長期施肥對黔中黃壤碳氮活性的影響

張雅蓉，李 渝，劉彥伶，黃興成，張文安，蔣太明

(1.貴州省農業科學院 土壤肥料研究所，貴州 貴陽 550006；2.農業部貴州耕地保育與農業環境科學觀測實驗站，貴州 貴陽 550006；3.貴州省農業科學院 茶葉研究所，貴州 貴陽 550006)

【研究意義】碳、氮是構成生物體骨架的基本元素，也是組成生物體大分子物質的必要元素。生態系統中氮投入的變化，會影響土壤-植物系統中碳的積累、分配與循環過程。隨著全球對溫室氣體減排的持續關注，土壤碳氮循環過程研究的重要性也日益凸顯[1]。研究顯示，中長期內土壤碳氮過程的調控可增加土壤對大氣碳的固定[2]，若通過施肥長期向農田中輸入大量的碳、氮元素，會對土壤碳、氮及其活性產生重要影響。相比有機碳和全氮含量的變化，農業生產措施引起土壤有機質的最初變化主要是活性碳(溶解性碳、微生物量碳)及活性氮(溶解性氮和微生物量氮)組分[3]，其對環境變化響應敏感[4]、周轉迅速，對揭示土壤環境和質量變化具有重要意義[5]。【前人研究進展】研究農田土壤碳氮循環及其耦合效應的目的是在提高作物產量為終極目標的同時，提高土壤有機碳素含量，減少氮素損失并提高氮肥利用率[6]。陸地生態系統中碳氮循環過程聯系緊密，以往多地區研究數據均顯示農田耕層土壤有機碳和全氮含量呈極顯著或顯著正相關關系[7-9]。【本研究切入點】以貴州長期黃壤監測基地為依托，以試驗點前期研究為基礎，深入研究長期不同施肥處理下黃壤碳、氮活性組分變化特征、耦合關系及作物產量的響應特征。【擬解決的關鍵問題】以期為黃壤碳氮循環理論的構建、區域土壤質量評價和農業可持續發展提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗點位于貴州省貴陽市花溪區貴州省農業科學院內(106°07′E，26°11′N)，地處黔中黃壤丘陵區，平均海拔1071 m，年均氣溫15.3 ℃，年均日照時數1354 h，相對濕度75.5 %，全年無霜期270 d，年降雨量1100～1200 mm。土壤類型為黃壤，成土母質為三疊系灰巖與砂頁巖風化物。

1.2 材料

1.2.1 肥料 尿素(N 46 %)，貴州赤天化桐梓化工有限公司；普鈣(P2O516 %)，福泉市福大磷化工有限責任公司；氯化鉀(K2O 60 %)，俄羅斯產-中國化工建設有限公司進口；有機肥為牛廄肥，基地漚制。

1.2.2 土樣 共計288份，取自歷史土樣庫及當年基地。其中，風干土樣216份，新鮮土樣72份。

1.2.3 儀器 Multi N/C 3100分析儀，德國耶拿分析儀器股份公司。

1.3 方法

1.3.1 試驗設計 黃壤肥力與肥效長期試驗始于1994年(勻地試驗)，初始土壤pH為6.7，有機質為38.9 g/kg，全氮為2.05 g/kg，全磷為0.99 g/kg，全鉀為10.7 g/kg。種植制度為一年一季玉米。試驗采用大區對比試驗，小區面積340 m2，共設8個處理。處理1，1/4M+化肥(1/4有機肥氮替代化肥氮，不施鉀肥)；處理2，1/2M+化肥(1/2有機肥氮替代化肥氮，不施鉀肥)；處理3，全量有機肥(M)；處理4，全量有機肥+化肥(MNPK)；處理5，氮磷鉀肥(NPK)；處理6，偏施氮肥(N)；處理7，偏施磷鉀肥(PK)；對照(CK)，不施肥。化肥類型為尿素、普鈣和氯化鉀。試驗用有機肥為牛廄肥，每年按照有機肥養分含量來調節有機肥用量，確保除CK和MNPK處理外，各施氮小區氮素施用量相同，年純氮施入量為165 kg/hm2，其余化肥小區按N∶P2O5∶K2O為2∶1∶1施用磷鉀肥。每年春季在玉米播種前施磷鉀肥或配施有機肥作基肥，通過翻耕，均勻施入土壤，翻耕深度20 cm左右。在玉米生長期(苗期和喇叭口期)追施2次尿素，冬季不施肥。各處理施肥量見表1。

