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施肥不仅可以提高土壤生产力,还可以提高土壤肥力。土壤有机碳是有机质的组分之一,含量高低直接影响阳离子交换量、团聚体的形成、容重、微生物活性、耕性等土壤物理、化学及生物学性质,是衡量土壤肥力高低的重要指标之一[1-2]。研究表明:长期氮、磷、钾均衡施肥比氮、磷肥配施显著增加土壤有机碳储量[3],有机无机肥配施更有利于土壤有机碳的积累[4],施肥增加土壤碳储量在于施肥增加了植物地上、地下部生物量[5]。耕作使土壤受到了强烈的人为扰动,无疑将影响有机碳的储存和损失过程,幸运的是耕作土壤碳库通过合理的土地利用和管理,在较短的时间尺度上可进行调节,传统观点认为水田较旱地更有利于有机碳的累积,但也有学者认为水田有机碳的分解速率还是分解量实质上均大于旱地土壤[6]。清楚地了解施肥对水田、旱地有机碳影响的长效作用有助于预测有机碳的变化及确保粮食安全。黑碳通常认为是化石燃料和生物质不完全燃烧的残留物[7],具有芳香环结构,很难被化学氧化、光氧化和热氧化[8-10],广泛存在于自然界,土壤中的黑碳与腐殖物共存,是土壤惰性有机碳库的重要组成部分[8],黑碳作为土壤中的长期碳库对持久性有机污染物具有很强的吸附性能[11],进入土壤的污染物随黑碳埋藏于土壤中,可有效地降低它们的环境风险[12]。因此,黑碳既是“碳汇”,又可以蔽蓄污染物,但农业生产活动,诸如施肥、土地利用方式对黑碳的影响鲜有报道[13]。本研究选择长期不同施肥的水田、旱地红壤为试验材料,研究了土壤中有机碳、黑碳质量分数的变化及相关性,以期了解土壤有机碳、黑碳的变化及不同施肥处理之间的差异,进而有效利用土地资源及制定合理的施肥方案,实现优质生产和环境友好。
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供试土壤采自江西省红壤研究所的长期定位试验地。该地区属于中亚热带湿润季风气候区,平均海拔高度为26.0 m,月平均最高气温与最低气温分别为29.9 ℃和5.5 ℃,年平均气温17.6 ℃,年均降水量1 400.0 mm,无霜期269.0 d。土壤母质为第四纪红黏土。试验前水田、旱地土壤的基本性质见表 1。
试验地 pH值
(1:2.5)有机碳/
(g·kg-1)全氮/
(g·kg-1)全磷/
(g·kg-1)全钾/
(g·kg-1)碱解氮/
(mg·kg-1)速效磷/
(mg·kg-1)速效钾/
(mg·kg-1)水田 6.58 16.30 1.49 0.44 10.39 144.00 9.52 81.22 旱地 6.41 9.39 0.98 1.42 15.83 60.31 12.91 102.00 Table 1. Physical and chemical traits of paddy soil and upland soil before experiment
水田、旱地肥料试验分别开始于1981年和1986年,耕作制度分别为早稻-晚稻-休闲、早玉米-晚玉米-休闲制。水田、旱地分布于整个试验场地的不同区域,不同施肥处理各小区随机区组排列,旱地面积22.5 m2(长6.4 m,宽3.5 m),水田面积44.6 m2(长8.1 m,宽5.5 m),重复3次。施肥处理及肥料用量见表2,施肥处理中对照(ck)指不施肥,N为单施氮肥,K为单施钾肥,NK为氮钾肥配施,NPK为氮磷钾肥配施,2NPK指施用的氮磷钾肥量是NPK处理的2倍,OM为单施有机肥,NPKM为氮磷钾肥配施有机肥处理。
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2011年6月采集0~20 cm的耕层土壤,各小区按梅花形5点法用土钻采样并混匀,采集土样1.0 kg·处理-1。将土壤样品中的根系、石块等挑出,自然风干后,过0.25 mm筛,测定土壤有机碳和黑碳。
施肥 肥料施用量(kg·hm-2·a-1) ck N K NK NPK 2NPK OM NPKM 氮肥(以尿素N计) - 90 - 90 90 180 - 90 磷肥(以P2O5计) - - - - 45 90 - 45 钾肥(以K2O计) - - 75 75 75 150 - 75 有机肥 - - - - - - 22 500 22 500 说明: -表示不施肥。有机肥:早玉米,早稻施紫云英Astragalus sinicus;晚稻,晚玉米施猪粪。 Table 2. Fertilization treatments
采用重铬酸钾-硫酸消化法[14]测定土壤中的有机碳,消化温度控制在170~180℃。有机碳的值记为M。黑碳的测定采用刘兆云等[15]介绍的方法。基本过程:称取0.5 g过0.149 mm筛的土样于50 mL离心管中;向加有土样的离心管中加入25 mL重铬酸钾-硫酸混合液(浓度分别为0.02和2.00 mol·L-1);盖上管盖,放入水浴锅中55 ℃下加热60 h(在超声波分散器中分散30 min后放入水浴锅中(55±1)℃反应12 h,再置于超声分散器中分散30 min,继续放入水浴锅中反应12 h,整个过程重复5次,氧化时间共60 h),用标准硫酸亚铁滴定法测定残余的重铬酸钾量;计算出被氧化的有机碳量,该有机碳量记为N;则黑碳质量分数就是M-N的差值。
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数据采用Excel 2003和最小显著差法(Fisher’s LSD)进行统计分析。