长期施肥对红壤性水稻土有机碳矿化的影响

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吕真真¹^,², 刘秀梅¹^,², 仲金凤³, 蓝贤瑾¹^,², 侯红乾¹^,², 冀建华¹^,², 冯兆滨¹^,², 刘益仁^,¹^,²

1 江西省农业科学院土壤肥料与资源环境研究所,南昌 330200

2 国家红壤改良工程技术研究中心,南昌330200

3 江西省水投生态农业发展有限公司,南昌 330046

Effects of Long-Term Fertilization on Mineralization of Soil Organic Carbon in Red Paddy Soil

Lü ZhenZhen¹^,², LIU XiuMei¹^,², ZHONG JinFeng³, LAN XianJin¹^,², HOU HongQian¹^,², JI JianHua¹^,², FENG ZhaoBin¹^,², LIU YiRen^,¹^,²

1 Institute of Soil Fertilizer and Resource Environment, Jiangxi Academy of Agricultural Sciences, Nanchang 330200

2 National Engineering and Technology Research Center for Red Soil Improvement, Nanchang 330200

3 Watercast Ecological Agriculture Development Company Limited of Jiangxi, Nanchang 330046

通讯作者: 刘益仁,E-mail：jxnclyr@163.com

收稿日期:2019-01-7接受日期:2019-04-8网络出版日期:2019-08-01

基金资助:

国家自然科学基金.31460544
江西省农业科学院创新基金.20162CBS001
江西省现代农业科研协同创新专项.JXXTCX2016003

Received:2019-01-7Accepted:2019-04-8Online:2019-08-01
作者简介 About authors
吕真真,E-mail：lvzhenzhen808@163.com。

摘要
【目的】土壤有机碳矿化是土壤中重要的生物化学过程,与土壤养分释放、土壤质量保持以及温室效应密切相关。揭示稻田生态系统在长期施肥下土壤有机碳固存与矿化特征,旨在正确评价施肥对全球气候变化的影响。【方法】本研究以33年长期定位试验为依托,对红壤性水稻土土壤有机碳累积及矿化动力学特征等进行系统研究。长期定位试验始于1984年,选取其中5个处理：不施肥处理（CK）,施氮磷钾化肥处理（NPK）,施70%化肥+30%有机肥处理（70F+30M）,施50%化肥+50%有机肥处理（50F+50M）,施30%化肥+70%有机肥处理（30F+70M）,于 2017 年早稻种植前采集耕层（0—20 cm）土壤样品,采用室内培养方法,测定土壤碳矿化释放 CO₂-C量和速率等,并采用一级动力学方程拟合土壤潜在可矿化有机碳量（C₀）、易矿化有机碳量（C₁）和周转速率常数等。【结果】各施肥处理均不同程度地提高了土壤总有机碳含量,NPK处理有机碳含量显著高于CK,较CK提高了27.32%。化肥配施有机肥处理（70F+30M、50F+50M 和30F+70M）土壤有机碳显著高于NPK处理（P<0.05）,平均较NPK处理提高了31.31%,以50F+50M和30F+70M处理较为显著。各处理有机碳矿化速率均在培养后的第1天达到峰值且差异显著,排序为50F+50M>30F+70M>70F+30M>NPK>CK,随后下降,11 d之后趋于稳定,稳定后各处理的土壤有机碳矿化速率大小排序为：30F+70M>50F+50M>70F+30M>NPK≈CK。在整个培养期,土壤有机碳矿化速率与培养时间呈对数曲线关系。培养35 d结束后,NPK处理较CK未能显著改变土壤有机碳累积矿化量（P>0.05）,70F+30M、50F+50M和30F+70M处理土壤有机碳累积矿化量显著高于NPK处理（P<0.05）,分别较NPK提高了50.99%、70.85%和86.39%。各处理土壤有机碳累积矿化率（累积矿化量占有机碳总量的比率）变化范围为3%—4%,30F+70M处理显著高于NPK处理（P<0.05）。施肥处理均不同程度地提高了土壤潜在可矿化有机碳量,以30F+70M处理最高,较NPK提高了1.19倍。不同施肥处理较不施肥均未明显改变土壤有机碳周转速率及半周转期。土壤潜在可矿化有机碳量（C₀）、易矿化有机碳量（C₁）、累积矿化量及累积矿化率均显著受土壤有机碳含量及投入碳量的影响,且呈现正相关关系。土壤潜在可矿化有机碳量（C₀）/土壤有机碳比值与所投入碳量呈现显著正相关（P<0.05）;土壤有机碳的周转速率常数（k）与土壤有机碳及投入碳量均未呈现显著性相关性。【结论】长期化肥配施有机肥可有效提高红壤性水稻土有机碳的矿化速率及促进有机碳的积累,并未显著改变土壤有机碳的矿化率,有利于红壤性水稻土的养分供应及固碳。
关键词： 长期有机无机配施;有机碳矿化;碳累积;红壤性水稻土

