藍(lán)賢瑾，劉益仁，侯紅乾，呂真真，冀建華，馮兆濱，劉秀梅*

（1.國家紅壤改良工程技術(shù)研究中心/江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與資源環(huán)境研究所，南昌 330200；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游作物生理生態(tài)與耕作重點實驗室，南昌 330200）

化肥對促進(jìn)作物生長具有重要作用，有研究認(rèn)為我國約45%的糧食產(chǎn)量來自于化肥氮的貢獻(xiàn)[1]。但化肥的大量或過量施用在提高作物單位面積產(chǎn)量的同時，也導(dǎo)致了土壤酸化、土壤生物多樣性降低、溫室氣體過量排放和農(nóng)業(yè)面源污染等一系列的土壤及生態(tài)環(huán)境問題[2-3]。以畜禽糞便或農(nóng)作物秸稈為原料的有機(jī)肥富含有機(jī)質(zhì)、腐殖質(zhì)、微量營養(yǎng)元素和有益微生物等，當(dāng)其與化肥配施或部分替代化肥施加至土壤后，兼顧了單質(zhì)化肥的速效性和有機(jī)肥養(yǎng)分持久釋放的優(yōu)點，既可合理利用資源，又能有效增加土壤有機(jī)碳含量，改善土壤養(yǎng)分平衡，有利于保持作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[4-6]。

紅壤作為我國南方主要的土壤類型之一，其總面積約110 萬km2，占國土面積的11.8%[7]。紅壤質(zhì)地黏重，多處于高溫高濕氣候條件下，這使其成為最脆弱的耕地資源之一[8]。而施肥被認(rèn)為是提升紅壤作物產(chǎn)量和肥力水平、提高其生產(chǎn)潛力的重要措施[9]。眾多研究表明，有機(jī)無機(jī)肥配施或有機(jī)肥部分替代化肥較單施化肥在改善紅壤肥力水平和提高作物產(chǎn)量上具有明顯優(yōu)勢。王伯仁等[10]和蔡澤江等[11]研究發(fā)現(xiàn)，與單施化肥相比，有機(jī)無機(jī)肥配施可明顯提高紅壤旱地土壤養(yǎng)分尤其土壤全量養(yǎng)分含量。侯紅乾等[4]、呂真真等[12]基于長期定位試驗的研究發(fā)現(xiàn)，與單施化肥相比，有機(jī)無機(jī)肥配施對紅壤水田的培肥作用更明顯。劉淑軍等[13]也發(fā)現(xiàn)，配施有機(jī)肥是提高紅壤作物產(chǎn)量和土壤肥力質(zhì)量指數(shù)的有效措施。由紅壤發(fā)育而成的紅壤性水稻土在我國土壤分類系統(tǒng)中占重要地位，對保障南方乃至全國糧食產(chǎn)量和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要作用[14-15]。此前，有關(guān)有機(jī)無機(jī)肥配施下紅壤性水稻土的研究多集中于作物產(chǎn)量[4]、土壤肥力質(zhì)量指數(shù)[12-13]和氮肥利用率[16-17]等方面，缺乏對土壤微生物與土壤有機(jī)碳（SOC）分子結(jié)構(gòu)間相互作用的研究。作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，土壤微生物不僅是土壤養(yǎng)分物質(zhì)循環(huán)轉(zhuǎn)化的動力[5，8]，同時也是土壤有機(jī)質(zhì)礦化分解、腐殖質(zhì)形成的關(guān)鍵參與者，對SOC 的形成具有重要作用[14]。近期的研究認(rèn)為，盡管土壤中活性微生物生物量碳僅占SOC 的2%左右，但微生物死亡后所形成的微生物殘體中的碳含量卻超過80%，是土壤礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳的主要來源[18]；另一方面，土壤微生物也影響著土壤有機(jī)質(zhì)的結(jié)構(gòu)，如YUAN 等[19]的研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)高山草甸土微生物群落由真菌主導(dǎo)轉(zhuǎn)向細(xì)菌主導(dǎo)時，能加速SOC中含氧烷基碳的分解。項目組前期的研究顯示，長期有機(jī)無機(jī)肥配施在顯著提高紅壤性水稻土SOC 含量的同時[4]，也大幅提高土壤微生物生物量并改變其群落結(jié)構(gòu)[5]，而微生物性狀的改變，可能會對SOC含量及其分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，但目前鮮有這方面的研究。因此，本研究以江西省紅壤性水稻田長期定位試驗為研究平臺，分析了有機(jī)無機(jī)肥配施對水稻產(chǎn)量、土壤微生物生物量及有機(jī)碳分子結(jié)構(gòu)的影響，探討土壤微生物學(xué)特性與土壤理化指標(biāo)及有機(jī)碳分子結(jié)構(gòu)特征之間的相互影響，以期為優(yōu)化紅壤稻田施肥方法、提高南方紅壤區(qū)土壤質(zhì)量和培育土壤肥力提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

