长期施肥对红壤性水稻土不同土层活性有机质及碳库管理...

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长期施肥对红壤性水稻土不同土层活性有机质及碳库管理指数的影响
李小磊1，张玉军1,2，申凤敏1，姜桂英1，刘芳1，柳开楼3，刘世亮1

（1河南农业大学资源与环境学院，郑州 450002；2郑州市城市园林科学研究所，郑州 450051；3江西省红壤研究所，江西进贤 331717）

摘要：【目的】研究基于长期定位试验，探索长期不同施肥下红壤性水稻土不同土层活性有机质（labile organic matter (LOM)）和碳库管理指数（carbon pool management index，CPMI）变化特征，为红壤性水稻土碳库的合理管理提供依据。【方法】选取进贤红壤长期定位试验站4个典型施肥处理：（1）不施肥（CK）；（2）单施化肥（NPK）；（3）在NPK的基础上早稻施绿肥，晚稻施猪粪和稻草冬季还田（NPKSM）；（4）在NPK的基础上早稻施绿肥，稻草冬季还田（NPKS），测定并分析0—10、10—20、20—40及40—60 cm土层土壤高活性有机质（HLOM）、中活性有机质（MLOM）、低活性有机质（LLOM）、非活性有机质（NLOM）含量以及CPMI变化特征。【结果】不同处理土壤有机质（SOM）含量均随土层加深而降低，施肥处理相对CK均明显提高了不同土层的SOM；在0—20 cm土层，SOM含量表现为NPKSM>NPKS>NPK>CK，且均以NPKSM处理最高，达到43.47 g·kg-1（10—20 cm）和45.09 g·kg-1（0—10 cm）；在20—60 cm土层，NPKSM和NPKS处理相较于CK显著提高了土壤有机质含量，但两者之间差异不显著。除NPK处理外，各处理土壤可溶性有机碳（DOC）含量随土层的加深显著降低。NPKSM和NPKS处理相较于NPK和CK，显著提高了耕层（0—20 cm）土壤DOC的含量，其中NPKSM处理最高，为35.93 mg·kg-1。施肥处理比CK处理提高了土壤HLOM、MLOM、LLOM含量，相同处理相同土层表现为LLOM>MLOM>HLOM，其中NPKSM和NPKS显著提高了各LOM组分含量，且随土层的加深无明显犁底层效应，这可能与活性有机质随水分下渗相关。其中，各施肥处理土壤HLOM、MLOM均随土层加深呈先升高后下降趋势，NPKSM和NPKS处理HLOM含量在20—40 cm土层中达到最高，分别为5.31和5.49 g·kg-1；各处理MLOM均在10—20 cm土层中达到最高，以NPKSM处理含量最高，为10.62 g·kg-1；而土壤LLOM含量随土层的加深而逐渐降低，在0—20 cm土层中以NPKSM处理含量最高，达到18.52 g·kg-1（0—10 cm）和15.93 g·kg-1（10—20 cm）。不同长期施肥处理提高了土壤各LOM组分的比例及碳库管理指数，在0—10 cm表层土中，NPKS和NPKSM处理相较于CK，总活性有机质比例分别提高了27.9%和29.48%，MLOM占比分别提高了7.21%和7.72%，HLOM占比分别提高了5.10%和4.96%。以不施肥处理为参照，各施肥处理碳库管理指数均大于100，且以NPKSM和NPKS处理提高效果最好,有助于提高红壤性水稻土肥力。相较于CK，单施化肥一定程度上提高了表层土壤有机质、活性有机质、可溶性有机碳及碳库管理指数。耕层（0—20 cm）土壤中3种活性有机质两两之间呈极显著正相关关系（P≤0.01），且与总有机质、全氮、可溶性有机碳及水稻产量均呈现显著正相关（P≤0.05）。【结论】不同施肥处理土壤有机质和低活性有机质均随土层加深而降低。NPKSM处理提高土壤有机质及活性有机质含量的效果最佳，并能显著提高0—20 cm土层土壤高活性有机质和碳库管理指数，NPKS次之；而在20—60 cm土层中，NPKS处理对提高中活性有机质和碳库管理指数效果最明显。

