長(zhǎng)期施肥紅壤性稻田和旱地土壤有機(jī)碳積累差異

李文軍，黃慶海，李大明，柳開(kāi)樓，葉會(huì)財(cái)，肖國(guó)濱，張文菊，徐明崗*

（1 江西省紅壤研究所/江西省紅壤耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西南昌 330046；2 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/耕地培育技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3 湖南文理學(xué)院洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)與發(fā)展湖南省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南常德 415000）

農(nóng)田土壤碳庫(kù)是陸地生態(tài)系統(tǒng)最為活躍的碳庫(kù)，提升農(nóng)田土壤總有機(jī)碳 (total organic carbon,TOC) 固存是溫室氣體減排的重要途徑[1]。施肥對(duì)農(nóng)田土壤TOC的固存與穩(wěn)定有深刻影響，基于長(zhǎng)期試驗(yàn)的研究表明，施有機(jī)肥可促進(jìn)土壤TOC的積累，但其影響程度與供試土壤的飽和固碳容量密切相關(guān)[2-3]；施化肥對(duì)土壤TOC的積累可能無(wú)明顯影響[4]，或產(chǎn)生明顯的促進(jìn)[3]、抑制[5]效應(yīng)，施化肥后土壤TOC積累動(dòng)態(tài)的這種不確定性變化應(yīng)與試驗(yàn)土壤類(lèi)型及其利用方式等的差異密切相關(guān)。土壤TOC由一系列活性和功能各異的有機(jī)碳庫(kù)組成，因此，協(xié)同分析土壤TOC及其組分的積累特征是深入認(rèn)知土壤有機(jī)碳固持與穩(wěn)定機(jī)制的基礎(chǔ)[1]。根據(jù)周轉(zhuǎn)或穩(wěn)定性質(zhì)的差異，土壤TOC?？伤峤夥蛛x為活性和惰性有機(jī)碳，土壤活性有機(jī)碳周轉(zhuǎn)時(shí)間短，可靈敏地指示土壤TOC質(zhì)量的變化；相反，土壤惰性有機(jī)碳分解緩慢，決定著土壤有機(jī)碳的儲(chǔ)備和長(zhǎng)期穩(wěn)定[6-7]。施肥等措施引起土壤TOC量上的變化實(shí)質(zhì)上是相應(yīng)條件下土壤不同功能碳庫(kù)量變化的綜合反映，謝鈞宇等[7]研究表明，施有機(jī)肥后復(fù)墾褐土TOC固存量的增加源自各有機(jī)碳庫(kù)固存量的增加，且以惰性有機(jī)碳固存量增加的貢獻(xiàn)較大；Dou等[4]的研究則顯示，長(zhǎng)期施化肥對(duì)黑土TOC的積累幾乎無(wú)影響，這是因?yàn)槭┗孰m增加了黑土惰性有機(jī)碳的儲(chǔ)量，但卻使黑土活性有機(jī)碳儲(chǔ)量發(fā)生近乎對(duì)等程度的虧損。由于受氣候、土壤母質(zhì)和耕作等諸多因素的影響，相同施肥措施對(duì)土壤TOC及其組分積累的影響在不同區(qū)域、不同土壤類(lèi)型上存在明顯差異，因此探究不同條件下施肥對(duì)土壤有機(jī)碳積累的影響仍是土壤固碳研究的重要內(nèi)容。

