施肥对土壤有机碳含量及碳库管理指数的影响

张贵龙，赵建宁，宋晓龙，刘红梅，张瑞，姬艳艳，杨殿林

(农业部环境保护科研监测所，天津300191)

土壤有机碳是表征土壤质量的关键指标之一，同时在全球碳循环过程中也扮演着重要角色。由于土壤碳的库容巨大，其活动显著影响大气CO2浓度［1］。作为《京都议定书》认可的固碳方法之一，农田土壤固碳在诸多温室气体减排措施中被誉为多目标共赢的潜力途径。

农田施肥直接或间接地调控土壤有机质的输入，一定程度上影响土壤有机碳的积累和矿化［2］。因此，研究土壤有机碳在施肥条件下的动态机制，对于实现土壤有机碳库的正向培育具有重要意义。由于背景水平和自然水平的变异，土壤有机碳通常短时间内较小的变化不易被察觉，但是，土壤有机碳的某一组分含量可以作为有机碳库变化的更敏感指标［3］。Lefroy 等［4］研 究 发 现，能 被 333 mmol/L KMnO4氧化的土壤有机碳在种植作物时变化最大，可作为活性有机碳，不能被氧化的称为非活性有机碳，并提出土壤碳库管理指数(CPMI)的概念。CPMI因结合了土壤碳库指标和土壤碳库活度指标，既反映外界管理措施对土壤有机碳总量的影响，也反映了土壤有机碳组分的变化情况。CPMI上升表明土壤肥力上升，反之则表明土壤肥力下降［5］。目前，在土壤有机碳的累积和矿化方面，国内外已经开展了大量研究，这些研究为深入认识土壤有机碳库的活动规律奠定了科学基础。但是多数研究结果反映的是长期定位施肥体系下的累积效应，而揭示短期施肥对土壤有机碳的影响，更利于及早调整和优化施肥措施。本文在借鉴前人研究的基础上，以华北集约化农田为研究对象，监测和分析玉米种植季节土壤有机碳和碳库管理指数的变化过程，揭示土壤有机碳与作物生产力的关系，为提高土壤质量管理和增强农业固碳减排潜力提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2010年6月～10月年在中国农业科学院武清农业生态环境野外科学观测试验站内进行，该基地位于天津市武清区(北纬39°21'，东经117°12')，海拔6.3m，属于暖温带半湿润大陆性气候。年平均气温11.4～12.9℃。7月份气温最高，平均在26～27℃以上，1月份气温最低，平均在3～5℃，年平均无霜期为196～246 d，年均降水量520～660 mm，6、7、8月份降水量占全年的75%左右。土壤类型为潮土，成土母质为河流冲积物，剖面质地均一，土壤有机碳(SOC)含量10.83g/kg，全氮(TN)含量0.72 g/kg。土壤硝态氮和铵态氮含量分别为19.95、5.06 mg/kg，速效磷和速效钾含量分别为18.60、50.67mg/kg，pH值7.58。轮作方式为冬小麦—夏玉米。

1.2 试验设计

试验采取完全随机区组设计，设不施肥(CK)、单施有机肥(OF)、推荐施肥(RF)、习惯施肥(CF)和单施化肥(NPK)5个处理，所有处理三次重复，小区面积为400m2(40m×10m)，小区间由50cm走道间隔。有机肥施用量为15t/hm2(干重)，由牛粪和鸡粪混合堆腐而成，其有机质含量18.17%，总氮含量0.69%，P2O5含量0.65%，K2O含量0.38%。氮肥为尿素，含N 46.4%，磷肥为过磷酸钙，含P2O512%，钾肥为硫酸钾，含K2O 50%。供试作物为玉米。有机肥和磷钾肥作基肥在整地前施入，氮肥60%作基肥，40%在玉米小喇叭口期追施。田间管理同一般大田生产，具体施肥方案见表1。

表1 试验处理施肥Table 1 The rates of fertilizer application

1.3 土壤采样与分析

在玉米种植前后，在各小区按“S”型选取6点，用土钻法取0～60 cm土层土样，混合均匀带回实验室，风干后过1 mm和0.25 mm筛后测定土壤基本理化性质和活性有机碳。土壤pH值用pH计测定(水 ∶土 =2.5 ∶1)［6］;土壤全氮(TN)用半微量凯氏法［6］;全磷用碳酸钠熔融—钼锑抗比色法［6］;速效磷用Olsen法［6］;速效钾用乙酸铵提取—火焰光度法［6］测定。总有机碳用重铬酸钾氧化外加热法［6］测定;活性有机碳(AOC)的测定参考徐明岗等［5］的方法;非活性有机碳含量(NAOC)为总有机碳和活性有机碳含量之差。

