長期定位施肥對旱作農田土壤有機碳及其組分的影響

趙丹丹，王俊，付鑫

（西北大學城市與環境學院，陜西西安710127）

長期定位施肥對旱作農田土壤有機碳及其組分的影響

趙丹丹，王俊，付鑫

（西北大學城市與環境學院，陜西西安710127）

基于田間定位試驗，研究了長期施肥對旱作冬小麥農田土壤有機碳及其組分的影響，試驗包括4個處理：不施肥（CK）、氮磷配施（NP）、化肥與有機肥配施（NPM）以及長期休閑地（BL）。結果表明：長期持續施肥30年后，在0～30 cm土層，NPM處理土壤有機碳、微生物量碳、潛在礦化碳以及碳庫管理指數分別較CK提高了42.2%、55.9%、40.9%和40.0%（P＜0.05），NP處理土壤有機碳和微生物量碳與CK差異不顯著，潛在礦化碳和碳庫管理指數分別提高了29.1%和20.0%（P＜0.05），施肥對兩種活性有機碳含量的影響在15～30 cm土層表現更加顯著；與種植作物相比，長期休閑顯著降低了土壤潛在礦化碳含量，BL處理較CK降低了20.5%（P＜0.05）。相關性分析表明，土壤有機碳、潛在礦化碳、微生物量碳以及碳庫管理指數兩兩之間存在著顯著的相關性，且有機碳組分含量與土壤有機碳含量在處理間變化具有一致性（除NP處理外），兩種活性有機碳相對含量在各處理間差異均不顯著。總的來說，長期持續施入有機肥能夠有效地增加旱作農田土壤有機碳同時增加其活性組分，有助于培肥地力和土壤固碳。

長期施肥；土壤有機碳；微生物量碳；潛在礦化碳；碳庫管理指數

Keywords：Long-term fertilization；soilorganic carbon；potential carbonmineralization；microbialbiomass carbon；carbonmanagement index

土壤有機碳是反映土壤質量和生產力的重要指標，其含量往往影響土壤肥力，但因土壤有機碳庫存量大且變異系數小［1］，單獨對這一指標的測定并不能準確反映土壤質量和有機質的變化情況［2］。土壤微生物量碳、潛在礦化碳等有機碳活性組分雖然在土壤有機碳中所占比例很小，但其具有在土壤中移動快、不穩定、易氧化、易分解、易礦化的特點［3］，因而對土壤質量和生產力的反映更為敏感，所以能夠作為反映不同管理措施對土壤有機碳影響的重要指標［1］。

大量研究結果表明，長期施肥對土壤有機碳及其活性組分有顯著影響［4－9］，其中，有機肥的施用可以顯著增加有機碳及其活性組分含量［5－6］，而無機肥的影響卻因氣候條件、土地類型以及施肥耕作條件的復雜性而不盡相同［4］。臧逸飛等［5］研究發現，施用有機肥及氮磷肥配合施用可以明顯提高黑壚土土壤有機碳含量，有機肥的施入極大地增加微生物量碳含量。而董博等［6］的試驗表明，長期施肥可顯著提高石灰性灌漠土微生物量碳的含量，但單施化肥的效果顯著低于綠肥及農肥。這些研究也表明了農田土壤有機碳庫對施肥的響應是個長期的過程［1］，但持續的肥料投入并不一定總會對土壤有機碳含量有顯著影響，有時只會對土壤碳庫活性組分產生顯著影響。例如：張貴龍等［7］研究表明，施用有機肥對土壤活性組分提高有顯著的促進效果，不同處理間土壤活性有機碳含量的變化幅度較總有機碳大，活性有機碳對施肥措施的響應較為敏感，有助于指示或預警土壤質量的變化。近年來，有關長期施肥對土壤有機碳影響的相關報道頗多，但大部分研究均以不同施肥方式各自對土壤有機碳及其含量影響為主線，對各處理比較，特別是長期種植作物對土壤有機碳及其組分的影響報道較少。本文基于陜西省長武縣長期定位試驗［2］，選取其中冬小麥連作地中4個處理（長期休閑地、對照不施肥、氮磷配施、有機肥與氮磷配施），分析了持續施肥30年后土壤有機碳庫組成的變化，并對有機肥、化肥及種植作物對土壤有機碳及其組分的變化進行比較分析，旨在探討旱作農田土壤有機碳及其活性組分對長期定位施肥的響應及其敏感性特征，為該地實現農業可持續發展和土壤碳庫固定提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗地位于陜西省長武縣十里鋪村南1 km的旱塬上，海拔1 200m，年均降水量為584.1mm，年均氣溫9.1℃，無霜期171 d。該地平坦寬闊，黃土堆積深厚，土壤為黃蓋粘黑壚土，母質為中壤質馬蘭黃土。1984年布設試驗時耕層土壤有機質含量為6.50 g·kg－1，全氮含量為0.80 g·kg－1，pH值8.10。

