皮義均， 王小利， 段建軍， 何 進(jìn)， 林仕芳， 龍大勇， 張利武

(1.貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 貴陽(yáng) 550025； 2.貴州大學(xué)煙草學(xué)院， 貴陽(yáng) 550025； 3.陽(yáng)煤納谷(山西)節(jié)能服務(wù)有限責(zé)任公司， 山西 陽(yáng)泉 045000)

土壤碳庫(kù)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫(kù)，對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳排放乃至溫室效應(yīng)有重要影響[1]。間作能夠顯著提高玉米和大豆根干質(zhì)量、總根長(zhǎng)、總根表面積、根系分泌總糖和總有機(jī)酸含量[2]。玉米大豆間作能夠增加土壤有機(jī)碳(SOC)的含量，改善土壤營(yíng)養(yǎng)和根際微生物群落，降低土壤有機(jī)碳礦化，增強(qiáng)土壤固碳能力[3]。間作增加SOC以及活性有機(jī)碳，通過(guò)提高土壤微生物生物量和活性促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的降解[4]。施肥是影響土壤有機(jī)碳積累最為重要的人為因素。Iqbal等[5]研究表明，施用氮肥會(huì)增加土壤中CO2的釋放量。施用化肥降低土壤微生物量碳含量，而施入有機(jī)肥增加土壤微生物量[6,7]。有機(jī)肥處理的土壤總有機(jī)碳累積礦化顯著增高[8]。

黃壤是亞熱帶地帶性土壤，是貴州省面積最大的土壤類型，占全省土壤總面積的46.4%[9]。對(duì)黃壤的研究主要集中在施肥對(duì)作物產(chǎn)量、黃壤有機(jī)碳組分的影響[10,11]，以及施肥對(duì)紫色土礦化的影響[12]，尚未見(jiàn)對(duì)不同間作和施肥模式下黃壤旱地有機(jī)碳礦化及其CO2釋放特征進(jìn)行研究的報(bào)道。目前對(duì)玉米大豆間作的研究主要集中在不同作物品種、種植密度、種植比例對(duì)玉米大豆生長(zhǎng)發(fā)育、生理特征、產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益、養(yǎng)分和水分利用等方面[13]。國(guó)內(nèi)外雖然對(duì)玉米大豆間作系統(tǒng)下土壤有機(jī)碳礦化以及CO2氣體排放有不少研究，但不同條件下結(jié)果不同，間作降低土壤CO2排放[14]，促進(jìn)土壤CO2排放[15]或?qū)ν寥繡O2的累積排放量沒(méi)有顯著影響[16]。

本研究通過(guò)大田試驗(yàn)和室內(nèi)礦化培養(yǎng)試驗(yàn)，研究玉米大豆間作與不同施肥模式對(duì)土壤有機(jī)碳礦化速率的影響，為西南山地玉米大豆間作種植和施肥及與土壤生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)系提供基礎(chǔ)技術(shù)和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于貴州省安順市西秀區(qū)雞場(chǎng)鄉(xiāng)(106°5′59″E，26°6′29″N)，地處黔中丘原區(qū)，海拔1 271 m，屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)型氣候，年均氣溫13.2～15 ℃，年均降雨量968～1 309 mm。土壤為黃壤，基本性質(zhì)為：有機(jī)碳17.06 g/kg，堿解氮126.73 mg/kg，有效磷20.92 mg/kg，速效鉀159.50 mg/kg，pH值4.54。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，主區(qū)處理為種植方式，設(shè)3個(gè)處理：①M(fèi)M：玉米單作；②SM：大豆單作；③IN：玉米/大豆間作，裂區(qū)處理為施肥方式，按照等氮量原則設(shè)置4個(gè)處理：①ck：不施肥對(duì)照；②0.5 NPM：化肥+有機(jī)肥配施；③NP：氮磷肥配施；④M：?jiǎn)问┯袡C(jī)肥，共12個(gè)處理，重復(fù)3次，36個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積21.78 m2(3.3 m×6.6 m)，小區(qū)之間間隔1 m。玉米單作(行距×株距=60 cm×30 cm)、大豆單作(行距×株距=40 cm×20 cm)。間作時(shí)，玉米和大豆的行距為60 cm，玉米株距30 cm，大豆株距20 cm(圖1)。玉米和大豆每穴分別留苗1株和2株。供試玉米品種為“黔單16號(hào)”，大豆品種為安順本地春大豆。供試有機(jī)肥為貴州萬(wàn)盛肥料廠所生產(chǎn)生物有機(jī)肥(含有機(jī)質(zhì) 45%，含N 2.29%，含P 1.2%)、氮肥為尿素(含N 46.2%)、磷肥為過(guò)磷酸鈣(含P 7.0%)，所有肥料均作為基肥一次施用，各處理的施肥量見(jiàn)表1。田間管理均同當(dāng)?shù)卮筇镆恢隆?/p>

