長期施肥對紅壤稻田剖面土壤碳氮累積的影響

陳春蘭, 陳安磊, 魏文學, 張文釗, 傅心贛, 周華軍, 秦紅靈

(1.中國科學院 亞熱帶農業生態研究所 亞熱帶農業生態過程重點實驗室, 長沙 410125;2.中國科學院 桃源農業生態試驗站, 湖南 桃源 415700; 3.桃源縣農業技術推廣中心雙溪口站, 湖南 桃源 415700)

稻田土壤是人為濕地土壤，表層土壤有機碳含量及碳儲量普遍高于旱地土壤[1-3]，是我國當前固碳趨勢明顯和固碳潛力較大的人為耕作土壤[4]，稻田土壤每年植物殘體及根系歸還量以及濕地環境可能是我國稻田土壤有機碳含量普遍偏高的主要原因。近年來，秸稈還田推動了土壤有機碳含量增加速率[5-6]。為保證水稻高產，大量氮肥施用使我國稻田系統出現供氮量提高的趨勢[7-8]，也成為土壤氮儲量增加以及土壤氮素淋失的主要原因。長期有機物循環利用(含稻草還田)顯著提高紅壤性稻田土壤耕層有機碳及全氮含量，有機肥配施化肥處理對提高耕層土壤碳氮儲量作用顯著[9-10]。在連續3 a的短期研究中，即使采取不同的耕作制度，秸稈還田條件下的表層土壤有機碳及全氮含量顯著高于秸稈不還田處理[11]。不管是秸稈還田還是化肥的施用，不僅影響表層土壤碳氮儲量，同時對剖面土壤碳氮儲量也造成不同影響。秸稈與化肥配合施用使烏柵土和紅壤性水稻土剖面有機質及全氮含量均明顯高于單施化肥或不施肥處理，并且紅壤性水稻土長期施用秸稈有增加土壤腐殖質下移的趨勢[12]。有研究[13]也顯示增施有機肥和秸稈還田能顯著提高水稻土0—30 cm土層碳儲量，雖對氮儲量的影響不顯著，但長期不同施肥對碳氮儲量的影響有向深層土壤延伸的趨勢。徐虎等[14]研究結果也證明長期施用化肥和化肥配施秸稈處理使紅壤剖面0—40 cm碳儲量有所耗竭，氮儲量則無明顯影響，但明顯增加了40—100 cm土層有機碳和全氮儲量。長期在化學氮磷鉀肥的基礎上增施有機肥(包括秸稈還田)雖然增強土壤肥力，但提高了土壤氮盈余量，提高氮素淋失風險[15]。以往配施有機肥(包括秸稈還田)的研究多是在原化肥施用量基礎之上進行的，在長期秸稈還田配施減量化肥的管理措施對土壤剖面碳氮含量累積的研究報道較少。并且，根據前人研究結果可以推測從土壤碳氮儲量角度分析，秸稈還田配施減量化肥措施對減少化肥使用，提高土壤質量有一定積極作用。

本研究基于中國生態系統研究網絡中國科學院桃源農業生態試驗站長期施肥試驗，在已有監測結果減量化肥配以秸稈還田(撩穗留茬)處理水稻產量與高量化肥處理無顯著差異的前提下[16]，探討減量化肥配以秸稈還田與高量化肥處理對水稻土剖面有機碳氮儲量的影響，從另一個角度為合理施肥提供數據分析。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗地位于中國科學院桃源農業生態試驗站內(28°55′49.8″N，111°26′25.7″E)，是中國生態系統研究網絡(CERN)長期監測樣地。該地年均氣溫16.5℃，年均降雨量1 440 mm，日照時數1 520 h。供試土壤為第四紀紅色黏土發育的水稻土，種植制度為雙季稻和冬閑模式。為完善中國生態系統研究網絡樣地設置要求，2004年建立該試驗地。設置3個處理：(1) 不施肥(CK)，且收獲物移出稻田系統，作為研究對照；(2) 大量施用氮磷鉀化肥(NPK)，收獲物移出稻田系統，代表本地區域高產高投入施肥模式；(3) 優化施肥(OF)，在高量施肥基礎上減氮磷少鉀肥并配施稻草還田(本田撩穗留茬)，代表區域優化施肥模式，監測試驗始于2005年。每個處理小區面積為7.0 m×14.3 m，按樣地左中右分3個區作為重復，2015年晚稻收獲后每個分區用荷蘭鉆分層采集3～4個樣品混勻(0—20,20—40,40—60,60—80 cm)，同時采集容重。施肥情況見表1，其中秸稈還田量為2005—2015年年均還田秸稈量。

