連續施用土壤改良劑對沙質潮土肥力及活性有機碳組分的影響

周吉祥，張賀，楊靜，李桂花，張建峰

（中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所耕地培育技術國家工程實驗室，北京100081）

0 引言

【研究意義】黃淮海平原總面積達3 000萬hm2，占全國平原面積的30%，耕地占全國的18%[1]，是我國重要的糧食生產核心區域，在我國糧食安全和國民經濟發展中占有不可替代的戰略地位。但該區域以沙質和鹽堿化為主的各類中低產田約占耕地總面積的2/3，其中沙質土壤約為267萬hm2。土質疏松，結構性差，有機碳含量低，土壤保肥蓄水能力弱，養分含量少是當前黃淮海平原沙質潮土現狀，不利于作物生長，嚴重影響了當地農業經濟的發展。因此改良沙質土壤、提高沙質土壤肥力是促進當地農業經濟平穩發展及保障國家糧食安全的重要手段?！厩叭搜芯窟M展】土壤改良產品種類繁多，如松土劑、固沙劑、增肥劑、消毒劑、土壤調理劑、保水劑、土壤改良調節劑等統稱為土壤改良劑[2]，隨著環境友好型土壤改良劑生產技術的不斷完善, 其在各類障礙型土壤中的培肥改良應用逐漸發展為研究的熱點，大量研究表明，施用有機改良劑能提升土壤肥力[3]、改善土壤環境[4]以及調節土壤中微生物活性[5-6]，同時在一定程度上增加土壤有機質含量，進而影響土壤有機碳庫各組分的相互轉化。有研究指出有機碳土壤改良劑施用量與風沙土孔隙度、團聚體、持水量、有機質、速效養分、微生物數量、酶活性和玉米產量呈正相關關系[7]；文星等[8]研究發現施用土壤改良劑能夠在一段時間內改變土壤pH、影響速效磷和交換性 Ca、Mg的含量；劉慧軍等[9]認為不同土壤改良劑均能顯著提高土壤中有機質、速效磷、速效鉀等養分含量。有機碳作為衡量土壤質量的重要指標，在調節土壤物理化學性質，改善土壤結構，影響作物產量等方面具有重要作用[10]。根據有機碳生物穩定性和周轉期的不同，可分為活性、慢性和惰性有機碳，其中，活性有機碳主要包括：易氧化有機碳（LOC）、可溶性有機碳（DOC）和微生物量碳（MBC）[11-13]。因活性有機碳轉化周期短、易被微生物分解利用，常用作土壤碳循環和有效養分變化周轉的敏感指標[14-16]。有研究表明，土壤活性碳對施肥措施的變化響應敏感，因此可以作為預警或者較早反映土壤碳庫變化的指示指標[17]；同時，土壤活性碳占總有機碳的比值對土壤碳庫質量的變化非常敏感，可用來指示土壤質量的變化[18]。根據不同活性有機碳指標，LEFROY等[19]和 BLAIR等[20]提出了土壤碳庫管理指數（CPMI）的概念。CPMI由人為影響下土壤碳庫指標和土壤碳庫活度兩方面的內容組成[21]，既可以反映土壤有機碳儲量的變化，也能反映土壤有機碳組分的變化情況，能夠指示土壤肥力和土壤質量的變化[22]。因此，研究有機改良劑施用條件下土壤有機碳的動態變化，對于實現土壤有機碳庫的累積儲存，改善土壤質量具有重要意義[23]。【本研究切入點】周巖等[2]認為當前土壤改良劑改土應用效果明顯，但缺乏長期定位試驗跟蹤和數據驗證。近年來，有機土壤改良劑在鹽堿土、酸性土等土壤類型的相關研究中已經取得了較好成果，同時，凹凸棒土作為一種儲量豐富、用途多樣的可利用資源，在工業、醫學、農業等多種行業上具有吸附和黏結等用途，但目前關于兩者配合連續多年施用于沙質潮土肥力和質量改良效應的研究鮮見報道?！緮M解決的關鍵問題】綜上，本研究采用大田連續定位試驗研究手段，以廊坊市沙質潮土為研究對象，施用實驗室自制土壤改良劑，通過研究土壤養分含量、活性有機碳各組分含量、各組分有效率及碳庫管理指數的變化特征，為沙質潮土培肥改良、提升土壤肥力提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區域概況

