近年来，温室气体的不断增加导致全球气候持续变暖和环境恶化，其中最重要的温室气体是CO₂，农业土壤是大气CO₂主要来源之一，因此增加土壤碳储量和减少土壤CO₂排放对减缓全球温室效应极其重要^{[1, 2]}。CO₂是土壤碳排放的主要形式之一，土壤碳排放与土壤有机碳动态变化密切相关，测定土壤CO₂排放通量的年际变化是估测农田土壤截获碳的方法之一^[3]。目前，水稻土特有的水耕熟化过程使其有机碳容量明显大于其他农用土壤，其巨大固碳潜力已得到科学界的一致认可^{[4, 5, 6]}。中国南方红壤性水稻土固碳速率较其他类型水稻土高，良好施肥下的饱和固碳量以富氧化铁的红壤性水稻土最高^[7]。因此，研究中国南方红壤性水稻土的CO₂排放规律并估测其有机碳动态变化对明确水稻土的固碳减排功能和缓解温室效应功能具有重要意义。

在影响土壤CO₂排放的众因素中，施肥作为一种强烈的田间管理措施，能显著地影响稻田土壤CO₂排放。众多研究表明，有机肥及有机无机配施能显著地增加CO₂的排放^{[8, 9]}，而单施化肥对CO₂排放无影响^{[10, 11, 12]}或有增强作用^[9]均有报道。大量文献资料表明，有机无机配施是促进土壤固碳的适宜措施^{[13, 14, 15]},有机肥直接促进水稻土有机碳增长^[16]，无机肥则通过促进作物生长和增加作物输入碳(主要包括根系和根际分泌物)间接增加土壤有机碳^[17]。目前，有关施肥影响南方红壤性水稻土CO₂排放通量的报道多利用长期定位试验，以比较红壤性水稻土在培肥过程中CO₂排放通量对不同施肥措施的响应，从而估测土壤有机碳的动态变化。据李忠佩等^[18]研究表明，红壤稻田水耕利用30a之后其有机碳含量达到平衡，土壤基本培肥，不同施肥措施培肥的土壤有机碳含量及土壤肥力不同。而对于已培肥红壤性水稻土在不同后续施肥措施下的CO₂排放规律及有机碳变化则鲜有涉及。因此本试验利用一个已有30a历史的红壤性水稻土土壤肥力长期定位试验，在保证原有定位试验继续开展的前提下，变更原有3种施肥处理部分平行的施肥，测定原施肥处理和改施肥处理在一个双季稻轮作周期内的CO₂排放通量，研究不同后续施肥管理下不同肥力红壤性水稻土CO₂排放的变化规律，揭示已培肥红壤性水稻土变更施肥后其有机碳的变化规律，为估测已培肥红壤性水稻土在不同后续施肥下土壤有机碳的变化动态提供科学依据。

该定位试验位于湖南农业大学校园内，四周及顶部围有永久性不锈钢围网，占地面积128 m²，由3组双排平行的水泥池组成，半地下式，每排设6个小区，相邻小区之间水泥间隔厚20 cm，共计36个小区。组内中间设有水槽控制水位，组间及四周设有2 m深的排水沟。各小区供试面积1.44 m²，池深1.5 m，底层铺15 cm厚的卵石与粗砂。供试土壤为第四纪红色粘土发育的水稻土(定位试验开始前一年把耕性红壤分层填入，然后淹水种稻)。试验从1982年春季开始淹水种稻连续进行至今。研究前10a曾设置了稻-稻-冬闲、稻-稻-绿肥、稻-稻-油菜等3种稻作制处理，但由于冬季不施肥，油菜很难生长，从1993年起稻作制统一变更为稻-稻-冬闲。该定位试验设置2个地下水位深度(20与80 cm)以及3个不同有机肥施用水平(高量有机肥、常量有机肥、单施化肥)作为试验处理，设立2因素多水平的长期定位试验，共6个处理。各个处理的重复数并不一致，其中20 cm地下水位下的常量有机肥处理有12次重复，而80 cm地下水位下的化肥处理及高量有机肥处理只有3次重复，其余处理都有6次重复。