以撂荒地土壤为参考土壤，其总有机碳含量为9.71g/kg，活性有机碳含量为1.38 g/kg，土壤碳库管理指数计算方法如下:

碳库指数(CPI)=样品全碳含量(g/kg)/参考土壤全碳含量(g/kg);

碳库活度(A)=活性碳含量/非活性碳含量;

碳库活度指数(AI)=样品碳库活度/参考土壤碳库活度;

碳库管理指数(CPMI)=碳库指数×碳库活度指数×100=CP I×A I×100。

1.4 数据处理

用Excel软件进行试验数据统计分析和图表制作，多重比较采用新复极差(D.B.Duncan)法［7］。

2 结果与分析

2.1 土壤总有机碳

外源有机质的输入是土壤有机碳含量增加的主要途径之一，施肥对土壤有机碳的影响因肥料的种类不同而异。由图1可以看出，施用有机肥能够显著促进土壤(0—60cm)有机碳的累积，单施化肥(NPK)对土壤有机碳的累积作用不明显。与对照(CK)相比，单施有机肥处理(OF)土壤有机碳含量增加了11.68%，推荐施肥(RF)和习惯施肥(CF)土壤有机碳含量分别增加6.57%和7.58%。相比之下，单施有机肥对土壤有机碳累积促进效果要大于有机无机配施，这可能是由于无机氮的施入，降低了土壤的碳氮比，使土壤微生物活性提高，有机碳矿化分解加快［8］。

2.2 土壤活性有机碳

不同的施肥措施根层土壤活性有机碳含量也不尽相同(图1)。与对照相比，单施有机肥处理，土壤活性有机碳含量增加了21.71%。推荐施肥和习惯施肥处理，土壤活性有机碳含量分别增加了8.53%、4.26%。单施化肥处理的土壤有机碳含量下降5.0%，与对照差异不显著。说明施用有机肥对土壤活性有机碳有显著的促进效果。不同处理间，土壤活性有机碳含量的变化幅度较总有机碳大，显示活性有机碳对施肥措施的响应较为敏感，有助于指示或预警土壤质量的变化［9－10］。

2.3 土壤碳库管理指数

与不施肥相比，单施有机肥(OF)、推荐施肥(RF)和习惯施肥(CF)处理的土壤碳库指数(CPI)分别增加了11.43%、6.67%、7.62%，单施化肥处理没有表现出明显的效应(表2)。碳库活度和碳库活度指数受施肥措施的影响不显著。相对于单施化肥(NPK)，单施有机肥(OF)土壤碳库管理指数增加31.79，推荐施肥(RF)和习惯施肥(CF)处理分别增加了13.01、8.45。由此可见施有机肥或有机无机配施对于提高土壤碳库指数和碳库管理指数较化肥单施更具积极意义。

2.4 作物产量与有机碳库指标的相关分析

图2显示，施肥处理(OF、RF、CF、NPK)玉米产量较 CK增加0.45～1.01t/hm2，其中 OF，RF和CF处理玉米产量较CK显著增加。由表3可以看出，土壤总有机碳含量与活性有机碳含量存在极显著(P＜0.01)的相关性，说明总有机碳与活性有机碳存在转化关系。此外，总有机碳与碳库管理指数和玉米子粒产量也存在显著的相关关系。

活性有机碳含量和碳库管理指数均与玉米子粒产量存在极显著的相关性，且相关系数明显大于总有机碳，说明活性有机碳含量变化与作物产量和碳库管理指数的关系更为密切。玉米子粒产量与碳库管理指数也存在极显著的相关关系，表明碳库管理指数能够指示土壤肥力水平的变化。

图1 施肥对土壤总有机碳和活性有机碳含量的影响Fig.1 Effects of fertilization on total organic carbon(TOC)and active organic carbon(AOC)contents of soil

表2 不同施肥处理土壤碳库管理指数Table 2 Carbon management index of the soils applied with different fertilization treatments

