长期有机肥磷肥配施对潮褐土有机质固存效应的影响

孙志朋，郭玉冰，刘建玲，苏晓红，廖文华，汪红霞

（1.河北农业大学 资源与环境科学学院/河北省农田生态环境重点实验室，河北 保定 071000；2.中国冶金地质总局地球物理勘查院测试中心，河北 保定 071000；3.涿州市高官庄镇人民政府，河北 涿州 072758）

土壤有机质是体现土壤是否肥沃的标志性指标之一，其分解后可为植物生长提供大量必需营养元素［1-3］。施用有机肥可增加土壤有机质含量，继而提升土壤肥力［4-6］。李彦等［7］在潮土20 年定位试验的研究发现，施有机肥处理的土壤有机质含量与施肥时间呈正相关，且增长速率呈现出先增大后减小的趋势，单施化肥土壤有机质有所降低。陈修斌等［8］在灌漠土上的研究结果为，有机肥化肥配施可显著增加土壤有机质含量，增幅达21.33%～29.96%。同样王晓娟等［9］在垆土上发现高量有机肥对土壤有机质含量的提升较低量处理提高4.10%～4.60%。

腐殖质是有机质的主体成分，约占有机质的65%，其具有独特的高分子结构，土壤微生物不易分解利用，因此被认定为土壤中较为稳定的有机碳组分［10］。腐殖质的重要组分之一是胡敏酸，富里酸不仅参与形成胡敏酸，同时又是其分解的产物。徐宁等［11］研究发现长期施入有机肥化肥显著提升土壤腐殖质的含量，胡敏酸、富里酸的增加量分别达到44.18%，56.11%。另外王薇等［12］通过20 年定位试验也证明，施有机肥不仅提高土壤腐殖质及其组成的含量，而且提高了土壤胡富比，且在等氮条件下，有机无机配施比常量施肥更能提高耕层土壤胡富比。

有机碳约占土壤有机质的70%左右，它是土壤肥力的核心所在。施入有机肥可提升土壤中总有机碳含量，提升土壤碳的固定量［13］。高伟等［14］通过在旱作潮土上的长期定位试验发现，连续多年施用化肥、有机肥和秸秆还田后，土壤有机碳总量显著上升，增幅达11.10%～52.90%，并且发现土壤有机碳的施入量与固定量间表现出极显著的正相关性。郝小雨等［13］通过在黑土35 年长期定位试验发现不施肥和施用化肥土壤有机碳储量均呈现亏损状态，有机肥化肥配施土壤有机碳储量呈现盈余。Zhang等［15］计算出我国6种典型土壤的固碳效率，并提出年均碳投入量与固碳量呈极显著的线性正相关性，6 种典型土壤的固碳效率在6.8%～31.0%之间。

施肥与土壤养分的积累和作物的产量息息相关，有机肥与化肥的配施比例及对作物的增产效果，一直是学者们关注的焦点话题［16-17］。长期定位试验可以较为准确地分析土壤养分的演变及产量效应，为合理施肥提供重要的参考依据。目前对于土壤有机质和腐殖质影响的研究大都集中在粮食作物上，对于露地菜田的研究较少。潮褐土是太行山山前平原典型的土壤类型，该区域水分状况良好，是作物高产的重要农业区域。本研究利用潮褐土长期定位试验，探究露地菜田长期施入有机肥、磷肥情况下，土壤腐殖质及其组成、土壤有机碳储量、固存量、土壤净固碳量的演变特征，探讨外源碳物质输入与土壤有机碳的关系，为切实提高潮褐土土壤肥力、优化施肥管理措施提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地基本情况及供试材料

试验位于河北省保定市河北农业大学教学基地（38°37′N，115°21′E）。该地属暖温带半湿润半干旱季风气候带，年均温度为13.0 ℃，年平均日照时长为2 700 h，年均无霜期165 ～210 d，年均降雨量532.0 mm，蒸发量1 758 mm。供试土壤为中壤偏重的潮褐土，初始土壤（2002 年）的物理化学性质为：pH 7.50，有机质17.90 g/kg，全氮1.00 g/kg，有效磷20.10 mg/kg，速效钾170.90 mg/kg，腐殖酸3.85 g/kg，胡敏酸1.30 g/kg，富里酸2.55 g/kg。每年在春季、秋季种植2 茬蔬菜，春季种植菜豆，品种为‘美国冠军’，秋季种植大白菜，品种为‘神农绿帮菜’。由于试验区域重新规划，于2012 年对试验地小区进行平移，将小区表层土壤（0 ～20 cm）充分混匀后形成新的小区，面积缩减为4 m2。