Abstract

【Objective】Mineralization of soil organic carbon is an essential process of biochemistry in soils, which is closely related to release of soil nutrients, maintenance of soil quality, and greenhouse effect. Revealing the characteristics of soil organic carbon sequestration and mineralization in rice field ecosystem under long-term fertilization are aimed at correctly evaluating the impact of fertilization on global climate change. 【Method】Based on the 33-year long-term stationary experiment, systematic study of soil organic carbon accumulation and mineralization dynamics of red soil double-rice cropping field in red paddy soil was carried out in this paper. Five fertilization treatments were selected form the long-term stationary experiment which began in 1984, including CK (no fertilizer), NPK (application of chemical), 70F+30M (70% NPK plus 30% organic fertilizer), 50F+50M (50% NPK plus 50% organic fertilizer) and 30F+70M (30% NPK plus 70% organic fertilizer). Soil samples from tillage layer (0-20 cm) were collected before early rice planting in 2017. The amount and rate of CO₂-C released by soil carbon mineralization were determined by incubation method. First-order kinetic model was used to calculate potential mineralization (C₀), easily mineralizing organic carbon (C₁) and turnover rates. 【Result】 All the long-term fertilization treatments increased total organic carbon in the 0-20 cm depth of soil. The content of total organic carbon under NPK treatment was significantly higher than that under CK treatment, 27.32% higher than that under CK treatment. Chemical fertilizer combined with organic fertilizer treatments were all higher than that under NPK treatment (P<0.05), which was 31.31% higher than that under NPK treatment on average. The effects of treatments of 50F+50M and 30F+70M were more obvious. The incubation results showed that mineralization rates of soil organic carbon in all the treatments reached the peak value on the first day and the differences were significant, and the order was: 50F+50M>30F+70M>70F+30M>NPK>CK, then they all decreased and stabilized after 11 days. The order of soil organic carbon mineralization rate after stabilization was: 30F+70M>50F+50M>70F+30M>NPK≈CK. During the whole incubation process, the relation between SOC mineralization rate and incubation days followed the logarithm law. After 35 days incubation, compared with CK, NPK treatment did not significantly change soil organic carbon accumulation mineralization (P>0.05). The cumulative mineralized SOC under 70F + 30M, 50F + 50M and 30F + 70M treatments were significantly higher than that under NPK (P<0.05), with increased 50.99%, 70.85% and 86.39%, respectively. The cumulative mineralization rate of soil organic carbon (the ratio of cumulative mineralization to total organic carbon) under all treatments varied from 3% to 4%, and 30F+70M was significantly higher than NPK (P<0.05). The potential mineralizable SOC in soil were enhanced in varying degrees by adding fertilizers, among which 30F+70M was the highest with 1.19 times higher than NPK. Fertilization did not cause significant changes in turnover rate and half turnover period of SOC. C₀, C₁, cumulative mineralization and cumulative mineralization rate were significantly affected by soil carbon and input carbon content, and showed a positive correlation. C₀ / soil organic carbon was positively correlated with input carbon content (P<0.05), and the rotation rate constant (k) of soil organic carbon was not significantly correlated with soil organic carbon and input carbon. 【Conclusion】 In summary, long-term chemical fertilizer combined with organic fertilizer increased mineralization rate and the accumulation of SOC in red paddy soils, but not significantly changed the mineralized SOC to SOC ratio. This was very useful for nutrient supply and carbon sequestration of red paddy soils.

