長期不同施肥下黑土與灰漠土有機碳儲量的變化

解麗娟，王伯仁，徐明崗，彭 暢，劉 驊

(1中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，農業部作物營養與施肥重點開放實驗室，北京100081;2吉林農業科學院資源與環境中心，長春130012;3新疆農業科學院土壤肥料研究所，烏魯木齊830000)

1 m土層土壤碳庫是全球植被碳庫的4.1倍、全球大氣碳庫的3倍［1］。不合理利用土地，不僅會提高土壤CO2釋放，加劇全球溫室效應，還會降低土壤肥力，導致作物減產［2］。因此，提高土壤有機碳含量，不僅關系到減少溫室氣體排放，而且與土壤肥力密切相關。

黑土和灰漠土是我國北方典型的農業土壤，其有機碳庫的變化，受到耕作、施肥等人為管理措施的顯著影響，特別是不同施肥方式對表層土壤有機碳含量有很大影響［3－5］。陳盈等研究表明［3］，施用有機肥不僅可以顯著提高黑土中大團聚體的比例，還可以顯著提高黑土表土有機碳含量，化肥與有機肥配施效果更顯著。撂荒、單施化肥僅能維持灰漠土有機碳各組分含量，而長期有機無機肥配施能夠顯著提高土壤有機碳各組分含量［6］。迄今為止，對土壤有機碳的研究主要集中在不同土地利用與管理方式下耕層土壤有機碳含量的變化等方面［7－10］，關于長期施肥對下層土壤有機碳含量的影響鮮見報道。

土壤有機碳庫主要分布在1 m土層土壤［11－12］，一般根據1 m土層土壤有機碳含量計算全球土壤碳庫［13］。由于缺乏土壤剖面資料，我國一般是利用全國土壤普查數據或《中國土種志》數據來估算土壤有機碳儲量，這些估算的土壤碳儲量有可能存在一定的不確定性［14］。因此本研究選取了灰漠土與黑土兩個不同土壤類型的長期試驗，比較分析了7個不同施肥處理下1 m深剖面土壤有機碳的含量與儲量，一方面可以精確計算土壤碳儲量，另一方面可以研究長期施肥對土壤下層有機碳分布的影響。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤為長期土壤肥料定位試驗點的黑土與灰漠土，黑土采自吉林省公主嶺市吉林省農業科學院試驗地內 (東經 124°48'34″，北緯 43°30'23″)，灰漠土采自新疆烏魯木齊市以北25 km的新疆農業科學院“國家現代農業科技示范園區”內(東經87°46'45″，北緯 43°95'26″)。這兩種土壤分別代表了我國不同氣候條件下的區域典型農田土壤。黑土是我國溫帶濕潤氣候區的主要土壤類型之一，成土母質主要是第四紀中更新世黃土狀亞粘土［7］;灰漠土是我國溫帶荒漠區主要土壤類型之一，成土母質為黃土狀洪積－沖積物，部分為風積物和坡積物［7］。兩個長期試驗均始于1990年，試驗點基本情況見表1，試驗開始時的土壤基本化學性質見表2。

兩個試驗各設置了12個處理。本文在黑土長期土壤肥料定位試驗中選擇了其中的7個處理：1)不施肥對照(CK);2)單施氮肥(N);3)氮磷配施(NP);4)氮磷鉀配施(NPK);5)氮磷鉀(常量)+秸稈(NPKS);6)氮磷鉀(常量)+有機肥(常量)(NPKM);7)氮磷鉀(1.5倍)+有機肥(1.5倍)(NPKM2)。在灰漠土長期土壤肥料定位試驗中也選擇7個處理：1)不施肥對照(CK);2)單施氮肥(N);3)氮磷配施(NP);4)氮磷鉀配施(NPK);5)氮磷鉀(4/5)+秸稈(NPKS);6)氮磷鉀(1/3)+常量有機肥(NPKM);7)氮磷鉀(2/3)+增量有機肥(2倍)(NPKM2)。種植制度均為一年一熟制，黑土為玉米連作，灰漠土為玉米—冬小麥—春小麥輪作。

表1 試驗點概況Table 1 General information of the experimental sites

表2 試驗開始時土壤基本性質(1989)Table 2 Basic properties of soils at the beginning of the experiments

