于維水， 李桂花， 王碧勝， 武紅亮， 趙雅雯， 孟繁華， 盧昌艾*

(1 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/耕地培育技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081；2 河南省土壤肥料站，河南鄭州 450002)

不同施肥制度下我國(guó)東部典型土壤易分解與耐分解碳的組分特征

于維水1， 李桂花1， 王碧勝1， 武紅亮1， 趙雅雯1， 孟繁華2， 盧昌艾1*

(1 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/耕地培育技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081；2 河南省土壤肥料站，河南鄭州 450002)

【目的】土壤易分解碳庫(kù)(labile organic carbon，Lab-C)和耐分解碳庫(kù)(recalcitrant organic carbon，Rec-C)是土壤有機(jī)質(zhì)的重要組分，其組分大小與比例可反映土壤有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)與固存特性。因此，研究長(zhǎng)期不同施肥制度下土壤易分解碳庫(kù)與耐分解碳庫(kù)的大小與比例，對(duì)土壤養(yǎng)分管理及肥力培育具有重要的意義?！痉椒ā坷梦覈?guó)東部23年長(zhǎng)期不同施肥制度下的黑土、潮土、紅壤和32年水稻土共四類(lèi)土壤的典型土樣為代表，以不施肥(CK)、施化肥(NPK)、化肥配施秸稈(NPKS)和化肥配施有機(jī)肥(NPKM) 4個(gè)處理土壤，采用顆粒密度相結(jié)合的方法，將土壤有機(jī)碳分為易分解碳和耐分解碳2個(gè)組分，分析了其不同組分碳含量及比例的變化特征?！窘Y(jié)果】土壤經(jīng)該方法分組后，四種土壤的平均質(zhì)量回收率和碳回收率均超過(guò)95%，是一種測(cè)定土壤易分解碳和耐分解碳的可行方法。旱作土壤(黑土、潮土和紅壤)易分解碳的平均含量為1.91 g/kg低于水田的2.42 g/kg，而易分解碳占總有機(jī)碳的平均比例為15.4%，高于水田的9.9%。NPKM處理下，黑土、潮土和紅壤易分解碳含量顯著高于NPKS、NPK及CK處理(P<0.05)，較NPK處理增加的比例分別為98.4%、43.7%和71.2%，同時(shí)提高了易分解碳占總有機(jī)碳的比例，但無(wú)顯著差異性；NPK和NPKS處理下黑土與潮土易分解碳的含量較不施肥無(wú)顯著變化，而紅壤易分解碳含量較不施肥顯著降低(P<0.05)，降低的比例分別為33.1%和29.6%；水稻土4個(gè)處理間易分解碳的含量及其占全碳的比例無(wú)顯著差異性。四類(lèi)土壤耐分解碳的含量與總有機(jī)碳含量的變化一致，均表現(xiàn)為NPKM>NPKS>NPK>CK。NPKM處理下，四種土壤耐分解碳含量顯著增加(P<0.05)，黑土、 潮土、 紅壤和水稻土較NPK處理增加的比例分別為68.8%、42.7%、17.6%和17.2%，同時(shí)耐分解碳占全碳的比例降低；NPKS處理下黑土、潮土和水稻土耐分解碳的含量較NPK處理也增加，對(duì)應(yīng)增加的比例分別為10.9%、15.1%和18.0%。同時(shí)，易分解碳和耐分解碳的含量與土壤總有機(jī)碳含量之間有極顯著的正相關(guān)關(guān)系?！窘Y(jié)論】旱作土壤易分解碳含量比水田土壤更易受不同施肥處理的影響，有機(jī)無(wú)機(jī)配施(NPKM與NPKS)可提高旱作與水田土壤易分解碳與耐分解碳的含量，同時(shí)相對(duì)提高了易分解碳占全碳的比例，且NPKM處理的效果優(yōu)于NPKS處理，更優(yōu)于化肥處理。

