施用化肥对砂姜黑土碳库管理指数的影响

李 玮，乔玉强，姜 涛，陈 欢，杜世州，赵 竹，曹承富*

1. 安徽省农业科学院作物研究所，安徽 合肥 230031；2. 安徽省农作物品质改良重点实验室，安徽 合肥 230031

施用化肥对砂姜黑土碳库管理指数的影响

李 玮1,2，乔玉强1,2，姜 涛1,2，陈 欢1,2，杜世州1,2，赵 竹1,2，曹承富1,2*

1. 安徽省农业科学院作物研究所，安徽 合肥 230031；2. 安徽省农作物品质改良重点实验室，安徽 合肥 230031

针对安徽省砂姜黑土的不良属性，在安徽蒙城砂姜黑土上进行了4年的施肥定位试验，施肥方式为年施氮量（以N计）0、360、450、540、630、720 kg·hm-2，玉米季占55%，通过研究连续施肥措施下砂姜黑土耕层土壤活性有机质组分的变化特征，分析了单施化学氮肥对土壤有机质组分及碳库管理指数的影响。结果表明：施用化学氮肥有利于提高土壤总有机质质量分数和活性有机质质量分数，变化幅度分别为17.49～19.46、3.10～3.52 g·kg-1，化肥施用水平之间差异不显著，相比不施肥，施肥土壤的总有机质质量分数增加1.53～3.53 g·kg-1、活性有机质质量分数增加0.10～0.52 g·kg-1、稳定态有机质增加1.02～4.30 g·kg-1。处理间高活性有机质质量分数变化范围为0.46～0.62 g·kg-1，施用化肥后降低，高量氮肥与不施肥处理间差异显著(P＜0.05)；中活性有机质质量分数在2.21～3.25 g·kg-1之间，且与氮肥施用水平有关，年施氮量（以N计）高于540 kg·hm-2时其值增加，但各施用水平间无显著差异(P＞0.05)。施氮对CMI的影响不显著，土壤总有机质增加的有机质组分主要为稳定性有机质。施氮处理的玉米籽粒产量明显高于不施氮处理，年施氮（以N计）720 kg·hm-2的玉米籽粒产量最高，达11 137.90 kg·hm-2。相关性分析结果显示，3种活性有机质之间，活性有机质和高活性有机质相关性最高，关系最为密切；碳库管理指数与活性有机质呈极显著正相关，相关系数为0.910；总有机质含量与活性有机质含量显著正相关(P＜0.05)，与碳库管理指数无显著相关性(P＞0.05)；玉米籽粒产量与总有机质、活性有机质极显著正相关(P＜0.01)，与碳库管理指数显著相关(P＜0.05)。由此可知，化学氮肥可促进砂姜黑土耕层土壤总有机质和活性有机质的提高，且二者均能够反映砂姜黑土施用化肥后的肥力变化情况；提高砂姜黑土总有机质的有机质组分主要是稳定态有机质；要提高玉米产量需要较高的氮肥用量。

