長期施有機肥對黃壤旱地不同粒徑有機碳礦化的影響

安世花， 李 渝， 王小利*， 段建軍， 張雅蓉， 蔣太明

(1.貴州大學 農學院， 貴州 貴陽 550025； 2.農業部貴州耕地保育與農業環境科學觀測試驗站， 貴州 貴陽 550006； 3.貴州大學 煙草學院/貴州省煙草品質研究重點實驗室， 貴州 貴陽 550025)

土壤有機碳作為土壤肥力的重要指標[1]，其輸入方式主要有自然輸入(地上部分的植株落葉和地下部分的根系分泌物)和人為投入(施肥)，輸出主要通過土壤有機碳礦化釋放CO2。土壤有機碳的固碳能力是有機碳輸入和輸出平衡的結果。不同粒徑有機碳作為生物有效性的重要限制因子，會引起土壤有機質與粘土顆粒之間在結合方式及結構等方面存在差異，也會影響微生物活性，從而導致不同粒徑有機碳的礦化存在差異。粒徑小的有機質含量高于大粒徑組分，且小粒徑組分含量越高，土壤有機碳的礦化越易進行[2]。郝瑞軍等[3]指出，水稻土中不同粒級團聚體之間有機碳礦化速率存在明顯差異，均以1～2 mm粒級團聚體最高， <0.053 mm粒級團聚體最低。長期施肥通過影響土壤氧化還原環境、土壤團聚體穩定性、粒級分布和養分含量進而影響土壤有機碳的礦化[4-5]。在水稻土、栗褐土、黃土高原區旱地、南方紅壤旱地上長期用化肥及有機無機肥配施可促進土壤有機碳礦化，且CO2釋放速率在培養前期較高，培養后期趨于穩定；就礦化速率和累積礦化量而言，單施有機肥具有提高作用，而長期施肥卻降低土壤有機碳累積礦化量占總有機碳含量的比例，有利于土壤碳的固持和積累[6-12]。

目前，將不同粒徑組分、長期施肥和土壤有機碳礦化結合在一起研究土壤有機碳礦化的變化規律相對較少。在海拔、氣候、降雨量和溫度相同的條件下，由于水田和旱地的利用方式不同，土壤含水量不一樣，使土壤有機碳含量具有差異性，土壤有機碳的礦化作用存在差異。針對不同粒徑組分旱地土壤有機碳礦化規律與施肥的關系，以貴州省農業科學院長期定位試驗的黃壤性旱地為研究對象，研究長期施用有機肥對不同粒徑有機碳礦化的影響，探討長期定位施肥下不同粒徑有機碳與土壤有機碳礦化間的關系，為制定黃壤合理的培肥措施提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于貴州省貴陽市花溪區貴州省農業科學院內(106°07′E、26°11′N)，平均海拔1 071 m。氣候溫和，熱量豐富，且熱、水、光同期，屬亞熱帶季風氣候。年平均氣溫約15.3℃，年平均日照時數約1 354 h，相對濕度75.5%，全年無霜期約270 d，年降雨量1 100～1 200 mm。試驗地為黃壤旱地，成土母質為三疊系灰巖與砂頁巖殘積物。1995年土壤0～20 cm基本性質：有機質含量15.15 g/kg,全氮0.85 g/kg,全磷0.71 g/kg,全鉀13.29 g/kg,堿解氮67.9 mg/kg,有效磷15.9 mg/kg,速效鉀109.2 mg/kg,pH 5.39。種植作物為單季玉米，品種分別為交3單交( 1995—1998年)、黔單10號(1999—2000年、2002—2003年)、農大108( 2001年) 、黔玉2號( 2004—2005年)、黔單16號( 2006—2012年)、金玉818( 2013—2014年)、中農大239(2015年)。玉米通常于4月份播種，8月中下旬收獲，玉米秸稈及根茬直接還田，其余時間休閑。

