王改玲，李立科，郝明德,3*

（1 山西农业大学资源环境学院，山西太谷 030801；2 西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨陵 712100；3 西北农林科技大学水土保持研究所，陕西杨陵 712100）

长期施肥和秸秆覆盖土壤活性有机质及碳库管理指数变化

王改玲1，李立科2，郝明德2,3*

（1 山西农业大学资源环境学院，山西太谷 030801；2 西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨陵 712100；3 西北农林科技大学水土保持研究所，陕西杨陵 712100）

【目的】研究长期施肥和秸秆覆盖对土壤活性有机质和碳库管理指数的影响，为渭北旱塬区秸秆覆盖模式的完善提供理论依据。 【方法】长期定位试验于 1981 年开始，布设于陕西省合阳县，设空白对照 (CK)、氮磷肥配施 (NP)、氮磷有机肥配施 (NPM)、氮磷肥配施 + 秸秆覆盖 (NP + FG)、氮磷有机肥配施 + 秸秆覆盖(NPM + FG) 5 个处理，测定 28 年后土壤有机质、不同活性组分有机质含量及土壤养分含量、酶活性，研究长期施肥和秸秆覆盖对土壤活性有机质、碳库管理指数的影响及其与土壤酶活性、养分含量的相关关系。 【结果】1) NP 处理较 CK 处理显著提高了土壤高活性有机质含量 48.7%，对其他活性组分影响不显著；NPM 处理土壤总有机质含量提高了 120.0%，高、中、低活性有机质含量分别提高了 137.4%、136.3% 和 93.4%。2) 以 CK 为参考土壤，NP 处理土壤高活性、中活性和活性碳库管理指数分别提高了 54.66、17.93 和 2.65；NPM 处理分别提高了 139.28、140.92 和 83.59。NP + FG 处理土壤高、中、低活性碳库管理指数较 NP 处理分别提高 75.01、191.43 和 122.90；NPM + FG 处理较 NPM 处理分别提高了 58.93、121.35 和 93.43。3) 高活性有机质、高活性碳库管理指数与转化酶呈极显著相关，中、低活性碳库管理指数与转化酶呈显著相关。 【结论】NPM 处理显著提高了土壤高、中、活性碳库管理指数；施肥基础上秸秆覆盖进一步提高了土壤的碳库管理指数，在氮磷肥配施基础上进行秸秆覆盖对碳库管理指数的提升作用大于氮磷有机肥配施基础上秸秆覆盖的作用；活性有机质与总有机质相比，更能反映土壤酶活性的变化，有机质的活性越高，对指示酶活性和土壤质量的变化越敏感。在渭北旱塬区，氮磷肥基础上秸秆覆盖表现出显著提高土壤碳库管理指数和培肥的优势。

施肥；秸秆覆盖；活性有机质；碳库管理指数；长期定位试验

土壤有机质是表征土壤质量的关键指标，直接或间接地影响着土壤特性和养分循环。长期以来，土壤有机质数量变化得到了较多关注。随着对土壤养分循环和有机质动态变化研究的深入，活性有机质 (LOC) 与土壤碳库管理指数逐渐成为土壤质量评价和土壤管理的重要指标[1]。活性有机质是土壤中易被微生物分解利用、有效性较高、对植物养分供应有最直接作用的那部分有机质。在对土壤活性有机质研究中，Logninow 等[2]根据不同浓度过量的高锰酸钾 (33、167、333 mmol/L) 氧化土壤有机质的数量将其分成高活性有机质、中活性有机质、活性有机质、非活性有机质 4 种不同的级别。之后，Lefroy等[3]首次提出碳库管理指数 (carbon pool management index，CMI) 的概念。CMI 结合了土壤碳库指标和土壤中碳库活度两个方面的内容，能够比较全面和动态地反映外界条件对土壤有机质性质的影响[4]。目前，我国对土壤活性有机质的研究还较少，且侧重于探讨在不同施肥制度[4–5]、耕作制度[6]及土地利用方式[7]等措施下土壤活性有机质和 CMI 的变化规律。

渭北旱塬地处黄土高原中南部，自然降水偏少，且季节分布不均；土壤贫瘠，肥力不足，致使粮食产量低而不稳。秸秆覆盖与施肥配合已逐渐成为该区广泛采用的一种节水培肥措施。目前，秸秆覆盖还田在强化土壤有机质积累方面备受关注[8–10]，秸秆覆盖对土壤活性有机质组分的影响已有一些研究[11–12]。不同施肥条件下秸秆覆盖对土壤 LOC 和 CMI的变化状况却鲜见报道。本研究以设置在陕西省合阳县的长期定位试验为依托，研究不同施肥条件下秸秆覆盖对土壤活性碳库的影响及其与土壤酶活性、养分含量的相关关系，旨在为渭北旱塬区秸秆覆盖模式的完善和区域碳循环提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

