邵興華，王愛(ài)斌

（上饒師范學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，江西 上饒 334001）

施肥不僅可以提高土壤生產(chǎn)力，還可以提高土壤肥力。土壤有機(jī)碳是有機(jī)質(zhì)的組分之一，含量高低直接影響陽(yáng)離子交換量、團(tuán)聚體的形成、容重、微生物活性、耕性等土壤物理、化學(xué)及生物學(xué)性質(zhì)，是衡量土壤肥力高低的重要指標(biāo)之一[1-2]。研究表明：長(zhǎng)期氮、磷、鉀均衡施肥比氮、磷肥配施顯著增加土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量[3]，有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施更有利于土壤有機(jī)碳的積累[4]，施肥增加土壤碳儲(chǔ)量在于施肥增加了植物地上、地下部生物量[5]。耕作使土壤受到了強(qiáng)烈的人為擾動(dòng)，無(wú)疑將影響有機(jī)碳的儲(chǔ)存和損失過(guò)程，幸運(yùn)的是耕作土壤碳庫(kù)通過(guò)合理的土地利用和管理，在較短的時(shí)間尺度上可進(jìn)行調(diào)節(jié)，傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為水田較旱地更有利于有機(jī)碳的累積，但也有學(xué)者認(rèn)為水田有機(jī)碳的分解速率還是分解量實(shí)質(zhì)上均大于旱地土壤[6]。清楚地了解施肥對(duì)水田、旱地有機(jī)碳影響的長(zhǎng)效作用有助于預(yù)測(cè)有機(jī)碳的變化及確保糧食安全。黑碳通常認(rèn)為是化石燃料和生物質(zhì)不完全燃燒的殘留物[7]，具有芳香環(huán)結(jié)構(gòu)，很難被化學(xué)氧化、光氧化和熱氧化[8-10]，廣泛存在于自然界，土壤中的黑碳與腐殖物共存，是土壤惰性有機(jī)碳庫(kù)的重要組成部分[8]，黑碳作為土壤中的長(zhǎng)期碳庫(kù)對(duì)持久性有機(jī)污染物具有很強(qiáng)的吸附性能[11]，進(jìn)入土壤的污染物隨黑碳埋藏于土壤中，可有效地降低它們的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[12]。因此，黑碳既是 “碳匯”，又可以蔽蓄污染物，但農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)，諸如施肥、土地利用方式對(duì)黑碳的影響鮮有報(bào)道[13]。本研究選擇長(zhǎng)期不同施肥的水田、旱地紅壤為試驗(yàn)材料，研究了土壤中有機(jī)碳、黑碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化及相關(guān)性，以期了解土壤有機(jī)碳、黑碳的變化及不同施肥處理之間的差異，進(jìn)而有效利用土地資源及制定合理的施肥方案，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)和環(huán)境友好。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概述

供試土壤采自江西省紅壤研究所的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)地。該地區(qū)屬于中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，平均海拔高度為26.0 m，月平均最高氣溫與最低氣溫分別為29.9℃和5.5℃，年平均氣溫17.6℃，年均降水量1400.0mm，無(wú)霜期269.0 d。土壤母質(zhì)為第四紀(jì)紅黏土。試驗(yàn)前水田、旱地土壤的基本性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)前水田、旱地土壤的理化性狀Table1 Physical and chemical traits of paddy soil and upland soil before experiment

水田、旱地肥料試驗(yàn)分別開(kāi)始于1981年和1986年，耕作制度分別為早稻-晚稻-休閑、早玉米-晚玉米-休閑制。水田、旱地分布于整個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)地的不同區(qū)域，不同施肥處理各小區(qū)隨機(jī)區(qū)組排列，旱地面積22.5 m2（長(zhǎng)6.4 m，寬3.5 m），水田面積44.6 m2（長(zhǎng)8.1 m，寬5.5 m），重復(fù)3次。施肥處理及肥料用量見(jiàn)表2，施肥處理中對(duì)照（ck）指不施肥，N為單施氮肥，K為單施鉀肥，NK為氮鉀肥配施，NPK為氮磷鉀肥配施，2NPK指施用的氮磷鉀肥量是NPK處理的2倍，OM為單施有機(jī)肥，NPKM為氮磷鉀肥配施有機(jī)肥處理。