Keywords：long-term combination of organic and inorganic fertilizers;organic carbon mineralization;carbon accumulation;red paddy soil

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吕真真, 刘秀梅, 仲金凤, 蓝贤瑾, 侯红乾, 冀建华, 冯兆滨, 刘益仁. 长期施肥对红壤性水稻土有机碳矿化的影响[J]. 中国农业科学, 2019, 52(15): 2636-2645 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2019.15.008
Lü ZhenZhen, LIU XiuMei, ZHONG JinFeng, LAN XianJin, HOU HongQian, JI JianHua, FENG ZhaoBin, LIU YiRen. Effects of Long-Term Fertilization on Mineralization of Soil Organic Carbon in Red Paddy Soil[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2019, 52(15): 2636-2645 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2019.15.008

0 引言

【研究意义】土壤有机碳是土壤中较为活跃的土壤组分,是土壤养分转化的核心,其含量直接影响土壤肥力^[1],进而影响作物产量^[2]。土壤有机碳还是大气CO₂的源和汇,在全球温室气体（CO₂）的动态变化中扮演着重要角色^[3]。土壤有机碳矿化是土壤中重要的生物化学过程,直接关系到土壤中养分元素的释放与供应、温室气体的形成以及土壤质量的保持等^[4,5]。【前人研究进展】施肥对土壤有机碳活性及其矿化产生重要影响^{[6,7,8,9,10,11,12]},长期定位试验在研究施肥对土壤碳的影响中发挥重要作用。目前国内外****依托定位试验已经开展了众多研究：GHOSH等^[13]对印度酸性土壤的研究表明,长期施化肥及化肥配施有机肥在25℃和35℃培养温度下均显著提高土壤、大团聚体及微团聚体中有机碳累积矿化量。刘丽等^[14]却发现单施化肥对黑土有机碳的累积矿化量并无显著性影响。王雪芬等^[15]在红壤旱地上的研究认为有机肥及化肥配施有机肥较均衡施化肥显著提高土壤有机碳周转速率,缩短半衰期。吴萌等^[16]对重庆紫色土的研究表明,与不施肥处理相比,长期施用氮磷钾肥和秸秆还田配施化肥提高了土壤有机碳的累积矿化量,加快了有机碳的周转速率。马欣等^[17]研究结果表明,施化肥和化肥配施秸秆还田显著降低土壤原有有机碳累积矿化率。【本研究切入点】综上,施肥措施对土壤有机碳矿化的影响因有机肥类型、施用量及其与化肥配施比例而异,即使相同的施肥措施因受气候、土壤母质和耕作等诸多因素的影响,在不同区域、不同土壤类型上对土壤碳的影响也存在差异。南方双季稻区是著名的“鱼米之乡”,该区农业发达,土地垦殖指数高,是我国重要的粮食生产和输出基地,而针对南方红壤性水稻土上长期化肥配施不同比例有机肥对土壤有机碳矿化的研究相对较少。【拟解决的关键问题】本文以1984年建立在江西省南昌市南昌县第四纪亚红黏土母质发育的中潴黄泥田上的肥料长期定位实验为平台,综合研究在等氮量投入,有机-无机肥不同比例配施下红壤区双季稻田土壤有机碳变化及其矿化特征,对于合理调控稻田土壤有机碳库、土壤培肥、减少环境污染及实现农业可持续发展具有重要的理论意义。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

红壤性双季稻长期定位试验位于江西省农业科学院试验农场内,地处江西省南昌市南昌县（N28°57′,E115°94′）,海拔高度25 m。地处中亚热带,隶属鄱阳湖气候区,年平均气温17.5℃,≥10℃积温5 400℃,年降雨量1 600 mm,年蒸发量1 800 mm,无霜期约280 d。试验基地土壤为第四纪亚红黏土母质发育的中潴黄泥田,作物种植采用一年两熟双季稻（早稻-晚稻）种植制度,具有广泛区域代表性。试验开始前耕层（0—20 cm）土壤基本理化性质：有机质含量25.6 g·kg^-1,全氮1.36 g·kg^-1,全磷0.49 g·kg^-1,碱解氮81.6 mg·kg^-1,有效磷20.8 mg·kg^-1,速效钾30.5 mg·kg^-1,缓效钾240 mg·kg^-1,阳离子交换量7.54 cmol·kg^-1,pH 6.50,容重1.25 g·cm^-3。

