向 姣，王著峰，王玉剛，馮文婷1,

(1.中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所，荒漠與綠洲生態(tài)國家重點實驗室，烏魯木齊 830011；2.中國科學院阜康荒漠生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測站，新疆 阜康 831505；3.中國科學院大學，北京 100049；4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)

土壤碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫，土壤碳庫的微小變化直接影響陸地碳循環(huán)以及二氧化碳與氣候變化的反饋效應。在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫中，農(nóng)業(yè)土壤碳庫是受人為活動強烈干擾，又能在較短時間尺度發(fā)生變化的碳庫。土壤碳庫包括有機碳(SOC)庫和無機碳(SIC)庫，其中土壤有機碳與土壤多種功能相關(guān)，如土壤肥力和保水蓄水等。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的土壤有機碳提升不僅促進土壤的固碳減排和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，也調(diào)控土壤的其他功能。由于土壤有機碳組分多樣，周轉(zhuǎn)速率相差很大，從數(shù)天到數(shù)百年甚至上千年，且對土地利用方式變化的響應較為敏感，受到廣泛關(guān)注。土壤無機碳由于周轉(zhuǎn)時間較長(約1 000～10 000年)，短時期內(nèi)變化小，對土壤無機碳變化的關(guān)注較少。然而，干旱區(qū)鹽堿土的無機碳儲量占土壤碳庫比例大，約為30%～70%，且隨著土層深度增加而增加。由于干旱區(qū)面積較大，約占陸地面積的30%，干旱區(qū)土壤無機碳的變化可能引起土壤碳庫的較大波動，且不同剖面土壤有機碳和無機碳對農(nóng)田管理措施的響應也具有較大差異。因此，同時研究土壤有機碳和無機碳的剖面分布及其消長特征對理解干旱區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)土壤碳循環(huán)具有重要意義。

施肥是提升土壤有機碳常見的農(nóng)田管理措施，但是不同施肥措施及其與秸稈還田的配合施用對不同剖面土壤有機碳的影響并不一致。李晨華等研究發(fā)現(xiàn)，長期施肥模式下阜康綠洲農(nóng)田土壤耕層(0—20 cm)土壤有機碳含量增加14%～56%，深層(20—60 cm)土壤有機碳含量減少15%～33%，而單施化肥與化肥配施秸稈處理對深層(60—300 cm)土壤有機碳含量的影響也存在顯著差異。但是，徐虎等研究發(fā)現(xiàn)，長期秸稈還田顯著提高山西褐土0—20 cm土層有機碳含量，而剖面40—60 cm土壤有機碳含量顯著降低。施肥不僅改變土壤有機碳含量，還能影響土壤有機碳穩(wěn)定性。土壤有機碳穩(wěn)定性是評價土壤質(zhì)量的重要指標，與土壤有機碳的周轉(zhuǎn)變化緊密相關(guān)。土壤有機碳熱穩(wěn)定性是評價土壤有機碳穩(wěn)定性的指標之一，與土壤有機碳分解和礦化速率高度相關(guān)，直接影響有機碳的動態(tài)變化。土壤有機碳的熱穩(wěn)定性，即有機碳在受熱條件下抵抗外界分解的能力，受土壤有機碳化學組成、成土母質(zhì)、礦物組成、土壤結(jié)構(gòu)以及管理措施等影響。關(guān)于不同施肥管理措施下土壤有機質(zhì)熱穩(wěn)定性如何變化，目前尚不清楚。

通過全球整合分析，Zamanian等研究發(fā)現(xiàn)，長期施用氮肥導致農(nóng)田土壤CO排放量增加7.48×10g/a，主要因為土壤酸化可能導致無機碳的溶解。但是，也有研究認為，土壤無機碳含量可能并沒有減少，而是被灌溉水等淋洗到耕層以下。目前并不清楚不同施肥處理后農(nóng)田土壤無機碳的剖面分布特征，也不清楚土壤無機碳庫的變化如何影響土壤全碳。因此，需要比較不同施肥措施下干旱區(qū)土壤剖面無機碳的變化。

