豬廄肥和秸稈還田對紫色土有機(jī)碳組分及穩(wěn)定性的影響

鄧明位，張思佳，朱 波，李 夢，蒲玉琳，*

（1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院，成都 611130；2.中國科學(xué)院山地表生過程與生態(tài)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610041）

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤肥力的重要指標(biāo)，一方面，包含著植物生長所需的各類養(yǎng)分，是土壤微生物活動的能量來源；另一方面，在全球碳循環(huán)中起著重要作用[1]。土壤有機(jī)碳占土壤有機(jī)質(zhì)的60%～80%，是表征土壤有機(jī)質(zhì)含量和質(zhì)量最重要的指標(biāo)。土壤有機(jī)碳庫十分巨大（1.5×1018g），在碳的生物地球化學(xué)循環(huán)中扮演著動態(tài)角色，是緩解全球溫室效應(yīng)的潛在碳匯[2]。土壤有機(jī)碳庫變化受人為因素和自然因素的影響[3]。近年來，人們發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)對土壤肥力的影響不僅表現(xiàn)在數(shù)量上，而且表現(xiàn)在質(zhì)量上，因而對土壤有機(jī)碳活性和穩(wěn)定性的研究越來越受到重視[4-6]。

Chan K.Y.等[7]根據(jù)土壤有機(jī)碳氧化的難易程度，把有機(jī)碳劃分為4個組分，分別是高氧化活性有機(jī)碳組分（F1）、中氧化活性有機(jī)碳組分（F2）、低氧化活性有機(jī)碳組分（F3）、穩(wěn)定有機(jī)碳組分（F4）。有研究報(bào)道三峽地區(qū)消落帶土壤和植被混凝土的氧化有機(jī)碳各組分對土壤有機(jī)碳貢獻(xiàn)不同，消落帶土壤F1、F2、F3、F4分別占有機(jī)碳的 32.88%～35.49%、14.06%～16.77%、16.54%～27.32%和19.01%～32.82%，邊坡修復(fù)基質(zhì)F1+F2、F3+F4分別占有機(jī)碳48.66%～63.90%和36.10%～51.48%；F1組分是土壤中最敏感部分，可作為評價土壤質(zhì)量的良好指標(biāo)[8-9]。同時，土壤氧化有機(jī)碳組分隨氣候變化、田間管理措施等的不同而發(fā)生顯著變化[10-11]，如生態(tài)修復(fù)年限12 a的植被混凝土F1的變化范圍分別為2.24～3.05 g/kg，夏季最低而冬季最高。由土壤氧化有機(jī)碳組分的含量可以得到土壤有機(jī)碳的氧化穩(wěn)定性[8，11]，氧化穩(wěn)定性是土壤有機(jī)碳的一個重要性質(zhì)，它與有機(jī)碳的抗氧化能力、有機(jī)碳降解的難易程度以及土壤肥力發(fā)揮有關(guān)[12]。土壤有機(jī)碳氧化穩(wěn)定性同樣受氣候、土壤類型、植被組成、農(nóng)田管理措施和土地利用方式等的影響[8-9，13-14]，研究不同氣候類型區(qū)土壤氧化有機(jī)碳組分對田間管理措施的響應(yīng)，有助于深入發(fā)掘最佳農(nóng)田管理措施與穩(wěn)定土壤有機(jī)碳的機(jī)制。

