張 藝，戴 齊，尹力初，谷忠元

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，長沙 410128)

后續(xù)施肥措施改變對水稻土團(tuán)聚體有機(jī)碳分布及其周轉(zhuǎn)的影響①

張 藝，戴 齊，尹力初*，谷忠元

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，長沙 410128)

利用一個(gè)長達(dá)30 a且已進(jìn)行適當(dāng)變更的長期定位施肥試驗(yàn)，改施C4玉米秸稈以替代C3水稻秸稈，運(yùn)用δ13C自然豐度方法，研究長期施用高量有機(jī)肥、常量有機(jī)肥、化肥及當(dāng)其施肥措施改變(化肥改為常量有機(jī)肥、常量有機(jī)肥改為高量有機(jī)肥、高量有機(jī)肥改為化肥、常量有機(jī)肥改為化肥)3 a后對紅壤性水稻土團(tuán)聚體有機(jī)碳分布及其周轉(zhuǎn)的影響。結(jié)果表明：在所有施肥處理?xiàng)l件下紅壤性水稻土團(tuán)聚體分布以大團(tuán)聚體(＞0.25 mm)為主，占72.48% ～86.33%。與施用化肥30 a相比，長期施用常量有機(jī)肥、高量有機(jī)肥有利于促進(jìn)紅壤性水稻土粗大團(tuán)聚體(＞2 mm)的形成，并提高團(tuán)聚體平均重量直徑(MWD)。團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量隨著團(tuán)聚體粒徑的增大而增大，大團(tuán)聚體更有利于有機(jī)碳富集。長期常量有機(jī)肥、高量有機(jī)肥處理下紅壤性水稻土中有機(jī)碳主要貯存在粗大團(tuán)聚體(＞2 mm)中，而長期化肥處理下以細(xì)大團(tuán)聚體(2 ～ 0.25 mm)對土壤有機(jī)碳貢獻(xiàn)率最高。外源新碳施入量越多，全土和各粒徑團(tuán)聚體新碳含量越高，且外源新碳主要分布在大團(tuán)聚中。在后續(xù)施肥措施改變3年后，增加有機(jī)肥施入量(化改常、常改高)＞2 mm粗大團(tuán)聚體、MWD、全土及各粒徑團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量將分別顯著提高7.08% ～ 73.13%、5.38% ～ 44.22%、14.53% ～ 38.50%、0.70% ～ 35.86%；而減少有機(jī)肥施入量(高改化、常改化)則與之相反，分別降低28.17% ～ 43.20%、21.17% ～ 31.54%、17.54% ～ 27.30%、11.49% ～ 29.77%。因此，在我國南方紅壤性稻作區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)繼續(xù)或加大施用有機(jī)肥，從而進(jìn)一步維持或改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤有機(jī)碳含量。

喀長期定位試驗(yàn)；紅壤性水稻土；土壤團(tuán)聚體；土壤有機(jī)碳；13C；施肥改變

土壤結(jié)構(gòu)是調(diào)控土壤物理、化學(xué)和生物過程及土壤有機(jī)碳分布的重要因素之一，是土壤肥力的基礎(chǔ)。土壤團(tuán)聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的最基本單元，在保證和協(xié)調(diào)土壤中的水肥氣熱，影響土壤酶的種類和活性，維持和穩(wěn)定土壤疏松熟化層等方面至關(guān)重要[1]。土壤團(tuán)聚體與土壤有機(jī)碳二者之間相互作用，相互影響，密不可分。前者為后者提供存在場所及物理保護(hù)，后者為前者提供形成所必需的膠結(jié)物質(zhì)。施肥作為最普遍的農(nóng)田管理措施，在對土壤團(tuán)聚體分布、土壤有機(jī)碳含量、團(tuán)聚體有機(jī)碳關(guān)系等方面有著至關(guān)重要的影響。邸佳穎等[2]對紅壤性水稻土水穩(wěn)定性團(tuán)聚體分布及其固碳特征進(jìn)行了研究，認(rèn)為施用秸稈和糞肥均顯著促進(jìn)了土壤大團(tuán)聚體形成并提高了團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，但團(tuán)聚體所固持的有機(jī)碳含量與其粒級(jí)大小沒有顯著的線性相關(guān)關(guān)系。安婷婷等[3]系統(tǒng)地分析了施肥對棕壤團(tuán)聚體組成及其有機(jī)碳分布的影響，發(fā)現(xiàn)長期施用有機(jī)肥增加了土壤中大團(tuán)聚體的數(shù)量及其有機(jī)碳含量，有利于土壤表層有機(jī)碳的固定。向艷文等[4]研究結(jié)果表明，水穩(wěn)性大團(tuán)聚體對土壤有機(jī)碳具有強(qiáng)富集和物理保護(hù)作用，長期化肥和稻草配合施用能顯著提高大團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳含量和儲(chǔ)量。袁穎紅等[5]研究表明，長期連續(xù)施用無機(jī)肥、有機(jī)肥和無機(jī)肥與有機(jī)肥配施對土壤有機(jī)碳在團(tuán)聚體內(nèi)的分布有較大影響，且較大微團(tuán)聚體內(nèi)含有較多的新形成有機(jī)物質(zhì)。以往的研究結(jié)果已充分證實(shí)外源有機(jī)物料的投入有利于土壤大團(tuán)聚體的形成及有機(jī)碳含量提高。但對于那些經(jīng)長期施用有機(jī)肥培肥而土壤結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)的高肥力土壤，當(dāng)其后續(xù)施肥措施改變時(shí)，其土壤團(tuán)聚體組成、有機(jī)碳分布是否會(huì)發(fā)生不合理的改變，還有待進(jìn)一步論證。

