王興凱，徐明崗，王小利，周懷平

(1.貴州大學 農(nóng)學院，貴州 貴陽 550025； 2.中國農(nóng)業(yè)科學院 農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；3.山西省農(nóng)業(yè)科學院 農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，山西 太原 030031)

土壤碳庫是陸地表層生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫，分別是大氣碳庫、全球生物體碳庫的3.3、4.5倍[1]。全球農(nóng)業(yè)土壤面積約4.96×109hm2，碳儲量約142 Pg，占陸地土壤碳儲量的8%～10%[2]。2007年，聯(lián)合國政府氣候變化專門委員會(IPCC)報告中提出，全球農(nóng)業(yè)溫室氣體減排的自然總潛力每年高達2 300～6 400 Mt(CO2當量)，其中，90%以上來自土壤固碳作用[3]。因此，農(nóng)田土壤有機碳的礦化規(guī)律是全球氣候變化的研究熱點之一。

土壤有機碳的礦化是陸地生態(tài)系統(tǒng)中重要的生物化學過程，直接影響到土壤養(yǎng)分的釋放與維持、土壤質(zhì)量的保持。土壤有機碳的礦化受溫度[4-5]、水分[6]、質(zhì)地[7]等多種因素的綜合影響。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)受人類農(nóng)業(yè)綜合管理活動的影響，施肥作為培育土壤肥力的主要手段，直接影響土壤有機質(zhì)的組成和性質(zhì)，由此影響著土壤有機碳的礦化。陳濤等[8]通過對湖南省稻田土壤研究發(fā)現(xiàn)，3個監(jiān)測點中化肥配施有機肥顯著增加了CO2的累積排放量，不同施肥處理土壤有機碳礦化量與總有機碳含量之間達到極顯著相關水平。LI等[9]發(fā)現(xiàn)，土壤有機碳含量和土壤有機物的輸入會影響有機碳的礦化強度。李夢雅等[10]發(fā)現(xiàn)，長期不同方式施肥影響紅壤有機碳礦化的CO2釋放量，且各處理間差異顯著。郭振等[11]認為，黃壤性水稻田長期施用有機肥能夠提高土壤有機碳的礦化速率，促進土壤有機碳積累的同時降低其累積礦化率。MO等[12]研究表明，熱帶森林土壤施氮肥后，年平均呼吸速率顯著低于不施肥處理。國內(nèi)外學者在施肥對土壤有機碳礦化的影響方面開展了大量研究，但受氣候、耕作和土壤母質(zhì)等諸多因素的影響，相同施肥措施在不同區(qū)域、不同土壤類型上，對土壤有機碳礦化影響方面存在差異[13-14]。本研究依托山西省壽陽縣26 a長期定位施肥試驗，分析長期施肥對褐土有機碳礦化的影響，為褐土有機碳庫的管理提供科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于山西省壽陽縣宗艾鎮(zhèn)旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)試驗示范基地內(nèi)(113°06′E、37°58′N)，地處暖溫帶半濕潤偏旱區(qū)，年均氣溫7.4 ℃，≥10 ℃積溫3 400 ℃·d，年降水量501.1 mm，年蒸發(fā)量1 600～1 800 mm，無霜期約130 d，年日照時數(shù)2 858.3 h。試驗地為褐土，成土母質(zhì)為馬蘭黃土，黃土旱塬地。試驗從1992年4月開始，初始耕層(0～20 cm)土壤有機質(zhì)含量23.8 g/kg、全氮含量1.05 g/kg、全磷含量(P2O5)0.755 g/kg、堿解氮含量106.4 mg/kg、速效磷含量4.84 mg/kg、速效鉀含量100 mg/kg、pH值8.3。玉米一年一熟制。

1.2 試驗設計

長期定位施肥試驗設置不同用量氮肥、磷肥與有機肥配施以及單施高量有機肥，以不施肥對照(CK)，共18個處理。小區(qū)面積66.7 m2，隨機排列，無重復。選取6個具有代表性的施肥處理：N3P3(單施化肥)、N3P4M1(施用化肥及低量有機肥)、N3P1M2(施用化肥及低量有機肥)、N3P2M3(施用化肥及低量有機肥)、M6(單施有機肥),以不施肥為對照(CK)。各處理的施肥量見表1。氮肥為尿素(含N 46%)，磷肥為過磷酸鈣(含P2O514%)，有機肥為風干牛糞，其有機質(zhì)含量90.5 g/kg，全氮含量3.93 g/kg，全磷(P2O5)含量1.37 g/kg，全鉀(K2O)含量14.1 g/kg。室內(nèi)模擬培養(yǎng)試驗為氮肥、磷肥、有機肥三因素四水平正交設計。