表1 不同施肥處理年均化肥(折純量)及秸稈投入量 kg/hm2

1.2 試驗方法

土壤樣品風干后過100目篩，測定有機碳及全氮。土壤有機碳用硫酸—重鉻酸鉀外加熱容量法，全氮用濃硫酸(催化劑)—流動注射儀測定。土壤容重采用環刀法取樣，105℃烘干測定[17]。

1.3 數據分析

土壤有機碳(全氮)儲量采用等體積法計算，計算公式為：SOCS=(Ci×ρi×Ti)×10-1。式中：SOCS為特定深度的土壤有機碳儲量(t/hm2)；Ci為第i層土壤的有機碳含量(g/kg)；ρi為第i層土壤容重(g/cm3)；Ti為第i層土壤厚度(cm)。同理計算土壤氮儲量。

采用Excel和DPS分別對數據進行作圖和統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理土壤有機碳及全氮含量變化

由圖1可以看出，隨著土層深度的增加，土壤有機碳和全氮均存在下降趨勢。方差分析顯示(圖1A)，不施肥(CK)處理在0—20 cm，20—40 cm有機碳含量差異不顯著(p>0.05，下同)，均顯著大于40—60 cm,60—80 cm土壤有機碳含量(p<0.05，下同)；高量施化肥(NPK)處理和優化施肥(OF)處理表層土壤有機碳均顯著大于次表層，次表層顯著大于40—60 cm土層，而NPK處理60—80 cm土層有機碳含量未顯著降低，OF處理則呈現顯著降低趨勢。各處理土壤全氮含量在40—60 cm和60—80 cm土層趨于穩定變化，無顯著降低趨勢(圖1B)。0—60 cm各土層處于顯著降低趨勢，說明全氮含量所受影響主要集中在0—40 cm土層。

經過11 a長期不同施肥管理，各處理表層(0—20 cm)土壤有機碳含量呈現顯著差異，由大到小順序為：OF>NPK>CK；20—80 cm土層，各處理有機碳含量無顯著差異。表層全氮含量同有機碳含量變化略有差異，NPK處理土壤全氮含量大于OF處理，但差異不顯著，而兩處理均顯著大于CK處理，分別是CK處理的1.46，1.38倍。

與試驗初期相比(圖1)，0—20 cm耕層，CK處理土壤有機碳及全氮含量分別降低了12.3%，19.0%，NPK處理分別增加了12.8%，18.9%，OF處理分別增加了28.2%，12.1%；其余層次各處理土壤有機碳及全氮含量均有增加，且在20—40 cm處，增量最大，CK，NPK和OF處理有機碳分別增加了61.3%，78.4%，64.7%；全氮含量分別是試驗初期的1.50，1.68，1.45倍。

注：圖中小寫字母表示各層不同處理間差異情況，大寫字母表示各處理不同層次間差異情況(p<0.05)，下同。

以上說明，長期施肥管理增加了紅壤水稻土表層土壤有機碳和全氮含量，在20—40 cm土體對有機碳和全氮的積累更為明顯。表層土壤有機碳及全氮含量對不同施肥處理更為敏感。

2.2 不同施肥處理土壤有機碳儲量變化

各處理土壤有機碳儲量在土壤垂直方向上分布特征與有機碳分布特征相同，含有秸稈還田的OF處理土壤有機碳儲量隨深度加深有顯著下降趨勢，CK和NPK處理40—60 cm和60—80 cm 兩土層雖呈下降趨勢，但差異不顯著。

