长期施肥下黄壤有机碳库演变及固存特征

张雅蓉，李 渝，刘彦伶，黄兴成，张文安，蒋太明

(1.贵州省农业科学院 土壤肥料研究所，贵州 贵阳 550006；2.农业部贵州耕地保育与农业环境科学观测实验站，贵州 贵阳 550006；3.贵州省农业科学院 茶叶研究所，贵州 贵阳 550006)

【研究意义】农田土壤碳库是最大也是最活跃的碳库之一，是全球碳循环的核心内容，农田对于温室气体减排的潜力主要是对土壤有机碳(SOC)的固定。SOC的存储对于改善土壤理化性质、提高和稳定作物产量及提升环境质量有重要作用[1-2]。农田管理措施(有机无机肥配施、秸秆还田、保护性耕作等)、土壤性质、土地利用方式、植物品种和气候变化等均是影响SOC固定、转化及释放的重要条件[3-6]。据有关数据显示，我国土壤碳储量占全球总储量的12 %，表土平均SOC密度仅为欧盟平均值的70 %～75 %[7]，若采取合理的措施使土壤有机质提高30 %～40 %，全国仅耕地就可增加固碳约10亿t[8]。我国农田土壤固碳潜力巨大，因此，研究改变农业措施来重新收集和固定能源排放的碳，对实现我国经济和环境发展双赢具有重要意义。【前人研究进展】近年来，如何科学估算土壤固碳潜力、评价土壤固碳饱和水平、明确土壤碳的“源汇关系”备受国内外相关学者关注。较多通过全国第二次土壤普查数据与长期定位试验数据的结合，从区域尺度上阐述我国农田土壤有机碳动态变化和固碳效应[9-14]，且过往较多研究主要集中在稻田土壤有机碳库，对旱地碳库变化研究略少[10-11，15]。近几年，黄壤碳库研究也只是不同施肥措施对有机碳动态变化、不同组分变化差异及平衡特征等方面的影响[2，16-18]。【本研究切入点】黄壤是中国南方山区重要的土壤类型，全国25.3 %的黄壤集中分布在贵州，面积分别占贵州国土面积和土壤面积的41.9 %和46.4 %，是贵州主要的农业土壤类型。相关学者通过模型计算全国28个省市自治区的农田土壤固碳潜力发现，贵州省总固碳潜力高达8.4 Tg，仅低于湖南省和广东省，远高出其余省份[19-20]，可见，研究黄壤区域土壤固碳的意义重大。【拟解决的关键问题】笔者前期研究发现，旱地土壤有机碳与作物产量间有明显相关性且不同施肥条件下有机碳库差异较大。鉴于土壤碳循环研究的重要性，笔者基于黄壤肥力与肥效长期定位试验相关研究基础，对长期不同施肥处理下黄壤有机碳储量变化，长期外源碳投入与碳固存关系及其与作物产量相互关系进行探讨，明确长期施肥条件下黄壤旱地农田生态系统有机碳库水平、源汇关系及典型黄壤区增加土壤碳固存的合理施肥方案，为黄壤地区合理施肥、地力培育、作物产量提升及进一步解释黄壤固碳机制、确定固碳潜力提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验点位于贵州省贵阳市花溪区贵州省农业科学院内(106°07′E，26°11′N)，地处黔中黄壤丘陵区，平均海拔1071 m，年均气温15.3 ℃，年均日照时数1354 h，相对湿度75.5 %，全年无霜期270 d，年降雨量1100～1200 mm。土壤类型为黄壤，成土母质为三叠系灰岩与砂页岩风化物。