紅壤是我國(guó)南方重要的土壤資源，自然紅壤具酸、黏、貧等不良特性，施肥是提升紅壤肥力及固碳能力的重要措施[8]。植稻和旱作是紅壤的主要利用方式，稻田和旱地在農(nóng)藝管理及土壤特性上的差異深刻影響土壤有機(jī)碳的積累與穩(wěn)定[9]。一般認(rèn)為，植稻比旱作更有利于土壤TOC的累積[10]，但對(duì)該差異在不同碳組分中的表現(xiàn)特征關(guān)注較少[11]，這關(guān)乎施肥條件下稻田土壤固存碳可否穩(wěn)定存在的科學(xué)問(wèn)題。當(dāng)前，多數(shù)研究聚焦于探究長(zhǎng)期施肥下單一利用方式紅壤的固碳效應(yīng)[12-13]，在探究施肥或不同利用方式影響下紅壤有機(jī)碳積累動(dòng)態(tài)時(shí)，更多的是聚焦于易氧化有機(jī)碳、溶解性有機(jī)碳等某幾個(gè)具體的土壤活性碳組分[9,14]，這不利于協(xié)同分析土壤不同功能碳庫(kù)的變化特征及量化其與土壤TOC積累間的關(guān)系[15]，且鑒于不同試驗(yàn)間供試土壤的成土特性等存在較大差異，相關(guān)研究結(jié)果不利于精準(zhǔn)指導(dǎo)成土母質(zhì)相同的紅壤性稻田和旱地土壤的培肥固碳實(shí)踐?；诖耍狙芯恳劳虚L(zhǎng)期定位試驗(yàn)平臺(tái)，結(jié)合土壤碳分組，量化分析長(zhǎng)期施肥下成土母質(zhì)相同的紅壤性稻田和旱地土壤TOC及其組分積累特性與差異，以期為提升紅壤碳匯及優(yōu)化紅壤培肥提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

長(zhǎng)期試驗(yàn)位于江西省紅壤研究所內(nèi) (116°20'24"E、28°15'30"N)，該地處于中亞熱帶季風(fēng)性氣候區(qū)，年均降水量1 537 mm，多年平均氣溫18.1℃。供試土壤為紅壤，成土母質(zhì)為第四紀(jì)紅黏土。稻田、旱地長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)分別開(kāi)始于1981、1986年，種植制度分別為早稻—晚稻—冬閑、春玉米—秋玉米—冬閑。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)耕層 (0—20 cm) 土壤基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表 1 試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)耕層土壤的基本理化性質(zhì)Table 1 Soil physical-chemical properties in plough layer at the beginning of the experiments

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

稻田、旱地長(zhǎng)期施肥試驗(yàn)均設(shè)不施肥 (CK)、施氮磷鉀化肥 (NPK)、有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施 (NPKM) 3 個(gè)處理。每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)，稻田、旱地小區(qū)面積分別為46.7、22.2 m2，隨機(jī)區(qū)組排列。

氮肥、磷肥、鉀肥分別用尿素、鈣鎂磷肥、氯化鉀。水稻每季施化肥 N 90 kg/hm2、P2O545 kg/hm2、K2O 75 kg/hm2；玉米每季施化肥 N 60 kg/hm2、P2O530 kg/hm2、K2O 60 kg/hm2。磷肥作基肥一次性施用。稻田氮肥用量的60%為基肥，其余40%與全部的鉀肥作追肥施用。旱地氮肥用量的50%為基肥，其余50%作追肥施用，鉀肥全部作基肥施用。NPKM處理稻田、旱地每季有機(jī)肥施用量分別為鮮基重22500、15000 kg/hm2，每季氮、磷、鉀化肥施用量則同對(duì)應(yīng)的NPK處理一致。稻田早、晚稻季所用有機(jī)肥源分別為紫云英、豬糞，旱地春、秋玉米季所用有機(jī)肥源均為豬糞。烘干基紫云英和豬糞的有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀含量分別為467和340 g/kg、4.0和6.0 g/kg、1.1和4.5 g/kg、3.5和5.0 g/kg。有機(jī)肥全部作基肥施用。

1.3 樣品采集與分析

參照歷年采樣方法，2017年晚稻和秋玉米收獲后按“S”形采集各小區(qū)耕層 (0—20 cm) 土壤樣品，每個(gè)小區(qū)采集10個(gè)樣點(diǎn)，并組成一個(gè)混合土樣。新鮮土樣去除動(dòng)、植物殘?bào)w及石礫后風(fēng)干過(guò)篩備用。同時(shí)，用環(huán)刀按“S”形采集耕層原狀土壤樣品，并測(cè)定其容重。