圖2 長期不同施肥處理下0-80 cm各層土壤有機碳儲量

與試驗初期相比，經過長期水稻種植，土壤碳儲量在各土層均有所增加(圖2)，其中NPK和OF處理增加更為明顯。表層土壤中CK處理土壤有機碳儲量略有增加(增加了3.7%)，NPK和OF處理增量分別為39.7%，51.7%。各處理土壤碳儲量相對試驗初始碳儲量變化量在剖面中呈先增后減的趨勢(圖3)，其中20—40 cm土層各處理碳儲量含量相對增量最大，分別為60.4%，65.6%，59.5%。

11 a不同施肥制度下，各處理表層土壤碳儲量差異顯著(p<0.05，圖2)，含量高低順序為：OF>NPK>CK；20—80 cm土層以NPK處理碳儲量含量最高，但各處理間差異不顯著。

由此說明，長期水稻種植對不同層次土壤有機碳儲量具有增加作用(碳匯)，在20—40 cm土體中碳儲量增幅最大，OF處理更顯著增加表層土壤有機碳儲量，NPK處理對深層土壤碳儲量增加較多。

圖3 不同施肥處理0-80 cm各土層有機碳儲量相對變化量

2.3 不同施肥處理土壤全氮儲量變化

長期不施肥使水稻土表層土壤中全氮儲量有所下降(圖4)，降低了4.8%。NPK和OF處理使表層土壤全氮儲量分別增加了34.3%，31.9%。各處理在20—40 cm土層土壤全氮儲量增幅最大(圖5)，分別為49.7%，55.2%，40.6%。總體上全氮儲量增量在剖面中也呈先增后減的趨勢。

圖4 長期不同施肥處理下0-80 cm各層土壤全氮儲量

圖5 不同施肥處理0-80 cm各土層全氮儲量相對變化量

施肥措施累積效應導致NPK與OF處理間表層土壤全氮儲量無顯著差異，均顯著高于CK處理。20—40 cm土層處理間無顯著差異；40—80 cm土層，NPK處理全氮儲量顯著大于OF和CK處理，而OF與CK處理中全氮儲量相近。

由此說明，長期不施肥使水稻土表層氮儲量降低，OF處理只顯著影響表層土體中氮儲量，NPK處理顯著影響0—80 cm各土層氮儲量。

2.4 不同施肥處理0-80 cm土體碳氮總儲量

11 a的施肥處理均增加了水稻土0—80 cm土體有機碳氮儲量(表2)，并且NPK處理增加量最大。與試驗初期相比，CK，NPK和OF處理土體有機碳儲量分別增加了22.5%，53.2%，36.8%。而3種施肥處理間有機碳儲量無顯著差異(p>0.05)。

3種施肥處理0—80 cm土體全氮儲量比試驗初始分別增加12.0%，56.3%，25.1%。并且高量施肥NPK處理土體全氮儲量顯著大于CK及OF處理(p<0.05)。

表2 長期不同施肥處理下0-80 cm土體有機碳和全氮儲量 t/hm2

2.5 不同施肥處理水稻土有機碳儲量和全氮儲量關系

對不同施肥處理水稻土剖面有機碳和全氮儲量進行相關分析，結果表明，紅壤水稻土有機碳和全氮儲量存在極顯著正相關關系(y=11.644x-0.8737，R2=0.9759)，見圖6。根據土壤碳氮比情況來看(圖7)，隨著土層加深，碳氮比略有下降趨勢，但不顯著；并且11 a的不同施肥處理未顯著影響各土層中碳氮比。總體來看，有秸稈還田的OF處理碳氮比較大，而高量氮肥NPK處理碳氮比較小，且低于CK處理。說明秸稈還田處理有利于增強碳氮比的趨勢，大量氮肥施用有減小土壤碳氮比趨勢。

