長期定位施肥31年后紫色水稻土碳、氮含量及儲(chǔ)量變化

樊紅柱，陳 琨，陳慶瑞，秦魚生，蔣 松

(四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，四川 成都 610066)

【研究意義】農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要類型之一，土壤碳、氮的循環(huán)對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、生產(chǎn)力及其環(huán)境效應(yīng)具有重要的影響。1 m深的土壤中有機(jī)碳庫儲(chǔ)量約為1500 Pg、無機(jī)碳庫儲(chǔ)量超過1000 Pg，土壤碳庫是生物碳庫的4.5倍，大氣碳庫的3.3倍；土壤碳庫儲(chǔ)量的微小變化將可能對(duì)大氣CO2濃度產(chǎn)生重要影響[1-2]。同時(shí)，土壤氮庫與碳庫緊密相關(guān)，土壤有機(jī)碳和氮不僅是土壤微生物最主要的營養(yǎng)元素與能源，也能驅(qū)動(dòng)土壤中C、N、P養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和循環(huán)，進(jìn)而影響土壤性質(zhì)及養(yǎng)分的供應(yīng)能力[3]。因此農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤碳、氮含量與土壤肥力和全球氣候變化密切相關(guān)?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】土壤有機(jī)碳、氮的含量與儲(chǔ)量受多種因素影響，如氣候、植被、土壤屬性、土地利用方式以及施肥措施等[1,3-4]，尤其是土壤類型與施肥管理措施[1,5-9]。駱坤等[1]研究了長期施肥下我國東北黑土碳、氮的變化，發(fā)現(xiàn)常量和高量有機(jī)無機(jī)肥配施處理分別比不施肥處理0～20 cm土層有機(jī)碳含量增加了24.6 %和25.1 %，土壤氮含量分別提高了29.5 %和32.8 %，但亞表層土壤有機(jī)碳和氮含量對(duì)施肥無響應(yīng)。高偉等[5]研究指出，天津市旱作潮土經(jīng)過34年的不同措施培肥，有機(jī)無機(jī)配合施肥、施用化肥和不施肥土壤有機(jī)碳分別比試驗(yàn)開始時(shí)增加52.9 %、29.0 %和11.1 %，且不同施肥模式下土壤有機(jī)碳的盈余量差異顯著。陜西塿土長期肥料定位試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有機(jī)無機(jī)肥配施較不施肥顯著增加所有土層有機(jī)碳含量，0～10、10～20和20～30 cm土層有機(jī)碳含量分別增加150 %、97 %和42 %；長期有機(jī)無機(jī)肥配施通過影響土團(tuán)聚體分布以及碳在團(tuán)聚體中的分配比例而增加有機(jī)碳固定[6]；長期有機(jī)肥與氮磷鉀肥配施處理0～10 cm土層的團(tuán)聚體有機(jī)碳含量較CK增加103.5 %，全氮含量增加122.3 %；10～20 cm土層有機(jī)碳含量較CK增幅為59.9 %，全氮含量增幅為93.0 %[7]。Fan等[8]對(duì)紫色水稻土長期定位試驗(yàn)進(jìn)行研究，認(rèn)為施肥處理比不施肥提高土壤有機(jī)碳含量6.48 %～29.13 %，紫色土固碳速率為0.10～0.53 t/hm2·a，尤其是有機(jī)無機(jī)肥料配施更利于土壤碳素固持。黃晶等[9]對(duì)我國南方紅壤性水稻土連續(xù)30年不同施肥下有機(jī)碳變化進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)施肥能提高土壤有機(jī)碳含量，有機(jī)無機(jī)肥配施的土壤有機(jī)碳含量為21.02～21.24 g/kg，年增加速率為0.41～0.59 g/kg，單施化肥的土壤有機(jī)碳含量為15.48 g/kg；有機(jī)無機(jī)肥配施處理土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量為43.61～48.43 t/hm2，歷年平均土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量顯著大于單施化肥處理。綜上所述，施肥能夠不同程度增加土壤中的碳、氮含量水平，碳、氮增加速率因土壤類型及培肥措施不同而有所差異，但多數(shù)土壤以有機(jī)無機(jī)肥配施提升土壤碳、氮效果更佳?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】紫色土區(qū)域是我國重要的糧食和畜牧業(yè)基地，該區(qū)域土壤培肥一直受到研究者的高度關(guān)注。雖然多數(shù)學(xué)者開展了耕作制度、施肥、土地利用方式、水土流失等對(duì)紫色土培肥效果的研究[10-13]，但多數(shù)研究結(jié)論基于短期田間試驗(yàn)得出?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究依托該區(qū)域31年長期肥料定位試驗(yàn)，分析了長期不同培肥模式下土壤碳、氮含量及儲(chǔ)量的變化，旨在為紫色土區(qū)土壤培肥提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤由侏羅系遂寧組砂頁巖母質(zhì)發(fā)育的紅棕紫泥田-鈣質(zhì)紫色水稻土，土壤采自四川省遂寧市船山區(qū)永興鎮(zhèn)四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所野外觀測實(shí)驗(yàn)點(diǎn)(東經(jīng)105°03′26′′，北緯30°10′50′′)。該區(qū)屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，年均溫度17.4 ℃，年均降水量930 mm。試驗(yàn)于1982年開始，試驗(yàn)前耕層土壤(0～20 cm)pH 8.6，有機(jī)質(zhì)15.9 g/kg，全氮1.09 g/kg，全磷(P2O5)1.35 g/kg，全鉀(K2O)26.89 g/kg，堿解氮、有效磷(P2O5)、速效鉀(K2O)分別為66.3、8.9與130 mg/kg，該土壤鉀素豐富、磷素不足。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與測定項(xiàng)目

