土壤有机质(碳)对土壤肥力起着关键性作用，可以被视为评价土壤生产力和土壤质量的一个重要指标.土壤有机碳主要来源于动物、植物、根系分泌物和微生物残体，并处于一个不断分解和形成的动态变化过程中，是生态系统在特定条件下的动态平衡值(于沙沙等，2014).据报道，农田土壤碳约为150 Pg(1 Pg = 10¹⁵ g)(韩东亮等，2014b)，而施肥作为一种重要的农业管理措施对农田土壤碳库有深远而广泛的影响.国内外诸多学者分别在不同气候条件(王苑等，2014；李龙等，2014；杜有新等，2011；王洋等，2013)、土壤类型(李林森等，2015；Heitkamp et al., 2011；Budge et al., 2011)、耕作制度(魏燕华等，2013；朱鸿杰等，2014；Gao et al., 2013；Zhang et al., 2009)等条件下深入研究了施肥对土壤有机碳等的影响，认为施肥对土壤有机碳的影响主要表现在3个方面.首先，施肥可改善土壤中速效养分状况而促进作物根系和地上部的生长，从而增加进入土壤的根系分泌物和有机残体数量，这些物质是土壤有机碳的重要来源.区别于有机肥，化肥对土壤有机碳的固定并不产生直接作用，而只是通过增加作物秸秆的归还量而对土壤有机碳的贮存产生影响(Fang et al., 2012)，另外，化肥的施用还可以提高作物残茬和根向土壤有机质(SOM)转化的效率(Halvorson et al., 2002)；二是影响土壤微生物的数量和活性，进而影响土壤有机质生物降解和土壤有机碳组分周转过程；第三，不同来源的有机肥其所含的有机碳被认为是土壤有机碳的前身.

由于背景水平和自然水平的变异，土壤有机碳通常短时间内较小的变化不易被察觉.土壤有机碳储量的形成是不同碳组分周转平衡后的结果，其中活性组分和惰性组分的变化规律不尽相同，因此采用适宜的度量标准来评价不同施肥管理措施对土壤碳库的影响十分必要.Blair等(2001)提出了土壤碳库管理指数，用该指标探讨不同管理措施对土壤碳库的变化具有重要意义(张贵龙等，2012).大量研究表明化肥配施能显著增加土壤有机碳储量(赵广帅等，2012；Lal and Kimble， 1997)，有机无机肥配施更有利于土壤有机碳的积累(邵兴华等，2011).然而，在长期施肥的条件下，土壤对碳的固持不是无限度增加的(Paustian et al., 1997)，而是存在一个最大的保持容量，即饱和水平(Six et al., 2002).随着有机碳含量的增长，土壤对碳的保持将变得愈加困难，土壤固碳速率显著放缓.当有机碳含量达到饱和水平时，增加外源碳的投入将不再增加土壤有机碳库(West and Six， 2007).因此，探讨不同农业管理措施对土壤固碳潜力的影响尤为必要.通常土壤固碳潜力可以用土壤固碳速率和土壤面积的乘积来表示，而土壤面积相对固定，因此土壤固碳速率就成了描述土壤固碳潜力的关键指标.随着研究的不断深入，学界利用不同方法对土壤有机碳储量或土壤固碳潜力进行了估算.目前国际上基于有机碳周转估算土壤固碳潜力的模型主要有CENTURY、DNDC、Roth-C等模型.韩东亮等利用生物地球化学模型，探讨长期不同施肥对干旱区绿洲农田土壤碳变化趋势以及农田的固碳效率，结果发现化肥与有机肥配施土壤有机碳的固碳速率最高，化肥平衡施肥、化肥与秸秆配施也具有固碳效果，但固碳速率小于化肥有机肥配施，而不施肥土壤有机碳逐渐减少(韩东亮等，2014a).然而，单纯依靠模型估算土壤固碳潜力有一定局限性，而目前农田土壤固碳潜力研究中应用最多的方法仍是长期定位试验结果外推法.

棕壤是辽宁省的主要土壤类型，研究土壤有机碳的变化对评价棕壤农田土壤质量和固碳潜力具有重要作用，而施肥对棕壤有机碳库的影响更需要通过长期定位试验来逐步验证.为此，本研究以棕壤长期肥料定位试验为研究平台(1979—)，探讨长期施用化肥、化肥有机肥配施及单施有机肥对土壤有机碳储量形成和固碳速率的影响，为揭示长期不同施肥条件下棕壤碳库形成及组分周转特征提供科学依据.