1.2 樣品采集與測(cè)定

2011年6月采集0～20 cm的耕層土壤，各小區(qū)按梅花形5點(diǎn)法用土鉆采樣并混勻，采集土樣1.0 kg·處理-1。將土壤樣品中的根系、石塊等挑出，自然風(fēng)干后，過(guò)0.25mm篩，測(cè)定土壤有機(jī)碳和黑碳。

表2 施肥處理Table2 Fertilization treatments

采用重鉻酸鉀-硫酸消化法[14]測(cè)定土壤中的有機(jī)碳，消化溫度控制在170～180℃。有機(jī)碳的值記為M。黑碳的測(cè)定采用劉兆云等[15]介紹的方法?；具^(guò)程：稱取0.5 g過(guò)0.149mm篩的土樣于50 mL離心管中；向加有土樣的離心管中加入25 mL重鉻酸鉀-硫酸混合液（濃度分別為0.02和2.00 mol·L-1）；蓋上管蓋，放入水浴鍋中55℃下加熱60 h（在超聲波分散器中分散30 min后放入水浴鍋中（55±1）℃反應(yīng)12 h，再置于超聲分散器中分散 30 min，繼續(xù)放入水浴鍋中反應(yīng)12 h，整個(gè)過(guò)程重復(fù) 5次，氧化時(shí)間共60 h），用標(biāo)準(zhǔn)硫酸亞鐵滴定法測(cè)定殘余的重鉻酸鉀量；計(jì)算出被氧化的有機(jī)碳量，該有機(jī)碳量記為N；則黑碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)就是M-N的差值。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2003和最小顯著差法（Fisher’s LSD）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果

2.1 不同施肥旱地紅壤有機(jī)碳和黑碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

由圖1可以看出：不同施肥處理旱地土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)為NPK+OM＞OM＞K＞NPK＞N＞ck＞NK，N與ck，ck與NK施肥處理差異不顯著，其他各施肥處理間存在明顯差異（P＜0.05）。NPK+OM處理有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別比N，ck，NK各處理高49%，54%，59%。NPK+OM，OM，K，NPK，N，ck，NK各處理的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與實(shí)驗(yàn)起始時(shí)土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)相比，分別比實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)增加了33.0%，18.0%，10.0%，1.3%，-10.9%，-13.8%，-16.5%。說(shuō)明有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施處理顯著提高土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，而長(zhǎng)期單施氮肥，不施肥（ck），氮、鉀肥配施不施磷肥土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降。

不同施肥處理黑碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)從高到低依次為：NPK+OM＞K＞OM＞N＞NPK＞ck＞NK，施鉀肥處理與OM，N與NPK無(wú)顯著差異，其他處理間差異顯著。不同施肥處理土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與黑碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)做相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)為0.92，表明旱地土壤有機(jī)碳、黑碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著正相關(guān)（n=7，P＜0.05）。

圖1 不同施肥旱地紅壤有機(jī)碳、黑碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)Figure1 Content of organic carbon and black carbon in upland soil under different fertilization

2.2 不同施肥水田土壤有機(jī)碳和黑碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

不同施肥處理水田土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)從高到低依次為：NPK+OM＞2NPK＞NK＞N＞NPK＞K＞ck，NPK+OM與N，NPK，K，ck差異顯著，N與ck差異顯著（P＜0.05）。有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施（NPK+OM）與不施肥（ck）相比，有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高了12.0%，各種施肥處理與初始土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)相比，除ck處理有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降了2.4%以外，NPK+OM，2NPK，NK，N，NPK，K施肥處理有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均有所增加，分別提高了9.8%，8.5%，6.7%，5.5%，4.9%，2.5%。

黑碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)從高到低表現(xiàn)為NK＞N＞2NPK＞K＞NPK＞NPK+OM＞ck，不同處理間黑碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異不顯著。相關(guān)分析表明，水田土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與黑碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)相關(guān)不顯著，相關(guān)系數(shù)為0.37。

圖2 不同施肥水田土壤有機(jī)碳、黑碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)Figure2 Content of organic carbon and black carbon in paddy soil under different fertilization