長期肥料試驗(yàn)設(shè)不施肥(CK)、氮肥(N)、氮磷肥(NP)、氮磷鉀肥(NPK)、有機(jī)肥(M，鮮豬糞)、有機(jī)肥配施氮肥(MN)、有機(jī)肥配施氮磷肥(MNP)和有機(jī)肥配施氮磷鉀肥(MNPK)共8個(gè)處理。試驗(yàn)小區(qū)面積為13.4 m2，每個(gè)處理重復(fù)4次，采用隨機(jī)區(qū)組排列。小區(qū)間用離地面高20 cm的水泥板分隔，每一區(qū)組間設(shè)有獨(dú)立灌、排渠，可控制每個(gè)小區(qū)的排、灌。試驗(yàn)采用水稻-小麥一年兩熟輪作模式。水稻移栽前人工整地，灌水后施基肥；小麥采用免耕栽培，直接在稻茬上打窩，施基肥后播種。每季水稻和小麥肥料用量相同，每季施用氮肥(N)120 kg/hm2、磷肥(P2O5)60 kg/hm2、鉀肥(K2O)60 kg/hm2、有機(jī)肥15 000 kg/hm2。肥料種類分別為尿素、過磷酸鈣、氯化鉀和新鮮豬糞；水稻季有機(jī)肥、磷肥、60 %氮肥和50 %鉀肥作基肥，剩余40 %氮肥和50 %的鉀肥作分蘗肥；小麥季有機(jī)肥、磷肥、30 %氮肥和50 %鉀肥作基肥，剩余70 %氮肥和50 %鉀肥作拔節(jié)肥。2012年水稻收獲后(9月份)，采集各處理0～20和20～40 cm混合土樣，同時(shí)用環(huán)刀法測定土壤容重。新鮮樣品用樣品袋帶回實(shí)驗(yàn)室，揀去根茬、動(dòng)物殘?bào)w和石塊等雜物，室內(nèi)自然風(fēng)干、然后磨細(xì)過篩備用。采用重鉻酸鉀容量法測定土壤有機(jī)碳、半微量開氏法測定土壤全氮[10]。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

稻田耕層土壤碳、氮儲(chǔ)量估算參數(shù)有土壤容重、土壤碳氮含量和土層厚度。土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量按照于小玲等[14]的方法計(jì)算。

式中：SOCi為特定深度的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量(t/hm2)，Ci為第i層土壤有機(jī)碳含量(g/kg)，pi為第i層土壤容重(g/cm3)，hi為第i層土壤厚度(cm)，n為土層數(shù)。同理計(jì)算土壤氮儲(chǔ)量。

文中所有數(shù)據(jù)采用Excel2007進(jìn)行整理和作圖，采用DPS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，顯著性水平為P<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期定位施肥土壤碳變化