目前，δ13C方法已經(jīng)廣泛用于研究土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化。與其他研究土壤有機(jī)碳周轉(zhuǎn)方法相比，δ13C方法不僅具有無放射性，標(biāo)記均勻和可長期標(biāo)記等優(yōu)點(diǎn)外，更能直接計(jì)算出土壤或其組分中不同植物來源有機(jī)碳的比例和數(shù)量[5]。以往的研究大多采用室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)的方法, 通過添加δ13C標(biāo)記的玉米秸稈研究有機(jī)碳的分解速率及周轉(zhuǎn)情況[7-8]。但室內(nèi)的試驗(yàn)條件與田間實(shí)際情況相差較大，不能完全說明土壤有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程。由此，本研究依托湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)一個(gè)長達(dá)30 a且已進(jìn)行適當(dāng)變更的長期定位施肥試驗(yàn)，分析長期施用高量有機(jī)肥、常量有機(jī)肥、化肥及改變施肥措施(化肥改為常量有機(jī)肥、常量有機(jī)肥改為高量有機(jī)肥、高量有機(jī)肥改為化肥、常量有機(jī)肥改為化肥)3 a后對紅壤性水稻土團(tuán)聚體分布及有機(jī)碳周轉(zhuǎn)的影響，并通過改施C4玉米秸稈以替代C3水稻秸稈，運(yùn)用δ13C田間自然豐度方法，計(jì)算土壤有機(jī)碳更新比例，以期為改善紅壤性水稻土結(jié)構(gòu)，提高紅壤性水稻土肥力，促進(jìn)稻作農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 長期定位試驗(yàn)概況

本研究所利用長期定位試驗(yàn)的設(shè)置詳情見張蕾等[9]。簡而言之，本定位試驗(yàn)起始于1982年，其母質(zhì)為長沙地區(qū)廣泛分布的第四紀(jì)紅色黏土，耕作制度為稻-稻-冬閑。定位試驗(yàn)起始之初設(shè)置了高量有機(jī)肥、常量有機(jī)肥、化肥等3個(gè)處理，共36個(gè)小區(qū)。每季水稻的施肥量為施N 150 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O=1∶0.5∶1?；侍幚硐碌⒘?、鉀肥分別以尿素、氯化鉀、過磷酸鈣施入。高量、常量有機(jī)肥處理下分別以有機(jī)物料供應(yīng)總氮的2/3、1/3；養(yǎng)分不足部分用化肥補(bǔ)足。2012年栽植早稻前，本定位試驗(yàn)管理人員利用3個(gè)不同施肥處理重復(fù)數(shù)量相對較多的優(yōu)勢對該定位試驗(yàn)進(jìn)行了變更。即：從“常量有機(jī)肥”處理(NOM, normal organic material)和“高量有機(jī)肥”處理(HOM, high organic material)各隨機(jī)選取3個(gè)小區(qū)，然后變更為化肥處理，得到“常改化”處理(N-C,chemical fertilization treatment changed from original normal organic fertilization treatment)和“高改化”處理(H-C, chemical fertilization treatment changed from original high organic fertilization treatment)；同時(shí)從“常量有機(jī)肥”處理中另隨機(jī)選取3個(gè)小區(qū)變更為高量有機(jī)肥處理，得到“常改高”處理(N-H, high organic fertilization treatment changed from original normal organic fertilization treatment)；從“化肥”處理(CF,chemical fertilizer)中隨機(jī)選擇3個(gè)小區(qū)變更為常量有機(jī)肥處理，得到“化改常”處理(C-N, normal organic fertilization treatment changed from chemical fertilization treatment)。由此，變更后的定位試驗(yàn)共包含7個(gè)處理，即原有的3個(gè)處理(高量有機(jī)肥、常量有機(jī)肥、化肥)及新增加的4個(gè)處理(高改化、常改化、常改高、化改常)。2012年以后該定位試驗(yàn)所用的有機(jī)物料從水稻秸稈變更為玉米秸稈(粉碎并過10 mm篩)，其C、N、P、K含量分別為449.8、10.44、5.93、12.61 g/kg，有機(jī)碳的δ13C值為 -12.6‰，常量或高量有機(jī)肥處理下每年的秸稈用量分別為9.58、19.16 t/hm2。近5 a來種植的早稻、晚稻品種分別為湘早秈15、VY46。早稻于每年4月下旬移栽，7月上旬收獲，而晚稻于7月中旬移栽，10月底收獲。每小區(qū)植稻35株。2012年4月采集供試小區(qū)耕作層土壤(0 ～ 15 cm)測定其基本理化性質(zhì)指標(biāo)，變更施肥措施前高量有機(jī)肥、常量有機(jī)肥、化肥處理的土壤有機(jī)碳含量及氮、磷、鉀含量見表1。

