雷寶坤，劉宏斌，陳安強(qiáng)，毛妍婷，續(xù)勇波

1. 云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境資源研究所，云南 昆明 650200；2. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；3. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)，云南 昆明 650200

長期定位施肥對土壤的碳氮共濟(jì)效應(yīng)情景分析

雷寶坤1，劉宏斌2，陳安強(qiáng)1，毛妍婷1，續(xù)勇波3*

1. 云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境資源研究所，云南 昆明 650200；2. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；3. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)，云南 昆明 650200

碳氮共濟(jì)的概念體現(xiàn)了二者間共同依賴、共同轉(zhuǎn)化、共同協(xié)作的關(guān)系，將土壤碳和氮均作為改善土壤質(zhì)量的主動因素，這一概念有別于其它碳氮關(guān)系論述時只考慮元素間的被動耦合機(jī)制。土壤碳和氮之間存在著相互依存和相互制約的關(guān)系，土壤碳、氮在數(shù)量上和結(jié)構(gòu)上需要處于什么樣的狀態(tài)才能夠?qū)崿F(xiàn)土壤碳氮的共濟(jì)關(guān)系，土壤碳對氮有多大的承載能力等是值得探討的問題。文章利用我國長期定位試驗中的土壤碳氮數(shù)據(jù)，分析土壤的碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化特征、施肥對土壤w(C)/w(N)比的影響、土壤碳對氮素的儲存能力、碳氮共濟(jì)關(guān)系及其情景分析，以便為充分挖掘土壤碳氮的生物學(xué)潛力、提高土壤生產(chǎn)力、改善環(huán)境和實現(xiàn)碳氮的良性循環(huán)提供依據(jù)。通過檢索文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫，選取了69篇記載有土壤碳氮數(shù)據(jù)的有代表性的文章，獲得土壤碳氮數(shù)據(jù)1782項。分析結(jié)果表明：土壤碳氮關(guān)系可以用yC＝7.66xN+1.8162(r2＝0.734**, n=737)表達(dá)，土壤平均全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.17 g·kg-1，變化范圍在0.08～3.52 g·kg-1之間，土壤平均有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.8 g·kg-1，變化范圍在0.64～32.08 g·kg-1之間；土壤w(C)/w(N)比集中在7.6～10.7之間，占總樣本的80%左右，有機(jī)無機(jī)配施有利于提高土壤的w(C)/w(N)比，單施化肥，特別是偏施某一種化肥時，將顯著降低土壤的w(C)/w(N)比；在土壤氮素儲存率為N 20 kg·hm-2·a-1，目標(biāo)w(C)/w(N)比為9、10、11的情景下，目前已經(jīng)處于碳飽和的土壤分別占：52.7%、72.1%、87.5%；儲存率為N 50 kg·hm-2·a-1的情景下分別占：58.2%、78.2%、91.4%；儲存率為N 100 kg·hm-2·a-1的情景下分別占68.7%、87.6%、95.8%。土壤碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)變異很大，總體碳氮比穩(wěn)定在7.66左右，偏施化肥將顯著降低土壤的w(C)/w(N)比，較低的土壤w(C)/w(N)比和較高的氮素儲存率情景下，土壤碳素對氮素儲存能力將會迅速達(dá)到飽和，這將帶來潛在的環(huán)境風(fēng)險和降低土壤生產(chǎn)能力。土壤碳氮共濟(jì)關(guān)系直接影響到土壤中氮素的固定、礦化、硝化等過程；也影響到土壤的微生物活性；對土壤有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量也產(chǎn)生重要影響，最終將影響到植物的生長狀況和帶來環(huán)境風(fēng)險。因此，進(jìn)一步的研究工作應(yīng)該側(cè)重于揭示土壤碳氮共濟(jì)失調(diào)的根本原因、揭示土壤有機(jī)質(zhì)的組分變化和動力學(xué)特征。

