黃壤性水稻土有機(jī)碳及其組分對(duì)長(zhǎng)期施肥的響應(yīng)及其演變

王小利，郭振，段建軍，周志剛，劉彥伶，張雅蓉

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黃壤性水稻土有機(jī)碳及其組分對(duì)長(zhǎng)期施肥的響應(yīng)及其演變

王小利1，郭振1，段建軍2，周志剛1，劉彥伶3, 4，張雅蓉3, 4

（1貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，貴陽(yáng) 550025；2貴州大學(xué)煙草學(xué)院/貴州省煙草品質(zhì)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽(yáng) 550025；3貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所， 貴陽(yáng) 550006；4農(nóng)業(yè)部貴州耕地保育與農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，貴陽(yáng) 550006）

不同保護(hù)機(jī)制的有機(jī)碳由于穩(wěn)定性的差異，表現(xiàn)出不同的肥力效應(yīng)和生物有效性。研究貴州省主要水稻土類型黃壤性水稻土有機(jī)碳組分對(duì)長(zhǎng)期施肥的響應(yīng)及其演變，為區(qū)域稻田土壤固碳潛力評(píng)估和地力提升技術(shù)篩選提供科學(xué)依據(jù)。依托貴州省黃壤性水稻土長(zhǎng)期施肥定位試驗(yàn)（始于1995年），采集2006—2014年間5個(gè)偶數(shù)年份不施肥（CK）、單施化肥（NPK）、單施有機(jī)肥（M）、低量有機(jī)肥無(wú)機(jī)肥配施（0.5MNPK）和常量有機(jī)肥無(wú)機(jī)肥配施（MNPK）5個(gè)處理的土樣，采用Stewart物理-化學(xué)聯(lián)合分組法和碳氮分析儀，測(cè)定土壤總有機(jī)碳及未保護(hù)（即游離活性）、物理保護(hù)、化學(xué)保護(hù)和生物化學(xué)保護(hù)4個(gè)有機(jī)碳組分的含量，并采用線性回歸法分析其演變特征。與不施肥（CK）及單施化肥（NPK）處理相比，施用有機(jī)肥（M、0.5MNPK和MNPK）顯著增加了土壤游離活性、物理保護(hù)、化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳含量（< 0.05），總有機(jī)碳提升15%—39%，其中以常量有機(jī)無(wú)機(jī)配施（MNPK）的提升幅度最高。擬合分析發(fā)現(xiàn)，2006—2014年間，4個(gè)施肥處理的土壤有機(jī)碳及其組分含量隨時(shí)間均呈增加趨勢(shì)，除生物化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳外，其余組分有機(jī)碳有機(jī)肥處理的線性增加趨勢(shì)比單施化肥（NPK）處理更為明顯，不施肥處理隨時(shí)間無(wú)明顯變化。施用有機(jī)肥（M、0.5MNPK和MNPK）處理的土壤游離活性、物理保護(hù)、化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳含量的年均增加速率和增幅均高于不施肥（CK）及單施化肥（NPK）處理，總有機(jī)碳的年均增加速率分別為不施肥（CK）及單施化肥（NPK）處理的1.5—1.6倍和3.5—3.7倍。游離活性有機(jī)碳占總有機(jī)碳的比例（58%—63%）是其他組分的3—14倍。未保護(hù)游離活性有機(jī)碳是土壤總有機(jī)碳的最大部分，且對(duì)施肥響應(yīng)最敏感。常量有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施是提升土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的最有效模式。

