洱海流域長期不同施肥對菜地土壤固碳與碳庫管理指數的影響

中圖分類號：S153.6 文獻標志碼：A 文章編號：1002-1302（2025）14-0257-07

土壤碳庫是陸地生態系統中最大的碳庫，其中農田土壤碳庫最為活躍，并且受到人類活動最大程度的影響，對農業管理措施的變化十分敏感[1-2]。施肥作為提升農田土壤肥力的重要措施，能夠調節土壤有機質和養分的輸入，且會對土壤固碳效應產生影響[3-4]。我國目前農作水平較低，農田土壤固碳是提高土壤肥力、確保和維持農田持續穩定生產的關鍵所在，因此要發揮農田土壤固碳的潛力，促進農田可持續利用[5]。碳庫管理指數（CPMI）整合了碳庫指標和碳庫活度指標的變化，可反映出施肥對土壤有機碳總量及土壤質量的影響。CPMI升高，土壤肥力隨之增強，反之土壤肥力會減弱[6-8] 。

人們長期以來不合理的施肥和耕作，導致土壤有機碳含量降低、土壤肥力下降，進而影響作物的生長和產量[9]。因此通過合理的施肥方式增加土壤固碳能力，對確保農田可持續利用具備關鍵的現實價值。樊紅柱等通過31年的長期定位試驗發現，有機無機肥配施能顯著提高表層土壤有機碳的含量和儲量，增加作物的產量，提高作物品質[10-I1]。劉彥伶等的研究表明，長期施用化肥或有機肥是提高作物產量的有效措施[12]。與單施化肥相比，施用有機肥或者將有機肥與化肥進行配施，能在很大程度上有效提升土壤質量、增加農田土壤碳固存[13]

洱海流域地處大理州核心區域，以其優越的水土資源成為大理州重要的蔬菜產區。從2011年到2022年，云南省蔬菜種植面積不斷擴大，在2022年達到最大值（131.504萬 hm² ）[14]。蔬菜對肥料需求量較高，化肥養分用量是全國農作物化肥養分消耗的3.3倍[15]。大多數農戶并沒有按照比例進行施肥，而是憑借經驗來主觀判斷，這可能會導致某種肥料施加過量，從而降低農田土壤的質量，阻礙作物正常生長，并對作物產量造成不良影響。過量施肥不僅會影響植株根系發育，還會增加植株生理性病害的發生率，影響蔬菜產量和質量[16]

長期定位試驗可持續監測土壤生產力受施肥的影響，同時能預測土壤生產力的穩定性，為蔬菜生產提出合理的施肥模式[17-19]。目前少見長期定位試驗下施肥措施對土壤固碳和碳庫管理指數的影響，本研究以洱海流域露天菜地為依托，研究長期（15年）不同施肥方式對土壤固碳和碳庫管理指數的影響，旨在為洱海流域露天菜地合理施肥方式的選擇提供理論依據和科學支撐。

1材料與方法

1.1 試驗地點

長期定位試驗監測點位于云南省大理白族自治州下關鎮大莊村（ 100^°20^′39.7^′′E，25^°16^′25^′′N）與洱海的直線距離為 500m ，海拔 1980m 。該區域的地貌為山地，地形呈現緩坡（坡度為 6^° ），采用大田種植的方式，土壤質地類型為重壤；多年平均氣溫維持在 15‰ 左右，年平均降水量為 1000～ 1200mm 。于2007年開始試驗，基礎土樣的采集時間為2007年8月25日，試驗地 0～20cm 土壤的基本化學性質如表1所示。試驗共設5個處理，每個處理3次重復，共有15個小區，小區面積為 24m² ，施肥模式固定延續15年。主要種植萵苣、甘藍等蔬菜作物，其中萵苣品種為早青原葉。菜地周年的輪作模式為甘藍一萵苣一萵苣。本試驗數據為第15年連續定位試驗的萵苣茬：2022年8月17日至9月28日。種植前對土壤進行翻耕，并將有機肥撒入。

