趙亞南，柴冠群，張珍珍，謝 軍，李丹萍，張躍強(qiáng),2，石孝均,2

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稻麥輪作下紫色土有機(jī)碳活性及其對(duì)長(zhǎng)期不同施肥的響應(yīng)

趙亞南1，柴冠群1，張珍珍1，謝 軍1，李丹萍1，張躍強(qiáng)1,2，石孝均1,2

（1西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶400716；2國(guó)家紫色土肥力與肥料效益監(jiān)測(cè)基地，重慶400716）

【目的】研究稻麥輪作系統(tǒng)中紫色土總有機(jī)碳、活性有機(jī)碳和活性有機(jī)碳不同組分的變化特征及其對(duì)長(zhǎng)期不同施肥措施的響應(yīng)，揭示稻麥輪作系統(tǒng)長(zhǎng)期不同施肥管理下有機(jī)碳質(zhì)量和內(nèi)在組成的變化。【方法】采集22年長(zhǎng)期定位試驗(yàn)不施肥（CK）、單施化學(xué)氮肥（N）、化肥氮磷鉀配施（NPK）、化肥氮磷鉀+秸稈還田（NPKS）、高量化肥氮磷鉀+等量秸稈還田（1.5NPKS）和化肥氮磷鉀+廄肥（NPKM）處理0—20、20—40、40—60 cm土層的土壤，測(cè)定了總有機(jī)碳、活性有機(jī)碳及其不同活性組分的含量，計(jì)算土壤碳庫(kù)管理指數(shù)和不同活性組分的分配比例，分析了活性有機(jī)碳及其各組分與總有機(jī)碳的關(guān)系?！窘Y(jié)果】長(zhǎng)期不同施肥顯著影響了各土層總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳含量，與不施肥相比，所有施肥處理均維持或提高了土壤總有機(jī)碳、活性有機(jī)碳含量和碳庫(kù)管理指數(shù)，其中化肥氮磷鉀+秸稈還田（NPKS）處理0—20、20—40和40—60 cm土層總有機(jī)碳含量分別提高32.5%、25.7%和5.3%，活性有機(jī)碳含量提高37.0%、44.7%和9.3%，碳庫(kù)管理指數(shù)提高38%、49%和9%，其提升幅度高于其他施肥處理。長(zhǎng)期不同施肥顯著提高了各土層高、中、低活性有機(jī)碳含量，有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施處理（NPKS、1.5NPKS、NPKM）提升效果高于單施化肥處理（NPK、N）；但施肥對(duì)各活性組分占活性有機(jī)碳比例的影響較小，并沒(méi)有改變各活性組分的分布格局。土壤活性有機(jī)碳及其高、中、低活性組分的含量與土壤深度有關(guān)，0—20 cm耕層土壤活性有機(jī)碳及高、中、低活性組分的含量均高于20—40和40—60 cm土層。不同土層高、中、低組分占活性有機(jī)碳的比例也存在較大差異，0—20 cm土層高、中、低活性組分占活性有機(jī)碳的比例平均為23.6%、35.6%和40.7%；下層土壤各活性組分的含量均下降，其中20—40 cm土層低活性組分下降程度較大，導(dǎo)致其占活性有機(jī)碳的比例下降至24.7%，而高活性和中活性組分的比例增加至30.5%和44.8%。土壤活性有機(jī)碳及其各組分與總有機(jī)碳含量呈顯著線性正相關(guān)，表明土壤活性有機(jī)碳可以較好地反映總有機(jī)碳變化?！窘Y(jié)論】稻麥輪作條件下，長(zhǎng)期不同施肥可維持或提高土壤總有機(jī)碳、活性有機(jī)碳及其不同組分的含量，提高土壤碳庫(kù)管理指數(shù)，氮磷鉀肥配合秸稈還田總體提升效果較好，是促進(jìn)土壤總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳累積、改善土壤有機(jī)碳質(zhì)量的推薦施肥措施。

