不同菌渣施用量对柑橘园土壤有机碳及其组分的影响

王义祥 王峰 叶菁 黄勤楼 翁伯琦 黄毅斌

摘 要 采用物理和化学分组的方法分析不同施肥条件下柑橘果园有机碳组分的变化规律。结果表明：与不施肥和单施化肥相比，施肥2 a后施用有机肥柑橘园土壤有机碳含量没有显著性差异；单施菌渣有机肥和有机无机配施处理柑橘园土壤可溶性有机碳、微生物生物量碳、颗粒有机碳和轻组有机碳分别提高26.39%～75.97%和13.95%～58.66%、76.46%～264.25%和5.97%～118.74%、23.02%～73.71%和17.97%～66.58%、31.07%～70.61%和17.34%～52.74%，表明合理施用有机肥不能显著提高果园表层土壤的总有机碳含量，但可显著提高果园土壤活性有机碳含量。

关键词 菌渣；柑橘果园；土壤；有机碳；组分

中图分类号 S666 文献标识码 A

土壤有机碳是表征土壤质量的重要指标，它在维持土壤团聚体的稳定性，保持土壤耕作，提高土壤的保水能力和缓冲能力方面具有重要作用。根据其功能和稳定性的不同，土壤有机碳可以分成不同的组分。同时，土壤有机碳组分研究也是探知土壤有机碳在经营管理措施下变化的重要环节。

农业施肥对土壤有机碳影响深刻，一方面通过影响地上植被的生物量、直接增加有机碳源来影响土壤碳源的供应量；另一方面对土壤微生物活性及呼吸强度具有重要的影响。近年来有关施肥对土壤有机碳库的影响受到许多研究者的关注，就施肥（包括化肥、有机肥、无机有机配施、秸秆还田）对土壤有机碳储量、组分方面做了大量细致的研究工作。多数研究认为，不均衡施用化肥不仅会造成土壤有机碳含量降低，而且也导致活性有机碳的下降，而施用有机肥或化肥有机肥配合施用能明显提高土壤总有机碳和活性有机碳的含量，但由于受到气候、土壤母质和耕作方式等诸多因素的影响，土壤有机碳及其组分对相同施肥措施的响应在不同的区域存在较大差异[1]。王峰[2]对柑橘果园的施肥实验表明，施肥1 a后，施用有机肥处理土壤有机碳含量增加幅度为1.53%～15.7%，而单施化肥和不施肥处理土壤有机碳含量降低了7.14%和20.19%。Sara等[3]研究表明，施用猪粪有机肥可以显著提高杏树果园土壤可溶性有机碳和微生物生物量碳含量，对增加土壤碳汇具有积极的影响。Altieri等[4]研究表明，在橄榄果园内施用橄榄加工废弃物5 a后，土壤有机碳和腐殖质含量分别提高了40%和58%。由于土壤活性有机碳能显著影响土壤化学物质的溶解、吸附、解吸、吸收、迁移乃至生物毒性等行为，在营养元素的地球生物化学过程中起着重要的作用，而目前有关施肥对果园土壤活性有机碳影响的研究还较少。因此，本研究通过红壤果园田间定位试验，研究不同施肥措施柑橘园土壤活性有机碳及其组分的变化，旨在探索不同施肥措施下土壤有机碳质量变化及其相互关系，为提高红壤果园肥力和土壤碳汇功能提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于福建省闽侯县白沙镇楼格村农科新兴示范场，东经119°06′，北纬26°13′，属暖湿亚热带海洋性季风气候，全年无霜期达300 d左右；年均日照时数为1 700～1 980 h；气候温和，年平均气温19.2 ℃，最冷1月份平均气温10.5 ℃，最热7月份平均气温32.6 ℃；雨量充沛，平均湿度77%，年均降水量1 342.5 mm。试验园区2001年由山地开垦而成，海拔96 m，现为梯台式种植模式，柑橘品种为脐橙52（Cirtus sinensis Navel52），株行距为3.5 m×3.5 m。果树下主要草被有艾蒿（Aremisia argyi）、莲子草（Alternanthera Sessilis）、雀舌草（Stellaria alsine）、画眉草（Eragrostis pilosa）等。定期施肥，春季施底肥兼松耕改土（施有机肥+化肥），花期施少量复合肥保花，果期施壮果肥。试验地土壤为红壤，成土母质为花岗岩坡积物，土壤基础理化性质见表1。