紫色土主要分布于四川盆地，是我國南方重要的旱作土壤。大部分紫色土質(zhì)地偏砂，容重大、孔隙度低且以大孔隙為主，持水力弱，侵蝕嚴(yán)重，有機(jī)質(zhì)和氮含量低，不利于農(nóng)作物生長[15-18]。紫色土母巖受風(fēng)化作用強(qiáng)烈，土壤固結(jié)性差，如果土地利用方式不當(dāng)，易造成水土流失，使土壤肥力下降，對環(huán)境破壞嚴(yán)重[19]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常通過增施化肥或（和）有機(jī)物料的方式提升土壤質(zhì)量[20-22]，然而長期偏施無機(jī)肥會產(chǎn)生土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性降低、容重增加和孔隙度減少等負(fù)面影響，這不僅影響作物根系的生長，同時也改變水、氣、熱環(huán)境，打破肥料-土壤-作物養(yǎng)分系統(tǒng)的平衡[23]。許多研究報(bào)道有機(jī)肥不僅能改善紫色土的物理性質(zhì)如容重、孔隙狀況等，還能提高土壤養(yǎng)分含量[15-18]，也能同時提升土壤有機(jī)碳含量[24]，卻鮮有關(guān)于增施有機(jī)物料對紫色土氧化有機(jī)碳組分及穩(wěn)定性影響的研究報(bào)道。為此，本研究以14年期（2002—2016年）不同施肥方式下的川中丘陵區(qū)石灰性紫色土為研究對象，以不施肥為對照，結(jié)合不同施肥處理之間的對比分析，探明長期豬廄肥和秸稈還田模式下紫色土的有機(jī)碳組分、有機(jī)碳的活性系數(shù)和穩(wěn)定系數(shù)的變化特征，明確豬廄肥與秸稈還田對紫色土有機(jī)碳組分及有機(jī)碳氧化穩(wěn)定性的影響，揭示秸稈還田與豬廄肥增強(qiáng)土壤固碳的機(jī)制。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

田間試驗(yàn)地設(shè)在中國科學(xué)院鹽亭紫色土農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站，行政上隸屬于四川盆地中北部的鹽亭縣林山鄉(xiāng)（105°27′E，31°16′N，海拔 420 m）。該區(qū)屬典型紫色丘陵區(qū)，中亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，年平均溫度為17.3℃，極端最高氣溫40℃，極端最低氣溫-5.1℃；年平均降雨量836 mm，90%以上主要集中在5—9月，無霜期294 d。土壤類型是石灰性紫色土，由侏羅紀(jì)蓬萊鎮(zhèn)母質(zhì)發(fā)育而成，土層厚度為約60 cm；質(zhì)地為中壤至輕壤。作物種植制度為一年兩熟，冬小麥-夏玉米輪作。

1.2 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在6.5°坡耕地上布設(shè)大小8 m×4 m的試驗(yàn)處理5個，分別為不施肥（CK）、NPK化肥配施（NPK）、單施豬廄肥（OM）、豬廄肥配施NPK化肥（OMNPK）、秸稈還田配施NPK化肥配施（CRNPK），每個處理3次重復(fù)，隨機(jī)排列。各處理均按照地方習(xí)慣的旱坡地種植制度進(jìn)行冬小麥和夏玉米輪作，冬小麥每年9月下旬播種，次年5月中旬收獲；夏玉米于每年5月下旬播種，9月中旬收獲。除CK外的其余處理保持氮總量控制一致，小麥季施氮量130 kg/hm2，玉米季施氮量150 kg/hm2，其中OMNPK的豬糞氮和化肥氮比例為4∶6，CRNPK在每季作物收獲后將秸稈全量歸還小區(qū)，不足氮量由化肥補(bǔ)足。除CK和OM外的其余各處理磷、鉀施用量分別為90 kg/hm2P2O5和36 kg/hm2K2O。施用化肥碳酸氫銨、過磷酸鈣、氯化鉀的N、P2O5、K2O含量分別是17%、12%、60%，有機(jī)肥物料豬廄肥含N 0.2%（鮮重），小麥和玉米秸稈含N量分別是0.5%、0.8%（干重）。氮磷鉀肥作為基肥一次性于小麥或玉米播種前人工施入，耕作和施肥同步進(jìn)行，耕作方式為人工鋤耕，深度為20 cm。肥料施用方式為小麥季撒施，玉米季穴施。

1.3 土壤樣品采集

采樣時間為2016年玉米收后小麥播種前，每個小區(qū)按棋盤型方式布設(shè)5個采樣點(diǎn)，采集耕層0～20 cm土壤，然后將每個小區(qū)5個樣點(diǎn)的土壤混合縮分至1 kg左右，再將混合土樣帶回室內(nèi)，風(fēng)干備用。

