土壤中的有机碳和全氮(TN)既是衡量土壤肥力的重要指标，也是陆地生态系统碳库和氮库的重要组成部分，并且其在生态系统中的迁移转化及生物地球化学循环过程直接影响着温室气体和全球气候变化(Janzen，2005; Jandl et al., 2007).我国农田生态系统土壤有机碳与氮(N)之间存在显著的耦合关系，其耦合特征随不同土地利用、施肥及管理方式呈现不同特征变化(樊军和郝明德，2003; 许泉等，2006; 刘恩科等，2009; 孙凤霞等，2010).土壤微生物是土壤C、N转化和循环的动力，参与养分转化和循环的各个生化过程，并且土壤微生物生物量C或N转化速率较快，可以很好地表征土壤C、N动态变化，是研究土壤肥力变化的重要生物学指标(Kgel-Knabner et al., 2010).研究表明：有机-无机肥配合施用有利于提高土壤微生物C、N(Lundquist et al., 1999; Iyyemperumal et al., 2007)，其中单施有机肥或无机肥有利于增加土壤微生物N的含量(Wu et al., 1990)；单施化肥和化肥-有机肥配施不仅增加了土壤有机碳含量和微生物C、N量，还提高了土壤微生物的分子多样性(周卫军等，2007；高强等，2009).土壤微生物C占土壤总C量一般为1%~4%，土壤表层微生物N一般占土壤TN的 3%~6%(Jones et al., 2004; 杨劲峰等，2006；高强等，2009).因此，研究土壤微生物C、N量变化不仅对土壤生态系统的变化有预警和指标作用，而且对保持和维持农业生态系统良性循环和土壤肥力供应有重要的科学意义.

长江上游紫色土区域面积约为18万km²，集中分布在四川盆地.紫色土因具有风化成土作用快、矿物组成复杂、耕作生产性好和自然肥力高等特点，成为全国重要的商品粮基地(何毓蓉，1991;2003).紫色土区农田多分布在山地丘陵区，由于紫色土母质物理风化快、下渗及抗蚀性差以及人类活动强度大等原因，使得紫色土区域大量养分流失，土壤肥力下降，严重制约着当地生产力的发展(高扬等，2008；Gao et al., 2009，2012).本研究以紫色土坡耕地为对象，综合探讨不同坡度变化下植被/裸地小区以及长期不同施肥处理下土壤 C、N与微生物C、N变化及其耦合特征，以期为提高紫色土坡耕地土壤肥力状况，科学管理和合理利用紫色土坡耕地提供科学依据.

试验站点位于中国科学院盐亭紫色土生态试验站(105°27′E，31°16′N)，地处川中丘陵区域(图 1)，属于中亚热带湿润季风气候，年均温度17.3 ℃，最高气温40 ℃，最低气温-5.1 ℃，无霜期194 d；多年平均降雨量826 mm，降雨集中于夏季并且多暴雨.供试土壤为蓬莱镇组钙质紫色土，其主要理化性质如下：容重(1.30±0.03)g · cm^-3、pH 8.1±0.2、全磷(0.81±0.30)g · kg^-1、速效磷(44.72±5.91)mg · kg^-1、速效氮(102.64±2.22)mg · kg^-1、有机质(7.8±0.7)g · kg^-1、含水率16.6%±1.0%.小区土壤质地为中壤，其中，砂粒含量(1~0.05 mm)为24.98%，粉粒(0.05~0.005 mm)为30.22%，粘粒(<0.005 mm)为44.80%.试验小区土壤均取自相同地点的紫色土，因此可认为供试小区的土壤具有相同的理化性质和质地.

图 1(Fig. 1)

图 1 盐亭站试验小区 Fig. 1 Experiment plot of Yanting Station

如图 1所示，小区始建于2004年，根据紫色土坡耕地不同土地利用方式、不同长期施肥状况下及不同管理方式，将试验小区分为两种类型：不同坡度变化下裸地(B)和植被覆盖(P)，坡度为5°、10°、15°和20°，每种坡度各1种处理(图 1)，裸地和植被覆盖处理为不施肥处理小区，植被覆盖小区为种植玉米；不同施肥方式分为单施氮肥(N)、单施农家肥(OM)、秸秆还田(RSD)、农家肥+氮磷配施(OM-NP)、农家肥+氮磷钾配施(OM-NPK)、秸秆还田+氮肥(RSD-N)、秸秆还田+氮磷肥配施(RSD-NP)和秸秆还田+氮磷钾配施(RSD-NPK)共8种处理，每种处理3次重复，小区面积为长8 m×宽4 m.各种处理的施氮量控制为150 kg · hm^-2(以N计)；磷肥为过磷酸钙，单季施用量为90 kg · hm^-2(以P₂O₅ 计)；钾肥为氯化钾，单季施用量为36 kg · hm^-2(以K₂O计)；农家肥为猪粪，单季施用量为37.5 t · hm^-2，混合配施添加量为15 t · hm^-2；秸秆为小麦杆，研磨碎后施入小区，单季还田量为5 t · hm^-2.施肥方式为穴施，底肥一次施，种植作物方式为小麦-玉米轮作.小区坡度为6.5°，主要由于该地区耕地坡度变化在6°~10°.

