倪 斌,吳東明,李 瑋,陳 淼,李勤奮

(1. 海南省農業(yè)生態(tài)與資源保護總站，海口 571100；2. 中國熱帶農業(yè)科學院環(huán)境與植物保護研究所，?？?571101；3. 國家農業(yè)環(huán)境儋州觀測實驗站，海南 儋州 571737)

【研究意義】土壤碳/氮庫包括有機碳、無機碳、總氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮等組分，是土壤的重要組成部分[1-3]。土壤碳/氮庫與作物高產/優(yōu)產密切相關，可直接反映土壤的養(yǎng)分、健康、碳/氮周轉特征，對指導農業(yè)生產管理具有重要的意義[3-4]。研究表明，土壤碳庫增加能提供微生物營養(yǎng)循環(huán)的能量，改善土壤理化學性質[3-4]；提高土壤氮素固定可降低氮肥施用量和施肥成本，提高土壤供氮潛力，避免氮素淋溶入水體[6]；可溶性有機碳直接參與土壤的CO2排放。目前，土壤的碳/氮庫特征已成為農學、土壤學、環(huán)境科學領域的研究熱點。【前人研究進展】施肥模式被認為是影響土壤碳、氮庫的重要影響因素之一[10]。有機(單施有機肥)、無機管理(單施化肥)是兩種典型模式[6, 11]。為提高作物產量，化肥自20世紀80年代即被大量使用。然而，長期單施化肥生態(tài)風險巨大，易引起土壤酸化/板結、養(yǎng)分不均衡、次生鹽漬化、硝酸鹽污染等問題[10, 12]。相反，施用有機肥可改善土壤質量，被認為是可持續(xù)農業(yè)發(fā)展的有效施肥模式。特別對于有機質貧乏的紅壤、磚紅壤，施加有機肥更為重要。近年來，有關有機—無機管理對土壤碳/氮庫的影響已得到了一定的研究。然而，由于土壤條件差異，有機—無機管理對碳/氮庫的影響效果不一，甚至相反[12-16]。如晉南石灰性褐土，秸稈還田連續(xù)5年可使總有機碳提高24.7%，單施化肥導致土壤總有機碳下降2.4%～8.2%[12]；陜西螻土，單施有機肥或化肥均顯著提高土壤有機碳和全氮含量[16]。【本研究切入點】目前，這些研究大多以溫帶土壤為對象，對熱帶磚紅壤少有關注。我國磚紅壤區(qū)主要分布在海南島、廣東雷州半島、臺灣南部、廣西/云南的部分地區(qū)，既是我國橡膠、香蕉、荔枝、芒果等熱帶作物的主產區(qū)，也是我國冬春季節(jié)重要的“菜籃子”基地[17-18]。因此，研究有機—無機管理對磚紅壤碳/氮庫的影響，對于保障熱帶農業(yè)生產具有重要的意義。與其它土種不同，磚紅壤所處區(qū)域具有高溫高濕、養(yǎng)分周轉速度快等特點。這意味有機—無機管理對磚紅壤碳、氮庫可能的影響具有獨特的特征，值得關注?！緮M解決的關鍵問題】依托2016年建于海南文昌的長期定位觀察站，于田間尺度下研究了單施化肥、單施有機肥對磚紅壤碳、氮庫的影響，以期為熱區(qū)農田的精準施肥提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地點位于海南省文昌市的中國熱帶農業(yè)科學院環(huán)境與植物保護研究所試驗基地，全國農業(yè)面源污染監(jiān)測網(wǎng)文昌重點國控監(jiān)測點，地處110.46°E，19.32°N，土壤質地為沙壤土，土壤類型為磚紅壤，肥力水平較低，土壤基本理化性質如表1。常年降雨量 1721.6 mm，雨季主要集中在5—10月，占全年的79%。年均溫度 23.9 ℃，積溫為8474.3 ℃，為熱帶海洋季風氣候。極端天氣通常為夏季暴雨和春季干旱。試驗種植制度為辣椒—豆角輪作。共設計4個田間處理：①CK(不施肥)；②NPK(氮磷鉀)；③OG(有機肥)；④ST(秸稈還田)。化肥選用分別為尿素、過磷酸鈣和氯化鉀，有機肥選用羊糞。試驗期間每年肥料施用量為：氮肥18.23 kg/667 m2，磷肥16.08 kg/667 m2，鉀肥18.23 kg/667 m2，有機肥1600 kg/667 m2，秸稈215.2 kg/667 m2。試驗地始建于2015年。截止2020年，已有5年有機—無機管理歷史。

