长期不同施肥下我国4种典型土壤活性有机碳及碳库管理指数的变化特征

于维水，王碧胜，王士超，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)

土壤有机碳是有机质的重要组分，约占全球陆地总碳库的71%，与土壤质量、作物高产稳产及减缓温室效应等密切相关[1]。土壤有机碳由稳定性不同的碳库组成，活性有机碳是有机碳中十分活跃的组分，容易被微生物利用与转化，对作物生长具有高效性[2-3]。Lefroy等[4]研究发现，能被333 mmol·L-1的高锰酸钾(KMnO4)氧化的土壤有机碳在种植作物时变化最灵敏，可以作为活性有机碳(LOC)，并提出碳库管理指数(CMI)的概念。CMI能灵敏地反映土壤碳库动态变化[5-7]，是农田管理措施引起土壤有机质变化的重要指标，能够反映农作措施引起土壤质量下降或更新的程度，为培肥地力、增加土壤活性有机碳含量提供量化依据。

施肥是提高作物产量和土壤肥力最重要的农田管理措施之一[8]，不同施肥方式影响土壤活性有机碳含量和碳库管理指数[5,9]，因此，研究不同施肥模式下土壤活性有机碳及碳库管理指数的变化规律，对科学施肥、培肥地力具有重要意义。目前，关于土壤活性有机碳和碳库管理指数的研究相对较多，但多集中于单一土壤类型，对不同农业类型下(旱作土壤和水田土壤)土壤活性有机碳和碳库管理指数差异的研究相对较少，因此，本研究选用我国3个典型长期旱作土壤(东北黑土、华中潮土、南方红壤)和1个水田土壤(南方水稻土)，研究长期不同施肥下，土壤总有机碳(TOC)、活性有机碳及碳库管理指数的变化特征，揭示长期施肥对不同农业类型和土壤类型有机碳库的影响，为切实提高土壤肥力及优化施肥管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

供试土壤采自我国中东部4个典型长期肥料定位试验，分别是吉林公主岭的黑土(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°48′E，28°37′N)，4地点在气候和成土母质上具有明显的区域特征(表1)。公主岭、郑州与祁阳3点长期试验均起始于1990年，望城起始于1981年。从各点均有的试验处理中选择不施肥(CK)、单施化肥(NPK)、氮磷钾化肥配施秸秆(NPKS)及氮磷钾化肥配施有机肥(NPKM)，其中望城为氮钾化肥与猪粪配施(NK+M，为便于表示下文统一用NPKM表示)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·hm-2、P2O582.5 kg·hm-2、K2O 82.5 kg·hm-2，有机肥为猪粪或牛粪，NPKM的有机肥年施用量均为30 t·hm-2，各施肥处理为等氮量，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·hm-2、P2O5176.5 kg·hm-2、K2O 176.5 kg·hm-2，有机肥为马粪或牛粪，有机肥和秸秆只在小麦季施，各施肥处理均为等氮量，有机氮与无机氮的比为7∶3，小区面积为50 m2，重复3次。祁阳红壤为小麦-玉米轮作，一年两熟，年施肥量为N 300 kg·hm-2、P2O5120 kg·hm-2、K2O 120 kg·hm-2，有机肥为猪粪，肥料在小麦、玉米播种前做基肥一次性施入，玉米季肥料用量占全年施肥量的70%，小麦季占全年施肥量的30%，除NPKS处理小麦、玉米秸秆的一半还田，其余处理地上部分均移出小区之外，还田的养分不计入总量。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·hm-2、P2O590 kg·hm-2、K2O 240 kg·hm-2，有机肥为猪粪，用量为30 t·hm-2，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 d做基肥一次性施入，70%氮肥做基肥，30%氮肥于分蘖期追肥。小区面积为66.7 m2，随机排列，重复3次。

1.2 样品采集、处理及分析

各试验点于2013年9、10月作物收获后用土钻进行多点取样，采集0～20 cm土层土壤，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。