表1供試土壤基本化學性質

1.2 研究方法

1.2.1試驗設置結合當地的生產情況以及土壤養分狀況，制定合理的施肥方案。有機氮投入為6kg/667m² ，無機氮投入為 22kg/667m² 。CK：不施肥；OM：單施有機肥（牛糞，以烘干基計算投入量）； ΔNPK+OM ：化肥配施有機肥； NPK+OM+N ：在化肥配施有機肥的基礎上，增施氮肥（施氮量為NPK+OM 處理的1.5倍）； NPK+OM+P ：在化肥配施有機肥的基礎上，增施磷肥（施磷量為 NPK+OM 處理的1.5倍）。所有處理田間管理措施均相同。施用的化肥包括尿素（ 46% N）、過磷酸鈣（ 17% （204號 P₂O₅ ）以及硫酸鉀（ 50% K₂O ）。 NPK+OM，NPK+OM+P 處理的有機氮在氮總量中所占比例為 21.43% 、無機氮所占比例為 78.57% 。 NPK+OM+N 處理的有機氮在氮總量中所占比例為 15.38% 、無機氮所占比例為 84.62% 。施肥量如表2所示。 NPK+OM，NPK+ OM+N，NPK+OM+P 處理的基肥為有機肥、磷肥、氮肥 20% 、鉀肥 60% ，追肥為氮肥 80% 、鉀肥 40% ，于萵苣苗移栽到菜地種植的第26天進行追施。施肥方式為基肥：人工表層撒施，追肥：穴施。

1.2.2土壤取樣分別于種植前和收獲后，在各處理小區按照“S\"形選擇5個點，采用內徑為 5cm 的土鉆取土壤，收集 0～30cm 土層的土樣進行混合，測定土壤的全氮、全磷、全鉀、有機質、速效鉀、有效磷、銨態氮、硝態氮含量和 ΔpH 值以及土壤碳組分。1.2.3土壤養分指標測定土壤 ΔpH 值的測定采用玻璃電極法，土壤有機碳含量的測定采用重鉻酸鉀外加熱法，采用凱氏定氮法測定土壤全氮、全磷含量，采用鉬銻抗比色法測定土壤銨態氮含量，硝態氮含量采用 2mol/L 氯化鉀溶液提取-流動分析儀[20]測定，土壤有效磷含量的測定采用碳酸氫鈉提取-鉬銻抗分光光度法，土壤速效鉀含量采用火焰光度計法21測定。

1.2.4植株樣品采集與方法地上部生物量：作物收獲時在各小區選取4株植物，將植株置于烘箱內，于 105°C 下殺青 30min ，隨后將溫度調到 75^°C ，烘干至恒重；地下部生物量：將帶土的根系完整鏟出置于網袋內，浸泡于水中，隨后將根洗凈，注意不要損傷根系，重復上述步驟烘干。植株碳積累量、根系殘茬還碳量采用重鉻酸鉀容量法（外加熱法）進行測定。

1.3 數據處理

1.3.1土壤有機碳庫計算有機碳儲量 （C）= 總有機碳（SOC） × 容重（BD） × 土層厚度 （H）×10^-1 ;

有機碳固存量 Σ=Σ 有機碳儲量種前－有機碳儲量收獲；

植株碳積累量 Σ=Σ 植株碳素濃度 （%）× 地上部分生物量；

根系殘茬還碳量 Σ=Σ 植株碳素濃度 （%）× 地下部分生物量；

非活性有機碳（NLOC） Σ=Σ 總有機碳（TOC）-活性有機碳（LOC）；

碳庫活度（A） Σ=Σ 活性有機碳（LOC）/總有機碳（TOC）;

活度指數（AI） σ=σ 處理樣品的碳庫活度（As）/對照樣品的碳庫活度（Ar）；

碳庫指數（CPI） Σ=Σ 處理樣品的總有機碳（TOCs）/對照樣品的總有機碳（TOCr）；

碳庫管理指數（CPMI） Σ=Σ 碳庫活度指數（AI） x 碳庫指數（CPI） ×100 0

1.3.2產量計算在萵苣成熟期進行雙平行式隨機采樣，每小區采集10株萵苣計算產量。

產量可持續性指數（sustainableyieldindex，SYI）：表示各處理生產的可持續性效應，在 0～1 之間，值越大，表示產量越穩定[22] 。

STI=（Y-SD）/Y_max°

產量變異系數（coefficientofvariation， ∣CV? ：反映作物在不同施肥措施下產量的差異大小，是衡量作物產量穩定性的重要參數之一，值越低，表示產量的穩定性越高[22]