表1 田間試驗(yàn)各處理施肥量 單位：kg/hm2

圖1 作物間作示意圖

1.3 土壤樣品采集與分析方法

2020年8月玉米和大豆收獲后采集土壤樣品，用土鉆在一個(gè)小區(qū)按S形線路采集5點(diǎn)組成0～20 cm耕層土壤混合樣品，除去動(dòng)、植物殘?bào)w后充分混勻，分成兩份，一份新鮮土過(guò)孔徑2 mm篩，約200 g放置于4 ℃冰箱內(nèi)用于土壤礦化培養(yǎng)試驗(yàn)及微生物量碳測(cè)定；另一份自然風(fēng)干后研磨過(guò)0.149 mm篩，用于土壤有機(jī)碳的測(cè)定。土壤含水量采用烘干法，土壤有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定[17]。

1.4 土壤有機(jī)碳礦化培養(yǎng)試驗(yàn)

土壤有機(jī)碳礦化培養(yǎng)將采用堿液吸收法[8]：稱取過(guò)2 mm篩的鮮土(保存于4 ℃冰箱)和土壤樣品30.0 g于50 mL燒杯中，用去離子水調(diào)節(jié)至田間持水量的45%左右，置于1 000 mL培養(yǎng)瓶底部，在25 ℃培養(yǎng)箱中預(yù)培養(yǎng)7 d。然后將盛有10 mL 0.1 mol/L NaOH溶液的50 mL吸收杯放置于培養(yǎng)瓶底部，加蓋密封，在25 ℃恒溫箱中暗培養(yǎng)。每個(gè)處理重復(fù)3次，同時(shí)設(shè)3個(gè)空白對(duì)照，共111組礦化培養(yǎng)微系統(tǒng)。在培養(yǎng)的第1、2、3、6、9、12、15、18、21、24、27、30、33 d時(shí)，更換堿液吸收杯并加水至恒重，吸收杯中加入1 mol/L BaCl2溶液2 mL，再滴加2滴酚酞指示劑，用0.1 mol/L HCl(每次滴定前用無(wú)水硼砂進(jìn)行標(biāo)定)滴定至紅色消失。根據(jù)CO2的釋放量計(jì)算培養(yǎng)期內(nèi)土壤有機(jī)碳的礦化量。

1.5 計(jì)算公式

土壤有機(jī)碳礦化計(jì)算公式為[8]：

土壤有機(jī)碳礦化量(CO2mg/kg)=cHCl×(v0-v1)×22/0.03；其中，cHCl為鹽酸濃度，單位mol/L；v0為空白滴定的體積，單位mL；v1為消耗鹽酸的體積，單位mL；土壤有機(jī)碳累積礦化量指從培養(yǎng)開(kāi)始至某一時(shí)間點(diǎn)土壤CO2總釋放量。

