土壤有机碳(SOC)是土壤养分循环及肥力供应的核心物质，是衡量土壤肥力高低的重要指标之一，在农业生态系统中占有非常重要的位置[1-2]。全球约有1.5×1018 g的碳以有机碳形态固持在土壤中，这相当于植被碳库的3倍、大气碳库的2倍[3]，土壤碳的微弱变化能够对全球碳的平衡造成重大影响[4-5]。因此，土壤有机碳的研究具有重要意义。
农业土壤作为直接人为管理下的土壤类型，农业管理措施显著影响着土壤碳的变化。农业管理措施中施肥可以通过提高作物生物量或外源碳投入来增加土壤有机物的投入，从而提高农田土壤有机碳含量，是影响土壤有机碳库最主要的因素[6]。2个著名的长期试验(英国洛桑研究所的Broadbalk和美国Morrow)研究表明，有机无机配施能够显著提高有机碳含量[7]；在我国长期定位试验中有研究表明，施用化肥或有机肥均可以增加土壤有机碳含量 [8-10]。但也有研究表明，在短时间内施用少量牛粪，并不能增加有机碳含量[11]；施用化肥后有机碳含量呈下降趋势，有机碳平衡呈现负值[12]。在黑土上[13]，长期有机无机配施有机碳储量为43.3～50.1 t/hm2，单施化肥处理有机碳储量为33.4～33.2 t/hm2；在红壤上[14]，长期有机无机配施处理的平均有机碳储量为43.6～48.4 t/hm2，显著高于单施化肥处理(36.9 t/hm2)。
由于土壤有机碳库组成的复杂性和影响因素的多样性，即使根据长期定位试验资料分析不同施肥模式下土壤有机碳库变化，用以估计耕地土壤的有机碳及有机碳储量的结果仍存在差异，因此，应加强不同土壤类型有机碳及其储量的研究。潮土是我国重要的农业土壤，面积达267万hm2，由于其在粮食生产中的重要地位，相关研究受到长期重视[15]。本研究以开始于1980年的潮土长期定位试验数据为基础，分析有机碳含量演变特征、有机碳储量变化及其与外源碳投入的关系，为潮土区土壤固碳技术体系提供科学依据。
1 材料和方法
1.1 试验区概况
试验地在江苏徐淮地区徐州农业科学研究所(N 34°16′，E 117°17′)，土壤为砂壤质潮土。该区属暖温带半湿润气候区，年平均气温14 ℃，平均年降水量为860 mm。长期试验开始于1980年秋季，在1981-2001年为小麦-玉米种植模式，2002年后改为小麦-甘薯种植模式。试验开始时耕层土壤有机碳为6.26 g/kg，全氮为0.66 g/kg，全磷为0.74 g/kg，有效磷为12.00 mg/kg，速效钾为63.00 mg/kg，pH值8.01。
1.2 试验设计
试验共设8个处理：①不施肥(CK)，②单施氮肥(N)，③施氮磷肥(NP)，④施氮磷钾肥(NPK)，⑤单施有机肥(M)，⑥施有机肥和氮肥(MN)，⑦施有机肥和氮磷肥(MNP)，⑧施有机肥和氮磷钾肥(MNPK)，每个处理重复4次，随机区组排列。氮、磷、钾肥每年施用量为纯N 300 kg/hm2，P2O5 150 kg/hm2，K2O 225 kg/hm2；有机肥每年施用量(鲜基)为1981-1984年施马粪，年施用量(鲜基)75 t/hm2，有机碳含量为148～159 g/kg，水分含量为42%～55%，年均养分投入量为：N 221～308 kg/hm2、P2O5 150～375 kg/hm2、K2O 450～563 kg/hm2；1985年以后改为施猪粪，年施用量(鲜基)37.5 t/hm2，有机碳含量为138～301 g/kg，水分含量为45%～58%，年均养分投入量为：N 98～141 kg/hm2、P2O5 94～159 kg/hm2、K2O 150～281 kg/hm2。作物根茬进行还田，作物其他管理措施与大田一致。
1.3 测定项目与方法
