长期施肥下三种旱作土壤有机碳含量及其矿化势比较研究

息伟峰，徐新朋，赵士诚，魏 丹，周宝库，黄绍敏，余喜初，仇少君*，何 萍，周 卫

（1 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081；2 黑龙江省农业科学院土壤肥料与环境资源研究所，黑龙江哈尔滨 150086；3 河南农业科学院土壤肥料研究所，河南郑州 450002；4 江西省红壤研究所，江西南昌 331717）

土壤有机碳含量是衡量土壤肥力和质量的重要指标之一[1–2]，且陆地生态系统的土壤有机碳贮存量是大气的2～3倍[3]。长期来看，土壤有机碳含量是否增加与土壤碳输入和输出间的平衡密切相关，当土壤有机碳输入大于输出，表现为土壤有机碳净积累，土壤有机碳含量增加；反之，土壤有机碳净矿化，土壤有机碳含量减少[4]。微生物是土壤有机碳转化的驱动力，是土壤有机碳转化的活性源和库，且微生物量碳能够表征土壤微生物库容大小[5]。在微生物作用下，土壤活性有机碳转化为CO2的过程即为土壤有机碳矿化。微生物活性增强，土壤有机碳的矿化能力增加，直接关系到土壤有机碳库的稳定和温室气体的排放[6]。因此，有必要对土壤有机碳矿化在增加土壤有机碳贮存和减缓大气CO2排放中的重要作用开展深入探讨。

近年来，很多土壤学领域的专家己经对土壤矿化过程有了初步认识。土壤有机碳矿化动力学的数学描述可以预测土壤提供潜在可矿化有机碳的能力[7]，潜在可矿化有机碳也称有机碳矿化势，可以通过一阶动力方程拟合得到[8]，它和矿化率都可以表征土壤矿化强度的大小。刘颖川等[9]研究发现，在农田生态系统中，有机碳贮存和矿化过程与施肥措施、土壤特性和环境条件等密切相关。施肥措施对土壤有机碳贮存的影响主要与作物残茬还田量和有机肥投入量有关[10]。王永慧等[11]对不同地力土壤的矿化研究表明高肥力土壤有机碳矿化量大，低肥力土壤有机碳矿化量小，因为高肥力土壤中通常含有较多的易矿化有机碳。换言之，有机无机肥配施在增加土壤有机碳的同时也增加了土壤有机碳矿化势[12]。影响土壤有机碳贮存的环境因子主要是土壤温度和土壤水分含量[13]。Tsai等[14]研究表明低温条件下土壤微生物活性较低，土壤有机碳矿化较低；在一定的温度范围内，温度升高增加微生物代谢，促进土壤有机碳的矿化。水分是影响有机碳矿化的又一重要环境因子，Kan等[15]研究表明，在表层土壤，有机碳矿化随着土壤湿度的增加而呈增加趋势。东北黑土、华北潮土和南方红壤地区是我国重要的粮食生产基地，分布于我国不同的气候带，3种土壤所处区域温度、降雨及其自身特性差异较大。目前较多的研究主要侧重于某个土壤施肥措施对矿化势的影响，有关施肥、土壤特性和气候变化对矿化势的综合影响研究较少。因此，应结合施肥措施、土壤特性和气候变化进一步研究3 种土壤矿化势和影响土壤有机碳贮存的主要限制因子。本研究选取3种典型旱作农田土壤长期定位试验中的不施肥、单施化肥和有机肥化肥配施3个处理，开展不同气候区的土壤有机碳贮存及其矿化势研究，为进一步增加土壤有机碳贮存和农田土壤可持续利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

本研究试验土壤来自黑龙江省、河南省和江西省的长期定位试验点。其中，黑龙江试验基地位于黑龙江省哈尔滨市黑龙江省农业科学院试验田( 45°49'N，126°50'E)，土壤类型为黑土，该区域气候类型是寒温带大陆性季风气候，年平均气温4.8℃，年平均降水量453 mm，年均蒸发量60.7 mm；河南试验点位于河南省新乡市原阳县 (35°01'N，113°69'E)，土壤类型为潮土，年均气温14.5℃，年均降水量615 mm，年均蒸发量111.8 mm；江西试验点位于江西省南昌市进贤县(28°37'N，116°24'E)，土壤类型为红壤，该试验点是亚热带季风湿润气候，雨量充沛，年平均气温18℃，年均降水量1347 mm，年均蒸发量72.4 mm。3个定位试验起始年份分别为1980、1992和1986年。

