邓明位，张思佳，朱 波，李 梦，蒲玉琳，*

（1.四川农业大学资源学院，成都 611130；2.中国科学院山地表生过程与生态调控重点实验室，成都 610041）

土壤有机质是土壤肥力的重要指标，一方面，包含着植物生长所需的各类养分，是土壤微生物活动的能量来源；另一方面，在全球碳循环中起着重要作用[1]。土壤有机碳占土壤有机质的60%～80%，是表征土壤有机质含量和质量最重要的指标。土壤有机碳库十分巨大（1.5×1018g），在碳的生物地球化学循环中扮演着动态角色，是缓解全球温室效应的潜在碳汇[2]。土壤有机碳库变化受人为因素和自然因素的影响[3]。近年来，人们发现有机质对土壤肥力的影响不仅表现在数量上，而且表现在质量上，因而对土壤有机碳活性和稳定性的研究越来越受到重视[4-6]。

Chan K.Y.等[7]根据土壤有机碳氧化的难易程度，把有机碳划分为4个组分，分别是高氧化活性有机碳组分（F1）、中氧化活性有机碳组分（F2）、低氧化活性有机碳组分（F3）、稳定有机碳组分（F4）。有研究报道三峡地区消落带土壤和植被混凝土的氧化有机碳各组分对土壤有机碳贡献不同，消落带土壤F1、F2、F3、F4分别占有机碳的 32.88%～35.49%、14.06%～16.77%、16.54%～27.32%和19.01%～32.82%，边坡修复基质F1+F2、F3+F4分别占有机碳48.66%～63.90%和36.10%～51.48%；F1组分是土壤中最敏感部分，可作为评价土壤质量的良好指标[8-9]。同时，土壤氧化有机碳组分随气候变化、田间管理措施等的不同而发生显著变化[10-11]，如生态修复年限12 a的植被混凝土F1的变化范围分别为2.24～3.05 g/kg，夏季最低而冬季最高。由土壤氧化有机碳组分的含量可以得到土壤有机碳的氧化稳定性[8，11]，氧化稳定性是土壤有机碳的一个重要性质，它与有机碳的抗氧化能力、有机碳降解的难易程度以及土壤肥力发挥有关[12]。土壤有机碳氧化稳定性同样受气候、土壤类型、植被组成、农田管理措施和土地利用方式等的影响[8-9，13-14]，研究不同气候类型区土壤氧化有机碳组分对田间管理措施的响应，有助于深入发掘最佳农田管理措施与稳定土壤有机碳的机制。

紫色土主要分布于四川盆地，是我国南方重要的旱作土壤。大部分紫色土质地偏砂，容重大、孔隙度低且以大孔隙为主，持水力弱，侵蚀严重，有机质和氮含量低，不利于农作物生长[15-18]。紫色土母岩受风化作用强烈，土壤固结性差，如果土地利用方式不当，易造成水土流失，使土壤肥力下降，对环境破坏严重[19]。农业生产中常通过增施化肥或（和）有机物料的方式提升土壤质量[20-22]，然而长期偏施无机肥会产生土壤结构的稳定性降低、容重增加和孔隙度减少等负面影响，这不仅影响作物根系的生长，同时也改变水、气、热环境，打破肥料-土壤-作物养分系统的平衡[23]。许多研究报道有机肥不仅能改善紫色土的物理性质如容重、孔隙状况等，还能提高土壤养分含量[15-18]，也能同时提升土壤有机碳含量[24]，却鲜有关于增施有机物料对紫色土氧化有机碳组分及稳定性影响的研究报道。为此，本研究以14年期（2002—2016年）不同施肥方式下的川中丘陵区石灰性紫色土为研究对象，以不施肥为对照，结合不同施肥处理之间的对比分析，探明长期猪厩肥和秸秆还田模式下紫色土的有机碳组分、有机碳的活性系数和稳定系数的变化特征，明确猪厩肥与秸秆还田对紫色土有机碳组分及有机碳氧化稳定性的影响，揭示秸秆还田与猪厩肥增强土壤固碳的机制。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

田间试验地设在中国科学院盐亭紫色土农业生态试验站，行政上隶属于四川盆地中北部的盐亭县林山乡（105°27′E，31°16′N，海拔 420 m）。该区属典型紫色丘陵区，中亚热带季风气候，四季分明，年平均温度为17.3℃，极端最高气温40℃，极端最低气温-5.1℃；年平均降雨量836 mm，90%以上主要集中在5—9月，无霜期294 d。土壤类型是石灰性紫色土，由侏罗纪蓬莱镇母质发育而成，土层厚度为约60 cm；质地为中壤至轻壤。作物种植制度为一年两熟，冬小麦-夏玉米轮作。

