土壤有机碳（SOC）是衡量土壤肥力、保证土地可持续利用的物质基础^[1]。研究表明，干旱和高温的气候环境会限制生长期间的生物发育，在减少土壤碳总量输入的同时加速土壤碳分解，导致土壤碳损失。施肥是促进农业生产的重要措施之一，据FAO数据库统计，我国是全球化肥用量最多的国家^[2]。研究表明，过度施用化肥会直接破坏耕地土壤结构，加速营养元素流失，致使土壤可持续利用水平降低，并进一步导致农产品品质下降^[3]。因此，高温干旱环境和不合理施肥，都可能导致农田土壤碳的急剧快速流失，加速农田土壤退化。然而，目前对高温、干旱等特殊气候条件下人工施肥管理与土壤碳代谢间关系尚处于探索阶段，亦缺乏行之有效的规范措施。当前，施肥作用会影响土壤系统有机碳组分变化的观点^[4-5]已被广泛接受， 但在施肥与土壤有机碳及其组分的变化关系上并未获得一致结论，表现为或增加^[6]、或减少^[7]、或影响不大^[8]的多种结论并存，一方面表明了施肥和土壤碳循环间较为密切的联系，另一方面也揭示出它们之间关系的复杂性。因此，在农业生产领域“减肥减药”新形势下，研究氮肥减量对土壤碳及其组分的影响对农田生态系统的可持续生产具有重要意义。

干热河谷地区是研究高温、干旱等特殊气候环境条件下人工施肥管理与土壤碳固持关系的理想场所。干热河谷的充足光照和高温环境造就了极具特色的蔬菜瓜果产业，但其长期高温干旱、土壤侵蚀严重的背景下土壤碳流失较为明显^[9]，加之高强度的生产活动及大量施肥，造成土壤地力衰退、农业环境十分脆弱。由于土壤碳的损失具有隐蔽性，活性指标可以更为有效地反映土壤肥力和土壤质量^[10]，并依据化学性质的不同，将其划分为活性有机碳（AOC）和稳态有机碳（NOC）^[11]。其中， AOC是土壤中有效性较高、易被土壤微生物分解利用、对植物养分供应有最直接作用的部分，NOC能表征土壤长期积累和固碳能力^[12]。微生物量有机碳（MBC）和可溶性有机碳（DOC）是AOC较为重要的表征形态，是土壤管理（施肥、耕作等）活动的敏感性指标，可以指示土壤肥力的变化^[13]。因此，本文以长江上游元谋干热河谷为研究对象，依据区域特色果蔬番茄生产中氮肥施用现状设置田间试验，选取AOC、NOC、MBC、DOC 4个指标量化土壤有机碳的存在及其稳定性，研究不同氮肥施用量条件下土壤有机碳及活性组分的变化，及其对番茄产量的影响，探讨干热胁迫环境农业生产中氮肥管理及土壤肥力保育问题，为干热区农业绿色、高效、可持续发展提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

本研究于2018年7～12月在云南省农业科学院热区生态农业研究所试验地（25°41′30″N， 101°52′36″E）进行，位于云南省楚雄彝族自治州元谋县，属于典型的南亚热带季风河谷干热气候区，年降水量524mm，年平均气温23.0℃，海拔为1169.0m。元谋盆地的成土母质为早更新世元谋组中钙质胶结的杂色粘土层、亚粘土层坡积物和残积物^[14]，土壤类型为微酸性的燥红土，土质疏松多孔、通气透水，土壤养分易于矿化和随淋溶作用流失。试验地为连续种植了3年的番茄地，0～40cm土层的土壤基本理化性质见表1。

1.2 试验设计与田间管理

本试验采用完全随机区组设计，结合当地番茄生产中化肥用量的调查结果，共设4个氮肥处理，每个处理3次重复。氮肥处理分别为对照组（不施氮肥，N0）、低氮处理组（施氮量为125kg/hm²， N125）、中氮处理组（施氮量为225kg/hm²，N225）、高氮处理组（ 施氮量为325kg/hm²，N325），其中N325处理为农民习惯施氮量，N225和N125为减氮处理。供试肥料类型为硫酸钾型复合肥（N∶ P₂O₅∶K₂O=17∶17∶17） 作为底肥，水溶性肥料 （N∶P₂O₅ ∶K₂O=20∶20∶20）和包膜高活性功能菌复合肥料（N∶P₂O₅ ∶K₂O=16∶16∶16）作为追肥混施。磷、钾肥不足的量用纯物质KH₂PO₄ 和K₂SO₄ 补足。不同处理的化肥用量见表2。

