化肥減施下有機物料對砂姜黑土有機碳組分和養分含量的影響

吳萍萍 王 靜 李錄久 汪 霄

(安徽省農業科學院土壤肥料研究所/安徽養分循環與資源環境省級實驗室，安徽 合肥 230031)

沿淮平原是我國糧食主產區之一，以小麥-水稻、小麥-玉米等輪作制度為主，化肥施用量分布不均衡，部分地區過量施肥現象突出，化肥年投入量達458～573 kg·hm-2[1]。化肥過量投入除了導致較低的氮肥利用率和水體富營養化、溫室氣體排放等環境污染外，還會對土壤理化性質產生不利影響，如土壤酸化、次生鹽漬化和生物多樣性下降等[2]。2015年，農業農村部出臺《到2020年化肥使用零增長行動方案》以解決化肥過量和不合理施用問題，秸稈還田、有機肥替代等土壤作物綜合管理技術通過改良土壤肥力進而促進肥料施用效率的提升，是進一步節肥增效的關鍵[3]。減少化肥施用量并配合有機物料施用以緩解過量施肥帶來的土壤質量退化是農業生產中亟需解決的問題[4]。

秸稈和生物炭作為有機物料還田的主要類型之一，其對土壤肥力，特別是有機碳組分的影響受到較多關注[5-9]。研究發現，土壤活性有機碳占土壤有機碳總量的比例很小，卻直接參與土壤生物化學轉化過程，是土壤微生物活動的碳源和土壤養分流的驅動力[10]。與土壤總有機碳變化相比，活性有機碳受植物、微生物、土壤環境等影響強烈，降解速率較快，能夠在短時間內對秸稈還田等農業管理措施產生響應，并起到指示性作用，常被認為是農田管理措施的早期敏感指標[11]。多數研究表明，有機物料還田使微生物獲得充足底物，而有機物降解產物是土壤活性碳組分的主要來源，因此，施用有機物料可顯著提高土壤有機碳及活性碳組分含量，穩定土壤有機碳庫，改善土壤理化性狀[5-9,12]。

目前關于化肥減量配施生物炭或秸稈等有機物料的研究主要集中在紫色土、黃壤、水稻土等土壤類型上。如在紫色土地區中，化肥減量15%配施生物炭和秸稈還田有利于改善土壤養分、提高化肥利用率，達到減少氮肥、磷肥施用量和提高作物產量的效果[4]。也有研究表明，化肥減施50%配施生物有機肥可增加旱地紫色土中土壤微生物量有機碳和輕組分有機碳含量[13]。李增強等[14]對水稻土的研究發現，紫云英配施80%化肥條件下土壤活性有機碳含量較配施60%化肥時低。而湘南雙季稻種植區的研究則表明，與常規施肥相比，化肥氮減量20%～40%配施綠肥可以維持水稻土土壤有機質、氮、磷、鉀素的供應[15]。沿淮平原地帶性土壤主要為砂姜黑土，表現出質地黏重、有機質含量及品質低等不良特征，有機物料施用是改良砂姜黑土的有效措施之一[16]。以往研究指出，施用生物炭或秸稈還田能在一定程度上提升砂姜黑土活性有機質及全量有機質含量，改善土壤理化性質[9,17]，但有關化肥減量下配施生物炭或秸稈還田對砂姜黑土固碳培肥的影響尚未完全明確。因此本研究以沿淮平原稻麥輪作區砂姜黑土為研究對象，分析常規化肥用量及減量施用條件下有機物料對砂姜黑土總有機碳、活性有機碳組分以及養分含量的影響，探討土壤碳庫管理指數對施肥措施的響應，并應用相關性分析和主成分分析明確土壤有機碳組分、養分因子間關聯程度及不同施肥措施的固碳培肥效果，以期為沿淮平原稻麥輪作區化肥減量增效、農業廢棄物資源化利用提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

