長(zhǎng)期施用有機(jī)肥對(duì)稻麥輪作體系土壤有機(jī)碳氮組分的影響

陳 潔，梁國(guó)慶*，周 衛(wèi)，王秀斌，孫靜文，劉東海，胡 誠(chéng)

（1 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/農(nóng)業(yè)部植物營(yíng)養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100081；2 湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保土肥研究所，武漢 430064）

土壤碳庫(kù) (2500 Gt) 是大氣碳庫(kù)的3.3倍 (760 Gt)，是生物碳庫(kù)的4.5倍 (560 Gt)[1]，為重要的碳儲(chǔ)存庫(kù)，因此研究土壤碳變化對(duì)于全球碳循環(huán)，調(diào)節(jié)全球碳現(xiàn)狀有著重要作用。Stevenson[2]研究發(fā)現(xiàn)，在農(nóng)田土壤中，土壤有機(jī)質(zhì)的降解較慢，變化存在滯后性，不利于短期研究。而活性有機(jī)質(zhì)雖然含量較少，但受植物、微生物、土壤環(huán)境等影響強(qiáng)烈，降解速率較快，常被認(rèn)為是農(nóng)田管理措施的早期敏感指標(biāo)[3]，對(duì)于研究土壤質(zhì)量變化及碳氮循環(huán)有重要意義。不同組分的土壤有機(jī)質(zhì)因其物理-化學(xué)成分及周轉(zhuǎn)時(shí)間的不同導(dǎo)致碳的穩(wěn)定程度存在差異[4]，有機(jī)質(zhì)分為惰性和活性有機(jī)質(zhì)組分，其中活性有機(jī)質(zhì)包括微生物生物量、水溶性有機(jī)質(zhì)、熱水溶性有機(jī)質(zhì)、顆粒有機(jī)質(zhì)，輕組有機(jī)質(zhì)等[5]。土壤有機(jī)質(zhì)各組分是相互關(guān)聯(lián)的土壤過(guò)程及功能的整合體[6]。如顆粒有機(jī)質(zhì)及水溶性有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤團(tuán)聚體的形成起著關(guān)鍵作用，并為土壤微生物量提供能量來(lái)源。水溶性有機(jī)質(zhì)作為高度活性有機(jī)質(zhì)組分影響著土壤生化過(guò)程，但其活性受土壤含水量影響[7]。輕組有機(jī)質(zhì)是指未與土壤無(wú)機(jī)礦物緊密結(jié)合的密度較小的有機(jī)質(zhì)組分，代表新鮮殘留物和腐殖化的穩(wěn)定有機(jī)物之間的不穩(wěn)定庫(kù)，且與大多數(shù)微生物群落相關(guān)[8]。大量研究表明長(zhǎng)期施用有機(jī)肥及平衡施用化肥能顯著影響土壤中有機(jī)碳、氮及微生物量碳氮的含量，且均與有機(jī)質(zhì)和全氮存在正相關(guān)關(guān)系[9-10]，而長(zhǎng)期單施氮肥則會(huì)造成土壤酸化[11-13]。Biederbeck和Zentner[14]則提出在不同耕作制度下礦化態(tài)碳 (Cmin) 與MBC、LFOC間存在正相關(guān)關(guān)系，具體關(guān)系可表示為：Cmin= -104 +0.80MBC + 0.05LFOC。

土壤系統(tǒng)復(fù)雜，測(cè)定單一的有機(jī)碳、氮組分并不能準(zhǔn)確的反應(yīng)出土壤管理措施對(duì)土壤質(zhì)量的影響，關(guān)于長(zhǎng)期施用有機(jī)肥試驗(yàn)下土壤活性碳氮的變化及其相互關(guān)聯(lián)度的研究還不充分。本研究以湖北稻麥輪作區(qū)的小麥?zhǔn)斋@季土壤為研究對(duì)象，分析長(zhǎng)期施肥對(duì)耕層土壤有機(jī)碳氮積累及其敏感性變化的影響，探討碳氮活性組分之間的相關(guān)關(guān)系，為確定該地區(qū)最佳施肥措施提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

