不同有機物料投入下黃河故道土壤有機碳積累特征的研究①

楊 蘇，劉耀斌，王 靜，汪吉東，張永春*，李輝信，艾玉春

(1農業農村部江蘇耕地保育科學觀測實驗站/江蘇省農業科學院農業資源與環境研究所，南京 210014；2南京農業大學資源與環境科學學院，南京 210095)

土壤有機碳庫的儲量變化受碳投入與礦化間的平衡關系調控[1-2]。明確土壤有機碳的累積特征對于發揮土壤固碳潛力、培育土壤肥力具有重要意義[3]。施用外源有機物料不僅能夠直接增加土壤有機質含量、改變碳的有效性、恢復重建退化土壤，還會對土壤有機碳庫的轉化過程產生重要影響，進而影響到土壤碳的固定和 CO2的排放[4-5]。但有機質總量在短時間內，不能靈敏而全面地反映土壤有機質的內在組分變化，近年來土壤活性有機質與土壤碳庫管理指數代替總有機質成為評價土壤質量和土壤管理的重要指標[6-7]。據統計，土壤呼吸釋放的 CO2量占生態系統呼吸總量的 60% ~ 90%[8]，是土壤碳礦化分解的主要途徑。近年來對土壤呼吸的研究越來越多，Spaccini等[9]對 3 種農田土壤固碳潛力的研究表明，外源有機物料的添加能夠直接增加土壤有機質含量，增強土壤的固碳潛力[10]。侯建偉等[11]認為不同有機物料還田均能增加土壤有效養分和微生物生物量碳、氮含量，這是由于有機物料的投入，抵消了土壤呼吸損失的碳，總體來說“入大于出”表現為農田土壤的“碳匯”[12-13]。由于有機物料對土壤碳提升具有重要作用，因此提高有機物料的腐殖化系數、增強土壤的固碳潛力、減少有機物的礦化分解對于改良貧瘠土壤具有重要作用，但多數研究集中在中緯度的溫帶草地和森林[9,14]，對連年施用菌渣及有機肥對潮土固碳特征的研究匱乏。

黃河故道區江蘇段食用菌產量大，菌菇生產過程中會產生大量的菌菇渣，該菌菇渣經濟易得，含有豐富的有機物質[15]，是生產商品有機肥的重要原料。但是在生產上易遭隨意丟棄，造成資源浪費和環境污染，若加以利用，一方面可以補充土壤養分，促進廢棄物的資源化利用；另一方面，菌菇渣進入土壤后在微生物及酶的作用下被分解[16]，使有機物顆粒變小，碳氮比下降，釋放養分[17-19]，是培肥改土經濟可行的方法。在“減肥增效”的大背景和現實需求下，有機肥被大量使用，但存在價格高、推廣難等問題。而對于分布面積廣[20]、土壤結構差、肥力低下[21]、土壤生態平衡容易遭到破壞[22]的潮土，提升等量的有機質含量，對應需要投入的有機肥量更大，利用菌菇渣直接還田，如能獲得與有機肥相當的效果，則為黃河故道區潮土質量提升提供新的思路和方法。目前提高潮土有機碳含量的研究，未能給出詳細的最佳方案。本試驗基于此目的，通過連續兩年施用秸稈菌渣、樹枝菌渣及有機肥，探究土壤不同組分有機碳變化及碳的積累與礦化量，為準確估算外源有機物料添加下，農田生態系統固碳潛力提供依據，為有機物料的資源化利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

本試驗區位于江蘇省鹽城市濱海縣界牌鎮三壩村黃河灣綠色科技有限公司試驗基地內(33°43′N，119°37′E)，試驗區地處北溫帶，氣候溫和，降雨充沛，常年平均氣溫14.1 ℃，最高溫39 ℃，最低溫 -10 ℃。降雨量536 ~ 1 372 mm，年平均降雨量為942.6 mm。試驗區地勢平坦，土壤類型為脫鹽潮土。樣地土壤有機質含量4.41 g/kg，全氮0.18 g/kg，有效磷2.63 mg/kg，速效鉀63.3 mg/kg，pH 8.58。小麥秸稈全氮含量6.95 g/kg，全磷0.96 g/kg，速效鉀121 mg/kg，有機碳270 g/kg，碳氮比66.86。添加的有機物料為有機肥(M)，由阿古利斯有限公司提供，主要原材料為中藥渣；秸稈菌渣(S)系草菇生產后的秸稈類菌渣，簡稱秸稈菌渣；樹枝菌渣(B)系香菇生產后樹枝類菌渣，簡稱樹枝菌渣；于2017年玉米季開始施用，其養分含量如表1所示。