土壤活性有机碳的测定采用KMnO4氧化法[4]，具体操作如下：称取1～2 g过0.25 mm筛的土壤样品于50 mL的干净离心管中，加入25 mL 333 mmol·L-1的KMnO4溶液，25℃条件下将离心管在震荡机上震荡1 h，然后在2 000 r·min-1下离心5 min，吸取上清液，用去离子水以1∶250稀释，在分光光度计565 nm下测定稀释样品的吸光度，以不加土壤的空白与土壤样品的吸光度之差，计算出KMnO4浓度的变化，求出氧化的碳或有机碳量即活性有机碳(氧化过程中高锰酸钾浓度变化1 mmol·L-1消耗9 mg碳)。所有处理均以试验初始时的土壤为参照。计算不同施肥处理下土壤的CMI，计算公式如下：

CPI=TOC/TOC0

(1)

L=LOC/NLOC

(2)

LI=L/L0

(3)

CMI=CPI×LI×100

(4)

式中:CPI为碳库指数；TOC为样本总有机碳含量(g·kg-1)；TOC0为对照总有机碳含量(g·kg-1)；L为样本碳库活度；LOC为样本活性有机碳含量(g·kg-1);NLOC为样本非活性有机碳含量(g·kg-1)；LI为碳库活度指数;L0为对照碳库活度;CMI为碳库管理指数。

土壤基础理化性质的测定均采用常规方法，其中有机碳(TOC)测定采用重铬酸钾外加热法；全氮(TN)采用半微量凯氏定氮法；pH值采用pH计测定(土水比为1∶5)。

1.3 数据分析

试验数据采用Excel 2007和SPSS 19.0软件进行统计分析。不同处理间差异的比较采用单因素方差分析，所有数据测定结果均以平均值表示。采用最小显著差数法(LSD)分析不同施肥处理间平均数在P<0.05的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理土壤总有机碳变化特征

长期施肥下4种类型土壤总有机碳含量均表现为NPKM>NPKS>NPK>CK，且NPKM处理总有机碳含量显著高于其他处理(图1)。水田土壤总有机碳的平均含量为24.34 g·kg-1(23.06～26.15 g·kg-1)，高于旱作土壤12.37 g·kg-1(6.68～26.14 g·kg-1)。长期不施肥处理，旱地黑土和潮土的总有机碳高于有机碳初始值(各试验点起始年有机碳含量)，但差异不显著。而红壤和水稻土总有机碳含量显著增加，增加的比例分别为25.8%和12.0%，说明4种土壤基础地力维持作物生长消耗的有机碳不同。23年施肥后，NPK处理黑土和水稻土总有机碳含量较CK增加，但无显著差异性；潮土、红壤总有机碳含量较CK显著增加，增加比例分别为12.0%、21.0%。NPKS处理黑土、潮土、红壤总有机碳含量较CK均显著增加，增加比例分别为15.8%、37.6%、27.7%；NPKM处理总有机碳含量显著高于其他处理，较CK增加比例分别为90.3%、54.4%、60.4%和13.4%。综上，不同施肥制度下旱作土壤和水田土壤总有机碳表现出相同的规律：长期单施化肥土壤总有机碳含量基本维持原有水平或略有增加，有机无机肥配施和秸秆还田能显著提高4种土壤总有机碳水平。

2.2 不同施肥处理对土壤活性有机碳含量的影响

4种类型土壤的活性有机碳含量均受长期施肥的影响(图2)。除水稻土外，NPK、NPKS和NPKM处理土壤的活性有机碳含量均较CK显著增加。水田土壤活性有机碳含量的平均值(5.7 g·kg-1)高于旱地土壤(2.7 g·kg-1)。NPK处理旱作3种类型土壤活性有机碳含量均显著增加，增加比例分别为19.7%(黑土)、21.1%(潮土)和28.3%(红壤)，水田土壤活性有机碳的含量也略有增加，但较CK无显著的差异性。长期NPKS处理，旱地和水田土壤活性有机碳含量较CK均显著增加，增加比例分别为24.0%(黑土)、66.9%(潮土)、51.8%(红壤)和17.4%(水稻土)。