供试作物为番茄‘拉比’，露天种植，株距40cm。每个处理小区长6.0m，宽1.6m，总面积为9.6m²，每个小区内处理间用钢板隔开防止肥水侧渗。每个试验小区内灌溉水量、田间管理措施保持一致。

1.3 样品采集与测定

番茄成熟后，在每个小区前、中、后分别随机选取3株番茄，采集成熟番茄定期测产，累积计算总产量。2018年12月进行土样采集，按照“S”形布设3点，取样深度分别为0～10、10～30和30～50cm。采集的土样一部分风干后，过0.149mm筛，供土壤SOC、AOC和DOC测定；另一部分放在冰箱4℃保存，供土壤MBC测定。土壤有机碳用重铬酸钾容量法—外加热法测定，微生物量碳用氯仿熏蒸—重铬酸钾容量法—外加热法测定， 可溶性有机碳采用蒸馏水浸提法（水土比5∶1）， 活性有机碳用重铬酸钾氧化法测定^[15]。

1.4 数据分析

用SPSS 20.0分析数据，采用Duncan法对相同土层不同氮肥梯度下的有机碳及其组分含量、番茄产量进行差异性分析，用Pearson检验法进行土壤有机碳及其组分与产量之间的相关性分析。用Excel 2010和Origin 8.0绘制图表，图表中数据为平均值 ± 标准误。其中，稳态碳含量和土壤有机碳组分分配比例计算方法如下：

稳态碳含量（g/kg）=土壤有机碳含量-活性有机碳含量（1）

土壤有机碳组分分配比例（%）=有机碳组分含量/土壤有机碳含量 ×100（2）

2 结果与分析

2.1 不同施氮量下土壤有机碳及其组分的空间特征

2.1.1 不同施氮量下SOC的空间特征

整体上，施用氮肥有助于干热河谷农田土壤有机碳积累。相较于N0处理，施用氮肥N125、 N225和N325处理0～10cm土层的SOC分别增加0.55%、20.08%和8.58%，10～30cm土层的SOC分别增加20.85%、19.17%和4.65%，30～50cm土层的SOC分别增加43.35%、17.69%和19.61%。不同氮肥处理间的多重比较结果（图1）显示， 0～10cm土层N225处理的SOC含量显著高于N125和N0处理（P<0.05），与N325处理差异不显著（P>0.05）；10～30cm土层N125处理的SOC含量显著大于N325和N0处理（P<0.05），与N225处理差异不显著（P>0.05）；30～50cm土层N125处理SOC含量显著大于其他处理（P<0.05），N225和N325处理的SOC含量差异不显著（P>0.05）。在空间上，N0、N225和N325处理的SOC含量均随土层加深而降低（P<0.05）；N125处理的SOC含量在10～30cm土层最高，30～50cm土层次之， 0～10cm土层最低（图1），表明中施氮量有利于增加0～30cm土层的有机碳含量，低施氮量则有利于增加10～50cm土层的有机碳含量。以上结果表明，施氮肥可以提高干热环境农田土壤SOC含量，但不同施氮量对干热环境农田土壤SOC的固存机制可能存在明显差异。

