浙江省農(nóng)田土壤碳氮比特征及影響因素分析

謝國雄，樓旭平，阮弋飛，童小虎，徐 健

(1.浙江省杭州市植保土肥總站，浙江 杭州 310020；2.浙江省杭州市蕭山區(qū)農(nóng)科所，浙江 蕭山 311251；3.杭州市臨安區(qū)農(nóng)技推廣中心，浙江 臨安 311300)

碳和氮素是土壤有機質(zhì)的主要組分，它們也都是土壤生物化學循環(huán)的核心元素[1-2]。有機碳和氮素在土壤中的循環(huán)涉及物理、化學及生物學等過程，深受氣候條件、土壤性狀、施肥、利用方式等自然與人為因素的多重影響[3-7]，因此，不同地區(qū)與不同利用方式下的土壤中有機碳和氮的水平可有很大的變化[8-11]。由于兩者都是有機質(zhì)的主要組分，因此，土壤中有機碳與氮素存在一定的耦合關(guān)系和平衡關(guān)系，這種關(guān)系通?？捎脙烧咧g的相關(guān)性和碳氮比(C/N，土壤中有機碳與全氮的質(zhì)量比)來衡量[12-14]。研究表明，土壤中碳氮比與土壤質(zhì)量存在一定的聯(lián)系，合適的碳氮比可協(xié)調(diào)土壤有機質(zhì)中養(yǎng)分的釋放[15-17]，維持較高的土壤微生物活性；碳氮比還可影響土壤的固碳、固氮能力。一些調(diào)查與定位試驗表明[18-22]，土壤碳氮比也受氣候、成土母質(zhì)、土壤類型、地形地貌和土地利用方式等因素的影響。但以往有關(guān)土壤有機碳和氮素的關(guān)系及碳氮比的研究多集中在小尺度內(nèi)或具體的田間試驗中，缺乏大樣品的綜合分析。本文利用浙江省各地(市、縣、區(qū))近期地力調(diào)查的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，探討了浙江省農(nóng)田土壤有機碳與全氮的關(guān)系、碳氮比的變化特征及其與地形、土壤類型、土壤質(zhì)地等的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

浙江省位于北緯27°01′～31°10′和東經(jīng)118°01′～123°08′之間，年均氣溫16～19 ℃，年均降水量1200～1800 mm，具有七山一水二分田的地貌特點。當前省域內(nèi)種植制度北部以冬小麥(油菜)—單季稻為主，南部以早稻—晚稻為主。區(qū)內(nèi)水田主要分布在水網(wǎng)平原、濱海平原、河谷平原，在丘陵和山地也有少量分布。農(nóng)田土壤類型主要為水稻土，其亞類包括潴育水稻土、淹育水稻土、滲育水稻土、潛育水稻土和脫潛水稻土。

1.2 土壤采集與測試

土壤樣品按照《全國耕地地力調(diào)查與質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)程》于2008年前后采集，每一樣點采用多點混合的方法采集，采樣深度為0～20 cm，共25753個樣品。采用油浴加熱重鉻酸鉀氧化—容量法測定有機碳；用半微量凱氏法測定全氮[23]。土壤C/N、有機碳與全氮間的相關(guān)性采用Pearson 相關(guān)系數(shù)，統(tǒng)計分析在SPSS(Version 22)中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)田土壤有機碳與全氮的關(guān)系

據(jù)25753個分析樣品的統(tǒng)計，浙江全省農(nóng)田土壤有機碳含量為0.99～47.97 g/kg，平均為17.32 g/kg，變異系數(shù)為37.02%；土壤全氮在0.11～6.08 g/kg，平均為1.78 g/kg，變異系數(shù)為39.11%；兩者均屬中等程度的變化。相關(guān)分析表明，全省全部農(nóng)田土壤樣品的有機碳與全氮呈明顯的線性關(guān)系，兩者的相關(guān)系數(shù)高達0.8236。表1為根據(jù)土壤質(zhì)地類別、地貌類型和土壤類型分別統(tǒng)計的土壤有機碳與全氮的相關(guān)結(jié)果，從中可知，無論是不同質(zhì)地的農(nóng)田，還是不同地貌類型的農(nóng)田或不同土壤類型的農(nóng)田，土壤有機碳與全氮都呈現(xiàn)顯著的相關(guān)性，它們的相關(guān)系數(shù)多在0.75以上。這一結(jié)果表明，浙江省農(nóng)田土壤有機碳與全氮存在較為穩(wěn)定的線性關(guān)系，是普遍現(xiàn)象。

表1 不同類別農(nóng)田土壤有機碳、全氮與C/N比之間的相關(guān)性(相關(guān)系數(shù))