1.2 试验设计

选择3个长期定位试验点的不施肥(CK)、单施化肥(CF)和有机肥化肥配施(MCF)处理(每个处理含3次重复)，于2015年秋季作物收获后，采用“S”形5点法采集0—20 cm土层土壤样品。土壤样品过2 mm筛，并挑出可见作物细根和石块，混匀后按照四分法分为2部分：一部分风干后用于测定土壤有机碳含量，另一部分用于测定微生物量碳含量和土壤矿化势。

不同试验点土壤、作物类型及其处理的具体肥料用量见表1。不同试验点开始年份的土壤基础理化性质见表2。

表1 定位试验各处理化肥和有机肥投入量(kg/hm2)Table 1 Input rate of chemical fertilizers and manure in different treatments at the experimental sites

表2 定位试验初始土壤性质(0—20 cm)Table 2 Initial properties of the experimental soils

1.3 土壤碳投入模拟

土壤碳投入采用RothC模型模拟，主要因为模拟的碳投入既包括根茬还田的碳投入，也包括作物根际淀积碳的投入。主要步骤是将各试验区气象数据输入RothC V26.3中，并将起始点和采样时间点土壤有机碳数据输入RothC模型，先用预模拟求出土壤碳投入数据，然后根据起始点、本研究采集土壤有机碳、以及已发表文献土壤碳数据[16–20]，通过逐步调整RothC模型碳投入数据使得RothC模型有机碳变化的模拟值较好的拟合测定值，最终获得较为准确的碳投入数据和RothC模拟的土壤呼吸数据，并计算有机碳固存速率。

1.4 样品分析测定

土壤的基本理化性质参照《土壤农化分析》[21]常规方法测定。土壤微生物量碳(MBC)采用氯仿熏蒸−0.5 mol/L 硫酸钾浸提法，浸提液过滤后用TOC仪(Elementar，德国)测定熏蒸和未熏蒸样品浸提液中有机碳含量，土壤微生物量碳含量以熏蒸和未熏蒸土壤的有机碳之差除以0.45得到[22]。

有机碳矿化势的分析测定：将土壤水分调节至田间最大持水量的45%，预培养7天以激发微生物的活性，分别称取调节水分后的土壤50 g和20 mL 1 mol/L氢氧化钠溶液于50 mL高型烧杯中，后转移至1 L广口瓶中，用橡胶塞封紧瓶口，然后在28℃培养箱中黑暗好气培养28天。并于第1、3、7、14、21、28天更换氢氧化钠溶液，取出的氢氧化钠溶液采用氯化钡沉淀−0.5 mol/L盐酸滴定法测定CO2的含量，即CO2的释放量。根据一级动力学方程 Ct= C0(1−e−kt)求得碳矿化势 C0[23-24]。培养期间土壤水分每天采用重量平衡法补充。

1.5 数据统计分析

采用Excel 2019软件进行数据计算分析和图表制作。采用SPSS 16.0软件对数据进行方差分析和相关性分析，采用LSD最小极差法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 土壤有机碳、微生物量碳、碳投入、CO2排放和碳固存速率

由表3可以看出，黑土MCF和CF处理的土壤有机碳含量显著高于CK处理 (P<0.05)，且MCF处理的有机碳含量较CK处理显著增加了4.17%(P<0.05)，但与CF处理差异不显著。黑土施肥处理有机碳固存速率显著高于CK处理(P<0.05)，但碳投入和CO2-C排放量在不同处理间没有显著差异。潮土和红壤不同处理间有机碳含量、碳投入水平、有机碳固存速率和CO2-C排放量分别达到显著差异(P<0.05)，由高到低变化顺序依次是MCF>CF>CK。潮土MCF处理的有机碳含量比CF、CK分别显著提高了21.94%、40.59% (P<0.05)，MCF和CF处理的碳投入分别较CK处理增加了107.14%和42.80%。红壤MCF处理的有机碳含量较CF、CK分别显著增加了43.10%和64.35% (P<0.05)，MCF和CF处理的碳投入分别较CK处理提高123.08%和26.92%。黑土和潮土的施肥处理的微生物量碳含量显著高于CK，且MCF提升效果更显著 (P<0.05)。

表3 不同处理土壤有机碳、微生物量碳与RothC模拟的C投入、CO2排放量和固存速率Table 3 Soil organic and microbial biomass carbon content,simulated C input,simulated CO2 emission,and carbon sequestration rate by RothC model in different treatments

