鄧文悅柳開樓田 靜黃慶海葉會財(cái)婁翼來李忠芳曹明明

（1 西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，西安 710127）

（2 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101）

（3 國家紅壤改良工程技術(shù)研究中心/江西省紅壤研究所/農(nóng)業(yè)部江西耕地保育科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站，南昌 330046）

（4 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081）

（5 賀州學(xué)院化學(xué)與生物工程學(xué)院，廣西賀州 542899）

長期施肥對水稻土不同功能有機(jī)質(zhì)庫碳氮分布的影響*

鄧文悅1，2柳開樓3田 靜2?黃慶海3葉會財(cái)3婁翼來4李忠芳5曹明明1

（1 西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，西安 710127）

（2 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101）

（3 國家紅壤改良工程技術(shù)研究中心/江西省紅壤研究所/農(nóng)業(yè)部江西耕地保育科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站，南昌 330046）

（4 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081）

（5 賀州學(xué)院化學(xué)與生物工程學(xué)院，廣西賀州 542899）

土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）對于維持農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力、提高土壤質(zhì)量和增加土壤固碳均具有非常重要的意義。以紅壤水稻土35年的長期定位試驗(yàn)為依托，借助近期發(fā)展的物理―化學(xué)聯(lián)合分組方法，探討了長期施肥對水稻土不同功能SOM庫含量、SOM庫碳氮含量變化和分配比例的影響。結(jié)果表明，長期施肥尤其是有機(jī)無機(jī)配施處理顯著增加了未保護(hù)游離SOM庫（cPOM和fPOM）和純物理保護(hù)SOM庫（iPOM）在土壤中的含量以及它們的土壤有機(jī)碳（SOC）和全氮（TN）含量。未保護(hù)游離SOM庫的SOC和TN含量占總有機(jī)碳和全氮比例在有機(jī)無機(jī)配施處理下最高，分別達(dá)35.9%和33%。與CK相比，有機(jī)無機(jī)配施使生物化學(xué)保護(hù)庫非水解游離粉粒組（NH-dSlit）和非水解游離黏粒組（NH-dClay）含量分別降低了15%和9.5%（p＜0.05）。物理―化學(xué)保護(hù)SOM庫、物理―生物化學(xué)保護(hù)SOM庫以及化學(xué)保護(hù)SOM庫含量受長期施肥影響不顯著。綜上，研究表明土壤不同功能SOM庫對長期施肥的響應(yīng)不同。有機(jī)無機(jī)配施是提升紅壤水稻土SOM數(shù)量和質(zhì)量的最佳培肥措施。

有機(jī)質(zhì)；長期肥料試驗(yàn)；物理保護(hù)有機(jī)質(zhì)庫；化學(xué)保護(hù)有機(jī)質(zhì)庫；生物化學(xué)保護(hù)有機(jī)質(zhì)庫；土壤固碳

土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）是土壤質(zhì)量和肥力的重要指標(biāo)［1］。研究表明增加農(nóng)田土壤有機(jī)碳（SOC）的固定可能是減緩目前大氣二氧化碳濃度增加的一個(gè)有效途徑［2］。因此，加強(qiáng)農(nóng)田SOM動態(tài)的研究對維持農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力、提高土壤質(zhì)量、改善環(huán)境和實(shí)現(xiàn)糧食安全均具有非常重要的意義。