紅壤性雙季稻田長期定位試驗位于江西省南昌縣省農(nóng)科院試驗農(nóng)場內(nèi)（28°57′N，115°94′E），海拔25 m。地處中亞熱帶，隸屬鄱陽湖氣候區(qū)，年平均氣溫17.6 ℃，有效積溫5 400 ℃·d，年降雨量1 610 mm，年蒸發(fā)量1 800 mm，無霜期約280 d。試驗基地種植制度為一年兩熟雙季稻（早稻-晚稻），土壤為第四紀(jì)亞紅黏土母質(zhì)發(fā)育的中潴黃泥田，1984 年其0～20 cm土層土壤理化性質(zhì)：容重1.25 g·cm-3，pH 6.50，有機(jī)質(zhì)25.6 g·kg-1，全氮1.36 g·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

試驗始于1984 年，設(shè)5 個處理，3 次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)獨立排灌，面積為33.3 m2，小區(qū)間以0.70 m 深、0.30 m 寬的水泥田埂隔開。早、晚稻分別在每年7月下旬和10月下旬收獲。試驗處理組：①不施肥（CK）；②氮磷鉀肥（NPK）；③低比例有機(jī)肥配施氮磷鉀肥（有機(jī)N 配施比例30%，NPKM1）；④中比例有機(jī)肥配施氮磷鉀肥（有機(jī)N 配施比例50%，NPKM2）；⑤高比例有機(jī)肥配施氮磷鉀肥（有機(jī)N 配施比例70%，NPKM3）。NPKM1、NPKM2、NPKM3 處理與NPK 處理中N 的總用量一致，其有機(jī)肥配施比例根據(jù)N用量計算，用相應(yīng)化肥補(bǔ)足磷和鉀。早稻和晚稻分別施純氮150、180 kg·hm-2，早稻和晚稻施磷（P2O5）、鉀（K2O）分別為60、150 kg·hm-2。氮肥為尿素，磷肥為過磷酸鈣（含P2O512%），鉀肥為氯化鉀（含K2O 60%）。早稻所施有機(jī)肥為紫云英，其鮮草養(yǎng)分含量按N 0.030、P2O50.008、K2O 0.023 g·kg-1計；晚稻所施有機(jī)肥為豬糞，其養(yǎng)分含量按N 0.045、P2O50.019、K2O 0.060 g·kg-1計。磷肥和有機(jī)肥全部基施，氮肥分別作基施肥（50%）、分蘗肥（25%）、幼穗分化肥（25%），鉀肥全部追施（50%作分蘗肥，50%作幼穗分化肥）。不同處理的養(yǎng)分投入總量如表1 所示。每年早晚稻成熟后按小區(qū)進(jìn)行人工收割，單打單收，測定各小區(qū)稻谷產(chǎn)量。

1.3 樣品采集與處理

試驗于2017 年晚稻收獲后采用土鉆鉆取深度為0～20 cm 土壤鮮樣，各小區(qū)隨機(jī)取5個點，剔除植物殘根和雜物，混勻后將樣品分為兩部分帶回實驗室，一部分土壤樣品于4 ℃短暫保存，進(jìn)行土壤微生物活性測定；其余土樣自然風(fēng)干后研磨、過篩，測定土壤養(yǎng)分含量及有機(jī)碳組分。