碳氮共濟(jì)；情景分析；碳飽和；w(C)/w(N)比

土壤有機(jī)碳是土壤質(zhì)量的核心，是土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)，是植物養(yǎng)分的重要來源，土壤有機(jī)碳不僅決定著土壤中C、N、P、S，等養(yǎng)分循環(huán)和轉(zhuǎn)化，而且也是這些養(yǎng)分元素最重要的“庫”和“源”。土壤有機(jī)碳的數(shù)量和質(zhì)量影響著土壤性質(zhì)、過程和行為，在維持土壤質(zhì)量、控制養(yǎng)分和污染物的生物有效性中起著重要的作用。歐洲早期的先民就已經(jīng)開始施用有機(jī)肥來提高作物的產(chǎn)量（Bogaarda等，2013），土壤有機(jī)碳(SOC)在全球碳循環(huán)和氣候變化中也起著關(guān)鍵的作用。土壤氮素是植物生長所必需的營養(yǎng)元素，是土壤生產(chǎn)力的重要限制性因素。土壤中氮循環(huán)將影響到其它重要的生物地球化學(xué)循環(huán)乃至全球環(huán)境變化。在過去的幾百年中，人類活動向全球陸地氮循環(huán)中輸人了雙倍的氮量，已經(jīng)引起了全球氮超載及一系列的環(huán)境問題。農(nóng)田氮在土壤圈中的生物學(xué)富集主要依賴于碳的富集(氮的有機(jī)化)，即依賴于光合作用或有機(jī)物第一性生產(chǎn)過程的強(qiáng)度，通常需20份以上的碳才能富集一份氮(w(C)/w(N)比≥20)。根據(jù)英國洛桑試驗站150多年的試驗研究，單施無機(jī)氮肥，土壤全氮只增加了0.02%左右，也不能使土壤有機(jī)碳顯著增加。而日本在水稻土上10年的研究表明，隨著化肥氮用量增加，土壤有機(jī)質(zhì)也在增加，但是過量投入氮素，土壤有機(jī)質(zhì)反而下降。根據(jù)研究，土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2%左右時，土壤的氮素利用效率是最高的（MAGDOFF和WEIL，2004）。我國面臨著需要用越來越少的耕地養(yǎng)活越來越多的人口問題，保護(hù)高質(zhì)量的耕地是解決問題的關(guān)鍵（Kong，2014），土壤碳氮的科學(xué)管理有助于建設(shè)高質(zhì)量農(nóng)田。

由此可見，土壤碳和氮之間存在著相互依存和相互制約的關(guān)系。土壤碳、氮在數(shù)量上、質(zhì)量上和結(jié)構(gòu)上需要處于什么樣的狀態(tài)才能夠?qū)崿F(xiàn)土壤碳氮的共濟(jì)關(guān)系？土壤碳對氮有多大的承載能力？這些是值得探討的問題，為此，本文利用我國長期定位試驗中的土壤碳氮數(shù)據(jù)，分析土壤的碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化特征、施肥對土壤w(C)/w(N)比的影響、土壤碳對氮素的儲存能力、碳氮共濟(jì)關(guān)系及其情景分析，以便為充分挖掘土壤碳氮的生物學(xué)潛力、提高土壤生產(chǎn)力、改善環(huán)境和實現(xiàn)碳氮的良性循環(huán)提供依據(jù)。

1 材料與方法

通過檢索中國期刊網(wǎng)自1980年起有關(guān)長期定位試驗的文獻(xiàn)，收集了文獻(xiàn)中不同處理的土壤的有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)。選取了69篇文章，數(shù)據(jù)覆蓋了全國25個省、市、區(qū)，獲得了892項0～30 cm土壤的有機(jī)質(zhì)和全氮數(shù)據(jù)，同時獲得了土壤剖面的碳氮數(shù)據(jù)159項。針對長期定位施肥試驗中土壤的碳氮共濟(jì)關(guān)系進(jìn)行了深入的解剖和系統(tǒng)客觀的分析。

碳氮儲量的計算如下：

1 m土體碳氮儲量的計算

Nmass=C×B×H×105

Nmass－土壤中全氮或有機(jī)碳儲量(kg·hm-2)

C－土壤全氮或有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)

B－土壤容重(t·m-3)

H－土層厚度(m)

多個土層碳氮儲量的計算，如果某一土體的剖面由k層組成，那么該剖面的土壤中全氮或有機(jī)碳儲量TNmass的計算公式為：

土壤碳對氮儲存能力計算：

利用SCHIPPER（2004）提出的計算模型進(jìn)行計算：

Y－土壤有機(jī)碳達(dá)到飽和所需年數(shù)

