不同管理措施土无机碳储量及其与有机碳含量的关系

杨文静,张树兰,杨学云

(西北农林科技大学 资源环境学院，陕西 杨凌 712100)



杨文静,张树兰,杨学云

(西北农林科技大学 资源环境学院，陕西 杨凌 712100)

【目的】 研究长期不同管理措施和作物轮作体系下，不同施肥处理土壤剖面中无机碳含量分布和无机碳储量及其与耕层土壤有机碳含量的关系。【方法】 采用长期定位试验(1990-2014年)，以土娄土为供试土壤，设置裸地休闲、自然撂荒及冬小麦-夏玉米轮作体系(以下简称作物轮作体系)3种土壤管理措施，其中作物轮作体系设9个施肥处理，分别为不施肥(对照，CK)、氮肥(N)、氮钾(NK)、磷钾(PK)、氮磷(NP)、氮磷钾(NPK)、秸秆+氮磷钾(SNPK)、低量有机肥+氮磷钾(M1NPK)和高量有机肥+氮磷钾(M2NPK)，共计11个处理，测定耕层(0～20 cm)有机碳含量、不同土层(0～300 cm)无机碳含量，并计算0～100 cm、0～300 cm土层无机碳储量，然后分析不同土层无机碳储量与耕层有机碳含量的关系。【结果】 不同土壤管理措施显著影响了0～20 cm土层有机碳含量，其中长期撂荒与作物轮作体系的土壤有机碳含量相近，且显著高于裸地休闲处理。在作物轮作体系下，不同施肥处理对0～20 cm 土层有机碳含量也有明显影响，其中有机物和N、P、K配施的SNPK、M1NPK、M2NPK处理的有机碳含量显著高于CK。不同土壤管理措施和作物轮作体系下各施肥处理0～300 cm土层的无机碳含量分布均呈类似“S”形曲线， 其中0～40 cm土层较高，随着土层深度的增加无机碳含量下降较快，在80～140 cm土层最低，然后逐步升高到160～180 cm达到最高值，之后一直呈缓慢下降趋势。对于0～100 cm土层无机碳储量，裸地休闲处理显著高于自然撂荒和作物轮作体系处理；作物轮作体系中M2NPK处理显著高于其他处理。对于0～300 cm土层无机碳储量，裸地休闲处理显著高于自然撂荒处理；作物轮作体系中施用有机肥处理则显著低于其他施肥处理，其他施肥处理均提高了0～300 cm土层无机碳储量，其中PK、NP、NPK、SNPK处理显著高于CK。0～100 cm土层无机碳储量与耕层土壤有机碳含量之间呈显著正相关，但0～300 cm土层无机碳储量与耕层土壤有机碳含量呈负相关。【结论】 在干旱、半干旱地区，如果有灌溉条件，建议用0～300 cm土层无机碳储量来研究无机碳与有机碳的关系较为准确。另外在研究区施用有机肥可显著提高土壤有机质含量，但不能同时提高土壤无机碳固存。

土娄土；长期试验；土壤有机碳；土壤无机碳

土壤碳库是地球上最大的碳库[1]，包括有机碳库和无机碳库，其0～1 m深土层碳储量是大气碳库的3倍。因而土壤碳库很小的变动都可能改变大气中CO2的浓度[2]。全球约1/3的陆地面积属于干旱、半干旱地区，该地区土壤碳库主要以无机碳的形式存在[3]，且无机碳储量是有机碳储量的2～10倍[4]。因此，研究土壤管理措施对无机碳的影响对于温室气体二氧化碳排放控制有重要的意义。

