不同施肥制度下我國東部典型土壤易分解與耐分解碳的組分特征

于維水， 李桂花， 王碧勝， 武紅亮， 趙雅雯， 孟繁華， 盧昌艾*

(1 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所/耕地培育技術國家工程實驗室， 北京 100081；2 河南省土壤肥料站，河南鄭州 450002)

不同施肥制度下我國東部典型土壤易分解與耐分解碳的組分特征

于維水1， 李桂花1， 王碧勝1， 武紅亮1， 趙雅雯1， 孟繁華2， 盧昌艾1*

(1 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所/耕地培育技術國家工程實驗室， 北京 100081；2 河南省土壤肥料站，河南鄭州 450002)

【目的】土壤易分解碳庫(labile organic carbon，Lab-C)和耐分解碳庫(recalcitrant organic carbon，Rec-C)是土壤有機質的重要組分，其組分大小與比例可反映土壤有機碳的周轉與固存特性。因此，研究長期不同施肥制度下土壤易分解碳庫與耐分解碳庫的大小與比例，對土壤養分管理及肥力培育具有重要的意義。【方法】利用我國東部23年長期不同施肥制度下的黑土、潮土、紅壤和32年水稻土共四類土壤的典型土樣為代表，以不施肥(CK)、施化肥(NPK)、化肥配施秸稈(NPKS)和化肥配施有機肥(NPKM) 4個處理土壤，采用顆粒密度相結合的方法，將土壤有機碳分為易分解碳和耐分解碳2個組分，分析了其不同組分碳含量及比例的變化特征。【結果】土壤經該方法分組后，四種土壤的平均質量回收率和碳回收率均超過95%，是一種測定土壤易分解碳和耐分解碳的可行方法。旱作土壤(黑土、潮土和紅壤)易分解碳的平均含量為1.91 g/kg低于水田的2.42 g/kg，而易分解碳占總有機碳的平均比例為15.4%，高于水田的9.9%。NPKM處理下，黑土、潮土和紅壤易分解碳含量顯著高于NPKS、NPK及CK處理(P<0.05)，較NPK處理增加的比例分別為98.4%、43.7%和71.2%，同時提高了易分解碳占總有機碳的比例，但無顯著差異性；NPK和NPKS處理下黑土與潮土易分解碳的含量較不施肥無顯著變化，而紅壤易分解碳含量較不施肥顯著降低(P<0.05)，降低的比例分別為33.1%和29.6%；水稻土4個處理間易分解碳的含量及其占全碳的比例無顯著差異性。四類土壤耐分解碳的含量與總有機碳含量的變化一致，均表現為NPKM>NPKS>NPK>CK。NPKM處理下，四種土壤耐分解碳含量顯著增加(P<0.05)，黑土、 潮土、 紅壤和水稻土較NPK處理增加的比例分別為68.8%、42.7%、17.6%和17.2%，同時耐分解碳占全碳的比例降低；NPKS處理下黑土、潮土和水稻土耐分解碳的含量較NPK處理也增加，對應增加的比例分別為10.9%、15.1%和18.0%。同時，易分解碳和耐分解碳的含量與土壤總有機碳含量之間有極顯著的正相關關系。【結論】旱作土壤易分解碳含量比水田土壤更易受不同施肥處理的影響，有機無機配施(NPKM與NPKS)可提高旱作與水田土壤易分解碳與耐分解碳的含量，同時相對提高了易分解碳占全碳的比例，且NPKM處理的效果優于NPKS處理，更優于化肥處理。

易分解碳； 耐分解碳； 旱作土壤； 水田； 長期施肥

土壤碳庫是陸地生態系統中最大的碳儲庫，在全球碳循環中起著重要的作用[1]。土壤有機碳(質)是表征土壤肥力的重要指標[2]，對土壤物理、化學和生物肥力起著較為重要的作用。土壤有機碳可分為易分解部分與難分解部分，易于分解的有機碳多稱為活性有機碳，通常用溶解性有機碳[3]、微生物量碳[4]、易氧化有機碳[5]、可礦化碳[6]、輕組有機碳[7]和顆粒有機碳[8]等來進行表征，它是指土壤中有效性高、易被土壤微生物分解礦化、對植物養分供應有直接作用的那部分有機碳[9-10]，它可以指示土壤有機碳變化，是反映土壤碳庫動態的敏感性指標[11-12]；難分解有機碳較為穩定，對于土壤碳素固持和土壤結構具有較大的作用，但由于其分解慢，短期內對于土壤養分的供給能力影響較小[13]。目前分離和測定土壤活性有機碳的方法很多，但大體分為三類：物理、化學和生物學測定方法[14]。其中物理方法對有機碳的結構破壞度極小，分離的組分能夠反映土壤原狀有機碳的結構和功能，因此該方法一直以來受到許多研究者的采用并成為土壤有機碳分組的主流[15]。