1.3.2 樣品采集與指標測定 土壤樣品于每年玉米收獲后，采用“梅花”形采樣法在每個小區按上、中、下3個部分分別采集0～20 cm耕層土壤樣品，每個部分采集5個點，共采集15個樣點，分別混合均勻，去除根系帶回風干研磨備用。

鮮樣采集后裝入密封袋，儲存于4 ℃冰箱，用于測定土壤銨態氮、硝態氮、溶解性碳、氮、微生物量碳和氮等指標。植株樣品于玉米成熟期剔除邊行植株后，在每部分中間人工收獲兩行，收獲后的玉米秸稈和籽粒均在70 ℃條件下烘干48 h后稱量，計算玉米莖、葉生物產量和籽粒產量，籽粒水分控制在12.0 %以下。選取2006-2014年風干土樣測定土壤有機碳(SOC)及有機氮(SON)，選取2015-2017年新鮮土樣分別測定土壤礦質態氮、微生物量碳(MBC)、微生物量氮(MBN)、溶解性碳(DOC)及溶解性氮(DON)等指標及對應年份玉米產量。土壤基本理化性質采用常規方法測定：有機質用重鉻酸鉀氧化法測定(有機碳=有機質×0.58)，全氮用開氏消化法，土壤容重用環刀法測定。

表1 各年不同處理純養分施用量

注： -表示未施用肥料，△表示每年因有機肥養分含量變化不能確定具體的施用量。

Note: - means that no fertilizer is applied. △ indicates that the actual application rate is not determined because of nutrient content variation in organic manure in each year.

銨態氮及硝態氮(風干土樣)采用土壤速效氮-蒸餾法測定[10]；銨態氮及硝態氮(新鮮土樣)采用KCl浸取，濾液用連續流動分析儀測定[11-12]。

土壤微生物量碳(MBC)及土壤微生物量氮(MBN)采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法測定。將鮮土過2 mm篩后混勻，用去離子水調節土壤濕度為田間持水量的40 %左右，后將部分土樣置于密閉塑料箱中，并置于恒溫培養箱中培養(25 ℃)。稱取10.00 g培養土2份于燒杯中，1份置于裝有去乙醇氯仿的干燥器中，另1份置于無氯仿的干燥器中，在相同條件下放置24 h。結束后將土樣無損轉入塑料瓶中，加入40 mL 0.5 mol/L K2SO4溶液振蕩浸提，吸取濾液用Multi N/C 3100分析儀測定，熏蒸與未熏蒸土壤微生物量碳氮差值即為所測值，轉換系數為0.45。

土壤溶解性有機碳、氮采用K2SO4提取法測定[13]。稱取10.00 g過2 mm篩鮮土于塑料瓶中，加入40 mL 0.5 mol/L K2SO4振蕩30 min后過濾，濾液用Multi N/C 3100分析儀測定。

有機碳、氮儲量計算公式：

(SOC/SON)stock=[(SOCi/SONi)×BD×Hi]×0.1

式中，SOCstock、SONstock為特定深度的土壤有機碳、氮儲量(t /hm2)；SOCi、SONi為第i層土壤的有機碳、氮濃度(g/kg)；BD為第i層土壤容重(g/cm3)；Hi為第i層土壤厚度(cm)(研究儲量僅計算耕層土，故為20 cm)，0.1為單位轉化系數。

