2023, Vol. 55
2. 中国科学院水利部水土保持研究所, 陕西杨凌 712100;
3. 太原师范学院地理科学学院, 山西晋中 030619
土壤有机碳(SOC)作为反映土壤质量的一个重要指标，对于提高土壤肥力具有重要意义[1]。其可以改善土壤结构，保持土壤水分，改变微量元素的吸附特性，对土壤渗透性、腐蚀性、亲水性和养分循环等特性具有较强影响[2]。同时，其具有胶体特性，能吸附较多阳离子，使土壤具有保肥性和缓冲性[3–5]，进而改善土壤物理化学性质，形成良好土壤结构[4]。另外，其还可以改善土壤通气性，对土壤物理、化学和生物化学过程起着重要调控作用，其微小变化将对大气中的CO2浓度产生重要影响[6]。土壤活性有机碳主要可分为可溶性有机碳(DOC)、易氧化有机碳(ROC)和微生物生物量碳(MBC)等3类，虽然其在SOC总量中占比较小，稳定性较差[7]，易在短时间内降解[8]，但具有循环速率快、有效性较高等特点[9]。在农田生态系统中，土壤碳库管理指数(CPMI)是土壤质量评估与土地管理的关键性指数，其充分考虑了土壤碳库数量与土壤碳库活度之间的关系，比活性有机碳能更为敏感地指示土壤碳库对不同管理措施的响应，可准确评价土壤质量水平[10]。
施肥作为改善土壤质量的关键生产措施，影响SOC和营养物质输移，以及土壤固碳效果[11]，研究SOC及其活性组分在施肥环境下的动态机制对土壤碳库正向培育具有重要意义。Moharana等[12]研究发现，施用有机肥比化肥显著提高了土壤中活性有机碳含量。梁贻仓[7]基于长期施肥对耕作土壤DOC及其活性组分进行研究，发现施肥会显著影响SOC及其活性组分含量。郭亚军等[13]基于长期施肥，采用施用有机肥或有机无机肥配施的试验方法，发现施用有机肥处理下SOC及其活性组分含量有明显增加。陈鸽等[14]研究发现，施肥处理下SOC、ROC、DOC和MBC含量显著高于对照土壤。
目前，国内外对SOC组分及CMPI的研究较为广泛，并取得了一定的研究成果。这些研究主要集中于山地、森林、草原和草甸等生态系统，而对农田生态系统的研究较少，且已有研究多集中于东北、华北、长江中下游等地区[8]，而关于黄土丘陵区农田生态系统的研究尚有欠缺。鉴于此，本研究基于中科院安塞水土保持试验站长期定位试验，分析了不同施肥处理对SOC固存效应、活性组分含量以及CMPI的影响，以期为提升黄土丘陵区农田土壤碳“汇”能力提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 试验地概况试验在安塞区中科院水土保持试验站进行，其位于黄土高原丘陵沟壑区(109°18'57.99"E，36°51'24.23"N)，是国家野外站在该类型区唯一的农业生态系统试验站。安塞区海拔高度为1 012 ~ 1 731 m，主要山岳有高峁山、雅行山、白猪山、天泽山等。受温带大陆性半干旱季风气候影响，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，年均气温为8.8 ℃，年均降水量为505.3 mm，年均日照时数为2 395.6 h，全年无霜期约为157 d。植被多以矮小灌木丛为主，垂直多孔节理的黄土地貌广布，易受夏季强降雨侵蚀，水土流失问题严重。
安塞区农业种植类型以传统旱作农业为主，全年依靠降水维生，无灌溉条件。试验区主要土壤类型为黄绵土，0 ~ 20 cm土壤理化性质为pH 8.46，有机碳8.05 g/kg，全氮0.38 g/kg，全磷0.59 g/kg，全钾15.8 g/kg，有效磷9.72 mg/kg，速效钾81.1 mg/kg。