由圖1可知，紫色水稻土經(jīng)過連續(xù)31年的不同施肥后，CK(8.19 g/kg)處理0～20 cm土層有機(jī)碳含量明顯低于試驗(yàn)開始時(shí)基礎(chǔ)土壤有機(jī)碳含量(9.22 g/kg)，有機(jī)碳含量較原始基礎(chǔ)土壤下降了11.17 %；顯示試驗(yàn)水稻土的自然地力不能維持作物生長對(duì)耕層土壤有機(jī)碳的消耗。其他各施肥處理0～20 cm土層有機(jī)碳含量變化范圍為10.44～12.36 g/kg，且明顯高于原始基礎(chǔ)土壤；其中以MNPK處理增加幅度最大、MNP處理次之，比原始基礎(chǔ)土壤有機(jī)碳含量分別增加了34.06 %和32.86 %。紫色水稻土連續(xù)31年不同施肥處理后，CK處理0～20 cm土層的有機(jī)碳含量最低，為8.19 g/kg；各施肥處理較CK處理有機(jī)碳含量均顯著增加，但所有施肥處理間均無顯著差異，以MNPK處理增加幅度最大，較CK處理有機(jī)碳含量增幅為50.92 %，其次是MNP處理，較CK處理有機(jī)碳含量提高了49.57 %，其他施肥處理較CK有機(jī)碳含量增加幅度為27.47 %～36.39 %。同一處理，0～20和20～40 cm土層有機(jī)碳含量比較，0～20 cm土層有機(jī)碳含量從8.19～12.36 g/kg下降到20～40 cm的5.80～7.95 g/kg，下降幅度達(dá)37.07 %；表明土壤有機(jī)碳含量隨土層深度增加而降低。20～40 cm土層有機(jī)碳含量，以M處理最低，為5.80 g/kg，CK和N處理次之，且后兩者無顯著差異。CK和N處理土壤有機(jī)碳含量均顯著低于NP、NPK、MNP和MNPK處理。

圖中柱上不同字母代表P<0.05水平差異顯著，誤差線為標(biāo)準(zhǔn)差，下圖同圖1 長期不同施肥土壤碳含量Fig.1 Soil organic carbon content under long-term different fertilization treatments

就0～20 cm土層來說，化肥配施有機(jī)肥處理(MN、MNP和MNPK)土壤有機(jī)碳含量(11.85 g/kg)比單施化肥處理(N、NP和NPK)(10.68 g/kg)和CK(8.19 g/kg)處理以及試驗(yàn)開始時(shí)原始基礎(chǔ)土壤有機(jī)碳含量(9.22 g/kg)分別增加了10.96 %、44.69 %和28.52 %，單施化肥處理較CK和原始基礎(chǔ)土壤有機(jī)碳含量分別提高30.40 %和15.84 %。CK處理有機(jī)碳含量下降速率為0.033 g/kg·a，化肥配施有機(jī)肥和單施化肥處理土壤有機(jī)碳含量增加速率分別為0.085和0.047 g/kg·a?；逝涫┯袡C(jī)肥處理20～40 cm土層有機(jī)碳含量(7.36 g/kg)較單施化肥(6.90 g/kg)和CK處理(6.17 g/kg)分別增加了6.67 %和19.29 %。并且無論0～20 cm還是20～40 cm土層有機(jī)肥配施化肥各處理土壤有機(jī)碳含量均高于相應(yīng)僅施化肥處理；說明有機(jī)肥配施化肥提升土壤有機(jī)碳含量效果優(yōu)于單施化肥。

