0 引言
【研究意义】土壤有机碳对土壤的物理、化学和生物化学过程起着重要的调控作用[1],不仅是评价土壤肥力的重要指标,也是全球碳循环的重要组成部分。不同物理-化学-生物保护机制的有机碳具有不同的生物有效性和肥力效应[2]。研究长期施肥下黄壤性水稻土不同保护机制有机碳组分的变化特征,可为西南地区农田土壤固碳潜力的评估和地力提升的技术选择提供科学依据。【前人研究进展】目前,关于长期施肥下土壤有机碳的演变特征已有不少报道。如康日峰等[3]对东北黑土区17个国家级耕地质量长期监测数据进行分析,结果表明农田土壤经过10—26年的演变,土壤有机质含量整体呈上升趋势,较监测前显著提高了33.9%。胡明芳[4]研究了长期施肥下鄱阳湖区双季稻田土壤有机碳的演变规律,结果表明土壤有机碳含量在有机肥处理下随施肥年限呈上升趋势,与徐明岗等[5]对中国41个长期定位施肥试验土壤有机质变化规律的研究一致。GATTINGER等[6]****也对有机肥处理后0—20 cm 耕层的有机碳（SOC）储量进行了估算,表明SOC的累积速率为0.24—0.46 t·hm-2·a-1。刘骅等[7]分析了18年不同施肥模式下灰漠土有机碳组分含量的演变特征,结果表明长期有机无机肥配施处理下各有机碳组分呈显著增加趋势。国内****在研究长期施肥下黑土、棕壤和红壤等不同类型土壤有机碳及其组分变化时表明,有机碳组分的转化和累积因分组方法的不同而有所差异。目前研究者大多是根据土壤有机碳周转速率的快慢及其控制转化的因素而分成不同的独立组分[8-9],如颗粒有机碳、重组有机碳和易氧化有机碳等,但这些单独的有机碳组分只能反应在单一的分组方法中该组分有机碳库的变化,并不能很好的反应不同保护机制土壤有机碳的累积和转化过程以及物理、化学和生物学分组的联合效应[7]。如SLEUTEL等[10]在研究土壤颗粒有机碳对长期施肥的响应时提出,由于表面化学性质不同,因而其结合有机碳的量及其抗分解能力也存在本质区别。ANDERSON等[11]早期研究结果也表明,土壤有机碳中50%左右与土壤颗粒相结合,主要表现为与粗黏粒组分相结合。鉴于此,STEWART 等[2,12]按照有机碳不同的固存机制提出了物理-化学联合分组方法,将有机碳分成物理、化学和生物化学保护等各种保护机制的组分,该方法强调土壤团聚体和矿物在土壤有机碳固存和转化中的作用,为研究有机碳的变化特征和转化过程提供了先进方法。【本研究切入点】目前国内外对长期施肥下土壤有机碳演变特征的研究主要集中在表层土壤及颗粒有机碳上,分组方法主要针对某个物理或化学分组,与土壤有机碳稳定机制的联系不够,对不同保护机制土壤有机碳组分的差异及演变特征的研究较少。本研究在前期所揭示的长期施肥对黄壤性水稻土组分有机碳（游离活性、物理保护、化学保护、生物化学保护有机碳）含量的影响以及组分碳含量与年均碳投入量的关系[13]的基础上,进一步揭示不同稳定性有机碳在时间序列上的演变特征,并探究其未来的变化趋势。【拟解决的关键问题】本研究以贵州黄壤性水稻土为对象,结合长期定位试验和室内分析,采用土壤有机碳物理-化学联合分组方法,测定并分析团聚体间未保护游离活性有机碳（粗颗粒有机碳和细颗粒有机碳）、微团聚体内物理保护有机碳及矿物结合态有机碳（化学保护和生物化学保护有机碳）的含量与分布状况,分析土壤团聚体和矿物结合体在土壤有机碳固存和转化中的作用机制,阐明不同施肥措施下黄壤性水稻土组分有机碳随施肥时间的变化速率及施肥对土壤有机碳库提升的贡献,为了解长期施肥下黄壤性水稻土有机碳的稳定机制和筛选有利于提升碳储量的最优施肥模式提供理论基础。1 材料与方法
1.1 试验地概况
长期试验地位于贵州省贵阳市小河区贵州省农业科学院内（106°39′52′′E,26°29′49′′N）,地处黔中丘陵区,属亚热带季风气候,平均海拔1 071 m,年均气温15.3℃,年均日照时数1 354 h左右,相对湿度75.5%,全年无霜期270 d左右,年降水量1 100—1 200 mm。试验地为黄壤性水稻土,成土母质为三叠系灰岩与砂页岩风化物。该长期定位试验始于1995年,1994年采集基础土样,其耕层（0—20 cm）土壤基本性质为：有机质31.15 g·kg-1,全氮1.76 g·kg-1,全磷2.3 g·kg-1,全钾13.84 g·kg-1,碱解氮134.4 mg·kg-1,有效磷21.1 mg·kg-1,速效钾157.9 mg·kg-1,pH为6.6。1.2 试验设计