本次采样主要集中在2012年9月，在玉米收获后对小区土壤进行集中采样，具体方法如下：每个小区采集0~10 cm、10~20 cm和20~40 cm 3个土壤深度样品，采取S形混合取样方法收集500 g混合土样，过1 mm筛后清除作物根系后，将鲜土用于测定土壤微生物量C、N，风干土用于测定土壤总有机碳(TOC)及TN.微生物量C、N测定采用氯仿熏蒸0.5 mol · L^-1 K₂SO₄提取法，分别用重铬酸钾氧化法和开氏定氮法测定提取液中的碳、氮，土壤TOC及TN分析方法详见文献(鲍士旦，2000).由于不同坡度下种植作物与裸地小区仅设置一种处理，不同施肥处理设置3个重复处理，因此本研究中C、N及微生物C(MBC)、微生物氮(MBN)变化以混合样品测定的平均值来表示.为研究紫色坡耕地C、N耦合特征，同时分析C/N比、微生物MBC/MBN、微生物熵MBC/C以及MBN/N.作图工具为Origin 8.0软件.

如图 2a所示，植被覆盖下紫色土坡耕地TOC高于裸地TOC，其变化范围为49.0~63.9 g · kg^-1，而裸地TOC含量在47.4~50.8 g · kg^-1.随着坡耕地坡度增加，坡地TOC含量在5°和15°要大于10°和20°，差值为3.7~14.9 g · kg^-1；裸地TOC含量随坡度变化差异很小，仅为0.6~3.4 g · kg^-1，不同土层深度导致TOC含量变化规律不明显.植被与裸地小区MBC含量呈显著差异，植被小区MBC含量为0.9~3.45 g · kg^-1，并且随着坡度逐渐减小，坡度每增加5°，MBC含量约平均降低0.2~0.5 g · kg^-1；随着土层深度增加，MBC平均下降0.07~0.47 g · kg^-1(图 2b).裸地小区MBC含量仅为0.1~0.68 g · kg^-1，显著低于植被小区，随着坡度和土层深度逐渐减小，但变化幅度远低于种植作物小区.由上结果可见，不同土地利用方式及坡度变化对土壤MBC影响更为显著，而对TOC影响相对较小.因为小区经过多年的植被种植，小区土壤的理化性质产生较大的差异，植物根系生长和凋落物极大的促进了土壤酶活性和微生物量变化(王小利等，2006).不同坡度及土层深度变化导致的TOC和MBC差异更多是由于溶解性C 容易随泥沙及地表径流迁移和随壤中流淋溶效应引起(花可可等，2013)，而植被有利于减少C的地表过程迁移并增加C在土壤深度的变化.研究表明，紫色土壤可蚀性主要与砂粒中0.25~0.05 mm的细砂粒呈显著负相关(黄巍，2012)，而养分主要通过该粒径颗粒进行迁移，所以不同坡度变化引起的土壤侵蚀变化将导致坡耕地的C/N比发生改变.

图 2(Fig. 2)

图 2 不同坡度变化下植被/裸地小区紫色土坡耕地TOC(a)及MBC(b)变化 Fig. 2 Change of TOC(a) and MBC(b)under different gradient for planted and bare plots in the hillslope cropl and of purple soil

