稻麦轮作下紫色土有机碳活性及其对长期不同施肥的响应

赵亚南，柴冠群，张珍珍，谢 军，李丹萍，张跃强,2，石孝均,2



稻麦轮作下紫色土有机碳活性及其对长期不同施肥的响应

赵亚南1，柴冠群1，张珍珍1，谢 军1，李丹萍1，张跃强1,2，石孝均1,2

（1西南大学资源环境学院，重庆400716；2国家紫色土肥力与肥料效益监测基地，重庆400716）

【目的】研究稻麦轮作系统中紫色土总有机碳、活性有机碳和活性有机碳不同组分的变化特征及其对长期不同施肥措施的响应，揭示稻麦轮作系统长期不同施肥管理下有机碳质量和内在组成的变化。【方法】采集22年长期定位试验不施肥（CK）、单施化学氮肥（N）、化肥氮磷钾配施（NPK）、化肥氮磷钾+秸秆还田（NPKS）、高量化肥氮磷钾+等量秸秆还田（1.5NPKS）和化肥氮磷钾+厩肥（NPKM）处理0—20、20—40、40—60 cm土层的土壤，测定了总有机碳、活性有机碳及其不同活性组分的含量，计算土壤碳库管理指数和不同活性组分的分配比例，分析了活性有机碳及其各组分与总有机碳的关系。【结果】长期不同施肥显著影响了各土层总有机碳和活性有机碳含量，与不施肥相比，所有施肥处理均维持或提高了土壤总有机碳、活性有机碳含量和碳库管理指数，其中化肥氮磷钾+秸秆还田（NPKS）处理0—20、20—40和40—60 cm土层总有机碳含量分别提高32.5%、25.7%和5.3%，活性有机碳含量提高37.0%、44.7%和9.3%，碳库管理指数提高38%、49%和9%，其提升幅度高于其他施肥处理。长期不同施肥显著提高了各土层高、中、低活性有机碳含量，有机无机肥配施处理（NPKS、1.5NPKS、NPKM）提升效果高于单施化肥处理（NPK、N）；但施肥对各活性组分占活性有机碳比例的影响较小，并没有改变各活性组分的分布格局。土壤活性有机碳及其高、中、低活性组分的含量与土壤深度有关，0—20 cm耕层土壤活性有机碳及高、中、低活性组分的含量均高于20—40和40—60 cm土层。不同土层高、中、低组分占活性有机碳的比例也存在较大差异，0—20 cm土层高、中、低活性组分占活性有机碳的比例平均为23.6%、35.6%和40.7%；下层土壤各活性组分的含量均下降，其中20—40 cm土层低活性组分下降程度较大，导致其占活性有机碳的比例下降至24.7%，而高活性和中活性组分的比例增加至30.5%和44.8%。土壤活性有机碳及其各组分与总有机碳含量呈显著线性正相关，表明土壤活性有机碳可以较好地反映总有机碳变化。【结论】稻麦轮作条件下，长期不同施肥可维持或提高土壤总有机碳、活性有机碳及其不同组分的含量，提高土壤碳库管理指数，氮磷钾肥配合秸秆还田总体提升效果较好，是促进土壤总有机碳和活性有机碳累积、改善土壤有机碳质量的推荐施肥措施。