Ct－1 m土體的碳儲量（kg·hm-2），以C計算。

Nt－1 m土體的氮儲量（kg·hm-2），以N計算。

w(C)/w(N)－土壤w(C)/w(N)比

SR－氮素進(jìn)入有機(jī)質(zhì)的速率（kg·hm-2·a-1），以N計算。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤碳氮相關(guān)性及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)特征

從總體的土壤碳氮關(guān)系上看（圖1），兩者間呈顯著的線性正相關(guān)，可以用yC＝7.66xN+1.8162 (r2＝0.734**，n=737)表達(dá)，由此可見土壤的w(C)/w(N)穩(wěn)定在7.66左右。從土壤w(C)/w(N)分布頻率看，其主要集中在7.6～10.7之間，占總樣本的80%左右。

土壤的C質(zhì)量分?jǐn)?shù)與w(C)/w(N)之間的關(guān)系并沒有表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系，土壤的全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)與w(C)/w(N)之間的關(guān)系也沒有表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明：土壤的w(C)/w(N)比總體上并沒有隨土壤碳的增加而增加，也沒有隨土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而下降，土壤的w(C)/w(N)與土壤的碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間表現(xiàn)出的是多樣化的關(guān)系。

圖1 土壤全氮與有機(jī)質(zhì)的關(guān)系Fig. 1 Correlations between total nitrogen and organic carbon

土壤平均全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.17 g·kg-1，變化范圍為0.08～3.52 g·kg-1，極差為3.44 g·kg-1，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變異很大。土壤平均有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.8 g·kg-1，變化范圍為0.64～32.08 g·kg-1，極差為31.44 g·kg-1，有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變異也很大。土壤碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)極大的變異性，使得土壤碳氮的共濟(jì)關(guān)系產(chǎn)生顯著影響，使得碳氮回歸直線的長度延長了，總體上降低了碳氮之間的相關(guān)性。有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不能單一決定土壤的w(C)/w(N)比（表1）。

表1 有機(jī)碳和全氮的基本統(tǒng)計量Table 1 Descriptive statistics of organic carbon and total nitrogen

從土壤有機(jī)碳分布頻率來看（圖2），土壤有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)主要集中在5.4～14.8 g·kg-1之間，這一質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍的土壤有機(jī)碳占到土壤總樣本的83.4%，有機(jī)碳小于5.4 g·kg-1的土壤樣本占3.26%，有機(jī)碳大于14.8 g·kg-1的土壤樣本占13.3%。土壤全氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)主要集中在0.6～2.0 g·kg-1之間，這一質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍的土壤全氮占到土壤總樣本的92.94%，其中以全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9 g·kg-1所占的比例最高，占總樣本的37%，全氮小于0.6 g·kg-1的土壤樣本占2.17%，全氮大于2.0 g·kg-1的土壤樣本占4.88%。

2.2 不同施肥處理的土壤w(C)/w(N)比

從不同的施肥處理的土壤w(C)/w(N)比來看（圖3），總體上來說，施用有機(jī)肥的處理土壤w(C)/w(N)比相對較高，其中以單施有機(jī)肥的處理土壤w(C)/w(N)比最高，為10.3。只施化肥的各處理均比施有機(jī)肥的各處理w(C)/w(N)比低。其中以偏施氮肥或磷肥的土壤w(C)/w(N)比最低，氮磷鉀配合施用可以一定程度上提高土壤的w(C)/w(N)比，但是w(C)/w(N)比值均低于10。不施肥的空白處理（CK），土壤w(C)/w(N)比也能維持在相對較高的水平，為9.7，這一比值可以看成是土壤碳氮處于相對自然狀態(tài)下的穩(wěn)定值。通過人為的施肥措施，將會升高或者降低土壤的w(C)/w(N)比值。有機(jī)無機(jī)配施有利于提高土壤的w(C)/w(N)比，單施化肥，特別是偏施某一種化肥時，將顯著降低土壤的w(C)/w(N)比。