圖6 不同施肥處理下紅壤水稻土有機碳儲量和全氮儲量的相互關系

圖7 不同施肥處理紅壤水稻土土壤碳氮比隨深度的變化

3 討 論

施肥是影響土壤碳氮水平的重要因素之一。大量研究表明長期施用無機肥和有機肥均能提高土壤有機碳水平，并且對有機碳含量的影響主要表現在土壤耕作層[18-19]。本研究也發現，表層土壤有機碳對不同施肥處理表現更為敏感，在不同處理間存在顯著差異，而表層以下各處理間無顯著差異。這可能原因是表層是作物根系、土壤微生物與土壤營養元素作用最活躍的土壤層次，受施肥所帶來的養分含量差異直接影響最大。本研究中OF處理秸稈還田增加了土壤有機碳的輸入，與土壤表層的碳固定直接相關[20-21]，是表層土壤有機碳含量顯著高于NPK處理的直接原因。馬力等[22]在紅壤水稻土秸稈還田對土壤有機碳含量的研究中也發現，秸稈還田處理在0—20 cm土層對有機質的累積作用優于僅施化肥處理。孔毅明等[13]在施肥對稻田土壤碳氮含量研究中發現秸稈還田能顯著提高土壤耕層碳含量，而對30 cm以下土層影響很小。NPK處理表層有機碳含量顯著高于不施肥處理，這可能因為NPK處理充足的養分條件使水稻生物量顯著大于CK處理，每年歸還土壤的凋落物及根系殘留量顯著大于不施肥處理[16]。本研究中各處理土壤全氮含量也只在表層表現出顯著差異，并且高量氮肥NPK處理全氮含量大于少氮+秸稈還田的OF處理，但差異不顯著，說明還田秸稈在微生物的分解作用下可以適當補充土壤全氮含量。以往研究也證實在施用氮磷鉀肥基礎上添加秸稈還田能顯著增加表層土壤全氮含量[23]。因為秸稈還田后其水解產物大部分轉化為固態氮，使土壤本身儲存的氮礦化分解速度降低，從而增加了土壤全氮的含量[24]。秸稈還田在提高土壤有機碳及全氮上起著重要作用，有研究[25]發現不同形式的秸稈還田均能顯著提高土壤有機碳和全氮含量。

土壤碳氮儲量由土體有機碳、全氮含量及土壤容重計算而來。大量研究結果顯示，土壤有機碳、全氮及其儲量均隨土層深度的增加而呈降低趨勢[12,14,26]，并在40 cm以下降幅逐漸減小[27-28]。本研究也得到類似結果，經過11 a不同施肥處理后，土壤碳氮含量及其儲量均隨土層深度加深而下降，除OF處理有機碳含量和碳儲量外，其他處理及指標在40 cm以下已無顯著差異。李晨華等[29]在施肥對綠洲農田土壤剖面有機碳組分影響研究中發現，化肥配施秸稈處理促進土壤有機碳含量增加，在深層土壤中也有一定增幅，而單施化肥的處理在深層土壤中SOC存在下降趨勢。并且值得注意的是，本研究中40—80 cm土層，高量化肥處理土壤全氮儲量顯著大于CK及OF處理，這說明高量施用化肥使氮素在向土體深處遷移，增大土體氮素儲量的同時也增大氮素淋失風險，這也給以往高量氮肥施用導致地下水硝酸鹽含量偏高的研究結論提供了數據支持[30-32]；同時該處理SOC含量也略高于其他處理(p>0.05)，即使在表層中含量顯著低于OF處理，這可能是高量化肥處理使表層土壤對DOC等可溶性碳的吸附能力小于減量化肥配以秸稈還田處理，使可溶性碳向深土層運移[33-34]；換而言之，減量施肥配以秸稈還田的管理措施可能對土壤碳氮元素均具有表聚效果，從而減少碳氮向深土層遷移風險。