就黑碳而言，不同施肥處理間旱地紅壤表現(xiàn)出了顯著差異（P＜0.05），水田各處理間差異不顯著。旱地紅壤黑碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高的是NPK+OM處理（5.33 g·kg-1），最低的ck處理（2.72 g·kg-1），水田最高的是NK處理（10.6 g·kg-1），最低NPK+OM處理（9.01 g·kg-1），旱地紅壤7種施肥處理黑碳占各自有機(jī)碳百分?jǐn)?shù)為31%～42%，水田7種施肥處理黑碳占有機(jī)碳百分?jǐn)?shù)為50%～60%，同一土地利用方式黑碳占總有機(jī)碳的比例差異不大，不同土地利用方式（水田，旱地）間黑碳占有機(jī)碳的比例差異大，說(shuō)明盡管施肥量、施肥種類相同，耕作制度、土地利用方式、生長(zhǎng)作物不同土壤黑碳含量亦不相同。

3 討論與結(jié)論

施肥的主要目的是獲得高產(chǎn)，增加生物量，同時(shí)增加返回至土壤的植物殘余量。已有研究證實(shí)[16]，返回土壤中的殘余量與土壤有機(jī)碳量正相關(guān)。由本研究的結(jié)果可以看出：旱地土壤不施肥，單施氮肥，無(wú)機(jī)氮鉀肥配施連續(xù)30多年種植玉米，以及水田不施肥處理（ck）連續(xù)30多年種植水稻后，有機(jī)碳量低于初始實(shí)驗(yàn)時(shí)土壤有機(jī)碳量。然而，無(wú)論是水田還是旱地，有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施（NPK+OM）均顯著提高土壤中有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，平衡施肥（NPK，2NPK）及單施有機(jī)肥豬糞與長(zhǎng)期不施肥相比，提高土壤中有機(jī)碳的效果僅次于有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施。綜合考慮經(jīng)濟(jì)收益，提高土壤有機(jī)碳量的最佳施肥方式為有機(jī)無(wú)機(jī)肥配合施用。因?yàn)橛袡C(jī)肥與化肥配合施用對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)有2個(gè)方面：一方面直接投入有機(jī)物；另一方面通過(guò)提高作物產(chǎn)量及根茬殘留量等而增加還田有機(jī)物，進(jìn)而提高土壤有機(jī)質(zhì)[17]。

從有機(jī)碳的凈增長(zhǎng)來(lái)看，水田除不施肥（ck）有機(jī)碳量低于初始值外，其他施肥處理有機(jī)碳量均有不同程度的提高；旱地不同施肥條件下，有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施（NPK+OM）及單施有機(jī)肥（OM）有機(jī)碳量顯著增加，分別比開(kāi)始實(shí)驗(yàn)時(shí)土壤有機(jī)量增加了33.0%和18.0%，其他處理或者增加量較低或者負(fù)增長(zhǎng)。已有研究發(fā)現(xiàn)，由于水田土壤淹水處于還原狀態(tài)時(shí)間較長(zhǎng)，受人為影響大，有與其他土壤不同的形成條件、形成過(guò)程和土壤特征，淹水情況下有機(jī)質(zhì)形成量大于礦化量，有機(jī)碳量將不斷提高，但最終會(huì)達(dá)到一個(gè)新的平衡值[18-19]，無(wú)論外加的碳源還是土壤原有有機(jī)碳在水田的礦化速率均顯著低于旱地，相比之下水田更有利于土壤有機(jī)碳的積累[20]，與本研究結(jié)論相似。黃東邁等[6]研究認(rèn)為，和旱地條件相比，淹水土壤中植物殘?bào)w和廄肥的分解，是以快速和高分解量為特征的，也就是說(shuō)水田有機(jī)碳分解快于旱地，水田并非更有利于有機(jī)碳的積累。該觀點(diǎn)與認(rèn)為淹水嫌氣條件下有機(jī)肥料的分解速率慢于旱地，分解量低于旱地的傳統(tǒng)概念大相徑庭。因此，有機(jī)碳在旱地和水田中的分解、積累狀況仍需進(jìn)一步研究。