供试土壤样本采自沈阳农业大学棕壤肥料长期轮作施肥定位试验地.该地处于松辽平原南部的中心地带，北纬40°48′，东经123°33′，属于温带湿润-半湿润季风气候，年降雨量为574~684 mm，年蒸发量平均为1435.6 mm，平均气温7.0~8.1 ℃，10 ℃以上积温3300~3400 ℃，无霜期为148~180 d，全生育期130~150 d.该地区春季降雨量少，6、7、8三个月雨量充沛，是作物生长的旺季.生长季降雨量平均为547 mm，平均气温为20.7 ℃，适于作物生长.土壤为发育在第四纪黄土性母质上的简育湿润淋溶土.其基本理化性质见表 1.

表1(Table 1)

表1 1979年试验前土壤基本理化性质 Table 1 Physical and chemical properties of soil before trial in 1979

表1 1979年试验前土壤基本理化性质 Table 1 Physical and chemical properties of soil before trial in 1979 土壤层次 pH(H2O) 有机质/ 全氮/ 碱解氮/ 全磷/ 速效磷/ 全钾/ 速效钾/ (g · kg-1) (g · kg-1) (mg · kg-1) (g · kg-1) (mg · kg-1) (g · kg-1) (mg · kg-1) 0~20 cm 6.5 15.90 0.80 105.5 0.38 6.5 21.1 97.9 20~40 cm 6.0 9.32 0.62 72.3 0.32 5.1 20.0 90.2

试验采用裂区设计，分为3个区组，共18个施肥处理，小区面积为160 m².本研究选取其中的6个处理：NP(氮、磷肥配施)、N(单施氮肥)、CK(不施肥)、M₂NP(有机肥配施氮、磷肥)、M₂N(有机肥配施氮肥)、M₂(单施有机肥).作物轮作方式为玉米-玉米-大豆，每年1茬，秸秆不还田，取样年份种植玉米.

试验用肥料：有机肥为猪厩肥；氮肥为尿素；磷肥为过磷酸钙；钾肥为硫酸钾.

本研究选择试验前原始土壤(1979年)和连续播种31年不同施肥的土壤(2009年).在各处理区，选取具代表性的样点5个，取样深度0~60 cm.用土钻分3个层次取样，每20 cm 1个层次样，混合均匀.自然风干后，磨细，过0.15 mm筛，用于测定有机碳、全氮.

土壤有机碳采用元素分析仪(Elementar Ⅲ型，德国)测定，土壤活性有机碳采用333 mmol · L ^-1 KMnO₄溶液浸提-比色法测定，土壤容重采用环刀法取样，105 ℃烘干测定.

表2(Table 2)

表2 棕壤长期定位试验处理及施肥量 Table 2 Long-term located experimentation treatment and fertilize quantity

表2 棕壤长期定位试验处理及施肥量 Table 2 Long-term located experimentation treatment and fertilize quantity 处理 化肥用量/(kg · hm-2) 有机肥/(t · hm-2) N P2O5 K2O NP 120/30 60/90 0/0 0/0* N 120/30 0/0 0/0 0/0* CK 0/0 0/0 0/0 0/0* M2 0/0 0/0 0/0 27.0/0* M2NP 120/30 60/90 0/0 27.0/0* M2N 120/30 0/0 0/0 27.0/0* 注: *玉米年份/大豆年份 .

采用SPSS17.0统计软件分析数据，用邓肯法做差异显著性检验，用Microsoft Excel 2003软件制表，用Origin Pro 8.0作图.

SOC储量计算见公式:

碳库管理指数CPMI的计算方法(何翠翠等，2015)：

碳库指数(CPI)=样品全碳含量(g · kg^-1)/参考土壤全碳含量(g · kg^-1);

碳库活度(A)=活性碳含量/非活性碳含量;

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×碳库活度指数×100=CPI×AI×100.

以试验前土壤为参考土壤，31年后各处理土壤为样品土壤，活性碳含量即土壤活性有机碳含量，非活性碳含量为土壤总有机碳与土壤活性有机碳含量的差值.

土壤固碳速率计算方法如下：

从表 3可以看出：经过31年长期不同施肥各处理耕层土壤(0~20 cm)有机碳含量差异显著，表现为M₂NP > M₂N > NP > M₂ > N > CK.与试验前相比，CK处理耕层有机碳下降了2.62 g · kg^-1，年递减率为0.91%，可见长期不施肥对土壤碳库容量的保持有强烈的负效应，而施肥在不同程度上提高了土壤有机碳含量水平，尤其以有机无机肥配施效果最好.同CK相比，其他各处理耕层土壤(0~20 cm)有机碳含量提高了0.68~5.87 g · kg^-1，增幅达到10.1%~87.5%.20~40 cm和40~60 cm土层土壤有机碳含量仍表现为施肥处理显著高于CK，但随着土层深度的增加，有机碳含量显著降低.施用有机肥处理耕层 土壤有机碳含量比试验前(9.33 g · kg^-1)增加了0.46~03.25 g · kg^-1，增加幅度达到了4.93%~34.83%.在相同化肥水平下，增施有机肥可提高耕层土壤有机碳含量2.56~3.68 g · kg^-1，增加幅度达25.5%~50.0%.

