长期定位施肥下灰漠土有机碳演变特征分析

王西和，蒋劢博，王志豪，刘骅

(新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所/绿洲养分与水土资源高效利用重点实验室/国家灰漠土肥力与肥料效益监测站，乌鲁木齐 830091)

长期定位施肥下灰漠土有机碳演变特征分析

王西和，蒋劢博，王志豪，刘骅

(新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所/绿洲养分与水土资源高效利用重点实验室/国家灰漠土肥力与肥料效益监测站，乌鲁木齐 830091)

【目的】研究不同施肥管理措施下农田土壤有机碳的变化规律，探明灰漠土有机碳含量提升及定向培育指标。【方法】依托始于1990年的国家灰漠土肥力与肥料效益长期定位监测试验，分析耕层与剖面土壤有机碳(SOC)的动态演变特征，拟合有机碳SOC(g/kg)与试验持续时间t(a)的线型回归方程，确定土壤有机碳变化的特征值。【结果】耕层(0～20 cm)土壤有机碳含量与施肥年限间存在显著相关性，配施有机肥(1.5NPKM、NPKM)和PK处理达极显著相关；施用有机肥(1.5NPKM、NPKM)土壤有机碳的增加速率分别是秸秆还田(NPKS)的28.8和15.2倍。除NP处理表现为增碳外，其他施用化肥处理均表现为减碳。NK、NPK、N、PK处理土壤有机碳下降速率依次为0.024、0.027、0.031和0.059 g/(kg·a)。灰漠土有机碳投入的平均转化效率为23.6 %(线性方程：Ssoc= 0.236C-0.306(R2= 0.894，P< 0.001))，维持新疆灰漠土有机碳的碳投入量为1.3 t/(hm2·a)。【结论】与不施肥或长期施用化肥相比，在干旱区灰漠土采用有机无机配施固碳效应显著，其碳投入与土壤有机碳呈显著线性正相关(P< 0.001)，增加土壤碳投入(有机肥或秸秆)仍然是提升或维持土壤肥力的主要措施。

