2025, Vol. 57
2. 甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所, 兰州 730070;
3. 陕西理工大学生物科学与工程学院, 陕西汉中 723000;
4. 中国农业大学农学与生物技术学院, 北京 100193;
5. 土壤与农业可持续发展全国重点实验室(中国科学院南京土壤研究所), 南京 211135
土壤碳库作为陆地生态系统最大的有机碳储库，在全球碳循环中占据核心地位[1]。土壤有机碳库的动态变化会显著影响大气中CO2浓度，其储量每增加1‰，相当于抵消全球年化石燃料排放量的1/3[2]。而当前全球人为碳排放的30% 通过土壤碳汇作用以土壤有机碳形式被固定。作为土壤肥力的核心指标，土壤有机碳含量直接决定土壤生产力和生态服务功能，因此，提升土壤有机碳固存能力并减少其损失已成为应对全球碳预算失衡、减缓气候变化的关键策略[3]。尽管已有大量研究探讨施肥措施对土壤有机碳储存的作用，但在长期定位的灌漠土系统中，不同施肥模式的碳封存效应及其与气候变化、农业管理措施的耦合机制仍缺乏系统认知，这极大制约了干旱区农田碳汇功能的精准调控。
农田管理措施中，施肥是调控土壤碳库动态的关键因子[4]。长期定位施肥试验因其时间序列完整、气候条件可重复等特征，能够系统揭示土壤肥力演变规律，并为施肥制度的生态效应评估提供科学依据[5-8]。研究表明，不同施肥模式对土壤有机碳消长的影响存在显著差异，长期单施有机肥可通过直接碳输入(如秸秆、粪肥)与增强有机–矿物复合体的物理化学保护机制，显著提升土壤有机碳含量，而单纯施用化肥则需结合有机替代策略(如30% 有机氮+70% 化肥氮配施)，通过抑制激发效应与提升外源碳输入效率实现土壤有机碳积累[9-11]。此外，土壤类型与区域环境特征对施肥效应具有显著调控作用[12-18]：在黄土高原塿土区，长期有机肥施用可促进大团聚体形成及颗粒有机碳累积，配合秸秆还田能进一步增加大团聚体占比；黄壤与黑土区长期单施化肥则导致土壤有机碳及其活性组分(如可溶性有机碳)显著下降，甚至与无肥处理持平；而红壤与潮土区的部分研究显示，单施化肥或不施肥可能通过减少碳矿化损失或激发本地碳库稳定性，使土壤有机碳呈现微弱上升趋势。因此，有机–无机肥配施或化肥–秸秆协同模式不仅能提升土壤有机质总量，还可优化活性/稳定性碳组分比例，改善土壤结构并维持土壤有机碳动态平衡，这对制定区域差异化固碳策略具有重要指导意义。
灌漠土作为我国西北干旱区特有土壤类型(占全国耕地面积0.66%)，承载着甘肃70% 以上的粮食产能，其碳库稳定性直接关系区域粮食安全与生态屏障功能。鉴于土壤有机碳库组分的高度异质性和多因子耦合作用，其短期内的微弱波动往往难以通过常规监测手段捕捉。因此，基于长期定位试验揭示土壤有机碳动态演变规律，对评估灌漠土农田的土壤健康与固碳潜力具有重要科学价值。在全球碳中和战略背景下，本研究依托我国西北典型地区——张掖市农业科学研究院灌漠土长期定位试验(始建于1982年)，选取3种典型种植制度(小麦–小麦–玉米轮作、小麦∥玉米间作、玉米连作)，对比分析8种典型施肥处理下不同土层土壤有机碳含量及储量的时空变异规律，重点阐明：①长期施肥对深层土壤有机碳库(> 100 cm)的激活效应；②有机无机协同调控对土壤碳饱和缺陷的补偿机制；③施肥模式与碳库稳定性间的耦合关系。研究成果可为干旱区农田碳汇精准管理及“双碳”目标实现提供关键参数与决策依据。
1 材料与方法 1.1 试验地概况试验设置在甘肃省张掖市甘州区新墩镇(38.6°N，100.3°E)，位于河西走廊中部平川灌区，海拔1 530 m，年均气温7 ℃左右，10 ℃活动积温1 837 ~ 2 870 ℃，无霜期165 d，年均降水量127 mm，主要集中在7—10月，年均蒸发量2 345 mm。供试土壤为典型灌漠土，质地中壤，属于灌淤旱耕人为土。试验前(1982年)0 ~ 20 cm耕层土壤基本理化性状：有机质20.80 g/kg，全氮0.76 g/kg，全磷0.82 g/kg，碱解氮28.10 mg/kg，有效磷21.70 mg/kg，速效钾99.10 mg/kg。