土壤有機(jī)質(zhì)作為具有高度異質(zhì)性的不均勻混合物，包含多種不同降解性和轉(zhuǎn)化率的化合物［3］。由管理措施引起的總SOM變化是逐步的，將具有高度異質(zhì)性的SOM作為一個(gè)整體進(jìn)行分析，難以監(jiān)測到由管理措施引起的SOM質(zhì)量的早期變化［4］。因此，大多研究借助物理或者化學(xué)分組手段開展SOM組分的研究［5-8］，一方面有助于人們及時(shí)監(jiān)測和掌握由管理措施引起的SOM質(zhì)量早期變化，另一方面有助于人們更好地理解SOM質(zhì)量變化的內(nèi)在機(jī)理。目前SOM組分的研究主要借助化學(xué)或物理等方法將其分為不同組分，例如Six等［6］提出了土壤團(tuán)聚體物理分組技術(shù)，該方法目前被廣泛應(yīng)用于SOM的質(zhì)量變化研究中。大量研究證實(shí)長期施肥會顯著影響SOM總體和組分的變化［9-11］，例如周萍等［12］采用低能量超聲波分散法研究我國南方三種典型水稻土的長期試驗(yàn)田，分離得到不同粒徑的團(tuán)聚體顆粒組，發(fā)現(xiàn)大團(tuán)聚體粒級隨不同耕作和施肥等長期處理的變化最為強(qiáng)烈。王雪芬等［13］通過Six等［7］的物理分組方法分離得到不同大小顆粒有機(jī)碳庫、團(tuán)聚體有機(jī)碳庫，其研究表明長期施肥顯著提高了SOC和活性有機(jī)碳（LOC）的含量。袁穎紅等［14］通過超聲波分散方法分離得到不同粒徑的團(tuán)聚體，發(fā)現(xiàn)施用糞肥顯著提高土壤中游離態(tài)和閉蓄態(tài)顆粒的SOC含量及其占土壤總有機(jī)碳的比例?；赟OC的化學(xué)分組方法，張繼光等［15］研究發(fā)現(xiàn)長期施肥特別是施有機(jī)肥能顯著提高土壤活性有機(jī)碳含量。Tian等［16］發(fā)現(xiàn)長期施用氮肥，增加了溶解性有機(jī)氮含量，但是卻降低了溶解性有機(jī)碳含量、微生物生物量氮含量和高錳酸鉀易氧化性有機(jī)碳含量。以上大量研究證實(shí)，土壤有機(jī)質(zhì)分組技術(shù)是研究土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量早期變化的一個(gè)有效方法。但是以往研究所采用的分組方法往往是單一的物理或化學(xué)分組方法，具有一定的局限性。

近年來Stewart等［17-18］在已有SOM物理分組方法基礎(chǔ)上，考慮了SOM穩(wěn)定機(jī)制，引入了化學(xué)分組，將濕篩篩選、重液浮選、玻璃珠分散和酸解技術(shù)手段結(jié)合，成功分離出未保護(hù)游離態(tài)活性SOM庫、物理保護(hù)SOM庫、化學(xué)保護(hù)SOM庫和生物化學(xué)保護(hù)SOM庫4類。在土壤有機(jī)碳庫研究中，未保護(hù)游離態(tài)活性SOM庫和物理保護(hù)SOM庫各組分由于分解速度快、周轉(zhuǎn)時(shí)間短、對施肥響應(yīng)敏感，可作為土壤碳庫變化的早期指示指標(biāo)；而化學(xué)保護(hù)SOM庫和生物化學(xué)保護(hù)SOM庫各組分由于是惰性組分，對外界反應(yīng)較遲鈍，因而一般可作為預(yù)測土壤碳飽和與否的指標(biāo)［8］。由此可見，物理―化學(xué)聯(lián)合分組方法綜合考慮了SOM多種穩(wěn)定機(jī)制，可為深入研究SOM提供更多的有價(jià)值信息，進(jìn)而對研究和評價(jià)土壤各組分對總SOM含量的響應(yīng)具有重要意義。中國水稻土面積約3 000萬hm2，占全國耕地總面積的1/4，占世界水耕土面積的23%，而水稻土作為一種特殊利用方式下形成的人為耕作土壤，具有較高的土壤生產(chǎn)力和較大的固碳潛力［19］。但是，鮮有報(bào)道利用該方法研究水稻土不同功能性有機(jī)質(zhì)庫土壤碳氮對施肥處理的響應(yīng)。因此，急需進(jìn)一步探討長期施肥對水稻土不同功能SOM庫土壤碳氮含量變化的影響。長期定位試驗(yàn)具有時(shí)間上反復(fù)驗(yàn)證、數(shù)據(jù)可靠和解釋能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，可提高研究結(jié)果真實(shí)性，從而可準(zhǔn)確揭示土壤SOM各組分的動態(tài)變化規(guī)律［20］。因此，本文借助長期定位施肥試驗(yàn)開展了水稻土不同功能SOM含量動態(tài)變化機(jī)制研究，該研究對于指導(dǎo)合理施肥、提升SOM質(zhì)量和肥力水平，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)國家糧食安全和促進(jìn)水稻田固碳具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