NPKM处理旱地3种类型土壤的活性有机碳含量显著高于其他处理，黑土增加比例最高，为140.9%，其次为潮土100.8%，红壤为95%；水田土壤，NPKM处理活性有机碳含量与NPKS处理差异不显著，较CK增加比例为27.4%。说明，无论旱作土壤还是水田土壤，有机无机肥配施对活性有机碳的积累效应均高于秸秆还田和单施化肥，但旱作土壤长期施肥对活性有机碳提高幅度大于水田。

图2 不同施肥处理下土壤中活性有机碳的含量

2.3 不同施肥处理对活性有机碳组成比例的影响

土壤中活性碳库占总有机碳的百分比可以反映土壤有机碳质量。长期不同施肥处理下活性有机碳在总有机碳库中的分布存在差异，但4种土壤均表现为NPKM处理较CK显著提高了活性有机碳占总有机碳的比例(图3)。与CK相比，长期NPK处理虽然显著提高了活性有机碳的含量，但对活性有机碳占总有机碳的比例无显著影响，其中旱作黑土、潮土和红壤活性有机碳占总有机碳的比例略有增加，而水稻土活性有机碳占总有机碳的比例下降，下降的比例为1.2%。NPKM处理下，4种土壤活性有机碳占总有机碳的比例显著增加，增加比例分别为5.1%、3.8%、4.8%和2.3%。NPKS处理4种土壤活性有机碳占总有机碳的比例较CK显著增加，增加比例分别为2.3%、3.1%、4.2%和1.8%，黑土NPKS处理下活性有机碳占总有机碳的比例显著低于NPKM处理，潮土、红壤和水稻土与NPKM处理无显著差异。以上结果表明，长期施肥影响了土壤活性有机碳占总有机碳的比例，单施化肥提高了土壤非活性有机碳的比例，对提升有机碳质量作用不大，秸秆还田和有机无机肥配施可促进土壤有机碳向活性有机碳组分转变，有利于提高土壤有机碳库质量。

图3 土壤活性、非活性有机碳的分布状况

2.4 土壤碳库管理指数

碳库管理指数(CMI)和碳库活度指数(LI)能灵敏地反映土壤碳库动态变化，为指示土壤有机碳库质量提供量化依据。长期不同施肥处理对4种土壤的LI和CMI的影响不同(表2)。长期不施肥处理旱作3种土壤的CMI较参照差异不显著，而水稻土CK的CMI较参照显著提高，提高的比例为52.0%；NPK处理黑土、潮土、红壤和水稻土CMI较参照显著增加，对应增加比例分别为33.0%、30.8%、52.2%和58.9%，但NPK处理下黑土、潮土和水稻土的LI较参照显著增加，红壤LI较CK无显著性差异；NPKS和NPKM处理下土壤LI和CMI均显著增加，且NPKM处理下CMI的增加比例最大，对应增加比例分别为277%、224%、261%和204%。3种旱作土壤黑土、潮土和红壤NPKM处理的CMI显著高于NPKS处理，水稻土NPKM和NPKS处理CMI无显著性差异。说明长期不施肥或仅施化肥对土壤碳库质量提升作用不显著，而秸秆还田和有机无机肥配施能显著提高旱作和水田土壤有机碳的碳库质量。