表1 不同處理的施肥量

1.3 土壤樣品采集

于2017年11月上旬，玉米收獲后采集土壤樣品，在各小區(qū)按“S”型采集耕層(0～20 cm)土壤，共15個點，混合均勻后分成3個重復，采集6個處理，共18個土壤樣品。將土壤樣品除去動植物殘體，室溫下風干，一部分過2 mm孔徑篩用于礦化培養(yǎng)，一部分過0.149 mm孔徑篩用于測定土壤有機碳含量。

1.4 測定方法

土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定[15]。

土壤有機碳的礦化量采用堿液吸收法測定[16-18]：稱取風干土壤樣品(過2 mm孔徑篩)30.0 g于50 mL燒杯中，用蒸餾水調(diào)節(jié)至田間持水量的60%左右，置于1 L培養(yǎng)瓶中，在25 ℃培養(yǎng)箱中預培養(yǎng)7 d，然后將盛有20 mL 0.1 mol/L NaOH溶液的50 mL燒杯置于培養(yǎng)瓶中，加蓋密封，在25 ℃恒溫箱中進行暗培養(yǎng)。共6個處理，重復3次，同時設3個對照，共21個培養(yǎng)瓶。分別在培養(yǎng)的第1、2、4、6、8、10、12、16、20、24、28、32天更換燒杯并用稱質(zhì)量法加水至恒質(zhì)量，取出燒杯后用鹽酸滴定法計算NaOH溶液中吸收的CO2量。

土壤有機碳礦化量(以CO2計)=CHCl×(V0-V1)×22/0.03，CHCl為鹽酸濃度(mol/L)；V0為空白滴定的體積(mL)，V1為消耗鹽酸的體積(mL)。

土壤有機碳累積礦化量(Ct)為培養(yǎng)t(d)時間內(nèi)的累積礦化量(mg/kg)。采用一級動力學方程[Ct=C0(1-e-kt)]進行擬合。C0為土壤潛在可礦化有機碳量(mg/kg)，t為培養(yǎng)時間(d)，k為土壤有機碳庫的周轉速率常數(shù)(d-1),T1/2為土壤有機碳庫半周轉期(d)，T1/2=ln2/k。

土壤有機碳礦化速率為培養(yǎng)時間內(nèi)有機碳的日礦化量。

土壤有機碳累積礦化率=培養(yǎng)結束后土壤有機碳累積礦化量占土壤有機碳含量的比率。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用SPASS 20.0進行方差分析和Duncan’s多重比較，Excel 2017作圖，Origin 9.0進行一級動力學方程的擬合。

2 結果與分析

2.1 長期施肥對土壤有機碳含量的影響

各處理之間土壤有機碳含量見圖1，與CK相比，M6處理土壤有機碳含量較CK提高了156.75%，N3P4M1、N3P1M2、N3P2M3處理較CK分別提高了46.03%、75.89%、103.57%，均與CK差異顯著。N3P3處理土壤有機碳含量較CK僅提高了6.28%，差異未達到顯著水平。

不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同

2.2 長期施肥對土壤有機碳礦化速率的影響

由圖2可知，土壤有機碳礦化速率隨著培養(yǎng)時間的延長，呈先上升后下降的趨勢。各處理土壤有機碳礦化速率隨培養(yǎng)時間的變化符合對數(shù)函數(shù)關系y=a-b ln(x)，相關性均達到極顯著水平(表2)。根據(jù)土壤有機碳礦化速率的變化情況，大致可以分為3個階段：培養(yǎng)前期(第1～2天)，土壤有機碳礦化速率迅速提高，并在第2天達到峰值；培養(yǎng)中期(第2～4天)，土壤有機碳礦化速率迅速下降，變化幅度較大，各處理第4天的土壤有機碳礦化速率為第2天的45.2%～91.5%；培養(yǎng)末期(第4～32天)，土壤有機碳礦化速率緩慢下降，且隨著培養(yǎng)時間的延長，不同施肥處理土壤有機碳礦化速率基本一致。