该长期试验地共有11个处理。本研究根据需要选取其中的5个施肥处理：对照（CK）、单施化肥（NPK）、单施有机肥（M）、低量有机无机肥配施（0.5MNPK）和高量有机无机肥配施（MNPK）处理。试验采用大区对比试验,小区面积201 m2（35.7 m×5.6 m）,不设重复。供试化肥为尿素（含N 46%）、过磷酸钙（含P2O5 16%）、氯化钾（含K2O 60%）;有机肥为牛厩肥,平均含C 413.8 g·kg-1、N 2.7 g·kg-1、P2O5 1.3 g·kg-1、K2O 6.0 g·kg-1。NPK处理年施用N 165 kg·hm-2、P2O5 82.5 kg·hm-2、K2O 82.5 kg·hm-2,M处理年施用有机肥61.1 t·hm-2;0.5MNPK处理的施肥量等于M处理加NPK处理施肥量的1/2,MNPK处理的施肥量等于M处理加NPK处理的施肥量,NPK处理、M处理和0.5MNPK处理的施氮量相同。每年根据有机肥的养分含量来调节化学氮肥的施用量,具体施肥量如表1所示。种植制度为一年一季水稻,在水稻播种前按处理分别施用氮磷钾肥或配施有机肥作基肥,在水稻生长期中追施2次尿素。2002—2006年由于试验基地灌溉设施损毁,无法满足水稻种植,改种玉米,其他时间种植水稻。水稻于每年4月中下旬插秧,10月中下旬收割。种植的水稻品种如下：金麻粘（1995—1998年）、农虎禾（1999—2001年）、香两优875（2007—2008年）、汕优联合2号（2009年）和茂优601（2010—2014年）。Table 1
表1
表1各处理的纯养分年施用量
Table 1Net nutrient application rates in the treatments
| 处理 Treatment | 牛厩肥 Cow manure (t·hm-2) | N (kg·hm-2) | P2O5 (kg·hm-2) | K2O (kg·hm-2) |
|---|---|---|---|---|
| CK | 0 | 0 | 0 | 0 |
| NPK | 0 | 165.0 | 82.5 | 82.5 |
| 0.5MNPK | 30.6 | 165.0 | 81.0 | 224.6 |
| M | 61.1 | 165.0 | 79.4 | 366.6 |
| MNPK | 61.1 | 330.0 | 161.9 | 449.1 |
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1.3 土壤样品的采集与历史土壤样品的收集
2014年10月水稻收获后,采集各小区 0—20 cm 耕层土壤样品：将各小区等分为3个样块（67 m2）,每个样块均匀布点采集5点组成一个混合样,每个小区采集3个土壤样品作为3次重复。除去动、植物残体后混匀,待土壤样品风干后过孔径2 mm筛,备用。同时收集2006年、2008年、2010年和2012年水稻收获后的历史土壤样品,其采集和制备方法同上。历史土壤样品在风干后密封保存于自封袋中,保存过程由于微生物活动引起的有机碳消耗微小,因此忽略其对土壤中有机碳的影响。1.4 土壤有机碳分组及测定方法
土壤有机碳分组方法参考STEWART等[2, 12]的方法,将土壤有机碳分为4个碳库,即游离活性有机碳（cPOM、fPOM）、物理保护有机碳（iPOM）、化学保护有机碳（H-dClay、H-dSilt、H-μClay、H-μSilt）和生物化学保护有机碳（NH-dClay、NH-dSilt、NH-μClay、NH-μSilt）,具体操作步骤如下。第一步为团聚体分组：将过2 mm筛的风干土样置于微团聚体分离器套筛的顶部筛上（上层 250 μm,下层53 μm）,加入30个玻璃珠（4 mm）,待分离器上下震荡分散20 min后,留在250 μm筛上的组分为粗颗粒有机碳（cPOM）,在53 μm筛上的为微团聚体部分,过53 μm筛的为游离态黏粉粒组分,然后将<53 μm的组分分别于900 r/min下离心7 min和3 200 r/min下离心15 min分离出游离态粉粒组分（d-Silt）和游离态黏粒组分（d-Clay）。