黑土試驗點肥料用量為N 165 kg/hm2、P2O582.5 kg/hm2、K2O 82.5 kg/hm2，氮、磷、鉀化肥分別為尿素，磷酸二銨、過磷酸鈣，氯化鉀或硫酸鉀;有機肥為豬糞或牛糞，在NPKM與NPKM2處理中施用量分別為30 t/hm2與45 t/hm2;秸稈還田為當年收獲的作物秸稈(7500 kg/hm2);有機肥(及秸稈)和無機肥配合的施氮量與化肥小區的相同，有機氮與無機氮的比例為7∶3。灰漠土試驗點1990～1994年肥料用量為 N 99 kg/hm2、P2O559 kg/hm2、K2O 19.8 kg/hm2，1994 年以后為 N 300 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 120 kg/hm2，氮、磷、鉀化肥分別是尿素、磷酸二銨、三料磷肥與硫酸鉀;有機肥為羊糞，在NPKM與NPKM2處理中施用量分別為30 t/hm2和60 t/hm2;秸稈還田為當年收獲的作物秸稈(當年該小區秸稈全部還田)。

1.2 樣品與數據采集

采集長期保存的1989、2001年黑土土樣，1989年、2002年灰漠土土樣，磨細過0.25mm篩備用。這些樣品均為長期試驗歷史樣品，無重復。

2009年黑土與灰漠土土壤樣品于2009年9月底作物收獲后采集。長期試驗均為大區試驗(黑土大區面積400 m2、灰漠土468 m2)，受當時條件的限制未設置重復。為了彌補這方面的缺陷，2009年采樣時將每個大區均勻分成3個小區，每個小區按“S”型用土鉆取 0—20 cm、20—40 cm、40—60 cm、60—80 cm、80—100 cm具有代表性的土樣3個(均為多點混合樣)，風干后磨細過0.25mm篩備用。

1.3 測定項目及方法

土壤有機碳用重鉻酸鉀容量法測定［15］;土壤容重用環刀法測定。

1.4 數據處理

數據采用Excel 2003和SPSS 16.0進行統計分析，2009年數據為平均值，處理間顯著性檢驗用LSD法(t=0.05)。

2 結果與分析

2.1 黑土長期施肥下土壤剖面有機碳分布及其儲量的變化

2.1.1 土壤剖面有機碳含量 由表3可以看出，同一施肥處理下不同土層有機碳含量均表現為0—20 cm＞20—40 cm＞40—100 cm，但層次之間變化幅度存在明顯差異。NPKM2處理的0—20 cm土層有機碳含量是80—100 cm土層的6.9倍;CK處理0—20 cm土層的有機碳含量是80—100 cm的3.7倍。這是因為施肥20年后有機無機配施顯著提高了0—20 cm土層的有機碳含量。

同一土壤層次不同施肥處理間比較，0—20 cm與20—40 cm土層均表現為單施化肥處理的有機碳含量小于有機無機配施處理，所有施肥處理之間40—100 cm各層次間有機碳含量無顯著性差異。與CK相比，0—20 cm土層內NPKM、NPKM2處理的有機碳增幅為29.0%和49.4%，表明NPKM2處理提高有機碳的效果顯著大于NPKM。單施化肥、秸稈還田配施化肥與對照相比有機碳含量無顯著差異。20—40 cm土層內有機碳含量 NPKM、NPKM2兩處理與CK相比增幅分別為60.6%和77.6%，不同有機肥配施處理間有機碳含量無顯著差異;40—100 cm土層內所有處理之間有機碳含量均無顯著差異，說明在施肥年限內所有施肥處理對黑土有機碳含量只能影響到0—40 cm。

表3 2009年不同施肥處理黑土剖面有機碳含量(g/kg)Table 3 Organic carbon contents in the profile of black soil under different fertilization treatments(2009)

2.1.2 黑土有機碳儲量 與CK相比，有機無機配施處理隨著施肥年限的增長可以顯著提高黑土0—40 cm土層的有機碳儲量(表4)，0—20 cm與20—40 cm土層的NPKM和NPKM2處理與對照相比有機碳儲量分別提高了29.2%、49.5%與60.3%、77.3%。秸稈配施化肥處理與對照相比0—20 cm、20—40 cm土層中有機碳儲量分別提高了10.4%、41.7%。CK、N、NP、NPK 處理經 20年施肥后，1 m深土體內有機碳儲量基本保持穩定。

