劉希玉，王忠強，張心昱 ，徐麗麗，施 瑤，孫曉敏，楊風亭

(1.東北師范大學地理科學學院，長春 130024;2.中國科學院地理科學與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡觀測與模擬重點實驗室，北京100101;3.沈陽農業(yè)大學土地與環(huán)境學院，沈陽 110866)

紅壤水稻土是我國南方稻作區(qū)主要土壤類型，對我國水稻生產發(fā)揮重要作用［1］。近年來，由于不合理管理和耕作，加上自身風化作用加強，導致紅壤水稻土結構破壞、養(yǎng)分流失量大，嚴重影響了紅壤水稻土可持續(xù)利用及水稻產量和品質［2］。

土壤團聚體作為土壤結構基本組成單元，能夠綜合反映土壤物理、化學和生物特性［3-4］。土壤團聚體與土壤中碳氮含量之間相互影響［5］，土壤中碳能夠提高土壤團聚體穩(wěn)定性，且有利于促進土壤中微團聚體和大團聚體形成［6-7］，而土壤團聚體對土壤中氮的轉化有促進作用［8］。已有研究表明［9］，在紅壤水稻土中，大團聚體中有機碳和全氮含量較高;與其它粒級團聚體相比較，紅壤水稻土微團聚體穩(wěn)定性較好，更利于土壤中碳素和氮素的積累［10］。土壤團聚體中碳氮含量主要受施肥方式的影響，施用有機肥和化肥能提高土壤團聚體穩(wěn)定性，改善土壤結構，施用有機肥效果更顯著［11］。但是目前關于不同施肥方式對紅壤不同粒級土壤團聚體中有機碳和全氮含量影響的研究還不多。

本研究依托千煙洲紅壤丘陵區(qū)長期定位試驗，分析長期不同施肥處理對紅壤水稻土各粒級團聚體分布及其碳氮含量影響，探討長期不同施肥處理方式下，紅壤水稻土團聚體分布與各粒級團聚體中有機碳和全氮含量之間的關系，以期為改善紅壤水稻土結構及提高紅壤水稻土肥力提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

長期施肥試驗地設在中國科學院千煙洲生態(tài)試驗站內，該站位于江西省泰和縣吉泰盆地(114°53'E，26°48'N)，是典型的低丘紅壤地區(qū)。試驗區(qū)屬中亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，年平均氣溫18.6℃，年平均無霜期為280天，年均降雨量為1371mm，雨量充沛，但降雨量主要集中在夏季。試驗開始于1998年，原始耕層土壤(0—15cm)理化性質為:pH 6.0，土壤有機碳9.7 g/kg，全氮1.0 g/kg，速效磷1.6 mg/kg，速效鉀17.6 mg/kg。

1.2 試驗處理

(1)種植方式 試驗區(qū)采用一年兩季種植水稻，早稻每年4月底種植，7月底收獲;晚稻7月底種植，11月初收獲。本研究選擇4種處理，每種處理設有3個重復，每個小區(qū)面積為3m×5m=15m2，每個小區(qū)之間用水泥田埂相隔。

(2)試驗處理 (1)對照(CK)，不施肥;(2)秸稈還田(ST)，不施肥，收獲后的早晚稻秸稈均還田，含N量為25kgN/hm2，含 C 量為2295 kgC/hm2;(3)施化肥(NPK)，225 kgN/hm2(尿素，含 N 46%)，135 kg P2O5/hm2(鈣鎂磷肥，含P2O513%)，225 kg K2O/hm2(氯化鉀，含K2O 60%)，早、晚稻施肥比例為1∶1.25，基肥與追肥比例為6∶4。(4)施有機肥(OM)，施豬糞做基肥一次性施用，豬糞含 N量為225kgN/hm2，含 C量為2565kgC/hm2。

