長期配施秸稈與豬糞的紅壤旱地有機碳庫組成特征*

殷 丹，李 歡，徐江兵，樊劍波，王艷玲?

長期配施秸稈與豬糞的紅壤旱地有機碳庫組成特征*

殷 丹1，李 歡1，徐江兵1，樊劍波2，王艷玲1?

（1. 南京信息工程大學應用氣象學院，南京 210044；2. 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室（中國科學院南京土壤研究所），南京 210008）

以長期（1988 —2014年）配施有機肥小區的對照（CK）、CK+花生秸稈（PS）、CK+稻稈（RS）及CK+豬糞（PM）的紅壤旱地土壤為材料，采用Zimmermann等建立的方法將土壤有機碳逐級篩分為顆粒有機碳（POC）、砂粒和穩定團聚體碳（SAOC）、溶解性有機碳（DOC）、易氧化有機碳（LOC）以及惰性有機碳（rSOC）組分，并基于洛桑模型（RothC）將上述碳組分進一步劃分為易分解植物殘體碳（DPM）、難分解植物殘體碳（RPM）、微生物生物量碳（BIO）、腐殖質碳（HUM）以及惰性有機碳（IOM）五個碳庫，分析了長期配施作物秸稈與豬糞對各組分有機碳的影響，探討了外源碳投入量及鐵鋁氧化物與各組分碳的相關關系。結果表明：長期配施秸稈與豬糞的紅壤旱地中各組分有機碳含量和分布比例大小依次為：SAOC > rSOC > LOC > POC > DOC，而RothC模型各碳庫含量和比例大小依次為：HUM > IOM > RPM > BIO > DPM。長期配施作物秸稈與豬糞的紅壤旱地中HUM、BIO與IOM碳庫組分的含量與比例均無顯著變化，已處于相對穩定的平衡狀態。與CK處理相比，PM處理可顯著增加紅壤旱地SOC；PS和RS處理可顯著提高紅壤旱地中DPM和RPM的含量，且RS處理有助于DPM與RPM中的有機碳向BIO與HUM轉換。相關分析表明，外源碳投入量及土壤中非晶質氧化鋁數量的增加有助于紅壤旱地中穩定態有機碳的累積。

有機無機配施；紅壤旱地；有機碳庫；洛桑（RothC）模型；物理-化學聯合分組法

明確土壤有機碳庫（Soil organic carbon pool，SOCP）的組成特征是認知與理解土壤碳循環過程的重要基礎，為此，化學分組法、物理分組法及物理-化學聯合分組法先后被用于SOCP的分離與提取。化學分組法主要是依據SOCP組分的溶解性與氧化性，采用不同浸提劑對SOCP逐級提取，如采用333 mmol·L–1KMnO4對土壤進行氧化后，可將SOCP分為易氧化有機碳和穩定有機碳[1-2]；物理分組方法主要是結合土壤顆粒的大小對SOCP進行分級，如Tiessen和Stewart[3]將SOCP篩分為砂粒（53～2 000 μm）、粗粉粒（5～53 μm）、細粉粒（2～5 μm）、粗黏粒（0.2～2 μm）和細黏粒（< 0.2 μm）等顆粒結合態碳；物理-化學聯合分組法則是將化學方法與物理方法有機結合起來，將團聚體篩分、密度分組和酸解方法結合，將SOCP依次分離為游離活性有機碳庫、物理保護有機碳庫、化學保護有機碳庫和生物化學保護有機碳庫[4]。