長期試驗(yàn)地位于江西省進(jìn)賢縣（116°17′60″E，28°35′24″N），屬于中亞熱帶，該區(qū)年均氣溫18.1℃，年積溫6 480℃，年降水量1 537 mm，年蒸發(fā)量1 150 mm，無霜期約為289 d，年日照時(shí)數(shù)1 950 h。試驗(yàn)地為紅壤性潴育型水稻土，成土母質(zhì)為第四紀(jì)紅黏土。試驗(yàn)區(qū)采用早稻―晚稻―冬閑種植制度。長期定位試驗(yàn)從1981年開始進(jìn)行試驗(yàn)處理，試驗(yàn)前的土壤基本性質(zhì)：pH 6.9，SOC 16.3 g kg-1，全氮（TN）1.49 g kg-1，全磷0.44 g kg-1，全鉀10.39 g kg-1；堿解氮144 mg kg-1，有效磷9.5 mg kg-1，速效鉀81.2 mg kg-1。

本研究包括4個(gè)試驗(yàn)處理：（1）不施肥空白（CK）；（2）單施氮肥（N）；（3）單施氮磷鉀（NPK）；（4）氮磷鉀和有機(jī)肥配合施用（NPKM）。每處理3個(gè)重復(fù)，隨機(jī)排列。水稻單季年施用尿素90 kg hm-2（以N計(jì)）、鈣鎂磷肥45 kg hm-2（以P2O5計(jì)）和氯化鉀75 kg hm-2（以K2O計(jì)）。NPKM處理中有機(jī)肥施用量只考慮含N量，早稻季施紫云英（平均含N 4 g kg-1）、晚稻季施豬糞（平均含N 6 g kg-1），其中有機(jī)肥N施用量占全N施用量的50%（早稻季）和60%（晚稻季）。有機(jī)肥和磷肥作基肥施用，氮肥和鉀肥做追肥，氮肥在水稻返青后和分蘗盛期按1∶1比例分兩次追施，鉀肥第一次全施。

1.2 土壤有機(jī)質(zhì)分組方法

2014年10月份水稻收獲后采集了0～20 cm土壤樣品。采集土壤樣品風(fēng)干后，揀去作物殘根和石礫等，然后過2 mm篩備用。

采用Stewart等［17-18］方法對土壤SOM進(jìn)行分組。主要操作步驟可分三步：首先稱取20 g過2 mm篩的風(fēng)干土樣過濕篩分離出＞ 250 μm 的未保護(hù)粗顆粒有機(jī)質(zhì)（cPOM）、 53～250 μm的微團(tuán)聚體部分（μagg）和＜ 53 μm的粉黏組。接著將＜ 53 μm的部分用離心法在900 r min-1和3 000 r min-1分離出游離粉粒組（d-Silt）和游離黏粒組（d-Clay），所有組分60℃烘干至恒重并稱重。

將上一步得到的微團(tuán)聚體部分（μagg）用碘化鈉溶液（1.85 g cm-3）進(jìn)行密度浮選，4 000 r min-1離心20 min，液體部分過0.45 μm濾膜，于0.45 μm濾膜上的輕組組分在60℃烘干48 h，得到未保護(hù)細(xì)顆粒有機(jī)質(zhì)（fPOM）。重組部分經(jīng)玻璃珠分散后過53 μm篩子，留在篩上的為微團(tuán)聚體中純物理保護(hù)顆粒有機(jī)質(zhì)（iPOM）。將＜ 53 μm的部分采用離心法在900 r min-1和3 000 r min-1分離出閉蓄粉粒組分（μ-Silt）和閉蓄黏粒組分（μ-Clay）。

將得到的游離粉黏粒組與閉蓄粉黏粒組在6 mol L-1的HCl中于95℃回流加熱16 h，然后過濾，殘留物質(zhì)經(jīng)60℃烘干至恒重，可得到非水解部分：非水解游離粉粒組分（NH-dSilt）、非水解游離黏粒組分（NH-dClay）、非水解閉蓄粉粒組分（NH-μSilt）和非水解閉蓄黏粒組分（NH-μClay），而水解部分為全組分和非水解組分之差，即水解游離粉粒組分（H-dSilt）、水解游離黏粒組分（H-dClay）、水解閉蓄粉粒組分（H-μSilt）和水解閉蓄黏粒組分（H-μClay）。

