谢国雄，楼旭平，阮弋飞，童小虎，徐 健

(1.浙江省杭州市植保土肥总站，浙江 杭州 310020；2.浙江省杭州市萧山区农科所，浙江 萧山 311251；3.杭州市临安区农技推广中心，浙江 临安 311300)

碳和氮素是土壤有机质的主要组分，它们也都是土壤生物化学循环的核心元素[1-2]。有机碳和氮素在土壤中的循环涉及物理、化学及生物学等过程，深受气候条件、土壤性状、施肥、利用方式等自然与人为因素的多重影响[3-7]，因此，不同地区与不同利用方式下的土壤中有机碳和氮的水平可有很大的变化[8-11]。由于两者都是有机质的主要组分，因此，土壤中有机碳与氮素存在一定的耦合关系和平衡关系，这种关系通常可用两者之间的相关性和碳氮比(C/N，土壤中有机碳与全氮的质量比)来衡量[12-14]。研究表明，土壤中碳氮比与土壤质量存在一定的联系，合适的碳氮比可协调土壤有机质中养分的释放[15-17]，维持较高的土壤微生物活性；碳氮比还可影响土壤的固碳、固氮能力。一些调查与定位试验表明[18-22]，土壤碳氮比也受气候、成土母质、土壤类型、地形地貌和土地利用方式等因素的影响。但以往有关土壤有机碳和氮素的关系及碳氮比的研究多集中在小尺度内或具体的田间试验中，缺乏大样品的综合分析。本文利用浙江省各地(市、县、区)近期地力调查的基础数据，探讨了浙江省农田土壤有机碳与全氮的关系、碳氮比的变化特征及其与地形、土壤类型、土壤质地等的关系。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

浙江省位于北纬27°01′～31°10′和东经118°01′～123°08′之间，年均气温16～19 ℃，年均降水量1200～1800 mm，具有七山一水二分田的地貌特点。当前省域内种植制度北部以冬小麦(油菜)—单季稻为主，南部以早稻—晚稻为主。区内水田主要分布在水网平原、滨海平原、河谷平原，在丘陵和山地也有少量分布。农田土壤类型主要为水稻土，其亚类包括潴育水稻土、淹育水稻土、渗育水稻土、潜育水稻土和脱潜水稻土。

1.2 土壤采集与测试

土壤样品按照《全国耕地地力调查与质量评价技术规程》于2008年前后采集，每一样点采用多点混合的方法采集，采样深度为0～20 cm，共25753个样品。采用油浴加热重铬酸钾氧化—容量法测定有机碳；用半微量凯氏法测定全氮[23]。土壤C/N、有机碳与全氮间的相关性采用Pearson 相关系数，统计分析在SPSS(Version 22)中完成。

2 结果与分析

2.1 农田土壤有机碳与全氮的关系

据25753个分析样品的统计，浙江全省农田土壤有机碳含量为0.99～47.97 g/kg，平均为17.32 g/kg，变异系数为37.02%；土壤全氮在0.11～6.08 g/kg，平均为1.78 g/kg，变异系数为39.11%；两者均属中等程度的变化。相关分析表明，全省全部农田土壤样品的有机碳与全氮呈明显的线性关系，两者的相关系数高达0.8236。表1为根据土壤质地类别、地貌类型和土壤类型分别统计的土壤有机碳与全氮的相关结果，从中可知，无论是不同质地的农田，还是不同地貌类型的农田或不同土壤类型的农田，土壤有机碳与全氮都呈现显著的相关性，它们的相关系数多在0.75以上。这一结果表明，浙江省农田土壤有机碳与全氮存在较为稳定的线性关系，是普遍现象。

表1 不同类别农田土壤有机碳、全氮与C/N比之间的相关性(相关系数)

2.2 农田土壤C/N比的特征

据25753个样品统计，浙江全省农田土壤C/N比在3～30之间变化，中值为9.66，平均为10.13，变异系数为28.92%。图1为全省农田土壤C/N比的频率分布情况，从中可知，全省农田土壤C/N比主要分布在8～11之间，占比为61.23%；土壤C/N比在6～13之间的农田土壤占总样本数的90.61%，可见，绝大多数农田土壤的C/N比在6～13之间，只有少数农田土壤的C/N比低于6和高于13。