2.2 有机碳累积矿化量

3种土壤不同处理有机碳累积矿化量在整个培养期间均呈现前期累积矿化快，后期累积矿化慢的特点(图1)。其中，0～14天为快速累积矿化期，在14天后，有机碳累积矿化量增加趋缓。黑土培养起始阶段CF处理的有机碳累积矿化量高于CK处理和MCF处理；21天后，MCF处理的有机碳累积矿化量高于CF处理，但差异不显著。培养结束时，MCF处理与CF处理有机碳累积矿化量分别为376.0、366.2 mg/kg，分别较CK处理增加15.4%和18.49%。潮土和红壤MCF处理有机碳累积矿化量在整个培养时间内都高于CF和CK处理，CK处理碳累积矿化量最低，且在潮土中不同处理间的碳累积矿化量都达到显著差异 (P<0.05)。培养结束时，潮土MCF处理的碳累积矿化量是CF的1.15倍，是CK处理的2.50倍；红壤CF处理有机碳累积矿化量较CK处理提高23.66%，MCF处理有机碳累积矿化量较CK处理提高30.00%。

图1 不同土壤各处理土壤有机碳累积矿化量动态变化Fig. 1 Dynamics of accumulative mineralization of soil organic carbon (SOC) in different soil treatments

2.3 有机碳矿化速率

3种土壤不同处理有机碳矿化速率随着培养天数的增加而降低，且CK处理的有机碳矿化速率在整个培养过程中都低于其他两个处理(图2)。在黑土培养前7天，CF处理的有机碳矿化速率显著高于CK和MCF处理 (P<0.05)，在21～28天时，MCF处理的有机碳矿化速率显著高于CF和CK处理 (P<0.05)。在潮土和红壤中，MCF处理有机碳矿化速率在整个培养时间内都高于CF处理和CK处理，且与CK处理间的差异显著 (P<0.05)。培养结束时，潮土MCF处理有机碳矿化速率为7.53 mg/(kg·d)，CF处理为7.34 mg/(kg·d)，分别是 CK 处理的 6.12和 5.96倍。红壤与潮土有机碳矿化速率变化趋势相似，在第28天时，MCF处理有机碳矿化速率为9.70 mg/(kg·d)，比CF处理高16.07%，比CK处理高26.34%。

图2 不同土壤各处理有机碳矿化速率动态变化Fig. 2 Dynamics of organic carbon mineralization rate in different soil treatments

2.4 有机碳矿化参数指标

3种土壤MCF处理有机碳矿化势最高，其次是CF处理，CK处理最低 (表4)，且黑土和红壤MCF处理有机碳矿化势与其他两个处理间的差异达显著水平(P<0.05)。黑土MCF处理有机碳矿化势比CK处理显著增加33.94% (P<0.05)，比CF处理显著增加31.73% (P<0.05)。潮土MCF处理有机碳矿化势是CK处理的3.14倍，但与CF处理差异不显著。红壤MCF处理有机碳矿化势较CK处理显著增加22.20%(P<0.05)，较CF处理显著增加15.69% (P<0.05)。

表4 不同土壤各处理有机碳矿化参数Table 4 Parameters of soil organic C mineralization in different treatments

Kc是矿化动力学方程中的一级动力学常数，表征有机碳库的周转速率 (表4)。黑土CF处理动力学常数最大，且与其他两处理具有显著性差异；潮土CF处理和MCF处理Kc值、C0∶MBC值与CK处理差异均显著(P<0.05)。黑土和红壤MCF处理微生物熵 (MBC∶SOC)及矿化熵 (C0∶SOC)显著高于CK处理，潮土CF处理微生物熵及矿化熵显著高于其他两个处理 (P<0.05) (表4)。

2.5 有机碳矿化参数的统计学分析

双因素方差分析结果 (表5)表明，土壤类型和施肥处理以及二者交互作用对土壤有机碳、碳投入、有机碳矿化势和微生物量碳以及矿化参数指标总体上有极显著的影响 (P<0.01)。

表5 土壤类型、施肥及其交互作用对矿化参数影响的双因素方差分析Table 5 Two-way ANOVA analysis of the effects of soils,fertilization and their interaction on mineralization parameters

偏相关分析结果(表6)表明，控制温度条件下，土壤有机碳及其矿化势分别与碳投入、全氮、全磷、碱解氮、速效磷有显著正相关关系 (P<0.05)，与pH、动力学常数和全钾有显著负相关关系(P<0.05)；控制降水条件下，土壤有机碳及其矿化势与碳投入、全氮、全钾、碱解氮以及速效磷显著正相关 ，与动力学常数和pH显著负相关 (P<0.05)；控制蒸发条件下，有机碳与微生物量碳、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾和pH显著正相关，有机碳矿化势与碳投入、全氮、全磷、速效磷和速效钾显著正相关，与动力学常数显著负相关 (P<0.05)。分别控制温度和降水条件下，有机碳与其矿化势显著正相关。

