長期施肥對南方紅壤碳庫管理指數的影響

熊翱宇, 程 諒

(華中農業大學 水土保持研究中心, 武漢 430070)

土壤是碳的重要儲存部位，是碳循環的重要組成部分[1]。土壤有機碳是土壤肥力的重要指標之一，保持土壤有機碳有利于保持土壤肥力，增加農作物產量和質量[2]。但是由于土壤有機碳貯量巨大，外界環境變化引起的土壤有機碳量變化在短期內無法表現出來[3]。而水溶性有機碳(WSOC)，顆粒有機碳(POC)，熱水提取碳(HWSC)等活性有機碳組分能靈敏的反映外界條件對土壤有機碳的細小影響[4]，是指示土壤有機碳狀態、反映土壤碳庫動態的較有用的敏感性指標[5]，同時活性有機碳組分對土壤碳庫平衡和土壤化學、生物化學肥力保持具有重要意義[6]。有機碳含量不能直接表征土壤肥力的高低，因此Blair等[7]提出碳庫管理指數(CMI)，能較全面的反映外界條件對土壤有機碳含量和質量的影響。較高的CMI表明該種植系統中的管理措施改善土壤有機碳的能力比其他系統中的管理措施強。張麗莉等[8]的研究指出，農作物種植制度是影響土壤質量演化和土壤可持續化利用的關鍵因素之一。研究長期不同施肥措施對土壤有機碳和碳庫管理指數的影響，得出田間最佳的管理方式，有利于促進土壤碳固存，減少土壤碳排放，增加農作物的產量與質量。

南方紅壤區是我國重要的糧食輸出產區，研究各種田間管理措施和外界條件對南方紅壤區土壤肥力的影響情況，有利于提高南方紅壤區糧食作物的產量與質量。我國學者針對南方紅壤區碳庫管理指數的研究較多，陳曉旋等[9]研究了模擬酸雨情況下對福州平原水稻田碳庫管理指數的影響，發現酸雨顯著降低了土壤的碳庫管理指數，不利于水稻的生長。張鵬等[10]在贛東北典型雙季水稻區試驗田研究不同的冬種模式對冬閑田的碳庫管理指數的影響，發現冬季輪作(馬鈴薯、紫云英、油菜)模式是最佳的冬閑田種植模式。彭華等[11]在湖南省長沙縣研究不同稻草還田模式對土壤碳庫管理指數的影響，發現稻田免耕覆蓋稻草+冬季翻埋稻草的技術模式增加土壤有機碳，活性有機碳和碳庫管理指數最高，是適合雙季稻田稻草還田增碳的技術模式。國內對南方紅壤區的碳庫管理指數研究較豐富，特別是水稻田，但是對不同施肥措施對小麥—玉米輪作休耕系統紅壤的碳庫管理指數的影響的研究還比較少，因此對于該系統還不明確何種田間施肥方式為最佳。本文通過長期定位試驗研究4種施肥措施(不施肥，施有機肥，施氮磷鉀肥，氮磷鉀肥與秸稈配施)對小麥—玉米輪作休耕系統土壤有機碳和碳庫管理指數的影響，探索出田間最佳的施肥方式。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

長期定位試驗地點位于湖北省咸寧市賀勝橋鎮(29°57′—30°02′N,114°16′—114°29′E)，該地區氣候溫和，降水充沛，日照充足，四季分明，無霜期長。冬季盛行偏北風，偏冷干燥;夏季盛行偏南風，高溫多雨。年平均氣溫16.8℃，極端最高氣溫41.4℃，極端最低氣溫為零下15.4℃。年平均降水量1 577.4 mm，年平均日照時間為1 754.5 h，年平均無霜期為245～258 d。主要災害性天氣有倒春寒、大暴雨、水災、洪澇及夏旱、伏旱等。該地區土壤侵蝕類型有溝蝕、重力侵蝕、面蝕，其中以面蝕為主[12]。

試驗地點共設置4種施肥處理，每種處理4個重復，共設置16個小區，小區按隨機區組排列，每個小區形狀大小相同(長7 m，寬3 m)。小區建立于1998年，建立之前為荒草地，建立之后就開始施肥耕作，種植模式為夏玉米—冬小麥一年兩熟模式，到2016年夏季開始休耕。施肥處理方式見表1，設置了施有機肥(T1)、施氮磷鉀肥(T2)、氮磷鉀與秸稈配施(T3)和不施肥(CK)4種處理，其中不施肥作為對照。秸稈為作物收割之后的玉米秸稈和小麥秸稈。耕作方式為人工淺翻耕，管理方式與當地耕地的管理方式一致。

