地下水位和長期施肥對紅壤性水稻土有機(jī)碳礦化特征的影響*

林清美 廖超林 謝麗華 戴 齊 唐 茹 孫鈺翔 黎麗娜 尹力初

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，長沙 410128）

土壤有機(jī)碳庫是全球碳庫最活躍的組成部分之一。土壤有機(jī)碳庫的輕微變動便會改變大氣環(huán)境中溫室氣體的含量，影響全球生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)過程，改變陸地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能[1-2]。而土壤有機(jī)碳礦化是陸地生態(tài)系統(tǒng)中極其重要的生物化學(xué)過程，土壤養(yǎng)分元素的釋放與供應(yīng)、土壤質(zhì)量的保持以及溫室氣體的排放等均受土壤有機(jī)碳礦化速率和動態(tài)過程的影響[3]。因此，揭示土壤中有機(jī)碳礦化的規(guī)律對于土壤養(yǎng)分的科學(xué)管理和應(yīng)對氣候變化等工作具有重要的實(shí)踐意義。

施肥是影響土壤有機(jī)碳礦化環(huán)境因子之一。研究表明，有機(jī)肥以及秸稈的施用均可增加土壤有機(jī)碳，同時提高有機(jī)碳礦化速率和累積礦化量，增大CO2和CH4的排放量[1,4]，而化肥對土壤有機(jī)碳累積礦化量或CO2和CH4排放的影響尚存在爭議[5]。土壤水分狀況是影響土壤有機(jī)碳礦化的另一重要因素，土壤水分含量的變化通過影響溫度[6]、通氣狀況[7]、氧化還原電位[8]、土壤有機(jī)碳及其組分[9]以及土壤微生物的活性與群落結(jié)構(gòu)等[10]，進(jìn)一步影響土壤有機(jī)碳的礦化。地下水位的差異導(dǎo)致土壤水分狀況等土壤環(huán)境要素的變化，從而土壤性質(zhì)及其碳排放發(fā)生變化。研究表明，土壤呼吸隨著水位降低而增強(qiáng)[11]，而杜紫賢等[12]指出，土壤呼吸與水位呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。國內(nèi)外學(xué)者在研究水位升高抑制土壤呼吸的機(jī)理方面也取得了較為成熟的進(jìn)展。侯翠翠等[8]研究表明，地下水位上升，土壤溫度和氧化還原電位降低，會限制土壤中的植物殘體、根系及有機(jī)物質(zhì)的分解，導(dǎo)致土壤CO2通量降低；武海濤等[13]發(fā)現(xiàn)地下水位升高導(dǎo)致土壤容重增加，以及土壤中動物呼吸減弱，從而降低了土壤呼吸；Ryan 和Law[14]指出隨著地下水位的升高，土壤孔隙度降低，土壤中的O2難以擴(kuò)散，植物根系呼吸減弱，表現(xiàn)為土壤呼吸通量降低；楊桂生等[10]指出，地下水位的升高降低了土壤微生物活性，削弱了土壤呼吸強(qiáng)度；歐強(qiáng)等[7]研究表明，水位的升高會導(dǎo)致土壤含碳礦物質(zhì)的化學(xué)氧化作用降低，抑制其釋放速率，土壤呼吸減弱，從而土壤碳儲量增加。因此，地下水位升高抑制土壤呼吸的同時，會限制有機(jī)質(zhì)的礦化分解與微生物利用，促進(jìn)了腐殖化過程，促進(jìn)土壤有機(jī)碳累積并改變有機(jī)碳組分含量[8]，從而對土壤有機(jī)碳的礦化特征產(chǎn)生影響。