近年來，Huygens等[16]根據Muller等[17]的馬爾科夫蒙特卡洛(MCMC)模型中碳氮周轉特性，改進了Meijboom等[18]對于土壤的分組方法，將土壤有機碳分為易分解碳與耐分解碳2個組分，并提出直接測定土壤易分解碳與耐分解碳的方法。與以往活性有機碳方法相比，該方法可以結合土壤碳氮的周轉特性，模擬土壤碳庫與氮庫的礦化等轉化動態[16]，同時，易分解碳與耐分解碳2個組分更能直接表征土壤有機碳的周轉與固存特性，反映土壤有機碳的礦化強度。

當前，已經開展了一些不同施肥下土壤碳庫組分的研究，但是這些組分難以與土壤碳氮的固持與周轉聯系起來；長期不同施肥措施對土壤碳庫組分的影響不很明確。基于上述兩點，本研究采用Huygens等[16]改進的土壤分組方法，以我國4個典型區域的長期定位試驗土壤樣品為基礎，選擇黑土、潮土、紅壤及水稻土4類典型土樣為研究對象，探討長期不同施肥措施下土壤易分解碳和耐分解碳的組分變化特征，為進一步研究碳庫的周轉特性打下基礎，同時為合理評價長期不同施肥制度下我國東部典型土壤有機碳庫質量提供依據。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤為我國東部四個典型長期肥料定位試驗的2013年土壤樣品，分別為吉林公主嶺黑土(124°48′E, 43°40′N)、河南鄭州的潮土(113°40′E, 34°47′N)、湖南祁陽的紅壤(111°52′E, 26°45′N)及湖南望城的水稻土(112°80′E, 28°37′N)。其中公主嶺、鄭州與祁陽三點長期試驗均始于1990年，望城始于1981年，從各點均有的試驗處理中選擇了不施肥(CK)、氮磷鉀肥配施(NPK)、氮磷鉀化肥配施秸稈(NPKS)及氮磷鉀化肥配施有機肥(NPKM)，其中望城為NK+M處理。公主嶺黑土試驗點為一年一熟玉米連作，肥料用量為年施用N 165 kg/hm2，N ∶P2O5∶K2O=1 ∶0.5 ∶0.5，有機肥為豬糞或牛糞，NPKM有機肥的年施用量分別為30 t/hm2，小區面積為400 m2，無重復。鄭州潮土為小麥—玉米一年兩熟，肥料用量為年施用N 353 kg/hm2，N ∶P2O5∶K2O = 1 ∶0.5 ∶0.5，有機肥為馬糞、牛糞，有機肥和秸稈只在小麥季施。各處理在等氮量情況下，有機氮與無機氮為7 ∶3，每小區面積為50 m2，3次重復。祁陽紅壤為小麥—玉米一年兩熟，肥料用量為等氮量，年氮肥施用量為300 kg/hm2，N ∶P2O5∶K2O=1 ∶0.4 ∶0.4，有機肥為豬糞，每年小麥、玉米的秸稈一半還田，還田的養分不計入總量。肥料在小麥、玉米播種前做基肥一次性施入，小區面積為196 m2，隨機排列，兩次重復。望城水稻土為早稻-晚稻-冬閑種植制度，肥料年施用量為N 330 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 240 kg/hm2，NKPM處理的豬糞，使用量為30 t/hm2，豬糞和稻草在犁田前撒施并混入土壤，磷肥與鉀肥在移栽前1天做基肥一次性施用，70%氮肥基肥，30%氮肥于分蘗期追肥。4個試驗點試驗開始時的土壤基礎理化性質如表1。以上各地點詳細的氣候及農藝措施等信息參見文獻[19]。采樣時間為2013年作物收獲后9、10月份，采樣深度為0—20 cm的耕層土壤，重復3次。采集的土壤樣品自然風干后，人工除去肉眼可見的根茬及秸稈碎屑，過2 mm篩，混勻后備用。

表1 四個長期定位試驗開始時表層土壤基礎理化性質

注(Note)：水稻土試驗始于1981年，其余3個試驗始于1990年Paddy soil experiment started in 1981, the others in 1990.

