長期施肥對紅壤性水稻土不同土層活性有機(jī)質(zhì)及碳庫管理指數(shù)的影響

李小磊，張玉軍,2，申鳳敏，姜桂英，劉芳，柳開樓，劉世亮

長期施肥對紅壤性水稻土不同土層活性有機(jī)質(zhì)及碳庫管理指數(shù)的影響

李小磊1，張玉軍1,2，申鳳敏1，姜桂英1，劉芳1，柳開樓3，劉世亮1

（1河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450002；2鄭州市城市園林科學(xué)研究所，鄭州 450051；3江西省紅壤研究所，江西進(jìn)賢 331717）

【目的】研究基于長期定位試驗，探索長期不同施肥下紅壤性水稻土不同土層活性有機(jī)質(zhì)（labile organic matter (LOM)）和碳庫管理指數(shù)（carbon pool management index，CPMI）變化特征，為紅壤性水稻土碳庫的合理管理提供依據(jù)?！痉椒ā窟x取進(jìn)賢紅壤長期定位試驗站4個典型施肥處理：（1）不施肥（CK）；（2）單施化肥（NPK）；（3）在NPK的基礎(chǔ)上早稻施綠肥，晚稻施豬糞和稻草冬季還田（NPKSM）；（4）在NPK的基礎(chǔ)上早稻施綠肥，稻草冬季還田（NPKS），測定并分析0—10、10—20、20—40及40—60 cm土層土壤高活性有機(jī)質(zhì)（HLOM）、中活性有機(jī)質(zhì)（MLOM）、低活性有機(jī)質(zhì)（LLOM）、非活性有機(jī)質(zhì)（NLOM）含量以及CPMI變化特征?！窘Y(jié)果】不同處理土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）含量均隨土層加深而降低，施肥處理相對CK均明顯提高了不同土層的SOM；在0—20 cm土層，SOM含量表現(xiàn)為NPKSM>NPKS>NPK>CK，且均以NPKSM處理最高，達(dá)到43.47 g·kg-1（10—20 cm）和45.09 g·kg-1（0—10 cm）；在20—60 cm土層，NPKSM和NPKS處理相較于CK顯著提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量，但兩者之間差異不顯著。除NPK處理外，各處理土壤可溶性有機(jī)碳（DOC）含量隨土層的加深顯著降低。NPKSM和NPKS處理相較于NPK和CK，顯著提高了耕層（0—20 cm）土壤DOC的含量，其中NPKSM處理最高，為35.93 mg·kg-1。施肥處理比CK處理提高了土壤HLOM、MLOM、LLOM含量，相同處理相同土層表現(xiàn)為LLOM>MLOM>HLOM，其中NPKSM和NPKS顯著提高了各LOM組分含量，且隨土層的加深無明顯犁底層效應(yīng)，這可能與活性有機(jī)質(zhì)隨水分下滲相關(guān)。其中，各施肥處理土壤HLOM、MLOM均隨土層加深呈先升高后下降趨勢，NPKSM和NPKS處理HLOM含量在20—40 cm土層中達(dá)到最高，分別為5.31和5.49 g·kg-1；各處理MLOM均在10—20 cm土層中達(dá)到最高，以NPKSM處理含量最高，為10.62 g·kg-1；而土壤LLOM含量隨土層的加深而逐漸降低，在0—20 cm土層中以NPKSM處理含量最高，達(dá)到18.52 g·kg-1（0—10 cm）和15.93 g·kg-1（10—20 cm）。不同長期施肥處理提高了土壤各LOM組分的比例及碳庫管理指數(shù)，在0—10 cm表層土中，NPKS和NPKSM處理相較于CK，總活性有機(jī)質(zhì)比例分別提高了27.9%和29.48%，MLOM占比分別提高了7.21%和7.72%，HLOM占比分別提高了5.10%和4.96%。以不施肥處理為參照，各施肥處理碳庫管理指數(shù)均大于100，且以NPKSM和NPKS處理提高效果最好,有助于提高紅壤性水稻土肥力。相較于CK，單施化肥一定程度上提高了表層土壤有機(jī)質(zhì)、活性有機(jī)質(zhì)、可溶性有機(jī)碳及碳庫管理指數(shù)。耕層（0—20 cm）土壤中3種活性有機(jī)質(zhì)兩兩之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（≤0.01），且與總有機(jī)質(zhì)、全氮、可溶性有機(jī)碳及水稻產(chǎn)量均呈現(xiàn)顯著正相關(guān)（≤0.05）?！窘Y(jié)論】不同施肥處理土壤有機(jī)質(zhì)和低活性有機(jī)質(zhì)均隨土層加深而降低。NPKSM處理提高土壤有機(jī)質(zhì)及活性有機(jī)質(zhì)含量的效果最佳，并能顯著提高0—20 cm土層土壤高活性有機(jī)質(zhì)和碳庫管理指數(shù)，NPKS次之；而在20—60 cm土層中，NPKS處理對提高中活性有機(jī)質(zhì)和碳庫管理指數(shù)效果最明顯。