為了更好地表征與預測SOCP對氣候變化、土地利用方式轉換及農業生產管理的響應，世紀模型（Century）、洛桑模型（Rothamasted Carbon Model，RothC）、脫氮-分解作用模型（DNDC）和碳氮動態模型（CANDY）等SOCP的周轉模型相應地被提出與建立；其中，RothC模型不僅可以動態模擬農業生產管理和植物投入量對有機碳的影響，也可以推算出SOCP達到平衡狀態前，可繼續向該田塊投放的植物或有機碳量，而且模型所需的參數簡單且容易獲取[5-8]。基于物理化學聯合分組法并借助于RothC模型可以將SOCP進一步劃分為：易分解的植物殘體碳（Decomposable plant material，DPM）、難分解的植物殘體碳（Resistant plant material，RPM）、微生物生物量碳（Microbial biomass，BIO）、腐殖質碳（Humified organic matter，HUM）以及惰性有機碳（Inert organic matter，IOM）[5]。王金洲[9]使用RothC-26.3模型模擬了長期施肥條件下典型黑土、潮土和紅壤旱地有機碳的動態演變特征，擬合結果較好。可見，建立與明確土壤中可測量碳組分與RothC模型中概念碳庫的相關關系，是運用RothC模型準確模擬與預測SOCP變化的關鍵因子[10]。

因此，本文以長期配施花生秸稈（PS）、稻稈（RS）及豬糞（PM）的紅壤旱地土壤為研究材料，采用物理-化學聯合分組法，將SOCP依次篩分為粒級63～2 000 μm的粗顆粒有機碳（CPOC）、溶解性有機碳（DOC）及粒級為0.45～63 μm的細顆粒有機碳（SCOC），并采用密度分組法將粗顆粒有機碳區分為重組有機碳（SAOC）與輕組有機碳（POC），采用氧化法將細顆粒有機碳（SCOC）區分為惰性有機碳（rSOC）及易氧化有機碳（LOC）；再結合RothC模型中將上述組分有機碳進一步劃分為DPM、RPM、BIO、HUM及IOM，并將物理化學分組獲得的有機碳組分與RothC模型的碳庫進行關聯，探討長期配施作物秸稈與豬糞對紅壤旱地有機碳庫組分的影響過程與機制，分析RothC模型對紅壤旱地有機碳庫變化的模擬效果與適應性，研究結果可為紅壤旱地有機碳庫管理及農業的可持續發展提供參考數據。

1 材料與方法

1.1 長期試驗地概況

長期肥料定位試驗于1988年建于江西省鷹潭農田生態系統國家野外研究站內（28°04′N～28°37′N，116°41′E～117°09′E）。該地屬中亞熱帶季風氣候，年平均溫度大于17.8℃，年降水量1 758 mm，大于10℃積溫為5 528℃，無霜期262 d。供試土壤為第四紀紅黏土發育的典型紅壤。該試驗小區共設置了CK（1/2NPK）、1/2NPK +花生秸稈（PS）、1/2NPK +稻稈（RS）和1/2NPK +豬糞（PM）四個肥料處理。試驗小區面積為33 m2，每個處理重復3次，隨機排列。1995 年以前進行花生和油菜輪作，后改為一季花生，冬季休田。1988—2012年的肥料用量參見文獻[11]，2013年種植前調整施肥量，將所有處理中的養分均等氮量投入，其中，有機物料占總投入量的30%（以N計算）。

1.2 土壤樣品采集與預處理

土壤樣品于2014年在CK、PS、RS及PM小區內按“S”形采樣法采集耕層（0～20 cm）10點，采用四分法混合均勻后，保留約1 kg土樣帶回室內，將肉眼可見的根系、石礫及動植物殘體挑揀出去后，風干、磨細、過2 mm篩、保存備用。供試土壤的基本理化性質參見文獻[11]。

