施猪粪对水稻土有机碳剖面分布的影响

宋哲岳，宋照亮，单胜道

（1.浙江农林大学 林业与生物技术学院，浙江 临安 311300；2.浙江农林大学 环境与资源学院，浙江临安 311300）

土壤有机质在陆地生态系统演变和功能方面起着至关重要的作用［1－2］。土壤有机碳可根据土壤颗粒的大小分为砂粒（50～2 000 μm），粉粒（2～50 μm）和黏粒（＜2 μm）［3］有机碳。砂粒有机碳主要是处于新鲜的动植物残体和腐殖化有机物之间暂时的或过渡的有机碳，对土壤环境和管理措施的变化十分敏感。土壤粉粒有机碳和黏粒有机碳周转较慢［4－5］，其比例大小可间接表征土壤有机碳的抗氧化程度与难利用的程度。目前，国内外对旱地不同粒级有机碳的形成、稳定性以及与土壤肥力关系的研究已取得了一定的进展［5－6］，但猪粪等有机肥施加对水稻土等土壤各粒级有机碳分布及稳定性的影响研究鲜见报道。土壤中水溶性有机碳（water soluble organic carbon，WSOC）的变化及其结构特征的研究对了解土壤有机质质量以及土壤养分循环方面有着重要的作用［7－9］。近年，土壤热水溶性有机碳（hot water organic carbon，HWOC）的损失预示易氧化有机养分及微生物量的降低，也表明土壤结构的可能退化。因此，土壤热水溶性有机碳是土壤质量测定的重要组成部分［10］。在中国，施肥（化肥和有机肥）对粮食增产的贡献率已占到50%以上［11］，然而长期养分非均衡施用及连续施用无机肥料将导致土壤结构的破坏以及土壤的物理、化学、生物化学质量与生产力的下降和有机碳的亏损［12］。畜禽粪便是一种优质的有机肥料源，它在栽培食用菌、加工饲料、生产沼气及提升土壤有机碳等方面有很大的用途［13］。本试验通过长期的不同施猪粪处理，了解土壤总有机碳、土壤热水溶性有机碳的剖面分布特征，以及有机碳在不同粒级土壤中的分布特征，为农业可持续发展及畜禽废弃物的循环利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于浙江省平湖市，属北亚热带季风气候，年平均气温为16.0℃，年平均日照时数为2 000.0 h，年平均降水量1 170.0 mm，全年无霜期225 d左右。为了解施猪粪对水稻土有机碳的影响，在平湖市开展了水稻土施猪粪试验。供试水稻土田间（黄斑田）表层土（0～15 cm）基本情况：pH 6.40，总有机碳为 20.95 g·kg－1；粒级组成：砂粒占52.87%，粉粒占44.23%，黏粒占 2.90%（表1）。试验时间为 1999年 4月至 2009年 4 月，施干质量猪粪量 3.75 kg·m－2·a－1于地面上。面积为667 m2·地块－1，试验共设3个处理：①施猪粪0 a的地块（L0）；②施猪粪 5 a的地块（L5）；③施猪粪 10 a的地块（L10）。重复 3次·处理－1，随机排列。除猪粪外无其他肥料施加。供试肥料为纯猪粪，其有机碳、全磷、有效磷平均质量分数分别为252.60，14.70 和 870.80 mg·kg－1。

表1 供试土壤的粒级分布Table 1 Distribution of different sized particles of the soil used in the experiment

1.2 样品采集与处理

2009年4月，人工开挖土壤剖面到地下水水位为止，自下而上采集土壤剖面样品（不少于1.0 kg·样品－1）。采样深度为85 cm（分 6层，上5层 15 cm，第 6层 10 cm）。样品现场用聚乙烯塑料袋密封包装。样品自然风干后，去掉植物根须及植物残枝和腐叶，粉碎，过筛。用于测pH值和粒度分级的样品过10目筛，用于其他项目测试的土样过200目筛。

1.3 样品测试方法及数据处理

样品常规分析测定方法见参考文献［14］。按水土比为2.5∶1.0测定土壤pH值。土壤碱熔后，用钼蓝比色法测定二氧化硅和总磷。重铬酸钾法测土壤有机碳（organic carbon，OC）。采用沉降方法［14］，将土壤有机矿质复合体物理分级，然后得到砂粒（50～2 000 μm），粉粒（2～50 μm）和黏粒（＜2 μm）各粒级，各粒级有机碳质量分数（各粒级中的有机碳量/土壤总量）测定采用重铬酸钾法。回收率为各粒级有机碳之和与总有机碳的比值。

采用Microsoft Office Excel 2003软件处理数据、做图，采用SPSS 13.0软件进行统计分析，所有测定数据以平均值±标准差的形式表示，不同施肥处理之间采用Duncan’s新复极差法进行多重比较。