土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量主要由土壤容重和有機(jī)碳含量決定，由于長期不同施肥條件下土壤容重和有機(jī)碳含量受肥料種類、肥料用量、地表作物枯落物、地下根系分布和人為干擾等因素影響程度不相同，因此不同施肥處理土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量存在一定差異[12,15]。由圖2可知，紫色水稻土經(jīng)過連續(xù)31年不同施肥后，0～20 cm土層有機(jī)碳儲(chǔ)量在20.06～29.90 t/hm2范圍內(nèi)變化；其中MNPK處理土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量最高，為29.90 t/hm2，MNP處理次之，為28.37 t/hm2，MN處理有機(jī)碳儲(chǔ)量排第3，達(dá)27.70 t/hm2，N、NP、NPK和M處理有機(jī)碳儲(chǔ)量差異不大，為26.26～26.78 t/hm2，CK處理有機(jī)碳儲(chǔ)量最小，為20.06 t/hm2。方差分析結(jié)果表明所有施肥處理土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量顯著高于CK，而不同施肥處理間未達(dá)顯著差異；化肥配施有機(jī)肥處理土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量均明顯高于相應(yīng)僅施化肥處理；說明有機(jī)肥和化肥配合施用提升土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量效果優(yōu)于單施化肥。20～40 cm土層有機(jī)碳儲(chǔ)量的變化范圍為17.52～25.10 t/hm2，明顯低于0～20 cm土層有機(jī)碳儲(chǔ)量(20.06～29.90 t/hm2)。CK、N和M處理有機(jī)碳儲(chǔ)量差異不大，且3者之間未達(dá)顯著差異；NP和NPK處理有機(jī)碳儲(chǔ)量顯著高于N和CK處理，而兩者呈顯著差異；MN、MNP和MNPK處理有機(jī)碳儲(chǔ)量也顯著高于M和CK處理；有機(jī)肥與化肥配合施用各處理土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量高于相應(yīng)僅施化學(xué)肥料處理。相同施肥處理0～20 cm土層有機(jī)碳儲(chǔ)量明顯高于20～40 cm土層，說明不同施肥處理方式下土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量呈現(xiàn)出明顯的表聚性。

圖2 長期不同施肥土壤碳儲(chǔ)量Fig.2 Soil organic carbon storage under different long-term fertilization treatments

2.2 長期定位施肥土壤氮變化

由圖3可知，長期不同施肥對(duì)紫色水稻土氮含量影響較大。連續(xù)31年不同施肥后，所有處理0～20 cm土層氮含量均高于試驗(yàn)開始時(shí)基礎(chǔ)土樣(1.09 g/kg)，表明長期不施肥仍然可以維持作物生長對(duì)耕層土壤氮素的消耗。不同施肥處理土壤氮含量在1.23～1.71 g/kg范圍內(nèi)變化，其中CK(1.27 g/kg)和N(1.23 g/kg)處理氮含量相對(duì)較低，MNPK處理氮含量最高，其他處理土壤氮含量相差不大。不同施肥處理0～20 cm土層氮含量從1.23～1.71 g/kg下降到20～40 cm土層的0.87～1.17 g/kg，下降幅度達(dá)34.86 %；反映了土壤氮含量隨土層深度增加而降低的變化趨勢。就不同施肥處理20～40 cm土層氮含量而言，MN處理最低，CK、N、NP、M和MNP之間未達(dá)顯著差異，但前者(MN)氮含量顯著低于后者(CK、N、NP、M和MNP)，NPK處理氮含量顯著高于其他處理。0～20 cm土層有機(jī)肥配施化肥處理(1.65 g/kg)比單施化肥處理(1.44 g/kg)土壤氮含量提高了14.58 %，化肥配施有機(jī)肥和單施化肥處理土壤氮含量增加速率分別為0.018和0.011 g/kg·a；而20～40 cm土層化肥配施有機(jī)肥處理(0.97 g/kg)比單施化肥處理(1.04 g/kg)處理降低了6.73 %，說明施用有機(jī)肥不僅能提高土壤氮素水平，也可有效減少氮素向土壤深層淋溶。

圖3 長期不同施肥土壤氮含量Fig.3 Soil total nitrogen content under different long-term fertilization treatments

