施肥對水田和旱地有機碳和黑碳的影響

邵興華，王愛斌

（上饒師范學院 生命科學學院，江西 上饒 334001）

施肥不僅可以提高土壤生產力，還可以提高土壤肥力。土壤有機碳是有機質的組分之一，含量高低直接影響陽離子交換量、團聚體的形成、容重、微生物活性、耕性等土壤物理、化學及生物學性質，是衡量土壤肥力高低的重要指標之一[1-2]。研究表明：長期氮、磷、鉀均衡施肥比氮、磷肥配施顯著增加土壤有機碳儲量[3]，有機無機肥配施更有利于土壤有機碳的積累[4]，施肥增加土壤碳儲量在于施肥增加了植物地上、地下部生物量[5]。耕作使土壤受到了強烈的人為擾動，無疑將影響有機碳的儲存和損失過程，幸運的是耕作土壤碳庫通過合理的土地利用和管理，在較短的時間尺度上可進行調節，傳統觀點認為水田較旱地更有利于有機碳的累積，但也有學者認為水田有機碳的分解速率還是分解量實質上均大于旱地土壤[6]。清楚地了解施肥對水田、旱地有機碳影響的長效作用有助于預測有機碳的變化及確保糧食安全。黑碳通常認為是化石燃料和生物質不完全燃燒的殘留物[7]，具有芳香環結構，很難被化學氧化、光氧化和熱氧化[8-10]，廣泛存在于自然界，土壤中的黑碳與腐殖物共存，是土壤惰性有機碳庫的重要組成部分[8]，黑碳作為土壤中的長期碳庫對持久性有機污染物具有很強的吸附性能[11]，進入土壤的污染物隨黑碳埋藏于土壤中，可有效地降低它們的環境風險[12]。因此，黑碳既是 “碳匯”，又可以蔽蓄污染物，但農業生產活動，諸如施肥、土地利用方式對黑碳的影響鮮有報道[13]。本研究選擇長期不同施肥的水田、旱地紅壤為試驗材料，研究了土壤中有機碳、黑碳質量分數的變化及相關性，以期了解土壤有機碳、黑碳的變化及不同施肥處理之間的差異，進而有效利用土地資源及制定合理的施肥方案，實現優質生產和環境友好。

1 材料與方法

1.1 試驗地概述

供試土壤采自江西省紅壤研究所的長期定位試驗地。該地區屬于中亞熱帶濕潤季風氣候區，平均海拔高度為26.0 m，月平均最高氣溫與最低氣溫分別為29.9℃和5.5℃，年平均氣溫17.6℃，年均降水量1400.0mm，無霜期269.0 d。土壤母質為第四紀紅黏土。試驗前水田、旱地土壤的基本性質見表1。

表1 試驗前水田、旱地土壤的理化性狀Table1 Physical and chemical traits of paddy soil and upland soil before experiment

水田、旱地肥料試驗分別開始于1981年和1986年，耕作制度分別為早稻-晚稻-休閑、早玉米-晚玉米-休閑制。水田、旱地分布于整個試驗場地的不同區域，不同施肥處理各小區隨機區組排列，旱地面積22.5 m2（長6.4 m，寬3.5 m），水田面積44.6 m2（長8.1 m，寬5.5 m），重復3次。施肥處理及肥料用量見表2，施肥處理中對照（ck）指不施肥，N為單施氮肥，K為單施鉀肥，NK為氮鉀肥配施，NPK為氮磷鉀肥配施，2NPK指施用的氮磷鉀肥量是NPK處理的2倍，OM為單施有機肥，NPKM為氮磷鉀肥配施有機肥處理。

1.2 樣品采集與測定

2011年6月采集0～20 cm的耕層土壤，各小區按梅花形5點法用土鉆采樣并混勻，采集土樣1.0 kg·處理-1。將土壤樣品中的根系、石塊等挑出，自然風干后，過0.25mm篩，測定土壤有機碳和黑碳。