1.2 試驗設計

試驗時間為1995-2017年共22年。試驗設單施有機肥(M)和不施肥(CK)2個處理，有機肥施肥量約為2 000 kg/667m2。采用大區對比試驗，不設重復，每處理面積340 m2，有機肥為牛廄肥(含C 413.8 g/kg，N 2.7 g/kg，P2O51.3 g/kg、K2O 6.0 g/kg)。

1.3 土壤樣品采集

土壤樣品于2017年玉米收獲后進行采集。每個處理區分為3個小區，以“S”形5點取0～20 cm的土壤樣品，混合均勻，每小區取3次土樣，撿除土壤樣品中的動植物殘體及大顆粒石塊，風干后過2 mm篩備用。

1.4 土壤有機碳的分組

利用濕篩法將過2 mm篩的土壤樣品分為粗顆粒(粒徑>250)、微團聚體(53≤粒徑≤250)、單粉粘粒有機碳(2≤粒徑<53)和單黏粒有機碳(粒徑<2)4個組分[13-14]。具體步驟:微團聚體分離器套篩由2個不同目徑的篩子組成，頂部篩為250 μm，底部篩為53 μm。試驗開始前固定好套篩，放入盛有一定蒸餾水的鋁盆中，稱取30 g過2 mm篩的風干土樣平鋪于頂部篩中，使蒸餾水淹沒土壤高出約3 mm，向頂部篩中加入30個直徑0.5 mm的玻璃珠，啟動裝置，讓其擺動20 min，關閉電源，頂部篩上的物質為粗顆粒組分，底部篩上的則是微團聚體組分，鋁缽中的水土混合液為單粉粘粒有機碳，水土混合液在900 r/min下離心7 min后，沉淀部分為單粉粒有機碳，上層液再在3 200 r/min下離心15 min棄去上清液，沉淀則為單黏粒有機碳。分離出的各個粒徑組分用蒸餾水轉移至鋁盒中于60℃下烘干，研磨，保存于自封袋中，貼上標簽。每個土樣至少重復5次以達到后期礦化培養及各個粒徑有機碳測定所需的質量。

1.5 不同粒徑組分的培養

稱取原土、粗顆粒、微團聚體、單粉粒和單黏粒4組分各3 g，分別放入已貼好標簽的小燒杯中，緩慢加蒸餾水至適度(田間持水量的60%)，轉移至培養瓶中，蓋緊瓶蓋，25℃恒溫暗培養24 h后，向培養瓶中放入裝有10 mL 0.1 mol/L NaOH溶液的小燒杯，再蓋緊瓶蓋繼續暗培養，依次在培養后2 d、4 d、6 d、8 d、10 d、12 d、14 d、16 d、19 d、22 d、25 d、28 d取出瓶中燒杯，依次加入2 mL 1 mol/L的BaCl2溶液、2滴0.5%的酚酞指示劑，再用濃度為0.1 mol/L的HCl滴定(滴定時先標定鹽酸實際濃度)，溶液由紅色變為白色即為滴定終點，記下所消耗的鹽酸量。通過HCl消耗量計算CO2釋放量[9,15]。培養的土壤用稱質量法補充水分至恒重，打開瓶蓋通氣30 min后裝入新盛有10 mL 0.1 mol/L NaOH溶液的燒杯，蓋緊瓶蓋繼續密閉暗培養。整個培養過程每個組分設置3次重復，并設空白對照。

1.6 測定方法

不同粒徑有機碳采用外加熱重鉻酸鉀氧化法[16]測定，土壤有機碳含量(CO2，g/kg)、土壤有機碳礦化速率[CO2，g/(kg·d)]和土壤有機碳累積礦化量參照郭振等[7]的方法測定。

