沈宏 曹志洪 王志明

沈宏 曹志洪 （中国科学院南京土壤研究所 南京 210008）
王志明 （江苏省农业科学院土壤肥料研究所 南京 210014）

提　要　用高锰酸钾氧化法讨论了土壤活性碳库和碳库管理指数 (CPMI)。结果表明：不同农田土壤活性碳含量为 0.49～4.99mg/g、CPMI 为 51.6～165。不同施肥处理对红壤 CPMI 的影响为绿肥 (GM)>厩肥 (FYM)>FYM＋NPK>参考 (REF)>NPK>对照 (CK)；对水稻土为：稻草 (RSC)>FYM>FYM＋NPK>REF>NPK>CK。黄棕壤 GM、FYM 和 FYM＋NPK 处理的 CPMI 分别比 REF 提高了 50%、45.9% 和 21.9%，NPK 和 CK 下降了 6% 和 38.1%。潮土施肥 10 年的 CPMI 与施肥 5 年相比，FYM 和 FYM＋NPK 提高了 28.4% 和 19.7%，而 NPK 和 CK 下降 8.7% 和 17.9%。相关分析表明，CPMI 与土壤全氮、全磷、碱解氮、速效磷、速效钾、pH 相关或极相关。这表明 CPMI 可灵敏地反映农业生产措施对土壤碳库的影响。

关键词　活性碳 碳库管理指数 施肥

分　类　中图法 S153.6

　　土壤碳库的动态平衡是土壤肥力保持和提高的重要内容，直接影响作物产量和土壤肥力的高低^[1]。由于自然土壤的高背景值和土壤类型的多样性，土壤总碳的微小变化难以观测，因此，一些学者试图用土壤有机碳亚库来指示总碳变化^[2]。有人认为，微生物量大小是了解土壤碳素转化的关键^[3]，但微生物量易受土壤湿度、温度等因素的影响，用其指示土壤碳素变化不适合^[4、5]。Blair 等人用中等强度的氧化剂氧化有机碳，模拟微生物对有机碳的降解，该方法方便、简单，但需要昂贵仪器测定土壤全碳。本研究运用高锰酸钾氧化法和碳、氮自动分析仪测定了不同农田土壤活性碳、全碳，并计算了 CPMI，目的在于运用 CPMI 及时准确地进行土壤碳库动态监测。

1 材料与方法

1.1 供试土壤、肥料

　　供试潮土采自河南（耕种 5 年、10 年），属暖温带，水稻土采自江苏（耕种 8 年），黄棕壤采自南京郊区（耕种 8 年），属北亚热带，红壤采自广州郊区（耕种 8 年），属南亚热带。农田土壤一般受环境等因子影响较大，在试验中，选取与试验地土壤类型相同、位置相近、受人类扰动影响较小的林地、墓地或原始森林土壤作为参考土壤。供试氮肥有尿素（N）455mg/g，磷肥有过磷酸钙（P₂O₅）160mg/g 和钙镁磷肥（P₂O₅）165mg/g；厩肥（FYM）含有机碳 353mg/g，全氮 16.5mg/g；绿肥（GM）含有机碳 428mg/g，全氮 24.1mg/g；稻草肥（RSC）含有机碳 386mg/g，全氮 19.4mg/g。

1.2 试验处理设置及轮作方式

　　试验处理设置如下，红壤：REF、CK、GM、FYM、FYM＋NPK、NPK 6 种处理；水稻土：REF、CK、RSC、FYM、FYM＋NPK、NPK 6 种处理；黄棕壤：REF、CK、GM、FYM、FYM＋NPK、NPK 6 种处理；潮土：REF、CK1、CK2、FYM1、FYM2、FYM＋NPK1、FYM＋NPK2、NPK1、NPK2 等 9 种处理。FYM 年施用量为 1.5万kg/hm²，RSC、GM 为 3000kg/hm²（干重），NPK 为 N300kg/hm²，P₂O₅ 为 150kg/hm²，K₂O 为 150kg/hm²。FYM＋NPK 为 FYM 处理，NPK 处理各自施用量的一半；CK 为不施肥；REF 为参考土壤。每季作物肥料用量为总用量的一半。潮土为小麦—玉米轮作，水稻土为稻—麦轮作，黄棕壤为玉米—油菜轮作，红壤为花生—小麦轮作。

1.3 测定方法

　　称取 2g 风干土样于 100ml 塑料瓶内，加入 333mM 的高锰酸钾 25ml，振荡 1 小时，离心 5 分钟（转速 4000 次/min），取上清液用去离子水按 1∶250 稀释，然后将稀释液在 565nm 比色。根据消耗的 KMnO₄ 量，求出样品活性碳。总碳用碳自动分析仪测定，总碳与活性碳的差值为非活性碳。