南方丘陵水稻土常因處于不同的地下水位，土壤水分狀況變化頻繁，而導(dǎo)致稻田土壤有機(jī)碳組分動態(tài)變化[15]。研究表明，南方紅壤性水稻土在高水位或低水位區(qū)，施用有機(jī)肥均能大幅度提高土壤有機(jī)碳和顆粒有機(jī)碳，且在高水位下有機(jī)碳的積累更為明顯[15]；在低水位下，相同施肥處理的紅壤性水稻土團(tuán)聚體穩(wěn)定性更好，分形維數(shù)值較低，各級團(tuán)聚體對土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率較低[16]。地下水位變化對土壤團(tuán)聚體、有機(jī)碳及其組分產(chǎn)生顯著影響，其結(jié)果勢必導(dǎo)致土壤有機(jī)碳礦化特征發(fā)生變化。長期施肥對土壤有機(jī)碳礦化的影響雖有大量報道，然而仍有諸多問題，例如，長期施肥對土壤有機(jī)碳礦化特征的影響在不同地下水位條件下是否產(chǎn)生差異？相同地下水位條件下的土壤有機(jī)碳礦化特征在不同施肥處理下是否發(fā)生變化？本文以長期定位試驗(yàn)的紅壤性水稻土為研究材料，選擇兩個地下水位（20 cm、80 cm）的長期施肥土壤，在室內(nèi)恒溫培養(yǎng)條件下，分析其有機(jī)碳礦化特征的差異，探究地下水位和長期不同施肥（高量有機(jī)肥、常量有機(jī)肥及化肥）對紅壤性水稻土有機(jī)碳礦化特征的影響，為揭示不同地下水位稻田土壤有機(jī)碳的循環(huán)特征及制定合理的養(yǎng)分管理措施等提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 長期定位試驗(yàn)概況

本長期定位試驗(yàn)田位于湖南省長沙市湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)校園內(nèi)，土壤母質(zhì)為第四紀(jì)紅色黏土，于1982年開始對試驗(yàn)田施肥，耕作制度為稻-稻- 。冬閑 試驗(yàn)基地外圍和頂部用不銹鋼金屬網(wǎng)圍住，試驗(yàn)小區(qū)由3 組兩排相互平行的水泥池組成，每排水泥池布置6 個規(guī)模大小一致的小區(qū)，共有36 個小區(qū)，各小區(qū)之間互不滲漏，可以獨(dú)立灌溉，每組小區(qū)中間設(shè)有水位控制槽，水位控制槽的水位分別為20 cm 和80 cm。定位試驗(yàn)之初在20 cm 和80 cm 地下水位下分別設(shè)置了高量有機(jī)肥（2/3OM）、常量有機(jī)肥（1/3OM）、化肥（NPK）3 個施肥處理，總計6 個處理，每個處理隨機(jī)設(shè)定重復(fù)試驗(yàn)小區(qū)3 個。 按照N∶P2O5∶K2O=1∶0.5∶1 的比例作為本試驗(yàn)田的施肥標(biāo)準(zhǔn)。其中，每季水稻N 和K2O 的施用量均為150 kg·hm-2，尿素和氯化鉀作為施用化肥過程中的無機(jī)氮肥和鉀肥使用，P2O5的施用量為75 kg·hm-2，過磷酸鈣作為無機(jī)磷肥使用。高量有機(jī)肥處理和常量有機(jī)肥處理下的有機(jī)氮分別占供應(yīng)總氮的2/3、1/3，有機(jī)物料養(yǎng)分不足部分追加化肥補(bǔ)充。 其他耕作及田間管理參見文獻(xiàn)[17]。

1.2 樣品采集

2017年2月栽植早稻前，采集各小區(qū)0～10 cm耕層土壤樣品。在每個小區(qū)中隨機(jī)取3 個土柱（長、寬、高分別為5 cm、5 cm、10 cm），混合成一個土樣，并將3 個小區(qū)土壤樣品混合為一個土樣。將采集樣品用保鮮盒裝好帶回實(shí)驗(yàn)室除去植物殘體、小石塊后室內(nèi)自然風(fēng)干，過2 mm 篩并均勻分成3份作為3 次重復(fù)，用于土壤有機(jī)碳礦化培養(yǎng)試驗(yàn)以及土壤有機(jī)碳測定。