土壤有机碳；活性有机碳；碳库管理指数；长期施肥；稻麦轮作；水稻土

0 引言

【研究意义】土壤有机碳固定对于提高土壤生产力和减缓气候变暖有重要意义[1-2]。土壤有机碳存在于一系列非匀质的土壤有机质中，总有机碳（TOC）含量的高低可以表征土壤有机质的数量变化，但不能很好地反映其质量和内在组成变化。土壤活性有机碳（Labile organic carbon，LOC）可以反映土壤有机质的有效组分的变化，由于容易被微生物降解利用、周转速度快、对外界环境反映敏感，近年来逐渐成为土壤质量和管理措施的评价指标[3-4]。施肥是影响土壤有机碳数量和质量的重要管理措施[5]，研究长期施肥对土壤有机碳及其活性的影响可以为优化施肥管理和培肥土壤提供理论依据。【前人研究进展】土壤活性有机碳的表征指标有很多，如溶解性有机碳、微生物量有机碳、易氧化有机碳、颗粒态有机碳、轻组有机碳等[3-4]。其中，利用333 mol·L-1高锰酸钾（KMnO4）氧化法模拟土壤酶对有机质的降解，可以将土壤总有机碳分为活性有机碳和非活性有机碳，并根据总有机碳和活性有机碳变化计算碳库管理指数（Carbon Management Index，CMI）[6]。进一步，利用浓度为33、167和333 mmol·L-1的KMnO4可以将活性有机碳分为高活性、中活性和低活性有机碳组分[7-9]。活性有机碳及其组分可以反映土壤质量的变化，很多研究表明，相比土壤总有机碳和其他活性有机碳测定指标，基于高锰酸钾氧化法测定的活性有机碳和碳库管理指数具有更高的敏感性，并且与土壤生物、化学和物理性质密切相关，是土壤质量良好的评价指标[10-13]。徐明岗等[10]发现作物产量和土壤交换性离子、微量元素等土壤肥力指标与土壤活性有机碳显著相关，但与土壤总有机碳关系不显著；Weil等[11]研究表明活性有机碳与土壤微生物量和团聚体稳定性等土壤质量指标密切相关，且比总有机碳对管理措施更加敏感；Culman等[12]通过12个研究的整合分析发现，活性有机碳比颗粒态有机碳、微生物量有机碳和总有机碳对管理措施和环境因子的反映更敏感；Morrow等[13]的研究结果也表明，与酸解碳氮、非酸解碳氮、微生物碳氮等指标相比，高锰酸钾氧化的活性有机碳对于评价土壤质量效果最好。近年来，关于施肥对土壤活性有机碳影响的研究越来越多，何翠翠等[9]在吉林黑土、王朔林等[14]在山西栗褐土、Yang等[15]在陕西土、曾骏等[16]在甘肃灌漠土、徐明岗等[8]在湖南红壤等针对长期不同施肥对土壤LOC和CMI的影响开展了研究，这些研究表明长期施肥显著影响土壤LOC和CMI变化，在作用效果方面以化肥配施有机肥效果较好。水旱轮作体系是中国及世界重要的粮食生产体系，中国有稻麦水旱轮作田1 300万hm2，广泛分布于长江流域[17]。水旱轮作体系中，干湿交替引起土壤物理、化学和生物学性质在不同作物季节间交替变化，因此其物质和能量循环既不同于旱地，也不同于常年淹水稻田，构成独特的农田生态系统[18]。有研究表明水旱轮作系统土壤有机碳含量高于旱地[19]，但水稻-水稻轮作转变为水稻-玉米轮作两年后，由于矿化增加了33%—41%，土壤有机碳有所降低[20]。此外，Huang等[21]发现土壤有机碳对施肥的响应也与作物轮作方式有关。紫色土是中国重要的农业土壤，面积约26万km2，集中分布在四川盆地，该地区是中国重要的粮食生产区域之一。紫色土是热带亚热带条件下紫色母岩发育形成的岩性土，具有成土时间短、发育 浅、风化程度低和有机质缺乏等特点，因此改善土壤有机质数量和活性对于提高紫色土生产力有重要意义[22]。【本研究切入点】有研究表明，受气候条件、作物系统和土壤类型等因素影响，相同施肥措施对土壤总有机碳和活性有机碳的影响存在着很大的区域差异[17]。目前关于长期施肥对土壤活性有机碳的研究以旱地为主，对水田和水旱轮作等其他作物系统的研究相对较少，长期施肥对紫色水稻土有机碳活性的影响鲜见报道。【拟解决的关键问题】本研究以国家紫色土肥力与肥料效益监测基地稻麦轮作系统22年长期定位试验为基础，研究了不同施肥措施下土壤总有机碳、活性有机碳及其组分的变化特征，阐明长期施肥对紫色土有机碳数量和质量的影响，为优化农田管理和土壤培肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

