長期施肥下黃壤稻田土壤有機(jī)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(yàn)為基礎(chǔ)，選取對照（CK）、單施氮肥（N）、單施有機(jī)肥（M）、氮磷鉀肥配施（NPK）、低量有機(jī)無機(jī)肥配施（0.5 MNPK）和常量有機(jī)無機(jī)肥配施（MNPK）6個(gè)施肥處理，通過歷史土樣收集、田間取樣和室內(nèi)分析，結(jié)合趨勢擬合，研究不同施肥下黃壤稻田有機(jī)碳（SOC）和全氮（TN）的時(shí)序變化規(guī)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(guān)系，為合理施肥提供理論依據(jù)。結(jié)果表明，1995—2006年各處理土壤有機(jī)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(jī)肥的處理（M、MNPK和0.5 MNPK）對土壤有機(jī)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(jī)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(jī)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(jīng)長期施肥后，黃壤稻田各處理土壤碳氮比穩(wěn)定在123左右。單施有機(jī)肥或者有機(jī)無機(jī)肥配施可以顯著增加土壤有機(jī)碳和全氮的含量。長期有機(jī)肥化肥配合施用是土壤培肥的最佳選擇。

關(guān)鍵詞：黃壤稻田；長期施肥；土壤；有機(jī)碳；全氮；演變特征

中圖分類號： S153.6文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）14-0195-05

土壤有機(jī)碳對土壤的物理、化學(xué)和生物化學(xué)過程起著重要的調(diào)控作用，不僅是評價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)，也是全球碳循環(huán)的重要組成部分[1-2]。氮是植物必須的三大營養(yǎng)元素之一，土壤碳氮之間存在一定的耦合關(guān)系。長期施肥向農(nóng)田土壤中輸入大量的碳、氮等元素，從而維持作物產(chǎn)量、提高土壤肥力[3]，研究長期施肥下黃壤稻田土壤有機(jī)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(shí)可為我國西南地區(qū)農(nóng)田土壤固碳和地力提升的技術(shù)選擇提供科學(xué)依據(jù)。目前，國內(nèi)外學(xué)者已通過室內(nèi)模擬試驗(yàn) [5]、野外長期定位監(jiān)測[6]和區(qū)域調(diào)查分析[7]等方法對土壤碳、氮周轉(zhuǎn)和演變過程及其影響因子進(jìn)行了大量研究，結(jié)果表明生態(tài)系統(tǒng)中氮投入的變化影響了土壤-植物系統(tǒng)中碳的積累、分配與循環(huán)過程。農(nóng)田長期定位試驗(yàn)結(jié)果表明，施用有機(jī)肥或有機(jī)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(qū)黃泥土[13]有機(jī)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(rèn)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(fā)現(xiàn)，貧瘠紅壤長期有機(jī)無機(jī)肥配施或單施有機(jī)肥土壤有機(jī)碳、氮含量均呈增加趨勢，兩者之間具有較好的耦合效應(yīng)；但長期單施化肥二者之間表現(xiàn)為非耦合效應(yīng)，即土壤有機(jī)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(gè)長期定位試驗(yàn)站的研究結(jié)果表明，增加氮投入減少了土壤有機(jī)碳的礦化，從而增加了土壤有機(jī)碳的積累[18]；而有機(jī)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(guān)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(jī)碳、全氮含量的影響方面，而對碳、氮耦合關(guān)系的研究報(bào)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(jìn)土壤有機(jī)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(yàn)地為對象，收集1995年、1996年、2006年、2008年、2010年、2012年、2014年6個(gè)不同施肥處理的土壤樣品數(shù)據(jù)，研究長期施肥條件下土壤有機(jī)碳和全氮的消長規(guī)律及耦合關(guān)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(qū)耕地質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)地概況

