張永杰,符小文,徐文修,房彥飛,杜孝敬,安崇霄,厙潤祥

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】土壤有機碳(SOC)的穩(wěn)定性對全球碳平衡起著重要作用，是影響全球“溫室效應(yīng)”的主要因素，其穩(wěn)定機制決定著土壤固定和儲備有機碳的能力[1]，而農(nóng)田土壤有機碳庫是土壤碳庫中重要的組成部分[2]。據(jù)IPCC統(tǒng)計，全球農(nóng)業(yè)減排技術(shù)潛力每年高達5 500～6 000 Mt CO2當(dāng)量，其中89%來自土壤固碳[3]。提高農(nóng)田土壤固碳潛力是減緩溫室效應(yīng)的有效途徑。農(nóng)田施肥直接或間接地調(diào)控土壤有機質(zhì)的輸入，一定程度上影響土壤有機碳的積累和礦化[4]。合理施肥對維持農(nóng)田碳庫平衡和減緩溫室效應(yīng)有實際意義?！厩叭搜芯窟M展】施肥措施是決定土壤質(zhì)量和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)[5]，其不僅是提高作物產(chǎn)量的關(guān)鍵，而且是影響農(nóng)田土壤固碳潛力的重要原因[6]。研究表明，大量使用化肥不僅會造成作物減產(chǎn)，而且會破壞土壤團粒結(jié)構(gòu)，進而引起土壤固碳能力降低[7-8]，而施有機肥會改善土壤環(huán)境[9]，不僅可以增加土壤中活性有機碳的含量，還通過對土壤生物、物理和化學(xué)性狀以及作物生長狀況的改變，影響土壤中活性有機碳的結(jié)構(gòu)、功能團及其遷移能力[10-11]。曾駿、張貴龍[12-13]研究表明，與不施肥相比，施肥會使土壤中土壤總有機碳、活性有機碳、碳庫管理指數(shù)增加，施化肥對其影響較小，而施有機肥使其含量顯著增加。艾孜古麗·木拉提[14]表明，施肥會增加土層0～20 cm的土壤有機碳含量，但對20～40 cm土壤的碳含量影響不顯著。而齊中凱[15]研究表明，施有機肥會增加>10 cm以下土層深度的SOC。土壤易氧化有機碳(EOC)是土壤中有效性較高、易被土壤微生物分解礦化、對植物養(yǎng)分供應(yīng)有最直接作用的有機碳，可以更好地反映土壤有機碳的有效性[24]?！颈狙芯壳腥朦c】研究多集中單作小麥[16-18]、水稻[19-21]以及冬小麥-夏玉米[15]、水稻-小麥[22]復(fù)播種植模式，施肥方式多以單茬作物為主，而對于新疆滴灌條件下的農(nóng)田有機碳研究較少，且研究作物主要以棉花[23]、復(fù)播大豆[24-25]為主，而前茬和后茬作物的施肥組合對土壤有機碳影響的研究則鮮有報道。研究同年不同施肥組合對土壤有機碳及大豆產(chǎn)量的影響。【擬解決的關(guān)健問題】選擇伊犁河谷為研究地區(qū)，研究麥豆輪作體系有機肥和氮肥不同組合對土壤有機碳及其組分含量的影響，分析不同施肥組合周年土壤有機碳的動態(tài)響應(yīng)，評價最有利于土壤固碳高產(chǎn)的周年施肥組合。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2016年10月～2018年10月在伊犁哈薩克自治州伊寧縣農(nóng)業(yè)科技示范園進行，該示范園地處伊犁河谷，位于中國天山山脈西部，三面環(huán)山，地處81°33’ E，43°56’N。伊犁河谷氣候溫和濕潤，屬于溫帶大陸性氣候，年平均氣溫10.4℃，年日照時數(shù)2 870 h。表1

表1 試驗區(qū)土壤肥力
Table 1 Soil fertility in the experimental area

年份有機質(zhì)(g/kg)堿解氮(mg/kg)速效磷(mg/kg)速效鉀(mg/kg)201717.4119.49.910520188.4294.818.6125

