长期施有机肥对黄壤旱地不同粒径有机碳矿化的影响

安世花， 李 渝， 王小利*， 段建军， 张雅蓉， 蒋太明

(1.贵州大学 农学院， 贵州 贵阳 550025； 2.农业部贵州耕地保育与农业环境科学观测试验站， 贵州 贵阳 550006； 3.贵州大学 烟草学院/贵州省烟草品质研究重点实验室， 贵州 贵阳 550025)

土壤有机碳作为土壤肥力的重要指标[1]，其输入方式主要有自然输入(地上部分的植株落叶和地下部分的根系分泌物)和人为投入(施肥)，输出主要通过土壤有机碳矿化释放CO2。土壤有机碳的固碳能力是有机碳输入和输出平衡的结果。不同粒径有机碳作为生物有效性的重要限制因子，会引起土壤有机质与粘土颗粒之间在结合方式及结构等方面存在差异，也会影响微生物活性，从而导致不同粒径有机碳的矿化存在差异。粒径小的有机质含量高于大粒径组分，且小粒径组分含量越高，土壤有机碳的矿化越易进行[2]。郝瑞军等[3]指出，水稻土中不同粒级团聚体之间有机碳矿化速率存在明显差异，均以1～2 mm粒级团聚体最高， <0.053 mm粒级团聚体最低。长期施肥通过影响土壤氧化还原环境、土壤团聚体稳定性、粒级分布和养分含量进而影响土壤有机碳的矿化[4-5]。在水稻土、栗褐土、黄土高原区旱地、南方红壤旱地上长期用化肥及有机无机肥配施可促进土壤有机碳矿化，且CO2释放速率在培养前期较高，培养后期趋于稳定；就矿化速率和累积矿化量而言，单施有机肥具有提高作用，而长期施肥却降低土壤有机碳累积矿化量占总有机碳含量的比例，有利于土壤碳的固持和积累[6-12]。

目前，将不同粒径组分、长期施肥和土壤有机碳矿化结合在一起研究土壤有机碳矿化的变化规律相对较少。在海拔、气候、降雨量和温度相同的条件下，由于水田和旱地的利用方式不同，土壤含水量不一样，使土壤有机碳含量具有差异性，土壤有机碳的矿化作用存在差异。针对不同粒径组分旱地土壤有机碳矿化规律与施肥的关系，以贵州省农业科学院长期定位试验的黄壤性旱地为研究对象，研究长期施用有机肥对不同粒径有机碳矿化的影响，探讨长期定位施肥下不同粒径有机碳与土壤有机碳矿化间的关系，为制定黄壤合理的培肥措施提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于贵州省贵阳市花溪区贵州省农业科学院内(106°07′E、26°11′N)，平均海拔1 071 m。气候温和，热量丰富，且热、水、光同期，属亚热带季风气候。年平均气温约15.3℃，年平均日照时数约1 354 h，相对湿度75.5%，全年无霜期约270 d，年降雨量1 100～1 200 mm。试验地为黄壤旱地，成土母质为三叠系灰岩与砂页岩残积物。1995年土壤0～20 cm基本性质：有机质含量15.15 g/kg,全氮0.85 g/kg,全磷0.71 g/kg,全钾13.29 g/kg,碱解氮67.9 mg/kg,有效磷15.9 mg/kg,速效钾109.2 mg/kg,pH 5.39。种植作物为单季玉米，品种分别为交3单交( 1995—1998年)、黔单10号(1999—2000年、2002—2003年)、农大108( 2001年) 、黔玉2号( 2004—2005年)、黔单16号( 2006—2012年)、金玉818( 2013—2014年)、中农大239(2015年)。玉米通常于4月份播种，8月中下旬收获，玉米秸秆及根茬直接还田，其余时间休闲。