关键词：长期施肥；活性有机质；碳库管理指数；土层；红壤性水稻土

0 引言
【研究意义】土壤有机质是衡量土壤肥力的重要指标，对土壤特性和养分循环有直接或间接地影响[1]。长期以来，人们对土壤有机质的数量方面做了大量研究，并指出土壤有机质对土壤物化性质及生物学特征的变化起关键作用[2]。但土壤有机质含量并不能诠释出土壤质量变化及土壤碳的转化速率等问题[3]，且土壤有机碳在短期内对农业管理措施反映不显著[4]。因此，许多学者从有机质的分解转化入手，对有机质分组进行了深入的研究，提出了活性有机质的概念。活性有机质是土壤有机质的活性部分，它是指土壤中有效性较高、易被土壤微生物分解矿化、对植物养分供应有最直接作用的那部分有机质[4-5]。由于活性有机质与土壤管理措施、土壤理化性质等具有密切的关系，被人们当作评价土壤质量及土壤管理的指标之一[6]。大量研究证明，长期施肥条件下，土壤有机质含量与碳投入呈显著正相关[7-9]，从而影响土壤活性有机质含量[10-11]，改善土壤质量。研究土壤有机质及活性有机质在土壤中的剖面分布，可为更好地探究土壤碳的周转和分布提供帮助。因此，研究长期不同施肥下土壤活性有机质的分布及碳库管理特征对农田土壤碳库管控具有重要意义。【前人研究进展】土壤活性有机质和碳库管理指数变化受不同施肥措施影响很大[12-14]。前人研究指出，秸秆还田或秸秆还田配施化肥能显著提高水稻土中总有机质及活性有机组分的含量，对于改善水稻土土壤肥力具有积极意义[15-17]。徐明岗等[18]指出秸秆还田和有机无机肥配施均能提高红壤的活性有机质和碳库管理指数。长期秸秆还田或有机无机配施能提高红壤总有机质含量[19]及活性有机质比例，单施无机肥对红壤性水稻土总有机碳、有机碳各组分、碳库管理指数的影响不显著[20-21]。但也有一些研究发现，受土壤性质、气候及管理措施等因素影响，单施氮磷钾肥能够在一定程度上提高水稻土活性有机碳含量，其原因有待于进一步探究[15,22]。【本研究切入点】目前人们对不同施肥措施对土壤活性有机质和碳库管理指数已经做了大量探究，但对红壤性水稻土不同剖面土层中不同活性有机质及碳库管理指数的变化特征尚不清楚。【拟解决的关键问题】本研究以江西进贤红壤性水稻土长期定位试验为依托，分析了长期施肥条件下不同土层的土壤活性有机质及碳库管理指数的变化特征，以期为科学施肥及农业可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法
1.1 试验地概况
本研究以江西进贤红壤性水稻土长期定位试验为依托。长期试验地位于江西省进贤县江西省红壤研究所内（116o17'55''E，28o35'38''N），地处中亚热带，年均气温18.1 ℃，年降水量1 537 mm，年蒸发量1 150 mm，年日照时数1 950 h。试验地为红壤性水稻土，成土母质为第四纪红黏土。初始耕层（0—20 cm）土壤有机质含量16.22 g·kg-1，全氮0.95 g·kg-1，全磷1.02 g·kg-1，碱解氮143.7 mg·kg-1，速效磷10.3 mg·kg-1，速效钾125.1 mg·kg-1，pH 6.9。