不同處理土壤有機碳礦化速率差異主要表現(xiàn)在前4 d，以M6處理土壤有機碳礦化速率較高，介于88.8～184.1 mg/(kg·d)，N3P4M1、N3P1M2、N3P2M3處理土壤有機碳礦化速率分別介于53.0～117.4、81.0～124.2、76.1～130.4 mg/(kg·d)，均明顯高于CK和N3P3處理。

圖2 不同處理土壤有機碳礦化速率Fig.2 Soil organic carbon mineralization rate of different treatments

TreatmentRegression equationR2CKy=59.444-10.35ln(x)0.727 5??N3P3y=74.522-14.88ln(x)0.628 2??N3P4M1y=104.96-24.06ln(x)0.665 6??N3P1M2y=128.85-28.37ln(x)0.887 4??N3P2M3y=127.58-26.34ln(x)0.886 2??M6y=156.95-34.96ln(x)0.801 7??

注：y為土壤有機碳礦化速率，x為培養(yǎng)時間，**表示相關性達到極顯著水平(P<0.01)。

Note：yis soil organic carbon mineralization rate,xis incubation time,**indicate the correlation is extremely significant (P<0.01).

2.3 長期施肥對土壤有機碳累積礦化量的影響

由圖3可知，不同處理土壤有機碳累積礦化量均隨培養(yǎng)時間的延長呈上升的趨勢。培養(yǎng)結束(第32天)時，各處理土壤有機碳累積礦化量介于1 021.12～2 066.86 mg/kg，與CK相比，N3P3、N3P4M1、N3P1M2、N3P2M3、M6處理土壤有機碳累積礦化量分別提高了6.06%、27.17%、65.32%、82.29%、102.41%。

土壤有機碳累積礦化率的大小可以反映土壤固碳能力的強弱，土壤有機碳累積礦化率越低,土壤的固碳能力越強。如圖4所示，培養(yǎng)32 d后，與CK相比，各處理土壤有機碳累積礦化率均有所降低，以M6處理降低幅度最大，與CK相比降低了2.35%。其后依次是N3P4M1、N3P2M3、N3P1M2處理，與CK相比分別降低了1.44%、1.16%、0.67%。N3P3處理土壤有機碳累積礦化率降低幅度最小，與CK相比降低了0.26%。

圖3 不同處理土壤有機碳累積礦化量Fig.3 Cumulative mineralization of soil organic carbon of different treatments

圖4 不同處理土壤有機碳累積礦化率Fig.4 Cumulative mineralization rate of soil organic carbon of different treatments

2.4 不同施肥處理土壤有機碳礦化參數(shù)

對培養(yǎng)期間土壤有機碳累積礦化量的動態(tài)變化進行一級動力學方程[Ct=C0(1-e-kt)]擬合[19]，各處理擬合決定系數(shù)R2均大于0.990 0，表明該一級動力學方程可以較好地描述不同處理土壤有機碳累積礦化量的變化動態(tài)。結果表明(表3)，各施肥處理C0值均高于CK，其中，N3P1M2、N3P2M3、M6處理C0值較CK依次提高了75.40%、82.54%、108.73%，與其他處理差異顯著；N3P4M1處理C0值較CK提高了4.76%，說明長期施用有機肥有利于C0值的增加。各處理k值大小順序為N3P4M1>N3P3>N3P1M2>N3P2M3>M6>CK，T1/2大小順序則與之相反，表明長期不同施肥處理均可有效提高土壤有機碳庫周轉速率，縮短周轉時間。

表3 不同處理土壤有機碳礦化參數(shù)

注：同列數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，**表示相關性達到極顯著水平(P<0.01)。

Note： The different letters following the same column indicate significant differences between treatments(P<0.05),**indicate the correlation is extremely significant(P<0.01).