1.3 測定方法

土壤有機(jī)碳含量測定采用H2SO4-K2Cr2O7外加熱法。

土壤有機(jī)碳礦化試驗(yàn)于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用25℃恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)，并運(yùn)用NaOH 溶液對培養(yǎng)過程中釋放的CO2進(jìn)行吸收采集和測定，即堿液吸收法[1]。自然風(fēng)干的土樣過2 mm 篩，并用電子天平稱取100 g烘干土樣平鋪于2 L 廣口培養(yǎng)瓶底部，用蒸餾水調(diào)節(jié)至田間持水量的60%，再將盛有0.1 mol·L-1NaOH 溶液吸收杯懸置于廣口瓶中，密封廣口瓶，置于恒溫箱內(nèi)25℃條件下培養(yǎng)128 d。本室內(nèi)恒溫培養(yǎng)試驗(yàn)共設(shè)定21 個有機(jī)碳小型培養(yǎng)系統(tǒng)，其中每個試驗(yàn)處理3 個重復(fù)，共18 個，并增加3 個無土空白作為對照組的小型培養(yǎng)系統(tǒng)。在試驗(yàn)開始后第 1、2、3、4、5、7、9、11、14、17、20、23、26、29、33、37、42、47、52、57、62、67、77、87、97、102、107、112、117、123、128 天時更換吸收杯。為彌補(bǔ)培養(yǎng)過程中培養(yǎng)瓶內(nèi)水分散失，培養(yǎng)試驗(yàn)開始前記錄每個小型培養(yǎng)系統(tǒng)的重量，在每次更換吸收杯過程采用稱重法對各小型培養(yǎng)系統(tǒng)進(jìn)行水分調(diào)節(jié)。更換出來的吸收杯及時加入2 mL 1 mol·L-1BaCl2溶液于吸收杯中，并滴入1～2 滴酚酞指示劑進(jìn)行顯色。用0.05 mol·L-1HCl（在每次進(jìn)行滴定前先用無水碳酸鈉對HCl 溶液標(biāo)定并記錄）滴定至褪色即為滴定終點(diǎn)，記錄每次所消耗的HCl 體積，計算相應(yīng)培養(yǎng)期內(nèi)NaOH 吸收的CO2量，并得出土壤有機(jī)碳礦化速率。

1.4 數(shù)據(jù)處理

土壤有機(jī)碳礦化量（CO2mg·kg-1）

式中，CHCl代表標(biāo)定后的HCl 濃度，mol·L-1；V0代表空白滴定值，mL；V代表所消耗的HCl 溶液體積，mL。

土壤有機(jī)碳礦化速率 [CO2mg·（kg·d）-1] = 一定培養(yǎng)時間內(nèi)的土壤有機(jī)碳礦化量（CO2mg·kg-1）/培養(yǎng)天數(shù)（d）。

土壤有機(jī)碳累積礦化量（g·kg-1）表示為從培養(yǎng)試驗(yàn)開始至某一時間點(diǎn)土壤 CO2總釋放量。本文運(yùn)用一級動力學(xué)方程對有機(jī)碳累積礦化量、潛在可礦化有機(jī)碳與培養(yǎng)時間的關(guān)系進(jìn)行擬合并分析土壤有機(jī)碳礦化動態(tài)過程[18-19]，即：

式中，Ct代表一定培養(yǎng)時間（t）內(nèi)的土壤有機(jī)碳累積礦化量，g·kg-1；C0代表一定培養(yǎng)時間t內(nèi)的土壤潛在可礦化有機(jī)碳，g·kg-1；k 代表一定培養(yǎng)時間內(nèi)的土壤有機(jī)碳周轉(zhuǎn)速率常數(shù)，d-1，周轉(zhuǎn)速率常數(shù)k 與半周轉(zhuǎn)期T1/2的關(guān)系式為：T1/2= ln2/k；t代表培養(yǎng)天數(shù)，d。

