稻麥輪作下紫色土有機碳活性及其對長期不同施肥的響應

趙亞南，柴冠群，張珍珍，謝 軍，李丹萍，張躍強,2，石孝均,2

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稻麥輪作下紫色土有機碳活性及其對長期不同施肥的響應

趙亞南1，柴冠群1，張珍珍1，謝 軍1，李丹萍1，張躍強1,2，石孝均1,2

（1西南大學資源環(huán)境學院，重慶400716；2國家紫色土肥力與肥料效益監(jiān)測基地，重慶400716）

【目的】研究稻麥輪作系統中紫色土總有機碳、活性有機碳和活性有機碳不同組分的變化特征及其對長期不同施肥措施的響應，揭示稻麥輪作系統長期不同施肥管理下有機碳質量和內在組成的變化?！痉椒ā坎杉?2年長期定位試驗不施肥（CK）、單施化學氮肥（N）、化肥氮磷鉀配施（NPK）、化肥氮磷鉀+秸稈還田（NPKS）、高量化肥氮磷鉀+等量秸稈還田（1.5NPKS）和化肥氮磷鉀+廄肥（NPKM）處理0—20、20—40、40—60 cm土層的土壤，測定了總有機碳、活性有機碳及其不同活性組分的含量，計算土壤碳庫管理指數和不同活性組分的分配比例，分析了活性有機碳及其各組分與總有機碳的關系?！窘Y果】長期不同施肥顯著影響了各土層總有機碳和活性有機碳含量，與不施肥相比，所有施肥處理均維持或提高了土壤總有機碳、活性有機碳含量和碳庫管理指數，其中化肥氮磷鉀+秸稈還田（NPKS）處理0—20、20—40和40—60 cm土層總有機碳含量分別提高32.5%、25.7%和5.3%，活性有機碳含量提高37.0%、44.7%和9.3%，碳庫管理指數提高38%、49%和9%，其提升幅度高于其他施肥處理。長期不同施肥顯著提高了各土層高、中、低活性有機碳含量，有機無機肥配施處理（NPKS、1.5NPKS、NPKM）提升效果高于單施化肥處理（NPK、N）；但施肥對各活性組分占活性有機碳比例的影響較小，并沒有改變各活性組分的分布格局。土壤活性有機碳及其高、中、低活性組分的含量與土壤深度有關，0—20 cm耕層土壤活性有機碳及高、中、低活性組分的含量均高于20—40和40—60 cm土層。不同土層高、中、低組分占活性有機碳的比例也存在較大差異，0—20 cm土層高、中、低活性組分占活性有機碳的比例平均為23.6%、35.6%和40.7%；下層土壤各活性組分的含量均下降，其中20—40 cm土層低活性組分下降程度較大，導致其占活性有機碳的比例下降至24.7%，而高活性和中活性組分的比例增加至30.5%和44.8%。土壤活性有機碳及其各組分與總有機碳含量呈顯著線性正相關，表明土壤活性有機碳可以較好地反映總有機碳變化。【結論】稻麥輪作條件下，長期不同施肥可維持或提高土壤總有機碳、活性有機碳及其不同組分的含量，提高土壤碳庫管理指數，氮磷鉀肥配合秸稈還田總體提升效果較好，是促進土壤總有機碳和活性有機碳累積、改善土壤有機碳質量的推薦施肥措施。