表1 變更施肥措施前土壤有機(jī)碳含量及氮、磷、鉀含量Table 1 Contents of soil organic carbon, nitrogen, phosphorus,potassium before changing fertilization measure

1.2 樣品采集與分析方法

1.2.1 樣品采集 于2015年4月栽植早稻前，在每個(gè)小區(qū)中隨機(jī)確定3個(gè)采樣點(diǎn)，用切刀切下長×寬×高=5 cm × 5 cm × 15 cm的原狀土柱，輕放于塑料盒子并避免土塊相互擠壓。將帶回土樣風(fēng)干至土壤塑限(含水量約為22% ～ 25%)時(shí)，把土塊沿著自然縫隙輕輕掰成大小不同的團(tuán)塊，使其通過8 mm篩，揀去作物殘根和小石頭等異物，在室溫下繼續(xù)風(fēng)干，土樣風(fēng)干后測定土壤團(tuán)聚體組成及其他性質(zhì)。

1.2.2 土壤團(tuán)聚體分級(jí) 團(tuán)聚體的分級(jí)采用濕篩法[10]。新鮮土樣自然風(fēng)干后，依次過2、0.25和0.053 mm篩。具體操作為：稱取大約100 g風(fēng)干土置于2 mm的篩子上放于盆內(nèi)，調(diào)整盆內(nèi)水面的高度，使篩子移動(dòng)到最高位置時(shí)團(tuán)聚體剛好淹沒在水面以下。待土樣在水面下浸泡5 min后開啟團(tuán)聚體篩分儀，在2 min內(nèi)上下擺動(dòng)50次，擺幅為3 cm。將留在篩上的物質(zhì)用蒸餾水洗至燒杯中，通過篩子的土和水進(jìn)行下一級(jí)團(tuán)聚體的分離，操作步驟同上。分離出的不同大小團(tuán)聚體土樣在60℃下烘干，稱量，備用。

1.2.3 有機(jī)碳及δ13C值的測定 土壤全土有機(jī)碳含量及各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均采用元素分析儀測定(Elementar II，德國)，其原理是土壤有機(jī)碳在高溫條件下燃燒釋放出CO2，并用TCD監(jiān)測器檢測其碳含量。土壤和玉米秸稈有機(jī)碳的δ13C值用同位素質(zhì)譜儀(Finnigan MAT251，Thermo Electron) 測定。

1.2.4 結(jié)果計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析 δ13C值是描述樣品與標(biāo)準(zhǔn)化合物相比較13C自然豐度變異程度的指標(biāo)。C3植物的δ13C值范圍從-40‰ ～ -23‰，平均為-27‰；C4植物的δ13C值范圍從-19‰ ～ -9‰，平均為-12‰[11]。當(dāng)改施C4玉米秸稈替代C3水稻秸稈時(shí)，就導(dǎo)致了土壤有機(jī)碳δ13C值改變，根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)δ13C值的變化程度，就可以計(jì)算出土壤有機(jī)碳更新比例。土壤全土有機(jī)碳(或各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳)中來源于玉米秸稈新碳的比例的計(jì)算公式為[12]：

式中： δ為添加玉米秸稈后土壤全土有機(jī)碳(或各粒徑團(tuán)聚有機(jī)碳)的δ13C值；δCK為未添加玉米秸稈時(shí)土壤全土有機(jī)碳(或各粒徑團(tuán)聚有機(jī)碳)的δ13C值；δL為玉米秸稈碳的δ13C值。

根據(jù)全土或不同粒徑土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳總量(C)，那么有機(jī)碳總量中來自玉米秸稈新碳(CN)部分為：

平均重量直徑(MWD)：

式中：xi為第i個(gè)篩子上團(tuán)聚體的平均直徑，mi是第i 個(gè)篩子上顆粒百分比。

所有測定結(jié)果用Excel進(jìn)行整理和初步分析，用SPSS進(jìn)行方差分析，多重比較采用LSD檢驗(yàn)，顯著水平為P＜0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對土壤團(tuán)聚體分布及其穩(wěn)定性的影響

不同粒級(jí)土壤團(tuán)聚體在改善土壤結(jié)構(gòu)和固定養(yǎng)分等方面發(fā)揮著不同的作用[13]。如表2所示，各施肥處理下＜0.053 mm粉黏粒含量最少，占土壤干重的4.35% ～ 8.77%；0.25 ～ 0.053 mm微團(tuán)聚體含量為8.01% ～ 18.68%；2 ～ 0.25 mm細(xì)大團(tuán)聚體含量為32.71% ～ 47.88%；＞2 mm粗大團(tuán)聚體含量為26.50%～ 53.57%。其中 ＞0.25 mm大團(tuán)聚體比例為72.48% ～86.33%，是紅壤性水稻土團(tuán)聚體主要組成部分。

