紅壤性水稻土有機碳及其物理、化學組分對施肥措施的響應

范 釗，高繪文，吳建富，魏宗強，顏 曉

（江西農業(yè)大學 國土資源與環(huán)境學院/江西省鄱陽湖流域農業(yè)資源與生態(tài)重點實驗室，江西 南昌 330045）

【研究意義】有機碳（organic carbon，OC）在土壤肥力和全球碳循環(huán)中扮演著舉足輕重的角色。作為土壤肥力的關鍵性指標，其在土壤中含量的變化會直接影響作物的產(chǎn)量[1]，因此，提高并保持土壤有機碳含量對提高作物產(chǎn)量尤為必要。一般認為有機碳在土壤中受到物理、化肥、生物等保護[2]，得以在土壤中固存，而有機碳的分組對于了解有機碳的固定機制具有重要的意義[3]。同時，了解有機碳在土壤中的固定機制是提高土壤有機碳含量的關鍵線索?！狙芯窟M展】秸稈、紫云英還田作為農業(yè)土壤中主要的碳源輸入方式之一，其對黑壤、黃壤、紅壤及水田、旱地土壤有機碳含量均有顯著的提高[4-6]，同時還能改善土壤團聚體結構[7]，增強有機碳與土壤礦物結合[8]，影響土壤微生物群落[9]，但大多數(shù)都是以旱地為研究對象?！颈狙芯壳腥朦c】土壤有機碳分組的報道主要集中在森林土壤[10-11]、草地土壤[12-13]，而對水稻土壤的報道不多，尤其是秸稈、紫云英聯(lián)合還田對紅壤性水稻土有機碳的固定機制及各組分分布的影響極少報道?！緮M解決的關鍵問題】本文以紅色黏土發(fā)育的水稻土為研究對象，探究秸稈和紫云英還田對水稻土壤團聚體、團聚體結合態(tài)、活性碳庫、惰性碳庫、土壤各粒徑及有機碳分布的影響，為了解水稻土壤有機碳的固定機制及各組分分布狀況，改善土壤結構，維持土壤地力提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 地區(qū)概況及供試材料

江西省宜春市上高縣泗溪鎮(zhèn)曾家村江西農業(yè)大學上高創(chuàng)新基地雙季稻田間試驗始于2017 年，隸屬于亞熱帶季風濕潤氣候，年均溫度17.6 ℃，年均雨量1 700 mm。該區(qū)歷年種植水稻，試驗前土壤基本理化性質為：有機質30.91 g/kg，全氮1.82 g/kg，堿解氮128.3 mg/kg，有效磷28.12 mg/kg，速效鉀92.69 mg/kg，pH5.06。

早晚稻供試品種分別為陵兩優(yōu)7717 和隆香優(yōu)華占。供試化肥為尿素（N 46%）、磷酸二銨（N 15%、P2O542%）、氯化鉀（K2O 60%）。供試紫云英養(yǎng)分含量為N2.19%、P2O50.48%、K2O 2.01%、C 35.89%；水稻秸稈養(yǎng)分含量為N 0.61%、P2O50.15%、K2O 1.65%、C 32.52%。

1.2 試驗設計

設5 個處理：無肥（CK）、單施氮磷鉀化肥（F）、紫云英（早稻基肥）+氮磷鉀化肥（MF）、秸稈（早、晚稻基肥）+氮磷鉀化肥（SF）、紫云英（早稻基肥）+秸稈（晚稻基肥）+氮磷鉀化肥（MSF）。各處理隨機排列，小區(qū)面積為15 m2，重復4次，小區(qū)間筑土埂隔開，并用塑料薄膜覆蓋埂體，單排單灌。水稻移栽前15 d紫云英（鮮草）還田22 500 kg/hm2，秸稈（折干草）還田3 000 kg/hm2作基肥，早稻秸稈水稻移栽前15 d 還田，作晚稻基肥的稻草在早稻收割后當天施入。各處理N、P2O5、K2O 養(yǎng)分用量相等，紫云英和稻草輸入養(yǎng)分用量按實際測定養(yǎng)分含量的結果進行折算，不足的數(shù)量用化肥補足。早稻氮肥按基肥∶分蘗肥∶穂肥=5∶2∶3施用，晚稻氮肥按4∶2∶4 施用；早晚稻鉀肥按5∶2∶3 施用，磷肥均做基肥施用。水稻人工移栽，插秧密度分別為：早稻13.3 cm×23.3 cm；晚稻13.3 cm×26.6 cm，其他按常規(guī)栽培要求進行。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 土壤取樣 2019年晚稻收割后，按“S”型線路采集耕作層土樣，混合均勻風干后備用。