易分解碳； 耐分解碳； 旱作土壤； 水田； 長(zhǎng)期施肥

土壤碳庫(kù)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳儲(chǔ)庫(kù)，在全球碳循環(huán)中起著重要的作用[1]。土壤有機(jī)碳(質(zhì))是表征土壤肥力的重要指標(biāo)[2]，對(duì)土壤物理、化學(xué)和生物肥力起著較為重要的作用。土壤有機(jī)碳可分為易分解部分與難分解部分，易于分解的有機(jī)碳多稱(chēng)為活性有機(jī)碳，通常用溶解性有機(jī)碳[3]、微生物量碳[4]、易氧化有機(jī)碳[5]、可礦化碳[6]、輕組有機(jī)碳[7]和顆粒有機(jī)碳[8]等來(lái)進(jìn)行表征，它是指土壤中有效性高、易被土壤微生物分解礦化、對(duì)植物養(yǎng)分供應(yīng)有直接作用的那部分有機(jī)碳[9-10]，它可以指示土壤有機(jī)碳變化，是反映土壤碳庫(kù)動(dòng)態(tài)的敏感性指標(biāo)[11-12]；難分解有機(jī)碳較為穩(wěn)定，對(duì)于土壤碳素固持和土壤結(jié)構(gòu)具有較大的作用，但由于其分解慢，短期內(nèi)對(duì)于土壤養(yǎng)分的供給能力影響較小[13]。目前分離和測(cè)定土壤活性有機(jī)碳的方法很多，但大體分為三類(lèi)：物理、化學(xué)和生物學(xué)測(cè)定方法[14]。其中物理方法對(duì)有機(jī)碳的結(jié)構(gòu)破壞度極小，分離的組分能夠反映土壤原狀有機(jī)碳的結(jié)構(gòu)和功能，因此該方法一直以來(lái)受到許多研究者的采用并成為土壤有機(jī)碳分組的主流[15]。

近年來(lái)，Huygens等[16]根據(jù)Muller等[17]的馬爾科夫蒙特卡洛(MCMC)模型中碳氮周轉(zhuǎn)特性，改進(jìn)了Meijboom等[18]對(duì)于土壤的分組方法，將土壤有機(jī)碳分為易分解碳與耐分解碳2個(gè)組分，并提出直接測(cè)定土壤易分解碳與耐分解碳的方法。與以往活性有機(jī)碳方法相比，該方法可以結(jié)合土壤碳氮的周轉(zhuǎn)特性，模擬土壤碳庫(kù)與氮庫(kù)的礦化等轉(zhuǎn)化動(dòng)態(tài)[16]，同時(shí)，易分解碳與耐分解碳2個(gè)組分更能直接表征土壤有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)與固存特性，反映土壤有機(jī)碳的礦化強(qiáng)度。

當(dāng)前，已經(jīng)開(kāi)展了一些不同施肥下土壤碳庫(kù)組分的研究，但是這些組分難以與土壤碳氮的固持與周轉(zhuǎn)聯(lián)系起來(lái)；長(zhǎng)期不同施肥措施對(duì)土壤碳庫(kù)組分的影響不很明確?；谏鲜鰞牲c(diǎn)，本研究采用Huygens等[16]改進(jìn)的土壤分組方法，以我國(guó)4個(gè)典型區(qū)域的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)土壤樣品為基礎(chǔ)，選擇黑土、潮土、紅壤及水稻土4類(lèi)典型土樣為研究對(duì)象，探討長(zhǎng)期不同施肥措施下土壤易分解碳和耐分解碳的組分變化特征，為進(jìn)一步研究碳庫(kù)的周轉(zhuǎn)特性打下基礎(chǔ)，同時(shí)為合理評(píng)價(jià)長(zhǎng)期不同施肥制度下我國(guó)東部典型土壤有機(jī)碳庫(kù)質(zhì)量提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤為我國(guó)東部四個(gè)典型長(zhǎng)期肥料定位試驗(yàn)的2013年土壤樣品，分別為吉林公主嶺黑土(124°48′E, 43°40′N(xiāo))、河南鄭州的潮土(113°40′E, 34°47′N(xiāo))、湖南祁陽(yáng)的紅壤(111°52′E, 26°45′N(xiāo))及湖南望城的水稻土(112°80′E, 28°37′N(xiāo))。其中公主嶺、鄭州與祁陽(yáng)三點(diǎn)長(zhǎng)期試驗(yàn)均始于1990年，望城始于1981年，從各點(diǎn)均有的試驗(yàn)處理中選擇了不施肥(CK)、氮磷鉀肥配施(NPK)、氮磷鉀化肥配施秸稈(NPKS)及氮磷鉀化肥配施有機(jī)肥(NPKM)，其中望城為NK+M處理。公主嶺黑土試驗(yàn)點(diǎn)為一年一熟玉米連作，肥料用量為年施用N 165 kg/hm2，N ∶P2O5∶K2O=1 ∶0.5 ∶0.5，有機(jī)肥為豬糞或牛糞，NPKM有機(jī)肥的年施用量分別為30 t/hm2，小區(qū)面積為400 m2，無(wú)重復(fù)。鄭州潮土為小麥—玉米一年兩熟，肥料用量為年施用N 353 kg/hm2，N ∶P2O5∶K2O = 1 ∶0.5 ∶0.5，有機(jī)肥為馬糞、牛糞，有機(jī)肥和秸稈只在小麥季施。各處理在等氮量情況下，有機(jī)氮與無(wú)機(jī)氮為7 ∶3，每小區(qū)面積為50 m2，3次重復(fù)。祁陽(yáng)紅壤為小麥—玉米一年兩熟，肥料用量為等氮量，年氮肥施用量為300 kg/hm2，N ∶P2O5∶K2O=1 ∶0.4 ∶0.4，有機(jī)肥為豬糞，每年小麥、玉米的秸稈一半還田，還田的養(yǎng)分不計(jì)入總量。肥料在小麥、玉米播種前做基肥一次性施入，小區(qū)面積為196 m2，隨機(jī)排列，兩次重復(fù)。望城水稻土為早稻-晚稻-冬閑種植制度，肥料年施用量為N 330 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 240 kg/hm2，NKPM處理的豬糞，使用量為30 t/hm2，豬糞和稻草在犁田前撒施并混入土壤，磷肥與鉀肥在移栽前1天做基肥一次性施用，70%氮肥基肥，30%氮肥于分蘗期追肥。4個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)的土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)如表1。以上各地點(diǎn)詳細(xì)的氣候及農(nóng)藝措施等信息參見(jiàn)文獻(xiàn)[19]。采樣時(shí)間為2013年作物收獲后9、10月份，采樣深度為0—20 cm的耕層土壤，重復(fù)3次。采集的土壤樣品自然風(fēng)干后，人工除去肉眼可見(jiàn)的根茬及秸稈碎屑，過(guò)2 mm篩，混勻后備用。