土壤有機(jī)碳；活性有機(jī)碳；碳庫(kù)管理指數(shù)；長(zhǎng)期施肥；稻麥輪作；水稻土

0 引言

【研究意義】土壤有機(jī)碳固定對(duì)于提高土壤生產(chǎn)力和減緩氣候變暖有重要意義[1-2]。土壤有機(jī)碳存在于一系列非勻質(zhì)的土壤有機(jī)質(zhì)中，總有機(jī)碳（TOC）含量的高低可以表征土壤有機(jī)質(zhì)的數(shù)量變化，但不能很好地反映其質(zhì)量和內(nèi)在組成變化。土壤活性有機(jī)碳（Labile organic carbon，LOC）可以反映土壤有機(jī)質(zhì)的有效組分的變化，由于容易被微生物降解利用、周轉(zhuǎn)速度快、對(duì)外界環(huán)境反映敏感，近年來(lái)逐漸成為土壤質(zhì)量和管理措施的評(píng)價(jià)指標(biāo)[3-4]。施肥是影響土壤有機(jī)碳數(shù)量和質(zhì)量的重要管理措施[5]，研究長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤有機(jī)碳及其活性的影響可以為優(yōu)化施肥管理和培肥土壤提供理論依據(jù)?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】土壤活性有機(jī)碳的表征指標(biāo)有很多，如溶解性有機(jī)碳、微生物量有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳、顆粒態(tài)有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳等[3-4]。其中，利用333 mol·L-1高錳酸鉀（KMnO4）氧化法模擬土壤酶對(duì)有機(jī)質(zhì)的降解，可以將土壤總有機(jī)碳分為活性有機(jī)碳和非活性有機(jī)碳，并根據(jù)總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳變化計(jì)算碳庫(kù)管理指數(shù)（Carbon Management Index，CMI）[6]。進(jìn)一步，利用濃度為33、167和333 mmol·L-1的KMnO4可以將活性有機(jī)碳分為高活性、中活性和低活性有機(jī)碳組分[7-9]。活性有機(jī)碳及其組分可以反映土壤質(zhì)量的變化，很多研究表明，相比土壤總有機(jī)碳和其他活性有機(jī)碳測(cè)定指標(biāo)，基于高錳酸鉀氧化法測(cè)定的活性有機(jī)碳和碳庫(kù)管理指數(shù)具有更高的敏感性，并且與土壤生物、化學(xué)和物理性質(zhì)密切相關(guān)，是土壤質(zhì)量良好的評(píng)價(jià)指標(biāo)[10-13]。徐明崗等[10]發(fā)現(xiàn)作物產(chǎn)量和土壤交換性離子、微量元素等土壤肥力指標(biāo)與土壤活性有機(jī)碳顯著相關(guān)，但與土壤總有機(jī)碳關(guān)系不顯著；Weil等[11]研究表明活性有機(jī)碳與土壤微生物量和團(tuán)聚體穩(wěn)定性等土壤質(zhì)量指標(biāo)密切相關(guān)，且比總有機(jī)碳對(duì)管理措施更加敏感；Culman等[12]通過(guò)12個(gè)研究的整合分析發(fā)現(xiàn)，活性有機(jī)碳比顆粒態(tài)有機(jī)碳、微生物量有機(jī)碳和總有機(jī)碳對(duì)管理措施和環(huán)境因子的反映更敏感；Morrow等[13]的研究結(jié)果也表明，與酸解碳氮、非酸解碳氮、微生物碳氮等指標(biāo)相比，高錳酸鉀氧化的活性有機(jī)碳對(duì)于評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量效果最好。近年來(lái)，關(guān)于施肥對(duì)土壤活性有機(jī)碳影響的研究越來(lái)越多，何翠翠等[9]在吉林黑土、王朔林等[14]在山西栗褐土、Yang等[15]在陜西土、曾駿等[16]在甘肅灌漠土、徐明崗等[8]在湖南紅壤等針對(duì)長(zhǎng)期不同施肥對(duì)土壤LOC和CMI的影響開(kāi)展了研究，這些研究表明長(zhǎng)期施肥顯著影響土壤LOC和CMI變化，在作用效果方面以化肥配施有機(jī)肥效果較好。水旱輪作體系是中國(guó)及世界重要的糧食生產(chǎn)體系，中國(guó)有稻麥水旱輪作田1 300萬(wàn)hm2，廣泛分布于長(zhǎng)江流域[17]。水旱輪作體系中，干濕交替引起土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)在不同作物季節(jié)間交替變化，因此其物質(zhì)和能量循環(huán)既不同于旱地，也不同于常年淹水稻田，構(gòu)成獨(dú)特的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)[18]。有研究表明水旱輪作系統(tǒng)土壤有機(jī)碳含量高于旱地[19]，但水稻-水稻輪作轉(zhuǎn)變?yōu)樗?玉米輪作兩年后，由于礦化增加了33%—41%，土壤有機(jī)碳有所降低[20]。此外，Huang等[21]發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)碳對(duì)施肥的響應(yīng)也與作物輪作方式有關(guān)。紫色土是中國(guó)重要的農(nóng)業(yè)土壤，面積約26萬(wàn)km2，集中分布在四川盆地，該地區(qū)是中國(guó)重要的糧食生產(chǎn)區(qū)域之一。紫色土是熱帶亞熱帶條件下紫色母巖發(fā)育形成的巖性土，具有成土?xí)r間短、發(fā)育 淺、風(fēng)化程度低和有機(jī)質(zhì)缺乏等特點(diǎn)，因此改善土壤有機(jī)質(zhì)數(shù)量和活性對(duì)于提高紫色土生產(chǎn)力有重要意義[22]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】有研究表明，受氣候條件、作物系統(tǒng)和土壤類(lèi)型等因素影響，相同施肥措施對(duì)土壤總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳的影響存在著很大的區(qū)域差異[17]。目前關(guān)于長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤活性有機(jī)碳的研究以旱地為主，對(duì)水田和水旱輪作等其他作物系統(tǒng)的研究相對(duì)較少，長(zhǎng)期施肥對(duì)紫色水稻土有機(jī)碳活性的影響鮮見(jiàn)報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究以國(guó)家紫色土肥力與肥料效益監(jiān)測(cè)基地稻麥輪作系統(tǒng)22年長(zhǎng)期定位試驗(yàn)為基礎(chǔ)，研究了不同施肥措施下土壤總有機(jī)碳、活性有機(jī)碳及其組分的變化特征，闡明長(zhǎng)期施肥對(duì)紫色土有機(jī)碳數(shù)量和質(zhì)量的影響，為優(yōu)化農(nóng)田管理和土壤培肥提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