試驗基地位于河北省廊坊市萬莊鎮中國農業科學院國際高新技術示范園區內（39°36′N，116°36′E），屬溫帶大陸性季風氣候區，年均氣溫11.9 ℃，降水量為550 mm，70%—80%降水集中在6—8月。全年平均日照時數為2 660 h，無霜期為183 d。種植制度為冬小麥-夏玉米輪作，土壤類型為沙質潮土。試驗前土壤耕層基本理化性狀：含水量5.87%，pH 8.83，有機碳（SOC）7.48 g·kg-1，全氮（TN）0.81 g·kg-1，速效磷（AP）17.55 mg·kg-1，速效鉀（AK）153.32 mg·kg-1。

1.2 土壤改良劑

試驗所用有機土壤改良劑為實驗室自制。選用蝦頭蟹殼提取甲殼素后的廢棄物，粉碎后按照重量2﹕3混合加入草炭、秸稈和花生殼及其他保密材料，接入微生物菌劑（地衣芽孢桿菌、干酪乳桿菌、黑曲霉和枯草芽孢桿菌），通過好氧發酵、高溫堆肥等工藝處理后制成；無機改良劑為改性凹凸棒土。兩種改良劑理化性質如表1所示。

表1 供試改良劑基本理化性質Table 1 Basic physical and chemical property of test amendments

1.3 試驗設計

試驗設計4個處理，分別為：（1）單施化肥（CK）；（2）CK+有機改良劑 15 t·hm-2（T1）；（3）CK+無機改良劑 2.25 t·hm-2（T2）；（4）CK+有機改良劑 15 t·hm-2+無機改良劑 2.25 t·hm-2（T3）。改良劑施用量參考許帆等[24]的研究。每個處理設有3次重復，按照隨機區組方法設置排列重復，小區面積為30 m2。氮磷鉀復混肥（20-16-9）施用 0.75 t·hm-2，用量以當地農戶習慣用量為依據。有機改良劑和無機改良劑隨同基肥一次性施入耕作層混合均勻。試驗自2015年10月開始至2018年10月，連續種植3年 6季作物。不同土壤改良劑各處理養分輸入量見表2。

1.4 樣品采集、測定項目與分析方法

1.4.1 土壤樣品采集 土壤樣品于 2018年 10月 9日（第6季玉米收獲期）采自耕層（0—20）cm土壤，混合均勻后將四分法保留的土樣分為兩份，一份置于避光處自然風干后分別過篩保存，用于測定基本理化指標；一份帶回實驗室存放于-20℃冰箱保存，用于土壤微生物量碳及土壤可溶性有機碳測定。

表2 不同土壤改良劑各處理養分輸入量Table 2 Nutrient input in different treatments oftwo soil amendments

1.4.2 測定項目及方法

（1）土壤理化指標均采用《土壤農化分析》[25]方法測定：pH采用水土比5﹕1梅特pH計（FE20）測定、有機碳采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法、全氮采用凱氏定氮法、速效磷采用Olsen法、速效鉀乙酸銨提取-火焰光度法。

（2）土壤活性有機碳組分[11-13]測定：微生物量碳（microbial biomass carbon，MBC）：采用氯仿熏蒸-K2SO4提取法[26]，用 TOC儀測定熏蒸、未熏蒸浸提液中土壤提取碳含量，兩者差值乘以轉化系數0.45計算土壤微生物量碳。

易氧化有機碳（labile organic carbon，LOC）用KMnO4氧化法[27]測定：稱取過0.2 mm篩的土壤樣品2 g于 50 mL塑料旋蓋的離心管中，加入25 mL濃度為 333 mmol·L-1的 KMnO4，常溫下振蕩 1 h，然后在轉速3 000 r/min下離心5 min，取上清液0.5 mL于250 mL容量瓶中，定容搖晃均勻，在分光光度計565 nm下測定稀釋樣品的吸光率。由不加土壤的空白與土壤樣品的吸光率之差，計算出 KMnO4濃度的變化，進而計算出被氧化碳含量或有機質即活性有機質含量（氧化過程1 mmol·L-1KMnO4消耗9 mg C）。