2.2 農(nóng)田土壤C/N比的特征

據(jù)25753個樣品統(tǒng)計，浙江全省農(nóng)田土壤C/N比在3～30之間變化，中值為9.66，平均為10.13，變異系數(shù)為28.92%。圖1為全省農(nóng)田土壤C/N比的頻率分布情況，從中可知，全省農(nóng)田土壤C/N比主要分布在8～11之間，占比為61.23%；土壤C/N比在6～13之間的農(nóng)田土壤占總樣本數(shù)的90.61%，可見，絕大多數(shù)農(nóng)田土壤的C/N比在6～13之間，只有少數(shù)農(nóng)田土壤的C/N比低于6和高于13。

圖1 農(nóng)田土壤C/N比的頻率分布

2.3 影響農(nóng)田土壤C/N比的因素分析

表2為根據(jù)土壤質(zhì)地類別、地貌類型和土壤類型分別統(tǒng)計的土壤C/N比結(jié)果。從中可知，各類別農(nóng)田土壤的C/N比的平均值在9.78～11.94之間變化，各組內(nèi)的C/N比變異系數(shù)基本上在25%～40%之間。但從平均值看，不同類別之間也存在一定的差異。由砂土至粘土，隨著土壤粘粒的增加，農(nóng)田土壤C/N比平均值呈現(xiàn)下降的趨勢，表明相對于有機碳，粘粒含量對維持土壤氮素的穩(wěn)定更為重要，即粘粒對土壤氮素的固定或穩(wěn)定比對土壤有機碳更為重要。不同土壤類型農(nóng)田的C/N比基本上呈以下變化：新造水田>潛育型水稻土>淹育型水稻土>脫潛型水稻土>潴育型水稻土、滲育型水稻土。新造水田和淹育型水稻土是種植水稻時間較短的水稻土，潛育型水稻土和脫潛型水稻土是滯水較明顯的水稻土，而潴育型水稻土和滲育型水稻土(特別是潴育型水稻土)是種植水稻時間較長的水稻土。由上述各組C/N變化大致可以推測：隨著水稻種植時間的增加，土壤C/N呈現(xiàn)下降的趨勢，而排水良好的土壤的C/N比較滯水土壤低。從不同地貌區(qū)農(nóng)田土壤C/N比來看，高丘農(nóng)田土壤的C/N比較高，其次為低丘陵大畈和河谷平原大畈，其他農(nóng)田土壤的C/N比相對較低。高丘農(nóng)田土壤的C/N比較高可能與這一區(qū)域的農(nóng)田開發(fā)歷史、種植水稻時間較短有關(guān)，因為高丘農(nóng)田多由原林地開墾形成，而林地土壤(缺乏氮肥的投入)的C/N比較高，開發(fā)歷史較短的農(nóng)田尚殘留林地土壤的有機質(zhì)組成特點。

表2 不同類別農(nóng)田土壤C/N比及其變化

從表1不同類別農(nóng)田土壤有機碳、全氮與C/N比之間的相關(guān)性可知，土壤碳氮比與土壤有機碳的相關(guān)性較小，但碳氮比與全氮存在明顯的負相關(guān)。這種相關(guān)性不僅體現(xiàn)在全部樣品的統(tǒng)計上，在不同類別組的農(nóng)田土壤統(tǒng)計中也體現(xiàn)了這種關(guān)系。這一結(jié)果表明，土壤氮素的空間變化對土壤C/N比的影響比有機碳更為明顯。

3 討論

土壤有機碳與全氮比值(C/N)是土壤質(zhì)量的敏感指標，其可通過影響土壤微生物的活性而影響土壤中有機碳和氮的循環(huán)。農(nóng)田土壤C/N比是農(nóng)田有機碳、氮輸入與輸出長期平衡的結(jié)果，并與輸入的有機物質(zhì)的組分、氮肥的施用、土壤的性狀和土地利用方式等有關(guān)[17,24,25]；農(nóng)田土壤的C/N普遍低于林地和草地[26-27]。施入土壤的有機物質(zhì)一般具有較高的C/N比，但進入土壤后其通過微生物的分解C/N逐漸下降。禾本科作物的莖稈的碳氮比較高，可以達到(60～100)∶1；豆科作物的莖稈的碳氮比較低，多在(15～20)∶1。微生物在分解有機物時，同化5份碳約需要同化1份氮來構(gòu)成它自身細胞體，因為微生物自身的碳氮比大約是5∶1，而在同化1份碳時需要消耗4份有機碳來取得能量，所以微生物吸收利用1份氮時需要消耗利用25份有機碳。也就是說，微生物對有機質(zhì)的正常分解的碳氮比為25∶1。如果碳氮比過大，微生物的分解作用就慢，有機碳消耗也較多。正是由于進入土壤的有機物質(zhì)主要是通過微生物的作用來實現(xiàn)降解，因此，通過微生物長期作用形成的有機物質(zhì)(多為腐殖質(zhì))中有機碳與氮素的比例較為穩(wěn)定，且C/N比明顯低于輸入的有機物質(zhì)的。但輸入物質(zhì)中有機碳與氮素的相對比例仍然可在一定程度上影響土壤中有機碳與氮素的比例，即輸入物中有機碳與全氮比例較高的農(nóng)田其土壤有機碳與全氮的比例一般也較高。因此，區(qū)域農(nóng)田土壤的C/N比在一定程度上也可反映土壤有機物質(zhì)與氮素的平衡狀況，高量施用氮肥可降低土壤C/N比。我國文獻報道的農(nóng)田土壤C/N比也有較大的變化，但從平均來看，基本上在8～12之間[15-22,26]。本研究的浙江省農(nóng)田土壤C/N比在3～30之間變化，中值為9.66，平均為10.13；60%左右的農(nóng)田土壤碳氮比在8～11之間，90%左右的農(nóng)田土壤C/N比在6～13之間?？梢姡憬∞r(nóng)田土壤的碳氮比基本上與國內(nèi)其他區(qū)域相似。其中，全省農(nóng)田土壤C/N比的平均值(10.13)可以看作為浙江省農(nóng)田土壤C/N比的特征值，土壤碳氮比在8～11之間基本上可以看作為浙江省農(nóng)田土壤C/N比的平衡值，而C/N比為6～8和11～13可以認為是準平衡值；而少量農(nóng)田土壤C/N比偏離這一范圍(即小于6和大于13)可認為這些農(nóng)田因種植水稻時間較短或施入農(nóng)田土壤的有機物質(zhì)及肥料分解/礦物還沒有達到平衡的狀態(tài)。