長期試驗(yàn)地位于貴州省貴陽市小河區(qū)貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院內(nèi)（106°07′E，26°11′N），地處黔中丘陵區(qū)，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，平均海拔1 071 m，年均氣溫15.3 ℃，年均日照時(shí)數(shù) 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(yàn)地為黃壤性水稻土，成土母質(zhì)為三疊系灰?guī)r與砂頁巖風(fēng)化物。該長期定位試驗(yàn)起始于1995年。采用大區(qū)對比試驗(yàn)，種植1季水稻，小區(qū)面積201 m2（35.7 m×5.6 m），不設(shè)重復(fù)。共有11個(gè)處理，本研究選取了其中6個(gè)不同施肥處理：（1）不施肥（CK）；（2）單施氮肥（N）；（3）單施有機(jī)肥（M）；（4）氮磷鉀肥配施（NPK）；（5）低量有機(jī)無機(jī)肥配施（0.5 MNPK）；（6）常量有機(jī)無機(jī)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(guī)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(jī)肥 61.1 t/hm2。所施用有機(jī)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(jī)肥養(yǎng)分含量來調(diào)節(jié)化學(xué)氮肥施用量，除MNPK處理氮肥施用量不同外，其余施氮小區(qū)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(jī)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(nóng)虎禾（1999—2001年）、香兩優(yōu)875（2007—2008年）、汕優(yōu)聯(lián)合2號（2009年）和茂優(yōu)601（2010—2014年）。2002—2006年由于試驗(yàn)基地灌溉設(shè)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(shí)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(qū) 0～20 cm 耕層土壤樣品：將各小區(qū)等分為3個(gè)樣塊（67 m2），每個(gè)樣塊均勻布點(diǎn)采集5點(diǎn)組成1個(gè)混合樣，每個(gè)小區(qū)采集3個(gè)土壤樣品作為3次重復(fù)。除去動(dòng)、植物殘?bào)w后混勻，待土壤樣品風(fēng)干后過孔徑2 mm篩，備用。同時(shí)收集2006年、2008年、2010年、2012年水稻收獲后的歷史土壤樣品進(jìn)行分析測定。采用重鉻酸鉀氧化法測定有機(jī)碳含量，凱氏定氮法測定全氮含量[20]。

1.3數(shù)據(jù)分析

采用Excel軟件和SPSS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，所有土壤樣品的測定結(jié)果均為3次重復(fù)的平均值。不同施肥處理之間采用最小顯著差數(shù)法（LSD）進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)（P<005）。

2結(jié)果與分析

2.1長期施肥下黃壤稻田土壤有機(jī)碳的演變特征

長期施肥（1995—2014年）下黃壤稻田土壤有機(jī)碳隨時(shí)間的演變特征如圖1-A所示。由圖1-A可知，經(jīng)歷19年的長期施肥后，施用有機(jī)肥處理（M、0.5 MNPK和MNPK）土壤有機(jī)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(yàn)起始年份（1995年）相比，2014年M、MNPK、0.5 MNPK處理土壤有機(jī)碳含量分別提高了137%、14.5%、7.8%，而CK、N、NPK處理土壤有機(jī)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(dǎo)致各處理土壤有機(jī)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(jī)碳含量（y，g/kg）隨時(shí)間（x，年份）的演變特征及擬合的線性回歸方程和參數(shù)。由圖2可以看出，除CK處理外，其他施肥處理的土壤總有機(jī)碳含量與施肥時(shí)間均呈極顯著的線性正相關(guān)關(guān)系（P<0.01）。CK處理下土壤有機(jī)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(jī)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(jī)肥處理（0.5 MNPK、M和MNPK）下土壤有機(jī)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(jī)肥能夠顯著地增加土壤有機(jī)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(yàn)土壤全氮演變特征如圖1-B所示，總體上與土壤有機(jī)碳規(guī)律相似。由圖1-B可知，經(jīng)歷19年的長期施肥后，施用有機(jī)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(shí)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(jī)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(jī)肥能夠顯著地增加土壤全氮含量。有機(jī)無機(jī)配施更有利于土壤對氮的固定和保護(hù)，即有機(jī)無機(jī)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(wěn)。2014年各施肥處理土壤平均碳氮比（12.3±0.3）略高于試驗(yàn)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）。總體上，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(zhuǎn)化耦合關(guān)系已重新趨于穩(wěn)定，即碳氮比趨于穩(wěn)定。試驗(yàn)地2002—2006年種植玉米，本研究結(jié)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(nóng)田管理改變（如水旱變更）可迅速對土壤碳氮比產(chǎn)生影響，并迅速達(dá)到新的平衡。而一般研究認(rèn)為相同區(qū)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(jìn)一步研究。