長期施肥；活性有機(jī)質(zhì)；碳庫管理指數(shù)；土層；紅壤性水稻土

0 引言

【研究意義】土壤有機(jī)質(zhì)是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)，對土壤特性和養(yǎng)分循環(huán)有直接或間接地影響[1]。長期以來，人們對土壤有機(jī)質(zhì)的數(shù)量方面做了大量研究，并指出土壤有機(jī)質(zhì)對土壤物化性質(zhì)及生物學(xué)特征的變化起關(guān)鍵作用[2]。但土壤有機(jī)質(zhì)含量并不能詮釋出土壤質(zhì)量變化及土壤碳的轉(zhuǎn)化速率等問題[3]，且土壤有機(jī)碳在短期內(nèi)對農(nóng)業(yè)管理措施反映不顯著[4]。因此，許多學(xué)者從有機(jī)質(zhì)的分解轉(zhuǎn)化入手，對有機(jī)質(zhì)分組進(jìn)行了深入的研究，提出了活性有機(jī)質(zhì)的概念?；钚杂袡C(jī)質(zhì)是土壤有機(jī)質(zhì)的活性部分，它是指土壤中有效性較高、易被土壤微生物分解礦化、對植物養(yǎng)分供應(yīng)有最直接作用的那部分有機(jī)質(zhì)[4-5]。由于活性有機(jī)質(zhì)與土壤管理措施、土壤理化性質(zhì)等具有密切的關(guān)系，被人們當(dāng)作評價土壤質(zhì)量及土壤管理的指標(biāo)之一[6]。大量研究證明，長期施肥條件下，土壤有機(jī)質(zhì)含量與碳投入呈顯著正相關(guān)[7-9]，從而影響土壤活性有機(jī)質(zhì)含量[10-11]，改善土壤質(zhì)量。研究土壤有機(jī)質(zhì)及活性有機(jī)質(zhì)在土壤中的剖面分布，可為更好地探究土壤碳的周轉(zhuǎn)和分布提供幫助。因此，研究長期不同施肥下土壤活性有機(jī)質(zhì)的分布及碳庫管理特征對農(nóng)田土壤碳庫管控具有重要意義。【前人研究進(jìn)展】土壤活性有機(jī)質(zhì)和碳庫管理指數(shù)變化受不同施肥措施影響很大[12-14]。前人研究指出，秸稈還田或秸稈還田配施化肥能顯著提高水稻土中總有機(jī)質(zhì)及活性有機(jī)組分的含量，對于改善水稻土土壤肥力具有積極意義[15-17]。徐明崗等[18]指出秸稈還田和有機(jī)無機(jī)肥配施均能提高紅壤的活性有機(jī)質(zhì)和碳庫管理指數(shù)。長期秸稈還田或有機(jī)無機(jī)配施能提高紅壤總有機(jī)質(zhì)含量[19]及活性有機(jī)質(zhì)比例，單施無機(jī)肥對紅壤性水稻土總有機(jī)碳、有機(jī)碳各組分、碳庫管理指數(shù)的影響不顯著[20-21]。但也有一些研究發(fā)現(xiàn)，受土壤性質(zhì)、氣候及管理措施等因素影響，單施氮磷鉀肥能夠在一定程度上提高水稻土活性有機(jī)碳含量，其原因有待于進(jìn)一步探究[15,22]。【本研究切入點】目前人們對不同施肥措施對土壤活性有機(jī)質(zhì)和碳庫管理指數(shù)已經(jīng)做了大量探究，但對紅壤性水稻土不同剖面土層中不同活性有機(jī)質(zhì)及碳庫管理指數(shù)的變化特征尚不清楚?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究以江西進(jìn)賢紅壤性水稻土長期定位試驗為依托，分析了長期施肥條件下不同土層的土壤活性有機(jī)質(zhì)及碳庫管理指數(shù)的變化特征，以期為科學(xué)施肥及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本研究以江西進(jìn)賢紅壤性水稻土長期定位試驗為依托。長期試驗地位于江西省進(jìn)賢縣江西省紅壤研究所內(nèi)（116o17'55''E，28o35'38''N），地處中亞熱帶，年均氣溫18.1 ℃，年降水量1 537 mm，年蒸發(fā)量1 150 mm，年日照時數(shù)1 950 h。試驗地為紅壤性水稻土，成土母質(zhì)為第四紀(jì)紅黏土。初始耕層（0—20 cm）土壤有機(jī)質(zhì)含量16.22 g·kg-1，全氮0.95 g·kg-1，全磷1.02 g·kg-1，堿解氮143.7 mg·kg-1，速效磷10.3 mg·kg-1，速效鉀125.1 mg·kg-1，pH 6.9。