长期定位施肥；土壤有机碳；演变特征；有机碳储量；固碳速率

0 引 言

【研究意义】农田土壤有机碳库是形成土壤肥力的基础，也是土壤养分的载体和来源，对土壤的各种物理、化学、生物性状和土壤肥力都具有深刻的影响。除此之外，土壤有机碳库的变化与全球气候变化也有着密切的联系[1]。据估计，地球表面1 m土层中有机碳储量可达1 500～2 000 Pg(1 Pg = 1015g)，其中，农田土壤就贮存了约111～117 Pg的有机碳，占全球土壤有机碳储量的10 %[2]，在全球陆地碳循环中发挥着重要的作用。因此，农田土壤固碳与碳库演变已成为自20世纪90年代以来，全球气候变化和粮食安全研究的热点科学问题。新疆灰漠土区位于天山北坡经济带，是重要的粮经作物主产区，农业和生态地位十分重要。开展灰漠土区农田土壤有机碳演变规律研究，将施肥措施对有机碳的固持定量化，对于维持并提高农田土壤肥力和生产力，促进农田固碳减排、保证粮经作物生产与生态健康均具有重要的科学意义和实践价值。【前人研究进展】农业生产过程中的施肥、耕作等农业管理措施不仅直接改变了土壤肥力，影响了农田的生产力及其稳定性[3]，而且不合理的农业管理措施引起的土壤有机碳库损失和下降，已经对全球环境和气候变化产生了重要的影响[4-5]。文献表明，土壤在由自然生态系统(包括林地和湿地)向农田系统的转化过程中损失了大量的碳[6]。另外，人为的农业管理措施，如施肥等，对农田土壤有机碳库具有较大的影响。采用合理有效的农业管理措施，如有机无机配合施用、增加有机肥用量、秸秆粉碎还田等，亦或采用高效集约的农作制度，均可以提高农田土壤有机碳库的水平。而通过制定合理的农业管理措施，可将农田土壤有机碳库恢复到其之前损失量的50%～66%[6]。20世纪80年代中期以来，我国大部分农田土壤有机碳库出现了明显的上升趋势[7-9]，平衡施肥与配施有机肥、秸秆还田及免耕等农业措施对其起到了积极作用[8]。这些措施不仅直接提高了作物的产量水平，而且也通过有机肥的大量施入增加了农田系统的碳投入，进而对农田系统的碳循环产生了重要影响。研究表明，长期施用有机肥土壤有机碳含量均可得到提升，有机质(碳)含量每提高1 g/kg，作物的稳产性提高10%～20%[7,10]，化肥与农家肥或秸秆结合可使黄土旱地土壤有机碳增加330 kg/(hm2·a)[11]。【本研究切入点】20多年来我国农田土壤总有机碳呈现增加趋势，但关于我国灰漠土区不同施肥(化肥、有机肥、有机无机配施及秸秆还田)对农田土壤有机碳的影响尚待进一步研究。研究对灰漠土长期定位施肥试验26 a的监测数据进行分析，通过数学计算及线性模拟的方法，比较不同施肥措施下土壤有机碳随施肥时间的变化规律，探讨有机碳投入与土壤有机碳变化的关系及有机碳储量的变化。【拟解决的关键问题】阐明不同施肥措施下灰漠土有机碳的随施肥时间变化的速率，研究土壤有机碳随时间变化的数学模型，定量农田有机碳投入与土壤有机碳变化的关系，揭示土壤有机碳库对系统投入的响应，明确施肥对土壤有机碳库提升的贡献，为灰漠土农田土壤有机碳库稳定与提升提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验土壤为灰漠土，主要发育在黄土状母质上。长期定位肥料试验自1990年开始，并在1988～1989年进行2年的匀地。匀地后耕层(0～20 cm)土壤基本理化性状为：土壤有机质含量15.2 g/kg，全氮0.868 g/kg，碱解氮55.2 mg/kg，全磷0.667 g/kg，有效磷3.4 mg/kg，全钾23 g/kg，速效钾288 mg/kg，缓效钾1 764 mg/kg，pH 8.1，CEC 16.2 cmol(+)/kg，容重1.25 g/cm3。作物为一年一熟轮作制，，轮作作物为冬小麦-玉米-春小麦(棉花)，2009年以后将春小麦改种为棉花。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

研究选择其中9个处理作为研究对象：(1)不施肥(CK)；(2)氮(N)；(3)氮磷(NP)；(4)氮钾(NK)；(5)磷钾(PK)；(6)氮磷钾(NPK)；(7)常量氮磷钾+常量有机肥(NPKM)；(8)增量氮磷钾+增量有机肥(1.5NPKM)；(9)氮磷钾+秸秆还田(4/5NPK+S)。小区面积为468 m2，不设重复；小区间采用预制钢筋水泥板埋深70 cm进行隔离，地表露出10 cm，并加筑土埂，避免了小区间水肥窜渗现象。氮、磷、钾化肥分别用尿素、磷酸二铵、三料磷肥和硫酸钾，N∶P2O5∶K2O = 1∶0.6∶0.2；有机肥为干羊粪，含N 8.0 g/kg，P2O52.3 g/kg，K2O 3.0 g/kg；秸秆还田采用当季作物的秸秆本田全部还田。总氮量60 %的氮肥及全部磷、钾肥作为基肥施用，在播种前将基肥均匀撒施地表，深翻后播种；40 %的氮肥根据作物不同，分2～4次追肥。有机肥(羊粪)每年施用一次，每年作物收获后均匀撒施深翻，秸秆是利用当季作物收获后的全部秸秆粉碎撒施后深翻。表1，2

长期试验的玉米品种为SC704、新玉7号、中南9号，5月上旬播种，播种量为45 kg/hm2，于9月下旬收获；棉花品种新陆早系列，4月中下旬播种，播种量为60～75 kg/hm2，9月中旬开始收获；春麦品种为新春2号、新春8号，4月上旬播种，播种量为390 kg/hm2，7月下旬收获；冬小麦品种分别为新冬17号、新冬18号和新冬19号，播种量为375 kg/hm2，9月下旬播种，翌年7月中旬收获；棉花品种主要为伊陆早7号，4月中下旬播种，9月底开采。