本研究選取新疆阜康地區(qū)長期施肥(31年)農(nóng)田鹽堿土剖面，分析不同施肥處理下土壤有機碳及無機碳含量及儲量的剖面分布特征，并且以農(nóng)田開墾前的原生荒漠作為參考，估算長期施肥后不同處理下鹽堿土有機碳和無機碳的變化，評估不同處理下土壤有機碳穩(wěn)定性的差異。研究結(jié)果對明確施肥和秸稈還田管理措施對干旱區(qū)農(nóng)田鹽堿土碳庫的影響具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究在中國科學院新疆阜康荒漠生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站內(nèi)(44°17′N，87°56′E)，該站坐落于新疆天山山脈東部博格達峰北麓，準噶爾盆地東南緣的荒漠—綠洲交錯帶。氣候區(qū)域?qū)儆诘湫偷臏貛Щ哪箨懶詺夂?，夏季高溫少雨，冬季嚴寒干燥。年均氣?.6～7.0 ℃，年均降水量88～246 mm，年均蒸發(fā)量高達1 780～2 460 mm，無霜期約170天。研究站內(nèi)的農(nóng)田土壤類型為灰漠土。耕層(0—20 cm)土壤的砂粒、粉粒和黏粒含量分別為22.7%，69.7%和7.6%；pH為8.8～9.1，全鹽含量為21.0～90.0 g/kg，土壤有機質(zhì)含量為0.6%～1.7%。由于鄰近古爾班通古特沙漠南緣，耕地土壤相對貧瘠，土壤肥力低下，作物生長發(fā)育受到極大限制。

1.2 試驗設計

以綠洲農(nóng)田廣泛采用的施肥處理措施為依據(jù)，于1990年開始土壤長期定位試驗。試驗包括6個施肥處理，分別為不施肥(CK)、單施化肥(化肥常規(guī)NPK和化肥高量N2P2K)、化肥配施秸稈(化肥配施秸稈常規(guī)NPKS和化肥配施秸稈高量NPKS2)和化肥配施豬糞(NPKM)。氮、磷、鉀肥分別選用尿素(CO(NH))、過磷酸鈣(Ca(HPO))和硫酸鉀(KSO)。氮肥每年分基肥和追肥2次施入，各占50%，而磷肥和鉀肥均作為基肥一次性施加?；逝涫┙斩捥幚硎窃谑┘訜o機肥的基礎(chǔ)上，將收獲的冬小麥秸稈于播種前定量還田。試驗采用裂區(qū)設計，每個處理重復3次，共18個小區(qū)，每個小區(qū)33 m。種植作物為冬小麥，每年9月種植，翌年7月收獲。除施肥外，其他的農(nóng)田管理措施與當?shù)毓芾泶胧┍３忠恢隆Ｃ總€施肥處理下的具體施用量見表1。

表1 長期不同施肥處理的施肥量 單位：kg/(hm2·a)

1.3 土壤樣品采集

2021年7月(冬小麥收割后)利用土鉆采集0—20，20—60 cm土壤樣品，帶回實驗室，去除植物根系、石子等雜物，置于陰涼處自然風干，研磨并過2 mm土壤篩，裝袋備用。

1.4 土壤樣品分析

1.4.1 土壤基本性質(zhì)分析 土壤pH和電導率通過電位法測定，土壤全氮通過元素分析儀(Vario MACRO CNS，德國Elementar公司)測定，土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量通過流動分析儀(Smart chen/SealAA3)測定。鑒于小區(qū)面積小，土樣采集破壞性較大，通過環(huán)刀法僅測定0—20 cm剖面的土壤容重。

1.4.2 土壤有機碳和無機碳分析 土壤全碳含量通過元素分析儀測定，土樣研磨過0.15 mm土壤篩后上機測定。土壤有機碳含量采用“酸洗法”測定，將土樣與1 mol/L的HCl溶液混合(土液比為1∶10)，搖勻后在振蕩器上振蕩30 min，然后靜置12 h以去除CaCO；以4 000 r/min離心機中離心4 min，去除上清液，繼續(xù)加入等體積的去離子水，并離心，重復3～4次，直到上清液pH在6～7為止，表明鹽酸已清洗干凈；酸洗后的土樣在60 ℃下烘干至恒重，研磨過0.15 mm土壤篩后，上機測定得到土壤有機碳含量；土壤無機碳含量通過“差減法”計算得到，即全碳與有機碳的含量差值。