1.4 土壤碳库管理指数计算方法

　　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 (A)= 活性碳÷非活性碳；碳库活度指数 (AI)= 样品碳库活度÷参考土壤碳库活度

　　碳库管理指数 (CPMI)= 碳库指数 (CPI)×碳库活度指数 (AI)×100

2 结果与分析

2.1 红壤碳库管理指数的研究

　　由表 1 可见，红壤活性碳、CPMI 受施肥影响明显。连续耕种 8 年后，与参考土壤相比，GM、FYM 和 FYM＋NPK 3 种处理的土壤活性碳含量分别提高 43.8%、38% 和 13.3%，而 NPK 和 CK 2 种处理的 CA 则下降 10.5% 和 41%。NPK 处理尽管提高了土壤总碳含量，但与参考土壤相比，其土壤活性碳含量减少了 0.11mg/g，可见 NPK 处理增加土壤总碳含量主要是提高了土壤非活性碳含量。各处理对土壤碳库活度、活度指数、碳库指数的影响顺序为：GM>FYM>FYM＋NPK>REF>NPK>CK。统计分析表明：各处理对 CPMI 影响差异显著。与参考土壤的 CPMI 相比，GM、FYM、FYM＋NPK 3 种处理的 CPMI 分别提高 49.7%、41.9% 和 13.6%，而对照却下降了 43.5%，NPK 处理的 CPMI 仅为参考土壤的 87.4%。

表 1　施肥对红壤碳库管理指数的影响
Table 1 Effect of fertilization on C pool management inedx(CPMI) in red soil

注：1) 字母相同表示差异不显著，字母不同表示差异显著，邓肯检验 P=0.05，表 2、表 3、表 4 同

2.2 水稻土碳库管理指数的研究

　　水稻土活性碳含量为 2.51～4.99mg/g，总碳含量为 19.2～26.3mg/g，普遍高于红壤。连续 8 年不施肥，水稻土 A 值下降了 0.026，CPMI 下降了 25.2%，而红壤 A 值下降了 0.050，CPMI 下降了 43.5%。与参考土壤的 CPMI 相比，水稻土中的 RSC、FYM 和 FYM＋NPK 3 种处理分别提高了 59.5%、47.7% 和 30.1%，而 NPK、CK 处理却分别下降了 3.3% 和 25.2%。

2.3 黄棕壤碳库管理指数的研究

　　黄棕壤活性碳含量为 1.42～3.23mg/g，总碳含量为 11.1～20.9mg/g。各处理中，土壤 CPMI 以 GM 处理为最大。连续耕种 8 年，3 种处理的 CPMI 与参考土壤相比，GM、FYM 和 FYM＋NPK 分别增加了 50%、45.9% 和 21.9%，而 NPK 和 CK 两种处理却下降 6% 和 38.1%。比较表 2、表 3 中相应各处理的 CPMI，可见水稻土比黄棕壤更加有利于 CPMI 的提高。

表 2 施肥对水稻土碳库管理指数的影响
Table 2 Effect of fertilization on CPMI in paddy soil

表 3　施肥对棕壤碳库管理指数的影响
Table 3　Effect of fertilization on CPMI in yellow-brown soil

2.4 潮土碳库管理指数的研究

　　潮土总碳含量为 5.21～9.35mg/g，活性碳含量为 0.49～1.56mg/g，碳库活度指数为 0.649～1.310，比红壤、水稻土、黄棕壤均低。施肥对活性碳含量的影响均为：FYM>FYM＋NPK>REF>NPK>CK。单施 NPK 处理的 A 值普遍低于 CK，这与红壤、水稻土、黄棕壤不同。长期单施 NPK，更易使潮土碳素老化，这与张付申的研究结果一致^[6]。与参考土壤的 CPMI 比较，耕种 5 年，不施肥的 CPMI 每年下降 6.1%；耕种 10 年，每年下降 4.84%。耕种 5 年时，FYM 和 FYM＋NPK 处理的 CPMI 每年上升 7.32% 和 4.4%，而 NPK 却下降 3.38%；耕种 10 年，FYM 和 FYM＋NPK 处理的 CPMI 每年上升 6.5% 和 4.17%，NPK 则下降 2.56%( 表 4)。

表 4　施肥对潮土碳库管理指数的影响
Table 4　Effect of fertilization on CPMI in meadow soil

2.5 相关分析

　　从表 5 可以看出，CPMI 与土壤全氮、全磷、碱解氮、速效磷、速效钾及 pH 相关或极相关。土壤活性碳、总碳仅与全氮、全磷、碱解氮、速效磷、速效钾及 pH 部分相关或极相关。这说明，CPMI 与土壤理化因子的关系较活性碳、总碳更加密切。运用 CPMI 可以更好地反映出土壤养分及碳素的动态变化。

表 5　土壤碳素及 CPMI 与其它因子的相关性
Table 5　Correlationships between soil carbon,CPMI and other factors in soil

