长期施肥对黔中黄壤碳氮活性的影响

张雅蓉，李 渝，刘彦伶，黄兴成，张文安，蒋太明

(1.贵州省农业科学院 土壤肥料研究所，贵州 贵阳 550006；2.农业部贵州耕地保育与农业环境科学观测实验站，贵州 贵阳 550006；3.贵州省农业科学院 茶叶研究所，贵州 贵阳 550006)

【研究意义】碳、氮是构成生物体骨架的基本元素，也是组成生物体大分子物质的必要元素。生态系统中氮投入的变化，会影响土壤-植物系统中碳的积累、分配与循环过程。随着全球对温室气体减排的持续关注，土壤碳氮循环过程研究的重要性也日益凸显[1]。研究显示，中长期内土壤碳氮过程的调控可增加土壤对大气碳的固定[2]，若通过施肥长期向农田中输入大量的碳、氮元素，会对土壤碳、氮及其活性产生重要影响。相比有机碳和全氮含量的变化，农业生产措施引起土壤有机质的最初变化主要是活性碳(溶解性碳、微生物量碳)及活性氮(溶解性氮和微生物量氮)组分[3]，其对环境变化响应敏感[4]、周转迅速，对揭示土壤环境和质量变化具有重要意义[5]。【前人研究进展】研究农田土壤碳氮循环及其耦合效应的目的是在提高作物产量为终极目标的同时，提高土壤有机碳素含量，减少氮素损失并提高氮肥利用率[6]。陆地生态系统中碳氮循环过程联系紧密，以往多地区研究数据均显示农田耕层土壤有机碳和全氮含量呈极显著或显著正相关关系[7-9]。【本研究切入点】以贵州长期黄壤监测基地为依托，以试验点前期研究为基础，深入研究长期不同施肥处理下黄壤碳、氮活性组分变化特征、耦合关系及作物产量的响应特征。【拟解决的关键问题】以期为黄壤碳氮循环理论的构建、区域土壤质量评价和农业可持续发展提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验点位于贵州省贵阳市花溪区贵州省农业科学院内(106°07′E，26°11′N)，地处黔中黄壤丘陵区，平均海拔1071 m，年均气温15.3 ℃，年均日照时数1354 h，相对湿度75.5 %，全年无霜期270 d，年降雨量1100～1200 mm。土壤类型为黄壤，成土母质为三叠系灰岩与砂页岩风化物。

1.2 材料

1.2.1 肥料 尿素(N 46 %)，贵州赤天化桐梓化工有限公司；普钙(P2O516 %)，福泉市福大磷化工有限责任公司；氯化钾(K2O 60 %)，俄罗斯产-中国化工建设有限公司进口；有机肥为牛厩肥，基地沤制。

1.2.2 土样 共计288份，取自历史土样库及当年基地。其中，风干土样216份，新鲜土样72份。

1.2.3 仪器 Multi N/C 3100分析仪，德国耶拿分析仪器股份公司。

1.3 方法

1.3.1 试验设计 黄壤肥力与肥效长期试验始于1994年(匀地试验)，初始土壤pH为6.7，有机质为38.9 g/kg，全氮为2.05 g/kg，全磷为0.99 g/kg，全钾为10.7 g/kg。种植制度为一年一季玉米。试验采用大区对比试验，小区面积340 m2，共设8个处理。处理1，1/4M+化肥(1/4有机肥氮替代化肥氮，不施钾肥)；处理2，1/2M+化肥(1/2有机肥氮替代化肥氮，不施钾肥)；处理3，全量有机肥(M)；处理4，全量有机肥+化肥(MNPK)；处理5，氮磷钾肥(NPK)；处理6，偏施氮肥(N)；处理7，偏施磷钾肥(PK)；对照(CK)，不施肥。化肥类型为尿素、普钙和氯化钾。试验用有机肥为牛厩肥，每年按照有机肥养分含量来调节有机肥用量，确保除CK和MNPK处理外，各施氮小区氮素施用量相同，年纯氮施入量为165 kg/hm2，其余化肥小区按N∶P2O5∶K2O为2∶1∶1施用磷钾肥。每年春季在玉米播种前施磷钾肥或配施有机肥作基肥，通过翻耕，均匀施入土壤，翻耕深度20 cm左右。在玉米生长期(苗期和喇叭口期)追施2次尿素，冬季不施肥。各处理施肥量见表1。