土壤有機碳；活性有機碳；碳庫管理指數；長期施肥；稻麥輪作；水稻土

0 引言

【研究意義】土壤有機碳固定對于提高土壤生產力和減緩氣候變暖有重要意義[1-2]。土壤有機碳存在于一系列非勻質的土壤有機質中，總有機碳（TOC）含量的高低可以表征土壤有機質的數量變化，但不能很好地反映其質量和內在組成變化。土壤活性有機碳（Labile organic carbon，LOC）可以反映土壤有機質的有效組分的變化，由于容易被微生物降解利用、周轉速度快、對外界環(huán)境反映敏感，近年來逐漸成為土壤質量和管理措施的評價指標[3-4]。施肥是影響土壤有機碳數量和質量的重要管理措施[5]，研究長期施肥對土壤有機碳及其活性的影響可以為優(yōu)化施肥管理和培肥土壤提供理論依據。【前人研究進展】土壤活性有機碳的表征指標有很多，如溶解性有機碳、微生物量有機碳、易氧化有機碳、顆粒態(tài)有機碳、輕組有機碳等[3-4]。其中，利用333 mol·L-1高錳酸鉀（KMnO4）氧化法模擬土壤酶對有機質的降解，可以將土壤總有機碳分為活性有機碳和非活性有機碳，并根據總有機碳和活性有機碳變化計算碳庫管理指數（Carbon Management Index，CMI）[6]。進一步，利用濃度為33、167和333 mmol·L-1的KMnO4可以將活性有機碳分為高活性、中活性和低活性有機碳組分[7-9]?；钚杂袡C碳及其組分可以反映土壤質量的變化，很多研究表明，相比土壤總有機碳和其他活性有機碳測定指標，基于高錳酸鉀氧化法測定的活性有機碳和碳庫管理指數具有更高的敏感性，并且與土壤生物、化學和物理性質密切相關，是土壤質量良好的評價指標[10-13]。徐明崗等[10]發(fā)現作物產量和土壤交換性離子、微量元素等土壤肥力指標與土壤活性有機碳顯著相關，但與土壤總有機碳關系不顯著；Weil等[11]研究表明活性有機碳與土壤微生物量和團聚體穩(wěn)定性等土壤質量指標密切相關，且比總有機碳對管理措施更加敏感；Culman等[12]通過12個研究的整合分析發(fā)現，活性有機碳比顆粒態(tài)有機碳、微生物量有機碳和總有機碳對管理措施和環(huán)境因子的反映更敏感；Morrow等[13]的研究結果也表明，與酸解碳氮、非酸解碳氮、微生物碳氮等指標相比，高錳酸鉀氧化的活性有機碳對于評價土壤質量效果最好。近年來，關于施肥對土壤活性有機碳影響的研究越來越多，何翠翠等[9]在吉林黑土、王朔林等[14]在山西栗褐土、Yang等[15]在陜西土、曾駿等[16]在甘肅灌漠土、徐明崗等[8]在湖南紅壤等針對長期不同施肥對土壤LOC和CMI的影響開展了研究，這些研究表明長期施肥顯著影響土壤LOC和CMI變化，在作用效果方面以化肥配施有機肥效果較好。水旱輪作體系是中國及世界重要的糧食生產體系，中國有稻麥水旱輪作田1 300萬hm2，廣泛分布于長江流域[17]。水旱輪作體系中，干濕交替引起土壤物理、化學和生物學性質在不同作物季節(jié)間交替變化，因此其物質和能量循環(huán)既不同于旱地，也不同于常年淹水稻田，構成獨特的農田生態(tài)系統[18]。有研究表明水旱輪作系統土壤有機碳含量高于旱地[19]，但水稻-水稻輪作轉變?yōu)樗?玉米輪作兩年后，由于礦化增加了33%—41%，土壤有機碳有所降低[20]。此外，Huang等[21]發(fā)現土壤有機碳對施肥的響應也與作物輪作方式有關。紫色土是中國重要的農業(yè)土壤，面積約26萬km2，集中分布在四川盆地，該地區(qū)是中國重要的糧食生產區(qū)域之一。紫色土是熱帶亞熱帶條件下紫色母巖發(fā)育形成的巖性土，具有成土時間短、發(fā)育 淺、風化程度低和有機質缺乏等特點，因此改善土壤有機質數量和活性對于提高紫色土生產力有重要意義[22]?！颈狙芯壳腥朦c】有研究表明，受氣候條件、作物系統和土壤類型等因素影響，相同施肥措施對土壤總有機碳和活性有機碳的影響存在著很大的區(qū)域差異[17]。目前關于長期施肥對土壤活性有機碳的研究以旱地為主，對水田和水旱輪作等其他作物系統的研究相對較少，長期施肥對紫色水稻土有機碳活性的影響鮮見報道。【擬解決的關鍵問題】本研究以國家紫色土肥力與肥料效益監(jiān)測基地稻麥輪作系統22年長期定位試驗為基礎，研究了不同施肥措施下土壤總有機碳、活性有機碳及其組分的變化特征，闡明長期施肥對紫色土有機碳數量和質量的影響，為優(yōu)化農田管理和土壤培肥提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