參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[20]進(jìn)行土壤基本理化指標(biāo)測定：土壤pH 采用酸度計電位法（土水比1∶2.5）；有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀外加熱法；全氮（TN）用凱氏定氮法；全磷（TP）用高氯酸/硫酸-鉬銻抗比色法；全鉀（TK）用堿熔-火焰光度法；堿解氮（AN）用1.0 mol·L-1NaOH 堿解擴(kuò)散法；速效鉀（AK）用1.0 mol·L-1NH4OAc 浸提-火焰光度計法；有效磷（AP）用Olsen法；土壤微生物生物量碳、氮（MBC、MBN）采用氯仿-熏蒸法測定。

固態(tài)核磁共振（13C-NMR）樣品預(yù)處理：稱量5.0 g不同處理土壤風(fēng)干樣品置于100 mL 塑料離心管中，加50 mL HF 溶液（體積分?jǐn)?shù)10%）并振蕩1 h，離心機(jī)上離心（3 000 r·min-1）10 min，棄去上清液，殘余物繼續(xù)用HF 溶液處理。共重復(fù)處理8 次，振蕩時間分別為4次×1 h、3次×12 h、1次×24 h。HF 處理完以后，用蒸餾水清洗殘余物3 次以去除HF。方法如下：加50 mL 雙蒸水，振蕩10 min，離心（4 500 r·min-1）10 min，棄去上清液，重復(fù)3次。隨后將殘余物置于40 ℃烘箱中烘干，并用瑪瑙研缽研磨，過0.149 mm篩，留待13CNMR上機(jī)測定。

13C-NMR 分析所用核磁共振儀為Bruker Avance 400（南京理工大學(xué)），測試條件：7 mm 轉(zhuǎn)子，光譜頻率100 MHz，1H 90°脈沖長度4 μs，接觸時間1 ms，遲滯時間0.5 s。NMR 功能基團(tuán)面積積分用Mest ReNova軟件進(jìn)行，各類有機(jī)碳功能基團(tuán)的化學(xué)位移與積分范圍分別為：烷基碳（Alkyl C）δ=0～45；甲氧基/含氮烷基碳（OCH3/NCH C）δ=45～65；含氧烷基碳（O-alkyl C）δ=65～90；異頭碳（Anomeric C）δ=90～112；芳基碳（Aromatic C）δ=112～145；酚基碳（Aromatic C-O）δ=145～165；羧基碳（Carbonyl C）δ=165～190[21-23]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

作物產(chǎn)量的可持續(xù)性指數(shù)（ISY）是衡量系統(tǒng)是否能持續(xù)生產(chǎn)的一個參數(shù)，其值越大，系統(tǒng)的可持續(xù)性越好[24]，其計算方法如下：

式中：Ymean、Ymax和σ分別為不同處理2008—2017 年水稻產(chǎn)量的平均值、最大值和標(biāo)準(zhǔn)差。

用SPSS 19.0 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析（ANOVA），Duncan 法進(jìn)行多重比較。采用Canoco 5軟件對土壤有機(jī)碳組分作主成分分析（PCA），對水稻產(chǎn)量和土壤微生物生物量與各項理化指標(biāo)作冗余分析（RDA），并基于蒙特卡洛（Monte Carlo）檢驗的顯著性水平（P＜0.05）對土壤因子進(jìn)行排序和篩選；采用R（3.5.2）的“corrplot”包對各項土壤因子作Pearson 相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期施肥對水稻產(chǎn)量和土壤基本化學(xué)性質(zhì)的影響

如圖1 所示，2008—2017 年，NPK 處理和有機(jī)無機(jī)肥配施處理（NPKM1、NPKM2 和NPKM3）均較CK處理顯著提高了水稻產(chǎn)量。其中NPKM2處理產(chǎn)量最高，其次是NPKM3 和NPKM1，三者均高于NPK處理，但處理間差異不顯著（P＞0.05）。變異系數(shù)（CV）可表征水稻產(chǎn)量的穩(wěn)定性，NPKM1和NPKM2處理的CV值與NPK處理相近，而NPKM3處理的CV值卻略有上升，表明中低比例有機(jī)肥配施更有利于維持水稻產(chǎn)量的穩(wěn)定性。各處理可持續(xù)性指數(shù)表現(xiàn)為NPKM2＞NPK≈NPKM1＞NPKM3＞CK?？梢娭械捅壤袡C(jī)肥配施處理的可持續(xù)性指數(shù)接近或優(yōu)于單施化肥處理，而當(dāng)有機(jī)肥配施比例持續(xù)提高后，系統(tǒng)的可持續(xù)性指數(shù)反而可能出現(xiàn)波動甚至下降。