第二步为密度分组：将第一步得到的微团聚体部分采用1.70 g·cm-3的碘化钠重液浮选,漂浮物为细颗粒有机碳（fPOM）,重组部分采用5 g·L-1的六偏磷酸钠溶液分散18 h后,过53 μm的筛,留在筛上的为物理保护有机碳（iPOM）,过53 μm筛的为闭蓄态黏粉粒组分,然后将<53 μm的组分同第一步用离心法分离出闭蓄粉粒组分（μ-Silt）和闭蓄黏粒组分（μ-Clay）。
第三步为酸解过程：将所有粉粒和黏粒组分在95℃条件下于25 mL 6 mol·L-1的HCl中回流16 h,滤去酸解溶液,残渣为非酸解部分,即生物化学保护有机碳组分（NH-Silt和NH-Clay）,而酸解部分为全组分和非酸解组分之差,得到化学保护有机碳组分（H-Silt和H-Clay）。
所有组分均采用元素分析仪（利曼公司,EA3000）测定含碳量。
1.5 数据分析
数据整理和作图采用Excel 2016,统计分析采用SPSS 24.0。所有土壤测定结果均以 3 次测定结果的平均值表示。不同施肥处理之间的差异采用最小显著差数法（LSD）进行显著性检验（P<0.05）。采用线性函数对土壤总有机碳及其组分含量与施肥年数的关系进行拟合,以方程的斜率表示其年均变化速率,并对方程的显著性进行检验。2 结果
2.1 土壤总有机碳
由图1可以看出,施用有机肥（M、0.5MNPK和MNPK）19年后土壤总有机碳含量明显高于单施化肥处理（NPK,24.63 g·kg-1）和不施肥处理（CK,23.87 g·kg-1）（P<0.05）,总有机碳提升15%—39%,其中以常量有机无机配施（MNPK）的提升幅度最高。拟合分析发现,2006—2014年间,4个施肥处理的土壤有机碳含量随时间均呈增加趋势,且有机肥处理的线性增加趋势比单施化肥（NPK）处理更为明显,不施肥处理随时间无明显变化（表2）。施用有机肥（M、0.5MNPK和MNPK）处理的土壤总有机碳含量的年均增加速率（0.59—0.62 g·kg-1·a-1）分别为不施肥（CK）及单施化肥（NPK）处理的1.5—1.6倍和3.5—3.7倍。说明长期施用有机肥能够显著地增加土壤有机碳含量。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1黄壤性水稻土2006—2014年期间施用不同肥料土壤有机碳的变化
-->Fig. 1The change of organic carbon in yellow paddy soil in different fertilizers during 2006 to 2014
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Table 2
表2
表2长期施肥下黄壤性水稻土2006—2014年期间总有机碳及其组分含量的年均增加速率
Table 2The annual increasing rate of soil organic carbon and its fractions contents in yellow paddy soil under long-term fertilization from 2006 to 2014
| 处理 Treatment | 总有机碳 SOC | 游离活性有机碳 Unprotected C | 物理保护有机碳 Physically-protected C | 化学保护有机碳 Chemically-protected C | 生物化学保护有机碳 Biochemically-protected C |
|---|---|---|---|---|---|
| CK | 0.17 | -0.02 | 0.02 | 0.01 | 0.12 |
| NPK | 0.39 | 0.25 | 0.02 | 0.00 | 0.13* |
| M | 0.62 | 0.38 | 0.08** | 0.10* | 0.15 |
| 0.5MNPK | 0.59** | 0.33** | 0.07** | 0.07 | 0.12* |
