李 瑋，喬玉強，姜 濤，陳 歡，杜世州，趙 竹，曹承富*

1. 安徽省農(nóng)業(yè)科學院作物研究所，安徽 合肥 230031；2. 安徽省農(nóng)作物品質改良重點實驗室，安徽 合肥 230031

施用化肥對砂姜黑土碳庫管理指數(shù)的影響

李 瑋1,2，喬玉強1,2，姜 濤1,2，陳 歡1,2，杜世州1,2，趙 竹1,2，曹承富1,2*

1. 安徽省農(nóng)業(yè)科學院作物研究所，安徽 合肥 230031；2. 安徽省農(nóng)作物品質改良重點實驗室，安徽 合肥 230031

針對安徽省砂姜黑土的不良屬性，在安徽蒙城砂姜黑土上進行了4年的施肥定位試驗，施肥方式為年施氮量（以N計）0、360、450、540、630、720 kg·hm-2，玉米季占55%，通過研究連續(xù)施肥措施下砂姜黑土耕層土壤活性有機質組分的變化特征，分析了單施化學氮肥對土壤有機質組分及碳庫管理指數(shù)的影響。結果表明：施用化學氮肥有利于提高土壤總有機質質量分數(shù)和活性有機質質量分數(shù)，變化幅度分別為17.49～19.46、3.10～3.52 g·kg-1，化肥施用水平之間差異不顯著，相比不施肥，施肥土壤的總有機質質量分數(shù)增加1.53～3.53 g·kg-1、活性有機質質量分數(shù)增加0.10～0.52 g·kg-1、穩(wěn)定態(tài)有機質增加1.02～4.30 g·kg-1。處理間高活性有機質質量分數(shù)變化范圍為0.46～0.62 g·kg-1，施用化肥后降低，高量氮肥與不施肥處理間差異顯著(P＜0.05)；中活性有機質質量分數(shù)在2.21～3.25 g·kg-1之間，且與氮肥施用水平有關，年施氮量（以N計）高于540 kg·hm-2時其值增加，但各施用水平間無顯著差異(P＞0.05)。施氮對CMI的影響不顯著，土壤總有機質增加的有機質組分主要為穩(wěn)定性有機質。施氮處理的玉米籽粒產(chǎn)量明顯高于不施氮處理，年施氮（以N計）720 kg·hm-2的玉米籽粒產(chǎn)量最高，達11 137.90 kg·hm-2。相關性分析結果顯示，3種活性有機質之間，活性有機質和高活性有機質相關性最高，關系最為密切；碳庫管理指數(shù)與活性有機質呈極顯著正相關，相關系數(shù)為0.910；總有機質含量與活性有機質含量顯著正相關(P＜0.05)，與碳庫管理指數(shù)無顯著相關性(P＞0.05)；玉米籽粒產(chǎn)量與總有機質、活性有機質極顯著正相關(P＜0.01)，與碳庫管理指數(shù)顯著相關(P＜0.05)。由此可知，化學氮肥可促進砂姜黑土耕層土壤總有機質和活性有機質的提高，且二者均能夠反映砂姜黑土施用化肥后的肥力變化情況；提高砂姜黑土總有機質的有機質組分主要是穩(wěn)定態(tài)有機質；要提高玉米產(chǎn)量需要較高的氮肥用量。

砂姜黑土；化肥；活性有機質；碳庫管理指數(shù)

