长期施肥对褐土有机碳矿化的影响

王兴凯，徐明岗，王小利，周怀平

(1.贵州大学 农学院，贵州 贵阳 550025； 2.中国农业科学院 农业资源与农业区划研究所，北京 100081；3.山西省农业科学院 农业环境与资源研究所，山西 太原 030031)

土壤碳库是陆地表层生态系统中最大的碳库，分别是大气碳库、全球生物体碳库的3.3、4.5倍[1]。全球农业土壤面积约4.96×109hm2，碳储量约142 Pg，占陆地土壤碳储量的8%～10%[2]。2007年，联合国政府气候变化专门委员会(IPCC)报告中提出，全球农业温室气体减排的自然总潜力每年高达2 300～6 400 Mt(CO2当量)，其中，90%以上来自土壤固碳作用[3]。因此，农田土壤有机碳的矿化规律是全球气候变化的研究热点之一。

土壤有机碳的矿化是陆地生态系统中重要的生物化学过程，直接影响到土壤养分的释放与维持、土壤质量的保持。土壤有机碳的矿化受温度[4-5]、水分[6]、质地[7]等多种因素的综合影响。农田生态系统碳循环受人类农业综合管理活动的影响，施肥作为培育土壤肥力的主要手段，直接影响土壤有机质的组成和性质，由此影响着土壤有机碳的矿化。陈涛等[8]通过对湖南省稻田土壤研究发现，3个监测点中化肥配施有机肥显著增加了CO2的累积排放量，不同施肥处理土壤有机碳矿化量与总有机碳含量之间达到极显著相关水平。LI等[9]发现，土壤有机碳含量和土壤有机物的输入会影响有机碳的矿化强度。李梦雅等[10]发现，长期不同方式施肥影响红壤有机碳矿化的CO2释放量，且各处理间差异显著。郭振等[11]认为，黄壤性水稻田长期施用有机肥能够提高土壤有机碳的矿化速率，促进土壤有机碳积累的同时降低其累积矿化率。MO等[12]研究表明，热带森林土壤施氮肥后，年平均呼吸速率显著低于不施肥处理。国内外学者在施肥对土壤有机碳矿化的影响方面开展了大量研究，但受气候、耕作和土壤母质等诸多因素的影响，相同施肥措施在不同区域、不同土壤类型上，对土壤有机碳矿化影响方面存在差异[13-14]。本研究依托山西省寿阳县26 a长期定位施肥试验，分析长期施肥对褐土有机碳矿化的影响，为褐土有机碳库的管理提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验地位于山西省寿阳县宗艾镇旱作节水农业试验示范基地内(113°06′E、37°58′N)，地处暖温带半湿润偏旱区，年均气温7.4 ℃，≥10 ℃积温3 400 ℃·d，年降水量501.1 mm，年蒸发量1 600～1 800 mm，无霜期约130 d，年日照时数2 858.3 h。试验地为褐土，成土母质为马兰黄土，黄土旱塬地。试验从1992年4月开始，初始耕层(0～20 cm)土壤有机质含量23.8 g/kg、全氮含量1.05 g/kg、全磷含量(P2O5)0.755 g/kg、碱解氮含量106.4 mg/kg、速效磷含量4.84 mg/kg、速效钾含量100 mg/kg、pH值8.3。玉米一年一熟制。

1.2 试验设计

长期定位施肥试验设置不同用量氮肥、磷肥与有机肥配施以及单施高量有机肥，以不施肥对照(CK)，共18个处理。小区面积66.7 m2，随机排列，无重复。选取6个具有代表性的施肥处理：N3P3(单施化肥)、N3P4M1(施用化肥及低量有机肥)、N3P1M2(施用化肥及低量有机肥)、N3P2M3(施用化肥及低量有机肥)、M6(单施有机肥),以不施肥为对照(CK)。各处理的施肥量见表1。氮肥为尿素(含N 46%)，磷肥为过磷酸钙(含P2O514%)，有机肥为风干牛粪，其有机质含量90.5 g/kg，全氮含量3.93 g/kg，全磷(P2O5)含量1.37 g/kg，全钾(K2O)含量14.1 g/kg。室内模拟培养试验为氮肥、磷肥、有机肥三因素四水平正交设计。