長(zhǎng)期施肥；黃壤性水稻土；Stewart物理-化學(xué)聯(lián)合分組；土壤有機(jī)碳；有機(jī)碳組分

0 引言

【研究意義】土壤有機(jī)碳對(duì)土壤的物理、化學(xué)和生物化學(xué)過(guò)程起著重要的調(diào)控作用[1]，不僅是評(píng)價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)，也是全球碳循環(huán)的重要組成部分。不同物理-化學(xué)-生物保護(hù)機(jī)制的有機(jī)碳具有不同的生物有效性和肥力效應(yīng)[2]。研究長(zhǎng)期施肥下黃壤性水稻土不同保護(hù)機(jī)制有機(jī)碳組分的變化特征，可為西南地區(qū)農(nóng)田土壤固碳潛力的評(píng)估和地力提升的技術(shù)選擇提供科學(xué)依據(jù)?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】目前，關(guān)于長(zhǎng)期施肥下土壤有機(jī)碳的演變特征已有不少報(bào)道。如康日峰等[3]對(duì)東北黑土區(qū)17個(gè)國(guó)家級(jí)耕地質(zhì)量長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明農(nóng)田土壤經(jīng)過(guò)10—26年的演變，土壤有機(jī)質(zhì)含量整體呈上升趨勢(shì)，較監(jiān)測(cè)前顯著提高了33.9%。胡明芳[4]研究了長(zhǎng)期施肥下鄱陽(yáng)湖區(qū)雙季稻田土壤有機(jī)碳的演變規(guī)律，結(jié)果表明土壤有機(jī)碳含量在有機(jī)肥處理下隨施肥年限呈上升趨勢(shì)，與徐明崗等[5]對(duì)中國(guó)41個(gè)長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)土壤有機(jī)質(zhì)變化規(guī)律的研究一致。GATTINGER等[6]學(xué)者也對(duì)有機(jī)肥處理后0—20 cm耕層的有機(jī)碳（SOC）儲(chǔ)量進(jìn)行了估算，表明SOC的累積速率為0.24—0.46 t·hm-2·a-1。劉驊等[7]分析了18年不同施肥模式下灰漠土有機(jī)碳組分含量的演變特征，結(jié)果表明長(zhǎng)期有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施處理下各有機(jī)碳組分呈顯著增加趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)學(xué)者在研究長(zhǎng)期施肥下黑土、棕壤和紅壤等不同類型土壤有機(jī)碳及其組分變化時(shí)表明，有機(jī)碳組分的轉(zhuǎn)化和累積因分組方法的不同而有所差異。目前研究者大多是根據(jù)土壤有機(jī)碳周轉(zhuǎn)速率的快慢及其控制轉(zhuǎn)化的因素而分成不同的獨(dú)立組分[8-9]，如顆粒有機(jī)碳、重組有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳等，但這些單獨(dú)的有機(jī)碳組分只能反應(yīng)在單一的分組方法中該組分有機(jī)碳庫(kù)的變化，并不能很好的反應(yīng)不同保護(hù)機(jī)制土壤有機(jī)碳的累積和轉(zhuǎn)化過(guò)程以及物理、化學(xué)和生物學(xué)分組的聯(lián)合效應(yīng)[7]。如SLEUTEL等[10]在研究土壤顆粒有機(jī)碳對(duì)長(zhǎng)期施肥的響應(yīng)時(shí)提出，由于表面化學(xué)性質(zhì)不同，因而其結(jié)合有機(jī)碳的量及其抗分解能力也存在本質(zhì)區(qū)別。ANDERSON等[11]早期研究結(jié)果也表明，土壤有機(jī)碳中50%左右與土壤顆粒相結(jié)合，主要表現(xiàn)為與粗黏粒組分相結(jié)合。鑒于此，STEWART 等[2,12]按照有機(jī)碳不同的固存機(jī)制提出了物理-化學(xué)聯(lián)合分組方法，將有機(jī)碳分成物理、化學(xué)和生物化學(xué)保護(hù)等各種保護(hù)機(jī)制的組分，該方法強(qiáng)調(diào)土壤團(tuán)聚體和礦物在土壤有機(jī)碳固存和轉(zhuǎn)化中的作用，為研究有機(jī)碳的變化特征和轉(zhuǎn)化過(guò)程提供了先進(jìn)方法?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前國(guó)內(nèi)外對(duì)長(zhǎng)期施肥下土壤有機(jī)碳演變特征的研究主要集中在表層土壤及顆粒有機(jī)碳上，分組方法主要針對(duì)某個(gè)物理或化學(xué)分組，與土壤有機(jī)碳穩(wěn)定機(jī)制的聯(lián)系不夠，對(duì)不同保護(hù)機(jī)制土壤有機(jī)碳組分的差異及演變特征的研究較少。本研究在前期所揭示的長(zhǎng)期施肥對(duì)黃壤性水稻土組分有機(jī)碳（游離活性、物理保護(hù)、化學(xué)保護(hù)、生物化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳）含量的影響以及組分碳含量與年均碳投入量的關(guān)系[13]的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步揭示不同穩(wěn)定性有機(jī)碳在時(shí)間序列上的演變特征，并探究其未來(lái)的變化趨勢(shì)?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究以貴州黃壤性水稻土為對(duì)象，結(jié)合長(zhǎng)期定位試驗(yàn)和室內(nèi)分析，采用土壤有機(jī)碳物理-化學(xué)聯(lián)合分組方法，測(cè)定并分析團(tuán)聚體間未保護(hù)游離活性有機(jī)碳（粗顆粒有機(jī)碳和細(xì)顆粒有機(jī)碳）、微團(tuán)聚體內(nèi)物理保護(hù)有機(jī)碳及礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳（化學(xué)保護(hù)和生物化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳）的含量與分布狀況，分析土壤團(tuán)聚體和礦物結(jié)合體在土壤有機(jī)碳固存和轉(zhuǎn)化中的作用機(jī)制，闡明不同施肥措施下黃壤性水稻土組分有機(jī)碳隨施肥時(shí)間的變化速率及施肥對(duì)土壤有機(jī)碳庫(kù)提升的貢獻(xiàn)，為了解長(zhǎng)期施肥下黃壤性水稻土有機(jī)碳的穩(wěn)定機(jī)制和篩選有利于提升碳儲(chǔ)量的最優(yōu)施肥模式提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