1.2 试验设计

黄壤肥力与肥效长期试验始于1994年(匀地试验)，初始土壤pH 6.7，有机质为43.6 g/kg，全氮为2.05 g/kg，全磷为0.99 g/kg，全钾为10.7 g/kg。种植制度为1年1季玉米。试验采用大区对比试验，每个区面积340 m2，共设置12个处理，选取其中10个处理，分别为减量有机肥+减量化肥(1/4M+3/4NPK)、中量有机肥+中量化肥(1/2M+1/2NPK)、全量有机肥(M)、对照(CK)、全量有机肥+化肥(M+NPK)、全量氮磷钾肥(NPK)、偏施氮钾肥(NK)、偏施氮肥(N)、偏施氮磷肥(NP)和偏施磷钾肥(PK)。化肥类型为尿素(N 46 %)、普钙(P2O516 %)、氯化钾(K2O 60 %)。试验用有机肥为牛厩肥(年平均养分含量分别为C 264 g/kg、N 16.6 g/kg、P2O53.8 g/kg、K2O 22.8 g/kg)[21]，年均施入122.2 t/hm2，每年按照有机肥养分含量来调节化学氮肥施用量，除CK、PK处理不施氮肥，M+NPK处理氮肥施用量加倍外，其余施氮小区氮素施用量相同，年纯氮施入量为330 kg/hm2，施化肥小区按照N∶P2O5∶K2O =2∶1∶1施用磷、钾肥。每年春季在玉米播种前施磷钾肥或配施有机肥作基肥，通过翻耕，均匀施入土壤，翻耕深度20 cm左右。在玉米生长期(苗期和喇叭口期)追施2次氮肥(尿素)，冬季不施肥。各处理具体施肥方案见表1。

表1 每年各处理纯养分的施用量

1.3 样品采集与分析

土壤样品(耕层0～20 cm)于每年玉米收获后，用“梅花形”采样法在每个小区按上、中、下3个部分共采集15个样点，分别混合均匀，去除根系带回风干研磨备用。植株样品于玉米成熟期剔除边行植株后，在每部分中间人工收获2行，收获后的玉米秸秆和籽粒均在70 ℃条件下烘干48 h后称量，计算玉米茎、叶生物产量和籽粒产量，籽粒水分控制在12.0 %以下。试验初期由于人员及经费等问题致使部分年份土样不齐，因此选取10个处理1994-1996年、2006-2015年共13 a的土壤样品及1995-2015年共21 a连续玉米产量数据，分析测定土壤有机质及玉米生物产量(籽粒产量+秸秆产量)等指标。土壤有机质测定采用重铬酸钾容量法[22]，土壤有机碳=有机质×0.58，0.58为碳含量转化系数。

(1)有机碳储量计算。

SOCstock=(SOCi×BD×Hi)×0.1

式中，SOCstock为特定深度的土壤有机碳储量(t/hm2)；SOCi为第i层土壤的有机碳浓度(g/kg)；BD为第i层土壤容重(g/cm3)；Hi为第i层土壤厚度(cm)，0.1为单位转化系数。

(2)固碳速率和固碳效率计算方法[14，23-24]。

△SOCstock=SOCstock-2-SOCstock-1

SOCSR=△SOCstock/n

SOCSE=(SOCstock-1-SOCstock-c)/(Cinput-t-Cinput-c)

式中，SOCstock-2、SOCstock-1和ΔSOCstock分别代表某处理施肥n年后样地有机碳储量、试验前样地土壤有机碳储量和有机碳储量的变化量；SOCstock-t、SOCstock-c、Cinput-t和Cinput-c分别代表处理、对照的有机碳储量和外源有机碳输入量；n代表外源有机碳输入的累积年份；SOCSR、SOCSE分别代表土壤固碳速率和固碳效率。

2017年，原国土资源部贯彻落实《中共中央国务院关于深化石油天然气体制改革的若干意见》，稳步推进油气勘查开采体制改革。积极开展页岩气区块出让工作，委托贵州省政府拍卖出让正安页岩气勘查区块；继续推进新疆油气勘查开采改革试点，委托新疆维吾尔自治区政府挂牌出让柯坪南、温宿、温宿西三个油气勘查区块；实施煤层气矿业权审批改革试点，将煤层气委托审批下放试点从山西扩大到新疆、贵州等六省(区)，山西省国土资源厅完成了10个煤层气勘查区块的招标出让；经国务院批准，天然气水合物成为我国第173个矿种。

