王 飛, 李清華, 何春梅, 王 珂, 游燕玲, 黃毅斌

(福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所 福州 350013)

土壤有機(jī)碳(SOC)是土壤肥力的基礎(chǔ), 在促進(jìn)土壤結(jié)構(gòu)形成方面發(fā)揮重要作用[1]。而作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單元, 團(tuán)聚體形成過(guò)程也是土壤碳固持的重要機(jī)制, 對(duì)提高土壤肥力以及調(diào)節(jié)養(yǎng)分有重要作用[2-3]。土壤團(tuán)聚體能夠反映土壤持水性、通透性、供儲(chǔ)養(yǎng)分的能力, 不同粒級(jí)團(tuán)聚體的數(shù)量、分布以及性質(zhì)是決定土壤侵蝕、壓實(shí)、板結(jié)等物理退化過(guò)程的重要指標(biāo)之一[4-5]。土壤中大約有90%的有機(jī)碳儲(chǔ)存在團(tuán)聚體中[6]。一般而言, 粉黏粒比大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體更具穩(wěn)定性, 但其固持有機(jī)碳的能力有限[7];大團(tuán)聚體固持有機(jī)碳的能力高于微團(tuán)聚體, 但穩(wěn)定性稍差[8]。長(zhǎng)期施肥能夠促進(jìn)紫色水稻土大團(tuán)聚體的形成, 從而增強(qiáng)團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳的物理保護(hù)作用[9]。另一方面, 土壤中大團(tuán)聚體的形成及穩(wěn)定性取決于土壤有機(jī)質(zhì)或碳水化合物的數(shù)量, 有機(jī)質(zhì)能夠減少團(tuán)聚體的分散率[10]。有機(jī)和無(wú)機(jī)肥配施(豬糞+氮肥)不僅增加棕壤大團(tuán)聚體(＞0.25 mm)含量, 還提高了團(tuán)聚體穩(wěn)定性, 增加了各粒級(jí)團(tuán)聚體SOC含量[11]。黑土中0.25～2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體為優(yōu)勢(shì)粒級(jí), 長(zhǎng)期有機(jī)無(wú)機(jī)肥料配施促進(jìn)了大團(tuán)聚體的形成和固碳作用[12]。前人研究施肥對(duì)團(tuán)聚體形成及有機(jī)碳固持的影響多集中在北方旱作區(qū), 受氣候生態(tài)、土壤類型與耕作方式的影響, 施肥對(duì)團(tuán)聚體及固碳能力影響在不同區(qū)域研究結(jié)果差異較大, 存在不確定性, 且農(nóng)田有機(jī)碳變化是一個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程, 區(qū)域性土壤需要長(zhǎng)時(shí)間才可完整掌握變化規(guī)律。

黃泥田為南方紅黃壤區(qū)廣泛分布的一類中低產(chǎn)田, 主要分布在山地丘陵、山前傾斜平原、濱海臺(tái)地和河谷階地, 約占福建低產(chǎn)田面積的40%, 具有酸、瘦、黏、淺、旱等特性[13]。目前對(duì)于有機(jī)碳含量低的紅黃壤區(qū)的黏瘦型黃泥田, 長(zhǎng)期施肥下土壤團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳的固持情況尚不明確。此外, 物理分組方法由于破壞性小而成為近些年來(lái)研究土壤有機(jī)碳組分的主流, 但團(tuán)聚體系由更多級(jí)的微團(tuán)粒凝聚而成, 不同施肥下黃泥田土壤團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳組分分配情況也缺乏系統(tǒng)研究。因此, 明確不同施肥對(duì)該類水稻土團(tuán)聚體有機(jī)碳固持及其組分的影響, 對(duì)南方中低產(chǎn)田改良培肥及固碳管理具有重要意義。

