长期施肥下我国典型农田土壤有机碳库变化特征

【摘要】： 为探明我国典型农田土壤长期不同施肥下有机碳库的变化特征,本文选择红壤、中层黑土、厚层黑土、灰漠土、黑垆土及潮土6种不同气候区域的农田土壤,通过超声和离心法、湿筛和重液悬浮法及高锰酸钾氧化法分别得到不同大小颗粒有机碳库、团聚体有机碳库及氧化活性有机碳库,分析长期施肥下土壤有机碳库在含量、分布、时间序列及区域上的变化特征,同时分析不同有机碳库之间及其与土壤肥力的关系,以期为土壤肥力提升和培育提供理论依据。主要结果与结论如下: (1)与不施肥(CK)相比,长期配施有机肥(M、2M、NPM、NPKM、1.5NPKM)土壤不同有机碳库均显著增加,但增幅差异较大,其中以砂粒和粗自由颗粒有机碳库增幅最大,分别达到36.4%～397.5%和138.7%～538.4%,这两种碳库组分对农业措施变化的响应较为敏感,它们在不同土壤上增幅表现出灰漠土红壤潮土中层黑土黑垆土厚层黑土的空间特征。秸秆还田(NPKS)仅使红壤细自由颗粒有机碳和灰漠土砂粒有机碳分别显著下降9.6%和34.4%,而撂荒(CK0)仅使红壤细自由颗粒有机碳显著下降58.8%,其它有机碳库均有不同程度增加,说明秸秆还田和撂荒总体上能够促进土壤有机碳库的增加。长期施用化肥(N、NP、NPK)不利于土壤有机碳库的增加,6种土壤施用化肥各有机碳库增加幅度均是不同施肥中最低的,平均仅为配施有机肥的约1/5。 (2)土壤有机碳主要以惰性的矿物结合态形式存在,在不同土壤中占到总有机碳的56.9%～84.7%,是土壤固定有机碳的重要组分库,而粗粘粒有机碳库集中了44.2%～58.9%的矿物结合态有机碳,是不同大小粉砂粒和粘粒矿物结合有机碳库中最大的碳库,但整体上不同施肥都降低了矿物结合态有机碳所占的比例,其中以配施有机肥降幅最大,达到10.0%～19.6%。物理分组方法得到活性有机碳库之一为团聚体中自由颗粒和物理保护的有机碳,其占总有机碳的18.8%～31.8%;这与化学方法得到的易氧化的活性有机碳占总有机碳的比例19.8%～33.1%接近,说明这两种分组方法得到的活性有机碳库大小基本相似。不同施肥处理总体上都增加了活性有机碳所占的比例,且以配施有机肥提升幅度最大,增幅达到44.0%～63.4%。 (3)17年连续长期配施有机肥(M、NPKM、1.5NPKM),灰漠土和中层黑土中有机碳组分库均随施肥时间延长而显著增加,不同有机碳库年均增加量差异较大,其中砂粒有机碳库最高,平均达到0.24 g·kg-1·a-1;细粘粒有机碳库最低,平均仅为0.02g·kg-1·a-1。长期秸秆还田(NPKS)和撂荒(CK0)对土壤有机碳库时间序列变化表现出维持或是增加的作用,它们使中层黑土中砂粒、粗粉砂粒、粗粘粒及细自由颗粒有机碳分别以0.08、0.12、0.07和0.03 g·kg-1·a-1的年均速率显著增加,但在灰漠土中撂荒和秸秆还田对不同大小颗粒结合有机碳均无显著影响,仅分别使粗自由颗粒和氧化活性有机碳库以0.07和0.05 g·kg-1·a-1的年均速率显著增加;长期施用化肥(N、NP、NPK)对土壤各有机碳库影响较小,中层黑土中仅砂粒有机碳、粗粉砂粒有机碳、粗粘粒有机碳分别以0.05、0.10和0.06 g·kg-1·a-1的年均速率增加,灰漠土中氮磷钾平衡施用(NPK)使粗粉砂粒、细粉砂粒和细粘粒有机碳分别以0.01、0.03和0.01g·kg-1·a-1的年均速率显著下降,单施氮肥还使物理保护和矿物结合有机碳分别以0.01和0.02 g·kg-1 a-1的年均速率显著下降。 (4)6种农田土壤砂粒、粗粉砂粒和矿物结合有机碳库相对变化速率均随年均温度升高增加;细粉砂粒有机碳库相对变化速率随降雨量升高而增加;自由颗粒有机碳组分(cfPOC+ffPOC)占土壤总有机碳的比例及配施有机肥增加氧化活性有机碳的比例随年降雨量和年均气温升高而增加,它们与年均气温和年降水量都极显著相关(r0.888**,n=6),说明水,热气候条件交互影响着土壤有机碳库的空间变化特征,高温高湿气候条件利于土壤各有机碳库的转化和积累,而低温低湿气候条件利于土壤各有机碳库的维持。但粗和细粘粒有机碳库的变化更多地决定于粗和细粘粒本身在土壤中的含量。 (5)不同大小颗粒有机碳组分库、团聚体有机碳组分库、氧化活性有机碳库内部及与总有机碳之间均为相互促进增加的关系。不同分组方法得到的有机碳组分库之间也存在极显著的正相关性(r0.412**,n=46)。施肥改变了土壤中活性与惰性有机碳库间(w(POC)/w(MOC))的比例关系,以配施有机肥作用最显著,与不施肥处理比较,使得该比例提升35%～200%,显著改善了土壤有机碳性质,且配施有机肥下不同土壤间增幅表现为灰漠土红壤潮土中层黑土黑垆土厚层黑土。土壤中属于活性有机碳库的有机碳组分都与全N、全P、速效氮、速效磷、速效钾及作物产量显著相关(r0.372*,n=32),说明活性有机碳库与土壤肥力关系更为密切。进一步通过逐步回归分析,提出将与土壤肥力关系最为密切和对农业措施反映较敏感的砂粒有机碳作为土壤有机碳和土壤肥力变化的最佳指示碳库。