有效性和保水能力，同时还较好地改善土壤物理性状，大大刺激了土壤微生物群落和活性[18]，有利于微生物的生长和繁殖，使微生物生物量碳明显增加。

氧化稳定性是腐殖质的一项重要性质，它与腐殖质抵抗氧化的能力有关，关系到腐殖质分解难易,影响土壤肥力的发挥。Kos值越大,有机质的活性越低，土壤供肥性能也就相对较差[19]。本试验研究得出，单施化肥处理使土壤易氧化碳含量明显下降，Kos值增大，说明土壤腐殖质组成及其性质均有所恶化，土壤供肥能力降低；而配施蚯蚓粪处理能显著提高易氧化碳含量，并减小Kos值，其中蚯蚓粪与化肥以3∶7比例搭配的效果最显著。这一方面表明配施蚯蚓粪能提高有机质质量，增强土壤对养分的供、贮能力，提高土壤肥力水平；同时蚯蚓粪与化肥的配施比例是关键因素。

土壤碳库管理指数结合了人为影响下土壤碳库指标和土壤中碳库活度,并能反映外界条件对土壤有机碳数量的影响和土壤活性有机碳数量的变化,因此能较为全面地反应外界条件对碳库中各组分在量和质上的变化[20],从而反映土壤质量的下降或更新的程度。碳库管理指数越大,土壤不稳定有机碳库更新速度越快、流通量越大,土壤腐殖质和土壤的空隙、孔隙数量及土壤的通气性也明显增加和提高,有利于作物的生长发育。本试验发现，配施蚯蚓粪处理相比单施化肥明显提高了CPMI，这进一步证明了蚯蚓粪与化肥配施对土壤具有培肥作用，使土壤处于良性管理状态；而单施化肥使土壤质量下降，管理措施不科学。本试验还发现，在蚯蚓粪与化肥的不同比例搭配中，3∶7比例配施对樱桃土壤CPMI的作用效果明显优于1∶9和5∶5比例，可能是由于3∶7比例搭配能更好地改善土壤理化性状，为微生物的生长创造了优越环境，从而有利于生成活性有机碳，并提高CPMI。

4结 论

M30N70和M50N50处理的SOC含量分别比N100处理高出12.07%和18.75%；M30N70处理的MBC，ROC含量和CPMI均最高，并显著高于其它处理，其中ROC含量分别比N100，M10N90和M50N50处理提高51.34%，15.16%和6.47%，CPMI分别高出73.07，30.06和20.71；但M30N70处理的有机碳氧化稳定系数明显低于其它处理，比N100处理降低36.22%。以上分析可知，在樱桃栽培中配施蚯蚓粪措施有利于改善土壤质量，提高土壤肥力，其中蚯蚓粪与化肥以3∶7比例搭配的影响作用最显著。

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Effect of Vermicompost on Soil Organic Carbon Oxidation Stability and Carbon Pool Management Index in Cherry Plantation

JING Dawei1,2, WANG Mingyou1, ZHANG Hong1, ZHENG Fang1, LI Shiping1

(1.DezhouUniversity,Dezhou,Shandong253023,China; 2.Resourcesand

EnvironmentCollege,ShandongAgriculturalUniversity,Tai’an,Shandong271018,China)

Abstract：[Objective] To explore the effect of vermicompost on soil organic carbon oxidation stability and carbon pool management index in cherry plantation(Cerasuspseudocerasus), in order to provide scientific basis for improving soil quality management and the increase of agriculture carbon emission reduction potential. [Methods] A field experiment was conducted to determine the five treatments, CK(neither urea nor vermicompost was applied), N100(100% of nitrogen was provided by urea), M10N90(10% and 90% of nitrogen was provided by vermicompost and urea, respectively), M30N70(30% and 70% of nitrogen was provided by vermicompost and urea, respectively), and M50N50(50% and 50% of nitrogen was provided by vermicompost and urea, respectively) on soil organic carbon(SOC), microbial biomass carbon(MBC), readily oxidizable carbon(ROC) contents, organic carbon oxidation stability, as well as carbon pool management index(CPMI) ofCerasuspseudocerasus. [Results] The SOC contents under M30N70and M50N50treatments increased by 12.07% and 18.75% in comparison with the N100treatment, respectively. The MBC and ROC contents and CPMI achieved the highest value in M30N70treatment and had significant differences with other treatments, showing 51.34%, 15.16% and 6.47% increases in ROC content and 73.07, 30.06 and 20.71 increases in CPMI, respectively, compared to the treatments of N100, M10N90and M50N50. However, the oxidation stability index of organic carbon in M30N70treatment was obviously lower than other treatments, which decreased by 36.22% compared with N100treatment. [Conclusion] In the cherry cultivation, application of vermicompost co-applied with inorganic fertilizer, especially the M30N70treatment, was beneficial on soil quality amelioration and soil fertility improvement.

Keywords:Cerasuspseudocerasus; vermicompost; readily oxidizable carbon; oxidation stability index; carbon pool management index

文献标识码：A

文章编号：1000-288X(2015)03-0073-05

中图分类号：S157.4+1

通信作者：王明友(1964—),男(汉族),山东省安丘市人,教授,主要从事作物高产生理生态方面的教学与研究工作。E-mail: nwmy_sddz@163.com。

收稿日期：2014-04-20修回日期：2014-05-07

资助项目：山东省科学技术发展计划攻关项目“新型经济林木生物肥的研制与开发”(2007GG2009007)

第一作者：井大炜(1982—),男(汉族),陕西省绥德县人,博士,讲师,主要从事植物营养机理研究。E-mail:jingdawei009@163.com。