1.2.2 样品采集

在作物成熟期分层采集0～20 cm、20～40 cm环刀样测定土壤容重，为减少对试验地土层的扰动，40 cm以下容重的测定采取在相邻的地块挖掘剖面进行分层测定。

土壤有机质的样品采集，在每季作物收获后用不锈钢土钻取土壤样品，每小区取样10个点混合成一个样，取样深度0～20 cm、20～40 cm，取样后立即风干保存，并取部分土样磨细过筛，供测试分析用。2009年测试剖面(0～100 cm)土壤有机质时，在采样中将试验小区划分为三个亚区，每个亚区五个样点的土样进行混合。土壤有机质用重铬酸钾容量法进行测试，土壤有机碳通过有机质含量除以转换系数1.724计算而得。

表1 试验处理及施肥量(1990～1994年)

Table 1 The design of treatment and quantity of fertilization (1990-1994)

肥料Fertilizer1.5NPKMNPKNPKMCKNKNNPPKNPKS干羊粪(t/hm2)Sheepmanure60.0030.0000000N(kg/hm2)59.699.429.8099.499.499.4089.4P2O5(kg/hm2)40.066.920.000066.966.956.1K2O(kg/hm2)16.523.18.25023.10023.120.8

表2 试验处理及施肥量(1994年以后)

Table 2 The design of treatment and quantity of fertilization (After 1994)

肥料Fertilizer1.5NPKMNPKNPKMCKNKNNPPKNPKS干羊粪(t/hm2)Sheepmanure60.0030.0000000N(kg/hm2)151.8241.584.90241.5241.5241.50216.7P2O5(kg/hm2)90.4138.051.4000138.0138.0116.6K2O(kg/hm2)19.061.912.4061.90061.952.0

1.3 数据统计

有机碳储量(C t /hm2) = ΣSOCi×Di×Hi× 10-1，式中：SOCi为第i层有机碳含量(g/kg)；Di为第i层土壤容重(g/cm3)；Hi为第i层的土壤厚度(cm)；i表示土层。

数据采用Excel 2007和SPSS 16.0进行统计分析，处理间显著性检验用LSD法。

2 结果与分析

2.1 长期定位施肥土壤有机碳的演变规律

土壤有机碳(Soil Organic Carbon；SOC)是组成有机质的核心物质，土壤有机碳含量的高低，一般取决于土壤有机物质的年矿化量、输入量和输出量，是评价土壤肥力条件的一个重要指标。对灰漠土土壤有机碳含量与施肥年限(26 a)的相关关系进行分析表明，在新疆灰漠土长期定位施肥条件下，不同施肥措施0～20 cm土壤有机碳含量的变化趋势明显，且土壤有机碳的积累过程符合一级动力学方程。图1

图1 不同施肥处理下耕层(0～20 cm)土壤有机碳含量的变化(1989～2014年)

Fig.1 Different fertilization treatments in topsoil changes in SOC content (1989-2014)

因此，试验期间不同施肥措施下，土壤有机碳年变化速率的计算方法，采用土壤有机碳SOC(g/kg)与试验持续时间t(a)的线型回归方程进行拟合，线性方程的斜率a即为土壤有机质的年均变化速率(g/(kg·a))，b为土壤有机碳的年分解速率(g/(kg·a))，方程式为：

SOC=at+b.