長(zhǎng)期定位試驗(yàn)始于1981年，設(shè)在湖北省武漢市南湖試驗(yàn)站 (30°37′N、114°20′1″E)是全國(guó)化肥試驗(yàn)網(wǎng)布置在長(zhǎng)江流域稻麥兩熟區(qū)的有機(jī)與無(wú)機(jī)肥料長(zhǎng)期定位試驗(yàn)。試驗(yàn)區(qū)為北亞熱帶向中亞熱帶過(guò)渡型的地理氣候帶，光照充足、熱量豐富、無(wú)霜期長(zhǎng)、降水充沛。年平均日照時(shí)數(shù)為2080 h，日平均氣溫大于10℃的總積溫為5190℃，年降雨量1300 mm左右，年蒸發(fā)量1500 mm，無(wú)霜期230～300 d。土壤類型為黃棕壤發(fā)育的黃棕壤性水稻土，屬潴育水稻土亞類，黃泥田土屬。試驗(yàn)區(qū)耕層土壤 (0—20 cm) 基礎(chǔ)理化性狀：pH為6.3、有機(jī)質(zhì)27.43 g/kg、全氮1.80 g/kg、全磷1.01 g/kg、全鉀30.22 g/kg、堿解氮150.70 mg/kg、銨態(tài)氮9.40 mg/kg、速效磷5.00 mg/kg、速效鉀含量為98.5 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)6個(gè)處理：不施肥 (CK)、單施氮肥(N)、氮磷肥配施 (NP)、氮磷鉀肥配施 (NPK)、單施有機(jī)肥 (M) 和氮磷鉀配施有機(jī)肥 (NPKM)。田間試驗(yàn)設(shè)3次重復(fù)，試驗(yàn)小區(qū)隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積40 m2(8 m × 5 m)，小區(qū)之間用40 cm深的水泥埂隔開(kāi)，每個(gè)重復(fù)之間有40 cm寬的水泥排水溝。各小區(qū)年施肥量見(jiàn)表1，供試氮、磷、鉀肥分別為尿素(N 46%)，磷酸一銨 (N 10%、P2O546%) 和氯化鉀(K2O 60%)，有機(jī)肥為鮮豬糞，其中含水量69%，N、P2O5、K2O含量分別為15.1 g/kg、20.8 g/kg和13.6 g/kg。中稻化肥施肥量占全年施肥量的60%，小麥化肥施肥量占全年施肥量的40%，有機(jī)肥施用量水稻與小麥相同。在水稻和小麥季磷鉀肥及有機(jī)肥均作基肥一次性施用，氮肥在水稻上基肥40%、分蘗肥40%、穗肥20%，在小麥上基肥50%、臘肥25%、拔節(jié)肥25%。水稻和小麥?zhǔn)斋@后地上部分全部移出。

表1 長(zhǎng)期試驗(yàn)不同處理下各肥料年施用量(kg/hm2)Table 1 Rates of fertilizers applied annually in each treatment under the long-term experiment

1.3 樣品采集及測(cè)定

于2017年冬小麥?zhǔn)斋@后采用5點(diǎn)采樣法采集各小區(qū)0—20 cm耕層土壤，剔除根系和石礫，按四分法分取兩份，一份取回風(fēng)干研磨，分別過(guò)0.25 mm和0.15 mm 篩，然后測(cè)定土壤全氮及顆粒有機(jī)碳、氮和土壤有機(jī)碳、水溶性有機(jī)碳、熱水溶性有機(jī)碳及輕組有機(jī)碳、氮含量；另一份土壤鮮樣過(guò)2 mm篩用無(wú)菌袋帶回放入4℃冰箱保存，測(cè)定土壤微生物量碳、氮以及土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。

土壤有機(jī)碳、全氮及氯化鉀測(cè)定方法參照《土壤農(nóng)化分析》[15]測(cè)定。采用K2SO4-氯仿熏蒸法測(cè)定土壤微生物量碳、氮[16]；水溶性有機(jī)碳采用水提取—震蕩過(guò)濾法及熱水溶性有機(jī)碳采用80℃熱水浸提—震蕩過(guò)濾法[17]，濾液利用ANALYTIKJENA multi N/C3100 儀測(cè)定有機(jī)碳；顆粒有機(jī)碳、氮利用5 g/L六偏磷酸鈉浸提震蕩后過(guò)53 μm篩，收集殘留樣烘干后過(guò)0.149 mm篩，利用元素分析儀測(cè)定POC及PON[18]；輕組有機(jī)碳、氮采用(1.78 ± 0.02)g/cm3NaI分離組分，離心抽濾后，于60℃下烘干濾膜，收集殘留土樣過(guò)0.149 mm篩，利用元素分析儀測(cè)定[19]。