长期定位试验在国家紫色土肥力与肥料效益监测基地进行。该试验基地位于四川盆地东部重庆市北碚区（东经106°26′，北纬30°26′，海拔266.3 m），属亚热带湿润季风气候。每年平均温度、降雨量和日照时数分别为18.3℃、1 106 mm和1 294 h。供试土壤由侏罗纪沙溪庙组紫色泥岩风化的残积和坡积物发育而成的紫色土，经长期水耕熟化形成潴育性水稻土。试验开展前该田块为只种一季中稻的终年淹水稻田，于1989年秋季改为稻麦轮作，并进行了2年匀地，1991年秋季正式开始试验。匀地后耕层（0—20 cm）土壤基础性质如下：容重为1.38 g·cm-3，黏粒含量为268 g·kg-1（＜0.001 mm）或577 g·kg-1（＜0.01 mm），pH（水土比2.5﹕1）为7.7，有机碳含量为13.1 g·kg-1，总氮磷钾含量分别为1.25、0.673和21.1 g·kg-1，有效氮磷钾分别为93、4.3和88 mg·kg-1。

1.2 试验处理

本研究选取长期定位试验6个不同施肥处理（表1）。1991—1996年水稻和小麦每季化肥用量均为氮肥（N）150 kg·hm-2、磷肥（P2O5）75 kg·hm-2、钾肥（K2O）75 kg·hm-2。从1996年秋季起，水稻和小麦每季磷、钾肥用量均由原来的75 kg·hm-2改为60 kg·hm-2；小麦氮肥用量改为135 kg·hm-2，水稻氮肥用量仍为150 kg·hm-2。小麦和水稻60%的氮肥及全部磷、钾肥作基肥，小麦40%的氮肥于3—4叶期追施，水稻40%氮肥在插秧后2—3周追施。有机肥每年施用一次，于每年秋季小麦播种前做基肥施用，年用量为稻草（S）7.5 t·hm-2，厩肥（M）22.5 t·hm-2。每个小区面积为120 m2（12 m×10 m），小区间用60 cm深的水泥板隔开，互不渗漏，且能独立排灌。供试小麦品种一直用“西农麦1号”，供试水稻品种在1992—1997年为“汕优63”，1998—2013年为“II优 868”。小麦于每年11月初播种，翌年5月初收获，5月中下旬移栽水稻，并于8月中下旬收获，其后保持淹水休闲至小麦播种。水稻和小麦的种植规格都为行株距24 cm×16.7 cm，每公顷25万窝左右。

表1 试验处理及施肥量

1991—1996年施肥量按括号外进行，1997—2013年施肥量按括号内进行

The fertilizer rate from rice season of 1991 to wheat season of 1996 is recorded as numbers out parentheses while since then as numbers inside

1.3 采样与分析

土壤样品采集于2013年9月水稻收获后。每个小区等面积划分为4个亚区作为重复，每个亚区按S形选取10个点按0—20、20—40和40—60 cm分层采集土壤样品，同土层10个点的样品混合。土样带回实验室自然风干，去除土壤异物和未分解的植物残体后分为两份。一份过0.25 mm粒径筛，高温外加热-重铬酸钾氧化-硫酸亚铁滴定法测定总有机碳含量[24]，另一份过2.00 mm粒径筛测定活性有机碳含量。

土壤活性有机碳含量测定方法[6]：称取2.00 g（约含15 mg有机碳）过筛土样于离心管中，加入25 ml浓度为333、167和33 mmol·L-1的KMnO4溶液，在25℃下以60 r/min的转速持续振荡1 h，2 000 r/min离心5 min，分别稀释1 000、500和100倍，在565 nm波长下比色。l mmol KMnO4（Mn7+→Mn2+）可氧化0.75 mmol或9 mg的碳，根据消耗的KMnO4计算出被氧化的活性有机碳含量。

1.4 数据处理与分析

土壤活性有机碳含量为333 mmol·L-1KMnO4氧化的碳，并根据167和33 mmol·L-1KMnO4氧化的碳数量将活性有机碳分成不同活性的组分[7]：被33 mmol·L-1KMnO4氧化的碳为高活性有机碳（HLOC）；被167 mmol·L-1KMnO4氧化而未被33 mmol·L-1KMnO4氧化的碳为中活性有机碳（MLOC）；被333 mmol·L-1KMnO4氧化而未被167 mmol·L-1KMnO4氧化的碳为低活性有机碳（LLOC）。