1.3.1 样品采集与测定 在6月上旬(小麦收获后)采集耕层土样，在每小区取5点混合成1个土样，重复4次。容重采用环刀法测定，每小区采集5点环刀样品；有机碳含量采用重铬酸钾-浓硫酸氧化法测定[16]。
1.3.2 计算方法 有机碳储量[13-14]：SOCstock = (SOC×BD ×H)×0.1
式中，SOCstock为有机碳储量(t/hm2)；SOC为有机碳含量(g/kg)；BD为土壤容重(g/cm)；H为土壤厚度(20 cm);0.1为单位转化系数。
累积碳投入量[17-18]：作物有机碳投入计算：Cinput-crop=((Yg+Ys)×R×Dr+ Rs×Ys)×(1-Wcrop)×Ccrop×10-3
式中，Cinput-crop为作物来源有机碳投入量(kg/hm2);Yg为作物籽粒产量(kg/hm2)；Ys为秸秆产量(kg/hm2)；R为光合作用进入地下部分的碳的比例(小麦：30%；玉米：26%)；Dr为作物根系生物量平均分布在耕层的比例(小麦：75.3%；玉米：85.1%)；Rs为作物收割留茬占秸秆的比例(小麦：15%；玉米：3%)；Wcrop为作物地上部分风干样的含水量(小麦：14%；玉米：14%)；Ccrop为作物地上部分风干样的含碳量(小麦：399 g/kg；玉米：444 g/kg)。另外，甘薯块根及藤蔓基本完全收获，碳投入极少，本研究将甘薯季碳投入量忽略不计。
有机肥碳投入计算：Cinput-m=Mc×(1-Wm)×Am×10-3
式中，Cinput-m为作物来源有机肥投入量(kg/hm2);Mc为施用有机肥的碳含量(g/kg)；Wm为施用有机肥的含水量；Am为每年施用有机肥施用量(鲜基重，kg/hm2)。
1.4 数据分析
采用统计软件Microsoft Excel 2007、SPSS 13.0和SigmaPlot 12.5进行数据分析。
2 结果与分析
2.1 长期不同施肥下土壤有机碳含量变化
8个处理有机碳含量随着试验时间增加均有不同程度的增加(图 1)。不施肥处理(CK)有机碳含量从初始的6.26 g/kg，经过35年的根茬还田，有机碳含量达8.29 g/kg，年均增加量为0.06 g/kg；施用化肥处理(N、NP、NPK)有机碳总增加量分别为2.62，2.96，3.00 g/kg，年均增加量分别为0.07，0.08，0.09 g/kg，其中单施氮肥处理(N)增幅最小；单施有机肥处理(M)有机碳含量增至12.29 g/kg，年均增加量为0.17 g/kg；有机无机配施处理(MN、MNP、MNPK)有机碳含量分别增加至13.51，14.02，14.78 g/kg，年均增加量分别为0.21，0.22，0.24 g/kg。
图1 长期不同施肥下土壤有机碳含量变化
Fig.1 The change of soil organic carbon content under different long-term fertilization
进一步对比分析连续施肥35年有机碳平均含量的变化特征(图 2)，施用有机肥或化肥显著提高有机碳平均值，其中以有机无机配施处理(MN、MNP、MNPK)增幅最大，分别为90.6%，96.0%，100.8%；单施有机肥处理次之，增幅为78.1%；其次为施用化肥处理(N、NP、NPK)，增幅分别为 16.1%，20.5%，26.1%，且与单施有机肥处理差异达到显著水平。由此可见，施用有机肥比单施化肥能更快速地提高有机碳含量，以有机无机配施提升效果更为显著。
不同小写字母表示不同施肥处理间差异显著(P<0.05)。图3同。
Different lowercase letters indicated significant difference among treatments at 0.05 level.The same as Fig.3.