長(zhǎng)期試驗(yàn)地位于貴州省貴陽(yáng)市小河區(qū)貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院內(nèi)（106°39′52′′E，26°29′49′′N），地處黔中丘陵區(qū)，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，平均海拔1 071 m，年均氣溫15.3℃，年均日照時(shí)數(shù)1 354 h左右，相對(duì)濕度75.5%，全年無(wú)霜期270 d左右，年降水量1 100—1 200 mm。試驗(yàn)地為黃壤性水稻土，成土母質(zhì)為三疊系灰?guī)r與砂頁(yè)巖風(fēng)化物。該長(zhǎng)期定位試驗(yàn)始于1995年，1994年采集基礎(chǔ)土樣，其耕層（0—20 cm）土壤基本性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)31.15 g·kg-1，全氮1.76 g·kg-1，全磷2.3 g·kg-1，全鉀13.84 g·kg-1，堿解氮134.4 mg·kg-1，有效磷21.1 mg·kg-1，速效鉀157.9 mg·kg-1，pH為6.6。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

該長(zhǎng)期試驗(yàn)地共有11個(gè)處理。本研究根據(jù)需要選取其中的5個(gè)施肥處理：對(duì)照（CK）、單施化肥（NPK）、單施有機(jī)肥（M）、低量有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施（0.5MNPK）和高量有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施（MNPK）處理。試驗(yàn)采用大區(qū)對(duì)比試驗(yàn)，小區(qū)面積201 m2（35.7 m×5.6 m），不設(shè)重復(fù)。供試化肥為尿素（含N 46%）、過(guò)磷酸鈣（含P2O516%）、氯化鉀（含K2O 60%）；有機(jī)肥為牛廄肥，平均含C 413.8 g·kg-1、N 2.7 g·kg-1、P2O51.3 g·kg-1、K2O 6.0 g·kg-1。NPK處理年施用N 165 kg·hm-2、P2O582.5 kg·hm-2、K2O 82.5 kg·hm-2，M處理年施用有機(jī)肥61.1 t·hm-2；0.5MNPK處理的施肥量等于M處理加NPK處理施肥量的1/2，MNPK處理的施肥量等于M處理加NPK處理的施肥量，NPK處理、M處理和0.5MNPK處理的施氮量相同。每年根據(jù)有機(jī)肥的養(yǎng)分含量來(lái)調(diào)節(jié)化學(xué)氮肥的施用量，具體施肥量如表1所示。種植制度為一年一季水稻，在水稻播種前按處理分別施用氮磷鉀肥或配施有機(jī)肥作基肥，在水稻生長(zhǎng)期中追施2次尿素。2002—2006年由于試驗(yàn)基地灌溉設(shè)施損毀，無(wú)法滿足水稻種植，改種玉米，其他時(shí)間種植水稻。水稻于每年4月中下旬插秧，10月中下旬收割。種植的水稻品種如下：金麻粘（1995—1998年）、農(nóng)虎禾（1999—2001年）、香兩優(yōu)875（2007—2008年）、汕優(yōu)聯(lián)合2號(hào)（2009年）和茂優(yōu)601（2010—2014年）。