土壤有機(jī)碳累積礦化率為至某一時間點(diǎn)的土壤累積礦化量占土壤有機(jī)碳的百分比。

本文運(yùn)用SPSS 16.0 中的雙因素方差分析法判斷地下水位和長期施肥對土壤有機(jī)碳礦化特征的影響，運(yùn)用最小顯著差異法（LSD）（P＜ 0.05）進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)；用WPS2016 作圖；一級動力學(xué)方程（Ct=C0（1-e-kt））運(yùn)用軟件Origin8.0 擬合。

2 結(jié) 果

2.1 不同地下水位和長期施肥的土壤有機(jī)碳含量

各處理土壤有機(jī)碳含量在15.49～28.32 g·kg-1之間（圖1）。從相同地下水位不同施肥處理來看，土壤有機(jī)碳含量均表現(xiàn)為：2/3OM＞1/3OM＞NPK，其中，2/3OM 和1/3OM 處理的土壤有機(jī)碳含量分別較NPK 高出55.02%、37.04%（20 cm 地下水位）及51.58%、31.12%（80 cm 地下水位） （P＜ 0.05）；2/3OM處理的有機(jī)碳含量較1/3OM 處理分別高出13.13%和15.60%（P＜0.05）。從不同地下水位相同施肥處理來看，20 cm 地下水位2/3OM、1/3OM、NPK 土壤有機(jī)碳含量均顯著高于80 cm 地下水位相應(yīng)處理，分別高出20.66%、23.30%和17.97%（P＜ 0.05）。

2.2 不同地下水位和長期施肥的土壤有機(jī)碳礦化速率

土壤有機(jī)碳礦化速率見圖2。在128 d 培養(yǎng)期間內(nèi)，隨著培養(yǎng)時間的延長，20 cm 和80 cm 地下水位不同施肥處理的土壤有機(jī)碳礦化速率均不斷下降，并最終達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)，其相關(guān)方程式如表1所示。

從相同地下水位不同施肥處理來看，在128 天的培養(yǎng)期內(nèi)，土壤有機(jī)碳礦化速率均表現(xiàn)為：2/3OM＞1/3OM＞NPK，但最終隨著易分解有機(jī)碳組分的減少，逐漸趨于一致。從不同地下水位相同施肥處理來看，2/3OM 和1/3OM 處理的有機(jī)碳礦化速率均表現(xiàn)為20 cm 地下水位高于80 cm 地下水位，NPK 處理則相反。

圖1 各地下水位和施肥處理的土壤有機(jī)碳含量 Fig.1 Content of soil organic carbon（SOC）under different groundwater tables and fertilization treatments

2.3 不同地下水位和長期施肥的土壤有機(jī)碳礦化量

土壤有機(jī)碳累積礦化量表示土壤中的有機(jī)碳在 研究的某一段時間內(nèi)被微生物分解礦化為無機(jī)碳后所排放到大氣中的CO2數(shù)量，它是土壤有機(jī)碳礦化速率另一個表現(xiàn)形式[20]。由圖3可以看出，各處理土壤有機(jī)碳累積礦化量隨培養(yǎng)時間的延長呈增加的狀態(tài)，但其增加的速率不斷放慢。室內(nèi)恒溫培養(yǎng)結(jié)束（第128 天）時，各處理土壤有機(jī)碳累積礦化量變化范圍為：2.03～4.81 g·kg-1。

表1 各地下水位和施肥處理的土壤有機(jī)碳礦化速率回歸方程 Table1 Regression equation of SOC mineralization rate under different groundwater tables and fertilization treatments

圖3 各地下水位和施肥處理的土壤有機(jī)碳累積CO2-C 釋放量 Fig.3 CO2-C cumulative emission of different groundwater tables and fertilization treatments

