长期定位施肥对旱作农田土壤有机碳及其组分的影响

赵丹丹，王俊，付鑫

（西北大学城市与环境学院，陕西西安710127）

长期定位施肥对旱作农田土壤有机碳及其组分的影响

赵丹丹，王俊，付鑫

（西北大学城市与环境学院，陕西西安710127）

基于田间定位试验，研究了长期施肥对旱作冬小麦农田土壤有机碳及其组分的影响，试验包括4个处理：不施肥（CK）、氮磷配施（NP）、化肥与有机肥配施（NPM）以及长期休闲地（BL）。结果表明：长期持续施肥30年后，在0～30 cm土层，NPM处理土壤有机碳、微生物量碳、潜在矿化碳以及碳库管理指数分别较CK提高了42.2%、55.9%、40.9%和40.0%（P＜0.05），NP处理土壤有机碳和微生物量碳与CK差异不显著，潜在矿化碳和碳库管理指数分别提高了29.1%和20.0%（P＜0.05），施肥对两种活性有机碳含量的影响在15～30 cm土层表现更加显著；与种植作物相比，长期休闲显著降低了土壤潜在矿化碳含量，BL处理较CK降低了20.5%（P＜0.05）。相关性分析表明，土壤有机碳、潜在矿化碳、微生物量碳以及碳库管理指数两两之间存在着显著的相关性，且有机碳组分含量与土壤有机碳含量在处理间变化具有一致性（除NP处理外），两种活性有机碳相对含量在各处理间差异均不显著。总的来说，长期持续施入有机肥能够有效地增加旱作农田土壤有机碳同时增加其活性组分，有助于培肥地力和土壤固碳。

长期施肥；土壤有机碳；微生物量碳；潜在矿化碳；碳库管理指数

Keywords：Long-term fertilization；soilorganic carbon；potential carbonmineralization；microbialbiomass carbon；carbonmanagement index

土壤有机碳是反映土壤质量和生产力的重要指标，其含量往往影响土壤肥力，但因土壤有机碳库存量大且变异系数小［1］，单独对这一指标的测定并不能准确反映土壤质量和有机质的变化情况［2］。土壤微生物量碳、潜在矿化碳等有机碳活性组分虽然在土壤有机碳中所占比例很小，但其具有在土壤中移动快、不稳定、易氧化、易分解、易矿化的特点［3］，因而对土壤质量和生产力的反映更为敏感，所以能够作为反映不同管理措施对土壤有机碳影响的重要指标［1］。

大量研究结果表明，长期施肥对土壤有机碳及其活性组分有显著影响［4－9］，其中，有机肥的施用可以显著增加有机碳及其活性组分含量［5－6］，而无机肥的影响却因气候条件、土地类型以及施肥耕作条件的复杂性而不尽相同［4］。臧逸飞等［5］研究发现，施用有机肥及氮磷肥配合施用可以明显提高黑垆土土壤有机碳含量，有机肥的施入极大地增加微生物量碳含量。而董博等［6］的试验表明，长期施肥可显著提高石灰性灌漠土微生物量碳的含量，但单施化肥的效果显著低于绿肥及农肥。这些研究也表明了农田土壤有机碳库对施肥的响应是个长期的过程［1］，但持续的肥料投入并不一定总会对土壤有机碳含量有显著影响，有时只会对土壤碳库活性组分产生显著影响。例如：张贵龙等［7］研究表明，施用有机肥对土壤活性组分提高有显著的促进效果，不同处理间土壤活性有机碳含量的变化幅度较总有机碳大，活性有机碳对施肥措施的响应较为敏感，有助于指示或预警土壤质量的变化。近年来，有关长期施肥对土壤有机碳影响的相关报道颇多，但大部分研究均以不同施肥方式各自对土壤有机碳及其含量影响为主线，对各处理比较，特别是长期种植作物对土壤有机碳及其组分的影响报道较少。本文基于陕西省长武县长期定位试验［2］，选取其中冬小麦连作地中4个处理（长期休闲地、对照不施肥、氮磷配施、有机肥与氮磷配施），分析了持续施肥30年后土壤有机碳库组成的变化，并对有机肥、化肥及种植作物对土壤有机碳及其组分的变化进行比较分析，旨在探讨旱作农田土壤有机碳及其活性组分对长期定位施肥的响应及其敏感性特征，为该地实现农业可持续发展和土壤碳库固定提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地位于陕西省长武县十里铺村南1 km的旱塬上，海拔1 200m，年均降水量为584.1mm，年均气温9.1℃，无霜期171 d。该地平坦宽阔，黄土堆积深厚，土壤为黄盖粘黑垆土，母质为中壤质马兰黄土。1984年布设试验时耕层土壤有机质含量为6.50 g·kg－1，全氮含量为0.80 g·kg－1，pH值8.10。