根據(jù)土壤w(C)/w(N)比例高低，將土壤碳氮共濟(jì)關(guān)系分成3種類型：w(C)/w(N)5～9、w(C)/w(N)9～12、w(C)/w(N)＞12。將w(C)/w(N)＜9和w(C)/w(N)＞12作為土壤碳氮失衡的類型，w(C)/w(N)9～12作為土壤碳氮平衡的類型。在土壤w(C)/w(N)比例較小的條件下，土壤碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變幅很大，在0.556%～2.268%之間（圖4），可見，在土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)很高和很低的情況下都有可能發(fā)生土壤的w(C)/w(N)比例失衡。高有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的w(C)/w(N)比例失衡主要出現(xiàn)在菜田土壤上；在土壤w(C)/w(N)比例相對平衡的類型中，土壤碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變幅也比較大，在0.80%～2.57%之間，可見，在土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)貧乏的土壤上也有實現(xiàn)w(C)/w(N)比例相對平衡的可能。土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高而且w(C)/w(N)比例平衡的土壤主要出現(xiàn)在東北的黑土和部分有機(jī)無機(jī)肥配施的處理上。土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高且w(C)/w(N)比例協(xié)調(diào)也正是土壤培肥的目標(biāo)；土壤w(C)/w(N)比例升高的情況主要發(fā)生在偏施秸稈、有機(jī)肥和不施肥的試驗處理上。

圖2 土壤有機(jī)碳和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的頻率分布Fig. 2 Frequency distribution of total nitrogen and organic carbon in soil

圖3 不同施肥處理的土壤w(C)/w(N)比Fig. 3 Carbon to nitrogen ratio with treatments

圖4 土壤的w(C)/w(N)比特征Fig. 4 Characteristics of carbon to nitrogen ratio in soil

2.3 土壤碳對氮的儲存能力情景分析

通過土壤剖面的碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)，利用規(guī)劃求解的方法得到土壤碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)與剖面深度的函數(shù)關(guān)系：全氮與土壤深度的函數(shù)XN=1/(6.6796+ 0.11221XH)、有機(jī)碳與土壤深度的函數(shù)XC=0.4433×EXP(14.944/XH)，由此可以得到不同土壤深度碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)修正系數(shù)（表2）。這樣就可以通過0～20 cm的土壤數(shù)據(jù)，將土壤的碳氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)推演到1 m土體，進(jìn)而可以計算出1 m土壤的碳氮儲量。

利用土壤的碳氮儲量、土壤w(C)/w(N)（9、10、11）以及土壤氮的轉(zhuǎn)化速率（N 20、50、100 kg·hm-2·a-1），進(jìn)行了土壤碳素對氮素儲存能力飽和的情景分析。共設(shè)置了9種不同的情景（表3）。在土壤氮素儲存率為N 20 kg·hm-2·a-1，目標(biāo)w(C)/w(N)比為9、10、11的情景下，目前已經(jīng)處于飽和的土壤分別占：52.7%、72.1%、87.5%；儲存率為N 50 kg·hm-2·a-1的情景下分別占：58.2%、78.2%、91.4%；儲存率為N 100 kg·hm-2·a-1的情景下分別占68.7%、87.6 %、95.8%。如果目標(biāo)w(C)/w(N)很高（11），且氮素儲存率也高（N 100 kg·hm-2·a-1）的情況下，土壤碳的儲氮能力將迅速飽和，僅有4.2%的土壤目前沒有飽和；如果目標(biāo)w(C)/w(N)較低（9），且氮素儲存率也低（N 20 kg·hm-2·a-1）的情況下，土壤碳的儲氮能力達(dá)到飽和的時間會有所延長，有41.8%的土壤目前沒有飽和（圖5）。