1.2 试验设计采用裂区设计，主处理为不施有机肥和施用有机肥，副处理为氮、磷、钾化肥配合，共计设8个施肥处理：①不施肥(CK)；②单施氮肥(N)；③氮磷肥(NP)；④氮磷钾肥(NPK)；⑤有机肥(M)；⑥有机肥+氮肥(MN)；⑦有机肥+氮磷肥(MNP)；⑧有机肥+氮磷钾肥(MNPK)。小区面积33.3 m2，重复3次，在田间布设处理时，进行区组控制，随机排列，区间筑有永久性地埂和灌水渠道。
1.3 水肥管理 1.3.1 施肥试验中氮肥用尿素，施N量小麦为120 ~ 180 kg/hm2，玉米为240 ~ 360 kg/hm2；磷肥和钾肥按N∶P2O5∶K2O=1∶0.5∶0.5施用，磷肥用重过磷酸钙或磷酸二铵，钾肥用硫酸钾；有机肥为腐熟农家肥，施用量7.5 ~ 15 t/hm2，有机碳平均含量为30.52 g/kg，全氮平均18.4 g/kg，全磷3.33 g/kg，全钾11.34 g/kg。氮肥总量的30% 基施；40% 用于玉米拔节期追施，30% 于玉米大喇叭口期进行追肥，有机肥、磷肥、钾肥全部基施。
1.3.2 灌溉采用大水漫灌的方式，小麦生育期灌水3 ~ 4次，玉米生育期灌水5 ~ 6次。
1.4 田间管理种植制度、灌溉制度、施肥制度以及土壤管理与当地农业生产保持一致。试验田间种植制度：1982—2006年为小麦–小麦–玉米轮作制，一年一作；2007—2015年为小麦∥玉米带田，一年两作；2016—2022年为玉米单作。供试作物品种与当地大田生产主栽品种一致，栽培措施与大田生产技术发展同步。小麦于每年的3月中旬播种，播量为300 kg/hm2；玉米于每年的4月中旬或下旬播种，密度为75 000株/hm2。
1.5 样品采集与测定方法土壤样品于收获期按“S”形多点采样，分别取0 ~ 20、20 ~ 40、40 ~ 60、60 ~ 80、80 ~ 100、100 ~ 150、150 ~ 200 cm土壤样品，混合均匀，风干过筛后进行土壤理化性质的测定。土壤有机碳采用浓硫酸重铬酸钾外加热–硫酸亚铁滴定法测定；土壤容重采用环刀法测定，具体方法参考文献[19]。
有机碳储量S(t/hm2)=10×D×BC×OC
式中：D为土层厚度(m)；BC为土壤容重(g/cm3)；OC为不同土层的土壤有机碳含量(g/kg)。
有机碳固存率P(%)=(SM–S0)/Oi×100
式中：SM为增施有机肥处理的有机碳储量(t/hm2)；S0为不施有机肥处理的有机碳储量(t/hm2)；Oi为有机碳总投入量(t/hm2)。
生产吨粮消耗有机碳指数(kg/t)=(投入总碳量–固存碳量)/施有机肥作物总产量[20]
有机肥增产量消耗碳指数(kg/t)=(投入总碳量–固存碳量)/(增施有机肥总产量–不施有机肥总产量)[21]
1.6 数据统计分析采用Excel 2016对数据进行处理，运用SPSS 27.0统计软件进行方差分析(LSD法)，处理之间的显著性分析均为P < 0.05水平，应用Origin2024软件作图。
2 结果与分析 2.1 长期不同施肥方式对耕层土壤有机碳含量的影响表 1为长期定位试验不同阶段作物平均产量，可以看出各施肥处理第二阶段的产量水平比第一阶段提高了0.6% ~ 82.4 %，产量的增加对土壤有机碳含量有很大影响。不施有机肥的化肥高产组合(NP，NPK)处理2003年耕层有机碳比初始年(12.05 g/kg)平均下降了15.4%；2022年比初始年平均下降了11.04%。两个年份的下降速率虽然稍有差异，但连续40年年均递减0.28%。说明长期单施化肥虽然对作物产量有较大贡献，但还是消耗土壤有机碳的过程。有机肥与化肥配合施用的最佳措施(MNP，MNPK)处理，土壤有机碳2003年比初始年平均增加31.16%，2022年比初始年平均增加了29.80%，增幅持平略有下降(下降1.36%)。说明增施有机肥持续输入的有机碳未提高土壤有机碳含量，只能平衡高产对土壤有机碳的消耗。