1.4 數據分析及處理

采用Excel 2010、SPSS 19.0及SigmaPlot 10.0進行數據處理、分析和制圖。

2 結果與分析

2.1 長期施肥下土壤有機碳、氮含量及其儲量

2.1.1 土壤有機碳、氮的含量 土壤有機碳、氮含量與土壤肥力水平密切相關。從圖1看出，不同處理土壤有機碳含量(g/kg)依次為M(29.01 a)>MNPK(27.01 ab)>1/2M+化肥(26.50 ab)>1/4M+化肥(25.64 b)>PK(22.98 c)>CK(21.82 cd)>N(21.10 cd)>NPK(19.73 d)，M顯著高于除MNPK和1/2M+化肥外的其余處理，1/4M+化肥顯著高于PK、CK、N和NPK，CK、N和NPK間差異不顯著。有機肥各處理有機碳含量較CK提高18 %～33 %。土壤有機氮含量(g/kg)依次為M(2.32 a)>MNPK(2.23 ab)>1/2M+化肥(2.09 bc)>1/4M+化肥(1.97 c)>CK(1.79 d)>N(1.74 d)>NPK(1.72 d) PK(1.68 d)，處理間差異亦顯著，有機肥各處理有機氮含量高出CK 10 %～30 %。M顯著高于除MNPK外的其余處理，MNPK與1/2M+化肥、1/2M+化肥與1/4M+化肥、CK、N、NPK、PK間差異均不顯著。有機肥各處理較CK提高10 %～30 %。

2.1.2 土壤有機碳、氮的儲量 從表2可知，長期不同培肥處理土壤有機碳、氮儲量變化明顯。有機碳平均儲量，處理3最高，為72.33 t/hm2；處理4其次，為66.90 t/hm2；處理5最低，為53.58 t/hm2；處理間差異均不顯著。有機氮平均儲量以處理3最高，為5.43 t/hm2；處理2其次，為5.02 t/hm2；處理7最低，為3.82 t/hm2；處理3顯著高于處理7，其余處理間差異不顯著。相比對照處理，有機肥處理土壤有機碳和有機氮儲量分別提高6 %～18 %和13 %～32 %，化肥平衡施用(NPK)有機氮儲量較CK提高 3 %。可見，施用有機肥較施用化肥的肥效更長久，更有利于土壤培肥。

圖1 2006-2017年不同處理土壤的有機碳、氮含量

2.2 2015-2017年不同施肥處理土壤活性碳、氮組分的變化

施肥對表層土壤微生物活性的影響要明顯高于亞表層[14]。從圖2看出，土壤微生物量碳(MBC)、微生物量氮(MBN)、溶解性碳(DOC)和溶解性氮(DON)含量的變化。MBC：施用有機肥或配施有機肥較高，不同有機肥處理較CK提高12 %～37 %，化肥處理較CK降低15 %～27 %；有機肥或配施有機肥處理間、所有化肥處理及CK差異均不顯著。MBN：施用有機肥或配施有機肥較高，不同有機肥處理較CK提高63 %～95 %，化肥處理除PK較CK提高21 %外，其余處理較CK降低9 %～28 %；有機肥或配施有機肥處理間、所有化肥處理及CK差異均不顯著。DOC以配施有機肥效果優于不施肥和化肥處理，其中，1/4M+化肥最高，為224.76 mg/kg；MNPK其次，為165.78 mg/kg；PK最低，為116.93 mg/kg，但各處理間差異不顯著。各有機肥處理較CK提高14 %～68 %，CK較化肥處理提高7 %～12 %；DON以化肥和不施肥處理略高于施用有機肥處理，NPK較CK提高4 %，其余處理較CK降低2 %～30 %，其中有機肥處理較CK降低22 %～30 %；所有處理間差異均不顯著。

2.3 微生物量碳、氮與溶解性碳、氮占有機碳與全氮的比例及碳氮比

2.3.1 占有機碳與全氮的比例 相較于土壤活性碳、氮的含量變化，其占土壤有機碳及全氮的比例可更好地反映土壤有機質的質量。從表3可知，微生物量碳(MBC)、氮(MBN)與溶解性碳(DOC)、氮(DON)占有機碳(SOC)與全氮(TN)的比例變化。微生物量碳和溶解性碳占有機碳的比例均以各有機肥處理較高，處理間差異不顯著。其中，微生物量碳以處理3和處理4最高(0.39 %)；處理7最低，占0.31 %。溶解性有機碳處理1最高，占0.85 %；處理7最低，占0.48 %。溶解性氮占全氮的比例以CK和各化肥處理較高，微生物量氮占全氮的比例以各有機肥處理較高，溶解性氮占全氮的比例各處理間差異不顯著；微生物量氮占全氮的比例處理1顯著高于處理5和處理6，處理2、處理3、處理4、處理5、處理7和CK間差異不顯著。與CK處理相比，各有機肥處理較CK的MBC/TOC、MBN/TN、DOC/TOC分別提高3 %～5 %、29 %～62 %和6 %～63 %；化肥處理及CK較有機肥處理的DON/TN提高4 %～6 %。