紫色土坡耕地TN含量随着土层深度增加逐渐降低，裸地TN含量随土层深度和坡度变化要高于植被小区(图 3a).不同坡度植被小区TN含量为2.6~4.2 g · kg^-1，土层深度每增加10 cm，TN含量约平均下降0.5~1.1 g · kg^-1，表层土壤与第二层土壤下降明显；裸地小区TN含量为1.6~5.5 g · kg^-1，TN含量随坡度增加逐渐减小，土层深度每增加10 cm，TN含量平均下降1.1~2.0 g · kg^-1，变化幅度大于植被小区.相同坡度下植被小区MBN普遍高于裸地小区，紫色土坡度耕地MBN随坡度和土层深度增加也逐渐降低，尤其在15°和20°下降显著.不同坡度植被小区MBN含量为0.15~0.77 g · kg^-1，裸地小区MBN含量为0.06~0.45 g · kg^-1，15°和20°下MBN含量仅为0.06~0.27 g · kg^-1.紫色土坡耕地TN随土层深度变化是由于TN中占主要比例的硝酸盐容易在表土累积，从表层到底层逐渐下降；雨季发生迁移，表土硝酸盐含量低于中下层(汪涛等，2010).植被处理未导致显著TN差异，主要是因为紫色土土层较薄，容易产生氮素淋失.土壤中的氮随水向下移动至根系活动层以下，从而不能被作物根系吸收所造成的氮肥损失(朱兆良和文启孝，1992).土壤MBN的差异主要来自植物根系对N的吸收及微生物对N的需求，植被小区在增加土壤微生物活动及酶活性的同时，植物根系和微生物对N的需求也是一种竞争关系，但随着土层深度增加，根系和微生物对N的竞争关系逐渐减弱，变且随着坡度增加，大量N流失、淋失，因此MBN也逐渐减小.

图 3(Fig. 3)

图 3 不同坡度及种植作物下紫色土坡耕地TN(a)及MBN(b)变化 Fig. 3 Change of TN(a) and MBN(b)under different gradient for planted and bare plots in the hillslope cropl and of purple soil

如图 4a所示，施加有机肥处理下TOC含量增加要高于其他施肥方式，其TOC含量变化为57.0~64.5 g · kg^-1，并且随土层深度增加而增加.有机肥和化学肥料配施下TOC 含量增加总体上要大于秸秆还田和化学肥料配施，与单独施用氮肥相比(42.8~44.5 g · kg^-1)，TOC含量增加14.2~20.0 g · kg^-1.不同施肥处理下坡耕地TOC含量的大小顺序为：单施有机肥 > 化肥有机肥配施 > 化肥秸秆配施 >单施秸秆 >单施化肥.不同施肥处理对MBC影响比较显著，施用有机肥与秸秆还田都有利于提高土壤MBC，并且MBC随土层深度增加下降明显(图 4b).单施有机肥下MBC含量为4.3~6.6 g · kg^-1，高于单施秸秆的3.6~5.3 g · kg^-1，也高于化肥有机肥配施的2.2~5.9 g · kg^-1，而单施氮肥MBC仅为1.7~3.4 g · kg^-1.化肥有机肥配施与化肥秸秆配施处理的MBC差异不大.有机肥带来大量的能源物质，C源的增加不但促进了土壤微生物的生长，也使土壤中固定了更多的无机态氮.秸秆和有机肥配合化肥施用不但补充土壤有机碳源，而且大大提高紫色土养分有效性和保水能力，并增加了土壤微生物的活性，所以单施有机肥和化肥有机肥配施处理下TOC和MBC含量要高于单施化肥，这与Jackson等(2003)研究结果一致.长期施用氮肥会导致土壤的C/N比下降，从而加速了土壤中有机碳分解，并引起导致土壤中积累的TOC减少，土壤有机质含量下降.因此，长期单施化肥容易使土壤微生物的生存环境变劣，生物区系减少，数量下降，从而导致土壤微生物量的下降(徐阳春等，2002).

图 4(Fig. 4)

图 4 不同施肥方式下紫色土坡耕地TOC(a)及MBC(b)变化 Fig. 4 Change of TOC(a) and MBC(b)under different fertilization in the hillslope cropl and of purple soil

如图 5a所示，紫色土坡耕地不同施肥处理下TN随土层深度增加呈显著下降，有机肥和秸秆与化肥配施相比单一添加氮肥，对表层增加TN含量影响较小，而对深层土壤TN影响较大.不同施肥处理对MBN影响显著，如图 5b所示，单施有机肥下土壤MBN为0.35~0.79 g · kg^-1；化肥与有机肥配施下土壤MBN为0.32~0.61 g · kg^-1，主要是表层土壤MBN要明显低于单施有机肥.单施秸秆下MBN含量(0.18~0.31 g · kg^-1)要低于化肥秸秆配施处理(0.25~0.69 g · kg^-1)，而单施氮肥MBN仅为0.05~0.08 g · kg^-1.秸秆和有机肥配合化肥施用使较多的氮素通过同化作用转入到微生物体内固持，同时通过NH₃挥发和NO^-₃淋失以及反硝化等途径造成的氮素损失相应减少了(徐阳春等，2002)，这对调节土壤的氮素供应，提高氮肥利用率具有积极的意义.单一秸秆处理与化肥秸秆配施对TN及MBN存在明显差异，尽管配施秸杆或化肥均能显著增加土壤TN和MBN，秸秆配施化肥调节其土壤C/N比条件下，其TN和MBN的大小与秸秆的腐熟程度有关，单一施用秸秆需要经过长时间不断腐熟转化成微生物和植物可利用N，而通过化肥配施有利于提供植物根系吸收，加快根系分泌促进微生物活动，从而提高土壤TN和MBN.

