不同施肥制度下我国东部典型土壤易分解与耐分解碳的组分特征

于维水， 李桂花， 王碧胜， 武红亮， 赵雅雯， 孟繁华， 卢昌艾*

(1 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/耕地培育技术国家工程实验室， 北京 100081；2 河南省土壤肥料站，河南郑州 450002)

不同施肥制度下我国东部典型土壤易分解与耐分解碳的组分特征

于维水1， 李桂花1， 王碧胜1， 武红亮1， 赵雅雯1， 孟繁华2， 卢昌艾1*

(1 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/耕地培育技术国家工程实验室， 北京 100081；2 河南省土壤肥料站，河南郑州 450002)

【目的】土壤易分解碳库(labile organic carbon，Lab-C)和耐分解碳库(recalcitrant organic carbon，Rec-C)是土壤有机质的重要组分，其组分大小与比例可反映土壤有机碳的周转与固存特性。因此，研究长期不同施肥制度下土壤易分解碳库与耐分解碳库的大小与比例，对土壤养分管理及肥力培育具有重要的意义。【方法】利用我国东部23年长期不同施肥制度下的黑土、潮土、红壤和32年水稻土共四类土壤的典型土样为代表，以不施肥(CK)、施化肥(NPK)、化肥配施秸秆(NPKS)和化肥配施有机肥(NPKM) 4个处理土壤，采用颗粒密度相结合的方法，将土壤有机碳分为易分解碳和耐分解碳2个组分，分析了其不同组分碳含量及比例的变化特征。【结果】土壤经该方法分组后，四种土壤的平均质量回收率和碳回收率均超过95%，是一种测定土壤易分解碳和耐分解碳的可行方法。旱作土壤(黑土、潮土和红壤)易分解碳的平均含量为1.91 g/kg低于水田的2.42 g/kg，而易分解碳占总有机碳的平均比例为15.4%，高于水田的9.9%。NPKM处理下，黑土、潮土和红壤易分解碳含量显著高于NPKS、NPK及CK处理(P<0.05)，较NPK处理增加的比例分别为98.4%、43.7%和71.2%，同时提高了易分解碳占总有机碳的比例，但无显著差异性；NPK和NPKS处理下黑土与潮土易分解碳的含量较不施肥无显著变化，而红壤易分解碳含量较不施肥显著降低(P<0.05)，降低的比例分别为33.1%和29.6%；水稻土4个处理间易分解碳的含量及其占全碳的比例无显著差异性。四类土壤耐分解碳的含量与总有机碳含量的变化一致，均表现为NPKM>NPKS>NPK>CK。NPKM处理下，四种土壤耐分解碳含量显著增加(P<0.05)，黑土、 潮土、 红壤和水稻土较NPK处理增加的比例分别为68.8%、42.7%、17.6%和17.2%，同时耐分解碳占全碳的比例降低；NPKS处理下黑土、潮土和水稻土耐分解碳的含量较NPK处理也增加，对应增加的比例分别为10.9%、15.1%和18.0%。同时，易分解碳和耐分解碳的含量与土壤总有机碳含量之间有极显著的正相关关系。【结论】旱作土壤易分解碳含量比水田土壤更易受不同施肥处理的影响，有机无机配施(NPKM与NPKS)可提高旱作与水田土壤易分解碳与耐分解碳的含量，同时相对提高了易分解碳占全碳的比例，且NPKM处理的效果优于NPKS处理，更优于化肥处理。

易分解碳； 耐分解碳； 旱作土壤； 水田； 长期施肥

土壤碳库是陆地生态系统中最大的碳储库，在全球碳循环中起着重要的作用[1]。土壤有机碳(质)是表征土壤肥力的重要指标[2]，对土壤物理、化学和生物肥力起着较为重要的作用。土壤有机碳可分为易分解部分与难分解部分，易于分解的有机碳多称为活性有机碳，通常用溶解性有机碳[3]、微生物量碳[4]、易氧化有机碳[5]、可矿化碳[6]、轻组有机碳[7]和颗粒有机碳[8]等来进行表征，它是指土壤中有效性高、易被土壤微生物分解矿化、对植物养分供应有直接作用的那部分有机碳[9-10]，它可以指示土壤有机碳变化，是反映土壤碳库动态的敏感性指标[11-12]；难分解有机碳较为稳定，对于土壤碳素固持和土壤结构具有较大的作用，但由于其分解慢，短期内对于土壤养分的供给能力影响较小[13]。目前分离和测定土壤活性有机碳的方法很多，但大体分为三类：物理、化学和生物学测定方法[14]。其中物理方法对有机碳的结构破坏度极小，分离的组分能够反映土壤原状有机碳的结构和功能，因此该方法一直以来受到许多研究者的采用并成为土壤有机碳分组的主流[15]。