1.3.2 總有機碳含量 土壤風干過0.15 mm篩，用元素分析儀測定。

1.3.3 團聚體分級各組分質量及有機碳含量 根據(jù)Elliott[14]提出的濕篩法將土壤團聚體分級為大團聚體Ma1（＞2 mm）和Ma2（0.25～2 mm）、微團聚體Mi（0.053～0.25 mm）、粘粉粒s+c（＜0.053 mm）。烘干后，稱量各級團聚體質量，各組分有機碳用elementar元素分析儀測定。

1.3.4 大團聚體（Ma1+Ma2）各組分質量與有機碳含量 根據(jù)Elliott[14]提出的濕篩法將大團聚體分級為粗顆粒態(tài)有機質M-cPOM（＞0.25 mm）、微團聚體M-Mi（0.053～0.25 mm）、粘粉粒M-s+c（＜0.053 mm）。烘干后，稱量各級團聚體質量，各組分有機碳用elementar元素分析儀測定。

1.3.5 土壤粒徑各組分質量及有機碳含量 根據(jù)Diochon 等[15]提出的方法分組為輕組（LF）、重組沙粒（HL-sand）、重組粘粉粒（HL-s+c）。利用elementar元素分析儀測定各組分有機碳含量。

1.3.6 酸水解有機碳含量 根據(jù)Vallejo[16]所提出的硫酸水解法，分離出活性炭庫1（LP1-C）、活性碳庫2（LP2-C）、惰性碳庫（RP-C）?；钚蕴紟煊袡C碳含量用德國耶拿TOC 分析儀[17]測定。惰性碳庫則根據(jù)差值法計算。

1.3.7 數(shù)據(jù)處理 運用Excel 2010 和SPSS16.0 軟件進行試驗數(shù)據(jù)的處理和統(tǒng)計分析，利用Duncan 新復極差法（LSR）進行顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同施肥措施對土壤總有機碳含量的影響

由圖1 可知，土壤總有機碳含量處理F 與處理CK 差異不顯著，而處理SF、MF 和MSF 均顯著高于處理CK 和處理F，增幅分別為21.43%～33.16%（P＜0.05）和28.79%～41.23%（P＜0.05）。處理SF與MF無顯著差異，但均顯著小于處理MSF，降幅為8.5%～9.66%（P＜0.05）。說明紫云英和秸稈還田能顯著增加土壤有機碳的含量，其效果以處理MSF為最佳。

2.2 不同施肥措施對土壤團聚體分布及團聚體結合碳的影響

2.2.1 不同施肥措施下土壤團聚體分布狀況 圖2 可知，不同施肥措施下團聚體分布狀況為，Ma（Ma1+Ma2）約占43%～63%，Ma1 中，處理MF 與MSF 之間差異不明顯，但均顯著大于處理SF、F 和CK，處理F 與CK之間無差異，相比于F，處理SF顯著提高；Ma2中，處理SF與MSF差異不顯著，卻均顯著大于處理MF、F和CK，而CK、F和MF之間無顯著差異；Mi約為25%～32%，處理MSF、MF和SF之間無顯著差異，但均顯著小于處理F和CK，而處理CK與F之間無顯著差異；s+c約為12%～25%，處理SF、MF和MSF之間無顯著差異，卻均顯著小于處理CK和F，而處理CK與F之間無顯著差異。說明秸稈、紫云英還田能夠顯著降低土壤Mi和s+c含量，促進土壤大團聚體的形成，從而顯著提高土壤Ma含量。

圖2 不同施肥措施下各級團聚體的質量百分比Fig.2 The mass percentage of aggregates at different levels under different fertilization measures

2.2.2 不同施肥措施下土壤團聚體結合態(tài)有機碳分布狀況 由圖3 可知，Ma1 中，土壤有機碳含量表現(xiàn)為處理MSF≈MF＞SF＞F≈CK，相比處理F，處理MSF、SF、MF 增幅分別為141.65%（P＜0.05）、89.64%（P＜0.05）和130.52%（P＜0.05）；Ma2 中，有機碳含量表現(xiàn)為處理MSF＞MF＞SF≈CK＞F，與處理F 相比，處理SF、MF、MSF 增幅分別為48.31%（P＜0.05）、26.55%（P＜0.05）和70.28%（P＜0.05），總體來說Ma（Ma1+Ma2）中的有機碳含量表現(xiàn)為處理CK≈F＜SF≈MF＜MSF；Mi 中，各處理有機碳含量無顯著差異；s+c 中，處理F 與CK 之間無明顯差異，而處理MSF、SF 均顯著低于處理F，降幅分別為25.38%（P＜0.05）和19.57%（P＜0.05）。說明紫云英、秸稈還田能夠顯著提高土壤Ma 有機碳的含量，降低s+c 中有機碳含量，但對Mi無顯著影響。