小麥品種為新冬42號，大豆品種為黑河45號，磷肥為重過磷酸鈣(含磷為44%)204 kg/hm2于小麥作為小麥基肥施入，全年灌溉方式為滴灌，滴灌帶間距均為60 cm。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設(shè)計

試驗采用裂區(qū)試驗設(shè)計，主因子為小麥生長階段的施肥處理，分別是無肥(CK)、氮肥(A)、有機肥(B)、有機肥+氮肥(C)四個處理。供試有機肥為牛糞，于小麥播種前作為基肥施入含有機肥的小區(qū)。施氮量按照基肥與孕穗肥4∶6的比例施入。副因子為在大豆花期設(shè)不追施氮肥和追施氮肥150 kg/hm2兩個處理，供試氮肥均為尿素(含N為46%)，在小麥試驗階段，各小區(qū)面積為60 m2(4 m×15 m)，重復(fù)3次。大豆試驗階段，各處理面積是小麥處理的1/2。表2

表2 各處理具體施肥用量
Table 2 Fertilizer application rate for each treatment(kg/hm2)

處理代碼小麥生長階段大豆生長階段氮肥有機肥氮肥CK000A137500A23750150B1022 5000B2022 500150C137522 5000C237522 500150

1.2.2 樣品采集

復(fù)播大豆收獲后采集土樣, 取樣時采用 “S”取樣法選擇3點, 每個點用土鉆分層取樣, 土層深度分別為0～10、10～20、20～30、30～40、40～60、60～80、80～100 cm, 分別將取得的每一層次土樣混合均勻放入鋁盒帶回實驗室。

1.2.3 測定項目1.2.3.1 土壤總有機碳(SOC)

參照魯如坤[26]的重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱氧化法測定土壤總有機碳。

1.2.3.2 易氧化有機碳(EOC)

采用高錳酸鉀氧化法測定易氧化有機碳[27]。

1.2.3.3 土壤碳庫管理指數(shù)(CPMI)

以無肥地土壤為參考土壤，土壤碳庫管理指數(shù)計算方法如下:

碳庫指數(shù)(CPI) =樣品全碳含量(g/kg)/參考土壤全碳含量(g/kg) ;

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)( CPMI)=碳庫指數(shù)×碳庫活度指數(shù)×100 =CPI×AI×100。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用 SPSS19 軟件進行統(tǒng)計分析，用單因素方差分析對不同處理的變量進行 LSD 顯著性差異分析,運用Origin8.5作圖軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機肥和氮肥不同組合對土壤總有機碳的影響

研究表明，不同年各個處理的土壤有機碳(SOC)含量隨著土層深度的增加基本上均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，兩年試驗均表現(xiàn)為A1、A2、B1、B2處理在土壤深度為20～30 cm處土壤SOC含量達到最大值，而C1、C2處理的土壤SOC含量在土壤深度為30～40 cm處達到峰值， 且>40 cm各處理之間土壤有機碳含量持續(xù)減少且無顯著性差異，在各個土層未施肥的CK處理土壤SOC含量始終處于最低。在土壤深度0～40 cm處，豆季不施肥的情況下，土壤有機碳含量大小表現(xiàn)為C1>B1>A1, 其中在20～30 cm處，除對照外各處理土壤SOC含量之間呈無顯著性差異，但在30～40 cm處各處理的則達到顯著性差異；在豆季追施氮肥的情況下,各處理土壤有機碳含量具有波動性但顯著性差異與不施肥情況基本相同。進一步比較兩種情況土壤SOC可知，豆季未施氮肥的C1、B1、A1處理的均高于對應(yīng)施氮肥C2、B2、A2處理的。周年施肥會增加豆季土壤中SOC含量，尤其是土壤0～40 cm的SOC含量。麥季單施氮肥或單施有機肥可以提高豆季20～30 cm土壤SOC含量，而有機肥和氮肥配施不僅可以提高20～30 cm土壤有機碳含量，而且可以提高30～40 cm土壤有機碳含量，但在大豆季追施氮肥會降低土壤中SOC的含量。圖2

圖1 不同年不同施肥組合下復(fù)播大豆農(nóng)田土壤有機碳變化

Fig. 1 Effects of different fertilizer combinations in different years on soil organic carbon in soybean resowing farmland