30 a長期不同施肥處理下土壤團(tuán)聚體的組成存在顯著差異(P＜0.05)。相對于化肥處理，高量有機(jī)肥處理、常量有機(jī)肥處理下＞2 mm粗大團(tuán)聚體的含量分別為化肥處理的2.02倍和1.76倍；2 ～ 0.25 mm細(xì)大團(tuán)聚體的含量則分別降低了28.86%、19.57%；0.25 ～0.053 mm微團(tuán)聚體的含量分別降低了57.12%、41.27%；而＜0.053 mm粉黏粒的含量也以化肥處理相對較高。團(tuán)聚體的平均重量直徑(MWD)體現(xiàn)了土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，反映了土壤結(jié)構(gòu)狀況。長期不同施肥處理下MWD大小為：高量有機(jī)肥處理(3.07 mm)＞常量有機(jī)肥處理(2.79 mm)＞化肥處理(1.90 mm)。與化肥處理相比，高量有機(jī)肥處理、常量有機(jī)肥處理下MWD分別提高了61.6%、46.8%。

后續(xù)施肥措施改變也顯著影響了土壤團(tuán)聚體的分布。與高量有機(jī)肥處理相比，高改化處理下 ＞2 mm粗大團(tuán)聚體含量降低了28.17%，其他團(tuán)聚體組分含量提高了24.95% ～ 65.17%；MWD降低了21.17%。與常量有機(jī)肥處理相比，常改高處理下 ＞2 mm粗大團(tuán)聚體含量提高了7.08%，其他團(tuán)聚體組分含量降低了2.00% ～ 17.46%，MWD提高了5.38%；而常改化處理下 ＞2 mm粗大團(tuán)聚體含量降低了43.20%，其他團(tuán)聚體組分含量提高了29.48% ～ 69.28%，MWD降低了31.54%。與化肥處理相比，化改常處理下 ＞2 mm粗大團(tuán)聚體含量提高了73.13%，其他團(tuán)聚體組分含量降低了19.38% ～ 39.45%；MWD提高了44.22%。因此，在后續(xù)施肥措施改變3 a的過程中，增加有機(jī)肥施入量(如常改高、化改常)將顯著增加 ＞2 mm粗大團(tuán)聚體含量而相應(yīng)減少其他團(tuán)聚體組分含量，并顯著提高M(jìn)WD。而減少有機(jī)肥施入量(如高改化、常改化)將顯著增加其他團(tuán)聚體組分含量而相應(yīng)降低＞2 mm粗大團(tuán)聚體含量，并顯著降低土壤MWD。

2.2 不同施肥處理對土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量的影響

土壤不同粒徑團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量是土壤有機(jī)碳礦質(zhì)化作用與腐質(zhì)化作用動(dòng)態(tài)平衡的微觀表征，在保持土壤肥力和穩(wěn)定土壤碳匯等方面具有重要意義。由表3可以看出，各施肥處理下土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量因粒徑而異。隨著土壤團(tuán)聚體粒徑逐漸減小，其有機(jī)碳含量呈現(xiàn)出降低趨勢，其中粗大團(tuán)聚體(＞2 mm)＞細(xì)大團(tuán)聚體(2 ～ 0.25 mm)＞微團(tuán)聚體(0.25 ～0.053 mm)＞粉黏粒(＜0.053 mm)。

表2 不同施肥處理對土壤團(tuán)聚體分布及其穩(wěn)定性影響Table 2 Effects of different fertilization treatments on distribution and mean weight diameters of soil aggregates

30 a長期定位施肥后，全土中有機(jī)碳含量隨著有機(jī)肥用量增加而提高。與化肥處理相比，高量有機(jī)肥處理和常量有機(jī)肥處理分別使全土中有機(jī)碳含量增加了10.46、6.96 g/kg，各處理之間差異達(dá)到顯著水平(P＜0.05)。各粒徑團(tuán)聚體組分中有機(jī)碳含量也隨有機(jī)肥施用量的增加而相應(yīng)提高。與化肥處理相比，高量有機(jī)肥處理、常量有機(jī)肥處理下 ＞2 mm粗大團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量分別提高了66.98% 和40.98%；2 ～0.25 mm細(xì)大團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量分別提高了76.91% 和48.36%；0.25 ～ 0.053 mm微團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量分別提高了64.14% 和58.78%；＜0.053 mm粉黏粒中有機(jī)碳含量分別提高了37.44% 和25.64%。

后續(xù)施肥措施改變也顯著影響了全土及各粒徑團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量。與高量有機(jī)肥處理相比，高改化處理下全土及各粒徑團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量分別降低了27.30%、16.32% ～ 29.77%。與常量有機(jī)肥處理相比，常改高處理下全土及各粒徑團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量分別提高了14.53%、0.70% ～ 15.17%；常改化處理下則分別降低了17.54%、11.49% ～ 18.51%。與化肥處理相比，化改常處理下全土及各粒徑團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量分別提高了38.50%、20.90% ～35.86%。因此，在后續(xù)施肥措施改變3 a的過程中，增加有機(jī)肥施入量(如常改高、化改常)將顯著增加全土及各粒徑團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量，而減少有機(jī)肥施入量(如高改化、常改化)將顯降低全土及各粒徑團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量。

表3 不同施肥處理對土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量影響(g/kg)Table 3 Effects of different fertilization treatments on organic carbon contents in soil aggregates