1.2 方法

1.2.1 试验设计 施肥试验从2008年开始，共设6个处理：Ⅰ 不施肥（CK）；Ⅱ 单施化肥（M1）；Ⅲ 75%化肥+25%菌渣有机肥（M2）；Ⅳ 50%化肥+50%化肥（M3）；Ⅴ 25%化肥+75%菌渣有机肥（M4）；Ⅵ 单施菌渣有机肥（M5）。每个处理设3个施肥小区，小区面积为70 m2，共18个小区，随机排列。施肥量为每100 kg脐橙产量年施全N为1.2 kg（折算为每株年施氮量0.42 kg），N ∶ K2O ∶ P2O5为1 ∶ 1 ∶ 1；菌渣以基肥的形式在秋冬季一次性施入，化肥以基肥加追肥的形式分批施入（基肥50%、花前肥20%、壮果肥30%）。有机肥为种植蘑菇后的菌渣废料，采用环施法，每年施肥1次，施肥点在每株柑橘树冠投影外侧（距树干60 cm），向挖开的条形沟（宽15 cm，深10 cm）均匀撒入肥料后覆土，具体肥料用量见表2。

1.2.2 土壤样品采集及处理 柑橘园施肥2 a后，于2010年12月下旬在每个施肥样区按S形布设5棵取样树。分别于每棵取样树四周施肥沟的内外侧30 cm处设置8个采样点，挖取采集0～20 cm、20～40 cm 2个层次的土壤样品，用环刀法采集测定土壤容重样品。将每个样区不同层次采样点的土样混合均匀，采用多点采集方法形成混合样品。一份拣去石砾、植物根系和碎屑，过2 mm土壤筛，储藏于4 ℃冰箱中用于土微生物量碳（MBC）、土壤可溶性有机碳（DOC）測定；另一份风干后拣去石砾、植物根系和碎屑后，在室内通风处风干后过0.25 mm筛，用于测定土壤理化性质。

1.2.3 测定内容与方法 土壤颗粒有机碳（Particle Organic Carbon，POC）测定按照Franzluebbers和Stuedemann的方法，通过湿筛法获得53～2 000 μm的颗粒组分[5]；土壤轻组有机碳（Light fraction organic carbon，LFOC）测定参照Besnard等的相对密度分组法[6]，所用重液是密度为1.7 g/cm3的NaI溶液。土壤水溶性有机碳（Dissolved Organic Carbon，DOC）分析用Ghani等的方法[7]， 土壤微生物生物量碳（Microbial Biomass Carbon， MBC）测定采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法[8]。浸提液有机碳浓度用岛津TOC-VCPH仪测定，土壤有机碳测定采用重铬酸钾-外加热法[9]。

1.3 数据处理

利用Microsoft Excel2003和DPS7.05统计分析软件进行数据计算处理及差异显著性检验和相关性分析，多重比较采用LSD法。

2 结果与分析

2.1 柑橘园土壤有机碳含量的变化

土壤有机碳含量是土壤有机碳输入与输出之间平衡的结果。由图1可见，土壤有机碳含量的变化规律为施用有机肥处理（M2、M3、M4和M5）>化肥处理（M1）>不施肥处理（CK）。就0～20 cm土层而言，施用有机肥的M2、M3、M4和M5处理土壤有机碳含量分别比不施肥处理（CK）提高5.8%、9.6%、14.5%和6.9%，分别比施化肥处理（M1）提高2.4%、6.1%、10.8%和3.5%，而有机肥处理中又以M4处理的土壤有机碳含量增幅最大。M1处理土壤有机碳含量比CK处理提高3.3%。方差分析结果显示，不同施肥处理间土壤有机碳含量的差异均不显著。就20～40 cm土层而言，M4处理土壤总有机碳含量高于CK、M1、M2、M3和M5处理，但各处理间的差异均不显著。不同土层而言，CK、M1、M2、M3、M4和M5处理0～20 cm土层的土壤有机碳含量均显著高于20～40 cm土层，表现为随土层加深，土壤有机碳含量降低的趋势。

2.2 柑橘园土壤有机碳密度的变化

由图2可见，不同施肥处理土壤有机碳密度的大小顺序为M4>M5>M3>M2>M1>CK。对0～20 cm土层而言，M2、M3、M4和M5处理土壤有机碳密度分别比CK处理提高4.6%、8.1%、12.4%和5.2%，分别比M1处理提高2.3%、5.8%、10.0%和3.0%，M1处理土壤有机碳含量比CK处理提高2.2%。方差分析结果显示，CK、M1、M2、M3、M4和M5处理间土壤有机碳密度的差异均不显著。对20～40 cm土层而言，M4处理土壤总有机碳密度高于CK、M1、M2、M3和M5处理，但各处理间的差异均不显著。就不同土层而言，CK、M1、M2、M3、M4和M5处理0～20 cm土层的土壤有机碳密度均显著高于20～40 cm土层，表现为随土层加深，土壤有机碳密度降低的趋势。