表2 施肥處理Table2 Fertilization treatments

采用重鉻酸鉀-硫酸消化法[14]測定土壤中的有機碳，消化溫度控制在170～180℃。有機碳的值記為M。黑碳的測定采用劉兆云等[15]介紹的方法。基本過程：稱取0.5 g過0.149mm篩的土樣于50 mL離心管中；向加有土樣的離心管中加入25 mL重鉻酸鉀-硫酸混合液（濃度分別為0.02和2.00 mol·L-1）；蓋上管蓋，放入水浴鍋中55℃下加熱60 h（在超聲波分散器中分散30 min后放入水浴鍋中（55±1）℃反應12 h，再置于超聲分散器中分散 30 min，繼續放入水浴鍋中反應12 h，整個過程重復 5次，氧化時間共60 h），用標準硫酸亞鐵滴定法測定殘余的重鉻酸鉀量；計算出被氧化的有機碳量，該有機碳量記為N；則黑碳質量分數就是M-N的差值。

1.3 統計分析

數據采用Excel 2003和最小顯著差法（Fisher’s LSD）進行統計分析。

2 結果

2.1 不同施肥旱地紅壤有機碳和黑碳質量分數的變化

由圖1可以看出：不同施肥處理旱地土壤有機碳質量分數表現為NPK+OM＞OM＞K＞NPK＞N＞ck＞NK，N與ck，ck與NK施肥處理差異不顯著，其他各施肥處理間存在明顯差異（P＜0.05）。NPK+OM處理有機碳質量分數分別比N，ck，NK各處理高49%，54%，59%。NPK+OM，OM，K，NPK，N，ck，NK各處理的有機碳質量分數與實驗起始時土壤有機碳質量分數相比，分別比實驗開始時增加了33.0%，18.0%，10.0%，1.3%，-10.9%，-13.8%，-16.5%。說明有機無機肥配施處理顯著提高土壤有機碳質量分數，而長期單施氮肥，不施肥（ck），氮、鉀肥配施不施磷肥土壤有機碳質量分數下降。

不同施肥處理黑碳質量分數從高到低依次為：NPK+OM＞K＞OM＞N＞NPK＞ck＞NK，施鉀肥處理與OM，N與NPK無顯著差異，其他處理間差異顯著。不同施肥處理土壤有機碳質量分數與黑碳質量分數做相關性分析，相關系數為0.92，表明旱地土壤有機碳、黑碳質量分數顯著正相關（n=7，P＜0.05）。

圖1 不同施肥旱地紅壤有機碳、黑碳質量分數Figure1 Content of organic carbon and black carbon in upland soil under different fertilization

2.2 不同施肥水田土壤有機碳和黑碳質量分數的變化

不同施肥處理水田土壤有機碳質量分數從高到低依次為：NPK+OM＞2NPK＞NK＞N＞NPK＞K＞ck，NPK+OM與N，NPK，K，ck差異顯著，N與ck差異顯著（P＜0.05）。有機無機肥配施（NPK+OM）與不施肥（ck）相比，有機碳質量分數提高了12.0%，各種施肥處理與初始土壤有機碳質量分數相比，除ck處理有機碳質量分數下降了2.4%以外，NPK+OM，2NPK，NK，N，NPK，K施肥處理有機碳質量分數均有所增加，分別提高了9.8%，8.5%，6.7%，5.5%，4.9%，2.5%。

黑碳質量分數從高到低表現為NK＞N＞2NPK＞K＞NPK＞NPK+OM＞ck，不同處理間黑碳質量分數差異不顯著。相關分析表明，水田土壤有機碳質量分數與黑碳質量分數相關不顯著，相關系數為0.37。

圖2 不同施肥水田土壤有機碳、黑碳質量分數Figure2 Content of organic carbon and black carbon in paddy soil under different fertilization

就黑碳而言，不同施肥處理間旱地紅壤表現出了顯著差異（P＜0.05），水田各處理間差異不顯著。旱地紅壤黑碳質量分數最高的是NPK+OM處理（5.33 g·kg-1），最低的ck處理（2.72 g·kg-1），水田最高的是NK處理（10.6 g·kg-1），最低NPK+OM處理（9.01 g·kg-1），旱地紅壤7種施肥處理黑碳占各自有機碳百分數為31%～42%，水田7種施肥處理黑碳占有機碳百分數為50%～60%，同一土地利用方式黑碳占總有機碳的比例差異不大，不同土地利用方式（水田，旱地）間黑碳占有機碳的比例差異大，說明盡管施肥量、施肥種類相同，耕作制度、土地利用方式、生長作物不同土壤黑碳含量亦不相同。