另外，研究显示，我国由于大量使用化肥导致土壤明显酸化[12],使全国约51%的耕作土地无机碳流失[13]。加之钙是作物生长所必需的中量营养元素,作物每年会从土壤中吸收一定量的钙，也可能降低土壤无机碳含量。尽管合理施肥可提高土壤有机碳含量，随磷肥或有机肥施用也可以输入一定量的钙，这可能有助于固存无机碳；但考虑到施肥引起土壤酸化进而导致无机碳分解，以及碳酸钙深层淋溶等因素对土壤中无机碳的影响，因此，十分有必要深入理解土壤管理措施，特别是在农田系统长期施用肥料对较大尺度土壤剖面(0～300 cm)无机碳分布、储量及与有机碳的关系影响。本研究利用陕西杨凌国家黄土肥力与肥料效益监测基地的长期定位试验(24年), 研究土壤无机碳剖面分布、储量以及其与耕层土壤有机碳的关系，探讨半湿润易旱区土壤管理措施对无机碳固存的影响，为建立合理的土壤管理措施、减少碳排放提供依据。

1　材料与方法

1.1试验地点

本试验在国家黄土肥力和肥料效益监测基地进行，基地位于黄土高原南部陕西省杨凌示范区三级阶地(34°17′51″ N, 108°00′48″ E，海拔534 m)。试验点的平均气温13 ℃，年降水量550 mm,主要分布在6-9月。供试土壤属于土娄土(旱耕土垫人为土)，黄土母质。试验开始前种植了3季作物匀地，起始土壤有机碳含量为7.32 g/kg，全氮0.92 g/kg，速效磷9.57 mg/kg，速效钾191 mg/kg,容重1.35 g/cm3，pH 8.60(土水质量体积比1∶1)，碳酸盐含量11.57 g/kg。

1.2试验设计

试验开始于1990年秋，设置裸地休闲(Fallow，没有任何植物生长，不施肥)、自然撂荒(Set aside，没有任何人为扰动)以及冬小麦-夏玉米轮作体系(Cropping，一年两熟，以下简称作物轮作体系)3种土壤管理措施。在作物轮作体系中设置了9个施肥处理，分别为：1)对照(CK)：不施任何肥料；2)氮肥(N)；3)氮钾(NK)；4)磷钾(PK)；5)氮磷(NP)；6)氮磷钾(NPK)；7)秸秆+氮磷钾(SNPK)；8)低量有机肥+氮磷钾(M1NPK)；9)高量有机肥+氮磷钾(M2NPK)，其中NP处理与当地农民习惯施肥相似，故将其作为冬小麦-夏玉米轮作体系的代表，与裸地休闲、自然撂荒进行分析和比较。本试验共有11个处理，随机排列，小区面积196 m2(14 m×14 m)。冬小麦-夏玉米轮作体系9个施肥处理氮、磷、钾的施用量见表1。

表 1　冬小麦-夏玉米轮作体系施肥试验中氮、磷、钾的用量Table 1　Treatments and rates of fertilizers in winter wheat-summer maize rotation cropping system 　 kg/hm2

由表1可见，小麦季氮、磷、钾(N、P、K单质)的施用量分别为165.0，57.6，68.5 kg/hm2，玉米季施用量分别为187.5，24.6，77.8 kg/hm2。各处理的N、P、K化肥用量相同，秸秆的N、P、K量未计入施肥量，有机肥的P、K量未计入施肥量。SNPK处理的秸秆每年于冬小麦秋播时一次施入；其中1990年到1998年采用小麦秸秆，用量为4 500 kg/hm2(干质量)；自1999年后采用玉米秸秆，为当季该小区的全部玉米秸秆，平均为4 392 kg/hm2(变幅为2 630～5 990 kg/hm2)，用铡刀切成3 cm长的小段，秋播小麦时一次施入。有机肥每年在秋季小麦播种时一次性施入，M1NPK和M2NPK处理中来自有机肥的氮素和无机化肥的氮素比例为7∶3，按含氮量折合成相应的牛粪施入。小麦生育期M1NPK处理与NPK处理的氮素、磷、钾化肥的施入量相同；小麦生育期M2NPK处理的氮素与磷、钾化肥用量为M1NPK的1.5倍；玉米生育期M1NPK和M2NPK处理的氮、磷、钾用量均与NPK处理相等且全部用化肥。

