植物营养与肥料学报   2018, Vol. 24  Issue (2): 335-345 
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引用本文    doi:  http://dx.doi.org/10.11674/zwyf.17198
陈春兰, 涂成, 陈安磊, 侯海军, 刘波, 谢小立, 魏文学, 孙志龙. 红壤双季稻田土壤活性碳、氮周年变化及影响因素[J]. 植物营养与肥料学报, 2018, 24(2): 335-345.
CHEN Chun-lan, TU Cheng, CHEN An-lei, HOU Hai-jun, LIU Bo, XIE Xiao-li, WEI Wen-xue, SUN Zhi-long. Annual variation of active carbon and nitrogen contents and the related factors in red paddy soils of subtropical China[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2018, 24(2): 335-345.
红壤双季稻田土壤活性碳、氮周年变化及影响因素
陈春兰1,2, 涂成1,2, 陈安磊1,2 , 侯海军1,2, 刘波3, 谢小立1,2, 魏文学1,2, 孙志龙4    
1. 中国科学院亚热带农业生态研究所/亚热带农业生态过程重点实验室，湖南长沙 410125;
2. 中国科学院桃源农业生态试验站，湖南桃源 415700;
3. 湖南省桃源县农业局，湖南桃源 415700;
4. 湖南省宁乡县回龙铺镇农业综合服务中心，湖南宁乡 410606
收稿日期：2017-05-31; 接受日期：2017-08-27
基金项目：国家自然科学基金项目（31200339）；科技部国家重点研发计划项目（2016YFD0200307, 2017YFD0301504）；杂交水稻国家重点实验室（湖南杂交水稻研究中心）开放课题基金（2016KF07）；科技部国际合作项目（2015DFA90450）资助。
作者简介：陈春兰 E-mail：ccl@isa.ac.cn
通信作者：陈安磊 E-mail：alchen@isa.ac.cn
摘要: 【目的】 研究红壤稻田土壤活性碳、氮含量及其周年变化和影响因素，为弄清红壤双季稻田土壤活性碳、氮季节变化规律，提高土壤养分利用效率提供理论依据。【方法】 以红壤稻田长期定位试验 (1990年开始) 为对象，选择不施肥 (CK)、单施NPK化肥 (NPK) 和有机物 (紫云英、稻草) + NPK化肥 (NPKM) 三个施肥处理，在早稻、晚稻、休闲期取0—20 cm 土样，动态监测稻田土壤几种重要活性碳、氮成分，包括无机态氮 (NH4+-N、NO3–-N)，可溶性有机碳、氮 (DOC、DON) 和微生物生物量碳、氮 (MBC、MBN) 的周年动态变化。【结果】 稻田土壤NH4+-N含量在早稻期间呈下降状态，晚稻期间变化较平缓，休闲期呈先上升后下降的趋势。土壤无机氮主要以NH4+-N形式存在，其含量范围为14.9～31.6 mg/kg，其休闲期含量略低于生育期 (P > 0.05)；周年土壤NO 3–-N含量 (< 3 mg/kg) 远小于NH4+-N含量，与NH4+-N含量呈现此消彼长的趋势 (P < 0.01)。稻田土壤DOC、DON周年变化趋势相似 ( P < 0.01)，在生育期呈下降状态，休闲期呈先上升后下降趋势，休闲期土壤DOC、DON含量略低于生育期 ( P > 0.05)。休闲期土壤MBC、MBN含量分别为463～701 mg/kg、31.1～52.4 mg/kg，比生育期分别提高25.4%～36.9%和62.8%～125.9%。总体来看，稻田休闲期土壤活性碳 (DOC+MBC)、氮 (NH 4+-N+NO3–-N+DON+MBN) 含量高于生育期含量，较生育期增幅分别为10.8%～19.6%、10.3%～34.8%。不同施肥处理结果表明，仅施用化肥 (NPK处理) 对活性碳、氮影响较小 (P > 0.05)，有机物还田能显著提高水稻生育期和休闲期的土壤活性碳、氮含量 ( P < 0.05)，NPKM与CK相比活性碳、氮在水稻生育期分别提高53.8%和81.2%，而在休闲期分别提高了43.5%和63.2%。相关性分析结果表明，稻田休闲期土壤NH 4+-N、DOC、DON含量不仅与土壤SOC、TN含量密切相关 (P < 0.05 或 P < 0.01)，还受温度、水分含量等环境因子影响，如休闲期土壤NH 4+-N含量与5 cm处土壤温度呈极显著负相关关系 (P < 0.01)，而土壤NO 3–-N含量与该土层温度呈显著正相关关系 (P < 0.05)，土壤DOC和DON与土壤含水量呈显著正相关关系 ( P < 0.05)。【结论】 长期化肥配施紫云英及秸秆还田能显著提高稻田土壤周年活性碳、氮含量，其活性含量与土壤有机碳、全氮含量呈显著正相关关系；休闲期稻田能维持较高的活性碳、氮含量，且比水稻生育期有一定程度增加。休闲期土壤无机氮含量变化主要受土壤温度影响，土壤可溶性碳、氮含量变化主要受土壤含水量的影响。
关键词: 红壤稻田     休闲期     无机态氮     可溶性有机碳     可溶性有机氮     微生物量碳     微生物量氮    
Annual variation of active carbon and nitrogen contents and the related factors in red paddy soils of subtropical China
CHEN Chun-lan1,2, TU Cheng1,2, CHEN An-lei1,2 , HOU Hai-jun1,2, LIU Bo3, XIE Xiao-li1,2, WEI Wen-xue1,2, SUN Zhi-long4    
1. Key Laboratory of Agro-ecological Processes in Subtropical Region, Chinese Academy of Sciences; Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences, Changsha, Hunan 410125, China;
2. Taoyuan Station of Agroecology Research, Chinese Academy of Sciences, Taoyuan, Hunan 415700, China;
3. Agricultural Bureau of Taoyuan County of Hunan Province, Taoyuan, Hunan 415700, China;
4. Huilongpu Integrated Service Center for Agriculture of Ningxiang County, Ningxiang, Hunan 410606, China