土壤有機(jī)碳礦化速率(CO2mg/(kg·d)=培養(yǎng)時(shí)間內(nèi)有機(jī)碳礦化量(CO2mg/kg)/培養(yǎng)天數(shù)(d)。

土壤有機(jī)碳累積礦化率(%)=[至某一時(shí)間點(diǎn)的土壤有機(jī)碳累積礦化量(g/kg)/土壤總有機(jī)碳(g/kg)]×100%。

1.6 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用DPS 7.05軟件進(jìn)行方差分析和鄧肯(Duncan)多重比較，比較不同處理間在p<0.05水平的顯著性差異；用WPS Office 2021軟件作圖，圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 間作和施肥對(duì)土壤有機(jī)碳的影響

由圖2可知，間作和施肥處理下SOC含量介于14.62～20.06 g/kg之間。不同施肥處理下，與玉米單作和大豆單作相比，間作后SOC含量分別降低了4.4%和6.13%。不同種植模式下，與ck處理相比，施肥后(0.5 NPM、NP、M處理)SOC含量顯著增加了17.95%、20.41%、26.89%(p<0.05)。其中，間作條件下，與ck相比，0.5 NPM、NP、M處理的SOC增加了3.54%、14.18%、21.89%，其中M處理和NP處理差異均達(dá)到顯著水平(p<0.05)。

注：柱上不同字母表示處理間有顯著差異(p<0.05)。下同。圖2 不同種植方式和施肥處理下土壤有機(jī)碳含量

F檢驗(yàn)結(jié)果表明(表2)，不同種植方式、施肥及其交互作用對(duì)SOC累積礦化量、SOC累積礦化率和礦化前的土壤有機(jī)碳(SOC)、土壤微生物生物量碳(SMBC)、微生物熵(qMB)均有顯著影響(p<0.05)，且施肥的影響大于種植方式。

表2 不同種植方式和施肥處理對(duì)土壤有機(jī)碳累積礦化量和累積礦化率及礦化前后SOC、SMBC和qMB的影響(F值)

2.2 間作和施肥對(duì)土壤有機(jī)碳礦化速率的影響

由圖3可知，在整個(gè)培養(yǎng)期內(nèi)(0～33 d)，所有處理下的SOC礦化速率隨時(shí)間延長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)，而且日均土壤礦化速率在培養(yǎng)期內(nèi)呈相同的變化趨勢(shì)，下降趨勢(shì)分為三個(gè)時(shí)期，初期為1～3 d，SOC礦化速率最快，CO2的釋放量由峰值(第1天)迅速下降，在曲線上最陡峭，釋放的CO2最多。中期3～24 d，CO2釋放逐漸減少，不同種植方式在第3天和第24天的礦化速率為第1天的21.67%～33.92%和7.11%～8.41%，不同施肥處理在第3天和第24天的礦化速率分別僅為第1天的24.16%～30.41%和7.03%～8.37%，不同種植方式和施肥處理均顯著降低。末期為24～33 d，釋放的CO2最少，不同施肥處理下第33天的有機(jī)碳礦化速率僅為第1天的1.28%～1.77%，不同種植方式在第33天的有機(jī)碳礦化速率僅為第1天的0.41%～2.37%，礦化速率顯著降低，釋放CO2的速率趨向一致。在培養(yǎng)期33 d內(nèi)，SOC礦化速率符合對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系y=b+kln(t)(表2)，它表示在培養(yǎng)期內(nèi)每變化1%個(gè)單位，SOC礦化速率將會(huì)變化k%的絕對(duì)值。