1.2 试验设计

长期轮作培肥试验始于1984年［2］，包括11种轮作方式和7种施肥制度，共36个处理，3次重复，随机区组排列，小区面积66.67 m2（10.26 m×6.5 m）。选取其中的4个处理加以研究，处理方案如表1所示。

供试小麦品种为长武134，每年于9月中下旬播种，次年6月下旬收获，一年一熟。所有肥料在播种前一次性施入，定期除草和松土，田间管理同大田。

表1 长武长期定位试验中的供试施肥处理Table 1 Treatments selected from the long-term experimentat Changwu station

1.3 分析方法

试验于2014年9月小麦播种前采用“S”点采样法，采集各小区0～15 cm、15～30 cm新鲜土样5钻，并将同样深度土样混合均匀，带回实验室风干并剔除植物残体，过2mm筛，用于微生物量碳、潜在矿化碳含量的测定；过0.15mm筛，用于土壤有机碳的测定。潜在矿化碳采用密闭培养法测定［10］，微生物量碳采用氯仿熏蒸培养法（FI）［11］测定，土壤有机碳采用EA3000元素分析仪测定（用10%HCl去除无机碳［12］）。

碳库管理指数的计算参照文献［13］～［14］：

式中，CMI为碳库管理指数；CPI为碳库指数；SOCCK为对照土壤有机碳含量；LI为碳库活度指数；L为样本碳库活度；LCK为对照碳库活度；LOC为活性有机碳含量（潜在矿化碳与微生物量碳之和）；NLOC为非活性有机碳含量。

1.4 数据处理

所有数据采用Excel 2010绘制表格，PASW Statistcs 18统计软件进行显著性检验和分析。

2 结果与分析

2.1 土壤有机碳含量

由表2可以看出，在0～15 cm土层，NPM处理土壤有机碳含量分别比CK、NP处理高3.6 g·kg－1和3.7 g·kg－1，但未达到显著差异水平；15～30 cm土层土壤有机碳含量排序为NPM＞CK＞NP＞BL，其中NPM处理与CK、NP处理间的差异达到显著水平，增幅分别为49.5%、88.8%；0～30 cm土层平均来看，土壤有机碳含量排序NPM＞CK＞NP＞BL，其中NPM处理较CK、NP处理显著提高42.2%和59.3%，其余处理差异不显著。

表2 不同处理土壤有机碳含量Table 2 Soil organic C under different treatments

2.2 微生物量碳及其相对含量

由表3可以看出，在0～15 cm土层，NPM处理微生物量碳含量显著高于CK处理，增幅达到60.5%。其余各处理差异不显著；15～30 cm土层中，NPM处理较CK、NP处理显著提高了微生物量碳含量，增幅分别达到49.6%和59.8%，其余处理差异不显著；且微生物量碳相对含量在以上两土层差异均不显著；0～30 cm土层平均来看，各处理微生物量碳含量排序为NPM＞NP＞CK＞BL，其中NPM较NP、CK处理显著提高；各处理微生物量碳相对含量表现为NP＞BL＞NPM＞CK，且均未达到显著差异。