1.2 試驗設計

長期輪作培肥試驗始于1984年［2］，包括11種輪作方式和7種施肥制度，共36個處理，3次重復，隨機區組排列，小區面積66.67 m2（10.26 m×6.5 m）。選取其中的4個處理加以研究，處理方案如表1所示。

供試小麥品種為長武134，每年于9月中下旬播種，次年6月下旬收獲，一年一熟。所有肥料在播種前一次性施入，定期除草和松土，田間管理同大田。

表1 長武長期定位試驗中的供試施肥處理Table 1 Treatments selected from the long-term experimentat Changwu station

1.3 分析方法

試驗于2014年9月小麥播種前采用“S”點采樣法，采集各小區0～15 cm、15～30 cm新鮮土樣5鉆，并將同樣深度土樣混合均勻，帶回實驗室風干并剔除植物殘體，過2mm篩，用于微生物量碳、潛在礦化碳含量的測定；過0.15mm篩，用于土壤有機碳的測定。潛在礦化碳采用密閉培養法測定［10］，微生物量碳采用氯仿熏蒸培養法（FI）［11］測定，土壤有機碳采用EA3000元素分析儀測定（用10%HCl去除無機碳［12］）。

碳庫管理指數的計算參照文獻［13］～［14］：

式中，CMI為碳庫管理指數；CPI為碳庫指數；SOCCK為對照土壤有機碳含量；LI為碳庫活度指數；L為樣本碳庫活度；LCK為對照碳庫活度；LOC為活性有機碳含量（潛在礦化碳與微生物量碳之和）；NLOC為非活性有機碳含量。

1.4 數據處理

所有數據采用Excel 2010繪制表格，PASW Statistcs 18統計軟件進行顯著性檢驗和分析。

2 結果與分析

2.1 土壤有機碳含量

由表2可以看出，在0～15 cm土層，NPM處理土壤有機碳含量分別比CK、NP處理高3.6 g·kg－1和3.7 g·kg－1，但未達到顯著差異水平；15～30 cm土層土壤有機碳含量排序為NPM＞CK＞NP＞BL，其中NPM處理與CK、NP處理間的差異達到顯著水平，增幅分別為49.5%、88.8%；0～30 cm土層平均來看，土壤有機碳含量排序NPM＞CK＞NP＞BL，其中NPM處理較CK、NP處理顯著提高42.2%和59.3%，其余處理差異不顯著。

表2 不同處理土壤有機碳含量Table 2 Soil organic C under different treatments

2.2 微生物量碳及其相對含量

由表3可以看出，在0～15 cm土層，NPM處理微生物量碳含量顯著高于CK處理，增幅達到60.5%。其余各處理差異不顯著；15～30 cm土層中，NPM處理較CK、NP處理顯著提高了微生物量碳含量，增幅分別達到49.6%和59.8%，其余處理差異不顯著；且微生物量碳相對含量在以上兩土層差異均不顯著；0～30 cm土層平均來看，各處理微生物量碳含量排序為NPM＞NP＞CK＞BL，其中NPM較NP、CK處理顯著提高；各處理微生物量碳相對含量表現為NP＞BL＞NPM＞CK，且均未達到顯著差異。

