间作和施肥对黄壤有机碳矿化的影响

皮义均， 王小利， 段建军， 何 进， 林仕芳， 龙大勇， 张利武

(1.贵州大学农学院， 贵阳 550025； 2.贵州大学烟草学院， 贵阳 550025； 3.阳煤纳谷(山西)节能服务有限责任公司， 山西 阳泉 045000)

土壤碳库是陆地生态系统中最大的碳库，对陆地生态系统碳排放乃至温室效应有重要影响[1]。间作能够显著提高玉米和大豆根干质量、总根长、总根表面积、根系分泌总糖和总有机酸含量[2]。玉米大豆间作能够增加土壤有机碳(SOC)的含量，改善土壤营养和根际微生物群落，降低土壤有机碳矿化，增强土壤固碳能力[3]。间作增加SOC以及活性有机碳，通过提高土壤微生物生物量和活性促进土壤有机质的降解[4]。施肥是影响土壤有机碳积累最为重要的人为因素。Iqbal等[5]研究表明，施用氮肥会增加土壤中CO2的释放量。施用化肥降低土壤微生物量碳含量，而施入有机肥增加土壤微生物量[6,7]。有机肥处理的土壤总有机碳累积矿化显著增高[8]。

黄壤是亚热带地带性土壤，是贵州省面积最大的土壤类型，占全省土壤总面积的46.4%[9]。对黄壤的研究主要集中在施肥对作物产量、黄壤有机碳组分的影响[10,11]，以及施肥对紫色土矿化的影响[12]，尚未见对不同间作和施肥模式下黄壤旱地有机碳矿化及其CO2释放特征进行研究的报道。目前对玉米大豆间作的研究主要集中在不同作物品种、种植密度、种植比例对玉米大豆生长发育、生理特征、产量、经济效益、养分和水分利用等方面[13]。国内外虽然对玉米大豆间作系统下土壤有机碳矿化以及CO2气体排放有不少研究，但不同条件下结果不同，间作降低土壤CO2排放[14]，促进土壤CO2排放[15]或对土壤CO2的累积排放量没有显著影响[16]。

本研究通过大田试验和室内矿化培养试验，研究玉米大豆间作与不同施肥模式对土壤有机碳矿化速率的影响，为西南山地玉米大豆间作种植和施肥及与土壤生产可持续发展的关系提供基础技术和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于贵州省安顺市西秀区鸡场乡(106°5′59″E，26°6′29″N)，地处黔中丘原区，海拔1 271 m，属亚热带季风湿润型气候，年均气温13.2～15 ℃，年均降雨量968～1 309 mm。土壤为黄壤，基本性质为：有机碳17.06 g/kg，碱解氮126.73 mg/kg，有效磷20.92 mg/kg，速效钾159.50 mg/kg，pH值4.54。

1.2 试验设计

试验地采用裂区设计，主区处理为种植方式，设3个处理：①MM：玉米单作；②SM：大豆单作；③IN：玉米/大豆间作，裂区处理为施肥方式，按照等氮量原则设置4个处理：①ck：不施肥对照；②0.5 NPM：化肥+有机肥配施；③NP：氮磷肥配施；④M：单施有机肥，共12个处理，重复3次，36个小区，小区面积21.78 m2(3.3 m×6.6 m)，小区之间间隔1 m。玉米单作(行距×株距=60 cm×30 cm)、大豆单作(行距×株距=40 cm×20 cm)。间作时，玉米和大豆的行距为60 cm，玉米株距30 cm，大豆株距20 cm(图1)。玉米和大豆每穴分别留苗1株和2株。供试玉米品种为“黔单16号”，大豆品种为安顺本地春大豆。供试有机肥为贵州万盛肥料厂所生产生物有机肥(含有机质 45%，含N 2.29%，含P 1.2%)、氮肥为尿素(含N 46.2%)、磷肥为过磷酸钙(含P 7.0%)，所有肥料均作为基肥一次施用，各处理的施肥量见表1。田间管理均同当地大田一致。

表1 田间试验各处理施肥量 单位：kg/hm2

图1 作物间作示意图

1.3 土壤样品采集与分析方法

2020年8月玉米和大豆收获后采集土壤样品，用土钻在一个小区按S形线路采集5点组成0～20 cm耕层土壤混合样品，除去动、植物残体后充分混匀，分成两份，一份新鲜土过孔径2 mm筛，约200 g放置于4 ℃冰箱内用于土壤矿化培养试验及微生物量碳测定；另一份自然风干后研磨过0.149 mm筛，用于土壤有机碳的测定。土壤含水量采用烘干法，土壤有机碳含量采用重铬酸钾外加热法测定[17]。