表1 施肥處理方式

1.2 土壤樣品采集

樣品采集時間為2017年7月，采集之前已休耕將近一年時間，樣品采集之后立即回實驗室進行試驗。在各個小區中，采用“S”型隨機采樣法，選擇5個點，去除土壤表面枯落物后，分3個土層采樣(0—15 cm,15—30 cm,30—45 cm)，將各個小區采集的土樣混合均勻，帶回實驗室備用。將土壤樣品中的動植物殘體、植物根系、礫石去除，一部分土樣待自然風干后，過60目和100目土壤篩備用，另一部分新鮮土樣存于4℃的冰箱中備用。同時用100 cm3體積的環刀采集各個土層的環刀樣，用于測量土壤容重、毛管孔隙度、毛管持水量和飽和含水率等土壤基本性質，每層重復3次。

1.3 樣品分析與方法

土壤容重和毛管孔隙度采用環刀法測定，飽和含水率與毛管持水量用烘干法測定，土壤pH用電位法測定(水土比為2.5∶1),LOC采用高錳酸鉀氧化法[13]測量，POC采用Cambardella和Elliott[14]提出的方法測量，WSOC采用多水土比色法，HWSC采用Chantigny等[15]提出的方法測量，SOC采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法測量[16],TC用總有機碳分析儀(Elementar,Vario TOC Select)測量。

靈敏性指數可以反映各個活性有機碳組分對管理措施反映的靈敏性，根據Seema等[17]提出的靈敏性指數計算公式求各活性有機碳組分的靈敏性指數。

碳庫管理指數(CMI)采用Blair等[3]提出的方法計算:

碳庫管理指數(CMI)=CPI×LI×100%

式中:CPI表示碳庫指數,為樣品有機碳含量與對照有機碳含量的比值;LI表示碳庫活度指數,為樣品碳庫活度與對照碳庫活度的比值;碳庫活度為活性有機碳含量與非活性有機碳含量的比值。

1.4 數據處理

數據的處理與統計分析在Excel 2010和SPSS 20.0軟件中進行，用Origin 2017軟件作圖。相關性分析采用Person相關分析法。

2 結 果

2.1 土壤基本性質

各施肥處理的土壤基本性質見表2,4種處理的土壤容重都隨土層深度的增加而增加。在0—15 cm土層中，T1，T2和T3處理的土壤容重較CK分別降低了10%,5%,6%，且差異性顯著(p<0.05)，其中T1和T2，T3差異性顯著(p<0.05),T2和T3無顯著差異。15—30 cm土層中，CK容重顯著高于T1，T2和T3(p<0.05)。30—45 cm土層中，各處理間容重無顯著性差異。

表2 不同施肥處理在不同土層的土壤基本性質

在0—15 cm土層中，施肥處理T1，T2和T3較CK能顯著增加土壤毛管孔隙度，大小關系為T3>T1>T2。15—30 cm和30—45 cm土層中，T3顯著高于T1，T2和CK(p<0.05)。隨著土層深度的增加4種處理的毛管孔隙度逐漸降低。毛管持水量的變化情況與之相似。

在0—15 cm土層中，3種施肥處理較CK都能顯著增加土壤飽和含水率，大小關系為T1>T3>T2，其中T1與T2，T3有顯著差異(p<0.05),T2和T3無顯著差異(p>0.05)。15—30 cm和30—45 cm土層中，T3顯著高于T1，T2和CK(p<0.05)。隨著土層深度的增加4種施肥處理的飽和含水率呈降低趨勢。

在0—15 cm土層中，T1和T3處理土壤的pH顯著高于T2和CK(p<0.05),T1和T3無顯著差異，T2和CK無顯著差異。15—30 cm土層中，T3處理土壤的pH顯著高于T2和CK，與T1無顯著差異。30—45 cm土層中，T3顯著高于T1，T2和CK(p<0.05),T1和T2無顯著差異。隨著土層深度的增加4種處理的土壤pH呈降低趨勢。

2.2 總有機碳、活性有機碳和總碳

各種處理下不同土層深度SOC，LOC，TC變化情況見圖1。對于SOC，隨著土層深度的增加4種處理下的SOC含量逐漸降低。在0—15 cm土壤中，T1,T2,T3處理下的SOC含量較對照(CK)分別提升了63%,38%,78%，且存在顯著性差異(p<0.05)，其中T3與T1，T2差異性顯著(p<0.05),T1與T2差異性顯著(p<0.05)。在15—30 cm和30—45 cm土層中，4種處理間的差異性與耕層一致。TC的變化情況與SOC一致。