对土壤有机碳含量与施肥年限间的拟合直线分析表明，1.5NPKM、NPKM、PK处理土壤有机碳含量与施肥年限之间的线性拟合度达极显著正相关(P< 0.01)，NK、N处理为呈负相关(P< 0.01)，NPKS、NPK、NP、CK处理各呈线性相关。表3

随着施肥年限的延长，不施肥(CK)处理，土壤有机碳呈下降趋势，下降速率为0.022 g/(kg·a)。配施有机肥(1.5NPKM、NPKM)处理土壤有机碳含量持续增加，增加速率分别为0.605和0.319 g/(kg·a)。配施秸秆还田(NPKS)处理土壤有机碳含量较稳定并有增加趋势为0.021 g/(kg·a)，但在1989～2000年的前11年，其有机碳增加速率为0.015 g/(kg·a)，从2001～2014年的14年间，有机碳以0.065 g/(kg·a)的速率大幅度增加，增加速率是前一阶段的4.3倍，说明长期秸秆还田对提高土壤有机碳含量效果明显。而施用有机肥(1.5NPKM、NPKM)土壤有机碳的增加速率，分别是秸秆还田(NPKS)的28.8和15.2倍，有机肥施用量越大，土壤有机碳累积量也越高。因此，配施有机肥对提高土壤有机碳含量的效果显著优于秸秆还田。

单施化肥条件下，土壤有机碳含量变化较缓慢，NP处理土壤有机碳有增加趋势，速率为0.015 g/(kg·a)；其他处理(NPK、NK、N、PK)均呈下降趋势，下降速率分别为0.027、0.024、0.031和0.059 g/(kg·a)，下降速率大小依次分为PK > N > NPK > NK，且下降速率均大于CK处理；PK处理有机碳下降速率分别是N、NPK、NK、CK处理的1.9、2.2、2.4和2.7倍，说明，不施氮肥或不施肥，增加了土壤中氮素的消耗从而加大了有机质的矿化，减少了有机质的累积。 表3

表3 灰漠土有机碳含量(SOC)与试验年限(t)的相关性

Table 3 Correlation between SOC content and test years (t) of gray desert soil

注：表中r为线性相关系数，n为样本数Note: in the table, the r is the linear correlation coefficient, and the n is the sample number

2.2 长期施肥下灰漠土有机碳循环特征

农田系统有机碳的投入，从来源来分，主要包括2个来源：系统碳投入=作物来源(根系及分泌物+残茬)+有机肥来源。作物来源的有机碳投入计算公式如下：

Cinput=((Yg+Ys)×R×Dr+Rs×Ys)×(1-W)×Ccrop.

其中，Yg为作物(小麦、玉米、棉花)籽粒产量(kg/hm2)，Ys为秸秆产量(kg/hm2)。R为作物光合作用进入地下部分的碳的比例，小麦为30%、玉米为26%，棉花29%；Dr为作物根系生物量平均分布在耕层(0～20 cm)的比例，小麦为73.5%、玉米为85.1%、棉花实测平均为75.3%。Rs为作物收割后农田留茬占秸秆的比例，其中小麦不施肥处理留茬系数为18.3 %，其余处理为13.1%；玉米收获后，所有处理的留茬系数为3.0 %；棉花取实测平均值为28.0%。W为作物风干样的含水量，取值为14%。Ccrop为作物含碳量，其中，小麦烘干基含碳量平均取值为399 g/kg，玉米烘干基含碳量平均取值为444 g/kg，棉花烘干基含碳量平均取值为382 g/kg。

有机肥碳(C t/hm2)=188 g/kg×(1 -G%)×施用羊粪鲜基重/1 000。其中G%为实测羊粪含水量；188 g/kg为实测羊粪含碳量。

土壤有机碳的变化速率(C t/hm2·a)=土壤有机碳的平均变化速率(g/(kg·a))×土壤容重ρb(g/cm3)×667 m2×15×耕层厚度D(cm)×10-5。

相关性分析表明， 灰漠土有机碳变化速率与系统总有机碳投入之间呈现极显著的正相关关系(R2=0.894，P<0.001)。灰漠土有机碳变化速率随有机碳投入的增加而增加，表明灰漠土仍具有一定的固碳潜力。灰漠土有机碳的变化速率与有机碳投入的关系可以用直线线性方程表示：Ssoc=0.236C-0.306，式中C代表有机碳投入量；方程的斜率表示有机碳投入量增加或减少一个单位时，土壤有机碳产生相应变化的程度，即投入有机碳的转化率；直线在X轴上的截距表示当土壤的有机碳不在发生变化是，即投入和分解达到平衡时，所需的维持投入量。由线性方程可知，系统有机碳投入的平均转化效率为23.6 %，维持新疆灰漠土系统土壤有机碳的碳投入量为1.3 t/(hm2·a)，土壤有机碳的年分解速率0.306 t/(hm2·a)，进一步分析表明，灰漠土每年输入5.53 t/hm2外源有机碳，每年约可增加1.00 t/hm2的农田土壤有机碳。图2