砂姜黑土；化肥；活性有机质；碳库管理指数

农业生产措施(如土壤耕作管理、化肥的施用、植物残体或有机物料的还田等)直接或者间接的调控土壤有机质的输入，一定程度上影响土壤有机质的累积和矿化，易分解、矿化的活性碳部分是引起土壤碳库最初变化的有机质组分(Amisk et al, 2009)。尽管这部分碳素占全碳的比例很小，但它们对土壤碳素的转化很重要，而且与土壤生产力密切相关(Dalal和Mayer, 1986; Blair et al, 1995)。Lefroy 等研究发现，土壤有机质能被一定浓度的KMnO4氧化，其氧化的有机质在种植作物时变化较大，可作为活性有机质，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(CMI)的概念(Lefroy et al, 1993)。CMI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质总量的影响，也反映了土壤有机质组分的变化情况，CMI上升表明农业措施对土壤肥力有促进作用，反之则表明抑制土壤肥力的提高(徐明岗等, 2006)。目前，在土壤活性有机质和碳库管理指数方面，国外已经进行了大量研究(Nayak et al, 2012; Vieira et al, 2007)，而国内近期才开始相关研究，且主要侧重于塿土、灰漠土、黑土、红壤、潮土等土壤类型在不同耕作制度、秸秆还田、施肥制度下的土壤活性有机质和碳库管理指数的变化规律(陈鲜妮等, 2012; 李琳等, 2006; 刘红梅等, 2013; 陈云峰等, 2013; Liang et al; 2012)，关于砂姜黑土CMI的研究却鲜见报到。为此，本研究通过4年大田定位试验，研究小麦-玉米轮作条件下化学氮肥施用水平对砂姜黑土农田土壤活性有机质组分和CMI的影响特征，分析施肥对砂姜黑土土壤碳库质量及玉米产量的影响，旨在为该区施肥制度的完善和土壤碳库的循环理论提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2008—2012年度在安徽省蒙城县农业示范场进行。试验地土质为砂姜黑土，0～20 cm土层养分含量为：土壤有机质14.24 g·kg-1，全氮质量分数0.99 g·kg-1，碱解氮57.84 mg·kg-1，全磷质量分数0.67 g·kg-1，有效磷21.57 mg·kg-1，速效钾197.46 mg·kg-1。供试小麦品种为济麦22，玉米品种为郑单958。

1.2 田间试验设计

试验设6个氮肥处理，年施氮量（以N计）为0、360、450、540、630、720 kg·hm-2，分别用N0、N1、N2、N3、N4、N5表示；磷、钾肥年施用量（以P2O5计）分别为180、180 kg·hm-2，除N0(对照)之外，其余氮肥处理均施用磷钾肥，且施用量一致。各处理氮、磷、钾肥小麦季施用量占年施用总量的45%，玉米季55%。小麦季氮肥基追比为55∶45，追肥时期为拔节期，磷钾肥在小麦播种时一次性基施；玉米季氮肥基追比为45∶55，追肥时期为大喇叭口期，磷钾肥在玉米播种时一次性基施。小麦10月中旬播种，玉米6月中旬播种。小区面积21.6 m2，随机排列，3次重复。

1.3 测定项目与方法

2012年玉米收获后，取0～20 cm深的土样，每个样品均为多点采集混合而成，然后用四分法取出足够的样品，风干，过筛备用。

土壤总有机质测定。土壤总有机碳（TOC）：称取过0.149 mm筛的风干土0.2000 g，采用高温外热重铬酸钾氧化—容量法测定(鲁如坤, 2000)。土壤活性有机碳（LOC）：称取过0.25 mm筛的风干土1.50 g，采用KMnO4氧化法测定，高、中和活性有机碳采用的KMnO4浓度分别为33、167和333 mmol·L-1(Blair et al, 1995)。本研究土壤碳库管理指数计算采用Blair等（1995）提出的方法，选取不施氮处理为参考土壤，具体计算如下：

碳库指数（CPI）=样品全碳质量分数(g·kg-1)/参考土壤全碳质量分数(g·kg-1)

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（CMI）=碳库指数×碳库活度指数×100=CPI×AI×100

1.4 数据分析

试验数据采用SPSS 16.0和Excel 2003软件进行处理和作图。单因素方差分析各氮肥处理之间总有机质及其活性有机质不同组分（高活性有机质、中活性有机质、活性有机质），多重比较采用最小显著差异法（LSD，Least significant difference）。

2 结果与分析

2.1 施肥对砂姜黑土活性有机质和CMI的影响

砂姜黑土活性有机质及CMI受施肥影响见表1所示。与对照土壤相比，施肥连续耕作总有机质和活性有机质含量均呈上升趋势，但土壤活性有机质在总有机质中所占比例基本不变。施化肥的土壤，总有机质和活性有机质含量随施氮量增加而增加，但是，处理间没有显著差异（P＞0.05）；相比不施肥，施肥土壤的活性有机质质量分数增加0.10～0.52 g·kg-1，稳定态有机质增加1.02～4.30 g·kg-1；各处理间CMI变化不明显，部分施肥处理的CMI低于不施肥处理，表明施化肥的土壤总有机质含量升高主要是其提高了稳定态有机质的含量。该结果与张付申提出的在垆土和黄绵土中(张付申, 1996)、徐明岗提出的在红壤中(徐明岗等, 2006)，单施化肥对土壤易氧化有机质和活性有机质作用不大结论基本一致。