可溶性有機碳[28]（dissolved organic carbon，DOC）：稱取新鮮土樣25.00 g于三角瓶中，同時加入50 mL高純水，在200 r/min振蕩器上振蕩2 h，接著在轉速為10 000 r/min高速離心機里離心15 min，用真空泵抽濾過0.45 μm薄濾膜，用TOC自動分析儀測定過濾液中水溶性有機碳含量。

1.5 數據計算

（1）土壤活性有機碳各組分碳素有效率[29]計算方法：

LOC有效率（%）=LOC/TOC×100%；

MBC有效率（%）=MBC/TOC×100%；

DOC有效率（%）=DOC/TOC×100%。

（2）土壤碳庫管理指數計算方法：以試驗周圍撂荒地土壤為參考土壤（CK0），其總有機碳含量為6.84 g·kg-1，活性有機碳含量（采用 333 mmol·L-1KMn O4氧化法）[30]為2.8 g·kg-1。碳庫管理指數計算方法如下：

總有機碳=活性有機碳+非活性有機碳；

碳庫指數（CPI）=樣本中的總有機碳含量（g·kg-1）/參考土壤總有機碳含量（g·kg-1）；

碳庫活度（L）=樣本中的活性有機碳含量（g·kg-1）/樣本中非活性有機碳含量（g·kg-1）；

碳庫活度指數（LI）=樣本碳庫活度（L）/參考土壤碳庫活度（L0）；

基于以上參數可以得到碳庫管理指數（CPMI）=CPI×LI×100。

土壤綜合肥力指數（soil integrated fertility index，IFI）：采用內梅羅指數法對各處理下土壤肥力質量進行評價，本文選用土壤pH、有機質、全氮、速效磷和速效鉀作為分肥力指標，計算分肥力系數，利用修正的內梅羅公式計算土壤綜合肥力指數[31]。

（1）分肥力指數IFIi的計算：

式中，IFIi：分肥力系數，X：該屬性測定值；Xa與Xp：分級標準下、上限，Xc：介于分級標準上、下限間（表3）。

（2）綜合土壤肥力指數IFI的計算：

式中，IFIi平均與 IFIi最小為土壤各屬性分肥力均值與最小值；n為評價指標個數。

表3 土壤各屬性分級標準值Table 3 The grading standards of soil properties

1.6 數據分析

用 Excel軟件進行數據相關計算，試驗結果用SPSS19.0進行方差齊性檢驗，檢驗通過后，采用最小顯著差數法（LSD）進行顯著性檢驗，用F統計量進行多因素方差分析，采用 Person進行相關性分析；Canoco5.0做主成分分析（PCA）以及相關統計分析。

2 結果

2.1 改良劑對沙質潮土化學指標及土壤綜合肥力指數（IFI）的影響

施用有機改良劑（T1和 T3）顯著提高土壤有機碳、速效磷、速效鉀含量（表4），無機改良劑（T2）與CK無顯著差異。其中T1和T3處理土壤有機碳含量較CK分別顯著提高了28.42%和32.89%；T1、T3處理的土壤速效磷含量較 CK分別顯著提高了243.76%和254.17%；T1、T2和T3處理的土壤速效鉀含量較 CK分別顯著增加了 43.83%、19.81%和74.10%。T1、T2和T3處理的土壤pH較CK分別顯著降低了 0.35、0.22和 0.28，T1、T2、T3處理之間無顯著差異。土壤綜合肥力指數（IFI）T1、T3處理較CK分別顯著提高了15.65%和17.39%，T2較CK無顯著差異。

2.2 施用不同改良劑對土壤碳庫組分含量的影響

2.2.1 改良劑對土壤活性碳各組分含量的影響 由圖1可知，土壤活性碳庫組分含量由高到低依次為：易氧化有機碳＞微生物量碳＞可溶性有機碳。T1、T3處理土壤可溶性有機碳（DOC）較CK分別顯著升高了16.55%和38.29%，T3較T1顯著提高了18.65%，由于單施無機改良劑較CK無顯著提高，說明有機無機改良劑配施存在一定的交互作用；T1、T3處理土壤易氧化有機碳含量（LOC）較 CK分別顯著提高了12.36%和16.74%；T3處理土壤微生物量碳（MBC）較CK顯著提高了10.43%。所有T2處理較CK均無顯著差異。