图2 耕层(0～20 cm)土壤有机碳变化率与有机碳投入的关系

Fig.2 The relationship between the rate of SOC in topsoil and organic carbon inputs

2.3 土壤剖面有机碳储量的变化

灰漠土施肥20年后，0～100 cm土层有机碳储量与试验起始值相比(1989年)，配施有机肥处理有了显著提高(P<0.05)，1.5NPKM和NPKM处理，土壤有机碳储量分别提高了40.6和9.2 t/hm2。N、NP、NPK、NPKS处理，土壤有机碳储量略有下降，下降幅度为6.7～18.4 t/hm2。不施肥(CK)处理，土壤有机碳储量下降了18.6 t/hm2，其下降幅度最大，土壤有机碳储量最小。说明单施化肥与秸秆还田均不能维持灰漠土0～100 cm土层中的有机碳储量。图3

注：不同字母表示不同处理间差异达5%显著水平

Note: The different letters on the column indicate that the differences between different treatments reached 5% significant level

图3 施肥20 a后(2009年)灰漠土0～100 cm的有机碳储量(t/hm2)

Fig.3 Organic carbon storageof 0-100 cm in grey desert soil20 years after fertilization (2009)

3 讨 论

农田土壤现存有机碳水平因管理措施不同，从而表现出差异性，其根本原因为翻耕、中耕等耕作措施扰动了土壤结构，使土壤的通透性得到改善，从而增强了土壤的呼吸作用，促进了土壤有机碳的分解。另外，随着农业生产形势的改变，传统的土杂肥、堆沤肥等农家肥已很少施用，导致有机物料投入严重不足，相反的做法却是作物秸秆的清除或焚烧，以至于农田系统有机物的归还量急剧减少，土壤有机碳的损失得不到外源碳的补偿，是导致土壤有机碳下降的主要因素。美国有耕地面积为1.7 × 108hm2，占其国土面积19%，据估算，土地农用已导致其农田土壤有机碳损失达50×109t之多[12]。据黄耀等[13]研究表明, 近20 a来，我国耕作土壤的有机碳呈现较为明显的增加趋势，大约增加311～401 TgC。其增加原因可能是20世纪80年代后期，我国政府出台了相应的农田保护措施，如配施有机肥、化肥平衡施用、秸秆还田、少耕或免耕等技术的推广，极大促进了农田土壤有机碳含量的增加[14]。而张旭博等[15]的研究认为，21世纪末期我国农田土壤有机碳库含量和1980年相比，将会下降10%左右，但如果及时采取有效的管理措施，可抑制农田土壤碳库的降低，甚至能够提高。如果农田系统碳投入能够以每年1%的速度增加，我国土壤碳库将会在21世纪末增加2倍。可见，农田土壤碳库的增加或减少，源、汇功能的转变，与农业管理措施密不可分。

灰漠土是我国西北干旱区具有代表性的地带性土壤类型，80%以上分布在新疆境内。目前，秸秆还田仍是农田碳投入的主要措施，试验结果显示秸秆还田能维持土壤有机碳，这与我国其他区域存在差异。邓祥征等[16]认为，实施秸秆还田措施对土壤有机碳的增汇效应具有显著的空间分异特征，黄淮海区、长江中下游区、华南区和西南区的增汇效果表现突出。李金全等[17]研究发现，水田耕层土壤有机碳含量(18.26 ± 7.06) g/kg显著高于旱地土壤(11.63 ± 5.65) g/kg(P< 0.001)。旱作农田区，作物种类对土壤有机碳含量无显著影响(P= 0.37)；在pH<7的酸性土壤中，土壤有机碳含量与pH之间没有显著相关性；而在土壤pH>7的条件下，土壤有机碳含量与pH之间呈显著的负相关关系(P<0.01)。因此，为了防止土壤有机碳由温室气体的吸收库向排放源的转化，应用土地利用方式制定适宜的和长期的规划，加强土地利用管理，有效平衡用地矛盾，制定合理的轮作制度，通过改变种植作物的类型来增加秸秆对农田的有机碳投入，实现耕地的用养结合，加强不同自然区域作物秸秆还田对土壤有机碳演变的研究，加大对秸秆还田的扶持力度，鼓励增施有机肥，对施用有机肥进行适当补贴。