2.2 施肥对砂姜黑土中活性有机质含量和CMI的影响

中活性有机质含量和CMI见表2所示。由表2可知，与活性有机质相比，中活性有机质含量相对较低，其质量分数在2.21～3.25 g·kg-1之间。不施肥和施化肥土壤的中活性有机质含量没有显著差异（P＞0.05），但低量氮肥有降低土壤中活性有机质含量的趋势。中活性有机质对应的稳定态有机质，高氮处理低于不施肥的对照处理，与活性有机质含量变化规律一致，但CMI不施肥土壤高于N0、N1、N2、N3和N4处理，低于N5处理，各处理间CMI没有显著差异（P＞0.05）。可见，施用化学氮肥对提高砂姜黑土总有机质有作用，但并不能增加土壤中活性有机质。

2.3 施肥对砂姜黑土高活性有机质和CMI的影响

由表3可知，高活性有机质质量分数为0.46～0.62 g·kg-1，低于中活性有机质质量分数。相比对照处理，施肥后土壤的高活性有机质含量有所下降，其中N4和N5处理与N0的差异达显著水平（P＜0.05），N5处理下降幅度最大，施肥耕作4年其下降了25.81%。CMI变化规律与高活性有机质含量一致，施肥后CMI下降，相比其他施肥处理，N5处理的CMI下降幅度最高，为28.23%，处理间没有达到显著差异（P＞0.05）。这说明砂姜黑土施化肥后结构简单的高活性有机质含量下降。

表2 施肥后砂姜黑土的中活性有机质含量和CMITable2 Effects of N fertilizer application on medium labile organic matter and CMI

表3 施肥后砂姜黑土的高活性有机质含量和CMITable3 Effects of N fertilizer application on high labile organic matter and CMI

表4 活性有机质组分与总有机质和玉米产量的相关性分析Table4 Correlation analysis between labile organic matter fractions and total organic matter and maize yields

2.4 活性有机质组分与总有机质和产量的相关性

表4表明了砂姜黑土3种不同程度的活性有机质、总有机质、碳库管理指数（CMI）和玉米籽粒产量的相关分析。结果表明，3种活性有机质之间的相关性不同，活性有机质与高活性有机质极显著负相关，相关系数为-0.929；中活性有机质与高活性有机质、活性有机质以及CMI之间的相关关系均不显著。可见，3种活性有机质之间，活性有机质和高活性有机质的关系最为密切。CMI与各种活性有机质的相关性分别为：高活性有机质-0.751，中活性有机质-0.264，活性有机质0.910，其中，CMI与活性有机质极显著正相关。

总有机质与3种活性有机质及CMI的相关性不同，其中，与活性有机质和高活性有机质的相关系数较高，分别为0.723和-0.838，与活性有机质的相关性为显著正相关，而与高活性有机质呈显著负相关；与中活性有机质的相关系数为0.102，没有显著相关性。

表4显示，玉米产量与总有机质、活性有机质极显著正相关，与CMI显著相关，相关系数分别为0.898、0.780和0.524；与高活性有机质极显著负相关，相关系数为-0.952，而与中活性有机质无显著相关性，说明总有机质、活性有机质和CMI能准确反映砂姜黑土土壤肥力和土壤质量的变化，可以作为描述土壤质量和评价土壤管理的良好指标。

2.5 施肥对玉米产量的影响

由图1可知，施氮处理的玉米籽粒产量明显高于不施氮处理。各处理间，N5处理的玉米籽粒产量最高，并且与N0、N2和N3处理的差异显著（P＜0.05）。可见，砂姜黑土要提高玉米产量需要较高的氮肥用量。