表1 各處理的純養(yǎng)分年施用量

1.3 土壤樣品的采集與歷史土壤樣品的收集

2014年10月水稻收獲后，采集各小區(qū) 0—20 cm耕層土壤樣品：將各小區(qū)等分為3個(gè)樣塊（67 m2），每個(gè)樣塊均勻布點(diǎn)采集5點(diǎn)組成一個(gè)混合樣，每個(gè)小區(qū)采集3個(gè)土壤樣品作為3次重復(fù)。除去動(dòng)、植物殘?bào)w后混勻，待土壤樣品風(fēng)干后過(guò)孔徑2 mm篩，備用。同時(shí)收集2006年、2008年、2010年和2012年水稻收獲后的歷史土壤樣品，其采集和制備方法同上。歷史土壤樣品在風(fēng)干后密封保存于自封袋中，保存過(guò)程由于微生物活動(dòng)引起的有機(jī)碳消耗微小，因此忽略其對(duì)土壤中有機(jī)碳的影響。

1.4 土壤有機(jī)碳分組及測(cè)定方法

土壤有機(jī)碳分組方法參考Stewart等[2, 12]的方法，將土壤有機(jī)碳分為4個(gè)碳庫(kù)，即游離活性有機(jī)碳（cPOM、fPOM）、物理保護(hù)有機(jī)碳（iPOM）、化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳（H-dClay、H-dSilt、H-μClay、H-μSilt）和生物化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳（NH-dClay、NH-dSilt、NH-μClay、NH-μSilt），具體操作步驟如下。

第一步為團(tuán)聚體分組：將過(guò)2 mm篩的風(fēng)干土樣置于微團(tuán)聚體分離器套篩的頂部篩上（上層 250 μm，下層53 μm），加入30個(gè)玻璃珠（4 mm），待分離器上下震蕩分散20 min后，留在250 μm篩上的組分為粗顆粒有機(jī)碳（cPOM），在53 μm篩上的為微團(tuán)聚體部分，過(guò)53 μm篩的為游離態(tài)黏粉粒組分，然后將＜53 μm的組分分別于900 r/min下離心7 min和3 200 r/min下離心15 min分離出游離態(tài)粉粒組分（d-Silt）和游離態(tài)黏粒組分（d-Clay）。

第二步為密度分組：將第一步得到的微團(tuán)聚體部分采用1.70 g·cm-3的碘化鈉重液浮選，漂浮物為細(xì)顆粒有機(jī)碳（fPOM），重組部分采用5 g·L-1的六偏磷酸鈉溶液分散18 h后，過(guò)53 μm的篩，留在篩上的為物理保護(hù)有機(jī)碳（iPOM），過(guò)53 μm篩的為閉蓄態(tài)黏粉粒組分，然后將＜53 μm的組分同第一步用離心法分離出閉蓄粉粒組分（μ-Silt）和閉蓄黏粒組分（μ-Clay）。

第三步為酸解過(guò)程：將所有粉粒和黏粒組分在95℃條件下于25 ml 6 mol·L-1的HCl中回流16 h，濾去酸解溶液，殘?jiān)鼮榉撬峤獠糠?，即生物化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳組分（NH-Silt和NH-Clay），而酸解部分為全組分和非酸解組分之差，得到化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳組分（H-Silt和H-Clay）。

所有組分均采用元素分析儀（利曼公司，EA3000）測(cè)定含碳量。

1.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)整理和作圖采用Excel 2016，統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 24.0。所有土壤測(cè)定結(jié)果均以 3 次測(cè)定結(jié)果的平均值表示。不同施肥處理之間的差異采用最小顯著差數(shù)法（LSD）進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)（＜0.05）。采用線性函數(shù)對(duì)土壤總有機(jī)碳及其組分含量與施肥年數(shù)的關(guān)系進(jìn)行擬合，以方程的斜率表示其年均變化速率，并對(duì)方程的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)。