1.2 试验设计

试验始于1984年,选取其中5个处理,3次重复,随机区组排列,小区面积为33.3 m²,小区间以0.50 m深和0.50 m宽的水泥田埂隔开,各小区独立排灌。每年4月中下旬移栽早稻,7月中旬收获;7月下旬移栽晚稻,10月下旬收获。试验处理：（1）不施肥（CK）;（2）氮磷钾化肥（NPK）;（3）70%化肥+30%有机肥（70F+30M）;（4）50%化肥+50%有机肥（50F+50M）;（5）30%化肥+70%有机肥（30F+70M）。处理3、4、5中30%、50%及70%分别表示30%、50%和70%的N由有机肥提供,P和K用化肥补足。所有处理秸秆均不还田,留茬高度为15 cm。早、晚稻施用有机肥品种分别为紫云英和腐熟猪粪,紫云英N、P₂O₅、K₂O和C含量分别为0.33%、0.08%、0.23%和5.2%,腐熟猪粪分别为0.45%、0.19%、0.60%和13.76%。早、晚稻具体施肥量见表1。

Table 1
表1
表1不同施肥处理的肥料纯养分施用量
Table 1Mean annual application rates of net nutrients during the run of experiment (kg·hm^-2)

处理Treatment	作物 Crop	基肥 Planting time							幼穗分化肥 Panicle differentiation stage
		过磷酸钙 Superphosphate (P₂O₅)	紫云英（早稻）或猪粪（晚稻） Chinese milk vetch (early rice) or pig manure (late rice)			尿素 (N) Urea	尿素 (N) Urea	氯化钾 Potassium chloride (K₂O)	尿素 (N) Urea	氯化钾 Potassium Chloride (K₂O)
		过磷酸钙 Superphosphate (P₂O₅)	(N)	(P₂O₅)	(K₂O)	尿素 (N) Urea	尿素 (N) Urea	氯化钾 Potassium chloride (K₂O)	尿素 (N) Urea	氯化钾 Potassium Chloride (K₂O)
CK	早稻 Early rice	0	0	0	0	0	0	0	0	0
CK	晚稻 Late rice	0	0	0	0	0	0	0	0	0
NPK	早稻 Early rice	60.0	0	0	0	74.9	37.4	75.0	37.4	75
NPK	晚稻 Late rice	60.0	0	0	0	89.8	44.9	75.0	44.9	75
70F+30M	早稻 Early rice	48.0	44.3	11.7	33.7	52.9	26.4	58.2	26.4	58.2
70F+30M	晚稻 Late rice	37.2	54.0	22.8	72.0	63.1	31.6	39.1	31.6	39.1
50F+50M	早稻 Early rice	40.2	74.9	19.8	56.9	37.4	18.7	46.8	18.7	46.8
50F+50M	晚稻 Late rice	22.0	90.1	38.0	120.2	44.9	22.5	15.0	22.5	15.0
30F+70M	早稻 Early rice	33.0	103.9	27.4	78.9	23.0	11.5	35.7	11.5	35.7
30F+70M	晚稻 Late rice	6.8	126.0	53.2	168.0	30.0	12.2	0	12.2	0

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1.3 土壤样品采集及分析方法

于2017年早稻种植前,采用多点混合取样法在各小区采集0—20 cm土层土壤样品,剔除石块、植物残根等杂物,混合装袋带回实验室。一部分土壤样品进行自然风干,研磨、过筛分装以备测定土壤有机质和全氮;另一部分土壤样品进行土壤矿化培养试验。有机质（OM）用油浴加热-重铬酸钾容量法,全氮(TN）用凯氏定氮法测定^[18]。