1.2 试验设计

本试验共包括有机肥（鲜重）3 个施入量处理：0、75、150 t/hm2（M0、M1、M2），磷肥3 个施入量处理：0、180、360 kg/hm2（P0、P1、P2），完全试验设计，各个处理分别为P0M0、P0M1、P0M2、P1M0、P1M1、P1M2、P2M0、P2M1、P2M2， 共计9 个处理，3 次重复，采用随机区组排列。其中，有机肥自2003 年起隔年施用，有机肥类型为腐熟牛粪，含水量平均为65.0%，养分含量（干重）平均为N 1.40%、P2O50.65%、K2O 0.80%，有机质平均含量45.08% ；化肥品种：尿素（N 46%），硫酸钾（K2O 51%），过磷酸钙（P2O516%）。豆角氮肥（N）、钾肥（K2O）用量分别为75 kg/hm2、450 kg/hm2，作底肥施入。秋茬大白菜氮肥（N）、钾肥（K2O）用量分别为450 kg/hm2、300 kg/hm2，磷钾肥和2/3氮肥作底肥，1/3 氮肥在团棵期作追肥施入［18］。

1.3 土壤样品采集与分析

每年秋季收获白菜后采用随机取样法选取6 个点位，采集0 ～20 cm 土层，混合均匀收袋，将土壤样品风干，研磨、过筛以备进行测定分析。土壤有机质测定采用重铬酸钾—外加热法；土壤容重测定采用环刀法［19］；腐殖酸采用土壤腐殖质组成修正法［20］。

有机碳储量（t/hm2）= 土壤有机碳（g/kg）×土壤容重（g/cm3）×土层厚度（cm）×10-1［21］

有机碳固存量（t/hm2）=施肥处理碳储量2020（t/hm2）-起始碳储量2002（t/hm2）；

净固碳量（kg/hm2·年）=（有机碳储量2020（t/hm2）-有机碳储量2002（t/hm2））×1 000/18［22］；

土壤固碳效率=有机碳储量增加量（t/hm2·年）/有机碳投入量（t/hm2·年）×100%［21］。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010 进行数据整理和作图，利用SPSS 21 进行数据处理与分析。

2 结果与分析

2.1 长期施用有机肥磷肥对土壤有机质含量的影响

2.1.1 单施有机肥对土壤有机质含量的影响 长期单施有机肥显著增加土壤有机质含量，且随种植年限的增加而增加。由图1 可知，在施用有机肥的第18年（施肥9 次），相比于P0M0 处理，P0M1、P0M2的土壤有机质含量分别为23.93 g/kg、28.50 g/kg，增幅分别为46.90%、74.95%；增施有机肥，土壤有机质含量随之提升，P0M2 处理较P0M1 有机质含量增加19.10%（P<0.05）。随种植年限的延长，长期单施有机肥土壤有机质含量逐年上升，平均年增幅为1.87%～3.29%，增长速度呈现出先快后慢的趋势。如施用有机肥的第2 年，P0M1、P0M2 处理土壤有机质含量平均年增幅为3.91%、12.35%，第8 年分别为3.67%、5.22%，第18 年则分别为1.87%、3.29%。

图1 长期单施有机肥土壤有机质总量的变化Fig. 1 Change of total organic matter in soil with long-term single organic fertilizer application

与试验前相比，在18 年未施肥的情况下，P0M0 处理土壤有机质含量降低了1.61 g/kg，降幅为8.99%，年降量平均为0.09 g/kg。在连续施用有机肥18 年后，P0M1、P0M2 处理土壤含有机质均显著增加，增幅分别为33.69%、59.22%，年增量分别为0.34 g/kg、0.59 g/kg。