近年来，Huygens等[16]根据Muller等[17]的马尔科夫蒙特卡洛(MCMC)模型中碳氮周转特性，改进了Meijboom等[18]对于土壤的分组方法，将土壤有机碳分为易分解碳与耐分解碳2个组分，并提出直接测定土壤易分解碳与耐分解碳的方法。与以往活性有机碳方法相比，该方法可以结合土壤碳氮的周转特性，模拟土壤碳库与氮库的矿化等转化动态[16]，同时，易分解碳与耐分解碳2个组分更能直接表征土壤有机碳的周转与固存特性，反映土壤有机碳的矿化强度。

当前，已经开展了一些不同施肥下土壤碳库组分的研究，但是这些组分难以与土壤碳氮的固持与周转联系起来；长期不同施肥措施对土壤碳库组分的影响不很明确。基于上述两点，本研究采用Huygens等[16]改进的土壤分组方法，以我国4个典型区域的长期定位试验土壤样品为基础，选择黑土、潮土、红壤及水稻土4类典型土样为研究对象，探讨长期不同施肥措施下土壤易分解碳和耐分解碳的组分变化特征，为进一步研究碳库的周转特性打下基础，同时为合理评价长期不同施肥制度下我国东部典型土壤有机碳库质量提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

供试土壤为我国东部四个典型长期肥料定位试验的2013年土壤样品，分别为吉林公主岭黑土(124°48′E, 43°40′N)、河南郑州的潮土(113°40′E, 34°47′N)、湖南祁阳的红壤(111°52′E, 26°45′N)及湖南望城的水稻土(112°80′E, 28°37′N)。其中公主岭、郑州与祁阳三点长期试验均始于1990年，望城始于1981年，从各点均有的试验处理中选择了不施肥(CK)、氮磷钾肥配施(NPK)、氮磷钾化肥配施秸秆(NPKS)及氮磷钾化肥配施有机肥(NPKM)，其中望城为NK+M处理。公主岭黑土试验点为一年一熟玉米连作，肥料用量为年施用N 165 kg/hm2，N ∶P2O5∶K2O=1 ∶0.5 ∶0.5，有机肥为猪粪或牛粪，NPKM有机肥的年施用量分别为30 t/hm2，小区面积为400 m2，无重复。郑州潮土为小麦—玉米一年两熟，肥料用量为年施用N 353 kg/hm2，N ∶P2O5∶K2O = 1 ∶0.5 ∶0.5，有机肥为马粪、牛粪，有机肥和秸秆只在小麦季施。各处理在等氮量情况下，有机氮与无机氮为7 ∶3，每小区面积为50 m2，3次重复。祁阳红壤为小麦—玉米一年两熟，肥料用量为等氮量，年氮肥施用量为300 kg/hm2，N ∶P2O5∶K2O=1 ∶0.4 ∶0.4，有机肥为猪粪，每年小麦、玉米的秸秆一半还田，还田的养分不计入总量。肥料在小麦、玉米播种前做基肥一次性施入，小区面积为196 m2，随机排列，两次重复。望城水稻土为早稻-晚稻-冬闲种植制度，肥料年施用量为N 330 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 240 kg/hm2，NKPM处理的猪粪，使用量为30 t/hm2，猪粪和稻草在犁田前撒施并混入土壤，磷肥与钾肥在移栽前1天做基肥一次性施用，70%氮肥基肥，30%氮肥于分蘖期追肥。4个试验点试验开始时的土壤基础理化性质如表1。以上各地点详细的气候及农艺措施等信息参见文献[19]。采样时间为2013年作物收获后9、10月份，采样深度为0—20 cm的耕层土壤，重复3次。采集的土壤样品自然风干后，人工除去肉眼可见的根茬及秸秆碎屑，过2 mm筛，混匀后备用。

表1 四个长期定位试验开始时表层土壤基础理化性质

注(Note)：水稻土试验始于1981年，其余3个试验始于1990年Paddy soil experiment started in 1981, the others in 1990.