3 結論與討論

3.1 土壤有機碳含量

施用化肥對不同類型土壤有機碳含量的影響存在差異[20]。本研究表明，長期施用化肥對褐土有機碳含量無顯著影響，與李渝等[21]和吳萌等[22]的研究結果不同，但與郭振等[11]和王朔林等[23]的研究結果一致。其主要原因在于，化肥可以促進作物生長，增加作物根茬及根系分泌物歸還量，進而提高土壤有機碳含量，當這些外源有機物質(zhì)不足以彌補土壤有機碳礦化消耗時，土壤有機碳含量就會降低[24]。本研究中，N3P4M1、N3P1M2、N3P2M3、M6處理均能提高土壤有機碳含量，其中，以M6處理提高最為顯著，其次為N3P2M3處理，這是因為有機肥與化肥配施，一方面增加了作物產(chǎn)量，使作物殘留物量增加，另一方面有機肥直接向土壤提供了有機碳源[25]。

3.2 土壤有機碳礦化速率和累積礦化量

土壤有機碳礦化所釋放的CO2是通過土壤微生物分解而產(chǎn)生的，是土壤生物學活性的綜合體現(xiàn)[24]。施肥通過改變土壤微生物的活性影響土壤有機碳的礦化[26]。本研究在培養(yǎng)的第2天，不同處理的土壤有機碳礦化速率均達到峰值，這是因為，礦化初期土壤中存在易分解的糖類、蛋白質(zhì)等有機物質(zhì)，為微生物提供了豐富的養(yǎng)分，提高了微生物活性[27]。隨著培養(yǎng)時間的延長，土壤有機碳礦化速率隨著有機物的減少而逐漸變慢，各處理土壤有機碳礦化速率與培養(yǎng)時間呈對數(shù)函數(shù)關系，與陳濤等[8]研究一致。

郭振等[11]研究表明，在黃壤性水稻田中施用化肥，土壤有機碳累積礦化量和日均礦化速率均低于不施肥處理。李英臣等[28]研究指出，隨著培養(yǎng)時間的延長，濕地草甸沼澤土有效碳源成為微生物活動的限制因素，土壤微生物活性降低，從而土壤有機碳累積礦化量降低。相反，李夢雅等[10]和王朔林等[23]研究表明，長期施用化肥可增加土壤有機碳累積礦化量。本研究中，長期施肥處理的土壤有機碳累積礦化量均高于CK，原因在于，長期施用化肥提高了土壤養(yǎng)分，提高了作物產(chǎn)量，增加了土壤生物歸還量[29]。

本研究中，與CK相比，施肥處理雖然提高了土壤有機碳累積礦化量，但并沒有提高土壤有機碳累積礦化率。其中，M6處理的土壤有機碳累積礦化量最高，而土壤有機碳累積礦化率最低。表明長期施肥在提高土壤有機碳累積礦化量的同時不會提高土壤有機碳的累積礦化率，有利于土壤有機碳的固持，尤其是化肥配施有機肥和單施有機肥處理，這可能是因為有機肥的膠結作用促進土壤團聚體的形成，避免土壤有機碳與微生物的接觸和降解[30]。

3.3 土壤有機碳礦化參數(shù)

本研究中，M6處理的C0值最高，其次是N3P2M3處理，與李夢雅等[10]和郭振等[11]的研究結果一致，其原因是施用有機肥直接為微生物提供有效碳源，提高了微生物的活性并促進了微生物的生長繁殖，因此提高了C0值。

李夢雅等[10]的研究表明，化肥配施秸稈的k值顯著低于單施化肥，延長了有機碳庫的T1/2，這可能與單施化肥處理生物活性有機碳主要來自植物殘茬，易于分解有關。陳吉等[31]研究發(fā)現(xiàn)，長期施肥處理對k值的影響并不顯著，與郭振等[11]的研究結果一致。本研究中，CK的k值明顯低于施肥處理，這是因為k值受土壤類型、養(yǎng)分含量、顆粒組成及pH值等多種因素的綜合影響，與土壤母質(zhì)也有很大關系[32]，與王朔林等[23]的研究結果一致。

長期施用化肥、化肥配施有機肥和單施有機肥均能提高土壤有機碳含量、有機碳礦化速率、累積礦化量、C0值，其中以單施有機肥效果最為顯著。此外，長期施肥與不施肥相比，土壤有機碳累積礦化率降低，有機碳損失率降低，有利于土壤有機碳的固持，其中以單施有機肥效果最佳，可作為褐土培肥管理的最佳選擇。