表1 四個(gè)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)表層土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)

注(Note)：水稻土試驗(yàn)始于1981年，其余3個(gè)試驗(yàn)始于1990年P(guān)addy soil experiment started in 1981, the others in 1990.

1.2 土壤易(耐)分解組分的分離及有機(jī)碳的測(cè)定

未分組原土和烘干后各組分磨細(xì)后過(guò)150 μm篩。土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定[20]，易氧化有機(jī)碳(ROC, readily oxidizable organic carbon)、 難氧化有機(jī)碳(DOC dysoxidize organic carbon)采用333 mmol/L的高錳酸鉀氧化法測(cè)定[21]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel和SPSS(19.0)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，所有數(shù)據(jù)測(cè)定結(jié)果均以平均值表示。不同處理之間采用最小顯著差數(shù)法(LSD)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 回收率

表2 土壤質(zhì)量回收率及碳回收率(%)

注(Note)：表中數(shù)據(jù)為“平均值±SD值” The data in the table were Mean±SD.

2.2 不同施肥處理對(duì)有機(jī)碳含量的影響

圖3 不同施肥制度下各地點(diǎn)土壤耐分解碳含量Fig.3 The content of carbon in recalcitrant pool under different long-term fertilization treatments[注(Note): 圖中小寫(xiě)字母表示同一土壤不同處理間在5%水平上差異顯著 The lowercases above the bars mean significance at 5% level in the same soil among different fertilization treatments；水稻土的NPKM處理指NKM處理 The NPKM treatment represent NKM in paddy soil; 柱狀圖中誤差線(xiàn)表示SD的大小The error bars in Fig. 3 is the value of SD.]

長(zhǎng)期不同施肥下旱作和水田土壤耐分解碳含量變化特性與總有機(jī)碳的變化類(lèi)似(圖3)，4類(lèi)土壤耐分解碳含量均為CK>NPK>NPKS>NPKM。NPK處理下四種土壤耐分解碳的含量較CK均顯著增加，黑土、潮土、紅壤和水稻土對(duì)應(yīng)增加的比例分別為4.7%、13.9%、43.8%和3.8%。NPKS處理下黑土、潮土和水稻土耐分解碳的含量較NPK和CK均顯著增加，較CK增加的比例分別為15.8%、36.2%和12.0%，較NPK增加的比例分別為10.9%、15.1%和8.0%；紅壤NPKS耐分解碳含量較CK顯著增加，增加的比例為43.8%，而NPKS與NPK無(wú)顯著差異性。NPKM處理顯著增加了4類(lèi)土壤耐分解碳的含量，較CK對(duì)應(yīng)增加的比例分別為76.1%、 68.9%、 69.2%和21.6%，較NPK對(duì)應(yīng)增加的比例為68.8%、42.7%、17.6%和17.2%。以上結(jié)果表明，長(zhǎng)期不同施肥下，在提高土壤總有機(jī)碳的同時(shí)提高了耐分解碳的含量，有機(jī)無(wú)機(jī)配施能顯著提高土壤耐分解碳含量，效果優(yōu)于化肥處理。

表3表明，土壤易、耐分解碳含量同土壤總有機(jī)碳及活(非活)性有機(jī)碳等各指標(biāo)之間的相關(guān)性，可以看出易分解碳和易氧化有機(jī)碳顯著相關(guān)(r=0.809**，n=12)，耐分解碳同非活性有機(jī)碳之間顯著相關(guān)(r=0.992**，n=12)，同時(shí)易(耐)分解碳同土壤全碳含量也具有高度的正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明有機(jī)碳含量的增加可以在一定程度上提高易(耐)分解碳的含量。