长期定位肥料试验当年的监测的有机碳结果，只表示当季有机碳平衡与稳定，多年的监测结果才能够真实地反应出土壤有机碳的累积效应。柳影等[18]对长期不同施肥条件下黑土的有机质含量变化特征的研究认为，长期不施肥或单施化肥土壤有机碳含量呈下降趋势；李渝等[19]对长期施肥对黄壤性水稻土耕层有机碳平衡特征的研究表明，不施肥和施用化肥处理的有机碳表现为亏缺；黄晶等[20]对长期施肥下红壤性水稻土有机碳储量变化的研究表明，连续30 a的不同施肥，各处理(PKM、NKM、NPM、M、NPK、NPKM)土壤有机碳含量均趋于稳定，土壤有机碳含量的增加趋势在初期较快，但6 a后逐渐趋于稳定。

试验单施化机肥(NPK、NK、N、NP)土壤有机碳年均变幅较小(0.2%～0.3 %)，有机碳与试验年限的拟合曲线斜率也较小，且为负值，也表明了呈现出缓慢下降趋势。

4 结 论

长期定位施肥下，灰漠土有机碳投入量与土壤有机碳变化速率呈显著直线相关性，有机碳投入的平均转化效率为23.6 %，维持新疆灰漠土农田系统土壤有机碳的碳投入量为1.3 t/(hm2·a)，土壤有机碳的年均分解速率0.306 t/(hm2·a)；长期配施有机肥(1.5NPKM)能有效增加灰漠土有机碳的积累，土壤有机碳的年均增加速率为0.605 g/(kg·a)，显著提高土壤有机碳储量，在1 m土体上的有机碳储量提高了40.6 t/hm2；长期单施化肥不能提高土壤有机碳含量，尤其是不施氮肥，土壤有机碳下降较明显，单施化肥土壤有机碳年均下降速率为0.3 g/(kg·a)，土壤有机碳储量下降幅度在6.7～18.4 t/hm2。因此，长期配施有机肥和秸秆还田是提高和维持土壤肥力的有效措施。

References)

[1] Zhang, X., Xu, M., Sun, N., Xiong, W., Huang, S., & Wu, L. (2016). Modelling and predicting crop yield, soil carbon and nitrogen stocks under climate change scenarios with fertiliser management in the north China plain.Geoderma, (265):176-186.

[2] Paustian, K., Andren, O., Janzen, H., Lal, R., Tian, G., & Tiessen, H., et al.(1997).Agricultural soil as a carbon sink to offset Co2emissions.SoilUseandManagement, (13):230-244.

[3] Hutchinson, J. J., Campbell, C. A., & Desjardins, R. L. (2007). Some perspectives on carbon sequestration in agriculture.Agricultural&ForestMeteorology, 142(s 2-4):288-302.

[4] Lal, R. (2004). Soil carbon sequestration impacts on global climate change and food security.Science, 304(5677):1,623-1,627.

[5] Sommer, R., & Bossio, D. (2014). Dynamics and climate change mitigation potential of soil organic carbon sequestration.JournalofEnvironmentalManagement, 144(21):83-87.

[6] Lal, R. (2004). Soil carbon sequestration to mitigate climate change.Geoderma, 123(1-2):1-22.

[7] 潘根兴,赵其国. 我国农田土壤碳库演变研究:全球变化和国家粮食安全[J]. 地球科学进展,2005,20(4):384-392.