長(zhǎng)期定位試驗(yàn)在國(guó)家紫色土肥力與肥料效益監(jiān)測(cè)基地進(jìn)行。該試驗(yàn)基地位于四川盆地東部重慶市北碚區(qū)（東經(jīng)106°26′，北緯30°26′，海拔266.3 m），屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候。每年平均溫度、降雨量和日照時(shí)數(shù)分別為18.3℃、1 106 mm和1 294 h。供試土壤由侏羅紀(jì)沙溪廟組紫色泥巖風(fēng)化的殘積和坡積物發(fā)育而成的紫色土，經(jīng)長(zhǎng)期水耕熟化形成潴育性水稻土。試驗(yàn)開(kāi)展前該田塊為只種一季中稻的終年淹水稻田，于1989年秋季改為稻麥輪作，并進(jìn)行了2年勻地，1991年秋季正式開(kāi)始試驗(yàn)。勻地后耕層（0—20 cm）土壤基礎(chǔ)性質(zhì)如下：容重為1.38 g·cm-3，黏粒含量為268 g·kg-1（＜0.001 mm）或577 g·kg-1（＜0.01 mm），pH（水土比2.5﹕1）為7.7，有機(jī)碳含量為13.1 g·kg-1，總氮磷鉀含量分別為1.25、0.673和21.1 g·kg-1，有效氮磷鉀分別為93、4.3和88 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)處理

本研究選取長(zhǎng)期定位試驗(yàn)6個(gè)不同施肥處理（表1）。1991—1996年水稻和小麥每季化肥用量均為氮肥（N）150 kg·hm-2、磷肥（P2O5）75 kg·hm-2、鉀肥（K2O）75 kg·hm-2。從1996年秋季起，水稻和小麥每季磷、鉀肥用量均由原來(lái)的75 kg·hm-2改為60 kg·hm-2；小麥氮肥用量改為135 kg·hm-2，水稻氮肥用量仍為150 kg·hm-2。小麥和水稻60%的氮肥及全部磷、鉀肥作基肥，小麥40%的氮肥于3—4葉期追施，水稻40%氮肥在插秧后2—3周追施。有機(jī)肥每年施用一次，于每年秋季小麥播種前做基肥施用，年用量為稻草（S）7.5 t·hm-2，廄肥（M）22.5 t·hm-2。每個(gè)小區(qū)面積為120 m2（12 m×10 m），小區(qū)間用60 cm深的水泥板隔開(kāi)，互不滲漏，且能獨(dú)立排灌。供試小麥品種一直用“西農(nóng)麥1號(hào)”，供試水稻品種在1992—1997年為“汕優(yōu)63”，1998—2013年為“II優(yōu) 868”。小麥于每年11月初播種，翌年5月初收獲，5月中下旬移栽水稻，并于8月中下旬收獲，其后保持淹水休閑至小麥播種。水稻和小麥的種植規(guī)格都為行株距24 cm×16.7 cm，每公頃25萬(wàn)窩左右。