根據(jù)Stewart等［17-18］方法，將未保護(hù)游離態(tài)活性SOM庫分為游離粗顆粒有機(jī)質(zhì)（cPOM）和游離態(tài)細(xì)顆粒有機(jī)質(zhì)（fPOM）；物理保護(hù)SOM庫為微團(tuán)聚體部分（μagg）；化學(xué)保護(hù)SOM庫為可水解的游離態(tài)粉黏粒部分（H-dSilt、H-dClay）；生物化學(xué)保護(hù)SOM庫為非水解游離態(tài)粉黏粒部分（NH-dSilt、NH-dClay）。而物理保護(hù)中的微團(tuán)聚體部分又包含著多種保護(hù)機(jī)制，可以細(xì)分為純粹物理保護(hù)的細(xì)顆粒有機(jī)質(zhì)（iPOM）、物理―化學(xué)保護(hù)的水解性微團(tuán)聚體保護(hù)的粉黏粒（H-μSilt、H-μClay）和物理―生化保護(hù)的非水解性微團(tuán)聚體保護(hù)的粉黏粒（NH-μSilt、NH-μClay）。

采用vario MACRO cube型元素分析儀（Elementar，德國）測定各組分C和N含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)在Excel 2010和SAS SystemV8軟件中進(jìn)行分析。不同施肥處理之間的差異采用最小顯著差異法（LSD）進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)（p＜0.05）。圖形在SigmaPlot 12.5軟件中進(jìn)行分析繪制。

2 結(jié) 果

2.1 長期施肥對土壤功能性SOM組分含量的影響

長期施肥使土壤游離粗顆粒cPOM組分含量提高了1%～59.2%，尤其是NPKM處理下cPOM含量增加最顯著（表1）。與CK和單施N處理相比，NPK和NKPM處理顯著提高了游離態(tài)細(xì)顆粒fPOM含量。施肥未影響物理―生物化學(xué)保護(hù)的閉蓄粉黏粒（NH-μSilt、NH-μClay）組分和物理―化學(xué)保護(hù)的閉蓄粉黏粒（H-μSilt、H-μClay）組分含量。單施N肥處理下的H-μSilt組分含量顯著低于NPK和NPKM處理。施肥對化學(xué)保護(hù)的游離粉黏粒（H-dSilt、H-dClay）組分含量影響也不明顯；而生物化學(xué)保護(hù)的游離粉黏粒（NH-dSilt、NH-dClay）組分含量受施肥影響呈顯著下降趨勢。

2.2 長期施肥對不同功能SOM庫組分SOC和TN含量的影響

2.2.1 對不同功能SOM庫組分SOC含量的影響

長期施肥顯著影響了功能性SOM庫組分SOC含量（圖1）。與CK處理相比，NPKM處理下游離粗顆粒cPOM中SOC提高最顯著，提高了96.8%；單施N肥處理提高了31.8%。與CK和單施化肥（N、NPK）處理相比，NPKM處理顯著提高了游離細(xì)顆粒fPOM中的SOC含量。與CK相比，NPK和NPKM處理顯著增加了純粹物理保護(hù)組分iPOM中SOC含量； 同時(shí)NPKM處理下iPOM中SOC含量是單施NPK處理的1.4倍。與其他三個(gè)處理相比，NPKM處理下閉蓄粉粒組（NH-μSilt、H-μSilt）SOC含量提升了21.65%～50.3%。與此相反，與CK處理相比，長期施肥顯著降低了生物化學(xué)保護(hù)組粉粒黏粒組（NH-dSilt、NH-dclay）SOC含量，而其他各施肥處理間無顯著差異。

