陳曉芬, 劉明,2, 江春玉, 吳萌, 李忠佩,2

(1中國科學院南京土壤研究所/土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室，南京 210008；2中國科學院大學，北京100049)

0 引言

【研究意義】有機碳礦化是土壤中最重要的生物化學過程，直接關系到土壤中養(yǎng)分元素的釋放與供應、溫室氣體的形成與排放及土壤質(zhì)量的保持等[1]。土壤團聚體是土壤結構的基本單元，表土中有近90%的有機碳存在于土壤團聚體內(nèi)[2-3]，土壤有機碳礦化是不同粒級團聚體有機碳礦化結果的總體體現(xiàn)。土壤有機碳礦化及團聚體的形成與穩(wěn)定均受施肥等人為活動的影響。研究施肥作用下團聚體中有機碳礦化特征對于正確理解土壤碳循環(huán)過程與機理，制定合理的養(yǎng)分管理措施等具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】不同粒級團聚體具有不同的孔隙度特征，導致有機碳存儲及有機碳與黏土顆粒之間的結合方式等存在一定差異，從而對土壤微生物表現(xiàn)出不同活性，造成團聚體粒級之間有機碳礦化差異[4]。目前的研究多集中于團聚體中有機碳的分布特征，僅有少數(shù)關注團聚體中有機碳的礦化作用。如郝瑞軍等[5]對好氣和淹水條件下稻麥輪作土壤團聚體有機碳礦化的研究表明，培養(yǎng)過程中1—2 mm團聚體有機碳礦化速率最高，＜0.053 mm粒級團聚體最低。魏亞偉等[6]對喀斯特土壤團聚體的研究則指出，有機碳礦化速率和累積礦化量均隨團聚體粒級的減小逐漸增大。由此可見，不同土壤條件下團聚體中有機碳礦化作用的變化規(guī)律不盡一致。長期不同施肥條件下土壤有機碳礦化規(guī)律一直是土壤學研究的熱點。對不同類型土壤如東北黑土[7]、華北平原潮土[8]和南方紅壤[9]的研究表明，施用有機肥特別是有機肥與化肥配合施用能促進土壤有機碳的礦化，單施化肥對不同土壤有機碳礦化的影響則存在差異。這些研究關注的是全土水平土壤有機碳的礦化作用，而在團聚體水平上，施肥對有機碳礦化的影響如何，是否與全土一致仍不清楚。【本研究切入點】紅壤性水稻土在我國熱帶、亞熱帶地區(qū)廣泛分布，是我國重要的土壤資源，關于其團聚體中有機碳礦化作用的研究尚未見報道。團聚體的含量及有機碳的分布決定著團聚體在土壤有機碳礦化中發(fā)揮的作用[10]。有機碳的礦化除與其含量和有效性有關外，還與土壤中微生物的數(shù)量和活性密切相關[5,11]?！緮M解決的關鍵問題】本文以長期不同施肥處理紅壤性水稻土為研究對象，研究不同粒級團聚體中有機碳礦化動態(tài)及其對全土礦化的貢獻，分析施肥對團聚體有機碳礦化的影響并明確團聚體有機碳礦化的影響因素，為了解長期施肥下紅壤性水稻土礦化作用機制，建立科學施肥制度培肥土壤提供重要理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

紅壤性水稻土肥料長期定位試驗設在鷹潭農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站，位于江西省鷹潭市余江縣（116°55′E，28°15′N）。試驗于 1990 年開始，將發(fā)育自第四紀紅色黏土的荒地平整，然后灌水種稻，輪作制度為稻-稻-冬閑。初始土壤基本性質(zhì)為：有機碳含量 3.29 g·kg-1，全氮 0.43 g·kg-1，堿解氮 90.2 mg·kg-1，全磷（P2O5）0.65 g·kg-1，速效磷 5.6 mg·kg-1，全鉀（K2O）13.4 g·kg-1，速效鉀 105.9 mg·kg-1，pH 4.5，黏粒（＜1μm）含量38%。

試驗包括9個處理：（1）不施肥（CK）；（2）有機質(zhì)循環(huán)（C）；（3）氮肥（N）；（4）氮肥+有機質(zhì)循環(huán)（NC）；（5）氮磷肥（NP）；（6）氮磷鉀肥（NPK）；（7）氮磷鉀肥+有機質(zhì)循環(huán)（NPKC）；（8）氮鉀肥（NK）；（9）氮磷鉀肥+1/2秸稈回田（NPKS）。每處理設3次重復，共27個小區(qū)，小區(qū)面積 30 m2，采用隨機區(qū)組排列。有機質(zhì)循環(huán)處理中秸稈全部還田，并且每季施入833.3 kg·hm-2干豬糞用以補充收獲籽粒所移出的養(yǎng)分。施用的氮肥為尿素，磷肥為鈣鎂磷肥，鉀肥為氯化鉀。1998年以前化肥施用量為每季 N 230、P2O568、K2O 84 kg·hm-2；1998年以后每季每公頃施氮量減半，磷肥和鉀肥施用量不變。磷肥和鉀肥以基肥形式施入，尿素則分基肥和追肥，按8∶7的比例分兩次施入。