1.3 土壤有機碳分組

土壤有機碳分組方法在Zimmermann等[10]的方法上基礎上略作修改，具體步驟為：

（1）稱取過2 mm篩的風干土壤20 g于250 mL振蕩瓶中，加入純水200 mL，浸泡分散24 h后，在平行式往復振蕩機（270 r·min–1）上振蕩2 h后，抽取過濾（0.45 μm）適量浸提液用總有機碳（TOC）分析儀（TOC-L CPH CN 200，島津，日本）測定溶解性有機碳（DOC）含量；（2）然后，將土壤懸液倒入團聚體分析儀（XY-100，北京翔宇偉業）中直徑為63 μm的篩子上，并加水至淹沒篩上土壤3 cm處，以20 min–1上下篩動30 min后，將殘留在篩子上的土壤顆粒轉至已知重量的鋁盒中并烘干至恒重，即獲得粒徑63～2 000 μm粗成分顆粒（CPOC）；（3）將土壤篩分液用質量已知的0.45 μm濾膜進行抽濾，殘留在濾膜上的土壤顆粒烘干后即可得到粒徑為0.45～63 μm的細成分顆粒（SCOC）；（4）稱取2 g粒徑為63～2 000 μm的粗成分于已知重量的50 mL塑料離心管中，加入20 mL密度為1.78 g·mL–1的碘化鈉（NaI）溶液，在平行式復振蕩機上振蕩30 min，再離心（5 000 r·min–1）15 min后，將含有輕組部分的NaI溶液過濾，并反復沖洗濾紙，殘留在濾紙上的殘渣即為輕組組分（POC）；離心管內殘留的土壤樣品反復沖洗2～3次后，烘干即獲得重組組分（SAOC）；（5）稱取粒徑為0.45～63 μm的細成分0.50 g于50 mL塑料離心管中，加入25 mL濃度為60 g·L–1的次氯酸鈉溶液（NaClO，pH = 8.0），在25℃條件下氧化18 h，振蕩10 min（270 r·min–1）后、離心15 min（5 000 r·min–1），倒掉上清液；再重復一遍上述氧化過程后所得土壤殘渣即為惰性有機碳組分（rSOC）。具體操作流程圖見圖1。

注：DOC，溶解性有機碳；SCOC，細顆粒有機碳；LOC，易氧化有機碳；rSOC，惰性有機碳；POC，輕組（顆粒態）有機碳；SAOC，重組有機碳；CPOC，粗顆粒有機碳。下同。Note：DOC，dissolved organic carbon；SCOC，organic carbon in silt and clay；LOC，labile organic carbon；rSOC，resistant soil organic carbon；POC，particulate organic carbon；SAOC，organic carbon in sand and stable aggregates；CPOC，organic carbon in coarse particle. The same below.

結合RothC模型將上述物理化學分組獲得的各組分SOC進一步劃分為DPM、RPM、BIO、HUM及IOM，劃分流程如圖2所示。

分組獲得的各級有機碳采用碳氮（CN）元素分析儀（Vario EL cube，Elementar，德國）測定。

1.4 鐵鋁氧化物的測定

游離態氧化鐵（-Fe2O3）、氧化鋁（-Al2O3）采用DCB（連二亞硫酸鈉-檸檬酸鈉-重碳酸氫鈉）法提取，非晶質氧化鐵（-Fe2O3）、氧化鋁（-Al2O3）采用0.2 mol·L–1草酸銨緩沖液（pH = 3.17）提取[12]，上述提取液中的鐵鋁濃度均采用電感耦合等離子光譜發生儀（ICP-OES Optima800，PerkinElmer，美國）測定。

1.5 數據處理

各組分有機碳含量（t·hm–2，以C計，下同）= [該組分有機碳含量（g·kg–1）×土壤容重（g·cm–3）×土層深度（20 cm）]/10。

注：DPM，易分解的植物殘體碳；RPM，難分解的植物殘體碳；BIO，微生物生物量碳；HUM，腐殖質碳；IOM，惰性有機碳。下同。Note：DPM，decomposable plant material；RPM，resistant plant material；BIO，microbial biomass；HUM，humified organic matter；IOM，inert organic matter. The same below.

數據統計分析采用IBM SPSS Statistics 20軟件，繪圖采用Visio 2007和Origin 2018軟件。顯著性檢驗采用鄧肯氏新復極差法（SSR）。

2 結 果

2.1 長期配施秸稈與豬糞對紅壤旱地有機碳總量的影響

與試驗前（1988年）相比，長期平衡施肥的CK處理及PS、RS及PM處理的紅壤旱地SOC依次顯著增加了1.43倍、1.50倍、1.59倍及1.84倍，但各處理的SOC總增量及年增量無顯著差異（表1）。與CK處理相比，PM處理使紅壤旱地SOC顯著提高了1.2倍，而PS和RS處理影響不顯著（表1）。