由圖4可知，不同施肥方式顯著影響紫色水稻土氮儲(chǔ)量。連續(xù)31年不同施肥后，0～20 cm土層氮儲(chǔ)量在3.08～4.14 t/hm2范圍內(nèi)變化，其中CK和N處理氮儲(chǔ)量相差不大，且顯著低于其他施肥處理，而其他處理之間氮儲(chǔ)量未達(dá)顯著差異，以MNPK處理氮儲(chǔ)量相對(duì)最高。20～40 cm土層氮儲(chǔ)量的變化范圍為2.61～3.52 t/hm2，明顯低于0～20 cm土層氮儲(chǔ)量(3.08～4.14 t/hm2)。MN處理氮儲(chǔ)量顯著低于其他處理，CK、N和MNPK處理氮儲(chǔ)量未達(dá)顯著差異，NP和MNP處理氮儲(chǔ)量未達(dá)顯著差異，但顯著高于CK、N和MN處理；NPK處理氮儲(chǔ)量顯著高于所有處理。0～20 cm土層有機(jī)肥配施化肥處理(3.99 t/hm2)土壤氮儲(chǔ)量比單施化肥處理(3.59 t/hm2)增加了11.14 %，而20～40 cm土層有機(jī)肥與化肥配合施用處理(2.90 t/hm2)土壤氮儲(chǔ)量比僅施化肥處理(3.18 t/hm2)下降了8.81 %。說明施用有機(jī)肥有利于氮素在表層土壤(0～20 cm)累積，減少了氮素向下淋溶損失。

2.3 長期定位施肥對(duì)土壤碳氮關(guān)系的影響

土壤C/N比不僅反應(yīng)土壤碳、氮營養(yǎng)的狀況，也是土壤有機(jī)物分解程度的一個(gè)指標(biāo)，C/N比值越高，說明土壤有機(jī)物的分解程度越低，有機(jī)碳趨于積累，反之亦然[16]。紫色水稻土連續(xù)31年施肥后，僅有N處理與試驗(yàn)開始時(shí)基礎(chǔ)土樣C/N比值接近，主要是因?yàn)樵撎幚淼枯^低的原因，而其他處理C/N比值均低于試驗(yàn)開始時(shí)基礎(chǔ)土樣，可能是因?yàn)殡S著土壤有機(jī)碳含量的提高以及外源養(yǎng)分的施入增加了土壤微生物活性，加快了有機(jī)質(zhì)的分解，土壤中氮素累積大于有機(jī)碳的累積[17]。不同施肥處理0～20 cm土層C/N比變化范圍在6.45～8.55，CK、NP、NPK和M處理的C/N比值未達(dá)顯著差異，MN、MNP和MNPK處理的C/N比值也未達(dá)顯著差異，但前者處理C/N比低于后者，N處理C/N比相對(duì)最高；除N處理外僅施化肥各處理C/N比值平均為6.93，化肥配施有機(jī)肥處理C/N比值平均為7.19；除N和MN處理外，有機(jī)肥配施化肥各處理的C/N比值高于單施化肥相應(yīng)處理。不同施肥處理20～40 cm土層C/N比值變化范圍在5.78～8.02之間，CK、N、NPK和M處理的C/N比未達(dá)顯著差異，NP、MN和MNP處理的C/N比值也未達(dá)顯著差異，且后者的C/N比顯著高于前者；僅施化肥各處理C/N比值平均為6.65，化肥配施有機(jī)肥處理C/N比值平均為7.63；有機(jī)肥配施化肥各處理的C/N比值高于單施化肥相應(yīng)處理。由于有機(jī)肥配施化肥各處理增加了碳素投入，從而促進(jìn)了土壤有機(jī)物的積累，協(xié)調(diào)了土壤C/N比。

圖4 長期不同施肥土壤氮儲(chǔ)量Fig.4 Soil total nitrogen storage under different long-term fertilization treatments

圖5 長期不同施肥土壤碳氮比變化Fig.5 Ratios of carbon to nitrogen under different long-term fertilization treatments

基于長期定位施肥研究了紫色水稻土碳、氮含量及儲(chǔ)量變化規(guī)律，對(duì)不同施肥處理土壤剖面有機(jī)碳和全氮含量進(jìn)行相關(guān)分析(圖6)。紫色水稻土有機(jī)碳和全氮含量存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，R2=0.883(P<0.01)。這表明施肥與土壤有機(jī)碳和全氮含量的演變關(guān)系密切，而碳氮變化趨勢相同，兩者相互促進(jìn)，相互制約。

