长期施肥对南方红壤碳库管理指数的影响

熊翱宇, 程 谅

(华中农业大学 水土保持研究中心, 武汉 430070)

土壤是碳的重要储存部位，是碳循环的重要组成部分[1]。土壤有机碳是土壤肥力的重要指标之一，保持土壤有机碳有利于保持土壤肥力，增加农作物产量和质量[2]。但是由于土壤有机碳贮量巨大，外界环境变化引起的土壤有机碳量变化在短期内无法表现出来[3]。而水溶性有机碳(WSOC)，颗粒有机碳(POC)，热水提取碳(HWSC)等活性有机碳组分能灵敏的反映外界条件对土壤有机碳的细小影响[4]，是指示土壤有机碳状态、反映土壤碳库动态的较有用的敏感性指标[5]，同时活性有机碳组分对土壤碳库平衡和土壤化学、生物化学肥力保持具有重要意义[6]。有机碳含量不能直接表征土壤肥力的高低，因此Blair等[7]提出碳库管理指数(CMI)，能较全面的反映外界条件对土壤有机碳含量和质量的影响。较高的CMI表明该种植系统中的管理措施改善土壤有机碳的能力比其他系统中的管理措施强。张丽莉等[8]的研究指出，农作物种植制度是影响土壤质量演化和土壤可持续化利用的关键因素之一。研究长期不同施肥措施对土壤有机碳和碳库管理指数的影响，得出田间最佳的管理方式，有利于促进土壤碳固存，减少土壤碳排放，增加农作物的产量与质量。

南方红壤区是我国重要的粮食输出产区，研究各种田间管理措施和外界条件对南方红壤区土壤肥力的影响情况，有利于提高南方红壤区粮食作物的产量与质量。我国学者针对南方红壤区碳库管理指数的研究较多，陈晓旋等[9]研究了模拟酸雨情况下对福州平原水稻田碳库管理指数的影响，发现酸雨显著降低了土壤的碳库管理指数，不利于水稻的生长。张鹏等[10]在赣东北典型双季水稻区试验田研究不同的冬种模式对冬闲田的碳库管理指数的影响，发现冬季轮作(马铃薯、紫云英、油菜)模式是最佳的冬闲田种植模式。彭华等[11]在湖南省长沙县研究不同稻草还田模式对土壤碳库管理指数的影响，发现稻田免耕覆盖稻草+冬季翻埋稻草的技术模式增加土壤有机碳，活性有机碳和碳库管理指数最高，是适合双季稻田稻草还田增碳的技术模式。国内对南方红壤区的碳库管理指数研究较丰富，特别是水稻田，但是对不同施肥措施对小麦—玉米轮作休耕系统红壤的碳库管理指数的影响的研究还比较少，因此对于该系统还不明确何种田间施肥方式为最佳。本文通过长期定位试验研究4种施肥措施(不施肥，施有机肥，施氮磷钾肥，氮磷钾肥与秸秆配施)对小麦—玉米轮作休耕系统土壤有机碳和碳库管理指数的影响，探索出田间最佳的施肥方式。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

长期定位试验地点位于湖北省咸宁市贺胜桥镇(29°57′—30°02′N,114°16′—114°29′E)，该地区气候温和，降水充沛，日照充足，四季分明，无霜期长。冬季盛行偏北风，偏冷干燥;夏季盛行偏南风，高温多雨。年平均气温16.8℃，极端最高气温41.4℃，极端最低气温为零下15.4℃。年平均降水量1 577.4 mm，年平均日照时间为1 754.5 h，年平均无霜期为245～258 d。主要灾害性天气有倒春寒、大暴雨、水灾、洪涝及夏旱、伏旱等。该地区土壤侵蚀类型有沟蚀、重力侵蚀、面蚀，其中以面蚀为主[12]。

试验地点共设置4种施肥处理，每种处理4个重复，共设置16个小区，小区按随机区组排列，每个小区形状大小相同(长7 m，宽3 m)。小区建立于1998年，建立之前为荒草地，建立之后就开始施肥耕作，种植模式为夏玉米—冬小麦一年两熟模式，到2016年夏季开始休耕。施肥处理方式见表1，设置了施有机肥(T1)、施氮磷钾肥(T2)、氮磷钾与秸秆配施(T3)和不施肥(CK)4种处理，其中不施肥作为对照。秸秆为作物收割之后的玉米秸秆和小麦秸秆。耕作方式为人工浅翻耕，管理方式与当地耕地的管理方式一致。