1.3.2 样品采集与指标测定 土壤样品于每年玉米收获后，采用“梅花”形采样法在每个小区按上、中、下3个部分分别采集0～20 cm耕层土壤样品，每个部分采集5个点，共采集15个样点，分别混合均匀，去除根系带回风干研磨备用。

鲜样采集后装入密封袋，储存于4 ℃冰箱，用于测定土壤铵态氮、硝态氮、溶解性碳、氮、微生物量碳和氮等指标。植株样品于玉米成熟期剔除边行植株后，在每部分中间人工收获两行，收获后的玉米秸秆和籽粒均在70 ℃条件下烘干48 h后称量，计算玉米茎、叶生物产量和籽粒产量，籽粒水分控制在12.0 %以下。选取2006-2014年风干土样测定土壤有机碳(SOC)及有机氮(SON)，选取2015-2017年新鲜土样分别测定土壤矿质态氮、微生物量碳(MBC)、微生物量氮(MBN)、溶解性碳(DOC)及溶解性氮(DON)等指标及对应年份玉米产量。土壤基本理化性质采用常规方法测定：有机质用重铬酸钾氧化法测定(有机碳=有机质×0.58)，全氮用开氏消化法，土壤容重用环刀法测定。

表1 各年不同处理纯养分施用量

注： -表示未施用肥料，△表示每年因有机肥养分含量变化不能确定具体的施用量。

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.

铵态氮及硝态氮(风干土样)采用土壤速效氮-蒸馏法测定[10]；铵态氮及硝态氮(新鲜土样)采用KCl浸取，滤液用连续流动分析仪测定[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浸提法测定。将鲜土过2 mm筛后混匀，用去离子水调节土壤湿度为田间持水量的40 %左右，后将部分土样置于密闭塑料箱中，并置于恒温培养箱中培养(25 ℃)。称取10.00 g培养土2份于烧杯中，1份置于装有去乙醇氯仿的干燥器中，另1份置于无氯仿的干燥器中，在相同条件下放置24 h。结束后将土样无损转入塑料瓶中，加入40 mL 0.5 mol/L K2SO4溶液振荡浸提，吸取滤液用Multi N/C 3100分析仪测定，熏蒸与未熏蒸土壤微生物量碳氮差值即为所测值，转换系数为0.45。

土壤溶解性有机碳、氮采用K2SO4提取法测定[13]。称取10.00 g过2 mm筛鲜土于塑料瓶中，加入40 mL 0.5 mol/L K2SO4振荡30 min后过滤，滤液用Multi N/C 3100分析仪测定。

有机碳、氮储量计算公式：

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

式中，SOCstock、SONstock为特定深度的土壤有机碳、氮储量(t /hm2)；SOCi、SONi为第i层土壤的有机碳、氮浓度(g/kg)；BD为第i层土壤容重(g/cm3)；Hi为第i层土壤厚度(cm)(研究储量仅计算耕层土，故为20 cm)，0.1为单位转化系数。

1.4 数据分析及处理

采用Excel 2010、SPSS 19.0及SigmaPlot 10.0进行数据处理、分析和制图。

2 结果与分析

2.1 长期施肥下土壤有机碳、氮含量及其储量

2.1.1 土壤有机碳、氮的含量 土壤有机碳、氮含量与土壤肥力水平密切相关。从图1看出，不同处理土壤有机碳含量(g/kg)依次为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显著高于除MNPK和1/2M+化肥外的其余处理，1/4M+化肥显著高于PK、CK、N和NPK，CK、N和NPK间差异不显著。有机肥各处理有机碳含量较CK提高18 %～33 %。土壤有机氮含量(g/kg)依次为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)，处理间差异亦显著，有机肥各处理有机氮含量高出CK 10 %～30 %。M显著高于除MNPK外的其余处理，MNPK与1/2M+化肥、1/2M+化肥与1/4M+化肥、CK、N、NPK、PK间差异均不显著。有机肥各处理较CK提高10 %～30 %。

2.1.2 土壤有机碳、氮的储量 从表2可知，长期不同培肥处理土壤有机碳、氮储量变化明显。有机碳平均储量，处理3最高，为72.33 t/hm2；处理4其次，为66.90 t/hm2；处理5最低，为53.58 t/hm2；处理间差异均不显著。有机氮平均储量以处理3最高，为5.43 t/hm2；处理2其次，为5.02 t/hm2；处理7最低，为3.82 t/hm2；处理3显著高于处理7，其余处理间差异不显著。相比对照处理，有机肥处理土壤有机碳和有机氮储量分别提高6 %～18 %和13 %～32 %，化肥平衡施用(NPK)有机氮储量较CK提高 3 %。可见，施用有机肥较施用化肥的肥效更长久，更有利于土壤培肥。