表3 情景設(shè)置Table 3 Setting the scenarios

3 討論

本文探討的一個核心問題之一是土壤的w(C)/w(N)比問題，從圖1可以看出，土壤總體的w(C)/w(N)比很低，穩(wěn)定在7.66左右。有很多因素將會影響土壤的w(C)/w(N)比，在施氮量較低到適宜的范圍內(nèi)（N 0～134 kg·hm-2），美國23年的長期定位試驗研究結(jié)果表明：隨著施氮量的增加土壤w(C)/w(N)比也在增加，但是進(jìn)一步增加施氮量，土壤w(C)/w(N)比反而下降（RAUN等，1998）。土壤的w(C)/w(N)比變化規(guī)律為輕組w(C)/w(N)比大于重組w(C)/w(N)比，隨著土壤粒徑的減小，土壤w(C)/w(N)比下降（LF150～2000 μm＞IF150～2000 μm＞HF150～2000 μm＞50～150 μm＞50 μm）（ACCOEA等，2004；YAMASHITA等，2006）。土壤顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)和大團(tuán)聚體中的w(C)/w(N)比要比微團(tuán)聚體和粘粒中的高，土壤密度組分中的w(C)/w(N)比高低順序為：POM＜1.6＞occluded POM＞Mineral-SOM，說明與顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)和大團(tuán)聚體結(jié)合的土壤有機(jī)碳處于初始的狀態(tài)，有機(jī)質(zhì)降解的很少（LIAO和JASTROW，2006；JOHN等，2005）。在巴西的長期定位試驗研究表明（DIEKOW等，2005），在不同的作物體系和施肥水平下，土壤剖面w(C)/w(N)比發(fā)生了顯著的變化，隨著土壤深度的增加，土壤w(C)/w(N)比在下降，與此同時，土壤的粘粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)是隨著土壤深度的增加而增加，這跟粘粒礦物含有更多的固定態(tài)銨有關(guān)系。無論是土壤總的w(C)/w(N)比還是顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)的w(C)/w(N)比，森林土壤大于草地、牧場和糧田（FRANZLUEBBERS等，2000）。在德國的研究也表明（LEIFELD和KOGEL-KNABNER，2005），農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸?，土壤w(C)/w(N)比升高，草地轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田，土壤w(C)/w(N)比下降。全國水田和旱地土壤有機(jī)w(C)/w(N)比值分別為10.8和9.9（許泉等，2006）。不同作物對土壤的碳氮含量、比例的要求有一定的差異性，具體表象在一般禾本科作物的莖稈如水稻稈、玉米稈和雜草的碳氮比都很高，可以達(dá)到(60～100)∶1，豆科作物的莖稈的碳氮比都較小，如一般豆科綠肥的碳氮比為(15～20)∶1。碳氮比大的有機(jī)物分解礦化較困難或速度很慢。如果碳氮比過大，微生物的分解作用慢，而且要消耗土壤中的有效態(tài)氮素，所以在施用碳氮比大的有機(jī)肥時，都應(yīng)該補(bǔ)充含氮多的肥料以調(diào)節(jié)碳氮比。

表2 土壤剖面碳氮儲量的計算Table 2 Calculating the stock of carbon and nitrogen in soil profile

圖5 不同碳儲存率和目標(biāo)w(C)/w(N)比情景下，不同年限下，土壤達(dá)到碳飽和的百分率Fig. 5 Proportion of soils with remaining nitrogen storage capacity plotted against time use a range of scenarios with differing minimum w(C)/w(N) ratios and nitrogen storage rate

DISE等，1998研究了英國針葉林土壤w(C)/w(N)比與土壤硝態(tài)氮淋失的關(guān)系證明，土壤w(C)/w(N)比可以作為硝態(tài)氮淋失的一個指標(biāo)，GUNDERSENA等，1998研究了丹麥33個溫帶針葉林土壤，得出了同樣的結(jié)果，隨著土壤w(C)/w(N)比的增加，硝態(tài)氮的淋失量在下降。隨著有機(jī)肥w(C)/w(N)比的增加，有機(jī)肥對土壤NO3-質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降低效果趨于明顯，隨著施氮量的增加，等量有機(jī)肥對土壤中NO3-的影響程度減?。▌⑿诱J(rèn)等，2006）。