图1 农田土壤C/N比的频率分布

2.3 影响农田土壤C/N比的因素分析

表2为根据土壤质地类别、地貌类型和土壤类型分别统计的土壤C/N比结果。从中可知，各类别农田土壤的C/N比的平均值在9.78～11.94之间变化，各组内的C/N比变异系数基本上在25%～40%之间。但从平均值看，不同类别之间也存在一定的差异。由砂土至粘土，随着土壤粘粒的增加，农田土壤C/N比平均值呈现下降的趋势，表明相对于有机碳，粘粒含量对维持土壤氮素的稳定更为重要，即粘粒对土壤氮素的固定或稳定比对土壤有机碳更为重要。不同土壤类型农田的C/N比基本上呈以下变化：新造水田>潜育型水稻土>淹育型水稻土>脱潜型水稻土>潴育型水稻土、渗育型水稻土。新造水田和淹育型水稻土是种植水稻时间较短的水稻土，潜育型水稻土和脱潜型水稻土是滞水较明显的水稻土，而潴育型水稻土和渗育型水稻土(特别是潴育型水稻土)是种植水稻时间较长的水稻土。由上述各组C/N变化大致可以推测：随着水稻种植时间的增加，土壤C/N呈现下降的趋势，而排水良好的土壤的C/N比较滞水土壤低。从不同地貌区农田土壤C/N比来看，高丘农田土壤的C/N比较高，其次为低丘陵大畈和河谷平原大畈，其他农田土壤的C/N比相对较低。高丘农田土壤的C/N比较高可能与这一区域的农田开发历史、种植水稻时间较短有关，因为高丘农田多由原林地开垦形成，而林地土壤(缺乏氮肥的投入)的C/N比较高，开发历史较短的农田尚残留林地土壤的有机质组成特点。

表2 不同类别农田土壤C/N比及其变化

从表1不同类别农田土壤有机碳、全氮与C/N比之间的相关性可知，土壤碳氮比与土壤有机碳的相关性较小，但碳氮比与全氮存在明显的负相关。这种相关性不仅体现在全部样品的统计上，在不同类别组的农田土壤统计中也体现了这种关系。这一结果表明，土壤氮素的空间变化对土壤C/N比的影响比有机碳更为明显。

3 讨论

土壤有机碳与全氮比值(C/N)是土壤质量的敏感指标，其可通过影响土壤微生物的活性而影响土壤中有机碳和氮的循环。农田土壤C/N比是农田有机碳、氮输入与输出长期平衡的结果，并与输入的有机物质的组分、氮肥的施用、土壤的性状和土地利用方式等有关[17,24,25]；农田土壤的C/N普遍低于林地和草地[26-27]。施入土壤的有机物质一般具有较高的C/N比，但进入土壤后其通过微生物的分解C/N逐渐下降。禾本科作物的茎秆的碳氮比较高，可以达到(60～100)∶1；豆科作物的茎秆的碳氮比较低，多在(15～20)∶1。微生物在分解有机物时，同化5份碳约需要同化1份氮来构成它自身细胞体，因为微生物自身的碳氮比大约是5∶1，而在同化1份碳时需要消耗4份有机碳来取得能量，所以微生物吸收利用1份氮时需要消耗利用25份有机碳。也就是说，微生物对有机质的正常分解的碳氮比为25∶1。如果碳氮比过大，微生物的分解作用就慢，有机碳消耗也较多。正是由于进入土壤的有机物质主要是通过微生物的作用来实现降解，因此，通过微生物长期作用形成的有机物质(多为腐殖质)中有机碳与氮素的比例较为稳定，且C/N比明显低于输入的有机物质的。但输入物质中有机碳与氮素的相对比例仍然可在一定程度上影响土壤中有机碳与氮素的比例，即输入物中有机碳与全氮比例较高的农田其土壤有机碳与全氮的比例一般也较高。因此，区域农田土壤的C/N比在一定程度上也可反映土壤有机物质与氮素的平衡状况，高量施用氮肥可降低土壤C/N比。我国文献报道的农田土壤C/N比也有较大的变化，但从平均来看，基本上在8～12之间[15-22,26]。本研究的浙江省农田土壤C/N比在3～30之间变化，中值为9.66，平均为10.13；60%左右的农田土壤碳氮比在8～11之间，90%左右的农田土壤C/N比在6～13之间。可见，浙江省农田土壤的碳氮比基本上与国内其他区域相似。其中，全省农田土壤C/N比的平均值(10.13)可以看作为浙江省农田土壤C/N比的特征值，土壤碳氮比在8～11之间基本上可以看作为浙江省农田土壤C/N比的平衡值，而C/N比为6～8和11～13可以认为是准平衡值；而少量农田土壤C/N比偏离这一范围(即小于6和大于13)可认为这些农田因种植水稻时间较短或施入农田土壤的有机物质及肥料分解/矿物还没有达到平衡的状态。

