倪 斌,吳東明,李 瑋,陳 淼,李勤奮

(1. 海南省農(nóng)業(yè)生態(tài)與資源保護(hù)總站，?？?571100；2. 中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境與植物保護(hù)研究所，?？?571101；3. 國家農(nóng)業(yè)環(huán)境儋州觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，海南 儋州 571737)

【研究意義】土壤碳/氮庫包括有機(jī)碳、無機(jī)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(chǎn)/優(yōu)產(chǎn)密切相關(guān)，可直接反映土壤的養(yǎng)分、健康、碳/氮周轉(zhuǎn)特征，對(duì)指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(xué)性質(zhì)[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(jī)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(nóng)學(xué)、土壤學(xué)、環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】施肥模式被認(rèn)為是影響土壤碳、氮庫的重要影響因素之一[10]。有機(jī)(單施有機(jī)肥)、無機(jī)管理(單施化肥)是兩種典型模式[6, 11]。為提高作物產(chǎn)量，化肥自20世紀(jì)80年代即被大量使用。然而，長期單施化肥生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)巨大，易引起土壤酸化/板結(jié)、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(jī)肥可改善土壤質(zhì)量，被認(rèn)為是可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展的有效施肥模式。特別對(duì)于有機(jī)質(zhì)貧乏的紅壤、磚紅壤，施加有機(jī)肥更為重要。近年來，有關(guān)有機(jī)—無機(jī)管理對(duì)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(jī)—無機(jī)管理對(duì)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(jī)碳提高24.7%，單施化肥導(dǎo)致土壤總有機(jī)碳下降2.4%～8.2%[12]；陜西螻土，單施有機(jī)肥或化肥均顯著提高土壤有機(jī)碳和全氮含量[16]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前，這些研究大多以溫帶土壤為對(duì)象，對(duì)熱帶磚紅壤少有關(guān)注。我國磚紅壤區(qū)主要分布在海南島、廣東雷州半島、臺(tái)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(chǎn)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(jī)—無機(jī)管理對(duì)磚紅壤碳/氮庫的影響，對(duì)于保障熱帶農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(zhuǎn)速度快等特點(diǎn)。這意味有機(jī)—無機(jī)管理對(duì)磚紅壤碳、氮庫可能的影響具有獨(dú)特的特征，值得關(guān)注?！緮M解決的關(guān)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(jī)肥對(duì)磚紅壤碳、氮庫的影響，以期為熱區(qū)農(nóng)田的精準(zhǔn)施肥提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于海南省文昌市的中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境與植物保護(hù)研究所試驗(yàn)基地，全國農(nóng)業(yè)面源污染監(jiān)測(cè)網(wǎng)文昌重點(diǎn)國控監(jiān)測(cè)點(diǎn)，地處110.46°E，19.32°N，土壤質(zhì)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(zhì)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(fēng)氣候。極端天氣通常為夏季暴雨和春季干旱。試驗(yàn)種植制度為辣椒—豆角輪作。共設(shè)計(jì)4個(gè)田間處理：①CK(不施肥)；②NPK(氮磷鉀)；③OG(有機(jī)肥)；④ST(秸稈還田)?；蔬x用分別為尿素、過磷酸鈣和氯化鉀，有機(jī)肥選用羊糞。試驗(yàn)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(jī)肥1600 kg/667 m2，秸稈215.2 kg/667 m2。試驗(yàn)地始建于2015年。截止2020年，已有5年有機(jī)—無機(jī)管理歷史。

1.2 樣品采集

經(jīng)5年有機(jī)—無機(jī)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(gè)處理采集3個(gè)重復(fù)。采后，一部分新鮮土樣用于水分、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的測(cè)定；另一部分土壤風(fēng)干，用于有機(jī)碳氮組分測(cè)定。

表1 土壤理化性質(zhì)

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(chǔ)表示的。同時(shí)，采用SPSS 19.0軟件的LSD法檢驗(yàn)P<0.05水平上的差異性；采用Canoco 5對(duì)各碳氮組分進(jìn)行主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤中全態(tài)碳、氮含量

從圖1可知，對(duì)于SOC，盡管各處理下的SOC含量有所差異，但均沒達(dá)到顯著水平(P>0.05)。表明有機(jī)—無機(jī)管理對(duì)磚紅壤的有機(jī)質(zhì)含量影響較小。相反，有機(jī)—無機(jī)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(dá)(0.57±0.11)g/kg，是CK組的1.65倍。相似地，施用有機(jī)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(duì)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(duì)土壤TN含量的影響不大。SOC/TN可示征土壤有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定性、相對(duì)分解階段、腐殖質(zhì)的年齡。對(duì)于SOC/TN，各施肥處理均沒達(dá)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(jī)管理(單施化肥)對(duì)土壤中的溶解性總碳和溶解性有機(jī)碳的累積極為不利。相反，對(duì)于有機(jī)管理，無論是施用有機(jī)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(duì)于DIC，單施化肥對(duì)其含量影響不顯著；施用有機(jī)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(jī)管理有利于土壤中溶解性無機(jī)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(jī)—無機(jī)管理對(duì)土壤全態(tài)碳/氮庫的影響