表1 有機物料的基本性質Table 1 Basic physiochemical properties of tested organic materials

1.2 試驗設計

試驗設置7個處理，分別為單施氮磷鉀肥作為對照(CK)，其他處理在單施氮磷鉀肥的基礎上增施有機肥6 000 kg/hm2(M1)、有機肥12 000 kg/hm2(M2)、樹枝菌渣6 000 kg/hm2(B1)、樹枝菌渣12 000 kg/hm2(B2)、秸稈菌渣6 000 kg/hm2(S1)、秸稈菌渣12 000 kg/hm2(S2)，每個處理3個重復，采用完全隨機排列，每個小區面積為96 m2(長12 m，寬8 m)。試驗區種植制度為玉米-小麥輪作，有機物料添加始于2017年玉米季，玉米品種均為蠡玉31號，小麥品種為華麥7號。第一季種植玉米于2017年7月5日播種，10月20日收獲；第二季種植小麥于2017年10月26日播種，2018年6月26日收獲；第三季種植玉米于2018年7月2日播種，10月23日收獲；玉米株間距為25 cm，行間距為70 cm，小麥行間距為15 cm。在小麥收獲后玉米種植前進行麥稈覆蓋還田。玉米季施復合肥(18:12:10) 600 kg/hm2，有機肥和菌渣做基肥在播種前一次性施入，在拔節期和大喇叭口期追施尿素，尿素用量占化肥總氮的30%，化肥及有機物料的施用均采用人工撒施的方式進行。在每個小區相同的株間位置固定一個長期測氣的PVC圓柱形底座(高20 cm，直徑20 cm)，為了減少對土壤的擾動，初次測定在PVC底座插入土壤 24 h后進行。為防止有機物料添加不均對試驗結果造成的影響，先計算出PVC管內土壤的體積，再按比例添加有機物料。試驗開始監測前將PVC底座固定在每個小區相同的位置，且PVC底座露出地面的高度均為7 cm，確保密閉區域體積相同，以便估算呼吸通量。在測定前一天，檢查PVC底座是否完好，并用剪刀貼地剪除底座內的可見植物，減少植物呼吸和土壤擾動的影響。于2018年玉米生長的苗期(7月7日)、拔節期(8月4日)、抽雄-授粉期(8月28日)、乳熟期(9月22日)和成熟期(10月12日)，從8:00—10:00測定CO2通量，同時監測0 ~ 10 cm土壤溫度和濕度，在玉米收獲時測產，并在每個小區S形采取0 ~ 10 cm 土壤樣品5個，組成混合樣品，帶回實驗室進行風干、研磨、過篩，測定土壤不同組分有機質含量。

1.3 試驗方法

土壤呼吸監測采用開路式土壤碳通量自動監測系統，儀器型號為 Li-8100 ( Li-COR，Lincoln，NE，USA)，取玉米不同生育期(8:00—10:00)土壤呼吸速率為當天呼吸的平均值，然后乘以生長期天數，求出不同生育期呼吸總量，對不同生育期呼吸總量求和得到玉米整個生長期土壤呼吸總量(沒有測定日期的土壤呼吸采用內插法估算)。

土壤有機質采用重鉻酸鉀-外加熱法測定。采用3 種濃度 33、167、333 mmol/L的 KMnO4氧化法分別測定高活性、中活性和活性有機質含量。

土壤碳庫管理指數以不施肥為參考土壤，其計算方法[20]：

碳庫指數(CPI)=樣品全碳含量(g/kg)/參考土壤全碳含量(g/kg)；

碳庫活度(A)=活性碳含量/非活性碳含量；

碳庫活度指數(AI)=樣品碳庫活度/參考土壤碳庫活度；

碳庫管理指數(CPMI，%)=碳庫指數×碳庫活度指數×100。

1.4 數據處理

采用SPSS 25.0 軟件中Pearson雙尾檢驗進行玉米產量與土壤不同組分有機質含量及碳庫管理指數的相關性分析；平均值多重比較采用Duncan’s New Multiple Range Test 進行顯著性檢驗(P< 0.05)；采用單因素方差分析對不同處理全生育期內土壤呼吸速率平均值進行差異顯著性檢驗。采用 Microsoft Excel 2007 和 Origin 8.0 軟件進行數據處理和繪圖。