小麦生育期所有肥料在播种前一次施入，玉米生育期在播种后1个月左右结合中耕除草施入。施用的化肥为尿素，磷肥为过磷酸钙，钾肥为硫酸钾。小麦生育期内灌溉1～2次，玉米生育期灌溉2～4次，每次灌溉量为90 mm左右。收获时除SNPK处理的玉米秸秆外，所有作物的地上部分全部移走。

1.3样品的采集与指标测定

土壤样品采集于2014年7月，每处理采集3个重复，土钻直径2.0 cm，每20 cm 1层取至300 cm，每重复取2个剖面，按层次合并混匀，装入塑料袋后带回实验室，人工去除植物残体等杂物，自然风干。风干土过孔径0.15 mm筛，进行耕层土壤有机碳及剖面无机碳含量测定。

另外，用环刀(5 cm高、直径7 cm)采集0～20 cm(每5 cm 为1层)土层原状土，测定土壤容重；在20～100 cm土层中采用土壤容重钻取样测定土壤容重，采样间距10 cm，容重钻内的不锈钢容重环内径为5.06 cm，高6 cm。每个处理取3次重复。

土壤有机碳含量测定采用重铬酸钾容量法(外加热)[14]，无机碳含量测定用吸收法[15-16]。

1.4无机碳储量计算方法

土壤剖面无机碳储量为各处理每层(20 cm)结果的加和，参考梁爱珍等[17]的方法, 每层碳储量按以下公式计算：

SIC(20 cm)=2×BD×C。

(1)

式中：SIC(20 cm)为20 cm深度土层土壤无机碳储量(kg/hm2)，BD为该层土壤容重(g/cm3)；C为该层土壤无机碳含量(g/kg)。

0～100 cm土层土壤容重采用实测结果，其中，0～20 cm土层用环刀采样，每5 cm为1层；20～100 cm用容重钻每10 cm按1层测定，每区3个点;100 cm以下土层土壤容重采用1990年试验开始时的测定结果。

1.5数据处理与分析

试验结果进行单因素方差分析，当方差分析显著时，采用LSD法进行多重比较，显著水平P<0.05，数据分析采用DPS v7.05软件进行。

2　结果与分析

2.1长期不同管理措施及施肥条件下0～20 cm土层有机碳含量的变化

图1为长期不同土壤管理措施及冬小麦-夏玉米轮作体系下不同施肥处理0～20 cm土层土壤有机碳含量结果。

图 1　长期不同管理措施(A)及作物轮作体系下各施肥处理(B)0～20 cm土层的有机碳含量

不同土壤管理措施显著影响土壤有机碳含量，长期撂荒与作物轮作体系有机碳含量相近，并显著高于裸地休闲(图1-A)。在作物轮作体系中，长期不施N或P(N、NK、PK)耕层有机碳含量与CK相近(图1-B)。长期施用N、P化肥(NP、NPK) 耕层土壤有机碳含量显著高于CK，而长期施用有机物并配合N、P、K化肥(SNPK、M1NPK、M2NPK) 土壤有机碳含量也显著高于CK及其他化肥处理，而且有机物配合N、P、K化肥处理间差异显著，土壤有机碳含量表现为M2NPK>M1NPK>SNPK。

2.2长期不同管理措施及施肥条件下0～300 cm土层无机碳含量的分布

图2-A显示，不同土壤管理措施0～300 cm土壤剖面无机碳含量的分布相似，均呈近似“S”曲线：0～40 cm土层无机碳含量较高，随着土层深度的增加呈较快下降趋势，在80～140 cm土层最低，之后随土层深度增加又逐步升高，到160～180 cm土层达到最高值，之后随土层深度增加呈缓慢下降趋势。

