山土土壤活性碳.doc

长白山的土壤活性碳和土壤碳库管理指数研究李彬1 王晶 2（1.北京科技大学，北京 100010; 2.中国科学院沈阳应用生态研究所，辽宁 沈阳110016）摘 要 运用更有效的量化指标来表征和了解土壤碳库的变化是研究土壤碳库的动态平衡所必须的，也是评价土壤肥力和生态系统的可持续性的先导。本文采用土壤碳库管理指数，讨论了国家黑土肥力监测区内的不同施肥情况下土壤碳库的变化。结果显示：施肥与否、施肥种类和数量均对土壤活性碳和土壤碳库管理指数有非常显著的影响，施肥尤其高量有机肥与化肥（NPK）配施，非常有助于土壤活性碳的增加，相应地也就提高了土壤碳库管理指数（CMPI）， M2+CK、M4+CK、M0+NPK、M1+NPK、1.5（M1+NPK）、M2+NPK、M4+NPK各施肥的处理对土壤活性碳提高的贡献率分别高达15.6%、24.8%、63.6%、135.1%、144.2%、185.9%和256.5%，对土壤碳库管理指数的提高系数达0.48、0.72、1.17、3.21、4.70 、7.86和10.44。农业生产中必须切实地重视高量有机肥与化肥（NPK）的配施，以求保持土壤肥力，提高土壤质量，使土壤碳库处于良性状态，最终达到维持土壤的可持续利用之目的。关键词 土壤碳库管理指数 土壤碳库 土壤活性碳Active C and C pool management index in chang-bai mountain soilLi bin1 wangjing2(1. Beijing University of Science and Technology 2. Shenyang Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences)Abstract It is necessary that quantitatively index was used to denoted and realized change of soil carbon pool in study of dynamic equilibrium of soil carbon pool, also is precursor of estimate soil fertility and ecosystem durative. The text discussed variation of soil carbon pool in different fertilization on China black soil adopted of C pool management index (CPMI) . Results indicated soil active C and CPMI were significantly affected by fertilization and its kind and quantity. High quantity organic and inorganic of blend fertilizer redound to increase soil active C and CPMI. Soil active C increase rate respective is 15.6%、24.8%、63.6%、135.1%、144.2%、185.9%和256.5% by M2+CK、M4+CK、M0+NPK、M1+NPK、1.5（M1+NPK）、M2+NPK、M4+NPK, CPMI increase modulus respective is 0.48、0.72、1.17、3.21、4.70、7.86和10.44. This showed it is practical and important using organic and inorganic of blend fertilizer to increased the soil quality and preserved soil fertility and ecosystem durative in the agricultural production. Key C pool management index (CPMI) fertilization soil active C soil C pool土壤中的碳是土壤有机质研究的实质，而土壤碳库又是土壤碳研究的重点，因为土壤碳库的动态平衡直接影响着土壤肥力的保持与提高，进而影响土壤质量的优劣和作物产量的高低,土壤有机碳的变化最终会影响土壤乃至整个陆地生态系统的可持续性。为此土壤学工作者一直探寻着用更有效的量化指标来表征土壤碳库的变化，Powlson1认为用微生物量的多少表征土壤碳素的转化为宜；Franzluebbers A.JH2和 Patra D.D3则认为微生物生物量易受土壤湿度、温度等因素的影响，用它指示土壤碳素变化不尽合适； Blair4曾运用中等强度的氧化剂所氧化的有机碳来模拟微生物对土壤有机碳的降解；在新近研究中，沈宏（1999年）5应用的“土壤碳库管理指数”（C pool management index ，CPMI）这一新指标，是目前国内表征土壤碳库变化所认定的更有效的量化指标。