1.2 試驗設(shè)計

長期試驗從1981年開始，種植制度采用早稻－晚稻－冬閑輪作，一年兩熟。共設(shè)9個處理，每個處理3次重復(fù)，隨機(jī)排列，小區(qū)面積60.0 m2。本研究選取其中4個典型處理：（1）不施肥（CK）；（2）單施化肥（NPK）；（3）在NPK的基礎(chǔ)上早稻施綠肥，晚稻施豬糞和稻草冬季還田（NPKSM）；（4）在NPK的基礎(chǔ)上早稻施綠肥，稻草冬季還田（NPKS）。有機(jī)肥料不考慮磷、鉀養(yǎng)分，磷肥和有機(jī)肥在插秧前作基肥一次施入，氮肥和鉀肥作追肥，氮肥平均分兩次追施，鉀肥一次全部追施；其中有機(jī)物料施肥深度在15 cm左右。站點肥料用量為年施N 90 kg·hm-2，P2O545 kg·hm-2，K2O 75 kg·hm-2，兩季的施肥量各占全年的一半；有機(jī)肥料的施用情況為早稻季施紫云英、晚稻季施豬糞，綠肥和豬糞施用量均為22 500 kg·hm-2，稻草還田量為4 500 kg·hm-2。根據(jù)試驗站記錄數(shù)據(jù)，豬糞有機(jī)碳含量413.8 g·kg-1，全氮含量20.9 g·kg-1，含水量70%，即，碳投入為2 793 kg·hm-2，氮投入為140.9 kg·hm-2；紫云英有機(jī)碳含量392.4 g·kg-1，全氮含量30.1 g·kg-1，含水量80%，即，碳投入為1 766 kg·hm-2，氮投入為 135.5 kg·hm-2；稻草有機(jī)碳含量418 g·kg-1，全氮含量9.1 g·kg-1，含水量14%，即碳投入為1 618 kg·hm-2，氮投入為35.2 kg·hm-2。

1.3 樣品采集與測定

2016年早、晚稻成熟后進(jìn)行考種及測定水稻產(chǎn)量，并于11月份收獲后每個小區(qū)按5點法采集0—10、10—20、20—40和40—60 cm土層土壤并充分混勻獲得混和樣品，仔細(xì)挑出土樣中的根系、石粒等雜質(zhì)后，將新鮮土樣分為兩部分，一部分用于測定土壤微生物量碳（SMBC）、可溶性有機(jī)碳（DOC）含量，另一部分土樣風(fēng)干后過60目篩測定總有機(jī)質(zhì)（SOM）和活性有機(jī)質(zhì)（LOM）含量及土壤全氮含量。

土壤微生物量碳用氯仿熏蒸-硫酸鉀浸提法測定，提取液用浸提液通過multi N/C3100 分析儀測定[23]?？扇苄杂袡C(jī)碳用去離子水法浸提新鮮土壤，水土比為2﹕1，振蕩30 min后，于離心機(jī)中離心10 min（4 000 r/min），上清液過0.45 μm微孔濾膜得到可溶性有機(jī)碳待測液，然后用multi N/C3100 分析儀測定。土壤總有機(jī)質(zhì)含量用常規(guī)K2Cr2O7氧化法測定[24]，土壤全氮的測定用半微量凱氏法[24]。

活性有機(jī)質(zhì)測定方法如下[25]：按照選取33、167、333 mmol·L-1KMnO4依次將土壤有機(jī)質(zhì)劃分為高活性有機(jī)質(zhì)（HLOM）、中活性有機(jī)質(zhì)（MLOM）和低活性有機(jī)質(zhì)（LLOM）及不被KMnO4氧化的為非活性有機(jī)質(zhì)（NLOM）。土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定。根據(jù)以上測定值計算土壤碳庫管理指數(shù)（CPMI）[26]：

碳庫指數(shù)(CPI) = 樣品總有機(jī)質(zhì)含量(g·kg-1)/參照土壤總有機(jī)質(zhì)含量(g·kg-1)；

活度指數(shù)(LI) = 樣品的不穩(wěn)定性(L)/對照的不穩(wěn)定性(L0)；

碳庫活度(L) = 樣品中的活性有機(jī)質(zhì)(LOM)/樣品中的非活性有機(jī)質(zhì)(NLOM)；

土壤碳庫管理指數(shù)(CPMI) = CPI×LI×100。

CPMI是基于研究對象及參照土壤的活性有機(jī)質(zhì)與土壤有機(jī)質(zhì)，用以評價土壤活性有機(jī)碳的指標(biāo)；LI表示碳損失及其對穩(wěn)定性的影響；L代表土壤碳的不穩(wěn)定性。本試驗以對照處理的土壤為參照土壤。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016和DPS 7.05進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析，采用Duncan新復(fù)極差進(jìn)行方差分析，采用Origin 8.5進(jìn)行圖形繪制。

2 結(jié)果

2.1 土壤有機(jī)質(zhì)

