有机肥替代不同比例化肥对土壤有机碳组分的影响

张久明，匡恩俊，刘亦丹，迟凤琴，张一雯，宿庆瑞，石艳香

(1.黑龙江省农业科学院，土壤肥料与环境资源研究所/黑龙江省土壤环境与植物营养重点实验室，黑龙江哈尔滨 150086; 2.东北农业大学资源与环境学院，黑龙江哈尔滨 150030)

土壤有机碳(soil organic carbon, SOC)是土壤肥力的重要指标，为微生物代谢提供能量和底物，在农业的可持续发展中起着极为关键的作用[1-2]。SOC的变化在短期内不易显现，对不同农田管理措施作用下土壤质量的改变反应不灵敏，通常需要几年的检测才能得出SOC的质量及数量的改变[3]。土壤活性碳组分主要包括易氧化有机碳(readily organic carbon, ROC)、溶解性有机碳(dissolved organic carbon, DOC)和微生物量碳(microbial biomass carbon, MBC)、颗粒有机碳(particulate organic carbon, POC)，作为土壤有机碳的重要组成部分，对田间管理措施响应较快，转化迅速，被认为是早期土壤质量改变的敏感指标[4-5]。

东北黑土区是我国宝贵的耕地资源，不论其作为经济作物主产区，还是作为重要的商品粮基地，在全国乃至世界都占据优势[6]。然而不合理的开垦、掠夺性的生产方式、长期重用轻养且不平衡的培肥措施等导致黑土区土壤退化、肥力快速下降，后期生产必须投入大量化肥才能获得高产[7]，尤其是长期大量氮化肥的施用已经造成农业生产呈现出报酬递减规律。随着人们对生态环境和农业可持续发展的关注，有机肥作为一种环保肥料被广泛应用到农业生产中。大量研究表明，有机、无机肥配施能够有效改善土壤理化性状，控制农田面源污染，稳定甚至增加作物产量，提高作物品质[8-9]。有机肥和化肥配施是提升土壤可持续发展的有效途径，但最佳配施比例在不同地区和土壤中不尽相同。本研究在东北春麦区进行田间试验，将不同配比的有机肥和化肥一次性施入土壤，分析春小麦生育期耕层土壤(0～20 cm)有机碳、氮组分含量及其相关指标变化，探讨有机肥替代化肥减施技术与土壤碳、氮组分之间的相互关系，以期为明确东北春麦区有机肥替代化肥的最佳用量提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019年在黑龙江省嫩江中储粮北方公司科技园区进行(125°27′5″N，49°33′35″E)。试验区属中温带大陆性季风气候，多年平均气温 -1.4～0.8 ℃，降水量450 mm，无霜期 115 d，有效积温2 150 ℃。试验地土壤为黑土，厚层粘底，0～20 cm耕层土壤基本理化性质见表1。

表1 试验地土壤基本理化性质

1.2 试验设计

试验采用随机区组设计，共设5个处理：(1)不施肥(CK)；(2)有机肥代替100%化学氮肥(M)；(3)有机肥替代替50%化学氮肥(M1N1)；(4)有机肥替代替25%化学氮肥(M2N2)；(5)全量化学氮肥(N)。小区面积 24 m2，3次重复。全化肥用量为当地小麦种植常规施用量，其中氮肥施用量为75.00 kg·hm-2，磷肥施用量为P2O575.00 kg·hm-2，钾肥施用量为K2O 37.50 kg·hm-2。化肥分别为尿素、过磷酸钙和硫酸钾；有机肥为商品有机肥，其养分含量为N 5.05%、P2O52.75%、K2O 1.50%，有机质含量 31.20%。有机肥替代100%、50%和25%化学氮肥的各处理有机肥用量分别为1 500、750和375 kg·hm-2，磷、钾肥用量为常规用量减去有机肥中磷、钾元素含量，以保证各施肥处理施入土壤养分含量一致。所有肥料均按照设计用量作为基肥播种前一次性施入。

供试小麦品种为克春4号，播量为300 kg·hm-2，播期为2019年4月8日，收获期为8月9日。处理之间除肥料种类不同外，其他栽培管理措施相同。

1.3 样品采集

2019年小麦收获后采集0～20 cm土壤样品，每个小区均匀设3个采样点，土样混合均匀后采用四分法留取分析样品。新鲜土样取一部分通过2 mm网筛，保存在4 ℃冰箱内用于测定微生物碳含量；另一部分自然风干后磨碎过筛，用于测定其他指标。