2.2 長期配施秸稈與豬糞對紅壤旱地有機碳組分的影響

長期配施秸稈與豬糞的紅壤旱地中63～2 000 μm粗顆粒有機碳（CPOC）含量為7.4～8.5 t·hm–2，約占SOC的45.4%～50.0%；但與CK處理相比，PS、RS、PM處理對紅壤旱地中CPOC影響不顯著（表2）。由表2可以看出，將CPOC組分進行密度分組后，SAOC重組組分有機碳含量為6.6～7.2 t·hm–2，約占SOC的41.3%～43.8%，顯著大于POC輕組組分含量占比（3.8 %～8.4%），說明紅壤旱地CPOC主要以與砂粒結合或包裹于穩定團聚體內的形式存儲于土壤之中；但長期配施秸稈與豬糞對紅壤旱地SAOC和POC組分有機碳含量影響不顯著（表2）。

表1 長期施肥下土壤中總有機碳含量的變化

注：CK、PS、RS、PM分別表示對照、配施花生秸稈、配施稻稈及配施豬糞處理。同列相同字母表示不同施肥處理間統一理化性質間無顯著差異（> 0.05）。下同。Note：CK，PS，RS and PM represent chemical fertilizer，peanut straw，rice straw and pig manure. Mean values affixed with the same letters are insignificantly different at> 0.05 in soils the same in soil physical and chemical property relative to between fertilization treatments. The same below.

表2 長期配施有機肥對紅壤旱地各有機碳組分的影響

注：同列相同小寫字母表示不同施肥類型間同一碳組分有機碳無顯著差異（> 0.05）；同行相同大寫字母表示同一施肥類型下不同碳組分有機碳無顯著差異（> 0.05）。下同。Note：Mean values with the same lowercase uppercase letters are insignificantly different at> 0.05 in content of organic carbon of the same fraction between treatments；Mean values with the same uppercase letters are insignificantly different at> 0.05 between fractions of organic carbon in the same soil. The same below.

DOC含量為0.3～0.4 t·hm–2，約占SOC的1.9%～2.0%（表2）。與CK處理相比，PS、RS和PM處理對紅壤旱地DOC含量無顯著影響（表2）。而0.45～63 μm細顆粒有機碳（SCOC）含量為7.8～8.5 t·hm–2，約占SOC的48.0%～52.7%；但與CK處理相比，PS、RS和PM處理對紅壤旱地SCOC影響不顯著（表2）。按有機碳能否被6%NaClO氧化，可將紅壤旱地中SCOC組分區分為rSOC（殘渣態有機碳）和LOC（易氧化有機碳）；其中，rSOC含量為5.6～7.1t·hm–2，約占SOC的34.5%～40.7%，顯著高于LOC的占比（8.4%～13.7%）。與CK處理相比，PS、RS及PM處理對rSOC和LOC含量無顯著影響（表2）。

2.3 長期配施秸稈與豬糞對紅壤旱地RothC模型碳庫組成的影響

長期配施秸稈與豬糞的紅壤旱地中難分解的植物殘體碳（RPM）含量為0.9～1.7 t·hm–2，約占SOC的5.6%～10.6%，易分解的植物殘體碳（DPM）含量占SOC的比例僅為0.1%（表3）。與CK處理相比，PS和PM處理紅壤旱地中DPM與RPM含量分別顯著增加了94.4%和86.7%，而RS處理無顯著影響（表3）。

紅壤旱地中腐殖質碳（HUM）含量為8.4～9.1 t·hm–2，約占SOC的48.4%～56.0%，微生物生物量碳（BIO）所占比例僅為1.3%～1.5%（表3）。與CK處理相比，RS處理紅壤旱地中BIO與HUM占SOC的比例均顯著增加了5.0%，而PS和PM處理則無顯著影響（表3）。