表4 土壤改良劑對土壤化學特性及肥力水平的影響Table 4 Changes of soil chemical properties and integrated fertility index with two soil amendments

圖1 不同處理下土壤活性碳庫各組分含量Fig.1 Changes of active carbon content with two soil amendments

2.2.2 改良劑對土壤活性碳組分有效率的影響 由表5可知，不同活性碳占總有機碳的比值在不同改良劑下表現不同。有機改良劑處理（T1、T3）的易氧化有機碳有效率（LOC/TOC）較 CK分別顯著降低了12.57%和 12.02%，T1、T3較 T2分別顯著降低了12.84%和 12.30；有機改良劑處理（T1、T3）的微生物量碳有效率（MBC/TOC）較 CK分別顯著降低了12.84%和12.30%，T1較T2顯著降低了12.14%；T1、T2和T3處理的可溶性碳有效率（DOC/TOC）較CK均無顯著性差異。

2.2.3 不同土壤改良劑對土壤碳庫管理指數的影響 由表6可知，T1、T3處理的土壤碳庫指數（CPI）較CK分別顯著增加了28.70%和33.33%，T1、T3處理較T2顯著增加了21.93%和26.32%；T1、T3處理土壤碳庫活度（L）較 CK分別顯著降低了 17.02%和14.89%，T1、T3處理較 T2顯著增加了 18.75%和16.67%；T1、T3處理土壤碳庫活度指數（LI）較CK分別顯著增加了17.78%和16.67%，T1、T3處理較T2顯著增加了17.78%和16.67%；T3處理土壤碳庫管理指數（CPMI）較 CK顯著增加了 10.64%。以上指標T2較CK均無顯著差異。

表5 不同處理下土壤活性碳各組分有效率（%）Table 5 Changes of the ratios of soil available carbon content to soil organic carbon with two soil amendments (%)

2.2.4 土壤碳庫各指標的主成分分析 對土壤活性碳組分、碳組分有效率及碳庫管理指數進行主成分分析，結果表明（圖2），第一主成分（PCA1）解釋率達76.58%，主要解釋指標是土壤各活性碳組分（LOC、DOC、MBC）及 TOC、CPMI，DOC/TOC 對 PCA1解釋率為幾乎為零；第二主成分（PCA2）為12.52%，主要解釋指標是活性碳組分在 TOC中的分配（MBC/TOC、LOC/TOC）；由圖中各參數分布特征可知，LOC/TOC、MBC/TOC在 CK處理時最高；活性有機碳各組分在T1、T3處理上具有最高載荷。PCA1主要代表不同土壤改良劑的施入，通過土壤改良劑種類的不同將各區組分開，其中，CK處理與T2處理相交，反映了施用無機改良劑處理活性有機碳各組分與CK無明顯差異；T1處理與T3處理相交，且T1、T3處理點與CK處理點相距最遠，反映了施用有機改良劑處理之間對提高土壤活性有機碳各組分含量無明顯差異，同時說明了有機改良劑的施用提高了土壤活性有機碳各組分的含量，有利于土壤碳庫的積累。

表6 改良劑對土壤碳庫管理指數(CPMI)的影響Table 6 Effects of soil amendments on carbon pool management index (CPMI)

圖2 不同處理土壤碳庫指標的主成分分析Fig.2 Principal component analyses (PCA) of soil carbon indices under two soil amendments

2.2.5 土壤活性碳庫各組分、碳庫管理指數及活性碳各組分有效率之間的相關性 由表7知，活性碳庫組分LOC、MBC與DOC之間存在極顯著的相關關系，說明活性碳庫各組分之間可以相互轉化；LOC與MBC/TOC之間存在顯著關系，說明MBC/TOC受LOC變化影響較大；DOC與LOC/TOC、MBC/TOC之間存在顯著關系，說明LOC/TOC、MBC/TOC受DOC變化影響較大；CPMI與LOC、MBC均存在著顯著關系，說明碳庫管理指數是能夠反映土壤碳庫組分變化情況的指標。