長期定位試驗在國家紫色土肥力與肥料效益監(jiān)測基地進行。該試驗基地位于四川盆地東部重慶市北碚區(qū)（東經106°26′，北緯30°26′，海拔266.3 m），屬亞熱帶濕潤季風氣候。每年平均溫度、降雨量和日照時數分別為18.3℃、1 106 mm和1 294 h。供試土壤由侏羅紀沙溪廟組紫色泥巖風化的殘積和坡積物發(fā)育而成的紫色土，經長期水耕熟化形成潴育性水稻土。試驗開展前該田塊為只種一季中稻的終年淹水稻田，于1989年秋季改為稻麥輪作，并進行了2年勻地，1991年秋季正式開始試驗。勻地后耕層（0—20 cm）土壤基礎性質如下：容重為1.38 g·cm-3，黏粒含量為268 g·kg-1（＜0.001 mm）或577 g·kg-1（＜0.01 mm），pH（水土比2.5﹕1）為7.7，有機碳含量為13.1 g·kg-1，總氮磷鉀含量分別為1.25、0.673和21.1 g·kg-1，有效氮磷鉀分別為93、4.3和88 mg·kg-1。

1.2 試驗處理

本研究選取長期定位試驗6個不同施肥處理（表1）。1991—1996年水稻和小麥每季化肥用量均為氮肥（N）150 kg·hm-2、磷肥（P2O5）75 kg·hm-2、鉀肥（K2O）75 kg·hm-2。從1996年秋季起，水稻和小麥每季磷、鉀肥用量均由原來的75 kg·hm-2改為60 kg·hm-2；小麥氮肥用量改為135 kg·hm-2，水稻氮肥用量仍為150 kg·hm-2。小麥和水稻60%的氮肥及全部磷、鉀肥作基肥，小麥40%的氮肥于3—4葉期追施，水稻40%氮肥在插秧后2—3周追施。有機肥每年施用一次，于每年秋季小麥播種前做基肥施用，年用量為稻草（S）7.5 t·hm-2，廄肥（M）22.5 t·hm-2。每個小區(qū)面積為120 m2（12 m×10 m），小區(qū)間用60 cm深的水泥板隔開，互不滲漏，且能獨立排灌。供試小麥品種一直用“西農麥1號”，供試水稻品種在1992—1997年為“汕優(yōu)63”，1998—2013年為“II優(yōu) 868”。小麥于每年11月初播種，翌年5月初收獲，5月中下旬移栽水稻，并于8月中下旬收獲，其后保持淹水休閑至小麥播種。水稻和小麥的種植規(guī)格都為行株距24 cm×16.7 cm，每公頃25萬窩左右。

表1 試驗處理及施肥量

1991—1996年施肥量按括號外進行，1997—2013年施肥量按括號內進行

The fertilizer rate from rice season of 1991 to wheat season of 1996 is recorded as numbers out parentheses while since then as numbers inside

1.3 采樣與分析

土壤樣品采集于2013年9月水稻收獲后。每個小區(qū)等面積劃分為4個亞區(qū)作為重復，每個亞區(qū)按S形選取10個點按0—20、20—40和40—60 cm分層采集土壤樣品，同土層10個點的樣品混合。土樣帶回實驗室自然風干，去除土壤異物和未分解的植物殘體后分為兩份。一份過0.25 mm粒徑篩，高溫外加熱-重鉻酸鉀氧化-硫酸亞鐵滴定法測定總有機碳含量[24]，另一份過2.00 mm粒徑篩測定活性有機碳含量。

土壤活性有機碳含量測定方法[6]：稱取2.00 g（約含15 mg有機碳）過篩土樣于離心管中，加入25 ml濃度為333、167和33 mmol·L-1的KMnO4溶液，在25℃下以60 r/min的轉速持續(xù)振蕩1 h，2 000 r/min離心5 min，分別稀釋1 000、500和100倍，在565 nm波長下比色。l mmol KMnO4（Mn7+→Mn2+）可氧化0.75 mmol或9 mg的碳，根據消耗的KMnO4計算出被氧化的活性有機碳含量。

1.4 數據處理與分析

土壤活性有機碳含量為333 mmol·L-1KMnO4氧化的碳，并根據167和33 mmol·L-1KMnO4氧化的碳數量將活性有機碳分成不同活性的組分[7]：被33 mmol·L-1KMnO4氧化的碳為高活性有機碳（HLOC）；被167 mmol·L-1KMnO4氧化而未被33 mmol·L-1KMnO4氧化的碳為中活性有機碳（MLOC）；被333 mmol·L-1KMnO4氧化而未被167 mmol·L-1KMnO4氧化的碳為低活性有機碳（LLOC）。