(3)累积碳投入量计算。

农田生态系统中外源有机碳输入主要来自作物残茬(根系+秸秆残茬)、秸秆还田及有机物料加入。本研究无秸秆还田处理，作物收获时地上部分均随籽粒全部移走，为此，有机碳投入主要来自作物地下部分根系、秸秆残茬及有机肥投入。

来源于作物的有机碳投入计算公式：

Cinput=[Ys×Rs+(Ys+Yg)×R×Dy]×(1-W)×Ccrop×0.001

其中，Ys为秸秆产量(kg/hm2)，Yg为作物籽粒产量(kg/hm2)，R为光合作用进入地下部分的碳比例(R=26 %[25])，Dγ为作物根系生物量平均分布在0～20 cm土层的比例(Dγ=85 %[26])，Rs为作物收割留茬占秸秆的比例(Rs=3 %[27])，W、Ccrop(g/kg)分别为玉米地上部分风干样的含水量(13 %)和含碳量(玉米平均烘干基有机碳含量为444 g/kg，即44.4 %)。

来源于有机肥的碳投入计算公式：

Cinput-M=Am×(1-W)×ManureC×0.001

1.4 数据处理

用软件Excel 2010、SPSS 19.0及SigmaPlot 10.0进行数据分析和图表处理。

2 结果与分析

2.1 长期不同施肥处理黄壤有机碳的变化趋势

从图1看出，施用有机肥的土壤有机碳含量均呈明显上升趋势。经过21 a施有机肥，土壤有机碳平均含量为M>M+NPK>1/2M+1/2NPK>1/4M+3/4NPK，分别较CK增加26 %、22 %、20 %和14 %；土壤有机碳年增加速率为M>1/4M+3/4NPK=M+NPK>1/2M+1/2NPK(表2)。施化肥的土壤有机碳呈缓慢上升或下降趋势。经过21年施化肥，土壤有机碳平均含量为PK>NP>N>CK>NPK>NK，NPK、NK处理均比CK低6 %，N处理与CK相当，NP和PK分别比CK高3 %和8 %；土壤有机碳年增加速率为CK>NP>PK>N，NPK和NK降低速率相当。表明，有机肥或有机肥与化肥配合施用，是有效增加土壤有机碳含量和维持土壤有机碳的重要措施。

2.2 长期不同施肥处理黄壤有机碳储量的变化特征

从图2看出，不同施肥处理碳投入量不同，整体呈上升趋势。土壤累积碳投入量为M+NPK>M>1/2M+1/2NPK>1/4M+3/4NPK>NPK>NP>NK>N>PK>CK(表3)，与化肥处理相比，有机肥施用明显增加了有机碳投入量，累积碳投入量比CK高5.80～20.55倍，化肥处理比CK 高0.3～0.96倍。CK年均碳投入量最低，相比其余处理，其碳投入主要来源于长期不施肥的作物地上部分残茬、地下根部碳投入及大气干湿沉降。施有机肥处理累积碳投入量随年份显著提升，施化肥处理低于有机肥处理。

各处理有机碳储量波动较大，整体呈上升趋势，以施有机肥处理较高(图2)。有机碳储量为M>1/2M+1/2NPK>1/4M+3/4NPK>M+NPK>PK>NP>N>CK>NPK>NK(表3)。其中，有机肥各处理比CK高13 %～19 %，且各有机肥处理间差异较小。化肥处理以NK和NPK略低，分别比CK低7 %和5 %；PK、NP处理分别比CK高8 %和2 %，N处理与CK无明显差异。碳储量变化与有机碳变化类似，亦表现为施有机肥处理碳储量较高，且与化肥处理相比，差异较明显。