2.2 有機肥和氮肥不同組合對土壤易氧化有機碳的影響

研究表明，不同年不同施肥組合下土壤剖面 EOC 含量與 SOC 含量變化趨勢基本一致，均隨著土壤深度的加深而基本呈先升高后降低的變化趨勢，且A1、A2、B1、B2處理的EOC含量在土層20～30 cm處達到最大值，而C1、C2處理的土壤EOC含量在土壤深度為30～40 cm處達到峰值，CK處理在各個土層均最小，總體表現(xiàn)為C1>C2>B1>B2>A1>A2>CK，說明麥季單施氮肥或單施有機肥或有機肥和氮肥配施對于豆季0～30 cm土壤EOC含量均有促進作用，但各處理間無顯著性差異，然而有機肥和氮肥配施對于30～40 cm土壤EOC含量促進作用明顯，各處理間達到顯著性差異(P< 0.05)。麥季有機肥和氮肥混施豆季不施肥組合不僅可以培肥地力，還可以增加深層土壤活性有機碳含量。圖3

圖2 不同年間有機肥和氮肥不同組合下復(fù)播大豆土壤易氧化有機碳變化

Fig. 2 Effects of different combinations of organic manure and nitrogen fertilizer on oxidizable organic carbon in soils of soybean sown in different years

2.3 有機肥和氮肥不同組合對復(fù)播大豆農(nóng)田土壤碳庫管理指數(shù)的影響

碳庫管理指數(shù)(CPMI)指土壤管理措施引起土壤有機碳變化的指標(biāo)，能夠反映農(nóng)作施肥措施對土壤碳量下降或更新的程度[28]。研究表明，2017年，各土層各處理對CPMI的影響規(guī)律性不明顯，但可以看出麥季有機肥和氮肥配施可顯著提高豆季土壤0～60 cm土層的CPMI，尤其是40～60 cm土層更為顯著；2018年，在0～40 cm土壤深度各處理對土壤CPMI的影響基本上有規(guī)律性，麥季單施氮肥或單施有機肥可以提高0～30 cm土壤CPMI，但處理間無顯著性差異，而有機肥和氮肥配施處理會影響至30～40 cm，與各處理達到顯著性差異。與2017年不同的是麥季有機肥和氮肥配施對于40～60 cm土層的影響較小，與各處理達到顯著性差異，出現(xiàn)這樣的原因可能是由于兩年地力水平不同和降雨量不同造成的有機質(zhì)淋溶程度不同。通過2017和2018年0～100 cm土壤CPMI均值來看，麥季有機肥氮肥配施對于土壤0～100 cm土壤CPMI有提升作用，而且在豆季不是氮肥的情況下更有利于提高土壤CPMI。

2.4 有機肥和氮肥不同組合對復(fù)播大豆產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

研究表明，2017和2018年，各處理對復(fù)播大豆的收獲株數(shù)、百粒重均無顯著影響，但對單株莢數(shù)、單株粒數(shù)有顯著的影響。麥季單施氮肥、單施有機肥情況下，豆季追氮肥處理的產(chǎn)量均比未追氮肥處理的產(chǎn)量高，表現(xiàn)為B2>B1、A2>A1，但麥季有機肥和氮肥配施的情況下，表現(xiàn)為C1>C2。在豆季追施氮肥條件下，麥季單施有機肥的比單施化肥處理的產(chǎn)量高，表現(xiàn)為B2>A2、B1>A1，說明前茬作物施有機肥產(chǎn)生的后效可以有利于后茬作物產(chǎn)量的提高且比單施氮肥明顯，而且麥季氮肥和有機肥配施處理更有助于大豆產(chǎn)量的提高，無論豆季是否追施氮肥均表現(xiàn)為比麥季單施氮肥或單施有機肥各處理的產(chǎn)量要高，且與各處理達到顯著性差異(P< 0.05)，且兩年C1均值分別比C2、B2、A2、CK高出1.6%、3.35%、8.3%、50.69%。在麥季氮肥有機肥配施，即使豆季不施肥也可以保證麥后復(fù)播大豆有較高的產(chǎn)量。表3