本研究借助南方典型黃泥田36年長(zhǎng)期定位試驗(yàn), 采用濕篩和重液懸浮法, 解析各粒級(jí)團(tuán)聚體對(duì)總有機(jī)碳的固持貢獻(xiàn)以及團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳組分質(zhì)量比重與含量等分配特征, 以期為南方黃泥田培肥模式構(gòu)建及土壤碳庫(kù)優(yōu)化管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)點(diǎn)位于農(nóng)業(yè)部福建耕地保育科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站內(nèi)(福建省閩侯縣白沙鎮(zhèn)), 地處南亞熱帶與中亞熱帶過(guò)渡區(qū), 海拔高度15.4 m, 年平均溫度19.5 ℃, ≥10 ℃的活動(dòng)積溫6422 ℃, 年降雨量1350.9 mm, 年蒸發(fā)量1495 mm, 年日照時(shí)數(shù)1812.5 h, 無(wú)霜期311 d。土壤類型為滲育型水稻土亞類黃泥田土屬, 成土母質(zhì)為低丘坡積物。定位試驗(yàn)從1983年開始, 初始耕層(0～20 cm)土壤基本性質(zhì)為: pH 4.90, 有機(jī)碳12.5 g·kg-1, 堿解氮141 mg·kg-1, 速效磷12 mg·kg-1, 速效鉀41 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)始于1983年。試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理, 分別為不施肥(CK)、單施化肥(NPK)、化肥+牛糞(NPKM)和化肥+稻秸全量還田(NPKS)。每個(gè)處理3個(gè)重復(fù),每個(gè)小區(qū)面積12 m2, 隨機(jī)區(qū)組排列。施肥處理每季統(tǒng)一施用化肥N 103.5 kg·hm-2、P2O527 kg·hm-2、K2O 135 kg·hm-2。牛糞養(yǎng)分平均含量如下: 有機(jī)碳249.9 g·kg-1、N 13.2 g·kg-1、P2O58.0 g·kg-1、K2O 8.9 g·kg-1, 干牛糞每茬施用量為3750 kg·hm-2。稻秸施用量是上茬稻秸全部還田, 風(fēng)干樣重量為3660～5150 kg·hm-2, 稻秸多年養(yǎng)分平均含量為有機(jī)碳377.3 g·kg-1、N 7.8 g·kg-1、P2O52.1 g·kg-1、K2O 27.1 g·kg-1。供試化肥分別用尿素、過(guò)磷酸鈣、氯化鉀。一半的氮肥和鉀肥作基肥, 另一半作分蘗追肥, 磷肥全部作基肥施用。試驗(yàn)地1983-2004年種植雙季稻, 2005年始種植單季稻。水稻品種每3～4年更換一次, 與當(dāng)?shù)刂髟云贩N保持一致。歷年水稻(Oryza sativa)品種為‘威優(yōu)64’ ‘丁優(yōu)’ ‘豆花’ ‘白沙428’ ‘粵優(yōu)938’‘宜香優(yōu)2292’ ‘中浙優(yōu)1號(hào)’ ‘中浙優(yōu)8號(hào)’, 其中2018年供試水稻品種為‘中浙優(yōu)8號(hào)’。

1.3 樣品采集與分析

2018年水稻收割后(10月中旬)第2天, 使用不銹鋼采土器采集各試驗(yàn)小區(qū)0～20 cm耕層土壤樣品,每小區(qū)隨機(jī)選取5個(gè)取樣點(diǎn), 然后將樣品均勻混合作為一個(gè)重復(fù)。樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后, 去除其中的石塊、植物殘?bào)w等雜質(zhì), 置于陰涼通風(fēng)處并適時(shí)翻動(dòng),將大土塊沿土壤自然結(jié)構(gòu)剝成小塊土樣(5 mm以內(nèi)), 風(fēng)干后樣品一部分用于土壤團(tuán)聚體測(cè)定, 剩余部分用于SOC含量分析。

團(tuán)聚體的分級(jí)采用濕篩法, 參考Six等[14]與徐江兵等[15]方法, 并稍作改進(jìn)。稱取100 g風(fēng)干土, 在25 ℃環(huán)境下濕潤(rùn)10 min, 然后將土壤放入濕篩筒中完全浸潤(rùn)5 min, 最后通過(guò)土壤團(tuán)粒分析儀(ZY200-Ⅱ型)上下勻速振動(dòng)5 min, 振幅4 cm, 讓土樣依次通過(guò)2 mm、0.25 mm、0.053 mm的篩子, 得到4種粒級(jí)的團(tuán) 聚 體: ＞2 mm, 0.25～2 mm, 0.053～0.25 mm, ＜0.053 mm (差減法), 將各個(gè)粒級(jí)的團(tuán)聚體在40 ℃下烘干,并稱重。鑒于不同文獻(xiàn)對(duì)團(tuán)聚體粒級(jí)命名方式不一,本研究將上述4種粒級(jí)分別命名為大團(tuán)聚體、中間團(tuán)聚體、微團(tuán)聚體與粉+黏粒[16-17]。