惰性有機碳（IOM）含量為5.6～7.0 t·hm–2，約占SOC的34.5%～40.7%；與CK處理相比，PM、PS和RS處理對IOM均無顯著影響（表3）。

表3 長期配施有機肥對紅壤旱地RothC模型碳庫組分的影響

2.4 土壤有機碳組分與鐵鋁氧化物及有機碳累積投入量間的相關性

相關分析表明，隨著-Al2O3數量的增加，紅壤旱地中LOC數量顯著增加（< 0.05），rSOC（IOM）數量則顯著降低（< 0.05），而-Fe2O3則無顯著變化；隨著-Fe2O3數量的增加，紅壤旱地中rSOC（IOM）數量則顯著增加（< 0.05）；隨著-Al2O3數量的增加，紅壤旱地中各POC數量則顯著減少（= –0.60，< 0.05），而-Fe2O3的數量變化對紅壤旱地各組分碳均無顯著影響（表4）。隨著外源有機碳累積投入量的增加，紅壤旱地中rSOC（IOM）積累量增加顯著（< 0.05）（表4）。長期配施秸稈與豬糞的紅壤旱地中DPM、RPM與POC均呈極顯著的正相關關系（< 0.01），但與DOC間卻無顯著相關關系；BIO與HUM 及SAOC 均呈顯著正相關關系（< 0.05），但與LOC間無顯著相關關系；而LOC與rSOC（IOM）呈極顯著負相關關系（= –0.82，< 0.01）（表4）。

表4 土壤有機碳組分與鐵鋁氧化物及有機碳累積投入量間的相關系數

注：*在0.05水平顯著；**在0.01水平顯著；TSOC為1988—2014年各小區累積投入有機碳總量；-Fe2O3、-Al2O3為游離態氧化鐵、氧化鋁；-Fe2O3、-Al2O3為非晶質氧化鐵、氧化鋁。Note：*significant at 0.05 level；**significant at 0.01 level；TSOC stands for total amount of organic carbon input from 1988 to 2014 in each plot；-Fe2O3for free - iron oxides；-Al2O3for free - aluminum oxides；-Fe2O3for free - iron oxides；and-Al2O3for amorphous - aluminum oxides.

3 討 論

3.1 長期配施秸稈與豬糞對紅壤旱地有機碳庫組分含量的影響

施肥是影響土壤有機碳庫組分及其穩定性的主要農業管理措施之一，外源有機肥施用的種類與數量是影響土壤有機碳組分的重要方面。本研究發現，與CK處理相比，只有長期配施豬糞處理使紅壤旱地SOC顯著提高了1.2倍，而PS和RS處理影響不顯著（表1）；這可能是由于有機無機肥配施顯著提高土壤酶及微生物的活性[13]，其中，豬糞對土壤脲酶活性的增加作用優于作物秸稈，而脲酶活性與有機碳含量和微生物生物量呈正相關關系（< 0.05）[14]。PS處理紅壤旱地中DPM與RPM均顯著增加了94.4%，PM處理下DPM與RPM則均顯著增加了86.7%，而RS處理無顯著影響（表3）；與豬糞相比，秸稈含氮量低、C/N大，且以稻稈更顯著，因此，長期配施稻稈后，土壤中缺乏足量可供給的氮而限制了微生物的活性，進而阻礙有機質的分解，減弱施加作物秸稈對有機碳含量的增加作用[15]。本研究發現，DPM與RPM在不同施肥處理間的變異系數最大可達29.4%（表3），受長期配施秸稈與豬糞的影響較為顯著，可以作為有效反映SOC變化的指標[16]。長期配施花生秸稈、稻稈及豬糞對紅壤旱地中BIO、HUM及IOM均無顯著影響（表3），這可能是隨著花生秸稈、稻稈及豬糞的施肥年限及施肥量的增大使得紅壤旱地逐漸接近或者已經達到其固碳的飽和容量[17]，而導致土壤有機碳無顯著差異（表3）。有研究[18]表明長期施肥的紅壤有機碳含量呈現出先迅速增加后逐漸趨于平緩的趨勢；也有研究[19]表明，單施無機肥的土壤有機碳仍處于緩慢增加的趨勢，而長期連續配施有機肥的紅壤有機碳含量呈現先迅速上升，后緩慢下降的趨勢，可見，若無耕作管理方式的顯著改變，土壤有機碳將一直處于現階段較穩定的平衡狀態。余喜初等[19]的研究表明，長期配施有機肥的紅壤稻田中有機碳含量呈現先迅速上升，后緩慢下降的趨勢，且在連續配施有機肥20年時即可達到基本穩定。與本文中長期配施秸稈與豬糞26年后，紅壤旱地中BIO、HUM及IOM在三個肥料處理中的變異系數分別不超過8.9%、9.6%和9.6%的結果相符（表3）。

