2024, Vol. 56
我国设施农业发展迅速，至2020年设施栽培面积已突破4.0×106 hm2[1]。设施生产土壤肥力是保障蔬菜产量与品质的关键[2]。土壤有机碳是衡量土壤肥力的核心指标，土壤活性有机碳对施肥等管理措施的响应非常敏感[3]。因此开展设施蔬菜栽培土壤活性有机碳含量及碳库管理指数对施肥措施响应的研究，对于设施蔬菜栽培的合理施肥具有重要意义。
土壤活性有机碳是指对植物养分供应有最直接作用，且在土壤中易被微生物分解矿化、有效性较高的那部分有机碳[4]。通常利用333 mmol/L高锰酸钾溶液氧化将土壤有机碳分为活性和非活性有机碳[5]，利用不同浓度高锰酸钾溶液(33、167和333 mmol/L)氧化又进一步将活性有机碳分为高、中和低活性组分[4, 6]。土壤碳库管理指数综合了碳库指数和碳库活度指数，可以反映土壤质量的高低，可用来评价田间管理措施的好坏[7]。土壤碳库管理指数越高，说明土壤系统正在恢复、改善，而碳库管理指数越低，说明土壤系统正在衰退[8]。不同施肥措施对农田土壤活性有机碳含量及碳库管理指数影响较大[7, 9]。单施有机肥及化肥与有机肥配施均会显著提高农田土壤活性有机碳含量[10-11]，其含量随着土层的加深而降低[10]。长期不同施肥措施显著提高土壤高、中和低活性有机碳含量及其碳库管理指数[6, 9, 12]，化肥与有机肥配施提升效果高于单施化肥[6, 11]。Li等[7]研究发现施用有机肥显著提高了农田土壤碳库管理指数。梁琼等[13]通过对长期设施菜地土壤的研究发现设施土壤活性有机碳含量显著高于露地土壤。土壤活性有机碳及其组分含量与总有机碳含量呈显著线性正相关关系，不同施肥措施主要影响土壤活性有机碳含量及其碳库管理指数，进而影响到土壤有机碳数量和质量，因此土壤活性有机碳含量及其碳库管理指数的变化可以较好地反映土壤有机碳数量和质量的变化[6-7]。
目前，关于不同施肥措施对农田土壤活性有机碳含量和碳库管理指数方面已有较深入的研究，但关于设施蔬菜栽培高温高湿、半封闭的特殊环境条件下，土壤活性有机碳含量和碳库管理指数的研究报道相对较少。前人研究发现连续化肥与有机肥配施可显著提高设施土壤总有机碳含量[14]，但长期施肥对土壤活性有机碳含量和碳库管理指数及其剖面分布的影响如何，目前还尚不清楚。本研究依托连续8年设施番茄栽培定位施肥田间试验，探讨长期不同施肥措施对土壤活性有机碳组分含量和碳库管理指数及其剖面分布的影响，以期为设施蔬菜栽培的科学合理施肥提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 研究区概况试验在沈阳农业大学设施生产试验基地进行，该试验基地处于松辽平原南部的中心地带，位于41°49′ N，123°34′E，试验地土壤类型为棕壤。试验基地于2012年建成，常年使用设施薄膜覆盖塑料大棚。于2012年和2013年春季整地时施入腐熟牛粪(22 500 kg/hm2，鲜重)和腐熟鸡粪(37 500 kg/hm2，鲜重)进行基础地力培肥。2012年试验之前土壤理化性质见表 1。
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表 1 2012年试验之前土壤理化性质 Table 1 Physicochemical properties of tested soil before experiment in 2012 |
定位施肥试验于2013—2020年进行。本研究选取10个施肥处理，分别为不施肥(CK)、单施有机肥(M)、4个单施化肥(N0PK、N1PK、N2PK、N3PK)和4个化肥与有机肥配施(MN0PK、MN1PK、MN2PK、MN3PK)。其中，M为施有机肥75 000 kg/(hm2·a) (2013—2020年施用的有机肥年平均有机碳和全氮分别为124.22和16.32 g/kg)；N0、N1、N2和N3表示氮肥(氮肥为尿素，N 46%)的N施用量，分别为0、187.5、375.0和562.5 kg/(hm2·a)；P和K分别为磷肥(过磷酸钙，P2O5 12%)的P2O5施用量和钾肥(硫酸钾，K2O 60%)的K2O施用量，分别为225和450 kg/(hm2·a)。各处理随机排列，3次重复。
