长期施肥下黄壤稻田土壤有机碳和全氮的演变特征
摘要：以贵州黄壤稻田19年长期施肥定位试验为基础，选取对照（CK）、单施氮肥（N）、单施有机肥（M）、氮磷钾肥配施（NPK）、低量有机无机肥配施（0.5 MNPK）和常量有机无机肥配施（MNPK）6个施肥处理，通过历史土样收集、田间取样和室内分析，结合趋势拟合，研究不同施肥下黄壤稻田有机碳（SOC）和全氮（TN）的时序变化规律，阐明长期施肥下黄壤稻田土壤碳氮含量的演变特征，揭示土壤培肥和固碳供氮的关系，为合理施肥提供理论依据。结果表明，1995—2006年各处理土壤有机碳含量和全氮含量呈下降趋势，2006—2014年呈增长趋势，其中施用有机肥的处理（M、MNPK和0.5 MNPK）对土壤有机碳含量和全氮含量的提升幅度大于单施化肥处理（N、NPK）。2006—2014年除CK处理外，其他处理土壤有机碳含量演变趋势均为显著的线性增加，年增长率依次为0.62 g/kg（M）、0.61 g/kg（MNPK）、0.59 g/kg（0.5 MNPK）、0.49 g/kg（N）和0.40 g/kg（NPK），均显著高于CK（0.17 g/kg）。与2006年对比，2014年各施肥处理土壤全氮含量均有增加，其中M增幅最高（81.9%），其次是MNPK（52.9%）、NPK（45.2%）、0.5 MNPK（349%）和N（180%）。2006—2014年各施肥处理土壤全氮含量的演变趋势与有机碳含量大体相同，除CK处理和N处理外，其他各处理土壤全氮含量均呈显著增加趋势（P<0.05）。经长期施肥后，黄壤稻田各处理土壤碳氮比稳定在123左右。单施有机肥或者有机无机肥配施可以显著增加土壤有机碳和全氮的含量。长期有机肥化肥配合施用是土壤培肥的最佳选择。
关键词：黄壤稻田；长期施肥；土壤；有机碳；全氮；演变特征
中图分类号： S153.6文献标志码： A
文章编号：1002-1302（2017）14-0195-05
土壤有机碳对土壤的物理、化学和生物化学过程起着重要的调控作用，不仅是评价土壤肥力的重要指标，也是全球碳循环的重要组成部分[1-2]。氮是植物必须的三大营养元素之一，土壤碳氮之间存在一定的耦合关系。长期施肥向农田土壤中输入大量的碳、氮等元素，从而维持作物产量、提高土壤肥力[3]，研究长期施肥下黄壤稻田土壤有机碳含量和全氮含量的演变特征，对于全球变化和国家粮食安全具有重要意义[4]，同时可为我国西南地区农田土壤固碳和地力提升的技术选择提供科学依据。目前，国内外学者已通过室内模拟试验 [5]、野外长期定位监测[6]和区域调查分析[7]等方法对土壤碳、氮周转和演变过程及其影响因子进行了大量研究，结果表明生态系统中氮投入的变化影响了土壤-植物系统中碳的积累、分配与循环过程。农田长期定位试验结果表明，施用有机肥或有机肥化肥配施能够显著提高黑土[8-9]、灰漠土[10-11]、红壤[12]、太湖地区黄泥土[13]有机碳含量和全氮含量。张磷等研究表明，氮磷钾化肥未平衡施用会使土壤全氮含量持平或有所降低[14]，单施化肥不利于土壤碳、氮积累[15]，而吕树鸣等却认为长期偏施化肥会使土壤全氮含量升高[16]。刘畅等在我国南方红壤稻田的研究发现，贫瘠红壤长期有机无机肥配施或单施有机肥土壤有机碳、氮含量均呈增加趋势，两者之间具有较好的耦合效应；但长期单施化肥二者之间表现为非耦合效应，即土壤有机碳含量显著增加、土壤全氮含量却有降低趋势[17]。Hyvonen等在北欧15个长期定位试验站的研究结果表明，增加氮投入减少了土壤有机碳的矿化，从而增加了土壤有机碳的积累[18]；而有机碳的输入又在一定程度上有利于土壤氮的积累 [19]，即二者相互依存，存在耦合關系。总之，前人的众多研究主要集中在长期施肥措施对土壤有机碳、全氮含量的影响方面，而对碳、氮耦合关系的研究报道较少，尤其是针对贵州黄壤稻田土壤，单施化肥是否能够促进土壤有机碳、全氮含量的同步增减还有待研究。因此，本研究以贵州黄壤性水稻土长期定位试验地为对象，收集1995年、1996年、2006年、2008年、2010年、2012年、2014年6个不同施肥处理的土壤样品数据，研究长期施肥条件下土壤有机碳和全氮的消长规律及耦合关系，阐明不同施肥措施对贵州黄壤稻田土壤碳、氮含量演变的影响，为评估土壤固碳潜力、提升黄壤区耕地质量提供科学依据。
1材料与方法
1.1试验地概况
长期试验地位于贵州省贵阳市小河区贵州省农业科学院内（106°07′E，26°11′N），地处黔中丘陵区，属亚热带季风气候，平均海拔1 071 m，年均气温15.3 ℃，年均日照时数 1 354 h 左右，相对湿度75.5%，全年无霜期270 d左右，年降水量1 100～1 200 mm。试验地为黄壤性水稻土，成土母质为三叠系灰岩与砂页岩风化物。该长期定位试验起始于1995年。采用大区对比试验，种植1季水稻，小区面积201 m2（35.7 m×5.6 m），不设重复。共有11个处理，本研究选取了其中6个不同施肥处理：（1）不施肥（CK）；（2）单施氮肥（N）；（3）单施有机肥（M）；（4）氮磷钾肥配施（NPK）；（5）低量有机无机肥配施（0.5 MNPK）；（6）常量有机无机肥配施（MNPK）。化肥为尿素（含46% N）、过磷酸钙（含16% P2O5）、氯化钾（含60% K2O），常规用量（NPK处理）每年施165.0 kg/hm2 N、36.0 kg/hm2 P2O5、68.5 kg/hm2 K2O，M处理施用有机肥 61.1 t/hm2。所施用有机肥为牛厩肥（平均含413.8 g/kg C、2.7 g/kg N、1.3 g/kg P2O5、6.0 g/kg K2O），每年按照有机肥养分含量来调节化学氮肥施用量，除MNPK处理氮肥施用量不同外，其余施氮小区的氮素施用量相同。种植制度为1年1季水稻，在水稻播种前按处理分别施用磷钾肥或配施有机肥作基肥，各处理在水稻生长期中追肥2次尿素。种植的水稻品种为金麻粘（1993—1998年）、农虎禾（1999—2001年）、香两优875（2007—2008年）、汕优联合2号（2009年）和茂优601（2010—2014年）。2002—2006年由于试验基地灌溉设施损毁，无法满足水稻种植，改种玉米。水稻于每年4月份插秧，10月中下旬收获，其他时间休闲。具体施肥方案如表1所示。