2 結(jié)果

2.1 土壤總有機(jī)碳

由圖1可以看出，施用有機(jī)肥（M、0.5MNPK和MNPK）19年后土壤總有機(jī)碳含量明顯高于單施化肥處理（NPK，24.63 g·kg-1）和不施肥處理（CK，23.87 g·kg-1）（＜0.05），總有機(jī)碳提升15%—39%，其中以常量有機(jī)無(wú)機(jī)配施（MNPK）的提升幅度最高。擬合分析發(fā)現(xiàn)，2006—2014年間，4個(gè)施肥處理的土壤有機(jī)碳含量隨時(shí)間均呈增加趨勢(shì)，且有機(jī)肥處理的線性增加趨勢(shì)比單施化肥（NPK）處理更為明顯，不施肥處理隨時(shí)間無(wú)明顯變化（表2）。施用有機(jī)肥（M、0.5MNPK和MNPK）處理的土壤總有機(jī)碳含量的年均增加速率（0.59—0.62 g·kg-1·a-1）分別為不施肥（CK）及單施化肥（NPK）處理的1.5—1.6倍和3.5—3.7倍。說(shuō)明長(zhǎng)期施用有機(jī)肥能夠顯著地增加土壤有機(jī)碳含量。

圖1 黃壤性水稻土2006—2014年期間施用不同肥料土壤有機(jī)碳的變化

表2 長(zhǎng)期施肥下黃壤性水稻土2006—2014年期間總有機(jī)碳及其組分含量的年均增加速率

*,**分別表示擬合的線性方程達(dá)到顯著水平（＜0.05）和極顯著水平（＜0.01）

*,** mean the significance of the linear regression equations at 0.05 level and the 0.01 level, respectively

2.2 土壤有機(jī)碳組分

本研究采用單位質(zhì)量土壤樣品中各組分有機(jī)碳的含量來(lái)表示各組分有機(jī)碳的量。從圖2可以看出，與不施肥（CK）及單施化肥（NPK）處理相比，施用有機(jī)肥（M、0.5MNPK和MNPK）顯著增加了土壤游離活性、物理保護(hù)、化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳含量（＜0.05），依次提升18%—61%，30%—44%和27%—56%，其中以常量有機(jī)無(wú)機(jī)配施（MNPK）的提升幅度最高。2006—2014年間，4個(gè)施肥處理的土壤有機(jī)碳組分隨時(shí)間均呈增加趨勢(shì)，除生物化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳外，其余組分有機(jī)碳的有機(jī)肥處理的線性增加趨勢(shì)明顯優(yōu)于單施化肥（NPK）處理，不施肥處理隨時(shí)間無(wú)明顯變化。施用有機(jī)肥（M、0.5MNPK和MNPK）處理的土壤游離活性、物理保護(hù)、化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳含量的年均增加速率和平均增幅均高于不施肥（CK）及單施化肥（NPK）處理，其中以常量有機(jī)無(wú)機(jī)配施（MNPK）的提升幅度最高（表2）?？傮w可以看出，長(zhǎng)期不施肥處理僅有根茬的碳投入和單施化肥處理較施用有機(jī)肥處理還不能完全維持有機(jī)碳庫(kù)的周轉(zhuǎn)，不利于土壤有機(jī)碳組分的積累。

圖2 長(zhǎng)期施肥下黃壤性水稻土2006—2014年期間土壤中各有機(jī)碳組分的變化

2.3 土壤有機(jī)碳組分的分配比例

不同年份下，土壤游離活性有機(jī)碳占總有機(jī)碳的比例最高，為58%—63%，其次為生物化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳（18%—21%）和化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳（13%—15%），物理保護(hù)有機(jī)碳所占比例最低，為5%—6%（圖3）。游離活性有機(jī)碳含量是其他組分含量的3—14倍?？梢?jiàn)，游離活性有機(jī)碳是總有機(jī)碳中最重要的組分。不同施肥處理相比較，NPK處理與CK處理的各組分有機(jī)碳分配比例差異不明顯，而相比之下，有機(jī)肥處理（M、0.5MNPK和MNPK）的游離活性有機(jī)碳比例較高，化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳和生物化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳比例較低。