表7 土壤活性碳庫各組分、碳庫管理指數及活性碳各組分有效率之間的相關系數Table 7 Correlation coefficients (r) between soil active carbon, CPMI and the carbon pool component allocation ratio

3 討論

3.1 不同土壤改良劑對土壤化學特性和肥力水平的影響

土壤肥力是物理、化學和生物等基本性質的綜合表現，是土壤質量的重要組成部分，選用pH、氮、磷、鉀和有機碳計算的土壤肥力指數（IFI）可綜合表征改良劑對土壤肥力的影響特征[31]。有研究表明，施用有機土壤改良劑，能夠提高土壤有機質、全氮、速效磷等養分含量，提高土壤綜合肥力[32-33]，與本文研究結果一致。本試驗發現施用兩種土壤改良劑均影響土壤肥力指數相關的5個參數。首先，施用有機改良劑能夠顯著提高土壤有機碳及速效磷含量，這是由于隨著有機改良劑的連續施用，其自身向土壤中輸入了大量有機物質及磷元素。其次，土壤pH均顯著下降，并且施用有機改良劑的處理pH下降幅度大于無機改良劑。這是由于有機改良劑中含有機物，經土壤微生物分解后會產生各種腐殖酸物質，從而調節土壤pH。再者，施用兩種土壤改良劑土壤速效鉀含量均顯著升高，且有機無機改良劑配施效果優于單施，由于無機改良劑本身速效鉀含量很低，因此造成這種結果的原因一方面可能是本試驗所用有機改良劑提高了土壤有機質含量，進而減弱了蒙脫石類礦物的膨脹性，從而降低了土壤中鉀的固定；另外有機質的增加會促進土壤有機膠體的形成，從而以膠膜形式包被于黏粒表面，阻止鉀離子與黏粒礦物的直接接觸，減少鉀的固定。另一方面原因是無機改良劑自身具有巨大的陽離子交換能力，能夠促進土壤緩效鉀向速效鉀的轉化，進而減少了土壤交換性鉀的固定量。試驗發現施用有機改良劑處理能顯著提高土壤綜合肥力指數，說明施用有機改良劑使土壤肥力提高顯著，可為植物生長提供豐富的養分，而施用無機改良劑對提升土壤肥力無顯著效果。另有研究表明，施用有機改良劑不僅能夠增加土壤養分含量[34]，還能夠促進作物生長，增加產量，能夠提高籽粒品質[35]。本研究得出，有機土壤改良劑施用于土壤后能顯著提高土壤養分含量，提高土壤綜合肥力。

3.2 不同土壤改良劑對土壤活性碳組分和活性碳各組分有效率的影響

土壤易氧化有機碳、可溶性有機碳和微生物量碳比總有機碳更能靈敏地反映土壤質量和肥力變化，而活性有機碳組分的生物利用率與土壤有機碳源輸入密切相關[36]。有研究發現，單施有機肥及配施有機肥-無機肥均能有效提高土壤中易氧化有機碳組分的含量，且效果較單施無機肥更為顯著；連續有機無機肥料配施可提高土壤MBC、DOC含量以及CPMI[37-38]。本文施用有機改良劑也得到相似的結果，即土壤中LOC、DOC、MBC含量均顯著升高，其主要原因是：有機改良劑經堆肥處理，其自身富含的好氧活性有機物分解成大量活性固體小顆粒，同時釋放出大量LOC和 DOC進入土壤，同時增加了微生物底物，促進微生物的生長[39]。另由于有機改良劑向土壤輸送了大量速效養分，促進了植株地下部的發育和根際有機物的積累，該有機物的分解為微生物活動提供了大量能源，刺激了土壤中微生物群落的生長，同時有機改良劑由于堆肥作用自身含有大量的微生物，從而極大的促進了土壤中的MBC，同時研究發現有機無機改良劑配施處理較單施有機改良劑處理顯著增加，而單施無機改良劑無顯著效應，由于影響土壤可溶性有機碳因素很多，比如，季節、溫度、濕度、pH，因此原因可能是兩種改良劑材料配施后，通過改善土壤濕度和 pH等影響微生物活性，增加可溶性有機碳的產生，具體機理還需進一步研究。