表1 不同处理的施肥量

1.3 土壤样品采集

于2017年11月上旬，玉米收获后采集土壤样品，在各小区按“S”型采集耕层(0～20 cm)土壤，共15个点，混合均匀后分成3个重复，采集6个处理，共18个土壤样品。将土壤样品除去动植物残体，室温下风干，一部分过2 mm孔径筛用于矿化培养，一部分过0.149 mm孔径筛用于测定土壤有机碳含量。

1.4 测定方法

土壤有机碳含量采用重铬酸钾外加热法测定[15]。

土壤有机碳的矿化量采用碱液吸收法测定[16-18]：称取风干土壤样品(过2 mm孔径筛)30.0 g于50 mL烧杯中，用蒸馏水调节至田间持水量的60%左右，置于1 L培养瓶中，在25 ℃培养箱中预培养7 d，然后将盛有20 mL 0.1 mol/L NaOH溶液的50 mL烧杯置于培养瓶中，加盖密封，在25 ℃恒温箱中进行暗培养。共6个处理，重复3次，同时设3个对照，共21个培养瓶。分别在培养的第1、2、4、6、8、10、12、16、20、24、28、32天更换烧杯并用称质量法加水至恒质量，取出烧杯后用盐酸滴定法计算NaOH溶液中吸收的CO2量。

土壤有机碳矿化量(以CO2计)=CHCl×(V0-V1)×22/0.03，CHCl为盐酸浓度(mol/L)；V0为空白滴定的体积(mL)，V1为消耗盐酸的体积(mL)。

土壤有机碳累积矿化量(Ct)为培养t(d)时间内的累积矿化量(mg/kg)。采用一级动力学方程[Ct=C0(1-e-kt)]进行拟合。C0为土壤潜在可矿化有机碳量(mg/kg)，t为培养时间(d)，k为土壤有机碳库的周转速率常数(d-1),T1/2为土壤有机碳库半周转期(d)，T1/2=ln2/k。

土壤有机碳矿化速率为培养时间内有机碳的日矿化量。

土壤有机碳累积矿化率=培养结束后土壤有机碳累积矿化量占土壤有机碳含量的比率。

1.5 数据分析

采用SPASS 20.0进行方差分析和Duncan’s多重比较，Excel 2017作图，Origin 9.0进行一级动力学方程的拟合。

2 结果与分析

2.1 长期施肥对土壤有机碳含量的影响

各处理之间土壤有机碳含量见图1，与CK相比，M6处理土壤有机碳含量较CK提高了156.75%，N3P4M1、N3P1M2、N3P2M3处理较CK分别提高了46.03%、75.89%、103.57%，均与CK差异显著。N3P3处理土壤有机碳含量较CK仅提高了6.28%，差异未达到显著水平。

不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)，下同

2.2 长期施肥对土壤有机碳矿化速率的影响

由图2可知，土壤有机碳矿化速率随着培养时间的延长，呈先上升后下降的趋势。各处理土壤有机碳矿化速率随培养时间的变化符合对数函数关系y=a-b ln(x)，相关性均达到极显著水平(表2)。根据土壤有机碳矿化速率的变化情况，大致可以分为3个阶段：培养前期(第1～2天)，土壤有机碳矿化速率迅速提高，并在第2天达到峰值；培养中期(第2～4天)，土壤有机碳矿化速率迅速下降，变化幅度较大，各处理第4天的土壤有机碳矿化速率为第2天的45.2%～91.5%；培养末期(第4～32天)，土壤有机碳矿化速率缓慢下降，且随着培养时间的延长，不同施肥处理土壤有机碳矿化速率基本一致。