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施(如土壤耕作管理、化肥的施用、植物殘體或有機物料的還田等)直接或者間接的調控土壤有機質的輸入，一定程度上影響土壤有機質的累積和礦化，易分解、礦化的活性碳部分是引起土壤碳庫最初變化的有機質組分(Amisk et al, 2009)。盡管這部分碳素占全碳的比例很小，但它們對土壤碳素的轉化很重要，而且與土壤生產(chǎn)力密切相關(Dalal和Mayer, 1986; Blair et al, 1995)。Lefroy 等研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機質能被一定濃度的KMnO4氧化，其氧化的有機質在種植作物時變化較大，可作為活性有機質，不能被氧化的稱為非活性有機碳，并提出土壤碳庫管理指數(shù)(CMI)的概念(Lefroy et al, 1993)。CMI因結合了土壤碳庫指標和土壤碳庫活度指標，既反映外界管理措施對土壤有機質總量的影響，也反映了土壤有機質組分的變化情況，CMI上升表明農(nóng)業(yè)措施對土壤肥力有促進作用，反之則表明抑制土壤肥力的提高(徐明崗等, 2006)。目前，在土壤活性有機質和碳庫管理指數(shù)方面，國外已經(jīng)進行了大量研究(Nayak et al, 2012; Vieira et al, 2007)，而國內近期才開始相關研究，且主要側重于塿土、灰漠土、黑土、紅壤、潮土等土壤類型在不同耕作制度、秸稈還田、施肥制度下的土壤活性有機質和碳庫管理指數(shù)的變化規(guī)律(陳鮮妮等, 2012; 李琳等, 2006; 劉紅梅等, 2013; 陳云峰等, 2013; Liang et al; 2012)，關于砂姜黑土CMI的研究卻鮮見報到。為此，本研究通過4年大田定位試驗，研究小麥-玉米輪作條件下化學氮肥施用水平對砂姜黑土農(nóng)田土壤活性有機質組分和CMI的影響特征，分析施肥對砂姜黑土土壤碳庫質量及玉米產(chǎn)量的影響，旨在為該區(qū)施肥制度的完善和土壤碳庫的循環(huán)理論提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2008—2012年度在安徽省蒙城縣農(nóng)業(yè)示范場進行。試驗地土質為砂姜黑土，0～20 cm土層養(yǎng)分含量為：土壤有機質14.24 g·kg-1，全氮質量分數(shù)0.99 g·kg-1，堿解氮57.84 mg·kg-1，全磷質量分數(shù)0.67 g·kg-1，有效磷21.57 mg·kg-1，速效鉀197.46 mg·kg-1。供試小麥品種為濟麥22，玉米品種為鄭單958。

1.2 田間試驗設計

試驗設6個氮肥處理，年施氮量（以N計）為0、360、450、540、630、720 kg·hm-2，分別用N0、N1、N2、N3、N4、N5表示；磷、鉀肥年施用量（以P2O5計）分別為180、180 kg·hm-2，除N0(對照)之外，其余氮肥處理均施用磷鉀肥，且施用量一致。各處理氮、磷、鉀肥小麥季施用量占年施用總量的45%，玉米季55%。小麥季氮肥基追比為55∶45，追肥時期為拔節(jié)期，磷鉀肥在小麥播種時一次性基施；玉米季氮肥基追比為45∶55，追肥時期為大喇叭口期，磷鉀肥在玉米播種時一次性基施。小麥10月中旬播種，玉米6月中旬播種。小區(qū)面積21.6 m2，隨機排列，3次重復。

1.3 測定項目與方法

2012年玉米收獲后，取0～20 cm深的土樣，每個樣品均為多點采集混合而成，然后用四分法取出足夠的樣品，風干，過篩備用。

土壤總有機質測定。土壤總有機碳（TOC）：稱取過0.149 mm篩的風干土0.2000 g，采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化—容量法測定(魯如坤, 2000)。土壤活性有機碳（LOC）：稱取過0.25 mm篩的風干土1.50 g，采用KMnO4氧化法測定，高、中和活性有機碳采用的KMnO4濃度分別為33、167和333 mmol·L-1(Blair et al, 1995)。本研究土壤碳庫管理指數(shù)計算采用Blair等（1995）提出的方法，選取不施氮處理為參考土壤，具體計算如下：

碳庫指數(shù)（CPI）=樣品全碳質量分數(shù)(g·kg-1)/參考土壤全碳質量分數(shù)(g·kg-1)

碳庫活度（A）=活性碳含量/非活性碳含量

碳庫活度指數(shù)（AI）= 樣品碳庫活度/參考土壤碳庫活度

碳庫管理指數(shù)（CMI）=碳庫指數(shù)×碳庫活度指數(shù)×100=CPI×AI×100

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 16.0和Excel 2003軟件進行處理和作圖。單因素方差分析各氮肥處理之間總有機質及其活性有機質不同組分（高活性有機質、中活性有機質、活性有機質），多重比較采用最小顯著差異法（LSD，Least significant difference）。