长期定位试验于 1981 年开始，设在渭北旱塬区的东北部陕西合阳县甘井乡。试验区年平均温度 10.5℃，极端最高温度 40.1℃，极端最低温度 –20.1℃。年均降雨量 598.8 mm。试验地土壤类型为垆土。1981 年试验前土壤有机质含量 11.2 g/kg、全氮 0.737 g/kg、全磷 1.396 g/kg、速效氮 13.8 mg/kg、速效磷 2.27 mg/kg和速效钾 148.6 mg/kg，pH 8.4[10]。

1.2 试验设计

试验设 CK、NP、NPM、NP + FG、NPM + FG 5 个处理，3 次重复。氮肥 (N) 用量为 337.5 kg/hm2，供试肥料为尿素 (含氮 46%)；磷肥 (P) 用量为 337.5 kg/hm2(按 P2O5计)，供试肥料为过磷酸钙 (含磷17%)；有机肥 (M) 用量为 37500 kg/hm2，种类为腐熟的牛厩肥 (有机质含量 14.5%、氮 0.3%、磷 P2O50.2%)；秸秆覆盖 (FG) 为小麦收获后将秸秆粉碎成5 cm 左右覆盖在茬口上，覆盖量 11250 kg/hm2。小区面积为 15 m2。播种作物为小麦[10]，每年 9 月15～30 日播种，次年 6 月 15～25 日收获。

长期试验 28 年后，下一季小麦播种前 (采样时间 2009 年 9 月 4 日) 采集耕层土壤样品 (0—20 cm)，将土样风干过筛后，分析其活性有机质含量，及其他主要养分含量、酶活性。

1.3 活性有机质测定及碳库管理指数 (CMI) 计算

用 K2Cr2O7氧化法测定土壤总有机质含量[13]，用KMnO4氧化法测定土壤中的活性有机质含量[1,4]。

土壤中活性有机质测定的具体操作步骤：称取约含 15 mg 碳的土样于 30 mL 塑料旋盖离心管中，加入 25 mL KMnO4溶液，振荡 1 h，2000 r/min 转速下离心 5 min。取上清液用去离子水稀释，用分光光度计在波长 565 nm 处测定稀释样品的吸光度。由空白 (不加土壤) 与土壤样品的吸光度之差计算 KMnO4溶液浓度的变化，从而计算氧化的碳量或活性有机质含量 (氧化过程中 1 mmol KMnO4消耗 C 0.75 mmol或 9 mg)。

试验中选择 KMnO4浓度为 33 mmol/L、167 mmol/L和 333 mmol/L，由此测定出的 3 组活性有机质分别称为高活性有机质、中活性有机质和活性有机质。

碳库管理指数 (CMI) 指土壤碳库指数与碳库活度指数的乘积，从土壤有机质数量和活性两方面反映了土壤管理措施对土壤有机质的影响。

CMI 的计算方法[1,4]：

CMI = CPI × LI × 100

其中，CPI 表示碳库指数，指样品土壤与参考土壤总有机质含量的比值，即，

碳库指数 (CPI) = 样品土壤总有机质含量 (g/kg)/参考土壤总有机质含量 (g/kg)

LI 表示土壤碳库的活度指数，指样品土壤与参考土壤碳库活度的比值，即，

LI = 样品土壤碳库活度 (L)/参考土壤碳库活度 (L0)

碳库活度 (L) 指土壤中的不同活性组分有机质与该活性对应的非活性有机质的比，即，

碳库活度 (L) = 活性有机质 (LOC)/非活性有机质(NLOC)