1.4.3 土壤有機碳熱穩(wěn)定性測定 同步熱分析(thermal analysis)是一項可將熱重分析與差熱分析結(jié)合為一體，并可同時得到熱重信號和熱量信號的技術(shù)方法。相較于其他測定土壤碳穩(wěn)定性的方法(如重鉻酸鉀氧化法、培養(yǎng)試驗等)，同步熱分析方法測定時間短，而且由于同步熱分析測定不受測試條件、樣品制備和材料不均一性的影響，測試結(jié)果間的可比性強，常運用于定量評估土壤有機質(zhì)穩(wěn)定性。

使用熱學分析儀(STA 449 F3 Jupiter NETZSCH)在合成氣氛(80% N+20% O)下，以40 mL/min流量進行同步熱分析。將樣品裝入帶蓋的鉑銠坩堝中，并使用相同材料的空坩堝作為參考。將樣品從40 ℃以10 ℃/min加熱至105 ℃，在此溫度下保持15 min以去除土壤水分，然后以10 ℃/min的升溫速率加熱至900 ℃。加熱過程中釋放的氣體被傳輸至LI-850 CO/HO分析儀(LI-COR Biosciences，Lincoln NE)進行氣體分析。使用105～550 ℃作為土壤有機質(zhì)燃燒釋放CO的溫度范圍，因為當溫度高于550 ℃以上，土壤無機碳燃燒產(chǎn)生CO。選擇550 ℃作為有機碳和無機碳熱穩(wěn)定性之間的分界溫度是基于使用燒失量(loss on ignition，LOI)法測定有機碳的常規(guī)溫度。

1.5 數(shù)據(jù)處理

1.5.1 土壤碳儲量計算 基于“固定深度”計算土壤碳儲量的傳統(tǒng)方法，忽視了不同時間和空間尺度上土壤容重差異所引起的土壤重量變化，會導致在估算土壤碳儲量時產(chǎn)生偏差。由于研究樣點不同施肥處理下土壤容重不同(表1)，為了校正這一偏差，采用“等效重量”法(equivalent soil mass, ESM)將不同土層中單位面積的土壤重量標準化，減小估算土壤碳儲量的誤差，提高精確度。

本研究中，采用2種方法計算不同土層中土壤碳(有機碳和無機碳)儲量。計算步驟為：

(1)基于“固定深度”法計算土壤碳儲量：

=×××10

(1)

式中：分別為SOC和SIC的固定深度碳儲量(g/m)；分別為SOC和SIC含量(g/kg)；為土壤容重(g/cm)；為土層厚度(cm)。

(2)選取原生荒漠土壤(desert)作為參考土壤，計算多余土壤重量：

=-

(2)

式中：為多余土壤重量(g/m)；為單位面積土壤重量(g/m)；為原生荒漠土壤重量(g/m)。

(3)基于“等效重量”法計算土壤碳儲量：

=-××10

(3)

式中：分別為SOC和SIC的等效重量碳儲量(g/m)；分別為實測最深土層(20—60 cm)的SOC和SIC含量(g/kg)。

1.5.2 土壤碳儲量變化計算 土壤碳絕對變化速率和相對變化速率通過公式(4)和公式(5)計算獲得。

(4)

(5)

式中：為土壤碳儲量的絕對變化速率(g/(m·a))；為土壤碳儲量的相對變化速率(%/a)；+Δ為第+Δ年的土壤碳儲量(g/m)；為第年的碳儲量(g/m)。

通過公式(4)也計算了土壤碳儲量在剖面0—20，0—60 cm的累積變化速率。

1.6 統(tǒng)計分析

本研究的數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析均通過軟件R 4.1.1實現(xiàn)(R Core Team 2016)。通過“agricolae”包中的最小顯著差異法(LSD.test)，比較不同處理和剖面間的土壤碳含量及儲量差異。通過單一樣本檢驗比較土壤碳儲量變化速率與零的顯著性差異。采用Origin 2017軟件進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)