2 結果與分析

2.1 有機物料投入對玉米產量的影響

外源有機物料施入土壤后，均會顯著增加玉米產量，且隨有機物料施用量的增加玉米產量呈增加的趨勢，其中2018年玉米總產量高于2017年，增產效果也優于2017年，兩年平均增產幅度在21.75% ~ 58.32%(圖1)。就有機物料種類而言，對玉米的增產效果表現為：樹枝菌渣>秸稈菌渣≥有機肥，即12 000 kg/hm2的樹枝菌渣增產效果最優，2018年增產69.05%，2017年增產46.73%，兩年平均增產58.32%。

2.2 有機物料施用對土壤不同組分有機質含量的影響

有機物料施用后土壤不同活性有機質含量介于0.46 ~ 2.70 g/kg，占總有機質的7.4% ~ 35%(表2)，有機物料施用下，活性有機質占總有機質比例最高，其次為中活性有機質和高活性有機質。有機肥的活性有機質含量最低，為1.72 g/kg，其次為秸稈菌渣2.14 g/kg，樹枝菌渣最高為2.70 g/kg，表明菌菇渣對土壤總有機質以及不同組分有機質的提升效果優于有機肥。B2處理的總有機質、中活性有機質和活性有機質含量高于S2和M2，分別比S2、M2高0.62、1.08，0.05、0.10，0.56、0.98 g/kg。碳庫管理指數(CPMI)與不同組分有機質含量趨勢相同，由小到大為：M1

2.3 土壤呼吸總量與單位碳投入下呼吸量

有機物料施用下土壤呼吸總量為C 3 245 ~4 650 kg/hm2(圖2)，處理間表現為：秸稈菌渣≥有機肥>樹枝菌渣>對照，在所有處理中S2呼吸總量最大，其值為4 650 kg/hm2，顯著高于CK，但與M2無顯著差異。各處理碳投入量為樹枝菌渣>有機肥>秸稈菌渣，樹枝菌渣碳投入量多，呼吸消耗量少，導致單位碳投入下的呼吸量顯著低于秸稈菌渣和有機肥(圖3)。相同用量的3種有機物料，樹枝菌渣對土壤有機碳的提升效果最佳。

表2 土壤碳投入和不同組分碳含量Table 2 Soil carbon inputs and carbon contents in different components

2.4 玉米產量與不同組分有機質及碳庫管理指數的相關性

通過Pearson雙變量相關分析表明，玉米產量與各組分有機質含量和碳庫管理指數均呈顯著正相關(P<0.05)，其中玉米產量與有機質含量相關性系數為0.775，達到極顯著水平(P<0.01)。有機質與活性有機質呈顯著正相關，與中活性有機質呈極顯著正相關，而與高活性有機質和碳庫管理指數相關性不顯著；活性有機質與高活性和中活性有機質均呈顯著正相關；碳庫管理指數的增加表明活性有機質含量增加，進而提高玉米產量。

表3 不同指標之間的相關性Table 3 Correlation between different indicators

2.5 碳投入與碳積累和碳礦化的擬合

通過圖4擬合曲線發現，碳投入量與碳積累量呈極顯著線性正相關關系，R2為0.838；投入量與碳礦化量擬合為三次函數效果較好，達到顯著水平，R2為0.609，表明碳礦化量隨碳投入量的成倍增加并不是呈倍數增加的，其增長趨勢先上升后趨于平穩甚至有降低趨勢。

