有機肥替代不同比例化肥對土壤有機碳組分的影響

張久明，匡恩俊，劉亦丹，遲鳳琴，張一雯，宿慶瑞，石艷香

(1.黑龍江省農業科學院，土壤肥料與環境資源研究所/黑龍江省土壤環境與植物營養重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150086; 2.東北農業大學資源與環境學院，黑龍江哈爾濱 150030)

土壤有機碳(soil organic carbon, SOC)是土壤肥力的重要指標，為微生物代謝提供能量和底物，在農業的可持續發展中起著極為關鍵的作用[1-2]。SOC的變化在短期內不易顯現，對不同農田管理措施作用下土壤質量的改變反應不靈敏，通常需要幾年的檢測才能得出SOC的質量及數量的改變[3]。土壤活性碳組分主要包括易氧化有機碳(readily organic carbon, ROC)、溶解性有機碳(dissolved organic carbon, DOC)和微生物量碳(microbial biomass carbon, MBC)、顆粒有機碳(particulate organic carbon, POC)，作為土壤有機碳的重要組成部分，對田間管理措施響應較快，轉化迅速，被認為是早期土壤質量改變的敏感指標[4-5]。

東北黑土區是我國寶貴的耕地資源，不論其作為經濟作物主產區，還是作為重要的商品糧基地，在全國乃至世界都占據優勢[6]。然而不合理的開墾、掠奪性的生產方式、長期重用輕養且不平衡的培肥措施等導致黑土區土壤退化、肥力快速下降，后期生產必須投入大量化肥才能獲得高產[7]，尤其是長期大量氮化肥的施用已經造成農業生產呈現出報酬遞減規律。隨著人們對生態環境和農業可持續發展的關注，有機肥作為一種環保肥料被廣泛應用到農業生產中。大量研究表明，有機、無機肥配施能夠有效改善土壤理化性狀，控制農田面源污染，穩定甚至增加作物產量，提高作物品質[8-9]。有機肥和化肥配施是提升土壤可持續發展的有效途徑，但最佳配施比例在不同地區和土壤中不盡相同。本研究在東北春麥區進行田間試驗，將不同配比的有機肥和化肥一次性施入土壤，分析春小麥生育期耕層土壤(0～20 cm)有機碳、氮組分含量及其相關指標變化，探討有機肥替代化肥減施技術與土壤碳、氮組分之間的相互關系，以期為明確東北春麥區有機肥替代化肥的最佳用量提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019年在黑龍江省嫩江中儲糧北方公司科技園區進行(125°27′5″N，49°33′35″E)。試驗區屬中溫帶大陸性季風氣候，多年平均氣溫 -1.4～0.8 ℃，降水量450 mm，無霜期 115 d，有效積溫2 150 ℃。試驗地土壤為黑土，厚層粘底，0～20 cm耕層土壤基本理化性質見表1。

表1 試驗地土壤基本理化性質

1.2 試驗設計

試驗采用隨機區組設計，共設5個處理：(1)不施肥(CK)；(2)有機肥代替100%化學氮肥(M)；(3)有機肥替代替50%化學氮肥(M1N1)；(4)有機肥替代替25%化學氮肥(M2N2)；(5)全量化學氮肥(N)。小區面積 24 m2，3次重復。全化肥用量為當地小麥種植常規施用量，其中氮肥施用量為75.00 kg·hm-2，磷肥施用量為P2O575.00 kg·hm-2，鉀肥施用量為K2O 37.50 kg·hm-2。化肥分別為尿素、過磷酸鈣和硫酸鉀；有機肥為商品有機肥，其養分含量為N 5.05%、P2O52.75%、K2O 1.50%，有機質含量 31.20%。有機肥替代100%、50%和25%化學氮肥的各處理有機肥用量分別為1 500、750和375 kg·hm-2，磷、鉀肥用量為常規用量減去有機肥中磷、鉀元素含量，以保證各施肥處理施入土壤養分含量一致。所有肥料均按照設計用量作為基肥播種前一次性施入。

供試小麥品種為克春4號，播量為300 kg·hm-2，播期為2019年4月8日，收獲期為8月9日。處理之間除肥料種類不同外，其他栽培管理措施相同。

1.3 樣品采集

2019年小麥收獲后采集0～20 cm土壤樣品，每個小區均勻設3個采樣點，土樣混合均勻后采用四分法留取分析樣品。新鮮土樣取一部分通過2 mm網篩，保存在4 ℃冰箱內用于測定微生物碳含量；另一部分自然風干后磨碎過篩，用于測定其他指標。