1.2 土壤易(耐)分解组分的分离及有机碳的测定

未分组原土和烘干后各组分磨细后过150 μm筛。土壤有机碳采用重铬酸钾外加热法测定[20]，易氧化有机碳(ROC, readily oxidizable organic carbon)、 难氧化有机碳(DOC dysoxidize organic carbon)采用333 mmol/L的高锰酸钾氧化法测定[21]。

1.3 数据分析

试验数据采用Excel和SPSS(19.0)软件进行统计与分析，所有数据测定结果均以平均值表示。不同处理之间采用最小显著差数法(LSD)进行差异显著性检验(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 回收率

表2 土壤质量回收率及碳回收率(%)

注(Note)：表中数据为“平均值±SD值” The data in the table were Mean±SD.

2.2 不同施肥处理对有机碳含量的影响

图3 不同施肥制度下各地点土壤耐分解碳含量Fig.3 The content of carbon in recalcitrant pool under different long-term fertilization treatments[注(Note): 图中小写字母表示同一土壤不同处理间在5%水平上差异显著 The lowercases above the bars mean significance at 5% level in the same soil among different fertilization treatments；水稻土的NPKM处理指NKM处理 The NPKM treatment represent NKM in paddy soil; 柱状图中误差线表示SD的大小The error bars in Fig. 3 is the value of SD.]

长期不同施肥下旱作和水田土壤耐分解碳含量变化特性与总有机碳的变化类似(图3)，4类土壤耐分解碳含量均为CK>NPK>NPKS>NPKM。NPK处理下四种土壤耐分解碳的含量较CK均显著增加，黑土、潮土、红壤和水稻土对应增加的比例分别为4.7%、13.9%、43.8%和3.8%。NPKS处理下黑土、潮土和水稻土耐分解碳的含量较NPK和CK均显著增加，较CK增加的比例分别为15.8%、36.2%和12.0%，较NPK增加的比例分别为10.9%、15.1%和8.0%；红壤NPKS耐分解碳含量较CK显著增加，增加的比例为43.8%，而NPKS与NPK无显著差异性。NPKM处理显著增加了4类土壤耐分解碳的含量，较CK对应增加的比例分别为76.1%、 68.9%、 69.2%和21.6%，较NPK对应增加的比例为68.8%、42.7%、17.6%和17.2%。以上结果表明，长期不同施肥下，在提高土壤总有机碳的同时提高了耐分解碳的含量，有机无机配施能显著提高土壤耐分解碳含量，效果优于化肥处理。

表3表明，土壤易、耐分解碳含量同土壤总有机碳及活(非活)性有机碳等各指标之间的相关性，可以看出易分解碳和易氧化有机碳显著相关(r=0.809**，n=12)，耐分解碳同非活性有机碳之间显著相关(r=0.992**，n=12)，同时易(耐)分解碳同土壤全碳含量也具有高度的正相关关系，说明有机碳含量的增加可以在一定程度上提高易(耐)分解碳的含量。

表3 土壤各指标之间的相关系数(r)

注(Note): **—P<0.01

2.2.3 不同施肥处理土壤易、耐分解碳的比例特征 有机碳的不同组分(易分解碳与耐分解碳)占总有机碳的百分比可以消除有机碳含量差异对不同碳组分的影响，更能体现土壤的碳库状况。从表4可以看出不同施肥可以影响易分解碳占总有机碳的比例，同一地点不同施肥处理土壤易(耐)分解碳占总有机碳的比例无显著性差异(P<0.05)。

表4 不同施肥条件下土壤易、耐分解组分碳占总有机碳的比例 (%)

注(Note)：同列数字后不同小写字母表示不同施肥处理间差异显著性(P<0.05) Values followed by different letters in a column are significant among treatments at 5% level; 水稻土的NPKM处理指NKM处理 The NPKM treatment represent NKM in paddy soil..