图中MNPK处理换为M+NPK，下同图1 不同施肥处理土壤有机碳含量变化趋势Fig.1 Variation trend of soil organic carbon content of different treatments

处理 Treatment有机碳平均含量(g/kg)Average soil organic carbon content比CK增减( %)To CK 年增减速率(g/kg)Annual increase and decrease rate1/4M+3/4NPK23.9±4.2 bcd140.381/2M+1/2NPK25.1±3.6 cd200.37M26.6±4.6 d260.54CK21.0±2.4 ab-0.10M+NPK25.6±4.8 cd220.38NPK19.7±2.5 a-6-0.03NK19.6±2.4 a-6-0.03N21.1±2.9 ab00.03NP21.7±2.3 ab30.07PK22.8±2.6 bc80.06

注：同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，下同。

Note: Different lowercase letters in the same column indicate significance of difference atP<0.05 level. The same as below.

图2 不同施肥处理土壤累积碳投入量与有机碳储量变化趋势Fig.2 Soil accumulation carbon input and organic carbon storage variation trend of different treatments

表3 不同处理土壤有机碳累积投入量和有机碳储量

2.3 土壤有机碳储量变化与累积碳投入量的关系

一般而言，土壤有机碳含量随着外源有机碳输入量的增加而增加，但根据碳饱和理论，土壤的固碳量不会无限增加，最终会趋于饱和。投入一定碳量，当距离碳饱和值较远时，土壤有机碳增量较多(此时固碳效率也较高)；当距离饱和值较近时，土壤有机碳增量较低(固碳效率也较低)。

相比试验初始土壤有机碳储量，施肥21 a后，单施有机肥和有机肥配施化肥处理的有机碳储量增量较高，M、1/2M+1/2NPK、M+NPK、1/4M+3/4NPK处理分别为 27.32、25.57、25.13和18.99 t/hm2；不施肥、施化肥处理有机碳储量为7.29～16.19 t/hm2，其中，CK、PK处理较高，NPK最小。有机碳储量与有机碳含量、容重及土壤中有机物料来源有关。CK和各化肥处理连续施肥21年后，累积碳投入量仅13.01～25.45 t/hm2，有机肥与化肥配施处理累积碳投入量达88.53～280.42 t/hm2(图3)。长期施肥条件下，各处理土壤有机碳储量变化量与累积碳投入量呈显著渐进相关性(P<0.01)，即土壤碳储量变化量随着碳投入量的增加先显著升高，后缓慢变化。当有机碳储量变化量为0时，维持土壤初始碳储量水平的最小碳投入量(Cmin)为1.41 t/hm2，此值远小于各处理累积碳投入量，表明试验点黄壤固碳潜力较大，且在目前较高的有机碳投入水平下，土壤有机碳的固持已接近饱和。

为更加清晰呈现黄壤有机碳储量变化与碳投入关系，找到分界拐点值，应用回归分析中分段函数求解。从图4看出，当累积碳投入量≤54.29 t/hm2时，有机碳储量平均为0.39 t/hm2、有机碳含量为21.0 g/kg，土壤的固碳效率为26.62 %；当累积碳投入量>54.29 t/hm2，由于有机碳储量显著增大，平均为10.07 t/hm2、有机碳含量为26.8 g/kg，距离饱和值更近，因此固碳效率显著下降[28-29]，为1.72%。表明，黄壤固碳效率并非随碳投入量增加而维持不变，当有机碳随碳投入量增长到一定水平后，固碳效率比低有机碳水平阶段明显降低。

图3 不同处理有机碳储量变化与累积碳投入响应关系Fig.3 The response relationship between SOC storage variation and accumulation carbon input of different treatments