| MNPK | 0.61* | 0.47 | 0.09* | 0.17* | 0.09 |
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2.2 土壤有机碳组分
本研究采用单位质量土壤样品中各组分有机碳的含量来表示各组分有机碳的量。从图2可以看出,与不施肥（CK）及单施化肥（NPK）处理相比,施用有机肥（M、0.5MNPK和MNPK）显著增加了土壤游离活性、物理保护、化学保护有机碳含量（P<0.05）,依次提升18%—61%,30%—44%,其中以常量有机无机配施（MNPK）的提升幅度最高。2006—2014年间,4个施肥处理的土壤有机碳组分随时间均呈增加趋势,除生物化学保护有机碳外,其余组分有机碳的有机肥处理的线性增加趋势明显优于单施化肥（NPK）处理,不施肥处理随时间无明显变化。施用有机肥（M、0.5MNPK和MNPK）处理的土壤游离活性、物理保护、化学保护有机碳含量的年均增加速率和平均增幅均高于不施肥（CK）及单施化肥（NPK）处理,其中以常量有机无机配施（MNPK）的提升幅度最高（表2）。总体可以看出,长期不施肥处理仅有根茬的碳投入和单施化肥处理较施用有机肥处理还不能完全维持有机碳库的周转,不利于土壤有机碳组分的积累。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图2长期施肥下黄壤性水稻土2006—2014年期间土壤中各有机碳组分的变化
-->Fig. 2The change of soil organic carbon fractions in yellow paddy under long-term fertilization during 2006 to 2014
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2.3 土壤有机碳组分的分配比例
不同年份下,土壤游离活性有机碳占总有机碳的比例最高,为58%—63%,其次为生物化学保护有机碳（18%—21%）和化学保护有机碳（13%—15%）,物理保护有机碳所占比例最低,为5%—6%（图3）。游离活性有机碳含量是其他组分含量的3—14倍。可见,游离活性有机碳是总有机碳中最重要的组分。不同施肥处理相比较,NPK处理与CK处理的各组分有机碳分配比例差异不明显,而相比之下,有机肥处理（M、0.5MNPK和MNPK）的游离活性有机碳比例较高,化学保护有机碳和生物化学保护有机碳比例较低。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图3长期施肥下土壤各组分有机碳占总有机碳的比例（5个年份平均值）
-->Fig. 3Proportions of carbon fractions to total carbon under long-term fertilization (average of 5 years data)
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3 讨论
3.1 长期施用NPK肥对土壤有机碳组分的影响及其机理
土壤有机碳的演变是一个长期复杂的过程,这一过程受诸多因素的影响,其中施肥是调控土壤有机碳的重要措施之一[14]。本研究表明在所有处理中,游离活性有机碳的占比较高。究其原因为,土壤游离活性有机碳属于高活性有机碳组分,由未保护粗颗粒有机碳和未保护细颗粒有机碳组成,主要包括作物根系残茬和动植物残体,同时又是微生物分解的最主要部分[7],常被作为有机碳变化的指标之一[15],所以游离活性有机碳的变化最敏感,占总有机碳的比例最高。生物化学保护有机碳和化学保护有机碳同属于惰性矿物结合态有机碳范畴。惰性矿物结合态有机碳是有机物分解的最终产物与土壤黏粒和粉粒相结合的部分,稳定性较强[16],所以生物化学保护有机碳得以积累。化学保护有机碳无变化趋势,说明长期施用化肥不利于土壤有机碳的积累,这与王朔林等[17]研究结果一致,原因可能在于化学保护有机碳主要由腐殖质组成,施用NPK肥对土壤中有机质的输入不足以弥补其矿化损失量,还可能由于不同组分有机碳的表面化学性质及吸附其他物质的能力不同[18]。在2006—2014年期间,在NPK处理下物理保护有机碳随施肥时间无明显变化,说明其受化肥影响较小。物理保护有机碳主要是通过团聚体的闭蓄以阻止微生物的分解,而施用NPK肥为微生物提供了有效氮源,显著促进了土壤微生物活动,进而加强对物理保护有机碳的分解,使其矿化损失量等于或大于归还量[7],所以物理保护有机碳的变化较小。3.2 长期单施有机肥对土壤有机碳组分的影响及其机理
