羅原駿，蒲玉琳，，*，龍高飛，葉 春，朱 波

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源學(xué)院，四川 成都 611130； 2.中國科學(xué)院 山地表生過程與生態(tài)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610041； 3.四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 成都水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)，四川 成都 610072)

土壤有機(jī)碳是維持土壤養(yǎng)分穩(wěn)定保存和有效供應(yīng)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)[1-2]，因庫容量巨大，在全球碳循環(huán)中扮演著重要角色[2]，即便是土壤碳庫發(fā)生輕微波動，也可能導(dǎo)致大氣CO2濃度產(chǎn)生重大改變，從而影響全球氣候變化[3]。活性有機(jī)碳(active organic carbon， AOC)是指土壤有機(jī)碳中有效性較高、易被氧化分解、受外環(huán)境影響較大的那部分有機(jī)碳[4]。它的數(shù)量雖小[5]，但對土壤環(huán)境變化的反應(yīng)比總有機(jī)碳敏感，能夠?qū)ν寥捞紟熳兓鞒鲅杆夙憫?yīng)[6-7]。在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，碳庫管理指數(shù)(carbon pool management index， CPMI)常被用來表征不同農(nóng)業(yè)管理措施下土壤的碳庫狀況，由于其綜合考慮了土壤碳庫總量與碳庫活度的變化情況，因此，可比活性有機(jī)碳更為靈敏地指示土壤碳庫對不同農(nóng)業(yè)措施的響應(yīng)，準(zhǔn)確評價土壤質(zhì)量水平[8-10]。

施肥作為提高作物單產(chǎn)與保證糧食安全的重要措施之一，會直接或間接地調(diào)控土壤有機(jī)質(zhì)及養(yǎng)分的輸入，并影響土壤的固碳效應(yīng)[4]。曾駿等[11]和Moharana等[12]認(rèn)為，施肥可以提高漠土或始成土的易氧化有機(jī)碳(PXOC)含量，并以有機(jī)-無機(jī)肥配施的提升作用最為顯著；張瑞等[13]認(rèn)為，在加入等量有機(jī)肥的條件下再配施化肥，對潮土PXOC、溶解性有機(jī)碳(DOC)的提升作用并不突出；張貴龍等[8]曾報道，單施化肥對潮土PXOC含量無顯著影響；徐明崗等[14]卻發(fā)現(xiàn)，單施化肥顯著降低了紅壤的PXOC含量?？梢?，土壤有機(jī)碳活性組分對施肥方式的響應(yīng)特征并不一致，可能會受到土壤類型的影響，從而出現(xiàn)不同甚至相反的結(jié)果。因此，開展區(qū)域土壤有機(jī)碳固存量和質(zhì)量在不同農(nóng)業(yè)管理措施下，特別是種養(yǎng)廢棄物替代化學(xué)肥料后的變化研究尤為必要。

紫色土是我國長江以南地區(qū)廣泛分布的重要耕地資源之一，以四川盆地分布最為集中。它是由紫色砂、頁巖類風(fēng)化而成的巖性土，土層淺薄，剖面分化不明顯，長期保持在初級發(fā)育階段[15]。紫色土的這些特征導(dǎo)致其有機(jī)質(zhì)含量低，結(jié)構(gòu)性差，易遭受侵蝕。受人為生產(chǎn)活動的影響，部分地區(qū)紫色土退化嚴(yán)重，在相當(dāng)程度上制約了紫色土的肥力水平。近年來，國內(nèi)關(guān)于土壤AOC對不同施肥方式響應(yīng)的研究較為廣泛，但涉及的土壤類型主要集中于紅壤、黑土、漠土等地帶性土壤[11，14，16]和長江中下游平原以水稻土為主的人為土壤[17-19]，關(guān)于施肥方式對紫色土AOC組分及CPMI的影響尚不明晰。鑒于此，本文以中國科學(xué)院鹽亭紫色土農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站6種長期(11 a)施肥處理的紫色土為對象，研究不同施肥處理對土壤有機(jī)碳的固存效應(yīng)、活性組分含量、CPMI的影響，以期為優(yōu)化紫色土農(nóng)田施肥管理、提升紫色土肥力提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