1.4 測定指標(biāo)與方法

土壤容重環(huán)刀法，pH值電位法，總有機(jī)碳重鉻酸鉀氧化-外加熱法，全氮為開氏消煮法，全磷酸溶-鉬銻抗比色法，堿解氮堿解擴(kuò)散法，速效磷為0.5 mol/L NaHCO3碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法[25]；氧化有機(jī)碳各組分參考Chan K.Y.等[7]所述方法測定。各施肥處理下0～20 cm土層土壤基本理化性質(zhì)如表1所示。

表1 0～20 cm土層土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of 0-20 cm soil layer

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

土壤有機(jī)碳活性指數(shù)和穩(wěn)定系數(shù)分別按照公式①[11]和公式②[8]計(jì)算：

式中，F(xiàn)1為高氧化活性有機(jī)碳組分；F2為中氧化活性有機(jī)碳組分；F3為低氧化活性有機(jī)碳組分；F4為穩(wěn)定有機(jī)碳組分，TOC為土壤總有機(jī)碳。

利用Excel 2016統(tǒng)計(jì)整理數(shù)據(jù)，SPSS 22.0軟件進(jìn)行單因素方差分析、相關(guān)性分析和差異顯著性檢驗(yàn)（P＜0.05），Origin 9.0 繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理下紫色土氧化有機(jī)碳組分含量

各施肥處理下土壤氧化有機(jī)碳組分含量均表現(xiàn)為 F1＞ F4、F2＞ F3，其中 F1組分含量顯著高于其他3個組分（表2）。相較于CK，NPK顯著提高F3組分含量，增幅達(dá)280.00%；3個有機(jī)物料處理中除OMNPK 中 F2組分無增長，F(xiàn)1、F2、F3和 F4組分含量分別顯著增加51.87%～79.80%、103.13%～112.50%、200.00%～440.00%、27.17%～102.17%。相比NPK，總體上各氧化有機(jī)碳組分在3個有機(jī)物料處理的土壤中都有不同程度的升高，尤其是F1和F4組分，二者分別顯著增加32.39%～56.74%和12.50%～78.84%。然而，相較于OM，除OMNPK中F2組分顯著降低、CRNPK中F1顯著增加，其余各組分有機(jī)碳含量均與之無顯著差異。說明豬廄肥與秸稈還田是增加土壤氧化有機(jī)碳組分含量的有效農(nóng)田管理措施，尤其是秸稈還田配施NPK化肥能達(dá)到全部施用豬廄肥的效果；同時，有機(jī)物料提升F1和F4組分的效果顯著優(yōu)于配施NPK化肥（常規(guī)施肥）。

表2 土壤氧化有機(jī)碳組分含量Table 2 The content of each component of soil oxidized organic carbon g·kg-1

2.2 不同施肥處理下紫色土氧化有機(jī)碳組分占總有機(jī)碳比例

由圖1可知，4類土壤氧化有機(jī)碳組分占總有機(jī)碳比例的差異顯著：F1組分占比最高，為60.73%～74.06%，F(xiàn)2、F3和 F4組分的分別為 6.70%～14.57%、2.55%～7.96%和13.82%～16.64%。施肥顯著改變了F2和F3的占比。相對于CK，F(xiàn)2的占比在除CRNPK外的其余施肥處理中變化顯著，在NPK和OM中分別增加28.98%、18.34%，在OMNPK中降低40.67%；F3的占比在4種施肥處理中都顯著增加109.69～212.07%。但是相較NPK，OM主要顯著增加了F4組分的占比，增幅25.60%；OMNPK的F1組分占比顯著增加 17.18%，F(xiàn)2、F3組分占比分別顯著降低54.00%和31.76%；CRNPK的F4組分占比顯著增加16.45%，F(xiàn)2、F3組分的占比分別顯著降低19.25%和32.67%。