隨后對(duì)大團(tuán)聚體和中間團(tuán)聚體固持的有機(jī)碳進(jìn)行輕組組分與重組組分分級(jí)。分別稱取大團(tuán)聚體與中間團(tuán)聚體5.00 g樣品置于50 mL離心管中, 加入相對(duì)密度為1.78 g·cm-3的碘化鈉重液, 振蕩10 min,3500 r·min-1離心15 min, 隨后將含有輕組有機(jī)碳(LFC)的上清液倒入0.45 μm微孔濾膜中, 用去離子水沖洗濾膜5次。重復(fù)上述操作步驟3次, 過(guò)濾后的上清液在60 ℃下烘干。再用去離子水清洗剩余重組組分(每次50 mL, 3次), 再加入0.5%的六偏磷酸鈉溶液振蕩18 h進(jìn)行分散, 分散后的重組組分依次倒入0.25 mm、0.053 mm篩子, 將留在篩子上的0.25～2 mm和0.053～0.25 mm團(tuán)聚體內(nèi)分別記為團(tuán)聚體內(nèi)粗顆粒有機(jī)碳(CF)和團(tuán)聚體內(nèi)細(xì)顆粒有機(jī)碳(FF), 通過(guò)0.053 mm 篩子的記為礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳(mSOC)[15]。各組分60 ℃烘干稱重。

原土、各粒級(jí)團(tuán)聚體和大中團(tuán)聚體內(nèi)分離的各組分均研磨過(guò)100目篩, 其有機(jī)碳含量采用元素分析儀(TruMac CNS Analyzer, LECO, USA)進(jìn)行檢測(cè)。

1.4 計(jì)算方法

有機(jī)碳投入: 包括水稻根系與稻茬碳投入、稻秸碳投入與牛糞碳投入, 計(jì)算方法參照Li等[18]與王飛等[19]的方法。各處理有機(jī)碳投入量如表1所示。

表 1 不同施肥處理有機(jī)碳多年平均投入量Table 1 Multi-year average of organic carbon inputs under different fertilization treatments t(C)·hm-2·a-1

式中: SOCi為各粒級(jí)有機(jī)碳含量,Wi為各粒級(jí)團(tuán)聚體質(zhì)量所占比例。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用Microsoft Excel 2016、DPS7.05進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和作圖。方差分析采用最小顯著性差異法(LSD)進(jìn)行多重比較(P＜0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 長(zhǎng)期不同施肥處理對(duì)土壤團(tuán)聚體組成的影響

圖1顯示, 各處理耕層(0～20 cm)土壤團(tuán)聚體組成以大團(tuán)聚體(＞2 mm)與中間團(tuán)聚體(0.25～2 mm)為主。NPKM、NPKS處理后大團(tuán)聚體質(zhì)量比重分別比CK處理提高22.0與15.5個(gè)百分點(diǎn), 比NPK處理提高18.1與11.7個(gè)百分點(diǎn), 差異顯著(P＜0.05)。與CK相比, NPK處理后中間團(tuán)聚體質(zhì)量比沒有明顯變化, 而NPKM與NPKS處理分別使中間團(tuán)聚體質(zhì)量比重顯著降低14.3與10.2個(gè)百分點(diǎn)(P＜0.05)。不同施肥處理使耕層土壤微團(tuán)聚體(0.053～0.25 mm)質(zhì)量比重較CK降低2.4～6.1個(gè)百分點(diǎn), 其中NPKM處理降低最為明顯(P＜0.05)。上述結(jié)果說(shuō)明, 長(zhǎng)期施肥增加了黃泥田土壤大團(tuán)聚體的質(zhì)量比重, 而不同程度降低了其他粒級(jí)的比重, NPKM處理表現(xiàn)尤為明顯。