CV=SD/Y

式中： Y 表示每個處理平均產量； SD 表示每個處理產量的標準差;Ymax表示產量最大值[22]

1.4數據統計分析

采用MicrosoftExcel進行數據整理及計算，IBMSPSSStatistics27.0.1軟件進行統計分析，用Origin2021進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同施肥措施下的作物產量

由表3可知，OM處理的產量最高，與其他處理相比具有顯著差異。 OM，NPK+OM，NPK+OM+N， NPK+OM+P 處理的產量顯著高于CK，而 NPK+ OM，NPK+OM+N，NPK+OM+P 處理間無顯著差異。與CK相比， OM，NPK+OM，NPK+OM+N， （20號（204號 NPK+OM+P 處理的產量分別顯著提高 72.12% 、29. 81% 、32. 69% 和39. 42% 。 M，NPK+OM 、NPK+OM+N，NPK+OM+P 處理的產量變異系數分別較CK提高 454.41% 、833. 82% 、 813.24% 、416.91% ;OM處理的產量可持續性指數（SYI）最高，與CK相比， OM，NPK+OM+P 處理提高了61. 33% （20 ，31.41% 。表明在OM處理下產量穩定性高。綜合比較作物平均增產率、 .CV，SYI，0M 處理對提高蔬菜產量的作用最為明顯，產量穩定性最好。

2.2不同施肥措施下的碳庫管理指數

由表4可知，不同施肥處理能夠顯著提高土壤的碳庫指數和碳庫管理指數。不同施肥處理下的碳庫管理指數具體表現為 NPK+OM 處理 gt;OM 處理 gt;NPK+OM+P 處理 gt;NPK+OM+N 處理 gt; cK 。與CK相比， NPK+OM+N 處理的CPMI提高32. 79% ， 、NPK +OM 、NPK Σ+Λ0MΣ+P 處理的CPMI分別顯著提高379. 66% 、614. 04% ！290.22% ，CPI分別提高 227% 、 149% 、 119% ！116% 。說明在相同氮肥量投入條件下，施用有機肥有利于提高土壤質量，增強土壤固碳能力，有效降低化肥的使用量。在不同施肥條件下，土壤的碳庫活度和碳庫活度指數存在差異，具體表現為 NPK+ OM處理 gt;NPK+OM+P 處理 gt;OM 處理 gt;CKgt; NPK+OM+N 處理，其中化肥和有機肥配施的處理最高，而在此基礎上施加 150% 氮肥的處理最低。綜上所述，不同的施肥方式均可以提高土壤碳庫管理指數，相較于其他處理， NPK+OM 處理能夠顯著增加土壤碳庫管理指數，且與OM處理無顯著差異，合理的施肥方式會增加碳庫管理指數。

表4不同施肥處理的土壤碳庫管理指數

2.3不同施肥措施下的有機碳儲量和有機碳固存量從圖1-a可以看出，不同施肥處理下，OM處理的有機碳儲量最高，顯著高于其他處理，較CK增加207.1% 。與CK相比， OM，NPK+OM，NPK+OM+ N，NPK+OM+P 處理的有機碳儲量差異顯著，說明各施肥處理都能顯著提高菜地土壤的有機碳儲量，其中 ΔNPK+OM 處理的有機碳儲量較CK增加 136.9% 。由此可知，不同施肥方式都能維持有機碳儲量增長，增加固碳速率，其中以單施有機肥的效果最顯著。

從圖1-b可以看出，CK的有機碳固存量 lt;0 為 -1.33Vhm² 。與CK相比，其他處理的有機碳固存量均不同程度增加，其中 NPK+OM 處理的有機碳固存量最高，顯著增加 558% ，除OM處理外，差異均顯著。OM處理較CK顯著增加 409.8% 。而CK，NPK+OM+N，NPK+OM+P 處理間不具有顯著差異。表明 0M，NPK+OM 處理能維持土壤有機碳固存量的增長。

2.4不同施肥措施下的植株碳累積量和根系殘茬還碳量

從圖2-a可以看出，OM處理的植株碳累積量最高，較CK顯著提高 53.29% 。除OM處理外，其他處理的植株碳累積量與CK均不存在顯著差異，其中 NPK+OM+N 處理的植株碳累積量略低于CK。表明施用有機肥能夠增加植株碳累積量。由圖2-b可知， 0M，NPK+OM 、 NPK+OM+P 處理的根系殘茬還碳量較CK顯著提高61. 93% ！69.07% （204號 ，38.07% 。