本研究选择20 cm地下水位下的3个不同有机肥施用水平处理(高量有机肥(HOM)、常量有机肥(NOM)、全施化肥(CF))作为试验处理，其中NOM有12次重复，HOM和CF都有6次重复。在本试验开展前从 “常量有机肥处理”和“高量有机肥处理”各随机选取3个小区，然后统一变更为“化肥处理”，得到常改化处理(N-C)和高改化处理(H-C)；同时从“常量有机肥处理”中随机选取3个小区变更为“高量有机肥处理”，得到常改高处理(N-H)；从“化肥处理”中随机选择3个小区变更为“常量有机肥处理”，得到化改常处理(C-N)。利用新增加的4个处理(N-C，H-C，C-N，N-H)和原有的3个处理(CF、NOM、HOM)，以开展本试验所设计的研究内容。

以化肥处理施肥水平为标准，其施肥量为：每季施N 150 kg/hm²，N ∶ P ∶ K=1 ∶ 0.5 ∶ 0.67，无机N、P、K肥分别以尿素、氯化钾、过磷酸钙施入，有机肥源为粉碎过后的玉米秸秆；其中，常量有机N为化肥N的1/3，高量有机N为化肥N的2/3。为保持各处理间施肥水平的基本一致，有机肥处理小区肥料不足部分用化肥补足。肥料均在水稻移栽前一次性施入土壤。2012年3月采集供试小区耕作层土壤(0—15 cm)，风干后过20目和100目筛测定其基本理化性质指标，变更施肥前HOM、NOM、CF的土壤有机碳含量及N、P、K含量见表 1。3种施肥处理肥力水平高低顺序为：HOM >NOM>CF。较高生产力水平下红壤稻田有机碳平衡值为(19±1) g/kg^[19]，由此可判断供试HOM、NOM水稻土有机碳基本达到较高生产力水平下的平衡值，而CF有机碳未达到较高生产力水平下的平衡值，处于不饱和状态。

采用静态箱法采集CO₂气体样品，在翻耕土壤并施肥后，于每季水稻移栽前安置PVC采样箱，采样箱中不种植水稻。其中顶箱体积为30 cm×30 cm×10 cm，外面覆有泡沫绝热材料(用来防止箱内温度上升过快，造成与设施内自然环境不符的小环境)；底座高20 cm，插入犁底层以阻止水稻根系进入采样箱区域的土壤。水稻移栽后开始采集气样，在代表土壤日平均CO₂排放通量的9:00—10:00点之间采集气样^[20]，每隔7d采集1次样品，如遇不适天气则适当调整采样时间间隔。采样时，首先测定每个小区采气底座区域的水层高度，再将采样箱置于采样底座上，并用水密封，然后按0、10、20和30 min的时间间隔用50 mL注射器从采气箱中部的采气孔插入，来回抽动3次完全混匀气体后采集气体，同时测定5 cm处的土温。气体采集后立即带回实验室，使用气相色谱分析仪(GC7900)测定样品中CO₂浓度，检测器为FID，柱温200 ℃，检测温度360 ℃，以N₂作为载气，H₂作为燃气，通过标准气体和待测气体的峰面积来计算待测气体的浓度，然后计算CO₂排放速率，CO₂通量计算公式为：

式中，F为排放通量(mg C m^-2 h^-1)；p为标准状态下CO₂-C的密度，ρ=0.536 kg/m³；V为采气箱内有效空间体积(m³)；A为采气箱覆盖的土壤面积(m²)；ΔC为气体浓度差；Δt为时间间隔(h)；T为采样时箱内温度(℃)。

CO₂-C累积排放量计算公式为：

式中，M为土壤CO₂-C累积呼吸量(mg C/m²)；F为CO₂排放通量(mg C m^-2 h^-1)，i为采样次数，t为采样时间。

采用Microsoft Excel for Windows 2007绘制CO₂排放季节变化动态图。有机物料的表观分解率定义为土壤CO₂-C年累积排放量占有机物料添加碳的百分比。以施肥为因素，采用单因素方差分析方法，检验不同施肥对土壤有机碳、各时期CO₂年累积排放量的影响程度和不同土壤有机碳水平对有机物料表观分解率的影响程度，采用多重比较法(LSD，P<0.05)比较不同施肥处理之间土壤有机碳、各时期CO₂年累积排放量、有机物料表观分解率差异的显著性。以土壤有机碳含量和CO₂年累积排放量为指标，采用回归分析方法检验CO₂排放量与有机碳含量的关系；以有机物料碳添加量与CO₂年累积排放量为指标，采用相关分析方法检验有机物料碳添加量与CO₂-C年排放量的关系。