圖3 不同施肥措施下土壤中各級團聚體有機碳含量Fig.3 Organic carbon content of aggregates at all levels in soil under different fertilization measures

2.2.3 大團聚體內團聚體及其各組分有機碳分布狀況 由表1 可知，土壤團聚體質量百分比中，McPOM 和M-Mi 均表現(xiàn)為處理SF、MF 和MSF 之間無顯著差異，但均顯著高于處理F 和CK，較處理F 平均增幅分別為77.48%和40.12%，而處理F 和CK 無明顯差異。M-s+c 中，處理之間無顯著差異。說明紫云英、秸稈還田有利于M-cPOM和M-Mi的形成，而對M-s+c影響不明顯。

在團聚體有機碳含量上，M-cPOM 中，處理MSF、MF 和SF 均顯著高于F，增幅分別為48.18%（P＜0.05）、28.39%（P＜0.05）和28.39%（P＜0.05），而處理MSF顯著高于MF和SF，處理SF和MF差異不顯著，處理F 顯著高于處理CK，M-Mi 中，處理SF、MF 和MSF 均顯著高于處理F 和CK，較處理F 增幅分別為55.61%（P＜0.05）、43.14%（P＜0.05）和74.06%（P＜0.05），而處理F 和CK 差異不顯著；M-s+c 中，處理MSF、MF 和SF 均顯著高于處理F 和CK，較處理F 增幅分別為22.10%（P＜0.05）、33.33%（P＜0.05）和42.75%（P＜0.05），而處理F與CK無顯著差異。說明紫云英、秸稈還田有利于提高各級團聚體中有機碳含量。

表1 不同施肥措施下土壤團聚體百分比及其有機碳分布含量Tab.1 Percentage of soil aggregates and their organic carbon distribution under different fertilization measures

2.3 不同施肥措施對各土壤粒徑質量及有機碳含量的影響

由表2 可知，HL-s+c 在各粒徑有機碳中質量占比為62.70%～69.58%，處理F 與CK 無顯著差異，而處理SF、MF和MSF均顯著低于處理F，降幅分別為9.61%（P＜0.05）、5.31%（P＜0.05）和6.13%（P＜0.05），處理SF與MF、MSF存在顯著差異；HL-sand中，處理MSF、MF和SF均顯著大于處理F，增幅分別為13.20%（P＜0.05）、10.53%（P＜0.05）和20.13%（P＜0.05）；LF 質量占比表現(xiàn)為處理SF≈MSF≈MF＞F≈CK。說明秸稈、紫云英還田能顯著提高LF、HL-sand質量占比，減少HL-s+c的質量占比。

表2 不同施肥措施下土壤各粒徑有機碳質量及其含量Tab.2 Organic carbon quality and content of soil particle size under different fertilization measures

HL-s+c 中有機碳含量，處理SF、MSF 和MF 差異不顯著，較處理F，增幅分別為16.43%（P＜0.05）、24.16%（P＜0.05）和17.75%（P＜0.05），而處理CK 與F 差異不顯著；HL-sand 中處理SF、MF 和MSF 有機碳含量均顯著高于處理F，增幅分別為105.74%（P＜0.05）、66.83%（P＜0.05）和98.25%（P＜0.05），其中處理SF與MSF 之間無顯著差異，均顯著大于處理MF；LF 中處理SF、MF 和MSF 之間存在顯著差異性，表現(xiàn)為MSF＞MF＞SF。相對于處理F，處理SF、MF 和MSF 均顯著增加，增幅分別為17.39%（P＜0.05）、50.99%（P＜0.05）和68.77%（P＜0.05），處理F 與CK 無顯著差異。說明秸稈、紫云英還田能夠提高HL-s+c、HL-sand、LF中有機碳含量。

2.4 不同施肥措施對土壤活性、惰性碳庫的影響

表3 可知，RP-C 中有機碳占總碳庫76.82%～80.94%。處理SF、MF 和MSF 之間無明顯差異，卻均顯著大于處理F，增幅分別為33.42%（P＜0.05）、21.89%（P＜0.05）和31.75%（P＜0.05），而CK 與F 之間無顯著差異；LP1-C 中，SF、MF 和MSF 有機碳含量均顯著高于處理F，增幅分別為44.12%（P＜0.05）、67.65%（P＜0.05）和71.43%（P＜0.05），而處理F與CK無顯著差異，SF與MSF、MF之間存在顯著差異；LP2-C有機碳含量占比最少，處理MSF、SF 和MF 有機碳含量之間無顯著差異，但均顯著大于處理F，增幅分別為21.77%（P＜0.05）、17.01%（P＜0.05）和15.65%（P＜0.05），而CK 與F 之間無顯著差異。說明秸稈、紫云英的還田能夠提高各碳庫有機碳含量。