3.2 長期配施秸稈與豬糞對紅壤旱地有機碳分布特征的影響

長期施肥可影響土壤中有機碳組分的分布特征，而有機碳組分的分布特征又可反映土壤結構和功能的變化。長期配施秸稈與豬糞的紅壤旱地中CPOC和LOC顯著大于DOC，其中，又以SAOC和rSOC為主要組分，二者占SOC的百分比之和可達78.1%及以上，而LOC、POC與DOC組分含量相對較少（表2）；RothC模型中HUM及IOM分別占SOC的48.4%～56.0%和34.5%～40.7%，而DPM與RPM僅占SOC的5.7%～10.8%，由此可見，紅壤旱地中的有機碳主要以砂粒和穩定的團聚體碳和惰性碳組分的形式儲存于HUM和IOM碳庫中（圖3）。SAOC組分有機碳與砂粒結合或存儲于團聚體中而受物理性保護，而rSOC具有抗氧化的化學特性，均可在很大程度上降低SAOC和rSOC的分解速率，故大部分的有機碳均保存于IOM和HUM碳庫中[20]；DPM與RPM則是土壤中活性碳庫的主要成分，具有抗氧化程度低、水溶性強、分解迅速和周轉速率高等特性，促進了DPM與RPM的轉化，因此在總有機碳含量中的占比較低[21]。有研究[22-23]表明，施肥可為土壤提供直接的有機碳源，而稻稈中含有更多易被微生物分解的糖類、淀粉等物質，纖維素、木質素等不易分解的物質較少，促進有機碳及養分的分解和轉化。與CK處理相比，PS和PM處理紅壤旱地中DPM與RPM占SOC的百分比分別顯著增加了88.7%和68.1%，RS處理無顯著影響；但RS處理使紅壤旱地中BIO與HUM占SOC的百分比均顯著增加了5.0%，而PS和PM處理則無顯著影響（表3）。由此可見，不同施肥類型對紅壤有機碳分布特征的影響存在差異，其中，長期配施花生秸稈和豬糞可向土壤直接輸送大量外源碳，顯著提高土壤中DPM與RPM的占比，而稻稈則可顯著促進DPM與RPM中的有機碳向BIO與HUM中受物理性保護的有機碳轉換，且長期施用稻稈可提高農業土壤質量[24]。長期配施秸稈與豬糞的紅壤旱地中DPM及RPM與POC數量均呈極顯著正相關關系，而與DOC數量無顯著關系；BIO及HUM與SAOC 數量呈顯著正相關關系，而與LOC數量無顯著關系（表4）；這均是由于與POC和SAOC相比，DOC和LOC含量過少造成的，因此不受保護的DPM與RPM主要受POC的影響，而受物理性保護的BIO與HUM主要受SAOC組分碳的影響。隨著外源有機碳累積投入量的增加，旱地紅壤中的rSOC（IOM）呈顯著增加趨勢（表4），這表明外源有機質更容易通過微生物固定為較為穩定的有機碳，在農業生產中也可建議農民施用高碳投入量的有機肥以達到固碳減排的目的[25]。