2.1.2 有机肥磷肥配施对土壤有机质含量的影响有机肥配施磷肥可显著提升土壤有机质含量，且随种植年限增加而逐年提高。由图2 可知，施肥的第18 年，相比于P0M0 处理，有机肥配施磷肥的4 个 处 理（P1M1、P1M2、P2M1、P2M2） 土壤有机质含量在24.51 ～29.10 g/kg 之间，增量达50.46%～78.64%。低量施磷肥时，增施有机肥土壤有机质含量随之提升，P1M2 处理较P1M1 有机质含量增幅达到16.36%。磷肥施入量提高，土壤有机质含量无显著变化。随复种次数的增加土壤有机质含量逐年上升，增长速度呈现出先快后慢的趋势。如施肥的第2 年，有机肥配施磷肥处理土壤有机质含量增幅平均为10.29%，第8 年、18 年增幅平均分别为4.22%、2.77%。

图2 有机肥磷肥配施土壤有机质总量的变化Fig. 2 Changes of total organic matter in soil combined with organic phosphorus fertilizer

与试验前相比，连续施肥18 年后，有机肥磷肥配施处理土壤有机质含量增幅为36.93%～62.57%，年增长量为0.37 ～0.62 g/kg。

2.2 长期施用有机肥磷肥对土壤腐殖酸含量及组成的影响

2.2.1 长期施用有机肥磷肥对土壤腐殖酸的影响 有机肥配施磷肥可显著提升土壤腐殖酸含量，且随种植年限增加而增加。由图3 可知，施肥的第18 年，相比于P0M0 处理，有机肥配施磷肥的4 个处理土壤腐殖酸含量在6.16 ～6.62 g/kg 之间，增量达115.40% ～131.50%。单施有机肥可显著提升土壤腐殖酸含量，相比于P0M0 处理，P0M1、P0M2 的土壤腐殖酸含量分别为5.86、6.01 g/kg，增幅分别为104.90%、110.14%；增施有机肥，土壤腐殖酸含量无显著变化，P0M2 处理较P0M1 腐殖酸含量增加2.44%。单施磷肥可显著提升土壤腐殖酸含量，相比于P0M0 处理，P1M0、P2M0 的土壤腐殖酸含量分别为4.31、4.47 g/kg，增幅分别为50.70%、56.29%；增施磷肥，土壤腐殖酸含量无显著变化，P2M0 处理较P1M0 腐殖酸含量增加3.71%。

图3 长期施用有机肥磷肥对土壤腐殖酸含量的影响Fig. 3 Effect of long-term application of organic phosphorus fertilizer on soil humic acid content

有机肥对土壤腐殖酸含量的影响显著大于磷肥，相比于P0M0 处理，P0M1、P0M2 处理土壤腐殖酸增幅平均为107.52%，而P1M0、P2M0 处理平均为53.50%；相比于单施有机肥和磷肥，有机肥磷肥配施对土壤腐殖酸的影响更显著，与单施有机肥和单施磷肥处理相比，增幅分别达到4.99%～10.15%、41.61%～48.10%。相比于试验前土壤，各施肥处理10 年、18 年土壤腐殖酸含量均显著提高，平均年增幅分别为3.34%、2.33%，增长速率呈现出先快后慢的趋势。

与试验前相比，在18 年未施肥的情况下，P0M0 处理土壤腐殖酸含量降低了0.99 g/kg，降幅为25.71%，年降量平均为0.06 g/kg。

2.2.2 长期施用有机肥磷肥对土壤胡敏酸的影响 有机肥配施磷肥可显著提升土壤胡敏酸含量，且随种植年限的增加而增加。由图4 可知，施肥的第18 年，相比于P0M0 处理，有机肥配施磷肥的4个处理土壤胡敏酸含量在2.24 ～2.44 g/kg 之间，增量达154.55%～177.27%。单施有机肥可显著提升土壤胡敏酸含量，相比于P0M0 处理，P0M1、P0M2 处理胡敏酸含量分别为2.21、2.33 g/kg，增幅分别为151.14%、164.77%；增施有机肥，土壤胡敏酸含量无显著变化，P0M2 处理较P0M1 胡敏酸含量增加5.43%。单施磷肥可显著提升土壤胡敏酸含量，相比于P0M0 处理，P1M0、P2M0 的胡敏酸含量分别为1.29、1.27 g/kg，增幅分别为46.59%、44.32%；增施磷肥，土壤胡敏酸无显著变化，P2M0 处理较P1M0 胡敏酸降低1.55%。有机肥对土壤胡敏酸含量的影响显著大于磷肥，如相比于P0M0 处理，P0M1、P0M2 土壤胡敏酸增幅平均为157.95%，而P1M0、P2M0 处理平均为45.45%。相比于单施有机肥和磷肥，有机肥磷肥配施对胡敏酸含量影响更显著，与单施有机肥和磷肥处理相比，增幅分别为0.43% ～4.72%、73.64% ～92.13%。相比于试验前土壤，各施肥处理10 年、18 年土壤胡敏酸含量均显著提高，平均年增幅分别为6.69%、4.38%，增长速率呈现出先快后慢的趋势。