本研究中,与单施化肥相比,单施有机肥土壤总有机碳和各组分有机碳含量随施肥年限均有明显提高,这充分表明单施有机肥对提升土壤有机碳储量的积极作用和显著效果。原因在于施用有机肥不仅可以提高作物产量,还可以大量增加碳的直接输入量。同时还与该试验区域的生态气候条件以及不同施肥处理下土壤的本底值有关[19-20]。PANDEY等[21]的研究也表明,长期施用有机肥可以提高土壤高活性有机碳及矿物结合态有机碳的含量。本研究中单施有机肥处理下的各组分有机碳分配比例趋势与NPK处理基本一致,与张丽敏等[13]的研究基本一致,但矿物结合态有机碳（生物化学保护有机碳和化学保护有机碳）占总有机碳的比例略有下降,与樊廷录等[22]对黑垆土的研究相反,其他组分所占比例均有增加。可能是单施有机施肥提高了土壤真菌数量[23],促使土壤黏粉粒向团聚体颗粒的转化[24],且微生物代谢分泌物所增加的矿物结合有机碳含量小于矿物结合态有机碳向颗粒有机碳转移的含量,最终使生物化学保护有机碳净含量减少。有机肥的施入也增加了游离活性有机碳中的动植物残渣及其分泌物量[24]。佟小刚等[25]的研究表明潮土上物理保护有机碳占总有机碳的比例为5.0%—8.9%,与本研究结果基本一致,主要由于微团聚体的物理保护作用降低了微生物对土壤有机碳的分解,从而起到固存有机碳的效应[9]。3.3 NPK与有机肥配合施用对有机碳组分的影响及其机理
本研究中MNPK处理的土壤总有机碳含量和年变化量均高于0.5MNPK处理,此结果与多数报道一致[19, 22, 26]。因为土壤总有机碳含量主要取决于有机碳的输入和降解之间的平衡,常量有机肥和化肥配施,一方面化肥的高投入可以增加土壤微生物活性,促进作物的生长,提高作物生物量,进而增加作物根茬及根系分泌物归还量,另一方面有机肥的高投入直接为土壤提供了有机物质,促进土壤总有机碳的增加[19]。本研究还显示MNPK处理也提高了各组分有机碳的含量,且提高效果好于0.5MNPK处理,这与张敬业等[27]和梁尧等[28]的研究结果一致。佟小刚等[25]对潮土的研究也表明MNPK处理下自由颗粒有机碳或轻组有机碳含量增加显著。从黄壤性水稻土各组分有机碳的时序变化可以看出,在相同的田间管理措施下,施肥量不同,则各组分有机碳比例的变化也存在差异。0.5MNPK和MNPK处理下依然表现出游离活性有机碳占总有机碳的比例最大,物理保护有机碳所占比例最小,化学保护有机碳和生物化学保护有机碳所占比例居中。与M处理相比,0.5MNPK和MNPK处理的游离活性有机碳所占比例有所下降,因为NPK与有机肥的长期配合施用,使这部分非保护活性有机碳经微生物降解或经过团聚体周转以后,可能与铁铝氧化物和土壤黏粒结合,受到土壤矿物的化学保护作用,进一步形成稳定的胡敏素,提供给有机碳以生物化学保护作用[29-30],其中MNPK处理下生物化学保护有机碳所占比例较M处理增加较为明显;也可能是微生物代谢分泌物直接与表面吸附能力强的黏粒结合,促使黏粒有机碳得到累积[18];还可能是高投入的有机肥最后以惰性碳的形成固存在土壤中导致矿物结合态有机碳比例增加[29]。4 结论
贵州黄壤性水稻土在长期施用有机肥处理下总有机碳含量和组分有机碳含量随时间均呈线性增加趋势,其中以有机无机肥配施增加的效果较明显。游离活性有机碳是土壤总有机碳的最大部分。有机无机肥配施也显著增加了土壤未保护游离活性、物理保护和化学保护有机碳含量,在常量有机无机配施的条件下提升幅度最高。因此,常量有机无机肥配施是提升土壤有机碳储量的最有效模式。（责任编辑 李云霞）
The authors have declared that no competing interests exist.
