長期施肥下黃壤稻田土壤有機碳和全氮的演變特征

王小利　周志剛　郭振

摘要：以貴州黃壤稻田19年長期施肥定位試驗為基礎，選取對照（CK）、單施氮肥（N）、單施有機肥（M）、氮磷鉀肥配施（NPK）、低量有機無機肥配施（0.5 MNPK）和常量有機無機肥配施（MNPK）6個施肥處理，通過歷史土樣收集、田間取樣和室內分析，結合趨勢擬合，研究不同施肥下黃壤稻田有機碳（SOC）和全氮（TN）的時序變化規律，闡明長期施肥下黃壤稻田土壤碳氮含量的演變特征，揭示土壤培肥和固碳供氮的關系，為合理施肥提供理論依據。結果表明，1995—2006年各處理土壤有機碳含量和全氮含量呈下降趨勢，2006—2014年呈增長趨勢，其中施用有機肥的處理（M、MNPK和0.5 MNPK）對土壤有機碳含量和全氮含量的提升幅度大于單施化肥處理（N、NPK）。2006—2014年除CK處理外，其他處理土壤有機碳含量演變趨勢均為顯著的線性增加，年增長率依次為0.62 g/kg（M）、0.61 g/kg（MNPK）、0.59 g/kg（0.5 MNPK）、0.49 g/kg（N）和0.40 g/kg（NPK），均顯著高于CK（0.17 g/kg）。與2006年對比，2014年各施肥處理土壤全氮含量均有增加，其中M增幅最高（81.9%），其次是MNPK（52.9%）、NPK（45.2%）、0.5 MNPK（349%）和N（180%）。2006—2014年各施肥處理土壤全氮含量的演變趨勢與有機碳含量大體相同，除CK處理和N處理外，其他各處理土壤全氮含量均呈顯著增加趨勢（P<0.05）。經長期施肥后，黃壤稻田各處理土壤碳氮比穩定在123左右。單施有機肥或者有機無機肥配施可以顯著增加土壤有機碳和全氮的含量。長期有機肥化肥配合施用是土壤培肥的最佳選擇。

關鍵詞：黃壤稻田；長期施肥；土壤；有機碳；全氮；演變特征

中圖分類號： S153.6文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）14-0195-05

土壤有機碳對土壤的物理、化學和生物化學過程起著重要的調控作用，不僅是評價土壤肥力的重要指標，也是全球碳循環的重要組成部分[1-2]。氮是植物必須的三大營養元素之一，土壤碳氮之間存在一定的耦合關系。長期施肥向農田土壤中輸入大量的碳、氮等元素，從而維持作物產量、提高土壤肥力[3]，研究長期施肥下黃壤稻田土壤有機碳含量和全氮含量的演變特征，對于全球變化和國家糧食安全具有重要意義[4]，同時可為我國西南地區農田土壤固碳和地力提升的技術選擇提供科學依據。目前，國內外學者已通過室內模擬試驗 [5]、野外長期定位監測[6]和區域調查分析[7]等方法對土壤碳、氮周轉和演變過程及其影響因子進行了大量研究，結果表明生態系統中氮投入的變化影響了土壤-植物系統中碳的積累、分配與循環過程。農田長期定位試驗結果表明，施用有機肥或有機肥化肥配施能夠顯著提高黑土[8-9]、灰漠土[10-11]、紅壤[12]、太湖地區黃泥土[13]有機碳含量和全氮含量。張磷等研究表明，氮磷鉀化肥未平衡施用會使土壤全氮含量持平或有所降低[14]，單施化肥不利于土壤碳、氮積累[15]，而呂樹鳴等卻認為長期偏施化肥會使土壤全氮含量升高[16]。劉暢等在我國南方紅壤稻田的研究發現，貧瘠紅壤長期有機無機肥配施或單施有機肥土壤有機碳、氮含量均呈增加趨勢，兩者之間具有較好的耦合效應；但長期單施化肥二者之間表現為非耦合效應，即土壤有機碳含量顯著增加、土壤全氮含量卻有降低趨勢[17]。Hyvonen等在北歐15個長期定位試驗站的研究結果表明，增加氮投入減少了土壤有機碳的礦化，從而增加了土壤有機碳的積累[18]；而有機碳的輸入又在一定程度上有利于土壤氮的積累 [19]，即二者相互依存，存在耦合關系?？傊?，前人的眾多研究主要集中在長期施肥措施對土壤有機碳、全氮含量的影響方面，而對碳、氮耦合關系的研究報道較少，尤其是針對貴州黃壤稻田土壤，單施化肥是否能夠促進土壤有機碳、全氮含量的同步增減還有待研究。因此，本研究以貴州黃壤性水稻土長期定位試驗地為對象，收集1995年、1996年、2006年、2008年、2010年、2012年、2014年6個不同施肥處理的土壤樣品數據，研究長期施肥條件下土壤有機碳和全氮的消長規律及耦合關系，闡明不同施肥措施對貴州黃壤稻田土壤碳、氮含量演變的影響，為評估土壤固碳潛力、提升黃壤區耕地質量提供科學依據。