表2 不同施肥处理下碳库活度指数和碳库管理指数

注：表中同一列不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

3 讨论

3.1 不同施肥处理下总有机碳含量的差异

土壤有机碳库的改变与外源碳的输入密切相关，同时也受土壤物理性状和气候条件的影响。本研究发现长期不同施肥4种土壤有机碳含量较初始值有不同程度的提高(图1)。长期不施肥使黑土和潮土TOC含量基本维持原有水平，而南方红壤和水稻土TOC则显著增加，这主要是由于东北黑土区气温低，适于微生物活动的时间较南方短，而南方亚热带地区温、光、热资源丰富，干湿季节明显，植物生长量大，生物积累快，使土壤有机碳的投入相对较多[10]。在相对稳定的管理措施下，当土壤碳输入量等于碳输出量时，TOC会维持在一个比较稳定的水平[11]。单施化肥对土壤有机碳的影响受初始TOC水平的影响，若初始TOC低于平衡点[12]，施用化肥能够增加土壤有机碳含量，反之则保持不变或减少。本研究中长期单施化肥黑土和水稻土有机碳较对照无显著性差异，这与Lal等[13]和Dijkstra等[14]研究一致；潮土与旱地红壤有机碳含量增加，这与化肥施用下对白土[15]的研究结果一致。这可能是因为黑土初始有机碳含量高于平衡点，而潮土和红壤的有机碳含量低于平衡点。本研究中长期施用粪肥或秸秆还田均能有效提高土壤有机碳的含量，一方面粪肥和秸秆的施用为土壤提供了大量碳源[16]；另一方面提高了土壤微生物的数量和活性，促进了土壤有机碳的周转。因此，秸秆还田和有机无机肥配施提高土壤有机碳的幅度较大，这与孟繁华等[17]关于长期不同施肥下黑土的研究结果一致。水田土壤各处理有机碳含量与旱作土壤的变化类似，但水田土壤年际新鲜有机碳归还量大，加之长期的淹水环境[18]，使水田土壤有机碳含量高于旱作土壤。

3.2 不同施肥制度下活性有机碳含量及碳库管理指数的变化

活性有机碳比例是有机碳质量的重要指标[10]，CMI是评价施肥对土壤质量影响的最好指标[19]。长期有机无机配肥施能显著提高旱作和水田土壤活性有机碳含量、活性有机碳占总有机碳的比例及CMI；化肥配施有机肥不但提高了4种土壤活性有机碳的含量，同时提高了活性有机碳占总有机碳的比例及CMI。长期化肥配施有机肥有效提高了土壤有机碳的质量，这一方面是由于有机粪肥中含有大量的养分及高活性有机碳[20]，另一方面是由于长期施用有机肥会促进土壤原有有机碳的转化，转变成易被作物吸收利用的活性有机碳[10]，这与张瑞等[21]、王晶等[22]、吴小丹等[23]的研究结果一致。化肥配施秸秆对土壤活性有机碳含量及碳库管理指数的影响结果基本一致，化肥配施秸秆显著增加4种土壤总有机碳含量、活性有机碳含量和碳库管理指数。徐明岗等[24]对不同施肥5年和10年后的红壤研究认为，化肥配施有机肥和化肥配施秸秆均能够提高土壤有机质质量，但化肥配施秸秆对提高土壤有机质的质量相对较慢。本研究23年化肥配施秸秆后，4种土壤中活性有机碳含量及其占总有机碳的比例显著增加，这与路文涛等[25]和陈尚洪等[26]报道一致，这可能主要是因为土壤和秸秆的C∶N∶P不同，从而影响了秸秆在土壤中的矿化及原有有机质的矿化[27-29]。长期单施化肥对活性有机碳占总有机碳的比例无显著影响，但显著提高了旱作3种土壤活性有机碳及CMI，对水田无显著影响；水田土壤活性有机碳受单施化肥处理影响不如旱作土壤敏感，这主要是由于水田环境不利于有机碳分解，在无外源有机碳添加条件下致使活性有机碳含量接近饱和[30]。

4 结论

长期不同施肥下，旱作土壤和水田土壤总有机碳和活性有机碳的变化趋势一致，即长期有机无机肥配施效果优于化肥配施秸秆和单施化肥，但水田土壤有机碳和活性有机碳的平均含量高于旱作土壤。

长期单施化肥能有效提升土壤总有机碳含量，长期化肥配施秸秆和化肥配施有机肥显著提高了旱作土壤和水田土壤活性有机碳和碳库管理指数，能有效提高土壤有机碳库质量，且化肥配施有机肥效果更突出，是培肥地力的有效措施。

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