采用改進(jìn)的H2SO4水解法分離土壤有機(jī)碳組分[6]：第一步，稱(chēng)取1.0000 g左右過(guò)0.15 mm篩的土壤樣品于 50 mL 離心管內(nèi)，加入 20 mL 2.5 mol/L H2SO4，于100℃水浴鍋中消煮30 min，冷卻后在4500 r/min轉(zhuǎn)速下離心20 min，收集上清液。離心管內(nèi)土樣加20 mL蒸餾水繼續(xù)按照前述方法離心，將兩次離心收集的上清液合并且過(guò)0.45 μm濾膜，之后定容至50 mL以備活性有機(jī)碳組分I含量的測(cè)定。第二步，將第一步離心管內(nèi)的殘留土樣加水離心清洗 3 次，在 60℃ 下烘干后，加入 2 mL 13 mol/L H2SO4，在室溫下持續(xù)振蕩10 h，然后加水稀釋酸液濃度至1 mol/L，稀釋后的土液混合物繼續(xù)在100℃水浴鍋中消煮3 h，其間每隔30 min手動(dòng)搖晃離心管一次，以充分混勻土壤與酸解液。土液混合物冷卻后參照第一步水解所述方法離心、過(guò)濾，定容上清液至50 mL以備活性有機(jī)碳組分Ⅱ含量的測(cè)定。殘留在離心管內(nèi)的土樣經(jīng)充分離心清洗后，在60℃下烘至恒重，土樣殘留物結(jié)合碳為土壤惰性有機(jī)碳。

采用重鉻酸鉀容量法，測(cè)定土壤TOC及活性有機(jī)碳組分Ⅰ、活性有機(jī)碳組分Ⅱ含量。土壤惰性有機(jī)碳含量通過(guò)土壤TOC含量減去活性有機(jī)碳含量計(jì)算得到。

1.4 計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析

土壤TOC、土壤各有機(jī)碳組分的儲(chǔ)量分別采用式 (1)、(2) 計(jì)算：

式中，TOCstock、TOCcontent分別為土壤TOC儲(chǔ)量(kg/hm2)、含量 (g/kg)，B 為土壤容重 (g/cm3)，H 為土層深度 (cm)，OC(iF)stock、OC(iF)content分別為土壤i有機(jī)碳組分儲(chǔ)量 (kg/hm2)、含量 (g/kg)。

土壤TOC固存量采用式 (3) 計(jì)算：

式中，ΔTOCstock為土壤TOC固存量 (kg/hm2)，TOCstock-T和 TOCs-0分別為當(dāng)前 (2017 年) 和試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)的土壤TOC儲(chǔ)量。

土壤TOC固存潛力計(jì)算：稻田、旱地的試驗(yàn)條件 (種植及施肥制度等) 長(zhǎng)期保持穩(wěn)定，因此，利用Jenny模型 [式(4)] 對(duì)長(zhǎng)期試驗(yàn)期間土壤TOC含量的變化動(dòng)態(tài)進(jìn)行非線(xiàn)性回歸擬合。

式中，TOCcontent-t、TOCcontent-e、TOCcontent-0分別為t時(shí)間后、達(dá)到周轉(zhuǎn)平衡時(shí)、試驗(yàn)起始時(shí)的土壤TOC含量(g/kg)，d為土壤TOC年分解速率[g/(kg·a)]，t為試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng) (a)。

假定土壤TOC達(dá)周轉(zhuǎn)平衡時(shí)的容重與當(dāng)前測(cè)定結(jié)果相同[16]，土壤TOC固存潛力采用式 (5) 計(jì)算:

式中，TOCstock-p、TOCstock-e分別為土壤TOC固存潛力(kg/hm2)、土壤TOC達(dá)周轉(zhuǎn)平衡時(shí)的儲(chǔ)量。