以不施肥為參照，根據TOC和LOC含量計算CMI[6]：土壤碳庫管理指數（CMI）=碳庫指數（CPI）×活度指數（CLI）×100；碳庫指數（CPI）=施肥處理總有機碳/不施肥處理總有機碳；活度指數（CLI）=施肥處理碳庫活度/不施肥處理碳庫活度；碳庫活度（CL）=活性有機碳/非活性有機碳；非活性有機碳=土壤有機碳-活性有機碳。

采用單因素方差分析對處理間差異進行顯著性檢驗，多重比較采用鄧肯新復極差法進行，Pearson法進行相關性分析，顯著性檢驗水平為0.05。數據處理與統計分析在Microsoft Excel 2010和SPSS 20.0軟件中進行。

2 結果

2.1 長期施肥對土壤總有機碳的影響

由圖1可見，長期施肥顯著影響各土層總有機碳含量，耕層（0—20 cm）土壤總有機碳含量明顯高于下層。在0—20 cm土層，長期施肥處理的土壤總有機碳含量比不施肥顯著提高10.2%—32.5%。其中，化肥配合秸稈還田（NPKS和1.5NPKS）提高幅度最大，且顯著高于NPK和NPKM處理。在20—40 cm土層，單施氮肥土壤總有機碳含量與不施肥沒有顯著差異，其他處理顯著提高11.6%—25.7%，NPKS和1.5NPKS提高幅度最大，NPK與NPKM處理差異不顯著。在40—60 cm土層，CK、N和NPKM處理土壤總有機碳含量較低，3個處理差異不顯著；NPK、NPKS和1.5NPKS土壤總有機碳含量較高，三者差異不顯著。

CK：不施肥，N：單施化學氮肥，NPK：化肥氮磷鉀配施，NPKS：化肥氮磷鉀+秸稈還田，1.5NPKS：1.5倍氮磷鉀化肥+等量秸稈還田，NPKM：化肥氮磷鉀+廄肥。誤差線表示標準差，同一土層不同處理標記有相同小寫字母表示差異不顯著（P＜0.05）。下同

2.2 長期施肥對土壤活性有機碳的影響

表層土壤（0—20 cm）活性有機碳含量明顯高于20—40和40—60 cm土層，而20—40 cm略低于40—60 cm土層（圖2）。長期施肥顯著提高了0—20 cm土層活性有機碳含量，1.5NPKS提高幅度最大，為50.6%，其次NPKS提高37.0%。在20—40 cm土層，單施氮肥與不施肥差異未達到顯著，其他施肥處理顯著提高29.8%—44.7%，NPKS提高幅度最大，且顯著高于其他施肥處理。在40—60 cm土層，單施氮肥與不施肥差異不顯著；NPK處理提高幅度最大，且顯著高于其他施肥處理；有機無機肥配施處理（NPKS、1.5NPKS、NPKM）提高了9.3%—14.9%。

土壤活性有機碳占土壤總有機碳的16.9%—22.3%（圖2）。相對于土壤活性有機碳含量，長期施肥對土壤活性有機碳占總有機碳比例的影響較小，0—20 cm土層各處理土壤活性有機碳比例差異不顯著。在20—40 cm土層，活性有機碳比例以NPKS最高，其次為NPKM，二者顯著高于不施肥處理，其他施肥處理增加不顯著。在40—60 cm土層，NPK和NPKM處理活性有機碳比例顯著高于不施肥和其他施肥處理。

圖2 長期不同施肥下各土層活性有機碳含量和比例

2.3 長期施肥對土壤碳庫管理指數的影響

以不施肥處理為參照（100），長期不同施肥提高了土壤碳庫管理指數（表2）。在0—20 cm土層，長期施肥處理土壤碳庫管理指數顯著提高，1.5NPKS處理最高，其次為NPKS。在20—40 cm土層，單施氮肥土壤碳庫管理指數與不施肥差異未達到顯著，其他處理顯著提高，NPKS處理幅度最大，且顯著高于其他施肥處理。在40—60 cm土層，單施氮肥與不施肥土壤碳庫管理指數無顯著差異；NPK處理顯著高于其他施肥處理；有機無機肥配施處理（NPKS、1.5NPKS、NPKM）高于不施肥處理，NPKS增加不顯著。