1.2 试验设计试验小区为长方形(8.57 m×3.5 m)，共设置5种施肥处理：不施肥(CK)、氮磷肥配施(NP)、氮磷钾肥配施(NPK)、单施有机肥(M)、有机肥配施氮磷肥(MNP)。每种施肥处理重复4次，采用随机区组排列。长期定位试验始于1999年，作物种植方式采用谷子–大豆–谷子–糜子轮作类型，其中2018年种植作物为大豆，2019年种植作物为谷子，试验各小区施肥长期保持不变。作物种植前将有机肥、钾肥和磷肥作为基肥一次性施入，氮肥在种植前只施入20%，剩余80% 的氮肥在作物开花期追施。有机肥为羊粪，主要养分含量为有机碳24.36 g/kg，全氮11.24 g/kg，全磷17.43 g/kg，施用量为7 500 kg/hm2；氮肥为尿素(含N 460 g/kg)，施用量为212 kg/hm2；磷肥为磷酸钙(含P2O5 440 g/kg)，施用量为170 kg/hm2；钾肥为硫酸钾(含K2O 500 g/kg)，施用量为120 kg/hm2。
1.3 土样采集与处理土壤样品采集以试验小区为单位，于2019年谷子收获后5 d按“S”形选取5个采样点，采集0 ~ 20 cm和20 ~ 40 cm土层土样，四分法留取500 g左右。土样装袋贮存并带回实验室，一部分土壤样品在–4 ℃保存，用于测定土壤MBC和DOC；另一部分土壤样品在自然条件下风干、研磨和过筛，用于其他指标测定。
采用土水质量比1∶2.5浸提，pH计测定土壤pH；利用K2Cr2O7容量法测定SOC含量[15]；利用KMnO4氧化比色法测定ROC含量[16]；采用氯仿熏蒸–浸提法测定MBC含量[17]；采用1 mol/L KCl浸提–重铬酸钾容量法测定DOC含量[18]。
1.4 数据处理与统计分析将CK处理土壤碳库活度和有机碳含量作为参考，计算不同施肥处理的碳库管理指数。具体计算方法[1]为：碳库指数(CPI)=各施肥处理SOC含量/CK处理SOC含量；碳库活度(A)=ROC含量/(SOC含量–ROC含量)；碳库活度指数(AI)=各施肥处理碳库活度/CK处理碳库活度；碳库管理指数(CPMI)=碳库指数×碳库活度指数×100%。
应用Excel 2019进行数据整理和图表制作；采用SPSS17.0进行不同施肥处理的单因素方差分析(one-way，ANOVA)，用Duncan检验法进行多重比较，采用Pearson相关系数法对SOC及其活性组分之间进行相关性分析。
2 结果与分析 2.1 不同施肥处理土壤有机碳含量的变化与CK处理相比，不同施肥处理均能增加不同土层SOC含量，且SOC含量随土层深度增加而降低(图 1A)。与CK处理相比，0 ~ 20 cm土层NP、NPK、M和MNP处理SOC含量分别增加21.42%、31.13%、133.59% 和118.31% (P < 0.05)，有机肥处理(M和MNP)SOC含量高于化肥(NP和NPK)和CK处理；与CK处理相比，NP、NPK、M和MNP处理下20 ~ 40 cm土层SOC含量差异不显著，分别增加12.01%、14.21%、15.03% 和11.22%，M处理SOC含量最高，比CK处理高15.03%。
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(图中小写字母不同表示同一土层不同处理间差异显著(P < 0.05)) 图 1 不同施肥处理下SOC、ROC、DOC和MBC含量变化 |
施肥能增加不同土层ROC含量，且ROC含量随土层深度增加而降低(图 1B)。与CK处理相比，0 ~ 20 cm土层NP、NPK、M和MNP处理ROC含量分别增加13.28%、14.07%、57.76% 和48.20% (P < 0.05)，施用有机肥处理(M和MNP)ROC含量高于化肥(NP和NPK)和CK处理；与CK处理相比，NP、NPK、M和MNP处理20 ~ 40 cm土层ROC含量增加不显著，分别增加12.28%、15.13%、14.76% 和13.87%。
施肥能增加不同土层DOC含量，且DOC含量随土层深度增加而降低(图 1C)。与CK处理相比，0 ~ 20 cm土层NP、NPK、M和MNP处理DOC含量分别增加10.86%、9.94%、61.54%、53.21% (P < 0.05)，施用有机肥处理(M和MNP)DOC含量高于化肥(NP和NPK)和CK处理；与CK处理相比，NP、NPK、M和MNP处理20 ~ 40 cm土层DOC含量增加不显著，分别增加3.13%、4.11%、10.35% 和9.49%。
