櫻桃栽培中施用蚯蚓糞對土壤有機碳氧化穩定性及碳庫管理指數的影響

井大煒, 王明友, 張 紅, 鄭 芳, 李士平

(1.德州學院, 山東 德州 253023; 2.山東農業大學 資源與環境學院, 山東 泰安 271018)

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櫻桃栽培中施用蚯蚓糞對土壤有機碳氧化穩定性及碳庫管理指數的影響

井大煒1,2, 王明友1, 張 紅1, 鄭 芳1, 李士平1

(1.德州學院, 山東 德州 253023; 2.山東農業大學 資源與環境學院, 山東 泰安 271018)

摘要：[目的] 探討櫻桃栽培中蚯蚓糞與化肥以不同比例配施對土壤有機碳、易氧化碳、氧化穩定性及碳庫管理指數的影響，為提高土壤質量管理和增強農業固碳減排潛力提供依據。 [方法] 通過5 a的大田試驗,研究N100(尿素提供100%的氮)，M10N90(蚯蚓糞和尿素分別提供10%和90%的氮)，M30N70(蚯蚓糞和尿素分別提供30%和70%的氮)和M50N50(蚯蚓糞和尿素各提供50%的氮)等不同施肥處理對土壤有機碳(SOC)、微生物量碳(MBC)、易氧化碳(ROC)含量、有機碳氧化穩定性及碳庫管理指數(CPMI)的影響。[結果] M30N70和M50N50處理的SOC含量分別比N100處理高出12.07%和18.75%; M30N70處理的MBC,ROC含量和CPMI均最高,并顯著高于其它處理,其中ROC含量分別比N100,M10N90和M50N50處理提高51.34%,15.16%和6.47%,CPMI分別高出73.07,30.06和20.71;但M30N70處理的有機碳氧化穩定系數明顯低于其他處理,比N100處理降低36.22%。[結論] 在櫻桃栽培中配施蚯蚓糞措施有利于改善土壤質量,提高土壤肥力,其中蚯蚓糞與化肥以3∶7比例搭配的影響作用最顯著。

關鍵詞：櫻桃; 蚯蚓糞; 易氧化碳; 氧化穩定系數; 碳庫管理指數

土壤有機質是植物生長所需養分的源泉和微生物生命活動的能量來源，它積極地調控著土壤的物理、化學和生物學特征，而其中儲藏的有機碳庫為表層陸地生態系統中最大的碳庫，其微小變化將對大氣CO2濃度產生深遠的影響[1]。氧化穩定性是土壤有機碳的一個重要性質，與有機碳抵抗氧化的能力有關，關系到有機碳分解的難易、在土壤中存留時間和養分的釋放等諸多方面[2]。根據分解的難易程度不同，土壤有機碳可分為易氧化有機碳和難氧化有機碳，易氧化有機碳在土壤養分供應方面具有重要作用，而難氧化有機碳有利于土壤結構的穩定，在有機無機復合體的形成和土壤結構的保持方面具有重要作用，也關系到土壤有機碳的儲存。袁可能提出用氧化穩定系數(Kos)來衡量土壤的氧化穩定性，Kos值越大，氧化穩定性越大，反之，則越小[3]。而且，土壤有機碳的背景值很高和自然土壤分異性大，整個土壤有機碳的微小變化很難發現，因此探求土壤全碳敏感指示因子很有必要。有研究認為，土壤有機碳的活性、氧化穩定性和碳庫管理指數(CPMI)是反映土壤碳庫的重要指標，對評價土壤有機質和土壤肥力狀況有重要意義[4]。

