长期不同施肥下黑土与灰漠土有机碳储量的变化

解丽娟，王伯仁，徐明岗，彭 畅，刘 骅

(1中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，农业部作物营养与施肥重点开放实验室，北京100081;2吉林农业科学院资源与环境中心，长春130012;3新疆农业科学院土壤肥料研究所，乌鲁木齐830000)

1 m土层土壤碳库是全球植被碳库的4.1倍、全球大气碳库的3倍［1］。不合理利用土地，不仅会提高土壤CO2释放，加剧全球温室效应，还会降低土壤肥力，导致作物减产［2］。因此，提高土壤有机碳含量，不仅关系到减少温室气体排放，而且与土壤肥力密切相关。

黑土和灰漠土是我国北方典型的农业土壤，其有机碳库的变化，受到耕作、施肥等人为管理措施的显著影响，特别是不同施肥方式对表层土壤有机碳含量有很大影响［3－5］。陈盈等研究表明［3］，施用有机肥不仅可以显著提高黑土中大团聚体的比例，还可以显著提高黑土表土有机碳含量，化肥与有机肥配施效果更显著。撂荒、单施化肥仅能维持灰漠土有机碳各组分含量，而长期有机无机肥配施能够显著提高土壤有机碳各组分含量［6］。迄今为止，对土壤有机碳的研究主要集中在不同土地利用与管理方式下耕层土壤有机碳含量的变化等方面［7－10］，关于长期施肥对下层土壤有机碳含量的影响鲜见报道。

土壤有机碳库主要分布在1 m土层土壤［11－12］，一般根据1 m土层土壤有机碳含量计算全球土壤碳库［13］。由于缺乏土壤剖面资料，我国一般是利用全国土壤普查数据或《中国土种志》数据来估算土壤有机碳储量，这些估算的土壤碳储量有可能存在一定的不确定性［14］。因此本研究选取了灰漠土与黑土两个不同土壤类型的长期试验，比较分析了7个不同施肥处理下1 m深剖面土壤有机碳的含量与储量，一方面可以精确计算土壤碳储量，另一方面可以研究长期施肥对土壤下层有机碳分布的影响。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

供试土壤为长期土壤肥料定位试验点的黑土与灰漠土，黑土采自吉林省公主岭市吉林省农业科学院试验地内 (东经 124°48'34″，北纬 43°30'23″)，灰漠土采自新疆乌鲁木齐市以北25 km的新疆农业科学院“国家现代农业科技示范园区”内(东经87°46'45″，北纬 43°95'26″)。这两种土壤分别代表了我国不同气候条件下的区域典型农田土壤。黑土是我国温带湿润气候区的主要土壤类型之一，成土母质主要是第四纪中更新世黄土状亚粘土［7］;灰漠土是我国温带荒漠区主要土壤类型之一，成土母质为黄土状洪积－冲积物，部分为风积物和坡积物［7］。两个长期试验均始于1990年，试验点基本情况见表1，试验开始时的土壤基本化学性质见表2。

两个试验各设置了12个处理。本文在黑土长期土壤肥料定位试验中选择了其中的7个处理：1)不施肥对照(CK);2)单施氮肥(N);3)氮磷配施(NP);4)氮磷钾配施(NPK);5)氮磷钾(常量)+秸秆(NPKS);6)氮磷钾(常量)+有机肥(常量)(NPKM);7)氮磷钾(1.5倍)+有机肥(1.5倍)(NPKM2)。在灰漠土长期土壤肥料定位试验中也选择7个处理：1)不施肥对照(CK);2)单施氮肥(N);3)氮磷配施(NP);4)氮磷钾配施(NPK);5)氮磷钾(4/5)+秸秆(NPKS);6)氮磷钾(1/3)+常量有机肥(NPKM);7)氮磷钾(2/3)+增量有机肥(2倍)(NPKM2)。种植制度均为一年一熟制，黑土为玉米连作，灰漠土为玉米—冬小麦—春小麦轮作。

表1 试验点概况Table 1 General information of the experimental sites

表2 试验开始时土壤基本性质(1989)Table 2 Basic properties of soils at the beginning of the experiments