1.4 土壤有机碳矿化培养试验

土壤有机碳矿化培养将采用碱液吸收法[8]：称取过2 mm筛的鲜土(保存于4 ℃冰箱)和土壤样品30.0 g于50 mL烧杯中，用去离子水调节至田间持水量的45%左右，置于1 000 mL培养瓶底部，在25 ℃培养箱中预培养7 d。然后将盛有10 mL 0.1 mol/L NaOH溶液的50 mL吸收杯放置于培养瓶底部，加盖密封，在25 ℃恒温箱中暗培养。每个处理重复3次，同时设3个空白对照，共111组矿化培养微系统。在培养的第1、2、3、6、9、12、15、18、21、24、27、30、33 d时，更换碱液吸收杯并加水至恒重，吸收杯中加入1 mol/L BaCl2溶液2 mL，再滴加2滴酚酞指示剂，用0.1 mol/L HCl(每次滴定前用无水硼砂进行标定)滴定至红色消失。根据CO2的释放量计算培养期内土壤有机碳的矿化量。

1.5 计算公式

土壤有机碳矿化计算公式为[8]：

土壤有机碳矿化量(CO2mg/kg)=cHCl×(v0-v1)×22/0.03；其中，cHCl为盐酸浓度，单位mol/L；v0为空白滴定的体积，单位mL；v1为消耗盐酸的体积，单位mL；土壤有机碳累积矿化量指从培养开始至某一时间点土壤CO2总释放量。

土壤有机碳矿化速率(CO2mg/(kg·d)=培养时间内有机碳矿化量(CO2mg/kg)/培养天数(d)。

土壤有机碳累积矿化率(%)=[至某一时间点的土壤有机碳累积矿化量(g/kg)/土壤总有机碳(g/kg)]×100%。

1.6 数据分析

试验数据采用DPS 7.05软件进行方差分析和邓肯(Duncan)多重比较，比较不同处理间在p<0.05水平的显著性差异；用WPS Office 2021软件作图，图表中数据为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 间作和施肥对土壤有机碳的影响

由图2可知，间作和施肥处理下SOC含量介于14.62～20.06 g/kg之间。不同施肥处理下，与玉米单作和大豆单作相比，间作后SOC含量分别降低了4.4%和6.13%。不同种植模式下，与ck处理相比，施肥后(0.5 NPM、NP、M处理)SOC含量显著增加了17.95%、20.41%、26.89%(p<0.05)。其中，间作条件下，与ck相比，0.5 NPM、NP、M处理的SOC增加了3.54%、14.18%、21.89%，其中M处理和NP处理差异均达到显著水平(p<0.05)。

注：柱上不同字母表示处理间有显著差异(p<0.05)。下同。图2 不同种植方式和施肥处理下土壤有机碳含量

F检验结果表明(表2)，不同种植方式、施肥及其交互作用对SOC累积矿化量、SOC累积矿化率和矿化前的土壤有机碳(SOC)、土壤微生物生物量碳(SMBC)、微生物熵(qMB)均有显著影响(p<0.05)，且施肥的影响大于种植方式。

表2 不同种植方式和施肥处理对土壤有机碳累积矿化量和累积矿化率及矿化前后SOC、SMBC和qMB的影响(F值)

2.2 间作和施肥对土壤有机碳矿化速率的影响

由图3可知，在整个培养期内(0～33 d)，所有处理下的SOC矿化速率随时间延长呈下降趋势，而且日均土壤矿化速率在培养期内呈相同的变化趋势，下降趋势分为三个时期，初期为1～3 d，SOC矿化速率最快，CO2的释放量由峰值(第1天)迅速下降，在曲线上最陡峭，释放的CO2最多。中期3～24 d，CO2释放逐渐减少，不同种植方式在第3天和第24天的矿化速率为第1天的21.67%～33.92%和7.11%～8.41%，不同施肥处理在第3天和第24天的矿化速率分别仅为第1天的24.16%～30.41%和7.03%～8.37%，不同种植方式和施肥处理均显著降低。末期为24～33 d，释放的CO2最少，不同施肥处理下第33天的有机碳矿化速率仅为第1天的1.28%～1.77%，不同种植方式在第33天的有机碳矿化速率仅为第1天的0.41%～2.37%，矿化速率显著降低，释放CO2的速率趋向一致。在培养期33 d内，SOC矿化速率符合对数函数关系y=b+kln(t)(表2)，它表示在培养期内每变化1%个单位，SOC矿化速率将会变化k%的绝对值。