不同施肥处理下土体CO₂-C排放通量(F_CO2-C)具有明显的季节变化，化肥与有机肥处理下的季节变化略有差异(图 1)，化肥处理(CF、N-C、H-C)下土体F_CO2-C的变幅较小，而有机肥处理(C-N、NOM、N-H、HOM)下土体F_CO2-C的变幅相对较大。早、晚稻淹水生长期间，化肥处理下土体F_CO2-C主要随气温的变化而改变，而有机肥处理下土体F_CO2-C随有机肥施用时间的延长而减弱。无论在化肥或有机肥处理下，土体F_CO2-C在早、晚稻成熟烤田期都显著增加。休闲期各施肥处理下土体F_CO2-C均相对较小，其随气温的降低而逐渐减小，且在气温最低时(1 ℃)达到最小值(0.005 mgC m^-2 h^-1)。各施肥处理(CF、N-C、H-C、C-N、NOM、N-H、HOM)的F_CO2-C均在早稻烤田期达到峰值，分别为162.38、281.08、395.78、303.42、337.78、426.34、489.19 mgC m^-2 h^-1。整个观测时期，化肥处理的F_CO2-C显著小于有机肥处理，常量有机肥处理(C-N、NOM)的F_CO2-C明显小于高量有机肥处理(N-H、HOM)，且增施有机肥处理C-N、N-H的F_CO2-C分别显著大于CF、NOM，改施化肥处理N-C、H-C的F_CO2-C分别明显小于NOM、HOM。

图 1 不同施肥处理水稻土CO2排放通量动态变化 Fig.1 Dynamics of CO2 flux in different fertilization treatments CF：化肥处理Chemical fertilization treatment；NOM：常量有机肥处理Normal organic fertilization treatment；HOM：高量有机肥处理High organic fertilization treatment；N-C：常量有机肥改施化肥处理Chemical fertilization treatment changed from original normal organic fertilization treatment；H-C：高量有机肥改施化肥处理Chemical fertilization treatment changed from original high organic fertilization treatment；C-N：化肥改施常量有机肥处理Normal organic fertilization treatment changed from chemical fertilization treatment；N-H：常量有机肥改施高量有机肥处理High organic fertilization treatment changed from original normal organic fertilization treatment

图选项

在早稻、晚稻生长期和休闲期各施肥处理CO₂-C累积排放量(∑CO₂-C)大小均为：HOM>N-H>NOM> C-N>H-C>N-C>CF，其中在早、晚稻生长期间，各处理∑CO₂-C差异较大，有机肥处理∑CO₂-C远远大于化肥处理；而在休闲期，有机肥处理的∑CO₂-C降幅较大，各处理∑CO₂-C差异变小(图 2)。各施肥处理年∑CO₂-C大小分别为：HOM(522.31 g/m²)>N-H(411.32 g/m²)>NOM(260.01 g/m²)>C-N(216.17 g/m²)>H-C(149.06 g/m²)>N-C(113.32 g/m²)>CF(83.20 g/m²) (图 2)。统计与分析结果表明，各时期增施有机肥处理C-N、N-H的∑CO₂-C分别极显著大于CF、NOM(P<0.01)，改施化肥处理N-C、H-C的∑CO₂-C分别明显小于NOM、HOM(P<0.01)。

图 2 不同时期各施肥处理水稻土CO2累积排放量 Fig.2 The cumulative CO2 flux of different fertilization treatments during different periods 小写字母表示不同施肥处理间CO2-C累积排放量在P<0.05水平有差异