2.2.2 對不同功能SOM庫組分TN含量的影響長期施肥顯著影響了功能性SOM庫的TN含量（圖2）。與CK相比，NPKM、單施N和NPK處理下游離粗顆粒cPOM組分TN含量分別提高了102%、35%和11%；同時(shí)施肥處理間cPOM組分TN含量差異顯著。與CK相比，單施化肥（N、 NPK）未影響游離細(xì)顆粒fPOM組分TN含量；而NPKM處理顯著影響該組分TN含量，提高了77%。與CK相比，施肥使得純粹受物理保護(hù)的細(xì)顆粒組iPOM組分TN含量提高了23%～171%；各施肥處理間，以NKPM處理下iPOM組分TN含量最高，相比單施N 和NPK處理分別提高了48%和121%。與CK和單施N處理相比，NPKM處理分別提高物理―生物化學(xué)保護(hù)的粉粒組（NH-μSlit）TN含量達(dá)52%和80% （p＜0.05），而NPKM與單施NPK處理之間差異不顯著。物理―化學(xué)保護(hù)粉粒組（H-μSlit）含氮量與物理―生物化學(xué)保護(hù)粉粒組變化趨勢一致。化學(xué)保護(hù)組分粉黏粒（H-dSilt、H-dClay）TN含量受施肥影響無顯著差異。長期施肥對生物化學(xué)保護(hù)組中的粉粒組（NH-dSlit）TN含量無顯著影響，而施肥則顯著降低了黏粒組（NH-dClay）TN含量。2.2.3 對不同功能性SOM庫組分C/N的影響 長期施肥未影響游離粗顆粒組（cPOM）、物理―生物化學(xué)保護(hù)粉粒組（NH-μSlit）、物理―化學(xué)保護(hù)粉粒黏粒組（H-μSlit、 H-μClay）以及化學(xué)保護(hù)粉粒組（H-dSlit）的C/N（表2）。而長期施肥則使游離細(xì)顆粒組（fPOM）、物理保護(hù)的細(xì)顆粒（iPOM）以及物理―生物化學(xué)保護(hù)黏粒組（NH-μClay）C/N有下降趨勢，尤以NPKM處理的C/N值最低。與CK相比，單施N處理顯著降低了化學(xué)保護(hù)組游離態(tài)黏粒組C/N，而施肥處理間差異并不顯著。長期施肥降低了生物化學(xué)保護(hù)組的游離態(tài)粉黏粒組C/N，不同施肥處理之間差異不顯著。

表1 長期施肥對土壤各有機(jī)質(zhì)庫組分含量的影響Table 1 Effect of long-term fertilization on sizes of various SOM fractions in the soil

2.3 長期施肥對不同SOM組分中SOC和TN分配比例的影響

圖1 長期施肥處理對不同功能性SOM組分中SOC含量的影響Fig. 1 Effect of long-term fertilization on soil organic carbon（SOC）content in the fractions

圖2 長期施肥處理對不同功能性SOM組分中TN含量的影響Fig. 2 Effect of long-term fertilization on TN content in the fractions

本研究中，不同處理下未保護(hù)游離組SOC含量占土壤總有機(jī)碳最高，達(dá)26.3%～35.9%；其次是化學(xué)保護(hù)組S O C占土壤總有機(jī)碳的17%～22%；生物化學(xué)保護(hù)組SOC的分配比例是11.6%～19.9%；物理―化學(xué)保護(hù)組SOC占土壤總有機(jī)碳的11.6%～14.3%；物理―生物化學(xué)保護(hù)組占9.9%～11.5%；最小的為純粹物理保護(hù)組，占7.5%～11.9%（圖3）。各組分TN含量占土壤總氮含量比例趨勢和各組分SOC占土壤總有機(jī)碳比例趨勢相似：未保護(hù)游離組（22.9%～33%）＞化學(xué)保護(hù)組（19.4%～29.5%）＞物理―化學(xué)保護(hù)組（17.6%～20.8%）＞生物化學(xué)保護(hù)組（9.6%～13.6%）＞物理―生物化學(xué)保護(hù)組（7.2%～9.3%）＞物理保護(hù)組（5.4%～10.5%）。

長期施肥改變了同類組分的SOC含量占土壤總有機(jī)碳的比例以及TN含量占土壤總氮的比例（圖3）。與CK和單施化肥（N、NPK）處理相比，NPKM處理顯著提高了未保護(hù)游離顆粒組SOC占土壤總有機(jī)碳的比例和TN含量占土壤全氮的比例。與CK和單施N肥相比，NPK和NPKM處理下純物理保護(hù)組SOC含量占土壤總有機(jī)碳比例顯著增長（增長了54%～73%）。同時(shí)，該組的TN含量在土壤總氮含量中的分配比例在不同處理下均有顯著差異。與CK和其他兩個(gè)施肥處理（NPK、NPKM）相比，單施N肥處理的物理―化學(xué)保護(hù)組分內(nèi)SOC占土壤總有機(jī)碳的比例以及TN占土壤總氮的比例明顯降低。NPKM處理顯著降低了化學(xué)保護(hù)組分的SOC占土壤總有機(jī)碳的比例，以及TN占土壤總氮的比例。與其他三個(gè)處理相比，NPKM處理下的生物化學(xué)保護(hù)組分內(nèi)SOC占土壤總有機(jī)碳的比例以及TN占土壤總氮的比例最低。