2D Graph 1；t1=min(t);t2=max(t);region1(t)=[y1×(T1-t)+y2×(t-t1)/(T1-t1)];region2(t)=(y2×(T2-t)+y3×(t-T1)/(t2-T1));f=if[t<=T1,region(t),region2(t)]图4 不同碳投入范围与有机碳储量变化的关系Fig.4 The relationship between different accumulation carbon input and organic carbon storage variation

2.4 长期不同施肥下黄壤有机碳变化的产量效应

前期研究表明，玉米持续性、稳定性生产主要受土壤有机碳含量影响[2]。通过对玉米产量与土壤有机碳含量统计分析得出，黄壤有机碳每提升1 g/kg，玉米产量最多能够增加7.25 kg/hm2，黄壤累积有机碳投入量与玉米产量有极显著相关性，土壤累积碳投入量与作物产量间也符合“线-线”模型(图5)，当黄壤累积碳投入量为13.99 t/hm2时，玉米产量平均达4728.1 kg/hm2；当黄壤累积碳投入量>13.99 t/hm2时，玉米产量随累积碳投入量的增加趋势明显变缓。同有机碳储量变化情况相似，玉米产量随着碳投入量增加而增加，但也存在阈值，当达到外源碳投入所能得到的最高产量后，持续的碳投入对作物增产影响较小。

2D Graph 1；t1=min(t);t2=max(t);Region1(t)=[y1×(T1-t)+y2×(t-t1)/(T1-t1)];region2(t)=(y2×(T2-t)+y3×(t-T1)/(t2-T1));f=if[t<=T1,region(t),region2(t)]图5 不同碳投入量与玉米产量的关系Fig.5 The relationship between accumulation carbon input and maize yield

肥力水平Fertility level有机碳储量(t/hm2)SOC storage 固碳效率( %)Carbon sequestration efficiency所需外源碳投入量(t/hm2)Exogenouscarbon input 需投入有机肥(t/hm2,干基)Organic manure input 牛粪猪粪玉米秸秆起始 Origination 52.8 低肥力阶段Low fertility period有机碳提升5 %55.4426.629.937.625.723.2有机碳提升10 %58.0826.6219.875.151.346.5高肥力阶段High fertility period有机碳维持62.91.72587.22224.31519.71375.2

2.5 不同肥力水平土壤有机碳提升机制

由不同累积碳投入阶段的有机碳转化效率(表4)可知，在低碳投入水平(累积碳投入量≤54.29 t/hm2)，有机碳含量较低的土壤低肥力阶段，土壤固碳效率为26.62 %，即每投入100 t碳，有26.62 t碳固持在土壤中。因此，处于低肥力阶段时，黄壤旱地土壤有机碳储量若提升5 %，需再额外累积投入干牛粪37.6 t(干猪粪25.7 t，玉米秸秆约23.2 t)。土壤有机碳储量升高10 %，则需额外累积投入干牛粪75.1 t(干猪粪51.3 t，玉米秸秆约46.5 t)。在较高碳投入水平下(累积碳投入量>54.29 t/hm2)，有机碳含量较高的土壤高肥力阶段(有机碳储量为62.9 t/hm2)，土壤固碳效率下降至1.72 %，此阶段若要提升土壤固碳量或维持土壤有机碳固存量，需要投入大量的外源有机物，这会导致大量能源物质浪费和增加环境污染风险。因此，黄壤有机碳库容量接近饱和状态时，通过外源碳投入来实现固碳较为困难，可能需要通过实行保护性耕作制度、改善土壤环境(pH、Eh、C/N等)等使土壤发生自然积累，达到进一步固碳[9，30]。