1.2 试验设计
长期试验从1981年开始，种植制度采用早稻－晚稻－冬闲轮作，一年两熟。共设9个处理，每个处理3次重复，随机排列，小区面积60.0 m2。本研究选取其中4个典型处理：（1）不施肥（CK）；（2）单施化肥（NPK）；（3）在NPK的基础上早稻施绿肥，晚稻施猪粪和稻草冬季还田（NPKSM）；（4）在NPK的基础上早稻施绿肥，稻草冬季还田（NPKS）。有机肥料不考虑磷、钾养分，磷肥和有机肥在插秧前作基肥一次施入，氮肥和钾肥作追肥，氮肥平均分两次追施，钾肥一次全部追施；其中有机物料施肥深度在15 cm左右。站点肥料用量为年施N 90 kg·hm-2，P2O5 45 kg·hm-2，K2O 75 kg·hm-2，两季的施肥量各占全年的一半；有机肥料的施用情况为早稻季施紫云英、晚稻季施猪粪，绿肥和猪粪施用量均为22 500 kg·hm-2，稻草还田量为4 500 kg·hm-2。根据试验站记录数据，猪粪有机碳含量413.8 g·kg-1，全氮含量20.9 g·kg-1，含水量70%，即，碳投入为2 793 kg·hm-2，氮投入为140.9 kg·hm-2；紫云英有机碳含量392.4 g·kg-1，全氮含量30.1 g·kg-1，含水量80%，即，碳投入为1 766 kg·hm-2，氮投入为 135.5 kg·hm-2；稻草有机碳含量418 g·kg-1，全氮含量9.1 g·kg-1，含水量14%，即碳投入为1 618 kg·hm-2，氮投入为35.2 kg·hm-2。

1.3 样品采集与测定
2016年早、晚稻成熟后进行考种及测定水稻产量，并于11月份收获后每个小区按5点法采集0—10、10—20、20—40和40—60 cm土层土壤并充分混匀获得混和样品，仔细挑出土样中的根系、石粒等杂质后，将新鲜土样分为两部分，一部分用于测定土壤微生物量碳（SMBC）、可溶性有机碳（DOC）含量，另一部分土样风干后过60目筛测定总有机质（SOM）和活性有机质（LOM）含量及土壤全氮含量。

土壤微生物量碳用氯仿熏蒸-硫酸钾浸提法测定，提取液用浸提液通过multi N/C3100 分析仪测定[23]。可溶性有机碳用去离子水法浸提新鲜土壤，水土比为2﹕1，振荡30 min后，于离心机中离心10 min（4 000 r/min），上清液过0.45 μm微孔滤膜得到可溶性有机碳待测液，然后用multi N/C3100 分析仪测定。土壤总有机质含量用常规K2Cr2O7氧化法测定[24]，土壤全氮的测定用半微量凯氏法[24]。

活性有机质测定方法如下[25]：按照选取33、167、333 mmol·L-1 KMnO4依次将土壤有机质划分为高活性有机质（HLOM）、中活性有机质（MLOM）和低活性有机质（LLOM）及不被KMnO4氧化的为非活性有机质（NLOM）。土壤有机质含量采用重铬酸钾外加热法测定。根据以上测定值计算土壤碳库管理指数（CPMI）[26]：

碳库指数(CPI) = 样品总有机质含量(g·kg-1)/参照土壤总有机质含量(g·kg-1)；

活度指数(LI) = 样品的不稳定性(L)/对照的不稳定性(L0)；

碳库活度(L) = 样品中的活性有机质(LOM)/样品中的非活性有机质(NLOM)；

土壤碳库管理指数(CPMI) = CPI×LI×100。

CPMI是基于研究对象及参照土壤的活性有机质与土壤有机质，用以评价土壤活性有机碳的指标；LI表示碳损失及其对稳定性的影响；L代表土壤碳的不稳定性。本试验以对照处理的土壤为参照土壤。

1.4 数据处理
采用Excel 2016和DPS 7.05进行数据统计与分析，采用Duncan新复极差进行方差分析，采用Origin 8.5进行图形绘制。

2 结果
2.1 土壤有机质
图1所示，整体来说，各处理土壤有机质（soil organic matter，SOM）含量随土层的加深而逐渐降低，同一土层中各处理SOM含量差异显著。在0—20 cm耕层土壤中，SOM含量均表现为NPKSM>NPKS>NPK> CK，且在0—10 cm土层中各处理SOM含量达到最高，其中NPKSM处理SOM含量最大，达到了45.09 g·kg-1。在20—40 cm和40—60 cm土层中，CK和NPK处理SOM含量相较于0—20 cm耕层土壤表现出明显的犁底层效应，SOM含量显著下降；而相较于CK和NPK处理，NPKSM和NPKS处理则显著提高了犁底层SOM含量，有利于土壤肥力提升。综上所述，NPKSM和NPKS处理能显著提高0—40 cm土层的SOM含量，其中在0—20 cm耕层土壤中，NPKSM处理对SOM的提高效果最显著。