田間試驗(yàn)設(shè)置在中國科學(xué)院鹽亭紫色土農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站，地處四川盆地中北部的鹽亭縣林山鄉(xiāng)(105°27′ E，31°16′ N，海拔420 m)。該區(qū)屬于典型丘陵地帶，亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫17.3 ℃，年均降水量826 mm，無霜期300 d。土壤類型以水稻土和石灰性紫色土為主，由侏羅系蓬萊鎮(zhèn)母質(zhì)發(fā)育而成，土層厚度20～70 cm。土壤質(zhì)地為中壤至輕壤，部分為砂質(zhì)土。試驗(yàn)地土壤為石灰性紫色土，母質(zhì)為侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組紫色頁巖。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)小區(qū)設(shè)在6.5°坡耕地，每小區(qū)規(guī)格6 m×4 m，共18個。設(shè)置6個處理：不施肥(CK)，單施氮肥(N)，配施氮磷鉀肥(NPK)，單施有機(jī)肥(OM)，有機(jī)肥配施氮磷鉀肥(OMNPK)，秸稈還田配施氮磷鉀肥(RSDNPK)。每個處理重復(fù)3次，隨機(jī)排列。試驗(yàn)開始于2003年冬小麥季，種植方式為冬小麥與夏玉米輪作，同一施肥處理的每年施肥種類與用量一致，且均作基肥一次性施入。除CK外，所有施肥處理的年總施氮量保持在同一水平(280 kg·hm-2)，其中，小麥季氮素施用量為130 kg·hm-2，玉米季為150 kg·hm-2。磷肥(P2O5)與鉀肥(K2O)年用量分別為180、72 kg·hm-2，小麥季與玉米季各一半?；瘜W(xué)氮肥為碳酸氫銨(N 17%)，磷肥為過磷酸鈣(P2O512%)，鉀肥為氯化鉀(K2O 60%)，有機(jī)肥為豬糞，含純N量約為0.2%(鮮重)。OMNPK處理的化肥氮與豬糞氮含量比為3∶7，RSDNPK處理的秸稈氮與化肥氮含量比是2∶8。還田秸稈采用小區(qū)內(nèi)上一季的玉米或小麥秸稈，玉米與小麥秸稈純N量分別大致為0.8%(干重)、0.5%(干重)，秸稈于耕作前切碎，按覆土填埋的方式施入土壤。

1.3 土樣采集

試驗(yàn)連續(xù)進(jìn)行11 a后，于2014年玉米收后、小麥播種前，每個小區(qū)按棋盤法布設(shè)5個采樣點(diǎn)，采集耕層(0～20 cm)土壤，四分法縮至5 00 g左右，裝于自封塑料袋內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室。一部分-4 ℃保存，用于測定土壤DOC和微生物量碳(MBC)；另一部分在自然條件下風(fēng)干、研磨、過篩，用于其他指標(biāo)測定。

1.4 指標(biāo)測定

土壤pH值，土水質(zhì)量體積比1∶2.5浸提—pH計(jì)測定；土壤總有機(jī)碳(TOC)，K2Cr2O7容量法[20]；PXOC，0.333 mol·L-1KMnO4氧化—比色法[21]；DOC，1 mol·L-1KCl浸提(液土體積質(zhì)量比5∶1)—重鉻酸鉀容量法[22]；MBC，氯仿熏蒸—0.5 mol·L-1K2SO4浸提—重鉻酸鉀容量法；全氮(TN)，CuSO4-K2SO4-Se(質(zhì)量比100∶10∶1)消化—半微量凱氏定氮法；堿解氮(AN)，堿解擴(kuò)散法；全磷(TP)，酸溶—鉬銻抗比色法，速效磷(AP)，0.5 mol·L-1NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法[20]。試驗(yàn)11 a后各處理土壤基本理化性質(zhì)如表1所示。

1.5 碳庫管理指數(shù)計(jì)算

以CK作為參考土壤，將CK土壤碳庫活度(A)和TOC含量的平均值作為參考土壤的A和TOC含量，依照文獻(xiàn)[6]的方法計(jì)算不同施肥方式下土壤的A、碳庫活度指數(shù)(AI)、碳庫指數(shù)(CPI)和碳庫管理指數(shù)(CPMI)

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

應(yīng)用Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和圖表制作，利用SPSS 17.0進(jìn)行方差分析(one way-AVOVA)，基于新復(fù)極差法(Duncan)進(jìn)行差異顯著性分析，利用皮爾遜(Pearson)雙側(cè)檢驗(yàn)法分析土壤有機(jī)碳及其活性組分，氮、磷養(yǎng)分含量和CPMI的相關(guān)性。

表1 2014年各施肥處理0～20 cm土層土壤主要理化性質(zhì)Table 1 Main physicochemical properties in 0-20 cm soil under different treatments