3 讨论

3.1 不同施肥制度下易分解碳的含量及比例的差异

不同施肥措施对土壤总有机碳有着重要影响。佟小刚等[22]和李新爱等[23]对长期定位施肥试验证实，单施化肥、化肥配施秸秆或化肥配施有机肥均能显著提高土壤有机碳含量，并且随有机肥投入量的增加，土壤总有机碳增加。本研究结果与前人研究结果一致。长期单独施用化肥虽然没直接提高土壤有机碳的含量，但可以促进农作物根系迅速生长，从而提高根际有机质输入[24]；长期施用动物粪肥或秸秆还田，一方面因粪肥和秸秆中本身含有有机碳，可以直接增加土壤的碳投入；另一方面可以促进作物生长，增加作物产量，从而使更多的残茬还田[25]，所以化肥配施秸秆或有机肥提高土壤有机碳的幅度较大。

不同施肥处理，不但影响了土壤总有机碳的含量，对易分解碳和耐分解碳的含量也有显著影响，同时改变了易、耐分解组分占总有机碳的比例。本研究发现，旱地黑土、潮土易(耐)分解碳的含量均以NPKM最高，其次为NPKS、NPK处理，并且NPKM处理提高了易分解碳占总碳的比例，这与张璐等[26]对于不同处理下黑土、灰漠土和红壤等易氧化有机碳的规律是一致的。NPKM处理提高了旱地土壤易分解碳的含量，一方面是NPKM处理显著增加了土壤总有机碳含量[27]，另一方面有机肥为微生物提供充足的碳源，直接增加了根系生物量及根系分泌物[28]，也在很大程度上激发微生物的活性，增加了微生物生物量[29]，同时有机肥本身含有一些与易分解碳组分相似的成分[30]，从而引起了土壤易分解碳组分的增加；NPKM处理下黑土、潮土易分解碳占总有机碳的比例高于其他3个处理，而耐分解碳占总有机碳的比例最低，这说明NPKM处理改良了土壤的碳库状况。NPKS处理对不同地点易分解碳的影响不同，黑土基本维持原有水平，潮土显著增加，而红壤易分解碳低于不施肥处理，这与徐明岗等[30]对不同地点易氧化有机碳的研究基本一致；NPKS处理对不同组分碳占总有机碳的比例与CK基本相同，总体来说NPKS处理能维持土壤易分解碳的含量。NPK处理对易分解碳及其占总有机碳的比例均无显著影响，研究发现长期施用化肥增加的主要是非活性有机碳含量，不利于提高土壤有机质的质量[31]。

蔡泽江等[34]研究发现，长期NPK和NPKS处理红壤酸化严重，土壤肥力降低，目前监测到红壤NPK和NPKS处理pH值分别为3.82、3.84，已经严重低于小麦(6.03)和玉米(5.09)的酸害pH值，严重阻碍了小麦玉米的生长，使作物归还土壤的残茬和根系减少，同时低pH值使微生物的活性受到严重限制[35]，造成本研究中红壤地区NPK和NPKS处理土壤总有机碳含量较高而易分解碳含量较低。

3.2 水田易分解碳含量及比例的差异

水稻土不同施肥处理易分解碳含量无显著性差异，但其含量的变化趋势与旱地相同，均为NPKM>NPKS>NPK>CK，这与以往对水稻土活性有机碳的研究是一致的[36]。水稻土易分解碳含量受不同施肥处理不如旱作土壤敏感，可能的原因是望城水稻土经过32年不同施肥处理下，已达到各处理下固定有机碳的饱和水平[37]，使不同处理之间的差异减少，这也与Six等[38]对土壤轻组有机碳的研究结果一致。

水稻土总有机碳含量高于旱作土壤，这与许信旺等[37]对我国农田耕层土壤有机碳的研究结论是一致的，而总有机碳含量的提高在一定程度上提高了易分解碳的含量。水田总有机碳含量高，一方面是由于淹水还原占优势的条件使水稻土具有较高的碳密度和较大的固碳潜力[39-40]，并且淹水环境下不利于有机碳的分解；另一方面红壤性水稻土含有丰富的氧化铁，土壤有机碳通过与游离氧化铁的稳定结合，使土壤有机碳库的稳定性提高[41]，矿化稳定性较高[42]，这也与本研究中水稻土易分解碳占总有机碳比例较低的结果相符。

4 结论

1)经颗粒密度结合的分组方法，获取的易、耐分解组分的质量回收率及碳回收率均在误差范围内，易分解碳含量和耐分解碳含量与总有机碳呈显著的正相关关系，是一种合理的获取易、耐分解碳的可行方法，这为进一步研究碳库之间的动态转化及碳的固定打下基础。