试验以 CK 土壤为参考土壤，计算 CMI。

1.4 土壤养分、酶活性的测定

测定土壤有机质、速效氮、速效磷、速效钾、全氮、全磷、全钾等养分含量。土壤养分含量均采用常规方法测定[13]。

用靛酚比色法测定脲酶活性，磷酸苯二钠比色法测定碱性磷酸酶活性，3,5-二硝基水杨酸比色法测定转化酶活性，滴定法测定过氧化氢酶活性[14]。

1.5 数据处理

用 SPSS 软件对有机质组分间及有机质与土壤养分、酶活性进行相关分析。

2 结果与分析

2.1 长期施肥、秸秆覆盖对土壤有机质组分的影响

表 1 表明 ，施用化肥显著提高了土壤高活性有机质的含量 (P ＜ 0.05)，亦使总有机质和中活性、活性有机质含量有所提高，但与 CK 差异不显著。NPM 施用显著提高了土壤总有机质和不同活性组分有机质的含量 (P ＜ 0.05)。长期施 NPM 肥土壤总有机质含量为 22.348 g/kg，较 CK 提高 12.280 g/kg，提高 120.0%；较 NP 提高 11.199 g/kg，提高 100.0%。NPM 肥使高活性、中活性、活性有机质分别提高到2.464、5.443 和 5.715 g/kg，较 CK 分别提高 137.4%、136.3% 和 93.4%，较 NP 分别提高 59.7%、103.2%、84.2%，NPM 与 NP、CK 均达 0.05 显著水平。

表1 28 年定位试验后不同处理土壤有机质组分 (g/kg)Table 1 Components of various organic matter in soil after the 28-year experiment

在施肥基础上秸秆覆盖进一步提高了土壤总有机质含量和不同活性组分有机质含量。NP + FG 处理总有机质含量为 27.572 g/kg，较 NP 处理提高146.3%；高活性、中活性、活性有机质含量亦较 NP处理均有明显提高，其中高活性有机质含量提高36.3%，中活性有机质含量提高 158.3%，活性有机质含量提高 82.2%；NPM + FG 处理总有机质为35.445 g/kg，较 NPM 处理提高 58.6%，高活性、中活性、活性有机质含量分别较 NPM 提高 27.6%、52.3%、52.8%，说明秸秆覆盖对提高中活性、活性有机质含量的作用大于对高活性有机质的作用；在NP 基础上秸秆覆盖的作用大于 NPM 基础上秸秆覆盖的作用。

2.2 长期施肥、秸秆覆盖对土壤碳库管理指数的影响

表2 28 年定位试验后不同处理土壤的碳库管理指数Table 2 Carbon management index in soil after the 28-year experiment

由表 2 可见，不同施肥亦影响了土壤碳库活度指数，从而影响土壤碳库管理指数。以长期不施肥(CK) 土壤作为参考土壤，施氮，磷肥 28 年后，土壤高活性、中活性、活性有机质碳库管理指数分别提高了 54.66、17.93 和 2.65；施 NPM，高活性、中活性、活性有机质碳库管理指数分别提高了 139.28、140.92和 83.59。说明有机无机肥配合施用对高活性、中活性、活性有机质碳库管理指数均有较大的作用，无机肥的作用主要增加高活性有机质的碳库管理指数。

施肥基础上秸秆覆盖明显提高了 3 种活性有机质组分的碳库管理指数，NP + FG 处理土壤高活性、中活性、活性有机质碳库管理指数分别较 NP 处理提高 75.01、191.43 和 122.90；NPM + FG 处理土壤高活性、中活性、活性有机质碳库管理指数分别较NPM 处理提高 58.93、121.35 和 93.43。说明施肥基础上秸秆覆盖显著提高了土壤的碳库管理指数，且对中活性、活性有机质碳库管理指数的作用大于对高活性有机质碳库管理指数的作用；在 NP 处理基础上进行秸秆覆盖对碳库管理指数的作用大于在 NPM处理基础上的作用。

2.3 不同活性有机质与总有机质、活性有机质与土壤养分及酶活性的相关分析

表3 土壤活性有机质与总有机质的相关系数Table 3 Correlation coefficients between labile organic carbon and total organic carbon

不同活性组分有机质与总有机质、3 种活性有机质之间的相关分析 (表 3) 表明，3 种活性有机质与总有机质之间呈极显著相关关系，3 种活性有机质之间亦呈极显著相关关系，其中活性有机质与中活性有机质相关系数最高，为 0.981，这与徐明岗等的研究结果一致[15]。与有机质活性组分间的结果一致，不同活性有机质碳库管理指数间均达到极显著相关，其中以中活性有机质碳库管理指数与活性有机质碳库管理指数最高，为 0.976。