相同處理下，稻田土壤中各有機(jī)碳組分的含量相較旱地土壤的增量對(duì)土壤TOC含量增量的貢獻(xiàn)率采用式 (6) 計(jì)算：

式中，PiF為土壤i有機(jī)碳組分的貢獻(xiàn)率 (%)，OC(iF)content-paddy、OC(iF)content-upland分別為稻田、旱地土壤i有機(jī)碳組分含量 (g/kg)，TOCcontent-paddy、TOCcontent-upland分別為當(dāng)前稻田、旱地土壤TOC含量 (g/kg)。

碳投入估算：本試驗(yàn)中每季作物收獲后秸稈全部移除，故土壤的有機(jī)碳總投入包括作物根茬碳和有機(jī)肥碳，年均作物根茬碳、有機(jī)肥碳投入量分別采用式 (7)、(8) 計(jì)算。

式中，OCinput-crop為年均作物根茬碳投入量[kg/(hm2·a)]，Yg和Ys分別為作物籽粒和秸稈風(fēng)干生物量[kg/(hm2·a)]，Rr為光合碳進(jìn)入地下部分的比例 (%)，Dr為作物根系生物量平均分布在0—20 cm土層的比例 (%)，Rs為作物收割留茬占秸稈的比例 (%)，W和OCcontent-crop分別為地上部分植株風(fēng)干樣的含水量 (%) 和植株有機(jī)碳含量 (g/kg)；OCinput-manure為年均有機(jī)肥碳投入量[kg/(hm2·a)]，Am為每年施用有機(jī)肥的鮮基重[kg/(hm2·a)]，Wo為有機(jī)肥含水量 (%)，OCcontent-manure為有機(jī)肥的有機(jī)碳含量 (g/kg)。式中相關(guān)參數(shù)取值通過(guò)實(shí)測(cè)或參考文獻(xiàn)[15]相關(guān)資料獲得。

用SPSS 16.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析和Duncan法比較稻田、旱地不同處理間測(cè)定結(jié)果的差異 (α=0.05)。用 Origin 2016 作圖。圖表中數(shù)值為平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)差 (n=3)。

2 結(jié)果與分析

2.1 長(zhǎng)期施肥下稻田和旱地土壤有機(jī)碳組分含量及其差異

不論施肥與否，稻田和旱地土壤均以惰性有機(jī)碳的含量最高；活性有機(jī)碳組分Ⅰ的含量次之；活性有機(jī)碳組分Ⅱ的含量最低 (表2)。與CK處理相比，施肥后土壤活性有機(jī)碳組分Ⅰ、活性有機(jī)碳組分Ⅱ、惰性有機(jī)碳的含量分別提高4.8%～49.8%、9.8%～71.3%、1.9%～42.7%。長(zhǎng)期施肥后，旱地土壤各有機(jī)碳組分含量的增幅均明顯高于稻田土壤，計(jì)算得知，施氮磷鉀化肥后，旱地土壤活性有機(jī)碳組分Ⅰ、活性有機(jī)碳組分Ⅱ、惰性有機(jī)碳的含量增幅分別是稻田土壤對(duì)應(yīng)有機(jī)碳組分含量增幅的2.7、2.7、5.8倍；有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施后，旱地土壤活性有機(jī)碳組分Ⅰ、活性有機(jī)碳組分Ⅱ、惰性有機(jī)碳的含量增幅分別是稻田土壤對(duì)應(yīng)有機(jī)碳組分含量增幅的2.0、1.4、2.5倍。表2顯示，與CK和NPK處理相比，NPKM處理下稻田和旱地土壤各有機(jī)碳組分的含量均有顯著提高 (P< 0.05)；與 CK處理相比，NPK處理下旱地土壤各有機(jī)碳組分的含量亦有顯著提高(P< 0.05)。