圖1 各施肥處理下水稻產(chǎn)量及其可持續(xù)性指數(shù)（2008—2017年）Figure 1 Rice yield and sustainable yield index of different treatments from 2008 to 2017

長期施肥對土壤化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生了顯著影響（表2）。在定位試驗進(jìn)行到第34年，NPK處理和有機(jī)無機(jī)肥配施處理（NPKM1、NPKM2 和NPKM3）的SOC、TN、TP、AN、AP和AK含量均較CK處理顯著增高（P＜0.05），且這些養(yǎng)分含量在有機(jī)無機(jī)肥配施處理中隨有機(jī)肥配施比例的升高而增加。與試驗初始年（pH=6.50）相比，所有處理的土壤pH均出現(xiàn)大幅下降，其中NPK處理的pH平均下降1.4個單位；而NPKM1、NPKM2和NPKM3的pH值均高于NPK處理，說明與單施化肥相比，有機(jī)肥配施能在一定程度上減緩?fù)寥浪峄?/p>

表2 長期不同施肥條件下各處理土壤化學(xué)指標(biāo)Table 2 Soil chemical properties under long-term fertilization regimes

2.2 長期不同施肥對土壤微生物生物量的影響

長期不同施肥處理的土壤MBC 和MBN 變化范圍分別為290.17～496.09 mg·kg-1和6.70～24.59 mg·kg-1（圖2），各處理土壤MBC 和MBN 均呈現(xiàn)有機(jī)替代處理最大、NPK 處理次之、CK 處理最小的規(guī)律，其中NPKM3 處理最高，表明有機(jī)物料的施用顯著提高了土壤MBC 和MBN。微生物生物量碳氮比（MBC/MBN）不僅反映土壤微生物結(jié)構(gòu)，也反映土壤氮素的供應(yīng)能力[23]。長期單施化肥處理和有機(jī)無機(jī)肥配施處理顯著降低了MBC/MBN，與NPK 處理相比，有機(jī)肥配施處理進(jìn)一步降低了MBC/MBN，其中NPKM3處理最低。而土壤微生物熵（MBC/SOC，qMB）的變化則反映了土壤中輸入的SOC 向MBC 轉(zhuǎn)化的效率、土壤中碳的損失和土壤礦物對有機(jī)質(zhì)的固定，是表征土壤碳動態(tài)和土壤質(zhì)量的有效指標(biāo)，一般范圍在1%～4%[24]。本研究中，NPK 處理的微生物熵（1.95%）較CK 處理（2.02%）略有降低，而有機(jī)肥配施處理的微生物熵則出現(xiàn)了不同程度的提高，其中NPKM1 處理的微生物熵顯著高于其他處理（P＜0.05），說明有機(jī)肥配施可提高土壤微生物熵。

圖2 不同處理土壤MBC、MBN、MBC/MBN和MBC/SOCFigure 2 MBC，MBN，MBC/MBN and MBC/SOC in response to the different fertilization soil

2.3 長期施肥對土壤有機(jī)碳化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響

由表3 可知，試驗土壤有機(jī)碳以烷氧碳為主（45.7%～48.5%），其次為烷基碳（27.3%～30.6%），再次為芳香碳（13.1%～14.7%），而羧基碳的比例相對較小（9.4%～12.2%）。長期施肥雖未改變土壤有機(jī)碳的化學(xué)結(jié)構(gòu)，但對各類碳原子的相對含量產(chǎn)生了較大影響。其中，與CK 處理相比，NPK 處理提高了烷基碳的相對含量，降低了羧基碳的含量。與NPK 處理相比，有機(jī)無機(jī)肥配施處理提高了烷基碳和烷氧碳（主要是甲氧基/含氮烷基碳）的相對含量，降低芳香碳的相對含量。具體地，有機(jī)無機(jī)肥配施處理分別較NPK處理提高烷基碳和甲氧基/含氮烷基碳相對含量0.1～2.3個百分點和1.3～2.6 個百分點，降低了芳基碳含量（1.0～1.6個百分點）和羧基碳含量（0.9～1.7個百分點）。