表3(Table 3)

表3 长期施肥条件下土壤有机碳含量的剖面分布 Table 3 Distribution of total organic carbon concentration in soil under long-term fertilization

表3 长期施肥条件下土壤有机碳含量的剖面分布 Table 3 Distribution of total organic carbon concentration in soil under long-term fertilization g · kg-1 处理 0~20 cm 20~40 cm 40~60 cm NP 10.03±0.13c 6.96±0.14c 3.2±0.06b N 7.39±0.08f 6.76±0.21c 3.28±0.10b CK 6.71±0.11g 3.82±0.06e 2.18±0.11c M2NP 12.58±0.15a 7.94±0.18a 3.51±0.13b M2N 11.07±0.21b 7.82±0.01a 4.17±0.08a M2 9.79±0.17d 7.48±0.15b 3.43±0.17b 试验前 9.33±0.12e 5.41±0.06d — 注：表中相同列小写字母表示邓肯法检验5%显著水平，下同

分析土壤有机碳含量的剖面变化可知，各处理0~20 cm土壤有机碳变化范围为6.71~12.58 g · kg^-1；20~40 cm有机碳变化范围为3.82~7.94 g · kg^-1；40~60 cm有机碳含量变化范围为2.18~4.17 g · kg^-1.NP、N、CK、M₂NP、M₂N、M₂处理土壤0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm有机碳含量的比值分别为1 ∶ 0.69 ∶ 0.22、1 ∶ 0.91 ∶ 0.47、1 ∶ 0.57 ∶ 0.32、1 ∶ 0.63 ∶ 0.28 、1 ∶ 0.71 ∶ 0.38、1 ∶ 0.76 ∶ 0.35.这个比值可以反映土壤有机碳的集中趋势，本研究发现表层有机碳含量约等于20~60 cm土层有机碳含量的总和，说明耕层土壤聚集有机碳的能力更强.

综合分析表明，长期不同施肥有利于增加土壤有机碳含量，尤其以有机无机肥配施效果更好，且随着土层深度的增加，土壤有机碳含量逐渐降低，各处理之间的差异也逐渐减小，而CK处理各层次土壤有机碳含量均低于试验前水平.

表 4反映了31年长期试验后不同处理0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm土壤有机碳的储量.从中可以看出，经过31年长期施肥，CK处理耕层土壤有机碳储量显著降低，比试验开始时减少7.20 t · hm^-2，仅相当于M₂的67.4%，NP的61.3%，N的 77.9%，M₂NP的50.8%和M₂N的 51.9%，结果表明有机无机肥配施对于提高耕层土壤有机碳储量效果最佳.

表4(Table 4)

表4 长期不同施肥土壤有机碳储量 Table 4 Amount of SOC storage under different fertilization strategies

表4 长期不同施肥土壤有机碳储量 Table 4 Amount of SOC storage under different fertilization strategies 处理 0~20 cm 20~40 cm 40~60 cm 0~60 cm 容重/ (g · cm-3) 有机碳储量/ (t · hm-2) 容重/ (g · cm-3) 有机碳储量/ (t · hm-2) 容重/ (g · cm-3) 有机碳储量/ (t · hm-2) 总量/ (t · hm-2) NP 1.21±0.03 24.27±0.60c 1.47±0.02 20.46±0.28d 1.44±0.01 9.22±0.06b 53.95±0.94b N 1.29±0.04 19.07±0.59e 1.47±0.03 19.87±0.41d 1.44±0.02 9.45±0.13b 48.39±1.13c CK 1.10±0.02 14.76±0.27f 1.43±0.01 10.93±0.08f 1.32±0.01 5.76±0.04c 31.44±0.39d M2NP 1.16±0.03 29.19±0.75a 1.52±0.04 24.14±0.64a 1.33±0.03 9.34±0.21b 62.66±1.60a M2N 1.29±0.05 28.56±1.11b 1.49±0.02 23.30±0.31b 1.31±0.02 10.93±0.17a 62.79±1.59a M2 1.12±0.02 21.93±0.39d 1.48±0.03 22.14±0.45c 1.43±0.01 9.81±0.07b 53.88±0.91b 试验前 1.18±0.03 21.96±0.62d 1.50±0.01 16.18±0.16e — —

