全 文 ：中国生态农业学报 2010年 7月 第 18卷 第 4期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, July 2010, 18(4): 689−692


* 湖北省自然科学基金项目(2008CDB042)、湖北省农业创新中心专项资金项目(2007-620-003-03)资助
** 通讯作者, E-mail: shlaili@sohu.com
胡诚, 博士, 助理研究员, 主要从事土壤生态学及农业生态环境研究。E-mail: huchenghxz@163.com
收稿日期: 2009-10-13 接受日期: 2009-11-13
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2010.00689
长期不同施肥方式下土壤有机碳的垂直分布及碳储量*
胡 诚 乔 艳 李双来** 陈云峰 刘国际
(湖北省农业科学院植保土肥研究所 武汉 430064)
摘 要 为了研究施肥对土壤有机碳含量的影响, 在湖北省农业科学院南湖实验站进行了 25年不同施肥方式
的长期定位试验。研究结果表明: 与对照相比, 除单施氮肥与单施有机肥外, 其他施肥方式均提高了 0~20 cm
土壤有机碳含量与碳储量; 与对照及单施化肥相比, 有机肥配施化肥均提高了 0~20 cm及 0~100 cm土壤有机
碳含量与碳储量。单施化肥与单施有机肥对各土层土壤有机碳含量影响较小, 且土壤有机碳累积少; 而化肥配
施有机肥提高了 0~20 cm与 20~40 cm土壤有机碳含量与碳储量。除对照及氮磷钾肥配施过量有机肥处理外,
其他处理土壤全氮与有机碳含量间具有显著相关性。有机肥与化肥配合施用是提高农田土壤有机碳, 增加土
壤碳储量的有效方法。
关键词 黄棕壤 长期定位施肥 土壤有机碳 碳储量
中图分类号: S154.1 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2010)04-0689-04
Vertical distribution and storage of soil organic carbon under
long-term fertilization
HU Cheng, QIAO Yan, LI Shuang-Lai, CHEN Yun-Feng, LIU Guo-Ji
(Institute of Plant Protection and Soil Science, Hubei Academy of Agricultural Sciences, Wuhan 430064, China)
Abstract To determine the effect of different fertilization schemes on soil organic carbon content and storage, long-term fertiliza-
tion experiment were carried out in Nanhu Experimental Station, Hubei Academy of Agricultural Sciences. With the exception of
single application of nitrogen or manure, soil organic carbon content and storage in the 0~20 cm soil layer increase under fertilization
compared to the control. Soil organic carbon content and storage in the 0~20 cm and 0~100 cm soil layers increase under combined
application of chemical fertilizer and manure compared to the control and single application of chemical fertilizer or manure. Soil
organic carbon content is less affected and storage is lower with single chemical fertilizer or single manure application in all the soil
layers. However, soil organic carbon content and storage in the 0~20 cm and 20~40 cm soil layers are higher under combined appli-
cation of chemical fertilizer and manure. Except for the control and combined application of chemical fertilizer and excessive manure,
significant positive correlations (P<0.05) are noted between soil total nitrogen and organic carbon content under other fertilization
schemes. In conclusion, combined applications of chemical fertilizer and manure should be advocated to enhance agricultural soil
organic carbon storage.
Key words Yellow-brown soil, Long-term fertilization, Soil organic carbon, Carbon storage