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表 1 长期定位试验不同阶段作物产量(kg/hm2) Table 1 Crop yields at different stages of long-term positioning experiment |
不同施肥处理间耕层(0 ~ 20 cm)土壤有机碳含量存在显著差异。从表 2可以看出，CK、N、NP和NPK处理土壤有机碳不断减少。与试验前(12.05 g/kg)相比，试验第22年(2003年)CK和N处理土壤有机碳是稳中有降，差异不明显，变幅为–2.8% 和0.9%；NP和NPK处理降幅较大，分别为11.0% 和15.7%。增施有机肥处理土壤有机碳呈提高的趋势，不同施肥措施的增幅不同，MNP和MNPK处理土壤有机碳含量增加最显著，比试验前提高了28.3% ~ 34.2%；M和MN处理增幅相近，比试验前提高5.6% ~ 6.0%。试验第41年(2022年)，与1982年相比，CK处理耕层土壤有机碳含量降低10.0%，年均递减0.24%，比2003年降低了7.4%；N处理比1982年降低11.3%，年均递减0.67%，比2003年降低12.8%；NP和NPK处理，土壤有机碳也是减少的过程，较1982年降低8.9% 和13.1%。结果表明，长期不施肥和化肥单施土壤有机碳库均为碳“源”状态，这和Zhang等[12]研究结论一致。说明在灌漠土上单施化肥虽提高作物产量，但也消耗一部分土壤有机碳。化肥施用时间延长，土壤有机碳下降速率下降。
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表 2 不同施肥处理剖面土壤有机碳含量(g/kg) Table 2 Soil organic carbon contents in profiles under long-term different fertilization treatments |
增施有机肥是提高土壤有机碳含量的有效途径，第22年(2003年)耕层土壤有机碳含量大小顺序为MNPK、MNP > MN、M > N、CK > NP、NPK；第41年(2022年)为MNPK、MNP > M、MN > NP、CK、N > NPK。与不施肥比较，两年测定结果MNPK、MNP处理土壤有机碳提高32.0% ~ 44.7%；MN、M处理提高8.6% ~ 29.7%，且差异显著；NPK、NP处理降低1.2% ~ 13.2%；N处理变化幅度为–1.5% ~ 3.8%。其中，增施有机肥处理大于施用化肥处理。从各施肥处理对土壤有机碳的影响分析，在西北灌漠土上，长期不施肥作物生物学产量低，根茬残留少，土壤有机碳减少是必然。从初始值12.05 g/kg下降到第41年的10.84 g/kg，下降了10.0%；化肥组合长期施用也是减少的趋势，41年减少了8.9% ~ 13.1%，化肥处理差异不显著。有机肥与氮磷钾配施提高了土壤有机碳含量，连续22年增幅达28.3% ~ 34.2%，连续41年后增幅稳定在25.0% ~ 30.3%，且与其他处理差异显著，比化肥组合提高了37.1% ~ 50.0%，是培肥土壤的最佳组合。