表 2 不同施肥處理下各粒徑團(tuán)聚體對(duì)全土有機(jī)碳固持貢獻(xiàn)率Table 2 Contribution rates of organic carbon soil aggregates to bulk soil organic carbon under different fertilizations %

圖 1 不同施肥處理對(duì)耕層(0～20 cm)土壤團(tuán)聚體組成的影響Fig.1 Effect of different fertilizations on the percentage of soil aggregates of 0-20 cm soil layer

圖 2 不同施肥處理對(duì)耕層(0～20 cm)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的影響Fig.2 Effect of different fertilizations on the organic carbon content of soil aggregates in 0-20 cm layer

2.2 長(zhǎng)期不同施肥處理對(duì)各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳固持貢獻(xiàn)的影響

圖2顯示, 與CK相比各施肥處理的原土有機(jī)碳含量顯著升高16.9%～43.9% (P＜0.05); 與NPK相比,NPKM與NPKS處理的原土有機(jī)碳含量分別顯著提高23.1%與12.8% (P＜0.05)。各粒級(jí)團(tuán)聚體中, 大團(tuán)聚體(＞2 mm)中有機(jī)碳含量顯著高于其他粒徑團(tuán)聚體(P＜0.05), 平均含量為其他粒級(jí)的1.3～1.6倍; 而且對(duì)原土有機(jī)碳固持貢獻(xiàn)率最高, 占44.48%～69.53%(表2)。不同施肥處理均提高了大團(tuán)聚體、中間團(tuán)聚體(0.25～2.00 mm)、粉黏粒(＜0.053 mm)有機(jī)碳的含量, 且NPKM與NPKS處理使大團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量較NPK處理分別顯著提高42.1%與28.3%(P＜0.05) (圖2)。與CK相比, NPKM與NPKS處理中大團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳固持貢獻(xiàn)率分別提高25.1和19.4個(gè)百分點(diǎn)(P＜0.05), 但施肥處理降低了中間團(tuán)聚體、微團(tuán)聚體、粉+黏粒三者粒級(jí)對(duì)原土有機(jī)碳固持貢獻(xiàn)率(表2)。上述結(jié)果表明長(zhǎng)期施肥提高了黃泥田耕層土壤大團(tuán)聚體的固碳貢獻(xiàn), NPKM處理提升尤為明顯。

2.3 長(zhǎng)期不同施肥處理對(duì)土壤大團(tuán)聚體和中間團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳組分分配的影響

與CK相比, 施肥處理使大團(tuán)聚體內(nèi)輕組有機(jī)碳(LF-C)含量顯著上升20.7%～32.3% (P＜0.05), 以NPKS處理增幅最為明顯(圖3A); NPKM和NPKS處理分別使大團(tuán)聚體中LF-C對(duì)原土有機(jī)碳固持貢獻(xiàn)率分別上升8.9與9.3個(gè)百分點(diǎn)(表3)。與CK相比, NPKM處理使大團(tuán)聚體內(nèi)粗顆粒有機(jī)碳(CF-C)和礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳(mSOC)顯著增加(P＜0.05) (圖3A)。在大團(tuán)聚體中, 以mSOC組分質(zhì)量比重最大, 占50.7%～57.7%, 且對(duì)原土有機(jī)碳固持貢獻(xiàn)率最大, 其次為L(zhǎng)FC組分質(zhì)量比重與其有機(jī)碳固持貢獻(xiàn)(圖3B, 表3)。