圖3 長(zhǎng)期施肥下土壤各組分有機(jī)碳占總有機(jī)碳的比例（5個(gè)年份平均值）

3 討論

3.1 長(zhǎng)期施用NPK肥對(duì)土壤有機(jī)碳組分的影響及其機(jī)理

土壤有機(jī)碳的演變是一個(gè)長(zhǎng)期復(fù)雜的過(guò)程，這一過(guò)程受諸多因素的影響，其中施肥是調(diào)控土壤有機(jī)碳的重要措施之一[14]。本研究表明在所有處理中，游離活性有機(jī)碳的占比較高。究其原因?yàn)?，土壤游離活性有機(jī)碳屬于高活性有機(jī)碳組分，由未保護(hù)粗顆粒有機(jī)碳和未保護(hù)細(xì)顆粒有機(jī)碳組成，主要包括作物根系殘茬和動(dòng)植物殘?bào)w，同時(shí)又是微生物分解的最主要部分[7]，常被作為有機(jī)碳變化的指標(biāo)之一[15]，所以游離活性有機(jī)碳的變化最敏感，占總有機(jī)碳的比例最高。生物化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳和化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳同屬于惰性礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳范疇。惰性礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳是有機(jī)物分解的最終產(chǎn)物與土壤黏粒和粉粒相結(jié)合的部分，穩(wěn)定性較強(qiáng)[16]，所以生物化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳得以積累?；瘜W(xué)保護(hù)有機(jī)碳無(wú)變化趨勢(shì)，說(shuō)明長(zhǎng)期施用化肥不利于土壤有機(jī)碳的積累，這與王朔林等[17]研究結(jié)果一致，原因可能在于化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳主要由腐殖質(zhì)組成，施用NPK肥對(duì)土壤中有機(jī)質(zhì)的輸入不足以彌補(bǔ)其礦化損失量，還可能由于不同組分有機(jī)碳的表面化學(xué)性質(zhì)及吸附其他物質(zhì)的能力不同[18]。在2006—2014年期間，在NPK處理下物理保護(hù)有機(jī)碳隨施肥時(shí)間無(wú)明顯變化，說(shuō)明其受化肥影響較小。物理保護(hù)有機(jī)碳主要是通過(guò)團(tuán)聚體的閉蓄以阻止微生物的分解，而施用NPK肥為微生物提供了有效氮源，顯著促進(jìn)了土壤微生物活動(dòng)，進(jìn)而加強(qiáng)對(duì)物理保護(hù)有機(jī)碳的分解，使其礦化損失量等于或大于歸還量[7]，所以物理保護(hù)有機(jī)碳的變化較小。

3.2 長(zhǎng)期單施有機(jī)肥對(duì)土壤有機(jī)碳組分的影響及其機(jī)理

本研究中，與單施化肥相比，單施有機(jī)肥土壤總有機(jī)碳和各組分有機(jī)碳含量隨施肥年限均有明顯提高，這充分表明單施有機(jī)肥對(duì)提升土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的積極作用和顯著效果。原因在于施用有機(jī)肥不僅可以提高作物產(chǎn)量，還可以大量增加碳的直接輸入量。同時(shí)還與該試驗(yàn)區(qū)域的生態(tài)氣候條件以及不同施肥處理下土壤的本底值有關(guān)[19-20]。Pandey等[21]的研究也表明，長(zhǎng)期施用有機(jī)肥可以提高土壤高活性有機(jī)碳及礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳的含量。本研究中單施有機(jī)肥處理下的各組分有機(jī)碳分配比例趨勢(shì)與NPK處理基本一致，與張麗敏等[13]的研究基本一致，但礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳（生物化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳和化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳）占總有機(jī)碳的比例略有下降，與樊廷錄等[22]對(duì)黑壚土的研究相反，其他組分所占比例均有增加?？赡苁菃问┯袡C(jī)施肥提高了土壤真菌數(shù)量[23]，促使土壤黏粉粒向團(tuán)聚體顆粒的轉(zhuǎn)化[24]，且微生物代謝分泌物所增加的礦物結(jié)合有機(jī)碳含量小于礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳向顆粒有機(jī)碳轉(zhuǎn)移的含量，最終使生物化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳凈含量減少。有機(jī)肥的施入也增加了游離活性有機(jī)碳中的動(dòng)植物殘?jiān)捌浞置谖锪縖24]。佟小剛等[25]的研究表明潮土上物理保護(hù)有機(jī)碳占總有機(jī)碳的比例為5.0%—8.9%，與本研究結(jié)果基本一致，主要由于微團(tuán)聚體的物理保護(hù)作用降低了微生物對(duì)土壤有機(jī)碳的分解，從而起到固存有機(jī)碳的效應(yīng)[9]。