1.3 測定方法

紅壤水稻土樣品于2011年11月13日晚稻收獲后取樣，取樣之前，用剖面刀移除土壤表層雜物，用硬質鋁盒在每個小區(qū)中隨機采樣，將田間采集的0—10cm耕層原狀紅壤水稻土樣品裝入塑封袋內，并確保運輸過程中不受擠壓，以保持土樣原有結構。運回實驗室后，在室溫下風干。

紅壤水稻土團聚體采用濕篩法分級。具體操作方法為:稱取土塊樣品50g，放置于燒杯中，浸沒約5min，待土塊中空氣排除后，將樣品放置于最大孔徑土壤篩(500μm)上面，套篩下面土壤篩孔徑依次為250、125μm和63μm，底層放置底盤用于收集＜63μm粉砂和粘粒，將盛土套篩放在振動篩分儀(德國Retsch，AS200)上，每分鐘振蕩20次，振蕩3min。篩分后＞500μm的紅壤水稻土為植物根系和礫石，將此部分質量烘干后稱重扣除。收集大團聚體(250—500μm)、微團聚體(125—250μm和63—125μm)及粉砂和粘粒(＜63μm)部分，并分別轉移至燒杯中，烘干，稱重，計算得到各粒級紅壤水稻土團聚體質量在全土中的百分率。分離得到的各粒級紅壤水稻土使用球磨儀磨成粉末狀，用元素分析儀(德國Elementar，vario MAX CN)測定各粒級土壤中有機碳(SOC)和全氮(TN)含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

式中，H為該粒級團聚體中SOC或TN富集因子(EC，EN);C為該粒級團聚體中SOC或TN含量(g/kg);D為全土中SOC或TN含量(g/kg)。

數(shù)據(jù)使用SPSS17.0(SPSSInc.，Chicago，USA)進行單因素方差(One-Way ANOVA)分析，采用LSD進行多重比較檢驗，顯著水平(P＜0.05)。

圖1 不同施肥處理對各粒級團聚體分布影響Fig．1 The distribution of soil aggregates in different fertilization treatments小寫字母表示不同處理之間差異顯著(P＜0.05，n=3)

2 結果與分析

2.1 施肥對紅壤水稻土團聚體分布影響

在各處理中，250—500μm大團聚體占全土百分率9%—11%;63—125μm微團聚體占16%—20%;125—250μm微團聚體占17%—21%;＜63μm粉砂和粘粒占最大，為41%—54%(圖1)。

OM處理有利于紅壤水稻土微團聚體和大團聚體形成，且主要影響125—250μm粒級團聚體分布，ST和NPK處理對各粒級土壤團聚體分布影響不顯著。在250—500μm中，OM處理團聚體含量比CK、ST和NPK處理分別提高了3%、4%和2%，且差異顯著(P＜0.05);在125—250μm中，OM處理土壤中該粒級微團聚體含量占21%，分別為CK、ST和 NPK處理的1.2倍、1.3倍和1.1倍，且差異顯著 (P＜0.05);在63—125μm中，各處理之間無顯著性差異 (P＞0.05);在＜63μm中，OM處理團聚體含量(41%)顯著低于CK、ST、NPK處理，分別降低了8%、13%和7%(P＜0.05)。

2.2 施肥對紅壤水稻土團聚體中有機碳含量分布影響

ST、NPK和OM處理均能增加各粒級團聚體中SOC含量，OM處理對各粒級團聚體中SOC含量提高幅度最大，且對250—500μm和63—250μm影響更顯著(圖2)。14a長期定位施肥后，4種處理方式下，全土中SOC含量從高到低順序為:OM＞NPK＞ST＞CK，與CK處理相比，ST、NPK、OM處理分別使全土中SOC含量增加了3.4 g/kg、5.9 g/kg、8.9 g/kg，各處理之間差異達到顯著水平(P＜0.05)。