表1 施肥处理方式

1.2 土壤样品采集

样品采集时间为2017年7月，采集之前已休耕将近一年时间，样品采集之后立即回实验室进行试验。在各个小区中，采用“S”型随机采样法，选择5个点，去除土壤表面枯落物后，分3个土层采样(0—15 cm,15—30 cm,30—45 cm)，将各个小区采集的土样混合均匀，带回实验室备用。将土壤样品中的动植物残体、植物根系、砾石去除，一部分土样待自然风干后，过60目和100目土壤筛备用，另一部分新鲜土样存于4℃的冰箱中备用。同时用100 cm3体积的环刀采集各个土层的环刀样，用于测量土壤容重、毛管孔隙度、毛管持水量和饱和含水率等土壤基本性质，每层重复3次。

1.3 样品分析与方法

土壤容重和毛管孔隙度采用环刀法测定，饱和含水率与毛管持水量用烘干法测定，土壤pH用电位法测定(水土比为2.5∶1),LOC采用高锰酸钾氧化法[13]测量，POC采用Cambardella和Elliott[14]提出的方法测量，WSOC采用多水土比色法，HWSC采用Chantigny等[15]提出的方法测量，SOC采用重铬酸钾氧化—外加热法测量[16],TC用总有机碳分析仪(Elementar,Vario TOC Select)测量。

灵敏性指数可以反映各个活性有机碳组分对管理措施反映的灵敏性，根据Seema等[17]提出的灵敏性指数计算公式求各活性有机碳组分的灵敏性指数。

碳库管理指数(CMI)采用Blair等[3]提出的方法计算:

碳库管理指数(CMI)=CPI×LI×100%

式中:CPI表示碳库指数,为样品有机碳含量与对照有机碳含量的比值;LI表示碳库活度指数,为样品碳库活度与对照碳库活度的比值;碳库活度为活性有机碳含量与非活性有机碳含量的比值。

1.4 数据处理

数据的处理与统计分析在Excel 2010和SPSS 20.0软件中进行，用Origin 2017软件作图。相关性分析采用Person相关分析法。

2 结 果

2.1 土壤基本性质

各施肥处理的土壤基本性质见表2,4种处理的土壤容重都随土层深度的增加而增加。在0—15 cm土层中，T1，T2和T3处理的土壤容重较CK分别降低了10%,5%,6%，且差异性显著(p<0.05)，其中T1和T2，T3差异性显著(p<0.05),T2和T3无显著差异。15—30 cm土层中，CK容重显著高于T1，T2和T3(p<0.05)。30—45 cm土层中，各处理间容重无显著性差异。

表2 不同施肥处理在不同土层的土壤基本性质

在0—15 cm土层中，施肥处理T1，T2和T3较CK能显著增加土壤毛管孔隙度，大小关系为T3>T1>T2。15—30 cm和30—45 cm土层中，T3显著高于T1，T2和CK(p<0.05)。随着土层深度的增加4种处理的毛管孔隙度逐渐降低。毛管持水量的变化情况与之相似。

在0—15 cm土层中，3种施肥处理较CK都能显著增加土壤饱和含水率，大小关系为T1>T3>T2，其中T1与T2，T3有显著差异(p<0.05),T2和T3无显著差异(p>0.05)。15—30 cm和30—45 cm土层中，T3显著高于T1，T2和CK(p<0.05)。随着土层深度的增加4种施肥处理的饱和含水率呈降低趋势。

在0—15 cm土层中，T1和T3处理土壤的pH显著高于T2和CK(p<0.05),T1和T3无显著差异，T2和CK无显著差异。15—30 cm土层中，T3处理土壤的pH显著高于T2和CK，与T1无显著差异。30—45 cm土层中，T3显著高于T1，T2和CK(p<0.05),T1和T2无显著差异。随着土层深度的增加4种处理的土壤pH呈降低趋势。

2.2 总有机碳、活性有机碳和总碳

各种处理下不同土层深度SOC，LOC，TC变化情况见图1。对于SOC，随着土层深度的增加4种处理下的SOC含量逐渐降低。在0—15 cm土壤中，T1,T2,T3处理下的SOC含量较对照(CK)分别提升了63%,38%,78%，且存在显著性差异(p<0.05)，其中T3与T1，T2差异性显著(p<0.05),T1与T2差异性显著(p<0.05)。在15—30 cm和30—45 cm土层中，4种处理间的差异性与耕层一致。TC的变化情况与SOC一致。