1材料與方法

1.1試驗地概況

長期試驗地位于貴州省貴陽市小河區貴州省農業科學院內（106°07′E，26°11′N），地處黔中丘陵區，屬亞熱帶季風氣候，平均海拔1 071 m，年均氣溫15.3 ℃，年均日照時數 1 354 h 左右，相對濕度75.5%，全年無霜期270 d左右，年降水量1 100～1 200 mm。試驗地為黃壤性水稻土，成土母質為三疊系灰巖與砂頁巖風化物。該長期定位試驗起始于1995年。采用大區對比試驗，種植1季水稻，小區面積201 m2（35.7 m×5.6 m），不設重復。共有11個處理，本研究選取了其中6個不同施肥處理：（1）不施肥（CK）；（2）單施氮肥（N）；（3）單施有機肥（M）；（4）氮磷鉀肥配施（NPK）；（5）低量有機無機肥配施（0.5 MNPK）；（6）常量有機無機肥配施（MNPK）?；蕿槟蛩兀ê?6% N）、過磷酸鈣（含16% P2O5）、氯化鉀（含60% K2O），常規用量（NPK處理）每年施165.0 kg/hm2 N、36.0 kg/hm2 P2O5、68.5 kg/hm2 K2O，M處理施用有機肥 61.1 t/hm2。所施用有機肥為牛廄肥（平均含413.8 g/kg C、2.7 g/kg N、1.3 g/kg P2O5、6.0 g/kg K2O），每年按照有機肥養分含量來調節化學氮肥施用量，除MNPK處理氮肥施用量不同外，其余施氮小區的氮素施用量相同。種植制度為1年1季水稻，在水稻播種前按處理分別施用磷鉀肥或配施有機肥作基肥，各處理在水稻生長期中追肥2次尿素。種植的水稻品種為金麻粘（1993—1998年）、農虎禾（1999—2001年）、香兩優875（2007—2008年）、汕優聯合2號（2009年）和茂優601（2010—2014年）。2002—2006年由于試驗基地灌溉設施損毀，無法滿足水稻種植，改種玉米。水稻于每年4月份插秧，10月中下旬收獲，其他時間休閑。具體施肥方案如表1所示。

1.2土壤樣品收集和測定

2014年10月水稻收獲后，采集各小區 0～20 cm 耕層土壤樣品：將各小區等分為3個樣塊（67 m2），每個樣塊均勻布點采集5點組成1個混合樣，每個小區采集3個土壤樣品作為3次重復。除去動、植物殘體后混勻，待土壤樣品風干后過孔徑2 mm篩，備用。同時收集2006年、2008年、2010年、2012年水稻收獲后的歷史土壤樣品進行分析測定。采用重鉻酸鉀氧化法測定有機碳含量，凱氏定氮法測定全氮含量[20]。

1.3數據分析

采用Excel軟件和SPSS軟件進行統計分析，所有土壤樣品的測定結果均為3次重復的平均值。不同施肥處理之間采用最小顯著差數法（LSD）進行顯著性檢驗（P<005）。

2結果與分析

2.1長期施肥下黃壤稻田土壤有機碳的演變特征

長期施肥（1995—2014年）下黃壤稻田土壤有機碳隨時間的演變特征如圖1-A所示。由圖1-A可知，經歷19年的長期施肥后，施用有機肥處理（M、0.5 MNPK和MNPK）土壤有機碳含量（28.30～33.18 g/kg）明顯高于單施化肥處理（N和NPK，23.77～24.63 g/kg）和不施肥處理（CK，23.87 g/kg）（P<0.01）。與試驗起始年份（1995年）相比，2014年M、MNPK、0.5 MNPK處理土壤有機碳含量分別提高了137%、14.5%、7.8%，而CK、N、NPK處理土壤有機碳含量依次降低了7.6%、23.2%、6.8%。1995—2006年間因水田改為旱地導致各處理土壤有機碳含量均呈下降趨勢。