定位試驗于2018—2020年在安徽省蚌埠市懷遠縣(117°04′12″E，32°58′58″N)進行，該地位于黃淮海平原南緣，屬于暖溫帶半濕潤季風氣候區，年平均氣溫15.3℃，年均降水量874.6 mm。試驗地為水稻-小麥輪作制度，土壤類型為潛育型水稻土砂姜黑土，試驗前0～20 cm耕層土壤的基本理化性質如下：pH值6.27，有機碳含量12.4 g·kg-1，全氮含量1.4 g·kg-1，堿解氮含量97.7 mg·kg-1，有效磷含量18.5 mg·kg-1，速效鉀含量104.9 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

試驗在水稻季開展，設5個處理：1)常規單施氮、磷、鉀化肥(F，對照)；2)常規施肥+秸稈生物炭(F+B)；3)氮、磷、鉀化肥減量20%+秸稈生物炭(80%F+B)；4)常規施肥+秸稈還田(F+S)；5)氮、磷、鉀化肥減量20%+秸稈還田(80%F+S)。每個處理3次重復，小區面積為26.0 m2，完全隨機區組排列。

水稻生長季所用氮肥、磷肥和鉀肥分別為尿素、過磷酸鈣和氯化鉀，其中40%的氮肥和全部的磷、鉀肥作為基肥在秧苗移栽前施入，另外60%的氮肥分別在分蘗期和孕穗期追施。有機物料施用以6 000 kg·hm-2小麥秸稈的還田碳量為基準，設置生物炭等碳量還田。還田秸稈為供試農田上一季小麥秸稈，平均全碳含量42.8%，全氮、磷和鉀平均含量分別為1.82、0.91和6.92 g·kg-1。所用生物炭由農作物秸稈在限氧條件下500℃熱解1 h而成，pH值9.37，平均全碳含量52.3%，全氮、磷和鉀平均含量分別為4.4、6.2和50.6 g·kg-1。各處理化肥和有機碳施用量見表1。

表1 水稻季各處理化肥和有機碳施用量

水稻品種為常糯1號，購自懷遠縣農貿市場，每年5月中上旬育秧，6月上旬移栽，10月中下旬收獲。小麥留茬高度約為5～8 cm，收獲后將麥秸移出試驗田風干，切碎成5 cm左右的小段備用。水稻移栽前，將小麥秸稈或生物炭撒勻于相應處理的小區，翻耕入土，隨后進行施肥移栽等措施。小麥生長季各處理只施化肥，施肥量均為N 200 kg·hm-2、P2O590 kg·hm-2和K2O 90 kg·hm-2。其他田間管理措施與當地農民習慣一致。

1.3 樣品采集與測定

于2020年10月水稻收獲期采集各小區0～20 cm耕層土壤，隨機選取5個點，組成混合土樣。帶回安徽養分循環與資源環境實驗室后剔除其中的植物殘體和石塊等，在陰涼通風處自然風干，用于測定土壤有機碳組分及養分含量。土壤pH值采用電位法(水土比2.5∶1)測定，全氮(total nitrogen, TN)采用半微量凱氏定氮法測定，堿解氮(alkali-hydrolyzed nitrogen, AN)采用堿解擴散法測定，有效磷(available phosphorus, AP)采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定，速效鉀(available potassium, AK)采用NH4OAC浸提-火焰光度計法測定[18]。

土壤總有機碳(soil total organic carbon, SOC)采用Multi N/C 2100重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定，水溶性有機碳(dissolved organic carbon, DOC)采用Multi N/C 2100水浸提-TOC儀(德國耶拿分析儀器股份公司)測定，易氧化有機碳(labile organic carbon, LOC)采用333 mmol·L-1高錳酸鉀氧化法測定[19]，顆粒有機碳(particulate organic carbon, POC)采用Cambardella等[20]的方法測定。