本文采用“土壤碳库管理指数”对黑土肥力监测区内不同施肥情况下的土壤碳库的变化作以分析评定，从而为该区土壤肥力的保持与提高、乃至土壤质量的优劣和土壤的持续利用积累重要资料。1. 材料与方法1.1供试土壤和肥料供试土壤采自吉林省公主岭市的国家黑土肥力定位监测区，均为0-20cm的耕地土壤。其中以该区的多年休闲地作为参考土壤。其土壤的生物、养分和理化性状见表11-2。供试肥料的氮肥为尿素、磷肥为磷酸二铵、钾肥为硫酸钾，有机肥为玉米秸杆。表1-1 供试土壤的生物、化学和养分性状Table1-1.Character chemistry and biology in experiment soilCEC cmol/Kg全量养分g/Kg速效养分ppmNP KSNPK25.901.651.2520.620.28111.295.04127.06OCg/Kg微生物量OM稳定性C ppmN ppmP ppm微生物胶,g/KgOM, g/Kg易氧化OM, g/KgKOS20.19330.3425.717.960.35534.8119.460.79表1-2 供试土壤的物理性状Table1-2.Character physics in experiment soil质 地%20.25 mm0.250.05 mm0.050.02 mm0.020.002 mm 0.002 mm 0.01 mm0.01 mm4.2612.0022.6035.3525.8117.0952.91 微 团 聚 体%20.25 mm0.250.05 mm0.050.02 mm0.020.002 mm 0.002 mm 0.01 mm0.01 mm6.7237.6828.7621.805.0483.1216.88干筛团聚体%59.654.824.7510.584.466.954.373.68 湿筛团聚体%团聚体%27.167.596.189.828.2041.0538.8059.38 结构性备注：此二表的数据均为空白土壤，即不施加任何处理的。容重 g/cm3孔隙度 %毛管孔隙%通气孔隙%通气/毛管1.18 55.3348.916.4313.141.2试验处理在吉林省公主岭市的国家黑土肥力定位监测区，所设计的不同施肥处理为休闲、CK、M2+CK、M4+CK、M0+NPK、M1+NPK、1.5（M1+NPK）、M2+NPK、M4+NPK共9个，已经连续运作10年。其中各处理所涉及的无机和有机肥料的投入含义为：N：120Kg/Yha；P：36 Kg/ Yha；K：60 Kg/ Yha；M0：有机肥0T/ Yha；M1：有机肥15T/ Yha；1.5M1：有机肥22.5T/ Yha；M2：有机肥30T/ Yha；M4：有机肥60T/ Yha 。1.3测定与计算方法关于土壤碳库管理指数的测定方法，实质是对土壤总碳含量、活性碳及非活性碳含量的测定。本研究采用碳、氮元素自动分析仪（德国，element公司）测定的土壤总碳含量；依以下具体方法测定土壤活性碳的含量：称取2g风干土样（限定C含量在3-15mg间）于100ml塑料瓶中，加入333mmol/L的高锰酸钾溶液25ml，振荡1h，同时做空白。振荡后样品在4000r/min下离心5min，取上清液用去离子水按1：250比例稀释，将此稀释液在565nm波长下比色，氧化的土壤碳素用mg/g表示（即1mmol/LKMnO4氧化1mgC），根据消耗的KMnO4量即可求出土壤活性碳的含量；土壤非活性碳含量就是土壤总碳含量减去土壤活性碳的含量的差值。其它生物和理化性质的测定均采用的常规方法。土壤碳库管理指数的计算：土壤碳库管理指数（CPMI，%）= 碳库指数（CPI）碳库活度指数（AI）100其中：碳库指数（CPI）=样品总碳含量（mg/g）参考土壤总碳含量（mg/g）碳库活度指数（AI）=样品碳库活度（A）参考土壤碳库活度碳库活度（A）=土壤活性碳含量（mg/g）土壤非活性碳含量（mg/g）注意这里的参考土壤，一般是采用与样品土壤类型相同、位置相近、受人为干扰和影响最小的土壤作为相应的参考土壤的，要在采集研究土样的同时一并考虑之。2. 结果分析与讨论表2是国家黑土肥力定位监测区，所设计的不同施肥处理（休闲、CK、M2+CK、M4+CK、M0+NPK、M1+NPK、1.5（M1+NPK）、M2+NPK、M4+NPK）下的土壤碳库管理指数的相关参数，经过统计检验，在p=0.05时，各处理与参考土壤相比，均表现出显著差异。所以做进一步的分析，从图11-3和表2中反映出以下几方面问题：表2施肥对土壤碳库管理指数的影响Table 2 Effect of fertilization on C pool management index (CMPI)处理活性碳CA mg/g非活性碳CNA mg/g土壤总碳Cr mg/g碳库指数（CPI）碳库活度（A）活度指数（AI）土壤碳库管理指数（CPMI）休闲（参考土壤，REF）10.078.0118.081.0001.2571.000100.0 h CK（不施肥）7.955.1113.060.7221.5561.23889.4iM0+NPK11.646.1517.790.9841.8931.506148.2 gM1+NPK12.575.9618.531.0252.1091.678172.0 f1.5（M1+NPK）16.478.2424.711.3671.9991.590217.3 eM2+CK23.677.7831.451.7393.0422.420421.0 