SOC和TN是土壤肥力的基礎(chǔ)，其庫存含量取決于外源養(yǎng)分輸入和土壤本底礦化的動(dòng)態(tài)平衡[12]。施肥模式對(duì)土壤的碳/氮庫具有重要影響。研究表明：對(duì)于有機(jī)管理，單施有機(jī)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(huì)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(duì)土壤全態(tài)碳/氮庫的影響尚未形成定論。本研究中，有機(jī)—無機(jī)管理對(duì)SOC影響不顯著。這可能與磚紅壤特殊的土壤氣候條件有關(guān)。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(zhuǎn)速度快等特點(diǎn)[21]。因此，對(duì)于磚紅壤SOC，即使存在大量的有機(jī)肥或秸稈等外源碳物質(zhì)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(dāng)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(duì)土壤微生物的正激發(fā)效應(yīng)，可加快土壤SOC的礦化，進(jìn)而使外源碳輸入和土壤本底碳虧損處于動(dòng)態(tài)平衡[7, 22]。本研究的PCA分析結(jié)果也顯示：土壤碳庫與氮庫呈現(xiàn)一定的負(fù)相關(guān)，土壤氮庫含量增加不利于土壤碳庫的累積。對(duì)于TN和SOC/TN，本研究中，有機(jī)—無機(jī)管理提高了土壤TN含量，但對(duì)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(duì)氮的固定有關(guān)。蓋霞普等[4]在昌平潮褐土的研究結(jié)果表明：盡管秸稈等有機(jī)物料具有高C/N，秸稈還田時(shí)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(jī)氮轉(zhuǎn)為有機(jī)氮，提高土壤氮持留，土壤的SOC/TN不一定會(huì)增加。該研究還認(rèn)為：單施化肥能夠促進(jìn)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(duì)土壤pH和含水率的影響有關(guān)[12, 23]。本研究PCA結(jié)果顯示：土壤TN與含水率呈正相關(guān)，與pH呈負(fù)相關(guān)。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(jī)—無機(jī)管理對(duì)土壤SOC/TN影響較小可能還與土壤的本底SOC/TN值有關(guān)。雷寶坤等[24]總結(jié)了中國期刊網(wǎng)自1980年起有關(guān)長期定位試驗(yàn)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)：土壤碳氮之間存在著相互依存和相互制約的關(guān)系，可根據(jù)土壤SOC/TN的大小，將土壤碳氮共濟(jì)關(guān)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(jī)—無機(jī)管理對(duì)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(zhì)被吸收利用[1, 13, 20]。過去研究表明：土壤活性碳/氮庫對(duì)農(nóng)業(yè)管理措施響應(yīng)較為敏感，是一種可反映土壤質(zhì)量變化的重要指標(biāo)[1, 20]。本研究中，對(duì)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(jī)肥或秸稈則顯著增加了土壤DTC和DOC，表明有機(jī)管理更有利于土壤活性碳庫累積。一般認(rèn)為，土壤活性有機(jī)碳來源于植物凋落物的分解、根系分泌物、土壤有機(jī)質(zhì)的水解、土壤微生物本身及其代謝產(chǎn)物[10]。施用有機(jī)肥土壤具較高的活性有機(jī)碳，顯然與有機(jī)物質(zhì)投入量較大有關(guān)。過去的研究也表明：有機(jī)肥、秸稈等物質(zhì)中含有大量的溶解態(tài)碳類物質(zhì)[25-26]。研究[27]也發(fā)現(xiàn)：添加有機(jī)肥能顯著增加土壤的DOC濃度，尤其是畜禽糞便。施用有機(jī)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(zhuǎn)化[1, 20]。相反，土壤施氮會(huì)促進(jìn)微生物對(duì)DOC的降解，尤其是低分子量酸、羧基類基質(zhì)[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(jìn)而增加了土壤的活性碳庫，這與本研究結(jié)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(duì)較少。土壤活性碳庫增加還可能與管理模式對(duì)土壤pH和含水率的影響有關(guān)。本研究中，DOC、DTC、DIC與pH呈正相關(guān)，與含水率呈負(fù)相關(guān)，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(fù)相關(guān)還表明：土壤含水率的增加可能導(dǎo)致土壤芳香類物質(zhì)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(duì)溶解性碳庫的吸附作用減弱，釋放量增加[28]。其他研究結(jié)果[29-31]也發(fā)現(xiàn)：干燥的土壤可使有機(jī)質(zhì)發(fā)生凝聚收縮，破壞土壤礦物對(duì)有機(jī)質(zhì)的吸附作用，進(jìn)而使低分子富里酸類物質(zhì)得以溶出。

4 結(jié) 論

(1)經(jīng)連續(xù)5年施肥管理后，有機(jī)—無機(jī)管理僅影響熱帶磚紅壤的總氮含量，對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)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(dá)(0.57±0.11)g/kg；單施有機(jī)肥，使總氮含量上升1.51倍。

(2)單施有機(jī)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(jī)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；