2.3 不同施肥處理中土壤團(tuán)聚體對全土有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率

如表4所示，不同粒徑土壤團(tuán)聚體對全土有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率有顯著差異。各施肥處理下＜ 0.053 mm粉黏粒對全土有機(jī)碳貢獻(xiàn)率最小，約占總量的1.96% ～3.93%；0.25 ～ 0.053 mm微團(tuán)聚體約占總量的6.19% ～17.97%；2 ～ 0.25 mm細(xì)大團(tuán)聚體約占總量的34.31%～ 50.28%；＞2 mm粗大團(tuán)聚體約占總量的30.12% ～56.90%。長期高量有機(jī)肥處理、常量有機(jī)肥處理下以＞2 mm粗大團(tuán)聚體對全土有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率最高，分別達(dá)到了56.90%、49.36%；而長期化肥處理下以2 ～0.25 mm細(xì)大團(tuán)聚體的貢獻(xiàn)率最高，達(dá)到了47.88%。

后續(xù)施肥措施改變也顯著影響了各粒徑土壤團(tuán)聚體對全土有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率。與高量有機(jī)肥處理相比，高改化處理下 ＞2 mm粗大團(tuán)聚體的貢獻(xiàn)率降低了29.12%，2 ～ 0.25mm細(xì)大團(tuán)聚體、0.25 ～0.053 mm微團(tuán)聚體、＜ 0.053 mm粉黏粒的貢獻(xiàn)率分別提高了29.67%、81.74%、51.15%。與常量有機(jī)肥處理相比，常改高處理下 ＞2 mm粗大團(tuán)聚體的貢獻(xiàn)率提高了7.25%，其他粒徑團(tuán)聚體的貢獻(xiàn)率分別降低了1.20%、25.21%、26.04%；而常改化處理下 ＞2 mm粗大團(tuán)聚體的貢獻(xiàn)率降低了38.98%，其他粒徑團(tuán)聚體的貢獻(xiàn)率分別提高了31.11%、66.80%、32.83%。與化肥處理相比，化改常處理下＞2 mm粗大團(tuán)聚體的貢獻(xiàn)率提高了64.35%，其他粒徑團(tuán)聚體的貢獻(xiàn)率分別降低了23.83%、45.08%、11.73%。這表明在后續(xù)施肥措施改變3 a的過程中，增加有機(jī)肥的施入量(如常改高、化改常)將顯著提高＞2 mm粗大團(tuán)聚體的貢獻(xiàn)率，相應(yīng)降低2 ～ 0.25 mm細(xì)大團(tuán)聚體、0.25 ～ 0.053 mm微團(tuán)聚體的貢獻(xiàn)率。而減少有機(jī)肥的施入量(如高改化、常改化)則顯著降低 ＞2 mm粗大團(tuán)聚體的貢獻(xiàn)率，提高2 ～0.25 mm細(xì)大團(tuán)聚體、0.25 ～ 0.053mm微團(tuán)聚體的貢獻(xiàn)率。

表4 不同施肥處理中各粒徑團(tuán)聚體對全土有機(jī)碳貢獻(xiàn)率(%)Table 4 Contribution rates of aggregates to soil organic carbon under different fertilization treatments

2.4 外源新碳(玉米秸稈碳)在土壤各級(jí)團(tuán)聚體中的分配

利用測得的不同團(tuán)聚體中的δ13C值(表5)，計(jì)算得到外源新碳(玉米秸稈碳)作為有機(jī)肥施用后，全土及不同團(tuán)聚體中外源新碳的含量(表6)。表6結(jié)果表明，高量有機(jī)肥處理、常改高處理、常量有機(jī)肥處理和化改常處理下全土中外源新碳的含量分別為12.87、13.00、6.30 和4.72 g/kg，其中前兩者與后兩者的差異均達(dá)顯著水平(P＜0.05)。隨有機(jī)肥(玉米秸稈)施入量的增多，進(jìn)入全土及其不同粒徑團(tuán)聚體中的新碳含量相應(yīng)增加。其中，進(jìn)入到土壤中的外源新碳59.52% ～ 65.77% 殘留在 ＞0.25 mm 團(tuán)聚體中，22.00% ～ 31.57% 殘留在0.25 ～ 0.053 mm 團(tuán)聚體中，而6. 57% ～ 12. 54% 殘留在＜0.053 mm 團(tuán)聚體中。這表明施用的玉米秸稈新碳主要集中在 ＞0.25 mm粒徑大團(tuán)聚體中。

表5 不同施肥處理土壤團(tuán)聚體δ13C值(‰)Table 5 δ13C values of soil aggregates under different fertilization treatments

表6 不同施肥處理土壤團(tuán)聚體中外源新碳含量(g/kg)Table 6 Fresh carbon contents of soil aggregates under different fertilization treatments