3 討 論

在土壤生態(tài)系統(tǒng)中，有機(jī)碳既是土壤微生物的能源，又是重要的植物養(yǎng)分儲(chǔ)備庫。施肥不同，往往造成植物殘?bào)w、根系殘留物以及分泌物在土壤中積累量不同，從而影響土壤中養(yǎng)分的積累與周轉(zhuǎn)[15]。本研究發(fā)現(xiàn)，紫色水稻土定位施肥31年后，不同施肥處理0～20 cm土層有機(jī)碳含量從8.19～12.36 g/kg下降到20～40 cm的5.80～7.95 g/kg，下降幅度達(dá)37.07 %；0～20 cm土層有機(jī)碳儲(chǔ)量(20.06～29.90 t/hm2)比20～40 cm土層有機(jī)碳儲(chǔ)量(17.52～25.10 t/hm2)增加了22.37 %；說明施肥主要提高了表層(0～20 cm)土壤有機(jī)碳，且土壤有機(jī)碳含量與儲(chǔ)量隨土層深度增加而降低。尚杰等[11]在陜西塿土旱地、李文軍等[15]在洞庭湖雙季稻區(qū)水稻土上的研究也說明不同施肥處理方式下土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量呈現(xiàn)出明顯的表聚性。這主要是因?yàn)?～20 cm表層土壤接受較多的植物凋落物、根茬和有機(jī)肥等有機(jī)碳含量豐富物質(zhì)，導(dǎo)致有機(jī)碳投入量大于其分解損失量；而20～40 cm亞表層土壤有機(jī)碳的投入量較少，僅為一些植物細(xì)根、根系分泌物和部分表層淋溶下來的有機(jī)碳[1]。化肥配施有機(jī)肥處理(MN、MNP和MNPK)0～20 cm土層有機(jī)碳含量(11.85 g/kg)比單施化肥(N、NP和NPK)(10.68 g/kg)和CK(8.19 g/kg)處理土壤有機(jī)碳含量分別增加了10.96 %和44.69 %，化肥配施有機(jī)肥處理20～40 cm土層有機(jī)碳含量(7.36 g/kg)較單施化肥(6.90 g/kg)和CK處理(6.17 g/kg)分別增加了6.67 %和19.29 %；并且無論0～20 cm還是20～40 cm土層有機(jī)肥配施化肥各處理土壤有機(jī)碳含量和儲(chǔ)量均明顯高于相應(yīng)僅施化肥處理；紫色水稻土經(jīng)過連續(xù)31年的不同施肥后，0～20 cm土層中CK處理有機(jī)碳含量較試驗(yàn)開始時(shí)基礎(chǔ)土壤有機(jī)碳含量降低了11.17 %，下降速率為0.033 g/kg·a，而其他施肥處理土壤有機(jī)碳平均含量提高了22.02 %，化肥配施有機(jī)肥和單施化肥處理土壤有機(jī)碳含量增加速率分別為0.085和0.047 g/kg·a。表明長期單施化肥也能促進(jìn)土壤有機(jī)碳累積，而有機(jī)肥配施化肥提升土壤有機(jī)碳效果優(yōu)于單施化肥。這與國內(nèi)外多數(shù)研究結(jié)果基本一致[5,9,18-20]。主要因?yàn)橛袡C(jī)肥配施化肥一方面由于有機(jī)肥的投入直接增加了土壤有機(jī)碳來源，另一方面有機(jī)肥的施用增加了作物根茬、根系生物量和根系分泌物等間接碳來源[21-22]。但還有大量研究發(fā)現(xiàn)，長期單施化肥情況下土壤有機(jī)碳含量或呈持平效應(yīng)[1,23]、或呈明顯的負(fù)增長態(tài)勢[24]，長期施用化肥，雖然增加了作物根茬殘留，同時(shí)也提高了土壤微生物活性，進(jìn)而加速了土壤中有機(jī)物殘茬和有機(jī)碳的分解礦化，促使土壤有機(jī)碳總量下降[25]。單施化肥是否促進(jìn)土壤有機(jī)碳累積與試驗(yàn)前原始土壤的有機(jī)碳水平關(guān)系密切，當(dāng)試驗(yàn)前土壤有機(jī)碳低于最低平衡點(diǎn)時(shí)，施用化肥能夠增加土壤有機(jī)碳[1]。

圖6 長期不同施肥對(duì)土壤碳氮關(guān)系的影響Fig.6 Correlations between soil organic carbon and nitrogen