2 結(jié)果與分析

2.1 施肥方式對土壤有機(jī)碳及其活性組分的影響

如圖1所示，施肥對土壤TOC的影響因處理不同而有所差異。與CK相比，除N處理外，RSDNPK、OM、OMNPK和NPK處理的土壤有機(jī)碳含量均顯著(P<0.05)提高，增幅分別為142.8%、91.4%、67.3%、27.6%，其中，RSDNPK處理促進(jìn)土壤有機(jī)碳積累的效果顯著(P<0.05)優(yōu)于其他處理。OM、OMNPK處理的土壤有機(jī)碳含量顯著(P<0.05)高于NPK，說明豬糞等有機(jī)物料比常規(guī)化學(xué)氮磷鉀肥更有利于提高土壤有機(jī)碳含量。OMNPK處理的TOC含量顯著(P<0.05)小于OM處理。N的TOC含量顯著(P<0.05)低于其他施肥處理，表明不均衡施肥會降低肥效，不利于土壤有機(jī)碳的積累。

與CK相比，N處理的PXOC含量無顯著差異，而OM、RSDNPK、OMNPK和NPK處理的PXOC含量均顯著(P<0.05)提高，增幅分別為109.2%、95.4%、39.3%、33.7%。OM和RSDNPK處理的PXOC含量顯著(P<0.05)高于NPK和OMNPK處理，說明單施有機(jī)肥和秸稈還田配施化肥是提高土壤PXOC的有效方式，這與施肥方式對TOC的影響規(guī)律基本一致。OMNPK和NPK處理的土壤PXOC含量差異不顯著，說明在相同氮素水平下，有機(jī)肥配施化肥對土壤PXOC含量的提升效果并不比常規(guī)施用化學(xué)氮磷鉀肥的好。

同一指標(biāo)柱上無相同字母的表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。Bars marked by no same letters for the same index showed significant difference at P<0.05. The same as below.

如圖2所示，與CK相比，RSDNPK、OMNPK、OM、NPK和N處理的MBC含量分別提高70.8%、58.1%、57.5%、32.6%、13.3%，但是，NPK、N與CK處理的MBC含量無顯著差異，說明單獨(dú)施用化肥對于提高土壤MBC含量作用不大。N處理的土壤MBC含量顯著(P<0.05)低于RSDNPK、OMNPK、OM處理，NPK處理的MBC含量顯著(P<0.05)低于RSDNPK處理。這說明有機(jī)物料對提升土壤MBC的效果優(yōu)于化肥，并以秸稈還田配施化學(xué)氮磷鉀肥的效果最好。

NPK、OM、OMNPK、RSDNPK處理土壤的DOC含量分別比CK增加13.0%、35.1%、14.1%、46.2%，但差異均不顯著。除N處理外，其他處理間土壤DOC含量差異均不顯著。這表明供試土壤DOC對施肥措施的響應(yīng)不甚敏感。

2.2 施肥方式對土壤活性有機(jī)碳分配比例的影響

由表2可知，各處理的PXOC占TOC的比例，即PXOC分配比例為36.18%～49.13%。與CK相比，N、NPK、OM、OMNPK處理的PXOC分配比例無顯著差異，但RSDNPK處理的PXOC分配比例卻顯著(P<0.05)降低。各處理的MBC分配比例為1.64%～2.58%，與CK相比，N、NPK、OM、OMNPK處理的MBC分配比例無顯著差異，但RSDNPK處理的MBC分配比例卻顯著(P<0.05)降低。各處理的DOC分配比例為0.57%～0.94%，無顯著差異。

圖2 不同處理對MBC、DOC含量的影響Fig.2 Effects of different treatments on soil MBC and DOC content

表2 土壤活性有機(jī)碳占總有機(jī)碳的比例Table 2 Percentage of active organic carbon to total organic carbon

2.3 施肥方式對土壤碳庫管理指數(shù)的影響

如表3所示，以CK作為參考，N、NPK、OM處理的A和AI無顯著差異，而OMNPK、RSDNPK處理的A和AI顯著(P<0.05)低于NPK和OM處理。以CK作為參考，N處理的CPI最低，NPK、OMNPK、OM、RSDNPK處理的CPI依次增加，且各處理間均差異顯著(P<0.05)。N、NPK和OMNPK處理的CPMI無顯著差異，均顯著(P<0.05)低于OM，RSDNPK處理的CPMI顯著(P<0.05)低于OM處理，但顯著(P<0.05)高于N和OMNPK處理?？梢?，單獨(dú)施用有機(jī)肥和秸稈還田配施氮磷鉀肥對土壤碳庫管理指數(shù)提升效果更好，有利于改善土壤質(zhì)量。