表1 試驗(yàn)處理及施肥量

1991—1996年施肥量按括號(hào)外進(jìn)行，1997—2013年施肥量按括號(hào)內(nèi)進(jìn)行

The fertilizer rate from rice season of 1991 to wheat season of 1996 is recorded as numbers out parentheses while since then as numbers inside

1.3 采樣與分析

土壤樣品采集于2013年9月水稻收獲后。每個(gè)小區(qū)等面積劃分為4個(gè)亞區(qū)作為重復(fù)，每個(gè)亞區(qū)按S形選取10個(gè)點(diǎn)按0—20、20—40和40—60 cm分層采集土壤樣品，同土層10個(gè)點(diǎn)的樣品混合。土樣帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，去除土壤異物和未分解的植物殘?bào)w后分為兩份。一份過(guò)0.25 mm粒徑篩，高溫外加熱-重鉻酸鉀氧化-硫酸亞鐵滴定法測(cè)定總有機(jī)碳含量[24]，另一份過(guò)2.00 mm粒徑篩測(cè)定活性有機(jī)碳含量。

土壤活性有機(jī)碳含量測(cè)定方法[6]：稱(chēng)取2.00 g（約含15 mg有機(jī)碳）過(guò)篩土樣于離心管中，加入25 ml濃度為333、167和33 mmol·L-1的KMnO4溶液，在25℃下以60 r/min的轉(zhuǎn)速持續(xù)振蕩1 h，2 000 r/min離心5 min，分別稀釋1 000、500和100倍，在565 nm波長(zhǎng)下比色。l mmol KMnO4（Mn7+→Mn2+）可氧化0.75 mmol或9 mg的碳，根據(jù)消耗的KMnO4計(jì)算出被氧化的活性有機(jī)碳含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

土壤活性有機(jī)碳含量為333 mmol·L-1KMnO4氧化的碳，并根據(jù)167和33 mmol·L-1KMnO4氧化的碳數(shù)量將活性有機(jī)碳分成不同活性的組分[7]：被33 mmol·L-1KMnO4氧化的碳為高活性有機(jī)碳（HLOC）；被167 mmol·L-1KMnO4氧化而未被33 mmol·L-1KMnO4氧化的碳為中活性有機(jī)碳（MLOC）；被333 mmol·L-1KMnO4氧化而未被167 mmol·L-1KMnO4氧化的碳為低活性有機(jī)碳（LLOC）。

以不施肥為參照，根據(jù)TOC和LOC含量計(jì)算CMI[6]：土壤碳庫(kù)管理指數(shù)（CMI）=碳庫(kù)指數(shù)（CPI）×活度指數(shù)（CLI）×100；碳庫(kù)指數(shù)（CPI）=施肥處理總有機(jī)碳/不施肥處理總有機(jī)碳；活度指數(shù)（CLI）=施肥處理碳庫(kù)活度/不施肥處理碳庫(kù)活度；碳庫(kù)活度（CL）=活性有機(jī)碳/非活性有機(jī)碳；非活性有機(jī)碳=土壤有機(jī)碳-活性有機(jī)碳。

采用單因素方差分析對(duì)處理間差異進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，多重比較采用鄧肯新復(fù)極差法進(jìn)行，Pearson法進(jìn)行相關(guān)性分析，顯著性檢驗(yàn)水平為0.05。數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析在Microsoft Excel 2010和SPSS 20.0軟件中進(jìn)行。

2 結(jié)果

2.1 長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤總有機(jī)碳的影響

由圖1可見(jiàn)，長(zhǎng)期施肥顯著影響各土層總有機(jī)碳含量，耕層（0—20 cm）土壤總有機(jī)碳含量明顯高于下層。在0—20 cm土層，長(zhǎng)期施肥處理的土壤總有機(jī)碳含量比不施肥顯著提高10.2%—32.5%。其中，化肥配合秸稈還田（NPKS和1.5NPKS）提高幅度最大，且顯著高于NPK和NPKM處理。在20—40 cm土層，單施氮肥土壤總有機(jī)碳含量與不施肥沒(méi)有顯著差異，其他處理顯著提高11.6%—25.7%，NPKS和1.5NPKS提高幅度最大，NPK與NPKM處理差異不顯著。在40—60 cm土層，CK、N和NPKM處理土壤總有機(jī)碳含量較低，3個(gè)處理差異不顯著；NPK、NPKS和1.5NPKS土壤總有機(jī)碳含量較高，三者差異不顯著。