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不同小写字母表示同一层次不同处理间差异显著（P≤0.05）；不同大写字母表示同一处理不同层次间差异显著（P≤0.05）。下同

Different small letters showed significant different among treatments under the same soil layer (P≤0.05); Different capital letters showed significant different among different soil layer under the same treatment (P≤0.05). The same as below

图1 不同处理不同土层有机质含量

Fig. 1 The soil organic matter content under different treatments in different soil layers

2.2 土壤可溶性有机碳
图2所示，整体来说，除NPK外，其他处理土壤可溶性有机碳（DOC）含量随土层的加深显著性降低，而NPK处理的DOC含量则随土层的加深呈现先升高后降低的趋势。在0—10 cm土层，NPKSM和NPKS相较于CK或NPK，显著提高了土壤表层DOC的含量，其中NPKSM处理显著高于其他处理，达到了35.93 mg·kg-1；NPK处理相较于CK无显著差异。在10—20 cm土层中，各处理DOC含量均达到显著程度，表现为：NPKSM>NPKS>NPK>CK；NPK处理相较于上一土层显著提高了该土层DOC含量，说明DOC有向深层土层迁移并积累的趋势。20—40 cm土层中，不同施肥处理相较于CK，显著提高了该土层DOC的水平，且NPKSM显著高于其他处理，达到22.22 mg·kg-1。在40—60 cm土层中，各处理间DOC含量无显著性差异。综上所述，各处理土壤DOC含量随土层加深而降低，且均以NPKSM处理含量最高。

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图2 不同处理不同土层可溶性有机碳含量

Fig. 2 The soil DOC content under different treatments in different soil layers

2.3 土壤活性有机质
如图3所示，各处理相同土层各活性有机质含量表现为低活性有机质（lowly labile soil organic matter, LLOM）>中活性有机质（moderately labile soil organic matter, MLOM）>高活性有机质（highly labile soil organic matter, HLOM），且化肥配施猪粪和秸秆还田显著提高了各活性有机质含量。

图3显示，各处理的不同土层HLOM含量随土层的加深变化规律性不强，但在不同土层中均表现为NPKSM和NPKS显著高于其他处理。其中，在0—10 cm土层中，各处理土壤HLOM含量差异显著，表现为NPKSM>NPKS>NPK>CK。10—20 cm土层中，各处理土壤HLOM含量均显著高于CK，其中NPKSM显著高于其他处理。20—40 cm土层中，相较于CK处理，各处理土壤HLOM含量均达到显著水平，尤其以长期施用NPKSM和NPKS最为显著，且达到各土层中HLOM的最大值，分别为5.31和5.49 g·kg-1。40—60 cm土层中，各处理土壤HLOM含量达到最低水平，长期施用NPKSM和NPKS显著高于CK和NPK，两者之间差异性不大，且长期施用NPK相较于CK无明显差异。总结来说，NPKSM和NPKS能显著提高土壤中HLOM含量，且在表层土层（0—20 cm）中，施用NPKSM对土壤HLOM的提高表现最好；各处理HLOM在20—40 cm土层含量最高，说明HLOM会受水分淋溶影响而向深土层迁移。

图3显示，各处理不同土层土壤MLOM含量随土层的加深基本表现为先升高再降低的趋势，均在10—20 cm土层中达到最高，长期施用NPKSM和NPKS显著高于CK和NPK，且以长期施用NPKSM表现最显著，达到10.62 g·kg-1。20—60 cm土层中，各处理土壤MLOM含量均显著高于CK，且以NPKSM和NPKS最显著。总结来说，NPKSM和NPKS均能提高不同土层中土壤MLOM含量，且以NPKSM处理表现最优。