采用一級動力學方程Ct=C0(1/ekt) 對土壤累積礦化的CO2進行擬合[8,12, 15]。

1.7 數據分析

試驗數據采用SPSS 19.0進行方差分析和LSD多重比較。用Excel 2010作圖，一級動力學方程用Origin 9.0 擬合。

2 結果與分析

2.1 不同粒徑組分土壤有機碳含量

由圖1可知，與CK相比，長期施有機肥能提高不同土壤粒徑組分的有機碳含量，M處理原土、粗顆粒、微團聚體、細粉粒、細粘粒的有機碳含量依次是CK的1.17倍、1.19倍、1.27倍、1.29倍和1.25倍。2個處理不同粒徑組分的有機碳含量均存在顯著差異(P<0.05)，且兩者的變化趨勢一致；4種不同粒徑有機碳中，CK和M處理均以粗顆粒有機碳含量最高，分別為14.38 g/kg和17.16 g/kg，以細粘粒最低，為3.42 g/kg和4.28 g/kg。M處理的粗顆粒有機碳含量是細粘粒的4倍，是微團聚體和細粉粒的1.8和2.6倍，CK處理的粗顆粒有機碳含量則是細粘粒的4.7倍。在原土有機碳含量中，4種不同粒徑組分的有機碳含量所占比例各不相同，其中以粗顆粒最大(CK占47%，M占47%)，細粘粒最小(CK占10%，M占11%)。

圖1 不同粒徑土壤有機碳含量

Fig.1 Organic carbon content of soil with different particle sizes

2.2 不同粒徑組分土壤有機碳礦化速率

從圖2可知，CK和M處理的不同粒徑有機碳礦化速率規律基本一致，均表現為先快速下降、緩慢上升、緩慢下降、最后趨于穩定的趨勢。在培養期間，CK和M處理原土及不同粒徑有機碳礦化速率在0.001 0～0.256 7 g/(kg·d)和0.001 1～0.342 2 g/(kg·d)，土壤有機碳礦化速率均以培養第2天達最大值，礦化速率為原土>單粘粒>微團聚體>單粉粒>粗顆粒。前6天出現快速下降趨勢，CK和M處理原土有機碳礦化速率分別下降0.217 2 g/(kg·d)和0.292 5 g/(kg·d)，4種不同粒徑有機碳礦化速率中，CK以粗顆粒下降最快，為0.083 1 g/(kg·d)；單粘粒下降最慢，為0.067 3 g/(kg·d)；而M則以單粘粒下降最快，為0.119 0 g/(kg·d)，粗顆粒下降最慢，為0.085 2 g/(kg·d)。6～12天緩慢上升，CK和M處理的上升幅度都不大，為-0.001 4～0.031 6 g/(kg·d)和-0.011～0.006 1 g/(kg·d)。12～19天緩慢下降，2個處理下降范圍分別為0.030 8～0.069 2 g/(kg·d)和0.028 9 ～0.048 4 g/(kg·d)。19～28天趨于穩定，即CK和M處理原土及不同粒徑有機碳的礦化速率基本不再變化，趨于穩定值。培養期間，CK和M處理各組分的礦化速率與培養時間符合對數函數關系，且相關性表現為極顯著水平(表2)。

圖2 不同粒徑有機碳化速率

表2 不同粒徑土壤有機碳礦化速率方程

注：y為CO2產生速率[g/(kg·d)]，x為培養天數(d)，“**”表示P<0.01。

Note:yis CO2production rate [g/(kg·d)],xis culture days (d), and ** meansP< 0.01.

2.3 不同粒徑組分土壤有機碳累積礦化量

由圖3可知，CK和M處理原土及4種不同粒徑有機碳的累積礦化量變化趨勢基本相同，均表現為隨著培養時間延長，土壤有機碳累積礦化量逐漸增加，但有機碳累積釋放強度逐漸減緩，長期施用有機肥可顯著提高不同粒徑有機碳累積礦化量。培養0～16 d土壤有機碳累積礦化量變化較大，培養16～28 d則基本趨于穩定，變化幅度較小。在CK處理中，培養28 d單粉粒有機碳累積礦化量最高，為3.847 5 g/kg。微團聚體、原土、單粘粒居中，粗顆粒最低，為3.072 7 g/kg。而M處理原土及4種不同粒徑有機碳在每個培養時間內累積礦化量的大小差異明顯，在3.65～3.94 g/kg，表現為原土>單粉粒>單粘粒>微團聚體>粗顆粒，與粗顆粒相比，原土培養28 d的累積礦化量提高7.95%。