(Received Oct. 13, 2009; accepted Nov. 13, 2009)
有机碳是土壤的重要组成部分, 在土壤肥力、
环境保护与农业可持续发展方面具有重要意义。一
方面土壤有机碳含有植物生长所必需的各种营养元
素, 具有改善土壤物理化学性状, 提高土壤供水保
水能力和生物活性, 促进营养元素转化, 减少作物
病害发生的作用, 从而决定了作物产量; 另一方面
土壤有机碳是陆地生态系统重要的碳库, 是大气中
CO2 巨大的源或汇, 对全球碳素循环的平衡起着重
要作用[1−2]。农田具有大气 CO2源和汇的双重潜力。
历史上由于人类对农田过度开垦和耕种, 土壤有机
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碳含量大幅度下降, 降低了土壤肥力, 影响农业可
持续发展; 同时导致大量碳以 CO2 形式由陆地生态
系统排放到大气圈, 加剧了全球温室效应[3]。以前有
大量的有关有机碳储量的调查研究, 但多集中在土
地利用变化及不同土地利用方式对土壤碳积累的影
响 , 较少研究农业管理措施对土壤碳积累的影响 ,
尤其是长期定位施肥对土壤碳累积的研究尚少见报
道[4−5]。本文以黄棕壤地区 25 年长期定位试验为基
础, 探讨长期施肥对土壤有机碳含量的影响, 为提
高土壤有机碳累积提供科学依据。
1 材料与方法
试验设在湖北省武汉市湖北省农业科学院南湖
实验站内(30º28′N, 114º25′E), 该区为北亚热带向中
亚热带过渡型的地理气候带, 光照充足, 热量丰富,
无霜期长, 降水充沛。年平均日照时数为 2 080 h, ≥
10 ℃总积温为 5 190 ℃, 年降雨量 1 300 mm左右,
年蒸发量 1 500 mm, 无霜期 230~300 d。土壤类型为
黄棕壤发育的黄棕壤性水稻土, 属潴育水稻土亚类,
黄泥田土属。地形为垄岗平原, 海拔高度 20 m。提
水灌溉, 排灌方便。
长期定位试验始于 1981 年种植水稻时, 属全
国化肥试验网布置在长江流域稻麦两熟区的无机与
有机肥料长期定位试验。试验开始时的耕层土壤
(0~20 cm)有机质含量为 27.43 g·kg−1, 全氮含量为
1.801 g·kg−1, C/N为 8.83, 全磷含量为 1.004 g·kg−1,
全钾含量为 30.218 g·kg−1, 碱解氮含量为 150.7
mg·kg−1, 铵态氮含量为 9.4 mg·kg−1, 速效磷含
量为 5.0 mg·kg−1, 速效钾含量为 98.5 mg·kg−1, pH
6.3。
试验共设 9个处理: (1)不施肥对照(CK), (2)氮肥
(N), (3)氮磷肥(NP), (4)氮磷钾肥(NPK), (5)常量有机
肥(M), (6)氮肥+常量有机肥(NM), (7)氮磷+常量有
机肥(NPM), (8)氮磷钾+常量有机肥(NPKM), (9)氮
磷钾+1.67倍有机肥(NPKM)。每个处理设 3次重复。
试验小区随机区组排列, 小区面积 40 m2(8 m×5 m),
小区间用 40 cm深的水泥埂隔开, 每个重复间有 40
cm宽的水泥排水沟。化肥用量为每年施用纯 N 150
kg·hm−2, P2O5 75 kg·hm−2, K2O 150 kg·hm−2, N︰
P2O5︰K2O 为 2︰1︰2。有机肥料为鲜猪粪, 堆置田
间 1 周后施用, 猪粪含 C 262.18 g·kg−1、N 15.1
g·kg−1、P2O5 20.8 g·kg−1、K2O 13.6 g·kg−1、H2O
69%, C/N 为 17.36。中稻与小麦常规施猪粪均为
11 250 kg·hm−2。中稻化肥施用量占全年施肥量的
60%, 小麦占 40%。
水稻和小麦的肥料施用方式均为磷钾肥及有机
肥移栽或播种前一次性全层基施; 氮肥为水稻基肥
40%、分蘖肥 40%、穗肥 20%, 小麦基肥 50%、腊
肥 25%、拔节肥 25%。氮肥为尿素和磷酸一铵(尿素
N 46%), 磷肥为磷酸一铵(N 10%, P2O5 46%), 钾肥
为氯化钾(K2O 60%)。水稻和小麦收获后地上部分全
部带走。
采用冬小麦夏水稻种植模式。2006年中稻收获
后, 翻地种植冬小麦前取样, 将 0~100 cm 土层分 5
个层次(0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm、60~80 cm
和 80~100 cm), 每个层次取样, 每个处理取 1 个剖
面。土壤容重采用环刀法测定, 土壤有机碳用重铬
酸钾外热源法测定, 土壤全氮采用半微量凯氏法测
定[6]。
土壤有机碳储量的计算公式如下[5]:
1
1
( ) 10i i i
n
S
i
TOC C Tρ −
=
= × × ×∑ (1)
式中, TOCS为特定深度的土壤有机碳储量(t·hm−2),
Ci 为第 i 层土壤有机碳含量(g·kg−1), ρi为第 i层土
壤容重(g·cm−3), Ti为第 i 层土壤厚度(cm), n 为
土层数。数据分析及相关性分析用 SPSS11.5软件进
行, 在 P<0.05水平被认为显著性相关。
2 结果与分析
2.1 不同施肥处理土壤有机碳的垂直分布
土壤有机碳的剖面分布见表 1。从表中可以看
出, 所有处理的 0~20 cm 土层土壤有机碳含量均远
高于其他土层, 其中最大值是 NPM 处理, 为 27.53
g·kg−1, 其次为 NM 处理, 为 25.21 g·kg−1。与对
照相比, 单施化肥与单施有机肥对各土层土壤有机
碳含量影响较小。然而, 化肥配施有机肥各处理在
0~20 cm及 20~40 cm土层土壤有机碳含量都远高于
对照, 对其他土层影响小。
2.2 不同施肥处理不同深度土壤的 C/N比
从表 2 可以看出, 除对照及 NPKM处理的土壤