1.4 土壤有机碳矿化培养试验

土壤有机碳矿化培养采用碱液吸收法：称取 25 g过2 mm筛的新鲜土样,用蒸馏水调节含水量至田间最大持水量的60%,平铺于广口瓶中,将25 mL小烧杯小心悬挂于橡胶塞上,将10 mL 1 mol·L^-1NaOH 溶液加入小烧杯中,广口瓶加盖密封,于25℃恒温培养箱中培养35 d。每个土样设置3次重复,同时设置4个空白对照。在培养后的第1、2、3、4、5、6、7、10、14、17、21、28、35天取出小烧杯,将小烧杯中的NaOH钠溶液完全转移至250 mL锥形瓶中,于每个锥形瓶中加入1 mol·L^-1的Bacl₂溶液2 mL和以及酚酞指示剂2滴,用0.5 mol·L^-1 HCl滴定至红色消失,记录滴定HCl用量。根据CO₂释放量计算培养期内有机碳矿化量。培养过程中用称重法定期矫正土壤含水量,每天定期开口换气30 min。

土壤有机碳矿化量CO₂-C （mg·kg^-1） = 1/2C_HCl×（V₀ -V）×12/m

式中,C_HCl为盐酸浓度（mol·L^-1）;V₀为空白滴定值9 mL);V 为消耗盐酸的体积（mL）;m为干土重（g）。

土壤有机碳矿化速率CO₂-C（mg·kg^-1·d^-1） = 培养时间内有机碳矿化量（CO₂-C mg·kg^-1）/培养天数。

累积矿化量CO₂-C（mg·kg^-1）：从培养开始到某一时间点土壤 CO₂-C总释放量。

累积矿化率（%）：到某一时间点的土壤累积矿化量CO₂-C占土壤总有机碳的百分比。

土壤 SOC 的矿化采用一级反应方程模拟：C_t =C₀（1-e ^-kt）+C₁。

式中,C_t为时间t(d）内累积矿化的CO₂-C（mg·kg^-1）;C₀为土壤潜在可矿化有机碳量CO₂-C（mg·kg^-1）;k有机碳库的周转速率常数（d^-1）;C₁为易矿化有机碳量CO₂-C（mg·kg^-1）;半周转期 T 1/2 = ln2/k,其中C_t 为测定值,C₀、C₁及k均由模拟得出。

1.5 数据统计

试验数据采用 SPSS 19.0 进行方差分析和LSD差异显著性检验,比较不同处理间在P<0.05 水平的显著性差异;用 Excel 2010 作图,Sigmaplot12.2 进行一级动力学方程拟合。

2 结果

2.1 不同施肥处理土壤总有机碳及投入碳

连续33年施肥种植条件下,各施肥处理的土壤有机碳含量均显著高于不施肥处理（P<0.05）（图1）。NPK处理有机碳含量显著高于CK,较CK提高了27.32%;配施有机肥处理土壤有机碳显著高于NPK处理（P<0.05）,平均较NPK处理提高了31.31%。其中以50F+50M和30F+70M处理效果最优,50F+50M和30F+70M处理显著高于70F+30M,分别提高了11.84%和15.82%。NPK处理累积投入碳显著高于CK,较CK增加68.51%;配施有机肥处理投入碳显著高于NPK处理,分别较NPK增加了0.80、1.29和1.83倍;随配施有机肥比例的升高,投入碳显著增加（P<0.05）。

图1

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图1不同处理土壤有机碳含量和投入碳量

柱上不同字母表示处理间有显著差异（P<0.05）。下同
Fig. 1Soil organic carbon contents and input carbon under different treatments

Different letters above the bars mean significant difference (at 0.05 levels) between treatments. The same as below

2.2 不同施肥处理土壤有机碳矿化过程

各处理有机碳矿化速率及有机碳累积矿化量与培养时间的动态变化关系基本相似（图2-a和图2-b）,在初始培养阶段即培养后的第1天达到峰值,且各处理间的最大值差异显著,排序为50F+50M>30F+70M>70F+30M>NPK>CK（P<0.05）。

图2

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图2不同施肥处理下土壤有机碳矿化速率及累积矿化量

图2-a中,y：CO₂-C产生速率（mg·kg^-1·d^-1）;x：培养天数（d）;^*,^**分别表示相关性达显著（P<0.05）和极显著水平（P<0.01）。下同
Fig. 2Mineralization rate and cumulative mineralization of SOC relative to different treatments