从3种土壤管理措施下土壤剖面中无机碳含量的分布结果(图2-A)可以看出，在耕层(0～20 cm)休闲处理显著高于撂荒和作物轮作体系处理，在140～160 cm土层，撂荒处理显著低于休闲和作物轮作体系处理，而其他土层3个处理间没有显著差异，不过总体而言撂荒处理土壤剖面无机碳的含量最低。

图 2长期不同管理措施(A)及作物轮作体系下各施肥处理(B、C)0～300 cm土层中无机碳含量的分布

图中线段“-”表示处理间差异达显著水平(P<0.05)时的LSD值

Fig.2Distribution of soil inorganic carbon content in depth of 0-300 cm with different soil management regimes (A) and fertilization treatments under cropping (B,C) in the long-term experiment in loess soil

“-” represents LSD values atP<0.05 level between treatments

在作物轮作体系中，与CK相比，长期施用化肥显著影响了部分土层无机碳含量，在40～60 cm土层，N处理土壤无机碳含量显著低于其他处理；在120～140 cm土层，NP处理土壤无机碳含量显著高于其他处理；在160～180 cm土层，NP和NPK处理显著高于CK；在140～160 和220～260 cm土层，施肥处理均显著高于CK。总体而言，施用化肥可以增加土壤中的无机碳含量(图2-B)。

由图2-C可见，长期高量有机肥配施NPK较CK或NPK显著改变了土壤剖面无机碳含量的分布。在0～140 cm土层M2NPK处理无机碳含量最高，并且在80～140 cm土层显著高于CK及其他处理，而在160～220 cm土层M2NPK处理无机碳含量低于CK及其他处理，至220～260 cm土层M2NPK处理显著低于其他施肥处理。M1NPK处理与CK相比土壤无机碳含量的剖面分布没有明显的变化，在140～220 cm土层M1NPK处理无机碳含量低于CK，在220～300 cm土层，M1NPK处理却高于CK。SNPK处理与CK相比0～140 cm土层无机碳含量分布没有差异，而在下部土体的 140～160, 220～260 cm土层SNPK处理显著高于CK(图 2-C)。

2.3长期不同管理措施及施肥条件下土壤无机碳储量的变化

图3和图4为长期不同土壤管理措施下0～300 cm土层无机碳储量结果。由图3可以看出，0～100 cm土层中，裸地休闲处理的无机碳储量显著高于作物轮作体系和撂荒处理，而后两者之间没有显著差异。作物轮作体系下，M2NPK处理0～100 cm土层无机碳储量最高，并显著高于其他处理(图3-B)；N处理的无机碳储量最低，并显著低于SNPK和M2NPK处理，其他处理之间没有显著差异。

图 3　长期不同管理措施(A)及作物轮作体系下各施肥处理(B)0～100 cm土层中的无机碳储量

图 4　长期不同管理措施(A)及作物轮作体系下各施肥处理(B)0～300 cm土层中的无机碳储量

不同土壤管理措施下，0～300 cm土层无机碳储量测定结果(图4-A)显示，休闲处理显著高于撂荒处理，而作物轮作体系与休闲或撂荒处理均没有显著差异。作物轮作体系中，施用化肥或秸秆还田配合NPK较CK均提高了土壤无机碳储量，其中PK、NP、NPK及SNPK处理与CK之间差异均达到显著水平；有机肥与NPK配施处理则降低了无机碳的储量，而且显著低于其他施肥处理。

另外，0～20 cm土层无机碳储量平均占0～100 cm土层无机碳储量的28.5%(变幅24.3%～31.6%)；0～100 cm土层无机碳储量占0～300 cm土层的22.8%(变幅20.1%～28.2%)；100～200 cm土层无机碳储量占0～300 cm土层的29.1%(变幅23.8%～31.9%)；200～300 cm土层无机碳储量占0～300 cm土层的48.1%(变幅41.4%～51.5%)。由此看来，0～100 cm土层无机碳只有0～300 cm土层的1/5多些。