各处理60 cm深用塑料薄膜隔开，每一处理小区面积3.8 m2。各试验小区3条垄，行距为0.6 m，每条垄移栽8株番茄，株距为0.3 m，各小区移栽番茄24株(2013—2014年，每株番茄留3穗花，每穗花留4个果；2015—2020年，每株番茄留4穗花，每穗花留4个果)。田间试验每年栽培春季番茄，番茄生长期为4—8月，其余时间为土壤休耕。田间试验每年施肥管理相同，有机肥作为基肥均匀撒施地表，随人为耕翻约15 ~ 20 cm，全部磷肥、1/3氮肥和1/3钾肥作为底肥施入，2/3氮肥和2/3钾肥分别于第一穗果和第二(三)穗果膨大期分2次进行滴灌追施，每次追施量相同。各处理在番茄移栽时灌缓苗水，缓苗后采用滴灌系统进行灌溉，每隔3 ~ 5 d灌水一次，持续至番茄采收结束，各施肥处理灌水定额相同，平均为94.3 m3/hm2。
1.3 土壤样品采集与分析本研究于2020年9月中旬进行土壤采集，各小区随机布设5点，每点取样深度均为0 ~ 10、10 ~ 20、20 ~ 30、30 ~ 40和40 ~ 50 cm，相同土层5点充分混合为一个样本。土壤样品经过风干、研磨、过60目和10目筛备用。
土壤总有机碳(TOC)采用外加热–重铬酸钾容量法测定；依据KMnO4氧化剂浓度(33、167和333 mmol/L)划分活性有机碳组分，其中33 mmol/L KMnO4氧化的有机碳为高活性有机碳(HLOC)，167和33 mmol/L KMnO4氧化的有机碳的差值为中活性有机碳(MLOC)，333和167 mmol/L KMnO4氧化的有机碳的差值为低活性有机碳(LLOC)，333 mmol/L KMnO4氧化的有机碳为活性有机碳(LOC)，不被333 mmol/L KMnO4氧化的为非活性有机碳(NLOC)。
以不施肥处理(CK)为参照，土壤碳库管理指数计算公式[9]如下：
| $ \rm 碳库管理指数(CPMI)=碳库指数(CPI)×碳库活\\ \rm 度指数(AI)×100 $ | (1) |
| $ \rm 碳库指数(CPI)=施肥处理TOC/不施肥处理TOC $ | (2) |
| $ \rm 碳库活度指数(AI)=施肥处理碳库活度(A)/不施\\ \rm 肥处理碳库活度(A) $ | (3) |
| $ \rm 碳库活度(A)= LOC(或HLOC、MLOC、\\ \rm LLOC)/NLOC $ | (4) |
数据采用SPSS 21.0统计软件进行单因素方差分析，Duncan法进行差异显著性检验，Origin 2021作图，图表中数据均为平均值±标准误。
2 结果 2.1 长期施肥土壤总有机碳含量在0 ~ 20 cm土层，与不施肥(CK)相比，单施有机肥(M)和4个化肥与有机肥配施(MN0PK、MN1PK、MN2PK和MN3PK)处理土壤总有机碳(TOC)含量均显著增加(P < 0.05)，增幅分别为104.9% ~ 135.3% 和97.6% ~ 139.6%，但N0PK、N1PK、N2PK和N3PK处理TOC含量均无显著变化；N3PK处理TOC含量显著高于N0PK、N1PK和N2PK处理(P < 0.05)，化肥与有机肥配施处理TOC含量均显著高于相同单施化肥处理(P < 0.05)，增幅为76.8% ~ 174.7%(图 1)。在20 ~ 50 cm土层，MN0PK相较N0PK和MN1PK相较N1PK，TOC含量显著提高了47.5% ~ 128.2% 和68.7% ~ 86.5%(P < 0.05)；MN2PK相较N2PK和MN3PK相较N3PK，TOC含量提升了11.1% ~ 30.1% 和3.4% ~ 41.7%，但差异并不显著(图 1)。总体上，在0 ~ 50 cm土层，N1PK、N2PK和N3PK处理TOC含量随土层加深变化并不大；其他处理TOC含量随着土层的加深呈显著下降趋势，且0 ~ 20 cm土层TOC含量均显著高于20 ~ 50 cm土层(P < 0.05)。
