長期施用有機肥對草甸堿土碳庫管理指數的影響

周 萌，周連仁，孟慶峰，馬獻發

（東北農業大學 資源與環境學院，黑龍江 哈爾濱150030）

鹽堿土作為一種潛在耕地的后備土壤資源，存在巨大的開發潛力。東北地區是我國土地鹽堿化最嚴重的地區之一，同時也是世界三大蘇打鹽堿土集中分布區域之一。長期以來國內外許多學者對鹽漬土的改良利用開展了廣泛深入的研究，但有關長期施用有機肥對鹽漬土改良效果的研究并不多見。

土壤有機質在土壤肥力中具有非常重要的作用，它不僅是一種穩定而長效的碳源物質，而且幾乎含有作物所需要的各種營養元素，是衡量土壤肥力的重要指標之一［1］。長期以來，許多學者已經在土壤有機質的定量方面做了大量的研究工作，但是，土壤有機質的含量不能很好地反映土壤質量的變化，它只是一個礦化分解和合成的平衡結果，不能反映轉化速率等。20世紀70—80年代，一些學者從有機質的分解轉化方面入手，對有機質分組進行了更深入的研究，提出了活性有機質的概念。活性有機質即土壤有機質的活性部分，它是指土壤中有效性較高、對植物養分供應有最直接作用、易被土壤微生物分解礦化的那部分有機質［2－4］。土壤活性有機質可以表征土壤物質循環特征，作為土壤潛在生產力和土壤管理措施變化引起土壤有機質變化的早期指標［5］。Lefroy等［6］根據活性有機質建立了活性有機質庫容指標（CPI），計算并提出了土壤碳庫管理指數（CMI），并認為碳庫管理指數能夠作為土壤管理措施引起土壤有機質變化的指標。目前，我國對不同土壤碳庫和活性有機質的研究都較多，但是對長期定位施用有機肥條件下，土壤中活性有機質的各組分含量和碳庫管理指數的研究報道較少。本文基于長期定位實驗，探討長期施用有機肥對草甸堿土活性有機質含量和碳庫管理指數的影響，以及活性有機質各組分與總有機質和碳庫管理指數的相關性，為草甸堿土改良提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區設在黑龍江省大慶市肇州縣，東經125°27″，北緯45°7″，地處松嫩平原中部，黑龍江省西部。研究區域氣候類型為北溫帶大陸性季風氣候，屬第一積溫帶，年均活動積溫2 800℃，無霜期143d，年降水量約457.6mm。其特點是春季多風、少雨、干旱；夏季酷熱、多雨；秋季涼爽，易發生早霜；冬季寒冷、干燥。成土母質為更新世末期沉積的黃土狀亞黏土，質地黏重。

1.2 試驗設計

施用有機肥長期定位試驗于1995年實施，有機肥種類為腐熟牛糞，共設置7個處理，分別為：不施牛糞的草甸堿土為對照（CK）、施用牛糞1a（S1）、施用牛糞2a（S2）、施用牛糞5a（S5）、施用牛糞7a（S7）、施用牛糞11a（S11）和施用牛糞16a（S16）。供試作物為玉米。土壤樣品于2011年4月采自耕層（0—20cm）。每個處理選擇3個樣點，混合后采用“四分法”保留土壤樣品約為2kg。去除石礫和作物殘根等外侵物，通風陰涼處風干后，磨細過0.25mm篩用于測定土壤總有機質與活性有機質各組分含量。

1.3 測定項目與方法

土壤活性有機質各組分的測定選用高錳酸鉀氧化法［7］，即分別采用33，167和333mmol／L濃度的KMnO4進行高活性有機質、中活性有機質和活性有機質測定。土壤總有機質（TOM）采用K2Cr2O7—H2SO4氧化法測定。以對照為參考土壤，CMI計算方法如下。