2 結果與分析

2.1 施肥對砂姜黑土活性有機質和CMI的影響

砂姜黑土活性有機質及CMI受施肥影響見表1所示。與對照土壤相比，施肥連續(xù)耕作總有機質和活性有機質含量均呈上升趨勢，但土壤活性有機質在總有機質中所占比例基本不變。施化肥的土壤，總有機質和活性有機質含量隨施氮量增加而增加，但是，處理間沒有顯著差異（P＞0.05）；相比不施肥，施肥土壤的活性有機質質量分數(shù)增加0.10～0.52 g·kg-1，穩(wěn)定態(tài)有機質增加1.02～4.30 g·kg-1；各處理間CMI變化不明顯，部分施肥處理的CMI低于不施肥處理，表明施化肥的土壤總有機質含量升高主要是其提高了穩(wěn)定態(tài)有機質的含量。該結果與張付申提出的在壚土和黃綿土中(張付申, 1996)、徐明崗提出的在紅壤中(徐明崗等, 2006)，單施化肥對土壤易氧化有機質和活性有機質作用不大結論基本一致。

2.2 施肥對砂姜黑土中活性有機質含量和CMI的影響

中活性有機質含量和CMI見表2所示。由表2可知，與活性有機質相比，中活性有機質含量相對較低，其質量分數(shù)在2.21～3.25 g·kg-1之間。不施肥和施化肥土壤的中活性有機質含量沒有顯著差異（P＞0.05），但低量氮肥有降低土壤中活性有機質含量的趨勢。中活性有機質對應的穩(wěn)定態(tài)有機質，高氮處理低于不施肥的對照處理，與活性有機質含量變化規(guī)律一致，但CMI不施肥土壤高于N0、N1、N2、N3和N4處理，低于N5處理，各處理間CMI沒有顯著差異（P＞0.05）。可見，施用化學氮肥對提高砂姜黑土總有機質有作用，但并不能增加土壤中活性有機質。

2.3 施肥對砂姜黑土高活性有機質和CMI的影響

由表3可知，高活性有機質質量分數(shù)為0.46～0.62 g·kg-1，低于中活性有機質質量分數(shù)。相比對照處理，施肥后土壤的高活性有機質含量有所下降，其中N4和N5處理與N0的差異達顯著水平（P＜0.05），N5處理下降幅度最大，施肥耕作4年其下降了25.81%。CMI變化規(guī)律與高活性有機質含量一致，施肥后CMI下降，相比其他施肥處理，N5處理的CMI下降幅度最高，為28.23%，處理間沒有達到顯著差異（P＞0.05）。這說明砂姜黑土施化肥后結構簡單的高活性有機質含量下降。

表2 施肥后砂姜黑土的中活性有機質含量和CMITable2 Effects of N fertilizer application on medium labile organic matter and CMI

表3 施肥后砂姜黑土的高活性有機質含量和CMITable3 Effects of N fertilizer application on high labile organic matter and CMI

表4 活性有機質組分與總有機質和玉米產(chǎn)量的相關性分析Table4 Correlation analysis between labile organic matter fractions and total organic matter and maize yields

2.4 活性有機質組分與總有機質和產(chǎn)量的相關性

表4表明了砂姜黑土3種不同程度的活性有機質、總有機質、碳庫管理指數(shù)（CMI）和玉米籽粒產(chǎn)量的相關分析。結果表明，3種活性有機質之間的相關性不同，活性有機質與高活性有機質極顯著負相關，相關系數(shù)為-0.929；中活性有機質與高活性有機質、活性有機質以及CMI之間的相關關系均不顯著。可見，3種活性有機質之間，活性有機質和高活性有機質的關系最為密切。CMI與各種活性有機質的相關性分別為：高活性有機質-0.751，中活性有機質-0.264，活性有機質0.910，其中，CMI與活性有機質極顯著正相關。

總有機質與3種活性有機質及CMI的相關性不同，其中，與活性有機質和高活性有機質的相關系數(shù)較高，分別為0.723和-0.838，與活性有機質的相關性為顯著正相關，而與高活性有機質呈顯著負相關；與中活性有機質的相關系數(shù)為0.102，沒有顯著相關性。

表4顯示，玉米產(chǎn)量與總有機質、活性有機質極顯著正相關，與CMI顯著相關，相關系數(shù)分別為0.898、0.780和0.524；與高活性有機質極顯著負相關，相關系數(shù)為-0.952，而與中活性有機質無顯著相關性，說明總有機質、活性有機質和CMI能準確反映砂姜黑土土壤肥力和土壤質量的變化，可以作為描述土壤質量和評價土壤管理的良好指標。