3 討論與結論

施肥的主要目的是獲得高產，增加生物量，同時增加返回至土壤的植物殘余量。已有研究證實[16]，返回土壤中的殘余量與土壤有機碳量正相關。由本研究的結果可以看出：旱地土壤不施肥，單施氮肥，無機氮鉀肥配施連續30多年種植玉米，以及水田不施肥處理（ck）連續30多年種植水稻后，有機碳量低于初始實驗時土壤有機碳量。然而，無論是水田還是旱地，有機無機肥配施（NPK+OM）均顯著提高土壤中有機碳質量分數，平衡施肥（NPK，2NPK）及單施有機肥豬糞與長期不施肥相比，提高土壤中有機碳的效果僅次于有機無機肥配施。綜合考慮經濟收益，提高土壤有機碳量的最佳施肥方式為有機無機肥配合施用。因為有機肥與化肥配合施用對土壤有機質的貢獻有2個方面：一方面直接投入有機物；另一方面通過提高作物產量及根茬殘留量等而增加還田有機物，進而提高土壤有機質[17]。

從有機碳的凈增長來看，水田除不施肥（ck）有機碳量低于初始值外，其他施肥處理有機碳量均有不同程度的提高；旱地不同施肥條件下，有機無機肥配施（NPK+OM）及單施有機肥（OM）有機碳量顯著增加，分別比開始實驗時土壤有機量增加了33.0%和18.0%，其他處理或者增加量較低或者負增長。已有研究發現，由于水田土壤淹水處于還原狀態時間較長，受人為影響大，有與其他土壤不同的形成條件、形成過程和土壤特征，淹水情況下有機質形成量大于礦化量，有機碳量將不斷提高，但最終會達到一個新的平衡值[18-19]，無論外加的碳源還是土壤原有有機碳在水田的礦化速率均顯著低于旱地，相比之下水田更有利于土壤有機碳的積累[20]，與本研究結論相似。黃東邁等[6]研究認為，和旱地條件相比，淹水土壤中植物殘體和廄肥的分解，是以快速和高分解量為特征的，也就是說水田有機碳分解快于旱地，水田并非更有利于有機碳的積累。該觀點與認為淹水嫌氣條件下有機肥料的分解速率慢于旱地，分解量低于旱地的傳統概念大相徑庭。因此，有機碳在旱地和水田中的分解、積累狀況仍需進一步研究。

黑碳通常被看成是植物秸桿或化石燃料等物質不完全燃燒的產物，因為它不容易被微生物分解，也不容易發生化學變化，常被看作是長期的重要的碳儲庫[21]。本研究中，水田較旱地含較高比例的黑碳（黑碳與總有機碳的比例），水田和旱地在長期的農事活動中均受到強烈的人為擾動，人為擾動將影響土壤中有機碳、黑碳的含量；旱地、水田開始肥料實驗的時間不同，土壤來源不盡相同，土壤作為一種復雜的穩定體，理化性質存在差異，實驗前的差異在后期的測定中會體現出來；同時旱地、水田在管理措施上存在差別，水田火燒根茬的管理措施，有利于增加土壤中黑碳含量，雖然火燒將消耗掉部分碳，產生二氧化碳和其他溫室氣體，但是另一部分碳在不完全燃燒過程中轉變為黑碳，這部分黑碳大部分殘留在土壤中[22]。綜合考慮可能引起土壤中黑碳差異的因素：①土壤開始實驗時間不同，來源不同可能造成的本底差異，②耕作管理制度不同產生的差異。這些有可能是旱地、水田土壤有機碳與黑碳相關顯著性與否，以及相同施肥措施下2種土地利用方式黑碳量變化不一致的原因。

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