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(图中大写字母不同表示相同处理不同土层间差异显著(P < 0.05)，小写字母不同表示相同土层不同处理间差异显著(P < 0.05)；下同) 图 1 不同施肥处理土壤总有机碳含量 Fig. 1 Soil TOC contents under different fertilization treatments |
图 2为进一步求得有机肥(M)及有机肥与化肥配施处理施入有机肥中的有机碳固定率(M处理减去CK或有机无机肥配施减去对应单施化肥的土壤总有机碳储量的增量除以8年施入的有机肥中有机碳的累积量)，各处理均表现为0 ~ 20 cm土层明显大于20 ~ 50 cm土层，其中0 ~ 20 cm土层施入有机肥中的有机碳固定率为15.56% ~ 28.55%，且以MN2PK处理有机碳固定率为最大。
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图 2 连续8年单施有机肥及化肥与有机肥配施处理有机肥中的有机碳固定率 Fig. 2 Fixation ratios of organic carbon from manure under manure and chemical fertilizer combination with manure treatments for eight years |
在0 ~ 50 cm土层，土壤活性有机碳(LOC)含量的剖面分布与TOC含量的剖面分布相似，即LOC含量随着土层的加深大体呈下降趋势(图 3)。CK、4个单施化肥、有机肥(M)和4个化肥与有机肥配施处理土壤LOC含量分别占TOC含量的15.3% ~ 29.8%、16.3% ~ 37.6%、19.4% ~ 29.5% 和19.5% ~ 33.3%。与CK相比，M和化肥与有机肥配施处理均增加土壤LOC含量，增幅分别为33.8% ~ 235.5% 和33.8% ~ 251.3%。在0 ~ 40 cm土层，与相同单施化肥处理相比，化肥与有机肥配施处理显著提升了土壤LOC含量(P < 0.05)，增幅为23.7% ~ 259.4%。在40 ~ 50 cm土层，除MN0PK外，其他3个化肥与有机肥配施处理较相同单施化肥处理显著增加了LOC含量(P < 0.05)，增幅为27.1% ~ 31.9%。在0 ~ 20 cm土层，化肥与有机肥配施处理土壤LOC含量随施氮量增加呈显著增加趋势(P < 0.05)。
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图 3 不同施肥处理土壤活性有机碳含量 Fig. 3 Soil LOC carbon contents under different fertilization treatments |
由图 4A可知，在0 ~ 50 cm土层，CK、4个单施化肥、有机肥(M)和4个化肥与有机肥配施处理土壤高活性有机碳(HLOC)含量分别占TOC含量的7.1% ~ 10.0%、6.1% ~ 11.1%、6.4% ~ 10.6% 和6.2% ~ 13.2%；M和化肥与有机肥配施处理土壤HLOC含量均高于CK处理。在0 ~ 20 cm土层，化肥与有机肥配施处理土壤HLOC含量显著高于相同单施化肥处理(P < 0.05)，增幅为122.2% ~ 330.7%。M和化肥与有机肥配施处理土壤HLOC含量随土层深度增加呈显著下降趋势。
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图 4 不同施肥处理土壤高、中和低活性有机碳含量 Fig. 4 Soil highly, moderately and lowly LOC contents under different fertilization treatments |