從表2可以看出，原生荒漠土壤容重為1.30 g/cm，化肥配施秸稈還田處理下的土壤容重為(1.29±0.08)g/cm，其他處理下的土壤容重為(1.49±0.03)g/cm。長期不同施肥處理下耕層土壤電導率降低17.00～75.13 μS/cm。長期不同施肥處理對耕層土壤pH影響不顯著(>0.05)。除NPK處理外，長期不同施肥處理下耕層土壤全氮含量增加0.09～0.25 g/kg(<0.05)。

表2 施肥31年后不同處理對阜康農(nóng)田土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)的影響

2.2 土壤碳含量及儲量變化

與CK相比，長期不同施肥處理顯著提高耕層土壤有機碳(SOC)含量(表3)，其中化肥配施秸稈(NPKS和NPKS2)處理SOC含量的增幅最大，而其他處理間無顯著差異(>0.05)，表明在施用等量化肥條件下，化肥配施秸稈更有利于提高SOC含量。不同施肥處理下SOC含量沿著剖面均下降，耕層(0—20 cm)SOC含量(3.50～8.05 g/kg)顯著大于深層(20—60 cm，2.36～2.56 g/kg)，且耕層SOC含量占全碳的比例顯著高于CK處理，表明長期施肥處理更有利于耕層SOC含量提升(圖1a)。

注：圖中不同小寫字母表示在不同土壤剖面間差異顯著(p<0.05)；不同大寫字母表示不同處理間差異顯著(p<0.05)。下同。

長期施肥后，不同處理SIC含量均呈下降趨勢(表3)。與CK相比，化肥配施秸稈處理耕層SIC含量顯著降低，而其他施肥處理對SIC含量的影響不顯著(>0.05)，SIC含量整體沿著剖面呈增加趨勢(<0.05)。

表3 施肥31年后不同處理對阜康農(nóng)田土壤碳含量的影響 單位：g/kg

長期施肥處理顯著增加耕層(0—20 cm)SOC儲量(圖2a)，其中化肥配施秸稈處理SOC儲量的提升幅度最大(<0.05)。不同施肥處理SOC儲量沿著剖面均呈遞減趨勢，耕層SOC儲量為958～2 079 g/m，深層(20—60 cm)SOC儲量僅為611～683 g/m。

與開墾前荒漠土壤相比，耕層SIC儲量顯著降低，而心土層SIC儲量無顯著變化(圖2b)。不同施肥處理中，耕作層SIC儲量整體表現(xiàn)為NPKM>N2P2K>NPK>NPKS>NPKS2?；逝涫┙斩捥幚鞸IC儲量沿著剖面呈增加趨勢(1 111～2 161 g/m)，而其他處理的SIC儲量在剖面間分布無顯著變化(>0.05)。

圖2 施肥31年后不同處理下阜康農(nóng)田土壤碳儲量的剖面分布

基于“固定深度”法和“等效重量”法計算的土壤不同剖面碳儲量見表4。在0—60 cm剖面，2種方法計算的碳儲量差異較大，為-20～430 g/m?！肮潭ㄉ疃取狈ü浪愕膯问┗屎突逝涫┴i糞處理土壤碳儲量均高于“等效重量”法，而“固定深度”法計算的化肥配施秸稈處理土壤碳儲量低于“等效重量”法的結(jié)果。表明常用的“固定深度”法低估化肥配施秸稈處理的土壤碳儲量，而高估其他處理的土壤碳儲量。

表4 基于不同計算方法對阜康農(nóng)田土壤碳儲量結(jié)果的差異

2.3 長期施肥處理后土壤碳儲量的變化特征

連續(xù)施肥31年后，不同處理SOC儲量的土壤剖面分布存在顯著差異(圖3a、圖3b)。NPK和NPKS處理耕層SOC儲量較原生荒漠分別增加15.49，28.50 g/(m·a)，年增幅分別為1.43%，2.63%，而其他處理對耕層SOC儲量的影響不顯著(>0.05)。長期施肥處理對深層SOC儲量影響不顯著(>0.05)。

長期施肥處理降低SIC儲量，且影響程度沿著剖面逐漸降低(圖3c、圖3d)。NPK和NPKS處理，耕層SIC儲量較原生荒漠分別降低11.79，30.70 g/(m·a)，年降幅分別為0.51%，1.33%。各施肥處理對深層SIC儲量無顯著影響(>0.05)。