敏感性指數(shù)計(jì)算公式[20]：敏感指數(shù) = (施肥處理活性碳組分 - 對(duì)照組活性碳組分)/對(duì)照組活性碳組分×100%

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用Excel 2016軟件整理，采用SAS 9.4進(jìn)行差異顯著性統(tǒng)計(jì)分析 (單因素方差分析，雙變量相關(guān)性分析及逐步回歸分析)，運(yùn)用Pearson相關(guān)系數(shù)評(píng)價(jià)不同因子間的相關(guān)關(guān)系，利用OriginPro 9.0 作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤有機(jī)碳組分的影響

由圖1可知，土壤有機(jī)碳含量與土壤肥力水平密切相關(guān)，土壤SOC、MBC、DOC和LFOC含量在各處理中變化趨勢(shì)相一致，均以NPKM處理含量最高，以CK處理最低，其含量NPKM處理較NPK處理分別增加了10.6%、15.5%、40.4%及133.8%，較CK處理分別增加了46.6%、77.6%、501.6%、183.5%及182.4%。土壤POC含量以M處理最高，其含量與NPKM處理間差異不顯著 (P ＞ 0.05)。NPK處理土壤的SOC、MBC、DOC和HWSC含量顯著高于N、NP和CK處理，其含量較CK 處理分別增加了45.5%、61.4%、328.4%及104.6%。NPKM處理土壤中SOC和DOC含量顯著高于M處理 (P ＜ 0.05)；而LFOC含量顯著高于CK處理 (P ＜ 0.05)，其它處理間差異不顯著 (P ＞ 0.05)。

2.2 長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤氮組分的影響

有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施可顯著增加土壤中全氮和有機(jī)氮組分的含量 (圖2)。土壤TN、MBN和PON含量各處理變化趨勢(shì)一致，均以NPKM處理的含量最高，CK處理最低，其中NPKM處理下各氮組分含量較NPK處理分別增加了27.7%、25.4%及75.8%，較CK處理分別增加了51.1%、101.2%及132.0%，但與M處理間差異不顯著 (P ＞ 0.05)；土壤LFON含量NPKM處理顯著高于其它處理 (P ＜ 0.05)，其含量較NPK處理和CK處理分別增加了53.3%和203.7%。NPKM處理顯著增加了土壤C/N(P ＜ 0.05)，但與M處理間無(wú)顯著差異 (P ＞ 0.05)；N處理下C/N最低。

圖1 不同施肥下土壤各有機(jī)碳組分含量Fig. 1 Contents of different carbon components under different treatments

2.3 長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤各碳組分與SOC比值及各氮組分與TN比值的影響

不同碳氮組分在土壤有機(jī)碳及全氮中所占比例均存在差異，施用有機(jī)肥普遍提高了各活性碳氮組分占土壤有機(jī)碳及全氮的比例 (表2)。在所有處理中，POC/SOC比值顯著高于其它活性碳組分所占比例，其比值范圍為24.0%～37.6%；TN中PON含量顯著高于其余活性氮組分，其比值范圍為12.1%～20.2%，KEN/TN所占比例最低，其比值范圍為0.02%～0.07%。在各處理中，各活性有機(jī)碳占土壤有機(jī)碳的百分比由高到低排序?yàn)椋篜OC ＞ LFOC ＞HWSC ＞ DOC ＞ MBC，各活性有機(jī)氮占TN的百分比由高到低排序?yàn)椋篜ON ＞ LFON ＞ MBN ＞ KEN。

2.4 長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤碳組分敏感性指數(shù)的影響

敏感度指數(shù) (SI) 分析利于確定土壤中對(duì)耕地管理措施反應(yīng)較靈敏的有機(jī)碳組分[9]。由表3可知，不同處理下SOC、MBC、DOC、HWSC、POC及LFOC的SI值范圍分別為3.8%～46.6%、13.5%～135.6%、361.4～94.8%、9.0%～186.3%、19.8%～119.4%和37.4%～204.9%。在各處理不同測(cè)定指標(biāo)中均SI值以DOC的最高，以SOC的SI值最低，表明土壤中活性碳組分DOC反應(yīng)更為靈敏，在該地區(qū)可將DOC作為早期有機(jī)物變化的指示物。