2.3 柑橘园土壤可溶性有机碳（DOC）含量的变化

土壤可溶性有机碳（DOC）主要来源于近期外源有机物输入和土壤有机质中的腐殖质，是养分移动的载体因子，对土壤C、N、P、S等的迁移转化起着重要作用。由图3可见，不同处理土壤DOC含量的大小顺序为M4>M5>M3>M2>M1>CK。0～20 cm土层中，M2、M3、M4和M5处理DOC含量分别比CK和M1处理提高26.39%和13.95%、41.73%和27.24%、75.97%和58.66%、37.72%和24.17%，其中M2、M3、M4和M5与CK处理间的差异达到显著水平，M3、M4和M5与M1处理间的差异亦达显著水平。20～40cm土层中，M2、M3、M4、M5处理土壤DOC含量均显著高于CK处理，但M1处理与CK处理间的差异不显著。就垂直变化而言，不同处理0～20 cm土层土壤DOC含量均高于20～40 cm土层，表现为随土层加深，土壤DOC含量呈降低的趋势。

2.4 柑橘园土壤微生物量碳（MBC）含量的变化

土壤微生物量碳是土壤有机碳转化的活性库或源，是碳素循环和周转的媒介，是表征土壤受外界影响后土壤有机碳变化状况的较好指标。由图4可见，不同处理土壤微生物量碳含量表现为施有机肥处理（M2、M3、M4、M5）高于单施化肥和不施肥处理，且土壤微生物量碳含量随着有机肥施用量的增加而提高。在0～20 cm土层中，土壤微生物量碳含量以M4处理最高，分别比CK、M1、M2、M3和M5处理增加264.25%、117.74%、106.42%、74.98%和4.17%，其中M4与CK、M1、M2和M3处理间的差异均达到显著水平，但M4与M5处理间的差异不显著。M1处理比CK处理提高66.52%，它们间的差异亦达到显著水平。20～40 cm土层M1、M2、M3、M4和M5处理的土壤微生物量碳含量均显著高于CK处理，但M1、M2、M3、M4和M5处理间的差异不显著。就垂直变化而言，各处理0～20 cm土层微生物量碳含量均显著高于20～40 cm土层，表现为随土层加深，土壤微生物量碳含量呈降低的趋势。

2.5 柑橘园土壤颗粒有机碳含量的变化

由图5可知，0～20 cm土层有机肥处理的柑橘园土壤颗粒有机碳含量显著高于化肥（M1）处理和不施肥（CK）处理，其中以M4处理的土壤颗粒有机碳含量最高，分别比CK、M1、M2、M3和M5处理增加73.7%、66.6%、41.2%、17.3%和3.6%，其中M4与CK、M1和M2处理间的差异达到显著水平，但M4与M3及M5处理间的差异不显著。M1处理土壤颗粒有机碳含量比CK处理提高4.3%，但差异未达到显著水平。从20～40 cm土层来看，不同处理的土壤颗粒有机碳含量大小顺序为M4>M5>M3>M2>M1>CK，但各处理间的差异均不显著。就垂直变化而言，各處理0～20 cm土层颗粒有机碳含量均显著高于20～40 cm土层，表现为随土层加深，土壤颗粒有机碳含量呈降低的趋势。

2.6 柑橘园土壤轻组有机碳（LFOC）含量的变化

土壤轻组有机碳主要由可识别的不同分解阶段的植物残体组成，是土壤中的易分解碳库，常被作为判断耕作、施肥等对土壤碳库影响的一个非常快速而有效的衡量指标。由图6可知，柑橘园0～20 cm土壤轻组有机碳含量随着有机肥施用量的增加而增加。M3、M4和M5处理土壤轻组有机碳含量分别比CK和M1处理提高36.88%和70.61%、87.41%和22.54%，52.74%和67.78%，且与CK和M1间的差异达到显著水平，但M4和M5处理间的差异不显著。M2处理土壤轻组有机碳含量比CK和M1处理分别提高31.07%和17.34%，但与CK和M1处理间的差异不显著，CK与M1处理间的差异亦不显著。

2.7 柑橘园土壤活性有机碳与总有机碳间的关系

相关分析结果表明，供试柑橘园土壤总有机碳与各活性有机碳形态间以及不同活性有机碳形态之间均存在显著或极显著的正相关关系（p<0.01）（表3），說明了不同施肥方式下柑橘园土壤有机碳活性组分的变化很大程度上依赖于有机碳总储量的变化，故土壤有机碳活性组分变化能够很好地反映出土壤有机碳库的变化；另一方面也说明了有机碳活性组分之间关系密切，虽然它们的表述与测定方法不同，但都在一定程度上表征了土壤中较高活性部分的有机碳含量。

