稻田土壤是人为湿地土壤,表层土壤有机碳含量及碳储量普遍高于旱地土壤^[1-3],是我国当前固碳趋势明显和固碳潜力较大的人为耕作土壤^[4],稻田土壤每年植物残体及根系归还量以及湿地环境可能是我国稻田土壤有机碳含量普遍偏高的主要原因。近年来,秸秆还田推动了土壤有机碳含量增加速率^[5-6]。为保证水稻高产,大量氮肥施用使我国稻田系统出现供氮量提高的趋势^[7-8],也成为土壤氮储量增加以及土壤氮素淋失的主要原因。长期有机物循环利用(含稻草还田)显著提高红壤性稻田土壤耕层有机碳及全氮含量,有机肥配施化肥处理对提高耕层土壤碳氮储量作用显著^[9-10]。在连续3 a的短期研究中,即使采取不同的耕作制度,秸秆还田条件下的表层土壤有机碳及全氮含量显著高于秸秆不还田处理^[11]。不管是秸秆还田还是化肥的施用,不仅影响表层土壤碳氮储量,同时对剖面土壤碳氮储量也造成不同影响。秸秆与化肥配合施用使乌栅土和红壤性水稻土剖面有机质及全氮含量均明显高于单施化肥或不施肥处理,并且红壤性水稻土长期施用秸秆有增加土壤腐殖质下移的趋势^[12]。有研究^[13]也显示增施有机肥和秸秆还田能显著提高水稻土0—30 cm土层碳储量,虽对氮储量的影响不显著,但长期不同施肥对碳氮储量的影响有向深层土壤延伸的趋势。徐虎等^[14]研究结果也证明长期施用化肥和化肥配施秸秆处理使红壤剖面0—40 cm碳储量有所耗竭,氮储量则无明显影响,但明显增加了40—100 cm土层有机碳和全氮储量。长期在化学氮磷钾肥的基础上增施有机肥(包括秸秆还田)虽然增强土壤肥力,但提高了土壤氮盈余量,提高氮素淋失风险^[15]。以往配施有机肥(包括秸秆还田)的研究多是在原化肥施用量基础之上进行的,在长期秸秆还田配施减量化肥的管理措施对土壤剖面碳氮含量累积的研究报道较少。并且,根据前人研究结果可以推测从土壤碳氮储量角度分析,秸秆还田配施减量化肥措施对减少化肥使用,提高土壤质量有一定积极作用。

本研究基于中国生态系统研究网络中国科学院桃源农业生态试验站长期施肥试验,在已有监测结果减量化肥配以秸秆还田(撩穗留茬)处理水稻产量与高量化肥处理无显著差异的前提下^[16],探讨减量化肥配以秸秆还田与高量化肥处理对水稻土剖面有机碳氮储量的影响,从另一个角度为合理施肥提供数据分析。

施肥是影响土壤碳氮水平的重要因素之一。大量研究表明长期施用无机肥和有机肥均能提高土壤有机碳水平,并且对有机碳含量的影响主要表现在土壤耕作层^[18-19]。本研究也发现,表层土壤有机碳对不同施肥处理表现更为敏感,在不同处理间存在显著差异,而表层以下各处理间无显著差异。这可能原因是表层是作物根系、土壤微生物与土壤营养元素作用最活跃的土壤层次,受施肥所带来的养分含量差异直接影响最大。本研究中OF处理秸秆还田增加了土壤有机碳的输入,与土壤表层的碳固定直接相关^[20-21],是表层土壤有机碳含量显著高于NPK处理的直接原因。马力等^[22]在红壤水稻土秸秆还田对土壤有机碳含量的研究中也发现,秸秆还田处理在0—20 cm土层对有机质的累积作用优于仅施化肥处理。孔毅明等^[13]在施肥对稻田土壤碳氮含量研究中发现秸秆还田能显著提高土壤耕层碳含量,而对30 cm以下土层影响很小。NPK处理表层有机碳含量显著高于不施肥处理,这可能因为NPK处理充足的养分条件使水稻生物量显著大于CK处理,每年归还土壤的凋落物及根系残留量显著大于不施肥处理^[16]。本研究中各处理土壤全氮含量也只在表层表现出显著差异,并且高量氮肥NPK处理全氮含量大于少氮+秸秆还田的OF处理,但差异不显著,说明还田秸秆在微生物的分解作用下可以适当补充土壤全氮含量。以往研究也证实在施用氮磷钾肥基础上添加秸秆还田能显著增加表层土壤全氮含量^[23]。因为秸秆还田后其水解产物大部分转化为固态氮,使土壤本身储存的氮矿化分解速度降低,从而增加了土壤全氮的含量^[24]。秸秆还田在提高土壤有机碳及全氮上起着重要作用,有研究^[25]发现不同形式的秸秆还田均能显著提高土壤有机碳和全氮含量。