表3 不同處理土壤微生物量碳含量及其相對含量Table 3 Soilmicrobial biomass carbon（MBC）and its contribution to soil organic carbon（MBC／SOC）under different treatments

2.3 潛在礦化碳及相對含量

由表4可以看出，在0～15 cm土層，NPM、NP顯著高于CK處理，增幅為48.4%、45.7%，但NP與NPM之間并無顯著差異，潛在礦化碳相對含量在各個處理間差異未達到顯著水平，其變化趨勢為NP＞BL＞NPM＞CK；15～30 cm土層中，NPM顯著高于其余各處理，較CK和NP處理分別增加36.1%和21.0%，CK處理較BL也達到顯著差異水平，潛在礦化碳含量提高60.0%；潛在礦化碳相對含量NP處理顯著高于NPM處理，增幅達71.0%，其余處理間差異不顯著，排序為NP＞CK＞BL＞NPM，PCM／MBC比值也未顯示顯著差異，均表現為0～15 cm土層低于15～30 cm土層；從0～30 cm平均來看，CK處理較BL處理潛在礦化碳含量顯著增加，差異達到25.7%，兩施肥處理較CK均有顯著的增加，但相互間差異并不顯著，潛在礦化碳相對含量各處理間差異不顯著，其變化趨勢為BL＞NP＞CK＞NPM；PCM／MBC比值呈CK＞NP＞BL＞NPM趨勢。

2.4 碳庫管理指數

由表5可以看出，在0～15 cm土層，NPM、NP處理碳庫管理指數較CK分別顯著提高了41.3%、30.0%；15～30 cm土層中，CK處理顯著高于BL處理，差異達到53.8%，同時NPM處理顯著高于其余處理，分別較CK和NP處理提高39.1%和39.0%；0～30 cm土層平均看來，碳庫管理指數排序為NPM＞NP＞CK＞BL，其中NPM處理與NP處理差異顯著，同時兩者均顯著高于CK。

表4 不同處理土壤潛在礦化碳含量及其相對含量Table 4 Soil potential carbonmineralizaion（PCM），its contribution to soil organic carbon（PCM／SOC）and its contribution tomicrobial biomass carbon（PCN／MBC）under different treatment

表5 不同處理碳庫管理指數Table 5 Carbonmanagement index under different treatments

表6為土壤有機碳及其組分相關性分析：可以看出土壤有機碳、潛在礦化碳、微生物量碳以及碳庫管理指數兩兩之間存在著顯著的相關性。其中潛在礦化碳和微生物量碳的相關性達到了極顯著水平，主要是由于潛在礦化碳受微生物活動影響。土壤有機碳和潛在礦化碳、微生物量碳顯著相關，說明土壤中活性有機碳含量受土壤有機碳影響較大，一定程度上說明土壤中活性組分含量依賴于土壤有機碳含量。這兩種活性組分雖然不同，但是可以從一個指標的變化判斷出另一個指標的變化，兩種活性組分均可指示土壤質量的變化情況［13］。

3 討論

土壤有機碳含量變化與新鮮有機物的輸入關系密切，種植作物可以通過根系殘留和枯落物有效增加土壤碳輸入，從而提高土壤有機碳水平。在本研究中BL處理為常年休閑地，自1984年開始由于基本沒有新鮮有機物的輸入，CK處理與其相比增加了土壤有機碳含量，增幅為30.1%，但并未達到顯著差異水平。表明長期種植作物可以增加土壤有機碳的積累，這種增加作用在郭勝利等［8］的研究中表現更為突出，其研究表明對照處理比長期休閑地土壤有機碳含量增加13.6%（P＜0.05）。施肥方式的不同，對土壤有機碳含量影響更為深遠，已有研究［4，9］表明，長期單施化肥對土壤有機碳的影響不盡相同。臧逸飛等［5］認為施用化肥土壤有機碳含量較小，究其原因在于施肥雖然增加了植物根茬等的殘留，但由于土壤的C／N比下降，加速了土壤中原有有機碳分解，導致土壤中積累的有機碳總量較少；而陳云峰等［9］和郭勝利等［8］則認為化肥的施用一定程度上增加了土壤有機質含量，這與本文的研究結論不一致。許多研究者［15，9，16-17］在不同的土地類型、氣候條件以及利用方式的前提下，均得出長期施入有機肥或有機無機肥料混合施用均能顯著提高土壤有機碳含量，本文研究結果與此相一致，化肥有機肥配合施用效果最為明顯，土壤有機碳含量較CK增加了42.2%。