表6 温度、降水和蒸发控制下土壤有机碳(SOC)、矿化势(C0)与土壤性质间的偏相关分析Table 6 Partial correlation analysis of soil organic matter (SOC),mineralization potential (C0),and soil properties under controlled temperature,precipitation,and evaporation

采用逐步回归分析表明，土壤有机碳(SOC)与全氮 (TN)、温度 (T0)和蒸发 (E)存在以下关系：SOC= 3.307+8.72TN−0.515T0−0.051E。温度和蒸发对土壤有机碳贮存为负作用，且温度的负作用较大；相反，土壤全氮对有机碳的贮存为正作用。土壤有机碳矿化势 (C0)与速效磷 (AP)、速效钾 (AK)、矿化动力学常数 (Kc)、pH 和蒸发 (E)存在以下关系：C0=813.3 + 0.84AP + 0.70AK−7028Kc−43.5pH−2.51E。AP、AK对矿化势为正作用，Kc、pH和蒸发对矿化势为负作用，其中矿化动力学常数的负作用最大。

3 讨论

施肥增加作物生物量，进而增加作物根茬还田量，当作物残茬的还田量大于土壤的矿化量时，土壤的有机碳含量提高[25]。本研究结果显示，潮土和红壤施肥较不施肥处理显著增加土壤有机碳含量和固碳速率，且有机肥化肥配施处理的效果更明显 (表3)。因为有机肥化肥配施在增加作物根茬还田量的同时，有机肥可以直接提供碳源，增加土壤有机碳的投入量[26–27]。王雪芬等[28]也认为有机肥化肥配施对土壤固碳效率的提升高于单施化肥。但是本研究中黑土有机肥化肥配施处理和单施化肥处理有机碳含量和碳固存速率无显著差异 (表3)，原因首先在于黑土试验点为小麦–大豆–玉米三年一个轮作周期内仅玉米季施用了有机肥，有机肥碳投入量较低；其次，过量养分供应条件下，农田作物根冠比会下降[29]，导致作物根茬还田量下降，黑土有机肥化肥配施处理碳投入量 (包括有机肥碳投入)略低于化肥处理也能证明这点 (表3)；最为重要的是，黑土基础肥力较高，长期耕作加速土壤有机碳矿化损失，长期单施化肥或有机肥化肥配施的碳投入量不足以补充黑土的矿化量[30]。这也是导致黑土3个处理有机碳固存速率为负值的原因所在。同样，在潮土不施肥处理、红壤不施肥以及单施化肥处理中，作物根茬还田量小于土壤矿化量，有机碳固存速率同样呈现负值(表3)，但有机肥化肥配施处理红壤的碳固存速率为正值，这说明有机肥的施入增加了红壤外源碳投入，碳固存速率也随之增加。外源碳投入越多，供给土壤微生物的有效碳源也增加，因此有机肥化肥配施处理红壤微生物量碳含量显著高于单施化肥和不施肥处理 (表3)。相似的研究也表明化肥与有机肥配合施用较单施化肥能提高养分的供应能力和微生物量碳含量[31–32]。

土壤有机碳矿化是农田土壤有机碳损失的主要途径[33]，矿化势能够表征土壤有机碳的矿化潜力。本研究中有机肥化肥配施和单施化肥处理较不施肥处理都能显著 (P<0.05)增加3种土壤的矿化量和矿化势，其中有机肥化肥配施处理矿化势高于单施化肥处理，这与有机肥中含有大量活性有机碳有关[34]，活性有机碳的增加提高了微生物的活性和土壤矿化率，进而增加土壤有机碳矿化势[35]。土壤有机碳矿化势与有机碳的比值C0∶SOC是矿化熵，表征土壤的固碳能力；矿化势与微生物量碳比值C0∶MBC表征土壤为微生物呼吸所提供的潜在可矿化碳比例[36]。本研究结果显示，潮土和红壤中，施肥处理C0∶MBC和C0∶SOC的值显著 (P<0.05)高于不施肥处理(表4)，且施肥后潮土和红壤有机碳矿化势C0高于不施肥处理，说明肥料的施入增加了活性有机碳数量，提高了微生物活性。本研究中，培养前7天土壤有机碳累积矿化量有一小的波动(图1)，其原因可能是在培养试验开始前的土壤水分调整过程中，土壤的人为扰动促进了部分结合态有机碳转化为易矿化有机碳，增加有机碳的释放[7,37–38]。随着培养时间的延长，土壤中易分解有机物质减少，微生物活性受到抑制，所以培养后期有机碳累积矿化量保持稳定，矿化速率降低[39]。在黑土中，培养前期单施化肥处理有机碳累积矿化量高于有机肥化肥配施处理，这可能与土壤碳投入的成分有关。长期单施化肥处理土壤碳投入主要是秸秆残茬碳，长期有机肥化肥配施处理碳投入为有机肥碳和秸秆残茬碳，腐熟的有机肥中含有大量难降解有机碳，Dou等[40]研究也发现黑土秸秆还田处理有机碳转化速率高于有机无机肥配施处理。