表2 不同年間不同施肥組合下土壤碳庫管理指數(shù)
Table 2 The effects of different fertilizer combination on soil carbon pool management index in different years

年份處理0～10 cm10～20 cm20～30 cm30～40 cm40～60 cm60～80 cm80～100 cm均值2017年CK100.00d100.00c100.00c100.00c100.00d100.00b100.00a100.00cA1107.83cd110.12b118.12b100.97bc108.29c104.17a108.94a108.78bA2117.08c105.61b109.39c104.63b113.08b106.24a109.91a109.42bB1113.93c104.74b110.58c105.73b118.02b107.53a105.19a109.39bB2116.14c109.55b117.92b108.83b112.72b107.15a104.95a111.04bC1143.33ab137.21a155.86a146.82a129.07a109.87a109.89a133.15aC2149.16a132.99a152.99a141.23a130.43a107.88a105.97a131.52a2018年CK100.00b100.00c100.00d100.00e100.00a100.00b100.00b100.00cA196.36c119.11ab111.71c108.35d103.99a103.83a95.28b100.52cA2102.08b119.36ab124.40b108.69d109.63a102.24a99.27b109.38bB1104.76ab120.23ab118.11c116.11c96.42b95.54b103.20a107.77bB2100.84b111.83b127.71b125.44b100.54a98.04b96.71b108.73bC1109.25a122.20a136.21a143.42a102.22a101.21a94.54b115.58aC2105.03a128.34a126.67b125.81b104.70a101.72a102.69a113.57a

注：同列字母表示在P=0.05水平達到顯著性差異水平

Note: Identical letters represent significance atP=0.05

表3 不同年間不同施肥組合下復(fù)播大豆產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素
Table 3 The effects of different fertilizer combination on yield and yield components of multiple cropping soybean in different years

年份處理收獲株數(shù)(104 株/hm2)單株有效莢數(shù)(個)單株粒數(shù)(個)百粒重 (g)產(chǎn)量(kg/hm2)2017年CK52.00a12.53c35.77c16.06a2 053.72dA150.00a12.87c36.30c16.08a2 427.31cA255.00a16.20b46.17b16.46a2 752.99bB154.00a15.80b45.10b15.53a2 590.04cB253.00a17.33a46.73ab15.61a2 859.87aC156.00a17.03a48.56a15.59a2 881.47aC254.00a17.73a48.00a16.46a2 838.95a2018年CK49.02a11.00c25.08e16.45a1 795.65dA149.36a15.00a33.70d16.91a2 311.49cA250.03a16.50a41.60bc16.62a2 604.38bB149.19a14.50b37.00bc16.74a2 413.12cB250.36a16.00a41.20bc16.56a2 752.54abC150.86a17.00a50.00a17.35a2 919.21aC250.03a16.00a45.50b16.90a2 870.18ab

注：同列字母表示在P=0.05水平達到顯著性差異水平

Note: Identical letters represent significance atP=0.05

2.5 在不同施肥組合下產(chǎn)量與SOC、EOC、CPMI的相關(guān)性

研究表明，農(nóng)田土壤SOC、EOC、CPMI均存在顯著性相關(guān) ，SOC與EOC、CPMI達到極顯著相關(guān)，說明碳庫管理指數(shù)受SOC含量影響更大。大豆產(chǎn)量與SOC、EOC、CPMI也均達到顯著相關(guān)。綜合兩年數(shù)據(jù)來看，土壤SOC、EOC含量的高低不僅影響著土壤質(zhì)量的高低，而且還直接影響作物產(chǎn)量的高低。表4

表4 產(chǎn)量與碳庫管理指數(shù)的相關(guān)性
Table 4 Correlation between yield and carbon pool management index

年份RSOCEOCCPMIYield2017年土壤有機碳Soil organic carbon1 易氧化有機碳 Easily oxidized organic carbon0.982??1碳庫管理指數(shù)Carbon pool management index0.697??0.6111產(chǎn)量 Yield0.856??0.784?0.726?12018年土壤有機碳Soil organic carbon1 易氧化有機碳Easily oxidized organic carbon0.985??1碳庫管理指數(shù) Carbon pool management index0.880??0.948??1產(chǎn)量 Yield0.791?0.875??0.959??1