施入不同配比的有機—無機肥與土壤有機碳含量、碳質量密切相關[5]。相關研究表明，有機肥與化肥混施能增加土壤有機碳含量和CPMI[6]。蚯蚓糞具有良好的團粒結構，通透性好，水氣調和，且有保水、保肥性能；并且其礦質養分豐富，有機質含量多，含有多種利于植物生長的酶、腐殖質和植物激素類物質[7]。中國從20世紀80年代開始興起蚯蚓養殖業，北京、天津、云南等地都建有不同規模的蚯蚓養殖場，蚯蚓糞年產量達數十萬噸[8]?？梢?，蚯蚓糞的應用已得到了高度重視。前人關于蚯蚓糞進行了大量的研究，但主要集中在草莓、黃瓜等農作物上[9-10]，而關于蚯蚓糞在大櫻桃方面的研究報道還較少，尤其是關于施用蚯蚓糞對大櫻桃土壤有機碳氧化穩定性及碳庫管理指數的研究尚屬空白。為此，本研究選用經蚯蚓吞食牛糞后產生的蚯蚓糞為供試原料，探討蚯蚓糞與化肥以不同比例配施對土壤有機碳、易氧化碳、氧化穩定性及碳庫管理指數的影響，旨在為提高土壤質量管理和增強農業固碳減排潛力提供理論依據。

1材料與方法

1.1　試驗地點與供試材料

試驗地點設在山東農業大學南校區試驗基地，供試土壤為潮土，土壤速效氮25.32 mg/kg，速效磷21.89 mg/kg，速效鉀67.25 mg/kg，有機碳含量6.58 g/kg。供試蚯蚓糞為蚯蚓吞食牛糞后的產物，全量N，P，K含量分別為1.68%，1.29%和0.95%，有機碳含量為196.35 mg/kg，活性有機碳含量為105.72 mg/kg；所用化肥為尿素、過磷酸鈣、氯化鉀。櫻桃為3年生‘吉塞拉’，生長一致，無病蟲害。

1.2　試驗設計

采用大田試驗，隨機區組設計，設5個處理：CK，不施肥；N100，100%的氮由尿素提供；M10N90，10%的氮由蚯蚓糞提供(580.5 kg/hm2)，90%的氮由尿素提供；M30N70，30%的氮由蚯蚓糞提供(174 1.5 kg/hm2)，70%的氮由尿素提供；M50N50，50%的氮由蚯蚓糞提供(290 2.5 kg/hm2)，50%的氮由尿素提供。每個處理重復3次，每小區面積為10 m×9 m=90 m2，共計15個小區，每小區櫻桃15株。除CK外，各處理均為等養分量，N，P和K含量相當于97.5，27和108 kg/hm2，各處理P和K不足部分分別用過磷酸鈣、硫酸鉀補足[11]。試驗從2008年開始，以后每年的施肥量隨著櫻桃樹齡的變化進行同比例調整。

1.3　測定項目與方法

2012年10月9日，在各小區按“S”型選取6點，用土鉆法取0—20 cm土層土樣，混合均勻后迅速帶回實驗室，用四分法取出適量土樣分成兩部分，一部分新鮮土樣過2 mm篩立即進行土壤微生物量碳的測定，一部分土樣風干過1 mm篩后進行土壤有機碳等指標的測定。土壤微生物量碳的測定采用氯仿熏蒸—K2SO4浸提法；土壤總有機碳的測定采用重鉻酸鉀氧化外加熱法；易氧化碳(ROC)的測定采用袁可能法[3]。

以試驗開始前未經處理的土樣相互混合作為參考土壤，其總有機碳含量為8.92 g/kg，活性有機碳含量為2.65 g/kg，土壤碳庫管理指數的計算方法如下：

碳庫指數=樣品全碳含量/參考土壤全碳含量

碳庫活度=活性碳含量/非活性碳含量

碳庫活度指數=樣品碳庫活度/參考土壤碳庫活度

碳庫管理指數=碳庫指數×碳庫活度指數×100

氧化穩定系數=穩定性有機碳/易氧化碳

穩定性有機碳=總有機碳-易氧化碳。

1.4　數據處理

采用SPSS 17.0軟件進行數據統計分析，采用單因素方差分析(One-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)比較不同處理組間的差異(α=0.05)。