表3 不同处理土壤微生物量碳含量及其相对含量Table 3 Soilmicrobial biomass carbon（MBC）and its contribution to soil organic carbon（MBC／SOC）under different treatments

2.3 潜在矿化碳及相对含量

由表4可以看出，在0～15 cm土层，NPM、NP显著高于CK处理，增幅为48.4%、45.7%，但NP与NPM之间并无显著差异，潜在矿化碳相对含量在各个处理间差异未达到显著水平，其变化趋势为NP＞BL＞NPM＞CK；15～30 cm土层中，NPM显著高于其余各处理，较CK和NP处理分别增加36.1%和21.0%，CK处理较BL也达到显著差异水平，潜在矿化碳含量提高60.0%；潜在矿化碳相对含量NP处理显著高于NPM处理，增幅达71.0%，其余处理间差异不显著，排序为NP＞CK＞BL＞NPM，PCM／MBC比值也未显示显著差异，均表现为0～15 cm土层低于15～30 cm土层；从0～30 cm平均来看，CK处理较BL处理潜在矿化碳含量显著增加，差异达到25.7%，两施肥处理较CK均有显著的增加，但相互间差异并不显著，潜在矿化碳相对含量各处理间差异不显著，其变化趋势为BL＞NP＞CK＞NPM；PCM／MBC比值呈CK＞NP＞BL＞NPM趋势。

2.4 碳库管理指数

由表5可以看出，在0～15 cm土层，NPM、NP处理碳库管理指数较CK分别显著提高了41.3%、30.0%；15～30 cm土层中，CK处理显著高于BL处理，差异达到53.8%，同时NPM处理显著高于其余处理，分别较CK和NP处理提高39.1%和39.0%；0～30 cm土层平均看来，碳库管理指数排序为NPM＞NP＞CK＞BL，其中NPM处理与NP处理差异显著，同时两者均显著高于CK。

表4 不同处理土壤潜在矿化碳含量及其相对含量Table 4 Soil potential carbonmineralizaion（PCM），its contribution to soil organic carbon（PCM／SOC）and its contribution tomicrobial biomass carbon（PCN／MBC）under different treatment

表5 不同处理碳库管理指数Table 5 Carbonmanagement index under different treatments

表6为土壤有机碳及其组分相关性分析：可以看出土壤有机碳、潜在矿化碳、微生物量碳以及碳库管理指数两两之间存在着显著的相关性。其中潜在矿化碳和微生物量碳的相关性达到了极显著水平，主要是由于潜在矿化碳受微生物活动影响。土壤有机碳和潜在矿化碳、微生物量碳显著相关，说明土壤中活性有机碳含量受土壤有机碳影响较大，一定程度上说明土壤中活性组分含量依赖于土壤有机碳含量。这两种活性组分虽然不同，但是可以从一个指标的变化判断出另一个指标的变化，两种活性组分均可指示土壤质量的变化情况［13］。

3 讨论

土壤有机碳含量变化与新鲜有机物的输入关系密切，种植作物可以通过根系残留和枯落物有效增加土壤碳输入，从而提高土壤有机碳水平。在本研究中BL处理为常年休闲地，自1984年开始由于基本没有新鲜有机物的输入，CK处理与其相比增加了土壤有机碳含量，增幅为30.1%，但并未达到显著差异水平。表明长期种植作物可以增加土壤有机碳的积累，这种增加作用在郭胜利等［8］的研究中表现更为突出，其研究表明对照处理比长期休闲地土壤有机碳含量增加13.6%（P＜0.05）。施肥方式的不同，对土壤有机碳含量影响更为深远，已有研究［4，9］表明，长期单施化肥对土壤有机碳的影响不尽相同。臧逸飞等［5］认为施用化肥土壤有机碳含量较小，究其原因在于施肥虽然增加了植物根茬等的残留，但由于土壤的C／N比下降，加速了土壤中原有有机碳分解，导致土壤中积累的有机碳总量较少；而陈云峰等［9］和郭胜利等［8］则认为化肥的施用一定程度上增加了土壤有机质含量，这与本文的研究结论不一致。许多研究者［15，9，16-17］在不同的土地类型、气候条件以及利用方式的前提下，均得出长期施入有机肥或有机无机肥料混合施用均能显著提高土壤有机碳含量，本文研究结果与此相一致，化肥有机肥配合施用效果最为明显，土壤有机碳含量较CK增加了42.2%。