表3 土壤各指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)(r)

注(Note): **—P<0.01

2.2.3 不同施肥處理土壤易、耐分解碳的比例特征 有機(jī)碳的不同組分(易分解碳與耐分解碳)占總有機(jī)碳的百分比可以消除有機(jī)碳含量差異對(duì)不同碳組分的影響，更能體現(xiàn)土壤的碳庫(kù)狀況。從表4可以看出不同施肥可以影響易分解碳占總有機(jī)碳的比例，同一地點(diǎn)不同施肥處理土壤易(耐)分解碳占總有機(jī)碳的比例無(wú)顯著性差異(P<0.05)。

表4 不同施肥條件下土壤易、耐分解組分碳占總有機(jī)碳的比例 (%)

注(Note)：同列數(shù)字后不同小寫(xiě)字母表示不同施肥處理間差異顯著性(P<0.05) Values followed by different letters in a column are significant among treatments at 5% level; 水稻土的NPKM處理指NKM處理 The NPKM treatment represent NKM in paddy soil..

3 討論

3.1 不同施肥制度下易分解碳的含量及比例的差異

不同施肥措施對(duì)土壤總有機(jī)碳有著重要影響。佟小剛等[22]和李新愛(ài)等[23]對(duì)長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)證實(shí)，單施化肥、化肥配施秸稈或化肥配施有機(jī)肥均能顯著提高土壤有機(jī)碳含量，并且隨有機(jī)肥投入量的增加，土壤總有機(jī)碳增加。本研究結(jié)果與前人研究結(jié)果一致。長(zhǎng)期單獨(dú)施用化肥雖然沒(méi)直接提高土壤有機(jī)碳的含量，但可以促進(jìn)農(nóng)作物根系迅速生長(zhǎng)，從而提高根際有機(jī)質(zhì)輸入[24]；長(zhǎng)期施用動(dòng)物糞肥或秸稈還田，一方面因糞肥和秸稈中本身含有有機(jī)碳，可以直接增加土壤的碳投入；另一方面可以促進(jìn)作物生長(zhǎng)，增加作物產(chǎn)量，從而使更多的殘茬還田[25]，所以化肥配施秸稈或有機(jī)肥提高土壤有機(jī)碳的幅度較大。

不同施肥處理，不但影響了土壤總有機(jī)碳的含量，對(duì)易分解碳和耐分解碳的含量也有顯著影響，同時(shí)改變了易、耐分解組分占總有機(jī)碳的比例。本研究發(fā)現(xiàn)，旱地黑土、潮土易(耐)分解碳的含量均以NPKM最高，其次為NPKS、NPK處理，并且NPKM處理提高了易分解碳占總碳的比例，這與張璐等[26]對(duì)于不同處理下黑土、灰漠土和紅壤等易氧化有機(jī)碳的規(guī)律是一致的。NPKM處理提高了旱地土壤易分解碳的含量，一方面是NPKM處理顯著增加了土壤總有機(jī)碳含量[27]，另一方面有機(jī)肥為微生物提供充足的碳源，直接增加了根系生物量及根系分泌物[28]，也在很大程度上激發(fā)微生物的活性，增加了微生物生物量[29]，同時(shí)有機(jī)肥本身含有一些與易分解碳組分相似的成分[30]，從而引起了土壤易分解碳組分的增加；NPKM處理下黑土、潮土易分解碳占總有機(jī)碳的比例高于其他3個(gè)處理，而耐分解碳占總有機(jī)碳的比例最低，這說(shuō)明NPKM處理改良了土壤的碳庫(kù)狀況。NPKS處理對(duì)不同地點(diǎn)易分解碳的影響不同，黑土基本維持原有水平，潮土顯著增加，而紅壤易分解碳低于不施肥處理，這與徐明崗等[30]對(duì)不同地點(diǎn)易氧化有機(jī)碳的研究基本一致；NPKS處理對(duì)不同組分碳占總有機(jī)碳的比例與CK基本相同，總體來(lái)說(shuō)NPKS處理能維持土壤易分解碳的含量。NPK處理對(duì)易分解碳及其占總有機(jī)碳的比例均無(wú)顯著影響，研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期施用化肥增加的主要是非活性有機(jī)碳含量，不利于提高土壤有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量[31]。

蔡澤江等[34]研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期NPK和NPKS處理紅壤酸化嚴(yán)重，土壤肥力降低，目前監(jiān)測(cè)到紅壤NPK和NPKS處理pH值分別為3.82、3.84，已經(jīng)嚴(yán)重低于小麥(6.03)和玉米(5.09)的酸害pH值，嚴(yán)重阻礙了小麥玉米的生長(zhǎng)，使作物歸還土壤的殘茬和根系減少，同時(shí)低pH值使微生物的活性受到嚴(yán)重限制[35]，造成本研究中紅壤地區(qū)NPK和NPKS處理土壤總有機(jī)碳含量較高而易分解碳含量較低。