圖2不同施肥處理下的植株碳累積量（a）和根系殘茬還碳量（b）

2.5不同施肥措施下的總有機碳和活性有機碳

從圖3-a可以看出， 0M，NPK+OM 、NPK + OM+N，NPK+OM+P 處理的總有機碳含量都顯著高于CK，分別顯著提高227. 43% 、148. 67% 、118.93% ） 116.37% 。表明不同的施肥方式都能顯著提高土壤中總有機碳的含量，且OM處理對提高土壤總有機碳量的效果最為顯著。從圖3-b可以看出， ΔNPK+OM 處理的活性有機碳含量最高，除 NPK+ OM+N 處理外， OM，NPK+OM，NPK+OM+P 處理的活性有機碳含量顯著高于CK，分別較CK顯著提高 306.13%.331.94%.210.74%

2.6土壤養分指標、土壤碳庫管理指數與產量的關系

由表5可知，總有機碳含量與活性有機碳、全氮、硝態氮、全磷、有效磷含量均呈極顯著正相關關系。活性有機碳含量與全氮、全磷、有效磷含量均呈顯著正相關關系。pH值與全磷、有效磷含量呈顯著負相關關系。全氮含量與全磷、硝態氮含量具有顯著正相關關系。硝態氮含量與銨態氮、全磷、有效磷、速效鉀含量呈極顯著正相關關系。土壤碳庫管理指數與總有機碳、全磷含量呈顯著正相關關系。產量與總有機碳、全氮、有效磷含量呈極顯著正相關關系。

表5各指標間的相關性分析

注： 表示在0.05水平上顯著相關， ** 表示在0.01水平上顯著相關。

3討論

3.1不同施肥措施對作物產量的影響

本研究表明，與CK相比，單施有機肥（OM）的作物產量和SYI最高。SYI值越大，表示產量的可持續性越高[23]，說明單施有機肥（OM）的產量穩定性高。李忠芳等研究發現，化肥配施有機肥可顯著提高水稻、玉米和小麥的產量，較不施肥分別提高76% 100% 和 237% [24]。本研究結果也表明， _0M 、NPK+OM，NPK+OM+N，NPK+OM+P 處理的作物產量相較于CK分別顯著提高 72.12%.29.81% 、32.69% 和 39.42% 。由此可知，增施有機肥能夠顯著提高蔬菜產量。增施磷肥（ NPK+OM+P 的 CV 值較低，產量穩定性較高。因此可以通過提高產量穩定性來提高作物產量的可持續性。國內外長期試驗研究結果顯示，合理施用化肥和有機肥，可有效促進作物對干物質的累積以及養分的吸收，進而實現農作物產量的增加，并且還能提升地力，對土壤起到培肥的作用[25-27]。長期不施肥會導致土壤結構性變差、土壤碳含量降低，土壤供肥能力減弱，進而導致作物產量下降[28]。施肥通過為作物提供所需養分，促進作物生長發育，實現產量提升。同時，良好的施肥方式可改善作物營養狀況，優化作物品質，最終提高經濟效益。合理科學的施肥方式對于保障糧食安全、農業可持續發展至關重要。