3 討論

土壤團(tuán)聚體的組成、分布以及功能特性等受諸多影響因素干擾，既包括環(huán)境因素(土壤類型、氣候條件、植物覆蓋等)，也包括人為因素(土地利用方式、耕作措施、輪作制度、農(nóng)田管理等)。本長期定位試驗(yàn)中，不同施肥處理下紅壤性水稻土團(tuán)聚體以 ＞0.25 mm大團(tuán)聚體為優(yōu)勢粒徑，約占72.48% ～ 86.33%。這與易亞男等[14]研究結(jié)果：高、低水位下紅壤性水稻土團(tuán)聚體主要分布在 ＞0.25 mm水穩(wěn)定性大團(tuán)聚體范圍內(nèi)一致。但另有研究報(bào)道，單施有機(jī)肥或秸稈下浙江稻田土壤團(tuán)聚體以0.25 ～ 0.053 mm粒徑所占比重最大[15]。究其原因，可能是不同研究下供試土壤類型、氣候、施肥、作物種類、利用方式等條件差異所導(dǎo)致。本研究中，30 a長期施肥和后續(xù)施肥措施改變的結(jié)果都表明提高有機(jī)肥施入量，紅壤性水稻土＞2 mm粗大團(tuán)聚所占比例提高，團(tuán)聚體穩(wěn)定性增強(qiáng)，證實(shí)了有機(jī)肥在改善紅壤性水稻土結(jié)構(gòu)中不可替代的作用。陳曉芬等[16]也研究表明，施用有機(jī)肥有利于 ＞2 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成。研究認(rèn)為膠結(jié)物質(zhì)

(有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)、無機(jī)膠結(jié)物質(zhì)、有機(jī)無機(jī)復(fù)合體)在土壤團(tuán)聚體形成過程中起著十分重要的作用[17]。在后續(xù)常改高、化改常處理下，有機(jī)肥施入量增加導(dǎo)致土壤中有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)含量提高，促使粉黏粒、微團(tuán)聚體通過團(tuán)聚作用向大團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化，從而促進(jìn)了土壤大團(tuán)聚體的形成及其穩(wěn)定性的提高。而后續(xù)高改化、常改化處理下，效果與之相反,說明施用化肥雖然可以提高作物生物量間接增加土壤膠結(jié)物質(zhì)，但效果遠(yuǎn)不如有機(jī)肥明顯。因有機(jī)肥除了能夠提供各種養(yǎng)分，提高作物生物量外，其本身也含有大量有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)。本試驗(yàn)中，不同施肥處理下紅壤性水稻土各粒徑團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量順序均為：粗大團(tuán)聚體(＞2 mm) ＞

細(xì)大團(tuán)聚體(2 ～ 0.25 mm)＞微團(tuán)聚體(0.25 ～ 0.053 mm)＞ 粉黏粒(＜0.053 mm)，表明團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量隨著團(tuán)聚體粒徑的增大而增大，大團(tuán)聚體更有利于有機(jī)碳富集。以往很多研究也報(bào)道，大團(tuán)聚體比微團(tuán)聚體含有更多的有機(jī)碳[18]。Jastrow等[19]運(yùn)用13C 示蹤法進(jìn)一步證實(shí)了大團(tuán)聚體比微團(tuán)聚體含有更多的有機(jī)碳。究其原因，可能是團(tuán)聚體層次性機(jī)制現(xiàn)象，即微團(tuán)聚體早于大團(tuán)聚體形成，大粒徑團(tuán)聚體是由小粒徑團(tuán)聚體形成后通過有機(jī)、無機(jī)膠結(jié)物質(zhì)膠結(jié)作用而形成的[20]。以往相關(guān)研究表明，團(tuán)聚體對土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率以微團(tuán)聚體較大[5]，但本試驗(yàn)紅壤性水稻土的團(tuán)聚體對土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率主要體現(xiàn)在＞0.25 mm的大團(tuán)聚體上。這可能是由于該部分團(tuán)聚體是數(shù)量優(yōu)勢粒級(jí)，而且其有機(jī)碳含量最高所導(dǎo)致的。大量長期定位施肥試驗(yàn)表明，單獨(dú)施用有機(jī)肥或有機(jī)肥化肥配施均能提高土壤全土和各粒徑團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量，且有機(jī)肥化肥配施效果更好[21-22]。這與本研究試驗(yàn)結(jié)果一致，30 a長期定位施肥后，高量有機(jī)肥處理下全土和各粒徑團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量均最高。另相關(guān)分析也表明，全土中有機(jī)碳與外源有機(jī)物料輸入碳量呈顯著正相關(guān)(圖1)。此結(jié)果說明，土壤有機(jī)碳含量變化與外源有機(jī)物料投入量直接相關(guān)。同時(shí)，本研究證明在后續(xù)施肥措施改變3 a的過程中，增加有機(jī)肥的施入量(如常改高、化改常)將進(jìn)一步顯著提高 ＞2 mm粗大團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量及其貢獻(xiàn)率。而減少有機(jī)肥的施入量(如高改化、常改化)則降低 ＞2 mm粗大團(tuán)聚體的貢獻(xiàn)率，相應(yīng)提高2 ～ 0.25 mm細(xì)大團(tuán)聚體、0.25 ～ 0.053 mm微團(tuán)聚體的貢獻(xiàn)率。