图选项

各处理年∑CO₂-C大小关系为：H-C>N-C>CF，NOM>C-N，HOM>N-H，表明当施肥相同时，土壤固有有机碳含量高者的土体年∑CO₂-C较大。化肥处理中，CF与H-C的年∑CO₂-C差异达到极显著水平(P<0.01)，而 N-C与CF和H-C的年∑CO₂-C差异均不显著，N-C和H-C比CF平均每年分别多分解释放出30.12和65.86 gCO₂-C/m²。CF、N-C、H-C的年∑CO₂-C占其土壤有机碳储量(0—15 cm耕作层)的比例分别为3.06%、3.80%、4.39%，三者之间差异显著(P<0.05)，说明化肥处理下土壤有机碳含量越高处理的有机碳矿化速率越大。由CF、N-C、H-C土壤有机碳含量和年∑CO₂-C可拟合出单施化肥水稻土的土壤固有有机碳含量(x)和土体CO₂-C年排放量(y)之间满足线性方程：y=10.962x-68.86(R²=0.7507，n=9，P<0.01)(图 3)。

图 3 化肥处理土壤固有有机碳含量与CO2-C年排放量之间的关系 Fig.3 Relationships between the inherent SOC content and the total amount of annual CO2-C in the paddy soils received chemical fertilization

图选项

有机肥处理中，NOM、HOM分别比C-N、N-H多释放43.84 gCO₂-C/m²和110.99 gCO₂-C/m²，且差异均达到显著关系(P<0.05)，C-N、NOM、N-H、HOM的年∑CO₂-C占其土壤有机碳储量的比例分别为7.47%、7.79%、10.84%、14.46%，C-N与NOM以及N-H与HOM之间的年∑CO₂-C占其土壤有机碳储量的比例差异不显著，说明有机肥处理下土壤有机碳含量对其CO₂-C排放量有一定的促进，但效果不显著。

统计分析结果表明高量有机肥处理(N-H、HOM)土体年∑CO₂-C极显著(P<0.01)高于常量有机肥处理(C-N、NOM)，二者又均极显著高于化肥处理(CF、N-C、H-C)(P<0.01)，有机物料碳添加量与年∑CO₂-C)呈极显著的正相关关系(r=0.9015^{* *}，n=21)，表明随着有机物料添加量的增加，土体年∑CO₂-C逐渐增大。

常量有机肥处理中，C-N年∑CO₂-C显著小于NOM(P<0.05)，C-N每年平均比NOM少释放43.84 gCO₂-C/m²；高量有机肥处理中，HOM的年∑CO₂-C极显著大于N-H(P<0.01)，N-H平均每年比HOM少分解释放出110.99 g/m²的CO₂-C。从表观上看，有机肥处理排放的CO₂-C均由有机物料碳分解释放，各有机肥处理释放的CO₂-C占有机物料添加碳的比例可视为有机物料的表观分解率。由表 2可知，C-N和N-H(土壤有机碳含量低)的有机物料表观分解率分别显著小于NOM和HOM(土壤有机碳含量高)。

淹水植稻期间，化肥处理F_CO2与温度变化一致，但有机肥处理F_CO2受温度的影响相对较小，其在施肥后明显增加，并随时间的延长而逐渐减小；烤田期排水落干致使各施肥处理F_CO2均明显增大，休闲期各处理F_CO2变化主要受气温影响，与温度变化基本同步(图 1)。因此，施肥和水热因子综合影响CO₂排放动态变化，且在整个观测时期，增施有机肥处理F_CO2-C显著增大，改施化肥处理F_CO2-C显著减小，表明变更施肥能明显影响F_CO2动态变化。不同观测期间CO₂累积排放量大小均表现为：高量有机肥处理(HOM>N-H)>常量有机肥处理(NOM>C-N)>化肥处理(H-C>N-C>CF)，这一结果表明有机肥能显著增强土体呼吸，与前人研究结果一致^{[7, 8, 21]}，有机物料碳添加量与年∑CO₂-C之间呈极显著正相关关系(r=0.9015^{* *}，n=21)；该结果还说明在相同施肥条件下，有机碳含量越高的水稻土排放CO₂越多，由此证明土壤有机碳是影响土壤呼吸的关键因素，张东秋等^[22]、李海防等^[23]和李长生等^[24]也得出相似结论。