土壤有機(jī)質(zhì)各功能基團(tuán)相對含量的主成分分析（PCA）結(jié)果（圖3）顯示，前兩個主成分（PC1 和PC2）分別解釋了SOC 結(jié)構(gòu)變化的56.6%和31.5%。各施肥處理中，僅有機(jī)無機(jī)肥配施處理與CK 處理基本分離，其與CK 處理的距離由大到小次依次為NPKM2＞NPKM3＞NPKM1。對于各功能基團(tuán)而言，烷基碳、甲氧基/含氮烷基碳和芳基碳在PC1 上有較高荷載，而含氧烷基碳和羧基碳則在PC2上有較高荷載，這五類基團(tuán)占比較高（＞88%），同時也是SOC 化學(xué)結(jié)構(gòu)變化的主要體現(xiàn)（表3）。

表3 不同施肥處理下土壤有機(jī)質(zhì)各類型碳的相對含量（%）Table 3 Relative proportion of the different carbon species of soil organic matter under different treatments（%）

圖3 長期不同施肥處理土壤有機(jī)碳化學(xué)結(jié)構(gòu)組成的主成分分析Figure 3 Principal component analysis（PCA）of the chemical structural composition of soil organic carbon treated with different fertilization

2.4 土壤因子間的相關(guān)性分析及其與水稻產(chǎn)量的冗余分析

從圖4 可以看出，SOC 與主要養(yǎng)分指標(biāo)（除TK外）、MBC、MBN、烷基碳以及甲氧基/含氮烷基碳呈顯著正相關(guān)，而與MBC/MBN、芳基碳和羧基碳呈顯著負(fù)相關(guān)。MBC和MBN 與pH 和各養(yǎng)分指標(biāo)呈正相關(guān)，尤其與氮磷養(yǎng)分指標(biāo)呈極顯著正相關(guān)；MBC/MBN 則與除TK 外的養(yǎng)分指標(biāo)呈極顯著負(fù)相關(guān)。有機(jī)碳結(jié)構(gòu)中，烷基碳和甲氧基/含氮烷基碳含量與氮磷養(yǎng)分指標(biāo)及MBC 呈顯著正相關(guān)，而芳香碳和羧基碳與各養(yǎng)分指標(biāo)及微生物生物量均呈負(fù)相關(guān)，與MBC/MBN 呈正相關(guān)。而對于各有機(jī)碳組分之間，烷基碳與甲氧基/含氮烷基碳呈正相關(guān)，與含氧烷基碳和芳基碳呈顯著負(fù)相關(guān)；甲氧基/含氮烷基碳則與芳基碳、羧基碳呈極顯著負(fù)相關(guān)。

圖4 不同施肥處理各土壤因子與有機(jī)碳組分間的Pearson相關(guān)性分析Figure 4 Pearson′s correlation analysis among soil factors and structural composition of SOC

以不同處理水稻產(chǎn)量及土壤微生物性狀為響應(yīng)變量，以土壤理化因子及有機(jī)碳結(jié)構(gòu)為解釋變量，作冗余分析（RDA），如圖5 所示，前兩個約束軸分別解釋了總變異的88.09%和2.35%。在土壤理化因子中，SOC（F=26.2，P=0.002）是影響水稻產(chǎn)量及土壤微生物生物量的最關(guān)鍵因子，其次是AP（F=18.8，P=0.002）和AK（F=17.7，P=0.006）。而在土壤有機(jī)碳結(jié)構(gòu)中，羧基碳（F=6.6，P=0.016）和烷基碳（F=6.2，P=0.034）作用最明顯。水稻產(chǎn)量與土壤因子之間存在一定的相關(guān)性，水稻產(chǎn)量與SOC、AK、AP 及烷基碳等顯著正相關(guān)，而與羧基碳顯著負(fù)相關(guān)。

