1. 引言
土壤有机碳是土壤的重要组成部分，其含量反映了土壤肥力的高低，影响着土壤物理、化学和生物学性质 [1] [2] [3] [4] 。保持土壤中较高的有机质数量和质量水平，是土壤持续利用和作物高产稳产的先决条件 [5] 。施肥是影响土壤有机质变化的一项重要的生产环节，施肥对土壤有机质的影响，国内外已有大量的报道 [6] [7] [8] ，但已有的相关研究因试验周期短、土壤类型不同、耕作制度不同、养分用量不等 [6] [7] [8] 等方面的问题，其研究结果也不完全一致。因此，在氮、磷、钾养分施用量相等的条件下，通过35年的定位试验就化肥减量配施不同有机肥料对红壤稻田土壤不同形态碳素含量和碳库管理指数的影响进行研究，为南方红壤稻区土壤培肥和水稻合理施肥提供理论依据和技术指导。
2. 材料与方法
2.1. 供试材料
长期定位试验始于1981年，地点在江西农业大学科技园内，东经115˚49'52.49''，北纬28˚46'17.48''，中亚热带温暖湿润季风气候，年均温约16.3℃~19.5℃，年降水量1341-1943毫米。模拟田间设立微区面积为1.0 m2，供试土壤为第四纪红粘土发育的潴育性水稻土，试前土壤基本化学性质为：有机碳19.46 g/kg，全氮1.789 g/kg，碱解N 90.0 mg/kg，有效磷20.8 mg/kg，速效钾87.0 mg/kg，pH6.5，历年种植制度为闲(冬闲)–稻–稻。
2.2. 试验设计
设5个处理：1) 无肥(CK)；2) 单施化肥(F)；3) 紫云英(早稻基肥，下同) + 化肥(MF)；4) 紫云英+稻草(晚稻基肥) + 化肥(MSF)；5) 紫云英 + 猪粪(晚稻基肥) + 化肥(MMF)，第5个处理2006年开始用沼肥代替猪粪，各处理均为3次重复，随机排列，小区间用水泥埂隔离。
除无肥处理外，各施肥处理N、P2O5、K2O养分用量相等(表1)，早、晚稻肥料各占一半，化肥用尿素、钙镁磷肥和氯化钾，有机肥为紫云英、稻草和猪粪，施用有机肥料的处理有机氮和无机氮的比例为4:6。其中紫云英鲜草经切细每公顷施22,500~30,000 kg做早稻基肥，稻草切细每公顷施3000 kg (早稻稻草还田、折合干草)做晚稻基肥，猪粪(或沼肥)经堆沤每公顷施15,000~22,500 kg均做晚稻基肥，有机肥料的用量按每次实际测定养分含量的结果进行计算，不足的数量用化肥补足。早、晚稻肥料中磷肥均作基肥施用，早稻氮肥按基肥:分蘖肥:穗肥 = 5:2:3施用，晚稻氮肥按基肥:分蘖肥:穗肥 = 4:2:4施用，早、晚稻钾肥按基肥:分蘖肥:穗肥 = 5:2:3施用。
早稻每年3月下旬播种，4月底移栽，晚稻每年6月中下旬播种，7月底移栽，采用自来水灌溉，其他管理措施同大田生产。
Table 1. N, P, K nutrient Application of different treatments (kg/hm2, double season)
表1. 各处理历年氮、磷、钾养分施用量(kg/hm2，双季)
2.3. 土样采集与测定方法
于2015年晚稻成熟期每处理小区采集0~20 cm耕作层10个点的混合土样。土壤有机碳用重铬酸钾外加热容量法测定 [9]；土壤活性碳用Lefroy等 [10] 提出的方法测定；土壤矿化碳用碱吸收法测定 [11]；土壤微生物量碳用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法，重铬酸钾氧化滴定法测定 [12] 。
2.4. 有关指标的计算公式 [11]
稳态碳 = 总有机碳 − 活性碳；碳库指数 = 农田土壤有机碳/参考农田土壤有机碳；碳库活度 = 活性碳/稳态碳；碳库活度指数 = 农田碳库活度/参考土壤碳库活度；矿化碳有效率(%) = 矿化碳/土壤有机碳 × 100；活性碳有效率(%) = 活性碳/土壤有机碳 × 100；微生物量碳有效率(%) = 微生物量碳/土壤有机碳 × 100；碳库管理指数(CPMI) = 碳库指数×碳库活度指数 × 100。
2.5. 数据处理
数据采用Excel2010和DPS7.05软件进行统计分析，利用Duncan新复极差法(LSR)进行显著性检验。
3. 结果与分析
3.1. 长期定位施肥对土壤不同形态碳素含量及其有效性的影响