注：不同小写字母表示相同土层不同氮肥处理间各项指标差异显著 （P<0.05），不同大写字母表示相同氮肥处理不同土层间各项指标差异显著（P<0.05）。

2.1.2 不同施氮量下AOC、NOC的空间特征

土壤AOC含量的高低表征可供植物等吸收利用碳的多少。不同氮肥处理的AOC含量变化范围是1.92～5.75g/kg。与N0处理相比，施氮越多土壤AOC含量越高（ 图2），0～50cm土层N125、 N225和N325处理的AOC含量分别增加了5.65%、 18.36%和40.11%。在0～30cm土层，土壤AOC含量随施氮量的增加而增加（P<0.05）；在30～50cm土层，不同氮肥处理间AOC含量差异不显著 （P>0.05）。结果表明，高施氮量下土壤有机质活性程度更高，易于被分解矿化后供植物吸收利用。随着土层深度的增加，N0和N125处理的AOC含量没有发生太大变化（P>0.05），N225处理10～30cm土层的AOC含量显著高于0～10和30～50cm土层（P<0.05），N325处理0～30cm土层的AOC含量明显高于30～50cm土层（P<0.05）。

土壤NOC含量代表土壤碳的固存能力。不同氮肥处理的NOC含量变化范围是0.01～4.49g/kg。与N0处理对比，0～50cm土层N125和N225处理的NOC含量分别增加了56.12%和20.14%， N325处理的NOC含量降低了66.19%。说明少量施氮处理的土壤有机碳处于一种慢速降解状态，导致其稳态碳含量增加，尤其是10cm土层以下。不同氮肥处理间的多重比较结果见图2。在不同土壤剖面，N0、N125和N325处理间差异不显著 （P>0.05），N225处理0～10cm土层的NOC含量显著大于30～50cm土层（P<0.05）。

土壤AOC占SOC的比例为31.82%～99.80%，平均值为74.84%；土壤NOC占SOC的比例为68.18%～0.20%，平均值为25.16%。土壤AOC在SOC中的占比高于NOC（图3），表明AOC是土壤有机碳的主要存在形态。对同一土层不同氮肥处理进行多重比较，结果表明，0～10和30～50cm土层各处理的AOC/SOC和NOC/SOC没有显著差异（P>0.05）；10～30cm土层N325处理的AOC/SOC显著较高（P<0.05），N125处理的NOC/SOC显著较高（P<0.05）。AOC/SOC可以指示土壤有机碳的活性，在一定程度上可表征土壤有机碳的氧化稳定性^[16]。N325处理具有较高的AOC/SOC和较低的NOC/SOC，说明高施氮处理条件使土壤有机碳活性增强，有机碳分解矿化速率快；而N125处理的NOC/SOC明显增加，说明土壤有机碳氧化程度低，土壤碳库较为稳定。这一结果说明适当的氮肥能促进活性有机碳和稳态碳的合理分配和转化，进而增加土壤碳稳定性，高施氮量可能加剧土壤碳库的活化，增加碳损失的风险，低施氮量则促进稳态碳的转化，但不利于作物的吸收利用。

2.1.3 不同施氮量下MBC、DOC含量空间特征

不同氮肥处理的MBC含量变化范围是220.13～286.87mg/kg。相较于不施氮肥的N0处理，0～50cm土层N125、N225和N325处理的MBC含量分别提高了9.90%、10.16%和12.40%。MBC一定程度上可以反映微生物量，本研究施氮越多MBC含量越高，土壤微生物量增加导致氧化分解速率增强。由多重比较结果（图4）可知，在0～30cm土层，施氮处理（N125、N225和N325）间的MBC含量差异不显著（P>0.05），但显著大于N0处理（P< 0.05）；30～50cm土层N325处理的MBC含量显著大于N225和N0处理（P<0.05），与N125处理差异不显著（P>0.05）。MBC含量随土层深度的增加而减少（P<0.05）。

不同氮肥处理的DOC含量变化范围是108.55～602.37mg/kg。 施入氮肥225kg/hm² 能够显著提高土壤DOC含量（P< 0.05）， 比N0处理增加了80.45%；N125和N325处理不同土层的DOC含量与N0处理没有显著差别（P>0.05）。各氮肥处理在不同土层间差异均不显著（P>0.05）。从DOC在不同土层的分布规律可知，中等施氮225kg/hm² 条件下，0～30cm土层的DOC含量增加。