在0—15 cm土层中，T1,T2,T3处理下的LOC含量较对照(CK)分别提高了46%,33%,62%，且差异性显著(p<0.05)，其中T1与T3,T2与T3存在显著性差异(p<0.05),T1与T2无显著性差异。15—30 cm土层中，T1和T3处理LOC含量显著高于T2和CK。30—45 cm土层中，T3处理LOC含量显著高于T1，T2和CK。随着土层深度的增加4种处理下的LOC含量呈下降趋势。

注:不同小写字母表示同一土层不同施肥处理之间差异显著(p<0.05)，下同。图1 各种施肥处理下土壤有机碳、活性有机碳和总碳含量的变化情况

2.3 活性有机碳组分

不同处理下的活性有机碳组分含量变化情况见图2。在0—15 cm土层中，T1,T2和T3处理下的WSOC含量分别为50.33，30.57，33.41 mg/kg，较CK分别提高了74%，6%，15%，且存在显著性差异(p<0.05)，其中，T1与T2，T3差异性显著，T2和T3差异性显著(p<0.05)。15—30 cm土层中，T1处理的WSOC含量显著高于T2，T3和CK。30—45 cm土层中，4种处理间的差异性与耕层一致。随着土层深度的增加4种处理WSOC含量呈降低趋势。

图2 不同深度土壤各种施肥处理下各活性有机碳组分变化情况

在0—15 cm土层中，T1，T2，T3和CK处理下的HWSC含量分别为89.84，78.83，85.40，67.77 mg/kg,T1，T2和T3土壤中HWSC含量显著高于CK(p<0.05)，其中T1与T2，T3差异性显著，T2和T3差异性显著(p<0.05)。15—30 cm和30—45 cm土层中，4种处理间的差异性与耕层一致。随着土层深度的增加4种处理HWSC含量呈降低趋势。

在0—15 cm土层中，T1,T2和T3处理较CK能显著提高土壤中POC含量(p<0.05)，其中以T3最高为4.78 g/kg，较CK提高了241%,T1与T2，T3差异性显著，T2和T3差异性显著(p<0.05)。15—30 cm和30—45 cm土层中，T3处理POC含量显著高于T1，T2和CK。随着土层深度的增加4种处理POC含量呈降低趋势。

2.4 灵敏性指数

计算出的不同土层活性有机碳组分在不同施肥处理下的灵敏性指数见图3，在4种处理下，3个土层的WSOC灵敏性指数范围为5.60%～193.89%，跨度较大;3个土层的HWSC灵敏性指数范围为16.32%～147.14%;3个土层的POC灵敏性指数范围为33.33%～251.52%，其中在T2处理下的30—45 cm土层出现了异常值，为-33.33%。

图3 活性有机碳组分灵敏性指数变化情况

2.5 碳库管理指数

图4为4种处理下不同土层土壤的CMI。T1，T2和T3施肥处理下3个土层的CMI值都高于100%。0—15 cm土层中，4种施肥处理土壤CMI的大小关系为T3(148.29)>T1(142.00)>T2(128.76)>CK(100.00);15—30 cm土层中，3种施肥处理土壤CMI的大小关系为T3(122.79)>T1(118.69)>T2(104.59)>CK(100.00);30—45 cm土层中，3种施肥处理土壤CMI的大小关系为T3(257.40)>T1(210.86)>T2(171.43)>CK(100.00)。T1，T2和T3处理的CMI平均值分别为157.18，134.93，176.16，所以总体上4种施肥处理的土壤CMI大小关系为T3>T1>T2>CK。

图4 不同施肥处理下不同土层的碳库管理指数

2.6 各指标间的多因素方差分析及相关性分析

土层与施肥处理的交互作用显著性检验结果见表3，结果显示，TC，SOC，LOC，POC，WSOC和HWSC在不同土层间差异性极显著(p<0.01),TC，SOC，LOC，POC，WSOC和HWSC在不同施肥处理间差异性极显著(p<0.01),TC，SOC，POC和WSOC在土层和施肥处理交互作用下差异极显著(p<0.01),LOC在土层和处理交互作用下差异显著(p<0.05),HWSC在土层和施肥处理交互作用下差异不显著(p>0.05)。