Abstract: 【Objectives】 Active carbon and nitrogen play important roles in soil carbon and nitrogen cycle. This study aimed to determine the difference of active carbon and nitrogen contents in soils affected by fertilization and other factors through the year in the subtropical double-rice region of China. 【Methods】 A long-term field experiment on reddish paddy soil was conducted. The three treatments were CK (non-fertilizer), NPK (N, P, and K fertilizer application), and NPKM (NPK fertilizer, milk vetch and rice straw application). The characteristics and variation trends of inorganic nitrogen (NH4+-N and NO3–-N), dissoluble organic carbon and nitrogen (DOC and DON) and microbial biomass carbon and nitrogen (MBC and MBN) in soils were investigated during the rice growing and fallow periods. 【Results】 The NH4+-N contents in paddy soils fluctuated in all treatments and showed three general trends: decreased during the early rice stage, stable during late rice period, and increased then decreased during the fallow period. NH4+-N, the main form of inorganic nitrogen in soils, was in range of 14.9–31.6 mg/kg, and no significant difference was found between the rice growing period and fallow period. The contents of soil NO3–-N, less than 3.0 mg/kg, were far lower than those of NH4+-N contents, and there was a reciprocal relationship between them (P < 0.01). Both of soil DOC and DON had a similar annual variation with a declining trend in the rice growing period and an increasing first and decreasing later trend in the fallow period. The contents of MBC and MBN in soils were 463–701 mg/kg and 31.1–52.4 mg/kg during the non-rice growing period, which were increased by 25.4%–36.9% and 62.8%–125.9%, compared to those in the rice-growing period, respectively. Overall, the total contents of active carbon (DOC + MBC) and nitrogen (NH 4+ -N+ NO3– -N+ DON + MBN) in soils in the non-rice growing period were increased by 10.8%–19.6% and 10.3%–34.8%, respectively, compared with those in the rice-growing period. The total contents of active carbon or nitrogen in soils in the NPKM treatment were significantly higher than those in the NPK and CK treatments(P < 0.05). The active carbon and nitrogen contents in the NPKM treatment were increased by 53.8% and 81.2% in the growth season, and by 43.5% and 63.2% in the fallow season, compared with those in the CK treatment. No significant differences were found between the NPK and CK treatments during the two periods. During the fallow period, soil NH 4+-N, DOC, and DON had significant and positive correlations with SOC and TN; Soil NH4+-N and soil NO3–-N were significantly correlated with soil temperature at 5 cm (P < 0.01 and P < 0.05); Soil DOC and DON were significantly correlated with soil water contents ( P < 0.01 and P < 0.05). 【Conclusions】 Combined application of milk vetch and rice straw and chemical fertilizers could significantly increase the contents of active carbon and nitrogen in soils, which were positively correlated with soil organic carbon and total nitrogen contents. Compared with the rice growing period, the contents of active carbon and nitrogen in soils maintained high levels during the fallow period, which were affected by SOC and TN, and environmental factors, i.e., soil NH4+-N and soil NO3–-N were significantly correlated with soil temperature at 5 cm, and soil DOC and DON were significantly correlated with soil water contents.
Key words: red paddy     fallow period     inorganic nitrogen     dissolved organic carbon     dissolved organic nitrogen     microbial biomass carbon     microbial biomass nitrogen    