1.4 測定方法

土壤有機碳(SOC)含量采用重鉻酸鉀氧化法[10]；土壤可溶性有機碳(DOC)含量采用硫酸鉀浸提法[11]；土壤顆粒有機碳(POC)含量采用六偏磷酸納分散法[12]；微生物量碳(MBC)含量采用三氯甲烷熏蒸法[13]；土壤易氧化有機碳(ROC)含量采用高錳酸鉀氧化法[14]。敏感性指數計算公式[15]如下：

敏感指數=(施肥處理活性碳組分-CK活性碳組分)/CK活性碳組分×100%

1.5 數據處理

運用Excel 2007和SPSS 20.0對試驗數據進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 土壤有機碳、氮組分含量

如表2所示，施肥對提高土壤有機碳含量具有促進作用，但不同施肥處理的效果有所不同。土壤SOC含量以M處理最高，為24.30 g·kg-1，以CK處理最低，為22.68 g·kg-1，M處理土壤SOC含量顯著高于M2N2和CK處理(P< 0.05)，但與M1N1、N處理間無顯著差異。施肥能夠增加土壤全氮(TN)含量，N處理下TN含量最高，為2.70 g·kg-1，顯著高于其他處理(P<0.05)。土壤C/N維持在9.89～12.28，施用有機肥可以增加土壤C/N，但各處理與對照間無顯著差異；N處理下C/N顯著低于其他處理(P< 0.05)。

表2 不同施肥處理土壤碳氮變化特征

2.2 土壤活性有機碳組分含量

不同施肥處理下0～20 cm土壤有機碳活性組分含量存在不同程度差異(圖1)。土壤中POC含量表現為M1N1>M2N2>M>N>CK，有機無機配施處理POC含量顯著高于M、N及CK處理，M1N1處理下POC含量較N處理增加了 33.98%，較CK處理增加了40.82%。土壤中DOC含量表現為M>M2N2>N>CK>M1N1，M處理下DOC含量為325.97 mg·kg-1，顯著高于其他處理，較N處理增加了5.97%，較CK處理增加了7.33%，較M1N1處理增加了 7.34%。土壤中ROC及MBC含量在各處理中變化趨勢一致，均表現為M2N2>M1N1>N>M>CK，M2N2處理下ROC及MBC含量分別為 4.69 g·kg-1和317.40 mg·kg-1，均顯著高于其他處理，較N處理分別增加了10.35%和 39.66%，較CK處理分別增加了28.84%和 71.67%。由表3可知，土壤ROC、MBC、POC含量間存在極顯著相關關系 (P<0.01)；DOC與SOC含量顯著相關(P<0.05)，與POC、ROC、MBC含量沒有顯著相關性。

表3 有機碳組分間 Pearson 相關性分析(r)

圖柱上不同字母表示處理間差異達 5% 顯著水平。

2.3 土壤活性有機碳組分分配比率

土壤活性有機碳組分分配比率是指各活性有機碳組分在SOC中的占比。除DOC外，有機肥無機肥配施處理能夠顯著提高各活性碳組分占土壤有機碳的比例(表4)。在所有處理中，ROC在土壤有機碳中的占比顯著高于其他活性碳組分所占比例(P<0.05)，其比值范圍為15.66%～ 20.45%；MBC/SOC所占比例最低，其比值范圍為 0.82%～1.39%。各施肥處理土壤DOC所占比例介于1.28%～1.34%之間。

表4 不同施肥處理土壤碳組分在有機碳中的占比

2.4 不同施肥處理對土壤碳組分敏感性指數的影響

敏感度指數(SI)可指示出土壤中對耕地管理措施反應較靈敏的有機碳組分[16]。由表5可知，不同處理下，0～20 cm土壤中SOC、ROC、POC及MBC的SI值范圍分別為1.02%～ 6.58%、 4.40%～28.64%、5.95%～38.65%和 14.98%～71.76%。除SOC外，在不同處理中各活性有機碳組分均以M2N2處理處理最高，表明有機肥替代化學氮肥25%能提高土壤中活性有機碳組分的靈敏性。在不同測定指標中，以MBC的SI值最高，以SOC的SI值最低，表明土壤中活性碳組分MBC對環境變化反應更為靈敏，在該地區可將MBC作為早期有機物變化的指 示物。

表5 不同施肥處理土壤SOC和有機碳組分的敏感度指數(SI)