图2 不同施肥处理下玉米子粒产量Fig.2 Corn grain yields under different fertilization treatments

表3 土壤有机碳库指标的相关性Table 3 Correlation coefficients of the indexes of organic carbon pool in soil

3 讨论

土壤有机碳是进入土壤的有机质在微生物作用下分解矿化的产物，施有机肥或有机无机配施，均因向土壤中直接输入了外源有机质，能够显著增加土壤有机碳含量［11－13］。本试验中，单施有机肥、推荐施肥和习惯施肥三个处理再次验证了这一结论。单施化肥对土壤有机碳的作用表现较为复杂，有研究认为施用氮磷钾(NPK)化肥，能够促进作物根系的生长，增加地下部分的生物量，即增加外源有机质的输入，显著提高土壤有机碳含量［14－16］。另有研究认为，单施化肥虽有利于根系的增加，但引起土壤碳氮比值降低，加速了土壤有机碳的分解矿化，不仅消耗根系增加的有机碳，而且还会消耗原始有机碳，不利于其在土壤中的累积［17－19］。本文研究中，单施化肥对土壤有机碳含量没有表现出显著的促控作用，胡诚［8］和曾骏等［11］的研究也有类似的结果。看来化肥对土壤有机碳的影响比较复杂，是作物根系生长、土壤矿化条件、土壤性质等多种因素综合作用的结果。

施肥影响土壤碳、氮的可矿化量及微生物活性［20］，施用有机肥能增加土壤微生物活动碳源，使较多的有机质被微生物分解转化为低分子量的有机质，部分有机质又被土壤微生物吸收，不仅增加了土壤中低分子量的有机碳含量，同时提高了土壤微生物碳库［21］。施用化学肥料，会提高难氧化有机质含量，增加土壤有机碳的氧化稳定性［22］，使土壤微生物量碳(MBC)、水溶性有机碳(WSOC)以及轻组有机碳(LFOC)的含量显著下降［23－24］。施肥增加了土壤轻组有机碳，与不施肥相比，施肥土壤中70%的活性有机碳来源于轻组，而不施肥仅有40%的活性有机碳来源于轻组［25］，有机物料的投入对于土壤轻组有机碳含量具有决定作用［23］。本文研究结果显示，施有机肥、推荐施肥和习惯施肥，较不施肥或单施化肥显著提高了土壤活性有机碳的含量，这与多数研究［26－30］结果一致。

王晶［31］和宇万太等［32］的研究结果显示，施有机肥或有机无机配合施用均较不施肥或单施化肥显著提高土壤碳库管理指数，这与本文中单施有机肥(OF)和推荐施肥(RF)两个处理的结果类似。单施化肥碳库管理指数与不施肥相比没有显著变化，但与参考土壤相比显著下降，这与早期在潮土上的有关研究稍有不同，沈红等［33］和徐明岗等［5］研究结果显示，单施化肥(NPK)处理土壤碳库管理指数低于参考土壤，但是显著高于不施肥处理，造成这些结果的差异可能与试验地原初有机质含量、施肥水平和施肥持续时间长短不同等因素有关，具体原因需要继续研究。相关分析表明，活性有机碳与总有机碳、碳库管理指数以及作物产量均存在极显著的相关关系，说明活性有机碳能够很好地反映土壤肥力特性。吴小丹等［34］研究认为，受施肥措施的影响，土壤活性有机质含量和碳库管理指数(CMI)的变化幅度大于土壤总有机质的变化幅度，且水稻产量与CMI的相关性达到极显著水平，CMI可以作为评价土壤质量的指标，Blair等［3］和邵月红等［35］的研究也有与之一致的观点。

4 结论

1)与不施肥或单施化肥相比，施有机肥、推荐施肥和习惯施肥，分别显著提高了土壤有机碳含量和活性有机碳含量。土壤活性有机碳对施肥措施的响应较为敏感，可以指示土壤碳库的早期变化。

2)施有机肥和推荐施肥对土壤碳库指数、碳库活度和碳库活度指数的提升均有促进作用，且土壤碳库管理指数比不施肥处理分别高30.34、11.27。习惯施肥和化肥单施对土壤碳库管理指数没有显著影响。

3)土壤活性有机碳与总有机碳、碳库管理指数、玉米子粒产量均存在极显著的相关关系。碳库管理指数与玉米子粒产量极显著相关，能够指示土壤肥力的变化。

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