3 讨论与结论

3.1 讨论

Blair等（1995）认为，人为管理措施对农业可持续发展系统中土壤有机质的影响主要发生在活性有机质部分。已有研究者等对黑油土、黄绵土、红壤、灰漠土、垆土、潮土、褐土、黑土活性有机质、总有机质和有机质氧化稳定性的测定结果表明，长期施用化学氮肥增加了土壤总有机质含量，但增加幅度不高，对土壤活性有机质含量影响不大，提高了稳定性有机质含量(徐明岗等, 2006; 张付申, 1996; 周卫军等, 2004)。目前，施用化学氮肥对土壤有机质的作用也有与上述相反的结论，认为长期化学氮肥施用可降低有机质含量或者与原来保持平衡(Kong et al, 2005; 王旭东等, 2000; 乔发云等, 2008)。究其原因，有研究认为施用化学氮肥后，能够促进作物的生长，增加地下部分的生物量和作物根茬等残留物，即向土壤中增加了有机碳的输入而提高土壤有机质含量(孟磊等, 2005; Mandal et al, 2007; 尹云峰和蔡祖聪, 2006; 王莲莲等, 2013)；另有研究表明，由于单施化学氮肥有利于根系的增加，但同时降低了土壤碳氮比，加速了土壤有机质的分解和矿化，不仅消耗了输入土壤的外源有机碳，而且还引起原有有机碳的消耗，不利于土壤有机质的累积(徐阳春等, 2002; 刘骅等, 2010; Powlson et al, 1987)。本研究就化学氮肥施用量对砂姜黑土活性有机质的影响做了探讨，砂姜黑土上经过4年的小麦-玉米轮作后，化学氮肥施用提高了总有机质含量和活性有机质含量，但不同施氮水平间差异不显著；中活性有机质含量在低氮时下降，而高氮时呈增加趋势；高活性有机质含量在施用化学氮肥后明显下降；施化肥均提高了稳定态有机质含量，与胡诚等（2010）、曾骏等（2008）等的研究结果类似。

本研究中，不同化肥用量单施的碳库管理指数(CMI)与活性有机质组分有关系，活性有机质对应的CMI与不施肥相比略有增加，而中、高活性有机质对应的CMI降低，这与早期在潮土上的有关研究稍有不同。沈红等和徐明岗等的研究结果显示，单施化肥(NPK)处理土壤碳库管理指数显著高于不施肥处理，但低于初期的参考土壤，造成这些结果的差异可能与试验初始的土壤有机质含量、施肥水平和施肥持续时间长短不同等因素有关(沈宏和曹志洪, 2000; 徐明岗等, 2006)。该研究相关性分析表明，玉米籽粒产量与总有机质含量和活性有机质含量表现为显著、极显著正相关，而与中活性有机质和土壤碳库管理指数无相关性，与徐明岗等（2006）在红壤上对小麦-玉米轮作系统的作物产量与中活性有机质和活性有机质呈显著相关性、与总有机质含量没有显著相关性的研究结果不尽一致，这可能与土壤类型差异、土壤有机质水平等有关系，仍需进一步作比较研究。综上所述，施用化学氮肥条件下砂姜黑土活性有机质与总有机质含量能够反映该类型土壤的综合肥力情况。

3.2 结论

通过对4年化学氮肥处理下砂姜黑土耕层土壤的土壤总有机质和活性有机质以及碳库管理指数的研究，得出了以下结论。

1）施用化学氮肥可增加砂姜黑土耕层土壤有机质、活性有机质的含量，提高总有机质的有机质组分主要是稳定态有机质。

2）化学氮肥施用降低了高活性有机质含量，但中活性有机质含量与氮肥施用水平有关，对碳库管理指数的影响不显著。

3）施氮可显著提高玉米产量，年施氮（以N计）720 kg·hm-2的玉米籽粒产量最高，达11137.90 kg·hm-2；玉米籽粒产量与总有机质、活性有机质以及碳库管理指数均存在相关关系。