图2 长期不同施肥下土壤有机碳平均含量
Fig.2 Average content of organic carbon under different long-term fertilization
2.2 长期不同施肥下土壤有机碳储量变化
分析3个时期(1980，1992，2015年)耕层土壤有机碳储量(图 3)，结果表明，不同施肥方式对0～20 cm有机碳储量影响显著。与1980年试验开始时相比，施肥处理有机碳储量在不同阶段均有不同程度的增加。经过12年(1992年)不同施肥，与初始有机碳储量相比，施用化肥处理有机碳储量增加2.0%～21.7%，施用有机肥处理有机碳储量增加51.0%～62.9%。经过35年(2015年)不同施肥，不施肥处理有机碳储量为20.98 t/hm2；施用化肥处理有机碳储量为21.14～23.83 t/hm2，与初始有机碳储量相比，增加35.0%～52.1%；单施有机肥处理有机碳储量为27.41 t/hm2；有机无机配施处理有机碳储量为30.00～30.46 t/hm2，与初始有机碳储量相比，增加91.6%～94.5%。
图3 长期不同施肥下土壤有机碳储量变化
Fig.3 The change of soil organic carbon storage under different long-term fertilization
进一步对比分析不同施肥35年后处理间有机碳储量差异，与CK处理相比，施用化肥处理有机碳储量增加0.8%～13.6%，其中NP处理达到显著水平；施用有机肥处理有机碳储量显著增加30.6%～45.2%，以有机无机配施处理增加幅度最高(40.3%～45.2%)，且显著高于单施有机肥和化肥处理。
2.3 长期不同施肥下碳投入量变化
不同施肥方式决定碳投入量大小，施用有机肥处理的碳投入量明显高于施用化肥和不施肥处理(图 4)。施用有机肥处理历年平均碳投入量以处理MNPK最高，为7.04 t/(hm2·年)。
经过35年的连续不同施肥后处理间有机碳含量差异较大(图 1)，不施肥和施用化肥处理35年累积碳投入量为28.1～84.2 t/hm2，碳投入量较低，其全部来源于作物残茬的生物量投入；单施有机肥及有机无机配施处理的碳投入来源于作物残茬生物量投入和外源有机肥碳投入，35年累积碳投入量高达206.6～246.6 t/hm2，以处理MNPK累积碳投入量最高(图 5)。
图4 长期不同施肥下碳投入量变化
Fig.4 The change of carbon input under different long-term fertilization
图5 长期不同施肥下累积碳投入量变化
Fig.5 The change of cumulative carbon input under different long-term fertilization
2.4 长期不同碳投入与有机碳储量的关系
将各处理2015年耕层有机碳储量变化与累积碳投入量进行相关分析可得：y=0.087 8x-0.791 5，其中x(t/hm2)代表35年累积碳投入量，y(t/hm2)代表35年有机碳储量变化量(图6)。由线性方程可知，有机碳储量变化量与累积碳投入量之间呈极显著正相关(R2=0.944 7，P<0.01)。在定位施肥的35年间有机碳转化率为0.087 8 t/(hm2·年)，即每年投入1 t的有机物料碳，其中0.087 8 t 能进入土壤有机碳库，要想维持该试验点潮土初始有机碳水平，最小累积碳投入量为9.01 t/hm2。
图6 长期不同施肥下累积碳投入量与有机碳储量变化量的关系
Fig.6 Relationship between cumulative carbon input and variable organic carbon storage under different long-term fertilization
本研究进一步将各年份施肥处理的有机碳储量与累积碳投入量分别减去对应年份的不施肥处理，得到各年份施肥处理的有机碳储量变化量和累积碳投入变化量，并将累积碳投入变化量(x)与有机碳储量变化量(y)进行分段线性方程拟合(图7)。从结果可以看出，上升阶段的拟合方程为： a：y=0.181 6x+0.469 8(R2=0.762 2，P<0.01)，当累积碳投入量小于83 t/hm2时，有机碳储量平均值为20.7 t/hm2(有机碳含量为(8.3±1.8)g/kg)，土壤固碳效率为18.2%，有机碳含量随外源有机碳投入量的增加而显著增加；而随着累积碳投入量大于83 t/hm2后，有机碳储量平均为33.2 t/hm2(有机碳含量为(13.3±1.7)g/kg)，拟合方程为： b：y=0.015 6x+14.241 0(R2=0.051 4，P<0.05)，其相关性系数明显降低，有机碳储量随外源有机碳投入量增加的增加幅度明显减缓，土壤平均固碳效率为11.5%。