由图 4B可知，在0 ~ 50 cm土层，CK、4个单施化肥、有机肥(M)和4个化肥与有机肥配施处理土壤中活性有机碳(MLOC)含量分别占TOC含量的1.6% ~ 13.1%、1.7% ~ 13.2%、3.0% ~ 12.5% 和0.6% ~ 13.8%。在0 ~ 10 cm土层，化肥与有机肥配施处理土壤MLOC含量较相同单施化肥处理提高了96.4% ~ 562.6%，除MN2PK外，其他处理均增加显著(P < 0.05)。在10 ~ 20 cm土层，化肥与有机肥配施处理土壤MLOC含量较相同单施化肥处理显著提高了195.9% ~ 887.3%(P < 0.05)，以MN0PK处理增幅最大。在20 ~ 30 cm土层，MN0PK较N0PK处理、MN3PK较N3PK处理土壤MLOC含量显著提高了116.9%、131.2%(P < 0.05)。
由图 4C可知，在0 ~ 50 cm土层，CK、4个单施化肥、有机肥(M)和4个化肥与有机肥配施处理土壤低活性有机碳(LLOC)含量分别占TOC含量的1.9% ~ 9.5%、2.0% ~ 16.4%、1.2% ~ 10.9% 和3.3% ~ 18.4%。在0 ~ 40 cm土层，化肥与有机肥配施处理土壤LLOC含量较单施化肥处理均有所提高。其中，在0 ~ 10 cm土层，除MN2PK外，其他处理显著提高了74.3% ~ 417.4%(P < 0.05)，以MN1PK处理增幅为最大；在10 ~ 20 cm土层，MN0PK和MN2PK处理分别显著提高了53.9% 和597.9%(P < 0.05)；在20 ~ 30 cm土层，MN2PK和MN3PK处理土壤LLOC含量分别显著提高了149.7% 和330.2%(P < 0.05)；在30 ~ 40 cm土层，MN1PK和MN3PK处理分别显著提高了96.9% 和123.8%(P < 0.05)。
相关分析表明(图 5)，土壤LOC及其HLOC、MLOC、LLOC含量与TOC含量之间均呈极显著线性正相关，其中HLOC与TOC的相关系数最大，表明土壤LOC及其HLOC、MLOC、LLOC含量可以指示TOC的变化，其中HLOC指示TOC的变化效果最好。
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图 5 土壤活性有机碳及其组分含量与总有机碳含量的相关性 Fig. 5 Relationships between soil LOC, and its fractions (HLOC, MLOC and LLOC) and TOC |
由表 2可以看出，以CK作为参考，在40 ~ 50 cm土层，N3PK处理土壤碳库指数(CPI)显著提高(P < 0.05)；在0 ~ 40 cm土层，M和4个化肥与有机肥配施处理土壤CPI均显著提高(P < 0.05)；在40 ~ 50 cm土层，除MN2PK处理外，M和其他3个化肥与有机肥配施处理土壤CPI也均显著提高(P < 0.05)；土壤CPI随着土层深度的增加而降低，化肥与有机肥配施较相同单施化肥处理土壤CPI提高了3.4% ~ 180.7%。在0 ~ 50 cm土层，土壤活性有机碳碳库管理指数(CPMI)随土层深度的增加均表现为先升高再下降的趋势，M和4个化肥与有机肥配施处理土壤CPMI均显著提高(P < 0.05)，分别较CK和相同单施化肥处理增幅16.0% ~ 267.5% 和29.0% ~ 348.1%。在0 ~ 50 cm土层，各处理土壤高、中和低活性有机碳的CPMI均随土层深度的增加大致表现为先升高再降低的趋势。与相同单施化肥处理相比，化肥与有机肥配施处理显著提高了0 ~ 30 cm土层HLOC的CPMI(P < 0.05)，显著提高了0 ~ 20 cm土层MLOC的CPMI(P < 0.05)。化肥与有机肥配施处理土壤活性有机碳各组分的CPMI因土层不同而异，其中在0 ~ 10 cm土层表现为HLOC > LLOC > MLOC，在10 ~ 20 cm土层表现为LLOC > MLOC > HLOC，在0 ~ 20 cm土层，土壤HLOC和MLOC的CPMI均以MN3PK处理为最高。总体上，在0 ~ 20 cm土层，化肥与有机肥配施处理土壤LOC及其HLOC和MLOC的CPMI均随化学氮肥施用量的增加而增加。