不論施肥與否，稻田土壤各有機(jī)碳組分的含量均顯著高于旱地土壤 (P< 0.05，表2)，計(jì)算各處理下稻田土壤各有機(jī)碳組分的含量相較旱地土壤的增量對(duì)土壤TOC含量增量的貢獻(xiàn)率，結(jié)果見(jiàn)圖1。與CK相比，長(zhǎng)期不同施肥均提高了土壤活性有機(jī)碳組分Ⅰ、活性有機(jī)碳組分Ⅱ的貢獻(xiàn)率，相應(yīng)地降低了惰性有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率，其中NPKM處理下土壤活性有機(jī)碳組分Ⅱ的貢獻(xiàn)率顯著提高 (P< 0.05)。CK、NPK、NPKM處理下土壤活性有機(jī)碳組分Ⅰ與活性有機(jī)碳組分Ⅱ的貢獻(xiàn)率之和分別達(dá)52.9%、54.9%、60.0%，說(shuō)明不論施肥與否，與旱地土壤相比，稻田土壤增加的有機(jī)碳主要是以活性有機(jī)碳的形式存在。

圖 1 長(zhǎng)期施肥下稻田土壤各有機(jī)碳組分含量增量 (相對(duì)于旱地土壤) 對(duì)土壤總有機(jī)碳含量增量的貢獻(xiàn)率Fig.1 Contribution of organic carbon fraction increment(relative to upland field) to total organic carbon content increment in paddy field under long-term fertilization

表 2 長(zhǎng)期施肥下稻田和旱地土壤各有機(jī)碳組分含量 (g/kg)Table 2 Contents of organic carbon fractions in paddy and upland soils under long-term fertilization

2.2 長(zhǎng)期施肥下稻田和旱地土壤總有機(jī)碳固存量及固存潛力

不論施肥與否，稻田土壤的TOC固存量均顯著高于旱地土壤 (表3)。連續(xù)30多年不施肥后，旱地土壤有機(jī)碳呈虧損狀態(tài)，其固存量為負(fù)值；相反，稻田土壤則表現(xiàn)出明顯的固碳效應(yīng)。與不施肥相比，長(zhǎng)期施肥不同程度地提高了土壤TOC的固存量，其中，施氮磷鉀化肥僅顯著提高旱地土壤的TOC固存量，有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施對(duì)稻田和旱地土壤的TOC 固存量均有顯著提高作用 (P< 0.05)。表 3 顯示，NPKM處理的土壤有機(jī)碳固存量亦顯著高于NPK處理，計(jì)算得知，稻田NPKM處理的土壤TOC固存量是稻田NPK處理的1.7倍，旱地NPKM處理的土壤TOC固存量則是旱地NPK處理的25.5倍。

土壤固碳潛力表征穩(wěn)定試驗(yàn)條件下的土壤TOC達(dá)到周轉(zhuǎn)平衡時(shí)，土壤所能固存的有機(jī)碳量，其與土壤TOC飽和容量有本質(zhì)區(qū)別[17]。表3顯示，Jenny模型可較好的擬合試驗(yàn)期間稻田和旱地土壤TOC 含量的變化動(dòng)態(tài) (R2為 0.48～0.95，P< 0.05)。不論是稻田還是旱地，施肥對(duì)土壤TOC固存潛力的影響與對(duì)TOC固存量的影響趨勢(shì)一致，即：與CK相比，長(zhǎng)期不同施肥均可提高稻田和旱地土壤TOC固存潛力，但施氮磷鉀化肥的提升效應(yīng)僅在旱地土壤上達(dá)顯著水平。有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施條件下的土壤TOC固存潛力最高，計(jì)算得知，在稻田和旱地土壤上，NPKM處理的TOC固存潛力分別是NPK處理的1.4和5.8倍。

表 3 長(zhǎng)期施肥下稻田和旱地土壤總有機(jī)碳固存量及固存潛力Table 3 Sequestration amount and potential of TOC in paddy and upland fields under long-term fertilization