圖5 不同施肥處理水稻產(chǎn)量及微生物性狀與土壤因子的冗余分析Figure 5 Redundancy analysis between rice yield and microbial biomass properties and soil indexes under different fertilization treatments

3 討論

3.1 長期施肥對水稻產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分的影響

前人研究表明，與單施化肥相比，有機(jī)無機(jī)肥配施能明顯提高土壤養(yǎng)分含量，改善土壤氮素供應(yīng)和土壤理化性質(zhì)，達(dá)到培肥土壤、保持或提高作物產(chǎn)量的作用[4，6，25]。如WEI 等[25]通過對我國32 個長期定位試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)有機(jī)無機(jī)肥配施處理顯著提高我國三大糧食作物（小麥、玉米和水稻）產(chǎn)量及土壤有機(jī)質(zhì)含量。本研究中，在等養(yǎng)分投入條件下，有機(jī)無機(jī)肥配施處理的主要營養(yǎng)指標(biāo)（除全鉀外）、SOC和水稻產(chǎn)量均高于NPK 處理，與前人的研究結(jié)果基本一致。冗余分析發(fā)現(xiàn)水稻產(chǎn)量與SOC、AP 和AK 等呈顯著正相關(guān)（圖5），證實有機(jī)無機(jī)肥配施處理主要通過提高SOC、提升土壤有效元素供應(yīng)來促進(jìn)水稻增產(chǎn)。另一方面，在有機(jī)無機(jī)肥配施處理中，隨著有機(jī)肥配施比例的升高，SOC和主要營養(yǎng)指標(biāo)（除全鉀外）也出現(xiàn)增高趨勢，但增產(chǎn)作用不顯著，其產(chǎn)量穩(wěn)定性及系統(tǒng)可持續(xù)性也出現(xiàn)波動，與孟琳等[24]和韓曉增等[26]的研究結(jié)果一致，可能是因為隨著有機(jī)物料的累年持續(xù)施用，有機(jī)肥殘效連續(xù)疊加，使土壤肥力條件顯著改善，土壤供肥能力增強(qiáng)，經(jīng)過三十余年的肥料投入后，土壤的養(yǎng)分供應(yīng)已經(jīng)能夠完全滿足水稻生長的需求，而作物達(dá)到高產(chǎn)時的需肥量是一定的[17，27]，此時土壤肥力可能不再是水稻增產(chǎn)的限制性因子，故而增產(chǎn)效果不顯著。此外，施用有機(jī)肥還能緩解土壤酸化，甚至提升土壤pH[28-29]，本研究中，NPKM2 和NPKM3 處理均較NPK處理顯著提高了土壤pH（表2）。