圖2 不同施肥下土壤氮組分含量及C/N比Fig. 2 Contents of different N components and the C/N ratio under different treatments

2.5 長(zhǎng)期施肥下土壤碳、氮組分間相關(guān)性分析

由表4所示，除KEN外，土壤各測(cè)定項(xiàng)目之間存在極顯著相關(guān)關(guān)系。其中DOC與SOC、MBC、POC之間的相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.94，顯著高于SOC與各氮組分之間的相關(guān)度。TN與DOC、POC及LFOC之間的相關(guān)系數(shù)均高于0.90。由多元線性逐步回歸分析可以看出 (表5)，在各活性有機(jī)碳組分中，DOC是指示該區(qū)域輪作制度下SOC庫(kù)存的最佳指標(biāo)，可解釋總變量的88%；PON是指示該區(qū)域輪作制度下土壤TN庫(kù)存的最佳指標(biāo)，可解釋總變量的81%。

3 討論

大量研究表明，有機(jī)肥施用能顯著增加土壤有機(jī)碳、全氮及活性有機(jī)碳氮的含量[11,21-22]，這與本研究結(jié)果一致。其主要原因可能是：1) 有機(jī)肥中含碳有機(jī)化合物含量較高，施用有機(jī)肥可直接增加土壤有機(jī)碳含量；2) 有機(jī)肥施用有利于作物生長(zhǎng)，增加根系生物量和枯枝落葉殘留，促進(jìn)微生物的繁殖，從而促進(jìn)了土壤碳氮的轉(zhuǎn)化[23]。在本研究中，化肥的不平衡施用及單施有機(jī)肥顯著增加土壤氯化鉀浸提態(tài)氮含量，而有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施則顯著降低氯化鉀浸提氮含量 (圖2)。主要由于有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施改善了土壤理化性狀，促進(jìn)了作物對(duì)土壤無(wú)機(jī)氮的吸收利用，同時(shí)也加速了無(wú)機(jī)氮向微生物量氮和其他形態(tài)有機(jī)氮的轉(zhuǎn)化[24]。由于有機(jī)肥中單價(jià)陽(yáng)離子 Na+，特別是K+含量高，長(zhǎng)期單施有機(jī)肥則會(huì)使這些陽(yáng)離子積累，成為主要的可交換陽(yáng)離子并發(fā)生土壤膠體分散，從而破壞土壤結(jié)構(gòu)，影響作物根系生長(zhǎng)和對(duì)無(wú)機(jī)氮的利用[25-26]。此外，Sekhon等[27]研究稻麥輪作制度下不同有機(jī)肥配施處理下各活性碳組分時(shí)發(fā)現(xiàn)，配施農(nóng)家肥處理的土壤中DOC、MBC及LFOC顯著高于綠肥配施及單施化肥處理。Benbi等[28]則提出稻麥輪作下SOC固存量低于小麥-玉米輪作下SOC固存量的65%，且稻麥輪作制度下土壤HWSC及MBC含量顯著低于小麥-玉米輪作制度，主要是由于玉米季向土壤中添加了外源有機(jī)肥，增加了土壤中活性有機(jī)碳含量。

表2 不同施肥下土壤碳組分與SOC比值及氮組分與TN比值(%)Table 2 Percentages of SOM pools in soil organic carbon (SOC) and total nitrogen (TN) in different treatments

表3 不同施肥下表層土 (0—20 cm) 中SOC和活性碳組分的敏感度指數(shù) (%)Table 3 Sensitivity index (SI) of SOC and labile organic carbon fractions at surface soil (0-20 cm)in different treatments

表4 土壤碳、氮組分間Pearson相關(guān)性分析 (r)Table 4 Pearson correlation coefficients (r) of soil parameters

表5 指示SOC、TN逐步回歸分析模型中的F值和總變量 (R2)Table 5 F-statistic and total variability (R2) of the best stepwise liner regression model for predicting SOC and TN