大量國內(nèi)外研究認(rèn)為土壤大團(tuán)聚體比微團(tuán)聚體含有更多新形成的有機(jī)物[23]，新增加的碳主要集中的大團(tuán)聚體中[24]。本試驗(yàn)中，運(yùn)用δ13C方法證實(shí)外源新碳施入量越多，全土和各粒徑團(tuán)聚體新碳含量越高，且團(tuán)聚體粒徑越大，其分配新碳的比例越高。呂元春等[8]通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)研究3種不同類型土壤，表明新進(jìn)入的外源碳主要分配在大團(tuán)聚體中。這與本研究的結(jié)果類似。但在后續(xù)施肥措施改變3 a的過程中，常改高處理與高量有機(jī)肥處理、化改常處理與常量有機(jī)肥處理均未達(dá)到顯著差異，這可能與改施時(shí)間長短、所施用玉米秸稈數(shù)量、土壤本身性質(zhì)、農(nóng)田管理措施等有關(guān)，其具體原因還有待進(jìn)一步研究。

圖1 有機(jī)物料輸入量與全土有機(jī)碳含量的相關(guān)關(guān)系Fig. 1 Correlation between soil organic carbon and input applied as organic fertilizer

4 結(jié)論

通過長達(dá)30 a的長期定位試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：紅壤性水稻土以 ＞0.25 mm大團(tuán)聚體為主。施用有機(jī)肥能明顯促進(jìn)紅壤性水稻土 ＞2 mm粗大團(tuán)聚體形成，提高M(jìn)WD，增加全土及各粒徑團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量。團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量隨著團(tuán)聚體粒徑的增大而增大，大團(tuán)聚體更有利于有機(jī)碳富集。有機(jī)肥處理下紅壤性水稻土中有機(jī)碳主要貯存在 ＞2 mm粗大團(tuán)聚體中，而化肥處理下以2 ～ 0.25 mm細(xì)大團(tuán)聚體對土壤有機(jī)碳貢獻(xiàn)率最高。外源新碳施入量越多，全土和各粒徑團(tuán)聚體新碳含量越高，且外源新碳主要分布在大團(tuán)聚中。在后續(xù)施肥措施改變3 a后，增加有機(jī)肥施入量(化改常、常改高)＞2 mm粗大團(tuán)聚體、MWD、全土及各粒徑團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量將分別顯著提高7.08% ～ 73.13%、5.38% ～ 44.22%、14.53% ～ 38.50%、0.70% ～ 35.86%；而減少有機(jī)肥施入量(高改化、常改化)則與之相反，分別降低28.17% ～ 43.20%、21.17% ～31.54%、17.54% ～ 27.30%、11.49% ～ 29.77%。因此，在我國南方紅壤性稻作區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)繼續(xù)或加大施用有機(jī)肥，從而進(jìn)一步維持或改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤有機(jī)碳含量。

[1] 劉中良，宇萬太. 土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳研究進(jìn)展[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2011, 19( 2)： 447-455

[2] 邸佳穎，劉小粉，杜章留，等. 長期施肥對紅壤性水稻土團(tuán)聚體穩(wěn)定性及固碳特征的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2014, 22(10)： 1129-1138

[3] 安婷婷，汪景寬，李雙異. 施肥對棕壤團(tuán)聚體組成及團(tuán)聚體中有機(jī)碳分布的影響[J]. 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2007,38(3)： 407-409

[4] 向艷文, 鄭圣先, 廖育林, 等. 長期施肥對紅壤水稻土水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳、氮分布與儲(chǔ)量的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2009, 42(7)： 2415-2424

[5] 袁穎紅，李輝信，黃欠如，等. 不同施肥處理對紅壤性水稻土微團(tuán)聚體有機(jī)碳匯的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2004,24(12)： 2961-2966

[6] 竇森，張晉京. 用δ13C值研究土壤有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)的方法及其評價(jià)[J]. 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2001, 23(2)： 64-67

[7] 竇森，張晉京, 曹亞澄. 用δ13C方法研究玉米秸稈分解期間土壤有機(jī)質(zhì)數(shù)量動(dòng)態(tài)變化[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2003, 40(3)：328-334

[8] 呂元春，薛麗佳，尹云峰，等. 外源新碳在不同類型土壤團(tuán)聚體中的分配規(guī)律[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2013, 50(3)： 47-53

[9] 張蕾，尹力初，易亞男，等. 改變施肥管理后不同肥力稻田土壤CO2排放特征[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2015, 35(5)：1399-1406

[10] Elliott E T. Aggregate structure and carbon, nitrogen, and phosphorus in native and cultivated soils[J]. Soil Science Society of America Journal, 1986, 50(7)： 627-633

[11] Smith B N, Epstein S. Two categories of13C/12C ratios for higher plants[J]. Plant Physiology, 1971, 47(3)： 380-384

[12] Bronick C J, Lal R. Soil structure and management： a review[J]. Geoderma, 2005, 124(1/2)： 3-22

[13] Angers D，Recous S，Aita C．Fate of carbon and nitrogen in waterstable aggregates during decomposition of13C15N-labelled wheat straw in situation[J]．European Journal of Soil Science, 1997, 48(2)： 295-300

[14] 易亞男，尹力初，張蕾，等. 施肥對不同地下水位水稻土團(tuán)聚體組成及有機(jī)碳分布的影響[J]. 水土保持學(xué)報(bào),2013, 27(5)： 34-36

[15] 毛霞麗，陸扣萍，何麗芝，等. 長期施肥對浙江稻田土壤團(tuán)聚體及其有機(jī)碳分布的影響[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2015,52(4)： 828-838