2.3 長(zhǎng)期施肥下稻田和旱地土壤總有機(jī)碳與各有機(jī)碳組分積累間的關(guān)系

增加外源碳的輸入是土壤有機(jī)碳累積的源動(dòng)力，計(jì)算不同處理下紅壤性稻田和旱地土壤年均碳投入量 (圖2)。不論是稻田還是旱地土壤，不同處理間年均碳投入量均差異顯著 (P< 0.05)，長(zhǎng)期不同施肥顯著提高了年均作物根茬碳投入量，進(jìn)而增加了土壤的總碳投入量。計(jì)算得知，稻田NPK和NPKM處理的土壤年均總碳投入量分別是CK處理的1.5和4.7倍，旱地NPK和NPKM處理的土壤年均總碳投入量則分別是CK處理的2.8和10.3倍。圖2顯示，不論施肥與否，稻田土壤的年均總碳投入量均明顯高于旱地土壤，提高幅度達(dá)34.7%～193.8%。

圖 2 長(zhǎng)期施肥下稻田和旱地土壤年均碳投入量Fig.2 Annual exogenous carbon input in paddy and upland fields under long-term fertilization

圖3顯示，稻田、旱地土壤TOC及各有機(jī)碳組分的儲(chǔ)量與年均總碳投入量間均具有顯著的線(xiàn)性正相關(guān)關(guān)系 (P< 0.05)，說(shuō)明施肥后土壤TOC儲(chǔ)量的增加源于各有機(jī)碳組分儲(chǔ)量的增加。線(xiàn)性回歸方程的斜率可表征土壤TOC及各有機(jī)碳組分儲(chǔ)量的累積速率。土壤TOC儲(chǔ)量的累積速率等于土壤各有機(jī)碳組分儲(chǔ)量的累積速率之和，據(jù)此計(jì)算得出，稻田土壤上，隨年均總碳投入量增加，土壤活性有機(jī)碳組分Ⅰ和活性有機(jī)碳組分Ⅱ儲(chǔ)量的累積對(duì)土壤TOC儲(chǔ)量累積的貢獻(xiàn)率累計(jì)達(dá)64.7%，遠(yuǎn)高于惰性有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率 (35.3%)；相反，旱地土壤上，隨年均總碳投入量增加，土壤活性有機(jī)碳組分Ⅰ和活性有機(jī)碳組分Ⅱ儲(chǔ)量的累積對(duì)土壤TOC儲(chǔ)量累積的貢獻(xiàn)率累計(jì)達(dá)44.6%，但比惰性有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率低10.8個(gè)百分點(diǎn)。

圖 3 長(zhǎng)期施肥下稻田和旱地土壤的年均碳投入量與土壤總有機(jī)碳及其組分儲(chǔ)量間的關(guān)系Fig.3 Relationships between annual carbon input and storages of soil TOC and its fractions in paddy and upland fields under long-term fertilization

3 討論

3.1 長(zhǎng)期施肥下土壤活性、惰性有機(jī)碳積累及總有機(jī)碳固存效應(yīng)

土壤活性有機(jī)碳的成分主要是多糖和纖維素類(lèi)物質(zhì)，土壤惰性有機(jī)碳的成分則主要是木質(zhì)素等難分解物質(zhì)[6-7]。施肥是調(diào)控土壤活性與惰性有機(jī)碳積累的重要措施，本試驗(yàn)土壤中，活性有機(jī)碳組分的含量變化對(duì)長(zhǎng)期施肥的響應(yīng)敏感性均高于惰性有機(jī)碳組分，這與Ding等[18]在黑土上的研究結(jié)果正好相反。究其原因，可能是黑土2∶1型膨脹型黏土礦物更易與外源碳結(jié)合形成較為復(fù)雜和穩(wěn)定的有機(jī)化合物[19]，也可能是本供試土壤中復(fù)雜的有機(jī)物在濕熱氣候影響下周轉(zhuǎn)更快、穩(wěn)定性更低。本研究顯示，長(zhǎng)期不同施肥特別是施氮磷鉀化肥后旱地土壤各有機(jī)碳組分含量的增幅均明顯高于稻田土壤，這主要是因?yàn)榕c稻田土壤相比，旱地土壤的碳投入量在施肥后提升更為明顯 (圖2)。此外，供試稻田土壤具有較高的初始有機(jī)碳含量，即使在長(zhǎng)期不施肥條件下其含量總體上仍呈增加趨勢(shì)[8]，這也會(huì)限制施化肥后供試稻田土壤TOC及其組分含量的明顯提升[20]。