將2001年與1989年相比，NPKM2處理0—20 cm與20—40 cm土層有機碳儲量分別提高了C 11.7 t/hm2和5.7 t/hm2，其余處理基本保持初始水平。2009年與2001年相比，0—20 cm土層的CK、N、NP、NPK處理有機碳儲量均保持穩定并略有上升，平均上升了 C 1.3 t/hm2;NPKS、NPKM、NPKM2處理在0—20 cm土層中有機碳儲量在施肥20年后均有大幅上升，年均增幅分別為C 0.3 t/hm2、0.6 t/hm2、0.9 t/hm2;20—40 cm土層 的CK處理有機碳儲量下降了C 3.9 t/hm2，N、NP、NPK處理略有上升或持平，NPKS、NPKM、NPKM2處理有機碳儲量均有所上升，年均增幅分別為C 0.2 t/hm2、0.4 t/hm2、0.6 t/hm2;40—100 cm所有處理基本保持初始水平。

2.2 灰漠土長期施肥下土壤剖面有機碳分布及其儲量的變化

2.2.1 土壤剖面有機碳含量 由表5可以看出，CK、N、NP、NPK、NPKM 五個處理不同土層有機碳含量均表現為0—20 cm＞20—40 cm＞40—100 cm;NPKS、NPKM2處理不同土層有機碳含量均表現為0—20 cm ＞20—40 cm ＞40—60 cm ＞60—100 cm，說明NPKS與NPKM2處理可以影響到灰漠土0—60 cm的有機碳含量。同一施肥處理不同土壤層次間有機碳含量的變幅存在明顯差異：NPKM2處理0—20 cm土層有機碳含量是80—100 cm的4.9倍;CK處理0—20 cm有機碳含量是80—100 cm的2.3倍。

0—20 cm土層內，與CK相比，NPKM、NPKM2兩個處理的有機碳含量顯著提高，增幅分別高達109.7%和183.1%;N、NP、NPK、NPKS處理有機碳含量均有不同程度的提高，增幅在6.3% ～21.9%。20—40 cm土層內NPKM、NPKM2處理與CK相比分別提高了37.2%和93.6%，其余處理有機碳含量與CK相比無顯著性差異。在40—60 cm土層內NPKM2、NPKS兩處理的有機碳含量比CK顯著提高了42.1%、26.3%，其余處理與CK相比無顯著差異;60—100 cm各層次內不同施肥處理之間有機碳含量無顯著差異。

表4 不同施肥年限下黑土不同土層有機碳儲量(C t/hm2)Table 4 Organic carbon storage in black soil in different layers after different years fertilization

表5 2009年不同施肥處理灰漠土剖面有機碳含量(g/kg)Table 5 Organic carbon contents in the profile of grey-desert soil under different fertilization treatments(2009)

2.2.2 灰漠土有機碳儲量 隨著施肥年限的增長有機無機配施處理可以顯著提高灰漠土0—40 cm的有機碳儲量，2002年與 1989年相比，NPKM、NPKM2處理0—20 cm土層的有機碳儲量分別提高了31.1%、69.3%(表6);2009年與2002年相比，NPKM、NPKM2在 0—20 cm土層分別提高了37.2%、43.4%。在施肥年限內 NPKS處理0—20 cm土層有機碳儲量基本持平，20—100 cm各層次略有下降，下降幅度為C 2.4～3.8 t/hm2。對照與單施化肥處理的1 m土體有機碳儲量均有不同程度下降，CK、N、NP、NPK處理在1 m土體各個層次有機碳儲量下降幅度在C 1.8～6.6 t/hm2之間。

表6 不同施肥年限下灰漠土不同層次有機碳儲量(C t/hm2)Table 6 Organic carbon storages in grey-desert soil in different layers after different years fertilization