CK：不施肥，N：?jiǎn)问┗瘜W(xué)氮肥，NPK：化肥氮磷鉀配施，NPKS：化肥氮磷鉀+秸稈還田，1.5NPKS：1.5倍氮磷鉀化肥+等量秸稈還田，NPKM：化肥氮磷鉀+廄肥。誤差線表示標(biāo)準(zhǔn)差，同一土層不同處理標(biāo)記有相同小寫(xiě)字母表示差異不顯著（P＜0.05）。下同

2.2 長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤活性有機(jī)碳的影響

表層土壤（0—20 cm）活性有機(jī)碳含量明顯高于20—40和40—60 cm土層，而20—40 cm略低于40—60 cm土層（圖2）。長(zhǎng)期施肥顯著提高了0—20 cm土層活性有機(jī)碳含量，1.5NPKS提高幅度最大，為50.6%，其次NPKS提高37.0%。在20—40 cm土層，單施氮肥與不施肥差異未達(dá)到顯著，其他施肥處理顯著提高29.8%—44.7%，NPKS提高幅度最大，且顯著高于其他施肥處理。在40—60 cm土層，單施氮肥與不施肥差異不顯著；NPK處理提高幅度最大，且顯著高于其他施肥處理；有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施處理（NPKS、1.5NPKS、NPKM）提高了9.3%—14.9%。

土壤活性有機(jī)碳占土壤總有機(jī)碳的16.9%—22.3%（圖2）。相對(duì)于土壤活性有機(jī)碳含量，長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤活性有機(jī)碳占總有機(jī)碳比例的影響較小，0—20 cm土層各處理土壤活性有機(jī)碳比例差異不顯著。在20—40 cm土層，活性有機(jī)碳比例以NPKS最高，其次為NPKM，二者顯著高于不施肥處理，其他施肥處理增加不顯著。在40—60 cm土層，NPK和NPKM處理活性有機(jī)碳比例顯著高于不施肥和其他施肥處理。

圖2 長(zhǎng)期不同施肥下各土層活性有機(jī)碳含量和比例

2.3 長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤碳庫(kù)管理指數(shù)的影響

以不施肥處理為參照（100），長(zhǎng)期不同施肥提高了土壤碳庫(kù)管理指數(shù)（表2）。在0—20 cm土層，長(zhǎng)期施肥處理土壤碳庫(kù)管理指數(shù)顯著提高，1.5NPKS處理最高，其次為NPKS。在20—40 cm土層，單施氮肥土壤碳庫(kù)管理指數(shù)與不施肥差異未達(dá)到顯著，其他處理顯著提高，NPKS處理幅度最大，且顯著高于其他施肥處理。在40—60 cm土層，單施氮肥與不施肥土壤碳庫(kù)管理指數(shù)無(wú)顯著差異；NPK處理顯著高于其他施肥處理；有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施處理（NPKS、1.5NPKS、NPKM）高于不施肥處理，NPKS增加不顯著。

表2 長(zhǎng)期不同施肥下各土層的碳庫(kù)管理指數(shù)

數(shù)據(jù)表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，不同處理間標(biāo)記有相同小寫(xiě)字母表示＜0.05水平差異不顯著。下同

Data show as Mean ± SD, and difference between treatments with the same lowercase letter is not significant at＜0.05. The same as below

2.4 長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤活性有機(jī)碳不同組分的影響

稻麥輪作系統(tǒng)長(zhǎng)期不同施肥條件下，紫色土高、中、低活性有機(jī)碳含量與比例在不同土層有所不同（表3）。在0—20 cm土層，各活性組分表現(xiàn)為低活性組分＞中活性組分＞高活性組分。20—40 cm土層各活性組分含量均比0—20 cm土層下降，其中低活性組分下降幅度最大，所占比例也明顯降低，高活性和中活性組分所占比例增加，表現(xiàn)為中活性組分＞高活性組分＞低活性組分。在40—60 cm土層，各活性組分表現(xiàn)為低活性組分＞中活性組分＞高活性組分，趨勢(shì)與0—20 cm土層趨勢(shì)一致；各組分含量均比0—20 cm土層下降，但高活性組分比例有所增加，低活性組分比例有所降低。