注：*表示p<0.05；**表示p<0.01；***表示p<0.001。下同。

2.4 長期施肥處理后土壤碳儲量的累積變化

經(jīng)31年施肥處理，SOC儲量累積變化速率沿著剖面均逐漸增加(圖4a)。其中，NPK和NPKS處理0—20 cm剖面SOC儲量累積變化速率分別為15.49，28.50 g/(m·a)，0—60 cm分別為11.98，27.12 g/(m·a)；其他處理SOC儲量累積變化速率無顯著差異(>0.05)。

不同施肥處理下SIC累積變化速率沿著剖面均呈遞增趨勢(圖4b)。單施化肥處理下，0—20，0—60 cm土層SIC儲量累積變化速率平均為-15.04，-32.41 g/(m·a)?；逝涫┙斩捥幚鞸IC儲量累積變化速率最大，且隨著秸稈還田量的增加，SIC儲量累積變化速率增加。

圖4 施肥31年后不同處理下阜康農(nóng)田土壤碳儲量的累積變化速率

2.5 長期施肥處理對土壤有機碳熱穩(wěn)定性的影響

從圖5可以看出，TG—T50(熱燃燒過程中樣品累積質(zhì)量損失率達50%時所對應的溫度)常被用來表征有機碳熱穩(wěn)定性，該數(shù)值越大，表明土壤有機碳熱穩(wěn)定性越高。對比CK和NPKM處理，土壤有機碳的TG—T50分別為427.61，399.34 ℃，表明NPKM處理后有機碳熱穩(wěn)定性降低(圖5a)。與CK相比，長期不同施肥處理均顯著降低有機碳熱穩(wěn)定性，表現(xiàn)為不施肥(CK)>單施化肥(NPK,N2P2K)>化肥配施豬糞(NPKM)>化肥配施秸稈(NPKS,NPKS2)(圖5b，<0.05)，其中CK、NPK、N2P2K、NPKS、NPKS2和NPKM處理的TG-T分別為427.61，410.22，405.60，398.96，394.35，399.34 ℃。

注：圖中不同大寫字母表示不同施肥處理間差異顯著(p<0.05)。

3 討 論

3.1 土壤剖面有機碳分布變化及其原因

施肥和秸稈還田作為主要的農(nóng)業(yè)管理措施，在不同程度上影響土壤有機碳的剖面分布特征。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，長期施肥處理提高土壤有機碳含量，且主要集中在耕層(0—20 cm)土壤(表3)。與單施化肥相比，化肥配施秸稈處理更有利于提高耕層有機碳含量(表3)。李晨華等研究發(fā)現(xiàn)，施肥能顯著提高綠洲農(nóng)田土壤耕層有機碳含量，而對耕層以下有機碳含量的影響較小。在長期施肥對稻田土壤有機碳的研究中，陳春蘭等也發(fā)現(xiàn)，秸稈還田對耕層土壤有機碳的累積作用優(yōu)于單施化肥處理。這可能是由于長期施肥提高了土地生產(chǎn)力和作物產(chǎn)量，促使大量的作物殘體和生物量向地下部輸入，從而導致比無施肥處理具有更高的有機碳含量，尤其對耕層土壤有機碳的提升作用。植物生物量對剖面有機碳具有極強的調(diào)控作用，但隨著土層深度的增加而減少。同時，在化肥配施秸稈處理中，與NPKS相比，NPKS2處理由于增施的秸稈還田量也導致更多的作物殘茬，其耕層有機碳含量也更高(表3)。

