土壤有机碳是地球陆地生态系统中最大、最活跃的碳库，全球土壤有机碳库储量为 1200～2000 Pg，超过了植被与大气有机碳储量之和 ^{[ 1– 2]} 。由于土壤有机碳储量巨大，其微小幅度的变化都将影响到碳向大气的排放，进而影响陆地生态系统的组成、结构和分布 ^{[ 3– 4]} 。土壤有机碳矿化是土壤中重要的生物化学过程，与土壤养分的释放、土壤质量的保持以及温室气体的形成密切相关 ^{[ 5– 7]} ，土壤有机碳的释放是温室气体排放的重要碳源，而土壤有机碳固持对温室气体则起到碳汇的功能 ^{[ 8– 9]} ，因此，全面了解土壤有机碳矿化的变化规律对科学管理土壤养分、控制全球变暖具有重要意义。

关于施肥对土壤有机碳矿化的影响，国内学者已在黑土 ^{[ 10]} 、红壤 ^{[ 11– 12]} 、湿土 ^{[ 13]} 等土壤上已有较深入的研究。结果均表明施肥是影响土壤有机碳转化和累积的重要影响因素之一 ^{[ 14– 16]} ，但受气候、土壤母质和耕作等诸多因素的影响，相同施肥措施对土壤有机碳矿化的影响在不同区域、不同土壤类型上存在差异 ^{[ 17– 18]} 。王雪芬等 ^{[ 11]} 认为长期施有机肥、有机无机肥配施以及平衡施肥(NPK)均可以显著提高旱地红壤土壤有机碳矿化速率、累积矿化量，加快有机碳的周转速率。刘丽等 ^{[ 19]} 却发现平衡施肥(NPK)对黑土土壤累积矿化量无显著影响。本研究依托 25 年长期定位施肥试验，探讨长期施用不同肥料对栗褐土有机碳矿化的影响，为栗褐土有机碳库的管理提供科学依据。

试验于 1988 年布置在山西省河曲县砖窑沟流域的沙坪村窑家嘴梁顶平地上，供试土壤按山西省第二次土壤普查分类为轻壤黄土质淡栗褐土 (土种)，以中国土壤系统分类为黄土正常新成土 (土类)，1988 年作物播种前测得的试验地 0—20 cm 土壤基本理化性状：有机碳含量 3.27 g/kg、全氮 0.455 g/kg、全磷 1.23 g/kg、碱解氮 14.0 mg/kg、速效磷 2.85 mg/kg、速效钾 87.0 mg/kg、pH 8.06、CaCO ₃ 含量为 13.55%。种植作物从 1988 年到 2008 年为糜子和马铃薯两种作物每年换茬轮作，从 2009 年至今为玉米。

试验设 8 个处理：1) 不施肥 (CK)；2) 单施氮肥 (N)；3) 氮磷肥合施(NP)；4) 单施低量有机肥 (M ₁)；5) 低量有机肥与氮肥合施 (M ₁N)；6) 低量有机肥与氮磷肥合施 (M ₁NP)；7) 高量有机肥与氮肥合施 (M ₂N)；8) 高量有机肥与氮磷肥合施 (M ₂NP)。供试化肥为尿素 (N 46.0%)，过磷酸钙 (P ₂O ₅ 14.0%)，有机肥使用当地圈肥，含 N 3.64 g/kg，含 P ₂O ₅ 2.46 g/kg (多年平均值)。氮肥用量为 N 120 kg/hm ²，磷肥为 P ₂O ₅ 75 kg/hm ²，不考虑有机肥中养分含量，低量有机肥 22500 kg/hm ²，高量有机肥用量为 45000 kg/hm ²。所有肥料全部作基肥，在作物播种前撒施，并耕翻入土。耕作管理措施与大田相同。试验设 3 次重复，随机区组排列，小区面积 24 m ² (4 m × 6 m)。

试验于 2013 年作物播种前按小区采集耕层 (0—20 cm) 土壤样品，新鲜土样挑去根草，于冰箱内冷藏 (4℃)，用于土壤有机碳矿化的测定。

土壤有机碳含量：H ₂SO ₄—K ₂Cr ₂O ₇ 外加热法 ^{[ 20]} 。

土壤有机碳矿化培养与测定：碱液吸收法测定 ^{[ 21– 23]} 。称取 100.0 g 新鲜土样，调节含水量至田间持水量的 60%，均匀铺于 1 L 广口瓶底部，再将盛有 10 mL 0.1 mol/L NaOH 溶液吸收瓶悬置于广口瓶中，密封广口瓶，于 25℃ 恒温箱内培养。在试验开始后第 1、2、3、4、5、7、9、11、14、17、20、23、26、29、33、37、42、47、52、57 天时更换吸收瓶，吸收瓶中加入 1 mol/L BaCl ₂ 溶液 2 mL，加 1 滴酚酞指示剂，用标准酸 (约 0.05 mol/L HCl) 滴定至褪色，测得 NaOH 吸收的 CO ₂ 的量，同时用称量法进行土壤含水量的调整。