2結果與分析

2.1　土壤有機碳含量

土壤有機碳含量是土壤中所有有機物質的總碳量。從圖1可知，不同施肥處理對土壤有機碳含量的影響存在明顯差異：N100處理與CK差異不顯著，而配施蚯蚓糞的3個處理均明顯升高。同N100處理相比，M10N90，M30N70和M50N50處理的有機碳含量分別提高6.90%，12.07%和18.75%，差異均達顯著水平?？梢婒球炯S與化肥配施對土壤有機碳的作用效果明顯優于單施化肥。在配施蚯蚓糞的3個處理中，M50N50處理的有機碳含量最高，依次是M30N70和M10N90處理。表明隨著蚯蚓糞所占比例的增加，土壤有機碳含量也呈遞增的變化趨勢。這可能是因為：(1) 隨著加入蚯蚓糞比重的增加，帶入的有機質也相應增多；(2) 蚯蚓糞與化肥以1∶9和3∶7比例配施，相比5∶5比例配施能更明顯地降低土壤的碳氮比，使土壤微生物活性提高更快，從而導致有機碳的礦化分解加快。

注：不同小寫字母表示差異顯著。下同。

2.2　土壤微生物量碳含量

土壤微生物量碳(MBC)是指土壤中體積小于5～105 μm3活的細菌、真菌、藻類和土壤微動物體內所含的碳，它能夠反映土壤的生物學質量。由圖2可見，同CK相比，N100，M10N90，M30N70和M50N50處理的MBC含量分別提高19.24%，55.18%，80.98%和63.62%，差異均達顯著水平。說明不同施肥措施均能明顯提高土壤的微生物生物量碳。在各施肥處理中，M30N70處理的MBC含量最高，并顯著高于其他處理，分別比N100，M10N90和M50N50處理高出51.78%，16.62%和10.61%；其次是M10N90和M50N50處理，兩處理間無明顯差異，但均顯著高于N100處理。由此可見，蚯蚓糞與化肥配施處理對土壤微生物量碳含量的提高幅度明顯大于單施化肥。而在3個配施處理中，隨著蚯蚓糞所占比例的增加，土壤微生物量碳含量呈先升高后降低的趨勢，表明蚯蚓糞與化肥以3∶7比例搭配對微生物量碳的作用效果最佳。

圖2　 配施蚯蚓糞對土壤微生物量碳含量的影響

2.3　土壤易氧化碳及有機碳氧化穩定性

易氧化碳是土壤有機質中的活性部分，直接參與土壤生物化學轉化過程的活性組分以及微生物活動能源和土壤養分的驅動力，對土壤碳及質量變化具有更高的靈敏性。由表1可以看出，與CK相比，N100處理的易氧化碳含量下降，但未達到差異顯著水平，而配施蚯蚓糞處理的易氧化碳含量則顯著升高，其中M30N70處理最高，并顯著高于其它處理，分別比CK，N100，M10N90和M50N50處理提高43.12%，51.34%，15.16%和6.47%。從易氧化碳占有機碳的百分比來看，各處理的大小次序為：M30N70>M10N90≈M50N50>CK>N100。M50N50處理的穩定性有機碳含量明顯高于其它處理，而其它處理之間差異均未達顯著水平。

各處理的穩定性有機碳占有機碳百分比、氧化穩定系數的變化規律均是：N100>CK>M50N50≈M10N90>M30N70，可見N100處理最高，且明顯高于其它處理；而在配施蚯蚓糞處理中，M30N70處理的穩定性有機碳占有機碳百分比及氧化穩定系數均顯著低于其它處理，其中氧化穩定系數分別比CK，N100，M10N90和M50N50處理下降29.60%，36.22%，13.85%和17.27%。數據表明，單施化肥處理降低了土壤氧化碳含量且顯著提高了有機碳氧化穩定系數，而配施蚯蚓糞的3個處理顯著提高了易氧化碳含量且明顯降低了氧化穩定系數，其中蚯蚓糞與化肥以3∶7比例配施的影響作用最明顯。

2.4　土壤碳庫管理指數

表2中的CKT代表參考土壤，是試驗開始前各個處理的土樣相互混合后測定的結果。從表2可知，不同處理下CPI的變化趨勢與有機碳含量基本一致。M30N70處理的A，AI和CPMI均最高，并顯著高于其它處理，其中CPMI分別比N100，M10N90和M50N50處理高出73.07，30.06和20.71。M10N90和M50N50處理的A，AI和CPMI亦顯著高于CK和N100，其中M10N90與M50N50處理之間的A，AI無顯著性差異，但M50N50處理的CPMI明顯高于M10N90。由此表明，與單施化肥相比，配施蚯蚓糞更有利于提高土壤碳庫指數、碳庫活度、碳庫活度指數及碳庫管理指數，而在蚯蚓糞與化肥的不同比例搭配中，以3∶7比例搭配的效果最明顯。