表6 土壤有機碳及其組分相關性分析Table 6 Correlation analysis of soil organic carbon and its fractions

本研究微生物量碳變動范圍為207～568 mg·kg－1，在一般農田生態系統微生物生物量碳質量分數（200～1 000mg·kg－1）［18］范圍之內。這一結果較陳云峰等［9］報道的偏低，主要是本研究中包含長期休閑地，其微生物量碳含量較低，也與研究區土地類型差異有關。高揚等［15］對四川盆地坡耕地紫色土研究認為，裸地微生物量碳含量顯著低于植被小區，并隨坡度增加和土層加深表現更為明顯。在本研究中長期休閑地微生物量碳含量均低于種植小麥的各處理，表明種植作物可以大量增加碳源，促進微生物的生長，從而提高微生物量碳含量。本研究還表明，長期施肥（化肥和化肥有機肥混合施用）都能提高微生物量碳含量，其中化肥有機肥配施處理下微生物量碳含量要高于單施化肥，這與高揚等［15］的研究結論一致。

潛在礦化碳可以廣泛地評估土壤微生物活性，因此，一直以來就被人們作為土壤微生物總的活性指標或作為評價土壤肥力的尺度之一［3］。本研究中，潛在礦化碳含量變化趨勢與微生物量碳相同，各處理間作用表現為NPM＞NP＞CK＞BL，這是由于潛在礦化碳值反映微生物呼吸，表征微生物活度，因而其變化與微生物量碳含量密不可分。長期施用有機肥和化學肥料均可增加潛在礦化碳含量，這與李輝信等［19］、王玲莉等［20］的研究結論一致。

土壤微生物量碳、潛在礦化碳對長期施用化肥與有機肥配施的響應與土壤有機碳一致，而對單施化肥的響應卻不盡相同：化肥長期施用雖降低了土壤有機碳的含量，卻使得兩種活性有機碳（微生物量碳、潛在礦化碳）含量都有增加，這一結論與王玲莉等［20］在沈陽研究的長期單施化肥與化肥有機肥配施均使棕壤活性有機碳含量與有機碳增加的結論有所不同。

本研究中潛在礦化碳相對含量變化范圍在1.79%～3.06%，微生物量碳相對含量變化范圍在2.78%～4.81%，這一數據要低于梁貽倉等［13］關于覆蓋對土壤有機碳的報道，與Sainju等［1］關于輪作對美國旱地作物有機碳、氮的報道相比也較低。且微生物量碳相對含量在各個土層不同處理間的差異均未達到顯著水平，其變化趨勢為NP＞BL＞NPM＞CK；而潛在礦化碳相對含量僅有單施化肥在15～30 cm土層作用顯著，各土層平均來看潛在礦化碳相對含量排序為NP＞BL＞CK＞NPM。就本研究而言，兩種活性有機碳相對含量并沒有更顯著地揭示長期施肥對土壤的影響，究其原因，可能是單施化肥使得土壤有機碳含量降低而活性有機碳含量升高，因而NP處理活性有機碳相對含量較高；且與土壤有機碳相比兩種活性有機碳隨時間的變化更為顯著，因而BL處理活性有機碳相對含量也較高。PCM／MBC比值即土壤中微生物呼吸所釋放的CO2比例［21］，能夠反映土壤微生物代謝活動，本研究表明，15～30 cm土層中PCM／MBC平均比值高于0～15 cm，這與Franzluebbers等［22］的研究結論一致；但其指示作用同樣不顯著。