通常MBC/SOC越大，SOC分解越快，活性有机碳转化的越快，土壤微生物越活跃^[17]。在不同的氮肥处理下，0～10cm土层的MBC/SOC没有显著差异（P>0.05），10～30cm土层N325处理的MBC/SOC显著高于N125、N225处理（P< 0.05）， 30～50cm土层N125处理的MBC/SOC显著低于其余处理（P< 0.05）。相较于N0处理，施氮促进土壤微生物活动，导致MBC含量增加，高施氮量有利于增加SOC向MBC转化的量，导致MBC/SOC增加；低施氮量下MBC和SOC均显著增加，但SOC增加量（主要是NOC组分增加较多）大于MBC，造成其MBC的分配比例明显降低。

0～10和30～50cm土层的DOC/SOC在不同氮肥处理间没有显著变化（P>0.05），10～30cm土层N225处理的DOC/SOC显著高于其他处理 （P<0.05）。可见，中施氮量促进了土壤可溶性有机碳的转化，进而增加土壤SOC含量；低施氮量和高施氮量与N0处理的DOC转化没有发生显著的结构性改变。

2.2 SOC与其组分之间的相关性分析

在无氮肥施用的条件下，NOC、MBC和DOC与SOC呈极显著正相关关系（P< 0.01）；低氮N125处理的SOC与其组分之间无显著关系（P>0.05）； 中氮N225处理下，AOC、MBC和DOC与SOC呈显著正相关关系（P< 0.05）；高氮N325处理下，AOC与SOC之间呈显著正相关关系（P< 0.05）（表3）。

注：** 表示 P<0.01，* 表示 P<0.05。下同。

2.3 不同施氮量下番茄产量与土壤有机碳的关系

2.3.1 不同施氮量下番茄产量的变化

施氮作为作物高产的主要栽培条件，必然会影响作物产量。本研究番茄总产量随施氮量的增加而增加（ 图5），N125、N225和N325处理之间的番茄产量没有显著差异（P>0.05），但显著高于N0处理（P<0.05）；低施氮N125与N0处理之间的番茄产量没有显著差异（P>0.05）。施氮量与番茄产量之间存在显著的抛物线关系（R²=0.254， P<0.01），当施氮量为325kg/hm² 时，番茄产量最高。

2.3.2 土壤有机碳与产量的相关性分析

0～30cm土层，土壤MBC含量与番茄产量呈显著正相关关系（P<0.05），30～50cm土层，土壤DOC含量与番茄产量呈显著正相关关系 （P<0.05，表4）。

3 讨论

3.1 施氮水平对土壤有机碳库的影响

已有研究表明，氮肥添加主要通过增加作物生物量和残茬输入增加土壤有机碳含量^[18]。本研究番茄种植过程中施用氮肥后，SOC含量增加（图1），这一结论与郭万里等^[19] 的研究结果相似。相较于不施氮肥N0处理，低、中、高施氮量在0～50cm土层的SOC分别提高了0.99、0.94、0.51g/kg。传统的高施氮量条件下SOC含量提升不大，因为土壤有机碳含量随施氮量的增加呈“先增后减”的趋势^[20]，长期过量施用化肥会造成土壤总有机碳减少^[21]；而低量施肥条件下SOC分解矿化速度慢，NOC含量上升（图2），有利于碳在土壤中的积累，造成SOC总量增加。本研究结果也显示，施氮处理造成了土壤有机碳在垂直剖面上的再分布。比较明显的过程是低施氮量造成了中层和深层土壤有机碳的增加，中施氮量促进了土壤有机碳总量在0～30cm表层的聚集。因此，施氮量影响了土壤有机碳固存能力时空分布的差异，这可能与有机碳组分及活性有关。

AOC是土壤碳的重要组成部分，常常作为土壤潜在生产力以及由土壤管理措施引起土壤碳库变化的早期指标^[22]。高施氮量的AOC含量及分配比例明显增加（图2和图3），这与王兴龙等^[23]研究结果一致；相应地，NOC含量及分配比例显著降低（图2和图3），反映了土壤微生物活性的上升 （与研究结果中MBC含量增加结论一致，图4）导致了土壤中有机碳分解、矿化作用增强，从而促进AOC含量增加并提高土壤肥力，最终有利于作物的生长发育。低氮施入的土壤AOC含量降低而NOC含量显著提高，表明其土壤有机碳总量虽高但不易分解和氧化，具有惰性的NOC提高了SOC储量和稳定性^[20]；中氮处理的AOC和NOC含量均有提升（图2），使其土壤总有机碳含量大幅提升（图1）。土壤活性有机碳的可激活率越高，对土壤碳库应用尺度越大；降低土壤非活性有机碳在总有机碳中的占比，是提高土壤有机碳利用率的基础^[24]。施氮225和325kg/hm² 促进了0～30cm土层的有机碳向AOC转化（其AOC分配比例增加，图3），可以提高农田土壤的有机碳循环速率，减少土壤有机碳的损失比率。