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表 2 不同施肥处理土壤碳库管理指数 Table 2 Soil CPMIs under different fertilization treatments |
相关分析发现(表 3)，在0 ~ 40 cm土层，HLOC与LOC的CPMI之间均呈显著正相关(P < 0.05)；除30 ~ 40 cm外，各土层MLOC与LOC的CPMI之间呈显著正相关(P < 0.05)；除10 ~ 20 cm和40 ~ 50 cm外，各土层LLOC与LOC的CPMI之间呈显著正相关(P < 0.05)。另外，在0 ~ 10 cm土层，HLOC、MLOC和LLOC组分的CPMI之间呈显著正相关(P < 0.05)；在10 ~ 20 cm土层，HLOC与MLOC之间，以及30 ~ 40 cm土层HLOC与LLOC之间的CPMI也呈显著正相关(P < 0.05)。由此可见，长期施肥土壤活性有机碳库，尤其是高活性有机碳库能很好地反映土壤有机碳库的变化。
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表 3 土壤活性有机碳组分的碳库管理指数与活性有机碳的碳库管理指数的相关系数 Table 3 Correlation coefficients between CPMIs of soil LOC fractions (HLOC, MLOC and LLOC) and CPMI of LOC |
本研究中，连续8年施用化肥及化肥与有机肥配施土壤总有机碳含量随土层深度增加呈下降趋势，主要积累在0 ~ 20 cm土层，化肥与有机肥配施可显著提高0 ~ 20 cm土壤总有机碳含量，其中中用量化肥与有机肥配施(MN2PK)提高土壤总有机碳的效果最为明显(图 1)。这一研究结果与前人在设施土壤及农田土壤的研究结果相同[14-15]。这可能是由于本研究中化肥和有机肥主要施用在0 ~ 20 cm土层，且单施有机肥及化肥与有机肥配施不仅可直接增加有机碳投入，而且也可增加根系分泌物有机碳投入[7, 16]；另一方面设施环境高温、高湿，土壤有机质大量矿化分解，设施大棚常年封闭，释放到空气的CO2还会被作物和生物固定到土壤，补充土壤新有机碳库。另外，本研究中MN2PK处理施入有机肥中的有机碳固定率为最大(图 2)，这也是中用量化肥与有机肥配施提升土壤总有机碳效果最为明显的关键所在。
土壤活性有机碳由氨基酸、简单碳水化合物、部分土壤微生物生物量和其他简单有机化合物组成，周转时间快[6, 17]。本研究表明连续8年单施有机肥及化肥与有机肥配施均显著提高了0 ~ 20 cm土层土壤活性有机碳含量，其中高用量化肥与有机肥配施(MN3PK)增加效果更为显著(图 3)。这与前人对设施栽培长期定位施肥试验的结果相一致[10, 18]，说明有机肥输入增加了土壤有机质的来源，进而驱动活性碳库的变化，促进了土壤活性有机碳的累积。另外，本研究发现连续8年单施化肥对土壤总有机碳含量无显著影响且有下降趋势(图 1)，这主要是由于在设施内高温高湿环境条件下，在没有外源有机碳的输入时，施用化肥能加速土壤有机碳的分解[2]，不能有效固碳[19]。本研究中不同施肥措施对土壤活性有机碳占总有机碳比例的影响较小，这与赵亚南等[6]对22年定位施肥试验的结果相一致，但却与张瑞等[20]对3年定位施肥试验的结果有所不同。这主要是因为土壤有机碳由不同活性的碳库组成，短期施肥对土壤有机碳的影响首先表现在活性碳库上，对周转速度较慢的非活性碳库的影响较为缓慢[20]；长期施肥能维持有机碳的持续输入，促使各个碳库之间的相互转化，非活性碳库也逐渐发生变化，直至碳库间达到动态平衡并维持在一定的比例[6]。本研究结果也意味着在设施高温高湿等特殊环境条件下，长期化肥与有机肥配施会促使活性有机碳库和非活性有机碳库之间的相互转化，进而维持土壤有机碳库的动态平衡。