表2 長期不同施肥下各土層的碳庫管理指數

數據表示為平均值±標準差，不同處理間標記有相同小寫字母表示＜0.05水平差異不顯著。下同

Data show as Mean ± SD, and difference between treatments with the same lowercase letter is not significant at＜0.05. The same as below

2.4 長期施肥對土壤活性有機碳不同組分的影響

稻麥輪作系統長期不同施肥條件下，紫色土高、中、低活性有機碳含量與比例在不同土層有所不同（表3）。在0—20 cm土層，各活性組分表現為低活性組分＞中活性組分＞高活性組分。20—40 cm土層各活性組分含量均比0—20 cm土層下降，其中低活性組分下降幅度最大，所占比例也明顯降低，高活性和中活性組分所占比例增加，表現為中活性組分＞高活性組分＞低活性組分。在40—60 cm土層，各活性組分表現為低活性組分＞中活性組分＞高活性組分，趨勢與0—20 cm土層趨勢一致；各組分含量均比0—20 cm土層下降，但高活性組分比例有所增加，低活性組分比例有所降低。

長期施肥顯著影響不同活性組分含量，但對活性組分所占比例影響較?。ū?）。在0—20 cm土層，各施肥處理土壤高、中、低活性組分含量分別比對照提高了13.5%—41.1%、30.4%—62.8%和17.2%—46.7%，以中活性組分提升幅度最大；從不同處理的作用效果看，1.5NPKS處理提高幅度最大，其次為NPKS或NPKM。在20—40 cm土層，單施氮肥顯著增加高活性組分，對中活性和低活性組分的影響不顯著；其他施肥處理各活性組分含量均顯著增加，低活性組分提高幅度較大，其次為高活性組分；NPKS增加高活性組分含量最顯著，NPK增加中活性組分最顯著，NPKM增加低活性組分最顯著。在40—60 cm土層，與不施肥相比，NPKS和1.5NPKS處理增加高活性組分幅度最大，NPK增加中活性和低活性組分幅度最大。

表3 長期不同施肥下各土層不同活性組分含量及比例

高活性有機碳（HLOC）：被33 mmol·L-1KMnO4氧化的組分；中活性有機碳（MLOC）：被167 mmol·L-1KMnO4氧化而未被33 mmol·L-1KMnO4氧化的組分；低活性有機碳（LLOC）：被333 mmol·L-1KMnO4氧化而未被167 mmol·L-1KMnO4氧化的組分。Mean表示不同處理的平均值（n=6）

HLOC: High labile fraction oxidized by 33 mmol·L-1KMnO4; MLOC: Middle labile fraction oxidized by 167 mmol·L-1KMnO4but not 33 mmol·L-1KMnO4; LLOC: Low labile fraction oxidized by 333 mmol·L-1KMnO4but not 167 mmol·L-1KMnO4. Mean is the average value across treatments (n=6)

2.5 土壤活性有機碳與總有機碳的關系

相關分析表明（圖3），土壤活性有機碳及其各組分均與總有機碳呈顯著正相關，表明土壤活性有機碳可以指示總有機碳的變化。土壤活性有機碳與總有機碳線性回歸方程決定系數（2）最大，3種活性組分與總有機碳線性回歸方程的決定系數大小為高活性組分＞低活性組分＞中活性組分。