图3 不同种植方式和施肥处理下土壤有机碳矿化速率

2.3 间作和施肥对土壤有机碳累积矿化量、累积矿化率的影响

由图4可知，不同处理下的SOC累积矿化量在前期较快，随培养时间的延长呈上升的趋势，但增幅速度减慢且渐趋平缓，第33天培养结束时，不同种植方式之间的SOC累积矿化量大小关系为玉米单作>大豆单作>间作，间作与玉米单作和大豆单作相比，分别降低了20.55%和4.68%。不同施肥处理之间SOC累积矿化量的大小关系为0.5 NPM>NP>M>ck，与ck处理(1 038 mg/kg)相比，0.5 NPM处理增加了22.31%，明显高于其他处理(p<0.05)。

图4 不同种植方式和施肥处理下土壤有机碳累积矿化量

表3 不同种植方式和施肥处理下土壤有机碳矿化速率回归方程

SOC累积矿化率的高低能够判断土壤固碳能力，速率高则固碳能力弱，速率低则固碳能力强。从第33天SOC累积矿化率可知(图5)，间作和施肥处理下SOC累积矿化率均有差异，在5.95%～9.62%之间。F检验结果(表2)表明，不同种植方式、施肥及其交互作用对SOC累积矿化率产生显著影响。

图5 培养33 d不同种植方式和施肥下的土壤有机碳累积矿化率

不同施肥处理下，间作累积矿化率较玉米单作降低13.37%，但较大豆单作增加了1.83%，表现为玉米单作>间作>大豆单作。不同种植模式下，M处理较ck、0.5 NPM、NP处理分别降低15.78%、15.91%、7.75%。

2.4 间作和施肥对SMBC和SMBC/SOC(qMB)的影响

如表4所示，矿化前后不同处理SOC含量在13.34～20.11 g/kg之间，矿化后有机碳含量下降了0.84～1.52 g/kg，以大豆单作ck处理下降最多。

表4 不同种植方式和施肥下矿化前后土壤有机碳、微生物量碳和微生物熵

矿化前后SMBC含量分别在88.82～415.99 mg/kg和41.89～257.69 mg/kg之间，矿化前不同种植方式、施肥及其交互作用对SMBC均产生显著影响(表2)；不同施肥处理下，间作较玉米单作和大豆单作增加62.51%、48.05%；不同种植模式下，除NP外，0.5 NPM、M较ck分别增加132.79%、162.88%，其中M处理显著增加；间作和施肥均显著增加了SMBC含量。矿化后SMBC下降范围在1.97～289.31 mg/kg之间，其中间作M下降最明显。

矿化前后qMB分别在0.37%～2.39%和0.15%～1.46%之间。矿化前不同种植方式、施肥对qMB均产生显著影响；不同施肥处理下，间作qMB较玉米单作和大豆单作增加了70.35%、62.33%；不同种植模式下，0.5 NPM和M处理较ck增加96.87%、104.57%，NP较ck下降15.89%。矿化后除大豆单作ck外，qMB下降了11.43%～67.62%，以间作M下降最高。

2.5 土壤有机碳矿化量与有机碳累积矿化率以及SOC、SMBC、qMB变化值的关系

相关性分析表明(表5)，SOC累积矿化量、SOC累积矿化率、SOC变化值之间呈极显著正相关关系，与SMBC变化值、qMB变化值无显著相关。SMBC变化值与qMB变化值呈极显著正相关关系。这说明SOC累积矿化量、SOC累积矿化、SOC变化值之间相互联系非常密切，但与SMBC变化值和qMB变化值关系不大。

表5 土壤有机碳累积矿化量与有机碳累积矿化率及SOC、SMBC和qMB变化值的相关性

3 讨 论

3.1 土壤有机碳含量

土壤中的有机碳输入主要来自作物收割后残留的根系、根系分泌物以及有机肥的施入。间作增加了SOC消耗，可能是种植年限比较短，导致土壤中残留的根系以及根系分泌物比较少，间作系统根系发达，消耗SOC的速度快。本研究结果得出，间作下，单施化肥和单施有机肥土壤有机碳提高了14.18%～21.89%。但M处理下，与玉米单作相比，间作没有降低。因为间作增加了化学成分复杂的土壤可溶性有机碳[18]，且不同耕作方式对土壤的有机质及养分含量会产生影响[19]。乌达木等[3]研究发现，全土中玉米/大豆间作处理的土壤有机碳含量显著低于大豆单作处理，与本研究结果一致。长期施用有机肥能够提高土壤总有机碳含量[8]，与本研究结果不尽相同，可能是由于施肥能够促进作物生长，影响作物根系及根系分泌物，施肥处理土壤中的有机碳输入量多。