1.4 测定方法

土壤有机碳(SOC)含量采用重铬酸钾氧化法[10]；土壤可溶性有机碳(DOC)含量采用硫酸钾浸提法[11]；土壤颗粒有机碳(POC)含量采用六偏磷酸纳分散法[12]；微生物量碳(MBC)含量采用三氯甲烷熏蒸法[13]；土壤易氧化有机碳(ROC)含量采用高锰酸钾氧化法[14]。敏感性指数计算公式[15]如下：

敏感指数=(施肥处理活性碳组分-CK活性碳组分)/CK活性碳组分×100%

1.5 数据处理

运用Excel 2007和SPSS 20.0对试验数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 土壤有机碳、氮组分含量

如表2所示，施肥对提高土壤有机碳含量具有促进作用，但不同施肥处理的效果有所不同。土壤SOC含量以M处理最高，为24.30 g·kg-1，以CK处理最低，为22.68 g·kg-1，M处理土壤SOC含量显著高于M2N2和CK处理(P< 0.05)，但与M1N1、N处理间无显著差异。施肥能够增加土壤全氮(TN)含量，N处理下TN含量最高，为2.70 g·kg-1，显著高于其他处理(P<0.05)。土壤C/N维持在9.89～12.28，施用有机肥可以增加土壤C/N，但各处理与对照间无显著差异；N处理下C/N显著低于其他处理(P< 0.05)。

表2 不同施肥处理土壤碳氮变化特征

2.2 土壤活性有机碳组分含量

不同施肥处理下0～20 cm土壤有机碳活性组分含量存在不同程度差异(图1)。土壤中POC含量表现为M1N1>M2N2>M>N>CK，有机无机配施处理POC含量显著高于M、N及CK处理，M1N1处理下POC含量较N处理增加了 33.98%，较CK处理增加了40.82%。土壤中DOC含量表现为M>M2N2>N>CK>M1N1，M处理下DOC含量为325.97 mg·kg-1，显著高于其他处理，较N处理增加了5.97%，较CK处理增加了7.33%，较M1N1处理增加了 7.34%。土壤中ROC及MBC含量在各处理中变化趋势一致，均表现为M2N2>M1N1>N>M>CK，M2N2处理下ROC及MBC含量分别为 4.69 g·kg-1和317.40 mg·kg-1，均显著高于其他处理，较N处理分别增加了10.35%和 39.66%，较CK处理分别增加了28.84%和 71.67%。由表3可知，土壤ROC、MBC、POC含量间存在极显著相关关系 (P<0.01)；DOC与SOC含量显著相关(P<0.05)，与POC、ROC、MBC含量没有显著相关性。

表3 有机碳组分间 Pearson 相关性分析(r)

图柱上不同字母表示处理间差异达 5% 显著水平。

2.3 土壤活性有机碳组分分配比率

土壤活性有机碳组分分配比率是指各活性有机碳组分在SOC中的占比。除DOC外，有机肥无机肥配施处理能够显著提高各活性碳组分占土壤有机碳的比例(表4)。在所有处理中，ROC在土壤有机碳中的占比显著高于其他活性碳组分所占比例(P<0.05)，其比值范围为15.66%～ 20.45%；MBC/SOC所占比例最低，其比值范围为 0.82%～1.39%。各施肥处理土壤DOC所占比例介于1.28%～1.34%之间。

表4 不同施肥处理土壤碳组分在有机碳中的占比

2.4 不同施肥处理对土壤碳组分敏感性指数的影响

敏感度指数(SI)可指示出土壤中对耕地管理措施反应较灵敏的有机碳组分[16]。由表5可知，不同处理下，0～20 cm土壤中SOC、ROC、POC及MBC的SI值范围分别为1.02%～ 6.58%、 4.40%～28.64%、5.95%～38.65%和 14.98%～71.76%。除SOC外，在不同处理中各活性有机碳组分均以M2N2处理处理最高，表明有机肥替代化学氮肥25%能提高土壤中活性有机碳组分的灵敏性。在不同测定指标中，以MBC的SI值最高，以SOC的SI值最低，表明土壤中活性碳组分MBC对环境变化反应更为灵敏，在该地区可将MBC作为早期有机物变化的指 示物。

表5 不同施肥处理土壤SOC和有机碳组分的敏感度指数(SI)