1.2 土壤易(耐)分解組分的分離及有機碳的測定

未分組原土和烘干后各組分磨細后過150 μm篩。土壤有機碳采用重鉻酸鉀外加熱法測定[20]，易氧化有機碳(ROC, readily oxidizable organic carbon)、 難氧化有機碳(DOC dysoxidize organic carbon)采用333 mmol/L的高錳酸鉀氧化法測定[21]。

1.3 數據分析

試驗數據采用Excel和SPSS(19.0)軟件進行統計與分析，所有數據測定結果均以平均值表示。不同處理之間采用最小顯著差數法(LSD)進行差異顯著性檢驗(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 回收率

表2 土壤質量回收率及碳回收率(%)

注(Note)：表中數據為“平均值±SD值” The data in the table were Mean±SD.

2.2 不同施肥處理對有機碳含量的影響

圖3 不同施肥制度下各地點土壤耐分解碳含量Fig.3 The content of carbon in recalcitrant pool under different long-term fertilization treatments[注(Note): 圖中小寫字母表示同一土壤不同處理間在5%水平上差異顯著 The lowercases above the bars mean significance at 5% level in the same soil among different fertilization treatments；水稻土的NPKM處理指NKM處理 The NPKM treatment represent NKM in paddy soil; 柱狀圖中誤差線表示SD的大小The error bars in Fig. 3 is the value of SD.]

長期不同施肥下旱作和水田土壤耐分解碳含量變化特性與總有機碳的變化類似(圖3)，4類土壤耐分解碳含量均為CK>NPK>NPKS>NPKM。NPK處理下四種土壤耐分解碳的含量較CK均顯著增加，黑土、潮土、紅壤和水稻土對應增加的比例分別為4.7%、13.9%、43.8%和3.8%。NPKS處理下黑土、潮土和水稻土耐分解碳的含量較NPK和CK均顯著增加，較CK增加的比例分別為15.8%、36.2%和12.0%，較NPK增加的比例分別為10.9%、15.1%和8.0%；紅壤NPKS耐分解碳含量較CK顯著增加，增加的比例為43.8%，而NPKS與NPK無顯著差異性。NPKM處理顯著增加了4類土壤耐分解碳的含量，較CK對應增加的比例分別為76.1%、 68.9%、 69.2%和21.6%，較NPK對應增加的比例為68.8%、42.7%、17.6%和17.2%。以上結果表明，長期不同施肥下，在提高土壤總有機碳的同時提高了耐分解碳的含量，有機無機配施能顯著提高土壤耐分解碳含量，效果優于化肥處理。

表3表明，土壤易、耐分解碳含量同土壤總有機碳及活(非活)性有機碳等各指標之間的相關性，可以看出易分解碳和易氧化有機碳顯著相關(r=0.809**，n=12)，耐分解碳同非活性有機碳之間顯著相關(r=0.992**，n=12)，同時易(耐)分解碳同土壤全碳含量也具有高度的正相關關系，說明有機碳含量的增加可以在一定程度上提高易(耐)分解碳的含量。

表3 土壤各指標之間的相關系數(r)

注(Note): **—P<0.01

2.2.3 不同施肥處理土壤易、耐分解碳的比例特征 有機碳的不同組分(易分解碳與耐分解碳)占總有機碳的百分比可以消除有機碳含量差異對不同碳組分的影響，更能體現土壤的碳庫狀況。從表4可以看出不同施肥可以影響易分解碳占總有機碳的比例，同一地點不同施肥處理土壤易(耐)分解碳占總有機碳的比例無顯著性差異(P<0.05)。

表4 不同施肥條件下土壤易、耐分解組分碳占總有機碳的比例 (%)

注(Note)：同列數字后不同小寫字母表示不同施肥處理間差異顯著性(P<0.05) Values followed by different letters in a column are significant among treatments at 5% level; 水稻土的NPKM處理指NKM處理 The NPKM treatment represent NKM in paddy soil..