碳庫管理指數采用徐明崗等[19]的方法計算，其中活性有機碳以易氧化有機碳表征，參照土壤取試驗地附近未種植作物、不施肥的空閑地土壤，具體計算方法如下：

碳庫指數(carbon pool index, CPI)=土樣總有機碳含量(g·kg-1)/參照土壤總有機碳含量(g·kg-1)；

碳庫活度(carbon pool activity, CPA)=活性有機碳含量/(總有機碳含量-活性有機碳含量)；

碳庫活度指數(carbon pool activity index, CPAI)=土樣碳庫活度/參照土壤碳庫活度；

碳庫管理指數(carbon pool management index, CPMI)=CPI×CPAI×100。

1.4 數據處理

試驗數據用Excel 2010、SPSS 18.0軟件進行統計分析。處理間比較采用One-way ANOVA分析，差異顯著性分析用Duncan法，顯著性水平為0.05。相關性分析采用Pearson相關系數和雙側顯著性檢驗，并對不同處理土壤活性有機碳組分及肥力因子等指標進行主成分分析。

2 結果與分析

2.1 化肥減施下有機物料對土壤總有機碳和活性有機碳含量的影響

由圖1-A可知，常規施肥下增施生物炭對土壤總有機碳的提升作用最明顯，F+B處理土壤總有機碳含量較F處理顯著提高19.6%(P<0.05)。F+S、80%F+B和80%F+S 3個處理土壤總有機碳含量較F處理的變化幅度在0.8%～8.9%之間，差異未達顯著水平。

由圖1-B可知，化肥減施下增施有機物料能夠顯著增加土壤水溶性有機碳含量，80%F+B和80%F+S兩處理土壤水溶性有機碳含量較F處理分別顯著提高28.6%和21.6%(P<0.05)。F+B和F+S處理土壤水溶性有機碳含量增加幅度相對較低，分別較F處理提高14.2%和13.5%。

由圖1-C可知，增施有機物料可顯著提高土壤顆粒有機碳含量，增幅在23.7%～61.1%之間，與F處理間差異均達顯著水平(P<0.05)，其中80%F+S處理的土壤顆粒有機碳含量最高。

由圖1-D可知，秸稈還田對土壤易氧化有機碳組分的增加幅度高于生物炭。F+S和80%F+S處理土壤易氧化有機碳含量較F處理分別提高23.5%和36.3%，F+B和80%F+B處理則分別提高12.5%和16.2%；除F+B處理外，各處理與F處理間差異均達顯著水平(P<0.05)。表明與增施生物炭相比，秸稈還田更有利于土壤易氧化有機碳含量的提高，且化肥減施條件下施用有機物料能夠進一步增加土壤易氧化有機碳組分含量。

注：誤差線為標準偏差(n=3)；不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

2.2 化肥減施下有機物料對土壤活性有機碳所占比例的影響

由表2可知，增施生物炭或秸稈還田能夠不同程度地提高各活性有機碳組分占土壤總有機碳的比例。相較于F處理，顆粒有機碳(POC)所占比例在增施生物炭或秸稈還田處理中提高了3.3～8.0個百分點，其中80%F+S處理土壤顆粒有機碳所占比例提升幅度最大；秸稈還田使土壤易氧化有機碳(LOC)所占比例顯著提高4.1～5.6個百分點(P<0.05)；生物炭對易氧化有機碳所占比例的作用不明顯；水溶性有機碳(DOC)所占比例的變化幅度在0.04～0.17個百分點之間，各處理間無顯著差異。綜上，本研究中有機物料施用主要影響土壤易氧化有機碳和顆粒有機碳所占比例，且化肥減施下秸稈還田對兩種活性有機碳組分所占比例的提升效應較明顯。

表2 各活性有機碳組分占土壤總有機碳的比例

2.3 化肥減施下有機物料對土壤碳庫管理指數的影響

土壤碳庫管理指數既可以反映土壤有機碳儲量的變化，也能反映土壤有機碳組分的變化情況，并且能指示土壤肥力和土壤質量的變化。由表3可知，秸稈還田顯著提高了土壤碳庫活度和碳庫活度指數，與F處理相比，F+S和80%F+S處理的土壤碳庫管理指數分別顯著增加了22.7和35.2(P<0.05)。而增施生物炭的F+B和80%F+B處理中，土壤碳庫活度和碳庫活度指數兩個指標變化不顯著，碳庫管理指數增加不顯著。可見，在化肥減量條件下秸稈還田更有利于增加土壤活性有機碳含量；而增施生物炭雖然可提高土壤總有機碳水平，但碳庫活庫并未相應提高。