與CK相比, 不同施肥處理對(duì)中間團(tuán)聚體中LFC、CF-C和mSOC沒有顯著影響; NPKM處理的FFC顯著高于NPKS (P＜0.05), 與另外兩個(gè)處理差異不顯著 (圖4A)。圖4B顯示, 中間團(tuán)聚體內(nèi), 以mSOC組分所占比例最大, FF-C組分所占比例最小, 這與大團(tuán)聚體內(nèi)的上述兩種有機(jī)碳組分質(zhì)量比重分布趨勢(shì)基本一致。與CK相比, 施肥不同程度提高了LF-C與CF-C組分質(zhì)量比重, 其中NPKS處理對(duì)LF-C組分質(zhì)量比重的提升效果最明顯 (圖4B)。中間團(tuán)聚體中各組分對(duì)原土總有機(jī)碳含量的分配貢獻(xiàn)也有所差別, mSOC組分分配貢獻(xiàn)率最高, 對(duì)原土有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率為14.30%～26.22% (表4)。表4表明, 與CK及NPK處理相比, NPKM和NPKS處理顯著降低了中間團(tuán)聚體內(nèi)LF-C、CF-C與mSOC組分對(duì)原土有機(jī)碳的固持貢獻(xiàn)率(P＜0.05)。

表 4 不同施肥處理下中間團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳組分對(duì)全土有機(jī)碳固持的貢獻(xiàn)率Table 4 Contribution rates of organic carbon fractions in soil medium-aggregates to bulk soil organic carbon under different fertilizations %

表 5 團(tuán)聚體有機(jī)碳組分含量與水稻產(chǎn)量及有機(jī)碳投入的相關(guān)性Table 5 Relationship between rice yield, soil organic carbon and organic carbon input

圖 3 不同施肥處理對(duì)土壤大團(tuán)聚體(＞2 mm)內(nèi)有機(jī)碳組分含量(A)與質(zhì)量比例(B)的影響Fig.3 Effect of different fertilizations on contents (A) and mass proportions (B) of different organic carbon fractions in soil macroaggregates (＞2 mm)

圖 4 不同施肥處理對(duì)土壤中間團(tuán)聚體有機(jī)碳組分含量(A)與質(zhì)量比例(B)的影響Fig.4 Effect of different fertilizations on contents (A) and mass proportions (B) of different organic carbon fractions in soil mediumaggregates

表 3 不同施肥處理下土壤大團(tuán)聚體(＞2 mm)有機(jī)碳組分對(duì)原土有機(jī)碳固持的貢獻(xiàn)率Table 3 Contribution rates of organic carbon fractions in soil macro-aggregates to bulk soil organic carbon under different fertilizations %

2.4 團(tuán)聚體有機(jī)碳及其組分含量與有機(jī)碳投入以及水稻產(chǎn)量的關(guān)系

表5顯示, 水稻產(chǎn)量與原土總有機(jī)碳含量、大團(tuán)聚體有機(jī)碳含量以及該團(tuán)聚體內(nèi)的LF-C均呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01), 與大團(tuán)聚體內(nèi)的CF-C組分含量和mSOC含量呈顯著正相關(guān)(P＜0.05); 全土總有機(jī)碳含量、大團(tuán)聚體有機(jī)碳含量以及該粒級(jí)的LF-C含量與有機(jī)碳投入量也均呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)。對(duì)中間團(tuán)聚體而言, 水稻產(chǎn)量與中間團(tuán)聚體有機(jī)碳呈顯著正相關(guān)(P＜0.05), 但與中間團(tuán)聚體有機(jī)碳組分相關(guān)性不明顯。進(jìn)一步定量化方程擬合顯示, 水稻產(chǎn)量與原土有機(jī)碳含量、大團(tuán)聚體有機(jī)碳含量呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系(P＜0.01), 與大團(tuán)聚體中輕組有機(jī)碳含量呈冪函數(shù)關(guān)系(P＜0.01); 原土有機(jī)碳含量和大團(tuán)聚體有機(jī)碳含量與有機(jī)碳投入呈冪函數(shù)關(guān)系(P＜0.01), 大團(tuán)聚體中輕組有機(jī)碳含量與有機(jī)碳投入呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系(P＜0.01, 圖5)。上述表明, 大團(tuán)聚體有機(jī)碳含量及該團(tuán)聚體內(nèi)的輕組組分含量與黃泥田有機(jī)碳投入以及生產(chǎn)力關(guān)系密切。

圖 5 土壤和團(tuán)聚體有機(jī)碳含量與水稻產(chǎn)量和有機(jī)碳投入的擬合方程Fig.5 Fitting curves between soil organic carbon content with grain yield and organic carbon input