以不施肥为参照，根据TOC和LOC含量计算CMI[6]：土壤碳库管理指数（CMI）=碳库指数（CPI）×活度指数（CLI）×100；碳库指数（CPI）=施肥处理总有机碳/不施肥处理总有机碳；活度指数（CLI）=施肥处理碳库活度/不施肥处理碳库活度；碳库活度（CL）=活性有机碳/非活性有机碳；非活性有机碳=土壤有机碳-活性有机碳。

采用单因素方差分析对处理间差异进行显著性检验，多重比较采用邓肯新复极差法进行，Pearson法进行相关性分析，显著性检验水平为0.05。数据处理与统计分析在Microsoft Excel 2010和SPSS 20.0软件中进行。

2 结果

2.1 长期施肥对土壤总有机碳的影响

由图1可见，长期施肥显著影响各土层总有机碳含量，耕层（0—20 cm）土壤总有机碳含量明显高于下层。在0—20 cm土层，长期施肥处理的土壤总有机碳含量比不施肥显著提高10.2%—32.5%。其中，化肥配合秸秆还田（NPKS和1.5NPKS）提高幅度最大，且显著高于NPK和NPKM处理。在20—40 cm土层，单施氮肥土壤总有机碳含量与不施肥没有显著差异，其他处理显著提高11.6%—25.7%，NPKS和1.5NPKS提高幅度最大，NPK与NPKM处理差异不显著。在40—60 cm土层，CK、N和NPKM处理土壤总有机碳含量较低，3个处理差异不显著；NPK、NPKS和1.5NPKS土壤总有机碳含量较高，三者差异不显著。

CK：不施肥，N：单施化学氮肥，NPK：化肥氮磷钾配施，NPKS：化肥氮磷钾+秸秆还田，1.5NPKS：1.5倍氮磷钾化肥+等量秸秆还田，NPKM：化肥氮磷钾+厩肥。误差线表示标准差，同一土层不同处理标记有相同小写字母表示差异不显著（P＜0.05）。下同

2.2 长期施肥对土壤活性有机碳的影响

表层土壤（0—20 cm）活性有机碳含量明显高于20—40和40—60 cm土层，而20—40 cm略低于40—60 cm土层（图2）。长期施肥显著提高了0—20 cm土层活性有机碳含量，1.5NPKS提高幅度最大，为50.6%，其次NPKS提高37.0%。在20—40 cm土层，单施氮肥与不施肥差异未达到显著，其他施肥处理显著提高29.8%—44.7%，NPKS提高幅度最大，且显著高于其他施肥处理。在40—60 cm土层，单施氮肥与不施肥差异不显著；NPK处理提高幅度最大，且显著高于其他施肥处理；有机无机肥配施处理（NPKS、1.5NPKS、NPKM）提高了9.3%—14.9%。

土壤活性有机碳占土壤总有机碳的16.9%—22.3%（图2）。相对于土壤活性有机碳含量，长期施肥对土壤活性有机碳占总有机碳比例的影响较小，0—20 cm土层各处理土壤活性有机碳比例差异不显著。在20—40 cm土层，活性有机碳比例以NPKS最高，其次为NPKM，二者显著高于不施肥处理，其他施肥处理增加不显著。在40—60 cm土层，NPK和NPKM处理活性有机碳比例显著高于不施肥和其他施肥处理。

图2 长期不同施肥下各土层活性有机碳含量和比例

2.3 长期施肥对土壤碳库管理指数的影响

以不施肥处理为参照（100），长期不同施肥提高了土壤碳库管理指数（表2）。在0—20 cm土层，长期施肥处理土壤碳库管理指数显著提高，1.5NPKS处理最高，其次为NPKS。在20—40 cm土层，单施氮肥土壤碳库管理指数与不施肥差异未达到显著，其他处理显著提高，NPKS处理幅度最大，且显著高于其他施肥处理。在40—60 cm土层，单施氮肥与不施肥土壤碳库管理指数无显著差异；NPK处理显著高于其他施肥处理；有机无机肥配施处理（NPKS、1.5NPKS、NPKM）高于不施肥处理，NPKS增加不显著。