農(nóng)田土壤有機(jī)碳的固存主要取決于有機(jī)碳的輸入和礦化、淋溶等輸出之間的動(dòng)態(tài)平衡。本研究顯示，不論是稻田還是旱地，施肥對(duì)土壤TOC固存量和固存潛力的影響與對(duì)各有機(jī)碳組分含量的影響趨勢(shì)一致。與CK處理相比，NPK處理下稻田土壤的TOC固存量和固存潛力均沒(méi)有顯著增加，多年連續(xù)監(jiān)測(cè)結(jié)果也顯示供試稻田NPK處理的土壤TOC含量相較CK處理總體上無(wú)明顯增加[8]，其原因可能是稻田CK 處理的固碳效率高于NPK處理[21]以及二者間年均碳投入量差異相對(duì)較小。有機(jī)培肥常被認(rèn)為是提升土壤肥力、促進(jìn)土壤固碳的重要措施[2,5]。本研究顯示，與施氮磷鉀化肥相比，有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施可更好地促進(jìn)土壤固碳，且該效應(yīng)在旱地土壤上表現(xiàn)更為明顯。這是因?yàn)樵诤底鳁l件下，長(zhǎng)期單施化肥加速紅壤酸化[8]，進(jìn)而對(duì)外源碳 (主要為作物根茬源碳) 的持續(xù)穩(wěn)定輸入及其固定產(chǎn)生不利影響[22]。因此，在紅壤旱地培肥固碳實(shí)踐中應(yīng)更加重視有機(jī)無(wú)機(jī)肥的配施。本試驗(yàn)結(jié)果還顯示，各處理下稻田土壤的TOC固存量均顯著高于旱地土壤。其主要原因是稻田土壤的年均碳投入量及其固定效率均明顯高于旱地土壤[21]。不論施肥與否，旱地土壤TOC固存潛力亦明顯低于稻田土壤 (表3)，這充分反映出紅壤性旱地土壤比紅壤性稻田土壤具有更低的固碳容量[23]。

3.2 土壤總有機(jī)碳與活性、惰性有機(jī)碳積累間的關(guān)系及固存碳的環(huán)境意義

量化土壤活性、惰性有機(jī)碳與土壤TOC積累間的關(guān)系對(duì)深入理解土壤有機(jī)碳固持與穩(wěn)定特性有重要意義[4]。Dou等[4]、Zhang等[24]研究顯示，有機(jī)培肥后黑土和灰漠土中惰性有機(jī)碳儲(chǔ)量的增加值占其TOC儲(chǔ)量增加值的比例均達(dá)75%以上。本試驗(yàn)結(jié)果則顯示，長(zhǎng)期施肥后，紅壤性稻田、旱地土壤TOC儲(chǔ)量累積的主要貢獻(xiàn)碳庫(kù)分別為活性、惰性有機(jī)碳。在供試稻田和旱地土壤上，土壤TOC與活性、惰性有機(jī)碳積累關(guān)系的這種差異性，究其原因除了與稻作和旱作紅壤外源投入碳的數(shù)量、質(zhì)量有較大差異密切相關(guān)外，也與土壤特性變化及農(nóng)藝管理等的影響有關(guān)：一方面，相較于玉米根茬，水稻根茬含有更低比例的木質(zhì)素、丹寧等難分解物質(zhì)和更高比例的半纖維、纖維素等易分解物質(zhì)[25]，因而具有更高的碳源質(zhì)量。另外，不論施肥與否，稻田土壤年均碳投入量均明顯高于旱地土壤 (圖2)。因此，相比于供試旱地土壤，供試稻田土壤有更多且質(zhì)量更高的外源碳輸入，因而更易積累活性有機(jī)碳[5, 26]。另一方面，供試旱地土壤因其酸度更低，利于真菌的快速生長(zhǎng)及繁殖，造成供試旱地土壤的真菌/細(xì)菌比高于供試稻田土壤[8]，旱作好氧條件下，伴隨著活性有機(jī)碳的不斷分解消耗，真菌對(duì)外源難分解有機(jī)碳的利用與固持逐漸起主要作用[27]。再者，水稻土淹水條件下的攪漿活動(dòng)使得大顆粒土壤物質(zhì)破碎形成大量細(xì)土粒，這些細(xì)土粒通過(guò)化學(xué)吸附等過(guò)程更好地包裹土壤顆粒有機(jī)碳，在一定程度上減緩?fù)寥阑钚杂袡C(jī)碳的分解[28]，攪漿活動(dòng)驅(qū)使土壤黏化，進(jìn)而提高淹水條件下土壤活性碳的平均駐留時(shí)間[28]。