图3所示，NPKSM和NPKS处理的不同土层土壤LLOM含量随土层的加深而逐渐降低，而CK和NPK处理土壤LLOM则在10—20 cm土层达到最高。0—10 cm土层中，各处理土壤LLOM含量差异性显著，表现为NPKSM>NPKS>NPK>CK，且长期施用NPKSM土壤中LLOM含量在各土层各处理中达到最高值，为18.52 g·kg-1。10—20 cm土层中，相较于CK，各处理土壤LLOM含量均显著提高，其中，长期施用NPKM显著高于其他处理。20—40 cm土层中，各处理土壤LLOM含量除CK外的其他处理间差异不显著。40—60 cm土层中，NPKSM和NPKS显著高于NPK和CK，且长期施用NPKSM达到最显著水平。总的来说，相较于CK处理，各施肥处理均能提高不同土层中土壤LLOM含量，尤其以NPKSM处理表现最好。

整体来说，施肥处理均能提高土壤HLOM、MLOM、LLOM含量，相同处理相同土层表现为LLOM>MLOM>HLOM，且NPKSM和NPKS显著提高了各LOM含量，且随土层的加深无明显犁底层效应。其中，各施肥处理土壤HLOM、MLOM均随土层加深呈先升高后下降趋势，NPKSM和NPKS处理HLOM含量在20—40 cm土层中达到最高；各处理MLOM均在10—20 cm土层中达到最高，以NPKSM处理含量最高；而土壤LLOM含量随土层的加深而逐渐降低，在0—20 cm土层中以NPKSM含量最高。

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图3 不同处理不同土层高活性、中活性和低活性有机质含量

Fig. 3 The highly, moderately, and lowly labile soil organic matter content under different treatments in different soil layers

2.4 不同土层的不同活性有机质组分分布比例
如图4所示，不同的施肥处理对土壤有机质中活性部分均有不同程度的提高，在不同土层，对土壤有机质活性部分的提高程度也不相同，且各活性组分中均以低活性有机质占比最高，各施肥处理对活性有机质组分比例的提高效果大致表现为：NPKSM、NPKS>NPK>CK。在0—10 cm土层中，单施化肥、化肥配施猪粪及秸秆还田均提高了各活性有机质组分的比例，且各施肥处理间总活性有机质比例大小表现为NPKS>NPKSM>NPK>CK；NPKS和NPKSM处理相较于CK，总活性有机质比例分别提高了27.9%和29.48%，中活性有机质占比分别提高了7.21%和7.72%，高活性有机质占比分别提高了5.10%和4.96%，施有机肥提高了土壤各组分有机质活性（P≤0.05）。在10—20 cm土层中，各处理中活性和高活性有机质比例较0—20 cm土层略有提高，各处理不同活性有机质所占比例相差不大。在20—40 cm土层中，各处理中高活性有机质所占比例在各土层中均达到最高。在40—60 cm土层中，除NPKSM外，各施肥处理活性有机质比例达到最低，各活性有机质比例均降低。综上所述，相较于CK，NPKSM和NPKS处理可明显提高土壤高、中活性有机质比例，增加活性有机质含量。

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图4 不同处理不同土层活性有机质组分比例

Fig. 4 Proportion of different labile soil organic matter under different treatments in different soil layers

2.5 不同土层土壤碳库管理指数
由表1可以看出，以不施肥处理CK作为参考，不同土层各处理的碳库指数（CPI）值均大于1，且随着土层深度增加而增加，说明各施肥处理不同程度上提高了各土层土壤有机质含量。在0—20 cm土层中以施肥处理NPKSM的CPI值最大，而在20—60 cm土层中施肥处理NPKS的CPI值均达到最高，说明在0—20 cm土层中，施用NPKSM对提高该土层有机质含量效果最佳，而在更深层次土壤中有机质含量受施肥处理NPKS影响更显著。

各处理土壤高、中、低活性有机质的碳库管理指数（CPMI）随土层深度的增加大致表现为先降低再升高的趋势，且均高于CK。0—10 cm土层，在高、中、低活性有机质中均以NPKSM处理CPMI值达到最高，分别为259、229和300。在高、中、低活性有机质CPMI中，低活性>高活性>中活性。10—20 cm土层，在高、中、低活性有机质中同样以NPKSM处理CPMI值达到最高，分别为243、199和173，且在高、中、低活性有机质CPMI中，高活性>中活性>低活性。20—40 cm土层，在高、中、低活性有机质中均以NPKS处理CPMI值达到最高，分别为226、404和792。在高、中、低活性有机质CPMI中，低活性>中活性>高活性。40—60 cm土层中，高活性有机质CPMI值以NPKS最高，达到509，中、低活性有机质中CPMI值均以NPKSM达到最大值，分别为731和704。在各活性有机质CPMI中表现为中活性>低活性>高活性。