3 讨 论

3.1 长期有机肥及有机无机肥配施对黄壤有机碳的影响

长期不同施肥条件下，黄壤有机碳变化明显受施肥的影响。有机碳含量、有机碳储量、固碳速率及累积碳投入量均表现为施有机肥处理优于施化肥和不施肥处理。这是由于长期施用有机肥或有机肥和氮磷钾矿质肥料配合施用，有利于土壤总有机碳、活性碳、微生物碳和矿化碳含量的提高[31-32]。有机碳变化在前期研究工作中有较详细分析[2]，此处不再赘述。通过有机碳储量分析可知，同一层次有机碳储量差异主要由各处理有机碳含量和容重不同所致，PK处理有机碳储量较高，而NPK和NK处理又略低于CK，是由于在同等施磷水平下NP和PK处理的累积磷盈余量较高[33]，即土壤有机碳含量与有效磷随着磷盈亏变化量呈显著正相关关系[34]的结果一致。研究结果表明，施用化肥氮处理有机碳储量与CK接近或略低，是因为长期有机肥配施化肥可增加土壤有机碳的稳定性，由于土壤碳氮耦合效应关系，化学氮肥施用促进土壤有机碳的降解，增加CO2释放[35]。此外，有机肥和化肥施用均可降低耕层土壤容重[36]，在本研究中，有机碳储量与有机碳含量变化情况相似，表明土壤容重相比有机碳含量对各处理储量影响较小。

土壤固碳速率是反映某一时间段内土壤有机碳密度变化的重要参数[37]。研究结果表明，有机肥处理的有机碳固定速率高于CK和化肥处理，有机肥施用较CK提高17 %～69 %；相比有机肥处理，各化肥处理固碳速率明显降低，与CK相比，各化肥处理降低6 %～55 %。NPK、NK、CK、N和NP处理的多数年份土壤有机碳储量相比初始值有所减少，土壤固碳速率为负值，表明该处理有机碳密度减少，表现为碳源[38]。

3.2 长期不同施肥下黄壤有机碳库的提升和维持

研究结果表明，长期施有机肥处理土壤碳投入是化肥处理的10倍左右。有机肥与化肥配施对作物产量的提升作用明显优于化肥单施、偏施和不施肥[2，18]。在长期不同有机碳投入影响下，黄壤有机碳库不断发生变化，影响本区域乃至全球碳循环。本研究去除原始植被残留、农作物残体及土壤基础地力影响(以CK处理有机碳储量及碳投入为背景值)，计算各施肥处理有机碳储量与累积碳投入量的关系亦符合双线模型，当碳投入量过高，有机碳库容量逐步趋于饱和。

本试验点黄壤碳投入量为54.29 t/hm2时，有机碳储量达到距离碳饱和值最远的最大库容，且在此时玉米产量达6046.1 kg/hm2；综合所有处理有机碳投入水平可知，施化肥和不施肥处理碳投入量过低，全量有机肥、单施有机肥及中量有机肥和化肥(1/2M+1/2NPK)处理碳投入量均过高，会导致有机碳库容提前达到饱和，且易浪费资源和增加环境污染风险，1/4M+3/4NPK是较为合理的施肥方案。

4 结 论

(1)有机肥与化肥配施对黄壤有机碳含量、有机碳密度和固碳速率提升有显著作用。综合不同施肥制度对黄壤地力、作物持续稳定生产能力、化肥减施及土壤碳库容量等的影响，较合理的施肥方案仍然为有机肥与化肥配施，且化学磷肥、钾肥的合理施用至关重要，其中以1/4M+3/4NPK施肥方案较为合理。

(2)不同碳投入水平下，黄壤有机碳储量先线性增加，后逐渐平缓。黄壤在持续的碳投入下逐渐接近碳饱和水平，有机肥处理因高碳投入而更为明显。在农业生产实践中，有机肥宜与化学肥料配施，但有机肥施用量不宜过高，找到适宜作物增产、土壤培肥和土壤碳库容量保持稳定变化的节点是农田生态系统固碳的核心。为持续土壤“汇”效应，改善土壤理化环境、制定合理施肥措施循序渐进是保持黄壤持续固碳、延长达到土壤碳饱和点时间和增加作物产量的优良措施。

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