施肥能增加不同土层MBC含量，且MBC含量随土层深度增加而降低(图 1D)。与CK处理相比，0 ~ 20 cm土层NP、NPK、M和MNP处理MBC含量分别增加40.09%、46.05%、68.34%、113.04% (P < 0.05)；与CK处理相比，NP、NPK、M和MNP处理20 ~ 40 cm土层MBC含量分别增加30.21%、45.83%、173.81% 和181.12% (P < 0.05)。施用有机肥处理(M和MNP)不同土层MBC含量高于化肥(NP和NPK)和CK处理。
2.3 不同施肥处理土壤有机碳组分比例和碳库管理指数的变化土壤MBC/SOC比值随土层深度增加呈增加趋势(表 1)。不同施肥处理对0 ~ 20、20 ~ 40 cm土层MBC/SOC比值的影响达显著性水平(P < 0.05)，MBC/SOC比值分别为0.34% ~ 0.54%、0.46% ~ 1.17%。
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表 1 不同施肥处理对土壤活性有机碳组分占比和碳库管理指数的影响 |
土壤ROC/SOC比值随土层深度增加呈增加趋势(表 1)。施肥处理对0 ~ 20、20 ~ 40 cm土层ROC/SOC比值的影响达显著性水平(P < 0.05)，ROC/SOC比值分别为16.06% ~ 24.87%、34.01% ~ 37.26%。
土壤DOC/SOC比值随土层深度增加也呈增加趋势(表 1)。施肥处理对0 ~ 20 cm土层DOC/SOC比值的影响达显著性水平(P < 0.05)，DOC/SOC比值为0.26% ~ 0.39%；但对20 ~ 40 cm土层DOC/SOC比值的影响未达显著性水平，DOC/SOC比值为0.71% ~ 0.78%。
施肥处理对0 ~ 20 cm土层CPI、AI、A和CPMI有显著影响，而对20 ~ 40 cm土层没有显著影响(表 1)。其中，0 ~ 20 cm土层CPMI在100 ~ 135.72，M处理最高，为135.72；20 ~ 40 cm土层CPMI在100 ~ 130.80，M处理最高，为130.80。
2.4 土壤有机碳及其活性组分与土壤碳库管理指数的相关性由图 2可知，SOC含量与DOC、MBC和ROC含量呈极显著正相关关系(P < 0.01)，与CPMI和AI呈显著负相关关系(P < 0.05)，与CPI呈极显著正相关关系(P < 0.01)；与MBC/SOC、DOC/SOC和ROC/SOC比值呈极显著负相关关系(P < 0.01)。DOC含量与CPMI和AI呈显著负相关关系(P < 0.05)。MBC含量与CPMI和AI呈极显著负相关关系(P < 0.01)，与CPI呈极显著正相关关系(P < 0.01)。CPMI与AI呈极显著正相关关系(P < 0.01)，与CPI呈显著负相关关系(P < 0.05)。AI与CPI呈显著负相关关系(P < 0.05)(图 2)。
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(蓝色和红色分别代表正相关和负相关，左下半边中的数字代表相关系数，与右上半边的图形对应；*表示在P < 0.05水平显著，**表示在P < 0.01水平显著) 图 2 土壤有机碳及其组分与碳库管理指数的相关性 |