分析0~20 cm土壤有机碳储量可发现，NP、N处理比CK分别增加了9.51 t · hm^-2和4.31 t · hm^-2，增幅达到64.4%和29.2%，差异极显著；与试验前相比NP处理土壤有机碳储量增加了2.31 t · hm^-2，增幅达到10.1%，而N处理却降低了2.89 t · hm^-2.M₂NP、M₂N处理比CK分别增加了14.11 t · hm^-2和13.7 t · hm^-2，增幅达到96.7%和92.6%，差异极显著；与试验前相比有机碳储量分别增加了7.16 t · hm^-2和6.55 t · hm^-2，增幅达32.6%和29.8%.经过31年长期施肥，M₂处理耕层土壤有机碳储量比CK增加7.16 t.hm^-2，而与试验前相比差异不显著.由以上分析可知，在长期施肥条件下，单施有机肥不能提高棕壤耕层土壤有机碳储量，而单施氮肥却使棕壤耕层有机碳储量降低.

分析棕壤有机碳储量的剖面分布可知，随着土层深度的增加，各处理土壤有机碳储量呈逐渐降低的趋势.从表 4可以看出，20~40 cm土壤有机碳储量表现为为M₂NP > M₂N > M₂ > NP 、N >CK.有机无机肥配合施用对20~40 cm土壤有机碳储量的贡献较大，其储量变化范围在23.30~24.14 t · hm^-2.在40~60 cm土层土壤有机碳储量变化规律表现为M₂N > M₂、M₂NP、N、NP > CK.分析土壤有机碳储量空间分布可知，0~40 cm土层土壤有机碳储量占整个0~60 cm土层的80%以上，不同施肥措施对0~40 cm土层土壤有机碳储量有显著影响(数据由0~20 cm和20~40 cm加和得出，此处未列出).同试验前相比，M₂NP、M₂N、M₂、NP、N处理土壤有机碳储量分别平均提高15.18、13.72、5.93、6.60、0.80 t · hm^-2，而CK处理降低12.45 t · hm^-2.说明长期施肥对于提升棕壤有机碳储量有显著作用，这与冷延慧等(2008)对棕壤团聚体分布和碳储量的研究结果一致.韩冰等(2005)对辽宁省土壤(传统耕作措施、施肥水平和气候条件下)0～30 cm土层土壤碳库的饱和水平进行估算，发现辽宁农田土壤碳库的饱和水平为38.5 t · hm^-2.本研究发现0～30 cm土层，NP，N，CK，M₂NP，M₂N，M₂和试验前土壤碳储量分别为34.4、28.9、20.2、41.2、40.1、33.0、30.1 t · hm^-2.

土壤某一土层有机碳储量与整个土层有机碳储量的比值即为有机碳富集系数.土壤有机碳富集系数代表了土壤对有机碳保持的强度指标.本试验条件下M₂NP、M₂N、M₂、NP、N、CK的耕层有机碳富集系数分别为0.465、0.455、0.407、0.482、0.393、0.471.结果表明，单施有机肥或氮肥(M₂、N)不利于耕层有机碳的保持，CK处理虽然没有任何肥料施入，但其自身也算处于一个低投入低输出的平衡，因而其有机碳富集系数同其他处理(M₂NP、M₂N、NP)相比差别不大.因此，合理施肥才是维持耕层土壤对有机碳保持强度的重要保证.由上可知，长期不同施肥有利于增加土壤有机碳储量，尤其以有机无机肥配施效果更好.

CPMI是土壤管理措施引起土壤有机质变化的指示，它是土壤碳变化的系统的、敏感的检测方法，能够反映农作措施使土壤质量下降或更新的程度.从表 5可以看出，不同施肥处理的碳库管理指数有所不同，表现为M₂NP > M₂N > M₂> N > NP > CK.施肥处理的CPMI值总体高于CK，尤其以有机肥处理对指数的影响更大.M₂NP、M₂N处理的CPMI较CK分别增加了83.52和80.5，差异显著.由以上分析可知，在本试验条件下，各处理碳库管理指数可以较好地表征不同处理对土壤有机碳储量的影响，可有效评价施肥措施对棕壤有机碳库的作用.