不同处理土壤有机碳矿化速率差异主要表现在前4 d，以M6处理土壤有机碳矿化速率较高，介于88.8～184.1 mg/(kg·d)，N3P4M1、N3P1M2、N3P2M3处理土壤有机碳矿化速率分别介于53.0～117.4、81.0～124.2、76.1～130.4 mg/(kg·d)，均明显高于CK和N3P3处理。

图2 不同处理土壤有机碳矿化速率Fig.2 Soil organic carbon mineralization rate of different treatments

TreatmentRegression equationR2CKy=59.444-10.35ln(x)0.727 5∗∗N3P3y=74.522-14.88ln(x)0.628 2∗∗N3P4M1y=104.96-24.06ln(x)0.665 6∗∗N3P1M2y=128.85-28.37ln(x)0.887 4∗∗N3P2M3y=127.58-26.34ln(x)0.886 2∗∗M6y=156.95-34.96ln(x)0.801 7∗∗

注：y为土壤有机碳矿化速率，x为培养时间，**表示相关性达到极显著水平(P<0.01)。

Note：yis soil organic carbon mineralization rate,xis incubation time,**indicate the correlation is extremely significant (P<0.01).

2.3 长期施肥对土壤有机碳累积矿化量的影响

由图3可知，不同处理土壤有机碳累积矿化量均随培养时间的延长呈上升的趋势。培养结束(第32天)时，各处理土壤有机碳累积矿化量介于1 021.12～2 066.86 mg/kg，与CK相比，N3P3、N3P4M1、N3P1M2、N3P2M3、M6处理土壤有机碳累积矿化量分别提高了6.06%、27.17%、65.32%、82.29%、102.41%。

土壤有机碳累积矿化率的大小可以反映土壤固碳能力的强弱，土壤有机碳累积矿化率越低,土壤的固碳能力越强。如图4所示，培养32 d后，与CK相比，各处理土壤有机碳累积矿化率均有所降低，以M6处理降低幅度最大，与CK相比降低了2.35%。其后依次是N3P4M1、N3P2M3、N3P1M2处理，与CK相比分别降低了1.44%、1.16%、0.67%。N3P3处理土壤有机碳累积矿化率降低幅度最小，与CK相比降低了0.26%。

图3 不同处理土壤有机碳累积矿化量Fig.3 Cumulative mineralization of soil organic carbon of different treatments

图4 不同处理土壤有机碳累积矿化率Fig.4 Cumulative mineralization rate of soil organic carbon of different treatments

2.4 不同施肥处理土壤有机碳矿化参数

对培养期间土壤有机碳累积矿化量的动态变化进行一级动力学方程[Ct=C0(1-e-kt)]拟合[19]，各处理拟合决定系数R2均大于0.990 0，表明该一级动力学方程可以较好地描述不同处理土壤有机碳累积矿化量的变化动态。结果表明(表3)，各施肥处理C0值均高于CK，其中，N3P1M2、N3P2M3、M6处理C0值较CK依次提高了75.40%、82.54%、108.73%，与其他处理差异显著；N3P4M1处理C0值较CK提高了4.76%，说明长期施用有机肥有利于C0值的增加。各处理k值大小顺序为N3P4M1>N3P3>N3P1M2>N3P2M3>M6>CK，T1/2大小顺序则与之相反，表明长期不同施肥处理均可有效提高土壤有机碳库周转速率，缩短周转时间。

表3 不同处理土壤有机碳矿化参数

注：同列数据后不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)，**表示相关性达到极显著水平(P<0.01)。

Note： The different letters following the same column indicate significant differences between treatments(P<0.05),**indicate the correlation is extremely significant(P<0.01).