從相同地下水位不同施肥處理來看，培養(yǎng)128 d土壤有機(jī)碳累積礦化量均表現(xiàn)為 2/3OM＞1/3OM＞ NPK；與NPK 相比，2/3OM 和1/3OM 處理的土壤有機(jī)碳累積礦化量分別增加了136.4%、58.08%（20 cm 地下水位）及43.23%、7.82%（80 cm 地下水位）；2/3OM 較1/3OM 處理的土壤機(jī)碳累積礦化量高出49.53%（20 cm 地下水位）、32.83%（80 cm 地下水位）。從相同施肥處理不同地下水位來看，在培養(yǎng)全周期內(nèi)，20 cm 地下水位 2/3OM 和1/3OM 處理的土壤有機(jī)碳累積礦化量均高于80 cm 地下水位相應(yīng)處理，分別增加了26.98%和12.80%，而NPK 相反，降低了23.06%。

2.4 不同地下水位和長期施肥的土壤有機(jī)碳累積礦化率

如圖4所示，各處理土壤有機(jī)碳累積礦化率為11.14%～17.10%。20 cm 地下水位2/3OM 和1/3OM處理的土壤有機(jī)碳累積礦化率分別較NPK 處理高出53.32%（P＜0.05）、15.44%，且2/3OM 處理較1/3OM 處理高出32.81%（P＜ 0.05）；而80 cm 地下水位2/3OM 和1/3OM 處理的土壤有機(jī)碳累積礦化率分別較NPK 處理低出5.56%、17.95%（P＜ 0.05），但2/3OM 與1/3OM 處理間差異不顯著。從同一施肥處理不同地下水位來看，兩個地下水位2/3OM 和1/3OM 處理的土壤有機(jī)碳累積礦化率差異均不顯著，而20 cm 地下水位NPK 處理的土壤有機(jī)碳累積礦化率低于80 cm 地下水位34.85%（P＜ 0.05）。

圖4 各地下水位和施肥處理的土壤有機(jī)碳累積礦化率 Fig.4 SOC cumulative mineralization rate of different groundwater tables and fertilization treatments

2.5 不同地下水位和長期施肥的土壤有機(jī)碳礦化參數(shù)

本研究運(yùn)用一級動力學(xué)方程（Ct=C0（1-e-kt））將有機(jī)碳累積礦化量（Ct）和128 d（t）室內(nèi)恒溫進(jìn)行擬合，并得到長期施肥和地下水位下土壤潛在可礦化有機(jī)碳（C0），如表2所示。結(jié)果表明，施肥和地下水位不同程度上改變了土壤有機(jī)碳礦化的動力學(xué)特征參數(shù)。經(jīng)過室內(nèi)培養(yǎng)128 d 后，各處理的C0表現(xiàn)出不同程度的差異性，其變化范圍為2.43～5.31 g·kg-1。

從相同地下水位不相同施肥處理看，20 cm 地下水位下，2/3OM 和1/3OM 處理的C0較NPK 分別顯著增加了 118.5%、56.38%，且 2/3OM 處理較1/3OM 處理高出39.74%（P＜ 0.05）。而80 cm 地下水位下，2/3OM 處理的C0分別較1/3OM 和NPK 處理增加了35.92%和26.51%（P＜ 0.05），1/3OM 和NPK 處理間差異不顯著。20 cm 地下水位下不同施肥處理的土壤有機(jī)碳周轉(zhuǎn)速率常數(shù)（k）的變化范圍為0.014～0.017 d-1，半周轉(zhuǎn)期（T1/2）的變化范圍為42.34～51.05 d，但兩者在不同處理間的差異均不顯著，而80 cm 地下水位下，2/3OM 和1/3OM 處理的k 較NPK 處理分別顯著增加了38.84%、48.76%，而T1/2分別降低了28.11%、31.98%。

從不同地下水位相同施肥處理來看，相對于80 cm 地下水位，20 cm 地下水位2/3OM 和1/3OM處理的C0分別高出相應(yīng)處理的26.43%（P＜ 0.05）、22.98%，而NPK 處理則相反，降低了26.81%（P＜ 0.05）。同時，兩個地下水位2/3OM、1/3OM 和NPK處理的k 和T1/2差異均不顯著。

