不同施肥模式下黃壤旱地土壤碳氮儲量分布特征

張邦喜，李 渝，羅文海，秦 松，蔣太明，李國學，鄭元利(1.貴州省農(nóng)業(yè)科學院 土壤肥料研究所，貴陽 550006；.農(nóng)業(yè)部(貴州)耕地保育與農(nóng)業(yè)環(huán)境科學觀測實驗站，貴陽 550006；.中國農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境學院，北京 10019；.遵義市農(nóng)業(yè)科學研究院 園藝所，貴州遵義 56000)

氣候變暖已經(jīng)成為全球變化的主要特征，有關氣候變化對陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響及其反饋也已成為全球變化研究的重點和前沿[1-2]。土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫，其碳儲量約是大氣碳儲量的2倍、植被碳儲量的3倍[3]，在維持全球碳循環(huán)和減緩大氣CO2濃度升高等方面發(fā)揮著重要作用。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的組成部分，其碳儲量及循環(huán)不僅與土壤生產(chǎn)力有關，而且影響著土壤-大氣界面的氣體交換，因而受到廣泛關注[4-5]。由于受到自然[6]或人為因素的影響[7-8]，農(nóng)田土壤碳、氮質(zhì)量分數(shù)處于不斷的變化之中，尤其是人為活動中的施肥措施對土壤碳、氮平衡的影響一直是人們研究的熱點[9-10]。有研究表明，單施有機肥或化肥有機肥配施對提高土壤有機碳、全氮有積極的作用[11-12]，而單施化肥對土壤有機碳、全氮的影響存在不一致[13-14]。還有研究表明，大部分氮素儲存在土壤有機碳庫中，土壤氮素隨土壤碳質(zhì)量分數(shù)的增加而增加，二者之間具有良好的耦合效應[15]。 但也有研究表明外源碳、氮的加入導致微生物對碳源和氮源的利用產(chǎn)生了差異，二者之間并無明顯的相關性[16-17]。也有學者[18-19]認為，增加氮輸入，不能明顯增加碳儲存，反而會降低其生產(chǎn)力和碳儲量。Smith[20]認為，外源碳、氮輸入對土壤有機碳、氮的影響因氣候、種類、土壤類型及管理措施的不同而不同。因此，利用長期定位試驗來研究不同區(qū)域、不同土壤類型及不同施肥制度對土壤碳、氮積累的影響，對于保證糧食安全與緩解氣候變化趨勢具有雙重的積極意義。

黃壤是中國西南地區(qū)一種重要的地帶性土壤類型[21]，全國25.3%的黃壤集中分布在貴州，是貴州主要的農(nóng)業(yè)土壤類型[22]，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。然而有關黃壤區(qū)不同深度土壤碳、氮儲量對于不同施肥的響應尚鮮見報道。因此，本試驗以國家黃壤肥力與肥料效益長期定位試驗為平臺，研究長期不同施肥模式對黃壤旱地剖面土壤碳、氮儲量的影響，旨在探討剖面土壤有機碳、全氮儲量對不同施肥模式的響應特征，為尋求適合當?shù)剞r(nóng)業(yè)高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、環(huán)保的施肥方案，促進區(qū)域糧食持續(xù)生產(chǎn)提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

國家(貴州)黃壤肥力與肥料效益長期定位監(jiān)測基地創(chuàng)建于1993年，經(jīng)過2 a勻地種植，于1995年正式開始試驗，該基地位于貴州省農(nóng)業(yè)科學院試驗場(26°11′N，106°07′E)內(nèi)屬中亞熱帶東部濕潤季風氣候區(qū)，水熱資源豐富，平均海拔1 071 m，年平均氣溫15.3 ℃，年平均相對濕度為78%，年平均日照時數(shù)為1 148.3 h，全年無霜期270 d，年降雨量1 100～1 200 mm。供試土壤屬于黃壤土類，成土母質(zhì)為三疊系灰?guī)r與砂巖殘積物，地形為黔中丘陵區(qū)旱地，采用大區(qū)對比試驗，不設重復，小區(qū)面積340 m2。1994年基礎土壤(0～20 cm)基本理化性質(zhì)為：有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)36.2 g·kg-1，全氮質(zhì)量分數(shù)1.96 g·kg-1，全磷質(zhì)量分數(shù)0.96 g·kg-1，全鉀質(zhì)量分數(shù)10.5 g·kg-1， pH 6.87。