3.2 水田易分解碳含量及比例的差異

水稻土不同施肥處理易分解碳含量無(wú)顯著性差異，但其含量的變化趨勢(shì)與旱地相同，均為NPKM>NPKS>NPK>CK，這與以往對(duì)水稻土活性有機(jī)碳的研究是一致的[36]。水稻土易分解碳含量受不同施肥處理不如旱作土壤敏感，可能的原因是望城水稻土經(jīng)過(guò)32年不同施肥處理下，已達(dá)到各處理下固定有機(jī)碳的飽和水平[37]，使不同處理之間的差異減少，這也與Six等[38]對(duì)土壤輕組有機(jī)碳的研究結(jié)果一致。

水稻土總有機(jī)碳含量高于旱作土壤，這與許信旺等[37]對(duì)我國(guó)農(nóng)田耕層土壤有機(jī)碳的研究結(jié)論是一致的，而總有機(jī)碳含量的提高在一定程度上提高了易分解碳的含量。水田總有機(jī)碳含量高，一方面是由于淹水還原占優(yōu)勢(shì)的條件使水稻土具有較高的碳密度和較大的固碳潛力[39-40]，并且淹水環(huán)境下不利于有機(jī)碳的分解；另一方面紅壤性水稻土含有豐富的氧化鐵，土壤有機(jī)碳通過(guò)與游離氧化鐵的穩(wěn)定結(jié)合，使土壤有機(jī)碳庫(kù)的穩(wěn)定性提高[41]，礦化穩(wěn)定性較高[42]，這也與本研究中水稻土易分解碳占總有機(jī)碳比例較低的結(jié)果相符。

4 結(jié)論

1)經(jīng)顆粒密度結(jié)合的分組方法，獲取的易、耐分解組分的質(zhì)量回收率及碳回收率均在誤差范圍內(nèi)，易分解碳含量和耐分解碳含量與總有機(jī)碳呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，是一種合理的獲取易、耐分解碳的可行方法，這為進(jìn)一步研究碳庫(kù)之間的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化及碳的固定打下基礎(chǔ)。

2)旱作土壤易分解碳含量低于水田，而易分解碳占總有機(jī)碳的平均比例比水田高，水田易分解碳含量及其占總碳的比例對(duì)不同施肥的響應(yīng)不如旱地敏感；旱作土壤不同施肥處理(除紅壤)易分解碳含量表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)：化肥配施有機(jī)肥>化肥配施秸稈>化肥>不施肥處理。有機(jī)無(wú)機(jī)配施顯著提高了全碳含量、易分解碳的含量和耐分解碳含量，同時(shí)提高了易分解碳占全碳的比例，是改良土壤碳庫(kù)狀況的最優(yōu)施肥方式，效果優(yōu)于化肥配施秸稈處理，更優(yōu)于化肥處理。

[1] Lal R. Soil carbon sequestration impacts on global climate change and food security[J]. Science, 2004, 304(5677): 1623-1627.

[2] 安靜, 鄧波, 韓建國(guó), 等. 土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性研究進(jìn)展[J]. 草原與草坪, 2009, (2): 82-87. An J, Deng B, Han J Getal. A review: stability of soil organic carbon[J]. Grassland and Turf, 2009, (2): 82-87.

[3] Gregorich E G, Beare M H, Stoklas Uetal. Biodegradability of soluble organic matter in maize-cropped soils[J]. Geoderma, 2003, 113(3): 237-252.

[4] Beck T, Joergensen R G, Kandeler Eetal. An inter-laboratory comparison of ten different ways of measuring soil microbial biomass C[J]. Soil Biology and Biochemistry, 1997, 29(7): 1023-1032.

[5] Weil R R, Islam K R, Stine M Aetal. Estimating active carbon for soil quality assessment: A simplified method for laboratory and field use[J]. American Journal of Alternative Agriculture, 2003, 18(1): 3-17.

[6] McLauchlan K K, Hobbie S E. Comparison of labile soil organic matter fractionation techniques[J]. Soil Science Society of America Journal, 2004, 68(5): 1616-1625.

[7] Janzen H H, Campbell C A, Brandt S Aetal. Light-fraction organic matter in soils from long-term crop rotations[J]. Soil Science Society of America Journal, 1992, 56(6): 1799-1806.

[8] Cambardella C A, Elliott E T. Particulate soil organic-matter changes across a grassland cultivation sequence[J]. Soil Science Society of America Journal, 1992, 56(3): 777-783.

[9] 徐明崗, 于榮, 王伯仁. 土壤活性有機(jī)質(zhì)的研究進(jìn)展[J]. 土壤肥料, 2000, (6): 3-7. Xu M G, Yu R, Wang B R. Progress on the study of soil labile organic matter[J]. Soils and Fertilizers, 2000 (6): 3 - 7.