在培养的前2 d,CO₂的产生速率处于较高水平,施化肥和有机-无机配施处理的矿化速率在培养的前11 d随培养时间呈现波浪式递减趋势;在培养的第11 天时,有机碳矿化率仅为开始的1/3,11 d之后矿化速率呈现平缓变化趋势,维持在较低水平,稳定的矿化速率变化范围为10—20 mg·kg^-1·d^-1。稳定后各处理的土壤有机碳矿化速率大小排序为：30F+70M>50F+ 50M>70F+30M>NPK≈CK。在整个培养期,总体上有机碳矿化速率与培养天数呈现对数曲线关系（图2-a）。

培养结束时,NPK处理的土壤有机碳累积矿化量与CK差异不显著（P>0.05）。有机-无机配施的3个处理土壤有机碳累积矿化量显著高于NPK（P<0.05）（图3）,分别较NPK提高了50.99%、70.85%和86.39%;30F+70M显著高于70F+30M（P<0.05）,提高了23.44%。各处理土壤有机碳累积矿化率变化范围不大（3%—4%）,仅30F+70M与NPK处理差异达显著性水平（P<0.05）。

图3

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图3培养35 d土壤累积有机碳矿化量及矿化率

Fig. 3Cumulative mineralization and cumulative mineralization rate of soil organic carbon during the 35 days of incubation

2.3 不同施肥处理土壤有机碳矿化的动力学特征

长期施肥改变了土壤有机碳矿化动力学参数（表2）。NPK处理较CK未能显著改变土壤潜在可矿化有机碳量（C₀）。70F+30M、50F+50M和30F+70M较NPK均显著提高了C₀值（P<0.05）,平均提高了91.6%,以30F+70M提升效果最为显著,较NPK提高了1.19倍。30F+70M 处理的C₀值显著高于70F+30M和50F+50M处理（P<0.05）,分别较后两者提高了30.99%和32.95%。无机-有机配施可有效提升土壤潜在可矿化有机碳含量,占土壤有机碳总量（C）的4.47%—5.74%。同样,施肥处理均不同程度地提高了土壤易矿化有机碳量（C₁）。其中,50F+50M和30F+70M处理具有较高的C₁值,均显著高于其他处理（P<0.05）,平均分别较CK、NPK和70F+30M处理提高5.77、1.61和0.74倍。施肥均未对土壤有机碳的周转速率常数（k）及半衰期产生影响。

Table 2
表2
表2土壤有机碳矿化的动力学参数
Table 2Parameters of kinetics under different fertilization treatments

处理Treatments	C₀	k	T_1/2	C₁	C₀/C
CK	568.73c	0.033a	21.0a	10.52c	4.53b
NPK	583.60c	0.040a	17.3a	27.24bc	3.66c
70F+30M	974.37b	0.039a	17.8a	40.89b	5.08ab
50F+50M	960.02b	0.036a	19.3a	76.92a	4.47bc
30F+70M	1276.31a	0.030a	23.1a	65.46a	5.74a

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2.4 有机碳矿化对土壤碳及投入碳的响应

分析土壤有机碳矿化特征及矿化动力学参数与土壤有机碳及投入碳之间的相关关系发现（表3）,在25℃培养条件下,C₀、C₁、C_t及C_t/C均显著受土壤碳及投入碳的影响,且呈现正相关关系（P<0.05）;C₀/C与土壤有机碳含量相关性不显著（P>0.05）,而与投入碳量呈现显著正相关（P<0.05）;土壤有机碳的周转速率常数（k）与土壤有机碳及投入碳量均未呈现显著性相关性。

Table 3
表3
表3土壤有机碳矿化参数与土壤碳及投入碳的相关性
Table 3Correlation coefficients between parameters of soil organic carbon mineralization and soil C input carbon

	C₀	k	C₁	C₀/C	C_t	C_t/C
土壤碳 Soil carbon	0.87**	-0.17	0.88**	0.47	0.95**	0.63*
投入碳Input carbon	0.94**	-0.33	0.86**	0.62*	0.96**	0.70**