综上所述，相较于不施肥处理（CK），不同施肥措施均能够提高各土层土壤碳库指数和不同活性有机质的碳库管理指数，但在不同土层深度间存在差异。0—20 cm土层中，以施用NPKSM处理对提高土壤碳库指数和碳库管理指数效果最好，在20—60 cm土层中则以施用NPKS处理表现最优。

2.6 土壤活性有机质与土壤碳氮养分及水稻产量相关性分析
本研究分析了土壤活性有机质（0—20 cm土层）与土壤碳氮养分及水稻产量相关性，结果发现，土壤各活性有机质之间关系密切，均呈现极显著正相关，且与土壤总有机质、全氮呈极显著正相关；土壤低活性有机质和中活性有机质与可溶性有机碳及水稻产量呈极显著正相关，3种活性有机质与微生物量碳呈正相关性，但相关性不显著。土壤总有机质与全氮及水稻产量之间呈极显著正相关，对微生物量碳的影响也达到显著水平。说明土壤总有机质的提高与活性有机质紧密相关，土壤活性有机质的提高有助于提升土壤碳氮营养水平，从而提高作物产量。

表1 不同处理不同土层土壤碳库管理指数

Table 1 Carbon pool management index under different treatments in different soil layers


表2 各活性有机质与土壤碳氮养分及水稻产量相关性分析

Table 2 The correlations among different labile soil organic carbon components, soil organic carbon, nitrogen nutrients and rice yield


低活性有机质（LLOM）；中活性有机质（MLOM）；高活性有机质（HLOM）；总有机质（SOM）；全氮（TN）；微生物量碳（SMBC）；可溶性有机碳（DOC）；水稻产量（Rice yield，RY）。*表示显著相关（P≤0.05）、**表示极显著相关（P≤0.01）

LLOM: lowly labile organic matter; MLOM: moderately labile organic matter; HLOM: highly labile organic matter; SOM: soil organic matter; TN: total nitrogen; SMBC: soil microbial biomass carbon; DOC: dissolved organic carbon; RY: rice yield. * was indicated significant correlation (P≤0.05); ** was indicated very significant correlation (P≤0.01)

3 讨论
土壤有机质与农业管理措施关系密切，受培肥措施影响明显。研究表明，施有机物料或有机无机肥配施能显著增加耕层土壤有机碳的含量[13,27]。本研究发现，经过35年长期施用化肥配施猪粪和秸秆还田能显著提高土壤有机质总量和各土层中有机质含量，各施肥措施对土壤有机质的提升效果基本表现为NPKSM>NPKS>NPK>CK，且NPKSM和NPKS处理能显著提高红壤性水稻土20—40 cm土层有机质含量。这与宓文海等[28]、康国栋等[29]研究结果一致。NPKSM和NPKS处理能显著提高红壤性水稻土20—40 cm有机质含量，可能是因为长期施用猪粪或秸秆经腐解后增加了耕层土壤有机质含量，而稻田水分运动方式以重力下渗水为主，使部分活性的有机质随水分下渗，提高犁底层有机质含量。本研究还发现相较于不施肥，长期施用化肥显著提高了耕层土壤有机质含量，这可能与水稻收获后根茬残留有关，长期的淹水管理使土壤透气性差，不利于土壤有机质的矿化，而残留根茬的腐解增加了土壤中有机质的积累。