表 1 不同施肥处理不同深度土壤有机碳含量
Tab. 1 Soil organic carbon content in different depths under
different fertilization treatments g·kg−1
土壤深度 Soil depth (cm) 处理
Treatment 0~20 20~40 40~60 60~80 80~100
CK 16.35 6.74 10.22 6.27 7.88
N 14.21 6.86 14.28 6.02 7.68
NP 19.17 5.12 8.37 6.57 7.46
NPK 16.99 2.99 13.05 9.84 7.43
M 15.81 4.41 3.43 10.91 10.55
NM 25.21 11.15 2.92 15.75 13.68
NPM 27.53 10.90 8.54 6.62 7.95
NPKM 23.90 11.15 8.59 6.08 8.05
NPKM 18.90 11.85 7.83 5.67 7.88
第 4期 胡 诚等: 长期不同施肥方式下土壤有机碳的垂直分布及碳储量 691


表 2 不同施肥处理土壤全氮与有机碳之间的相关关系
Tab. 2 Relationships between total nitrogen (y) and total
organic carbon (x) under different fertilization treatments
处理
Treatment
回归方程
Regression equation
相关系数
Correlation coefficient
P
CK y=0.050 4x + 1.419 8 0.444 0.454
N y=0.087 7x + 0.790 0 0.934 0.020
NP y= 0.083 7x + 0.596 6 0.937 0.019
NPK y=0.139 3x + 0.426 7 0.969 0.007
M y=0.161 9x + 0.131 0 0.982 0.003
NM y=0.127 8x + 0.407 5 0.991 0.001
NPM y=0.083 3x + 1.119 5 0.913 0.030
NPKM y=0.071 0x + 1.318 1 0.907 0.034
NPKM y=0.031 1x + 1.821 8 0.462 0.434


全氮与有机碳含量间的相关性不显著, 其他处理土
壤全氮与有机碳含量间相关性显著或极显著。其中
相关系数最大的是 NM处理, 其次为M处理。除 NM
处理外, 其他处理 0~20 cm土层土壤的 C/N比均高
于其他土层, 其中NP处理的土壤 C/N比最高(表 3)。
除 NP处理外, 其他处理土壤的 C/N比都比 1981年
试验前的土壤低。
2.3 不同施肥处理土壤有机碳储量
0~20 cm土层, 与对照相比, 单施化肥与单施有
机肥不能增加土壤有机碳储量或增加很少, 但化肥
配施有机肥增加了土壤有机碳的储量(图 1a)。与单
表 3 不同施肥处理不同深度土壤的 C/N比
Tab. 3 Soil C/N ratio in different depths under different
fertilization treatments
土壤深度 Soil depth (cm)
0~20 20~40 40~60 60~80 80~100
CK 6.96 2.75 6.12 4.42 4.93
N 7.10 4.26 6.86 4.94 5.73
NP 8.87 6.16 5.62 4.98 6.84
NPK 6.51 3.64 5.28 5.02 5.80
M 5.49 4.95 4.40 6.20 6.39
NM 6.94 5.47 4.18 7.00 6.22
NPM 7.91 5.68 3.59 4.11 5.60
NPKM 7.91 4.91 5.61 3.13 4.17
NPKM 7.81 5.41 3.16 2.78 4.93

施化肥及单施有机肥相比, 化肥配施有机肥都增加
了土壤有机碳的储量。在 0~20 cm土层, NPM处理
土壤储存的有机碳最多, 达 64.15 t·hm−2, 而储存
有机碳最少的为 N处理, 仅为 38.22 t·hm−2。
在 0~100 cm土层, 各处理土壤有机碳储量的顺
序为 NM>NPM>NPKM>NPKM>NPK>CK>N>NP>M
(图 1b)。与单施化肥及单施有机肥相比, 各化肥配施
有机肥处理均增加了土壤有机碳储量。NM 处理土
壤储存的有机碳最多, 达 174.84 t·hm−2, 而储存有
机碳最少的为 M处理, 仅为 114.92 t·hm−2。


图 1 不同施肥处理下 0~20 cm (a)和 0~100 cm (b)土层的土壤有机碳储量
Fig. 1 Total organic carbon storage at 0~20 cm (a) and 0~100 cm (b) soil layers under different fertilization treatments