有研究指出，活性碳含量在土壤總有機碳中所占的比例比活性碳的絕對含量能更好地反映土壤碳庫的現狀，且活性碳與總有機碳之比可以消除土壤總有機碳含量對活性碳的影響[18]。微生物熵（MBC/TOC）是評價土壤有機碳動態和質量的有效指標，它的變化反映了土壤中微生物碳的來源及轉化效率[40]。本研究發現施用有機改良劑顯著降低該比值，這與用綠肥、有機肥能夠增加土壤微生物熵[30-42]的結果相反，原因可能是有機改良劑對TOC的增加效果高于綠肥、有機肥，而對 MBC的增加效果低于綠肥、有機肥，所以比值降低。

土壤易氧化有機碳有效率（LOC/TOC）可以反映土壤有機碳的質量和穩定性，比例越高，有機碳越容易被微生物分解和礦化，轉化時間越短或活性越高，比例越小意味著土壤有機碳穩定且不易被生物降解[41]。有學者研究發現，綠肥[42]、有機肥[43-44]可以增加土壤LOC有效率。而本研究發現，施用有機土壤改良劑顯著降低LOC/TOC比率，單施無機土壤改良劑無顯著效果，這可能是因為雖然施入有機土壤改良劑顯著提高了土壤各活性碳組分絕對含量，但同時也向土壤輸入了大量穩定態有機碳，因此，間接降低了有機碳轉化為活性有機碳的相對效率。說明本試驗所使用有機土壤改良劑中有機碳主要以穩定碳組分形式存在，進入土壤后短期分解量較少，從而降低活性有機碳組分的有效率，這與POWLESON等[45]研究結果一致。

土壤可溶性有機碳是土壤中可以直接利用的部分，其占總有機碳的比例（DOC/TOC）大小既能直接反映土壤中碳庫活躍程度，也能間接體現土壤中的生物化學反應現狀。本研究發現施用土壤改良劑各處理土壤中 DOC/TOC較 CK無顯著效果，說明DOC含量相對 TOC同步提高，即轉化比率要高于LOC和MBC，這有利于土壤中有機質的儲存[46]。原因是有機堆肥產物在好氧堆肥過程中其有機物質轉換為了更為穩定的狀態，如木質素，纖維素，半纖維素等[47-48]。因此，施入有機土壤改良劑能增加土壤穩定性碳庫的庫容。

3.3 不同土壤改良劑對土壤碳庫管理指數的影響

土壤碳庫管理指數作為反映和評估土壤碳素動態變化的重要指標，可以靈敏地反應土壤肥力及碳庫的變化[49]，能夠有效的為研究土壤活性有機碳含量及變化提供理論支撐。本研究結果表明，施用有機改良劑能顯著提高土壤碳庫指數（CPI），但土壤碳庫活度（L）、碳庫活度指數（LI）均顯著降低，表明施用有機改良劑能夠向土壤輸送大量非活性有機碳，使土壤穩定態碳含量增加，有利于固定土壤碳，這與上述的土壤碳素有效率降低的規律一致。另外，有學者研究發現僅施化肥的土壤其碳庫管理指數會下降[50]，這與本研究結果一致，且發現CK處理其碳庫管理指數僅為96.92（低于撂荒土地100），這可能是由于該處理連續單施無機化肥，活性有機碳組分持續消耗且轉化量小于消耗量導致的。

4 結論

4.1 以土壤綜合肥力指數（IFI）作為指標，3年田間試驗表明施用有機改良劑能夠有效提高沙質潮土綜合肥力。

4.2 施入有機改良劑能夠提高土壤碳庫各組分絕對含量，顯著降低易氧化有機碳、微生物量碳在土壤總有機碳中的占比，表明施用有機改良劑會使土壤中微生物難利用的非活性有機碳含量增大，使得土壤穩定態碳含量增加，有利于沙質潮土有機碳的積累。