3.3 NPK與有機(jī)肥配合施用對(duì)有機(jī)碳組分的影響及其機(jī)理

本研究中MNPK處理的土壤總有機(jī)碳含量和年變化量均高于0.5MNPK處理，此結(jié)果與多數(shù)報(bào)道一致[19, 22, 26]。因?yàn)橥寥揽傆袡C(jī)碳含量主要取決于有機(jī)碳的輸入和降解之間的平衡，常量有機(jī)肥和化肥配施，一方面化肥的高投入可以增加土壤微生物活性，促進(jìn)作物的生長(zhǎng)，提高作物生物量，進(jìn)而增加作物根茬及根系分泌物歸還量，另一方面有機(jī)肥的高投入直接為土壤提供了有機(jī)物質(zhì)，促進(jìn)土壤總有機(jī)碳的增加[19]。本研究還顯示MNPK處理也提高了各組分有機(jī)碳的含量，且提高效果好于0.5MNPK處理，這與張敬業(yè)等[27]和梁堯等[28]的研究結(jié)果一致。佟小剛等[25]對(duì)潮土的研究也表明MNPK處理下自由顆粒有機(jī)碳或輕組有機(jī)碳含量增加顯著。從黃壤性水稻土各組分有機(jī)碳的時(shí)序變化可以看出，在相同的田間管理措施下，施肥量不同，則各組分有機(jī)碳比例的變化也存在差異。0.5MNPK和MNPK處理下依然表現(xiàn)出游離活性有機(jī)碳占總有機(jī)碳的比例最大，物理保護(hù)有機(jī)碳所占比例最小，化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳和生物化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳所占比例居中。與M處理相比，0.5MNPK和MNPK處理的游離活性有機(jī)碳所占比例有所下降，因?yàn)镹PK與有機(jī)肥的長(zhǎng)期配合施用，使這部分非保護(hù)活性有機(jī)碳經(jīng)微生物降解或經(jīng)過(guò)團(tuán)聚體周轉(zhuǎn)以后，可能與鐵鋁氧化物和土壤黏粒結(jié)合，受到土壤礦物的化學(xué)保護(hù)作用，進(jìn)一步形成穩(wěn)定的胡敏素，提供給有機(jī)碳以生物化學(xué)保護(hù)作用[29-30]，其中MNPK處理下生物化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳所占比例較M處理增加較為明顯；也可能是微生物代謝分泌物直接與表面吸附能力強(qiáng)的黏粒結(jié)合，促使黏粒有機(jī)碳得到累積[18]；還可能是高投入的有機(jī)肥最后以惰性碳的形成固存在土壤中導(dǎo)致礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳比例增加[29]。

4 結(jié)論

貴州黃壤性水稻土在長(zhǎng)期施用有機(jī)肥處理下總有機(jī)碳含量和組分有機(jī)碳含量隨時(shí)間均呈線性增加趨勢(shì)，其中以有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施增加的效果較明顯。游離活性有機(jī)碳是土壤總有機(jī)碳的最大部分。有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施也顯著增加了土壤未保護(hù)游離活性、物理保護(hù)和化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳含量，在常量有機(jī)無(wú)機(jī)配施的條件下提升幅度最高。因此，常量有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施是提升土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的最有效模式。

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（責(zé)任編輯 李云霞）

The Changes of Organic Carbon and its Fractions in Yellow Paddy Soils under Long-term Fertilization