圖1所示，整體來說，各處理土壤有機(jī)質(zhì)（soil organic matter，SOM）含量隨土層的加深而逐漸降低，同一土層中各處理SOM含量差異顯著。在0—20 cm耕層土壤中，SOM含量均表現(xiàn)為NPKSM>NPKS>NPK> CK，且在0—10 cm土層中各處理SOM含量達(dá)到最高，其中NPKSM處理SOM含量最大，達(dá)到了45.09 g·kg-1。在20—40 cm和40—60 cm土層中，CK和NPK處理SOM含量相較于0—20 cm耕層土壤表現(xiàn)出明顯的犁底層效應(yīng)，SOM含量顯著下降；而相較于CK和NPK處理，NPKSM和NPKS處理則顯著提高了犁底層SOM含量，有利于土壤肥力提升。綜上所述，NPKSM和NPKS處理能顯著提高0—40 cm土層的SOM含量，其中在0—20 cm耕層土壤中，NPKSM處理對SOM的提高效果最顯著。

不同小寫字母表示同一層次不同處理間差異顯著（P≤0.05）；不同大寫字母表示同一處理不同層次間差異顯著（P≤0.05）。下同

2.2 土壤可溶性有機(jī)碳

圖2所示，整體來說，除NPK外，其他處理土壤可溶性有機(jī)碳（DOC）含量隨土層的加深顯著性降低，而NPK處理的DOC含量則隨土層的加深呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。在0—10 cm土層，NPKSM和NPKS相較于CK或NPK，顯著提高了土壤表層DOC的含量，其中NPKSM處理顯著高于其他處理，達(dá)到了35.93 mg·kg-1；NPK處理相較于CK無顯著差異。在10—20 cm土層中，各處理DOC含量均達(dá)到顯著程度，表現(xiàn)為：NPKSM>NPKS>NPK>CK；NPK處理相較于上一土層顯著提高了該土層DOC含量，說明DOC有向深層土層遷移并積累的趨勢。20—40 cm土層中，不同施肥處理相較于CK，顯著提高了該土層DOC的水平，且NPKSM顯著高于其他處理，達(dá)到22.22 mg·kg-1。在40—60 cm土層中，各處理間DOC含量無顯著性差異。綜上所述，各處理土壤DOC含量隨土層加深而降低，且均以NPKSM處理含量最高。

圖2 不同處理不同土層可溶性有機(jī)碳含量

2.3 土壤活性有機(jī)質(zhì)

如圖3所示，各處理相同土層各活性有機(jī)質(zhì)含量表現(xiàn)為低活性有機(jī)質(zhì)（lowly labile soil organic matter, LLOM）>中活性有機(jī)質(zhì)（moderately labile soil organic matter, MLOM）>高活性有機(jī)質(zhì)（highly labile soil organic matter, HLOM），且化肥配施豬糞和秸稈還田顯著提高了各活性有機(jī)質(zhì)含量。

圖3顯示，各處理的不同土層HLOM含量隨土層的加深變化規(guī)律性不強(qiáng)，但在不同土層中均表現(xiàn)為NPKSM和NPKS顯著高于其他處理。其中，在0—10 cm土層中，各處理土壤HLOM含量差異顯著，表現(xiàn)為NPKSM>NPKS>NPK>CK。10—20 cm土層中，各處理土壤HLOM含量均顯著高于CK，其中NPKSM顯著高于其他處理。20—40 cm土層中，相較于CK處理，各處理土壤HLOM含量均達(dá)到顯著水平，尤其以長期施用NPKSM和NPKS最為顯著，且達(dá)到各土層中HLOM的最大值，分別為5.31和5.49 g·kg-1。40—60 cm土層中，各處理土壤HLOM含量達(dá)到最低水平，長期施用NPKSM和NPKS顯著高于CK和NPK，兩者之間差異性不大，且長期施用NPK相較于CK無明顯差異?？偨Y(jié)來說，NPKSM和NPKS能顯著提高土壤中HLOM含量，且在表層土層（0—20 cm）中，施用NPKSM對土壤HLOM的提高表現(xiàn)最好；各處理HLOM在20—40 cm土層含量最高，說明HLOM會受水分淋溶影響而向深土層遷移。

圖3顯示，各處理不同土層土壤MLOM含量隨土層的加深基本表現(xiàn)為先升高再降低的趨勢，均在10—20 cm土層中達(dá)到最高，長期施用NPKSM和NPKS顯著高于CK和NPK，且以長期施用NPKSM表現(xiàn)最顯著，達(dá)到10.62 g·kg-1。20—60 cm土層中，各處理土壤MLOM含量均顯著高于CK，且以NPKSM和NPKS最顯著。總結(jié)來說，NPKSM和NPKS均能提高不同土層中土壤MLOM含量，且以NPKSM處理表現(xiàn)最優(yōu)。