微生物量有机碳和可溶性有机碳可作为土壤有机碳变化的早期指标和活性有机碳变化的指标^[25]。氮肥施用可以调整土壤碳氮比，创造更有利于土壤微生物生长繁殖的环境，进而提高土壤微生物量^[26]，本研究MBC含量随施氮量的增加而增加（图4）。传统高施氮处理下较高的MBC/SOC表明，在该施氮量条件下更多的SOC向MBC转化，土壤碳素有效性高，易于被微生物利用，有利于作物生长^[25]。相较于其他施肥处理，中等施氮225kg/hm² 处理更有利于增加DOC含量及其在SOC中的占比（图4），在10～30cm土层影响更甚。由于可溶性有机碳主要来源于根系分泌和微生物对有机质的降解，中施氮量更有利于作物根系的生长和发育，根系残茬及其分泌物在为土壤提供大量DOC的同时，还为微生物提供大量有机物质以提高微生物活性，促进土壤中难溶态物质的活化和分解^[27]，增加SOC向DOC转化的量。

不同处理的土壤SOC、AOC、MBC和DOC剖面分布特征为0～30cm土层含量大于30～50cm土层（图1、图2、图4）。由于番茄根系主要分布在10～20cm土层内^[28]，番茄种植前的翻耕松土等活动也集中在0～30cm土层，施肥后上层土壤有机碳的输入大于分解，根系生长和微生物活动也主要集中在该层，而深层土壤微生物活动微弱，有机碳几乎全部来源于上层土壤随水分迁移下来的有机碳，因此土壤有机碳及其组分含量随土层深度的增加逐渐减少。该结论与众多研究者的结论相同^[19，29]。

元谋干热河谷热区生态环境存在其特殊性，具有“炎热干燥、降水集中、干湿季分明”的特征^[30]。前人研究发现土壤活性碳占土壤有机碳的0.16%～3.7%^[31]，而本研究AOC占SOC的比例平均为74.84%（图3）。也有研究发现我国吉林省长期施肥的黑土地在不施肥和撂荒处理下活性有机碳库占总有机碳的比例也能达到55.2%～62.4%^[32]； MBC的分配比例也远大于其他地区的范围（1%～4%）^[33]；DOC/SOC值也高于其他土壤（0.08%～0.95%）^[34]。较大的活性有机碳及其组分的占比说明该区域气候条件下农田土壤微生物活动活跃，微生物对土壤碳库的利用效率提高，土壤碳周转速度加快，对维持土壤肥力和提高土壤质量有重要作用。研究表明，农田生态系统土壤SOC的分解速率随温度增加呈指数增加^[35]，土壤微生物群落在干热河谷这样的环境条件下形成对其温度和水分条件的响应策略，可能通过降低土壤呼吸的温度敏感性，提高了微生物代谢活性^[36]或改变了微生物群落组成^[37]，最终导致MBC、DOC和AOC在有机碳中的占比提高。