dM2+NPK24.593.4228.011.5497.1905.720886.2 bM4+CK28.798.2337.022.0483.4982.783569.8 cM4+NPK35.905.7541.652.3046.2434.9671144.2 a2.1施肥与不施肥对土壤碳和CMPI的影响 图1显示出施肥和不施肥对土壤中的总碳和活性碳有明显影响，随着施肥量的增加二者均呈明显增加趋势，其中活性碳的上升趋势非常明显，而非活性碳的变化基本是平缓的，这说明施肥对土壤活性碳的调节起着非常重要的作用；表2及图2显示，与参考土壤（休闲）比,施肥均高于不施肥的碳库指数（CPI）、碳库活度指数（AI）和碳库活度（A），亦即表现出土壤碳库管理指数（CMPI）也是高的，反馈出土壤活性碳含量同样是高的，这无疑说明了土壤施肥是有利于土壤碳库管理指数提高的。2.2施肥种类对土壤碳和CMPI的影响 表2显示：单纯施用NPK化肥（M0+NPK）与单施有机肥（M2+CK、M4+CK）和有机肥+NPK配合（M1+NPK、1.5（M1+NPK）、M2+NPK、M4+NPK）施用处理的相比，土壤总碳、活性碳有明显差异，其中单纯施用NPK化肥的土壤总碳、活性碳分别只有17.79mg/g、11.64mg/g，而单施有机肥和有机肥+NPK配合施用则显著提高了二者的含量水平，土壤总碳、活性碳分别达到18.53-41.65mg/g、12.57-35.90mg/g，呈现成倍的增长状态，而且有机肥+NPK配合施用又比单施有机肥效果更明显。同时从表2中还可看出：碳库指数（CPI）、碳库活度（A）、活度指数AI）以及土壤碳库管理指数（CPMI）的表现与土壤总碳、活性碳有着同样的反映，单纯施用NPK化肥与有机肥+NPK配合施用处理的相比，碳库指数（CPI）、碳库活度（A）、活度指数（AI）以及土壤碳库管理指数（CPMI）分别仅是0.984、1.893、1.506和148.2，而单施有机肥和有机肥+NPK配合施用后各指数CPI、A、AI和CPMI分别在1.025-2.304、2.109-6.243、1.678-4.967和172.0-1144.2的范围内，大大增加了土壤碳的各个指数值。以上说明施肥种类对土壤碳和CMPI同样有着至关重要的影响，化肥配合有机肥施用对提高土壤活性碳和CMPI作用突出，所以农业生产中必须重视有机肥与无机肥的配合施用。2.3施肥数量对土壤活性碳和CMPI的影响 图3显示出不同有机肥用量对土壤活性碳也有明显影响，随着有机肥施肥量的增加幅度的变化，土壤活性碳明显增多，低有机肥用量（M1+NPK）与无有机肥的（单纯施用NPK化肥，M0+NPK）处理比土壤活性碳增加的占有率相同，均占12%，而施用1.5（M1+NPK）处理的土壤活性碳增加的占有率略高，占16%，待有机肥用量增加到M2+NPK、M4+NPK处理水平时，土壤活性碳增加的占有率达24%和36%，。这说明土壤活性碳的增加是随有机肥用量而左右的，当有机肥用量达到M2+NPK、M4+NPK处理水平时会产生突破性效应；图4所显示的土壤碳库管理指数（CMPI）状况与土壤活性碳增加的情况是一致的，亦即随着有机肥施肥量的增加而提高土壤碳库管理指数（CMPI）。这也都反映了土壤施用有机肥的数量之关键，只要达到足够的有机肥和无机肥的配比数量，才可真正有利于和大幅度地增多土壤活性碳和提高土壤碳库管理指数。2.4施肥对土壤活性碳和CMPI的提高的贡献率表3.施肥对土壤活性碳的贡献率和CMPI的提高率 Table 3 Contribution and increase rate of fertilization on activated C and CMPI 处理休闲CK（不施肥）M0+NPKM1+NPK1.5（M1+NPK）M2+CKM2+NPKM4+CKM4+NPK活性碳 mg/g10.077.9511.6412.5716.4723.6724.5928.7935.90提高百分率%0.0-21.115.624.863.6135.1144.2185.9256.5CMPI100.089.4148.2172.0217.3421.0886.2569.81144.2提高倍数0-10.60.480.721.173.214.707.8610.44由表3可见，与参考土壤比较，单纯施用NPK化肥（M0+NPK）、单施有机肥（M2+CK、M4+CK）和有机肥+NPK配合（M1+NPK、1.5（M1+NPK）、M2+NPK、M4+NPK）七个处理的土壤活性碳含量分别提高15.6%、24.8%、63.6%、135.1%、144.2%、185.9%和256.5% ，土壤活性碳的增加是不施有机肥的（单纯施用NPK化肥，M0+NPK）和低有机肥用量（M1+NPK）处理的1.5-16倍，而不施肥（CK）处理的土壤活性碳含量则降低21.1% 。表3显示出：与参考土壤比较，单纯施用NPK化肥（M0+NPK）、单施有机肥（M2+CK、M4+CK）和有机肥+NPK配合（M1+NPK、1.5（M1+NPK）、M2+NPK、M4+NPK）七个处理的土壤碳库管理指数（CMPI）分别提高0.48、0.72、1.17、3.21、4.70 、7.86和10.44倍，可以见得，施肥尤其实行高量有机肥与化肥（NPK）配施，非常有助于土壤活性碳的增加，相应地也就提高了土壤碳库管理指数（CMP