黑土试验点肥料用量为N 165 kg/hm2、P2O582.5 kg/hm2、K2O 82.5 kg/hm2，氮、磷、钾化肥分别为尿素，磷酸二铵、过磷酸钙，氯化钾或硫酸钾;有机肥为猪粪或牛粪，在NPKM与NPKM2处理中施用量分别为30 t/hm2与45 t/hm2;秸秆还田为当年收获的作物秸秆(7500 kg/hm2);有机肥(及秸秆)和无机肥配合的施氮量与化肥小区的相同，有机氮与无机氮的比例为7∶3。灰漠土试验点1990～1994年肥料用量为 N 99 kg/hm2、P2O559 kg/hm2、K2O 19.8 kg/hm2，1994 年以后为 N 300 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 120 kg/hm2，氮、磷、钾化肥分别是尿素、磷酸二铵、三料磷肥与硫酸钾;有机肥为羊粪，在NPKM与NPKM2处理中施用量分别为30 t/hm2和60 t/hm2;秸秆还田为当年收获的作物秸秆(当年该小区秸秆全部还田)。

1.2 样品与数据采集

采集长期保存的1989、2001年黑土土样，1989年、2002年灰漠土土样，磨细过0.25mm筛备用。这些样品均为长期试验历史样品，无重复。

2009年黑土与灰漠土土壤样品于2009年9月底作物收获后采集。长期试验均为大区试验(黑土大区面积400 m2、灰漠土468 m2)，受当时条件的限制未设置重复。为了弥补这方面的缺陷，2009年采样时将每个大区均匀分成3个小区，每个小区按“S”型用土钻取 0—20 cm、20—40 cm、40—60 cm、60—80 cm、80—100 cm具有代表性的土样3个(均为多点混合样)，风干后磨细过0.25mm筛备用。

1.3 测定项目及方法

土壤有机碳用重铬酸钾容量法测定［15］;土壤容重用环刀法测定。

1.4 数据处理

数据采用Excel 2003和SPSS 16.0进行统计分析，2009年数据为平均值，处理间显著性检验用LSD法(t=0.05)。

2 结果与分析

2.1 黑土长期施肥下土壤剖面有机碳分布及其储量的变化

2.1.1 土壤剖面有机碳含量 由表3可以看出，同一施肥处理下不同土层有机碳含量均表现为0—20 cm＞20—40 cm＞40—100 cm，但层次之间变化幅度存在明显差异。NPKM2处理的0—20 cm土层有机碳含量是80—100 cm土层的6.9倍;CK处理0—20 cm土层的有机碳含量是80—100 cm的3.7倍。这是因为施肥20年后有机无机配施显著提高了0—20 cm土层的有机碳含量。

同一土壤层次不同施肥处理间比较，0—20 cm与20—40 cm土层均表现为单施化肥处理的有机碳含量小于有机无机配施处理，所有施肥处理之间40—100 cm各层次间有机碳含量无显著性差异。与CK相比，0—20 cm土层内NPKM、NPKM2处理的有机碳增幅为29.0%和49.4%，表明NPKM2处理提高有机碳的效果显著大于NPKM。单施化肥、秸秆还田配施化肥与对照相比有机碳含量无显著差异。20—40 cm土层内有机碳含量 NPKM、NPKM2两处理与CK相比增幅分别为60.6%和77.6%，不同有机肥配施处理间有机碳含量无显著差异;40—100 cm土层内所有处理之间有机碳含量均无显著差异，说明在施肥年限内所有施肥处理对黑土有机碳含量只能影响到0—40 cm。

表3 2009年不同施肥处理黑土剖面有机碳含量(g/kg)Table 3 Organic carbon contents in the profile of black soil under different fertilization treatments(2009)

2.1.2 黑土有机碳储量 与CK相比，有机无机配施处理随着施肥年限的增长可以显著提高黑土0—40 cm土层的有机碳储量(表4)，0—20 cm与20—40 cm土层的NPKM和NPKM2处理与对照相比有机碳储量分别提高了29.2%、49.5%与60.3%、77.3%。秸秆配施化肥处理与对照相比0—20 cm、20—40 cm土层中有机碳储量分别提高了10.4%、41.7%。CK、N、NP、NPK 处理经 20年施肥后，1 m深土体内有机碳储量基本保持稳定。