表1　配施蚯蚓糞對土壤易氧化有機碳和氧化穩定系數的影響

注：同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(p<0.05)。下同。

表2　配施蚯蚓糞對土壤碳庫管理指數的影響

3討 論

土壤有機碳的數量取決于有機碳的輸入和土壤有機碳微生物分解之間的平衡。單施化肥在改變土壤有機碳含量上的作用效果說法不一：土壤有機碳的含量可能升高、降低或保持原有平衡[12]。施用化肥提高土壤有機碳的原因主要在于化肥促進作物生長，增加作物根茬、枝葉等的殘留量。相反，施用化肥，特別是氮肥，將加快土壤原有有機碳的消耗，使積累在土壤中有機碳的數量減少[13]。本研究中單施化肥對土壤有機碳含量的影響不明顯，可能與施肥時間較短有關，有機碳積累較少。而配施蚯蚓糞處理的有機碳含量顯著高于對照和單施化肥，這與梁堯等[14]在農田生態系統上的研究結果一致。主要是由于施用蚯蚓糞后，增加了作物產量，使歸還土壤的根茬增多，同時促進了根系和微生物的活動，從而增加了進入土壤的根系分泌物和有機殘體數量；另一方面蚯蚓糞的施入，為土壤提供了直接的有機碳源，增加了土壤的有機碳庫?？梢?，配施有機肥是提高土壤碳儲量的有效措施。

土壤微生物量碳是土壤中最活躍的因子之一，它對土壤環境的變化比較敏感，是反映土壤有機碳質量的重要指標[15]。土壤微生物量碳與輸入到土壤中有機碳源的生物有效性密切相關。本試驗得出，同對照和單施化肥相比，蚯蚓糞與化肥配施處理明顯提高了微生物量碳含量，這與李娟等[16]在褐土上的研究結果相似。本試驗還得出，蚯蚓糞與化肥以3∶7比例配施的效果優于1∶9和5∶5比例，原因如下。

(1) 蚯蚓糞本身是C/N比較低的糞肥，而3∶7比例配施能更好地調節土壤C/N比，從而使較多的糞肥被微生物分解轉化為低分子量的有機質，同時這一部分有機質又被土壤微生物吸收成為其機體的一部分，這樣不僅增加了土壤中低分子量的有機碳含量，且更大地提高了土壤微生物碳庫[17]；

(2) 3∶7比例配施不僅補充輸入了有機碳源，提高了養分的有效性和保水能力，同時還較好地改善土壤物理性狀，大大刺激了土壤微生物群落和活性[18]，有利于微生物的生長和繁殖，使微生物生物量碳明顯增加。

氧化穩定性是腐殖質的一項重要性質，它與腐殖質抵抗氧化的能力有關，關系到腐殖質分解難易,影響土壤肥力的發揮。Kos值越大,有機質的活性越低，土壤供肥性能也就相對較差[19]。本試驗研究得出，單施化肥處理使土壤易氧化碳含量明顯下降，Kos值增大，說明土壤腐殖質組成及其性質均有所惡化，土壤供肥能力降低；而配施蚯蚓糞處理能顯著提高易氧化碳含量，并減小Kos值，其中蚯蚓糞與化肥以3∶7比例搭配的效果最顯著。這一方面表明配施蚯蚓糞能提高有機質質量，增強土壤對養分的供、貯能力，提高土壤肥力水平；同時蚯蚓糞與化肥的配施比例是關鍵因素。