圖2顯示了2006—2014年黃壤稻田土壤總有機碳含量（y，g/kg）隨時間（x，年份）的演變特征及擬合的線性回歸方程和參數。由圖2可以看出，除CK處理外，其他施肥處理的土壤總有機碳含量與施肥時間均呈極顯著的線性正相關關系（P<0.01）。CK處理下土壤有機碳含量較2006年（23.01 g/kg）增加了3.7%； 化肥處理（N和NPK） 下土壤有機碳含量的年增長速率分別為0.49、0.39 g/kg，年增長幅度分別為239%、20.6%；有機肥處理（0.5 MNPK、M和MNPK）下土壤有機碳含量的年增長速率較高（0.59～0.62 g/kg），增幅為20.6%～21.3%。說明長期施用有機肥能夠顯著地增加土壤有機碳含量。

2.2長期施肥下黃壤稻田土壤全氮的演變特征

1995—2014年黃壤稻田長期施肥試驗土壤全氮演變特征如圖1-B所示，總體上與土壤有機碳規律相似。由圖1-B可知，經歷19年的長期施肥后，施用有機肥處理（M、0.5 MNPK和MNPK）土壤全氮含量（2.39～2.74 g/kg）明顯高于單施化肥處理（N和NPK，1.89～1.95 g/kg）和不施肥處理（CK，194 g/kg）（P<0.01）。與1995年相比，2014年M處理和0.5 MNPK處理土壤全氮含量分別增加7.2%、11.7%，而其他處理均有不同程度下降。其中，1995—2006年各處理土壤全氮含量都呈明顯下降趨勢。

由圖3可以看出，2006—2014年期間，除CK處理和N處理外， 其他各施肥處理土壤全氮含量隨時間均呈顯著增加趨趨勢（P<0.05）。CK處理下土壤全氮含量較2006年（1.91 g/kg）增加了1.7%；化肥處理（N和NPK）下土壤全氮含量的年增長速率分別為0.02、0.07 g/kg， 年增長幅度分別

為180%、45.2%；有機肥處理（0.5 MNPK、M和MNPK）下土壤全氮的年增長速率較高（0.06～0.12 g/kg），增幅為 34.9%～819%。說明長期施用有機肥能夠顯著地增加土壤全氮含量。有機無機配施更有利于土壤對氮的固定和保護，即有機無機配施可以減少土壤氮特別是施入土壤的氮肥氮的損失，提高氮肥利用率。

2.3長期施肥對黃壤稻田土壤碳氮比的影響

由表2可以看出，長期施肥條件下黃壤稻田土壤碳氮比介于9.3～18.2之間。除2006年之外，其余年份土壤碳氮比亦無明顯變化，總體平穩。2014年各施肥處理土壤平均碳氮比（12.3±0.3）略高于試驗開始年份（1995年，11.3±0.9），各處理間土壤碳氮比差異不顯著（P>0.05）?？傮w上，不同施肥處理對土壤碳氮比的影響不顯著。這表明隨著施肥耕種年限的推移，各處理土壤碳氮轉化耦合關系已重新趨于穩定，即碳氮比趨于穩定。試驗地2002—2006年種植玉米，本研究結果表明，2006年（旱作）各施肥處理土壤碳氮比明顯高于其他年份（水作），表明土地利用方式和農田管理改變（如水旱變更）可迅速對土壤碳氮比產生影響，并迅速達到新的平衡。而一般研究認為相同區域旱地土壤碳氮比要低于水田[21]，本研究有所不同，其原因有待于進一步研究。

3討論

土壤有機碳含量的演變是一個長期復雜的過程，這一過程受諸多因素的影響，其中施肥尤其是施用有機肥是調控土壤有機碳含量的重要措施之一。本研究中，經歷19年的長期施肥（1995—2014年）之后，施用有機肥處理（M、0.5 MNPK和MNPK）土壤有機碳含量明顯高于單施化肥處理（N和NPK）和不施肥處理（CK），且化肥處理下土壤有機碳含量的年增長速率低于有機肥處理。與試驗起始年份（1995年）相比，2014年M、MNPK和0.5 MNPK處理土壤有機碳含量分別提高了13.7%、14.5%、7.8%，說明長期施用有機肥能夠顯著增加土壤有機碳含量，這與已有的文獻報道[12-13，22-24]是一致。這是由于有機肥的施用可以直接轉化為土壤中的有機碳，而且施肥可改善土壤的速效養分狀況進而促進作物生長，從而增加進入土壤的作物歸還量[25]。有研究表明，由于長期單施化肥能夠增加作物產量，地下部作物殘茬也相應增加，繼而導致施用化肥比無肥處理更高的 SOC含量[26]。本研究中，與試驗起始年份（1995年）相比，2014年CK、N、NPK處理土壤有機碳含量依次降低了7.6%、23.2%、6.8%，說明長期不施肥和單施化肥并不能夠增加土壤有機碳含量或只能保持土壤有機碳含量穩定。這與國內的其他研究結果[9，11，27]一致，這與試驗的區域生態氣候條件以及試驗土壤的本底值有關，當試驗前土壤有機碳含量低于最低平衡點時，施用化肥能夠增加土壤有機碳含量[28]。許詠梅研究表明，在新疆特殊的生態氣候條件下，長期施用化肥使作物增產而形成的殘茬碳不足以彌補灰漠土有機碳礦化造成的損失[11]，因此表現為下降趨勢[10]。趙麗娟等研究表明，無肥、單施氮肥下東北黑土有機質含量呈下降趨勢，說明對于高有機質含量的腐殖土，開墾后導致礦化增加，即使施肥也無法保持土壤有機質的水平[9，27]。張淑香等研究發現，連續30年單施化肥，東北黑土有機質含量呈緩慢下降趨勢，其他區域穩定緩慢上升[22]。