長(zhǎng)期施肥顯著影響不同活性組分含量，但對(duì)活性組分所占比例影響較?。ū?）。在0—20 cm土層，各施肥處理土壤高、中、低活性組分含量分別比對(duì)照提高了13.5%—41.1%、30.4%—62.8%和17.2%—46.7%，以中活性組分提升幅度最大；從不同處理的作用效果看，1.5NPKS處理提高幅度最大，其次為NPKS或NPKM。在20—40 cm土層，單施氮肥顯著增加高活性組分，對(duì)中活性和低活性組分的影響不顯著；其他施肥處理各活性組分含量均顯著增加，低活性組分提高幅度較大，其次為高活性組分；NPKS增加高活性組分含量最顯著，NPK增加中活性組分最顯著，NPKM增加低活性組分最顯著。在40—60 cm土層，與不施肥相比，NPKS和1.5NPKS處理增加高活性組分幅度最大，NPK增加中活性和低活性組分幅度最大。

表3 長(zhǎng)期不同施肥下各土層不同活性組分含量及比例

高活性有機(jī)碳（HLOC）：被33 mmol·L-1KMnO4氧化的組分；中活性有機(jī)碳（MLOC）：被167 mmol·L-1KMnO4氧化而未被33 mmol·L-1KMnO4氧化的組分；低活性有機(jī)碳（LLOC）：被333 mmol·L-1KMnO4氧化而未被167 mmol·L-1KMnO4氧化的組分。Mean表示不同處理的平均值（n=6）

HLOC: High labile fraction oxidized by 33 mmol·L-1KMnO4; MLOC: Middle labile fraction oxidized by 167 mmol·L-1KMnO4but not 33 mmol·L-1KMnO4; LLOC: Low labile fraction oxidized by 333 mmol·L-1KMnO4but not 167 mmol·L-1KMnO4. Mean is the average value across treatments (n=6)

2.5 土壤活性有機(jī)碳與總有機(jī)碳的關(guān)系

相關(guān)分析表明（圖3），土壤活性有機(jī)碳及其各組分均與總有機(jī)碳呈顯著正相關(guān)，表明土壤活性有機(jī)碳可以指示總有機(jī)碳的變化。土壤活性有機(jī)碳與總有機(jī)碳線性回歸方程決定系數(shù)（2）最大，3種活性組分與總有機(jī)碳線性回歸方程的決定系數(shù)大小為高活性組分＞低活性組分＞中活性組分。

圖3 土壤總有機(jī)碳與活性有機(jī)碳及不同組分的關(guān)系

3 討論

土壤總有機(jī)碳變化取決于有機(jī)碳的輸入和輸出平衡，施用化肥可以供應(yīng)作物所需養(yǎng)分，提高作物生產(chǎn)力及作物根茬歸還土壤的有機(jī)碳數(shù)量；而施用有機(jī)肥不僅能夠通過(guò)提高作物產(chǎn)量增加作物根茬來(lái)源的有機(jī)碳投入，還通過(guò)秸稈歸還或者有機(jī)肥料直接投入增加土壤有機(jī)碳的輸入量從而提高總有機(jī)碳[25]。本試驗(yàn)結(jié)果表明化肥配施秸稈還田顯著提高總土壤有機(jī)碳含量，且提升效果優(yōu)于單施化肥，這和其他研究結(jié)果一致[26-27]；NPKS和1.5NPKS對(duì)于提高土壤有機(jī)碳含量效果相當(dāng)，考慮到資源高效利用和過(guò)量化肥投入帶來(lái)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，本試驗(yàn)條件下NPKS為推薦施肥措施。單施化肥對(duì)土壤有機(jī)碳的影響比較復(fù)雜，有研究認(rèn)為平衡施用化肥氮磷鉀甚至單施氮肥能夠促進(jìn)植物根系生長(zhǎng)，增加地下部生物量和有機(jī)碳的輸入，顯著提高土壤有機(jī)碳含量[28]；也有研究認(rèn)為，單施化肥雖有利于作物來(lái)源有機(jī)碳投入的增加，但也會(huì)加速土壤有機(jī)碳的分解礦化，不僅消耗根系增加的有機(jī)碳，還會(huì)消耗原始有機(jī)碳，不利于土壤有機(jī)碳累積[29]。本研究中，單施氮肥比不施肥提高了耕層土壤有機(jī)碳含量，氮磷鉀配施則進(jìn)一步提高各土層有機(jī)碳含量，這可能與稻麥輪作條件下作物來(lái)源的有機(jī)碳投入較多和水稻季淹水降低土壤礦化速率等有關(guān)[30]。