一般来说，土壤C/N比可反映土壤肥力的水平，肥力较高的农田土壤C/N比较低，相应地C/N比较高的农田，其肥力较低。浙江省农田土壤C/N比多在6～13之间，且平均值为10.13，基本上可以认为这一地区土壤肥力较高，精耕细作水平较高，有机肥料与化学肥料配合施用较为协调。已有研究表明，过高或过低的土壤C/N比，对生态环境是十分不利的。土壤中有机碳的分解受土壤微生物的活性的影响，高肥力土壤因C/N较低、微生物活性较高，土壤中有足够的氮供微生物消耗，微生物同化同重量的氮需要消耗更多的碳，矿化有机碳/矿化有机氮之比较低；而微生物在充足的氮素影响下，需要加入更多的碳才能维持活性，因而会加速土壤原有碳和新鲜的有机碳的分解矿化，土壤有机质分解矿化速度随之加快，不仅有机碳总量下降，而且轻组有机碳量的减少大大超过重组碳，使难氧化有机碳含量上升，土壤有机质老化，不利于有机质在土壤中的累积，而可能会引起碳的净释放。

由于陆地生态系统中的氮储存于土壤有机质库中，因此土壤有机碳的变化与土壤氮的变化紧密联系。大量无机氮肥的施用引起C/N降低，对土壤氮循环的影响也是通过对微生物活性的影响而发生的，C/N降低为微生物提供更多的能量，微生物的活性提高；而有机质矿化时会释放更多的无机氮，虽然这可促进作物的吸收利用，但由于无机氮在土壤中很难累积，也可引起氮素通过淋溶和反硝化过程而损失，从而污染地下水和河流。

第二次土壤普查浙江全省水田土壤(26848个样品)的C/N比主要在9～10之间，平均为9.73[27]，可见虽然近30多年来浙江省氮肥施用量有明显上升，但土壤碳氮比并没有下降，反而出现轻微的上升，这一方面可能与本地区农田土壤C/N比已基本达到平衡状态有关，要进一步增加土壤氮素需同时增加秸秆还田、增施有机肥。另一方面也表明，近30年浙江省农田大量化肥的投入除被植物生长正常吸收外，还有相当比例的肥料氮并没有积累在土壤中，而是进入了环境。

4 结论

浙江省农田土壤C/N比多在6～13之间，且平均值为10.13，表明该省农田土壤肥力较高，有机肥料与化学肥料配合施用较为协调；农田土壤C/N比随粘粒的增加而下降，并与土壤全氮呈负相关；土壤的C/N由高至低依次为新造水田>潜育型水稻土>淹育型水稻土>脱潜型水稻土>潴育型水稻土、渗育型水稻土。近30年氮肥投入的增加并没有降低土壤C/N，表明浙江省农田土壤碳氮基本接近平衡，过多的氮肥施用已难以被土壤固定，却可增加氮素的流失，对环境产生负面影响。