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3 讨论

3.1 长期施肥对土壤有机碳库的影响

国内外****在化肥施用对土壤总有机碳含量的影响方面进行了大量研究,研究结果形成了3种不同的观点：单施化肥可有效提高土壤有机碳含量^[5,19];长期施用化肥导致土壤总有机碳亏损^[20];长期施用化肥使土壤总有机碳基本保持稳定不变^[11]。其原因可能与其研究区域的气候和土壤原始有机碳状况有关,谢军飞等搜集关于长期施用化肥对土壤有机碳含量影响的文献进行Meta分析,结果表明在土壤有机碳含量高于 5.83 g·kg^-1的条件下,长期施用化肥能有效地提高土壤有机碳含量^[21]。本研究中,33年在红壤性水稻土上施用化肥（NPK）,土壤有机碳含量显著高于不施肥,提高了27.32%。其原因主要在于施用化肥促进早晚稻生长,直接增加地上和地下部生物量,增加作物根茬及根系分泌物归还量,进而提高土壤总有机碳含量。本试验结果还表明,化肥配施不同比例有机肥均有效提高耕层土壤总有机碳含量,较NPK提高了0.80—1.83倍。王朔林等^[5]在栗褐土上研究表明,化肥配施低量（22.5 t·hm^-2·a^-1）和高量有机肥45 t·hm^-2·a^-1（当地圈肥）较不施肥土壤有机碳提升77.8%—166.8%;王振等^[11]在黄壤性水稻土研究得出,低量（30.55 t·hm^-2·a^-1）和高量（61.10 t·hm^-2·a^-1）有机（牛厩肥）无机配施的土壤有机碳分别提高了30.6%—72.9%和38.1%—82.8%。GHOSH等^[19]在印度紫色土研究表明,NPK+FYM（农家肥5 t·hm^-2·a^-1）的土壤有机碳较CK和NPK分别提高138%和19%。因为施用有机肥一方面提高作物生物量和根茬归还量;另一方面直接为土壤提供了有机碳源。对比以上不同研究者的研究结果发现,配施有机肥提升土壤耕层有机碳的效果受投入碳源种类及投入量、土壤类型、种植制度等因素影响。

3.2 长期施肥对土壤有机碳矿化速率及累积矿化量的影响

施肥通过改变土壤微生物群落结构、数量及活性影响土壤有机碳的矿化过程^[22]。本研究中在培养的第1 天,土壤有机碳矿化速率最高,随后逐渐下降直至达到稳定。主要因为在矿化初期,土壤中存在易分解的糖类、蛋白质等有机物,快速分解释放养分,为微生物代谢提供充足的营养物,随着可供微生物代谢的易分解有机碳的矿化,营养源不断减少,营养物的供应逐渐成为限制微生物活性的关键因素,有机碳的矿化速率随之下降直至处于相对稳定的较低水平^[23]。整个培养期,各处理土壤有机碳矿化速率与培养天数呈对数函数关系,与郭振等^[11]和王朔林等^[5]的研究结果一致。

众多研究表明,长期施用有机肥或有机无机肥配施处理下土壤有机碳累积矿化量高于不施肥和施化肥处理^{[5, 11, 19]},本研究结果同样证实了该结论。主要原因是长期施用有机肥显著增加土壤有机碳含量,且对土壤活性有机碳的贡献较大^[24],增加了土壤中可用于矿化的底物;另一方面施入的有机肥中自身含有大量有机质和微生物、酶等多样的生物活性物质,能够加速土壤中新输入和原有有机碳分解^[25]。但关于施化肥对土壤有机碳累积矿化量的影响则结论不一。王朔林等^[5]对栗褐土有机碳矿化的研究中提出,长期施用化肥的土壤有机碳累积矿化量高于不施肥,其原因是试验土壤pH较高,肥力低下,长期施用化肥一方面改善土壤理化性质,增加了土壤生物归还量;另一方面,降低pH值更有利于微生物的生长繁殖,提高土壤微生物量。李英臣等^[26]认为化肥输入降低了土壤有机碳累积矿化量,原因是化肥导致土壤酸化,降低了土壤微生物活性。本试验中,施NPK化肥处理土壤有机碳累积矿化量高于CK,但差异未达显著性水平,原因可能是,土壤有机碳矿化主要受微生物活性的影响。而我们前期研究结果表明,长期施化肥未显著提高微生物生物量^[27]。在本研究中,化肥配施不同比例有机肥处理土壤总有机碳量及累积矿化量均显著高于CK,表明化肥与有机肥配合施用增加了土壤有机碳库容并促进了土壤有机碳的矿化。但70F+30M和50F+50M处理的累积矿化率较CK并未显著增加。因此,在红壤性水稻田上长期化肥配施中、低比例有机肥更有利于土壤养分供应和有机碳的固持。