在0—15 cm土層中，T1,T2,T3處理下的LOC含量較對照(CK)分別提高了46%,33%,62%，且差異性顯著(p<0.05)，其中T1與T3,T2與T3存在顯著性差異(p<0.05),T1與T2無顯著性差異。15—30 cm土層中，T1和T3處理LOC含量顯著高于T2和CK。30—45 cm土層中，T3處理LOC含量顯著高于T1，T2和CK。隨著土層深度的增加4種處理下的LOC含量呈下降趨勢。

注:不同小寫字母表示同一土層不同施肥處理之間差異顯著(p<0.05)，下同。圖1 各種施肥處理下土壤有機碳、活性有機碳和總碳含量的變化情況

2.3 活性有機碳組分

不同處理下的活性有機碳組分含量變化情況見圖2。在0—15 cm土層中，T1,T2和T3處理下的WSOC含量分別為50.33，30.57，33.41 mg/kg，較CK分別提高了74%，6%，15%，且存在顯著性差異(p<0.05)，其中，T1與T2，T3差異性顯著，T2和T3差異性顯著(p<0.05)。15—30 cm土層中，T1處理的WSOC含量顯著高于T2，T3和CK。30—45 cm土層中，4種處理間的差異性與耕層一致。隨著土層深度的增加4種處理WSOC含量呈降低趨勢。

圖2 不同深度土壤各種施肥處理下各活性有機碳組分變化情況

在0—15 cm土層中，T1，T2，T3和CK處理下的HWSC含量分別為89.84，78.83，85.40，67.77 mg/kg,T1，T2和T3土壤中HWSC含量顯著高于CK(p<0.05)，其中T1與T2，T3差異性顯著，T2和T3差異性顯著(p<0.05)。15—30 cm和30—45 cm土層中，4種處理間的差異性與耕層一致。隨著土層深度的增加4種處理HWSC含量呈降低趨勢。

在0—15 cm土層中，T1,T2和T3處理較CK能顯著提高土壤中POC含量(p<0.05)，其中以T3最高為4.78 g/kg，較CK提高了241%,T1與T2，T3差異性顯著，T2和T3差異性顯著(p<0.05)。15—30 cm和30—45 cm土層中，T3處理POC含量顯著高于T1，T2和CK。隨著土層深度的增加4種處理POC含量呈降低趨勢。

2.4 靈敏性指數

計算出的不同土層活性有機碳組分在不同施肥處理下的靈敏性指數見圖3，在4種處理下，3個土層的WSOC靈敏性指數范圍為5.60%～193.89%，跨度較大;3個土層的HWSC靈敏性指數范圍為16.32%～147.14%;3個土層的POC靈敏性指數范圍為33.33%～251.52%，其中在T2處理下的30—45 cm土層出現了異常值，為-33.33%。

圖3 活性有機碳組分靈敏性指數變化情況

2.5 碳庫管理指數

圖4為4種處理下不同土層土壤的CMI。T1，T2和T3施肥處理下3個土層的CMI值都高于100%。0—15 cm土層中，4種施肥處理土壤CMI的大小關系為T3(148.29)>T1(142.00)>T2(128.76)>CK(100.00);15—30 cm土層中，3種施肥處理土壤CMI的大小關系為T3(122.79)>T1(118.69)>T2(104.59)>CK(100.00);30—45 cm土層中，3種施肥處理土壤CMI的大小關系為T3(257.40)>T1(210.86)>T2(171.43)>CK(100.00)。T1，T2和T3處理的CMI平均值分別為157.18，134.93，176.16，所以總體上4種施肥處理的土壤CMI大小關系為T3>T1>T2>CK。

圖4 不同施肥處理下不同土層的碳庫管理指數

2.6 各指標間的多因素方差分析及相關性分析

土層與施肥處理的交互作用顯著性檢驗結果見表3，結果顯示，TC，SOC，LOC，POC，WSOC和HWSC在不同土層間差異性極顯著(p<0.01),TC，SOC，LOC，POC，WSOC和HWSC在不同施肥處理間差異性極顯著(p<0.01),TC，SOC，POC和WSOC在土層和施肥處理交互作用下差異極顯著(p<0.01),LOC在土層和處理交互作用下差異顯著(p<0.05),HWSC在土層和施肥處理交互作用下差異不顯著(p>0.05)。