（1）碳庫指數（CPI）＝樣品總有機質含量（g／kg）／參照土壤總有機質含量（g／kg）

（2）土壤碳的不穩定性，即碳庫活度（L）等于土壤中的活性有機質（LOM）與非活性有機質（NLOM）之比：

L＝樣本中的活性有機質（LOM）／樣本中的非活性有機質（NLOM）

（3）碳損失及其對穩定性的影響可用活度指數（LI）表示：LI＝樣本的不穩定性（L）／對照的不穩定性（L0）（4）基于以上指標可以求得碳庫管理指數（CMI）：

CMI＝CPI×LI×100

1.4 統計分析

文中數據用SASV 9軟件進行分析，采用LSD多重比較法進行處理間差異顯著性分析（p≤0.05）。

2 結果與分析

2.1 長期施用有機肥對草甸堿土TOM，NLOM和LOM的影響

土壤有機質是土壤肥力的重要物質基礎，在維持土壤結構，保持土壤水分和供應養分等方面具有重要作用，同時也與全球氣候變化密切相關［8］。

從圖1中可以看出，與CK相比，連續施用有機肥草甸堿土的總有機質（TOM）和非活性有機質（NLOM）含量均呈上升趨勢，在施肥的前5a內TOM含量增長速率較快，之后的增長速率減緩。而活性有機質（LOM）呈現先增加后減少的趨勢，施肥5a時達到最高值，之后開始平穩下降。經LSD多重比較可知，除處理S1的TOM與CK間未達到顯著性差異外，其他各處理與CK間均達到顯著性差異水平（p≤0.05），各處理的LOM和NLOM與CK間均達到顯著性差異（p≤0.05）。

圖1 長期施用有機肥對草甸堿土總有機質、非活性有機質及活性有機質的影響

2.2 長期施用有機肥對草甸堿土LOM各組分含量

的影響

土壤活性有機質不但能有效反映土壤質量在較大時空尺度上的變化，而且能敏感指示土壤性質的微小變化［9］。因此，研究土壤活性有機質對于建立土地／土壤管理與土壤質量變化及其與生態效應之間的關系具有重要意義［10－11］。

從圖2中可以看出，活性有機質各組分含量相比較，低活性有機質含量最高，其次是中活性有機質，高活性有機質含量最低。各處理LOM組分含量具有相同的變化趨勢，在有機肥連續施用5a的處理（S5）達到最大，而在之后的11a內幾乎都呈緩慢下降狀態，最終趨于平穩。在連續施肥的前5a內，各處理LOM組分含量均呈現出不同程度的增長趨勢，并與玉米產量趨勢相一致，其中MLOM和LOM的增長幅度大于HLOM。經LSD多重比較可知，長期施用有機肥各處理與CK相比都達到顯著性差異（p≤0.05），說明長期施用有機肥都能增加草甸堿土的LOM各組分的含量，在施肥5a時對LOM各組分含量的影響最明顯。

圖2 長期施用有機肥對草甸堿土活性有機質各組分的影響

2.3 長期施用有機肥對草甸堿土CMI的影響

從表1的結果可以看出，各處理LI，CPI和CMI均高于CK。各處理的CPI均大于1，即各處理的總碳含量均有所增加，表明長期施肥有利于有機質的累積。L是指土壤LOM與NLOM的比值，它反映土壤LOM比值和土壤活性，除S16處理外，各處理L均大于CK，表明長期施用有機肥有利于LOM的積累，且能改善土壤質量［12］。各處理CMI與土壤LOM組分含量的有著相似的變化趨勢：從施用有機肥1a（S1）到5a（S5）處理CMI呈現上升趨勢，并與玉米產量趨勢相一致，處理S5的CMI最高，與CK相比增加了287.73，在施用有機肥5a后，隨著施用有機肥的年限增長，CMI呈緩慢下降趨勢，到施用有機肥16a時，CMI趨于穩定。經LSD多重比較可知，各處理與CK相比都達到差異顯著水平（p≤0.05），說明長期施用有機肥都能增加草甸堿土的CMI，且在施肥5a時對CMI的影響最明顯。

表1 長期施用有機肥對草甸堿土碳庫管理指數（CMI）的影響

2.4 長期施用有機肥對草甸堿土LOM各組分與

TOM和CMI的相關性

各處理LOM組分與TOM和CMI的相關性如表2所示。LOM各組分與TOM的相關性分析表明，MLOM和LOM與TOM均達到了極顯著正相關（p≤0.01），相關系數分別為0.71和0.67，而 HLOM與TOM沒有顯著的相關性。3種LOM與TOM的相關性說明，LOM既區別于TOM又與TOM緊密相連，它們是土壤總有機質的一部分，MLOM和LOM可以更為敏感和直觀地指示草甸堿土的土壤質量，而HLOM指示草甸堿土的土壤質量的效果不明顯。