将2001年与1989年相比，NPKM2处理0—20 cm与20—40 cm土层有机碳储量分别提高了C 11.7 t/hm2和5.7 t/hm2，其余处理基本保持初始水平。2009年与2001年相比，0—20 cm土层的CK、N、NP、NPK处理有机碳储量均保持稳定并略有上升，平均上升了 C 1.3 t/hm2;NPKS、NPKM、NPKM2处理在0—20 cm土层中有机碳储量在施肥20年后均有大幅上升，年均增幅分别为C 0.3 t/hm2、0.6 t/hm2、0.9 t/hm2;20—40 cm土层 的CK处理有机碳储量下降了C 3.9 t/hm2，N、NP、NPK处理略有上升或持平，NPKS、NPKM、NPKM2处理有机碳储量均有所上升，年均增幅分别为C 0.2 t/hm2、0.4 t/hm2、0.6 t/hm2;40—100 cm所有处理基本保持初始水平。

2.2 灰漠土长期施肥下土壤剖面有机碳分布及其储量的变化

2.2.1 土壤剖面有机碳含量 由表5可以看出，CK、N、NP、NPK、NPKM 五个处理不同土层有机碳含量均表现为0—20 cm＞20—40 cm＞40—100 cm;NPKS、NPKM2处理不同土层有机碳含量均表现为0—20 cm ＞20—40 cm ＞40—60 cm ＞60—100 cm，说明NPKS与NPKM2处理可以影响到灰漠土0—60 cm的有机碳含量。同一施肥处理不同土壤层次间有机碳含量的变幅存在明显差异：NPKM2处理0—20 cm土层有机碳含量是80—100 cm的4.9倍;CK处理0—20 cm有机碳含量是80—100 cm的2.3倍。

0—20 cm土层内，与CK相比，NPKM、NPKM2两个处理的有机碳含量显著提高，增幅分别高达109.7%和183.1%;N、NP、NPK、NPKS处理有机碳含量均有不同程度的提高，增幅在6.3% ～21.9%。20—40 cm土层内NPKM、NPKM2处理与CK相比分别提高了37.2%和93.6%，其余处理有机碳含量与CK相比无显著性差异。在40—60 cm土层内NPKM2、NPKS两处理的有机碳含量比CK显著提高了42.1%、26.3%，其余处理与CK相比无显著差异;60—100 cm各层次内不同施肥处理之间有机碳含量无显著差异。

表4 不同施肥年限下黑土不同土层有机碳储量(C t/hm2)Table 4 Organic carbon storage in black soil in different layers after different years fertilization

表5 2009年不同施肥处理灰漠土剖面有机碳含量(g/kg)Table 5 Organic carbon contents in the profile of grey-desert soil under different fertilization treatments(2009)

2.2.2 灰漠土有机碳储量 随着施肥年限的增长有机无机配施处理可以显著提高灰漠土0—40 cm的有机碳储量，2002年与 1989年相比，NPKM、NPKM2处理0—20 cm土层的有机碳储量分别提高了31.1%、69.3%(表6);2009年与2002年相比，NPKM、NPKM2在 0—20 cm土层分别提高了37.2%、43.4%。在施肥年限内 NPKS处理0—20 cm土层有机碳储量基本持平，20—100 cm各层次略有下降，下降幅度为C 2.4～3.8 t/hm2。对照与单施化肥处理的1 m土体有机碳储量均有不同程度下降，CK、N、NP、NPK处理在1 m土体各个层次有机碳储量下降幅度在C 1.8～6.6 t/hm2之间。

表6 不同施肥年限下灰漠土不同层次有机碳储量(C t/hm2)Table 6 Organic carbon storages in grey-desert soil in different layers after different years fertilization