3.2不同施肥措施下土壤碳庫管理指數的變化

土壤碳庫管理指數作為衡量土壤質量以及土地管理的關鍵性指數，能夠反映不同施肥措施下土壤質量的變化[29]。本研究中有機肥和化肥的施入為農田土壤提供外源有機質，提高了土壤有機質含量，同時還增加了碳源的匯入。相對于未經施肥的農田，施肥后的農田能吸收更多的二氧化碳，具有巨大的增匯潛力[30]。本研究結果表明，長期化肥配施有機肥能夠顯著提高CPMI，從而改善土壤的質量，與于維水等的研究結果[31]一致。與不施肥相比，不同施肥措施均能夠提高各土層土壤碳庫指數和不同活性有機質的碳庫管理指數[32]。施用有機肥的CPMI顯著高于其他施肥處理，表明有機肥的施用能夠增強土壤的碳“匯”功能，提高土壤的固碳能力。有機肥本身含有一定量的有機碳，這導致本研究中OM處理的CPMI最高。有機肥一方面可為作物生長供給養分，促使地上部和根系發育，另一方面還能阻止土壤有機碳的快速分解，從而提高土壤有機碳含量和土壤 CPMI^[29] 。本研究中，增施氮肥（ NPK+OM+N. ）處理與不施肥相比，CPMI沒有顯著差，這與Neff等的研究結果[33]一致。而王曉嬌在2年研究期內發現，CPMI隨氮肥施用量的增加而增大[34]。但施氮量過高會降低土壤固碳能力[35]。因此，氮素對土壤有機碳的影響還待有更深人的研究。本研究中單施有機肥、化肥配施有機肥、化肥+ 有機肥 + 磷肥處理一定程度上提高了碳庫活度，化肥配施有機肥處理的A最高，而化肥 + 有機肥 + 氮肥處理的A卻低于不施肥處理，其原因可能是長期施用氮肥對土壤造成了損害，使土壤有機碳損失，不利于在土壤中累積，A降低，從而降低CPMI。

3.3不同施肥措施對土壤有機碳的影響

在本研究中，長期施加有機肥能夠顯著提高土壤有機碳儲量，單施有機肥和化肥配施有機肥能夠顯著提高土壤有機碳固存量。這可能是因為將有機肥作為外部碳加入到土壤中，導致土壤中的總有機碳及其成分均得到增加，從而增加土壤有機碳儲量[36-37]。李文軍等的研究表明，有機無機肥配施能顯著提高稻田和旱地土壤的總有機碳固存量[38]同時也有研究表明，長期施肥能提高有機碳的輸入速率以及土攘固碳速率，進而提高土壤固碳能力[39]。與不施肥相比，單施有機肥和化肥配施有機肥的有機碳儲量顯著提高了 201% 和 137% ，這與前人研究結果[40基本一致。長期增施有機肥，使得土壤碳源增加，這也是土壤有機碳增加的根本所在[41]。然而也有研究發現，在肥力水平較低的土壤上，即使不施肥，只要長期耕作，也能提高土壤碳儲量[42]。植株碳累積量與其整體生物量有著緊密的聯系，萵苣作為當地的經濟作物，植株碳累積量增加，產量也會隨之增加。本研究中單施有機肥能夠顯著提高植株碳累積量，其原因可能是有機肥的施用增加了植株的根系殘茬還碳量。施加有機肥既有利于改善土壤結構，又能加速氮素養分的轉換，進而增加土壤中有效養分的含量，這都對作物根系生長起到了促進作用[43-44]。前人研究表明，施氮可顯著提高風沙土油莎豆的生物固碳量，且油莎豆固碳量隨施氮量的增加而增加[45]。而在本研究中，施加氮肥卻使植株碳累積量稍有降低，根系殘茬還碳量也比較低，這可能與作物種類、土壤類型和施肥量有關。不同田間管理措施也會對作物固碳能力產生不同影響，導致土壤固碳的潛力存在差異，須結合各地長期定位試驗來探究土壤固碳潛力。

3.4土壤養分指標、土壤碳庫管理指數與產量的相關性分析

土壤養分指標、土壤碳庫管理指數與產量的相關性分析結果表明，總有機碳、活性有機碳、全磷含量與土壤碳庫管理指數具有顯著相關關系，土壤碳庫管理指數與產量不具有顯著相關性。本研究發現，長期施肥能顯著提高土壤中有機碳的含量，這與熊翱宇等的研究結論[46]一致。有機碳、活性有機碳、全氮、有效磷與產量顯著相關，說明長期施肥能夠通過增加土壤有機碳和活性有機碳的含量，提高作物產量。

4結論

在長期施肥的條件下，單施有機肥處理所獲得的萵苣產量最高，顯著高于其他施肥處理，且產量穩定性最好。與CK相比，單施有機肥（OM）能夠顯著增加植株碳累積量，而萵苣產量也會隨之增加?；逝涫┯袡C肥（ ΔNPK+OM 的根系殘茬還碳量、總有機碳含量和活性有機碳含量都顯著高于CK，顯著增加碳庫活度，提高碳庫管理指數，同時顯著增加有機碳儲量和有機碳固存量，從而增強土壤固碳能力。由此可知，化肥配施有機肥可作為菜地的優選施肥方案。

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