碳、氮循环是农田生态系统最基本的物质循环过程，强烈地受到人为作用的影响和调控，对农田生态系统的稳定性、生产力及其环境效应具有关键性的影响作用[1]。土壤活性碳、氮是土壤碳、氮循环中最为重要和活跃的组分，不仅能直接反映土壤碳、氮积累变化特征，还能敏感反映土壤环境变化对土壤碳、氮分解和转化的影响[2–3]。施肥是农业生产中一项重要的管理措施，长期向农田中输入大量的碳氮元素，会对土壤活性碳、氮含量产生重要影响。骆坤等[4]的研究表明长期的有机肥施入尤其是有机无机肥配施能显著提高黑土表层和亚表层土壤有机碳、氮活性。有研究[5]显示作物秸秆和化肥配施更有助于土壤轻组有机碳累积，粪肥配施氮磷钾化肥则对MBC和DOC的积累效果更为突出。化肥配施紫云英则可显著提高土壤微生物量，改善稻田土壤的微生态环境[6]。汤宏等[7]研究发现间歇灌溉条件下，低量秸秆还田较高量秸秆还田可提高水稻土土壤微生物量碳、氮和土壤可溶性有机碳、氮的含量。已有许多研究表明，单施化肥或施用有机肥可提高水稻生育期土壤可溶性碳、氮含量[8–11]。综合来看，施肥管理对土壤活性碳、氮含量产生了重要影响。稻田冬季休闲也是农田生态系统中一个重要的管理模式，红壤丘陵区稻田休闲期具有时间较长、水稻生长季养分残留多、休闲期温度变化幅度大以及干湿交替频繁等特点，但是目前对稻田休闲期活性碳氮的研究较少。