2.2.3 施肥20年后0—100 cm土層有機碳儲量的變化 與1989年相比，施肥20年后黑土與灰漠土的0—100 cm土層中，有機無機肥配施處理的有機碳儲量呈上升趨勢(圖1)。黑土與灰漠土中NPKM處理有機碳儲量分別提高了C 25.0 t/hm2與9.2 t/hm2，NPKM2分別提高了 C 30.7 t/hm2與40.6 t/hm2。CK處理有機碳儲量在兩種土壤中均有下降，分別下降了C 6.1 t/hm2與18.6 t/hm2。黑土中N、NP、NPK、NPKS處理有機碳儲量略有增加，說明單施化肥與秸稈還田配施化肥可以維持黑土有機碳儲量水平。灰漠土中N、NP、NPK、NPKS處理有機碳儲量略有下降，下降幅度在C 6.7～18.4 t/hm2之間，說明單施化肥與秸稈還田不能維持灰漠土1 m土層的有機碳儲量水平。

3 討論

3.1 長期施肥對土壤有機碳含量及其剖面分布的影響

圖1 不同施肥20年后(2009年)0—100 cm的有機碳儲量Fig．1 Organic carbon storage in 0 －100 cm layer after 20 years fertilization in 2009

本研究中黑土與灰漠土有機碳的變化主要體現在0—40 cm土層內，40—100 cm層次有機碳受不同施肥影響較小。潘根興［11］根據《中國土種志》計算得出，我國表層土壤碳庫是總碳庫的2/5，有機碳大多集中在表層。袁穎紅［16］研究表明，長期施肥對紅壤性水稻土有機碳含量的影響主要表現在表層。耕地土壤中有機碳含量多少主要取決于有機物料的投入與分解狀況，不同的施肥方式決定了有機物料的投入量從而對有機碳產生顯著影響。作物殘茬、枯枝落葉、肥料大多進入在土壤表層，所以會顯著提高表層土壤有機碳含量。

本研究表明，在長期肥料試驗中有機無機配施化肥處理可明顯提高土壤表層的有機碳含量。由于有機肥與化肥配施處理中顯著增加了有機物料的投入量，從而使土壤中微生物活動增強、土壤有機碳含量顯著提高，這與其他研究結果一致［17－19］。陳盈［3］等研究表明，在黑土上施用有機肥有利于提高土壤有機碳含量;韓曉日［17］等研究表明棕壤經過27年試驗后，化肥配施有機肥區大于單施化肥區，長期有機無機肥配施可以增加有機碳含量。灰漠土有機無機配施有機碳提高幅度大于黑土，這可能是因為灰漠土起始有機碳含量很低，僅為8.80 g/kg，而黑土中起始有機碳含量為13.23 g/kg，故灰漠土中高量有機無機配施有機碳增幅大于黑土。

施肥20年后兩種土壤的NPKS處理土壤有機碳變化有所不同。灰漠土0—40 cm土層有機碳變化量不大，而在黑土中有機碳略有增加。這是因為在灰漠土上秸稈還田后，進入土壤的秸稈在腐熟過程中需要一定的碳氮比［20］，從而消耗一定量的氮素，而灰漠土基礎肥力較差，會因為氮素供應不足，影響秸稈腐熟;由于黑土基礎肥力較高，能較充分地提供秸稈腐熟所需的氮素，故在兩種土壤中秸稈配施化肥處理對有機碳含量的影響不同。不施肥與單施化肥處理能基本維持黑土1 m土層有機碳含量，而灰漠土1 m土層的有機碳含量均有不同程度下降，這與其他研究結果一致［14］。說明在施肥年限內不施肥與單施化肥可以基本維持黑土有機碳的初始水平，而不能維持灰漠土中的有機碳平衡。

3.2 長期施肥對土壤有機碳儲量的影響

我國耕作旱地土壤其表土平均有機碳儲量為C 35.9 ±32.8 t/hm2［21］，歐盟的農田土壤平均碳儲量為C 53.0 t/hm2左右［22］。本研究結果表明，長期施用化肥與不施肥處理黑土與灰漠土的表層土壤碳儲量僅為C 20.0 t/hm2左右，處于較低水平。長期有機無機肥配施20年可以使黑土與灰漠土表層土壤碳儲量達到C 50.0 t/hm2左右，達到了我國表土碳儲量的較高水平。有機無機肥配施既可以提高土壤固碳能力、減少CO2排放，又可以提高土壤有機碳含量，從而培肥土壤，是較優的施肥方式。

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