表3 土层与处理的交互作用显著性检验

分别对各个土层土壤的CMI与各指标进行相关性分析，结果见表4。在0—15 cm土层，CMI与SOC,LOC有极显著正相关关系，相关系数分别为CMI与SOC为0.994,CMI与LOC为0.992;CMI与POC有显著正相关关系，相关系数为0.958;CMI与TC,WSOC,HWSC和土壤基本性质无显著相关关系。在15—30 cm土层，CMI与SOC和TC有显著正相关关系，相关系数分别为0.971,0.975;CMI与LOC有极显著正相关关系，相关系数为0.990;CMI与其他指标无显著相关关系。在30—45 cm土层，CMI与SOC有显著正相关关系，相关系数为0.965*;CMI与LOC有极显著正相关关系，相关系数为0.994;CMI与TC无显著相关关系。

表4 不同土层CMI与各指标的相关性分析

3 讨 论

3.1 不同施肥对土壤基本性质的影响

长期施氮磷钾肥对于农作物的产量有不利影响，施氮磷钾肥对降低土壤容重与增加孔隙度影响不显著，长期施氮磷钾肥还可能造成土壤板结，导致土壤容重增大，土壤孔隙度降低，不利于作物的生长。而施有机肥和施氮磷钾与秸秆配饰的施肥方式能显著降低土壤容重，增加土壤孔隙度，可能是由于长期施肥，使作物根系和作物生物量增加，同时施肥土壤具有较高的微生物活性，在有机残渣分解过程中释放出有机酸和多糖，有机酸充当胶结剂，将土壤中的微孔转化为大孔[17]。邱吟霜[18]的研究发现施用有机肥能有效降低土壤容重，改善土壤孔隙状况，本研究结果与之一致。与对照比较，降低土壤容重能力最强的是T1,T2和T3次之。土壤容重随深度增加而增大的原因是土壤越深，压实越严重，导致容重越大。总体上，施肥处理能显著增加土壤毛管孔隙度，这可能是导致各施肥处理下的土壤饱和含水率和毛管持水率高于CK的原因之一。各施肥处理下的饱和含水率和毛管持水率高于CK的原因还可能是，施肥使作物的根系生物量增多，导致土壤中孔隙度增大。施肥处理T1和T3能显著提高土壤pH，表明施有机肥和氮磷钾与秸秆配施能防止土壤酸化，施氮磷钾对土壤pH无显著影响，有导致土壤酸化的可能。

3.2 不同施肥对SOC，TC和LOC及其组分的影响

本研究发现，长期使用有机无机肥都能显著提高土壤中有机碳的含量，这与荣勤雷[19]的研究结论一致。增加土壤中有机碳(SOC)、活性有机碳(LOC)和总碳(TC)效果最好的是T3，原因是秸秆本身含有丰富的有机碳，同时T3施肥处理让田间的小麦和玉米的生长发育优于T1和T2，使得小麦和玉米的根系生物量多于其余两种施肥处理，导致T3处理下的土壤中根系分泌物较T1,T2多，分泌物中含有较丰富的有机碳。其次是T1，直接施用的有机肥中含有丰富的有机质[20]和微生物，使其土壤中有机碳含量明显高于缺乏外源碳的T2处理，但是T1处理由于缺乏氮磷钾肥提供的植物生长所必须的氮磷钾营养元素，可能导致小麦和玉米的生长发育较T3差，根系生物量低。所以4种处理下土壤中SOC,LOC和TC含量的关系表现为:T3>T1>T2>CK。随着土层深度的增加，SOC，LOC和TC含量降低与土壤中的根系生物量与根系分泌物减少有关。

施用肥料能显著增加耕层土壤中POC，WSOC和HWSC等活性有机碳组分的含量。韩成卫[21]的研究发现有机肥中含有丰富的易被微生物分解的有机碳，输入土壤中后会释放出大量的WSOC。同时3种施肥处理提高了土壤中的微生物活性，促进了土壤中有机化合物的分解与转化[22]，使得土壤中WSOC，HWSC和POC的含量增多。肥料的输入使得根系生长加快，根系分泌物大量增加，分泌物中含有少量的WSOC和HWSC，导致施肥处理下的土壤中的WSOC和HWSC含量显著高于CK(p<0.05)。有机肥和秸秆增加了土壤中有机碳的输入，其有机碳中含有丰富的POC，从而提高了土壤中POC的含量[23]。