表3 不同處理土壤碳庫管理指數

2.4 化肥減施下有機物料對土壤養分含量的影響

由圖2可知，土壤有效磷和速效鉀含量均在F+B處理中最高，較F處理分別提高11.1%和30.8%，表明常規施肥下增施生物炭能夠不同程度地提高土壤磷和鉀有效性。80%F+B、F+S和80%F+S 3處理中土壤速效鉀含量較F處理提高5.7%～17.5%，而有效磷含量則降低6.5%～15.7%，表明連續3年減量施肥可能不利于土壤有效磷的維持。各處理土壤pH值、全氮和堿解氮含量無顯著差異。

圖2 不同處理土壤pH值及養分含量

2.5 土壤有機碳組分與養分含量間相關性分析

由表4可知，DOC、POC與LOC之間存在顯著正相關關系，相關系數分別為0.527、0.558和0.607，表明土壤水溶性有機碳、顆粒有機碳等活性有機碳組分之間存在相互轉化的關系。DOC、POC、LOC分別與CPMI之間存在顯著或極顯著正相關關系(r=0.537、0.552、0.983)，而與SOC之間相關性均不顯著，表明碳庫管理指數對活性有機碳的變化較為敏感，可以作為反映土壤活性碳庫變化情況的指示性指標；而活性有機碳與土壤總有機碳的變化并不一致。此外，SOC與TN、AP之間(r=0.743、0.636)、POC與AK之間(r=0.556)也表現出顯著或極顯著正相關，說明土壤養分水平也可能顯著影響土壤總有機碳及部分活性有機碳組分的變化。

表4 土壤有機碳組分、碳庫管理指數與養分含量間相關性

2.6 主成分分析

對土壤總有機碳、活性有機碳組分、碳庫管理指數及養分含量等進行主成分分析，結果如表5所示。按特征值>1的提取原則，得到3個主成分，累積貢獻率為84.221%；其中第1主成分(PCA1)對原始數據總方差的貢獻率達34.564%，主要與易氧化有機碳、碳庫管理指數、顆粒有機碳以及水溶性有機碳等指標有關，反映土壤活性碳庫水平；第2主成分(PCA2)對原始數據總方差的貢獻率為28.702%，有效磷、總有機碳以及全氮為主要解釋指標，反映土壤有效磷及碳、氮總量的供應水平；第3主成分(PCA3)對原始數據總方差的貢獻率為20.955%，主要關聯因子為pH值和速效鉀含量，反映土壤酸堿度、鉀有效性等指標對土壤性質的影響。

表5 主成分載荷矩陣(各項指標的特征向量)

進一步根據主成分得分分析各處理指標特征(表6)，在以PCA1所代表的得分水平上，PCA1得分的最大正值為80%F+S處理，活性有機碳組分及碳庫管理指數等指標在該處理中具有較高載荷，表明化肥減量下秸稈還田有利于提高土壤活性有機碳組分及碳庫管理指數。PCA2得分的最大正值為F+B處理，負值中80%F+S處理距離原點最遠，表明常規施肥下增施生物炭土壤磷有效性及有機碳和氮素水平相對較高，而減量施肥下秸稈還田相關指標處于較低水平。PCA3代表的得分水平上，F+B和80%F+B兩處理得分明顯高于其他處理，表明無論常規施肥還是減量施肥下，增施生物炭均有利于提高土壤pH值和鉀供應水平。