表6 土壤有机碳及其组分相关性分析Table 6 Correlation analysis of soil organic carbon and its fractions

本研究微生物量碳变动范围为207～568 mg·kg－1，在一般农田生态系统微生物生物量碳质量分数（200～1 000mg·kg－1）［18］范围之内。这一结果较陈云峰等［9］报道的偏低，主要是本研究中包含长期休闲地，其微生物量碳含量较低，也与研究区土地类型差异有关。高扬等［15］对四川盆地坡耕地紫色土研究认为，裸地微生物量碳含量显著低于植被小区，并随坡度增加和土层加深表现更为明显。在本研究中长期休闲地微生物量碳含量均低于种植小麦的各处理，表明种植作物可以大量增加碳源，促进微生物的生长，从而提高微生物量碳含量。本研究还表明，长期施肥（化肥和化肥有机肥混合施用）都能提高微生物量碳含量，其中化肥有机肥配施处理下微生物量碳含量要高于单施化肥，这与高扬等［15］的研究结论一致。

潜在矿化碳可以广泛地评估土壤微生物活性，因此，一直以来就被人们作为土壤微生物总的活性指标或作为评价土壤肥力的尺度之一［3］。本研究中，潜在矿化碳含量变化趋势与微生物量碳相同，各处理间作用表现为NPM＞NP＞CK＞BL，这是由于潜在矿化碳值反映微生物呼吸，表征微生物活度，因而其变化与微生物量碳含量密不可分。长期施用有机肥和化学肥料均可增加潜在矿化碳含量，这与李辉信等［19］、王玲莉等［20］的研究结论一致。

土壤微生物量碳、潜在矿化碳对长期施用化肥与有机肥配施的响应与土壤有机碳一致，而对单施化肥的响应却不尽相同：化肥长期施用虽降低了土壤有机碳的含量，却使得两种活性有机碳（微生物量碳、潜在矿化碳）含量都有增加，这一结论与王玲莉等［20］在沈阳研究的长期单施化肥与化肥有机肥配施均使棕壤活性有机碳含量与有机碳增加的结论有所不同。

本研究中潜在矿化碳相对含量变化范围在1.79%～3.06%，微生物量碳相对含量变化范围在2.78%～4.81%，这一数据要低于梁贻仓等［13］关于覆盖对土壤有机碳的报道，与Sainju等［1］关于轮作对美国旱地作物有机碳、氮的报道相比也较低。且微生物量碳相对含量在各个土层不同处理间的差异均未达到显著水平，其变化趋势为NP＞BL＞NPM＞CK；而潜在矿化碳相对含量仅有单施化肥在15～30 cm土层作用显著，各土层平均来看潜在矿化碳相对含量排序为NP＞BL＞CK＞NPM。就本研究而言，两种活性有机碳相对含量并没有更显著地揭示长期施肥对土壤的影响，究其原因，可能是单施化肥使得土壤有机碳含量降低而活性有机碳含量升高，因而NP处理活性有机碳相对含量较高；且与土壤有机碳相比两种活性有机碳随时间的变化更为显著，因而BL处理活性有机碳相对含量也较高。PCM／MBC比值即土壤中微生物呼吸所释放的CO2比例［21］，能够反映土壤微生物代谢活动，本研究表明，15～30 cm土层中PCM／MBC平均比值高于0～15 cm，这与Franzluebbers等［22］的研究结论一致；但其指示作用同样不显著。