[16] 陳曉芬，李忠佩，劉明，等. 不同施肥處理對紅壤水稻土團(tuán)聚體有機(jī)碳、氮分布和微生物生物量的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2013, 46(5)： 950-960

[17] 史奕，陳欣，沈善敏. 有機(jī)膠結(jié)形成土壤團(tuán)聚體的機(jī)理及理論模型[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2002,13(11)： 1495-1498

[18] Six J, Paustain K, Elliot E T, et al. Soil structure and organic matter： I. Distribution of aggregate-size classes and aggregate-associated carbon[J]. Soil Science Society America Journal, 2000, 64(3)： 681-689

[19] Jastrow J D, Boutton T W, Miller R M. Carbon dynamics of aggregate-associated organic matter estimated by carbon-13 natural abundance[J]. Soil Science Society of America Journal, 1996, 60(3)： 801-807

[20] GreenV S, Cavigelli M A, Dao T H, et al. Soil physical propertie sand aggregate-associated C, Nand P distribution in organic and conventional crop systems[J]. Soil Science,2005, 170(10)： 822-831

[21] Tisdall J M，Oades J M. Organic matter and water-stable aggregates in soils[J]. Journal of Soil Science, 1982, 62：141-163

[22] John B, Yamashita T, Ludwig B, et a1. Storage of organic carbon in aggregate and density fractions of silty soils under different types of land use[J]. Geoderma,2005,128(1/2)：63-79

[23] Six J, Paustain K, Elliot E T, et al．Soil structure and organic matter： I.Distribution of aggregate-size classes and aggregate-associated carbon[J]. Soil Science Society of America Journal, 2000, 64(2)： 681-689

[24] 慈恩, 楊林章, 施林林, 等. 不同氣候帶水稻土有機(jī)碳δ13C及胡敏酸結(jié)構(gòu)特征變化[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2009, 46(1)：78-84

[25] 劉中良, 宇萬太, 周樺, 等. 不同有機(jī)廄肥輸入量對土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳組分的影響[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2011, 48(6)：1149-1157

[26] 徐江兵, 李成亮, 何園球, 等. 不同施肥處理對旱地紅壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量及其組分的影響[J]. 土壤學(xué)報(bào),2007, 44(4)： 675-682

Effects of Following-up Fertilization Reforming on Distribution and Turnover of Aggregate-associated Organic Carbon in Paddy Soils

ZHANG Yi, DAI Qi, YIN Lichu*, GU Zhongyuan
(College of Resources and Environment, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)

A 30a experiment was altered and rice straw (C3crop) applied as organic fertilizer was replaced by maize straw(C4crop) in 2012. Soil aggregation, aggregate-associated organic carbon contents and its δ13C values were measured to determine the effects of following-up fertilization reforming on their distribution and turnover after 3 years fertilization alteration under seven different fertilization treatments, i.e. high organic material (HOM), normal organic material (NOM), chemical fertilizer(CF), normal organic fertilization treatment changed from chemical fertilization treatment (C-N), chemical fertilization treatment changed from original normal organic fertilization treatment(N-C), chemical fertilization treatment changed from original high organic fertilization treatment (H-C), high organic fertilization treatment changed from original normal organic fertilization treatment (N-H). The results showed that the macroaggregates (＞0.25mm) were the dominant component in the red paddy soil under all fertilization treatments, accounting for approximately 72.48%-86.33% of the total soil aggregates. Compared with chemical fertilizer for 30 years, long term application of organic fertilizer(HOM and NOM)significantly increased the ratio of the large macroaggregates (＞2mm) and improved MWD. The contents of organic carbon in soil aggregates increased with the increasing particle size of the aggregates, and macroaggregates were more favorable for soil organic carbon enrichment. Large macroaggregates (＞2mm) were the main contributor of soil organic carbon under organic fertilization treatments (HOM and NOM)in the red paddy soil, while it was small macroaggregates (2-0.25mm) under chemical fertilization treatment. The more application of fresh organic carbon, the higher new soil organic carbon content of whole soil and all sizes of aggregates. The new soil organic carbon was mainly distributed in the macroaggregates (＞0.25mm). After 3 years following-up fertilization alteration,the ratio of the large macroaggregates (＞2mm), MWD, organic carbon in whole soil, and aggregate-associated organic carbon was improved by 7.08%-73.13%, 5.38%-44.22%, 14.53%-38.50% and 0.70%-35.86% respectively under the treatments of increasing input of organic fertilizer (C-N and N-H), while reduced by 28.17%-43.20%, 21.17%-31.54%, 17.54%-27.30% and 11.49%-29.77% respectively under the treatments of reducing input of organic fertilizer (H-C and N-C). As a conclusion, the following-up organic fertilization is necessary to maintain or improve red paddy soil aggregation and organic carbon in the southern China.

Long-term experiment; Red paddy soil; Soil aggregates; Soil organic carbon;13C; Fertilization change

S153.6

A

10.13758/j.cnki.tr.2017.05.017

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41371250)和湖南省研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(CX2015B267)資助。

* 通訊作者(lcyin0418@sohu.com)

張藝(1992—)，男，湖南常德人，碩士研究生，主要從事土壤碳平衡研究。E-mail： 798762135@qq.com