注：n=18，P(0.05)=0.444，P(0.01)=0.561；1) 表示相关；NS 表示不相关

3 讨论

　　上述结果表明，土壤 CPMI 受施肥影响明显。连续耕种、不施肥，CPMI 在红壤中下降最快，其次是黄棕壤，第三是潮土，最慢的是水稻土。这可归于红壤比其它土壤水热条件更适合微生物活动，有机物料分解较快，CPMI 下降快^[7]；林心雄研究表明，在同一土壤中，相同的有机肥料在广州的分解速率比在南京的明显大^[8]。水稻土比黄棕壤有利于 CPMI 的保持和提高，这与淹水条件下，氧气缺乏，有机碳分解、转化相对较慢有关；而黄棕壤在旱作条件下裸露于空气中时间长，有机碳矿化快，碳素损失很大。连续耕种、不施肥导致 CPMI 下降有如下原因：①每一次耕种导致土壤扰动，加速了有机碳的分解；②机械对植物残体的粉碎作用并使其充分地与土壤混合，从而有利于有机物料的矿化；③不施肥使得归还给土壤的植物残体更少，新形成的有机碳不能补偿土壤原有有机碳的消耗。

　　施用 FYM、GM、RSC 可显著提高土壤 CPMI，这与以下两方面有关：①施入农田中有机肥 (FYM、GM、RSC) 矿化速率较慢，使得当年施入的有机肥在第二年施肥时，还有部分残留；②施入土壤中的有机肥足以补偿原有土壤有机质的耗损，连续施用 FYM、GM、RSC 能提高 CPMI。在提高 CPMI 方面，RSC、GM 好于 FYM。RSC、GM(C/N=19.9、13.3) 含有较多的水溶性、苯醇溶性物质，纤维、半纤维物质较少；而 FYM(C/N=21.4) 含水溶性物质少，纤维、半纤维较多^[9]。同是施用 FYM，耕种 5 年，潮土 CK 和 NPK 的 CPMI 平均每年下降 6.1% 和 3.4%，FYM、NPK＋FYM 处理分别上升 7.3% 和 4.4%。耕作 10 年，CK 和 NPK 的 CPMI 平均下降 4.9% 和 2.6%；而 FYM 和 NPK＋FYM 处理则上升 6.5% 和 4.2%。施肥对 CPMI 的影响均表现为耕种初期变化较大，以后逐步变小。在被研究的土壤中，NPK 处理的碳库活度均小于 1，活度指数大于 1，CPMI 小于 100，这是因为长期施用化学肥料，特别是 N 肥的大量使用，导致土壤活性碳消耗太快，活性碳的形成小于其消耗量，比参考土壤低。

　　土壤碳库管理指数为培肥地力、增加土壤活性碳含量提供了具体的指标要求，希望此研究方法的提出对土壤肥力及环境的可持续管理起到抛砖引玉的作用。

参考文献

1	曹志洪．化肥—环境与农业持续发展．见：中国土壤学会编写组编．土壤科学与农业持续发展．南京：江苏科技出版社，1994,183～195
2	Blair G J, Lefroy R D B. Soil C fractions based on their degree of oxidation and the development of a C management index for agricultural systems. Aust J Agri Res, 1995,46：1459～1466
3	Powlson D S, Brookes P C, Christensen B T. Measurement of soil microbial biomass provides an early indication of changes in total soil organic matter due to straw incorporation. Soil Biol Biochem, 1987,19：159～164
4	Franzluebbers A J, Hons F M, Zuberer D A. Seasonal changes in soil microbial biomass and mineralizable C and N wheat management systems. Soil Biol Biochem, 1987,26：1469～1475
5	Patra D D, Chand S, Anwar M. Seasonal changes in microbial biomass in soils cropped with palmarosa (Cymbopogon martinii L.）and Japanese mit (Mentha arvensis L.）in subtropical India. Biol Fertil Soils, 1995,19：193～196
6	张付申．长期施肥条件下塿 土和黄绵土有机质氧化稳态性研究．土壤肥料，1996,6：32～34
7	林心雄，文启孝，徐宁．广州地区土壤中植物残体的分解速率．土壤学报，1985,22：47～54
8	林心雄，程励励，施书莲等．绿肥和秸秆等在苏南地区土壤中的分解特征．土壤学报，1980,17：319～327
9	程励励，文启孝，吴顺龄等．植物物料的化学组成和腐解条件对新形成腐殖质的影响．土壤学报，1981,18：360～367

作者简介

沈宏，男，1970 年生，博士，主要从事土壤与植物营养、农业生态与环境方面的工作。在国内外学术刊物上发表论文 11 篇，获中国科学院地奥奖学金一等奖一项。

*	国家自然科学基金资助项目 (49671043)；澳大利亚 Blair G J 教授协助测定 CT，谨表谢意。