土壤穩(wěn)定態(tài)的有機(jī)氮的礦化率與土壤全氮沒有相關(guān)性，但是與土壤的w(C)/w(N)比呈極顯著的負(fù)指數(shù)相關(guān)。當(dāng)土壤的w(C)/w(N)比大于15時，土壤有機(jī)氮的礦化率將變得很低。因此，土壤的有機(jī)碳和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以作為土壤穩(wěn)定態(tài)有機(jī)質(zhì)氮素礦化勢的指標(biāo)，可以據(jù)此對土壤氮素?fù)p失做出預(yù)測（SPRINGOB和KIRCHMANN，2003）。為了驗證土壤w(C)/w(N)比是否能夠調(diào)控土壤氮素的礦化、固定和反硝化過程（BENGTSSON等，2003），利用瑞典w(C)/w(N)比為15，17和27的森林土壤，15NH4Cl和Na15NO3被加入土壤中進(jìn)行培養(yǎng)試驗，結(jié)果表明土壤的呼吸作用和ATP含量對氮素的礦化和固定率的影響要大于土壤w(C)/w(N)比的影響。土壤的硝化作用取決于土壤的w(C)/w(N)比和ATP含量，w(C)/w(N)比越低，硝化作用越強(qiáng)。胡敏素的w(C)/w(N)比比土壤的w(C)/w(N)比高，這可能是因為胡敏素中的氮素被礦化的原因。傳統(tǒng)耕作和休耕土壤中胡敏素的w(C)/w(N)比比有機(jī)管理和優(yōu)化管理的土壤的低，這也意味著土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量的下降（COVALEDA等，2006）。肥料組合的w(C)/w(N)比越高，土壤微生物對肥料N的固定量越大，但其釋放率逐漸降低。肥料組合的w(C)/w(N)比越高，對土壤的抑制作用越大，w(C)/w(N)比在20左右能夠獲得最高的干物質(zhì)累積量（唐玉霞等，2007）。

4 結(jié)論

（1）從總體的土壤碳氮共濟(jì)關(guān)系上看，兩者間呈顯著的線性正相關(guān)yC＝7.66xN+1.8162(r2＝0.734**，n=737)，由此可見土壤的w(C)/w(N)穩(wěn)定在7.66左右。土壤平均全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.17 g·kg-1，變化范圍在0.08～3.52 g·kg-1之間，土壤平均有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.8 g·kg-1，變化范圍在0.64～32.08 g·kg-1之間。土壤有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)主要集中在5.4～14.8 g·kg-1之間，這一質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍的土壤有機(jī)碳占到土壤總樣本的83.4%。土壤全氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)主要集中在0.6～2.0 g·kg-1之間，這一質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍的土壤全氮占到土壤總樣本的92.94%。

（2）通過人為的施肥措施，將會升高或者降低土壤的w(C)/w(N)比值。有機(jī)無機(jī)配施有利于提高土壤的w(C)/w(N)比，單施化肥特別是偏施某一種化肥時將顯著降低土壤的w(C)/w(N)比。在土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)很高和很低的情況下都有可能發(fā)生土壤的w(C)/w(N)比例失衡。在土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)貧乏的土壤上也有實現(xiàn)w(C)/w(N)比例相對平衡的可能。

（3）在土壤氮素儲存率為N 20 kg·hm-2·a-1，目標(biāo)w(C)/w(N)比為9、10、11的情景下，目前已經(jīng)處于碳飽和的土壤分別占：52.7%、72.1%、87.5%；儲存率為N 50 kg·hm-2·a-1的情景下分別占：58.2%、78.2%、91.4%；儲存率為N 100 kg·hm-2·a-1的情景下分別占68.7%、87.6%、95.8%。如果目標(biāo)w(C)/w(N)很高（11），且氮素儲存率也高（N 100 kg·hm-2·a-1）的情況下，土壤碳的儲氮能力將迅速飽和，僅有4.2%的土壤目前沒有飽和；如果目標(biāo)w(C)/w(N)較低（9），且氮素儲存率也低（N 20 kg·hm-2·a-1）的情況下，土壤碳的儲氮能力達(dá)到飽和的時間會有所延長，有41.8%的土壤目前沒有飽和。

（4）土壤w(C)/w(N)比直接影響到土壤中氮素的固定、礦化、硝化等過程；也影響到土壤的微生物活性；對土壤有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量也產(chǎn)生重要影響，最終將影響到植物的生長狀況和帶來環(huán)境風(fēng)險。因此，進(jìn)一步的研究工作應(yīng)該側(cè)重于揭示土壤w(C)/w(N)比下降的根本原因、揭示土壤有機(jī)質(zhì)的組分變化和動力學(xué)特征。

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Scenario Analysis on Effects of Long-term Fertilization on Soil Carbon and Nitrogen Codependency