表2 長期施肥處理對各組分土壤C/N值的影響Table 2 Effect of long-term fertilization on C/N ratio in SOM fractions

3 討 論

長期施肥處理對土壤各組分SOC含量的變化表現(xiàn)出不同程度的影響。長期施肥尤其是有機(jī)無機(jī)配施（NPKM）顯著提高了未保護(hù)游離SOM庫在土壤中的含量（表1）以及該庫的SOC和TN含量（圖1和圖2）；同時(shí)顯著增加了該庫內(nèi)SOC和TN含量在土壤總有機(jī)碳和全氮中的分配比例（圖3）。這與以往研究規(guī)律基本一致。Plante等［21］對草地灰土的研究發(fā)現(xiàn)氮肥的施用增加了土壤未保護(hù)游離SOM庫的SOC和TN含量；Bhattacharyya等［10］對長期施肥下喜馬拉雅山脈印度地區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，施肥提高了250～2 000 μm大團(tuán)聚體顆粒在土壤中的含量以及該粒徑下大團(tuán)聚體內(nèi)SOC和TN含量，尤其是有機(jī)無機(jī)配施增加最顯著。郭菊花等［22］和Banger等［23］的研究也得出類似的結(jié)果。本文研究發(fā)現(xiàn)，長期有機(jī)無機(jī)配施顯著提高了cPOM和fPOM兩類組分的含量，cPOM組分較fPOM組分受施肥影響顯著。土壤中未保護(hù)游離SOM庫主要是由一些分解不充分的地上凋落物、根屑或微生物殘?bào)w組成［8］。長期施肥尤其是有機(jī)無機(jī)配施會增加作物地上部和地下部生物量，從而增加了新鮮有機(jī)物質(zhì)的輸入以及作物根系代謝產(chǎn)物，促進(jìn)土壤小粒徑團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體膠結(jié)，進(jìn)而可能增加未保護(hù)游離SOM在土壤中的含量［24］；同時(shí)Six等［8］認(rèn)為SOC含量隨著團(tuán)聚體粒徑的增大而增加，大量有機(jī)物的輸入帶來的微生物的高活性也誘導(dǎo)產(chǎn)生新的不穩(wěn)定黏合劑，導(dǎo)致新的大團(tuán)聚體形成，進(jìn)而產(chǎn)生更多的膠結(jié)劑保護(hù)SOC，最終促進(jìn)SOC的積累和固定。

本研究中，有機(jī)無機(jī)配施顯著增加了純物理保護(hù)庫iPOM組分在土壤中的百分含量（表1）以及該組分SOC和TN含量（圖1和圖2），同時(shí)提高了該組分的SOC含量和TN含量在土壤總SOC和TN中的分配比例。Gulde等［25］的研究發(fā)現(xiàn)糞肥的施入提高了物理保護(hù)機(jī)制的SOC含量，提出土壤外界碳投入與iPOM組分內(nèi)的SOC含量有顯著的線性關(guān)系；張麗敏等［26］報(bào)道長期施肥特別是有機(jī)無機(jī)配施增加了物理保護(hù)庫iPOM內(nèi)SOC積累量；Manna等［27］研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥顯著提高了53～250 μm微團(tuán)聚體的SOC和TN含量。本研究結(jié)果和以上相關(guān)研究報(bào)道規(guī)律一致。但本文通過物理化學(xué)聯(lián)合分組方法將物理保護(hù)機(jī)制的SOM分離出純粹物理保護(hù)庫、物理―生物化學(xué)保護(hù)庫和物理―化學(xué)保護(hù)庫三種機(jī)制，而長期施肥處理顯著影響純粹物理保護(hù)庫，對物理―生物化學(xué)保護(hù)庫和物理―化學(xué)保護(hù)庫影響并不顯著。大團(tuán)聚體中的iPOM來源于粗顆粒的分解和隨后的破碎，iPOM含量將隨著大團(tuán)聚體形成時(shí)間增加而增加［28］。有機(jī)無機(jī)配施不僅能增加有機(jī)物的輸入，還能增加進(jìn)入土壤的微生物量，增強(qiáng)土壤微生物活動，進(jìn)而加快多糖物質(zhì)的分解，導(dǎo)致大團(tuán)聚體的破碎，增加了iPOM含量［8］。可能由于有機(jī)肥的施用通過改善土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了土壤SOC的物理保護(hù)，從而影響對碳和氮的固定［26，29］。