一般來說，土壤C/N比可反映土壤肥力的水平，肥力較高的農(nóng)田土壤C/N比較低，相應(yīng)地C/N比較高的農(nóng)田，其肥力較低。浙江省農(nóng)田土壤C/N比多在6～13之間，且平均值為10.13，基本上可以認為這一地區(qū)土壤肥力較高，精耕細作水平較高，有機肥料與化學肥料配合施用較為協(xié)調(diào)。已有研究表明，過高或過低的土壤C/N比，對生態(tài)環(huán)境是十分不利的。土壤中有機碳的分解受土壤微生物的活性的影響，高肥力土壤因C/N較低、微生物活性較高，土壤中有足夠的氮供微生物消耗，微生物同化同重量的氮需要消耗更多的碳，礦化有機碳/礦化有機氮之比較低；而微生物在充足的氮素影響下，需要加入更多的碳才能維持活性，因而會加速土壤原有碳和新鮮的有機碳的分解礦化，土壤有機質(zhì)分解礦化速度隨之加快，不僅有機碳總量下降，而且輕組有機碳量的減少大大超過重組碳，使難氧化有機碳含量上升，土壤有機質(zhì)老化，不利于有機質(zhì)在土壤中的累積，而可能會引起碳的凈釋放。

由于陸地生態(tài)系統(tǒng)中的氮儲存于土壤有機質(zhì)庫中，因此土壤有機碳的變化與土壤氮的變化緊密聯(lián)系。大量無機氮肥的施用引起C/N降低，對土壤氮循環(huán)的影響也是通過對微生物活性的影響而發(fā)生的，C/N降低為微生物提供更多的能量，微生物的活性提高；而有機質(zhì)礦化時會釋放更多的無機氮，雖然這可促進作物的吸收利用，但由于無機氮在土壤中很難累積，也可引起氮素通過淋溶和反硝化過程而損失，從而污染地下水和河流。

第二次土壤普查浙江全省水田土壤(26848個樣品)的C/N比主要在9～10之間，平均為9.73[27]，可見雖然近30多年來浙江省氮肥施用量有明顯上升，但土壤碳氮比并沒有下降，反而出現(xiàn)輕微的上升，這一方面可能與本地區(qū)農(nóng)田土壤C/N比已基本達到平衡狀態(tài)有關(guān)，要進一步增加土壤氮素需同時增加秸稈還田、增施有機肥。另一方面也表明，近30年浙江省農(nóng)田大量化肥的投入除被植物生長正常吸收外，還有相當比例的肥料氮并沒有積累在土壤中，而是進入了環(huán)境。

4 結(jié)論

浙江省農(nóng)田土壤C/N比多在6～13之間，且平均值為10.13，表明該省農(nóng)田土壤肥力較高，有機肥料與化學肥料配合施用較為協(xié)調(diào)；農(nóng)田土壤C/N比隨粘粒的增加而下降，并與土壤全氮呈負相關(guān)；土壤的C/N由高至低依次為新造水田>潛育型水稻土>淹育型水稻土>脫潛型水稻土>潴育型水稻土、滲育型水稻土。近30年氮肥投入的增加并沒有降低土壤C/N，表明浙江省農(nóng)田土壤碳氮基本接近平衡，過多的氮肥施用已難以被土壤固定，卻可增加氮素的流失，對環(huán)境產(chǎn)生負面影響。