另外，有研究报道N2O的排放是冬闲期稻田温室气体观测中不可忽视的部分[12–14]，占全年排放量的近70%[15]，而此过程是微生物作用过程，也是土壤活性碳氮的转化过程，然而目前对稻田休闲期该过程中土壤活性碳氮的动态变化研究较少。为此，本文以湖南典型红壤双季稻田为研究对象，进行为期一年的试验 (早稻、晚稻、休闲期)，研究稻田土壤活性碳、氮养分含量的动态变化，并重点分析休闲期与生育期之间的差异及其在休闲期对土壤温度、土壤含水量等主要环境因子的响应，以期丰富科学数据并为稻田温室气体排放管理提供依据。

1 材料与方法 1.1 试验地点

试验地位于中国科学院桃源农业生态试验站内，该地区年平均降雨量1440 mm，年平均气温16.5℃，日照时数1520 h。供试土壤为第四纪红色粘土发育的水稻土。施肥制度长期定位试验始于1990年，种植制度为双季稻 + 绿肥 (或者冬闲模式)，晚稻收割后及整个休闲期无翻耕。试验开始时土壤基本肥力性状为：有机碳15.0 g/kg、全氮 1.78 g/kg、pH 5.74、土壤容重1.25 g/cm3。

1.2 试验设计

本研究共选取长期定位试验的3个处理：1) 不施化肥，收获物全部移出系统 (CK)；2) 施化肥氮、磷、钾，收获物移出系统 (NPK)；3) 在施化肥氮、磷、钾的基础上，稻草及紫云英还田 (NPKM)，具体为早、晚稻稻草收获后切碎直接还田，晚稻收割前播种紫云英 (Astragalus sinicus L.)，春耕时将紫云英翻压作绿肥施用。供试化肥为尿素 (N 45%)、过磷酸钙 (P2O5 12%) 和氯化钾 (K2O 60%)。施肥情况：1990—1996年为N 262.5 kg/hm2、P 39.3 kg/hm2、K 137.0 kg/hm2；1997—2015年为N 182.3 kg/hm2、P 39.3 kg/hm2、K 197.2 kg/hm2。

1.3 样品采集及测试分析方法

于2014年5月至2015年4 月分两个时段：水稻生育期 (2014.04.26—2014.11.04)，稻田休闲期 (2014.11.05—2015.04.22)，每月采集土样1到3次 (2014年采样时间为4月26日、5月30日、6月29日、7月8日、8月4日、8月22日、8月27日、9月2日、9月21日、11月2日、12月2日、12月8日、12月17日、12月24日、12月30日，2015年采样时间为1月9日、1月16日、1月22日、2月11日、2月18日、3月3日、3月12日、3月21日、3月27日、4月16日)，每个小区按“S”形取12点小样 (0—20 cm)，组成一个混合土样，捡去可见植物残体后，保存在4℃冷库并于一个星期内完成各项指标测定。依据气温特征选取4次代表性土样 (生育期和休闲期各2次，时间分别为2014年的6月29日、8月4日、12月17日和2015年3月21日)，用于测定土壤微生物量碳 (MBC)、氮 (MBN) 指标。并于2014年4月15日春耕前采集一次土样，风干过筛，用于测定土壤有机碳、全氮等基本理化性质。

利用氯仿熏蒸浸提法测定土壤MBC、MBN[16]。土壤可溶性有机碳 (DOC)、NH4+-N和NO3–-N用0.5 mol/L K2SO4溶液浸提[17]，分别用岛津Vwp有机碳分析仪、FIAstar 5000流动注射仪测定，土壤含水量用烘干法测定。土壤有机碳和全氮分别采用重铬酸钾容量法外加热法，半微量开氏法测定[18]。

土壤可溶性有机氮 (DON) 为未熏蒸土样浸提液全氮 (TKN) 与NH4+-N含量的差值 (开氏法无法将NO3–-N还原成NH4+-N，浸提液全氮不包括NO3–N)，即土壤DON = TKN−NH4+-N，DIN (土壤无机氮) = NH4+-N + NO3–-N，TDN (土壤可溶性全氮) = TKN + NO3–-N。

1.4 数据处理

采用加权法计算各指标的月均值及各时期含量。利用软件SPSS18.0和Origin 7.5对数据进行统计分析和作图。

2 结果与分析 2.1 稻田土壤无机态氮周年变化特征

图1表明，稻田土壤NH4+-N含量在全年中呈现3个变化阶段，早稻期间从全年最高含量下降，晚稻期间变化较平缓，休闲期土壤NH4+-N含量总体呈现先上升后下降的趋势。休闲初期 (11月) 土壤NH4+-N含量较低，且处理间无显著差异 (P > 0.05)；12月急剧增加，之后处于平稳状态，3月开始下降，休闲末期 (4月) 约降至休闲初期水平，且此变化过程中不同处理之间NH 4+-N含量呈现差异，表现为NPKM显著高于NPK、CK处理 (P < 0.05)，NPK和CK处理之间无显著差异 ( P > 0.05)。