1.2 试验设计

试验时间为1995-2017年共22年。试验设单施有机肥(M)和不施肥(CK)2个处理，有机肥施肥量约为2 000 kg/667m2。采用大区对比试验，不设重复，每处理面积340 m2，有机肥为牛厩肥(含C 413.8 g/kg，N 2.7 g/kg，P2O51.3 g/kg、K2O 6.0 g/kg)。

1.3 土壤样品采集

土壤样品于2017年玉米收获后进行采集。每个处理区分为3个小区，以“S”形5点取0～20 cm的土壤样品，混合均匀，每小区取3次土样，捡除土壤样品中的动植物残体及大颗粒石块，风干后过2 mm筛备用。

1.4 土壤有机碳的分组

利用湿筛法将过2 mm筛的土壤样品分为粗颗粒(粒径>250)、微团聚体(53≤粒径≤250)、单粉粘粒有机碳(2≤粒径<53)和单黏粒有机碳(粒径<2)4个组分[13-14]。具体步骤:微团聚体分离器套筛由2个不同目径的筛子组成，顶部筛为250 μm，底部筛为53 μm。试验开始前固定好套筛，放入盛有一定蒸馏水的铝盆中，称取30 g过2 mm筛的风干土样平铺于顶部筛中，使蒸馏水淹没土壤高出约3 mm，向顶部筛中加入30个直径0.5 mm的玻璃珠，启动装置，让其摆动20 min，关闭电源，顶部筛上的物质为粗颗粒组分，底部筛上的则是微团聚体组分，铝钵中的水土混合液为单粉粘粒有机碳，水土混合液在900 r/min下离心7 min后，沉淀部分为单粉粒有机碳，上层液再在3 200 r/min下离心15 min弃去上清液，沉淀则为单黏粒有机碳。分离出的各个粒径组分用蒸馏水转移至铝盒中于60℃下烘干，研磨，保存于自封袋中，贴上标签。每个土样至少重复5次以达到后期矿化培养及各个粒径有机碳测定所需的质量。

1.5 不同粒径组分的培养

称取原土、粗颗粒、微团聚体、单粉粒和单黏粒4组分各3 g，分别放入已贴好标签的小烧杯中，缓慢加蒸馏水至适度(田间持水量的60%)，转移至培养瓶中，盖紧瓶盖，25℃恒温暗培养24 h后，向培养瓶中放入装有10 mL 0.1 mol/L NaOH溶液的小烧杯，再盖紧瓶盖继续暗培养，依次在培养后2 d、4 d、6 d、8 d、10 d、12 d、14 d、16 d、19 d、22 d、25 d、28 d取出瓶中烧杯，依次加入2 mL 1 mol/L的BaCl2溶液、2滴0.5%的酚酞指示剂，再用浓度为0.1 mol/L的HCl滴定(滴定时先标定盐酸实际浓度)，溶液由红色变为白色即为滴定终点，记下所消耗的盐酸量。通过HCl消耗量计算CO2释放量[9,15]。培养的土壤用称质量法补充水分至恒重，打开瓶盖通气30 min后装入新盛有10 mL 0.1 mol/L NaOH溶液的烧杯，盖紧瓶盖继续密闭暗培养。整个培养过程每个组分设置3次重复，并设空白对照。

1.6 测定方法

不同粒径有机碳采用外加热重铬酸钾氧化法[16]测定，土壤有机碳含量(CO2，g/kg)、土壤有机碳矿化速率[CO2，g/(kg·d)]和土壤有机碳累积矿化量参照郭振等[7]的方法测定。