3 討論

3.1 長(zhǎng)期不同施肥處理對(duì)黃泥田不同粒徑團(tuán)聚體質(zhì)量比及有機(jī)碳含量的影響

不同粒徑團(tuán)聚體對(duì)土壤養(yǎng)分的供應(yīng)和保持作用不同, 其既決定于土壤的水力性質(zhì), 也反映土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗侵蝕能力[20]。因此, 探明土壤有機(jī)碳及養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和利用, 需關(guān)注各粒徑團(tuán)聚體的分布及其有機(jī)碳的固持特征。瘠薄紅壤水稻土長(zhǎng)期秸稈還田配施糞肥尤其是配施化肥顯著增加了＞0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體的含量[21]。周萍等[22]研究表明, 200～2000 μm的粗團(tuán)聚體顆粒作為新增有機(jī)碳的主要載體, 隨不同耕作和施肥變化最為強(qiáng)烈。本研究中, 黃泥田土壤以＞2 mm、0.25～2 mm的大、中間團(tuán)聚體為主(圖1),二者質(zhì)量比重合計(jì)占81.9%～89.6%。與CK和NPK相比, 施用有機(jī)肥顯著增加＞2 mm團(tuán)聚體的質(zhì)量比,而降低0.25～2 mm團(tuán)聚體的質(zhì)量比(圖1)。陳曉芬等[23]的研究結(jié)果也表明, 施用有機(jī)肥提高水稻土＞2 mm團(tuán)聚體的質(zhì)量比。有機(jī)碳可以通過(guò)化學(xué)或物理過(guò)程結(jié)合土壤細(xì)顆粒, 是土壤顆粒聚集效應(yīng)的重要結(jié)合劑[24-25]。水稻秸稈還田和施用牛糞增加了水稻土有機(jī)物質(zhì)的輸入, 直接增加了土壤有機(jī)碳含量, 提高微生物活性, 促進(jìn)有機(jī)質(zhì)腐殖化和有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)的形成, 土壤顆粒在有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)的作用下不斷粘結(jié)形成大團(tuán)聚體[26-27]。

施用肥料可增加＞2 mm、0.25～2 mm、＜0.053 mm團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量, 尤其是＞2 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量顯著增加(圖2), 對(duì)原土有機(jī)碳貢獻(xiàn)率最高(占47.70%～69.53%) (表2)。＞2 mm和0.25～2 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量與水稻產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)(表5), 表明黃泥田水稻土有機(jī)碳主要貯存在這兩種團(tuán)聚體中。紅壤長(zhǎng)期定位試驗(yàn)表明, 有機(jī)碳在1～2 mm團(tuán)聚體中含量最高, ＞2 mm團(tuán)聚體對(duì)原土有機(jī)碳貢獻(xiàn)率最大[23]。對(duì)不同粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量變化而言, 相較于微團(tuán)聚體, 大團(tuán)聚體中有更多新增加的有機(jī)碳和不穩(wěn)定物質(zhì)[28], 運(yùn)用13C示蹤法發(fā)現(xiàn)大團(tuán)聚體比微團(tuán)聚體中含有更多有機(jī)碳[29]。在旱地紅壤團(tuán)聚體中, 有機(jī)碳含量隨團(tuán)聚體粒級(jí)減小而降低[16]。本研究中, 大團(tuán)聚體、中間團(tuán)聚體、微團(tuán)聚體這3種團(tuán)聚體組成的有機(jī)碳含量隨粒徑減小而降低, 但粉+黏粒團(tuán)聚體有機(jī)碳含量再次上升, 并高于中間團(tuán)聚體與微團(tuán)聚體有機(jī)碳含量(圖2)。相關(guān)研究也發(fā)現(xiàn), ＜0.053 mm團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量最高, 這可能是因?yàn)椋?.053 mm粒級(jí)由粉粒和黏粒組成, 具有較大的比表面積和較高的永久表面電荷, 能夠吸附和穩(wěn)定有機(jī)碳[30], 也可能是該粒徑團(tuán)聚體黏粒含量較高, 受到根系和真菌的作用粘合在一起, 易與有機(jī)碳形成復(fù)合體[31]。NPKM處理每年有機(jī)碳投入僅為NPKS處理的83.4% (雙季稻年份)與72.4% (單季稻年份) (表1), 但NPKM處理的原土與各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均不同程度高于NPKS處理(圖2), 這可能與牛糞基質(zhì)纖維素含量高、微生物利用困難有關(guān)[32-33]。因此, 相對(duì)稻秸而言,牛糞礦化速率要低, 可固持更多的有機(jī)碳, 從中可看出不同來(lái)源有機(jī)物質(zhì)在黃泥田固碳潛力方面存在較大差異, 這可為黃泥田定向培肥提供參考。