稻田土壤NO3–-N含量全年变化与NH4+-N含量变化呈极显著负相关 (P < 0.01)，生育期土壤NO 3–-N含量较高，休闲期土壤NO3–-N含量较低，并呈现下降趋势。早稻期间，NPKM处理和NPK处理土壤中NO3–-N含量无显著差异 (P > 0.05)；晚稻期间CK处理NO 3–-N含量波动变化趋势较平稳，NPK处理呈现下降趋势，NPKM处理出现波动上升状态，使晚稻期间大部分时间内 (8—11月)NO3–-N含量显著高于NPK、CK处理 (P < 0.05)。休闲初期 (11月) NO 3–-N含量较高，且NPKM处理土壤NO3–-N含量显著高于其他处理 (P < 0.05)；12月急剧下降，之后处于平稳状态，且各处理之间无显著差异 ( P > 0.05)。

图1 土壤NH4+-N、NO3–-N含量动态变化 Fig. 1 Dynamics of soil NH4+-N and NO3–-N contents

如表1 所示，不管是生育期还是休闲期，稻田土壤中无机态氮主要以NH4+-N形式存在，并且均是NPKM处理NH4+-N含量显著高于NPK、CK处理 (P < 0.05)，NPK和CK处理间无显著差异 ( P > 0.05)。生育期NPKM处理NH 4+-N含量分别是NPK和CK处理的1.4、2.1倍。休闲期土壤保持较高的NH4+-N含量，比生育期略低 (P > 0.05)。休闲期NPKM处理土壤NH 4+-N含量分别是CK和NPK处理的1.7和1.6倍。稻田休闲期土壤NO3–-N含量显著低于生育期 (P < 0.05)，而各处理之间无显著差异 ( P > 0.05)。休闲期CK处理NH 4+-N与NO3–-N比值略高于生育期，是生育期的1.6倍，但差异不显著 (P > 0.05)；NPK、NPKM处理显著高于生育期 ( P < 0.05)，分别是生育期的3.5、4.2倍，说明生育期硝化作用可能强于休闲期。

表1 水稻生育期和稻田休闲期土壤铵态氮、硝态氮含量 Table 1 Soil NH4+-N and NO3–-N contents during the rice cultivation and fallow periods
2.2 稻田土壤可溶性有机碳、氮周年变化特征

同稻田土壤NH4+-N含量变化类似，稻田土壤DOC含量在水稻生育期初期达到全年最高，之后逐渐下降；稻田休闲期土壤DOC含量呈现先上升后下降的趋势 (图2)。休闲期各处理土壤DOC含量表现为NPKM处理显著高于NPK和CK处理 (P < 0.05)，NPK和CK处理间差异不显著 ( P > 0.05)。休闲期土壤DOC平均含量为163～199 mg/kg，略低于生育期DOC含量 ( 表2)。不同施肥处理结果表明，不管是生育期还是休闲期，NPK和CK处理中土壤DOC含量均无显著差异 (P > 0.05)，NPKM处理DOC含量休闲期显著低于生育期 ( P < 0.05)；并且生育期NPKM处理土壤DOC含量显著高于NPK和CK处理 ( P < 0.05)，分别是NPK和CK处理的1.3和1.5倍，休闲期NPKM处理土壤DOC含量是NPK和CK处理的1.2倍，但差异不显著 ( P > 0.05)。

图2 土壤可溶性有机碳、氮的动态变化 Fig. 2 Dynamics of soil dissoluble organic carbon and nitrogen contents

稻田土壤DON含量变化趋势与DOC变化趋势极显著正相关 (P < 0.01)。不同施肥处理结果表明：NPKM处理显著提高土壤DON含量 ( P < 0.05，表2)，在水稻生育期，分别是NPK、CK处理的1.8、2.0倍，休闲期分别是NPK、CK处理含量的1.3、1.5倍；而NPK处理与CK处理无显著差异 (P > 0.05)。稻田休闲期，各处理土壤DON含量与生育期对应处理相比无显著差异 ( P > 0.05，表2)。