圖1 土壤氧化有機(jī)碳各組分占總有機(jī)碳的百分?jǐn)?shù)Figure 1 The percentage of each component of soil oxidized organic carbon to total organic carbon

2.3 不同施肥處理下紫色土有機(jī)碳活性系數(shù)和穩(wěn)定系數(shù)

如圖2所示，不同施肥方式下土壤有機(jī)碳的活性系數(shù)的變化范圍為2.17～2.41，穩(wěn)定性系數(shù)變化范圍為0.23～0.35。相對于CK，NPK、CRNPK土壤有機(jī)碳的活性系數(shù)分別降低3.71%和3.31%，穩(wěn)定系數(shù)分別增加25.16%和22.47%；OM活性系數(shù)顯著降低7.88%，穩(wěn)定系數(shù)顯著提高53.28%；OMNPK的活性系數(shù)及穩(wěn)定系數(shù)均無顯著性變化。各施肥處理間土壤有機(jī)碳的活性系數(shù)和穩(wěn)定性系數(shù)的顯著差異主要體現(xiàn)在OM與OMNPK間，與OM相比，OMNPK的活性系數(shù)顯著增加11.12%，穩(wěn)定系數(shù)卻顯著降低32.53%。CRNPK土壤有機(jī)碳的活性系數(shù)與穩(wěn)定性系數(shù)和其余3種施肥方式間雖都無顯著差異，但是活性系數(shù)略高于NPK、OM，卻略低于OMNPK，與穩(wěn)定系數(shù)相反。表明單施豬廄肥能顯著降低紫色土氧化有機(jī)碳活性，而提高有機(jī)碳的穩(wěn)定性；秸稈還田配施NPK化肥是能同單施豬廄肥一樣顯著提升紫色土有機(jī)碳總量（表2）的同時，保持有機(jī)碳活性和穩(wěn)定平衡的重要農(nóng)田管理措施。

圖2 土壤有機(jī)碳的活性系數(shù)和穩(wěn)定系數(shù)Figure 2 The activity coefficient and stability coefficient of soil organic carbon

2.4 不同施肥處理下紫色土氧化有機(jī)碳組分與主要性質(zhì)的相關(guān)性

如表3所示，不同施肥處理下土壤氧化有機(jī)碳各組分與總有機(jī)碳呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系，與土壤pH、容重以及C∶N無顯著關(guān)系。除土壤的F2組分外，其余3個組分與全氮、堿解氮、速效磷呈極顯著或顯著正相關(guān)關(guān)系。4個氧化有機(jī)碳組分中，僅F1與全磷呈顯著正相關(guān)。再從土壤4個氧化有機(jī)碳組分與總有機(jī)碳、全氮、全磷、堿解氮和速效磷的相關(guān)系數(shù)大小來看，F(xiàn)1與各土壤基本性質(zhì)的相關(guān)系數(shù)最高。由此看來，F(xiàn)1與土壤肥力指標(biāo)總有機(jī)碳、氮和磷間的相關(guān)程度最大。

表3 土壤氧化有機(jī)碳組分與基本理化性質(zhì)的相關(guān)性Table 3 Correlation between oxidized organic carbon components of purple soil and basic physical and chemical properties of soil