2)旱作土壤易分解碳含量低于水田，而易分解碳占总有机碳的平均比例比水田高，水田易分解碳含量及其占总碳的比例对不同施肥的响应不如旱地敏感；旱作土壤不同施肥处理(除红壤)易分解碳含量表现出相同的趋势：化肥配施有机肥>化肥配施秸秆>化肥>不施肥处理。有机无机配施显著提高了全碳含量、易分解碳的含量和耐分解碳含量，同时提高了易分解碳占全碳的比例，是改良土壤碳库状况的最优施肥方式，效果优于化肥配施秸秆处理，更优于化肥处理。

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Component characteristics of soil labile and recalcitrant carbon under long-term different fertilization systems in eastern China

YU Wei-shui1， LI Gui-hua1， WANG Bi-sheng1， WU Hong-liang1， ZHAO Ya-wen1，MENG Fan-hua2， LU Chang-ai1*

(1ChineseAcademyofAgriculturalSciences/LandCultivationTechnology,NationalEngineeringLaboratory,Beijing100081，China;2HenanSoilandFertilizerStation,Zhengzhou450002，China)

【Objectives】 Labile organic carbon (Lab-C)and recalcitrant organic carbon(Rec-C)are two important components of soil organic carbon, and their ratio has an effect on organic turnover and sequestration properties. So, it has great significance for nutrient management and fertility improvement to study the characteristic of labile and recalcitrant organic carbon content under different long-term fertilization systems.【Methods】Using particle size-density separation method, labile and recalcitrant carbon pools were studied under four treatments, namely no fertilizer (CK), chemical fertilizer (NPK), chemical fertilizer combined with straw (NPKS), and chemical fertilizer combined with manure (NPKM) from four long-term experiment sites (three from 23 years old upland sites of black soil, fluvo-aquic soil and red soil, one from 32 years old paddy soil) in eastern China.【Results】The separation method was a simple and suitable method for carbon pool size analysis in which average soil mass recovery and average soil carbon recovery were both above 95%. The average labile organic carbon contents in upland soils was 1.91 g/kg, lower than those in paddy soil 2.42 g/kg. The average ratio of labile carbon to total carbon content (Lab-C/TOC) in upland soils was 15.4%, higher than in paddy soil of 9.9%. In upland soils (black soil, fluvo-aquic soil and red soil), the increase of labile carbon content under NPKM treatment was significantly higher than NPKS, NPK and CK treatments, in which the corresponding increases were 98.4%, 43.7% and 71.2% compared to NPK treatments, respectively. The Lab-C/TOC was consequently increased greatly under NPKM treatment, although the increases differences among the treatments were not significant. The labile carbon contents in NPK and NPKS were no significant different with CK in black soil and fluvo-aquic soil, but significant in red soil. The labile carbon content in NPK and NPKS were 33.1% and 29.6% significantly lower than that under CK (P<0.05), respectively; There were no significant differences among four treatments of paddy soil in labile organic carbon content. Recalcitrant carbon content in four soils was consistent with their total organic carbon under four treatments as NPKM>NPKS>NPK>CK. Compared with the NPK treatment, the recalcitrant carbon content in the four soils were greatly improved under NPKM treatment, their proportion were increased by 68.8%, 42.7%, 17.6% and 17.2%, respectively; In the meantime, the Rec-C/TOC was reduced. Under NPKS treatment, the recalcitrant carbon contents in black soil, fluvo-aquic soil and paddy soil were increased by 10.9%, 15.1% and 18.0% compared to NPK treatment, respectively. There was a significant positive correlation between the total organic carbon content and labile/recalcitrant organic carbon content.【Conclusion】Comparing with paddy soil, the labile organic carbon content in upland soil are more susceptible to fertilization. Long-term application of NPKS or NPKM will improve the quantity of soil labile organic carbon and recalcitrant organic carbon contents, meanwhile it could increase the Lab-C/TOC ratio. The improvement effect is in order of NPKM>NPKS>NPK.

labile organic carbon; recalcitrant organic carbon; upland soil; paddy soil; long-term fertilization

2014-11-17 接受日期： 2015-01-16

国家科技支撑计划(2012BAD05B05)； 国家973计划(2013CB127404)； 农业公益性行业专项(201203030)资助。

于维水(1989—)，女，山东日照人，硕士研究生，主要从事农田养分循环研究。E-mail： yuweishui6655@126.com * 通信作者 Tel: 010-82108703, E-mail：luchangai@caas.cn

S153.6+21

A

1008-505X(2015)03-0675-09