在250—500μm中，OM處理SOC含量分別為CK、ST和NPK處理的2.3倍、2.4倍和1.9倍，且差異顯著(P＜0.05);在125—250μm中，各處理土壤SOC含量順序為:OM＞NPK＞ST＞CK，ST、NPK 和OM 處理分別為CK處理的1.3倍、1.6倍和2.3倍(P＜0.05);在63—125μm中，ST、NPK和OM處理比CK處理土壤中SOC含量分別升高了22%、35%和74%;在＜63μm中，OM處理SOC含量最高(17.9 g/kg)，ST、NPK和OM處理比CK處理土壤中SOC含量分別升高了3%、14%和26%。

在250—500μm中，EC值順序為:ST＜NPK＜CK＜OM，OM處理EC值最大(1.35)，OM處理有利于大團聚體中SOC富集;在125—250μm中，OM處理EC值最大(1.06)，ST、CK和NPK處理EC值均小于1;在63—125μm 中，EC值均大于1;在＜63μm 中，EC值順序為:OM＜NPK＜ST＜CK，CK 處理 EC值為1.56，與 ST、NPK 和OM處理之間差異顯著(P＜0.05)，CK處理有利于小粒徑團聚體中SOC富集。

圖2 不同施肥對各粒級團聚體中有機碳含量分布和EC影響Fig．2 Effect of different fertilization treatments on the distribution of SOC content and enrichment factor for soil organic carbon in different soil aggregates

2.3 施肥對紅壤水稻土團聚體中全氮含量分布影響

不同處理對土壤各粒級團聚體中SOC含量影響和對TN含量影響趨勢基本一致，OM顯著增加了土壤TN含量(P＜0.05)(圖3)。各處理TN含量順序為:OM＞NPK＞ST＞CK，ST、NPK和OM處理比CK處理全土中TN含量分別增加了22%、44%和67%。

圖3 不同施肥對各粒級團聚體中全氮含量分布和EN影響Fig．3 Effect of different fertilization treatments on the distribution of TN content and enrichment factor for soil total nitrogen in different soil aggregates

OM處理增加各粒級團聚體中TN含量，對63—500μm影響更顯著。在250—500μm中，OM處理TN含量分別為CK、ST和NPK處理的2.3倍、2.3倍和1.9倍，且差異顯著 (P＜0.05);在125—250μm中，各處理土壤TN含量順序為:OM＞NPK＞ST＞CK，ST、NPK和OM處理分別為CK處理的1.4倍、1.9倍和2.7倍 (P＜0.05);在63—125μm中，ST、NPK和OM處理比CK處理土壤中TN含量分別升高了23%、38%和92%;在＜63μm中，OM處理TN含量最高(2.1 g/kg)，ST、NPK和OM處理比CK處理土壤中TN含量分別提高了7%、20%和40%。

在250—500μm中，EN值順序為:ST＜NPK＜CK＜OM，OM 處理 EN值最大為1.34;在125—250μm 中，OM處理EN值最大為1.23，ST、CK和NPK處理EN值均小于1;在63—125μm中，EN值均大于1，OM處理EN值最大1.60，有利于微團聚體中TN富集;在＜63μm中，EN值順序為:OM＜NPK＜ST＜CK，CK處理EN值為1.74，與ST、NPK和OM處理之間差異顯著(P＜0.05)，CK處理有利于小粒徑團聚體中TN富集。

2.4 施肥對紅壤水稻土團聚體中C/N比影響

4種不同處理方式下，OM處理顯著增加了全土中C/N比，ST、NPK和OM處理比CK處理全土中C/N比分別提高了0.6、0.4和0.9，其中施用OM效果最顯著(P＜0.05)(圖4)。

紅壤水稻土各粒級團聚體中C/N比均隨粒徑減小而降低，OM處理顯著降低了＜63μm中C/N比，增加了250—500μm中C/N比，OM處理更利于增加250—500μm中碳的積累;NPK處理顯著降低了各粒徑團聚體C/N比;ST處理降低了63—250μm和＜63μm中C/N比，但對大團聚體影響不顯著。

圖4 不同施肥對各粒級土壤團聚體中C/N影響Fig．4 The effect of different fertilization treatments on the carbon to nitrogen ratio