表2 长期不同施肥下各土层的碳库管理指数

数据表示为平均值±标准差，不同处理间标记有相同小写字母表示＜0.05水平差异不显著。下同

Data show as Mean ± SD, and difference between treatments with the same lowercase letter is not significant at＜0.05. The same as below

2.4 长期施肥对土壤活性有机碳不同组分的影响

稻麦轮作系统长期不同施肥条件下，紫色土高、中、低活性有机碳含量与比例在不同土层有所不同（表3）。在0—20 cm土层，各活性组分表现为低活性组分＞中活性组分＞高活性组分。20—40 cm土层各活性组分含量均比0—20 cm土层下降，其中低活性组分下降幅度最大，所占比例也明显降低，高活性和中活性组分所占比例增加，表现为中活性组分＞高活性组分＞低活性组分。在40—60 cm土层，各活性组分表现为低活性组分＞中活性组分＞高活性组分，趋势与0—20 cm土层趋势一致；各组分含量均比0—20 cm土层下降，但高活性组分比例有所增加，低活性组分比例有所降低。

长期施肥显著影响不同活性组分含量，但对活性组分所占比例影响较小（表3）。在0—20 cm土层，各施肥处理土壤高、中、低活性组分含量分别比对照提高了13.5%—41.1%、30.4%—62.8%和17.2%—46.7%，以中活性组分提升幅度最大；从不同处理的作用效果看，1.5NPKS处理提高幅度最大，其次为NPKS或NPKM。在20—40 cm土层，单施氮肥显著增加高活性组分，对中活性和低活性组分的影响不显著；其他施肥处理各活性组分含量均显著增加，低活性组分提高幅度较大，其次为高活性组分；NPKS增加高活性组分含量最显著，NPK增加中活性组分最显著，NPKM增加低活性组分最显著。在40—60 cm土层，与不施肥相比，NPKS和1.5NPKS处理增加高活性组分幅度最大，NPK增加中活性和低活性组分幅度最大。

表3 长期不同施肥下各土层不同活性组分含量及比例

高活性有机碳（HLOC）：被33 mmol·L-1KMnO4氧化的组分；中活性有机碳（MLOC）：被167 mmol·L-1KMnO4氧化而未被33 mmol·L-1KMnO4氧化的组分；低活性有机碳（LLOC）：被333 mmol·L-1KMnO4氧化而未被167 mmol·L-1KMnO4氧化的组分。Mean表示不同处理的平均值（n=6）

HLOC: High labile fraction oxidized by 33 mmol·L-1KMnO4; MLOC: Middle labile fraction oxidized by 167 mmol·L-1KMnO4but not 33 mmol·L-1KMnO4; LLOC: Low labile fraction oxidized by 333 mmol·L-1KMnO4but not 167 mmol·L-1KMnO4. Mean is the average value across treatments (n=6)

2.5 土壤活性有机碳与总有机碳的关系

相关分析表明（图3），土壤活性有机碳及其各组分均与总有机碳呈显著正相关，表明土壤活性有机碳可以指示总有机碳的变化。土壤活性有机碳与总有机碳线性回归方程决定系数（2）最大，3种活性组分与总有机碳线性回归方程的决定系数大小为高活性组分＞低活性组分＞中活性组分。

图3 土壤总有机碳与活性有机碳及不同组分的关系

3 讨论

土壤总有机碳变化取决于有机碳的输入和输出平衡，施用化肥可以供应作物所需养分，提高作物生产力及作物根茬归还土壤的有机碳数量；而施用有机肥不仅能够通过提高作物产量增加作物根茬来源的有机碳投入，还通过秸秆归还或者有机肥料直接投入增加土壤有机碳的输入量从而提高总有机碳[25]。本试验结果表明化肥配施秸秆还田显著提高总土壤有机碳含量，且提升效果优于单施化肥，这和其他研究结果一致[26-27]；NPKS和1.5NPKS对于提高土壤有机碳含量效果相当，考虑到资源高效利用和过量化肥投入带来的环境风险，本试验条件下NPKS为推荐施肥措施。单施化肥对土壤有机碳的影响比较复杂，有研究认为平衡施用化肥氮磷钾甚至单施氮肥能够促进植物根系生长，增加地下部生物量和有机碳的输入，显著提高土壤有机碳含量[28]；也有研究认为，单施化肥虽有利于作物来源有机碳投入的增加，但也会加速土壤有机碳的分解矿化，不仅消耗根系增加的有机碳，还会消耗原始有机碳，不利于土壤有机碳累积[29]。本研究中，单施氮肥比不施肥提高了耕层土壤有机碳含量，氮磷钾配施则进一步提高各土层有机碳含量，这可能与稻麦轮作条件下作物来源的有机碳投入较多和水稻季淹水降低土壤矿化速率等有关[30]。