表2 培養(yǎng)128 d 后土壤有機(jī)碳累積礦化量及其動力學(xué)方程參數(shù) Table2 SOC cumulative mineralization of after 128 days of incubation period and parameters of its kinetic equations

3 討 論

3.1 地下水位對有機(jī)碳礦化的影響

地下水位升高可抑制土壤呼吸，降低土壤有機(jī)碳分解及團(tuán)聚體穩(wěn)定性，增加土壤有機(jī)碳累積量[6]。本研究表明，20 cm 地下水位2/3OM、1/3OM 及NPK處理的土壤有機(jī)碳含量均高于80 cm 地下水位的相應(yīng)處理，說明較高的地下水位有利于土壤有機(jī)碳的累積，與張蕾等[21]、歐強(qiáng)等[7]結(jié)果一致，其原因是地下水位升高導(dǎo)致土壤氧化還原電位、微生物活性及有機(jī)碳分解能力降低，土壤有機(jī)碳累積。施用有機(jī)肥處理的有機(jī)碳礦化速率、累積礦化量和C0均表現(xiàn)為20 cm 地下水位下高于80 cm 地下水位，而化肥處理相反，表明較高地下水位可以提高有機(jī)肥處理的有機(jī)碳礦化速率，增加有機(jī)碳累積礦化量和潛在可礦化有機(jī)碳量（C0），而對化肥處理的影響相反。研究表明，地下水位可以提高土壤有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳積累量及其在有機(jī)碳中的比例[8]；易亞男等[15]指出，較高地下水位顆粒態(tài)及礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳較高，輕組及顆粒態(tài)有機(jī)碳多是土壤中不穩(wěn)定的碳庫。因此，施用有機(jī)肥處理的紅壤性水稻土在較高的地 下水位具有相對較高的有機(jī)碳礦化速率，同時較高的地下水位具有較高的有機(jī)碳含量，且礦物結(jié)合態(tài)等穩(wěn)定的有機(jī)碳含量相對較高，從而表現(xiàn)出有機(jī)碳累積礦化量和C0較高。長期施用化肥，由于有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)相對缺乏，在高水位的漬水環(huán)境下，大于0.25 mm 團(tuán)聚體因膠結(jié)物質(zhì)的缺乏而更易浸泡分散，其含量相對較少，小于0.25 mm 的微團(tuán)聚體增多[16]，同時微團(tuán)聚體中的有機(jī)碳則大多是高度腐殖化的惰性組分，而大團(tuán)聚體中含有較多的易分解活性有機(jī)碳，較微團(tuán)聚體中的有機(jī)碳更容易礦化[22]，導(dǎo)致長期施用化肥的紅壤性水稻土在較高地下水位下減少了土壤中易被分解的有機(jī)碳組分，因此降低了有機(jī)碳礦化速率、有機(jī)碳累積礦化量以及C0。

有研究表明，長期施用20～30年有機(jī)肥的紅壤性水稻土，其土壤固碳速率并未隨著有機(jī)肥施用量的增加而增加，相反其固碳速率表現(xiàn)為下降特征[23]；此外Six 等[24]研究表明，外源有機(jī)碳的投入并不是無休止地增加土壤固碳量，而是在土壤中存在最大的固碳量，即碳飽和水平。本研究表明，長期施用等量有機(jī)肥的紅壤性水稻土在20 cm 和80 cm 地下水位條件下，土壤有機(jī)碳累積礦化率差異不顯著。說明經(jīng)過長期施用有機(jī)肥后，紅壤性水稻土有機(jī)碳損失率一致，并未因地下水位變化而變化，即有機(jī)碳輸入量和輸出量達(dá)到平衡，可能是經(jīng)過長期有機(jī)肥施用后，土壤已經(jīng)達(dá)到了碳飽和水平的結(jié)果。長期施用等量化肥的紅壤性水稻土有機(jī)碳累積礦化率表現(xiàn)為：20 cm 地下水位低于80 cm 地下水位，說明20 cm 地下水位有機(jī)碳損失率低。20 cm 地下水位有機(jī)碳含量高，但累積礦化率最低，說明隨著地下水位的升高，土壤有機(jī)碳含量在增加的同時有機(jī)碳損失率并不因此增加，這可能與團(tuán)聚體數(shù)量及保護(hù)作用有關(guān)。易亞男等[15]研究表明，20 cm 地下水位長期施用化肥的紅壤性水稻土中小于0.25 mm 團(tuán)聚體含量顯著高于80 cm 地下水位，同時周萍等[25]指出，有機(jī)肥的輸入有利于土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的形成，新輸入的有機(jī)物料多以顆粒有機(jī)碳形式包被于團(tuán)聚體中而受到物理保護(hù)，減少了微生物與之接觸的機(jī)會并難以降解。因此，20 cm 地下水位長期施用化肥的紅壤性水稻土土壤有機(jī)碳累積礦化率低。