2.4长期不同管理措施及施肥条件下土壤有机碳含量与无机碳储量之间的关系

基于耕层土壤有机碳是土壤有机碳的主体，本研究将不同深度土层土壤无机碳储量与耕层土壤有机碳含量进行相关分析，来探讨剖面土壤无机碳与土壤有机碳的关系。从图5可以看出，耕层土壤(0～20 cm)无机碳储量与有机碳含量之间没有显著的相关性(图5-A)；0～100 cm土层无机碳储量与耕层有机碳含量之间存在显著的正相关关系(P<0.05)(图5-B)；0～200 cm土层无机碳储量与耕层有机碳含量之间无显著相关关系(图5-C)；但0～300 cm土层无机碳储量与耕层有机碳含量之间存在显著的负相关关系(P<0.1)(图5-D)。

图 5　长期不同管理措施下耕层(0～20 cm)有机碳含量与不同土层无机碳储量的线性相关性

3　讨　论

不论不同土壤管理措施还是作物轮作体系中，不同施肥模式土壤无机碳含量的剖面分布均呈类“S”形曲线，这与董燕婕等[11]报道的结果相似。无机碳在土壤剖面的分布是长期成土和农业耕作过程的结果，与降水(灌溉)引起的土壤碳酸盐淋溶作用紧密相关。在降水(灌溉)进入土壤形成土壤水的过程中，与土壤中的二氧化碳和碳酸钙生成可溶性的重碳酸钙，从而将上层土壤中的碳酸钙淋溶并带到下层，并在土壤含水量降低后，重碳酸钙脱水再生成碳酸钙，导致碳酸钙在土壤剖面的再分布[18-19]。加之，土娄土剖面中80～140 cm土层属于粘化层，粘化层由于强烈的淋溶作用本身无机碳(碳酸钙)含量就很少，因此也使得紧接着淋溶层的钙积层无机碳含量较高。

在本研究中，长期作物轮作处理或自然撂荒处理较裸地休闲处理表层土壤无机碳含量显著减少，这可能与土壤有机碳增加以及植物根系分泌有机酸导致无机碳分解有关。而自然撂荒处理土壤无机碳含量整体低于休闲或作物轮作体系处理，而且在140～160 cm土层显著降低，这可能与撂荒条件下植物吸收土壤钙素，而没有外源钙的投入，无机碳分解之后难于形成次生碳酸钙有关。无机碳的这种分布特点也导致自然撂荒处理土壤无机碳储量最低，而裸地休闲处理最高。与裸地休闲处理相比，作物轮作体系处理较裸地休闲处理仅降低了0～100 cm土层无机碳储量，但没有影响0～300 cm土层无机碳储量，表明种植作物施肥仅可改变无机碳储量的再分布。

本研究中，不同深度土层的无机碳储量与耕层有机质含量的关系不同，其中0～100 cm土层土壤无机碳储量与耕层有机质含量呈显著正相关关系，而0～300 cm土层土壤无机碳储量与耕层有机质含量呈负相关关系。此外，0～100 cm土层土壤无机碳储量占0～300 cm土层无机碳储量的22.8%，表明利用0～100 cm土层无机碳与有机碳的关系来说明有机碳向无机碳转化不能真正反映二者的关系。杨学云等[23]在同一试验地发现，施氮肥和施氮钾肥处理硝态氮含量在土层深度为400 cm处有明显累积。通过比较灌溉试验和旱地试验磷剖面分布特征，杨学云等[24]还发现，灌溉影响磷分布土层深度亦可达到3 m。这充分表明，即使在干旱半干旱地区，如果有灌溉条件，研究无机碳储量仅限于1 m土体也有很大局限，甚至可能得出完全相反的结论。