土壤各组分活性有机碳含量及其比例因气候条件、土壤类型、种植方式、土层深度等不同而异[21]。徐明岗等[4]研究发现红壤以高活性有机碳为主，而垆土、灰漠土和潮土以高活性和中活性有机碳两部分为主。长期定位施肥能提高农田土壤高、中和低活性有机碳含量[6, 9]，且化肥与有机肥配施提升效果高于单施化肥[9]，土壤表层以低活性有机碳组分的占比最大[9, 12]。本研究中长期化肥与有机肥配施显著提高了土壤活性和高活性有机碳含量，其含量随土层深度加深呈下降趋势，且化肥与有机肥配施处理提升效果高于相同单施化肥处理，以低活性有机碳含量占总有机碳含量的比例为最大(图 4)，这与前人对农田土壤的研究结果相似[9, 12]。但本研究中连续8年单施化肥对土壤活性有机碳及其各组分含量的影响显著，与李小磊等[9]长期定位单施化肥处理能提高土壤高、中和低活性有机碳含量的研究结果并不完全一致。这可能是因为在设施内高温高湿等环境条件下，长期单施化肥处理快速消耗了土壤的活性有机碳库。此外，本研究结果显示土壤活性有机碳及其各组分含量与总有机碳含量均呈显著线性正相关关系，其中高活性有机碳含量与总有机碳含量之间的线性相关性最大(图 5)，这说明在设施内高温高湿和半封闭环境条件下，长期施肥土壤活性有机碳库，尤其是高活性有机碳库可以很好地反映土壤总有机碳库的变化。
3.2 长期化肥与有机肥配施提高了土壤碳库管理指数土壤碳库管理指数的变化与施肥方式、种植模式等措施密切相关[22-23]。研究发现农田土壤碳库指数为1.2 ~ 3.4[7]，南方双季水稻体系长期不同施肥措施土壤碳库指数为1.0 ~ 1.7[11]。本研究发现设施土壤碳库指数为0.8 ~ 2.4(表 2)，对比其他类型土壤，设施土壤碳库指数较低，与连玉珍等[24]的研究结果一致。另外，本研究中连续8年施用有机肥和化肥与有机肥配施均可显著提高土壤碳库指数和碳库管理指数(表 2)，与权玲等[25]在设施土壤和Tang等[26]在农田土壤的研究结果一致，这说明施用有机肥是提高设施土壤碳库管理指数的重要措施。也有研究发现，施用有机肥和化肥与有机肥配施均可显著提高土壤高、中和低活性有机碳的碳库管理指数[6]，长期单施化肥也可提高土壤高、中和低活性有机碳的碳库管理指数[9]，本研究结果则显示施用有机肥和化肥与有机肥配施均可显著提升0 ~ 40 cm土层土壤有机碳的碳库指数和管理指数，0 ~ 20 cm土层土壤高和中活性有机碳的碳库管理指数显著高于施用相同化肥处理。另外，本研究中化肥与有机肥配施0 ~ 20 cm土层土壤碳库管理指数及高和中活性组分的碳库管理指数均随施氮量的增加而增加(表 2)。这说明在设施内高温高湿等特殊环境条件下，连续每年有机肥施用以及根系分泌物进入和残留根系归还，既增加了土壤有机碳数量，也影响了土壤有机碳的稳定性，进而增加了土壤中有机碳的活性[27-28]；有机肥与磷、钾肥和不同用量氮肥配施，也会影响土壤有机碳和有机物质的矿化分解、养分释放与积累[29]，高用量氮肥施用促进了土壤有机碳和有机物质的矿化分解(图 2)，进而提高了土壤活性有机碳及其组分的碳库管理指数。由此可见，设施番茄栽培条件下，长期化肥与有机肥配施提高了设施土壤总有机碳及其活性有机碳含量以及碳库管理指数，设施土壤质量得到改善和提升，中用量化肥与有机肥配施(MN2PK)管理措施对于番茄的可持续生产具有重要意义。
4 结论在设施番茄栽培连续8年定位施肥条件下，不同施肥措施土壤总有机碳和活性有机碳含量均随土层深度加深(0 ~ 50 cm土层)呈逐渐下降趋势；与不施肥相比，单施有机肥和化肥与有机肥配施均可显著提高0 ~ 20 cm土层土壤总有机碳、活性有机碳和高活性有机碳含量。化肥与有机肥配施0 ~ 20 cm土壤活性有机碳及其高活性组分含量和碳库管理指数均显著高于单施化肥处理，土壤活性及其高和中活性有机碳的碳库管理指数均随化肥施氮量的增加而增加。土壤活性有机碳及其高、中和低活性有机碳含量与总有机碳含量有密切关系，其中高活性有机碳与总有机碳含量的相关系数最大。综合考虑，设施生产中75 000 kg/(hm2·a)有机肥与中量化肥(N、P2O5和K2O用量分别为375、225和450 kg/(hm2·a))配施是设施番茄可持续生产较为合理的管理措施。
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