2.2.3 施肥20年后0—100 cm土层有机碳储量的变化 与1989年相比，施肥20年后黑土与灰漠土的0—100 cm土层中，有机无机肥配施处理的有机碳储量呈上升趋势(图1)。黑土与灰漠土中NPKM处理有机碳储量分别提高了C 25.0 t/hm2与9.2 t/hm2，NPKM2分别提高了 C 30.7 t/hm2与40.6 t/hm2。CK处理有机碳储量在两种土壤中均有下降，分别下降了C 6.1 t/hm2与18.6 t/hm2。黑土中N、NP、NPK、NPKS处理有机碳储量略有增加，说明单施化肥与秸秆还田配施化肥可以维持黑土有机碳储量水平。灰漠土中N、NP、NPK、NPKS处理有机碳储量略有下降，下降幅度在C 6.7～18.4 t/hm2之间，说明单施化肥与秸秆还田不能维持灰漠土1 m土层的有机碳储量水平。

3 讨论

3.1 长期施肥对土壤有机碳含量及其剖面分布的影响

图1 不同施肥20年后(2009年)0—100 cm的有机碳储量Fig．1 Organic carbon storage in 0 －100 cm layer after 20 years fertilization in 2009

本研究中黑土与灰漠土有机碳的变化主要体现在0—40 cm土层内，40—100 cm层次有机碳受不同施肥影响较小。潘根兴［11］根据《中国土种志》计算得出，我国表层土壤碳库是总碳库的2/5，有机碳大多集中在表层。袁颖红［16］研究表明，长期施肥对红壤性水稻土有机碳含量的影响主要表现在表层。耕地土壤中有机碳含量多少主要取决于有机物料的投入与分解状况，不同的施肥方式决定了有机物料的投入量从而对有机碳产生显著影响。作物残茬、枯枝落叶、肥料大多进入在土壤表层，所以会显著提高表层土壤有机碳含量。

本研究表明，在长期肥料试验中有机无机配施化肥处理可明显提高土壤表层的有机碳含量。由于有机肥与化肥配施处理中显著增加了有机物料的投入量，从而使土壤中微生物活动增强、土壤有机碳含量显著提高，这与其他研究结果一致［17－19］。陈盈［3］等研究表明，在黑土上施用有机肥有利于提高土壤有机碳含量;韩晓日［17］等研究表明棕壤经过27年试验后，化肥配施有机肥区大于单施化肥区，长期有机无机肥配施可以增加有机碳含量。灰漠土有机无机配施有机碳提高幅度大于黑土，这可能是因为灰漠土起始有机碳含量很低，仅为8.80 g/kg，而黑土中起始有机碳含量为13.23 g/kg，故灰漠土中高量有机无机配施有机碳增幅大于黑土。

施肥20年后两种土壤的NPKS处理土壤有机碳变化有所不同。灰漠土0—40 cm土层有机碳变化量不大，而在黑土中有机碳略有增加。这是因为在灰漠土上秸秆还田后，进入土壤的秸秆在腐熟过程中需要一定的碳氮比［20］，从而消耗一定量的氮素，而灰漠土基础肥力较差，会因为氮素供应不足，影响秸秆腐熟;由于黑土基础肥力较高，能较充分地提供秸秆腐熟所需的氮素，故在两种土壤中秸秆配施化肥处理对有机碳含量的影响不同。不施肥与单施化肥处理能基本维持黑土1 m土层有机碳含量，而灰漠土1 m土层的有机碳含量均有不同程度下降，这与其他研究结果一致［14］。说明在施肥年限内不施肥与单施化肥可以基本维持黑土有机碳的初始水平，而不能维持灰漠土中的有机碳平衡。

3.2 长期施肥对土壤有机碳储量的影响

我国耕作旱地土壤其表土平均有机碳储量为C 35.9 ±32.8 t/hm2［21］，欧盟的农田土壤平均碳储量为C 53.0 t/hm2左右［22］。本研究结果表明，长期施用化肥与不施肥处理黑土与灰漠土的表层土壤碳储量仅为C 20.0 t/hm2左右，处于较低水平。长期有机无机肥配施20年可以使黑土与灰漠土表层土壤碳储量达到C 50.0 t/hm2左右，达到了我国表土碳储量的较高水平。有机无机肥配施既可以提高土壤固碳能力、减少CO2排放，又可以提高土壤有机碳含量，从而培肥土壤，是较优的施肥方式。

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