PAN Gen-xing, ZHAO Qi-guo. (2005). Study on evolution of organic carbon stock in agricultural soil of china: facing the challenge of global change and food security [J].AdvancesinEarthScience, 20(4):384-392.(in Chinese)

[8] Liu, S., Huang, D., Chen, A., Wei, W., Brookes, P. C., & Li, Y., et al. (2014). Differential responses of crop yields and soil organic carbon stock to fertilization and rice straw incorporation in three cropping systems in the subtropics.AgricultureEcosystems&Environment, 184(1):51-58.

[9] Thomson, A. M., Izaurralde, R. C., Rosenberg, N. J., & He, X. (2006). Climate change impacts on agriculture and soil carbon sequestration potential in the Huanghai plain of China.AgricultureEcosystems&Environment, 114(2-4):195-209.

[10] 徐明岗，梁国庆，张夫道,等. 中国土壤肥力演变[M]. 北京:中国农业科学技术出版社,2006.

XU Ming-gang, LIANG Guo-qin, ZHANG Fu-dao, et al. (2006).China'sevolutionofsoilfertility[M]. Beijing:China Agricultural Science and Technology Press.. (in Chinese)

[11] Fan, T., B.A. Stewart, Wang, Y., Luo, J., & Zhou, G. (2005). Long-term fertilization effects on grain yield, water-use efficiency and soil fertility in the dryland of loess plateau in china.AgricultureEcosystems&Environment, 106(4):313-329.

[12] Lal, R., Follett, R. F., Kimble, J., & Cole, C. V. (1999). Managing u.s. cropland to sequester carbon in soil.JournalofSoil&WaterConservation, 54(1):374-381.

[13] 黄耀,孙文娟. 近20年来中国大陆农田表土有机碳含量的变化趋势[J]. 科学通报,2006,51(7):750 -763.

HUANG Yao, SUN Wen-juan. (2006).The past 20 years the trend in mainland China farmland topsoil organic carbon content [J].ChineseScienceBulletin, 51(7):750-763. (in Chinese)

[14] 梁二,蔡典雄,代快,等. 中国农田土壤有机碳变化: I驱动因素分析[J]. 中国土壤与肥料,2010,(6):80-86.

LIANG Er, CAI Dian-xiong, DAI Kuai, et al. (2010). Changes in soil organic carbon in croplands of China: I Analysis of driving forces [J].SoilandFertilizerSciencesinChina, (6):80-86. (in Chinese)

[15] 张旭博,孙楠,徐明岗,等. 全球气候变化下中国农田土壤碳库未来变化[J]. 中国农业科学,2014,47(23):4 648-4 657.

ZHANG Xu-bo, SUN Nan, XU Ming-gang, et al. (2014). Soil organic carbon in agricultural soils in China under global climate change [J].ScientiaAgriculturaSinica, 47(23):4,648-4,657. (in Chinese)

[16] 邓祥征,韩健智,王小彬,等. 免耕与秸秆还田对中国农田土壤有机碳贮量变化的影响[J]. 中国土壤与肥料,2010,(6):22-28.

DENG Xiang-zheng, HAN Jian-zhi, WANG Xiao-bin, et al. (2010). Effect of no-tillage and crop residue return on soil organic carbon dynamics of cropland in China [J].SoilandFertilizerSciencesinChina, (6):22-28. (in Chinese)

[17] 李金全,李兆磊,江国福,等. 中国农田耕层土壤有机碳现状及控制因素[J]. 复旦学报(自然科学版),2016,55(2):247-266.

LI Jin-quan, LI Zhao-le, JIANG Guo-fu, et al. (2016). A study on soil organic carbon in ploughLayer of China?s Arable Land [J].JournalofFudanUniversity(Natural Science), 55(2):247-266. (in Chinese)

[18] 柳影,彭畅,张会民,等. 长期不同施肥条件下黑土的有机质含量变化特征[J]. 中国土壤与肥料,2011,(5):7-11.