1.2 樣品采集

經(jīng)5年有機—無機管理后，2020年4月，于辣椒收獲后，采用S形采樣法采集了0～20 cm的土壤樣品，每個處理采集3個重復。采后，一部分新鮮土樣用于水分、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的測定；另一部分土壤風干，用于有機碳氮組分測定。

表1 土壤理化性質

1.3 樣品分析

1.4 數(shù)據(jù)處理

土壤中碳/氮組分的含量是以烘干土壤為基礎表示的。同時，采用SPSS 19.0軟件的LSD法檢驗P<0.05水平上的差異性；采用Canoco 5對各碳氮組分進行主成分分析。

2 結果與分析

2.1 土壤中全態(tài)碳、氮含量

從圖1可知，對于SOC，盡管各處理下的SOC含量有所差異，但均沒達到顯著水平(P>0.05)。表明有機—無機管理對磚紅壤的有機質含量影響較小。相反，有機—無機管理顯著影響了磚紅壤中的全態(tài)氮含量。經(jīng)5年施肥處理后，單施化肥的TN高達(0.57±0.11)g/kg，是CK組的1.65倍。相似地，施用有機肥OG的TN含量是CK組的1.51倍，顯著提高了磚紅壤中的TN含量。然而，對于土壤TN含量，CF和OG組不存在顯著差異(P<0.05)。ST組與CK組的TN含量差異也不顯著，表明施用秸稈對土壤TN含量的影響不大。SOC/TN可示征土壤有機質的穩(wěn)定性、相對分解階段、腐殖質的年齡。對于SOC/TN，各施肥處理均沒達到顯著水平。

2.2 土壤活性碳庫特征

如圖2所示，經(jīng)5年施肥處理后，CF組的DTC和DOC含量降低了80%和79%，表明無機管理(單施化肥)對土壤中的溶解性總碳和溶解性有機碳的累積極為不利。相反，對于有機管理，無論是施用有機肥(OG)，還是施用秸稈(ST)，均顯著提高了土壤中的DTC和DOC含量，但OG和ST之間差異不顯著。對于DIC，單施化肥對其含量影響不顯著；施用有機肥和秸稈可使DIC含量分別提高了2.55和2.03倍。這表明有機管理有利于土壤中溶解性無機碳庫的累積。

2.3 土壤活性氮庫特征

2.4 數(shù)據(jù)融合分析

3 討 論

3.1 有機—無機管理對土壤全態(tài)碳/氮庫的影響

SOC和TN是土壤肥力的基礎，其庫存含量取決于外源養(yǎng)分輸入和土壤本底礦化的動態(tài)平衡[12]。施肥模式對土壤的碳/氮庫具有重要影響。研究表明：對于有機管理，單施有機肥或秸稈均可提高土壤的碳/氮庫含量，增加土壤養(yǎng)分累積[4]；相反，單施化肥會加速土壤礦化，不利于土壤碳庫累積[12]；也有研究表明：單施化肥可增加土壤SOC、TN含量[1, 14-15, 20]。然而，迄今為止，施肥模式對土壤全態(tài)碳/氮庫的影響尚未形成定論。本研究中，有機—無機管理對SOC影響不顯著。這可能與磚紅壤特殊的土壤氣候條件有關。磚紅壤處于熱帶地區(qū)，具有高溫高濕、降雨頻繁、養(yǎng)分周轉速度快等特點[21]。因此，對于磚紅壤SOC，即使存在大量的有機肥或秸稈等外源碳物質輸入，也可能被快速礦化成氣體逸出，或被雨水沖刷入水生系統(tǒng)[17]。這也是當前磚紅壤區(qū)本底土壤SOC含量普遍較低的原因之一。也有研究表明：外源碳或氮輸入對土壤微生物的正激發(fā)效應，可加快土壤SOC的礦化，進而使外源碳輸入和土壤本底碳虧損處于動態(tài)平衡[7, 22]。本研究的PCA分析結果也顯示：土壤碳庫與氮庫呈現(xiàn)一定的負相關，土壤氮庫含量增加不利于土壤碳庫的累積。對于TN和SOC/TN，本研究中，有機—無機管理提高了土壤TN含量，但對SOC/TN影響不顯著。這可能與外源碳添加刺激了貧碳型土壤對氮的固定有關。蓋霞普等[4]在昌平潮褐土的研究結果表明：盡管秸稈等有機物料具有高C/N，秸稈還田時可將更多的碳輸入土壤中，但由于該過程可通過固定作用將無機氮轉為有機氮，提高土壤氮持留，土壤的SOC/TN不一定會增加。該研究還認為：單施化肥能夠促進土壤氮礦化，但礦化養(yǎng)分在碳限制的條件下不能立即再固定[4]。土壤氮庫含量增加還可能與管理模式對土壤pH和含水率的影響有關[12, 23]。本研究PCA結果顯示：土壤TN與含水率呈正相關，與pH呈負相關。這表明在磚紅壤中，土壤含水量增多、pH降低更有利于其氮庫的累積。此外，本研究中，有機—無機管理對土壤SOC/TN影響較小可能還與土壤的本底SOC/TN值有關。雷寶坤等[24]總結了中國期刊網(wǎng)自1980年起有關長期定位試驗文獻發(fā)現(xiàn)：土壤碳氮之間存在著相互依存和相互制約的關系，可根據(jù)土壤SOC/TN的大小，將土壤碳氮共濟關系分為①土壤碳氮失衡類型：SOC/TN<9或SOC/TN>12；②土壤碳氮平衡型：9