荒漠鹽堿土的開墾改變土壤容重，長期施肥處理也提升土壤有機碳儲量，尤其是耕層土壤。不同施肥處理后，0—20 cm土層有機碳儲量是20—60 cm土層有機碳儲量的2.40倍。這可能是因為施肥處理促進作物生長，導致更多的植物源有機碳輸入。大量研究表明，植物源有機碳輸入量與土壤有機碳儲量呈顯著正相關(guān)。Li等在該研究地點的長期研究結(jié)果顯示，農(nóng)田土壤生態(tài)系統(tǒng)中的植物源有機碳輸入量(558～668 g/(m·a))遠高于開墾前荒漠草地；Chapin等研究發(fā)現(xiàn)，荒漠生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力僅為100 g/(m·a)。本研究結(jié)果也顯示，在等量施加化肥后，增加秸稈還田量更有利于耕層有機碳儲量的提升(圖2和圖3)。長期施肥對紅壤稻田耕層土壤碳累積影響的研究顯示，相較于單施化肥，化肥配施秸稈處理對土壤有機碳儲量的增幅更大。此外，本研究的結(jié)論與榮井榮等研究結(jié)果均表明，相較有機無機肥配施處理，化肥配施秸稈處理對有機碳的提升效果更好?？赡芤驗橄噍^于還田的秸稈及作物殘茬(表1)，有機糞肥的含氮量高，C/N更低，施入土壤的糞肥更快地被微生物分解轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生能被作物吸收利用、供其生長所需無機態(tài)氮，導致其殘存在土壤中的碳氮比例較低。因此，增加進入土壤的秸稈輸入量是提高新疆干旱區(qū)農(nóng)田鹽堿土有機碳儲量的有效途徑。

此外，在估算不同農(nóng)田管理措施下土壤碳儲量的剖面分布特征和變化速率時，應該采用合適的方法計算土壤碳儲量。過去常采用“固定深度”法計算土壤碳儲量，而Ellert等提出當土壤容重發(fā)生明顯變化時，應該采用“等效重量”法。本研究采用“固定深度”和“等效重量”2種方法估算土壤碳儲量，并對比不同處理下2種計算方法的差異，結(jié)果顯示，“固定深度”法低估化肥配施秸稈處理土壤碳儲量，而高估其他處理的土壤碳儲量(表4)，表明基于傳統(tǒng)的“固定深度”計算方法可能無法準確評估土壤的固碳速率，甚至得到相反的結(jié)論。高齊齊等研究發(fā)現(xiàn)，“固定深度”法高估保護性耕作處理后土壤有機碳儲量。此外，Du等通過數(shù)據(jù)整合分析發(fā)現(xiàn)，基于“固定深度”計算的免耕土壤固碳速率(300 g/(m·a))也顯著高于“等效重量”計算的結(jié)果(141 g/(m·a))。因此，當依據(jù)土壤碳含量精準估算土壤碳儲量時，應該首先關(guān)注不同處理下土壤容重的變化，基于土壤容重變化程度來選擇合適的計算方法。

3.2 土壤剖面無機碳分布變化及其原因

本研究選取的長期施肥試驗小區(qū)位于我國西北干旱區(qū)，土壤是典型的灰漠鹽堿土，無機碳是土壤碳庫的主要組成部分。本研究發(fā)現(xiàn)，長期施肥處理降低土壤無機碳含量，尤其是耕層無機碳含量的降幅最大(表2)。一方面，可能是因為農(nóng)田灌溉具有一定的淋溶作用，使得耕層溶解的碳酸鹽被淋洗到深層土壤；另一方面，長期施肥后土壤無機碳含量的降低可能與長期施肥引起的土壤酸化有關(guān)。土壤pH下降促使土壤碳酸鹽溶解，進而導致無機碳含量降低。但是，不同施肥處理措施對土壤無機碳含量的降低程度存在較大差異。與單施化肥相比，化肥配施秸稈還田處理對無機碳含量的降幅更大(表2、圖2)。這可能是由于化肥配施秸稈還田處理對土壤物理結(jié)構(gòu)的影響作用遠高于其他施肥處理?；逝涫┙斩掃€田處理降低更多的土壤容重，增加更大的土壤孔隙度，使得農(nóng)業(yè)灌溉時對無機碳的淋洗作用更強，進而導致耕層土壤無機碳含量下降幅度更大。

土壤無機碳的微小變化可能對干旱區(qū)土壤碳庫變化方向產(chǎn)生決定性影響。本研究結(jié)果顯示，長期不同施肥處理增加土壤有機碳儲量，降低無機碳儲量，最終導致全碳儲量降低。此外，阜康長期農(nóng)田定位試驗小區(qū)中，0—60 cm剖面土壤無機碳儲量是有機碳儲量的2.58倍(圖1b)，低于干旱區(qū)土壤無機碳儲量與有機碳儲量的平均比值(5.85)。已有研究表明，干旱區(qū)無機碳(以碳酸鹽形式)累計速率高于有機碳。本研究結(jié)果也證實此結(jié)論(圖4)。因此，準確評估干旱區(qū)不同管理措施下的土壤碳儲量變化特征時，需統(tǒng)籌考慮土壤無機碳庫和有機碳庫。