图4 长期施用有机肥磷肥对土壤胡敏酸的影响Fig. 4 Effect of long-term application of organic phosphorus fertilizer on humic acid in soil

与试验前相比，在18 年未施肥的情况下，P0M0 处理土壤胡敏酸含量降低了0.42 g/kg，降幅为32.31%，年降量平均为0.02 g/kg。

2.2.3 长期施用有机肥磷肥对土壤富里酸的影响 有机肥配施磷肥可显著提升土壤富里酸含量，且随种植年限增加而增加。由图5 可知，施肥的第18 年，相比于P0M0 处理，有机肥配施磷肥的4 个处理土壤富里酸含量在3.92 ～4.28 g/kg，增量达97.98%～116.16%。单施有机肥可显著提升土壤富里酸含量，相比于P0M0 处理，P0M1、P0M2 富里酸含量分别为3.65、3.68 g/kg，增幅分别为84.34%、85.86%；增施有机肥，土壤富里酸含量无显著变化，P0M2 处理较P0M1 土壤富里酸含量增加0.82%。单施磷肥可显著提升土壤富里酸含量，相比于P0M0 处理，P1M0、P2M0 土壤富里酸含量分别为3.02、3.20 g/kg，增幅分别为52.53%、61.62%；增施磷肥，土壤富里酸含量无显著变化，P2M0 处理较P1M0 富里酸含量增加5.96%。有机肥对土壤富里酸含量的影响显著大于磷肥，相比于P0M0 处理，P0M1、P0M2 处理土壤富里酸增幅平均为85.10%，而P1M0、P2M0 处理平均为57.07%。相比于单施有机肥和磷肥，有机肥磷肥配施对富里酸的影响更显著，与单施有机肥和磷肥处理相比，增幅分别达到7.40%～16.30%、26.56%～33.75%。相比于试验前土壤，各施肥处理10 年、18 年土壤富里酸含量显著提高，平均年增幅分别为4.91%、3.46%，增长趋势同胡敏酸一样，呈现出先快后慢的趋势。

图5 长期施用有机肥磷肥对土壤富里酸含量的影响Fig. 5 Effect of long-term application of organic phosphorus fertilizer on the content of fulvic acid in soil

与试验前相比，在18 年未施肥的情况下，P0M0 处理土壤富里酸含量降低了0.27 g/kg，降幅为12.00%，年降量平均为0.02 g/kg。

2.2.4 长期施用有机肥磷肥对土壤胡富比的影响 有机肥可显著提升土壤胡富比。由图6 可知，施肥的第18 年，相比于P0M0 处理，P0M1、P0M2 土壤胡富比分别为0.63、0.66，增幅分别为40.34%、47.67%；增施有机肥，土壤胡富比有所提高但差异不显著，P0M2 处理较P0M1 土壤胡富比增加5.22%。单施磷肥对土壤胡富比没有显著影响。种植年限的增加对于土壤胡富比影响不显著，施肥10 年、18 年间土壤胡富比变化不大。

图6 长期施用有机肥磷肥对土壤胡富比的影响Fig. 6 Effects of long-term application of organicphosphorus fertilizer on soil HA/FA