圖3所示，NPKSM和NPKS處理的不同土層土壤LLOM含量隨土層的加深而逐漸降低，而CK和NPK處理土壤LLOM則在10—20 cm土層達(dá)到最高。0—10 cm土層中，各處理土壤LLOM含量差異性顯著，表現(xiàn)為NPKSM>NPKS>NPK>CK，且長期施用NPKSM土壤中LLOM含量在各土層各處理中達(dá)到最高值，為18.52 g·kg-1。10—20 cm土層中，相較于CK，各處理土壤LLOM含量均顯著提高，其中，長期施用NPKM顯著高于其他處理。20—40 cm土層中，各處理土壤LLOM含量除CK外的其他處理間差異不顯著。40—60 cm土層中，NPKSM和NPKS顯著高于NPK和CK，且長期施用NPKSM達(dá)到最顯著水平?？偟膩碚f，相較于CK處理，各施肥處理均能提高不同土層中土壤LLOM含量，尤其以NPKSM處理表現(xiàn)最好。

整體來說，施肥處理均能提高土壤HLOM、MLOM、LLOM含量，相同處理相同土層表現(xiàn)為LLOM>MLOM>HLOM，且NPKSM和NPKS顯著提高了各LOM含量，且隨土層的加深無明顯犁底層效應(yīng)。其中，各施肥處理土壤HLOM、MLOM均隨土層加深呈先升高后下降趨勢，NPKSM和NPKS處理HLOM含量在20—40 cm土層中達(dá)到最高；各處理MLOM均在10—20 cm土層中達(dá)到最高，以NPKSM處理含量最高；而土壤LLOM含量隨土層的加深而逐漸降低，在0—20 cm土層中以NPKSM含量最高。

圖3 不同處理不同土層高活性、中活性和低活性有機(jī)質(zhì)含量

2.4 不同土層的不同活性有機(jī)質(zhì)組分分布比例

如圖4所示，不同的施肥處理對土壤有機(jī)質(zhì)中活性部分均有不同程度的提高，在不同土層，對土壤有機(jī)質(zhì)活性部分的提高程度也不相同，且各活性組分中均以低活性有機(jī)質(zhì)占比最高，各施肥處理對活性有機(jī)質(zhì)組分比例的提高效果大致表現(xiàn)為：NPKSM、NPKS>NPK>CK。在0—10 cm土層中，單施化肥、化肥配施豬糞及秸稈還田均提高了各活性有機(jī)質(zhì)組分的比例，且各施肥處理間總活性有機(jī)質(zhì)比例大小表現(xiàn)為NPKS>NPKSM>NPK>CK；NPKS和NPKSM處理相較于CK，總活性有機(jī)質(zhì)比例分別提高了27.9%和29.48%，中活性有機(jī)質(zhì)占比分別提高了7.21%和7.72%，高活性有機(jī)質(zhì)占比分別提高了5.10%和4.96%，施有機(jī)肥提高了土壤各組分有機(jī)質(zhì)活性（≤0.05）。在10—20 cm土層中，各處理中活性和高活性有機(jī)質(zhì)比例較0—20 cm土層略有提高，各處理不同活性有機(jī)質(zhì)所占比例相差不大。在20—40 cm土層中，各處理中高活性有機(jī)質(zhì)所占比例在各土層中均達(dá)到最高。在40—60 cm土層中，除NPKSM外，各施肥處理活性有機(jī)質(zhì)比例達(dá)到最低，各活性有機(jī)質(zhì)比例均降低。綜上所述，相較于CK，NPKSM和NPKS處理可明顯提高土壤高、中活性有機(jī)質(zhì)比例，增加活性有機(jī)質(zhì)含量。

圖4 不同處理不同土層活性有機(jī)質(zhì)組分比例

Fig. 4 Proportion of different labile soil organic matter under different treatments in different soil layers

2.5 不同土層土壤碳庫管理指數(shù)

由表1可以看出，以不施肥處理CK作為參考，不同土層各處理的碳庫指數(shù)（CPI）值均大于1，且隨著土層深度增加而增加，說明各施肥處理不同程度上提高了各土層土壤有機(jī)質(zhì)含量。在0—20 cm土層中以施肥處理NPKSM的CPI值最大，而在20—60 cm土層中施肥處理NPKS的CPI值均達(dá)到最高，說明在0—20 cm土層中，施用NPKSM對提高該土層有機(jī)質(zhì)含量效果最佳，而在更深層次土壤中有機(jī)質(zhì)含量受施肥處理NPKS影響更顯著。

各處理土壤高、中、低活性有機(jī)質(zhì)的碳庫管理指數(shù)（CPMI）隨土層深度的增加大致表現(xiàn)為先降低再升高的趨勢，且均高于CK。0—10 cm土層，在高、中、低活性有機(jī)質(zhì)中均以NPKSM處理CPMI值達(dá)到最高，分別為259、229和300。在高、中、低活性有機(jī)質(zhì)CPMI中，低活性>高活性>中活性。10—20 cm土層，在高、中、低活性有機(jī)質(zhì)中同樣以NPKSM處理CPMI值達(dá)到最高，分別為243、199和173，且在高、中、低活性有機(jī)質(zhì)CPMI中，高活性>中活性>低活性。20—40 cm土層，在高、中、低活性有機(jī)質(zhì)中均以NPKS處理CPMI值達(dá)到最高，分別為226、404和792。在高、中、低活性有機(jī)質(zhì)CPMI中，低活性>中活性>高活性。40—60 cm土層中，高活性有機(jī)質(zhì)CPMI值以NPKS最高，達(dá)到509，中、低活性有機(jī)質(zhì)中CPMI值均以NPKSM達(dá)到最大值，分別為731和704。在各活性有機(jī)質(zhì)CPMI中表現(xiàn)為中活性>低活性>高活性。