4　结　论

土娄土长期撂荒、作物轮作处理耕层有机碳含量较裸地休闲处理明显增加，在作物轮作体系下有机物和N、P、K配施的处理耕层有机碳含量显著高于CK。土娄土长期撂荒处理无机碳储量较裸地休闲处理明显降低，而在作物轮作体系下施肥可以保持土壤无机碳储量。冬小麦-夏玉米轮作体系长期施用N、P化肥及秸秆还田较不施肥可以显著增加0～300 cm土层无机碳储量，而有机肥与NPK配施可以降低0～300 cm土层无机碳储量。表明在该区域灌溉条件下施用有机肥可以提高土壤有机质含量，但并不能同时提高土壤无机碳固存。在研究区探讨无机碳与有机碳的关系时用0～300 cm土层土壤无机碳储量进行分析，可以全面反映二者的关系。

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Effect of long-term soil management and fertilization on storage of soil inorganic carbon and its relationship with soil organic carbon content in plough layer of manual loess soil

YANG Wenjing,ZHANG Shulan,YANG Xueyun

(CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

【Objective】 The storages of soil organic carbon (SOC) and inorganic carbon (SIC) under soil management and fertilization were investigated.【Method】 This study was based on a 24-year long experiment (1990-2014) in manual loess soil.There were three soil management regimes,i.e.bare fallow (Fallow),cropland abandonment (Set aside),and winter wheat and summer maize rotation system (Cropping).Under Cropping, there were nine nutrient management regimes,i.e.un-amended (control,CK),nitrogen (N),nitrogen and potassium (NK),phosphorus and potassium (PK),nitrogen and phosphorus (NP),nitrogen,phosphorus and potassium (NPK),wheat/maize straw (S) with NPK (SNPK) and two dose of dairy manure (M) with NPK (M1NPK and M2NPK).A total of eleven treatments were included.The contents of SOC in plough layer and SIC in different depths were measured and the correlation between SIC stock in different soil depths and SOC content in plough layer (0-20 cm) was analyzed.【Result】 Set aside had significantly higher SOC content than Fallow in depth of 0-20 cm.Under Cropping system,the organic matter with N,P,and K fertilizers (SNPK,M1NPK,and M2NPK) had significant higher SOC contents than CK.Under different management and fertilization regimes,the distribution of SIC in soil profile of 0-300 cm showed the a “S” pattern.The content of SIC was high in topsoil (0-40 cm),then rapidly declined with the increase of soil depth and reached the lowest value at the depth of 80-140 cm before gradually increasing and reaching the maximum value at the depth of 160-180 cm.Fallow had significant higher SIC stock than Set aside and Cropping in the depth of 0-100 cm.Under cropping system,SIC stocks in depth of 0-100 cm in M2NPK treatment was significantly higher than others.Fallow had higher SIC stocks in depth of 0-300 cm soil than Set aside and SIC stocks in M1NPK and M2NPK treatments were significantly lower than other fertilizer treatments.The other fertilizer treatments increased SIC stocks in depth of 0-300 cm,and SIC stocks of PK,NP,NPK,and SNPK treatments were significantly higher than that of CK.SIC stocks in the depth of 0-100 cm were significantly and positively correlated with topsoil SOC content,while SIC stocks in the depth of 0-300 cm was negatively correlated with topsoil SOC content.【Conclusion】 It is suggested to use the soil layer of 0-300 cm for investigation of the relationship between SOC and SIC in arid and semiarid areas. Applying organic manure could increase SOC content in soil but could not increase SIC sequestration.

lou soil;long-term field experiment;soil organic carbon;soil inorganic carbon

时间:2016-08-0909:40DOI：10.13207/j.cnki.jnwafu.2016.09.011

2015-03-09

公益性行业(农业)科研项目(201203030)

杨文静(1990-)，女，山西寿阳人，硕士，主要从事农田物质循环与环境研究。 E-mail:wenjing2723@163.com

杨学云(1967-)，男，宁夏青铜峡人，研究员，博士，博士生导师，主要从事土壤肥力监测与环境研究。

E-mail:xueyunyang@hotmail.com

S153.6+1

A

1671-9387(2016)09-0074-09

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20160809.0940.022.html