黑碳通常被看成是植物秸桿或化石燃料等物質(zhì)不完全燃燒的產(chǎn)物，因?yàn)樗蝗菀妆晃⑸锓纸?，也不容易發(fā)生化學(xué)變化，常被看作是長(zhǎng)期的重要的碳儲(chǔ)庫(kù)[21]。本研究中，水田較旱地含較高比例的黑碳（黑碳與總有機(jī)碳的比例），水田和旱地在長(zhǎng)期的農(nóng)事活動(dòng)中均受到強(qiáng)烈的人為擾動(dòng)，人為擾動(dòng)將影響土壤中有機(jī)碳、黑碳的含量；旱地、水田開(kāi)始肥料實(shí)驗(yàn)的時(shí)間不同，土壤來(lái)源不盡相同，土壤作為一種復(fù)雜的穩(wěn)定體，理化性質(zhì)存在差異，實(shí)驗(yàn)前的差異在后期的測(cè)定中會(huì)體現(xiàn)出來(lái)；同時(shí)旱地、水田在管理措施上存在差別，水田火燒根茬的管理措施，有利于增加土壤中黑碳含量，雖然火燒將消耗掉部分碳，產(chǎn)生二氧化碳和其他溫室氣體，但是另一部分碳在不完全燃燒過(guò)程中轉(zhuǎn)變?yōu)楹谔?，這部分黑碳大部分殘留在土壤中[22]。綜合考慮可能引起土壤中黑碳差異的因素：①土壤開(kāi)始實(shí)驗(yàn)時(shí)間不同，來(lái)源不同可能造成的本底差異，②耕作管理制度不同產(chǎn)生的差異。這些有可能是旱地、水田土壤有機(jī)碳與黑碳相關(guān)顯著性與否，以及相同施肥措施下2種土地利用方式黑碳量變化不一致的原因。

[1]張璐，張文菊，徐明崗，等.長(zhǎng)期施肥對(duì)中國(guó)3種典型農(nóng)田土壤活性有機(jī)碳庫(kù)變化的影響[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009， 42（5）： 1646-1655.ZHANG Lu， ZHANG Wenju， XU Minggang， et al.Effects of long-term fertilization on change of labile organic carbon in three typical upland soils of China[J].Sci Agric Sin， 2009， 42（5）： 1645-1655.

[2]COULTER J A， NAFZIGER E D， WANDER M M.Soil organic matter response to cropping system and nitrogen fertilization [J].Agron J， 2009， 101（3）： 592-599.

[3]趙廣帥，李發(fā)東，李運(yùn)生，等.長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)積累的影響[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2012，21（5）：840-847.ZHAO Guangshuai， LI Fadong， LI Yunsheng， et al.Effects of long-term fertilization on soil organic matter accumulation [J].Ecol Environ Sci， 2012， 21（5）： 840-847.

[4]邵興華，徐金仁，張建忠，等.長(zhǎng)期施肥對(duì)旱地紅壤肥力和酶活性的影響[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2011，20（2）：266-269.SHAO Xinghua， XU Jinren， ZHANG Jianzhong， et al.Effects of long-term fertilizer on soil fertility and soil enzyme activities in upland red soils [J].Ecol Environ Sci， 2011， 20（2）： 266-269.

[5]LALR， KIMBLEJM.Conservationtillageforcarbonsequestration [J].NutrCyclAgroecosys， 1997， 49（1/3）： 243-253.

[6]黃東邁，朱培立，王志明，等.旱地和水田有機(jī)碳分解速率的探討與質(zhì)疑[J].土壤學(xué)報(bào)，1998，35（4）：482-492.HUANG Dongmai， ZHU Peili， WANG Zhiming， et al.A study and question on the decomposition rate of organic carbon under upland and submerged soil conditions [J].Acta Pedol Sin， 1998， 35（4）： 482-492.

[7]LIANG Biqing， LEHMANN J， SOLOMON D， et al.Stability of biomass derived black carbon in soils [J].Geochimi Cosmochim Acta， 2008， 72（24）： 6069-6078.

[8]SKJEMSTAD J O， CLARKE P， TAYLOR J A， et al.The chemistry and nature of protected carbon in soil[J].Aust J Soil Res， 1996， 34（2）： 251-271.