3 討論

3.1 不同施肥制度下易分解碳的含量及比例的差異

不同施肥措施對土壤總有機碳有著重要影響。佟小剛等[22]和李新愛等[23]對長期定位施肥試驗證實，單施化肥、化肥配施秸稈或化肥配施有機肥均能顯著提高土壤有機碳含量，并且隨有機肥投入量的增加，土壤總有機碳增加。本研究結果與前人研究結果一致。長期單獨施用化肥雖然沒直接提高土壤有機碳的含量，但可以促進農作物根系迅速生長，從而提高根際有機質輸入[24]；長期施用動物糞肥或秸稈還田，一方面因糞肥和秸稈中本身含有有機碳，可以直接增加土壤的碳投入；另一方面可以促進作物生長，增加作物產量，從而使更多的殘茬還田[25]，所以化肥配施秸稈或有機肥提高土壤有機碳的幅度較大。

不同施肥處理，不但影響了土壤總有機碳的含量，對易分解碳和耐分解碳的含量也有顯著影響，同時改變了易、耐分解組分占總有機碳的比例。本研究發現，旱地黑土、潮土易(耐)分解碳的含量均以NPKM最高，其次為NPKS、NPK處理，并且NPKM處理提高了易分解碳占總碳的比例，這與張璐等[26]對于不同處理下黑土、灰漠土和紅壤等易氧化有機碳的規律是一致的。NPKM處理提高了旱地土壤易分解碳的含量，一方面是NPKM處理顯著增加了土壤總有機碳含量[27]，另一方面有機肥為微生物提供充足的碳源，直接增加了根系生物量及根系分泌物[28]，也在很大程度上激發微生物的活性，增加了微生物生物量[29]，同時有機肥本身含有一些與易分解碳組分相似的成分[30]，從而引起了土壤易分解碳組分的增加；NPKM處理下黑土、潮土易分解碳占總有機碳的比例高于其他3個處理，而耐分解碳占總有機碳的比例最低，這說明NPKM處理改良了土壤的碳庫狀況。NPKS處理對不同地點易分解碳的影響不同，黑土基本維持原有水平，潮土顯著增加，而紅壤易分解碳低于不施肥處理，這與徐明崗等[30]對不同地點易氧化有機碳的研究基本一致；NPKS處理對不同組分碳占總有機碳的比例與CK基本相同，總體來說NPKS處理能維持土壤易分解碳的含量。NPK處理對易分解碳及其占總有機碳的比例均無顯著影響，研究發現長期施用化肥增加的主要是非活性有機碳含量，不利于提高土壤有機質的質量[31]。

蔡澤江等[34]研究發現，長期NPK和NPKS處理紅壤酸化嚴重，土壤肥力降低，目前監測到紅壤NPK和NPKS處理pH值分別為3.82、3.84，已經嚴重低于小麥(6.03)和玉米(5.09)的酸害pH值，嚴重阻礙了小麥玉米的生長，使作物歸還土壤的殘茬和根系減少，同時低pH值使微生物的活性受到嚴重限制[35]，造成本研究中紅壤地區NPK和NPKS處理土壤總有機碳含量較高而易分解碳含量較低。

3.2 水田易分解碳含量及比例的差異

水稻土不同施肥處理易分解碳含量無顯著性差異，但其含量的變化趨勢與旱地相同，均為NPKM>NPKS>NPK>CK，這與以往對水稻土活性有機碳的研究是一致的[36]。水稻土易分解碳含量受不同施肥處理不如旱作土壤敏感，可能的原因是望城水稻土經過32年不同施肥處理下，已達到各處理下固定有機碳的飽和水平[37]，使不同處理之間的差異減少，這也與Six等[38]對土壤輕組有機碳的研究結果一致。

水稻土總有機碳含量高于旱作土壤，這與許信旺等[37]對我國農田耕層土壤有機碳的研究結論是一致的，而總有機碳含量的提高在一定程度上提高了易分解碳的含量。水田總有機碳含量高，一方面是由于淹水還原占優勢的條件使水稻土具有較高的碳密度和較大的固碳潛力[39-40]，并且淹水環境下不利于有機碳的分解；另一方面紅壤性水稻土含有豐富的氧化鐵，土壤有機碳通過與游離氧化鐵的穩定結合，使土壤有機碳庫的穩定性提高[41]，礦化穩定性較高[42]，這也與本研究中水稻土易分解碳占總有機碳比例較低的結果相符。

4 結論

1)經顆粒密度結合的分組方法，獲取的易、耐分解組分的質量回收率及碳回收率均在誤差范圍內，易分解碳含量和耐分解碳含量與總有機碳呈顯著的正相關關系，是一種合理的獲取易、耐分解碳的可行方法，這為進一步研究碳庫之間的動態轉化及碳的固定打下基礎。