土壤碳庫管理指數結合了人為影響下土壤碳庫指標和土壤中碳庫活度,并能反映外界條件對土壤有機碳數量的影響和土壤活性有機碳數量的變化,因此能較為全面地反應外界條件對碳庫中各組分在量和質上的變化[20],從而反映土壤質量的下降或更新的程度。碳庫管理指數越大,土壤不穩定有機碳庫更新速度越快、流通量越大,土壤腐殖質和土壤的空隙、孔隙數量及土壤的通氣性也明顯增加和提高,有利于作物的生長發育。本試驗發現，配施蚯蚓糞處理相比單施化肥明顯提高了CPMI，這進一步證明了蚯蚓糞與化肥配施對土壤具有培肥作用，使土壤處于良性管理狀態；而單施化肥使土壤質量下降，管理措施不科學。本試驗還發現，在蚯蚓糞與化肥的不同比例搭配中，3∶7比例配施對櫻桃土壤CPMI的作用效果明顯優于1∶9和5∶5比例，可能是由于3∶7比例搭配能更好地改善土壤理化性狀，為微生物的生長創造了優越環境，從而有利于生成活性有機碳，并提高CPMI。

4結 論

M30N70和M50N50處理的SOC含量分別比N100處理高出12.07%和18.75%；M30N70處理的MBC，ROC含量和CPMI均最高，并顯著高于其它處理，其中ROC含量分別比N100，M10N90和M50N50處理提高51.34%，15.16%和6.47%，CPMI分別高出73.07，30.06和20.71；但M30N70處理的有機碳氧化穩定系數明顯低于其它處理，比N100處理降低36.22%。以上分析可知，在櫻桃栽培中配施蚯蚓糞措施有利于改善土壤質量，提高土壤肥力，其中蚯蚓糞與化肥以3∶7比例搭配的影響作用最顯著。

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Effect of Vermicompost on Soil Organic Carbon Oxidation Stability and Carbon Pool Management Index in Cherry Plantation

JING Dawei1,2, WANG Mingyou1, ZHANG Hong1, ZHENG Fang1, LI Shiping1

(1.DezhouUniversity,Dezhou,Shandong253023,China; 2.Resourcesand

EnvironmentCollege,ShandongAgriculturalUniversity,Tai’an,Shandong271018,China)

Abstract：[Objective] To explore the effect of vermicompost on soil organic carbon oxidation stability and carbon pool management index in cherry plantation(Cerasuspseudocerasus), in order to provide scientific basis for improving soil quality management and the increase of agriculture carbon emission reduction potential. [Methods] A field experiment was conducted to determine the five treatments, CK(neither urea nor vermicompost was applied), N100(100% of nitrogen was provided by urea), M10N90(10% and 90% of nitrogen was provided by vermicompost and urea, respectively), M30N70(30% and 70% of nitrogen was provided by vermicompost and urea, respectively), and M50N50(50% and 50% of nitrogen was provided by vermicompost and urea, respectively) on soil organic carbon(SOC), microbial biomass carbon(MBC), readily oxidizable carbon(ROC) contents, organic carbon oxidation stability, as well as carbon pool management index(CPMI) ofCerasuspseudocerasus. [Results] The SOC contents under M30N70and M50N50treatments increased by 12.07% and 18.75% in comparison with the N100treatment, respectively. The MBC and ROC contents and CPMI achieved the highest value in M30N70treatment and had significant differences with other treatments, showing 51.34%, 15.16% and 6.47% increases in ROC content and 73.07, 30.06 and 20.71 increases in CPMI, respectively, compared to the treatments of N100, M10N90and M50N50. However, the oxidation stability index of organic carbon in M30N70treatment was obviously lower than other treatments, which decreased by 36.22% compared with N100treatment. [Conclusion] In the cherry cultivation, application of vermicompost co-applied with inorganic fertilizer, especially the M30N70treatment, was beneficial on soil quality amelioration and soil fertility improvement.

Keywords:Cerasuspseudocerasus; vermicompost; readily oxidizable carbon; oxidation stability index; carbon pool management index

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)03-0073-05

中圖分類號：S157.4+1

通信作者：王明友(1964—),男(漢族),山東省安丘市人,教授,主要從事作物高產生理生態方面的教學與研究工作。E-mail: nwmy_sddz@163.com。

收稿日期：2014-04-20修回日期：2014-05-07

資助項目：山東省科學技術發展計劃攻關項目“新型經濟林木生物肥的研制與開發”(2007GG2009007)

第一作者：井大煒(1982—),男(漢族),陜西省綏德縣人,博士,講師,主要從事植物營養機理研究。E-mail:jingdawei009@163.com。