土壤活性有機(jī)碳的主要來(lái)源是作物根系和殘茬、根際分泌物、土壤微生物殘?bào)w和腐殖化的有機(jī)質(zhì)，施肥能提高作物根茬歸還數(shù)量、施用有機(jī)肥還能增加有機(jī)質(zhì)的來(lái)源，從而促進(jìn)了活性有機(jī)碳的累積。本研究中，長(zhǎng)期施肥提高了活性有機(jī)碳數(shù)量，但是對(duì)活性有機(jī)碳占總有機(jī)碳比例的影響較小，這與Pandey等[31]的研究一致，他們發(fā)現(xiàn)8年的少耕或免耕同時(shí)提高了土壤總有機(jī)碳、活性有機(jī)碳和非活性有機(jī)碳含量，但對(duì)非活性有機(jī)碳占總有機(jī)碳的比例影響不顯著；而張瑞等[32]等研究表明短期施肥可以同時(shí)提高土壤活性有機(jī)碳含量及其占土壤總有機(jī)碳的比例，這是因?yàn)橥寥烙袡C(jī)碳由不同活性的碳庫(kù)組成，短期施肥對(duì)土壤有機(jī)碳的影響首先表現(xiàn)在活性碳庫(kù)上，對(duì)周轉(zhuǎn)速度較慢的非活性碳庫(kù)的影響較為緩慢；而長(zhǎng)期施肥能維持有機(jī)碳持續(xù)大量輸入，促使各個(gè)碳庫(kù)之間的相互轉(zhuǎn)化，因此非活性碳庫(kù)也逐漸發(fā)生變化，直至碳庫(kù)間達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡并維持在一定的比例[33]。

土壤活性有機(jī)碳含量及其不同組分的分配與氣候條件、土壤類(lèi)型、種植方式、土層深度等有關(guān)。徐明崗等[8]發(fā)現(xiàn)紅壤以高活性有機(jī)碳為主，而壚土、灰漠土和潮土以高活性和中活性有機(jī)碳兩部分為主。本文在稻麥輪作條件下的研究結(jié)果與旱地土壤研究結(jié)果明顯不同，稻麥輪作下紫色土相應(yīng)土層低活性組分所占比例最高，這可能與輪作方式和土壤條件有關(guān)。水旱輪作下土壤性質(zhì)趨同于水稻土，土壤淹水厭氧導(dǎo)致富含酚類(lèi)基團(tuán)的木質(zhì)素降解緩慢，后者可以結(jié)合活性的游離腐殖酸，促進(jìn)其累積，并貢獻(xiàn)于低活性有機(jī)碳組分[34]。其次，有機(jī)質(zhì)分子能夠與鐵鋁氧化物及其水合氧化物結(jié)合，或者通過(guò)鐵鋁離子鍵橋作用與土壤黏粒結(jié)合而改變活性，本研究中土壤黏粒含量較高，且水旱輪作干濕交替導(dǎo)致鐵鋁氧化還原過(guò)程頻繁，這可能會(huì)增加土壤礦物結(jié)合的有機(jī)質(zhì)數(shù)量，導(dǎo)致低活性有機(jī)碳增加[35]。從不同土層深度來(lái)看，水旱輪作下0—20 cm土層土壤活性有機(jī)碳及其各組分含量明顯高于20—40和40—60 cm土層，這可能是因?yàn)樽魑锖头柿蟻?lái)源的有機(jī)碳主要投入到表層土壤，它們直接或經(jīng)過(guò)微生物降解后，促進(jìn)了表層土壤活性有機(jī)碳的累積[25]。盡管下層土壤各活性有機(jī)碳含量均降低，但20—40 cm土層低活性組分下降幅度較大，導(dǎo)致該層土壤各活性組分的分配比例明顯不同于其他土層，其原因可能在于水旱輪作條件下，季節(jié)性干濕交替影響了20—40 cm土層土壤微生物的活動(dòng)及其對(duì)不同活性碳組分的消耗或累積[36]；其次，溶解性有機(jī)質(zhì)隨土壤水分的上移和下滲也可能是引起該土層活性有機(jī)碳分配發(fā)生變化的原因，但具體原因需要進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