3 討論

3.1 潮土施用有機物料對玉米產量的影響

外源有機碳輸入是增加土壤有機碳含量、提高作物產量最直接有效的方式[20-21]。針對黃河故道潮土有機質含量低的問題，通過施用外源有機物料發現，有機物料可增加潮土有機質含量，提高活性有機質占總有機質的比例，增加碳庫管理指數，進而達到增產的目的，這與Rondon等[22]和胡乃娟等[23]的研究結論相似。有機物料進入土壤后，在微生物的作用下會氧化分解釋放養分，被作物吸收利用，從而提高作物產量。胡乃娟等[23]研究表明物料的分解與有機物料C/N相關，秸稈菌渣的C/N 最低，腐解最快，而樹枝菌渣的C/N 最高，腐解相對較慢[24]，因此固存到土壤中的養分多，有利于作物增產。而王丹丹和曹湊貴[25]的研究表明作物產量與有機質含量呈負相關，但相關性不顯著，本研究結果與此不一致。這可能與研究地區的土壤類型有關，本研究供試土壤為脫鹽潮土，有機質含量極低，土壤結構差；而王丹丹試驗所用土壤類型為砂質水稻土，土壤結構及養分含量均優于潮土。

3.2 有機物料投入下土壤碳的轉化與積累

土壤呼吸是碳礦化的主要方式。宋秋來等[26]的研究表明，CO2排放量隨有機物料投入量的增加而增加，本研究結果與此相似，但二者呈非線性關系，擬合為三次函數關系較好。不同有機物料由于自身物質組成不同，添加到土壤中對土壤碳的礦化和積累的效果也不同。這可能是由于樹枝菌渣比秸稈菌渣的碳氮比高，分解樹枝菌渣的微生物群落繁殖速度慢；也可能是樹枝菌渣中含有較多的木質素和其他難分解成分造成碳素釋放較秸稈菌渣低，對微生物分解礦化有機碳的激發作用弱。

Logninow 等[27]提出用 3 種不同濃度的 KMnO4(33、167、333 mmol/L)氧化土壤有機質，把有機質劃分為高活性、中活性和活性有機質。許多研究表明，土壤中活性有機質對土壤碳的變化較非活性有機質敏感得多，與總有機質相比與土壤性質關系更密切，而且土壤總有機質在短時間內變化較小，不能像土壤活性有機質與土壤碳庫管理指數一樣靈敏全面地反映土壤肥力的變化，因此可以將土壤活性有機質和碳庫管理指數作為評價土壤質量和土壤管理的重要指標[28]。Conteh 等[29]認為農田土壤活性有機質含量一般占總有機質含量的 9% ~ 20%，同時土壤活性有機質含量的變化并不與有機質含量的變化成比例。本試驗結果顯示土壤活性有機質占總有機質的 24% ~ 37%，且變化趨勢與有機質一致，這可能與研究區的土地管理有關。且施用的菌菇渣主要為被食用菌菌絲利用后的有機殘體，具有極難降解性[30]，導致土壤中非活性有機質占主導，但這部分有機質可穩定儲存于土壤中，提高土壤有機質含量。研究結果顯示不同活性有機質間差異顯著，表明外源添加有機肥和菌菇渣主要通過影響土壤中的不同活性有機質含量來影響總有機質含量。土壤碳庫管理指數是土壤碳素動態變化靈敏而有效的指標[31]，隨外源有機物料的添加，CPMI 增加了10.1% ~ 61.8%，表明外源碳輸入使土壤肥力趨向好的方向發展，這與李忠佩等[32]和 Li 等[33]的研究結果一致。

4 結論

本試驗研究表明，施用有機物料會顯著增加玉米產量和土壤有機質含量，但也會增加土壤碳的礦化量，總體而言碳的積累量大于礦化消耗量，最終表現為土壤的“碳匯”。有機物料對土壤總有機質的影響主要通過增加不同活性有機質含量來實現，與對照相比，碳庫管理指數顯著增加。相同用量的3種有機物料，由于碳氮比不同，對土壤有機質的提升效果也不同，表現為呼吸總量：秸稈菌渣≥有機肥>樹枝菌渣；碳積累量：樹枝菌渣>秸稈菌渣≥有機肥。綜上所述，用量為12 000 kg/hm2的樹枝菌渣對黃河故道潮土有機質提升效果最佳，單位碳投入下的礦化量最少，有機質積累量多，玉米產量高，兼具環境與經濟效益。