圖3 不同種植方式和施肥處理下土壤有機(jī)碳礦化速率

2.3 間作和施肥對(duì)土壤有機(jī)碳累積礦化量、累積礦化率的影響

由圖4可知，不同處理下的SOC累積礦化量在前期較快，隨培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)呈上升的趨勢(shì)，但增幅速度減慢且漸趨平緩，第33天培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，不同種植方式之間的SOC累積礦化量大小關(guān)系為玉米單作>大豆單作>間作，間作與玉米單作和大豆單作相比，分別降低了20.55%和4.68%。不同施肥處理之間SOC累積礦化量的大小關(guān)系為0.5 NPM>NP>M>ck，與ck處理(1 038 mg/kg)相比，0.5 NPM處理增加了22.31%，明顯高于其他處理(p<0.05)。

圖4 不同種植方式和施肥處理下土壤有機(jī)碳累積礦化量

表3 不同種植方式和施肥處理下土壤有機(jī)碳礦化速率回歸方程

SOC累積礦化率的高低能夠判斷土壤固碳能力，速率高則固碳能力弱，速率低則固碳能力強(qiáng)。從第33天SOC累積礦化率可知(圖5)，間作和施肥處理下SOC累積礦化率均有差異，在5.95%～9.62%之間。F檢驗(yàn)結(jié)果(表2)表明，不同種植方式、施肥及其交互作用對(duì)SOC累積礦化率產(chǎn)生顯著影響。

圖5 培養(yǎng)33 d不同種植方式和施肥下的土壤有機(jī)碳累積礦化率

不同施肥處理下，間作累積礦化率較玉米單作降低13.37%，但較大豆單作增加了1.83%，表現(xiàn)為玉米單作>間作>大豆單作。不同種植模式下，M處理較ck、0.5 NPM、NP處理分別降低15.78%、15.91%、7.75%。

2.4 間作和施肥對(duì)SMBC和SMBC/SOC(qMB)的影響

如表4所示，礦化前后不同處理SOC含量在13.34～20.11 g/kg之間，礦化后有機(jī)碳含量下降了0.84～1.52 g/kg，以大豆單作ck處理下降最多。

表4 不同種植方式和施肥下礦化前后土壤有機(jī)碳、微生物量碳和微生物熵

礦化前后SMBC含量分別在88.82～415.99 mg/kg和41.89～257.69 mg/kg之間，礦化前不同種植方式、施肥及其交互作用對(duì)SMBC均產(chǎn)生顯著影響(表2)；不同施肥處理下，間作較玉米單作和大豆單作增加62.51%、48.05%；不同種植模式下，除NP外，0.5 NPM、M較ck分別增加132.79%、162.88%，其中M處理顯著增加；間作和施肥均顯著增加了SMBC含量。礦化后SMBC下降范圍在1.97～289.31 mg/kg之間，其中間作M下降最明顯。

礦化前后qMB分別在0.37%～2.39%和0.15%～1.46%之間。礦化前不同種植方式、施肥對(duì)qMB均產(chǎn)生顯著影響；不同施肥處理下，間作qMB較玉米單作和大豆單作增加了70.35%、62.33%；不同種植模式下，0.5 NPM和M處理較ck增加96.87%、104.57%，NP較ck下降15.89%。礦化后除大豆單作ck外，qMB下降了11.43%～67.62%，以間作M下降最高。

2.5 土壤有機(jī)碳礦化量與有機(jī)碳累積礦化率以及SOC、SMBC、qMB變化值的關(guān)系

相關(guān)性分析表明(表5)，SOC累積礦化量、SOC累積礦化率、SOC變化值之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與SMBC變化值、qMB變化值無(wú)顯著相關(guān)。SMBC變化值與qMB變化值呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。這說(shuō)明SOC累積礦化量、SOC累積礦化、SOC變化值之間相互聯(lián)系非常密切，但與SMBC變化值和qMB變化值關(guān)系不大。