1.2 田间试验设计

在6.5°坡耕地上布设大小8 m×4 m的试验处理5个，分别为不施肥（CK）、NPK化肥配施（NPK）、单施猪厩肥（OM）、猪厩肥配施NPK化肥（OMNPK）、秸秆还田配施NPK化肥配施（CRNPK），每个处理3次重复，随机排列。各处理均按照地方习惯的旱坡地种植制度进行冬小麦和夏玉米轮作，冬小麦每年9月下旬播种，次年5月中旬收获；夏玉米于每年5月下旬播种，9月中旬收获。除CK外的其余处理保持氮总量控制一致，小麦季施氮量130 kg/hm2，玉米季施氮量150 kg/hm2，其中OMNPK的猪粪氮和化肥氮比例为4∶6，CRNPK在每季作物收获后将秸秆全量归还小区，不足氮量由化肥补足。除CK和OM外的其余各处理磷、钾施用量分别为90 kg/hm2P2O5和36 kg/hm2K2O。施用化肥碳酸氢铵、过磷酸钙、氯化钾的N、P2O5、K2O含量分别是17%、12%、60%，有机肥物料猪厩肥含N 0.2%（鲜重），小麦和玉米秸秆含N量分别是0.5%、0.8%（干重）。氮磷钾肥作为基肥一次性于小麦或玉米播种前人工施入，耕作和施肥同步进行，耕作方式为人工锄耕，深度为20 cm。肥料施用方式为小麦季撒施，玉米季穴施。

1.3 土壤样品采集

采样时间为2016年玉米收后小麦播种前，每个小区按棋盘型方式布设5个采样点，采集耕层0～20 cm土壤，然后将每个小区5个样点的土壤混合缩分至1 kg左右，再将混合土样带回室内，风干备用。

1.4 测定指标与方法

土壤容重环刀法，pH值电位法，总有机碳重铬酸钾氧化-外加热法，全氮为开氏消煮法，全磷酸溶-钼锑抗比色法，碱解氮碱解扩散法，速效磷为0.5 mol/L NaHCO3碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法[25]；氧化有机碳各组分参考Chan K.Y.等[7]所述方法测定。各施肥处理下0～20 cm土层土壤基本理化性质如表1所示。

表1 0～20 cm土层土壤基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of 0-20 cm soil layer

1.5 数据处理与分析

土壤有机碳活性指数和稳定系数分别按照公式①[11]和公式②[8]计算：

式中，F1为高氧化活性有机碳组分；F2为中氧化活性有机碳组分；F3为低氧化活性有机碳组分；F4为稳定有机碳组分，TOC为土壤总有机碳。

利用Excel 2016统计整理数据，SPSS 22.0软件进行单因素方差分析、相关性分析和差异显著性检验（P＜0.05），Origin 9.0 绘图。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理下紫色土氧化有机碳组分含量

各施肥处理下土壤氧化有机碳组分含量均表现为 F1＞ F4、F2＞ F3，其中 F1组分含量显著高于其他3个组分（表2）。相较于CK，NPK显著提高F3组分含量，增幅达280.00%；3个有机物料处理中除OMNPK 中 F2组分无增长，F1、F2、F3和 F4组分含量分别显著增加51.87%～79.80%、103.13%～112.50%、200.00%～440.00%、27.17%～102.17%。相比NPK，总体上各氧化有机碳组分在3个有机物料处理的土壤中都有不同程度的升高，尤其是F1和F4组分，二者分别显著增加32.39%～56.74%和12.50%～78.84%。然而，相较于OM，除OMNPK中F2组分显著降低、CRNPK中F1显著增加，其余各组分有机碳含量均与之无显著差异。说明猪厩肥与秸秆还田是增加土壤氧化有机碳组分含量的有效农田管理措施，尤其是秸秆还田配施NPK化肥能达到全部施用猪厩肥的效果；同时，有机物料提升F1和F4组分的效果显著优于配施NPK化肥（常规施肥）。

表2 土壤氧化有机碳组分含量Table 2 The content of each component of soil oxidized organic carbon g·kg-1

2.2 不同施肥处理下紫色土氧化有机碳组分占总有机碳比例

由图1可知，4类土壤氧化有机碳组分占总有机碳比例的差异显著：F1组分占比最高，为60.73%～74.06%，F2、F3和 F4组分的分别为 6.70%～14.57%、2.55%～7.96%和13.82%～16.64%。施肥显著改变了F2和F3的占比。相对于CK，F2的占比在除CRNPK外的其余施肥处理中变化显著，在NPK和OM中分别增加28.98%、18.34%，在OMNPK中降低40.67%；F3的占比在4种施肥处理中都显著增加109.69～212.07%。但是相较NPK，OM主要显著增加了F4组分的占比，增幅25.60%；OMNPK的F1组分占比显著增加 17.18%，F2、F3组分占比分别显著降低54.00%和31.76%；CRNPK的F4组分占比显著增加16.45%，F2、F3组分的占比分别显著降低19.25%和32.67%。