[10] 劉云慧, 宇振榮, 張風(fēng)榮, 等. 縣域土壤有機(jī)質(zhì)動(dòng)態(tài)變化及其影響因素分析[J]. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2005, 11(3): 294-301. Liu Y H, Yu Z R, Zhang F Retal. Dynamic change of soil organic matter and affecting factors at county level[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2005,11(3): 294-301.

[11] 姜培坤, 周?chē)?guó)模, 徐秋芳. 高效栽培措施對(duì)土壤碳庫(kù)的影響[J]. 林業(yè)科學(xué), 2002, 38(6): 6-11. Jiang P K, Zhou G M, Xu Q F. Effect of intensive cultivation on the carbon pool of soil in phyllostachys praecox stands[J]. Scientia Silvae Sinica, 2002, 38(6): 6-11.

[12] 周莉, 李保國(guó), 周廣勝. 土壤有機(jī)碳的主導(dǎo)影響因子及其研究進(jìn)展望[J]. 地球科學(xué)進(jìn)展, 2005, 20(1): 99-105. Zhou L, Li B G, Zhou G S, Advances in controlling factors of soil organic carbon[J]. Advances in Earth Scence, 2005, 20(1): 99-105.

[13] 韓曉日, 蘇俊峰, 謝芳, 等. 長(zhǎng)期施肥對(duì)棕壤有機(jī)碳及各組分的影響[J]. 土壤通報(bào), 2008, 39(4): 730-733. Han X R, Su J F, Xie Fetal. Effect of long term fertilization on organic carbon and the different soil organic fractions of brown earth[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2008, 39(4): 730-733.

[14] 佟小剛. 長(zhǎng)期施肥下我國(guó)典型農(nóng)田土壤有機(jī)碳庫(kù)變化特征[D]. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院博士學(xué)位論文, 2008. Tong X G. Change characteristics of soil organic carbon pools in typical cropland of china under long-tern fertilization[D].Beijing: PhD dissertation of Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2008.

[15] 張國(guó), 曹志平, 胡嬋娟. 土壤有機(jī)碳分組方法及其在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)研究中的應(yīng)用[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2011, 22(7): 1921-1930. Zhang G, Cao Z P, Hu C J. Soil organic carbon fraction methods and their applications in farm land ecosystem research[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2011, 22(7): 1921-1930.

[16] Huygens D, Rütting T, Boeckx Petal. Soil nitrogen conservation mechanisms in a pristine south Chilean Nothofagus forest ecosystem[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2007, 39(10): 2448-2458.

[17] Müller C, Stevens R J, Laughlin R J. A N15tracing model to analyze N transformations in old grassland soil[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2004, 36(4): 619-632.

[18] Meijboom F W, Hassink J, Van Noordwijk M. Density fractionation of soil macroorganic matter using silica suspensions[J]. Soil Biology and Biochemistry, 1995, 27(8): 1109-1111.

[19] 徐明崗, 梁國(guó)慶, 張夫道. 中國(guó)土壤肥力演變[M]. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科技出版社, 2006. Xu M G, Liang G Q, Zhang F D. Soil fertility evolution in China[M]. Beijing: Chinese Agriculture Science and Technology Press, 2006.

[20] 魯如坤. 土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M]. 北京： 中國(guó)農(nóng)業(yè)科技出版社, 2000. Lu R K. Analysis method of soil and agro-chemistry[M]. Beijing: China Agriculture Science and Technology Press, 2000.

[21] Loginow W, Wisniewski W, Gonet S Setal. Fractionation of organic carbon based on susceptibility to oxidation[J]. Polish Journal of Soil Science, 1987, 20: 47-52.

[22] 佟小剛, 黃紹敏, 徐明崗, 等. 長(zhǎng)期不同施肥模式對(duì)潮土有機(jī)碳組分的影響[J]. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2009, 16 (4): 831-836. Tong X G, Hang S M, Xu M Getal. Effects of the different long-term fertilizations on fractions of organic carbon in fluvo-aquic soil[J], Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2009, 16(4): 831-836.

[23] 李新愛(ài), 童成立, 蔣平, 等. 長(zhǎng)期不同施肥對(duì)稻田土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的影響[J]. 土壤, 2006, 38(3): 298-303. Li X A, Tong C L, Jiang Petal. Effects of long-term fertilization on soil organic matter and total nitrogen in paddy soil[J]. Soils, 2006, 38(3): 298-303.

[24] 龔偉, 顏曉元, 王景燕, 等. 長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤肥力的影響[J]. 土壤, 2011, 43(3): 336-342. Gong W, Yan X Y, Wang J Yetal. Effect of long-term fertilization on soil fertility[J]. Soils, 2011, 43(3): 336-342.