计算方法：

土壤有机碳矿化量 (CO ₂ mg/kg) = C _HCl × (V ₀ - V) × 22 × 10

其中，C _HCl 为盐酸浓度；V ₀ 为空白滴定值；V 为消耗盐酸的体积。

土壤有机碳矿化速率 [CO ₂ mg/(kg · d)] = 培养时间内有机碳矿化量 (CO ₂ mg/kg)/培养天数。

累积矿化量 (mg/kg) 从培养开始到某一时间点土壤 CO ₂ 总释放量。

累积矿化率到某一时间点的土壤累积矿化量占土壤总有机碳的百分比。

采用一级动力学方程 C _t = C ₀(1 – e ^–kt) 对土壤累积矿化的 CO ₂ 进行拟合 ^{[ 12, 24– 25]} ，估测土壤活性有机碳库周转速率。其中，C ₀ 为土壤潜在有机碳矿化释放 CO ₂-C 量，或称土壤有机碳潜在矿化势；C _t 为经过 t 时间后土壤累积释放的 CO ₂-C 量；k 是生物活性有机碳库的周转速率。半周转期 T _1/2 = ln2/k。

数据处理采用 Microsoft Excel2003、Origin7.0、DPS7.05 软件。

经过连续 25 年不同施肥处理后，栗褐土总有机碳含量产生了明显差异 ( 图 1)。与 CK 相比，高量有机肥与化肥配施 (M ₂N、M ₂NP)，总有机碳含量较对照分别增加了 121.1%、166.8%，低量有机肥与化肥配施 (M ₁N、M ₁NP) 分别提高了 78.8%、104%，均达到极显著水平。单施化肥 (N、NP)与单施有机肥 (M ₁) 处理土壤总有机碳含量相近，分别为 4.56、4.61 和 4.68 g/kg，较 CK 提高了 55.8%、57.8%、60.3%，差异达到显著水平。

图1(Fig. 1)

图1 不同处理土壤总有机碳含量 Fig. 1 Contents of TOC under different treatments

图 2 显示了不同处理土壤在室内培养期间 CO ₂ 释放速率的变化。总体来看，在培养第 1 d，各处理矿化速率均达到最大值，而后急剧下降，培养第 5 d 仅为第 1 d 的 17.0% ～26.3%。培养 5 d 后，CO ₂ 产生速率缓慢，变化幅度较小，且随培养时间的延长，不同处理 CO ₂ 产生速率趋于一致。培养期间不同处理土壤有机碳矿化速率随培养时间的变化符合对数函数关系，相关性均达到极显著水平 ( 表 1)。

图2(Fig. 2)

图2 不同处理土壤有机碳矿化速率 Fig. 2 Mineralization rate of soil organic carbon under different treatments

表1(Table 1)

表1 不同处理土壤有机碳矿化速率回归方程 Table 1 Equations of soil organic carbon mineralization rate

表1 不同处理土壤有机碳矿化速率回归方程 Table 1 Equations of soil organic carbon mineralization rate 处理 Treatment 回归方程 Regression R2 CK y = 51.016 – 13.475 ln(x) 0.685** N y = 72.032 – 18.719 ln(x) 0.796** NP y = 73.678 – 19.524 ln(x) 0.748** M1 y = 79.709 – 21.001 ln(x) 0.732** M1N y = 87.267 – 22.879 ln(x) 0.785** M1NP y = 92.068 – 24.862 ln(x) 0.736** M2N y = 86.121 – 23.046 ln(x) 0.736** M2NP y = 95.484 – 25.463 ln(x) 0.758**   注（Note）：y—CO2 产生速率 CO2 production rate[mgCO2/(kg d)]; x—培养天数 Incubation days; **— P < 0.01.