注：注釋：*表示顯著相關(guān)，**表示極顯著相關(guān)

Note:*Indicates a significant correlation,**means a very significant correlation

3 討 論

3.1 施肥對土壤SOC的影響

施肥對土壤碳庫含量有明顯的促進作用，但長期施化肥會對土壤結(jié)構(gòu)有損害作用，導(dǎo)致土壤的固碳能力下降，而增施有機肥可以通過維持和改善土壤結(jié)構(gòu)來顯著增加土壤SOC的含量。陳曉芬等[29]表明施有機肥可以顯著增加土壤團聚體中有機碳的含量，而易亞男等[30]表示施有機肥可以改善土壤結(jié)構(gòu)，通過增加土壤中膠結(jié)物質(zhì)來提高土壤中SOC含量，張瑞等[31]表明有機肥氮肥配施可以增加土壤中SOC含量，且有機無機配施可以提高土壤固碳速率[32]，研究結(jié)果表明,單施有機肥對于土壤SOC積累有促進作用但影響并不顯著，但有機肥和氮肥配施更有利于土壤SOC的固定和提高。李淑芬等[33]表明，施無機氮肥會加快土壤中SOC礦化分解，從而降低土壤中SOC含量，其結(jié)果與研究一致，研究表明，在豆季施氮后土壤SOC含量有所下降。有學(xué)者表明，有機無機配施可以影響0～60 cm土壤深度的SOC含量[16，23]，此結(jié)論與研究結(jié)果基本一致，結(jié)果表明，單施化肥和有機肥可以影響0～30 cm土層深度的SOC含量，但有機肥和氮肥配施會影響30～40 cm土壤中的有機碳含量。

3.2 施肥對土壤EOC、CMPI的影響

施肥措施對土壤質(zhì)量的下降或更新程度可以通過根據(jù)易氧化有機碳計算的碳庫管理指數(shù)來體現(xiàn)，能更有效的評價土壤質(zhì)量的演變情況[34]。楊長明、張春霞等[35-36]研究表明，有機肥和無機肥配施可以顯著提高土壤易氧化有機碳含量和土壤碳庫管理指數(shù)，與研究結(jié)果一致。史康婕等[37]表明施肥會影響0～20 cm土層的EOC含量，而有機肥可影響至20～40 cm土層，長期施化肥會降低40～60 cm土壤的EOC含量，而施有機肥會增高其含量。研究結(jié)果表明，單施氮肥和有機肥會影響0～30 cm土壤中EOC含量，而有機肥氮肥配施會影響至40 cm土層。趙亞南[22]表明，有機無機配施會顯著提高0～60 cm土壤CPMI，與研究不同的是有機肥無機配施只影響0～40 cm土壤，出現(xiàn)這種原因可能是由于地力水平的不同所造成的。

4 結(jié) 論

4.1 在麥季單施氮肥、單施有機肥會提高豆季0～30 cm土壤中SOC、EOC含量、CPMI，但各處理間無顯著性差異，麥季氮肥和有機肥配施會影響至40 cm土壤的碳含量，且在豆季不施肥的情況下可以顯著提高土壤中0～40 cm碳庫含量，且兩年均是該處理土壤固碳能力最佳。

4.2 兩年產(chǎn)量均是麥季氮肥和有機肥配施、大豆季不追肥處理達到最高。麥季有機肥和氮肥配施，豆季不施肥仍然可維持并提高麥后復(fù)播大豆產(chǎn)量，其產(chǎn)量比周年施氮(A2)和對照(CK)分別高出8.3%、50.62%，且大豆產(chǎn)量與SOC、EOC、CPMI產(chǎn)生顯著性相關(guān)。

麥豆輪作條件下麥季有機肥和氮肥配施、豆季不施肥可顯著提高土壤SOC含量、EOC含量和CPMI及產(chǎn)量，其不僅對土壤中碳的固定有明顯的促進作用，還可以在減少復(fù)播大豆的氮肥150 kg/hm2的追施量情況下提高復(fù)播大豆產(chǎn)量。