LEI Baokun1, LIU Hongbin2, CHEN Anqiang1, MAO Yanting1, XU Yongbo3*

1. Institute of Agriculture Environment and Resources, Yunnan Academy of Agricultural Sciences, Kunming 650205, China; 2. Institute of Agricultural Resources and Regionalization, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China; 3. Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China

The term of carbon (C) and nitrogen (N) codependency, reflecting the relation of mutual dependence, co-transformation and cooperation, is regarded as active factors for improving soil quality, which differs it from the passive couple mechanism for discussing the soil C and N relationship. There was an interrelation of mutual dependence and interaction between C and N in soil. What quantity and composition of soil C and N could facilitate the codependency of C and N? How much soil N could be sustained by soil C? These problems deserve further consideration. The paper analysed the change in soil C and N concentrations, effects of fertilization on the soil w(C)/w(N) ratio, soil capacity of conserving N by C, the relationship of soil C and N codependency and its scenario analysis by data mining the long-term fertilization experiment results to explore the biologic potential of soil C and N, improve soil productivity, environment and balanced cycling of soil C and N. By searching literature database, we obtained about 1782 long-term fertilization data on carbon and nitrogen in China soil from 69 representative articles. Results from analyzing these data sets indicated that the correlation between organic C and total N could be expressed by the function yC＝7.66xN+1.8162 (r2＝0.734**, n=737). The mean concentrations of total N and organic C were 1.17 g·kg-1and 10.8 g·kg-1, and ranged from 0.08 g·kg-1to 3.52 g·kg-1and from 0.64 g·kg-1to 32.08 g·kg-1, respectively. Carbon to nitrogen ratio (w(C)/w(N)) concentrated on the range from 7.6 to 10.7, accounting for 80% of the total samples. It was helpful to increase w(C)/w(N) through fertilizing inorganic and organic fertilizer together. Solely fertilizing synthesized fertilizers, especially only one fertilizer, decreased w(C)/w(N) significantly. Under the scenario of the storage rate of 20 kg N ·hm-2·a-1and the target w(C)/w(N) of 9, 10 and 11, the soil samples of carbon saturation accounted for 52.7%, 72.1% and 87.5% of the total soil samples, respectively. Under the scenario of the storage rate of 50 kg N ·hm-2·a-1, the soil samples of carbon saturation accounted for 58.2%, 78.2% and 91.4% of the total soil samples, respectively. Under the scenario of the storage rate of 100 kg N ·hm-2·a-1, the soil samples of carbon saturation accounted for 68.7%, 87.6% and 95.8% of the total soil samples, respectively. There was a wide range of soil carbon and nitrogen concentration. The soil w(C)/w(N) ratios stabilized in about 7.66. The soil w(C)/w(N) ratios were decreased when only synthesized fertilizers were applied. Under the scenario of higher accumulation rate of N and lower soil w(C)/w(N) ratio, The capacity of conserving nitrogen by carbon could be saturated rapidly, which would lead to potential environmental risk and declined soil productivity. The codependency between soil C and N directly influences N mineralization, N immobilization, nitrification, denitrification, as well as microorganism activity and quality of organic matter in soils, which ultimately effects plant growth and poses environmental pollution risk. Therefore, further research should lay emphasis on the reason of imbalance of carbon and nitrogen codependency, the change in soil organic C composition, and its dynamic characteristics.

carbon and nitrogen codependency; scenario analysis; carbon saturation; carbon to nitrogen ratio

S147.2

A

1674-5906（2014）10-1567-07

雷寶坤，劉宏斌，陳安強(qiáng)，毛妍婷，續(xù)勇波. 長期定位施肥對土壤的碳氮共濟(jì)效應(yīng)情景分析[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 2014, 23(10): 1567-1573.

LEI Baokun, LIU Hongbin, CHEN Anqiang, MAO Yanting, XU Yongbo. Scenario analysis on effects of long-term fertilization on soil carbon and nitrogen codependency [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(10): 1567-1573.

國家自然科學(xué)基金項目（31160413；31101605；31260503)

雷寶坤(（1976年生），男，副研究員，研究方向為土壤碳氮轉(zhuǎn)化，施肥與環(huán)境。E-mail: bklei@163.com

*通信作者：續(xù)勇波（1974年生），女，副教授，博士，研究方向為土壤與環(huán)境。E-mail: xuyongboxx@163.com

2014-08-27