表2(Table 2)

表2 土壤潜在可释放 CO 2-C 库的大小、周转速率(K)和半周转期(T 1/2) Table 2 The pool of potential CO 2-C production, turnover rate (K) and half-life time (T 1/2)

表2 土壤潜在可释放 CO 2-C 库的大小、周转速率(K)和半周转期(T 1/2) Table 2 The pool of potential CO 2-C production, turnover rate (K) and half-life time (T 1/2) 处理 Treatment C0 (mg/kg) K (d-1) T1/2 (d) R2 CK 530.9 e 0.0589 11.767 0.949** N 791.9 c 0.0617 11.230 0.972** NP 740.9 d 0.0661 10.486 0.963** M 1 831.9 b 0.0590 11.739 0.949** M 1N 923.7 a 0.0628 11.028 0.965** M 1NP 840.3 b 0.0722 9.605 0.941** M 2N 833.9 b 0.0645 10.747 0.939** M 2NP 926.4 a 0.0683 10.148 0.954**   注（Note）：数据后不同小写字母表示处理间差异达到 5% 显著水平 Values followed by different lowercase letters mean significant at the 5% level; **— P < 0.01.

不同处理土壤有机碳矿化速率差异主要表现在培养前 3 d，以 4 个有机肥与化肥配施处理 M ₂NP、M ₁NP、M ₂N、M ₁N 土壤矿化速率较高，依次为 147.8 ～36.4，145.9 ～44.6，134.6 ～47.1 和 130.9 ～45.5 mg/(kg · d)，明显高于其他处理。处理 M ₁ 土壤有机碳矿化速率为 125.8 ～37.9 mg/(kg · d)，显著高于单施化肥处理和对照。单施化肥处理 (N、NP) 土壤矿化速率分别为 111.7 ～29.5 mg/(kg · d)，105.4 ～31.2 mg/(kg · d)，与对照间差异达显著水平。培养 5 ～17 d，CK 处理土壤有机碳矿化速率介于 10.9 ～14.25 mg/(kg · d) 之间，显著低于施肥处理，但各施肥处理之间差异未达到显著水平。培养 20 d 后，不同处理的土壤有机碳的矿化速率均在 15 mg/(kg · d)以下，差异不显著。

由 图 3 可以看出，不同处理土壤有机碳累积矿化量均随着培养时间的延长呈上升趋势，但有机碳累积释放强度逐渐减缓。所有施肥处理均可显著提高土壤有机碳的累积矿化量。与对照相比，N、NP 处理累积矿化量分别提高了 40.3%、47.2%。M ₁、M ₂N、M ₁NP 处理土壤有机碳累积矿化量相近，在 866.7 ～899.4 mg/kg 之间，较对照提高了 56.2% ～62.1%。处理 M ₂NP、M ₁N 土壤有机碳矿化累积量较高，分别为 980.3、959.8 mg/kg，是对照的 1.77 倍、1.73 倍，不仅显著高于对照，与其他处理间的差异也达到了显著水平。

图3(Fig. 3)

图3 不同处理土壤有机碳累积矿化量 Fig. 3 Cumulative mineralization amounts of soil organic carbon under different treatments

培养 57 天后，不同施肥处理土壤有机碳累积矿化率如 图 4 所示。与不施肥相比，长期施肥土壤有机碳矿化率均有所降低，其中处理 M ₁NP、M ₂N、M ₂NP 降低幅度较大，分别降低了为 4.1、5.3 和 6.3 个百分点。其次是 NP 处理，与对照相比减少了 2.1 个百分点。处理 N、M ₁、M ₁N 土壤有机碳矿化率降低幅度较小，仅比对照降低了 0.4 ～0.8 个百分点。

图4(Fig. 4)

图4 培养 57 d 不同施肥处理土壤有机碳累积矿化率 Fig. 4 Cumulative mineralization rate of SOC during 57 days’ incubation

表 2 显示，不同处理土壤机碳矿化累积量与培养天数之间的一级动力学方程的拟合相关系数均达到了极显著相关水平，表明该一级动力学方程可以较好地描述不同处理栗褐土有机碳的累积矿化量的变化动态。总体来看，不同施肥处理土壤有机碳的潜在矿化势 C ₀ 值均显著高于对照，其中，M ₁N、M ₂NP 处理 CO ₂-C 潜在释放量保持较高水平，为 923.7 mg/kg 和 926.4 mg/kg，较对照增加了 74.0% 和 74.5%，且与其他处理间差异达到显著水平；M ₁、M ₂N、M ₁NP 处理次之，较对照分别提高了 56.7%、57.1%、58.3%。N 处理土壤潜在矿化势 C ₀ 为 791.9 mg/kg，较不施肥处理增加了 49.2%，较 NP 增加了 6.9%。说明，施用化肥或有机肥均可以提高土壤有机碳潜在矿化势，且以 M ₂NP、M ₁N 处理较为突出。不同施肥条件下土壤有机碳的周转速率以及半周转期也存在差异，周转速率大小顺序为有机肥与氮磷肥配施(M ₁NP、M ₂NP) > 氮磷肥配施(NP) > 有机肥与氮肥配施(M ₁N、M ₂N) > 单施氮肥 > 施低量有机肥 > 对照，半周转期顺序与之相反，表明长期施氮肥、磷肥、有机肥及有机无机肥配施均可明显缩短土壤有机碳周转时间，加快周转速率，且三种肥料配施效果（M ₁NP、M ₂NP）最为明显。