2.2 长期不同施肥方式对土壤剖面有机碳含量的影响从表 2列出的0 ~ 200 cm不同土层土壤有机碳含量分布状况来看，由于定位试验时间长，土壤有机碳含量形成了因施肥措施不同而不同的差异。这个差异在耕层土壤表现得很明显，而且也向下深入到20 ~ 100 cm土体，呈现出MNPK、MNP > MN、M > N、CK > NP、NPK的顺序。试验第22年(2003年)有机肥区耕层土壤有机碳含量为12.73 ~ 16.15 g/kg，化肥区为9.67 ~ 12.16 g/kg；同一处理的耕层有机碳含量最高，随着土层加深有机碳含量均大幅度下降，耕层与其他土层有机碳含量差异达极显著水平。20 ~ 40 cm犁底层有机肥区有机碳含量为8.55 ~ 10.02 g/kg，化肥区为6.89 ~ 8.88 g/kg，比耕层分别下降了21.5% ~ 43.5% 和19.3% ~ 32.2%；40 ~ 80 cm心土层有机肥区有机碳含量为7.67 ~ 9.33 g/kg，化肥区为6.32 ~ 9.04 g/kg，均低于犁底层，但差异不显著；80 ~ 100 cm土层有机碳含量均小于心土层，差异不均衡；100 ~ 200 cm底土层因受施肥措施影响很小，有机碳含量最低，为4.38 ~ 6.38 g/kg，各处理间、层次间无明显差别，但比耕层减少了48.3% ~ 69.6%，且与40 ~ 100 cm各土层也有明显差异。试验第41年(2022年)土壤剖面有机碳分布与第22年基本一致，由于这一时段种植带状间作和高产玉米作物，产量是前一时段的近2倍，土壤有机碳却无提高效应，与第22年保持相对持平，但缩小了不同处理间的差异。有机肥区、化肥区耕层有机碳含量分别为13.55 ~ 15.70 g/kg和10.47 ~ 10.98 g/kg，有机肥处理大于化肥处理；20 ~ 40 cm犁底层，有机肥区和化肥区比耕层分别下降了20.9% ~ 38.6% 和21.1% ~ 25.4%，达到显著水平；40 ~ 100 cm土体各层次差别不显著，均小于犁底层；100 ~ 200 cm底土层有机碳含量最低，比耕层下降了49.4% ~ 62.4%，层次间、处理间无明显差别。土壤有机碳剖面分布状况说明，增施有机肥处理土壤有机碳含量大于化肥处理；有机肥区MNPK、MNP处理有机碳含量大于MN、M处理；化肥区内N处理有机碳含量大于NPK、NP处理。
2.3 长期不同施肥方式下土壤剖面有机碳储量的演变特征由图 1可见，土壤有机碳储量与土壤有机碳含量剖面分布趋势基本一致，随土层加深而下降，即表现为耕层 > 犁底层≥心土层 > 底土层。长期试验第22年(2003年)耕层有机碳储量最高，为28.7 ~ 45.5 t/hm2；20 ~ 40 cm犁底层下降为20.4 ~ 29.7 t/hm2，比耕层减少了29.0% ~ 40.7%，差异显著；40 ~ 100 cm土层为14.9 ~ 26.8 t/hm2，比耕层减少了48.0% ~ 49.2%，但与犁底层差异不显著；底土层储量最低，为13.0 ~ 18.9 t/hm2，比耕层减少57.1% ~ 58.4%，显著低于心土层。试验第41年(2022年)结果相似，耕层有机碳储量最高，为29.5 ~ 44.3 t/hm2；犁底层下降到24.2 ~ 30.6 t/hm2，比耕层减少了20.0% ~ 22.0%，且差异显著；40 ~ 100 cm心土层比耕层减少了33.2% ~ 51.0%；底土层比耕层减少了48. 0% ~ 57.0%。
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图 1 长期不同施肥方式下土壤有机碳储量 Fig. 1 Soil organic carbon storages under long-term different fertilization methods |
施肥措施对土壤有机碳储量影响很大，尤其是耕层的有机碳储量变化影响很明显，两个采样阶段结果都表现为增施有机肥提高了有机碳储量。MNPK、MNP、MN、M处理比不施有机肥对应的化肥处理分别提高8.8% ~ 29.7%、5.0% ~ 22. 3%、37.1% ~ 43.9% 和50.2% ~ 58.5%。此外，MNPK处理有机碳储量比缺失P、K处理的MN、M两个有机肥处理提高7.1% ~ 20.4% 和21.4% ~ 26.4%；不施肥处理(CK)和单施氮肥处理(N)比氮磷钾化肥搭配组合处理(NP，NPK)有机碳储量提高13.2 ~ 15.0%.