圖3 長期施肥處理下各組分SOC占土壤總有機(jī)碳的比例及各組分TN含量占土壤TN含量比例Fig. 3 Effect of long-term fertilization on proportions of SOC in different fractions to total soil SOC and TN in different fractions to total soil TN

長期施肥顯著降低了生物化學(xué)保護(hù)組的游離粉黏粒組在土壤中的含量（表1）以及SOC和TN含量（圖1和圖2），其中以有機(jī)和無機(jī)配施處理降低最明顯，而該庫中粉粒比黏粒結(jié)合了更多的SOC 和TN。Plante等［30］研究發(fā)現(xiàn)管理方式未引起生物化學(xué)保護(hù)組對SOC和TN固持能力的影響，但粉粒固持碳的能力強(qiáng)于黏粒。生物化學(xué)保護(hù)是有機(jī)質(zhì)自身化學(xué)組成的抗降解性，土壤有機(jī)碳自身的難降解性可以來自物理、化學(xué)及生物學(xué)過程，這種保護(hù)機(jī)制主要在活躍的表層土壤及SOC的分解初期起作用［31］。引起該組分SOC、TN含量的變化可能原因是：一方面，土壤粉黏粒通過吸附SOC形成惰性礦物結(jié)合物，但其結(jié)合SOC的能力是有限的，Stewart等［17］研究也證實(shí)了土壤粉黏粒SOC飽和現(xiàn)象；另一方面，有機(jī)肥的施入會增加土壤中微生物量進(jìn)而影響土壤礦化穩(wěn)定性，強(qiáng)化土壤有機(jī)膠結(jié)物的作用，從而使得土壤顆粒間的作用力發(fā)生變化，有利于大顆粒組分團(tuán)聚形式的存在，導(dǎo)致礦質(zhì)結(jié)合態(tài)粉黏粒含量的降低［8］，從而使得該組分SOC和TN含量降低。本研究發(fā)現(xiàn)長期施肥顯著降低了物理保護(hù)的細(xì)顆粒iPOM組分以及生物化學(xué)保護(hù)的粉粒組的C/N值（表2）。這與李江濤等［32］對施肥紅壤不同粒徑團(tuán)聚體C/N值變化結(jié)論一致。C/N值一般隨著土壤粒徑的增加而逐漸減?。?0］。C/N比是有機(jī)物腐殖化程度的一個(gè)指標(biāo)，C/N比值越高，表明有機(jī)物的腐解程度就越低［33］。長期有機(jī)無機(jī)配施處理下隨著氮素的投入，土壤中微生物的活動及其代謝活性增強(qiáng)，微生物量增加，土壤中有足夠量的氮供微生物消耗，微生物同化同重量的氮需要消耗更多的碳，從而可能反作用于土壤C/N發(fā)生變化［34］。

4 結(jié) 論

通過35年的紅壤性水稻土長期定位試驗(yàn)，本研究證實(shí)長期施肥尤其是有機(jī)無機(jī)配施處理顯著增加了未保護(hù)游離SOM庫（cPOM和fPOM）和純物理保護(hù)SOM庫（iPOM）組分含量以及它們的SOC和TN含量，同時(shí)cPOM組分的SOC和TN含量在總SOC和TN含量中的分配比例最高，說明該SOM庫極易受人為管理措施的影響，并且可能是該研究區(qū)土壤中SOC和TN的主要儲存庫。長期施肥下物理―化學(xué)保護(hù)SOM庫、物理―生物化學(xué)保護(hù)SOM庫以及化學(xué)保護(hù)SOM庫內(nèi)SOC含量和TN含量各處理間無顯著差異，表明這些SOM庫可能比較穩(wěn)定，或者目前這幾類庫固持能力已達(dá)到最大水平，呈現(xiàn)飽和狀態(tài)。綜上，該研究表明土壤不同功能SOM庫對長期施肥的響應(yīng)不同，有機(jī)無機(jī)配施是提升紅壤水稻土SOM數(shù)量和質(zhì)量的最佳培肥措施，并以未保護(hù)游離SOM庫和純物理保護(hù)SOM庫提升幅度最大。