表2 水稻生育期和稻田休闲期土壤可溶性有机碳 (DOC)、氮 (DON) 含量 Table 2 Soil dissoluble organic carbon and nitrogen contents during the rice cultivation and fallow periods
2.3 稻田土壤微生物生物量碳、氮特征

从表3可以看出，稻田生育期NPKM处理土壤MBC含量分别是NPK、CK处理的1.7和1.5倍，但差异不显著 (P > 0.05)。稻田休闲期各处理土壤MBC含量均高于生育期对应处理，CK、NPK和NPKM处理分别提高了27.5%、36.9% 和25.4%。休闲期不同施肥处理的结果表明，NPKM处理MBC含量显著高于NPK和CK处理 ( P < 0.05)，是NPK和CK处理的1.5倍，NPK处理MBC含量与CK处理差异不显著 ( P > 0.05)。

同样，稻田生育期各处理土壤MBN含量无显著差异 (P > 0.05)，NPKM处理MBN含量略高于NPK、CK处理 (分别1.2和1.3倍)。稻田休闲期各处理土壤MBN含量明显高于生育期对应处理，CK、NPK和NPKM处理比生育期分别提高80.3%、62.8% 和125.9%。休闲期NPK处理土壤MBN含量与CK无显著差异 ( P > 0.05)，而NPKM处理土壤MBN含量是NPK、CK的1.7倍 ( P < 0.05)。

从休闲期各处理土壤微生物量含量看，施用化肥未能增加休闲期土壤中的微生物含量，而秸秆及紫云英还田可能是增加稻田休闲期土壤微生物量的主要原因。

表3 水稻生育期和稻田休闲期土壤微生物量碳 (MBC)、氮 (MBN) 含量 Table 3 Soil MBC and MBN contents during the rice growth and fallow periods
2.4 稻田土壤活性碳、氮比值关系

稻田生育期和休闲期NPKM处理中土壤活性有机碳 (DOC+MBC) 含量均显著高于NPK、CK处理 (P < 0.05，表4)，NPK，CK处理间无显著差异 (P > 0.05)。休闲期土壤且活性有机碳 (DOC + MBC) 含量较生育期有明显提高，提高幅度为10.8%～19.6%。休闲期土壤MBC/DOC比率高于生育期，其中NPKM处理达到显著性差异 ( P < 0.05)。

土壤TDN (可溶性全氮) 包括DON (可溶性有机氮) 和DIN (可溶性无机氮)，稻田休闲期施肥处理 (NPK、NPKM) 土壤TDN含量显著低于生育期对应处理TDN含量 (P < 0.05)，分别低13.4%、16.6%。休闲期MBN/DON为1.5～2.0，高于生育期 (0.7～1.1)，其中NPKM处理达到显著差异 ( P < 0.05)。总的来说，休闲期土壤活性氮 (TDN + MBN) 含量为64.7～105.6 mg/kg，较生育期增加10.3%～34.8%。

NPKM处理土壤活性碳 (DOC+MBC)、氮含量 (TDN+MBN) 与CK处理相比显著提高 (P < 0.05)；而NPK处理与CK处理相比无显著差异 ( P > 0.05)。这说明施用化肥对稻田土壤活性碳、氮含量的提升没有显著作用，而秸秆与紫云英还田促进了土壤活性碳、氮含量的升高。

表4 水稻生育期和稻田休闲期土壤各形态活性碳、氮组分比例 Table 4 The contents and ratios of different active carbon and nitrogen during the rice cultivation and fallow periods
2.5 稻田休闲期土壤活性碳氮相关性分析