綜上所述，相較于不施肥處理（CK），不同施肥措施均能夠提高各土層土壤碳庫指數(shù)和不同活性有機(jī)質(zhì)的碳庫管理指數(shù)，但在不同土層深度間存在差異。0—20 cm土層中，以施用NPKSM處理對提高土壤碳庫指數(shù)和碳庫管理指數(shù)效果最好，在20—60 cm土層中則以施用NPKS處理表現(xiàn)最優(yōu)。

2.6 土壤活性有機(jī)質(zhì)與土壤碳氮養(yǎng)分及水稻產(chǎn)量相關(guān)性分析

本研究分析了土壤活性有機(jī)質(zhì)（0—20 cm土層）與土壤碳氮養(yǎng)分及水稻產(chǎn)量相關(guān)性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，土壤各活性有機(jī)質(zhì)之間關(guān)系密切，均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)，且與土壤總有機(jī)質(zhì)、全氮呈極顯著正相關(guān)；土壤低活性有機(jī)質(zhì)和中活性有機(jī)質(zhì)與可溶性有機(jī)碳及水稻產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)，3種活性有機(jī)質(zhì)與微生物量碳呈正相關(guān)性，但相關(guān)性不顯著。土壤總有機(jī)質(zhì)與全氮及水稻產(chǎn)量之間呈極顯著正相關(guān)，對微生物量碳的影響也達(dá)到顯著水平。說明土壤總有機(jī)質(zhì)的提高與活性有機(jī)質(zhì)緊密相關(guān)，土壤活性有機(jī)質(zhì)的提高有助于提升土壤碳氮營養(yǎng)水平，從而提高作物產(chǎn)量。

表1 不同處理不同土層土壤碳庫管理指數(shù)

表2 各活性有機(jī)質(zhì)與土壤碳氮養(yǎng)分及水稻產(chǎn)量相關(guān)性分析

低活性有機(jī)質(zhì)（LLOM）；中活性有機(jī)質(zhì)（MLOM）；高活性有機(jī)質(zhì)（HLOM）；總有機(jī)質(zhì)（SOM）；全氮（TN）；微生物量碳（SMBC）；可溶性有機(jī)碳（DOC）；水稻產(chǎn)量（Rice yield，RY）。*表示顯著相關(guān)（≤0.05）、**表示極顯著相關(guān)（≤0.01）

LLOM: lowly labile organic matter; MLOM: moderately labile organic matter; HLOM: highly labile organic matter; SOM: soil organic matter; TN: total nitrogen; SMBC: soil microbial biomass carbon; DOC: dissolved organic carbon; RY: rice yield. * was indicated significant correlation (≤0.05); ** was indicated very significant correlation (≤0.01)

3 討論

土壤有機(jī)質(zhì)與農(nóng)業(yè)管理措施關(guān)系密切，受培肥措施影響明顯。研究表明，施有機(jī)物料或有機(jī)無機(jī)肥配施能顯著增加耕層土壤有機(jī)碳的含量[13,27]。本研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過35年長期施用化肥配施豬糞和秸稈還田能顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)總量和各土層中有機(jī)質(zhì)含量，各施肥措施對土壤有機(jī)質(zhì)的提升效果基本表現(xiàn)為NPKSM>NPKS>NPK>CK，且NPKSM和NPKS處理能顯著提高紅壤性水稻土20—40 cm土層有機(jī)質(zhì)含量。這與宓文海等[28]、康國棟等[29]研究結(jié)果一致。NPKSM和NPKS處理能顯著提高紅壤性水稻土20—40 cm有機(jī)質(zhì)含量，可能是因為長期施用豬糞或秸稈經(jīng)腐解后增加了耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量，而稻田水分運動方式以重力下滲水為主，使部分活性的有機(jī)質(zhì)隨水分下滲，提高犁底層有機(jī)質(zhì)含量。本研究還發(fā)現(xiàn)相較于不施肥，長期施用化肥顯著提高了耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量，這可能與水稻收獲后根茬殘留有關(guān)，長期的淹水管理使土壤透氣性差，不利于土壤有機(jī)質(zhì)的礦化，而殘留根茬的腐解增加了土壤中有機(jī)質(zhì)的積累。