3 討論

土壤氧化有機(jī)碳組分反映了土壤有機(jī)碳的組成和狀態(tài)，對于土壤有機(jī)碳的儲存和分解具有重要作用[26]。本研究顯示，豬廄肥和秸稈還田均有效提高了土壤氧化有機(jī)碳各組分含量，且提升效果顯著優(yōu)于常規(guī)施肥，與丁少男[27]的研究結(jié)果一致。這是因?yàn)樵诔Ｒ?guī)施肥條件下，作物的快速生長促使土壤中大量有機(jī)活性物質(zhì)分解以供應(yīng)氮磷等養(yǎng)分，在沒有外源有機(jī)物輸入的情況下，僅依靠少量作物殘茬難以顯著提升土壤中氧化有機(jī)碳含量[27]，而豬廄肥與秸稈的施入為土壤提供了大量有機(jī)物質(zhì)[28-29]，這類物質(zhì)礦化分解后分配到各個組分中，使得各氧化有機(jī)碳組分含量顯著提高。然而，相較于常規(guī)施肥，不同有機(jī)物料處理提升土壤氧化有機(jī)碳組分的效果卻差異顯著，尤其是F1和F4組分（表3）。單施豬廄肥因?yàn)檩斎胪庠从袡C(jī)物量約為有機(jī)無機(jī)配施的5倍，氧化有機(jī)碳組分含量大幅提升，尤其是高活性碳和穩(wěn)定性碳分別增加32.39%和78.85%（表3）；但是新鮮豬糞配施NPK化肥，由于新鮮豬糞中含大量的活性有機(jī)物如單糖、氨基酸和蛋白質(zhì)類，在加入量較少且礦化分解又快的條件下，僅能顯著增加了高氧化活性有機(jī)碳含量（表3）；秸稈還田配施NPK化肥時，因?yàn)樾←満陀衩捉斩捴泻休^多的難以徹底分解的有機(jī)物木質(zhì)素、纖維素和半纖維素等[28]，可同時促進(jìn)活性和穩(wěn)定性有機(jī)物積累，長此以往即便在秸稈氮輸入量僅占總施氮量40%的情況下，提升高活性氧化有機(jī)碳的效果優(yōu)于單施豬糞（表3），增加其余氧化有機(jī)碳組分的效果同單施豬糞（表3）。據(jù)報(bào)道F1屬于高活性有機(jī)碳，與土壤有機(jī)質(zhì)中的自由輕組部分密切相關(guān)，能夠在短期內(nèi)礦化分解，供應(yīng)作物生長發(fā)育所需的氮磷等養(yǎng)分[30]；F4屬于惰性有機(jī)碳，難分解，在維持土壤有機(jī)碳穩(wěn)定和肥力保持上起著至關(guān)重要的作用[7]。因此，從豬廄肥與秸稈還田提升氧化性有機(jī)碳各組分的含量和占比看，相比于常規(guī)施肥，豬糞配施NPK化肥主要是增加高氧化性有機(jī)碳含量和占比；單施豬糞和秸稈還田配施NPK化肥都能在顯著提升土壤總有機(jī)碳和高氧化活性有機(jī)碳的基礎(chǔ)上（表2和表3），顯著提高穩(wěn)定有機(jī)碳的含量和占比（表3、圖1），且秸稈還田配施NPK化肥提升高氧化活性有機(jī)碳的效果顯著優(yōu)于單施豬糞。秸稈還田配施NPK化肥是一種兼有能顯著增加高活性碳含量和穩(wěn)定性碳占比的優(yōu)選施肥方式。