3 讨 论

3.1 有机无机配施对土壤总有机碳、氮含量的影响

土壤中有机碳能够调节土壤物理性状和化学性状，是衡量农田土壤肥力高低的重要指标，关于添加氮肥对土壤肥力提高的影响研究早已有很多。土壤中碳、氮之间存在一定的耦合关系，是农业可持续发展的基础[17]。本研究结果表明，CK处理SOC含量较试验前有所降低，各施肥处理SOC含量均高于CK处理。这可能是由于不施肥条件下无外来碳源，土壤有机质仅以作物根茬残留物碳循环为源，不能维持其平衡[18]。有研究表明，氮化肥和有机肥可有效提高土壤SOC和TN含量及其有效性，添加有机肥能够增加外源有机物料，提高土壤对氮素的吸附能力，而氮的有效性高则可促进土壤有机质转化为腐殖质[19]。在本研究中，单施化肥及单施有机肥均能显著增加土壤SOC含量，M处理SOC含量最高，而有机无机肥配施则显著降低SOC含量，是由于施用化肥氮素可降低农田SOC的降解速率[20]，并且作物生长需要不断吸收土壤中的有效养分，有机无机肥配施可以改善土壤理化性状，增加土壤有效养分含量，促进了作物对土壤养分的吸收[21]。土壤C/N是土壤矿化能力的标志，直接影响土壤养分的有效性和作物生长，提高土壤C/N能促进土壤微生物对土壤有机氮的分解和矿化作用[22]。在本研究中，施用有机肥会导致土壤C/N增加，而单施氮化肥C/N显著降低，其原因可能是单施氮化肥导致土壤中残留氮素较多，土壤碳含量低，最终导致C/N比降低[23]。

3.2 有机无机配施对土壤活性有机碳组分含量的影响

施用有机肥可以为微生物提供足够的底物从而加速土壤有机碳的矿化及有机物料的腐解，释放更多活性碳组分[24]。本研究结果表明，各施肥处理对土壤POC、ROC及MBC含量的提升效果由高到低依次为有机无机肥配施处理、单施化肥处理、单施有机肥处理(图2)。李忠徽等[25]通过研究施用有机肥对黄绵土有机碳组分的影响，发现施有机肥处理土壤ROC含量较不施有机肥处理增加了7.80%。本研究结果表明，M2N2处理土壤ROC含量较CK处理增加28.84%，较N处理增加10.35%，这也证实了前人的研究结论。贺 美等[26]对东北黑土的研究发现，长期有机肥无机肥配施能显著提高土壤POC含量。本研究表明，施肥能显著提高土壤POC含量，有机肥无机肥配施处理较单施化肥及单施有机肥效果显著。主要是因为有机肥进入土壤后与部分砂粒结合，直接提供了与POC组成相近的有机碳组分，再加上配施化肥，在一定程度上促进了外源有机物料的分解和原有有机物质的周转，促进了POC的形成和转化[27]。MBC被认为是活性有机质的主要成分，能直接参与土壤有机残体的矿质化和腐殖化过程，调节土壤有机质的转化，其自身结构物质及其代谢产物也是土壤碳库的重要组分[28]。陈洁等[15]在湖北武汉地区长期稻麦轮作区试验发现，有机肥处理下MBC含量显著高于施化肥处理，与本研究结果一致。主要是因为有机肥能够为微生物的生长提供充足的碳源，改善微生物的生存环境，加速其代谢过程[29]。土壤DOC易分解、活性高、流动性强[30]。本研究中，M处理下DOC含量最高，主要因为有机肥的施用既能直接增加土壤DOC含量，又能促进土壤有机质分解，间接导致DOC含量升高。

土壤各活性有机碳组分与SOC的比例能够反映土壤有机碳的有效性，可反应该碳组分能被微生物分解利用的难易程度，比例越高则表示该碳组分对土壤有机碳的贡献程度越高。本研究结果表明，在各处理中，各活性有机碳占SOC的百分比表现为：ROC>POC>DOC>MBC，可能是因为施肥种类不同对土壤微生物数量影响不同，对土壤微生物群落结构也具有不同影响，施用机肥后细菌群落更占优势，同时更有利于微生物数量的增加，使有机物质的周转速度加快，最终释放更多的ROC。

3.3 有机无机配施对土壤碳组分敏感性指数的影响

利用敏感性指数可确定土壤有机碳中对农田管理措施反应最灵敏的碳组分[16]。Sparling等[31]指出，可将MBC作为土壤中有机质变化的敏感指标。在本研究中，ROC、POC及MBC的敏感度均高于SOC(表5)，其中M2N2处理下MBC反应最为灵敏，且MBC与ROC、POC之间存在极显著相关关系(表3)，说明在各活性有机碳组分中，MBC是指示该区域轮作制度下土壤碳库存的最佳指标。主要原因是虽然 MBC在土壤中比例很小，但MBC与其他活性碳组分之间存在极显著相关关系(P<0.01)，是调节土壤碳转化的关键，对于评价土壤质量的研究至关重要。