2.4 土壤碳庫指標(biāo)與氮、磷養(yǎng)分的相關(guān)性

為揭示在性質(zhì)特殊的區(qū)域土壤——紫色土中，哪些碳庫指標(biāo)能作為表征土壤質(zhì)量變化的敏感指標(biāo)，將所有處理的土壤碳庫指標(biāo)與氮、磷養(yǎng)分作相關(guān)分析。如表4所示，土壤TOC與全氮、堿解氮、全磷、速效磷均呈極顯著(P<0.01)正相關(guān)，說明土壤有機(jī)碳與氮、磷養(yǎng)分關(guān)系密切，增加土壤有機(jī)碳的含量有助于改善土壤養(yǎng)分肥力狀況。

土壤TOC與PXOC、MBC、DOC均呈極顯著(P<0.01)正相關(guān)，且與PXOC的相關(guān)系數(shù)最高，說明PXOC可作為反映土壤碳庫變化的敏感指標(biāo)。PXOC、MBC與氮、磷養(yǎng)分也存在顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)的正相關(guān)關(guān)系，除了TP外，PXOC與其余養(yǎng)分指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)均大于TOC，表明PXOC能夠比TOC更靈敏地反映土壤養(yǎng)分的變化情況。AN、AP與PXOC的相關(guān)系數(shù)最高，AN、AP含量直接決定土壤有效態(tài)氮、磷養(yǎng)分的含量，與作物生長狀況和產(chǎn)量密切相關(guān)，這說明PXOC還能夠在一定程度上反映土壤養(yǎng)分的供應(yīng)能力。

CPMI不僅與氮磷養(yǎng)分含量(除TP外)呈極顯著(P<0.01)正相關(guān)，還與TOC、MBC、PXOC存在顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)的正相關(guān)性，說明土壤CPMI亦可以作為指示土壤質(zhì)量變化的可靠指標(biāo)。

表3 不同施肥方式對土壤碳庫活度、碳庫活度指數(shù)、碳庫指數(shù)和碳庫管理指數(shù)的影響Table 3 Effects of different fertilization treatments on soil activity of carbon， activity index， carbon pool index and carbon pool management index

表4 土壤活性有機(jī)碳、碳庫管理指數(shù)與氮、磷養(yǎng)分的相關(guān)性Table 4 Relationships within soil AOC， CPMI and N， P nutrient

3 討論

本研究通過對不同施肥處理長達(dá)11 a的長期連續(xù)定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，除單施氮肥外，所試驗(yàn)的其他施肥方式均可提高土壤有機(jī)碳及其活性組分含量。秸稈還田配施氮磷鉀化肥和單施有機(jī)肥對提升有機(jī)碳及其活性組分含量、碳庫管理指數(shù)的效果最佳，對土壤非活性有機(jī)碳的貢獻(xiàn)作用較大，能夠提高土壤碳庫的穩(wěn)定性。PXOC含量與碳庫管理指數(shù)可作為表征紫色土質(zhì)量高低的敏感指標(biāo)。

本研究顯示，除了單施化學(xué)氮肥外，所試驗(yàn)的各施肥方法均能顯著提高土壤有機(jī)碳含量。其中，化學(xué)氮磷鉀肥配施能夠促進(jìn)作物根系生長，通過增加地下生物量來提高土壤有機(jī)質(zhì)含量[23]。有機(jī)肥配施氮磷鉀化肥提升有機(jī)碳的效果顯著優(yōu)于氮磷鉀化肥處理，但不及單施有機(jī)肥處理，這與張瑞等[13]的研究結(jié)果類似。這可能是因?yàn)橥寥烙袡C(jī)碳含量主要與有機(jī)物料的輸入量有關(guān)[24]，雖然各施肥處理的氮素水平一致，但單施有機(jī)肥時，每年向土壤中輸入的有機(jī)物的量約為有機(jī)無機(jī)配施的2.5倍，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單施化肥處理。在配施化學(xué)氮磷鉀肥的基礎(chǔ)上，秸稈還田對土壤有機(jī)碳的提升效果顯著優(yōu)于配施有機(jī)肥，這與王改玲等[4]的研究結(jié)果基本一致。一方面，可能是因?yàn)橄啾茸魑锝斩挘i糞的活性有機(jī)物含量高，更容易在土壤中被微生物分解[25]；另一方面，小麥和玉米秸稈中含有較多的高分子化合物，如木質(zhì)素、纖維素和半纖維素等[26]，這些復(fù)雜有機(jī)物難以徹底分解，在微生物作用下可分解成腐殖質(zhì)合成的原材料，如芳香族化合物(多元酚)和含氮化合物(氨基酸或肽)等，促進(jìn)秸稈腐解產(chǎn)物形成腐殖質(zhì)，從而有助于土壤有機(jī)質(zhì)的積累[27]。