2 结果

2.1 施猪粪对水稻土pH值和总有机碳的影响

从表2可以看出：与 L0处理相比，L5处理的 0～15，15～30，30～45 cm土层总有机碳分别增加28.1%，35.1%和29.5%，L10处理的0～15，15～30，30～45 cm土层总有机碳则分别增加47.6%，105.3%和171.7%。以上分析表明：在0～45 cm土层的总有机碳随施猪粪年限的增加而增加，且随深度的增加其增加的幅度逐渐提高。在底土层（45～85 cm），施猪粪对其有机碳的分布影响不大。L0，L5，L10各处理在0～45 cm土层范围内随剖面深度的增加土壤总有机碳逐渐降低，而45～85 cm土层的总有机碳变化不大。L5的45 cm以下土壤的有机碳少于对照处理，可能是初始土壤不均一所致。

pH值随剖面深度的增加呈逐渐增加的趋势。L5和L0相比较，除表层0～15 cm土壤pH值差异不显著外，其他各土层pH值差异均达到显著水平（P＜0.05）。L10和 L0相比较，15～30，30～45，75～85 cm土层之间pH值差异不显著，其他各土层差异达显著水平（P＜0.05）。L10和 L5相比较，0～15，15～30 cm间pH值差异不显著，其他各土层pH值间差异均达到显著水平（P＜0.05）。施猪粪地块的pH值普遍高于无猪粪地块，其中施加5 a的pH值最大。

2.2 施猪粪对水稻土颗粒有机碳分布的影响

从表3得知：砂粒碳的分布特征和总有机碳的分布特征非常相似。对于砂粒碳，施猪粪显著增加了各处理 0～45 cm土层中的砂粒碳。L5处理的 0～15，15～30，30～45 cm土层有机碳分别增加39.8%，68.0%和150.8%，L10处理的 0～15，15～30，30～45 cm土层有机碳分别增加36.1%，155.1%和616.4%。L10处理与L5处理相比增加幅度分别为－2.6%，51.9%和185.6%。对于粉粒碳，L10处理的0～45 cm土层显著高于对照 L0（P＜0.05），且 0～15，15～30，30～45 cm土层有机碳分别增加38.3%，77.3%和88.5%。L10处理与L5处理相比，各土层含量值间差异显著（P＜0.05），0～15，15～30，30～45，45～60，60～75，75～85 cm土层有机碳分别增加42.8%，79.5%，69.7%，12.5%，12.0%和18.0%，说明施猪粪年限的增加有利于粉粒中有机碳的积累；对于黏粒碳，各土层有机碳含量差异不大。

表2 不同土层次的土壤pH值和总有机碳Table 2 Total organic carbon contents and pH in the differnt soil depths

从图1得知：对于各个处理剖面，砂粒碳相对百分比随剖面深度的增加而呈现逐渐降低的趋势，其范围为7%～77%，是变化范围最大的；而黏粒碳的百分比例则呈现逐渐增加的趋势，其范围为3%～42%；粉粒碳范围为18%～56%。

2.3 施猪粪对热水溶性有机碳的影响

从表4中得知：各处理的热水溶性有机碳随剖面深度的增加先降低后增加的趋势。表层土热水溶性有机碳较高，其原因主要与植物凋落物和根系分布特征有关。30～60 cm土层，根系难以分布，该土层土壤热水溶性有机碳较低且变化平缓，这与Flessa［15］的研究结果一致；60 cm以下土层土壤热水溶性有机碳又逐渐升高，这是受地下水位影响的结果［15］，且随施猪粪年限的增加土壤热水溶性有机碳逐渐增加。土壤中水溶性有机碳不仅与土壤肥力、植被类型、施肥和季节等因素有关，而且受提取方法不同的影响［16］。本研究中不同处理不同层次土壤热水溶性有机碳占总有机碳比例范围为2.31%～27.36%。下层土壤热水溶性有机碳占土壤总有机碳的比例高，可能是总有机碳在土壤剖面下层分布少的缘故。

3 讨论

本试验表明：施猪粪主要增加土壤0～45 cm土层有机碳，且随施加年限的增加而增加。很多研究者也得出有机无机肥料配施能显著提高不同类型、气候条件和利用方式的土壤有机碳含量［4，6，17－19］。如马力等［19］对长期（26 a）不同施肥处理条件下水稻土有机碳分布变异及其矿化动态的研究表明，长期施肥使水稻土表层有机碳显著升高，施有机肥和秸秆还田较单施化肥更能促进土壤表层有机碳累积。又如周萍等［4］对太湖地区长期（16 a）不同施肥处理（化肥与秸秆配施、化肥与猪粪配施、单施化肥和不施肥）下黄泥土总有机碳及深度分布特征的研究表明，不同施肥处理主要增加耕作层土壤的总有机碳，但是不同施肥处理并没有改变总有机碳的深度分布格局。这与本研究结果相符。