长期施用有机肥或有机肥配施化肥有利于土壤总有机碳、活性碳、微生物量碳和矿化碳含量的提高[30-33]。一般认为，秸秆还田能够为土壤提供大量营养元素，为微生物的繁殖提供了良好的环境[34]，动物粪便在为土壤提供能源物质的同时提供活性物质，丰富微生物群落[35]，加快有机物料分解，从而提高可溶性有机碳、活性有机质含量。江西进贤地区属亚热带气候，水热资源丰富，施用有机肥或秸秆还田在温度较高条件下经微生物分解更快，而红壤性水稻土质地黏重，长期的淹水管理使得土壤透气性较差，不利于土壤中有机质及活性物质分解周转，从而有利于土壤有机质及活性组分含量（如可溶性有机碳、易氧化有机碳）的提高。本研究发现，长期化肥配施猪粪和秸秆还田显著提高了各剖面土层有机质活性组分含量及各活性有机质所占比例，降低了非活性有机质比例。这与以上描述相符。有研究认为，长期单施化肥对旱地土壤易氧化有机质含量影响不明显，有机-化肥配施能明显增加土壤易氧化有机质和总有机质含量[36-37]。吴小丹等[38]研究指出，单施化肥对活性有机质的累积效应小于有机无机肥配施。这本研究结果不尽相同。本研究发现，单施化肥在一定程度上提高了耕层土壤各活性有机质含量。这可能与根茬残留有关，淹水条件下使土壤中有机质的矿化速率低于旱地土壤，而施用化肥较不施肥增加了土壤中根茬生物量，根茬的腐解对土壤有机质的矿化能够进行有效补充，有利于表层土壤有机质及活性有机质的累积，使土壤肥力提高。目前，关于不同施肥措施对不同土壤剖面活性有机质的研究较少，有待于进一步探究。

本研究表明，经长期培肥，土壤各活性有机质与土壤碳氮养分及水稻产量之间的关系密切，各土层土壤活性有机质含量表现为：低活性>中活性>高活性，土壤高活性有机质含量随土层的加深并未呈现逐渐下降的趋势，且在20—40 cm土层中达到最高，而低活性有机质则基本随土层的加深逐渐降低。这可能是因为高活性有机质组分中，可迁移成分较多，比如可溶性有机碳质等，这部分有机质参与土壤生物化学过程并影响土壤化学物质的溶解、吸附和迁移等行为[39-40]，而向深层土壤迁移[41]，本研究通过相关性分析表明各活性有机质与土壤可溶性有机碳呈显著正相关关系，且经过长期培肥，施用化肥配施猪粪和秸秆还田显著提高了红壤性水稻土耕层及犁底层土壤可溶性有机碳含量[42-43]，从而有利于土壤高活性有机质的提高，与上述观点一致。

碳库管理指数衡量土壤管理措施引起土壤有机质变化的指标，能够反映农作措施使土壤质量下降或更新的程度[44]。本研究发现，相较于不施肥处理（CK），不同施肥措施均能够提高各土层土壤碳库指数和不同活性有机质的碳库管理指数，长期施用猪粪配施化肥对0—20 cm土层中土壤碳库指数和高活性有机质碳库管理指数提高效果最好，在20—60 cm土层中长期秸秆还田能显著提高土壤中活性有机质碳库管理指数。这与张继光等[45]和王改玲等[46]研究结果相符。

4 结论
4.1 相对不施肥对照，施肥处理均能提高不同土层土壤总有机质和可溶性有机碳碳含量，其中化肥配施猪粪和秸秆还田明显提升了0—20 cm土层土壤总有机质含量和0—40 cm土层可溶性有机碳碳含量。

4.2 单施化肥、化肥配施猪粪及秸秆还田均能提高0—20 cm耕层土壤活性有机质、土壤碳库指数和碳库管理指数，提升效果表现为化肥配施猪粪和秸秆还田>化肥配施合秸秆还田>单施化肥；在20—60 cm土层中，施肥处理均有利于土壤中、低活性有机质的积累。

4.3 耕层（0—20 cm）土壤中3种活性有机质两两之间呈极显著正相关关系（P≤0.01），且与总有机质、全氮、可溶性有机碳及水稻产量均呈现显著正相关（P≤0.05）。

References

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The Effects of Long-term Fertilization on the Labile Organic Matter and Carbon Pool Management Index in Different Soil Layers in Red Soil

LI XiaoLei1, ZHANG YuJun1,2, SHEN FengMin1, JIANG GuiYing1, LIU Fang1, LIU KaiLou3, LIU ShiLiang1