3.2 土壤有机碳矿化速率、累积矿化量、累积矿化率

本研究表明，间作、施肥及其交互作用对有机碳累积矿化量交互效应达到显著水平，且施肥影响更大。间作能够降低土壤有机碳矿化的速率，施肥提高了土壤有机碳的矿化速率。因为耕作方式能够显著影响土壤有机碳累积矿化量和土壤有机碳矿化[20]，施肥可以显著提高土壤有机碳矿化速率[21]。土壤有机碳矿化速率前期快，中期慢，后期趋于平缓，且土壤有机碳矿化速率与培养时间为显著对数函数关系，与康成芳等[22]的研究结果一致。因为土壤有机碳矿化过程与土壤中的可利用有机物质有关，在培养前期，土壤中存在大量简单易分解的糖类、蛋白质、纤维素等有机化合物，为土壤微生物提供了大量的能量来源，导致矿化速率和累积矿化量的提高[23]，随着培养时间的增加，土壤有机碳矿化速率随着土壤可利用简单有机物的消耗而降低，培养后期，土壤中剩下的都是难分解的复杂化合物，如木质素、残留根系和凋落物等，难以被微生物分解利用，所以矿化速率达到最低。

玉米/大豆间作在一定程度上可降低土壤有机碳矿化作用，增强土壤固碳能力[18]。本研究发现间作可以降低土壤有机碳的累积矿化量，0.5 NPM处理的间作可以显著降低土壤有机碳累积矿化率。因为间作改变了土壤理化性质、微生物群落和多样性，进而影响有机碳的稳定性[24]。长期施肥可有效促进栗褐土有机碳的积累，降低土壤有机碳累积矿化率，提高土壤固碳能力[25]，施用的绿肥(与NPK或NPK农家肥组合)可提高土壤有机碳周转率[26]。玉米单作与大豆单作的M处理和0.5 NPM处理可以看出，有机肥有促进土壤固碳培肥的能力，施肥会提高土壤有机碳的累积矿化量，有机肥能够降低土壤有机碳累积矿化率。

3.3 土壤微生物量碳及微生物熵

本研究表明，间作或施用有机肥均能够显著增加SMBC含量。矿化前后不同种植方式、施肥及交互效应的SMCB达到显著水平。矿化后各种植方式的0.5 NPM处理显示，无机有机肥配施能够显著提高SMBC含量。研究指出，NPKM处理有利于缓解MBC含量的下降，并有效地维持土壤微生物碳氮的生态化学计量平衡[27]。纯施有机肥处理显著提高了土壤微生物量碳含量，纯化肥处理和有机无机肥配施对微生物量碳的提高效果相当[28]。与不施肥和无机肥处理相比，M和MPNK处理TOC、MBC显着增加[29]。这是因为施用有机肥以及有机无机肥配施能够丰富土壤中的土壤碳源以及营养物质，提供了更加全面的养分供给微生物生长利用。间作模式的微生物生物量碳显著高于单作[30]，本研究矿化后NP处理和M处理显示，间作和大豆单作处理，能显著增加SMBC含量，间作和有机肥的施用能够提高土壤中微生物的活性，提高土壤微生物量碳含量以及qMB数值。间作系统丰富了微生物群落，改善土壤环境，搭配有机肥可以刺激土壤微生物的快速生长和大量繁殖。

3.4 SOC累积矿化量与SOC累积矿化率及SOC、SMBC、qMB变化值的相关性

土壤有机碳累积矿化量、有机碳累积矿化率、SOC变化值之间相互联系非常密切，呈极显著正相关关系，但与SMBC变化值、qMB变化值无显著相关。团聚体有机碳累积矿化量与有机碳呈极显著正相关，且与有机碳相关性最大[31]。可能是因为土壤有机碳累积矿化量的消耗基本来源于土壤有机碳，而土壤累积矿化率来源于累积矿化量，所以它们之间的相关性显著。SMBC变化值和qMB变化值与SOC之间联系联系较小，长期施肥下的SMBC、qMB均与SOC呈极显著正相关[32]。可能是因为种植年限短的原因，也可能是影响SMBC变化的部分土壤有机碳占总有机碳的比例非常小，导致影响不明显。

4 结 论

间作对土壤有机碳影响不明显，但增加了微生物量碳含量，且施用有机肥显著增加了土壤有机碳和微生物量碳含量。间作降低了土壤有机碳矿化速率、累积矿化量和累积矿化率，提高了土壤有机碳的稳定性。施用化肥提高了土壤有机碳矿化速率和累积矿化量，降低了有机碳的稳定性，但施用有机肥可降低土壤有机碳的累积矿化率，促进土壤固碳培肥。间作或施用有机肥均显著降低了土壤有机碳矿化率，增强土壤有机碳的稳定性，所以在黄壤旱地采用“间作+有机肥”模式更有利于土壤的固碳和培肥。土壤有机碳累积矿化量、有机碳累积矿化率、SOC变化值之间呈极显著正相关，SMBC变化值与qMB变化值呈极显著正相关。