3.3 土壤有機碳熱穩(wěn)定性變化

長期施肥處理降低土壤有機碳熱穩(wěn)定性，其中化肥配施秸稈還田處理的土壤有機碳穩(wěn)定性降低程度最大(圖5)。趙龍華等也觀測到，連續(xù)24年無施肥和單施化肥處理下土壤有機碳熱穩(wěn)定性最大，而化肥配施秸稈處理的碳穩(wěn)定性最小?？赡苡捎诮斩捄陀袡C肥中含有豐富的、熱穩(wěn)定性較低的新鮮有機質(zhì)，這些有機質(zhì)化學結(jié)構(gòu)簡單，腐殖化程度也較低；而無施肥和單施化肥的處理由于缺乏新鮮有機質(zhì)輸入，土壤中“老”有機質(zhì)腐殖化程度較高，導致對應的有機碳熱穩(wěn)定性也較高。此外，秸稈還田處理的有機碳熱穩(wěn)定性較低，可能是因為外源有機碳屬于不穩(wěn)定組分，尚未與土壤礦物結(jié)合或未與土壤顆粒形成團聚體穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，而礦物結(jié)合態(tài)或團聚體保護態(tài)有機碳熱穩(wěn)定性比游離態(tài)有機碳的熱穩(wěn)定性更高。土壤有機碳熱穩(wěn)定性的降低，可能有利于土壤微生物分解有機質(zhì)，從而促進養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，提高作物產(chǎn)量。但是較低的土壤有機碳熱穩(wěn)定性可能不利于土壤發(fā)揮固碳減排功能，在短時間內(nèi)會增加土壤CO釋放量。

土壤有機碳熱穩(wěn)定性與其生物化學穩(wěn)定性具有一致性。有研究證實，從最北的阿拉斯加到南方波多黎各的北美28個地點土壤有機碳TG-T與土壤呼吸速率呈顯著正相關(guān)；陳濤等分析了不同施肥處理對耕層土壤基礎(chǔ)呼吸速率的影響發(fā)現(xiàn)，有機肥和秸稈還田處理的土壤呼吸速率顯著高于無施肥處理，表明有機肥和秸稈還田使土壤有機質(zhì)的穩(wěn)定性降低。上述研究整體上與本研究中不同施肥處理間有機碳熱穩(wěn)定性的變化趨勢具有一致性，說明施肥處理會降低土壤有機碳的生物化學和熱學穩(wěn)定性，而且二者變化可能存在正相關(guān)性。此外，土壤有機碳的生物化學穩(wěn)定性指標(土壤呼吸速率等)測定費時費力，與之相比同步熱分析方法測定過程簡單、省時省力且提供的信息量大，后者在一定程度上可以代替評估土壤有機碳穩(wěn)定性的化學和生物方法。

4 結(jié) 論

(1)31年長期試驗后，干旱區(qū)農(nóng)田鹽堿土有機碳含量及儲量均隨土壤剖面呈下降趨勢，耕層(0—20 cm)土壤有機碳對施肥處理的響應最大。化肥配施秸稈還田處理對土壤有機碳的提升作用優(yōu)于其他施肥處理。

(2)土壤無機碳含量及儲量沿著土壤剖面呈增加趨勢。耕層土壤無機碳儲量對長期施肥處理的響應最敏感，其中化肥配施秸稈處理對土壤無機碳的影響高于其他處理。

(3)長期施肥促進土壤有機碳累積，但由于降低土壤無機碳儲量，導致土壤全碳儲量下降。鑒于土壤有機碳和無機碳的剖面變化趨勢不同，因此在定量評估干旱區(qū)土壤碳儲量及其變化時，應該同時考慮土壤無機碳庫和有機碳庫的剖面分布及變化。

(4)長期施肥處理降低土壤有機碳熱穩(wěn)定性，可能會有利于土壤微生物分解有機質(zhì)。