2.3 长期施用有机肥磷肥对土壤有机碳固定影响

2.3.1 长期施用有机肥磷肥对土壤有机碳储量和固存量的影响 计算2020 年（施肥18 年）土壤有机碳储量（图7a），探究长期施用有机肥磷肥土壤有机碳储量的变化规律。结果表明，有机肥配施磷肥可显著提升土壤有机碳储量，相比于P0M0 处理，有机肥配施磷肥的4 个处理土壤有机碳储量在34.64 ～41.32 t/hm2之间，增量达40.89%～68.07%。单施有机肥可显著提升土壤有机碳储量，相比于P0M0 处理，P0M1、P0M2 土壤有机碳储量分别为34.63、41.23 t/hm2，增幅分别为40.85%、67.70% ；增施有机肥，土壤有机碳储量随之提升，P0M2 处理较P0M1 有机碳储量增加19.07%（P<0.05）。单施磷肥，土壤有机碳储量无显著变化，相比于P0M0处理，P2M0 较P1M0 有机碳处理增加0.97%。有机肥对土壤有机碳储量的影响显著大于磷肥，相比于P0M0处理，P0M1、P0M2 处理土壤有机碳储量增幅平均为54.20%，而P1M0、P2M0 处理平均为1.17%。18 年未施肥情况下，P0M0 处理土壤有机碳储量年降量为0.20 t/hm2，降幅为12.93%。

长期施入有机肥磷肥土壤有机碳固存量的变化情况如图7b 所示，有机肥配施磷肥可显著提升土壤有机碳储量，相比于P0M0 处理，有机肥配施磷肥的4个处理土壤有机碳固存量均在6.39 ～13.08 t/hm2之间，年增量在0.56 ～0.93 t/hm2之间。单施有机肥可显著增加土壤有机碳固存量，如相比于P0M0 处理，P0M1、P0M2 土壤有机碳固存量年增量分别为0.56、0.92 t/hm2，增施有机肥，土壤有机碳固存量随之增加，P0M2 处理较P0M1 增幅达103.33%（P<0.05）。施入磷肥土壤有机碳固存量变化不显著。与试验前相比，单施磷肥处理土壤的有机碳固存量均降低，P1M0、P2M0 处理土壤有机碳固存量年降低量分别为0.20 t/hm2、0.18 t/hm2，且随着磷肥用量的增加，降低速率有所减缓。

图7 长期施用有机肥磷肥对土壤有机碳储量(a)、固存量（b）的影响Fig. 7 Effects of long-term application of organic phosphorus fertilizer on soil organic carbon storage (a) and fixation (b)

2.3.2 长期施用有机肥磷肥对土壤净固碳量和固碳效率的影响 计算2020 年土壤净固碳量（图8a），探究长期施用有机肥磷肥对土壤净固碳量的影响。结果表明：有机肥配施磷肥可显著提升土壤净固碳量，相比于P0M0 处理，有机肥配施磷肥的4 个处理土壤净固碳量均在355.01 ～726.82 kg/hm2·年之间。单施有机肥可以显著增加土壤净固碳量，相比于P0M0 处理，P0M1、P0M2 土壤净固碳量均为正值，土壤处于碳固定状态；增施有机肥，土壤净固碳量随之增加，P0M2 处理较P0M1 土壤净固碳量增加106.76%（P<0.05）。施用磷肥对土壤净固碳量无显著影响。与试验前相比，在18 年未施肥的情况下，P0M0 处理土壤净固碳量降低显著，下降量为202.96 kg/hm2·年。

长期施用有机肥磷肥下土壤固碳效率如图8b 所示，各施肥处理土壤固碳效率在3.62%～3.71%，处理间无显著差异，说明有机肥磷肥对土壤的固碳效率无显著影响。

图8 长期施用有机肥磷肥对土壤净固碳量(a)、固碳效率(b)的影响Fig. 8 Effects of long-term application of organic phosphorus fertilizer on soil net carbon sequestration (a)and carbon sequestration efficiency (b)