1.2 試驗設計

選取長期定位試驗中的4個處理：(1)不施肥(CK)；(2)單施有機肥(M)；(3)氮磷鉀配施(NPK)；(4)氮磷鉀配施有機肥(NPKM)。種植制度為玉米-休閑，所施有機肥為鮮牛廄肥[11][w(C)=10.4%、N 2.7 g·kg-1、P2O5g·kg-1、K2O 6 g·kg-1]，年均施用122.2 t·hm-2。所施用化肥類型為尿素、普鈣、氯化鉀，肥料用量(表1)。在每年春季玉米播種前，磷鉀肥或有機肥作基肥，通過翻耕(翻耕深度20 cm左右)，均勻施入。氮肥作追肥，分別在玉米生長期的苗期和喇叭口期施用，冬季不施肥。

表1 試驗處理純養(yǎng)分施用量

1.3 樣品采集

因長期定位試驗開始時采用大區(qū)對比試驗，未設置重復小區(qū)，故于2014年10月玉米收獲后采集，將每個試驗處理等分為三，作為3次重復處理，以S型在每個等分小區(qū)內(nèi)隨機選取5個點混合成一個土壤樣品，采集深度為0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm，去除根系，風干、研磨備用。環(huán)刀法采集每個試驗處理0～20、20～40cm土壤測定土壤容重，所有試驗處理40～60、60～80、80～100 cm土壤體積質(zhì)量取對照處理剖面土壤測定。

1.4 分析方法與數(shù)據(jù)處理

土壤有機質(zhì)、全氮采用常規(guī)分析法[23]。有機碳[11,24]=土壤有機質(zhì)×0.58。

土壤有機碳、氮儲量按以下公式計算[8]:

M=∑(Ci×Bi×Di)×0.1

式中，M為單位面積的碳、氮儲量(t·hm-2) ；Ci為第i層有機碳、全氮的質(zhì)量分數(shù)(g·kg-1)；Bi為第i層土壤體積質(zhì)量(g·cm-3)；Di為第i層土壤厚度(cm)。

所有數(shù)據(jù)均采用Excel 2003軟件進行整理；運用SPSS 11.0軟件進行單因素方差分析(ANOVA)和差異顯著性檢驗(α=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥方式對黃壤旱地剖面有機碳、全氮質(zhì)量分數(shù)的影響

經(jīng)過20 a定位施肥試驗，各施肥處理土壤有機碳、全氮質(zhì)量分數(shù)自表層向下，隨土層深度的增加呈下降的趨勢(圖1)。與不施肥處理(CK)相比，施肥處理的0～60 cm土層有機碳質(zhì)量分數(shù)明顯高于CK處理，60 cm以下各施肥處理有機碳質(zhì)量分數(shù)略有增加，但其差異不顯著；其中0～20 cm土層M處理與NPKM處理有機碳質(zhì)量分數(shù)差異不顯著，與NPK處理差異顯著，20～40 cm土層M、NPK、NPKM處理有機碳質(zhì)量分數(shù)差異顯著，NPK與CK處理差異不顯著，40～100 cm土層各施肥處理有機碳質(zhì)量分數(shù)略有增加，但差異不顯著。

全氮在0～20 cm土層的變化特征與有機碳相似，M處理全氮質(zhì)量分數(shù)顯著高于NPK處理，與NPKM處理差異不顯著，20～100 cm土層各施肥處理全氮質(zhì)量分數(shù)無明顯差異，且土壤全氮質(zhì)量分數(shù)顯著低于表層土壤，呈現(xiàn)明顯的表聚現(xiàn)象。可見，不同施肥模式對黃壤旱地土壤全氮的影響主要在耕層(0～20 cm)土壤，而對20～100 cm土層全氮質(zhì)量分數(shù)影響較小。

2.2 不同施肥方式對黃壤旱地剖面C/N的影響

由圖2可知，經(jīng)過20 a定位施肥試驗，不同施肥模式下，黃壤旱地土壤C/N比與有機碳、全氮變化規(guī)律相一致，均隨土層深度增加而降低。與不施肥處理(CK)相比，0～100 cm土層C/N比均高于CK處理。其中0～20 cm土層土壤C/N比為12.91～16.52，M、NPK、NPKM處理之間C/N比差異不顯著，但均與CK處理差異顯著。20～40 cm土層土壤C/N比為9.81～21.70， CK、NPK、NPKM處理之間C/N比差異不顯著，但均與M處理差異顯著；40～100 cm土層土壤C/N比為7.07～14.10，各施肥處理C/N比與CK處理相比略有增加，但差異不明顯。說明長期施肥對表層土和亞表層土壤C/N比的影響較大，40～100 cm土層中變化逐漸趨于穩(wěn)定。