圖3 土壤總有機碳與活性有機碳及不同組分的關系

3 討論

土壤總有機碳變化取決于有機碳的輸入和輸出平衡，施用化肥可以供應作物所需養(yǎng)分，提高作物生產力及作物根茬歸還土壤的有機碳數量；而施用有機肥不僅能夠通過提高作物產量增加作物根茬來源的有機碳投入，還通過秸稈歸還或者有機肥料直接投入增加土壤有機碳的輸入量從而提高總有機碳[25]。本試驗結果表明化肥配施秸稈還田顯著提高總土壤有機碳含量，且提升效果優(yōu)于單施化肥，這和其他研究結果一致[26-27]；NPKS和1.5NPKS對于提高土壤有機碳含量效果相當，考慮到資源高效利用和過量化肥投入帶來的環(huán)境風險，本試驗條件下NPKS為推薦施肥措施。單施化肥對土壤有機碳的影響比較復雜，有研究認為平衡施用化肥氮磷鉀甚至單施氮肥能夠促進植物根系生長，增加地下部生物量和有機碳的輸入，顯著提高土壤有機碳含量[28]；也有研究認為，單施化肥雖有利于作物來源有機碳投入的增加，但也會加速土壤有機碳的分解礦化，不僅消耗根系增加的有機碳，還會消耗原始有機碳，不利于土壤有機碳累積[29]。本研究中，單施氮肥比不施肥提高了耕層土壤有機碳含量，氮磷鉀配施則進一步提高各土層有機碳含量，這可能與稻麥輪作條件下作物來源的有機碳投入較多和水稻季淹水降低土壤礦化速率等有關[30]。

土壤活性有機碳的主要來源是作物根系和殘茬、根際分泌物、土壤微生物殘體和腐殖化的有機質，施肥能提高作物根茬歸還數量、施用有機肥還能增加有機質的來源，從而促進了活性有機碳的累積。本研究中，長期施肥提高了活性有機碳數量，但是對活性有機碳占總有機碳比例的影響較小，這與Pandey等[31]的研究一致，他們發(fā)現8年的少耕或免耕同時提高了土壤總有機碳、活性有機碳和非活性有機碳含量，但對非活性有機碳占總有機碳的比例影響不顯著；而張瑞等[32]等研究表明短期施肥可以同時提高土壤活性有機碳含量及其占土壤總有機碳的比例，這是因為土壤有機碳由不同活性的碳庫組成，短期施肥對土壤有機碳的影響首先表現在活性碳庫上，對周轉速度較慢的非活性碳庫的影響較為緩慢；而長期施肥能維持有機碳持續(xù)大量輸入，促使各個碳庫之間的相互轉化，因此非活性碳庫也逐漸發(fā)生變化，直至碳庫間達到動態(tài)平衡并維持在一定的比例[33]。

土壤活性有機碳含量及其不同組分的分配與氣候條件、土壤類型、種植方式、土層深度等有關。徐明崗等[8]發(fā)現紅壤以高活性有機碳為主，而壚土、灰漠土和潮土以高活性和中活性有機碳兩部分為主。本文在稻麥輪作條件下的研究結果與旱地土壤研究結果明顯不同，稻麥輪作下紫色土相應土層低活性組分所占比例最高，這可能與輪作方式和土壤條件有關。水旱輪作下土壤性質趨同于水稻土，土壤淹水厭氧導致富含酚類基團的木質素降解緩慢，后者可以結合活性的游離腐殖酸，促進其累積，并貢獻于低活性有機碳組分[34]。其次，有機質分子能夠與鐵鋁氧化物及其水合氧化物結合，或者通過鐵鋁離子鍵橋作用與土壤黏粒結合而改變活性，本研究中土壤黏粒含量較高，且水旱輪作干濕交替導致鐵鋁氧化還原過程頻繁，這可能會增加土壤礦物結合的有機質數量，導致低活性有機碳增加[35]。從不同土層深度來看，水旱輪作下0—20 cm土層土壤活性有機碳及其各組分含量明顯高于20—40和40—60 cm土層，這可能是因為作物和肥料來源的有機碳主要投入到表層土壤，它們直接或經過微生物降解后，促進了表層土壤活性有機碳的累積[25]。盡管下層土壤各活性有機碳含量均降低，但20—40 cm土層低活性組分下降幅度較大，導致該層土壤各活性組分的分配比例明顯不同于其他土層，其原因可能在于水旱輪作條件下，季節(jié)性干濕交替影響了20—40 cm土層土壤微生物的活動及其對不同活性碳組分的消耗或累積[36]；其次，溶解性有機質隨土壤水分的上移和下滲也可能是引起該土層活性有機碳分配發(fā)生變化的原因，但具體原因需要進一步研究。