稻麥輪作條件下長(zhǎng)期施肥可維持或提高土壤總有機(jī)碳，單施氮肥僅提高耕層土壤總有機(jī)碳，平衡施用化肥提高了各土層有機(jī)碳含量，化肥配施有機(jī)肥尤其是秸稈還田提升效果更好。活性有機(jī)碳占總有機(jī)碳的16.9%—22.3%，高、中、低活性有機(jī)碳含量均隨土層加深而降低，但所占比例在不同土層明顯不同，0—20和40—60 cm土層低活性有機(jī)碳比重最大，其次為中活性有機(jī)碳和高活性有機(jī)碳；而20—40 cm土層中活性有機(jī)碳比重最大，其次為高活性和低活性有機(jī)碳。長(zhǎng)期施肥可提高土壤活性有機(jī)碳及高、中、低活性組分的含量，化肥配施秸稈還田提升效果最好；但施肥對(duì)土壤活性有機(jī)碳及不同活性組分的分配比例影響較小。綜上，稻麥輪作條件下，長(zhǎng)期施用化肥配和秸稈還田對(duì)于提高土壤總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳含量效果最好，可以促進(jìn)土壤有機(jī)碳固定、改善土壤有機(jī)碳質(zhì)量、提高碳庫(kù)管理指數(shù)。

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（責(zé)任編輯 楊鑫浩）

Soil Organic Carbon Lability of Purple Soil as Affected by Long-term Fertilization in a Rice-wheat Cropping System

ZHAO Ya-nan1, CHAI Guan-qun1, ZHANG Zhen-zhen1, XIE Jun1, LI Dan-ping1, ZHANG Yue-qiang1,2, SHI Xiao-jun1,2

(1College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400716;2National Monitoring Station of Soil Fertility and Fertilizer Efficiency on Purple Soils, Chongqing 400716)

【Objective】Based on a 22-year fertilization experiment, soil organic carbon (SOC) and its lability under different long-term fertilization were studied to investigate the SOC quantity and quality of purple soil and their responses to long-term fertilization in a rice-wheat cropping system.【Method】There were six fertilization treatments including no fertilizer (CK), chemical N fertilizer alone (N), chemical NPK fertilizers (NPK), chemical NPK fertilizers plus straw (NPKS), high amount of chemical NPK fertilizers plus equal amount of straw (1.5NPKS) and chemical NPK fertilizer plus manure (NPKM). In soil samples at 0-20, 20-40 and 40-60 cm depths, the labile organic carbon (LOC) and its three fractions with different labilities, i.e., high LOC (HLOC), middle LOC (MLOC) and low LOC (LLOC), were determined according to the oxidation by 33, 167 and 333 mmol·L-1potassium permanganate (KMnO4) solution, and carbon management index (CMI) was determined by total SOC (TOC) and LOC, and CK was used as reference.【Result】The TOC and LOC were 9.2-16.5 g·kg-1and 1.58-3.67 g·kg-1across all treatments and soil depths, respectively. Long-term fertilization could maintain or improve the TOC, LOC content and CMI, with greater improvement on the 0-20 cm soil layer than other layers. Compared with no fertilization, the increases in NPKS treatment were 32.5%, 25.7% and 5.3% for TOC, 37.0%, 44.7% and 9.3% for LOC, 38%, 49% and 9% for CMI on 0-20, 20-40 and 40-60 cm soil layers, respectively, which were relatively greater than other fertilization treatments. Long-term fertilization significantly improved the content of HLOC, MLOC and LLOC on three soil layers with greater increase in treatments with combined application of mineral and organic fertilizers (NPKS, 1.5NPKS and NPKM) than mineral fertilizers alone (NPK and N), while the effect of long-term fertilization on proportions of three labile fractions to LOC was relatively small, indicating that long-term fertilization did not alter the distribution pattern of different LOC fractions. However, the content and proportions of HLOC, MLOC and LLOC were significantly affected by soil depth. On the average, HLOC, MLOC and LLOC accounted for 23.6%, 35.6% and 40.7% of LOC on 0-20 cm soil layer while 30.5%, 44.8% and 24.7% in 20-40 cm soil due to great decline of LLOC content. The LOC, HLOC, MLOC and LLOC were linearly and positively correlated with TOC content, indicating that LOC and its fractions could be used as indicators of TOC change caused by management practices.【Conclusion】These results suggested that long-term fertilization could maintain or improve the quantity and lability of SOC and thus CMI, and combined application NPK fertilizers with straw return is the recommended practice to promote both the TOC and LOC accumulation of purple soil in the rice-wheat cropping system.

soil organic carbon; labile organic carbon; carbon management index; long-term fertilization; rice-wheat rotation; paddy soil

2016-05-13；接受日期：2016-07-26

國(guó)家自然科學(xué)基金（31471944）、國(guó)家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專(zhuān)項(xiàng)（201203030）

趙亞南，E-mail：zhaoyanan2014@163.com。通信作者石孝均，E-mail：shixj@swu.edu.cn