从表2可以看出，土壤中总有机碳、活性碳、矿化碳和微生物碳含量施肥处理均显著高于CK处理。在氮磷钾养分用量相同的水平下，配施有机肥料的处理土壤中不同形态碳素含量均显著高于F处理。无肥处理土壤有机碳较试前土壤减少5.7 g/kg，降幅29.29%，年均下降0.86%，其原因是无肥处理水稻生物量低，根茬残留少，土壤有机碳消耗快；单施化肥的处理土壤有机碳较试前土壤减少1.0 g/kg，降幅5.14%，年均下降0.15%；处理MF、MSF、MMF土壤有机碳较试前增加1.33 g/kg~3.52 g/kg，增幅为6.77%~17.92%，年均增加0.20%~0.53%，其原因可能是配施有机肥料的处理水稻生物产量较高，有较多的根茬残留到土壤中。处理MSF、MMF土壤中总有机碳、高活性有机碳、中活性有机碳、矿化碳和微生物碳含量均基本持平，却显著高于处理MF，而低活性有机碳含量配施有机肥料的处理间差异不显著，说明早、晚季连续配施有机肥料有利于提高土壤不同形态碳含量。
Table 2. Effect of different treatments on the content of various soil carbon forms (g/kg)
表2. 不同处理对土壤中不同形态碳素含量的影响(g/kg)
注：同一列中不同字母表示差异达5%的显著水平，下同。
土壤中活性碳占总有机碳的百分比可以反映土壤有机碳的质量，活性有机碳所占的比例越高，表示土壤质量越好。由表3可知，各处理活性炭有效率、矿化碳有效率和微生物碳有效率与活性炭、矿化碳、微生物碳的变化趋势基本一致，与F处理相比，连续多季配施有机肥料对提高土壤碳素有效率有较好的效果。
Table 3. Effect of different treatments on ratio of available of various soil carbon forms
表3. 不同处理对土壤不同形态碳素有效率的影响
3.2. 长期施肥对土壤碳库管理指数的影响
表4显示，施肥处理土壤非活性碳含量显著高于CK。处理MSF、MMF土壤中非活性碳含量、碳库活度指数和碳库指数均差异不显著，却均显著高于处理MF、F，而后两者差异不显著；土壤碳库管理指数施肥处理均显著高于CK处理，而配施有机肥料的处理MSF、MMF差异较小，却均显著高于处理MF、F，而后两者差异显著。说明长期施用有机肥料有利于提高土壤碳库管理指数，因而有利于土壤肥力的改善。相关分析表明，土壤总有机碳与活性炭、矿化碳和微生物碳均呈极显著相关；土壤活性碳有效率和矿化碳有效率与矿化碳均呈极显著相关，与总有机碳、活性炭呈显著相关；微生物碳有效率与土壤总有机碳、活性碳、和矿化碳均相关，但不显著，与微生物量碳呈显著相关；土壤碳库管理指数与土壤总有机碳、活性碳、矿化碳和微生物碳均呈极显著相关(表5)。
Table 4. Effect of different treatments on soil carbon pool management index
表4. 不同处理对土壤碳库管理指数的影响
Table 5. The correlation among soil carbon ratio of available, carbon pool management index and soil nutrients
表5. 土壤碳素有效率、碳库管理指数与土壤养分的相关性
注：*p < 0.05；**p < 0.01。
4. 讨论与结论
土壤有机碳含量与作物营养、土壤管理和气候变化关系密切，土壤碳库的动态平衡直接影响着土壤肥力的保持与提高，进而影响土壤质量的优劣和作物产量的高低 [13] [14] 。已有的研究认为，土壤不同形态碳素含量和碳库管理指数的变化程度与施肥等农业管理措施密切相关 [6] [7] [8] [15] 。施用有机肥料能提高土壤不同形态碳素含量和碳库管理指数，但其影响程度与有机肥的用量、施用年限和土壤耕作方式等方面有关。本研究认为，在氮磷钾养分用量相同的条件下，与单施化肥相比，有机–无机肥料配施有利于提高土壤中不同形态碳素含量和碳库管理指数，且多年连续两季施用有机肥料对提高土壤活性碳有效率、矿化碳有效率和碳库管理指数的效果优于多年一季施用。相关分析表明，土壤碳库管理指数与土壤总有机碳、活性碳、矿化碳和微生物碳均呈极显著相关。施肥种类对土壤碳库有着至关重要的影响，有机肥施用对提高土壤碳库组分的作用突出，所以农业生产中必须重视有机肥的合理施用。
基金项目
国家自然科学基金项目(31660596)；国家重点研发计划课题(2017FYD0301601)。