表3 土層與處理的交互作用顯著性檢驗

分別對各個土層土壤的CMI與各指標進行相關性分析，結果見表4。在0—15 cm土層，CMI與SOC,LOC有極顯著正相關關系，相關系數分別為CMI與SOC為0.994,CMI與LOC為0.992;CMI與POC有顯著正相關關系，相關系數為0.958;CMI與TC,WSOC,HWSC和土壤基本性質無顯著相關關系。在15—30 cm土層，CMI與SOC和TC有顯著正相關關系，相關系數分別為0.971,0.975;CMI與LOC有極顯著正相關關系，相關系數為0.990;CMI與其他指標無顯著相關關系。在30—45 cm土層，CMI與SOC有顯著正相關關系，相關系數為0.965*;CMI與LOC有極顯著正相關關系，相關系數為0.994;CMI與TC無顯著相關關系。

表4 不同土層CMI與各指標的相關性分析

3 討 論

3.1 不同施肥對土壤基本性質的影響

長期施氮磷鉀肥對于農作物的產量有不利影響，施氮磷鉀肥對降低土壤容重與增加孔隙度影響不顯著，長期施氮磷鉀肥還可能造成土壤板結，導致土壤容重增大，土壤孔隙度降低，不利于作物的生長。而施有機肥和施氮磷鉀與秸稈配飾的施肥方式能顯著降低土壤容重，增加土壤孔隙度，可能是由于長期施肥，使作物根系和作物生物量增加，同時施肥土壤具有較高的微生物活性，在有機殘渣分解過程中釋放出有機酸和多糖，有機酸充當膠結劑，將土壤中的微孔轉化為大孔[17]。邱吟霜[18]的研究發現施用有機肥能有效降低土壤容重，改善土壤孔隙狀況，本研究結果與之一致。與對照比較，降低土壤容重能力最強的是T1,T2和T3次之。土壤容重隨深度增加而增大的原因是土壤越深，壓實越嚴重，導致容重越大。總體上，施肥處理能顯著增加土壤毛管孔隙度，這可能是導致各施肥處理下的土壤飽和含水率和毛管持水率高于CK的原因之一。各施肥處理下的飽和含水率和毛管持水率高于CK的原因還可能是，施肥使作物的根系生物量增多，導致土壤中孔隙度增大。施肥處理T1和T3能顯著提高土壤pH，表明施有機肥和氮磷鉀與秸稈配施能防止土壤酸化，施氮磷鉀對土壤pH無顯著影響，有導致土壤酸化的可能。

3.2 不同施肥對SOC，TC和LOC及其組分的影響

本研究發現，長期使用有機無機肥都能顯著提高土壤中有機碳的含量，這與榮勤雷[19]的研究結論一致。增加土壤中有機碳(SOC)、活性有機碳(LOC)和總碳(TC)效果最好的是T3，原因是秸稈本身含有豐富的有機碳，同時T3施肥處理讓田間的小麥和玉米的生長發育優于T1和T2，使得小麥和玉米的根系生物量多于其余兩種施肥處理，導致T3處理下的土壤中根系分泌物較T1,T2多，分泌物中含有較豐富的有機碳。其次是T1，直接施用的有機肥中含有豐富的有機質[20]和微生物，使其土壤中有機碳含量明顯高于缺乏外源碳的T2處理，但是T1處理由于缺乏氮磷鉀肥提供的植物生長所必須的氮磷鉀營養元素，可能導致小麥和玉米的生長發育較T3差，根系生物量低。所以4種處理下土壤中SOC,LOC和TC含量的關系表現為:T3>T1>T2>CK。隨著土層深度的增加，SOC，LOC和TC含量降低與土壤中的根系生物量與根系分泌物減少有關。

施用肥料能顯著增加耕層土壤中POC，WSOC和HWSC等活性有機碳組分的含量。韓成衛[21]的研究發現有機肥中含有豐富的易被微生物分解的有機碳，輸入土壤中后會釋放出大量的WSOC。同時3種施肥處理提高了土壤中的微生物活性，促進了土壤中有機化合物的分解與轉化[22]，使得土壤中WSOC，HWSC和POC的含量增多。肥料的輸入使得根系生長加快，根系分泌物大量增加，分泌物中含有少量的WSOC和HWSC，導致施肥處理下的土壤中的WSOC和HWSC含量顯著高于CK(p<0.05)。有機肥和秸稈增加了土壤中有機碳的輸入，其有機碳中含有豐富的POC，從而提高了土壤中POC的含量[23]。