長期施用有機(jī)肥或有機(jī)肥配施化肥有利于土壤總有機(jī)碳、活性碳、微生物量碳和礦化碳含量的提高[30-33]。一般認(rèn)為，秸稈還田能夠為土壤提供大量營養(yǎng)元素，為微生物的繁殖提供了良好的環(huán)境[34]，動物糞便在為土壤提供能源物質(zhì)的同時提供活性物質(zhì)，豐富微生物群落[35]，加快有機(jī)物料分解，從而提高可溶性有機(jī)碳、活性有機(jī)質(zhì)含量。江西進(jìn)賢地區(qū)屬亞熱帶氣候，水熱資源豐富，施用有機(jī)肥或秸稈還田在溫度較高條件下經(jīng)微生物分解更快，而紅壤性水稻土質(zhì)地黏重，長期的淹水管理使得土壤透氣性較差，不利于土壤中有機(jī)質(zhì)及活性物質(zhì)分解周轉(zhuǎn)，從而有利于土壤有機(jī)質(zhì)及活性組分含量（如可溶性有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳）的提高。本研究發(fā)現(xiàn)，長期化肥配施豬糞和秸稈還田顯著提高了各剖面土層有機(jī)質(zhì)活性組分含量及各活性有機(jī)質(zhì)所占比例，降低了非活性有機(jī)質(zhì)比例。這與以上描述相符。有研究認(rèn)為，長期單施化肥對旱地土壤易氧化有機(jī)質(zhì)含量影響不明顯，有機(jī)-化肥配施能明顯增加土壤易氧化有機(jī)質(zhì)和總有機(jī)質(zhì)含量[36-37]。吳小丹等[38]研究指出，單施化肥對活性有機(jī)質(zhì)的累積效應(yīng)小于有機(jī)無機(jī)肥配施。這本研究結(jié)果不盡相同。本研究發(fā)現(xiàn)，單施化肥在一定程度上提高了耕層土壤各活性有機(jī)質(zhì)含量。這可能與根茬殘留有關(guān)，淹水條件下使土壤中有機(jī)質(zhì)的礦化速率低于旱地土壤，而施用化肥較不施肥增加了土壤中根茬生物量，根茬的腐解對土壤有機(jī)質(zhì)的礦化能夠進(jìn)行有效補充，有利于表層土壤有機(jī)質(zhì)及活性有機(jī)質(zhì)的累積，使土壤肥力提高。目前，關(guān)于不同施肥措施對不同土壤剖面活性有機(jī)質(zhì)的研究較少，有待于進(jìn)一步探究。

本研究表明，經(jīng)長期培肥，土壤各活性有機(jī)質(zhì)與土壤碳氮養(yǎng)分及水稻產(chǎn)量之間的關(guān)系密切，各土層土壤活性有機(jī)質(zhì)含量表現(xiàn)為：低活性>中活性>高活性，土壤高活性有機(jī)質(zhì)含量隨土層的加深并未呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，且在20—40 cm土層中達(dá)到最高，而低活性有機(jī)質(zhì)則基本隨土層的加深逐漸降低。這可能是因為高活性有機(jī)質(zhì)組分中，可遷移成分較多，比如可溶性有機(jī)碳質(zhì)等，這部分有機(jī)質(zhì)參與土壤生物化學(xué)過程并影響土壤化學(xué)物質(zhì)的溶解、吸附和遷移等行為[39-40]，而向深層土壤遷移[41]，本研究通過相關(guān)性分析表明各活性有機(jī)質(zhì)與土壤可溶性有機(jī)碳呈顯著正相關(guān)關(guān)系，且經(jīng)過長期培肥，施用化肥配施豬糞和秸稈還田顯著提高了紅壤性水稻土耕層及犁底層土壤可溶性有機(jī)碳含量[42-43]，從而有利于土壤高活性有機(jī)質(zhì)的提高，與上述觀點一致。

碳庫管理指數(shù)衡量土壤管理措施引起土壤有機(jī)質(zhì)變化的指標(biāo)，能夠反映農(nóng)作措施使土壤質(zhì)量下降或更新的程度[44]。本研究發(fā)現(xiàn)，相較于不施肥處理（CK），不同施肥措施均能夠提高各土層土壤碳庫指數(shù)和不同活性有機(jī)質(zhì)的碳庫管理指數(shù)，長期施用豬糞配施化肥對0—20 cm土層中土壤碳庫指數(shù)和高活性有機(jī)質(zhì)碳庫管理指數(shù)提高效果最好，在20—60 cm土層中長期秸稈還田能顯著提高土壤中活性有機(jī)質(zhì)碳庫管理指數(shù)。這與張繼光等[45]和王改玲等[46]研究結(jié)果相符。

4 結(jié)論

4.1 相對不施肥對照，施肥處理均能提高不同土層土壤總有機(jī)質(zhì)和可溶性有機(jī)碳碳含量，其中化肥配施豬糞和秸稈還田明顯提升了0—20 cm土層土壤總有機(jī)質(zhì)含量和0—40 cm土層可溶性有機(jī)碳碳含量。