土壤的有機(jī)碳活性系數(shù)代表土壤有機(jī)碳的活性和養(yǎng)分供給效率[10]，具有很高的靈敏度，可在總碳變化之前反映土壤微小的變化，指示土壤碳庫質(zhì)量[31]，而土壤有機(jī)碳穩(wěn)定系數(shù)則是表征土壤有機(jī)碳抗分解能力和穩(wěn)定性的指標(biāo)，反映土壤惰性有機(jī)碳庫占總碳量的比重[32]。本研究表明，長期不施肥土壤在正常耕種條件下，沒有外源養(yǎng)分物質(zhì)補(bǔ)充，土壤有機(jī)碳會下降到某一水平維持相對穩(wěn)定和平衡[33]，作物生長需要的氮磷硫等養(yǎng)分只由土壤自身含有的活性有機(jī)物分解提供，這一過程能促進(jìn)穩(wěn)定性碳組分向活性碳組分轉(zhuǎn)換，因而不施肥下土壤有機(jī)碳具有高活性指數(shù)和低穩(wěn)定系數(shù)的特點(diǎn)。不同施肥方式下，因?yàn)橥庠从袡C(jī)物和化肥的補(bǔ)充，雖然也能維持土壤有機(jī)碳的高活性指數(shù)和低穩(wěn)定系數(shù)，但是單施豬廄肥土壤有機(jī)碳的活性指數(shù)較不施肥顯著降低，穩(wěn)定系數(shù)卻較不施肥顯著增加。這是由于即便豬糞中活性有機(jī)物含量高，但當(dāng)豬肥全部替代化學(xué)氮肥時會大大增加粗脂肪、纖維素和木質(zhì)素等的輸入總量，這些成分對微生物和酶作用的抗性強(qiáng)等，能夠長期保存于土壤中，是土壤穩(wěn)定有機(jī)碳性組分的物質(zhì)基礎(chǔ)[32]，故10多年的單施豬廄肥不配施NPK化肥的條件，土壤活性有機(jī)物為供給植物氮磷等養(yǎng)分而分解礦化量多、積累少，穩(wěn)定有機(jī)碳組分則相反[32]。相比單施豬肥，豬廄肥與秸稈還田配施NPK化肥下，一方面輸入的有機(jī)物質(zhì)總量減少，外源化學(xué)抗性物質(zhì)作用削弱，另一方面氮、磷和碳同時輸入使得土壤中的碳氮比、碳磷比及氮磷比穩(wěn)定，促進(jìn)微生物活動，能在一定程度上加速有機(jī)質(zhì)的礦化分解，增加活性有機(jī)碳組分含量，最終使得土壤有機(jī)碳活性和穩(wěn)定性也維持在適當(dāng)水平。因此，結(jié)合豬廄肥與秸稈還田提升土壤總有機(jī)碳的效應(yīng)來看，秸稈還田配施NPK化肥既能增強(qiáng)有機(jī)碳的固存，又能協(xié)調(diào)有機(jī)碳礦化與固持。

土壤氧化有機(jī)碳組分中，F(xiàn)1與土壤總有機(jī)碳、氮、磷等肥力指標(biāo)呈顯著或極顯著正相關(guān)，且相比于其他組分的相關(guān)程度最大，說明F1組分對施肥方式最為敏感，更適合作為評價紫色土氧化有機(jī)碳穩(wěn)定性和土壤質(zhì)量的敏感指標(biāo)。這與A.B.Barreto[34]和Chan K.Y.等[7]報(bào)道的不同的牧草地或者農(nóng)林系統(tǒng)土壤有機(jī)碳氧化穩(wěn)定性的差異主要發(fā)生在F1組分上相似。水肥與耕作管理措施引起的土壤質(zhì)量變化通常難以通過測量總有機(jī)碳來快速檢測[35]，因此測量快速變化的非穩(wěn)定碳庫可能對評估土壤質(zhì)量更為有用[36]。此外，相比于其他的活性有機(jī)碳組分如高錳酸鉀碳、顆粒有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳等，高氧化活性有機(jī)碳組分含量占總有機(jī)碳的2/3，常規(guī)的重鉻酸鉀氧化法即可測定，過程簡單快速，靈敏度高，可作為指示環(huán)境條件變化對土壤質(zhì)量變化的診斷指標(biāo)。

4 結(jié)論

①施肥能夠顯著提高紫色土氧化有機(jī)碳各組分含量，且豬廄肥和秸稈還田對提高紫色土氧化有機(jī)碳各組分含量的效果顯著優(yōu)于常規(guī)施肥。相比于常規(guī)施肥，秸稈還田配施NPK化肥提升有機(jī)碳的效應(yīng)同單施豬廄肥，主要機(jī)制是在顯著提升高活性有機(jī)碳含量的同時增加穩(wěn)定性有機(jī)碳的占比，是一種能協(xié)調(diào)有機(jī)碳礦化與固持，提升有機(jī)碳固存的優(yōu)選農(nóng)田管理措施。

②高氧化活性有機(jī)碳為紫色土氧化有機(jī)碳優(yōu)勢組分，與土壤肥力指標(biāo)呈高度正相關(guān)，對土壤質(zhì)量變化最為敏感，最適合作為指示環(huán)境條件變化對土壤質(zhì)量影響的診斷指標(biāo)。