图1 2006-2017年不同处理土壤的有机碳、氮含量

2.2 2015-2017年不同施肥处理土壤活性碳、氮组分的变化

施肥对表层土壤微生物活性的影响要明显高于亚表层[14]。从图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)含量的变化。MBC：施用有机肥或配施有机肥较高，不同有机肥处理较CK提高12 %～37 %，化肥处理较CK降低15 %～27 %；有机肥或配施有机肥处理间、所有化肥处理及CK差异均不显著。MBN：施用有机肥或配施有机肥较高，不同有机肥处理较CK提高63 %～95 %，化肥处理除PK较CK提高21 %外，其余处理较CK降低9 %～28 %；有机肥或配施有机肥处理间、所有化肥处理及CK差异均不显著。DOC以配施有机肥效果优于不施肥和化肥处理，其中，1/4M+化肥最高，为224.76 mg/kg；MNPK其次，为165.78 mg/kg；PK最低，为116.93 mg/kg，但各处理间差异不显著。各有机肥处理较CK提高14 %～68 %，CK较化肥处理提高7 %～12 %；DON以化肥和不施肥处理略高于施用有机肥处理，NPK较CK提高4 %，其余处理较CK降低2 %～30 %，其中有机肥处理较CK降低22 %～30 %；所有处理间差异均不显著。

2.3 微生物量碳、氮与溶解性碳、氮占有机碳与全氮的比例及碳氮比

2.3.1 占有机碳与全氮的比例 相较于土壤活性碳、氮的含量变化，其占土壤有机碳及全氮的比例可更好地反映土壤有机质的质量。从表3可知，微生物量碳(MBC)、氮(MBN)与溶解性碳(DOC)、氮(DON)占有机碳(SOC)与全氮(TN)的比例变化。微生物量碳和溶解性碳占有机碳的比例均以各有机肥处理较高，处理间差异不显著。其中，微生物量碳以处理3和处理4最高(0.39 %)；处理7最低，占0.31 %。溶解性有机碳处理1最高，占0.85 %；处理7最低，占0.48 %。溶解性氮占全氮的比例以CK和各化肥处理较高，微生物量氮占全氮的比例以各有机肥处理较高，溶解性氮占全氮的比例各处理间差异不显著；微生物量氮占全氮的比例处理1显著高于处理5和处理6，处理2、处理3、处理4、处理5、处理7和CK间差异不显著。与CK处理相比，各有机肥处理较CK的MBC/TOC、MBN/TN、DOC/TOC分别提高3 %～5 %、29 %～62 %和6 %～63 %；化肥处理及CK较有机肥处理的DON/TN提高4 %～6 %。

表2 2015-2017年不同施肥处理的有机碳、氮储量

注：同列不同小写字母表示差异显著(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.

图2 2015-2017年不同施肥处理土壤活性碳、氮组分的变化

2.3.2 活性有机碳氮比 土壤微生物量碳、氮比可反映微生物群落结构信息，其显著变化预示着微生物群落结构变化。一般情况下，细菌、放线菌和真菌的碳氮比分别为5∶1、6∶1和10∶1左右。从表4看出，不同处理溶解性碳与溶解性氮的比值变幅为2.97～8.69，处理1最大，为8.69；处理4其次，为7.74；处理5最小，为2.97；不同处理间差异不显著。不同处理微生物量碳与微生物量氮的比值变幅为15.67～34.22，处理6最大，为34.22；CK其次，为26.02；处理1最小，为15.67；处理6与处理4、处理5和CK间差异不显著，显著高于其余处理；除处理6外，其余处理间差异均不显著。碳氮比均在10以上，说明土壤中细菌、放线菌不是优势菌，真菌占有优势，占比相当大。

表3 微生物量碳、氮与溶解性碳、氮占有机碳与全氮的比例

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

处理Treatment占有机碳比例 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 土壤活性有机碳氮比

表5 土壤活性有机碳、氮各组分及作物产量间的相关系性

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

指标IndexSOCSONMBCMBNDOCDON籽粒产量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籽粒产量 Maize yield 1