图1 土壤氧化有机碳各组分占总有机碳的百分数Figure 1 The percentage of each component of soil oxidized organic carbon to total organic carbon

2.3 不同施肥处理下紫色土有机碳活性系数和稳定系数

如图2所示，不同施肥方式下土壤有机碳的活性系数的变化范围为2.17～2.41，稳定性系数变化范围为0.23～0.35。相对于CK，NPK、CRNPK土壤有机碳的活性系数分别降低3.71%和3.31%，稳定系数分别增加25.16%和22.47%；OM活性系数显著降低7.88%，稳定系数显著提高53.28%；OMNPK的活性系数及稳定系数均无显著性变化。各施肥处理间土壤有机碳的活性系数和稳定性系数的显著差异主要体现在OM与OMNPK间，与OM相比，OMNPK的活性系数显著增加11.12%，稳定系数却显著降低32.53%。CRNPK土壤有机碳的活性系数与稳定性系数和其余3种施肥方式间虽都无显著差异，但是活性系数略高于NPK、OM，却略低于OMNPK，与稳定系数相反。表明单施猪厩肥能显著降低紫色土氧化有机碳活性，而提高有机碳的稳定性；秸秆还田配施NPK化肥是能同单施猪厩肥一样显著提升紫色土有机碳总量（表2）的同时，保持有机碳活性和稳定平衡的重要农田管理措施。

图2 土壤有机碳的活性系数和稳定系数Figure 2 The activity coefficient and stability coefficient of soil organic carbon

2.4 不同施肥处理下紫色土氧化有机碳组分与主要性质的相关性

如表3所示，不同施肥处理下土壤氧化有机碳各组分与总有机碳呈极显著的正相关关系，与土壤pH、容重以及C∶N无显著关系。除土壤的F2组分外，其余3个组分与全氮、碱解氮、速效磷呈极显著或显著正相关关系。4个氧化有机碳组分中，仅F1与全磷呈显著正相关。再从土壤4个氧化有机碳组分与总有机碳、全氮、全磷、碱解氮和速效磷的相关系数大小来看，F1与各土壤基本性质的相关系数最高。由此看来，F1与土壤肥力指标总有机碳、氮和磷间的相关程度最大。

表3 土壤氧化有机碳组分与基本理化性质的相关性Table 3 Correlation between oxidized organic carbon components of purple soil and basic physical and chemical properties of soil

3 讨论

土壤氧化有机碳组分反映了土壤有机碳的组成和状态，对于土壤有机碳的储存和分解具有重要作用[26]。本研究显示，猪厩肥和秸秆还田均有效提高了土壤氧化有机碳各组分含量，且提升效果显著优于常规施肥，与丁少男[27]的研究结果一致。这是因为在常规施肥条件下，作物的快速生长促使土壤中大量有机活性物质分解以供应氮磷等养分，在没有外源有机物输入的情况下，仅依靠少量作物残茬难以显著提升土壤中氧化有机碳含量[27]，而猪厩肥与秸秆的施入为土壤提供了大量有机物质[28-29]，这类物质矿化分解后分配到各个组分中，使得各氧化有机碳组分含量显著提高。然而，相较于常规施肥，不同有机物料处理提升土壤氧化有机碳组分的效果却差异显著，尤其是F1和F4组分（表3）。单施猪厩肥因为输入外源有机物量约为有机无机配施的5倍，氧化有机碳组分含量大幅提升，尤其是高活性碳和稳定性碳分别增加32.39%和78.85%（表3）；但是新鲜猪粪配施NPK化肥，由于新鲜猪粪中含大量的活性有机物如单糖、氨基酸和蛋白质类，在加入量较少且矿化分解又快的条件下，仅能显著增加了高氧化活性有机碳含量（表3）；秸秆还田配施NPK化肥时，因为小麦和玉米秸秆中含有较多的难以彻底分解的有机物木质素、纤维素和半纤维素等[28]，可同时促进活性和稳定性有机物积累，长此以往即便在秸秆氮输入量仅占总施氮量40%的情况下，提升高活性氧化有机碳的效果优于单施猪粪（表3），增加其余氧化有机碳组分的效果同单施猪粪（表3）。据报道F1属于高活性有机碳，与土壤有机质中的自由轻组部分密切相关，能够在短期内矿化分解，供应作物生长发育所需的氮磷等养分[30]；F4属于惰性有机碳，难分解，在维持土壤有机碳稳定和肥力保持上起着至关重要的作用[7]。因此，从猪厩肥与秸秆还田提升氧化性有机碳各组分的含量和占比看，相比于常规施肥，猪粪配施NPK化肥主要是增加高氧化性有机碳含量和占比；单施猪粪和秸秆还田配施NPK化肥都能在显著提升土壤总有机碳和高氧化活性有机碳的基础上（表2和表3），显著提高稳定有机碳的含量和占比（表3、图1），且秸秆还田配施NPK化肥提升高氧化活性有机碳的效果显著优于单施猪粪。秸秆还田配施NPK化肥是一种兼有能显著增加高活性碳含量和稳定性碳占比的优选施肥方式。