圖3 長期配施有機肥下紅壤旱地有機碳分布比例

3.3 鐵鋁氧化物對紅壤旱地有機碳組分含量的影響

鐵鋁氧化物作為土壤中與有機碳結合的重要礦質膠結物質，對土壤結構和穩定性有顯著影響，尤其是在紅壤等酸性土壤中，有機碳與無機礦物（鐵鋁氧化物等）之間的吸附作用對維持有機碳的穩定、抵抗微生物分解有重要的調控作用[26-27]。本研究發現，-Al2O3與LOC含量呈顯著正相關關系，而與rSOC（IOM）呈顯著負相關關系；-Fe2O3與rSOC（IOM）呈顯著正相關關系（表4）。夏昕[28]的研究結果也證實紅壤旱地中非晶質鐵鋁氧化物與穩定性有機碳呈極顯著正相關關系，而游離態鐵鋁氧化物與穩定性有機碳呈顯著負相關關系。這是由于鐵鋁氧化物與穩定表面的吸附作用促進了SOC的穩定性，因此，鐵鋁氧化物的分布規律基本與穩定性有機碳的分布一致[29]。有機肥的施用雖促進了SOC的增加，但SOC又可抑制鐵氧化物的晶質化過程[30]，且與游離態鐵鋁氧化物相比，非晶質鐵鋁氧化物具有更大的表面積和表面活性，盡管含量相對較低，但可通過離子或配位交換與有機碳形成穩定的復合體，具有更強的膠結能力[26,31]。根據相關研究[32-33]可知，由于鋁離子的離子電荷/半徑比大于鐵離子，鐵的電負性大于鋁，故氧化鋁的吸附能力可能強于氧化鐵，而這與氧化鋁在土壤中的形態和電荷密度有關。

3.4 紅壤旱地RothC模型有機碳庫量化的應用

有研究表明，在可耕地中BIO和HUM的量化值與模擬值間相關性較強，而DPM、RPM及IOM的量化值與模擬值間相關性較弱，且DPM與RPM模擬值大于量化值，而BIO、HUM及IOM的量化值大于模擬值[10]。這是由于計算RothC模型碳庫的量化值時，需要根據DPM /RPM和BIO/HUM的比值來分別計算出DPM、RPM、BIO、HUM及IOM，當比值不同時，計算出的碳庫有機碳含量也有一定差異。根據Zimmermann等[10]對瑞士不同地區123個土壤樣品的分析可知，DPM /RPM比值不僅會受到土地利用類型、采樣時間等的影響，且可耕地土壤中的DPM /RPM與年平均溫度呈負相關關系。不同作物殘體的物料性質差異較大，因此，不同作物殘體的DPM /RPM比值也不同，如小麥根系、小麥秸稈、玉米根系和玉米秸稈的DPM /RPM比值調整為0.89、3.04、4.35和3.25后，模擬值和實測值間相對誤差明顯減小[34]。盡管如此，受模型運行時間的影響，量化值卻較模擬值更能準確地反映真實的環境條件，且隨著時間的延長，用量化值和模擬值預測的土壤SOC變化趨勢的差異也逐漸減小[35]。但為了進一步論證研究所得RothC碳庫有機碳含量與實際田間的適配性，還需將試驗地區的降水、蒸發、溫度、表層黏土含量等值為輸入參數，使用RothC模型正向模擬出各個碳庫的理論值，再與本文測量結果進行比較，以期修訂更合理的有機碳分組步驟，提升量化RothC碳庫的準確性，并提高RothC模型在紅壤區的適用性[36]。

4 結 論

長期配施豬糞可以顯著增加紅壤旱地SOC及DPM、RPM的含量，但土壤中的各有機碳組分及HUM、BIO及IOM均無顯著變化；而且土壤有機碳主要以SAOC和rSOC的形式儲存于HUM和IOM碳庫中。外源碳投入量及土壤非晶質氧化鋁數量的增加有助于紅壤旱地中穩定態有機碳的累積；施用高碳投入量的有機肥可以達到固碳減排的目的。為了提高RothC模型在紅壤旱地上的適用性及模擬的準確性，還需結合當地氣候條件及農業生產實踐狀況，通過模型模擬結果調整DPM /RPM比值，并完善有機碳（庫）的分組方法。

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Composition Characteristics of Organic Carbon Pool in Upland Red Soil under Long-term Application of Straw and Pig Manure

YIN Dan1, LI Huan1, XU Jiangbing1, FAN Jianbo2, WANG Yanling1?