土層與處理的交互作用顯著性檢驗結果顯示，在不同土層間，各類碳的含量存在極顯著差異(p<0.01)，隨著土層深度的增加，各類碳的含量呈降低趨勢，表明各類碳含量隨著土層深度的增加，降低趨勢明顯，因此在田間栽種時，應盡量避免挖坑過深，以防止作物根系在向下生長時吸收不到充足的養分，導致發育不良。不同處理間，各類碳的含量存在極顯著差異(p<0.01)，表明不同的施肥措施對土壤中各種碳含量影響巨大，現在田間施用的肥料大都為有機無機復合肥料，整體效益上優于氮磷鉀肥料，但同樣前者價格高于后者，因此考慮到經濟效益，田間經營者應充分利用牲畜和人類糞便等天然有機肥和田間作物秸稈，同時配施適量的氮磷鉀肥，在改善作物產量與質量的同時降低成本。在土層和處理的交互作用下，除HWSC外，其余種類的碳含量間存在顯著(p<0.05)和極顯著(p<0.01)差異，表明土層和施肥處理的交互作用對部分碳的含量影響較大。總體來看，土層與處理對土壤中各種碳的改善有決定性作用。因此田間經營者在進行田間管理的時候，要綜合考慮環境因素和人為因素，合理高效利用環境因素提供的便利，做到可持續化生產。

3.3 靈敏性指數及不同施肥對CMI的影響

靈敏性指數可以幫助確定對田間施肥措施最有反映的LOC組分[17]。本研究中3種活性有機碳組分的靈敏性指數(5.60%～251.52%)整體上高于Walkley等[24]報道的SOC作為指標的靈敏性指數(29%～59%)，表明3種活性有機碳組分比SOC更適合作為判斷各種施肥處理對田間土壤有機碳狀態影響的指標。30—45 cm土層T2處理的POC含量低于CK，使得POC的靈敏性指數在此處為負數，造成的原因可能是試驗過程中因操作不當，使得配制的溶液飛灑出一小部分，導致測量結果偏低。

CMI是描述土壤質量的重要工具，該指標能比較不同管理實踐對養分供應、生產力和土壤碳庫長期有效性的評價能力[17]。趙亞南等[25]研究發現長期施用氮磷鉀肥配合秸稈能顯著提高土壤碳庫管理指數。張玉軍等[26]的研究發現在0—40 cm的潮土土壤中，氮磷鉀肥與秸稈配施處理下的高活性有機質的CMI比其他處理都高。吳建富等[27]研究發現氮磷鉀肥與秸稈配施提高了水稻土壤7.3%～7.8%的CMI。本研究的3個土層中，與對照相比(CMI=100),3種施肥處理都提高了土壤的碳庫管理指數，T3處理下的CMI平均值為176.16，其次是T1為157.18，最低的是T2為134.93,T3處理改善土壤CMI的能力優于T1與T2，所以本研究中，T3是最佳的田間施肥處理方式。碳庫管理指數(CMI)與各指標的相關性分析顯示，CMI與SOC和LOC存在顯著(p<0.05)和極顯著(p<0.01)正相關關系，總體上與TC和土壤基本性質無顯著相關關系，表明碳庫管理指數能反映田間管理措施對土壤有機碳的影響情況，而不能反映管理措施對土壤總碳和土壤基本性質的影響情況。

4 結 論

長期施肥處理能改善土壤基本性質，顯著提高土壤中SOC，LOC，TC，WSOC，HWSC，POC的含量(p<0.05)。在3個土層中，氮磷鉀肥與秸稈配施對SOC，LOC，TC和POC含量的提升能力強于施有機肥和施氮磷鉀肥，有機肥對WSOC和HWSC提升能力強于施氮磷鉀肥和氮磷鉀肥與秸稈配施。隨著土層深度的增加，4種處理下SOC，LOC，TC，WSOC，HWSC和POC含量呈降低趨勢。在3個土層中，POC(33.33%～251.52%)、WSOC(5.60%～193.89%)和HWSC(16.32%～147.14%)的靈敏性指數總體上高于SOC(29%～59%),CMI與SOC，LOC存在顯著和極顯著正相關關系，POC，WSOC，HWSC和CMI能作為確定管理措施改善土壤有機碳的指標。4種施肥處理下的CMI平均值表現為氮磷鉀肥與秸稈配施(176.16)>施有機肥(157.18)>施氮磷鉀肥(134.93)>不施肥(100)，氮磷鉀肥與秸稈配施是區域內最佳的田間施肥方式。