與試驗初期相比，不施肥處理(CK)表層土壤有機碳、全氮和氮儲量均有降低。一方面可能是，水稻根系主要分布于表層，對表層土壤可溶性有機碳及氮素的吸收利用使碳氮含量降低，另一方面是亞熱帶地區適宜的水熱條件使表層土壤有機碳及氮素礦化分解，向下層土壤遷移，本研究中20—80 cm土層不施肥處理碳氮含量及其儲量均大于試驗初始土壤含量。而不施肥處理表層碳儲量大于初始含量可能是由水稻根系殘留帶入有機碳[9]和長期不施肥使表層土壤容重增加(由0.892 g/m3增加到1.07 g/m3)等綜合因素引起。徐虎等[14]在紅壤旱地中的研究結果與本結果有所差異，經過24 a的不施肥處理，0—100 cm各層有機碳儲量均有不同程度降低，全氮儲量在40—100 cm各土層表現出累積趨勢，這可能與水田和旱作不同土地利用方式相關。另外，長期施肥增加了0—80 cm土層有機碳、全氮及其儲量，也說明施肥對碳氮儲量的影響有向深層土壤延伸的趨勢[13]。本研究結果發現，與試驗初期相比，不管是施肥或不施肥處理，20—40 cm土層碳氮含量及儲量增幅均最大。這說明紅壤水稻土20—40 cm土層對碳氮儲蓄具有巨大潛力。長期施肥對土壤剖面碳氮含量的影響是作物、土壤、肥料與土壤中小動物及微生物等因素綜合作用的結果，周建斌等[35]在旱地施肥定位試驗中也發現施肥對20—40 cm土層土壤各種養分均有提高作用。

土壤碳氮比可以反映土壤碳氮耦合關系，是反映土壤有機碳分解的一個指標。喬云發等[36]基于長期施肥定位試驗的研究結果表明，在0—100 cm土壤剖面中，土壤全碳和全氮的形成與遷移是同步的，具有較好的線性相關。本研究也有相似的結果，從0—80 cm土壤剖面來看，有機碳和全氮儲量存在極顯著正相關關系。各處理碳氮比雖存在差異，但不顯著。總體上，秸稈還田OF處理碳氮比較大，而高量氮肥NPK處理碳氮比較小，且低于CK處理。因為秸稈本身含有較高的碳氮比，分解消耗土壤氮素，使秸稈還田處理碳氮比含量較高[14]；較高的氮素輸入通常會加速土壤微生物對土壤有機碳的礦化[37]，使土壤有機碳積累相對較慢，并且本研究也發現高量化肥處理土體中土壤全氮含量高于其他處理，說明高量氮素的添加使土壤氮素累積速度明顯高于其他處理，從而造成較低的土壤碳氮比；長期不施肥，無外源氮的輸入，并且作物帶走部分土壤氮素，使土壤微生物所需的有效氮含量不足而延緩土壤有機碳的周轉[38-39]，從而使土壤碳氮比處于相對較高水平。隨著土層加深，碳氮比略有下降趨勢，但不顯著，有研究[13]也得出類似結論，這可能與稻田土壤是一種長期處于淹水狀態下的熟化土有關。

4 結 論

(1) 11 a長期定位施肥后，紅壤水稻土0—80 cm土壤剖面，土壤碳、氮含量及其儲量均隨深度加深呈下降趨勢。其中減量化肥配施秸稈還田使有機碳含量及其儲量隨深度呈現顯著下降趨勢，而不施肥及只施化肥處理在40—60 cm和60—80 cm土層隨深度差異不顯著。各處理全氮含量及其儲量在40—60 cm和60—80 cm土層隨深度差異不顯著。

(2) 紅壤稻田土壤有機碳、全氮及碳氮儲量對長期不同施肥措施的響應在表層更靈敏。長期不同施肥處理使土壤有機碳、全氮及其儲量在0—20 cm有顯著差異，20—80 cm各層次處理間無顯著差異。

(3) 高量施用化肥使氮素在向土體深處遷移，增大土體氮素儲量的同時也增大氮素淋失風險。在40—80 cm土層，高量化肥處理土壤全氮儲量顯著大于CK及OF處理。

(4) 在20—40 cm土層碳氮累積速率最大，并有向深層累積的趨勢。長期水稻種植各處理均增加了水稻土0—80 cm土體有機碳氮總儲量，并且NPK處理增加量最大。

(5) 0—80 cm土體中，紅壤水稻土有機碳和全氮儲量存在極顯著正相關關系(y=11.644x-0.8737，R2=0.9759)。長期施肥結果顯示秸稈還田有利于增加土壤碳氮比，大量氮肥施用有減小土壤碳氮比趨勢。