土壤C/N通常被認(rèn)為是土壤礦化能力的標(biāo)志。C/N值低表明碳素的增加速度低于氮素，會(huì)加快微生物的分解和氮的礦化速率，不利于碳的固存[29]。在本研究中，長(zhǎng)期施用C/N比較高的有機(jī)肥會(huì)導(dǎo)致土壤C/N比增加，而單施化肥及不施肥C/N比降低，尤其是單施氮肥，其原因可能是長(zhǎng)期單施氮肥導(dǎo)致土壤中殘留氮素較多，且植株生物量減少，地下部及地上部殘留物降低，導(dǎo)致土壤碳含量降低，最終導(dǎo)致C/N比降低[30]。另有研究發(fā)現(xiàn)，C/N比接近20，有機(jī)質(zhì)組分中大多為處于分解前期的植物殘?jiān)?；接?0，則組分大多為腐殖質(zhì)，即難降解組分木質(zhì)素及小團(tuán)聚體中與粘粒結(jié)合緊密的芳香族物質(zhì)[25]。在本研究中C/N比均低于10 (圖2)，表明長(zhǎng)期施肥條件下土壤有機(jī)質(zhì)組分大多處于分解后期，轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)存在于土體及團(tuán)聚體中，這一結(jié)果也在本研究中長(zhǎng)期施用有機(jī)肥處理下POC含量高的結(jié)論得到了驗(yàn)證。

活性碳、氮組分占土壤有機(jī)碳、全氮含量的比例可反映出該組分對(duì)土壤有機(jī)碳及全氮的貢獻(xiàn)程度。Sparling[26]指出，可將MBC/SOC作為土壤中有機(jī)質(zhì)變化的敏感指標(biāo)，主要受土壤質(zhì)地及土壤有機(jī)碳含量的影響；Awale等[31]研究發(fā)現(xiàn)不同耕作制度下POC/SOC (19.7%～25.4%) 及PON/TN (14.8%～19.9%) 顯著高于其余碳氮組分。本研究中PON/TN(12.09%～20.24%) 比值與Awale等[31]的研究結(jié)果相近，而在有機(jī)肥施用處理下POC/SOC (37.16%～37.64%) 比值略高，這可能是由于與土壤免耕措施相比，長(zhǎng)期施用有機(jī)肥更能顯著增加土壤團(tuán)聚體含量，使得POC被團(tuán)聚體保護(hù)導(dǎo)致降解速率下降[32]。

利用敏感性指數(shù)可確定土壤有機(jī)碳中對(duì)農(nóng)田管理措施反應(yīng)最靈敏的碳組分[9]。Yan等[33]和Simon[34]發(fā)現(xiàn)，可將HWSC及POC作為指示土壤有機(jī)碳早期變化指標(biāo)；Chaudhary等[11]關(guān)于長(zhǎng)期稻麥輪作下不同有機(jī)物配施的研究發(fā)現(xiàn)，DOC、HWSC及POC敏感性指數(shù)顯著高于SOC。在本研究中DOC、HWSC、POC及LFOC的敏感度均顯著高于SOC (表3)，其中DOC反應(yīng)最為靈敏 (R2= 0.88)(表5)，故而可將DOC作為該地區(qū)稻麥輪作制度麥季土壤中有機(jī)物早期變化的指示物。主要原因是雖然DOC占SOC比例較小，但它作為土壤微生物的主要能量來(lái)源，對(duì)于土壤膠體的解吸、凋落物的分解及植物根系的滲出起著關(guān)鍵的緩沖作用，對(duì)土壤中有機(jī)物質(zhì)的流失敏感度較高，因而對(duì)于評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的研究至關(guān)重要[35-36]。

4 結(jié)論

長(zhǎng)期有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施可顯著提高土壤有機(jī)碳、活性碳及氮組分含量，降低水溶性無(wú)機(jī)氮含量，提高養(yǎng)分有效性，降低氮素流失量。各活性碳、氮組分之間，水溶性有機(jī)碳與土壤有機(jī)碳，顆粒有機(jī)氮與土壤全氮關(guān)系最為緊密。水溶性有機(jī)碳可作為該地區(qū)施肥條件下土壤有機(jī)物早期變化的敏感性指標(biāo)。