Lefroy等［23］的研究區分了活性有機碳和非活性有機碳，并提出土壤碳庫管理指數的概念。碳庫管理指數因結合了土壤碳庫指標和土壤碳庫活度指標，既反映外界管理措施對土壤有機碳總量的影響，也反映了土壤有機碳組分的變化情況，其廣泛應用于農地或者土地利用方式改變后土壤有機碳變化的研究，碳庫管理指數＞100，表明土壤肥力上升；反之，碳庫管理指數＜100，則表明土壤肥力下降［24］。本研究表明，NPM處理顯著提高了碳庫管理指數，使得土地肥力上升，這與張貴龍等［7］、梁貽倉等［13］的研究結論一致，且這種促進作用在15～30 cm土層表現更為突出。

4 結論

0～30 cm土層平均來看，經過30年長期施肥：單施化肥和有機無機肥配施均能顯著提高碳庫管理指數，長期種植作物作用并不顯著。有機肥的施用還對增加土壤有機碳、微生物量碳及潛在礦化碳含量有顯著作用，且這種促進作用在15～30 cm土層表現更為突出；但單施化肥及種植作物的作用僅表現在兩者均顯著增加了土壤潛在礦化碳含量。且除單施化肥外，有機碳組分含量與土壤有機碳含量在處理間變化具有一致性。在本文中，土壤活性有機碳相對含量對長期施肥的響應在各個土層均不顯著，并不能及時地反映長期施肥對土壤肥力的影響。同時，土壤總有機碳和碳庫管理指數之間存在著顯著的相關關系，潛在礦化碳、微生物量碳、碳庫管理指數之間相關性較高。

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Effect of long-term fertilization on soil organic carbon and its fractions under dryland farm ing system

ZHAO Dan-dan，WANG Jun，FU Xin
（College of Urbɑnɑnd Environmentɑl Sciences，Northwest University，Xi’ɑn，Shɑɑnxi710127，Chinɑ）

A long-term winter wheat field experimentwas conducted to detect the effect of long-term fertilization on soilorganic carbon and its active fractions.Four treatments were performed as control treatment（CK），nitrogen and phosphorus combined fertilization（NP），nitrogen，phosphorus and manure combined fertilization（NPM）and bare land without fertilization and cropping（BL）.The results showed that the contents of soil organic carbon content，microbial biomass carbon content，potentialmineralized carbon and carbon management index at 0～30 cm soil layers were improved in NPM than in CK after30－yr continuous fertilization，being 42.2%、55.9%、40.9%and 40.0%higher，respectively.No significantdifference in soil organic carbon andmicrobialbiomass carbonwere found between NPand CK，howerver，the potentialmineralized carbon contentand carbonmanagement index were significantly higher in NP than in CK.The effectof long term fertilization on soil active organic carbon fractionswasmore obvious at15～30 cm soil layers than at0～15 cm layers.No cropping reduced the contents of soil organic carbon and its fractions significantly.Soil carbon potentialmineralization was lower by 20.5%in BL than in CK，respectively.Correlation analysis showed that soil organic carbon，potentialmineralization carbon，microbial biomass carbon and carbonmanagement index correlated with each other significantly.Soil organic carbon changed in agreementwith its fractions for all treatments except for NP，and the relative contents of two active organic carbon and its potentialmineralization ratio ofmicrobial biomass carbon were not significant among treatments.In general，continuous long-term manure addition can effectively increase soil organic carbon and its active fractions，contributing to soil fertility and carbon sequestration under dryland farming systems.

S153.6＋2

：A

1000-7601（2017）01-0097-06

10.7606／j.issn.1000-7601.2017.01.15

2016-01-05

國家自然科學基金（31270484，31570440）

趙丹丹（1991—），女，碩士研究生，主要從事旱作農田土壤碳氮循環研究。E-mail：xbdxzdd＠sina.com。

王俊（1974—），男，教授，主要從事農田生態學研究。E-mail：wangj＠nwu.edu.cn。