表3 不同施肥措施下各有機碳庫中有機碳的含量Tab.3 Contents of organic carbon in each organic carbon pool under different fertilization treatments

4 結論與討論

微生物的腐殖質化作用、團聚體的包裹、有機無機復合作用等會使得投入土壤中的有機質及養(yǎng)分被保蓄起來[18-20]，提升土壤有機碳含量及土壤肥力。結果表明，相對于處理F和CK，秸稈、紫云英還田能顯著增加土壤總有機碳含量，這與大多數(shù)研究結果[21-23]相一致。一般認為Ma作為土壤的優(yōu)質團聚體結構，常與土壤物理特性及肥力相關聯(lián)[3,24]，而Ma 含量的增加可以通過有機物料的投入、合理的耕作措施及植被覆蓋等措施。李艷等[25]表明，秸稈還田能提高土壤孔隙度、持水量及Ma 含量，并提高Ma 中有機碳含量。本次研究結果與其基本一致，秸稈、紫云英還田后，Ma、M-cPOM、M-Mi所占比例及其有機碳含量增大，而s+c 比例及其有機碳含量卻顯著降低。Six[3]認為，植株殘體進入土壤后，首先被真菌等微生物利用，微生物分泌物會將＞250μm 粒級的粗顆粒有機質與粘粒相粘合形成250～2 000μm 大團聚體，這已被Angers 等[26]利用13C 技術所證實。而后粗顆粒有機質進一步分解成250～53μm 粒級細顆粒有機質，細顆粒有機質繼續(xù)在微生物的作用下分解，與粘粒結合在大團聚體內部形成更為穩(wěn)定的微團聚體。本次試驗結果也得到證實。

Turchenek 和Oades 在20 世紀80 年代對土壤有機碳研究時提出密度分組，分為輕組（LF）與重組（HF）[27]，重組可再進行粒徑分組為沙粒（HF-sand）、粘粉粒（HL-s+c）。輕組（LF）、沙粒（HF-sand）中所結合的有機碳為活性碳易腐解，是衡量SOC 變化的重要指標。試驗數(shù)據(jù)表明，HL-s+c 有機碳含量占比高達53.97%～65.05%，與Christensen[28]結論相近。LF、沙粒（HF-sand）中的有機質主要為植株殘體[28]，較處理CK，LF、HL-sand質量占比顯著提高而HL-s+c質量占比降低，但各粒徑有機碳含量都顯著增加。一般認為秸稈、紫云英還田，補充了土壤微生物生命活動所需底物，促進了土壤微生物快速繁殖，提高了土壤中膠結性物質含量，從而促使粘粉粒與粗顆粒有機質粘結形成大團粒土壤結構。經(jīng)兩季時間，部分植物殘體處于未完全腐解或半腐解狀態(tài)，而使得LF、HL-sand 質量占比及有機碳含量提高。Jafarzadeh-Haghighi等[29]也認為LF及HL-sand有機碳含量的增加歸功于秸稈碳的投入。HL-s+c中有機碳是土壤中穩(wěn)定的碳庫，主要為芳香族物質及微生物合成物質，易受土壤微生物所影響，因此，秸稈、紫云英還田對土壤各粒徑組分有機碳影響有一定的差異性，但所影響的趨勢都大致相同，即相對CK，其他施肥處理中各粒徑組分有機碳含量都顯著增加。

土壤有機碳的化學分組是根據(jù)溶解性、水解性和氧化性等機理進行分組，能直觀的體現(xiàn)有機碳被礦化利用的化學穩(wěn)定性。Poeplau 等[30]所發(fā)現(xiàn)，相較于其他化學分組法，硫酸水解法所分離的各組分，更能直觀的反映表征土壤有機碳的周轉狀況。一般認為，LP1-C 主要來源植物分解以及微生物產(chǎn)生的多糖物質[31]，而這些產(chǎn)物對微生物和土壤酶的響應較為強烈。張海晶等[32]查閱大量資料發(fā)現(xiàn)，秸稈的添加，能顯著增加表層土壤微生物及土壤酶活性，同時LP2-C大部分由纖維素組成。因此試驗中秸稈、紫云英還田后，使用硫酸水解法進行化學分組，LP1-C、LP2-C 變化趨勢與上述原由相互照應，即兩組活性碳庫均顯著增加。水稻秸稈含有大量的木質素和半纖維素[33]，難以被微生物所利用而降解[34]。而RP-C 主要來源為木質素和半纖維素[31]，因此，秸稈的添加造成RP-C的增大。

綜合上述表明，秸稈、紫云英還田能夠顯著影響土壤有機碳含量及其物理、化學組分質量及含量分布，從而提高土壤肥力。