表6 各處理主成分得分

3 討論

3.1 化肥減施下有機物料對土壤有機碳組分的影響

本研究表明，常規施肥下增施生物炭可顯著提高土壤總有機碳含量，化肥減施下施用有機物料土壤總有機碳無明顯變化。原因在于，生物炭是一種高度芳香化且具有豐富碳源的有機物料，屬于惰性有機碳，具有極強的穩定性和抗生物化學降解能力[21]，其土壤有機碳氧化穩定系數顯著高于秸稈[6]。因此，生物炭還田后可以快速直接提高土壤有機碳，有利于土壤有機碳的穩定保存。小麥秸稈富含木質素、纖維素等有機化合物，易于分解礦化，其歸還的碳通過土壤呼吸損失的量高于生物炭[7]。有研究發現，生物炭對水稻土有機碳的增加總量達到碳投入總量的86.02%～91.77%，而連續秸稈還田土壤有機碳的增加總量僅占24.88%，表明添加生物炭比秸稈更有增加土壤碳匯的潛力[8]。同時，生物炭和秸稈還能夠通過提高土壤孔隙度、降低容重、增加營養物質，從而改良土壤結構、提高土壤肥力和作物產量[9]，進而增加凋落物、根茬和根系等有機物的輸入。此外，有報道指出，砂姜黑土區磷素是作物生產的主要限制因素之一[22]。本研究中，化肥減施下土壤磷有效性降低，可能會導致作物根系、根茬等內源有機物輸入相應減少，因而化肥減量下施用有機物料土壤總有機碳增加幅度不明顯。

化肥減量條件下秸稈還田可顯著提升土壤有機碳活度和質量。原因在于，水溶性有機碳、顆粒有機碳、易氧化有機碳等活性有機碳組分主要由不同分解階段植物殘體和微生物分解產物組成，常規施肥時較高的化肥投入通常會為微生物生長提供更多速效養分，特別是礦質態氮、磷等微生物活動所必需的元素，并促進微生物活性，使秸稈分解速率較快且分解較完全，使得土壤顆粒有機碳等分解中間產物含量較低[23]。而化肥減量條件下土壤碳氮比相對較高，在一定程度上制約了微生物對有機物料和土壤原有有機質的分解速率[24]，使得較多的秸稈、根系半分解殘體殘留在土壤中，導致土壤中活性有機碳組分含量較高。

本研究中生物炭在500℃高溫下制備而成，酯族和芳烴化合物較多[25]，表現出高度的化學和生物穩定性，可直接被微生物所利用的組分含量有限[21]，因而對活性有機碳的促進作用不如秸稈。生物炭對活性有機碳的增加可能主要通過改善土壤結構、吸附養分等，為微生物生長和繁殖提供棲息地，提高微生物活性，促進土壤原有有機碳的礦化和呼吸[26]，從而增加土壤易氧化有機碳含量。與生物炭相比，小麥秸稈中可溶性物質及纖維素含量相對較高[27]，在土壤中易于被微生物分解利用，從而直接增加活性有機碳含量；同時，秸稈中碳有效性高于生物炭，可為微生物生長提供充足能源和基質[28]，也有利于土壤中活性有機碳含量的提高。

3.2 化肥減施下有機物料對土壤活性有機碳所占比例及土壤碳庫管理指數的影響

土壤總有機碳中活性有機碳的占比可用于表征土壤總有機碳的穩定性和有效性，占比越高表示該碳組分越易被微生物利用，從而有效性越高[29]。本研究發現，有機物料施用對土壤易氧化有機碳和顆粒有機碳所占比例的影響大于水溶性有機碳。水溶性有機碳在土壤總有機碳中僅占0.85%～1.06%，且易受氣候變化、耕作等田間管理措施影響，對環境變化比較敏感[5]，這可能是其所占比例在不同有機物料處理中差異不明顯的原因之一?；蕼p施下秸稈還田土壤易氧化有機碳和顆粒有機碳所占比例最高，表明這一措施更能促進兩種活性有機碳組分在土壤總有機碳中的分配，進而提高土壤有機碳活性。