图1 施肥对砂姜黑土玉米籽粒产量的影响Fig.1 Effect of N fertilizer application on maize yields in lime concretion black soil

4）活性有机质和总有机质含量能够反映砂姜黑土施用化肥后的肥力变化情况，砂姜黑土要提高玉米产量需要较高的氮肥用量。

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Study of the Carbon Management Index in Lime Concretion Black Soil under Conditions of N Fertilizer Application

LI Wei1,2, QIAO Yuqiang1,2, JIANG Tao1,2, CHEN Huan1,2, DU Shizhou1,2, ZHAO Zhu1,2, CAO Chengfu1,2*
1. Crop Research Institute, Anhui Academy of Agricultural Sciences, Hefei, 230031, China; 2. Anhui Key Laboratory of improved varieties of crops; Hefei, 230031, China

To analyze the negative properties of lime concretion black soil, an experiment using six different application concentrations of N fertilizer of 0, 360, 450, 540, 630, 720 kg N hm-2was conducted over four years in Mengcheng City, China. The effects of the N fertilizer application rates on soil organic matter fraction and the carbon management index (CMI) in lime concretionblack soils were systematically studied using the data obtained at this test location and through analyzing the change in soil organic matter fraction and CMI. The results showed that the application of N fertilizer increased the total organic matter (TOM) and labile organic matter (LOM). The ranges of TOM and LOM were 17.49～19.46 and 3.10～3.52 g·kg-1, respectively, and the increased values of TOM, LOM and non-labile organic matter (NLOM) compared with no fertilizer treatment were between 1.53～3.53, 0.10～0.52 and 1.02～4.30 g·kg-1, but had no significant differences among the rates of N application. The range of change of the high labile organic matter (HLOM) was between 0.46～0.62 g·kg-1, had a decreasing trend with increasing N fertilizer application, and showed significant differences between the high N fertilizer application rate and no fertilizer application (P＜0.05). However, the medium labile organic matter (MLOM) was comparatively low, and was affected by the nitrogen application rates. Its value increased when N was greater than 540 kg N·hm-2, which was a critical value of N fertilizer application rate. However, there were no significant differences between different N fertilizer treatment amounts. of all the treatments, soil NLOM could be advanced to cause an increase in total organic matter, with CMI not affected by the N fertilizer application rate. Maize yields from application of N fertilizer treatments were clearly higher than no fertilizer treatment conditions with the highest yield of 11 137.90 kg·hm-2for 720 kg N·hm-2N fertilizer application rate. Correlation analysis showed the relationship between LOM and HLOM was the most significant, having the highest relevance. Carbon management index was significantly related to LOM (P＜0.01), with a correlation coefficient of 0.910**. There was a significant positive correlation between TOM and LOM (P＜0.05), and no significant difference between TOM and CMI (P＞0.05). The maize grain yield was very significantly correlated with TOM and LOM (P＜0.01), with no correlation with CMI (P＞0.05). Therefore, the addition of chemical fertilizer can increase the total organic matter in lime concretion black soil, mainly due to increases in stable organic matter, and labile organic matter, thereby changing the fertility in these areas.

lime concretion black soil; nitrogen management; labile organic matter; carbon management index

S156.93

A

1674-5906（2014）01-0058-06

李玮，乔玉强，姜涛，陈欢，杜世州，赵竹，曹承富. 施用化肥对砂姜黑土碳库管理指数的影响[J]. 生态环境学报, 2014, 23(1): 58-63.

LI Wei, QIAO Yuqiang, JIANG Tao, CHEN Huan, DU Shizhou, ZHAO Zhu, CAO Chengfu. Study of the Carbon Management Index in Lime Concretion Black Soil under Conditions of N Fertilizer Application [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(1): 58-63.

国家科技支撑计划（2012BAD04B09；2011BAD16B06；2013BAD07B08）；安徽省农业科学院院长青年基金（13B0217）

李玮（1980年生），女，助理研究员，博士，主要从事土壤物理及作物栽培生理生态方面的研究。E-mail: jtlw2007@163.com

2013-07-31