3 討 論

3.1 有機無機配施對土壤總有機碳、氮含量的影響

土壤中有機碳能夠調節土壤物理性狀和化學性狀，是衡量農田土壤肥力高低的重要指標，關于添加氮肥對土壤肥力提高的影響研究早已有很多。土壤中碳、氮之間存在一定的耦合關系，是農業可持續發展的基礎[17]。本研究結果表明，CK處理SOC含量較試驗前有所降低，各施肥處理SOC含量均高于CK處理。這可能是由于不施肥條件下無外來碳源，土壤有機質僅以作物根茬殘留物碳循環為源，不能維持其平衡[18]。有研究表明，氮化肥和有機肥可有效提高土壤SOC和TN含量及其有效性，添加有機肥能夠增加外源有機物料，提高土壤對氮素的吸附能力，而氮的有效性高則可促進土壤有機質轉化為腐殖質[19]。在本研究中，單施化肥及單施有機肥均能顯著增加土壤SOC含量，M處理SOC含量最高，而有機無機肥配施則顯著降低SOC含量，是由于施用化肥氮素可降低農田SOC的降解速率[20]，并且作物生長需要不斷吸收土壤中的有效養分，有機無機肥配施可以改善土壤理化性狀，增加土壤有效養分含量，促進了作物對土壤養分的吸收[21]。土壤C/N是土壤礦化能力的標志，直接影響土壤養分的有效性和作物生長，提高土壤C/N能促進土壤微生物對土壤有機氮的分解和礦化作用[22]。在本研究中，施用有機肥會導致土壤C/N增加，而單施氮化肥C/N顯著降低，其原因可能是單施氮化肥導致土壤中殘留氮素較多，土壤碳含量低，最終導致C/N比降低[23]。

3.2 有機無機配施對土壤活性有機碳組分含量的影響

施用有機肥可以為微生物提供足夠的底物從而加速土壤有機碳的礦化及有機物料的腐解，釋放更多活性碳組分[24]。本研究結果表明，各施肥處理對土壤POC、ROC及MBC含量的提升效果由高到低依次為有機無機肥配施處理、單施化肥處理、單施有機肥處理(圖2)。李忠徽等[25]通過研究施用有機肥對黃綿土有機碳組分的影響，發現施有機肥處理土壤ROC含量較不施有機肥處理增加了7.80%。本研究結果表明，M2N2處理土壤ROC含量較CK處理增加28.84%，較N處理增加10.35%，這也證實了前人的研究結論。賀 美等[26]對東北黑土的研究發現，長期有機肥無機肥配施能顯著提高土壤POC含量。本研究表明，施肥能顯著提高土壤POC含量，有機肥無機肥配施處理較單施化肥及單施有機肥效果顯著。主要是因為有機肥進入土壤后與部分砂粒結合，直接提供了與POC組成相近的有機碳組分，再加上配施化肥，在一定程度上促進了外源有機物料的分解和原有有機物質的周轉，促進了POC的形成和轉化[27]。MBC被認為是活性有機質的主要成分，能直接參與土壤有機殘體的礦質化和腐殖化過程，調節土壤有機質的轉化，其自身結構物質及其代謝產物也是土壤碳庫的重要組分[28]。陳潔等[15]在湖北武漢地區長期稻麥輪作區試驗發現，有機肥處理下MBC含量顯著高于施化肥處理，與本研究結果一致。主要是因為有機肥能夠為微生物的生長提供充足的碳源，改善微生物的生存環境，加速其代謝過程[29]。土壤DOC易分解、活性高、流動性強[30]。本研究中，M處理下DOC含量最高，主要因為有機肥的施用既能直接增加土壤DOC含量，又能促進土壤有機質分解，間接導致DOC含量升高。

土壤各活性有機碳組分與SOC的比例能夠反映土壤有機碳的有效性，可反應該碳組分能被微生物分解利用的難易程度，比例越高則表示該碳組分對土壤有機碳的貢獻程度越高。本研究結果表明，在各處理中，各活性有機碳占SOC的百分比表現為：ROC>POC>DOC>MBC，可能是因為施肥種類不同對土壤微生物數量影響不同，對土壤微生物群落結構也具有不同影響，施用機肥后細菌群落更占優勢，同時更有利于微生物數量的增加，使有機物質的周轉速度加快，最終釋放更多的ROC。

3.3 有機無機配施對土壤碳組分敏感性指數的影響

利用敏感性指數可確定土壤有機碳中對農田管理措施反應最靈敏的碳組分[16]。Sparling等[31]指出，可將MBC作為土壤中有機質變化的敏感指標。在本研究中，ROC、POC及MBC的敏感度均高于SOC(表5)，其中M2N2處理下MBC反應最為靈敏，且MBC與ROC、POC之間存在極顯著相關關系(表3)，說明在各活性有機碳組分中，MBC是指示該區域輪作制度下土壤碳庫存的最佳指標。主要原因是雖然 MBC在土壤中比例很小，但MBC與其他活性碳組分之間存在極顯著相關關系(P<0.01)，是調節土壤碳轉化的關鍵，對于評價土壤質量的研究至關重要。