3 讨论

土壤有机质/碳含量的动态变化受系统输入量与输出量的平衡决定。连续多年不施有机肥料，平衡处于亏缺状态，有机质/碳矿化分解引起含量下降。在暗棕壤和黑土上的研究表明，长期施用化肥土壤有机质/碳含量逐年下降［23-24］，本研究也得到了相同的结论，在18 年未施肥的情况下，土壤有机质含量降低了1.61 g/kg，降幅达8.99%。施用有机肥料，系统输入量大于输出量，有机质/碳积累，大量长期试验的结果表明，连续施用有机肥料后土壤有机质/碳含量显著上升［21,25］，与本研究得到的结论相同，在施有机肥18 年后，相比于不施肥处理，P0M1、P0M2 的土壤有机质含量分别为23.93、28.50 g/kg，增幅分别为46.90%、74.95%。韩晓增等［25］和史康婕等［21］分别在黑土和褐土上进行试验发现，每年每公顷施用1 t 有机肥平均可提高0.027 0 和0.009 9 g/kg 土壤总有机质，本试验中计算得出，在潮褐土上施用1 kg/hm2·年 有机肥平均可提高土壤有机质0.008 4 g/kg，表明不同土类上土壤有机质的增加幅度不同，这种差异存在的原因可能是由于不同土类对于外源有机物质的固定能力不同，进而导致土壤有机质增加量上的差异。土壤有机质/碳的增加与有机肥施用量之间呈显著的正相关性，本研究中，当有机肥施入量在75、150 t/hm2时，土壤有机质增量为 46.90%、74.95%。柳影等［26］也得到了相同的结论，经过30 年施肥后，施入常量、高量有机肥（牛粪和猪粪）土壤有机质含量增幅分别为46.10%、88.10%，但高伟等［14］在潮土上经过34 年夏玉米、冬小麦试验得出结论，施入有机肥（鸡粪）处理，土壤有机质增幅为71.60%。以上研究施用的有机肥均为动物粪肥，但土壤有机质增幅存在差异，这可能与土类的特性不同有关。有研究表明，在潮土长期施用有机肥料（秸秆）有机质增幅为13.50%，但也有研究表明，在潮土上施用有机肥料（猪粪）增幅达78.10%［27］，同种类型的土壤，增幅却不同，这可能与施用有机肥料种类不同有关，由于秸秆中含有较高的碳氮比，不利于微生物对其分解与利用，导致其腐解化与腐殖过程较慢［28］，因此动物粪肥对于提高土壤有机质/碳效果优于秸秆还田。目前对于不同土类和不同类型的有机肥料差异的分析比较研究甚少，需继续深入研究。

本研究发现，有机肥可显著提升土壤有机质含量，且不同处理的碳输入量与土壤固碳量表现出显著的正相关性，但随种植年限的增加土壤有机质的增加速率有所减缓，一方面表明固碳速率在一定程度上受外源碳输入量的影响，各施肥处理外源碳输入量的不同是造成土壤固碳速率差异的主要原因［13］，同时也表明土壤有机质极值稳定的特点，当土壤有机质含量接近极限时，再向其中施用有机类物质，土壤吸收速率降低，因此有机质增加速率减慢，张爱君等在黄潮土进行连续19 年的有机肥化肥配施试验，也得到了相同的结论［29］。土壤腐殖质作为土壤中较为稳定的物质，对于碳固定，长期碳转化有一定的指征作用。在本研究中随着施肥年限的增加，腐殖质占土壤有机质比例、胡敏酸占腐殖质的比例均有一定的增加，土壤胡富比较基础土显著提升，这是因为有机肥料的施入会为土壤注入大量外源有机物，供微生物活动利用，继而使更多有机质被分解转化利用，成为低分子量有机质，从而提升土壤有机质活性［30］，他人研究也证实了这个结论［31］。本研究中施用有机肥配施磷肥对土壤的固碳效率并未有显著影响，潮褐土的固碳效率约为3.68%，有研究表明［24］在塿土(土垫旱耕人为土)上采用秸秆还田模式耕作，土壤固碳效率可达7.5%，造成这种差异的原因可能是土类不同所导致的。

4 结论

长期施用有机肥可显著增加土壤有机质含量及有机碳储量，并提升土壤有机碳固存量，随种植年限的增加，土壤有机质增长速率呈现出先快后慢的趋势。有机肥配施磷肥、单施有机肥或单施磷肥均可显著提升土壤腐殖酸及其组成，但随着施用量增加腐殖酸及其组成含量差异不显著。由于腐殖酸及其组成含量变化较为缓慢，因此随种植年限的增加变化不显著，年增加量均呈现出先快后慢的趋势。施用有机肥可以显著增加土壤胡富比。有机肥配施磷肥对土壤有机质、腐殖酸及其组成含量提升效果优于单施有机肥或单施磷肥。施用有机肥磷肥对土壤固碳效率无显著影响。