表2 2015-2017年不同施肥處理的有機碳、氮儲量

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同 。

Note: Different lowercase letters in the same column indicate significance of difference atP<0.05 level. The same as below.

圖2 2015-2017年不同施肥處理土壤活性碳、氮組分的變化

2.3.2 活性有機碳氮比 土壤微生物量碳、氮比可反映微生物群落結構信息，其顯著變化預示著微生物群落結構變化。一般情況下，細菌、放線菌和真菌的碳氮比分別為5∶1、6∶1和10∶1左右。從表4看出，不同處理溶解性碳與溶解性氮的比值變幅為2.97～8.69，處理1最大，為8.69；處理4其次，為7.74；處理5最小，為2.97；不同處理間差異不顯著。不同處理微生物量碳與微生物量氮的比值變幅為15.67～34.22，處理6最大，為34.22；CK其次，為26.02；處理1最小，為15.67；處理6與處理4、處理5和CK間差異不顯著，顯著高于其余處理；除處理6外，其余處理間差異均不顯著。碳氮比均在10以上，說明土壤中細菌、放線菌不是優勢菌，真菌占有優勢，占比相當大。

表3 微生物量碳、氮與溶解性碳、氮占有機碳與全氮的比例

Table 3 Proportion of microbial biomass carbon, microbial biomass nitrogen, dissolved organic carbon and dissolved organic nitrogen in organic carbon and total nitrogen (%)

處理Treatment占有機碳比例 Proportion in organic carbon占全氮比例Proportion in total nitroen微生物量碳溶解性碳溶解性氮微生物量氮11/4M+化肥0.38 a0.85 a1.43 a0.34 a21/2M+化肥0.38 a0.55 a1.23 a0.27 abc3M0.39 a0.51 a1.25 a0.29 ab4MNPK0.39 a0.55 a1.21 a0.27 abc5NPK0.32 a0.56 a2.28 a0.20 bc6N0.34 a0.54 a2.13 a0.15 c7PK0.31 a0.48 a2.25 a0.27 abc8CK0.37 a0.52 a2.16 a0.21 abc

表4 土壤活性有機碳氮比

表5 土壤活性有機碳、氮各組分及作物產量間的相關系性

Table 5 Correlations between components of soil active organic carbon and nitrogen and between components of soil active organic carbon and nitrogen and maize yield

指標IndexSOCSONMBCMBNDOCDON籽粒產量Maize yieldSOC10.747??0.828??0.746??0.018-0.1750.021SON10.585??0.502?0.342-0.220.513?MBC10.734??-0.07-0.345-0.081MBN10.132-0.3880.073DOC10.0170.577??DON1-0.158籽粒產量 Maize yield 1

2.4 土壤活性有機碳、氮各組分與玉米產量間的相關性

從表5可看出，土壤有機碳(SOC)、有機氮(SON)、微生物量碳(MBC)、微生物量氮(MBN)、溶解性碳(DOC)、溶解性氮(DON)及作物產量的相關性變化。SOC與SON、MBC和MBN呈極顯著正相關，且與MBC相關性最高；SON與MBC呈極顯著正相關，與MBN及作物產量呈顯著正相關；MBC與MBN呈極顯著正相關，與DOC、DON及玉米籽粒產量呈負相關；DOC與籽粒產量呈極顯著正相關。