2.8 柑橘园土壤有机碳质量的变化

土壤中活性碳库占总有机碳的百分比可以反映土壤有机碳质量，其中土壤微生物生物量碳/全碳作为土壤碳库质量的敏感指示因子可以推断碳素的有效性；土壤活性碳与全碳的比值可以度量土壤有机碳的氧化稳定性[10-11]；轻组有机碳/全碳可以表示土壤有机碳在非保护性库中的分配比例[12]。由表4可知，不同施肥处理柑橘园土壤可溶性有机碳、微生物量碳、颗粒有机碳、轻组有机碳占总有机碳比率的大小顺序为M5>M4>M3>M2>M1>CK，说明施用有机肥或有机无机肥配施可以不同程度提高柑橘园土壤碳素的有效性、氧化稳定性以及土壤有机碳在非保护性库中的分配比例，有利于提高果园土壤有机碳的质量。

3 讨论与结论

3.1 讨论

果园生态系统的碳投入主要来自根系及其分泌物、凋落物和有机肥投入，施用有机肥可以刺激根系和地上部分生长，从而增加土壤有机碳含量[13]。本研究施肥试验结果表明，采用有机无机配施有利于提高土壤有机碳含量，且呈现出随有机肥施用量增加而增加的趋势，这是由于施用有机肥为果树和地被杂草的生长提供了大量所需养分，从而促进了植物根系的生长，根系分泌物增加，并加快了细根的周转速率等原因所致[14]。Leroy等[15]采用旋耕机将有机肥施入土壤1 a后（施肥量为4 t C/hm2），调查土壤有机碳含量的变化发现，施用牛粪+秸秆和蔬菜、水果废弃混合物处理的土壤有机碳含量有显著提高。赵红等[16]采取先将有机肥洒于土壤表面然后翻耕的施肥方法，连续2 a后的试验结果表明，少量施加牛粪不能显著增加土壤有机碳含量，但随着牛粪施用量的增加（>20.7 t/hm2），土壤中的有机碳含量也明显增加。本研究中不同有机肥处理与不施肥和化肥处理间土壤有机碳含量并没有显著性差异，这与本实验有机肥的施用方法和土壤采集方法有关。为了减少对果树根系的伤害，果园施肥采用条形沟施肥法，从而导致有机肥并未与土壤完全混合。土壤样品采集时为了避免施肥沟处土壤有机碳含量偏高，采取在施肥沟内外侧30 cm处采集土壤混合样品。因此施肥沟内外侧的土壤有机碳主要来源于枯死凋落物、根系分泌物、枯死细根的输入以及施肥沟内有机碳在土壤中随水分的迁移等[17]，短期内施肥并不能引起枯死凋落物和细根等外源碳量的显著变化[18]，土壤中移动性较强的活性有机碳占总有机碳的比例又非常小，这些都是导致本研究中短期内施用有机肥致使果园土壤有机碳含量未显著增加的主要原因。

土壤活性有机碳是土壤中碳库源汇转化最活跃的部分，其对农业管理措施十分敏感。本研究结果表明，单施有机肥、有机无机配施处理土壤微生物量碳和可溶性有机碳含量均高于单施化肥和不施肥处理，说明施用有机肥后，这些物质进入土壤后易被分解利用，腐解过程中放出大量活性组分，增加了土壤中可溶性有机碳含量；随着投入的有机物及活性有机碳组分的增加，土壤微生物生命活动需的能量来源丰富，土壤微生物迅速增殖，进而微生物量碳含量显著增加。土壤活性有机碳占土壤总有机碳的比率被称为该种活性有机碳的分配比例[19]，它比活性有机碳总量更能反映不同施肥作用对土壤碳行为的影响效果。张璐等[20]长期施肥对3种典型农田土壤-黑土、灰漠土和红壤有机碳影响的研究表明，长期不施肥或只施氮肥多数导致土壤总有机碳含量和活性有机碳所占比例下降，有机无机配施能维持和提高土壤有机碳含量和活性有机碳所占比例。在本研究中，无机有机配施处理土壤活性有机碳占总有机碳的比率均高于对照和单施化肥处理。各种活性有机组分之间的显著关系表明，不同有机碳组分之间具有显著的相关性，表明不同有机碳组分之间相互影响，特别是在短期内轻组有机碳、可溶性有机碳、微生物生物量碳可作为土壤有机质变化的敏感指标。

3.2 结论

相对不施肥处理，施用菌渣有机肥一定程度提高了果园土壤有机物的输入量，进而能提高土壤有机碳含量5.8%～14.8%，土壤轻组有机碳、可溶性有机碳、微生物量碳也分别提高了17.3%～87.4%、14.0%～76.0%和6.0%～264.2%，且随着菌渣施用量的增加，果园土壤有机碳含量增加幅度提高，但施用菌渣有机肥并未显著提高果园土壤总有机碳含量，而轻组有机碳、可溶性有机碳、微生物生物量碳等组分显著增加，因此其可作为反映土壤有机质变化的敏感指标。

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