不同字母表示同一土層處理間差異顯著(P<0.05)

2.3 不同施肥方式對黃壤旱地碳、氮儲量的影響

由表2 可知，經(jīng)過20 a定位施肥試驗，不施肥、單施有機肥、單施化肥及有機無機配施4種施肥方式下黃壤旱地0～100 cm土層有機碳儲量分別122.55、218.57、161.95、177.76 t·hm-2；總氮儲量分別為11.55、15.08、12.25、13.19t·hm-2。與不施肥處理相比，經(jīng)過20 a定位施肥試驗，施肥模式下黃壤旱地土壤有機碳儲量分別增加了96.01、39.40、55.21 t·hm-2；總氮儲量分別增加了3.52、0.69、1.64 t·hm-2。4種施肥方式下黃壤旱地土壤有機碳儲量的變化規(guī)律與土壤全氮儲量相似。其中，施肥處理0～60 cm土層土壤有機碳儲量高達134.30～185.00 t·hm-2，占0～100 cm土層有機碳儲量的82.93～84.64%，且各層土壤有機碳儲量顯著高于CK處理；60～100 cm土層有機碳儲量為27.65～33.56 t·hm-2，占0～100 cm土層有機碳儲量的15.36～17.07%，且各層土壤有機碳儲量與CK處理相比，無顯著性差異。從土壤氮儲量分布來看，施肥處理耕層(0～20 cm)土壤氮儲量為4.23～5.07 t·hm-2，占0～100 cm土層氮儲量的33.64～38.20%，施肥模式下耕層土壤氮儲量顯著高于不施肥處理；20～100 cm土層氮儲量為8.02～10.01 t·hm-2，占0～100 cm土層氮儲量的61.80～66.36%，除60～80 cm土層氮儲量顯著高于其余處理外，施肥處理與CK處理無顯著性差異?？梢姡瑔问┯袡C肥、單施化肥及有機無機配施均能夠增加土壤碳氮儲量，施肥對黃壤旱地土壤碳儲量的影響集中在0～60 cm土層，對氮儲量的影響主要在土壤表層。

圖2 不同施肥方式下土壤C/N比值的分布

表2 不同施肥方式下土壤有機碳、全氮儲量

注：同列數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

Note:Different lowercase letters in the same column mean significantly different(P<0.05).

3 討 論

土壤碳、氮質(zhì)量分數(shù)是土壤肥力的重要組成部分，也是作物營養(yǎng)的主要供給源，對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、固碳潛力及其環(huán)境效應都有關鍵影響，尤其是在生態(tài)脆弱的喀斯特地區(qū)[25-26]。研究表明，長期施肥尤其是有機無機配施可顯著提高耕層土壤碳氮質(zhì)量分數(shù)，達到作物增產(chǎn)與培肥地力的效果[8,11,14]。本研究結(jié)果表明施肥能夠明顯提高耕層(0～20 cm)土壤有機碳、全氮質(zhì)量分數(shù)。這與前人在紅壤性水稻土[27]、灰漠土[28]、黑土[8]、黃棕壤[29]研究的結(jié)論一致。此外，施有機肥(或有機無機配施)0～20 cm土層有機碳、全氮質(zhì)量分數(shù)增加幅度大于單施化肥，40～100 cm土層有機碳、全氮質(zhì)量分數(shù)受施肥影響較小，且單施有機肥處理土壤碳氮素向下的遷移程度高于單施化肥(或有機無機配施)。其主要原因可能是有機肥本身含有大量養(yǎng)分，供肥效果緩慢，增加碳氮歸還，為土壤微生物提供碳、氮源，同時加速土壤團聚化，促進土壤對碳氮素的吸附與積累。有機無機配施雖然增加有機物料和作物根茬殘留，但無機氮肥的施用也可能加速土壤有機碳氮礦化分解，使土壤有機碳氮總量下降。土壤是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)重要的碳氮儲存場所，而大部分氮素又貯存在有機碳庫中，二者之間的變化緊密相關[30-31]。經(jīng)過20 a的定位施肥，不施肥處理0～100 cm土層碳氮并無枯竭現(xiàn)象，這可能與作物根茬殘留、氮沉降及該區(qū)土壤的風化發(fā)育增加了土壤碳氮補充有關[32]。