[25] Whalen J K, Chang C. Macroaggregate characteristics in cultivated soils after 25 annual manure applications[J]. Soil Science Society of America Journal, 2002, 66(5): 1637-1647.

[26] 張璐, 張文菊, 徐明崗, 等. 長(zhǎng)期施肥對(duì)中國(guó)3種典型農(nóng)田土壤活性有機(jī)碳庫(kù)變化的影響[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2009, 42(5): 1646-1655. Zhang L, Zhang W J, Xu M Getal. Effects of long-term fertilization on change of labile organic carbon in three typical upland soil of China[J]. Scientia Agriculture Sinica, 2009, 42(5): 1646-1655.

[27] Drinkwater L E, Wagoner P, Sarrantonio M. Legume-based cropping systems have reduced carbon and nitrogen losses[J]. Nature, 1998, 396(6708): 262-265.

[28] 井大煒, 邢上軍. 雞糞與化肥不同配比對(duì)楊樹(shù)苗根際土微生物碳、氮變化的影響[J]. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2013, 19(2): 455-461. Jing D W, Xing S J. Effects of chicken manure mixed with inorganic fertilizer on soil enzyme activities, microbial biomass C and N at rhizosphere of poplar seedlings[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2013, 19(2): 455-461.

[29] Liang B C, Mackenzie A F, Schnitzer Metal. Management induced change in labile soil organic matter under continuous corn in eastern Canadian soils[J]. Biology and Fertilizer Soils, 1998, 26: 88-94.

[30] 徐明崗, 于榮, 孫小鳳, 等. 長(zhǎng)期施肥對(duì)我國(guó)典型土壤活性有機(jī)質(zhì)及碳庫(kù)管理指數(shù)的影響[J]. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2006, 12(4): 459-465. Xu M G, Yu R, Sun X Fetal. Effects of long-term fertilization on la bile organic matter and carbon management index (CMI) of the typical soils of China[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2006, 12(4): 459-465.

[31] 張付申. 不同施肥處理對(duì)土和黃綿土有機(jī)質(zhì)氧化穩(wěn)定性的影響[J]. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 1996, 30(1): 80-84. Zhang F S. Effects of different applications of fertilizers to Lou soil and yellow loamy soil on the oxidable stability of soil[J]. Acta Agriculture Universitatis Henanensis, 1996, 30(1): 80-84.

[32] 閆德智, 王德建. 長(zhǎng)期施用化肥和秸稈對(duì)活性有機(jī)質(zhì)組分的影響[J]. 土壤, 2008, 40(3): 407-411. Yan D Z, Wang D J. Composition of soil organic matter affected by long-term application of chemical fertilizer and incorporation of rice straws[J]. Soils, 2008, 40(3): 407-411.

[33] Tu C, Ristaino J B, Hu S. Soil microbial biomass and activity in organic tomato farming systems: Effects of organic inputs and straw mulching[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2006, 38(2): 247-255.

[34] 蔡澤江. 長(zhǎng)期施肥下紅壤酸化特征及影響因素[D]. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院碩士學(xué)位論文, 2010. Cai Z J. Acidification characteristics of red soil under long-term fertilization and effect factors[D]. Beijing: MS thesis of Chinese Academy of Agricultural Sciences,2010.

[35] 李輝信, 蔡貴信, 劉滿(mǎn)強(qiáng)， 等. 紅壤氮素的礦化硝化作用特征[J]. 土壤, 2000, 32(4): 194-197. Li H X, Hu F, Liu M Qetal. The characteristics of nitrogen mineralization and nitrification in red soil[J] . Soil, 2000, 32(4):194-197.

[36] 袁穎紅, 李輝信, 黃欠如, 等. 長(zhǎng)期施肥對(duì)紅壤性水稻土活性碳的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境, 2007, 16(2): 554-559. Yuan Y H, Li X H, Huang Q Retal. Effects of long-term different fertilization on labile organic carbon in red paddy soil[J]. Ecology and Environment, 2007,16(2): 554-559.

[37] 許信旺, 潘根興, 汪艷林, 等. 中國(guó)農(nóng)田耕層土壤有機(jī)碳變化特征及控制因素[J]. 地理研究, 2009 (3): 601-612. Xu X W, Pan G X, Wang Y Letal. Research of changing characteristics and control factors of farmland topsoil organic carbon in China[J]. Geographical Research, 2009, (3): 601-612.

[38] Six J, Conant R T, Paul E Aetal. Stabilization mechanisms of soil organic matter: Implications for C-saturation of soils[J]. Plant and Soil, 2002, 241: 155-1761.

[39] Pan G X, Zhao Q G. Study on evolution of organic carbon stock in agricultural soils of China: Facing the challenge of global change and food security[J]. Advances in Earth Science, 2005, 20(4): 384-393.