单施化肥对土壤总有机碳含量的作用研究结果存在着差异，即有提高也有降低，还可能保持不变 ^{[ 26– 28]} 。25 年栗钙土长期定位试验表明，长期单施化肥可有效提高栗褐土总有机碳含量，其效果接近于低量有机肥处理。其原因主要在于化肥可以促进作物生长，提高作物生物量，增加作物根茬及根系分泌物归还量，进而提高土壤总有机碳含量 ^{[ 29]} 。本试验结果还表明，有机肥与化肥配施是提高土壤有机碳含量的有效手段，因为有机肥与化肥配施，一方面增加了作物产量，使作物残留物量增加，另一方面有机肥直接向土壤提供了有机碳源 ^{[ 16]} 。

土壤有机碳矿化所释放的 CO ₂ 是通过土壤微生物分解而产生的，是土壤生物学活性的综合体现 ^{[ 30]} 。土壤有机碳按分解的难易程度可分为活性和惰性有机碳库，活性碳库易分解而被优先分解，矿化速率较快。惰性碳库稳定性高，很难分解，矿化速率较慢。本研究在培养试验的第1天，栗褐土矿化速率最快，因为矿化初期土壤中存在易分解的糖类、蛋白质等有机物质，为微生物提供了丰富的养分，提高了微生物活性。之后，各处理土壤有机碳矿化速率变化呈对数函数变化，与陈涛等 ^{[ 9]} 的研究结果类似。

关于施用化肥对土壤有机碳矿化量的影响不同研究者的结果不尽一致。李英臣等 ^{[ 13]} 对湿地草甸土土壤矿化进行研究提出，化肥的输入对有机碳矿化速率有一定的抑制作用，降低了土壤有机碳累积矿化量，其原因是施用化肥将导致土壤酸化，从而降低了土壤生物活性，影响土壤有机碳矿化。于树等 ^{[ 31]} 认为，长期施用化肥不利于土壤团聚体结构形成，微生物生长环境变劣，导致土壤微生物量降低。相反，李梦雅等 ^{[ 12]} 的研究结果表明，长期施用化肥可增加土壤有机碳累积矿化量，胡诚等 ^{[ 32]} 的研究结果显示，单施化肥可以增加土壤微生物量碳，配合有机物施用这种促进作用更加明显。这是因为在低肥力的农业生态系统中施用化肥可以促进植物和其它生物的生长，增加了作物的根系和根系分泌物，从而增加土壤中可用于矿化的活性有机碳的数量，促进了土壤微生物的繁殖，提高了微生物生物量。本研究中，长期施用化肥的土壤有机碳累积矿化量较对照增加，其原因为：试验土壤为石灰性土壤，土壤pH较高，肥力低，长期施氮肥和氮磷肥配施一方面提高了土壤养分，土壤物理性质也得到改善，作物产量提高 ^{[ 33]} ，增加了土壤生物归还量；另一方面，长期施用化肥土壤 pH 值略有降低，N 和 NP 处理的土壤 pH 值分别由对照的 8.17 下降为 8.09 和 7.99 ^{[ 34]} 更有利于微生物的生长繁殖，土壤微生物量增加 ^{[ 35]} ，促进土壤有机碳的矿化。