3.2 土壤有机碳与其组分之间的关系

各活性有机碳组分之间关系密切，共同影响土壤中有机碳的周转和功能发挥。N0和N225处理的MBC、DOC与SOC之间呈显著的正相关关系（表3），因为MBC能反映土壤有机质矿化程度和土壤养分循环状况^[38]，DOC主要来源于根系分泌和微生物对有机质的降解，其含量动态和周转与土壤有机碳的矿化有密切关系^[39]，因此，这两种有机碳活性组分会对土壤碳的积累产生一定影响。无氮施肥条件下土壤NOC显著影响SOC含量（表3），氮素限制条件下土壤NOC及其分配比例增加，在增加土壤有机碳稳定性的同时，也更能影响土壤总有机碳的积累；MBC和DOC增加量较小，虽然相关但可能对SOC的影响程度较小。中、高氮施肥条件下主要是活性有机碳组分显著影响土壤有机碳含量（表3），说明较高的施氮量更能促进土壤有机碳活化，尤其是中氮225kg/hm² 施肥，增加了土壤微生物活性及数量，AOC及其组分MBC、DOC均有大幅提高，最终显著影响土壤SOC含量。

3.3 土壤有机碳对番茄产量的影响

本研究中施氮量越多，番茄产量越高（图5）。 施氮量与产量之间的回归分析结果表明，二者间存在极显著的一元二次抛物线关系（图5），呈现与前人研究相似的“作物产量随施氮量的增加呈先增后减”的基本情况^[40]。相较于农民传统的高施氮量，中、低氮施肥的产量与之没有显著差别 （图5），因此从经济效益和生态效益考虑，在保证番茄产量的前提下适量减少氮肥用量是可行的。

提高土壤活性碳库有利于提高土壤肥力从而增加作物产量^[41]，本研究发现0～30cm土层MBC含量与番茄产量显著正相关（P<0.05，表4），与前人研究结果相似^[38，42]。马艳芹等^[38]也认为土壤微生物量碳可作为响应农田生产力的重要指标之一，因为氮肥的施用能为微生物创造有利的生存环境，增加植物地上、地下部分的生物量^[43]，进而影响产量形成。但相较于化肥，施用有机肥更能显著提高土壤有机碳累积量和土壤微生物量^[26]，因此，在农业生产上可以通过施用有机肥来提高MBC含量进而提升作物产量，本研究结果可以作为施用有机肥的理论基础。由于土壤DOC含量与土壤碳的活化及微生物等活动有关，30～50cm土层的DOC与番茄产量呈显著相关的关系，可能是氮肥施用导致根系层土壤碳活化后淋溶的结果（图2），亦有可能与深层土壤微生物活动以及硝化-反硝化等作用过程对土壤碳循环的干扰有关，具体原因亟待进一步研究。

综上，从产量上分析，可适当减少氮肥施用量至125～225kg/hm² 而保证番茄产量不明显减产；但125kg/hm² 施氮条件下微生物对碳源的利用不充分，导致土壤有机碳多以NOC形式存在，不利于作物的生长发育。因此，综合考虑经济效益和环境效益，本研究认为在干热河谷冬春季种植番茄选择中氮225kg/hm² 施肥较为适宜，耕作层土壤活性有机碳组分显著增加，SOC大幅提升，不仅有利于土壤碳周转，减少土壤碳流失，而且能保证番茄产量。

4 结论

低氮施肥10～50cm土层的SOC含量显著增加，中氮施肥0～30cm土层的SOC含量显著增加，高氮施肥处理各个土层SOC均略有增加。

高氮施肥促进AOC含量聚集在耕作层0～30cm，并显著提高MBC含量及其分配比例；中氮施肥促进DOC含量表聚在0～30cm土层；低氮施肥10～50cm土层的NOC含量及其分配比例显著增加。

不同氮肥处理的SOC、AOC、MBC和DOC均表现出随土层加深而降低的趋势。

无氮条件下，NOC、MBC和DOC与SOC呈极显著正相关关系（P<0.01），中氮处理的AOC、MBC和DOC与SOC呈显著正相关关系（P<0.05），高氮处理下的AOC与SOC之间呈显著正相关关系 （P<0.05）。

番茄产量随施氮量的增加而增加，0～30cm土层的MBC含量与番茄产量呈显著正相关关系 （P< 0.05）。

总之，将产量和碳固存作为衡量指标，于干热河谷冬春季栽培番茄，在当地习惯施氮量的基础上减少约30%氮肥用量（225kg/hm²），不仅能提升产量，降低农业投入成本和环境污染风险，还有利于促进土壤有机碳的活化和加快碳周转速度，维持土壤肥力和提高土壤质量。

参考文献