3 结论与讨论

3.1 土壤有机碳含量

施用化肥对不同类型土壤有机碳含量的影响存在差异[20]。本研究表明，长期施用化肥对褐土有机碳含量无显著影响，与李渝等[21]和吴萌等[22]的研究结果不同，但与郭振等[11]和王朔林等[23]的研究结果一致。其主要原因在于，化肥可以促进作物生长，增加作物根茬及根系分泌物归还量，进而提高土壤有机碳含量，当这些外源有机物质不足以弥补土壤有机碳矿化消耗时，土壤有机碳含量就会降低[24]。本研究中，N3P4M1、N3P1M2、N3P2M3、M6处理均能提高土壤有机碳含量，其中，以M6处理提高最为显著，其次为N3P2M3处理，这是因为有机肥与化肥配施，一方面增加了作物产量，使作物残留物量增加，另一方面有机肥直接向土壤提供了有机碳源[25]。

3.2 土壤有机碳矿化速率和累积矿化量

土壤有机碳矿化所释放的CO2是通过土壤微生物分解而产生的，是土壤生物学活性的综合体现[24]。施肥通过改变土壤微生物的活性影响土壤有机碳的矿化[26]。本研究在培养的第2天，不同处理的土壤有机碳矿化速率均达到峰值，这是因为，矿化初期土壤中存在易分解的糖类、蛋白质等有机物质，为微生物提供了丰富的养分，提高了微生物活性[27]。随着培养时间的延长，土壤有机碳矿化速率随着有机物的减少而逐渐变慢，各处理土壤有机碳矿化速率与培养时间呈对数函数关系，与陈涛等[8]研究一致。

郭振等[11]研究表明，在黄壤性水稻田中施用化肥，土壤有机碳累积矿化量和日均矿化速率均低于不施肥处理。李英臣等[28]研究指出，随着培养时间的延长，湿地草甸沼泽土有效碳源成为微生物活动的限制因素，土壤微生物活性降低，从而土壤有机碳累积矿化量降低。相反，李梦雅等[10]和王朔林等[23]研究表明，长期施用化肥可增加土壤有机碳累积矿化量。本研究中，长期施肥处理的土壤有机碳累积矿化量均高于CK，原因在于，长期施用化肥提高了土壤养分，提高了作物产量，增加了土壤生物归还量[29]。

本研究中，与CK相比，施肥处理虽然提高了土壤有机碳累积矿化量，但并没有提高土壤有机碳累积矿化率。其中，M6处理的土壤有机碳累积矿化量最高，而土壤有机碳累积矿化率最低。表明长期施肥在提高土壤有机碳累积矿化量的同时不会提高土壤有机碳的累积矿化率，有利于土壤有机碳的固持，尤其是化肥配施有机肥和单施有机肥处理，这可能是因为有机肥的胶结作用促进土壤团聚体的形成，避免土壤有机碳与微生物的接触和降解[30]。

3.3 土壤有机碳矿化参数

本研究中，M6处理的C0值最高，其次是N3P2M3处理，与李梦雅等[10]和郭振等[11]的研究结果一致，其原因是施用有机肥直接为微生物提供有效碳源，提高了微生物的活性并促进了微生物的生长繁殖，因此提高了C0值。

李梦雅等[10]的研究表明，化肥配施秸秆的k值显著低于单施化肥，延长了有机碳库的T1/2，这可能与单施化肥处理生物活性有机碳主要来自植物残茬，易于分解有关。陈吉等[31]研究发现，长期施肥处理对k值的影响并不显著，与郭振等[11]的研究结果一致。本研究中，CK的k值明显低于施肥处理，这是因为k值受土壤类型、养分含量、颗粒组成及pH值等多种因素的综合影响，与土壤母质也有很大关系[32]，与王朔林等[23]的研究结果一致。

长期施用化肥、化肥配施有机肥和单施有机肥均能提高土壤有机碳含量、有机碳矿化速率、累积矿化量、C0值，其中以单施有机肥效果最为显著。此外，长期施肥与不施肥相比，土壤有机碳累积矿化率降低，有机碳损失率降低，有利于土壤有机碳的固持，其中以单施有机肥效果最佳，可作为褐土培肥管理的最佳选择。