[40] Pan G, Li L, Wu Letal. Storage and sequestration potential of topsoil organic carbon in China’s paddy soils[J]. Global Change Biology, 2004, 10(1): 79-92.

[41] 周萍, 潘根興, 李戀卿, 等. 南方典型水稻土長(zhǎng)期試驗(yàn)下有機(jī)碳積累機(jī)制 V. 碳輸入與土壤碳固定[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2009, 42(12): 4260-4268. Zhou P, Pan G X, Li L Qetal. SOC enhancement in major types of paddy soils in a long-term agro-ecosystem experiment in south China. V. relationship between carbon input and soil carbon sequestration[J]. Scientia Agriculture Sinica, 2009, 42(12): 4260-4268.

[42] Huang Y, Sun W J. Tendency of SOC change in cropland soils of China over the last 20 years[J]. Chinese Science Bulletin, 2006, 51(15): 1785-1803.

Component characteristics of soil labile and recalcitrant carbon under long-term different fertilization systems in eastern China

YU Wei-shui1， LI Gui-hua1， WANG Bi-sheng1， WU Hong-liang1， ZHAO Ya-wen1，MENG Fan-hua2， LU Chang-ai1*

(1ChineseAcademyofAgriculturalSciences/LandCultivationTechnology,NationalEngineeringLaboratory,Beijing100081，China;2HenanSoilandFertilizerStation,Zhengzhou450002，China)

【Objectives】 Labile organic carbon (Lab-C)and recalcitrant organic carbon(Rec-C)are two important components of soil organic carbon, and their ratio has an effect on organic turnover and sequestration properties. So, it has great significance for nutrient management and fertility improvement to study the characteristic of labile and recalcitrant organic carbon content under different long-term fertilization systems.【Methods】Using particle size-density separation method, labile and recalcitrant carbon pools were studied under four treatments, namely no fertilizer (CK), chemical fertilizer (NPK), chemical fertilizer combined with straw (NPKS), and chemical fertilizer combined with manure (NPKM) from four long-term experiment sites (three from 23 years old upland sites of black soil, fluvo-aquic soil and red soil, one from 32 years old paddy soil) in eastern China.【Results】The separation method was a simple and suitable method for carbon pool size analysis in which average soil mass recovery and average soil carbon recovery were both above 95%. The average labile organic carbon contents in upland soils was 1.91 g/kg, lower than those in paddy soil 2.42 g/kg. The average ratio of labile carbon to total carbon content (Lab-C/TOC) in upland soils was 15.4%, higher than in paddy soil of 9.9%. In upland soils (black soil, fluvo-aquic soil and red soil), the increase of labile carbon content under NPKM treatment was significantly higher than NPKS, NPK and CK treatments, in which the corresponding increases were 98.4%, 43.7% and 71.2% compared to NPK treatments, respectively. The Lab-C/TOC was consequently increased greatly under NPKM treatment, although the increases differences among the treatments were not significant. The labile carbon contents in NPK and NPKS were no significant different with CK in black soil and fluvo-aquic soil, but significant in red soil. The labile carbon content in NPK and NPKS were 33.1% and 29.6% significantly lower than that under CK (P<0.05), respectively; There were no significant differences among four treatments of paddy soil in labile organic carbon content. Recalcitrant carbon content in four soils was consistent with their total organic carbon under four treatments as NPKM>NPKS>NPK>CK. Compared with the NPK treatment, the recalcitrant carbon content in the four soils were greatly improved under NPKM treatment, their proportion were increased by 68.8%, 42.7%, 17.6% and 17.2%, respectively; In the meantime, the Rec-C/TOC was reduced. Under NPKS treatment, the recalcitrant carbon contents in black soil, fluvo-aquic soil and paddy soil were increased by 10.9%, 15.1% and 18.0% compared to NPK treatment, respectively. There was a significant positive correlation between the total organic carbon content and labile/recalcitrant organic carbon content.【Conclusion】Comparing with paddy soil, the labile organic carbon content in upland soil are more susceptible to fertilization. Long-term application of NPKS or NPKM will improve the quantity of soil labile organic carbon and recalcitrant organic carbon contents, meanwhile it could increase the Lab-C/TOC ratio. The improvement effect is in order of NPKM>NPKS>NPK.

labile organic carbon; recalcitrant organic carbon; upland soil; paddy soil; long-term fertilization

2014-11-17 接受日期： 2015-01-16

國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2012BAD05B05)； 國(guó)家973計(jì)劃(2013CB127404)； 農(nóng)業(yè)公益性行業(yè)專(zhuān)項(xiàng)(201203030)資助。

于維水(1989—)，女，山東日照人，碩士研究生，主要從事農(nóng)田養(yǎng)分循環(huán)研究。E-mail： yuweishui6655@126.com * 通信作者 Tel: 010-82108703, E-mail：luchangai@caas.cn

S153.6+21

A

1008-505X(2015)03-0675-09