(1College of Resources and Environmental Sciences, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002; 2Zhengzhou Institute of Urban Landscape and Architecture, Zhengzhou 450051; 3Jiangxi Institute of Red Soil, Jinxian 331717, Jiangxi)

Abstract:【Objective】This study was aimed to explore the characteristics of the labile organic matter (LOM) and carbon pool management index (CPMI) under different fertilization in different soil layers in red soil, so as to provide a theoretical basis for carbon pool management in red soil. 【Method】Based on the long-term experiment site located at Jinxian, Jiangxi province, four typical treatments were chosen as: (1) no fertilization (CK); (2) mineral nitrogen, phosphorus, potassium (NPK); (3) NPK combined with pig manure and straw (NPKSM); (4) NPK combined with straw (NPKS). The highly LOM (HLOM), moderately LOM (MLOM), lowly LOM (LLOM), non-LOM (NLOM) and CPMI in four soil depths (i.e. 0-10 cm, 10-20 cm, 20-40 cm and 40-60 cm) were measured and analyzed. 【Result】The results showed that the soil organic matter (SOM) content under each treatment was decreased with increasing of soil depths. Compared with CK treatment, the SOM was increased under the fertilization treatments. In 0-20 cm, the SOM content was ordered as NPKSM >NPKS >NPK >CK, with the highest value as 43.47 g·kg-1(10-20 cm) and 45.09 g·kg-1(0-10 cm) under NPKSM treatment. In 20-60 cm, the SOM content under NPKSM and NPKS was significantly higher than that under CK, while there was no different between NPKSM and NPKS. The dissolved organic carbon (DOC) content was decreased with soil depth under all treatments except NPK. The DOC content under NPKSM and NPKS was significantly higher than that under NPK and CK, and the highest value was 35.93 mg·kg-1 under NPKSM treatment. The HLOM, MLOM, and LLOM content were increased under fertilization treatments compared with CK treatment. The LOM content was ordered as LLOM> MLOM> HLOM under the same treatment in same soil layer. All the LOM components content was significantly higher under NPKSM and NPKS treatments in all soil layers. The HLOM and MLOM content under all treatments were trended as first increased and then decreased with increasing of soil depth. The HLOM content was reached to peak in 20-40 cm under NPKSM (5.31 g·kg-1) and NPKS (5.49 g·kg-1). The highest MLOM content appeared in 10-20 cm under NPKSM treatment with 10.62 g·kg-1. The LLOM content under all treatments was decreased with soil depth. In 0-20 cm, the LLOM content was highest under NPKSM treatment with 18.52 g·kg-1 (0-10 cm) and 15.93 g·kg-1 (10-20 cm), respectively. The proportion of different LOM components and CPMI were increased under the fertilizer treatments. In 0-10 cm, compared with CK, the LOM content under NPKS and NPKSM was increased by 27.9%and 29.48%, respectively, MLOM proportion was increased by 7.21% and 7.72%, respectively, HLOM proportion was increased by 5.10% and 4.96%, respectively. The CPMI under fertilization treatment was higher than 100, and which was obviously higher under NPKSM and NPKS. In 0-20 cm, the different LOM components were extremely significantly positive correlation(P≤0.01), and they were significantly positive correlated with total SOM, total nitrogen, dissolved SOM and rice yield (P≤0.05). 【Conclusion】The SOM and LLOM content under all treatments were decreased with the increasing of soil depth. The SOM and all LOM components were significantly improved under NPKSM treatment, and HLOM and CPMI under NPKSM were the highest, followed by NPKS in 0-20 cm, while, which was the highest under NPKS in 20-60 cm.

Key words: long-term fertilization; labile organic matter; carbon pool management index; soil depth; red soil

收稿日期：2019-06-11；

接受日期：2019-07-22

基金项目：国家重点研发计划重点专项项目（2016YFD0300803）、国家自然科学基金（41401327）、河南省科技厅基金（192102110161）

联系方式：李小磊，E-mail：2568468581@qq.com。通信作者姜桂英，E-mail：jgy9090@126.com。通信作者刘世亮，E-mail：shlliu70@163.com

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（责任编辑 李云霞）