稻田休闲期土壤NH4+-N含量与SOC和TN呈极显著正相关 (P < 0.01，表5)，与5 cm土壤温度呈极显著负相关关系 (P < 0.01)；土壤NO 3–-N含量与5 cm处土壤温度呈显著正相关关系 (P < 0.05)；休闲期土壤NH 4+-N和NO3–-N含量与土壤含水量均无显著相关性 (P > 0.05)。休闲期土壤DOC含量与土壤TN和SOC呈显著正相关 ( P < 0.05)，与土壤含水量呈极显著正相关关系 ( P < 0.01)；DON含量与SOC和TN呈极显著正相关 ( P < 0.01)，与土壤含水量呈显著正相关关系 ( P < 0.05)；土壤DOC和DON含量与5 cm处土壤温度均无显著相关性 ( P > 0.05)。

表5 稻田休闲期土壤活性碳、氮与土壤养分及环境因子的相关分析 (n = 144) Table 5 Correlation between soil active organic carbon, nitrogen and SOC, TN contents and main affecting factors during the fallow period (n = 144)
3 讨论

土壤活性碳氮是土壤有机质中最活跃的部分，其对外界环境变化响应非常敏感，且周转迅速，对揭示土壤环境和质量变化具有重要的生态学意义[2]。不同施肥处理往往造成植物残体、根系残留物及根系分泌物在土壤中的积累不同，使土壤微生物可利用底物数量不同，从而影响土壤养分积累与周转。本研究不同施肥处理的结果表明，NPKM处理中不同成分活性碳、氮含量均高于只施化肥的NPK和不施肥的CK处理。这可能与长期施用紫云英及稻草可以直接向土壤补充大量活性有机物质、显著提高土壤SOC和TN含量有关[19]。如图3所示，本研究NPKM处理土壤有机碳及全氮含量显著高于NPK与CK处理 (P < 0.05)。并且相关分析表明土壤活性碳、氮含量与土壤SOC、TN呈显著正相关关系 ( 表5)。这表明土壤肥力状况是影响稻田土壤活性碳、氮含量的重要因素之一。另外，NPKM处理紫云英和秸秆还田等措施改善了土壤物理性状，促进了微生物的生长[20–21]，从而促进碳氮元素各形态在土壤中的转化速率，提高各形态在土壤中的含量[22]。张文峰等[23]的研究结果显示，红壤性水稻土耕作层土壤活性有机碳以NPKM处理最高，显著高于不施肥处理CK，而在NPK处理中虽有所提高，但与CK差异不显著，与本研究结果相似。

图3 长期不同施肥处理土壤有机碳和土壤全氮含量差异 Fig. 3 Effect of the long-term different fertilization on soil organic carbon and total nitrogen content

水稻生育期施肥处理NH4+-N含量高于休闲期 (表1)，主要是因为生育期化肥尿素的施入，使土壤中NH4+-N含量出现高峰，随着水稻植株对NH4+-N的吸收及NH4+-N的转化，呈逐渐下降趋势 (图1)；不施肥处理生育期NH4+-N含量略低于休闲期也间接说明了施肥是导致NH4+-N含量较高的主要原因。稻田休闲期土壤中NH4+-N含量呈增加趋势，且保持较高含量，可能原因有：一是稻田休闲期温度较低 (图4，低于15℃气温占据时间较长，有研究发现硝化作用的最适温度范围是15℃～35℃[24–25])，使参与NH4+-N转化相关的微生物活性较低；二是稻田休闲期虽然处于排水落干状态，但无翻耕，土壤水分含量较高 (图5)，土体中氧气含量较少，抑制了硝化作用；三是稻田休闲期杂草对NH4+-N吸收较生育期水稻植株吸收少；另外有研究表明红壤水稻田休闲期土壤固定态铵含量降低，部分释放进入土体[26]，这也可能是休闲期NH4+-N含量出现增加趋势的原因之一。休闲期稻田土壤NO3–-N含量急剧下降，并保持较低水平，且显著低于生育期 (P < 0.05)，一方面可能与土体中氧气浓度低有关，休闲期土壤无翻耕，含水量较大，硝化作用仅在表层土壤进行，生育期水稻根系的泌氧能力扩大了硝化作用的范围，使根际土壤也可进行硝化作用，从而使休闲期土壤中NO 3–-N含量显著低于生育期，并且这一结果与休闲期NH4+-N含量呈增长趋势相吻合。另一方面可能由于N2O排放损失，有研究表明红壤稻田休闲期N2O的排放通量大于或相似于早稻生长期和晚稻生长期[12]，这些使冬闲期稻田土壤NO3–-N的积累速率降低，从而导致休闲期稻田土壤NO3–-N含量显著低于生育期。