2.4 长期不同管理措施对土壤固碳率的影响与试验前相比，化肥处理耕层土壤有机碳储量1982—2003年减少了3.7 ~ 5.3 t/hm2，年均递减168.3 ~ 240.9 kg/hm2；1982—2022年阶段减少3.0 ~ 4.5 t/hm2，平均递减93.2 ~ 109.8 kg/hm2。增施有机肥提高了耕层土壤有机碳储量，1982—2003年提高了9.6 ~ 11.5 t/hm2，年均递增436.4 ~ 520.2 kg/hm2；1982—2022年增加了8.5 ~ 10.3 t/hm2，年均递增207.3 ~ 256.1 t/hm2 (图 2)。1982—2003年有机肥输入的有机碳为39.0 t/hm2，有机碳固存率为34.1% ~ 43.1%；2004—2022年有机肥输入的有机碳增加至53.31 t/hm2，有机碳固存率为21.6% ~ 27.8% (图 3)。2004—2022年种植制度为小麦∥玉米间作和高产玉米连作，作物产量比1982—2003年时段提高了66.7% ~ 76.3%(表 3)，2004—2022年时段碳固存率减少的结果证明提高了产量就会消耗土壤有机碳。由表 3可见，河西走廊灌漠土上，小麦-小麦-玉米轮作种植制度下，生产1吨粮食消耗有机肥碳平均为121.9 ~ 143.2 kg，增产1吨粮食平均消耗1 220 kg；小麦∥玉米带状间作和高产玉米连作种植制度下，生产1吨粮食消耗有机肥碳141.3 ~ 161.8 kg，增产1吨粮食平均消耗1 742 kg。
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图 2 增施有机肥处理较不施有机肥处理的有机碳储量增加量 Fig. 2 Increase in organic carbon storage by increasing organic fertilizer application compared to no organic fertilizer application |
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图 3 不同阶段有机肥输入的有机碳总量(A)和不同阶段增施有机肥处理较不施有机肥的有机碳固存率(B) Fig. 3 Total organic carbon input of organic fertilizers at different stages (A), and organic carbon sequestration rates of organic fertilizer treatment at different stages compared to no organic fertilizer application (B) |
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表 3 不同施肥处理碳消耗指数 Table 3 Carbon consumption indexes under different fertilization treatments |
本研究表明，长期施肥模式显著影响灌漠土有机碳库动态，土壤有机碳含量及储量表现为有机肥与化肥配施大于化肥单施和不施肥处理。这一结果与灌漠土碳库调控机制密切相关[22-24]。单施氮肥处理及无肥对照因缺乏外源碳输入，导致土壤有机碳持续下降，这与前人研究发现的单施化肥加速有机碳矿化(矿化速率提升15% ~ 22%)[25]、同时通过诱导土壤酸化(pH下降0.3 ~ 0.8单位)促进无机碳损失(12% ~ 18%)[26]的结论相吻合。而有机肥配施体系通过多重机制实现碳库协同增效：首先，外源有机碳输入直接提升有机碳储量(年均增幅0.8 ~ 1.5 g/kg)，有机肥与氮磷钾配施处理土壤有机碳增幅显著高于其他处理[7]；其次，有机质功能基团通过质子络合作用缓解酸化(pH降幅≤0.5单位)[27]，抑制原生碳酸盐溶解，使得无机碳损失量控制在5% ~ 8%[26]。武威市白云试验站18年定位试验进一步证实[28]，有机无机配施通过次生碳酸盐形成和微生物代谢调控，在0 ~ 20 cm耕层实现土壤有机碳显著提升(增幅 > 30%)且总碳储量净增长。本研究结果还显示，耕层(0 ~ 20 cm)土壤有机碳含量最高，土壤有机碳含量与储量随土层加深呈递减趋势，但有机无机配施可缓解这一趋势。前人研究[17]也解释了这一结论，配施通过有机肥的高碳输入与化肥的速效养分协同作用，显著提高表层总有机碳和活性有机碳含量，另外有机肥的腐殖化作用与化肥促发的根系分泌物共同促进了碳的固定。长期配施通过有机碳的垂直迁移与微生物介导的碳转化，提升深层(20 ~ 50 cm)碳库活性。深层碳库的活化可能与配施促进的根系下扎及微生物代谢产物扩散有关[10]。然而，由于本研究中灌漠土黏粒含量低、保水能力差，深层碳的稳定性仍受限于团聚体保护不足，需进一步结合秸秆深翻或生物质炭添加进一步优化。