2.4 土壤活性有机碳、氮各组分与玉米产量间的相关性

从表5可看出，土壤有机碳(SOC)、有机氮(SON)、微生物量碳(MBC)、微生物量氮(MBN)、溶解性碳(DOC)、溶解性氮(DON)及作物产量的相关性变化。SOC与SON、MBC和MBN呈极显著正相关，且与MBC相关性最高；SON与MBC呈极显著正相关，与MBN及作物产量呈显著正相关；MBC与MBN呈极显著正相关，与DOC、DON及玉米籽粒产量呈负相关；DOC与籽粒产量呈极显著正相关。

3 讨 论

3.1 长期施肥下黄壤有机碳、氮含量的变化

有机碳和氮与土壤活性有机质关系密切，是研究土壤活性碳氮组分的基础[15]。相对于施用化肥，施用有机肥能够疏松土壤、增强土壤微生物活性、增加土壤有机质，且肥效更持久。研究结果表明，长期不同施肥条件下，施用有机肥明显提升监测点黄壤有机碳的含量[16]，其中，以全部替代化肥其含量最高，且土壤有机碳含量随着有机肥施用量的增加呈增加的变化趋势。有关有机碳含量及碳储量的增加前期已做过较多研究[9，17]，因为生物有机肥的施用直接向土壤添加了外源有机碳，土壤有机碳含量明显提高[18-20]。而施用化肥对土壤有机碳含量的影响不完全一致，高伟等研究[21]显示，化肥也可提高土壤有机碳含量，是因化肥的施用增加了作物产量，从而增加枝叶、根系残茬等有机物质的还田量；梁尧等[22]研究发现，有机碳含量降低是因为氮素的增加促进了土壤微生物对有机碳的代谢，使其总量减少。该研究化肥处理中N肥的添加降低了土壤有机碳含量，原因是试验秸秆和根茬等被移走，缺乏有机物输入量所致。土壤有机氮是植物吸收利用氮素的重要物质来源，长期施肥对土壤有机氮含量的影响存在差异。施用有机肥处理有机氮含量的变化与有机碳变化一致，亦随有机肥施用量的增加而增加[16]。与化肥短期内快速提供作物所需氮素相比，施用有机肥增加了土壤的有机质库，提高了土壤的持续供氮能力[23-26]。研究结果表明，各化肥处理土壤有机氮含量略低于对照，与该试验长期秸秆移除有关，毕竟长期施用化学氮肥对土壤有机氮含量的提升也是通过增加土壤中作物秸秆和残茬量实现的。有机碳、氮储量的增加主要是因为施用肥料增加了土体内有机碳、氮的含量。与前人的研究结果一致[27-29]。研究结果表明，相比化肥和不施肥处理，有机肥及有机肥与化肥配合施用明显提升了土壤碳、氮的储量。

大多活性有机碳、氮占土壤有机质的比例较小，但比总有机碳、氮更为敏感，可为作物生长提供养分。微生物生物量是土壤养分循环和转化的动力，也是重要的养分储备库，其含量高而周转低时可充当养分“库”，相反则是养分“源”[30]。施肥方式不同，会造成作物、根系残体及根系分泌物的积累不同，使土壤微生物因可利用底物数量不同而影响其养分积累和周转。施用有机肥对土壤微生物量碳、氮提高作用较显著[4，13]。因为有机肥的施用会刺激微生物群落活性和提高养分的有效性，且更易被土壤深层次微生物所利用[31]。另外，化肥对微生物量碳、氮的影响作用与其对有机碳及有机氮的影响类似，略低于对照。表明，施用化肥并没有明显提高土壤微生物量，化肥对土壤微生物群落活性的刺激作用远小于有机肥[13，31-32]。且有学者认为，化肥氮在土壤中的水解速度较快，使得单施化肥处理的土壤矿质态氮、微生物量碳、氮可在短期内迅速上升，后期又会因养分不足而迅速下降[33-34]。研究结果表明，溶解性有机碳含量以施用有机肥较高，与前人的研究结论相符[3,35]；而化肥处理却略低于对照，王帅等也同时发现，与对照相比，NPK处理并没有提高土壤溶解性碳含量，且长期使用化肥会降低土壤可溶性碳含量[36]，此结果后期还需从微生物群落组成角度进一步探讨。研究结果表明，化肥及对照DON含量高于有机肥处理，其中NPK处理溶解性氮含量最高。可能与气候环境、土壤类型及有机肥种类影响相关[37-38]；也有学者认为，因尿素是溶解性氮，其施入可短期内迅速提高土壤DON含量，而施用有机肥对后期肥效发挥起到重要作用[32]。可见，施化肥对溶解性氮的影响高于溶解性碳[39-40]。