3.2 施肥對有機(jī)碳礦化的影響

長期不同施肥處理下土壤有機(jī)碳的累積礦化量一般表現(xiàn)為施有機(jī)肥或有機(jī)無機(jī)肥配施高于施化肥處理[18]。陳濤等[26]研究表明，相比化肥處理，長期施用高量有機(jī)肥以及中量有機(jī)肥的水稻土有機(jī)碳累積礦化量和呼吸速率均較高，說明長期施有機(jī)肥與土壤有機(jī)碳礦化具有一定的正效應(yīng)。本研究表明，20 cm 地下水位條件下，長期不同施肥處理間土壤有機(jī)碳含量、有機(jī)碳礦化速率及累積礦化量、有機(jī)碳累積礦化率、C0均表現(xiàn)為：2/3OM＞1/3OM＞NPK。表明在20 cm 地下水位下相對施用化肥，施用高量有機(jī)肥和常量有機(jī)肥均可提高有機(jī)碳含量、有機(jī)碳礦化速率、累積礦化量及潛在可礦化有機(jī)碳量，增加土壤有機(jī)碳損失率，促進(jìn)土壤有機(jī)碳礦化。本研究中，有機(jī)肥處理的有機(jī)碳含量較高，是因?yàn)殚L期施用有機(jī)肥增加了土壤有機(jī)碳的輸入[27]。此外，長期施用有機(jī)肥的土壤有機(jī)碳累積礦化量和有機(jī)碳礦化速率也均高于長期施用化肥，孟磊等[28]研究表明這可能與外源有機(jī)碳的輸入與輸出平衡存在一定的關(guān)系。根系是土壤有機(jī)碳的重要來源之一，有機(jī)肥的施用一方面提高了土壤肥力，促進(jìn)了作物及其根系的生長，另一方面土壤中根系生物量、根系分泌物的種類及其數(shù)量也因此而增加，導(dǎo)致微生物易利用分解的活性有機(jī)碳含量增加[19]，土壤呼吸強(qiáng)度大。長期施用有機(jī)肥處理的有機(jī)碳累積礦化率和潛在可礦化有機(jī)碳量較高，可能與土壤的碳飽和有關(guān)。Six等[29]認(rèn)為土壤存在固碳最大容量，長期施肥后，土壤有機(jī)碳含量在一定程度上升至某一定值，此時的土壤中有機(jī)碳的輸入和輸出已達(dá)到相應(yīng)的平衡關(guān)系，隨著外源有機(jī)碳的輸入土壤有機(jī)碳含量不再因此增加，從而導(dǎo)致有機(jī)碳含量和損失量協(xié)同增加和減少；而有機(jī)肥處理的潛在可礦化有機(jī)碳量較高，則與有機(jī)肥處理的土壤有機(jī)碳儲量較大有關(guān)。