图6 不同施肥处理下红壤水稻土有机碳储量和全氮储量的相互关系

图7 不同施肥处理红壤水稻土土壤碳氮比随深度的变化

土壤碳氮储量由土体有机碳、全氮含量及土壤容重计算而来。大量研究结果显示,土壤有机碳、全氮及其储量均随土层深度的增加而呈降低趋势^[12,14,26],并在40 cm以下降幅逐渐减小^[27-28]。本研究也得到类似结果,经过11 a不同施肥处理后,土壤碳氮含量及其储量均随土层深度加深而下降,除OF处理有机碳含量和碳储量外,其他处理及指标在40 cm以下已无显著差异。李晨华等^[29]在施肥对绿洲农田土壤剖面有机碳组分影响研究中发现,化肥配施秸秆处理促进土壤有机碳含量增加,在深层土壤中也有一定增幅,而单施化肥的处理在深层土壤中SOC存在下降趋势。并且值得注意的是,本研究中40—80 cm土层,高量化肥处理土壤全氮储量显著大于CK及OF处理,这说明高量施用化肥使氮素在向土体深处迁移,增大土体氮素储量的同时也增大氮素淋失风险,这也给以往高量氮肥施用导致地下水硝酸盐含量偏高的研究结论提供了数据支持^[30-32]; 同时该处理SOC含量也略高于其他处理(p>0.05),即使在表层中含量显著低于OF处理,这可能是高量化肥处理使表层土壤对DOC等可溶性碳的吸附能力小于减量化肥配以秸秆还田处理,使可溶性碳向深土层运移^[33-34]; 换而言之,减量施肥配以秸秆还田的管理措施可能对土壤碳氮元素均具有表聚效果,从而减少碳氮向深土层迁移风险。

与试验初期相比,不施肥处理(CK)表层土壤有机碳、全氮和氮储量均有降低。一方面可能是,水稻根系主要分布于表层,对表层土壤可溶性有机碳及氮素的吸收利用使碳氮含量降低,另一方面是亚热带地区适宜的水热条件使表层土壤有机碳及氮素矿化分解,向下层土壤迁移,本研究中20—80 cm土层不施肥处理碳氮含量及其储量均大于试验初始土壤含量。而不施肥处理表层碳储量大于初始含量可能是由水稻根系残留带入有机碳^[9]和长期不施肥使表层土壤容重增加(由0.892 g/m³增加到1.07 g/m³)等综合因素引起。徐虎等^[14]在红壤旱地中的研究结果与本结果有所差异,经过24 a的不施肥处理,0—100 cm各层有机碳储量均有不同程度降低,全氮储量在40—100 cm各土层表现出累积趋势,这可能与水田和旱作不同土地利用方式相关。另外,长期施肥增加了0—80 cm土层有机碳、全氮及其储量,也说明施肥对碳氮储量的影响有向深层土壤延伸的趋势^[13]。本研究结果发现,与试验初期相比,不管是施肥或不施肥处理,20—40 cm土层碳氮含量及储量增幅均最大。这说明红壤水稻土20—40 cm土层对碳氮储蓄具有巨大潜力。长期施肥对土壤剖面碳氮含量的影响是作物、土壤、肥料与土壤中小动物及微生物等因素综合作用的结果,周建斌等^[35]在旱地施肥定位试验中也发现施肥对20—40 cm土层土壤各种养分均有提高作用。

土壤碳氮比可以反映土壤碳氮耦合关系,是反映土壤有机碳分解的一个指标。乔云发等^[36]基于长期施肥定位试验的研究结果表明,在0—100 cm土壤剖面中,土壤全碳和全氮的形成与迁移是同步的,具有较好的线性相关。本研究也有相似的结果,从0—80 cm土壤剖面来看,有机碳和全氮储量存在极显著正相关关系。各处理碳氮比虽存在差异,但不显著。总体上,秸秆还田OF处理碳氮比较大,而高量氮肥NPK处理碳氮比较小,且低于CK处理。因为秸秆本身含有较高的碳氮比,分解消耗土壤氮素,使秸秆还田处理碳氮比含量较高^[14]; 较高的氮素输入通常会加速土壤微生物对土壤有机碳的矿化^[37],使土壤有机碳积累相对较慢,并且本研究也发现高量化肥处理土体中土壤全氮含量高于其他处理,说明高量氮素的添加使土壤氮素累积速度明显高于其他处理,从而造成较低的土壤碳氮比; 长期不施肥,无外源氮的输入,并且作物带走部分土壤氮素,使土壤微生物所需的有效氮含量不足而延缓土壤有机碳的周转^[38-39],从而使土壤碳氮比处于相对较高水平。随着土层加深,碳氮比略有下降趋势,但不显著,有研究^[13]也得出类似结论,这可能与稻田土壤是一种长期处于淹水状态下的熟化土有关。

(1)11 a长期定位施肥后,红壤水稻土0—80 cm土壤剖面,土壤碳、氮含量及其储量均随深度加深呈下降趋势。其中减量化肥配施秸秆还田使有机碳含量及其储量随深度呈现显著下降趋势,而不施肥及只施化肥处理在40—60 cm和60—80 cm土层随深度差异不显著。各处理全氮含量及其储量在40—60 cm和60—80 cm土层随深度差异不显著。

(2)红壤稻田土壤有机碳、全氮及碳氮储量对长期不同施肥措施的响应在表层更灵敏。长期不同施肥处理使土壤有机碳、全氮及其储量在0—20 cm有显著差异,20—80 cm各层次处理间无显著差异。

(3)高量施用化肥使氮素在向土体深处迁移,增大土体氮素储量的同时也增大氮素淋失风险。在40—80 cm土层,高量化肥处理土壤全氮储量显著大于CK及OF处理。

(4)在20—40 cm土层碳氮累积速率最大,并有向深层累积的趋势。长期水稻种植各处理均增加了水稻土0—80 cm土体有机碳氮总储量,并且NPK处理增加量最大。

(5)0—80 cm土体中,红壤水稻土有机碳和全氮储量存在极显著正相关关系(y=11.644x-0.8737,R²=0.9759)。长期施肥结果显示秸秆还田有利于增加土壤碳氮比,大量氮肥施用有减小土壤碳氮比趋势。