土壤有機(jī)碳活性組分中，PXOC是反映土壤有機(jī)碳氧化穩(wěn)定性的一個重要指標(biāo)，它與土壤養(yǎng)分的供應(yīng)和碳庫的穩(wěn)定性密切相關(guān)[28]。MBC來源于土壤微生物，是土壤有機(jī)物分解和礦化的動力，它與土壤肥力關(guān)系密切，因此極易受到土壤管理措施的影響，是反映土壤養(yǎng)分有效性和土壤微生物狀況隨環(huán)境變化的敏感指標(biāo)[29]。大量研究顯示，PXOC和MBC對施肥措施響應(yīng)敏感[5，30-31]，相比不施肥或僅施化肥，有機(jī)肥或有機(jī)-無機(jī)肥配施能夠顯著提高PXOC和MBC含量，本研究也再次論證了這一點(diǎn)。這是因?yàn)椋阂环矫?，施用有機(jī)肥能為土壤微生物提供充足的碳源與能源，促進(jìn)微生物生長繁殖，使微生物活性大大提高，MBC水平也因此得以顯著提升[32]；另一方面，進(jìn)入土壤的有機(jī)物和秸稈被微生物大量分解，其分解產(chǎn)物的氧化穩(wěn)定性較低，從而成為易氧化有機(jī)碳的重要來源[33]。土壤溶解性有機(jī)碳是土壤中能被水、鹽溶液等提取的可溶解有機(jī)碳組分，主要來源于土壤腐殖質(zhì)和植物凋落物及其根系分泌物等，雖然占土壤總有機(jī)碳的比例不到2%，但它是土壤微生物可直接利用的主要碳源，在土壤生物化學(xué)轉(zhuǎn)化過程中起重要作用[34]。研究表明，有機(jī)肥和秸稈含有大量易被微生物降解的有機(jī)物質(zhì)，施入土壤后能夠顯著提高溶解性有機(jī)碳含量[35]。本研究顯示，相比CK，各施肥處理的DOC無顯著變化，這與宇萬太等[36]的研究結(jié)果有所差異，可能是因?yàn)槿芙庑杂袡C(jī)碳分子量小，容易被土壤微生物直接利用而消耗[37]。另外，本研究供試土壤的采樣時間為10月份，系玉米收獲后的休閑期。這一時期由于缺少作物根系分泌物，微生物活性降低，加之當(dāng)?shù)剡@一時期降水較少，土壤含水量大大降低，從而導(dǎo)致不同施肥處理土壤DOC含量均回落至較低水平，故與CK間的差異不明顯[38]。值得注意的是，秸稈還田處理的DOC含量最高，且顯著高于N處理，這應(yīng)該與作物秸稈增加了植物殘體的歸還量有關(guān)。

碳庫管理指數(shù)可指示土壤有機(jī)碳及其活性組分的動態(tài)變化，受土壤碳庫和碳庫活度的共同影響。本研究發(fā)現(xiàn)，對土壤活性有機(jī)碳提升效果明顯的OMNPK和RSDNPK處理，其碳庫活度和碳庫活度指數(shù)反而下降，并且顯著低于NPK和OM處理，說明有機(jī)-無機(jī)肥配施不僅能提高土壤活性有機(jī)碳，還能更大幅度地提高土壤非活性有機(jī)碳含量，在改善土壤肥力的同時，有效維持土壤碳庫的穩(wěn)定，這也解釋了在該施肥方式下活性有機(jī)碳分配比例較低的原因。從CPMI來看，單施有機(jī)肥和秸稈還田配施氮磷鉀肥兩種施肥方式的提升作用顯著，再次證實(shí)了有機(jī)肥和秸稈還田在提高土壤質(zhì)量方面的突出作用。但本研究中，OMNPK處理的CPMI較N、NPK處理并無顯著提高，這與張文峰等[39]和Moharana等[12]的研究結(jié)果相反。究其原因，可能與有機(jī)肥配施氮磷鉀化肥增加的有機(jī)碳以非活性有機(jī)碳為主，導(dǎo)致碳庫活度指數(shù)比NPK處理低有關(guān)。