土壤C/N比是反映土壤有機碳分解速度的一個指標，也是衡量土壤肥力狀況的重要指標。同時碳氮元素相互作用對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及全球碳循環(huán)起著至關重要的作用[25]，其受自然[6,33]或人為因素的影響較大[7-8]。研究表明，人為干擾會顯著地改變土壤碳氮養(yǎng)分的變化速率和垂直分布格局[34]，導致在一定土層深度范圍內(nèi)土壤C/N比呈現(xiàn)增大的趨勢或者相對穩(wěn)定[35]。本研究結(jié)果表明，經(jīng)過20年的定位施肥，施用有機肥、化肥或化肥有機肥配施處理0～20 cm土層C/N比為12.43～21.70，接近中國熱帶和亞熱帶土壤C/N比(20∶1)，與前人研究結(jié)果一致[11,26]， 60～100 cm土層C/N比為7.70～9.74，土壤C/N比呈隨土層加深而逐漸減小的趨勢。其原因是外源有機物料的輸入能力隨土壤深度增加會逐漸減小，土壤有機碳集中在0～60 cm土層，而全氮主要累積在土壤表層。此外，黃壤屬地帶性土壤類型，保留著地帶性土壤粘、瘦、酸等特性，外源輸入養(yǎng)分易于累積于土壤表層，加之該區(qū)域水熱條件豐富，滯留于土壤表層的養(yǎng)分易于損失，而深層土壤C/N比則主要受土壤發(fā)育能力的影響，因而逐漸趨于穩(wěn)定。

土壤層碳氮儲量高低不僅與植被、氣候、土壤類型、質(zhì)地有關，而且與施肥、耕作及農(nóng)業(yè)管理措施等密切相關[35]。研究表明農(nóng)田土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)取決于有機物料的投入和土壤有機碳微生物分解之間的平衡[36]。本試驗結(jié)果表明，經(jīng)過20 a 定位施肥試驗，與不施肥處理相比，單施有機肥、單施化肥及有機無機配施處理黃壤旱地0～100 cm土層有機碳儲量分別增加了96.01、39.40、55.21 t·hm-2，有明顯增加趨勢；總氮儲量變化趨勢與有機碳儲量變化相似，分別增加了3.52、0.69、1.64 t·hm-2。從土壤碳氮儲存量空間分布來看，0～40 cm土層的碳、氮儲量所占比例分別為63.11%～71.76%和54.16%～61.21%，表明黃壤旱地深層土壤碳氮儲量對施肥模式的響應不如表層和亞表層土壤碳氮儲量敏感，淺層土壤的碳氮累積速率明顯高于深層，且以施有機肥最為顯著，這與其他學者[19,37-38]的研究結(jié)果相同。其主要原因可能是外源物料的輸入，相應增加了碳氮還田與作物根系殘留量，進而增加了農(nóng)田土壤碳氮儲量[39-40]。因此，從長遠來看，有機物料的輸入可以提高黃壤旱地土壤碳氮貯量和碳氮固持潛力，更有利于黃壤區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié) 論

在喀斯特地區(qū)，土壤碳、氮的變化特征是指導土壤培肥及合理利用的重要依據(jù)，與不施肥土壤相比，施肥是增加土壤碳氮質(zhì)量分數(shù)的有效措施。經(jīng)過20 a定位施肥試驗結(jié)果表明，單施有機肥、單施化肥及有機無機配施均能增加耕層(0～20 cm)土壤中有機碳、全氮質(zhì)量分數(shù)、進而增加耕層土壤碳氮儲量，40～100 cm土層土壤中有機碳、全氮質(zhì)量分數(shù)、碳儲量和氮儲量維持相對穩(wěn)定，整體呈垂直分布規(guī)律。此外，3種施肥模式下0～20 cm土層碳氮儲量分別占總碳儲量的38.31%～42.95%，總氮儲量的33.64%～38.20%，由于大量的有機碳、全氮儲存于表層土壤，有助于提升土壤肥力水平，同時也增加了農(nóng)田系統(tǒng)碳氮損失的潛在風險。因此，未來應加強有機物料的投入與有機碳的周轉(zhuǎn)及動態(tài)變化方面的研究，并關注可能導致的環(huán)境影響，是未來黃壤區(qū)土壤培肥與養(yǎng)分管理的關鍵。

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