3.2 不同种植制度对有机碳固存率的影响本研究揭示了西北灌漠土区不同种植制度对农田碳利用效率的显著调控效应。小麦-玉米轮作体系表现出更高的有机碳固存率(38.6%)与更低的单位产量碳消耗量(132.2 kg/t)，而小麦∥玉米间作与玉米连作体系的碳固存效率显著降低(24.7%)，碳消耗量增加至156.6 kg/t。这一差异表明，作物配置通过调控碳输入与输出的动态平衡，深刻影响土壤碳库的稳定性。轮作模式下有机肥的高效固存可能得益于禾本科作物残留物与有机肥的协同作用[29]，其根系分泌物与微生物活动的耦合可能减缓碳矿化速率[30]。在小麦-玉米轮作系统中，小麦秸秆和根系残体的输入能减少土壤表层总有机碳的矿化量，这是由于小麦具有比玉米有机残体更低的土壤有机碳激发效应，降低了土壤基础有机碳的矿化水平[31]。相比之下，间作与连作体系中玉米主导的高生物量生产虽短期内提升产量，但玉米根系分泌物中易分解碳比例较高[32]，可能加速土壤有机碳的矿化损耗，导致碳投入-封存失衡。与黄土高原旱作区研究相比[33]，本研究中灌漠土区碳固存率对种植制度的敏感性更为显著，这可能与该区域土壤黏粒含量低(< 20%)、物理保护能力较弱有关[34]。小麦-玉米轮作通过多样化作物残体输入与有机肥结合，可能促进微团聚体对有机碳的物理封存[35]，而连作玉米的单一残体输入则加剧了碳的氧化损失。尽管有机肥在轮作体系中表现出高效固碳能力，但其长期施用可能因碳氮比失衡而影响微生物代谢路径[36]，需结合秸秆深翻等保护性措施优化碳库管理。从区域农业可持续性视角，当前西北灌区普遍依赖玉米连作以维持高产，但本研究证实其碳消耗量显著高于轮作体系，可能导致土壤碳库持续衰退。因此，推广小麦-玉米轮作并结合有机肥与化肥配施，可在保障产量的同时提升碳利用效率，这与全球倡导的“4‰土壤增碳倡议”目标相契合[37]。未来需进一步量化不同作物配置下根际激发效应与微生物群落演替对碳周转的调控机制，为区域农田碳汇功能提升提供理论支撑。
4 结论在河西走廊灌漠土区干旱寒冷生态条件下，41年长期定位试验(1982—2022年)对0 ~ 200 cm土壤剖面有机碳动态的研究表明，不同施肥措施对土壤有机碳含量的提升效应呈显著差异，其排序为有机肥与氮磷钾配施 > 有机肥单施或与氮肥配施 > 氮肥单施和无肥处理 > 氮磷钾化肥组合；土壤有机碳主要集中在耕层，底土层有机碳含量较耕层显著减少49.4% ~ 69.6%；与小麦//玉米间作或玉米连作相比，小麦–小麦–玉米轮作制度下碳利用效率更高，表现为更高的碳固存率和更低的单位产量碳消耗。综上，有机无机配施可有效提升土壤碳库容量，建议在灌漠土区实行有机无机配施+小麦–小麦–玉米轮作模式。
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2. Institute of Soil, Fertilizer and Water-saving Agriculture, Gansu Academy of Agricultural Sciences, Lanzhou 730070, China;
3. Shaanxi Province Key Laboratory of Bio-resources, School of Biological Science & Engineering, Shaanxi University of Technology, Hanzhong, Shaanxi 723000, China;
4. College of Agronomy and Biotechnology, China Agricultural University, Beijing 100193, China;
5. State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 211135, China