3討論

土壤有機(jī)碳含量的演變是一個(gè)長期復(fù)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(jī)肥是調(diào)控土壤有機(jī)碳含量的重要措施之一。本研究中，經(jīng)歷19年的長期施肥（1995—2014年）之后，施用有機(jī)肥處理（M、0.5 MNPK和MNPK）土壤有機(jī)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(jī)碳含量的年增長速率低于有機(jī)肥處理。與試驗(yàn)起始年份（1995年）相比，2014年M、MNPK和0.5 MNPK處理土壤有機(jī)碳含量分別提高了13.7%、14.5%、7.8%，說明長期施用有機(jī)肥能夠顯著增加土壤有機(jī)碳含量，這與已有的文獻(xiàn)報(bào)道[12-13，22-24]是一致。這是由于有機(jī)肥的施用可以直接轉(zhuǎn)化為土壤中的有機(jī)碳，而且施肥可改善土壤的速效養(yǎng)分狀況進(jìn)而促進(jìn)作物生長，從而增加進(jìn)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(chǎn)量，地下部作物殘茬也相應(yīng)增加，繼而導(dǎo)致施用化肥比無肥處理更高的 SOC含量[26]。本研究中，與試驗(yàn)起始年份（1995年）相比，2014年CK、N、NPK處理土壤有機(jī)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(jī)碳含量或只能保持土壤有機(jī)碳含量穩(wěn)定。這與國內(nèi)的其他研究結(jié)果[9，11，27]一致，這與試驗(yàn)的區(qū)域生態(tài)氣候條件以及試驗(yàn)土壤的本底值有關(guān)，當(dāng)試驗(yàn)前土壤有機(jī)碳含量低于最低平衡點(diǎn)時(shí)，施用化肥能夠增加土壤有機(jī)碳含量[28]。許詠梅研究表明，在新疆特殊的生態(tài)氣候條件下，長期施用化肥使作物增產(chǎn)而形成的殘茬碳不足以彌補(bǔ)灰漠土有機(jī)碳礦化造成的損失[11]，因此表現(xiàn)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(jī)質(zhì)含量呈下降趨勢，說明對于高有機(jī)質(zhì)含量的腐殖土，開墾后導(dǎo)致礦化增加，即使施肥也無法保持土壤有機(jī)質(zhì)的水平[9，27]。張淑香等研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)30年單施化肥，東北黑土有機(jī)質(zhì)含量呈緩慢下降趨勢，其他區(qū)域穩(wěn)定緩慢上升[22]。

本研究中，1995—2006年土壤有機(jī)碳含量呈現(xiàn)下降趨勢，2006—2014年，各施肥處理土壤有機(jī)碳含量呈極顯著線性增加趨勢。這是由農(nóng)田耕作制度的變更所致，2002—2006年期間試驗(yàn)地由于缺水改為旱地，2007年又重新種植水稻。旱地通透性強(qiáng)，有利于土壤微生物的活動(dòng)，從而造成了對土壤有機(jī)質(zhì)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(dòng)，進(jìn)而有利于土壤有機(jī)質(zhì)的積累[13]；另一方面，改為水田后可能促進(jìn)土壤的團(tuán)聚作用，進(jìn)而增加對土壤有機(jī)碳的保護(hù)作用，所以從2007年開始，有機(jī)碳含量開始呈現(xiàn)升高趨勢。國內(nèi)其他學(xué)者的研究也表明相同條件下水田土壤有機(jī)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(jī)碳的演變規(guī)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(diǎn)不同，當(dāng)土壤全氮含量低于最低平衡點(diǎn)時(shí)，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(dá)到平衡點(diǎn)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?yàn)閱为?dú)施用化肥時(shí)，一部分化肥氮被作物吸收，而未被作物吸收的將通過揮發(fā)作用、硝態(tài)氮的淋洗等途徑損失，只有很少一部分化肥氮?dú)埩粲谕寥乐衃31]。而有機(jī)無機(jī)肥配施可顯著提高土壤氮素的積累，這是因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)含量的提高有利于土壤微生物的生長，加強(qiáng)了氮素的礦化和硝化作用，從而促進(jìn)土壤中氮的固定。

土壤碳氮比可反映土壤碳、氮的耦合關(guān)系，是評價(jià)土壤質(zhì)量水平的一個(gè)重要指標(biāo)。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(wěn)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(jié)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(rèn)為相同區(qū)域旱地土壤碳氮比要低于水田[21]，其原因有待于進(jìn)一步研究。土壤碳氮比主要與土壤有機(jī)質(zhì)的腐殖化程度有關(guān)，新鮮有機(jī)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(xiàn)下降趨勢，張春華等研究表明，在追求高產(chǎn)的前提下，碳氮的合理投入是維持土壤碳氮耦合平衡的關(guān)鍵，有機(jī)質(zhì)越高的地區(qū)，隨氮素投入水平的提高，有機(jī)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(shí)，還應(yīng)注重碳氮的歸還水平，大力推廣增施有機(jī)肥和秸稈還田，以保持土壤碳氮比的穩(wěn)定提高[33]，稻田土壤是一種長期淹水狀態(tài)下的熟化土，這可能是導(dǎo)致碳氮比值差異小的原因之一[28]。

4結(jié)論

不同施肥處理土壤總有機(jī)碳含量和全氮含量隨時(shí)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(jī)質(zhì)含量尚處于遠(yuǎn)離飽和點(diǎn)的低水平狀態(tài)，具有較大的固碳潛力和固碳容量。單施化肥對土壤有機(jī)碳含量和全氮含量的提高作用比較小，單施有機(jī)肥或者有機(jī)無機(jī)肥配施可以顯著增加土壤有機(jī)碳含量和全氮的含量。施有機(jī)肥時(shí)配施氮肥更利于土壤固碳，施氮肥時(shí)配施有機(jī)肥更有利于土壤保氮，并維持適宜的碳氮比和碳氮耦合關(guān)系。

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