采用一级动力学方程Ct=C0(1/ekt) 对土壤累积矿化的CO2进行拟合[8,12, 15]。

1.7 数据分析

试验数据采用SPSS 19.0进行方差分析和LSD多重比较。用Excel 2010作图，一级动力学方程用Origin 9.0 拟合。

2 结果与分析

2.1 不同粒径组分土壤有机碳含量

由图1可知，与CK相比，长期施有机肥能提高不同土壤粒径组分的有机碳含量，M处理原土、粗颗粒、微团聚体、细粉粒、细粘粒的有机碳含量依次是CK的1.17倍、1.19倍、1.27倍、1.29倍和1.25倍。2个处理不同粒径组分的有机碳含量均存在显著差异(P<0.05)，且两者的变化趋势一致；4种不同粒径有机碳中，CK和M处理均以粗颗粒有机碳含量最高，分别为14.38 g/kg和17.16 g/kg，以细粘粒最低，为3.42 g/kg和4.28 g/kg。M处理的粗颗粒有机碳含量是细粘粒的4倍，是微团聚体和细粉粒的1.8和2.6倍，CK处理的粗颗粒有机碳含量则是细粘粒的4.7倍。在原土有机碳含量中，4种不同粒径组分的有机碳含量所占比例各不相同，其中以粗颗粒最大(CK占47%，M占47%)，细粘粒最小(CK占10%，M占11%)。

图1 不同粒径土壤有机碳含量

Fig.1 Organic carbon content of soil with different particle sizes

2.2 不同粒径组分土壤有机碳矿化速率

从图2可知，CK和M处理的不同粒径有机碳矿化速率规律基本一致，均表现为先快速下降、缓慢上升、缓慢下降、最后趋于稳定的趋势。在培养期间，CK和M处理原土及不同粒径有机碳矿化速率在0.001 0～0.256 7 g/(kg·d)和0.001 1～0.342 2 g/(kg·d)，土壤有机碳矿化速率均以培养第2天达最大值，矿化速率为原土>单粘粒>微团聚体>单粉粒>粗颗粒。前6天出现快速下降趋势，CK和M处理原土有机碳矿化速率分别下降0.217 2 g/(kg·d)和0.292 5 g/(kg·d)，4种不同粒径有机碳矿化速率中，CK以粗颗粒下降最快，为0.083 1 g/(kg·d)；单粘粒下降最慢，为0.067 3 g/(kg·d)；而M则以单粘粒下降最快，为0.119 0 g/(kg·d)，粗颗粒下降最慢，为0.085 2 g/(kg·d)。6～12天缓慢上升，CK和M处理的上升幅度都不大，为-0.001 4～0.031 6 g/(kg·d)和-0.011～0.006 1 g/(kg·d)。12～19天缓慢下降，2个处理下降范围分别为0.030 8～0.069 2 g/(kg·d)和0.028 9 ～0.048 4 g/(kg·d)。19～28天趋于稳定，即CK和M处理原土及不同粒径有机碳的矿化速率基本不再变化，趋于稳定值。培养期间，CK和M处理各组分的矿化速率与培养时间符合对数函数关系，且相关性表现为极显著水平(表2)。

图2 不同粒径有机碳化速率

表2 不同粒径土壤有机碳矿化速率方程

注：y为CO2产生速率[g/(kg·d)]，x为培养天数(d)，“**”表示P<0.01。

Note:yis CO2production rate [g/(kg·d)],xis culture days (d), and ** meansP< 0.01.

2.3 不同粒径组分土壤有机碳累积矿化量

由图3可知，CK和M处理原土及4种不同粒径有机碳的累积矿化量变化趋势基本相同，均表现为随着培养时间延长，土壤有机碳累积矿化量逐渐增加，但有机碳累积释放强度逐渐减缓，长期施用有机肥可显著提高不同粒径有机碳累积矿化量。培养0～16 d土壤有机碳累积矿化量变化较大，培养16～28 d则基本趋于稳定，变化幅度较小。在CK处理中，培养28 d单粉粒有机碳累积矿化量最高，为3.847 5 g/kg。微团聚体、原土、单粘粒居中，粗颗粒最低，为3.072 7 g/kg。而M处理原土及4种不同粒径有机碳在每个培养时间内累积矿化量的大小差异明显，在3.65～3.94 g/kg，表现为原土>单粉粒>单粘粒>微团聚体>粗颗粒，与粗颗粒相比，原土培养28 d的累积矿化量提高7.95%。