不同活性组分有机质、总有机质与土壤养分、酶活性的相关分析表明，3 种活性有机质、总有机质与土壤全氮、全磷、速效氮、有效磷和速效钾均呈极显著相关，高、中活性有机质和总有机质含量亦与全钾含量达显著相关，相关系数分别达到 0.519、0.523 和 0.522 (表 4)。高活性有机质、高活性碳库管理指数与转化酶呈极显著相关，中、低活性碳库管理指数与转化酶呈显著相关；3 种不同活性有机质组分与磷酸酶呈显著相关，总有机质与磷酸酶相关性不显著。不同活性有机质组分与土壤磷酸酶、转化酶活性的相关性大小表现为高活性有机质 ＞ 中活性有机质 ＞ 活性有机质。不同活性有机质、总有机质含量与脲酶活性相关性均未达显著水平，但亦表现出有机质组分的活性越高，相关系数越大的趋势(表 5)。

表4 土壤有机质与土壤养分的相关系数Table 4 Correlation coefficients between soil organic carbon and soil nutrient contents

表5 土壤有机质与土壤酶活性的相关系数Table 5 Correlation coefficients between soil organic carbon and enzyme activities

3 讨论

氮磷与有机肥配施因向土壤中直接输入了外源有机质，提高了土壤有机质含量；同时还为微生物活动提供了碳源，使较多的有机质被微生物分解转化为低分子量的有机质[16]，从而提高活性有机质含量，这与多数研究结果相似。

碳素是生命过程的核心元素之一，碳和氮、磷元素循环过程相互耦合[17]。基于生态化学计量学理论，碳元素的生物地球化学循环取决于其和氮、磷等养分元素间的平衡关系[18]。本研究结果表明，施用氮、磷肥对土壤有机质含量的影响不显著，却明显提高了高活性有机质含量和碳库管理指数。可能是因为施用氮、磷能够促进作物根系的生长，增加地下部分生物量，即增加外源有机质的输入，同时还降低土壤碳氮比值，加速土壤有机质的分解矿化，致使有机质无明显积累。与张贵龙等、胡诚等和曾骏等的研究结果相似[19–21]。潘根兴等[22]的研究表明，单施化肥处理土壤碳的矿化损失大大高于配施有机肥处理。Tian 等[23]在观测中国土壤的 C∶N∶P 时发现，中国土壤中 C∶N∶P 平均比值分别为 60∶5∶1。土壤 TOC 的 C∶N 与 TOC 的分解速率呈反比[24]。笔者前期研究表明，NP 处理中土壤 C∶N 为 11.4，较CK 处理 12.4 降低，同时转化酶活性明显提高[10]，与本结果相吻合。徐明岗等[15]的研究表明，红壤耕作施肥 10 年后，单施无机肥和有机无机肥中土壤高活性有机碳含量均高于 CK。吴小丹等[25]的研究亦表明，施肥种植 15 年内，土壤活性有机质含量组分均呈现出不同程度的增长趋势，其中高活性有机质的增长幅度大于中活性有机质大于活性有机质等。

秸秆覆盖还田显著增加土壤总有机质和不同活性组分有机质含量，还显著提高了不同活性有机质的碳库管理指数，这与蔡太义等、路文涛等、陈鲜妮等的研究结果一致[11–12,26–27]。说明秸秆还田不仅能显著提高土壤有机质储量，也能明显改善土壤有机质的活性和质量。研究结果还表明，不同施肥措施条件下，秸秆覆盖对强化土壤有机质积累与转化的能力明显差异，使土壤有机质含量和碳库管理指数表现为 NPM + FG 处理显著大于 NP + FG 处理，但与未覆盖还田相比，NMP 处理基础上覆盖还田的作用小于 NP 处理基础上覆盖还田的作用。其原因可能是由于不同施肥条件下，土壤和秸秆的 C∶N∶P 不同，从而影响了秸秆在土壤中的矿化分解及原有有机质的矿化。陈兴丽等[28]的研究表明，施用化肥或化肥与有机肥配施明显增加了玉米秸秆的氮素含量，降低了其 C/N，使碳的矿化率显著高于相应不施肥处理。Wu 等[29]的研究表明，稻秆还田加氮、磷肥处理比单施氮、磷肥处理总有机碳含量显著增加，而且对保持和恢复贫瘠土壤有机质含量也更有效。

相关分析表明，活性有机质与总有机质、碳库管理指数之间呈极显著相关关系；总有机质、不同活性有机质与土壤转化酶活性呈显著或极显著相关，不同活性有机质与土壤磷酸酶显著相关，而总有机质与磷酸酶相关性不显著；不同活性有机质及其碳库管理指数与蔗糖酶、磷酸酶活性的相关系数均表现为高活性有机质 ＞ 中活性有机质 ＞ 活性有机质 ＞ 总有机质，说明活性有机质与总有机质相比，更能反映土壤酶活性的变化，且有机质的活性越高，对指示酶活性和土壤质量的变化越敏感，这与徐明岗等和路文涛等的结论相同[15,26]。