3.2 長期施肥對土壤微生物生物量的影響

土壤微生物生物量既是土壤植物有效養(yǎng)分的儲備庫，同時也是土壤養(yǎng)分循環(huán)和有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化的動力[5，30-31]。土壤微生物生物量對土壤環(huán)境因子的變化也較為敏感，常作為評價土壤微生物生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的重要指標(biāo)[32-33]。本試驗中，長期單施化肥處理和有機(jī)無機(jī)肥配施處理均提高了MBC 和MBN，但有機(jī)無機(jī)肥配施對MBC 和MBN 的促進(jìn)作用更顯著。施用化肥對土壤微生物生物量影響的研究結(jié)論不盡一致[31-33]，這可能與土地利用方式、施肥方式或年限有關(guān)。唐海明等[33]發(fā)現(xiàn)單施化肥可提高雙季稻田根際MBC 和MBN，與本研究結(jié)果一致。而孫鳳霞等[31]對19 年長期定位施肥的旱地紅壤樣品分析結(jié)果表明，長期單施化肥導(dǎo)致土壤嚴(yán)重酸化（pH 降低約1.5個單位），從而顯著降低了紅壤MBC[33]，而本研究NPK 處理的平均pH 僅較CK 處理略降低0.4 個單位，故而其對土壤微生物生存繁殖影響有限，本研究MBC 和MBN 雖與pH 呈正相關(guān)，但相關(guān)性不顯著（圖4），證實pH 對受試土壤微生物生物量影響有限。此外，任鳳玲等[34]整合分析了有機(jī)肥對我國農(nóng)田土壤微生物生物量的影響，認(rèn)為有機(jī)肥能顯著提升土壤MBC 和MBN，但提升效果受氣候、土地利用方式及土壤pH等外界條件影響。一方面，Pearson 相關(guān)性分析中MBC和MBN 與SOC 及主要養(yǎng)分指標(biāo)呈顯著正相關(guān)，與烷基碳和甲氧基/含氮烷基碳呈負(fù)相關(guān)（圖4），說明SOC本身可為微生物提供碳源物質(zhì)（如易被微生物代謝的甲氧基/含氮烷基碳等），而施肥及有機(jī)物料還田也為微生物提供大量的氮磷營養(yǎng)[35]，同時，施肥對作物生物量的提升作用不僅促進(jìn)水稻植株根系的生長、增加根茬的還田量，還能促進(jìn)根系分泌物的釋放，促進(jìn)微生物生長繁殖[36-39]。此外，有機(jī)肥（如畜禽糞便等）本身也帶入了大量的微生物[40]。

本研究發(fā)現(xiàn)，長期施肥顯著降低了MBC/MBN，與李春越等[39]的研究結(jié)果相同。一方面，這可能是由于長期單施化肥或有機(jī)無機(jī)肥配施能向土壤直接提供大量營養(yǎng)元素，有利于微生物的生長和繁殖；另一方面，外源有機(jī)物料的輸入還能起到調(diào)節(jié)土壤氮素供應(yīng)的作用，加強(qiáng)微生物對氮素的固持[40]。相關(guān)性分析及冗余分析中，MBN 與TP、AN 及AP 均呈顯著正相關(guān)，也證實了這一點（圖4、圖5）。此外，無機(jī)氮的加入也能改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響MBC/MBN[41]，本研究中MBC/MBN 與TN 和AN 呈極顯著負(fù)相關(guān)（圖4），一定程度上說明了這種影響。BHATNAGAR 等[42]的研究發(fā)現(xiàn)施用氮肥可影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，使那些偏向于利用無機(jī)氮和易降解碳的微生物占主導(dǎo)。長期單施化肥未顯著影響土壤微生物熵，但有機(jī)無機(jī)肥配施提高了土壤微生物熵，可能是因為有機(jī)肥與化肥配合施用除了能大幅增加土壤微生物生物量外，也有利于改善土壤生態(tài)環(huán)境，提高土壤微生物和土壤酶活性，從而加快有機(jī)碳周轉(zhuǎn)速率，進(jìn)而影響SOC 的結(jié)構(gòu)[31，36]。

3.3 長期施肥對土壤有機(jī)碳化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響

本研究中，長期單施化肥提高了烷基碳的相對含量，降低了羧基碳的含量，而配施有機(jī)肥則同時提高了烷基碳和烷氧碳含量，并降低了芳基碳含量。烷氧碳主要代表微生物易代謝的碳水化合物，而烷基碳和芳基碳等則表征難以被利用的木質(zhì)素、單寧等[43]。研究表明，單施化肥處理的有機(jī)質(zhì)來源主要是作物根茬殘留及其根系分泌物等，其可能影響SOC 的結(jié)構(gòu)，但影響程度與土壤性質(zhì)、氣候條件和管理方式有關(guān)[44-46]。如YAN 等[45]的研究中，單施氮肥與不施肥土壤相比，紅壤旱地或水田SOC結(jié)構(gòu)組分含量均無明顯差異。而ZHANG等[46]的研究發(fā)現(xiàn)，單施化肥使旱地土壤胡敏素組分更加烷基化，與本文的研究結(jié)果一致。這可能是由于化肥處理提高土壤微生物生物量（圖2），從而促進(jìn)土壤中易分解有機(jī)質(zhì)的分解，使抗性物質(zhì)（如烷基碳）相對積累，Pearson相關(guān)性分析也顯示微生物生物量與芳基碳和羧基碳呈負(fù)相關(guān)，而與烷基碳呈顯著正相關(guān)（圖4），說明微生物對不同分子結(jié)構(gòu)SOC的分解存在差異。