此外，土壤有机碳及其矿化过程受土壤自身属性调节。3 种土壤各个处理有机碳含量高低顺序都是黑土>红壤>潮土(表3)，这与土壤成土母质形成自身特有的养分性质有关[41–42]，本研究偏相关分析中，在分别控制温度、降水条件下，土壤有机碳及其矿化势与全氮、碱解氮和速效磷养分显著 (P<0.05)正相关，与土壤pH显著 (P<0.05)负相关(表6)可以证实上述结论。另外，土壤所处试验区的环境条件对土壤矿化过程也有重要影响，通常情况下，温度升高可以提高微生物活性，促进土壤有机碳矿化[43]。适宜的土壤水分也能增加微生物活性，土壤水分过低或过高对微生物活性都有一定的抑制作用，降雨可以增加土壤水分，而蒸发导致土壤水分耗散，进而影响土壤有机碳汇功能的发挥。逐步回归分析表明，温度和蒸发量的降低可以增加土壤有机碳含量，黑龙江地处寒温带，低温有利于土壤有机碳的积累；而江西处于亚热带，年平均温度和蒸发量较高，温度升高导致土壤微生物消耗更多的有机碳进行自身活动[44]，提高了碳分解速率，最终导致3种土壤有机碳含量的差异。逐步回归分析显示土壤全氮对有机碳的贮存有正作用，说明通过增加土壤氮素固持可以增加土壤有机碳含量[4]，而土壤速效磷、钾含量的增加可以提高土壤有机碳矿化势；偏相关分析表明，土壤有机碳与矿化势有显著的正相关关系，说明土壤养分的增加不仅提高了土壤的矿化潜力，同时增加了土壤有机碳含量。3种土壤MCF处理二氧化碳累积释放量的顺序是潮土（465.7 mg/kg）>红壤（435.5 mg/kg）>黑土（376.0 mg/kg）(图1)，这可能与土壤质地有关。较高的粉粘颗粒土壤的比表面积较大，能够吸附较多的土壤有机碳，有利于土壤有机碳积累[45]；潮土与其它两种土壤相比，砂粒含量较高、粉粘颗粒含量较低，导致新增的有机碳与土壤粘粒结合力相对较弱[46]，因此增加了活性有机碳的微生物矿化，矿化量最高。

动力学常数Kc值通常反映有机碳矿化势与潜在易矿化碳库或易降解碳源的依赖关系[23]，同时Kc也受土壤类型和土壤母质的影响[47]，本研究也证实土壤类型、施肥及其交互作用对Kc都有显著影响 (P< 0.05，表5)，潮土不同施肥处理Kc与有机碳矿化势变化趋势相反，施肥处理较不施肥处理增加了有机碳矿化势，却显著 (P<0.05)降低了Kc值 (表4)。但是，黑土和红壤不同处理Kc与潮土变化并不一致。在黑土和红壤中，单施化肥处理Kc显著高于其他处理，这可能与单施化肥导致土壤酸化，增加矿质养分的可溶性和淋洗，进而影响矿质养分与易降解碳源的结合能力有关[48–49]。

4 结论

长期有机肥化肥配施提高土壤的有机碳含量、固存速率、矿化速率和矿化势。增加土壤全氮含量，降低年平均温度和蒸发量，可以增加土壤有机碳贮存。增加速效磷、速效钾含量，降低土壤pH和年平均蒸发量，可以增加土壤有机碳矿化势。可见，土壤矿化过程受施肥、气候和土壤自身属性综合因素的影响，增加土壤氮素固持和磷钾肥的投入，调节土壤pH、温度及蒸发量可以提高土壤的有机碳矿化势，进一步增加土壤的有机碳含量。因此，合理的施肥措施与合适的农艺措施相结合能进一步增加土壤有机碳贮存，促进农田土壤的可持续利用。