(1. College of Applied Meteorology, Nanjing University of Information Sciences and Technology, Nanjing 210044, China; 2. State Key Laboratory of Soil Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China)

This study aimed(i)to investigate processes and mechanisms of long-term application of crop straw and pig manure affecting content and fractionation of organic carbon pools in upland red soil; (ii)to analyze effect and adaptability of the RothC model simulating changes in organic carbon in upland red soil; and (iii) to provide reference data for management of organic carbon and sustainable development of agriculture in upland red soil.Soil samples were collected from the topsoil layer (0～20 cm) of a upland of red soil, where out laid were the four treatments, that is, CK (chemical fertilizer), PS (peanut straw), RS(rice straw) and PM (pig manure), in the National Agro-Ecosystem Observation and Research Station in Yingtan, Jiangxi Province of China. Organic cabon in the soil samples was extracted and sorted into five fractions, i.e. particulate organic carbon (POC), organic carbon in sand and stable aggregates (SAOC), dissolved organic carbon (DOC), labile organic carbon (LOC), and inert organic carbon (rSOC), with the modified Zimmermanns’ method. Based on the RothC model, the above-listed fractions of soil carbon were further sorted separately into five subfractions, i.e. organic carbon in readily-decomposable plant residue (DPM), organic carbon in hardly-decomposable plant residue (RPM), microbial biomass carbon (BIO), organic carbon in humus (HUM)and inert organic carbon (IOM). Content and proportion of each fraction and subfraction was determined for analysis of effects of the long-term fertilization relative to treatment. And relationships of each carbon fraction or subfraction with soil iron-aluminum oxides and input of extraneous carbon were analyzed and discussed.Results show that in terms of content and proportion, the fractions of organic carbon in the upland red soil exhibited an order of SAOC > rSOC > LOC > POC > DOC and HUM > IOM > RPM > BIO > DPM. Compared with CK, Treatment PM was 17.0% , 86.7% and 86.7% higher in SOC, DPM and RPM, respectively, and Treatment PS was 94.4% higher in both DPM and RPM. However, the three fertilized treatments did not have much impact on content and proportion of the fractions of BIO, HUM and IOM. The correlation analysis shows that the fraction of rSOC(IOM)was negatively related to free aluminum oxides in the soil, but positively withamorphous - iron oxides in content; that POC was ultra-significantly and positively related to DPM and RPM; that SAOC was significantly and positively related to BIO and HUM; and that rSOC (IOM) was ultra-significantly and negatively related to LOC.Long-term fertilization significantly increases soil organic carbon in red soil upland, but the effect varies with fertilization practice. However, the increasing trend levels off after 26 years of fertilization, thus, in the RothC model, the effects of amendament of organic manure to chemical fertilization on BIO, HUM and IOM appear to be quite insignificant. In the soils applied with PS, RS or PM, organic carbon is dominated with SAOC (63～2 000 μm) and rSOC (0.45 μm～63 μm)in HUM and IOM. Long-term chemical fertilization amended with PS or PM brings a large volume of carbon into the soil and significantly increases the proportions of DPM and PRM, while amendament of RS can significantly promote transformation of organic carbon from DPM and PRM into BIO and HUM, thus improving soil quality of the farmlands. Long-term fertilization high in organic carbon input and high soil free - aluminum oxides content both accelerate sequestration of inert organic carbon by soil microorganisms.

Combined application of organic manure and inorganic fertilizer; Upland red soil; Soil organic carbon pool; RothC model; Physical-chemical combined grouping

S147.2；S153.6

A

10.11766/trxb201905130190

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YIN Dan，LI Huan，XU Jiangbing，FAN Jianbo，WANG Yanling. Composition Characteristics of Organic Carbon Pool in Upland Red Soil under Long-term Application of Straw and Pig Manure [J]. Acta Pedologica Sinica，2020，57（5）：1259–1269.

* 國家自然科學基金項目（41571130053，41571286 ）資助Supported by the National Natural Science Foundation of China（Nos. 41571130053 and 41571286）

，E-mail：ylwang@nuist.edu.cn

殷 丹（1995—），女，陜西咸陽人，碩士，主要從事土壤生態學研究。E-mail：512879395@qq.com

2019–05–13；

2019–07–01；

優先數字出版日期（www.cnki.net）：2019–08–20

（責任編輯：陳榮府）