相关分析发现休闲期NH4+-N含量与5cm土壤温度呈极显著负相关，而NO3–-N含量与该层土壤温度呈显著正相关，可能是由于随着温度升高，硝化微生物活性增强，促使NH4+-N向NO3–-N转化。由此可见，稻田休闲期温度是无机氮转化的主要影响因素之一。

图4 研究区水稻生育期和稻田休闲期日均温度和日降雨量变化特征 Fig. 4 Variation characteristics of mean daily temperature and daily precipitation during the rice cultivation and fallow seasons in the study area
图5 稻田休闲期土壤含水量的变化特征 Fig. 5 Variation characteristics of soil moisture during the fallow period

土壤可溶性有机碳氮在土壤总有机碳、全氮含量中所占比例很小，却是土壤有机质中较为活跃的组分，与土壤能量和物质转化关系密切[3]。稻田休闲期DOC、DON含量保持上升趋势，并维持较高含量，可能与休闲期土壤微生物数量增加 (表3) 有关，微生物代谢死亡促进DOC、DON含量增加，而低温使微生物活性降低，减弱对DOC、DON的分解速率。本研究中稻田休闲期土壤DOC、DON含量略低于生育期，但差异不显著；这可能与稻田淹水状态有利于土壤DOC的积累[27]有关；并且水稻生育期温度较高 (图4)，而土壤对DOC、DON的吸附能力随着温度的升高而降低，从而增加了土壤溶液中DOC、DON的含量[28–29]；另外通过变异系数分析 (表2)，生育期土壤DOC、DON的变异系数是休闲期的2.8～4.6倍，变异的主要来源可能是施肥以及休闲期可溶性有机碳氮累积作用使早稻生育初期有较高的DOC、DON含量 (图2)，这些可能是土壤DOC和DON含量在生育期和休闲期产生差异的主要原因。另外，休闲期稻田DOC、DON含量与土壤含水量有显著的正相关关系，王飞等[17]在红壤坡地上的研究也有类似结果，DON的动态变化主要受土壤含水量的影响。

土壤中DOC、DON含量与土壤微生物量密切相关[30]，微生物量是土壤养分循环和转化的动力，又是重要的植物养分储备库，其对土壤环境因子的变化极为敏感[31]。本研究中稻田休闲期土壤MBC和MBN含量较生育期有明显提高。休闲期植物生物量减少，根系对养分的吸收降低，减弱与土壤微生物对养分的竞争；另外，休闲期排水使土壤含水量降低，土壤表层处于好氧状态，微生物繁殖增强，从而使土壤微生物量增加。

本研究结果及分析显示稻田休闲期土壤NH4+-N、DOC等活性物质含量较高，给土壤碳氮元素进入后续的微生物转化过程备足底物，并且休闲期持续时间较长 (本研究达169天)，使微生物活动在稻田休闲期对土壤碳氮转化的累积作用不可忽视，所以对稻田休闲期碳氮元素转化过程的研究具有重要意义。

4 结论

稻田土壤活性碳氮含量与土壤有机碳、全氮含量呈显著正相关；长期化肥配合绿肥及秸秆还田的循环利用使土壤活性碳、氮含量显著高于仅施化肥处理土壤中的含量，而单独施用化肥未能显著提高土壤中活性碳、氮含量。休闲期稻田土壤活性碳、氮含量 (DOC + MBC、TDN + MBN) 高于生育期，NO3–-N含量显著低于生育期。休闲期土壤无机氮含量变化主要受土壤温度影响，NH4+-N含量变化与土壤温度呈极显著负相关，NO3–-N含量与土壤温度呈显著正相关；土壤DOC、DON含量变化与土壤含水量有显著正相关关系。

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