長期有機(jī)無機(jī)肥配施進(jìn)一步提高了烷氧碳（主要是甲氧基/含氮烷基碳）比例，與郭素春等[44]的研究結(jié)果一致，原因主要有：①試驗的外源有機(jī)物料（如紫云英、豬糞）中烷氧碳的比例本身較高[41]；②有機(jī)肥和殘留的根茬等主要在大團(tuán)聚體中聚集，使其不易與微生物及土壤酶接觸[44，47]；③施用有機(jī)肥可促進(jìn)團(tuán)聚體的形成，進(jìn)一步強(qiáng)化了團(tuán)聚體的物理保護(hù)作用，在一定程度上降低了有機(jī)質(zhì)的分解程度[48]。此外，雖然豬糞中含有大量芳香碳類化合物，但長期配施有機(jī)肥處理的芳基碳含量卻出現(xiàn)了下降，一方面可能是由于烷基碳和烷氧碳等的大幅增加相應(yīng)地降低了芳香碳比例；另一方面，微生物群落結(jié)構(gòu)的改變，也可能會影響或加速微團(tuán)聚體中芳香碳物質(zhì)的氧化分解[44]。Pearson相關(guān)性分析中芳基碳與MBC 呈顯著負(fù)相關(guān)，提示芳香碳含量的變化可能與微生物數(shù)量或群落結(jié)構(gòu)改變有關(guān)。此外，SOC 含量與烷基碳和甲氧基/含氮烷基碳呈顯著正相關(guān)，與芳基碳和羧基碳呈負(fù)相關(guān)，說明長期有機(jī)物料還田對SOC 含量提升的影響機(jī)制可能主要是施肥帶來了有機(jī)碳輸入，以及團(tuán)聚作用強(qiáng)化了對易降解有機(jī)質(zhì)的保護(hù)和累積[41]，而施肥帶來的微生物生物性狀的改變一定程度上影響了SOC的結(jié)構(gòu)組成。

4 結(jié)論

（1）隨著有機(jī)肥配施比例提高，紅壤雙季稻田土壤SOC、pH 及氮磷養(yǎng)分指標(biāo)逐漸增加。長期單施化肥使土壤嚴(yán)重酸化，而配施有機(jī)肥可在一定程度上減緩?fù)寥浪峄?。冗余分析的結(jié)果表明有機(jī)無機(jī)肥配施處理主要通過提高SOC、提升土壤有效元素供應(yīng)來促進(jìn)水稻增產(chǎn)，中低有機(jī)肥配施比例的穩(wěn)產(chǎn)效果更優(yōu)。

（2）長期施肥提高了土壤MBC 和MBN，降低了MBC/MBN。單施化肥主要提高了SOC 結(jié)構(gòu)中烷基碳的相對含量，與不施肥、單施化肥相比，有機(jī)無機(jī)肥配施處理提高了微生物熵，并進(jìn)一步提高了烷氧碳（甲氧基/含氮烷基碳）的相對含量，加快了有機(jī)碳周轉(zhuǎn)，更有利于活性有機(jī)質(zhì)累積。

（3）土壤微生物生物量與氮磷養(yǎng)分指標(biāo)及甲氧基/含氮烷基碳具有顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系，與芳基碳和羧基碳呈顯著負(fù)相關(guān)。長期有機(jī)無機(jī)肥配施可為微生物提供大量的氮磷營養(yǎng)元素，促進(jìn)微生物生長繁殖并加速芳香碳的分解，進(jìn)而一定程度上影響SOC的結(jié)構(gòu)組成，但長期有機(jī)物料還田對SOC含量提升及結(jié)構(gòu)改變的影響機(jī)制可能主要是施肥帶來了有機(jī)碳輸入，以及團(tuán)聚作用強(qiáng)化了對易降解有機(jī)質(zhì)的保護(hù)與累積。