本研究发现，施肥处理可提高不同土层SOC及其活性组分含量。在0 ~ 20 cm土层，有机肥处理(M和MNP)SOC及其活性组分含量高于化肥(NP和NPK)和CK处理。这是由于有机肥本身含有一定数量的有机碳，施入土壤后可以使SOC及其活性组分得到更新和补偿，且这种作用具有可持续性[19]。施用有机肥可以为作物和土壤微生物提供养分，促进作物地上部和根系的生长，增加根系分泌物和有机残体的数量，使土壤微生物和作物根系产生较大分子的多糖和分泌物，与矿物颗粒胶结形成团聚体，稳定土壤结构，阻止SOC及其活性组分迅速分解[20]。众多以长期施肥定位试验为平台的研究发现，土壤施用有机肥能够有效促进SOC转化，改善土壤质量，提高SOC及其活性组分含量[21–27]。在本研究中，20 ~ 40 cm土层SOC及其活性组分含量低于0 ~ 20 cm土层，这是由于SOC随土壤表层到底层的深度增加而减少。0 ~ 20 cm土层中微生物活性较高，作物根系分泌物腐烂后形成有机胶体的固定作用，使得SOC及其活性组分含量较高，但随着土层深度增加，有机胶体的固定作用减弱。在本研究中，除MBC以外，不同施肥处理20 ~ 40 cm土层SOC及其组分含量均无显著差异，原因可能是土层越深土壤中植物根系残体和有机物料固定作用减弱，土壤微生物活性降低，导致土壤有机碳循环速率降低[28]，造成有机碳及其活性组分在土壤中稳定存在，各施肥处理之间差异不显著。
3.2 不同施肥措施对土壤碳库管理指数的影响土壤碳库活度(A)可用来反映SOC的稳定程度。本研究结果表明，不同土层施用化肥处理A高于有机肥处理。土壤碳库指数(CPI)、碳库活度指数(AI)和碳库管理指数(CPMI)是相互关联的指标，通过对土壤CPMI的研究，可综合分析对土壤CPI和AI的影响，反映土壤碳库数量和质量的动态变化。本研究结果表明，与CK处理相比，各施肥处理能不同程度地提高0 ~ 20 cm土壤CPMI，从而有利于改善土壤质量。施用有机肥处理(M和MNP)不同土层的CPMI高于化肥处理(NP和NPK)和CK处理，表明施用有机肥可以增强土壤碳“汇”功能，增加碳素稳定性。其中M处理CPMI值最大，这是由于M处理本身含有一定数量的有机碳，可以为作物和土壤微生物提供养分，促进作物地上部和根系的生长，增加根系分泌物和有机残体的数量，与矿物颗粒胶结形成团聚体，稳定土壤结构，有利于形成激发效应，阻止SOC的迅速分解，增加SOC含量，从而提高土壤CPMI。施用化肥处理虽在一定程度上提高A，促进植物生长，改善土壤质量，增强土壤养分循环，但缺乏有效且持续的碳源补充，造成土壤微生物活性和质量降低，减少了土壤碳库活化与养分供应，造成土壤CPMI指数下降，不利于提高土壤碳库质量。在20 ~ 40 cm土层，不同施肥处理CPMI差异不显著，这可能与土壤微生物活性降低导致SOC循环速率降低，使有机碳在土壤中稳定存在，碳库活性降低有关[29]。
本研究结果表明，不同施肥处理ROC、DOC和MBC与SOC含量之间呈极显著正相关，即SOC活性组分含量很大程度上依赖于SOC含量。SOC及其活性组分含量和比例与CPMI之间存在显著相关性，表明这些指标均可指示土壤碳素变化特征。
4 结论1) 不同施肥处理均能有效提高不同土层SOC及其组分含量。不同施肥处理0 ~ 20 cm土层SOC及其组分含量具有显著差异，而20 ~ 40 cm土层无显著差异(除MBC外)，且SOC及其组分含量随土层深度增加而降低。
2) 施用有机肥处理(M和MNP)0 ~ 20 cm土层SOC及其组分含量高于化肥(NP和NPK)和CK处理；除MBC外，20 ~ 40 cm土层SOC及其组分含量均无显著差异。
3) 不同施肥处理显著提高0 ~ 20 cm土层CPMI，M处理CPMI在所有施肥处理中最高；20 ~ 40 cm土层中各施肥处理CPMI差异不显著。
4) 施用有机肥是旱区提高土壤土壤肥力，增强土壤碳“汇”功能的农田施肥措施。
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2. Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling, Shaanxi 712100, China;
3. School of Geography Science, Taiyuan Normal University, Jinzhong, Shanxi 030619, China