本研究中，1995—2006年土壤有機碳含量呈現下降趨勢，2006—2014年，各施肥處理土壤有機碳含量呈極顯著線性增加趨勢。這是由農田耕作制度的變更所致，2002—2006年期間試驗地由于缺水改為旱地，2007年又重新種植水稻。旱地通透性強，有利于土壤微生物的活動，從而造成了對土壤有機質的消耗，而改為水田后，淹水缺氧條件抑制了土壤微生物的活動，進而有利于土壤有機質的積累[13]；另一方面，改為水田后可能促進土壤的團聚作用，進而增加對土壤有機碳的保護作用，所以從2007年開始，有機碳含量開始呈現升高趨勢。國內其他學者的研究也表明相同條件下水田土壤有機碳含量均明顯高于旱地土壤[29-30]。

不同施肥處理對稻田土壤氮素含量有一定的影響，與土壤有機碳的演變規律大體相同。在1995—2006年期間，土壤全氮含量由于土地利用方式的改變有所降低。但2006—2014年，除CK處理和N處理外，其他各施肥處理的土壤全氮含量均呈顯著線性增長的趨勢，由于2007年旱地改為水田，土壤全氮水平起點不同，當土壤全氮含量低于最低平衡點時，長期不同施肥處理土壤全氮水平都有所升高，但是隨后幾年土壤全氮水平達到平衡點后，長期施用化肥處理土壤氮素含量雖呈增加趨勢，但年均增長速率較為緩慢，可以看出長期施用化肥對土壤氮素的積累作用不顯著，因為單獨施用化肥時，一部分化肥氮被作物吸收，而未被作物吸收的將通過揮發作用、硝態氮的淋洗等途徑損失，只有很少一部分化肥氮殘留于土壤中[31]。而有機無機肥配施可顯著提高土壤氮素的積累，這是因為有機質含量的提高有利于土壤微生物的生長，加強了氮素的礦化和硝化作用，從而促進土壤中氮的固定。

土壤碳氮比可反映土壤碳、氮的耦合關系，是評價土壤質量水平的一個重要指標。本研究中，至2014年，各施肥處理間土壤碳氮比差異不顯著，保持在12.3左右，表明碳氮比趨于穩定。說明施肥措施對表層土壤碳氮比的影響不顯著，這與駱坤等的研究結果[8，27，29]一致。2006年（旱作）土壤碳氮比明顯高于其他年份（水作），而一般研究認為相同區域旱地土壤碳氮比要低于水田[21]，其原因有待于進一步研究。土壤碳氮比主要與土壤有機質的腐殖化程度有關，新鮮有機物的碳氮比往往比較高，隨著腐殖化程度的提高碳氮比呈現下降趨勢，張春華等研究表明，在追求高產的前提下，碳氮的合理投入是維持土壤碳氮耦合平衡的關鍵，有機質越高的地區，隨氮素投入水平的提高，有機碳積累越困難，容易引起碳氮比的降低[32]。因此，在提高氮素投入水平的同時，還應注重碳氮的歸還水平，大力推廣增施有機肥和秸稈還田，以保持土壤碳氮比的穩定提高[33]，稻田土壤是一種長期淹水狀態下的熟化土，這可能是導致碳氮比值差異小的原因之一[28]。

4結論

不同施肥處理土壤總有機碳含量和全氮含量隨時間均呈顯著的線性增加趨勢，表明貴州黃壤性水稻土土壤有機質含量尚處于遠離飽和點的低水平狀態，具有較大的固碳潛力和固碳容量。單施化肥對土壤有機碳含量和全氮含量的提高作用比較小，單施有機肥或者有機無機肥配施可以顯著增加土壤有機碳含量和全氮的含量。施有機肥時配施氮肥更利于土壤固碳，施氮肥時配施有機肥更有利于土壤保氮，并維持適宜的碳氮比和碳氮耦合關系。

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