2.5 施肥對玉米產(chǎn)量的影響

由圖1可知，施氮處理的玉米籽粒產(chǎn)量明顯高于不施氮處理。各處理間，N5處理的玉米籽粒產(chǎn)量最高，并且與N0、N2和N3處理的差異顯著（P＜0.05）?？梢?，砂姜黑土要提高玉米產(chǎn)量需要較高的氮肥用量。

3 討論與結論

3.1 討論

Blair等（1995）認為，人為管理措施對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)中土壤有機質的影響主要發(fā)生在活性有機質部分。已有研究者等對黑油土、黃綿土、紅壤、灰漠土、壚土、潮土、褐土、黑土活性有機質、總有機質和有機質氧化穩(wěn)定性的測定結果表明，長期施用化學氮肥增加了土壤總有機質含量，但增加幅度不高，對土壤活性有機質含量影響不大，提高了穩(wěn)定性有機質含量(徐明崗等, 2006; 張付申, 1996; 周衛(wèi)軍等, 2004)。目前，施用化學氮肥對土壤有機質的作用也有與上述相反的結論，認為長期化學氮肥施用可降低有機質含量或者與原來保持平衡(Kong et al, 2005; 王旭東等, 2000; 喬發(fā)云等, 2008)。究其原因，有研究認為施用化學氮肥后，能夠促進作物的生長，增加地下部分的生物量和作物根茬等殘留物，即向土壤中增加了有機碳的輸入而提高土壤有機質含量(孟磊等, 2005; Mandal et al, 2007; 尹云峰和蔡祖聰, 2006; 王蓮蓮等, 2013)；另有研究表明，由于單施化學氮肥有利于根系的增加，但同時降低了土壤碳氮比，加速了土壤有機質的分解和礦化，不僅消耗了輸入土壤的外源有機碳，而且還引起原有有機碳的消耗，不利于土壤有機質的累積(徐陽春等, 2002; 劉驊等, 2010; Powlson et al, 1987)。本研究就化學氮肥施用量對砂姜黑土活性有機質的影響做了探討，砂姜黑土上經(jīng)過4年的小麥-玉米輪作后，化學氮肥施用提高了總有機質含量和活性有機質含量，但不同施氮水平間差異不顯著；中活性有機質含量在低氮時下降，而高氮時呈增加趨勢；高活性有機質含量在施用化學氮肥后明顯下降；施化肥均提高了穩(wěn)定態(tài)有機質含量，與胡誠等（2010）、曾駿等（2008）等的研究結果類似。

本研究中，不同化肥用量單施的碳庫管理指數(shù)(CMI)與活性有機質組分有關系，活性有機質對應的CMI與不施肥相比略有增加，而中、高活性有機質對應的CMI降低，這與早期在潮土上的有關研究稍有不同。沈紅等和徐明崗等的研究結果顯示，單施化肥(NPK)處理土壤碳庫管理指數(shù)顯著高于不施肥處理，但低于初期的參考土壤，造成這些結果的差異可能與試驗初始的土壤有機質含量、施肥水平和施肥持續(xù)時間長短不同等因素有關(沈宏和曹志洪, 2000; 徐明崗等, 2006)。該研究相關性分析表明，玉米籽粒產(chǎn)量與總有機質含量和活性有機質含量表現(xiàn)為顯著、極顯著正相關，而與中活性有機質和土壤碳庫管理指數(shù)無相關性，與徐明崗等（2006）在紅壤上對小麥-玉米輪作系統(tǒng)的作物產(chǎn)量與中活性有機質和活性有機質呈顯著相關性、與總有機質含量沒有顯著相關性的研究結果不盡一致，這可能與土壤類型差異、土壤有機質水平等有關系，仍需進一步作比較研究。綜上所述，施用化學氮肥條件下砂姜黑土活性有機質與總有機質含量能夠反映該類型土壤的綜合肥力情況。

3.2 結論

通過對4年化學氮肥處理下砂姜黑土耕層土壤的土壤總有機質和活性有機質以及碳庫管理指數(shù)的研究，得出了以下結論。

1）施用化學氮肥可增加砂姜黑土耕層土壤有機質、活性有機質的含量，提高總有機質的有機質組分主要是穩(wěn)定態(tài)有機質。

2）化學氮肥施用降低了高活性有機質含量，但中活性有機質含量與氮肥施用水平有關，對碳庫管理指數(shù)的影響不顯著。

3）施氮可顯著提高玉米產(chǎn)量，年施氮（以N計）720 kg·hm-2的玉米籽粒產(chǎn)量最高，達11137.90 kg·hm-2；玉米籽粒產(chǎn)量與總有機質、活性有機質以及碳庫管理指數(shù)均存在相關關系。