3.2 黄壤碳、氮组分间的耦合关系

活性有机碳、氮占土壤有机碳、氮的比率可体现土壤有机质中活性成分的分量，亦能反映长期施肥对土壤碳、氮的影响结果。其中，土壤微生物量碳与总有机碳的比值称为微生物熵，用来表征输入土壤的有机质向微生物生物量碳的转化效率、土壤中碳损失和土壤矿物对有机质的固定[41]。在红壤、潮土、黑土等旱作土壤上的研究表明，耕作层土壤微生物熵为0.9～1.9，该研究结果偏低，可能与土壤类型、微生物群落结构差异等有关[31]。MBC/TOC、MBN/TN、DOC/TOC和DON/TN的研究更有助于我们全面了解农田土壤养分循环过程，进而指导科学施肥[42]。研究结果表明，MBC/TOC、MBN/TN和DOC/TOC均以各有机肥处理较高，与以往的研究结果一致，相比单施化肥，施用有机肥更有利于提升土壤有机质中微生物固定态及溶解态碳组分比例。表明，施用有机肥土壤活性碳氮成分对提高土壤总有机碳、氮的贡献率更大，此外，单施化肥会抑制微生物对土壤有机碳、氮的分解[13-14,31,41]。表明，施用有机肥有助于土壤碳、氮库的循环[26]，因为活性有机碳氮占土壤全碳氮的比值大小可反映土壤碳、氮库的代谢及温室气体排放情况，比值过高的处理不利于土壤碳、氮库的积累。因此，在实际生产过程中应按需调控有机肥施用量。DON/TN可反映土壤有机氮库的稳定性，研究结果表明，DON/TN以化肥和不施肥处理较高，表明短期内平衡施用化肥土壤氮素较为稳定，这可能与化肥氮素易溶性有关。

土壤碳、氮比可反映土壤碳、氮元素间耦合关系，对评价土壤质量具有重要作用。其可衡量土壤碳、氮营养平衡状况，也是土壤有机物腐殖化程度的指标，对土壤碳、氮循环有重要影响[41，43]。一般而言，土壤碳、氮比值高，有机质含量高，肥效较持久。前期研究结果显示，各处理土壤碳、氮变化范围为13.49～15.58，且偏施磷钾肥处理供肥较优越[9]。研究结果表明，微生物碳氮比变化范围为15.67～34.22，相比有机碳氮比变异性更高，说明其可对土壤变化做出更敏感响应[44]。溶解性碳、氮比变化规律与土壤有机碳、氮含量变化类似，施用有机肥微生物碳氮比提高，为此，今后也可用溶解性碳、氮比来描述施肥对土壤有机碳、氮的影响。研究结果表明，SOC与MBC呈极显著正相关，表明MBC可作为长期施肥对土壤有机碳影响的评价指标，且其灵敏度远高于DOC，与王玲莉等[45]的研究结论一致；SON与MBN呈显著正相关，与张恒恒等[46]的研究结果一致。有机碳、氮和微生物碳、氮间存在显著或极显著的相关关系，也证明土壤微生物碳、氮的重要性。也有研究结果显示[37]，土壤活性有机碳、氮与有机碳及全氮的累积速率相关性更高。该前期试验研究也发现，长期有机肥配施处理对玉米产量稳定持续提升有显著促进作用，且产量与土壤有机碳含量呈极显著相关[17]。表明，短期内玉米产量与溶解性有机碳相关性最高，与土壤有机氮含量亦呈显著相关性。这是因为可溶性养分易被作物吸收利用，且作物所需矿化氮均来自于有机氮，进一步说明短期内土壤活性有机碳、氮组分对施肥的敏感程度高于土壤有机质和全氮。

4 结 论

(1) 有机肥处理有助于提升黄壤有机碳、氮库容，且随着有机肥用量增加其含量明显提升。

(2) 施用有机肥增加活性碳、氮组分(MBC、MBN及DOC)占SOC和TN的比值，活性碳、氮组分的增加有利于增加土壤有效养分及提高作物的产量。

(3) SOC与土壤活性碳氮组分相关性较高，且与MBC相关性最高，SON与MBC及MBN呈极显著和显著正相关。可见，微生物量碳、氮与土壤理化性质相关性较高，其能更灵敏地显示土壤质量变化。作物产量与DOC及SON呈极显著和显著正相关，表明作物对溶解性碳及矿化氮的依赖。