[9]WU Qinglan ， BLUME H-P， BEYER L， et al.Method for characterization of inert organic carbon in Urbic Anthrosols [J].Communic Soil Sci Plant Anal， 1999， 30（9/10）： 1497-1506.

[10]劉兆云，章明奎.林地土壤中黑碳的出現(xiàn)及分布特點(diǎn)[J].浙江林學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，26（3）：341-345.LIU Zhaoyun， ZHANG Mingkui.Black carbon occurrence and distribution in forest soils in Zhejiang Province， China [J].J Zhejiang For Coll， 2009， 26（3）： 341-345.

[11]楊基峰，應(yīng)光國(guó)，趙建亮，等.黑碳對(duì)污染物環(huán)境地球化學(xué)過(guò)程的影響[J].生態(tài)環(huán)境，2008，17（4）：1685-1689.YANG Jifeng， YING Guangguo， ZHAO Jianliang， et al.Advance in research on the influence of black carbon on the environmental geochemistry processes of environmental contaminants[J].Ecol Environ， 2008， 17（4）： 1685-1689.

[12]GHOSH U， ZIMMERMAN J R， LUTHY R G.PCB and PAH speciation among particle types in contaminated harbor sediments and effects on PAH bioavailability [J].Environ Sci＆ Technol， 2003， 37（10） ： 2209-2217.

[13]YANG Z， SINGH B R， SITAULA B K.Fractions of organic carbon in soils under different crop rotations， cover crops and fertilization practices [J].Nut Cycl Agroecosys， 2004， 70（2）： 161-166.

[14]魯如坤.土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科技出版社，1999.

[15]劉兆云，章明奎.浙江省幾種人為土壤中黑碳的含量[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版，2010，36（5）：542-546.LIU Zhaoyun， ZHANG Mingkui.Contents of black carbon in some anthrosols from Zhejiang Province [J].J Zhejiang Univ Agric&Life Sci， 2010， 36（5）： 542-546.

[16]HALVORSON A D， REULE C A， FOLLETT R F.Nitrogen fertilization effects on soil carbon nitrogen in dryland cropping system [J].Soil Sci Soc Am J， 1999， 63（4）： 912-917.

[17]李新愛(ài)，童成立，蔣平，等.長(zhǎng)期不同施肥對(duì)稻田土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的影響[J].土壤，2006，38（3）：298-303.LI Xin’ai， TONG Chengli， JIANG Ping， et al.Effects of long-term fertilization on soil organic matter and total nitrogen in paddy soil[J].Soils， 2006， 38（3）： 298-303.

[18]李忠佩，張?zhí)伊?，陳碧云，?紅壤稻田土壤有機(jī)質(zhì)的積累過(guò)程特征分析[J].土壤學(xué)報(bào)，2003，40（3）：344-352.LI Zhongpei， ZHANG Taolin， CHEN Biyun， et al.Soil organic matter dynamics in a cultivation chronosequence of paddy fields in subtropical China [J].Acta Pedol Sin， 2003， 40（3）： 344-352.

[19]CAMPBELL C A， BOWREN K E， SCHNITZER M， et al.Effect of crop rotations and fertilization on soil organic matter and some biochemical properties of a thick Black Cherokee[J].Can J Soil Sci， 1991， 71： 377-387.

[20]王嬡華，蘇以榮，李楊，等.稻草還田條件下水田與旱地土壤有機(jī)碳礦化特征與差異[J].土壤學(xué)報(bào)，2011，48（5）： 979-987.WANG Aihua， SU Yirong， LI Yang， et al.Characteristics of mineralization of soil organic carbon in paddy and upland with rice straw incorporated and differences between the two [J].Acta Pedol Sin， 2011， 48（5）： 979-987.

[21]KUZYAKOV Y， SUBBOTINA I， CHEN Haiqing， et al.Black carbon decomposition and incorporation into soil microbial biomass estimated by 14C labeling [J].Soil Biol Biochem， 2009， 41（2）： 210-219.

[22]FORBES M S， RAISON R J， SKJEMSTAD J O.Formation， transformation and transport of black carbon （charcoal） in terrestrial and aquatic ecosystems [J].Sci Tot Environ， 2006， 370（1）： 190-206.