3.2 長(zhǎng)期不同施肥處理對(duì)黃泥田大、中團(tuán)聚體有機(jī)碳組分分配的影響

施用糞肥與秸稈還田是農(nóng)田培肥的重要措施。不同施肥措施對(duì)團(tuán)聚體中有機(jī)碳的分子結(jié)構(gòu)特征影響不同?；钚杂袡C(jī)碳是有機(jī)碳的重要組成。土壤活性碳組分在土壤中移動(dòng)快、易礦化分解且循環(huán)周期短, 能更敏感地反映土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)變化[34]。輕組有機(jī)碳(LF-C)屬于活性有機(jī)碳, 具有較強(qiáng)的生物活性, 對(duì)土壤養(yǎng)分積累、肥力調(diào)節(jié)等有重要作用。本研究中, 施肥處理后大團(tuán)聚體內(nèi)的LF-C組分含量增幅20.7%～32.3%, 也提高了大團(tuán)聚體內(nèi)LF-C組分對(duì)全土有機(jī)碳固持的貢獻(xiàn)率(圖3和表3)。大團(tuán)聚體內(nèi)LF-C含量與水稻產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(表5)。相關(guān)研究表明, 有機(jī)肥和秸稈還田與化肥配合施用是提高南方雙季稻田土壤活性有機(jī)碳組分和水解酶活性的有效措施[35]。5年定位試驗(yàn)表明, 與常規(guī)施肥相比, 紫云英(Astragalus sinicus)、作物秸稈、商品有機(jī)肥、紫云英+商品有機(jī)肥處理的稻田土壤LF-C含量分別提高30.7%～98.7%[36]。本研究結(jié)果表明, 長(zhǎng)期有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施影響黃泥田土壤團(tuán)聚體內(nèi)LF-C組分變化, 尤其是NPKM和NPKS處理, 也明顯促進(jìn)了大團(tuán)聚體內(nèi)LF-C的分配貢獻(xiàn)。另一方面, 重組有機(jī)碳作為土壤穩(wěn)定的碳庫(kù), 對(duì)于維持團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)具有十分重要的意義。重組有機(jī)碳主要由高度分解后的物質(zhì)組成, 其所占比重較大, 分解速率緩慢[37]。本研究條件下, 與單施化肥相比, 無(wú)機(jī)肥和有機(jī)肥配施顯著增加大團(tuán)聚體中重組礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳(mSOC)對(duì)原土有機(jī)碳固持貢獻(xiàn)率(表3), 而降低中間團(tuán)聚體中各組分對(duì)原土有機(jī)碳固持貢獻(xiàn)率(表4), 這可能與有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施處理降低原土中間團(tuán)聚體質(zhì)量比重有關(guān)。

4 結(jié)論

大團(tuán)聚體與中間團(tuán)聚體是黃泥田有機(jī)碳的主要載體。無(wú)機(jī)肥配施有機(jī)肥, 尤其是無(wú)機(jī)肥配施牛糞對(duì)原土總有機(jī)碳固持貢獻(xiàn)率明顯高于單施化肥。施肥顯著提高了大團(tuán)聚體內(nèi)輕組有機(jī)碳組分含量, 尤其是無(wú)機(jī)肥配施秸稈和無(wú)機(jī)肥配施牛糞處理。大團(tuán)聚體有機(jī)碳含量及其輕組有機(jī)碳含量與有機(jī)碳投入量及水稻產(chǎn)量關(guān)系密切, 是南方黃泥田生產(chǎn)力的關(guān)鍵指示。