圖1 施肥對砂姜黑土玉米籽粒產(chǎn)量的影響Fig.1 Effect of N fertilizer application on maize yields in lime concretion black soil

4）活性有機質和總有機質含量能夠反映砂姜黑土施用化肥后的肥力變化情況，砂姜黑土要提高玉米產(chǎn)量需要較高的氮肥用量。

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Study of the Carbon Management Index in Lime Concretion Black Soil under Conditions of N Fertilizer Application

LI Wei1,2, QIAO Yuqiang1,2, JIANG Tao1,2, CHEN Huan1,2, DU Shizhou1,2, ZHAO Zhu1,2, CAO Chengfu1,2*
1. Crop Research Institute, Anhui Academy of Agricultural Sciences, Hefei, 230031, China; 2. Anhui Key Laboratory of improved varieties of crops; Hefei, 230031, China

To analyze the negative properties of lime concretion black soil, an experiment using six different application concentrations of N fertilizer of 0, 360, 450, 540, 630, 720 kg N hm-2was conducted over four years in Mengcheng City, China. The effects of the N fertilizer application rates on soil organic matter fraction and the carbon management index (CMI) in lime concretionblack soils were systematically studied using the data obtained at this test location and through analyzing the change in soil organic matter fraction and CMI. The results showed that the application of N fertilizer increased the total organic matter (TOM) and labile organic matter (LOM). The ranges of TOM and LOM were 17.49～19.46 and 3.10～3.52 g·kg-1, respectively, and the increased values of TOM, LOM and non-labile organic matter (NLOM) compared with no fertilizer treatment were between 1.53～3.53, 0.10～0.52 and 1.02～4.30 g·kg-1, but had no significant differences among the rates of N application. The range of change of the high labile organic matter (HLOM) was between 0.46～0.62 g·kg-1, had a decreasing trend with increasing N fertilizer application, and showed significant differences between the high N fertilizer application rate and no fertilizer application (P＜0.05). However, the medium labile organic matter (MLOM) was comparatively low, and was affected by the nitrogen application rates. Its value increased when N was greater than 540 kg N·hm-2, which was a critical value of N fertilizer application rate. However, there were no significant differences between different N fertilizer treatment amounts. of all the treatments, soil NLOM could be advanced to cause an increase in total organic matter, with CMI not affected by the N fertilizer application rate. Maize yields from application of N fertilizer treatments were clearly higher than no fertilizer treatment conditions with the highest yield of 11 137.90 kg·hm-2for 720 kg N·hm-2N fertilizer application rate. Correlation analysis showed the relationship between LOM and HLOM was the most significant, having the highest relevance. Carbon management index was significantly related to LOM (P＜0.01), with a correlation coefficient of 0.910**. There was a significant positive correlation between TOM and LOM (P＜0.05), and no significant difference between TOM and CMI (P＞0.05). The maize grain yield was very significantly correlated with TOM and LOM (P＜0.01), with no correlation with CMI (P＞0.05). Therefore, the addition of chemical fertilizer can increase the total organic matter in lime concretion black soil, mainly due to increases in stable organic matter, and labile organic matter, thereby changing the fertility in these areas.

lime concretion black soil; nitrogen management; labile organic matter; carbon management index

S156.93

A

1674-5906（2014）01-0058-06

李瑋，喬玉強，姜濤，陳歡，杜世州，趙竹，曹承富. 施用化肥對砂姜黑土碳庫管理指數(shù)的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學報, 2014, 23(1): 58-63.

LI Wei, QIAO Yuqiang, JIANG Tao, CHEN Huan, DU Shizhou, ZHAO Zhu, CAO Chengfu. Study of the Carbon Management Index in Lime Concretion Black Soil under Conditions of N Fertilizer Application [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(1): 58-63.

國家科技支撐計劃（2012BAD04B09；2011BAD16B06；2013BAD07B08）；安徽省農(nóng)業(yè)科學院院長青年基金（13B0217）

李瑋（1980年生），女，助理研究員，博士，主要從事土壤物理及作物栽培生理生態(tài)方面的研究。E-mail: jtlw2007@163.com

2013-07-31