3 討 論

3.1 長期施肥下黃壤有機碳、氮含量的變化

有機碳和氮與土壤活性有機質關系密切，是研究土壤活性碳氮組分的基礎[15]。相對于施用化肥，施用有機肥能夠疏松土壤、增強土壤微生物活性、增加土壤有機質，且肥效更持久。研究結果表明，長期不同施肥條件下，施用有機肥明顯提升監測點黃壤有機碳的含量[16]，其中，以全部替代化肥其含量最高，且土壤有機碳含量隨著有機肥施用量的增加呈增加的變化趨勢。有關有機碳含量及碳儲量的增加前期已做過較多研究[9，17]，因為生物有機肥的施用直接向土壤添加了外源有機碳，土壤有機碳含量明顯提高[18-20]。而施用化肥對土壤有機碳含量的影響不完全一致，高偉等研究[21]顯示，化肥也可提高土壤有機碳含量，是因化肥的施用增加了作物產量，從而增加枝葉、根系殘茬等有機物質的還田量；梁堯等[22]研究發現，有機碳含量降低是因為氮素的增加促進了土壤微生物對有機碳的代謝，使其總量減少。該研究化肥處理中N肥的添加降低了土壤有機碳含量，原因是試驗秸稈和根茬等被移走，缺乏有機物輸入量所致。土壤有機氮是植物吸收利用氮素的重要物質來源，長期施肥對土壤有機氮含量的影響存在差異。施用有機肥處理有機氮含量的變化與有機碳變化一致，亦隨有機肥施用量的增加而增加[16]。與化肥短期內快速提供作物所需氮素相比，施用有機肥增加了土壤的有機質庫，提高了土壤的持續供氮能力[23-26]。研究結果表明，各化肥處理土壤有機氮含量略低于對照，與該試驗長期秸稈移除有關，畢竟長期施用化學氮肥對土壤有機氮含量的提升也是通過增加土壤中作物秸稈和殘茬量實現的。有機碳、氮儲量的增加主要是因為施用肥料增加了土體內有機碳、氮的含量。與前人的研究結果一致[27-29]。研究結果表明，相比化肥和不施肥處理，有機肥及有機肥與化肥配合施用明顯提升了土壤碳、氮的儲量。

大多活性有機碳、氮占土壤有機質的比例較小，但比總有機碳、氮更為敏感，可為作物生長提供養分。微生物生物量是土壤養分循環和轉化的動力，也是重要的養分儲備庫，其含量高而周轉低時可充當養分“庫”，相反則是養分“源”[30]。施肥方式不同，會造成作物、根系殘體及根系分泌物的積累不同，使土壤微生物因可利用底物數量不同而影響其養分積累和周轉。施用有機肥對土壤微生物量碳、氮提高作用較顯著[4，13]。因為有機肥的施用會刺激微生物群落活性和提高養分的有效性，且更易被土壤深層次微生物所利用[31]。另外，化肥對微生物量碳、氮的影響作用與其對有機碳及有機氮的影響類似，略低于對照。表明，施用化肥并沒有明顯提高土壤微生物量，化肥對土壤微生物群落活性的刺激作用遠小于有機肥[13，31-32]。且有學者認為，化肥氮在土壤中的水解速度較快，使得單施化肥處理的土壤礦質態氮、微生物量碳、氮可在短期內迅速上升，后期又會因養分不足而迅速下降[33-34]。研究結果表明，溶解性有機碳含量以施用有機肥較高，與前人的研究結論相符[3,35]；而化肥處理卻略低于對照，王帥等也同時發現，與對照相比，NPK處理并沒有提高土壤溶解性碳含量，且長期使用化肥會降低土壤可溶性碳含量[36]，此結果后期還需從微生物群落組成角度進一步探討。研究結果表明，化肥及對照DON含量高于有機肥處理，其中NPK處理溶解性氮含量最高。可能與氣候環境、土壤類型及有機肥種類影響相關[37-38]；也有學者認為，因尿素是溶解性氮，其施入可短期內迅速提高土壤DON含量，而施用有機肥對后期肥效發揮起到重要作用[32]。可見，施化肥對溶解性氮的影響高于溶解性碳[39-40]。