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Effects of Long-term Fertilization on Distribution of Carbon and Nitrogen in Different Functional Soil Organic Matter Fractions in Paddy Soil

DENG Wenyue1，2LIU Kailou3TIAN Jing2?HUANG Qinghai3YE Huicai3LOU Yilai4LI Zhongfang5CAO Mingming1
（1 College of Urban and Environmental Sciences，Northwest University，Xi’an 710127，China）
（2 Key Laboratory of Ecosystem Network Observation and Modeling，Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100101，China）
（3 Jiangxi Institute of Red Soil，National Engineering and Technology Research Center for Red Soil Improvement/Scientific Observational and Experimental Station of Arable Land Conservation in Jiangxi，Ministry of Agriculture，Nanchang 330046，China）
（4 Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100081，China）
（5 College of Chemistry and Bioengineering，Hezhou University，Hezhou，Guangxi 542899，China）

【Objective】 Soil organic matter（SOM）plays an important role in maintaining soil productivity，improving soil quality and sequestrating C. Changes in SOM due to management practices are usually difficult to quantify on the background that the soil already has a large relatively stable SOM pool. Therefore，it is recommended to use SOM fractions as early indicators of effects of management practices on soil quality. Meanwhile，understanding changes in different fractions of functional SOM as affected by longterm management practice may help develop reasonable management strategies to optimize productivity and sustainability of the agroecosystem. 【Method】 Based on a 35-year long-term fertilization experiment，effects of fertilization on SOM relative to functional fraction were explored with the recently developed physical-chemical fractionation method. In the present study，six functional SOM fractions were isolated，including non-protected free labile SOM，physically protected SOM，physico-biochemically protected SOM，physico-chemically protected SOM，chemically protected SOM and biochemically protected SOM，and changes in these six fractions of SOM，concerning size of the fraction and to tal nitrogen（TN）and Soil organic Carbon（SOC）contents and ratio in the fraction，under the long-term fertilization were analyzed. The long-term fertilization experiment was designed to have four treatments，that is，treatment CK（no fertilization），treatment N（chemical N fertilizer only），treatment NPK（N，P，K fertilizers），and treatment NPKM（chemical N，P，K fertilizers plus organic manure）. 【Result】 Results show that longterm application，especially treatment NPKM，significantly increased the percentages of non-protected SOM （cPOM and fPOM）and physically protected SOM（iPOM）and the contents of SOC and TN therein . The SOC and TN content in the non-protected fraction of free SOM was the highest in Treatment NPKM，reachingup to 35.9% and 33%，respectively，indicating that this fraction of SOM is probably the major storage pool for SOC and TN，and easily affected by human management practices. Compared with Treatment CK，Treatment NPKM significantly decreased the content of non-hydrolyzable free silt（NH-dSilt）and non-hydrolyzable free NH-dClay by 15% and 9.5%，respectively，in the bio-chemically protected fraction. However，it did not have much effect on the sizes of physico-chemically protected SOM fraction，physico-biochemically protected SOM fraction and chemically protected SOM fraction. All these indicate that these three fractions of SOM are relatively stable，or that they peak or approach to saturation in maintenance capacity. 【Conclusion】 To sum up，this study demonstrates that different functions of SOM respond to long-term fertilization differently. Combined application of organic and inorganic fertilizers is the optimum fertilization measure to enhance the quantity and quality of SOM in the red paddy soil，and the effect is especially obvious on non-protected and physically protected SOM fractions.

Soil organic matter；Long-term fertilization experiment；Physically protected SOM fraction；Chemically protected SOM fraction；Biochemically protected SOM fraction；Soil carbon sequestration

S153.6

A

10.11766/trxb201606090205

（責(zé)任編輯：陳榮府）

* 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31400460，31420103917）資助 Supported by the National Natural Science Foundation of China （Nos.31400460 and 31420103917）

? 通訊作者 Corresponding author，E-mail：tianj@igsnrr.ac.cn

鄧文悅（1991—），女，山東人，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)橥寥捞嫉锘瘜W(xué)循環(huán)。E-mail：dengwy925@163.com

2016-06-09；

2016-08-24；優(yōu)先數(shù)字出版日期（www.cnki.net）：2016-09-21