图7 长期不同施肥下累积碳投入变化量与有机碳储量变化量的关系
Fig.7 Relationship between variable cumulative carbon input and variable organic carbon storage under different long-term fertilization
3 讨论
3.1 长期施肥下有机碳演变特征
土壤有机碳的含量水平主要是由系统输入和输出量的相对大小决定的 [14]。施肥是影响土壤有机碳库的重要因素，不同的施肥方式对土壤有机碳的影响不同，尤其是有机肥的施用是调控土壤有机碳的重要方式之一[19-20]。本研究结果表明，通过35年的长期定位施肥试验，不施肥处理和施肥处理有机碳含量均有不同程度的增加，与初始有机碳相比，有机无机配施处理有机碳的含量可增加二倍以上。这是由于施肥促进作物生长，从而增加残留在土壤中的根茬；另外有机肥的施用可直接为土壤提供有机碳源，促进有机碳及养分的转化，提高有机碳的固定量[12]。长期施用化肥处理有机碳含量也随着试验年限的增加而增加，其中NPK处理经过35年的施肥有机碳含量增加了3.00 g/kg，这可能主要是由于试验开始前土壤有机碳低于最低平衡点，化肥的施用有助于提高有机碳含量[21]，这与研究认为的施用化肥能使有机碳含量维持平衡或提高结果相一致[22-23]。施肥处理中以有机无机配施处理土壤有机碳增加幅度最高，显著高于单施化肥处理 [24-25]。
3.2 长期施肥下有机碳储量对不同碳投入量的响应
土壤有机碳存储对于促进土壤理化性质，维持作物生产力和环境质量具有重要作用[26]。我国耕作旱地耕层土壤平均有机碳储量为(38.4±31.2)t/hm2[27]，欧盟的农田耕层土壤平均有机碳储量为53.0 t/hm2左右[28]。本研究结果表明，经过35年长期施肥，不施肥和施用化肥处理耕层有机碳储量为20.98～23.83 t/hm2，处于较低水平；单施有机肥有机碳储量为27.41 t/hm2；有机无机配施有机碳储量达到30.00～30.46 t/hm2，接近达到了我国旱地耕层有机碳储量的平均水平。因此，施用有机肥有利于土壤培肥，以有机无机配施方式最优。
农田土壤中有机碳主要来源于作物残体(稻草、残茬、根系和根系渗出液)和添加到土壤中的有机肥。通过返回土壤的地上作物生物量(秸秆还田)或者是直接添加有机粪肥等措施，不仅可以提高作物产量，而且能促进有机碳的固持[29]。因此，土壤中有机物质来源数量和质量的差异，必然影响有机碳储量的变化。本研究结果表明，施用有机肥处理累积碳投入量明显高于施用化肥和不施肥处理，以处理MNPK累积碳投入量最高。这是由于施用有机肥处理的碳投入不仅单纯来源于作物残茬生物量投入，其主要来源于施用的有机肥。本研究通过相关分析得到了有机碳储量变化与累积碳投入量线性相关方程，且相关系数达到极显著水平，这也说明潮土有机碳储量随碳投入量的增加而增加，并得出要想维持该试验点潮土初始有机碳水平最小累积碳投入量为9.01 t/hm2。
一般而言，土壤有机碳含量随着外源有机碳投入量的增加而增加。在旱地土壤研究中指出土壤固碳量随碳投入呈线性增加[30-33]。然而，土壤固碳量和碳投入量的关系是更加的复杂，根据碳饱和理论，土壤的固碳量不会无限增加，而是最终会趋于饱和值[34-35]。当外源碳投入量一定时，土壤固碳量距离碳饱和值较远时，有机碳增量会较多(固碳效率较高)，而土壤固碳量距离饱和值较低时，有机碳的增量会较低(固碳效率较低)。也有研究表明，旱地土壤中投入大量的有机物之后，有机碳含量并没有显著增加，表现出碳饱和迹象[36-37]。本研究结果表明，当累积碳投入量小于83 t/hm2时，土壤的固碳效率为18.2%，有机碳储量随外源有机碳投入量的增加而显著增加；当累积碳投入量大于83 t/hm2后，有机碳储量随外源有机碳投入量增加的幅度明显减缓，土壤固碳效率下降仅为11.5%。这是由于当累积碳投入量达到83 t/hm2后，有机碳储量数值已经较大，距离饱和值更近，土壤固碳效率并不随碳投入量增加而一直保持不变。当有机碳随碳投入增加到一定水平后，土壤固碳效率比低有机碳水平阶段的固碳效率降低，呈现出“线性+平台”趋势。
施肥处理土壤有机碳含量和有机碳储量均呈增加趋势，以有机无机配施增幅最大，单施有机肥次之。土壤有机碳储量变化量与累积碳投入量之间呈极显著正相关性，要想维持该潮土区初始有机碳水平最小累积碳投入量为9.01 t/hm2。
有机碳储量变化量与累积碳投入 变化量线性拟合，呈现出“线性+平台”趋势。当累积碳投入量小于83 t/hm2时，有机碳储量随外源有机碳投入量的增加而显著增加；当累积碳投入量大于83 t/hm2后，有机碳储量随外源有机碳投入量增加的幅度明显减缓。
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