供试CF、N-C、H-C(施用等量化肥而土壤固有有机碳不同)的CO₂年排放量随有机碳含量的增加而增加(图 2)，表明土壤有机碳含量越高，矿化分解为CO₂的底物越充足，CO₂排放越大，土壤有机碳矿化损失越多。在单施化肥水稻土上以CO₂-C形式损失的有机碳量可根据土壤固有有机碳含量(x)和土体年∑CO₂-C(y)之间的线性方程：y=10.962x-68.86(R²=0.7507，n=9)进行估算；同时这也表明，长期施用有机肥的已培肥水稻土改用单一化肥后，其已有的有机碳平衡被破坏，前期施用有机肥积累的土壤有机碳将分解损失，最终将与长期单一施用化肥的土壤有机碳水平一致。以CF、N-C、H-C 3个施肥处理年∑CO₂-C差值为基础，在不考虑CH₄-C的前提下，长期施用常量有机肥和高量有机肥的水稻土改施化肥后，其15 cm耕层土壤有机碳分别大概需要25a和16a达到长期施用化肥水稻土的有机碳水平(14.45 g/kg)。但实际上，该时间的估测并不精确，因为稻田是CH₄的重要排放源^[25]，并且土壤有机碳的积累速度会逐年减小^[18]。

C-N、N-H(固有土壤有机碳含量相对较低)分别比NOM、HOM(固有土壤有机碳含量相对较高)少释放43.84 gCO₂-C/m²和110.99 gCO₂-C/m²，这一结果清楚地表明，在有机碳含量相对较低的水稻土上改施或增施有机肥会促进一部分有机物料碳积累于水稻土中，且有机物料碳施用量越多，积累于水稻土中的碳越多，陈义等^[26]和Li等^[27]均得出相似结论。因此，在有机碳含量较低的已培肥水稻土上增施有机肥会打破原有有机碳平衡，使土壤有机碳容量扩大。CF和NOM改施或增施有机肥后，其原有有机碳平衡遭到破坏，有机碳容量扩大，促进一部分有机物料碳累积于土壤中，以致C-N和N-H的有机物料表观分解率分别显著小于NOM和HOM的有机物料碳表观分解率(表 2)。由此可见，等量有机物料施用于有机碳水平不等的水稻土上，土壤有机碳含量越高，有机物料表观分解率越大，土壤有机碳的进一步积累越困难。进而说明土壤有机碳含量不同的水稻土在相同的有机肥管理下，其土壤有机碳将达到相同的平衡水平。假定供试常量和高量有机肥处理土壤有机碳已经达到相应的平衡水平，以C-N、NOM和N-H、HOM两组处理CO₂-C年累积排放量差值为基础，在不考虑CH₄-C的前提下，长期施用化肥的处理改为常量有机肥和高量有机肥后，分别需要17a和3a可达到平衡有机碳含量(18.67 g/kg和20.46 g/kg)。

在土壤有机碳含量高于已培肥化肥水稻土有机碳平衡值(14.45 g/kg)的水稻土上单施化肥会导致土壤有机碳的损失，在土壤有机碳含量低于高生产力土壤有机碳平衡值(20.46 g/kg)的水稻土上增施有机肥能促进水稻土碳积累。由此可以看出，增施有机肥是提升土壤有机碳(未达到高生产力土壤有机碳平衡值)的适宜后续施肥措施，在已培肥的水稻土上减少其有机肥施用量或者完全改施化肥都将导致其土壤有机碳的损失。因此，在已培肥红壤水稻土上施用有机肥而避免施用化肥的意义不仅在于促进土壤有机碳增长，而且还在于保持土壤已有有机碳水平。

变更施肥能明显改变CO₂排放动态变化，有机肥和土壤有机碳均能促进红壤性水稻土土体CO₂排放。长期施用有机肥的红壤性水稻土改施化肥后其前期施用有机肥积累的土壤有机碳将分解损失，最终与长期单一施用化肥的土壤有机碳水平相一致。长期施用化肥(有机肥)的红壤性水稻土上改施(增施)有机肥能促进其有机碳的积累，有机碳水平不同的水稻土在相同有机肥管理下，其土壤有机碳水平最终会达到相同的新平衡。增施有机肥是提升红壤稻田土壤固碳功能的可持续发展措施，避免有机肥改施化肥是防止红壤稻田土壤有机碳损失的有效途径。