本研究0～45 cm土层的砂粒为有机碳主要储存体，且随施猪粪年限的增加其有机碳增加。而在45～85 cm土层，有机碳主要储存于粉粒和黏粒上。许多研究者对有机肥等不同施肥处理条件下黑垆土［20］、黄泥土［4］、 乌泥土［21］、 白土［22］、 红壤性水稻土［6］耕作层各粒级团聚体中有机碳分布研究也表明，有机碳主要存在于土壤砂粒上，施加有机肥能显著提高砂粒碳含量。周萍等［4］对太湖地区长期（16 a）有机肥等不同施肥处理下黄泥土砂粒有机碳深度分布进一步研究表明，不同施肥处理主要影响耕作层土壤的砂粒有机碳及改变砂粒碳的分配比例，但并没有改变砂粒有机碳的深度分布格局。对土壤有机碳的团聚体物理保护作用研究［23］表明，砂粒作为新增有机碳的主要载体，主要受土壤管理方式的影响；粉粒、黏粒具有保护有机碳的能力，但其保护容量有限，主要受土壤质地的影响。本研究土壤质地是以粉粒和黏粒为主，粉粒和黏粒本身具有保护有机碳的能力。当土壤中施加过量的外源有机物时，耕作层的粉粒和黏粒保护有机碳的容量会达到饱和状态，多余的外源有机物被分配到砂粒部分，所以在土壤耕作层中砂粒碳在各粒级碳中所占的比例最大，且随外源有机物施加年限的增加而增加；而在非耕作层，由于粉粒和黏粒与有机碳结合能力比砂粒强且自身保护有机碳的容量没有达到饱和，所以在该层以粉粒碳和黏粒碳为主。由图2可知：总有机碳和砂粒碳、粉粒碳之间呈极显著的正相关性，且随施猪粪年限的增加相关性越好，说明土壤总有机碳的增加主要是通过砂粒碳、粉粒碳的增加而增加的。而总有机碳和黏粒碳相关性不显著，说明由于物理保护作用，黏粒碳比较稳定，受外源碳输入影响较小。

图2 土壤总有机碳和各粒级碳之间的关系Figure 2 Relationship between soil TOC contents and OC contents in different sized soil particles

与对照处理相比，随施猪粪年限的增加土壤热水溶性有机碳增加，且各剖面土壤热水溶性有机碳随剖面深度增加先降低后升高。王连峰等［24］对长期不同施肥制度下的黑土热水提取态有机碳的变化研究表明，与对照处理相比，有机肥和2倍量有机肥都能提高土壤的热水溶性有机碳，后者的增加幅度更大。对庐山地区部分阔叶林土壤研究也发现，水溶性有机碳在0～40 cm土层降低，而在 40～80 cm 土层升高［25］。王艳等［26］研究了长期施肥对设施蔬菜栽培土壤水溶性有机碳剖面分布的影响表明，各处理水溶性有机碳在土壤剖面 0～20，20～40 和40～60 cm等3个土层中呈高低高的趋势。王开峰等［27］研究了有机物循环对红壤稻田土壤有机碳和热水可提取碳的影响，发现在有机物循环下稻田土壤热水溶性有机碳随时间先下降后缓慢上升或趋于稳定。许多研究［28］表明，秸秆还田也能够增加土壤热水溶性有机碳。有机肥的施入不仅能直接增加土壤有机碳，还通过增加土壤的作物产量和微生物量而提高土壤作物凋落物、根系分泌物以及微生物量等输入，所以，高量有机肥的施入能大幅度提高土壤热水溶性有机碳［24］。

表4 土壤中的热水溶性有机碳及其与总有机碳比值Table 4 HWOC contents in the soil and the ratios of HWOC/TOC

4 结论

施猪粪增加了土壤的总有机碳，且随着施加年限的增加而增加。不同处理的0～45 cm土层有机碳差异显著。随剖面深度的增加有机碳逐渐降低，且0～45 cm土层中的各分层有机碳差异显著，45～85 cm土层中的各分层差异不显著。

砂粒碳剖面分布规律与总有机碳的相似，即0～45 cm土层与45～85 cm土层有机碳有显著差异。0～45 cm土层砂粒碳高，且其中的各土层差异显著。总有机碳和砂粒碳、粉粒碳之间呈显著的正相关性关系。受土壤粉粒和黏粒对有机碳物理保护容量控制，施猪粪土壤的0～45 cm土层以砂粒碳为主，45～85 cm土层则以粉粒碳和黏粒碳为主。

土壤热水溶性有机碳随剖面深度增加先降低后增加，且随施肥年限的增加而增加。土壤热水溶性有机碳与总有机碳的比值随剖面深度增加呈缓慢—快速—缓慢增加的趋势。施猪粪可提高土壤热水溶性有机碳。

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