土壤活性有机碳的主要来源是作物根系和残茬、根际分泌物、土壤微生物残体和腐殖化的有机质，施肥能提高作物根茬归还数量、施用有机肥还能增加有机质的来源，从而促进了活性有机碳的累积。本研究中，长期施肥提高了活性有机碳数量，但是对活性有机碳占总有机碳比例的影响较小，这与Pandey等[31]的研究一致，他们发现8年的少耕或免耕同时提高了土壤总有机碳、活性有机碳和非活性有机碳含量，但对非活性有机碳占总有机碳的比例影响不显著；而张瑞等[32]等研究表明短期施肥可以同时提高土壤活性有机碳含量及其占土壤总有机碳的比例，这是因为土壤有机碳由不同活性的碳库组成，短期施肥对土壤有机碳的影响首先表现在活性碳库上，对周转速度较慢的非活性碳库的影响较为缓慢；而长期施肥能维持有机碳持续大量输入，促使各个碳库之间的相互转化，因此非活性碳库也逐渐发生变化，直至碳库间达到动态平衡并维持在一定的比例[33]。

土壤活性有机碳含量及其不同组分的分配与气候条件、土壤类型、种植方式、土层深度等有关。徐明岗等[8]发现红壤以高活性有机碳为主，而垆土、灰漠土和潮土以高活性和中活性有机碳两部分为主。本文在稻麦轮作条件下的研究结果与旱地土壤研究结果明显不同，稻麦轮作下紫色土相应土层低活性组分所占比例最高，这可能与轮作方式和土壤条件有关。水旱轮作下土壤性质趋同于水稻土，土壤淹水厌氧导致富含酚类基团的木质素降解缓慢，后者可以结合活性的游离腐殖酸，促进其累积，并贡献于低活性有机碳组分[34]。其次，有机质分子能够与铁铝氧化物及其水合氧化物结合，或者通过铁铝离子键桥作用与土壤黏粒结合而改变活性，本研究中土壤黏粒含量较高，且水旱轮作干湿交替导致铁铝氧化还原过程频繁，这可能会增加土壤矿物结合的有机质数量，导致低活性有机碳增加[35]。从不同土层深度来看，水旱轮作下0—20 cm土层土壤活性有机碳及其各组分含量明显高于20—40和40—60 cm土层，这可能是因为作物和肥料来源的有机碳主要投入到表层土壤，它们直接或经过微生物降解后，促进了表层土壤活性有机碳的累积[25]。尽管下层土壤各活性有机碳含量均降低，但20—40 cm土层低活性组分下降幅度较大，导致该层土壤各活性组分的分配比例明显不同于其他土层，其原因可能在于水旱轮作条件下，季节性干湿交替影响了20—40 cm土层土壤微生物的活动及其对不同活性碳组分的消耗或累积[36]；其次，溶解性有机质随土壤水分的上移和下渗也可能是引起该土层活性有机碳分配发生变化的原因，但具体原因需要进一步研究。

4 结论

稻麦轮作条件下长期施肥可维持或提高土壤总有机碳，单施氮肥仅提高耕层土壤总有机碳，平衡施用化肥提高了各土层有机碳含量，化肥配施有机肥尤其是秸秆还田提升效果更好。活性有机碳占总有机碳的16.9%—22.3%，高、中、低活性有机碳含量均随土层加深而降低，但所占比例在不同土层明显不同，0—20和40—60 cm土层低活性有机碳比重最大，其次为中活性有机碳和高活性有机碳；而20—40 cm土层中活性有机碳比重最大，其次为高活性和低活性有机碳。长期施肥可提高土壤活性有机碳及高、中、低活性组分的含量，化肥配施秸秆还田提升效果最好；但施肥对土壤活性有机碳及不同活性组分的分配比例影响较小。综上，稻麦轮作条件下，长期施用化肥配和秸秆还田对于提高土壤总有机碳和活性有机碳含量效果最好，可以促进土壤有机碳固定、改善土壤有机碳质量、提高碳库管理指数。