LOM各組分與CMI的相關性分析表明，3種LOM與CMI均達到極顯著的正相關（p≤0.01），具有很好的統計學意義，這表明CMI也能很好地反映土壤LOM 的變化。LOM，MLOM 和 HLOM 與CMI的相關系數分別為：0.99，0.94和0.87，其中MLOM和LOM比HLOM與CMI的相關性高，這表明MLOM和LOM對土壤LOM的指示效果優于HLOM。

表2 草甸堿土活性有機質與總有機質和碳庫管理指數的相關性

3 討論

通過比較有機肥不同施用年限的各處理LOM組分含量可知，在施用有機肥5a內的各處理LOM組分含量均呈現出增長趨勢，其中MLOM和LOM的增長幅度大于HLOM，在施肥5a時達到最高值，施用有機肥5a后，LOM各組分含量緩慢下降，在有機肥施用16a時趨于穩定，而TOM和NLOM呈現逐年增加的趨勢。這可能是因為隨著施用有機肥的年限增加，最初施肥的5a里LOM很快就達到了峰值，隨時間推移，LOM部分轉化成為NLOM，因此從施肥5a到施肥16a，LOM各組分含量都呈現下降趨勢，并最終趨于穩定。這與倪進治等［13］研究不同有機肥料對土壤生物LOM組分的動態的結果相一致，不同施肥潮土LOM組分經分離后，發現有機物施用后LOM在開始時迅速達到較高值，但是隨著時間的推移逐漸下降并趨于穩定。徐明崗等［14］也有類似結果的報道，發現紅壤HLOM在開始5a變化較大，10a后趨向于穩定。蔡太義等［15］研究了不同年限免耕秸稈覆蓋對土壤LOM和CMI的影響，指出LOM和CMI均在免耕覆蓋的前5a隨著覆蓋年限的延長而升高，5a后則呈逐漸下降趨勢。

沈宏等［16］研究認為，CMI可靈敏反映農業生產措施對土壤碳庫的影響，汪吉東等［17］研究表明LOM是描述土壤質量和評價土壤管理水平的良好指標，邱莉萍等［18］也認為LOM 可以指示土地利用方式對TOM和CMI的影響，徐明崗等［19］則指出，LOM 和CMI均應成為描述土壤質量和評價土壤管理的良好指標。本研究中LOM各組分與CMI均達到極顯著正相關，MLOM和LOM與TOM也有極顯著的正相關性，而HLOM與TOM未達到顯著性相關。其原因可能在于：TOM只是一個礦化分解和合成的平衡結果，短時期內數量的變化不能得到靈敏的反映［20］，而LOM具有移動快，穩定性差，易氧化，易分解，易礦化，能被微生物直接利用的特點，故與土壤質量的關系更為密切，從而能準確快速地反映長期施用有機肥對土壤碳庫的影響和對土壤生產力的變化。相關分析也表明，CMI能很好地反映土壤碳素動態變化的靈敏性和有效性，為培肥地力、增加土壤LOM含量提供了量化依據。本試驗各處理LOM組分含量在施用有機肥的前5a內均呈現出不同程度的增加，其中MLOM和LOM的增長幅度大于HLOM。綜上，用TOM不能很好評價土壤有機質的質量，而MLOM和LOM及CMI能更為客觀地反映土壤質量狀況，應成為長期施用有機肥改良草甸堿土的良好評價指標，這與徐明崗等［19］的結論類似。

4 結論

（1）有機肥施用1～5a處理，活性有機質各組分與碳庫管理指數呈上升趨勢，于第5a達到最高，并與玉米產量相一致；有機肥施用5～16a處理，呈下降趨勢，最終趨于穩定。

（2）中活性有機質和活性有機質與總有機質均達到極顯著正相關；高活性有機質與總有機質未達到顯著性相關。

（3）活性有機質各組分與碳庫管理指數均達到極顯著正相關。

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