土壤的有机碳活性系数代表土壤有机碳的活性和养分供给效率[10]，具有很高的灵敏度，可在总碳变化之前反映土壤微小的变化，指示土壤碳库质量[31]，而土壤有机碳稳定系数则是表征土壤有机碳抗分解能力和稳定性的指标，反映土壤惰性有机碳库占总碳量的比重[32]。本研究表明，长期不施肥土壤在正常耕种条件下，没有外源养分物质补充，土壤有机碳会下降到某一水平维持相对稳定和平衡[33]，作物生长需要的氮磷硫等养分只由土壤自身含有的活性有机物分解提供，这一过程能促进稳定性碳组分向活性碳组分转换，因而不施肥下土壤有机碳具有高活性指数和低稳定系数的特点。不同施肥方式下，因为外源有机物和化肥的补充，虽然也能维持土壤有机碳的高活性指数和低稳定系数，但是单施猪厩肥土壤有机碳的活性指数较不施肥显著降低，稳定系数却较不施肥显著增加。这是由于即便猪粪中活性有机物含量高，但当猪肥全部替代化学氮肥时会大大增加粗脂肪、纤维素和木质素等的输入总量，这些成分对微生物和酶作用的抗性强等，能够长期保存于土壤中，是土壤稳定有机碳性组分的物质基础[32]，故10多年的单施猪厩肥不配施NPK化肥的条件，土壤活性有机物为供给植物氮磷等养分而分解矿化量多、积累少，稳定有机碳组分则相反[32]。相比单施猪肥，猪厩肥与秸秆还田配施NPK化肥下，一方面输入的有机物质总量减少，外源化学抗性物质作用削弱，另一方面氮、磷和碳同时输入使得土壤中的碳氮比、碳磷比及氮磷比稳定，促进微生物活动，能在一定程度上加速有机质的矿化分解，增加活性有机碳组分含量，最终使得土壤有机碳活性和稳定性也维持在适当水平。因此，结合猪厩肥与秸秆还田提升土壤总有机碳的效应来看，秸秆还田配施NPK化肥既能增强有机碳的固存，又能协调有机碳矿化与固持。

土壤氧化有机碳组分中，F1与土壤总有机碳、氮、磷等肥力指标呈显著或极显著正相关，且相比于其他组分的相关程度最大，说明F1组分对施肥方式最为敏感，更适合作为评价紫色土氧化有机碳稳定性和土壤质量的敏感指标。这与A.B.Barreto[34]和Chan K.Y.等[7]报道的不同的牧草地或者农林系统土壤有机碳氧化稳定性的差异主要发生在F1组分上相似。水肥与耕作管理措施引起的土壤质量变化通常难以通过测量总有机碳来快速检测[35]，因此测量快速变化的非稳定碳库可能对评估土壤质量更为有用[36]。此外，相比于其他的活性有机碳组分如高锰酸钾碳、颗粒有机碳、轻组有机碳等，高氧化活性有机碳组分含量占总有机碳的2/3，常规的重铬酸钾氧化法即可测定，过程简单快速，灵敏度高，可作为指示环境条件变化对土壤质量变化的诊断指标。

4 结论

①施肥能够显著提高紫色土氧化有机碳各组分含量，且猪厩肥和秸秆还田对提高紫色土氧化有机碳各组分含量的效果显著优于常规施肥。相比于常规施肥，秸秆还田配施NPK化肥提升有机碳的效应同单施猪厩肥，主要机制是在显著提升高活性有机碳含量的同时增加稳定性有机碳的占比，是一种能协调有机碳矿化与固持，提升有机碳固存的优选农田管理措施。

②高氧化活性有机碳为紫色土氧化有机碳优势组分，与土壤肥力指标呈高度正相关，对土壤质量变化最为敏感，最适合作为指示环境条件变化对土壤质量影响的诊断指标。