Lefroy等［23］的研究区分了活性有机碳和非活性有机碳，并提出土壤碳库管理指数的概念。碳库管理指数因结合了土壤碳库指标和土壤碳库活度指标，既反映外界管理措施对土壤有机碳总量的影响，也反映了土壤有机碳组分的变化情况，其广泛应用于农地或者土地利用方式改变后土壤有机碳变化的研究，碳库管理指数＞100，表明土壤肥力上升；反之，碳库管理指数＜100，则表明土壤肥力下降［24］。本研究表明，NPM处理显著提高了碳库管理指数，使得土地肥力上升，这与张贵龙等［7］、梁贻仓等［13］的研究结论一致，且这种促进作用在15～30 cm土层表现更为突出。

4 结论

0～30 cm土层平均来看，经过30年长期施肥：单施化肥和有机无机肥配施均能显著提高碳库管理指数，长期种植作物作用并不显著。有机肥的施用还对增加土壤有机碳、微生物量碳及潜在矿化碳含量有显著作用，且这种促进作用在15～30 cm土层表现更为突出；但单施化肥及种植作物的作用仅表现在两者均显著增加了土壤潜在矿化碳含量。且除单施化肥外，有机碳组分含量与土壤有机碳含量在处理间变化具有一致性。在本文中，土壤活性有机碳相对含量对长期施肥的响应在各个土层均不显著，并不能及时地反映长期施肥对土壤肥力的影响。同时，土壤总有机碳和碳库管理指数之间存在着显著的相关关系，潜在矿化碳、微生物量碳、碳库管理指数之间相关性较高。

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Effect of long-term fertilization on soil organic carbon and its fractions under dryland farm ing system

ZHAO Dan-dan，WANG Jun，FU Xin
（College of Urbɑnɑnd Environmentɑl Sciences，Northwest University，Xi’ɑn，Shɑɑnxi710127，Chinɑ）

A long-term winter wheat field experimentwas conducted to detect the effect of long-term fertilization on soilorganic carbon and its active fractions.Four treatments were performed as control treatment（CK），nitrogen and phosphorus combined fertilization（NP），nitrogen，phosphorus and manure combined fertilization（NPM）and bare land without fertilization and cropping（BL）.The results showed that the contents of soil organic carbon content，microbial biomass carbon content，potentialmineralized carbon and carbon management index at 0～30 cm soil layers were improved in NPM than in CK after30－yr continuous fertilization，being 42.2%、55.9%、40.9%and 40.0%higher，respectively.No significantdifference in soil organic carbon andmicrobialbiomass carbonwere found between NPand CK，howerver，the potentialmineralized carbon contentand carbonmanagement index were significantly higher in NP than in CK.The effectof long term fertilization on soil active organic carbon fractionswasmore obvious at15～30 cm soil layers than at0～15 cm layers.No cropping reduced the contents of soil organic carbon and its fractions significantly.Soil carbon potentialmineralization was lower by 20.5%in BL than in CK，respectively.Correlation analysis showed that soil organic carbon，potentialmineralization carbon，microbial biomass carbon and carbonmanagement index correlated with each other significantly.Soil organic carbon changed in agreementwith its fractions for all treatments except for NP，and the relative contents of two active organic carbon and its potentialmineralization ratio ofmicrobial biomass carbon were not significant among treatments.In general，continuous long-term manure addition can effectively increase soil organic carbon and its active fractions，contributing to soil fertility and carbon sequestration under dryland farming systems.

S153.6＋2

：A

1000-7601（2017）01-0097-06

10.7606／j.issn.1000-7601.2017.01.15

2016-01-05

国家自然科学基金（31270484，31570440）

赵丹丹（1991—），女，硕士研究生，主要从事旱作农田土壤碳氮循环研究。E-mail：xbdxzdd＠sina.com。

王俊（1974—），男，教授，主要从事农田生态学研究。E-mail：wangj＠nwu.edu.cn。