紫色水稻土連續(xù)31年不同施肥后，0～20 cm土層所有處理氮含量均高于試驗(yàn)開始時(shí)基礎(chǔ)土樣氮含量，其中化肥配施有機(jī)肥和單施化肥處理土壤氮含量增加速率分別為0.018和0.011 g/kg·a，證實(shí)了無論施用化肥還是有機(jī)肥都能增加土壤氮素積累，同時(shí)也表明長期不施肥仍然可以維持作物生長對(duì)耕層土壤氮素的消耗，主要是灌溉水和雨水帶入足量的氮素能夠滿足作物生長所需[26]。施肥處理0～20 cm土層土壤氮含量及儲(chǔ)量顯著高于CK和N處理，而CK和N處理兩者氮含量和儲(chǔ)量未達(dá)顯著差異；0～20 cm土層有機(jī)肥配施化肥處理(1.65 g/kg)比單施化肥處理(1.44 g/kg)土壤氮含量提高了14.58 %，而有機(jī)肥配施化肥處理(3.99 t/hm2)土壤氮儲(chǔ)量比單施化肥處理(3.59 t/hm2)增加了11.14 %；20～40 cm土層化肥配施有機(jī)肥處理(0.97 g/kg)比單施化肥處理(1.04 g/kg)處理降低了6.73 %，有機(jī)肥與化肥配合施用處理(2.90 t/hm2)土壤氮儲(chǔ)量比僅施化肥處理(3.18 t/hm2)下降了8.81 %；說明施用有機(jī)肥有利于氮素在表層土壤(0～20 cm)累積，減少了氮素向土壤深層淋溶損失。因?yàn)橛袡C(jī)肥中含有大量的氮素，而且有機(jī)肥中大多數(shù)的有機(jī)氮易于殘留在土壤中[27]；另外，有機(jī)肥配施化肥降低了土壤氮礦化率[17]，從而提高土壤氮含量。

不同施肥處理0～20 cm土層C/N比變化范圍在6.45～8.55，除N處理外僅施化肥各處理C/N比值平均為6.93，化肥配施有機(jī)肥處理C/N比值平均為7.19；不同施肥處理20～40 cm土層C/N比值變化范圍在5.78～8.02，僅施化肥各處理C/N比值平均為6.65，化肥配施有機(jī)肥處理C/N比值平均為7.63；總體來說有機(jī)肥配施化肥各處理的C/N比值高于單施化肥相應(yīng)處理。表明有機(jī)肥配施化肥協(xié)調(diào)了土壤碳氮比。不同處理間土壤有機(jī)碳和全氮含量表現(xiàn)出極顯著相關(guān)關(guān)系，說明了土壤中碳氮組分間關(guān)系密切。

4 結(jié) 論

紫色水稻土31年不施肥土壤碳含量下降，施肥增加了土壤碳，CK處理土壤有機(jī)碳含量年下降速率為0.033 g/kg，單施化肥和化肥配施有機(jī)肥土壤有機(jī)碳含量年增加速率為0.047和0.085 g/kg。連續(xù)31年不同施肥后，各施肥處理較CK有機(jī)碳含量及儲(chǔ)量顯著增加，但所有施肥處理間無顯著差異，有機(jī)肥配施化肥土壤碳含量與儲(chǔ)量高于相應(yīng)僅施化肥處理，且土壤有機(jī)碳含量與儲(chǔ)量隨土層深度增加而下降。所有處理土壤氮含量高于試驗(yàn)開始時(shí)基礎(chǔ)土壤，不施肥、單施化肥和有機(jī)肥配施化肥土壤氮含量年增加速率分別為0.0058、0.011和0.018 g/kg；除N處理外其他施肥處理土壤氮含量與儲(chǔ)量顯著高于CK；0～20 cm土層有機(jī)肥配施化肥處理比單施化肥土壤氮含量與儲(chǔ)量分別提高了14.58 %和11.14 %，20～40 cm土層兩者分別降低了6.73 %與8.81 %，說明施用有機(jī)肥有利于氮在土壤表層累積，減少了氮素淋溶損失。土壤碳、氮循環(huán)相互影響，兩者存在著極顯著線性關(guān)系；有機(jī)肥配施化肥處理平均C/N高于單施化肥，且兩者均高于CK處理。