表5(Table 5)

表5 长期施肥对土壤碳库管理指数的影响 Table 5 Effect of long-term fertilization on soil CPMI

表5 长期施肥对土壤碳库管理指数的影响 Table 5 Effect of long-term fertilization on soil CPMI 处理 碳库指数CPI 碳库活度A 碳库活度指数AI 碳库管理指数CPMI NP 1.07 0.09 0.88 94.93d N 0.79 0.13 1.31 103.44c CK 0.72 0.09 0.88 63.06e M2NP 1.35 0.11 1.09 146.58a M2N 1.19 0.12 1.21 143.56a M2 1.05 0.13 1.25 131.15b

表 6反映了经过31年不同施肥处理土壤不同土层固碳速率的变化.0~20 cm土层，施用有机肥处理表现为净固定，M₂NP，M₂N，M₂处理固碳速率分别为231.1、211.2、4 kg · hm^-2 · a^-1，处理间差异显著.结果表明，长期不同施肥条件下M₂处理对表层土壤的固碳速率影响较小；N和CK处理土壤固碳速率为负值，表现为净排放，不利于土壤碳的固定；NP处理土壤固碳速率为71.4 kg · hm^-2 · a^-1，表现为净固定.在相同化肥水平基础上增施有机肥可显著提高土壤固碳速率，说明有机无机肥配施对土壤碳库的稳定增长有重要意义.20~40 cm土层，CK处理固碳速率为-170.6 kg · hm^-2 · a^-1，仍表现为净释放；其他各处理表现为净固定，M₂NP，M₂N效果最好，其次为M₂，NP和N处理之间差异不显著.综合0~40 cm土层土壤固碳速率可以发现，CK处理和其他处理相比表现为碳的净释放，固碳速率达-401.4 kg · hm^-2 · a^-1，差异显著.固碳速率较高的为M₂NP，M₂N，分别达到489 kg · hm^-2 · a^-1，440.2 kg · hm^-2 · a^-1，显著高于M₂、NP、N单施化肥和单施有机肥处理.N处理比NP处理固碳速率低187.4 kg · hm^-2 · a^-1，差异显著.

表6(Table 6)

表6 不同施肥处理对土壤固碳速率的影响 Table 6 Effect of different fertilization on soil carbon sequestration rate

表6 不同施肥处理对土壤固碳速率的影响 Table 6 Effect of different fertilization on soil carbon sequestration rate 处理 各土壤深度DSOCm/(kg · hm-2 · a-1) 0~20 cm 20~40 cm 0~40 cm NP 71.4c 139.6c 210.9c N -95.3e 118.8c 23.5d CK -230.8f -170.6d -401.4e M2NP 231.1a 258.0a 489a M2N 211.2b 229.0a 440.2b M2 4d 191.3b 195.3c

1)经过31年长期不同施肥，各施肥处理土壤有机碳含量均有所提高，尤其以有机无机肥配施效果更好.在剖面分布上表现为随着土层深度的增加，土壤有机碳含量逐渐降低，各处理之间的差异也逐渐减小.CK处理各层次土壤有机碳含量均低于试验前水平.施用有机肥耕层棕壤有机碳含量比试验前增加了0.46～3.25 g · kg^-1，增加幅度达到了4.93%~34.83%.在相同化肥水平下，增施有机肥可提高耕层棕壤有机碳含量2.56～3.68 g · kg^-1，增加幅度达25.5%~50.0%.

2)长期不同施肥条件下棕壤有机碳储量呈升高趋势，尤其以耕层最为显著，但CK处理各土层有机碳储量均小于其他施肥处理，且低于试验前水平，而有机无机肥配施(M₂NP、M₂N)效果显著高于单施化肥(N、NP)或单施有机肥(M₂).本试验条件下M₂NP、M₂N、M₂、NP、N、CK的耕层有机碳富集系数分别为0.465、0.455、0.407、0.482、0.393、0.471，表明耕层土壤拥有较高的有机碳保持强度.

3)以碳库管理指数来评价不同施肥措施对棕壤有机碳的影响，可以发现总体趋势表现为M₂NP > M₂N > M₂> N > NP > CK，施肥处理的CPMI值总体高于CK，尤其以有机肥处理对指数的影响更大.分析不同施肥处理土壤的固碳速率可知，与试验前相比，CK处理表现为碳的净释放，固碳速率达-401.4 kg · hm^-2 · a^-1.固碳速率较高的为M₂NP，M₂N，分别达到489、440.2 kg · hm^-2 · a^-1，显著高于NP、N和M₂处理.

总之，施肥对于增加土壤碳汇的效果因环境条件、作物特性和土壤性质而异，如何提高施肥效益，在作物提质增产的同时兼顾固碳减排尚需要进一步长期试验的验证.