LIU Ying, PENG Chang, ZHANG Hui-min, et al. (2011). Dynamic change of organic matter in the black soil under long-term fertilization [J].SoilandFertilizerSciencesinChina, (5):7-11. (in Chinese)

[19] 李渝,罗龙皂 何昀昆,等. 长期施肥对黄壤性水稻土耕层有机碳平衡特征的影响[J]. 西南农业学报,2014,27(6):2 428-2 431.

LI Yu, LUO Long-zao, HE Yun-kun, et al. (2014). Effects of long-term fertilizations on soil organic carbon balance in paddy soil from yellow earth [J].SouthwestChinaJournalofAgriculturalSciences, 27(6):2,428-2,431. (in Chinese)

[20] 黄晶,张杨珠,高菊生,等. 长期施肥下红壤性水稻土有机碳储量变化特征[J]. 应用生态学报,2015,26(11):3 373-3 380.

HUANG Jing, ZHANG Yang-zhu, GAO Ju-sheng, et al. (2015).Variation characteristics of soil carbon sequestration under long-term different fertilization in red paddy soil [J].ChineseJournalofAppliedEcology, 26(11):3,373-3,380. (in Chinese)

Fund project:Supported by Key Projects in the National Science & Technology Pillar Program during the Twelfth Five-year Plan Period. (2012BAD42B02)

Evolution Analysis of Soil Organic Carbon Characteristics by Long-term Fertilization in a Grey Desert Soil

WANG Xi-he, JIANG Mai-bo, WANG Zhi-hao, LIU Hua

(ResearchInstituteofSoil,FertilizerandAgriculturalWaterConservation/keyLaboratoryofOasisNutrientAndEfficientUtilizationofWaterandSoilResources,XinjiangAcademyofAgriculturalSciences/NationalGrayDesertSoilFertilityandFertilizerEffectMonitoringStation,Urumqi830091,China)

【Objective】 To study the effect of long-term different fertilization regimes on soil organic carbon (SOC) and the sequestration rate of SOC.【Method】A long-term experiment was conducted using various fertilizations from 1990 to 2014 in wheat (Triticumaestivium) and maize (Zeamays) crop rotation system in grey desert soil. Using undisturbed soil samples from the surface and subsurface layers, we explored the sequestration rate of SOC. Regression analyses were used to test the relationships between the contents of SOC and the time series.【Result】Results showed that the C concentrations in the surface layers (0-20 cm) were significantly correlated with the time series by fertilization under 1.5NPKM, NPKM, and PK treatments. Compared to NPKS treatment, the C sequestration rates under manure added treatment (1.5NPKM and NPKM) were 28.8 and 15.2 times, respectively. The annual C decreasing rates under NK, NPK, N and PK treatments were 0.024 g/(kg·a), 0.027 g/(kg·a), 0.031 g/(kg·a) and 0.059 g/(kg·a), respectively aside from NP treatment. In addition, the C sequestration rate was 23.6 % from the exogenous C input (linear equations:Ssoc= 0.236C-0.306,R2= 0.894，P< 0.001), and the carbon input was 1.3 t/(hm2·a) in order to sustain the level of SOC in grey desert soils.【Conclusion】Compared to CK and mineral fertilizer added treatments, increasing carbon input (manure or straw returned) was significantly positively correlated with SOC sequestration (P< 0.001). Thus, increasing exogenous C input (manure or straw returned) plays a key role in C sequestration and improving soil fertility in the grey desert soil area.

long-term fertilization; soil organic carbon; evolution characteristics; soil organic carbon storage；C sequestration rate

2016-08-15

新疆维吾尔自治区自然科学基金项目“长期施肥下新疆灰漠土有机碳库演变特征与固碳潜力”(2012211B43)

王西和(1981-)，男，安徽阜阳人，副研究员，研究方向为农田土壤肥力演变，(E-mail)wxh810701@163.com

刘骅(1961-)，女，安徽人，研究员，研究方向为土壤肥力，(E-mail)liuhualh@sohu.com

10.6048/j.issn.1001-4330.2016.12.018

S158.3；S156.6

：A

：1001-4330(2016)12-2299-08