3 小结与讨论
长期试验结果显示, 与对照相比, 单施氮肥或
单施有机肥不能够提高土壤耕作层(0~20 cm)土壤的
有机碳含量。乔艳等[7]报道长期单施氮肥土壤耕作
层有机碳含量变化不大。但胡诚等[8−9]报道华北平原
冬小麦夏玉米种植模式下长期施用堆肥显著提高了
土壤耕作层有机碳含量, 而本试验中的有机肥是猪
粪, 可能是有机肥本身碳含量的差异所致。另外, 本
试验的冬小麦夏水稻种植摸式也可能会造成试验结
果的差异。本试验表明, 长期施用氮磷肥及氮磷钾
肥提高了土壤碳含量, Mandal 等[10]报道在印度小麦
玉米种植模式下, 长期施用氮磷肥及氮磷钾肥显著
提高土壤碳含量, 主要是因为施肥增加了作物生物
量 , 增加了根茬残留 , 提高了土壤有机碳储量 , 这
可以从稻谷的产量看出来, 氮磷肥及氮磷钾肥处理
的稻谷产量显著高于对照。相似的报道也见于其他
长期定位试验[11−12]。
化肥配施有机肥各处理在 0~20 cm及 20~40 cm
土层土壤有机碳含量都远高于对照。Mandal 等 [10]
报道土壤有机碳含量氮磷钾肥配施农家肥处理显著
处理
Treatment
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高于单施氮肥、单施氮磷肥、单施氮磷钾肥及对照
处理。Lee 等[13]报道长期施肥的稻田土壤有机碳含
量氮磷钾肥配施堆肥处理显著高于单施氮磷钾肥、
单施堆肥与对照。然而, Gong等[14]报道在冬小麦夏
玉米种植模式下单施堆肥土壤有机碳含量显著高于
氮磷钾肥配施减量堆肥、单施氮钾肥、单施磷钾肥、
单施氮磷肥、单施氮磷钾肥及对照处理。反映了有
机肥类型及种植模式对土壤有机碳含量的影响。但
是所有的结果都表明, 有机肥与化肥配合施用, 比
单施有机肥或是单施化肥, 更多地增加了土壤有机
碳储量。主要是这些施肥方式更多地增加了作物生
物量, 有机肥配施化肥处理都比相应的单施化肥的
作物产量高。
土壤有机碳含量取决于有机物料的投入与分解
之间的平衡。据 Davidson 和 Ackerman 报道[15], 农
业生态系统可以是大气 CO2 的源或汇, 由于土壤有
机质的分解及作物秸秆的移出, 可能会导致 CO2 的
净排放, 其中有机碳的损失主要发生在耕层土壤。
因此 , 通过土壤施肥措施 , 增加土壤碳储量 , 保护
全球环境具有重要意义。土壤 C/N 反映了土壤有机
质的状态, 土壤微生物的数量与活性。C/N下降, 微
生物活性提高, 加速了土壤原有碳和新鲜有机碳的
分解矿化, 使土壤有机碳含量下降。而且, 由于水旱
轮作条件土壤干湿交替现象发生频繁, 促进了土壤
有机碳的分解[16]。本试验中除了氮磷肥处理外, 其
他处理土壤的 C/N都比 1981年试验之前土壤的 C/N
低, 说明施肥提高了土壤微生物活性, 加速了土壤
有机碳的分解矿化, 但是由于肥料的投入增加了作
物残茬的残留, 土壤有机碳的输入大于输出, 多数
施肥措施还是增加了土壤耕层有机碳含量, 提高了
土壤碳储量。所有处理土壤表层有机碳含量均高于
其他土层, 这是由于土壤表层具有植物残留物、根
茬和有机肥, 有机碳来源丰富, 有机碳分解小于有机
碳的输入。而底层土壤有机碳的进入量少, 仅为一些
植物细根和根系分泌物, 还有一部分从土壤表层淋
溶下来的有机碳, 且土壤有机碳在土壤剖面中的移
动性弱, 因此, 耕层之下土壤有机碳含量低、变化小。
氮磷肥、氮磷肥配施有机肥及氮磷钾肥配施有
机肥处理土壤 C/N 上升, 说明这些处理有利于增加
土壤有机碳。施用化肥也能够增加土壤有机碳含量,
但较少, 本试验中仅有氮磷及氮磷钾处理增加了土
壤有机碳含量; 而化肥与有机肥配合施用, 大大增
加了土壤的碳储量[17−18]。这对于增加土壤碳的固定,
缓解大气 CO2浓度升高具有重要的意义。
长期定位施肥试验表明, 化肥配合施用有机肥
有利于提高土壤肥力, 增加作物产量, 维持农业的
可持续发展, 保护环境, 增加土壤碳的固定。因此,
农业生产上应大力提倡无机肥与有机肥配合施用。
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