土壤碳庫管理指數作為評價土壤有機碳質量的指標，可反映有機碳被微生物和植物利用的難易程度[30]，其值越大表示有機碳越容易被利用，碳庫活度和質量也相應越高。相關性分析表明，碳庫管理指數與水溶性有機碳、顆粒有機碳、易氧化有機碳等指標間存在顯著或極顯著正相關關系，表明碳庫管理指數可以作為反映土壤活性有機碳庫變化的敏感指標。本研究中，化肥減施下秸稈還田土壤碳庫活度和碳庫管理指數顯著高于單施化肥及增施生物炭處理，這與秸稈還田在化肥減量條件下更有利于增加土壤中活性有機碳，特別是易氧化有機碳水平有關。易氧化有機碳主要來源于作物根系、地上部分殘體歸還、死亡土壤微生物體內物質釋放及土壤原有機碳活化等[28]。秸稈作為一種易分解有機物料，能夠直接增加易氧化有機碳含量及其所占比例，同時促進原有土壤有機碳的分解，形成較多的土壤活性有機碳[14]。也有研究發現，秸稈炭化還田可以有效提高土壤碳庫管理指數，且與生物炭施用量呈顯著正相關關系[5]，這可能與其所用秸稈生物炭中含有較多活性有機碳有關。生物炭中活性有機碳成分及含量因熱解溫度及生物質材料不同而有較大差異，相對低溫(≤400℃)制備的生物炭輸入可增加土壤活性有機碳含量，而相對高溫(>400℃)制備的生物炭則表現出相反規律[31]。

3.3 化肥減施下有機物料對土壤養分含量的影響

常規施肥下增施生物炭土壤有效磷和速效鉀含量處于較高水平，連續3年化肥減施則不利于土壤有效磷的維持。一方面可能是因為，生物炭中的磷和鉀在熱解過程中基本被保留下來，且大多以可被植物吸收利用的可溶態形式存在[32]，同時，生物炭豐富的礦質養分、孔隙結構和巨大比表面積還可能通過改變土壤理化性質等，影響土壤中磷和鉀的有效性[33]，而本研究所用小麥秸稈本身磷含量較低，且試驗年限較短，秸稈還田對土壤磷素的活化作用不足以抵消化肥減量20%造成的磷供應水平下降。另一方面可能與秸稈類有機物料較高的碳磷比有關，導致在礦化過程中由于微生物的同化作用而引起磷的生物固持，從而使土壤有效磷含量降低[34]。典型砂姜黑土耕層土壤有效磷含量整體偏低，磷有效性不足通常是砂姜黑土作物生產的重要限制因素[22]。相似的研究發現，化學磷肥減施50%時作物吸磷量大于秸稈還田提升的土壤有效磷素，導致砂姜黑土耕層有效態磷素的下降和耗竭[35]。因此，試驗區域實施化肥減量時應謹慎考慮磷肥用量，避免對土壤磷素供應產生不良影響。

綜上所述，化肥減量20%下秸稈還田對土壤活性有機碳組分的促進效應較明顯，較常規單施化肥處理能夠顯著提高土壤活性有機碳組分含量、比例和碳庫管理指數，改善土壤碳庫活度和質量。常規施肥下增施生物炭有利于土壤總有機碳的提升及穩固，同時可提供較多的磷、鉀養分，從土壤固碳角度考慮具有優勢。

4 結論

本研究發現，沿淮平原稻麥輪作區水稻季常規施肥下增施生物炭有利于砂姜黑土總有機碳的提升，較單施化肥提高19.6%；化肥減量20%條件下秸稈還田土壤活性有機碳含量、所占比例及土壤碳庫管理指數相對較高，水溶性有機碳、顆粒有機碳和易氧化有機碳含量較單施化肥處理分別增加28.6%、61.1%和36.3%。常規施肥下增施生物炭能夠不同程度地提高土壤磷和鉀有效性，較單施化肥處理分別提高11.1%和30.8%。連續3年化肥減施不利于土壤有效磷的維持。綜上，化肥減施下秸稈還田有利于改善土壤碳庫活度和質量，而常規施肥下增施生物炭在土壤固碳方面具有優勢。