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（责任编辑 杨鑫浩）

Soil Organic Carbon Lability of Purple Soil as Affected by Long-term Fertilization in a Rice-wheat Cropping System

ZHAO Ya-nan1, CHAI Guan-qun1, ZHANG Zhen-zhen1, XIE Jun1, LI Dan-ping1, ZHANG Yue-qiang1,2, SHI Xiao-jun1,2

(1College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400716;2National Monitoring Station of Soil Fertility and Fertilizer Efficiency on Purple Soils, Chongqing 400716)

【Objective】Based on a 22-year fertilization experiment, soil organic carbon (SOC) and its lability under different long-term fertilization were studied to investigate the SOC quantity and quality of purple soil and their responses to long-term fertilization in a rice-wheat cropping system.【Method】There were six fertilization treatments including no fertilizer (CK), chemical N fertilizer alone (N), chemical NPK fertilizers (NPK), chemical NPK fertilizers plus straw (NPKS), high amount of chemical NPK fertilizers plus equal amount of straw (1.5NPKS) and chemical NPK fertilizer plus manure (NPKM). In soil samples at 0-20, 20-40 and 40-60 cm depths, the labile organic carbon (LOC) and its three fractions with different labilities, i.e., high LOC (HLOC), middle LOC (MLOC) and low LOC (LLOC), were determined according to the oxidation by 33, 167 and 333 mmol·L-1potassium permanganate (KMnO4) solution, and carbon management index (CMI) was determined by total SOC (TOC) and LOC, and CK was used as reference.【Result】The TOC and LOC were 9.2-16.5 g·kg-1and 1.58-3.67 g·kg-1across all treatments and soil depths, respectively. Long-term fertilization could maintain or improve the TOC, LOC content and CMI, with greater improvement on the 0-20 cm soil layer than other layers. Compared with no fertilization, the increases in NPKS treatment were 32.5%, 25.7% and 5.3% for TOC, 37.0%, 44.7% and 9.3% for LOC, 38%, 49% and 9% for CMI on 0-20, 20-40 and 40-60 cm soil layers, respectively, which were relatively greater than other fertilization treatments. Long-term fertilization significantly improved the content of HLOC, MLOC and LLOC on three soil layers with greater increase in treatments with combined application of mineral and organic fertilizers (NPKS, 1.5NPKS and NPKM) than mineral fertilizers alone (NPK and N), while the effect of long-term fertilization on proportions of three labile fractions to LOC was relatively small, indicating that long-term fertilization did not alter the distribution pattern of different LOC fractions. However, the content and proportions of HLOC, MLOC and LLOC were significantly affected by soil depth. On the average, HLOC, MLOC and LLOC accounted for 23.6%, 35.6% and 40.7% of LOC on 0-20 cm soil layer while 30.5%, 44.8% and 24.7% in 20-40 cm soil due to great decline of LLOC content. The LOC, HLOC, MLOC and LLOC were linearly and positively correlated with TOC content, indicating that LOC and its fractions could be used as indicators of TOC change caused by management practices.【Conclusion】These results suggested that long-term fertilization could maintain or improve the quantity and lability of SOC and thus CMI, and combined application NPK fertilizers with straw return is the recommended practice to promote both the TOC and LOC accumulation of purple soil in the rice-wheat cropping system.

soil organic carbon; labile organic carbon; carbon management index; long-term fertilization; rice-wheat rotation; paddy soil

2016-05-13；接受日期：2016-07-26

国家自然科学基金（31471944）、国家公益性行业（农业）科研专项（201203030）

赵亚南，E-mail：zhaoyanan2014@163.com。通信作者石孝均，E-mail：shixj@swu.edu.cn