图 5(Fig. 5)

图 5 不同施肥方式下紫色土坡耕地TN(a)及MBN(b)变化 Fig. 5 Change of TN(a) and MBN(b)under different fertilization in purple soil cropl and

土壤中C/N比可反映土壤C、N的耦合关系，是评价土壤质量水平的一个重要指标.从表 1可见，植被小区与裸地C/N比随坡度变化并不相同，植被小区的C/N比随坡度提高逐渐减小，而裸地小区C/N比随坡度增加呈升高趋势.这可能主要是由于植被和裸地小区处理下TN随泥沙和径流迁移的量不同导致.而不同施肥处理下C/N比要显著小于不同坡度和植被处理，而单一添加有机肥要高于其它施肥方式.有机肥及其与化肥配施C/N比为10~17，而秸秆及其与化肥配施碳氮比为8~13，单施氮肥为12左右.这是由于大量C、N源进入土壤后，养分在土壤中积累，使其有机质和全氮含量增加，化肥配施秸秆的腐殖化系数较低，导致其等养分含量不如有机肥处理，而单施化肥处理由于缺少有机肥供给，同时很大一部分无机养分被植物吸收或流失，使其养分含量偏低.C、N的合理投入是维持土壤C、N耦合平衡的关键，随氮素投入水平的提高，有机碳积累越困难，容易引起 C/N 的降低(张春华等，2011).因此，在提高N素投入水平的同时，还应注重C、N的归还水平，大力推广增施有机肥和秸秆还田，以保持土壤 C/N 的稳定提高(Tong et al.，2009).

表1(Table.1)

表1 不同坡度及施肥方式下紫色土坡耕地C/N、MBC/TOC、MBN/TN和MBC/MBN变化 Table.1 Change of C/N，MBC/TOC，MBN/TN and MBC/MBN under different gradient and fertilization in the hillslope cropl and of purple soil

表1 不同坡度及施肥方式下紫色土坡耕地C/N、MBC/TOC、MBN/TN和MBC/MBN变化 Table.1 Change of C/N，MBC/TOC，MBN/TN and MBC/MBN under different gradient and fertilization in the hillslope cropl and of purple soil 处理 比值 TOC/TN MBC/TOC MBN/TN MBC/MBN P-5° 16.8%±3.4% 3.7%±2.6% 0.17%±0.03% 3.30%±0.67% P-10° 16.1%±2.9% 2.5%±0.5% 0.13%±0.05% 3.5%±1.1% P-15° 15.9%±2.8% 1.7%±1.0% 0.06%±0.02% 4.0%±1.0% P-20° 15.4%±3.6% 2.0%±0.4% 0.07%±0.02% 4.60%±0.69% B-5° 13.4%±4.6% 0.7%±0.1% 0.09%±0.03% 1.1%±0.4% B-10° 15.5%±3.3% 0.60%±0.07% 0.14%±0.07% 0.7%±0.2% B-15° 14.2%±4.2% 0.4%±0.3% 0.04%±0.01% 1.50%±0.08% B-20° 20.4%±8.4% 0.8%±0.3% 0.06%±0.02% 2.70%±0.63% OM 17.0%±0.5% 6.8%±2.4% 0.10%±0.02% 10.5%±3.2% OM-NP 12.2%±0.3% 8.1%±2.3% 0.10%±0.01% 8.9%±1.1% OM-NPK 10.0%±0.5% 5.9%±1.4% 0.09%±0.04% 6.6%±0.4% RSD 10.3%±0.3% 9.0%±1.5% 0.04%±0.01% 21.1%±3.9% RSD-N 13.3%±0.3% 8.0%±1.5% 0.20%±0.05% 5.2%±0.8% RSD-NP 12.1%±0.1% 8.4%±1.1% 0.09%±0.02% 10.9%±3.0% RSD-NPK 8.3%±0.5% 9.3%±2.1% 0.04%±0.01% 21.2%±6.9% N 11.9%±0.4% 7.8%±1.3% 0.02%±0.01% 56.6%±13.0%