土层与处理的交互作用显著性检验结果显示，在不同土层间，各类碳的含量存在极显著差异(p<0.01)，随着土层深度的增加，各类碳的含量呈降低趋势，表明各类碳含量随着土层深度的增加，降低趋势明显，因此在田间栽种时，应尽量避免挖坑过深，以防止作物根系在向下生长时吸收不到充足的养分，导致发育不良。不同处理间，各类碳的含量存在极显著差异(p<0.01)，表明不同的施肥措施对土壤中各种碳含量影响巨大，现在田间施用的肥料大都为有机无机复合肥料，整体效益上优于氮磷钾肥料，但同样前者价格高于后者，因此考虑到经济效益，田间经营者应充分利用牲畜和人类粪便等天然有机肥和田间作物秸秆，同时配施适量的氮磷钾肥，在改善作物产量与质量的同时降低成本。在土层和处理的交互作用下，除HWSC外，其余种类的碳含量间存在显著(p<0.05)和极显著(p<0.01)差异，表明土层和施肥处理的交互作用对部分碳的含量影响较大。总体来看，土层与处理对土壤中各种碳的改善有决定性作用。因此田间经营者在进行田间管理的时候，要综合考虑环境因素和人为因素，合理高效利用环境因素提供的便利，做到可持续化生产。

3.3 灵敏性指数及不同施肥对CMI的影响

灵敏性指数可以帮助确定对田间施肥措施最有反映的LOC组分[17]。本研究中3种活性有机碳组分的灵敏性指数(5.60%～251.52%)整体上高于Walkley等[24]报道的SOC作为指标的灵敏性指数(29%～59%)，表明3种活性有机碳组分比SOC更适合作为判断各种施肥处理对田间土壤有机碳状态影响的指标。30—45 cm土层T2处理的POC含量低于CK，使得POC的灵敏性指数在此处为负数，造成的原因可能是试验过程中因操作不当，使得配制的溶液飞洒出一小部分，导致测量结果偏低。

CMI是描述土壤质量的重要工具，该指标能比较不同管理实践对养分供应、生产力和土壤碳库长期有效性的评价能力[17]。赵亚南等[25]研究发现长期施用氮磷钾肥配合秸秆能显著提高土壤碳库管理指数。张玉军等[26]的研究发现在0—40 cm的潮土土壤中，氮磷钾肥与秸秆配施处理下的高活性有机质的CMI比其他处理都高。吴建富等[27]研究发现氮磷钾肥与秸秆配施提高了水稻土壤7.3%～7.8%的CMI。本研究的3个土层中，与对照相比(CMI=100),3种施肥处理都提高了土壤的碳库管理指数，T3处理下的CMI平均值为176.16，其次是T1为157.18，最低的是T2为134.93,T3处理改善土壤CMI的能力优于T1与T2，所以本研究中，T3是最佳的田间施肥处理方式。碳库管理指数(CMI)与各指标的相关性分析显示，CMI与SOC和LOC存在显著(p<0.05)和极显著(p<0.01)正相关关系，总体上与TC和土壤基本性质无显著相关关系，表明碳库管理指数能反映田间管理措施对土壤有机碳的影响情况，而不能反映管理措施对土壤总碳和土壤基本性质的影响情况。

4 结 论

长期施肥处理能改善土壤基本性质，显著提高土壤中SOC，LOC，TC，WSOC，HWSC，POC的含量(p<0.05)。在3个土层中，氮磷钾肥与秸秆配施对SOC，LOC，TC和POC含量的提升能力强于施有机肥和施氮磷钾肥，有机肥对WSOC和HWSC提升能力强于施氮磷钾肥和氮磷钾肥与秸秆配施。随着土层深度的增加，4种处理下SOC，LOC，TC，WSOC，HWSC和POC含量呈降低趋势。在3个土层中，POC(33.33%～251.52%)、WSOC(5.60%～193.89%)和HWSC(16.32%～147.14%)的灵敏性指数总体上高于SOC(29%～59%),CMI与SOC，LOC存在显著和极显著正相关关系，POC，WSOC，HWSC和CMI能作为确定管理措施改善土壤有机碳的指标。4种施肥处理下的CMI平均值表现为氮磷钾肥与秸秆配施(176.16)>施有机肥(157.18)>施氮磷钾肥(134.93)>不施肥(100)，氮磷钾肥与秸秆配施是区域内最佳的田间施肥方式。