圖3 不同粒徑土壤有機碳累積礦化量

2.4 不同粒徑土壤有機碳潛在礦化勢及周轉速率

從表3看出，長期施用有機肥模式下，通過一級動力學方程將不同粒徑組分有機碳累積礦化量與培養天數進行擬合(P<0.01)，得出土壤潛在可礦化有機碳含量(C0)、有機碳庫的周轉速率(k)及擬合的相關系數(R2)礦化指標。相關系數(R2)均達0.90以上，與不施肥處理相比，長期施用有機肥可增加原土中的潛在可礦化碳含量、周轉速率和相關系數，但降低了半周轉期。在4種不同粒徑有機碳中，長期施用有機肥增加了粗顆粒和單粘粒的潛在可礦化碳含量，增長率為7.9%和7.2%，降低了微團聚體和單粉粒潛在可礦化碳，以微團聚體下降最快，為27.6%。不同粒徑組分的周轉速率(k)和半周轉期(T1/2)存在差異但未達到顯著水平(P<0.05)，周轉速率為原土>單粘粒>微團聚體>粗顆粒>單粉粒，半周轉期則與之相反。

表3 不同粒徑有機碳累積礦化指標

注：C0為土壤潛在可礦化有機碳含量，k為有機碳庫的周轉速率，R2為擬合的相關系數，T1/2為半周轉期，同列數據后不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

Note:C0is the soil potential mineralized organic carbon content,kis the turnover rate of the organic carbon pool,R2is the fitting correlation coefficient, andT1/2is the semi-turnover period. Different lowercase letters of the same column of data indicate significant differences between treatments (P<0.05).

3 結論與討論

研究表明，長期施用有機肥均能增加黃壤旱地不同粒徑土壤有機碳含量，大小依次是粗顆粒>微團聚體>單粉粒>單粘粒，說明粒徑越大，有機碳含量越高。長期施用有機肥對黃壤旱地不同粒徑有機碳的礦化速率影響較大，隨著培養時間延長有機碳礦化速率呈先快速下降，再緩慢升高和下降，最后趨于穩定。整個礦化過程中4種不同粒徑土粒的累積礦化量是先快速增加，然后緩慢增長，大小依次是單粉粒>單粘粒>微團聚體>粗顆粒。

土壤有機碳分解釋放出CO2的過程稱為碳礦化，主要受溫度、水分、施肥模式、土壤顆粒結構等的影響。礦化速率大小的變化可以指示土壤的養分通量。研究中，長期施用有機肥可提高不同粒徑有機碳含量，有機碳含量大小為粗顆粒>微團聚體>單粉粒>單粘粒，此結果與王芳等[16-18]的研究結果一致，說明大團聚體上分布有黏稠劑，而施肥主要提高了黏稠劑的含量，從而促使粗顆粒組分的有機碳含量提高。

土壤有機碳因其穩定性不同可分為不穩定有機碳庫和穩定有機碳庫，不穩定有機碳庫具有易被土壤微生物分解和易礦化的特點。而后者則具有較強的穩定性，在土壤中有利于碳的儲存。研究中，不同粒徑有機碳礦化速率在培養第2天達最大值，其原因是試驗土壤經過1周暗培養后，其微生物活性得到恢復，培養環境又提供了充足的養分。黃壤旱地原土及不同粒徑有機碳礦化速率的變化趨勢符合對數函數關系，與郝瑞軍等[3]的研究結果相同。

有研究表明，單獨施用有機肥可顯著提高土壤潛在可礦化碳含量，其原因是單獨施用有機肥的土壤會迫使土壤微生物分解大量的有機質才得到相應的養分元素。研究中，不施肥與單獨施用有機肥處理均以粗顆粒有機碳的累積礦化量最低，這可能與不同粒徑組分中不穩定性有機碳含量所占的比例不同而導致，說明大團聚體有機碳易被破壞，不利于有機碳的固定，反之則固碳能力最強，這與劉晶等[19-20]的研究結果一致。