本研究顯示，種植水稻雖有利于土壤有機(jī)碳固持，但與旱地土壤相比，稻田土壤增加的有機(jī)碳主要以活性有機(jī)碳的形式存在 (圖1)，這說(shuō)明供試稻田土壤含有更高比例的不穩(wěn)定或活性碳組分，這些活性碳可能容易因操作管理不當(dāng)而發(fā)生明顯損失且產(chǎn)生環(huán)境危害。生產(chǎn)實(shí)踐中，淹水環(huán)境可使稻田土壤維持比旱地土壤更低的有機(jī)碳分解速率及其激發(fā)效應(yīng)[29]，但研究表明紅壤性水稻土有機(jī)碳的生物穩(wěn)定性要明顯比旱作紅壤低[20]，因而，良好的水分管理是稻田土壤活性碳有效固存的重要保障。稻田和旱地系統(tǒng)在生態(tài)條件、土壤特性、農(nóng)藝管理等方面存在明顯差異，這使得稻田和旱地土壤有機(jī)碳的積累與周轉(zhuǎn)特性有明顯不同[9]。相較于短期試驗(yàn)，長(zhǎng)期試驗(yàn)可更準(zhǔn)確地揭示稻田和旱地土壤有機(jī)碳的積累特性及差異。因此，今后需協(xié)同運(yùn)用碳同位素標(biāo)記及核磁共振等技術(shù)[30]，結(jié)合歷史樣品分析及多重分組方法，進(jìn)一步深入研究長(zhǎng)期施肥下紅壤稻田和旱地土壤碳的固定、周轉(zhuǎn)與穩(wěn)定性差異。

4 結(jié)論

不論施肥與否，稻田土壤總有機(jī)碳的固存量和固存潛力均顯著高于旱地土壤，這顯示紅壤植稻更有利于土壤固碳。與不施肥相比，長(zhǎng)期施肥顯著提升外源碳投入量，進(jìn)而促進(jìn)紅壤性稻田和旱地土壤總有機(jī)碳及其組分的積累，且以有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施的效果最佳。與紅壤性水稻土相比，紅壤性旱地土壤各有機(jī)碳組分的含量變化對(duì)長(zhǎng)期不同施肥的響應(yīng)更敏感，且該效應(yīng)在施氮磷鉀化肥條件下表現(xiàn)更為明顯。紅壤性稻田和旱地土壤總有機(jī)碳積累的主要貢獻(xiàn)組分分別為活性有機(jī)碳和惰性有機(jī)碳。不論施肥與否，紅壤性稻田土壤相較紅壤性旱地土壤增加的有機(jī)碳主要是以活性有機(jī)碳的形式固持，因此紅壤性稻田土壤的活性有機(jī)碳可能易因管理不當(dāng)而發(fā)生明顯損失。