長期施肥下土壤養(yǎng)分狀況、pH 以及生物特性如微生物數(shù)量、種類、酶活性等均會發(fā)生變異，進(jìn)而影響到土壤微生物對有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化和分解[3]。地下水位變化是土壤中有機(jī)碳循環(huán)轉(zhuǎn)化過程的重要影響因素[30]。在不同地下水位條件下，20 cm 地下水位長期不同施肥處理間土壤有機(jī)碳含量、有機(jī)碳礦化速率、累積礦化量變化特征與80 cm 地下水位一致，說明施有機(jī)肥提高土壤有機(jī)碳含量的同時促進(jìn)了土壤有機(jī)碳礦化。此外，20 cm 地下水位下有機(jī)碳累積礦化率、C0和有機(jī)碳周轉(zhuǎn)速率常數(shù)（k）表現(xiàn)出差異：施用有機(jī)肥處理的有機(jī)碳累積礦化率顯著高于化肥處理，說明其有機(jī)碳的損失率高于化肥處理，表明紅壤性水稻土施用有機(jī)肥增加有機(jī)碳輸入的同時，損失率也高，可能與本研究土壤有機(jī)碳含量較高有關(guān)。有機(jī)肥處理的土壤碳飽和度較高，輸入與輸出達(dá)到了平衡，而化肥處理有機(jī)碳含量較低，輸入的有機(jī)碳被土壤固定的比例較大，損失率低。80 cm 地下水位2/3OM 處理的C0顯著高于1/3OM和NPK 處理，而1/3OM 和NPK 處理間差異不明顯，可能與不同施肥處理土壤惰性有機(jī)碳組分的比例有關(guān)。有關(guān)變化的機(jī)理，今后需加強(qiáng)有機(jī)碳穩(wěn)定機(jī)制和微生物降解能力的研究。

3.3 地下水位和施肥對有機(jī)碳周轉(zhuǎn)速率的影響

有機(jī)碳周轉(zhuǎn)速率常數(shù)（k）受土壤屬性、氣候、耕作等多因素的影響。李順姬等[20]認(rèn)為，土壤母質(zhì)及其類型、土壤pH 和養(yǎng)分含量等土壤基本屬性均影響有機(jī)碳周轉(zhuǎn)速率常數(shù)。施用有機(jī)肥對土壤有機(jī)碳k 無顯著性影響[31]或降低作用[1]均有報道，本研究表明，相同施肥處理不同地下水位處理間，土壤有機(jī)碳k 差異均不顯著；相同地下水位不同施肥處理間，在80 cm 地下水位條件下，長期施用有機(jī)肥的土壤有機(jī)碳k 值顯著高于化肥處理。說明地下水位對相同施肥處理的土壤有機(jī)碳k 影響不明顯，而在同樣為80 cm 的地下水位條件下，長期施用有機(jī)肥可提高土壤有機(jī)碳周轉(zhuǎn)速率，可能是土壤水分、溫度、團(tuán)聚體及有機(jī)碳組分等多種土壤因素綜合作用的結(jié)果。其中的機(jī)理還有待土壤微生物及其碳源代謝、團(tuán)聚體及其周轉(zhuǎn)速率，鐵鋁氧化物等數(shù)據(jù)的支撐。

4 結(jié) 論

較高的地下水位有利于土壤有機(jī)碳的累積，提高有機(jī)肥處理的有機(jī)碳礦化速率，增加有機(jī)碳累積礦化量和潛在可礦化有機(jī)碳量，降低長期施化肥的土壤有機(jī)碳累積礦化率。長期不同施肥的土壤有機(jī)碳礦化特征在不同地下水位條件下變化明顯。20 cm和80 cm 地下水位條件下，長期施用有機(jī)肥均可顯著促進(jìn)有土壤有機(jī)碳礦化；但20 cm 地下水位施用有機(jī)肥處理的有機(jī)碳累積礦化率高于化肥處理；而80 cm 地下水位施高量有機(jī)肥的土壤潛在可礦化有機(jī)碳量高于常量有機(jī)肥和化肥。地下水位對相同施肥處理土壤有機(jī)碳周轉(zhuǎn)速率影響不明顯，而在同為80 cm 的地下水位條件下，長期施用有機(jī)肥可提高土壤有機(jī)碳周轉(zhuǎn)速率。