3.2 有機—無機管理對土壤活性碳/氮庫的影響

活性碳/氮是土壤中生物有效性較高的一種養(yǎng)分組分，可直接作為植物或微生物的營養(yǎng)物質被吸收利用[1, 13, 20]。過去研究表明：土壤活性碳/氮庫對農業(yè)管理措施響應較為敏感，是一種可反映土壤質量變化的重要指標[1, 20]。本研究中，對于土壤活性碳庫，單施化肥可使土壤DTC和DOC含量減少約80%；相反，單施有機肥或秸稈則顯著增加了土壤DTC和DOC，表明有機管理更有利于土壤活性碳庫累積。一般認為，土壤活性有機碳來源于植物凋落物的分解、根系分泌物、土壤有機質的水解、土壤微生物本身及其代謝產物[10]。施用有機肥土壤具較高的活性有機碳，顯然與有機物質投入量較大有關。過去的研究也表明：有機肥、秸稈等物質中含有大量的溶解態(tài)碳類物質[25-26]。研究[27]也發(fā)現(xiàn)：添加有機肥能顯著增加土壤的DOC濃度，尤其是畜禽糞便。施用有機肥不但可直接向土壤輸入活性碳組分，也可通過激發(fā)微生物活性，促使土壤惰性碳向活性碳轉化[1, 20]。相反，土壤施氮會促進微生物對DOC的降解，尤其是低分子量酸、羧基類基質[22]。然而，也有一些研究[14, 20]表明：施用化肥可增加作物的凋落物和根系分泌物含量，進而增加了土壤的活性碳庫，這與本研究結果不一致。原因可能是：本研究中的作物體系是辣椒—豆角輪作體系，凋落物等相對較少。土壤活性碳庫增加還可能與管理模式對土壤pH和含水率的影響有關。本研究中，DOC、DTC、DIC與pH呈正相關，與含水率呈負相關，表明土壤pH升高、含水率降低更有利于土壤活性碳庫的累積。SOC/TN與含水率呈負相關還表明：土壤含水率的增加可能導致土壤芳香類物質的累積。土壤中溶解性碳庫以酸性組分為主，而提高pH可使土壤對溶解性碳庫的吸附作用減弱，釋放量增加[28]。其他研究結果[29-31]也發(fā)現(xiàn)：干燥的土壤可使有機質發(fā)生凝聚收縮，破壞土壤礦物對有機質的吸附作用，進而使低分子富里酸類物質得以溶出。

4 結 論

(1)經(jīng)連續(xù)5年施肥管理后，有機—無機管理僅影響熱帶磚紅壤的總氮含量，對土壤有機質含量影響較小。其中，單施化肥可使土壤總氮含量上升1.65倍，達(0.57±0.11)g/kg；單施有機肥，使總氮含量上升1.51倍。

(2)單施有機肥或秸稈顯著增加了磚紅壤的溶解性碳庫，包括DTC、DIC、DOC、DTN。兩種有機管理方式的影響差異不顯著。相反，單施化肥使土壤的DTC和DOC含量下降了79%以上，不利于溶解性碳庫累積；