图3 不同粒径土壤有机碳累积矿化量

2.4 不同粒径土壤有机碳潜在矿化势及周转速率

从表3看出，长期施用有机肥模式下，通过一级动力学方程将不同粒径组分有机碳累积矿化量与培养天数进行拟合(P<0.01)，得出土壤潜在可矿化有机碳含量(C0)、有机碳库的周转速率(k)及拟合的相关系数(R2)矿化指标。相关系数(R2)均达0.90以上，与不施肥处理相比，长期施用有机肥可增加原土中的潜在可矿化碳含量、周转速率和相关系数，但降低了半周转期。在4种不同粒径有机碳中，长期施用有机肥增加了粗颗粒和单粘粒的潜在可矿化碳含量，增长率为7.9%和7.2%，降低了微团聚体和单粉粒潜在可矿化碳，以微团聚体下降最快，为27.6%。不同粒径组分的周转速率(k)和半周转期(T1/2)存在差异但未达到显著水平(P<0.05)，周转速率为原土>单粘粒>微团聚体>粗颗粒>单粉粒，半周转期则与之相反。

表3 不同粒径有机碳累积矿化指标

注：C0为土壤潜在可矿化有机碳含量，k为有机碳库的周转速率，R2为拟合的相关系数，T1/2为半周转期，同列数据后不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

Note:C0is the soil potential mineralized organic carbon content,kis the turnover rate of the organic carbon pool,R2is the fitting correlation coefficient, andT1/2is the semi-turnover period. Different lowercase letters of the same column of data indicate significant differences between treatments (P<0.05).

3 结论与讨论

研究表明，长期施用有机肥均能增加黄壤旱地不同粒径土壤有机碳含量，大小依次是粗颗粒>微团聚体>单粉粒>单粘粒，说明粒径越大，有机碳含量越高。长期施用有机肥对黄壤旱地不同粒径有机碳的矿化速率影响较大，随着培养时间延长有机碳矿化速率呈先快速下降，再缓慢升高和下降，最后趋于稳定。整个矿化过程中4种不同粒径土粒的累积矿化量是先快速增加，然后缓慢增长，大小依次是单粉粒>单粘粒>微团聚体>粗颗粒。

土壤有机碳分解释放出CO2的过程称为碳矿化，主要受温度、水分、施肥模式、土壤颗粒结构等的影响。矿化速率大小的变化可以指示土壤的养分通量。研究中，长期施用有机肥可提高不同粒径有机碳含量，有机碳含量大小为粗颗粒>微团聚体>单粉粒>单粘粒，此结果与王芳等[16-18]的研究结果一致，说明大团聚体上分布有黏稠剂，而施肥主要提高了黏稠剂的含量，从而促使粗颗粒组分的有机碳含量提高。

土壤有机碳因其稳定性不同可分为不稳定有机碳库和稳定有机碳库，不稳定有机碳库具有易被土壤微生物分解和易矿化的特点。而后者则具有较强的稳定性，在土壤中有利于碳的储存。研究中，不同粒径有机碳矿化速率在培养第2天达最大值，其原因是试验土壤经过1周暗培养后，其微生物活性得到恢复，培养环境又提供了充足的养分。黄壤旱地原土及不同粒径有机碳矿化速率的变化趋势符合对数函数关系，与郝瑞军等[3]的研究结果相同。

有研究表明，单独施用有机肥可显著提高土壤潜在可矿化碳含量，其原因是单独施用有机肥的土壤会迫使土壤微生物分解大量的有机质才得到相应的养分元素。研究中，不施肥与单独施用有机肥处理均以粗颗粒有机碳的累积矿化量最低，这可能与不同粒径组分中不稳定性有机碳含量所占的比例不同而导致，说明大团聚体有机碳易被破坏，不利于有机碳的固定，反之则固碳能力最强，这与刘晶等[19-20]的研究结果一致。