表5 土壤有機(jī)碳累積礦化量與有機(jī)碳累積礦化率及SOC、SMBC和qMB變化值的相關(guān)性

3 討 論

3.1 土壤有機(jī)碳含量

土壤中的有機(jī)碳輸入主要來(lái)自作物收割后殘留的根系、根系分泌物以及有機(jī)肥的施入。間作增加了SOC消耗，可能是種植年限比較短，導(dǎo)致土壤中殘留的根系以及根系分泌物比較少，間作系統(tǒng)根系發(fā)達(dá)，消耗SOC的速度快。本研究結(jié)果得出，間作下，單施化肥和單施有機(jī)肥土壤有機(jī)碳提高了14.18%～21.89%。但M處理下，與玉米單作相比，間作沒(méi)有降低。因?yàn)殚g作增加了化學(xué)成分復(fù)雜的土壤可溶性有機(jī)碳[18]，且不同耕作方式對(duì)土壤的有機(jī)質(zhì)及養(yǎng)分含量會(huì)產(chǎn)生影響[19]。烏達(dá)木等[3]研究發(fā)現(xiàn)，全土中玉米/大豆間作處理的土壤有機(jī)碳含量顯著低于大豆單作處理，與本研究結(jié)果一致。長(zhǎng)期施用有機(jī)肥能夠提高土壤總有機(jī)碳含量[8]，與本研究結(jié)果不盡相同，可能是由于施肥能夠促進(jìn)作物生長(zhǎng)，影響作物根系及根系分泌物，施肥處理土壤中的有機(jī)碳輸入量多。

3.2 土壤有機(jī)碳礦化速率、累積礦化量、累積礦化率

本研究表明，間作、施肥及其交互作用對(duì)有機(jī)碳累積礦化量交互效應(yīng)達(dá)到顯著水平，且施肥影響更大。間作能夠降低土壤有機(jī)碳礦化的速率，施肥提高了土壤有機(jī)碳的礦化速率。因?yàn)楦鞣绞侥軌蝻@著影響土壤有機(jī)碳累積礦化量和土壤有機(jī)碳礦化[20]，施肥可以顯著提高土壤有機(jī)碳礦化速率[21]。土壤有機(jī)碳礦化速率前期快，中期慢，后期趨于平緩，且土壤有機(jī)碳礦化速率與培養(yǎng)時(shí)間為顯著對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，與康成芳等[22]的研究結(jié)果一致。因?yàn)橥寥烙袡C(jī)碳礦化過(guò)程與土壤中的可利用有機(jī)物質(zhì)有關(guān)，在培養(yǎng)前期，土壤中存在大量簡(jiǎn)單易分解的糖類、蛋白質(zhì)、纖維素等有機(jī)化合物，為土壤微生物提供了大量的能量來(lái)源，導(dǎo)致礦化速率和累積礦化量的提高[23]，隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加，土壤有機(jī)碳礦化速率隨著土壤可利用簡(jiǎn)單有機(jī)物的消耗而降低，培養(yǎng)后期，土壤中剩下的都是難分解的復(fù)雜化合物，如木質(zhì)素、殘留根系和凋落物等，難以被微生物分解利用，所以礦化速率達(dá)到最低。

玉米/大豆間作在一定程度上可降低土壤有機(jī)碳礦化作用，增強(qiáng)土壤固碳能力[18]。本研究發(fā)現(xiàn)間作可以降低土壤有機(jī)碳的累積礦化量，0.5 NPM處理的間作可以顯著降低土壤有機(jī)碳累積礦化率。因?yàn)殚g作改變了土壤理化性質(zhì)、微生物群落和多樣性，進(jìn)而影響有機(jī)碳的穩(wěn)定性[24]。長(zhǎng)期施肥可有效促進(jìn)栗褐土有機(jī)碳的積累，降低土壤有機(jī)碳累積礦化率，提高土壤固碳能力[25]，施用的綠肥(與NPK或NPK農(nóng)家肥組合)可提高土壤有機(jī)碳周轉(zhuǎn)率[26]。玉米單作與大豆單作的M處理和0.5 NPM處理可以看出，有機(jī)肥有促進(jìn)土壤固碳培肥的能力，施肥會(huì)提高土壤有機(jī)碳的累積礦化量，有機(jī)肥能夠降低土壤有機(jī)碳累積礦化率。