2)旱作土壤易分解碳含量低于水田，而易分解碳占總有機碳的平均比例比水田高，水田易分解碳含量及其占總碳的比例對不同施肥的響應不如旱地敏感；旱作土壤不同施肥處理(除紅壤)易分解碳含量表現出相同的趨勢：化肥配施有機肥>化肥配施秸稈>化肥>不施肥處理。有機無機配施顯著提高了全碳含量、易分解碳的含量和耐分解碳含量，同時提高了易分解碳占全碳的比例，是改良土壤碳庫狀況的最優施肥方式，效果優于化肥配施秸稈處理，更優于化肥處理。

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Component characteristics of soil labile and recalcitrant carbon under long-term different fertilization systems in eastern China

YU Wei-shui1， LI Gui-hua1， WANG Bi-sheng1， WU Hong-liang1， ZHAO Ya-wen1，MENG Fan-hua2， LU Chang-ai1*

(1ChineseAcademyofAgriculturalSciences/LandCultivationTechnology,NationalEngineeringLaboratory,Beijing100081，China;2HenanSoilandFertilizerStation,Zhengzhou450002，China)

【Objectives】 Labile organic carbon (Lab-C)and recalcitrant organic carbon(Rec-C)are two important components of soil organic carbon, and their ratio has an effect on organic turnover and sequestration properties. So, it has great significance for nutrient management and fertility improvement to study the characteristic of labile and recalcitrant organic carbon content under different long-term fertilization systems.【Methods】Using particle size-density separation method, labile and recalcitrant carbon pools were studied under four treatments, namely no fertilizer (CK), chemical fertilizer (NPK), chemical fertilizer combined with straw (NPKS), and chemical fertilizer combined with manure (NPKM) from four long-term experiment sites (three from 23 years old upland sites of black soil, fluvo-aquic soil and red soil, one from 32 years old paddy soil) in eastern China.【Results】The separation method was a simple and suitable method for carbon pool size analysis in which average soil mass recovery and average soil carbon recovery were both above 95%. The average labile organic carbon contents in upland soils was 1.91 g/kg, lower than those in paddy soil 2.42 g/kg. The average ratio of labile carbon to total carbon content (Lab-C/TOC) in upland soils was 15.4%, higher than in paddy soil of 9.9%. In upland soils (black soil, fluvo-aquic soil and red soil), the increase of labile carbon content under NPKM treatment was significantly higher than NPKS, NPK and CK treatments, in which the corresponding increases were 98.4%, 43.7% and 71.2% compared to NPK treatments, respectively. The Lab-C/TOC was consequently increased greatly under NPKM treatment, although the increases differences among the treatments were not significant. The labile carbon contents in NPK and NPKS were no significant different with CK in black soil and fluvo-aquic soil, but significant in red soil. The labile carbon content in NPK and NPKS were 33.1% and 29.6% significantly lower than that under CK (P<0.05), respectively; There were no significant differences among four treatments of paddy soil in labile organic carbon content. Recalcitrant carbon content in four soils was consistent with their total organic carbon under four treatments as NPKM>NPKS>NPK>CK. Compared with the NPK treatment, the recalcitrant carbon content in the four soils were greatly improved under NPKM treatment, their proportion were increased by 68.8%, 42.7%, 17.6% and 17.2%, respectively; In the meantime, the Rec-C/TOC was reduced. Under NPKS treatment, the recalcitrant carbon contents in black soil, fluvo-aquic soil and paddy soil were increased by 10.9%, 15.1% and 18.0% compared to NPK treatment, respectively. There was a significant positive correlation between the total organic carbon content and labile/recalcitrant organic carbon content.【Conclusion】Comparing with paddy soil, the labile organic carbon content in upland soil are more susceptible to fertilization. Long-term application of NPKS or NPKM will improve the quantity of soil labile organic carbon and recalcitrant organic carbon contents, meanwhile it could increase the Lab-C/TOC ratio. The improvement effect is in order of NPKM>NPKS>NPK.

labile organic carbon; recalcitrant organic carbon; upland soil; paddy soil; long-term fertilization

2014-11-17 接受日期： 2015-01-16

國家科技支撐計劃(2012BAD05B05)； 國家973計劃(2013CB127404)； 農業公益性行業專項(201203030)資助。

于維水(1989—)，女，山東日照人，碩士研究生，主要從事農田養分循環研究。E-mail： yuweishui6655@126.com * 通信作者 Tel: 010-82108703, E-mail：luchangai@caas.cn

S153.6+21

A

1008-505X(2015)03-0675-09