3 討論

3.1 不同處理對紅壤水稻土團聚體分布影響

不同施肥方式對土壤團聚體的形成、數(shù)量和分布有顯著影響［12］。已往研究表明［13-14］，單獨施用有機肥和化肥能夠提高黑土和黑壚土中大團聚體含量，這與本研究所得結果一致，這主要是由于有機肥和化肥均能使土壤中SOC含量升高，從而促進土壤的團聚化作用，將小粒徑團聚體膠結形成大團聚體，增加大團聚體含量，降低粉砂和粘粒含量。本研究中，14a長期定位施用有機肥后，紅壤水稻土SOC含量增加顯著，有利于土壤大團聚體和微團聚體的形成［15-16］。化肥和秸稈還田有增加土壤SOC含量的趨勢，但沒有有機肥顯著，對于大團聚體和微團聚體的增加也沒有達到顯著水平。已往研究表明，秸稈還田降低了小粒級團聚體含量，增加了大粒級團聚體含量，此結果與本研究不一致，這可能與秸稈還田施用量較低、化肥與秸稈還田未配合施用有關［17］。

3.2 不同處理對紅壤水稻土團聚體中碳氮分布影響

已有長期定位施肥實驗表明，單獨施用化肥或有機肥均能提高紅壤各粒級團聚體中有機碳和全氮含量，且施用有機肥效果更好［18］。本研究中，隨著不同施肥方式的應用，紅壤水稻土中各粒級團聚體中碳氮含量均明顯增加，其中，OM處理方式下，大粒級團聚體中碳含量增加幅度最大，這可能是因為有機肥進入土壤后，破碎化和分解后，先與土壤大粒級團聚體結合［19］，也可能是因為SOC使小粒級團聚體膠結成大粒級團聚體，增加了大粒級團聚體中SOC含量，同時OM處理也增加了土壤中微生物數(shù)量、根茬、根系和根分泌物的含量，從而使土壤中碳含量增多［20-21］。

EC和EN表示各粒級團聚體中SOC或TN含量對全土中SOC或TN含量的貢獻率［22］。E＞1表示SOC或TN在該粒級團聚體中富集，E＜1表示SOC或TN在該粒級團聚體中匱乏［23］。在本研究中，各粒級團聚體對紅壤水稻土碳氮含量的貢獻率存在差異，依據(jù)EC和EN值可以判斷出，在所有處理方式下，63—125μm和＜63μm土壤粒級對紅壤水稻土碳氮貢獻率最大。

土壤C/N比可反映碳氮元素有效性，是評價土壤質量水平的重要指標之一，土壤團聚體中C/N比越低，說明有機物腐解程度越高，土壤養(yǎng)分有效性越高［24］;土壤團聚體中C/N比越高，土壤有機碳越穩(wěn)定，越利于土壤中碳的積累。OM和ST處理均能增加大粒級團聚體中C/N比，有利于土壤中碳的積累。土壤中與小粒級團聚體結合的碳是形成時間較長的碳，由于碳的分解，降低了小粒級團聚體中C/N比［25］，這與本研究結果相一致。

4 結論

(1)紅壤水稻土團聚體分布以粉砂和粘粒為主，占全土41%—54%;施用OM能明顯促進紅壤水稻土大團聚體和微團聚體形成。

(2)ST、NPK和OM處理均能提高紅壤水稻土全土及各粒級團聚體中有機碳和全氮含量，施用OM增加幅度最大;在所有施肥方式下，63—125μm和＜63μm中EC和EN值均大于1，紅壤水稻土中碳氮主要貯存在63—125μm和＜63μm土壤粒級中。

(3)長期施用OM能有效提高紅壤水稻土團聚體穩(wěn)定性和紅壤水稻土碳氮含量，建議在紅壤水稻土中應施用OM。

致謝:感謝中國科學院千煙洲生態(tài)試驗站和鄒敬東老師對野外工作的幫助，感謝美國橡樹嶺國家重點實驗室徐小鋒博士對寫作的幫助。

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