4 結論

稻麥輪作條件下長期施肥可維持或提高土壤總有機碳，單施氮肥僅提高耕層土壤總有機碳，平衡施用化肥提高了各土層有機碳含量，化肥配施有機肥尤其是秸稈還田提升效果更好?；钚杂袡C碳占總有機碳的16.9%—22.3%，高、中、低活性有機碳含量均隨土層加深而降低，但所占比例在不同土層明顯不同，0—20和40—60 cm土層低活性有機碳比重最大，其次為中活性有機碳和高活性有機碳；而20—40 cm土層中活性有機碳比重最大，其次為高活性和低活性有機碳。長期施肥可提高土壤活性有機碳及高、中、低活性組分的含量，化肥配施秸稈還田提升效果最好；但施肥對土壤活性有機碳及不同活性組分的分配比例影響較小。綜上，稻麥輪作條件下，長期施用化肥配和秸稈還田對于提高土壤總有機碳和活性有機碳含量效果最好，可以促進土壤有機碳固定、改善土壤有機碳質量、提高碳庫管理指數。

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（責任編輯 楊鑫浩）

Soil Organic Carbon Lability of Purple Soil as Affected by Long-term Fertilization in a Rice-wheat Cropping System

ZHAO Ya-nan1, CHAI Guan-qun1, ZHANG Zhen-zhen1, XIE Jun1, LI Dan-ping1, ZHANG Yue-qiang1,2, SHI Xiao-jun1,2

(1College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400716;2National Monitoring Station of Soil Fertility and Fertilizer Efficiency on Purple Soils, Chongqing 400716)

【Objective】Based on a 22-year fertilization experiment, soil organic carbon (SOC) and its lability under different long-term fertilization were studied to investigate the SOC quantity and quality of purple soil and their responses to long-term fertilization in a rice-wheat cropping system.【Method】There were six fertilization treatments including no fertilizer (CK), chemical N fertilizer alone (N), chemical NPK fertilizers (NPK), chemical NPK fertilizers plus straw (NPKS), high amount of chemical NPK fertilizers plus equal amount of straw (1.5NPKS) and chemical NPK fertilizer plus manure (NPKM). In soil samples at 0-20, 20-40 and 40-60 cm depths, the labile organic carbon (LOC) and its three fractions with different labilities, i.e., high LOC (HLOC), middle LOC (MLOC) and low LOC (LLOC), were determined according to the oxidation by 33, 167 and 333 mmol·L-1potassium permanganate (KMnO4) solution, and carbon management index (CMI) was determined by total SOC (TOC) and LOC, and CK was used as reference.【Result】The TOC and LOC were 9.2-16.5 g·kg-1and 1.58-3.67 g·kg-1across all treatments and soil depths, respectively. Long-term fertilization could maintain or improve the TOC, LOC content and CMI, with greater improvement on the 0-20 cm soil layer than other layers. Compared with no fertilization, the increases in NPKS treatment were 32.5%, 25.7% and 5.3% for TOC, 37.0%, 44.7% and 9.3% for LOC, 38%, 49% and 9% for CMI on 0-20, 20-40 and 40-60 cm soil layers, respectively, which were relatively greater than other fertilization treatments. Long-term fertilization significantly improved the content of HLOC, MLOC and LLOC on three soil layers with greater increase in treatments with combined application of mineral and organic fertilizers (NPKS, 1.5NPKS and NPKM) than mineral fertilizers alone (NPK and N), while the effect of long-term fertilization on proportions of three labile fractions to LOC was relatively small, indicating that long-term fertilization did not alter the distribution pattern of different LOC fractions. However, the content and proportions of HLOC, MLOC and LLOC were significantly affected by soil depth. On the average, HLOC, MLOC and LLOC accounted for 23.6%, 35.6% and 40.7% of LOC on 0-20 cm soil layer while 30.5%, 44.8% and 24.7% in 20-40 cm soil due to great decline of LLOC content. The LOC, HLOC, MLOC and LLOC were linearly and positively correlated with TOC content, indicating that LOC and its fractions could be used as indicators of TOC change caused by management practices.【Conclusion】These results suggested that long-term fertilization could maintain or improve the quantity and lability of SOC and thus CMI, and combined application NPK fertilizers with straw return is the recommended practice to promote both the TOC and LOC accumulation of purple soil in the rice-wheat cropping system.

soil organic carbon; labile organic carbon; carbon management index; long-term fertilization; rice-wheat rotation; paddy soil

2016-05-13；接受日期：2016-07-26

國家自然科學基金（31471944）、國家公益性行業(yè)（農業(yè)）科研專項（201203030）

趙亞南，E-mail：zhaoyanan2014@163.com。通信作者石孝均，E-mail：shixj@swu.edu.cn