本试验结果还显示，与不施肥相比，长期施化肥、有机肥虽然提高了土壤有机碳的矿化总量，但并没有提高单位有机碳的矿化水平 (即矿化率)。其中高量有机肥与氮磷肥配施处理，土壤有机碳矿化量为所有施肥处理中最高的，但单位有机碳矿化水平最低，表明长期施肥在提高土壤有机碳累积量的同时，不会提高有机碳的损失率，起到了固碳的作用，尤其是高量有机肥与氮磷肥配施处理，长期施肥使土壤有机碳矿化率降低的原因可能是：长期施用氮肥土壤无机氮含量增加，无机氮 (NH ₄ ⁺、NO ₃ ^-) 可与木质素残体或酚类化合物发生化学反应，从而使有机质具有较低的分解性 ^{[ 18]} 。另有研究报道，有机肥的胶结作用可以促进团聚体的形成 ^{[ 29]} ，一些颗粒有机碳，尤其是闭蓄态颗粒有机碳被团聚体包裹其中，有机碳受到物理保护，避免微生物的接触、降解，于建光等 ^{[ 36]} 指出颗粒有机碳可作为有机碳长期变化的累积性指标。本试验中 M ₂NP、M ₂N 处理由于连续多年高量有机肥和氮肥的投入，使土壤具有较高的颗粒有机碳含量和无机氮含量 ^{[ 37]} ，因而其积累的土壤有机碳分解性降低，矿化率较低。M ₂NP 较 M ₂N 土壤有机碳矿化率更低的原因可能是由于微生物自身固定的碳量较高的缘故。

李梦雅等 ^{[ 12]} 通过研究长期施肥对红壤有机碳矿化的影响时得到，长期单施有机肥土壤中潜在矿化势高于有机无机肥配施处理，且两者的潜在矿化势均显著大于单施化肥处理及不施肥处理。但本试验中有机无机肥配施处理效果与单施有机肥效果相似，处理 M ₂NP、M ₁N 甚至优于单施有机肥处理，究其原因可能是：栗褐土的土壤有机质含量低，矿质养分含量具有缺氮、少磷、钾丰富的特点。有机无机肥配施可以更好调节土壤 C/N，协调土壤微生物生命活动需要的养分和能量，促进微生物的生长繁殖，处理 M ₂NP、M ₁N 中土壤可培养微生物数量显著高于其他处理 ^{[ 35]} ，土壤微生物活性较强，因而，土壤有机碳潜在矿化势能随之增加。至于在施用低量有机肥条件下 M ₁N 有较高的土壤潜在矿化势，而在施用高量有机肥条件下 M ₂NP 的土壤潜在矿化势较高，这可能是因为磷也是土壤微生物的必需营养元素，当微生物对土壤有机碳进行分解时，同时需要吸收一部分磷，以满足其生长繁殖的需要。李春越等 ^{[ 38]} 的研究发现，碳源多少对于微生物磷起着重要作用，低碳条件下，无机磷的加入对微生物磷的影响不大，在碳源充足的条件下，无机磷的加入微生物磷急剧上升。因此，栗褐土在高量有机肥投入时微生物生命活动需要的磷素增加，因而 M ₂NP 处理更有利于平衡微生物养分，促进微生物生长繁殖，具有较高的土壤有机碳潜在矿化势。

王雪芬等 ^{[ 11]} 报道长期施肥可以提高土壤有机碳周转速率，其中，有机无机肥配施及平衡施肥 (NPK) 处理效果明显，本研究也得出了相似的结论，处理 M ₁NP、M ₂NP、NP 对加速土壤有机碳周转作用较突出。在这 3 个处理中，磷肥起到了较明显的作用，进一步显示了磷肥在栗褐土碳库周转中的积极作用。研究表明，磷作为是土壤微生物的必需营养元素，当微生物对土壤有机碳进行分解时，同时需要吸收一部分磷，以满足其生长繁殖的需要。当施入磷肥时土壤微生物代谢活力加强，土壤有机质周转速率加快，周转时间缩短。

1) 长期施用化肥、有机肥以及有机肥与化肥配施可显著提高栗褐土总有机碳含量，其中有机肥与化肥配施尤其是高量有机肥与化肥配施效果更加明显。

2) 长期施肥均可提高栗褐土有机碳的矿化速率，其大小顺序为：有机肥与化肥配施 > 单施有机肥 > 单施化肥 > 对照，各处理矿化速率变化符合对数函数关系。

3) 长期施肥均可以显著提高土壤有机碳的累积矿化量、土壤潜在矿化势，其中处理 M ₂NP、M ₁N 增加幅度较大。但长期施肥的土壤有机碳矿化率 (累积矿化量占有机碳总量的比率) 降低，有机碳损失率降低，土壤的固碳能力加强。各处理中尤以 M ₁NP、M ₂N、M ₂NP 效果明显。

4) 长期施肥可明显提升土壤有机碳的周转速率，减少周转时间，其中以有机肥与氮磷肥配施效果最为明显。

5) 长期高量有机肥配合氮磷肥 (M ₂NP) 土壤具有较高的有机碳矿化周转速率，较低的有机碳矿化率，既有利于提高栗褐土的保肥、供肥性能，又可加强土壤的固碳能力，可作为栗褐土碳库管理的较好选择。