WANG XiaoLi1, GUO Zhen1, DUAN JianJun2, ZHOU ZhiGang1, LIU YanLing3, 4, ZHANG YaRong3, 4

(1College of Agriculture, Guizhou University, Guiyang 550025;2College of Tobacco Science, Guizhou University/ Key Laboratory of Tobacco Quality Research in Guizhou Province, Guiyang 550025;3Institute of Soil and Fertilizer, Guizhou Academy of Agricultural Sciences, Guiyang 550006;4Scientific Observing and Experimental Station of Arable Land Conservation and Agriculture Environment (Guizhou), Ministry of Agriculture, Guiyang 550006)

The organic carbon of different protection mechanisms showed different fertility and bioavailability due to the difference in stability. The study of the response of soil organic carbon and its fractions in yellow paddy soils (main type of paddy soils in Guizhou province) on long-term fertilization and its evolution characteristics will provide scientific basis for the assessment of carbon sequestration potential and the improvement of soil fertility in paddy field in southwest China.Soil samples of five fertilization treatments, including no fertilizer control (CK), chemical fertilizer (NPK), organic manure (M), low application rate of manure combined with chemical fertilizer (0.5MNPK) , and normal application rate of manure combined with chemical fertilizer (MNPK) , were collected every two years from 2006 to 2014 in the long-term fertilization experiment (starting from 1995) of yellow paddy soil in Guizhou Province, China. The content of soil total organic carbon and its four fractions organic carbon (unprotected organic carbon, physically-protected organic carbon, chemically-protected organic carbon and biochemically- protected organic carbon) were determined by Stewart physical-chemical fractionation method and elemental analyzing method. The linear regression equations were used to model the evolution characteristics of soil total organic carbon and organic carbon fractions.The results showed that compared with CK and NPK treatments, soil total organic carbon contents under the manuring treatments (0.5MNPK/M/MNPK) were significantly increased by 15%-39%, among which MNPK treatment had the maximum increasing range, and the unprotected organic carbon, physically-protected organic carbon and chemically-protected organic carbon were significantly increased under the manuring treatments (0.5MNPK/M/MNPK). The soil organic carbon and its fractions contents in four fertilization treatments (NPK/0.5MNPK/M/MNPK) increased with time from 2006 to 2014, among which the trends of linear increase of unprotected organic carbon, physically-protected organic carbon and chemically-protected organic carbon under the manuring treatments (0.5MNPK/M/MNPK) were more obvious than NPK treatment. However, which of CK treatment had no evident change with fertilization time. The average annual growth rate and growth range of soil unprotected organic carbon, physically-protected organic carbon and chemically-protected organic carbon under manuring treatments (0.5MNPK/M/MNPK) were both higher than those of CK and NPK treatments. The average annual increasing rates of soil total organic carbon under manuring treatments (0.5MNPK/M/MNPK) were 1.5-1.6 times and 3.5-3.7 times than those of CK and NPK treatments, respectively. The ratio of unprotected organic carbon to total organic carbon (58%-63%) was 3-14 times than those of other organic carbon fractions.The unprotected organic carbon not only accounted for the largest portion in soil organic carbon, but also had the most highly sensitivity to fertilization. The normal application rate of manure combined with chemical fertilizer is an effective model for improving soil organic carbon storage.

long-term fertilization; yellow paddy soil; Stewart physical-chemical fractionation; soil organic carbon; organic carbon fractions

2017-05-10；

2017-09-27

國(guó)家自然科學(xué)基金（31360503、41361064、41461069）、貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院自主創(chuàng)新專項(xiàng)（黔農(nóng)科院自主創(chuàng)新專項(xiàng)2014007號(hào)，黔農(nóng)科院科技創(chuàng)新專項(xiàng)[2017] 06號(hào)）、貴州省科技計(jì)劃項(xiàng)目（黔科平臺(tái)[2013]4002號(hào)）、貴州省聯(lián)合基金（黔科合LH字[2015]7079號(hào)）

聯(lián)系方式：王小利，E-mail：xlwang@gzu.edu.cn。通信作者段建軍，E-mail：djjwxl@126.com