4.2 單施化肥、化肥配施豬糞及秸稈還田均能提高0—20 cm耕層土壤活性有機(jī)質(zhì)、土壤碳庫指數(shù)和碳庫管理指數(shù)，提升效果表現(xiàn)為化肥配施豬糞和秸稈還田>化肥配施合秸稈還田>單施化肥；在20—60 cm土層中，施肥處理均有利于土壤中、低活性有機(jī)質(zhì)的積累。

4.3 耕層（0—20 cm）土壤中3種活性有機(jī)質(zhì)兩兩之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（≤0.01），且與總有機(jī)質(zhì)、全氮、可溶性有機(jī)碳及水稻產(chǎn)量均呈現(xiàn)顯著正相關(guān)（≤0.05）。

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The Effects of Long-term Fertilization on the Labile Organic Matter and Carbon Pool Management Index in Different Soil Layers in Red Soil

LI XiaoLei1, ZHANG YuJun1,2, SHEN FengMin1, JIANG GuiYing1, LIU Fang1, LIU KaiLou3, LIU ShiLiang1

(1College of Resources and Environmental Sciences, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002;2Zhengzhou Institute of Urban Landscape and Architecture, Zhengzhou 450051;3Jiangxi Institute of Red Soil, Jinxian 331717, Jiangxi)

【Objective】This study was aimed to explore the characteristics of the labile organic matter (LOM) and carbon pool management index (CPMI) under different fertilization in different soil layers in red soil, so as to provide a theoretical basis for carbon pool management in red soil. 【Method】Based on the long-term experiment site located at Jinxian, Jiangxi province, four typical treatments were chosen as: (1) no fertilization (CK); (2) mineral nitrogen, phosphorus, potassium (NPK); (3) NPK combined with pig manure and straw (NPKSM); (4) NPK combined with straw (NPKS). The highly LOM (HLOM), moderately LOM (MLOM), lowly LOM (LLOM), non-LOM (NLOM) and CPMI in four soil depths (i.e. 0-10 cm, 10-20 cm, 20-40 cm and 40-60 cm) were measured and analyzed. 【Result】The results showed that the soil organic matter (SOM) content under each treatment was decreased with increasing of soil depths. Compared with CK treatment, the SOM was increased under the fertilization treatments. In 0-20 cm, the SOM content was ordered as NPKSM >NPKS >NPK >CK, with the highest value as 43.47 g·kg-1(10-20 cm) and 45.09 g·kg-1(0-10 cm) under NPKSM treatment. In 20-60 cm, the SOM content under NPKSM and NPKS was significantly higher than that under CK, while there was no different between NPKSM and NPKS. The dissolved organic carbon (DOC) content was decreased with soil depth under all treatments except NPK. The DOC content under NPKSM and NPKS was significantly higher than that under NPK and CK, and the highest value was 35.93 mg·kg-1under NPKSM treatment. The HLOM, MLOM, and LLOM content were increased under fertilization treatments compared with CK treatment. The LOM content was ordered as LLOM> MLOM> HLOM under the same treatment in same soil layer. All the LOM components content was significantly higher under NPKSM and NPKS treatments in all soil layers. The HLOM and MLOM content under all treatments were trended as first increased and then decreased with increasing of soil depth. The HLOM content was reached to peak in 20-40 cm under NPKSM (5.31 g·kg-1) and NPKS (5.49 g·kg-1). The highest MLOM content appeared in 10-20 cm under NPKSM treatment with 10.62 g·kg-1. The LLOM content under all treatments was decreased with soil depth. In 0-20 cm, the LLOM content was highest under NPKSM treatment with 18.52 g·kg-1(0-10 cm) and 15.93 g·kg-1(10-20 cm), respectively. The proportion of different LOM components and CPMI were increased under the fertilizer treatments. In 0-10 cm, compared with CK, the LOM content under NPKS and NPKSM was increased by 27.9%and 29.48%, respectively, MLOM proportion was increased by 7.21% and 7.72%, respectively, HLOM proportion was increased by 5.10% and 4.96%, respectively. The CPMI under fertilization treatment was higher than 100, and which was obviously higher under NPKSM and NPKS. In 0-20 cm, the different LOM components were extremely significantly positive correlation(≤0.01), and they were significantly positive correlated with total SOM, total nitrogen, dissolved SOM and rice yield (≤0.05). 【Conclusion】The SOM and LLOM content under all treatments were decreased with the increasing of soil depth. The SOM and all LOM components were significantly improved under NPKSM treatment, and HLOM and CPMI under NPKSM were the highest, followed by NPKS in 0-20 cm, while, which was the highest under NPKS in 20-60 cm.

long-term fertilization; labile organic matter; carbon pool management index; soil depth; red soil

2019-06-11；

2019-07-22

國家重點研發(fā)計劃重點專項項目（2016YFD0300803）、國家自然科學(xué)基金（41401327）、河南省科技廳基金（192102110161）

李小磊，E-mail：2568468581@qq.com。通信作者姜桂英，E-mail：jgy9090@126.com。通信作者劉世亮，E-mail：shlliu70@163.com

（責(zé)任編輯 李云霞）