4 结论

1) 长期施肥影响土壤不同活性组分有机质含量及碳库管理指数。氮磷肥长期配施提高了土壤高活性有机质含量及高活性碳库管理指数，氮磷与有机肥配施对提高土壤高、中、低不同活性组分有机质含量及各组分碳库管理指数均有显著作用。

2) 秸秆覆盖显著提高了土壤不同活性组分有机质含量及各组分碳库管理指数。28 年后，氮磷肥配合秸秆覆盖使土壤高、中、低活性碳库管理指数较氮磷肥分别提高了 75.01、191.43 和 122.90，效果显著大于氮磷有机肥配施基础上秸秆覆盖的作用。

3) 活性有机质与总有机质相比，更能反映土壤酶活性的变化。有机质的活性越高，对指示酶活性和土壤质量的变化越敏感。

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Effect of long-term fertilization and straw mulch on the contents of labile organic matter and carbon management index

WANG Gai-ling1, LI Li-ke2, HAO Ming-de2,3*
( 1 Institute of Resource and Environment, Shanxi Agricultural University, Taigu, Shanxi 030801, China; 2 College of Resource and Environment, Northwest A&F University, Yangling, Shannxi 712100, China; 3 Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A&F University, Yangling, Shannxi 712100, China )

【Objectives】Effects of fertilization and straw mulch on the contents of soil labile organic matter and carbon management index were investigated to evaluate the sustainable straw mulch methods for Weibei rain-fed Highland of China.【Methods】A 28-year-long field experiment, located in Heyang County, Shaanxi Province since 1981, was used for the study. Five treatments were included in this experiment, neither fertilization nor straw mulch (CK), nitrogen and phosphate co-application (NP), nitrogen, phosphate and manure co-application (NPM), nitrogen and phosphate and straw mulch together (NP + FG), and nitrogen, phosphate and manure coapplication and straw mulch (NPM + FG). The contents of total organic matter, labile organic matter and soil nutrients and soil enzyme activities were measured. The contents of soil labile organic matter and carbonmanagement index were studied. Further, their correlations with soil enzyme activities, soil nutrient contents were revealed. The contents of soil labile organic matter were measured using the KMnO4oxidation method.【Results】1) Compared with CK, the NP increased the content of high labile organic matter by 48.7%, and had no significant influence on other fractions of labile organic matter. The NPM increased the content of total organic matter by 120.0%, and increased the high-labile, middle-labile and low-labile organic matter by 137.4%, 136.3% and 93.4%, respectively. 2) Taken the CK as reference soil, the high labile carbon management index (HCMI), mid-labile carbon management index (MCMI) and carbon management index (CMI) in the treatment NP were increased by 54.66, 17.93 and 2.65, in the treatment NPM were increased by 139.28, 140.92 and 83.59; taken NP as reference soil, those in the treatment NP+FG were by 75.01, 191.43 and 122.90, and compared to NPM, those in the NPM+FG were by 58.93, 121.35 and 93.43. 3) All the three fractions of labile organic matter were very significantly correlated with total organic matter, HLOM and HCMI were very significantly correlated with the invertase activity, MCMI and CMI were significantly correlated with the invertase activity. Compared with total organic matter, labile organic matter could reflect the change of soil enzyme activities and soil quality more sensitively. 【Conclusions】HCMI was affected by the NP application obviously, and HCMI, MCMI and CMI were affected by the NPM obviously. The effects of straw mulch on CMI were evident, being more evident under the condition of NP fertilization than under the condition of NPM fertilization. Straw mulch under the condition of NP fertilization could increase soil carbon management index and improve soil fertility better in Weibei rain-fed tableland of China.

fertilization; straw mulch; labile organic matter; carbon management index; long-term experiment

2016–03–09接受日期：2016–09–21

国家科技支撑计划项目（2015BAD22B0104）；西北农林科技大学科技成果推广项目（TGZX2015-24）；山西省科技攻关项目（20140311008-5）资助。

王改玲（1971—），女，山西太原人，博士，教授，主要从事土壤肥力与环境效应研究。 E-mail：gailingwang@qq.com

* 通信作者 E-mail：mdhao@ms.iswc.ac.cn