土壤MBC与TOC的比值称为微生物熵，它充分反映了土壤中活性有机碳所占的比例，土壤中输入的有机质向MBC的转化效率以及土壤中C的损失和土壤矿物对有机质的固定(Marschner et al., 2003).从表 1可见，施肥处理下MBC/TOC比(6.8%~9.2%)要显著高于植被/裸地小区的MBC/TOC比，而植被小区的MBC/TOC比(1.0%~6.3%)要高于裸地小区MBC/TOC比(0.4%~3.6%).有机肥及其与化肥配施MBC/TOC比(5.9%~8.0%)却小于秸秆及其与化肥配施MBC/TOC比(5.9%~8.0%).这是由于尽管有机肥投入能提高土壤微生物熵，但如果土壤被过度使用，土壤微生物碳库将会以较快的速率下降，最终导致土壤微生物熵的降低(孔毅明，2012).

MBN/TN比可以反映土壤供应有效 N 的潜能，是土壤微生物对氮素矿化与固持作用的综合反映，调节着土壤氮的矿化和固定过程，可反映土壤N有效性状况和土壤生物活性(李东坡等，2004).本研究的MBN/TN比未反映出明显的规律性变化，主要是因为紫色土坡耕地坡度变化大，N淋溶效应显著，尽管有机肥和秸秆配施有利于提高土壤MBN，但相比暴雨过程中的TN流失，所占比重仍然很小.另外，不同施肥处理下紫色土坡耕地MBC/MBN比要明显高于植被及裸地小区MBC/TOC比.植被小区MBC/MBN比为4~6，高于裸地的1~3；有机肥及其与化肥配施MBC/MBN比(7~11)略低于秸秆及其与化肥配施MBC/MBN比变化(6~25).土壤温度是影响土壤微生物呼吸的关键因子之一，其变化将直接影响土壤微生物CN变化，同时土壤微生物呼吸值存在时间变异性，随着季节变化而变化(Xu and Qi， 2001; Yuste et al., 2004).紫色土年均土壤温度为19.3~20.2 ℃，属于热性土壤温度状况(张建辉和唐时嘉，1995)，本次试验的采样季节为9月份，在当地属土壤温度和湿度最适宜微生物活动的季节，因此本研究分析的土壤微生物CN值基本能代表该地区紫色土坡耕地的最佳微生物CN值.

如图 6所示，紫色土坡耕地中TOC与TN未表现出显著的线性耦合特征，主要由于MBC和SOC与土壤中的氮源关系表现为供给和竞争关系，而土壤TOC中惰性碳和TN无明显关系.土壤中MBN表现出与TOC和MBC良好耦合关系，其可决系数分别达到0.15和0.29(R²)，这是由于土壤中微生物不断通过转化土壤CN为生物可利用CN，为植物和微生物提供养分和碳源，所以土壤中微生物CN具有明显的耦合特征.土壤MBC与TN呈现显著的耦合特征，其相关性达到0.66(R²)，可见紫色土坡耕地微生物具有良好的氮转化和固持能力；同时，该地区氮淋溶现象严重，因此微生物可以源源不断地转化吸收土壤中的氮，而不会出现氮饱和现象.

图 6(Fig. 6)

图 6 紫色土坡耕地碳氮耦合特征 Fig. 6 Coupling of C and N in the hillslope cropl and of purple soil

1)植被覆盖有利于提高紫色土坡耕地TOC和MBC含量，并随坡度增加逐渐下降；坡耕地TN含量随土壤深度和坡度增加变化显著降低；植被小区MBN高于裸地小区，紫色土坡度耕地MBN随坡度和土层深度增加逐渐降低，在15°和20°时尤为显著.

2)不同施肥处理下紫色土坡耕地TOC含量的大小顺序为：单施有机肥 > 化肥有机肥配施 > 化肥秸秆配施 >单施秸秆 >单施化肥；不同施肥处理对MBC影响显著，施用有机肥与秸秆还田都有利于提高土壤MBC，但化肥有机肥配施与化肥秸秆配施处理的MBC差异不大；不同施肥处理下TN随土层深度增加呈显著下降，有机肥和秸秆与化肥配施相比单一添加氮肥，对土壤MBN的增加显著.

3)不同坡度下裸地/植被小区土壤C/N比要显著高于不同施肥处理下的C/N比；不同施肥处理有利于提高微生物熵，增加土壤中活性有机碳的比例；由于紫色土坡耕地氮淋溶效应显著，导致不同坡度土壤MBN/TN比呈现不规律变化，影响土壤微生物对氮素矿化与固持作用；不同施肥处理下MBC/MBN比要明显高于植被及裸地小区；MBC和TN具有显著的耦合特征(R²=0.66)