3.2 黃壤碳、氮組分間的耦合關系

活性有機碳、氮占土壤有機碳、氮的比率可體現土壤有機質中活性成分的分量，亦能反映長期施肥對土壤碳、氮的影響結果。其中，土壤微生物量碳與總有機碳的比值稱為微生物熵，用來表征輸入土壤的有機質向微生物生物量碳的轉化效率、土壤中碳損失和土壤礦物對有機質的固定[41]。在紅壤、潮土、黑土等旱作土壤上的研究表明，耕作層土壤微生物熵為0.9～1.9，該研究結果偏低，可能與土壤類型、微生物群落結構差異等有關[31]。MBC/TOC、MBN/TN、DOC/TOC和DON/TN的研究更有助于我們全面了解農田土壤養分循環過程，進而指導科學施肥[42]。研究結果表明，MBC/TOC、MBN/TN和DOC/TOC均以各有機肥處理較高，與以往的研究結果一致，相比單施化肥，施用有機肥更有利于提升土壤有機質中微生物固定態及溶解態碳組分比例。表明，施用有機肥土壤活性碳氮成分對提高土壤總有機碳、氮的貢獻率更大，此外，單施化肥會抑制微生物對土壤有機碳、氮的分解[13-14,31,41]。表明，施用有機肥有助于土壤碳、氮庫的循環[26]，因為活性有機碳氮占土壤全碳氮的比值大小可反映土壤碳、氮庫的代謝及溫室氣體排放情況，比值過高的處理不利于土壤碳、氮庫的積累。因此，在實際生產過程中應按需調控有機肥施用量。DON/TN可反映土壤有機氮庫的穩定性，研究結果表明，DON/TN以化肥和不施肥處理較高，表明短期內平衡施用化肥土壤氮素較為穩定，這可能與化肥氮素易溶性有關。

土壤碳、氮比可反映土壤碳、氮元素間耦合關系，對評價土壤質量具有重要作用。其可衡量土壤碳、氮營養平衡狀況，也是土壤有機物腐殖化程度的指標，對土壤碳、氮循環有重要影響[41，43]。一般而言，土壤碳、氮比值高，有機質含量高，肥效較持久。前期研究結果顯示，各處理土壤碳、氮變化范圍為13.49～15.58，且偏施磷鉀肥處理供肥較優越[9]。研究結果表明，微生物碳氮比變化范圍為15.67～34.22，相比有機碳氮比變異性更高，說明其可對土壤變化做出更敏感響應[44]。溶解性碳、氮比變化規律與土壤有機碳、氮含量變化類似，施用有機肥微生物碳氮比提高，為此，今后也可用溶解性碳、氮比來描述施肥對土壤有機碳、氮的影響。研究結果表明，SOC與MBC呈極顯著正相關，表明MBC可作為長期施肥對土壤有機碳影響的評價指標，且其靈敏度遠高于DOC，與王玲莉等[45]的研究結論一致；SON與MBN呈顯著正相關，與張恒恒等[46]的研究結果一致。有機碳、氮和微生物碳、氮間存在顯著或極顯著的相關關系，也證明土壤微生物碳、氮的重要性。也有研究結果顯示[37]，土壤活性有機碳、氮與有機碳及全氮的累積速率相關性更高。該前期試驗研究也發現，長期有機肥配施處理對玉米產量穩定持續提升有顯著促進作用，且產量與土壤有機碳含量呈極顯著相關[17]。表明，短期內玉米產量與溶解性有機碳相關性最高，與土壤有機氮含量亦呈顯著相關性。這是因為可溶性養分易被作物吸收利用，且作物所需礦化氮均來自于有機氮，進一步說明短期內土壤活性有機碳、氮組分對施肥的敏感程度高于土壤有機質和全氮。

4 結 論

(1) 有機肥處理有助于提升黃壤有機碳、氮庫容，且隨著有機肥用量增加其含量明顯提升。

(2) 施用有機肥增加活性碳、氮組分(MBC、MBN及DOC)占SOC和TN的比值，活性碳、氮組分的增加有利于增加土壤有效養分及提高作物的產量。

(3) SOC與土壤活性碳氮組分相關性較高，且與MBC相關性最高，SON與MBC及MBN呈極顯著和顯著正相關。可見，微生物量碳、氮與土壤理化性質相關性較高，其能更靈敏地顯示土壤質量變化。作物產量與DOC及SON呈極顯著和顯著正相關，表明作物對溶解性碳及礦化氮的依賴。