3.3 土壤微生物量碳及微生物熵

本研究表明，間作或施用有機(jī)肥均能夠顯著增加SMBC含量。礦化前后不同種植方式、施肥及交互效應(yīng)的SMCB達(dá)到顯著水平。礦化后各種植方式的0.5 NPM處理顯示，無(wú)機(jī)有機(jī)肥配施能夠顯著提高SMBC含量。研究指出，NPKM處理有利于緩解MBC含量的下降，并有效地維持土壤微生物碳氮的生態(tài)化學(xué)計(jì)量平衡[27]。純施有機(jī)肥處理顯著提高了土壤微生物量碳含量，純化肥處理和有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施對(duì)微生物量碳的提高效果相當(dāng)[28]。與不施肥和無(wú)機(jī)肥處理相比，M和MPNK處理TOC、MBC顯著增加[29]。這是因?yàn)槭┯糜袡C(jī)肥以及有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施能夠豐富土壤中的土壤碳源以及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，提供了更加全面的養(yǎng)分供給微生物生長(zhǎng)利用。間作模式的微生物生物量碳顯著高于單作[30]，本研究礦化后NP處理和M處理顯示，間作和大豆單作處理，能顯著增加SMBC含量，間作和有機(jī)肥的施用能夠提高土壤中微生物的活性，提高土壤微生物量碳含量以及qMB數(shù)值。間作系統(tǒng)豐富了微生物群落，改善土壤環(huán)境，搭配有機(jī)肥可以刺激土壤微生物的快速生長(zhǎng)和大量繁殖。

3.4 SOC累積礦化量與SOC累積礦化率及SOC、SMBC、qMB變化值的相關(guān)性

土壤有機(jī)碳累積礦化量、有機(jī)碳累積礦化率、SOC變化值之間相互聯(lián)系非常密切，呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，但與SMBC變化值、qMB變化值無(wú)顯著相關(guān)。團(tuán)聚體有機(jī)碳累積礦化量與有機(jī)碳呈極顯著正相關(guān)，且與有機(jī)碳相關(guān)性最大[31]。可能是因?yàn)橥寥烙袡C(jī)碳累積礦化量的消耗基本來(lái)源于土壤有機(jī)碳，而土壤累積礦化率來(lái)源于累積礦化量，所以它們之間的相關(guān)性顯著。SMBC變化值和qMB變化值與SOC之間聯(lián)系聯(lián)系較小，長(zhǎng)期施肥下的SMBC、qMB均與SOC呈極顯著正相關(guān)[32]?？赡苁且?yàn)榉N植年限短的原因，也可能是影響SMBC變化的部分土壤有機(jī)碳占總有機(jī)碳的比例非常小，導(dǎo)致影響不明顯。

4 結(jié) 論

間作對(duì)土壤有機(jī)碳影響不明顯，但增加了微生物量碳含量，且施用有機(jī)肥顯著增加了土壤有機(jī)碳和微生物量碳含量。間作降低了土壤有機(jī)碳礦化速率、累積礦化量和累積礦化率，提高了土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性。施用化肥提高了土壤有機(jī)碳礦化速率和累積礦化量，降低了有機(jī)碳的穩(wěn)定性，但施用有機(jī)肥可降低土壤有機(jī)碳的累積礦化率，促進(jìn)土壤固碳培肥。間作或施用有機(jī)肥均顯著降低了土壤有機(jī)碳礦化率，增強(qiáng)土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性，所以在黃壤旱地采用“間作+有機(jī)肥”模式更有利于土壤的固碳和培肥。土壤有機(jī)碳累積礦化量、有機(jī)碳累積礦化率、SOC變化值之間呈極顯著正相關(guān)，SMBC變化值與qMB變化值呈極顯著正相關(guān)。