3.3 长期施肥对土壤有机碳矿化参数的影响

本试验中,长期化肥配施有机肥处理的土壤中潜在可矿化有机碳量均显著高于施化肥和不施肥处理,且以化肥配施70%有机肥最优,与郭振等^[11]研究结果一致。原因主要是,有机肥长期施用增加土壤有机碳总量及土壤中活性有机碳的含量效果较明显^[28,29],为土壤微生物提供充足的可供代谢利用的碳源和营养元素,促进微生物的生长繁殖。陈吉等^[30]对潮土,郭振等^[11]对黄壤性水稻土,马天娥等^[31]对半干旱黄土在长期不同施肥措施下土壤有机碳矿化的研究中发现,长期施肥处理对土壤有机碳矿化速率常数（k）及半周转期未产生显著影响。本试验中也发现施化肥及化肥配施不同比例有机肥处理的k及半周转期与不施肥处理差异均不显著。由此可见,施肥措施并不能显著改变土壤有机碳周转速率常数。但不同成土母质发育土壤的土壤有机碳周转速率常数变化范围不同,推测其可能与土壤母质有很大关系,李顺姬^[23]等也得出同样推测。

4 结论

长期施用化肥和化肥配施不同比例有机肥可显著提高红壤性水稻田土壤总有机碳含量,其中化肥与有机肥配施尤其是与50%和70%的有机肥配施效果更为显著。土壤有机碳矿化速率与培养天数呈显著或极显著对数函数关系。长期化肥配施不同比例有机肥均可显著提高土壤有机碳矿化速率、累积矿化量、潜在可矿化有机碳量和易矿化有机碳量,但累积矿化率、周转速率及半周转期较不施肥未明显改变,因此化肥配施有机肥更有利于红壤性水稻土壤有机碳的固持。

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研究长期不同施肥措施下旱作农田土壤有机碳的矿化特征及其温度敏感性可为加深理解土壤碳循环过程提供理论依据。本文以半干旱黄土区粮豆轮作体系为研究对象, 通过两种不同温度(15 ℃和25 ℃)的室内培养试验, 分析了长期不同施肥措施下土壤有机碳矿化的动力学特征及其温度敏感性。研究结果表明, 土壤有机碳矿化速率在培养初期较高, 之后缓慢下降。施肥措施和培养温度对土壤有机碳矿化均具有显著影响。与不施肥对照(CK)相比, 在15 ℃培养条件下, 长期单施磷肥(P)、氮磷配施(NP)和氮磷有机肥配施(NPM)处理的土壤有机碳累积矿化量(Cmin)分别增加41%、85%和89%, 在25 ℃培养条件下, 分别增加7%、46%和77%。另外, 与CK处理相比, P、NP和NPM处理土壤有机碳矿化的温度敏感性(Q10)分别降低25%、21%和6%。施肥改变了土壤有机碳矿化的动力学参数, 其改变程度与施肥种类和培养温度有关。与CK处理相比, 在15 ℃培养条件下, P、NP和NPM处理的土壤潜在矿化有机碳量(Cp)分别增加29%、65%和48%; 在25 ℃培养条件下, NP和NPM处理的Cp分别增加2%和21%, 而P处理则减少36%。不同施肥处理土壤有机碳矿化速率常数(k)在15 ℃培养条件下变化较小, 在25 ℃培养条件下则有较大幅度的增加。在25 ℃培养条件下, Cmin和Cp随土壤有机碳和全氮含量的增加而显著增加。可见, 长期施肥显著促进了半干旱黄土区粮豆轮作体系土壤有机碳的矿化, 减弱了土壤有机碳矿化的温度敏感性。

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, ZHANG

X C

. Mineralization characteristics of soil organic carbon under long-term fertilization management
Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2016,24(1):8-16. (in Chinese)

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