1.2 土樣采集與樣品分析

2010年12月下旬（冬閑）采集各小區(qū)耕層原裝土樣，隨機選取5個點組成一個混合樣品。用硬質(zhì)塑料盒把原狀土樣運回實驗室后在室溫下風干，風干過程中沿土壤自然破碎面將其掰成10 mm左右小塊。

參照 ELLIOTT[12]濕篩分離的方法，將土樣篩分成＞2 mm、1—2 mm、0.25—1 mm、0.053—0.25 mm和＜0.053 mm 5個粒級的團聚體。土壤團聚體組成及團聚體中有機碳和全氮分布詳見陳曉芬等[13]。調(diào)節(jié)各粒級團聚體含水量至全土田間飽和持水量的60%，并于25℃下預培養(yǎng)一周以恢復微生物活性，用于后續(xù)分析。風干后過2 mm篩的全土采用同樣方法進行預培養(yǎng)，供土壤有機碳礦化研究。

土壤有機碳的礦化量采用室內(nèi)恒溫培養(yǎng)、堿液吸收法測定[14]。稱取相當于20 g干土重的預培養(yǎng)全土和團聚體，平鋪在500 mL塑料培養(yǎng)瓶底部。然后，將盛有5.0 mL NaOH溶液（0.3 mol·L-1）的10 mL特制吸收容量瓶置于培養(yǎng)瓶內(nèi)，將培養(yǎng)瓶加蓋密封好并于25℃恒溫箱中進行培養(yǎng)。在培養(yǎng)的1、3、5、7、14、21、28、35 d取出容量瓶，將容量瓶中溶液全部洗至三角瓶中，加入1 mol·L-1的BaCl2溶液2 mL和2滴酚酞指示劑，用標準酸（約0.075 mol·L-1HCl）滴定至紅色消失。根據(jù)氣體CO2-C的釋放量計算培養(yǎng)期內(nèi)全土及團聚體中有機碳的礦化量。

土壤團聚體微生物生物量碳采用氯仿熏蒸-硫酸鉀浸提法測定[15]；轉化酶活性用 3，5-二硝基水楊酸比色法測定，以蔗糖作為分解底物，結果以每小時每克土壤產(chǎn)生的葡萄糖毫克數(shù)表示[16]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

用SPSS18.0軟件進行統(tǒng)計分析，處理之間的差異用單因素方差分析，差異顯著性檢驗用 Duncan法；變量之間的關系用 Pearson相關分析，并建立一元線性回歸方程。

各粒級團聚體有機碳礦化對全土有機碳礦化的貢獻率（%）計算公式為：

某一粒級團聚體有機碳礦化對全土有機碳礦化的貢獻率（%）=該粒級團聚體有機碳礦化量×該粒級團聚體含量/全土有機碳礦化量×100。

2 結果

2.1 土壤團聚體有機碳礦化動態(tài)

全土有機碳礦化速率在培養(yǎng)前期快速下降，第 7天時平均為第1天的55.5%；7 d以后有機碳礦化速率緩慢下降，培養(yǎng)后期趨于穩(wěn)定，結束時有機碳礦化速率為第1天的22.4%（圖1）。＞2 mm和1—2 mm團聚體有機碳礦化速率變化趨勢與全土基本一致，培養(yǎng)第7天分別為第1天的58.4%和68.1%，到結束時則分別為第1天的30.0%和34.2%。培養(yǎng)前期，0.25—1 mm和＜0.053 mm團聚體有機碳礦化速率整體呈下降趨勢，第7天時分別為第1天的74.1%和68.8%，7 d后在平緩波動中趨于穩(wěn)定，至培養(yǎng)結束時分別為第 1天的52.4%和52.5%。0.053—0.25 mm團聚體有機碳礦化速率在整個培養(yǎng)過程中變化范圍較小，培養(yǎng)前7 d波動較大，7 d后也在平緩波動中趨于穩(wěn)定，培養(yǎng)結束時為第1天的81.7%。整個培養(yǎng)過程尤其是培養(yǎng)前期，＞2 mm和1—2 mm團聚體有機碳礦化速率顯著高于0.25—1 mm、0.053—0.25 mm和＜0.053 mm 3個粒級團聚體。對于同一粒級團聚體有機碳礦化速率，培養(yǎng)過程中不同施肥處理之間的差異不易明顯區(qū)分，因此通過有機碳礦化量進行進一步比較。

2.2 土壤團聚體有機碳礦化量

圖1 不同施肥處理下全土和團聚體有機碳礦化速率變化Fig. 1 Changes of mineralization rate of organic carbon in bulk soils and aggregate fractions under different fertilization treatments

培養(yǎng)35 d全土和團聚體有機碳累積礦化量如圖2所示。不同施肥處理全土有機碳累積礦化量變化范圍為148.0—240.8 mg·kg-1。＞2 mm、1—2 mm、0.25—1 mm、0.053—0.25 mm及＜0.053 mm團聚體有機碳累積礦化量分別為167.2—295.6、212.8—276.5、147.6—242.0、110.9—236.2 和 136.2—214.2 mg·kg-1。同一處理不同粒級團聚體有機碳累積礦化量總體表現(xiàn)為＞2 mm和1—2 mm最高，0.25—1 mm和＜0.053 mm次之，0.053—0.25 mm最低。對于全土和團聚體，對照（CK）和缺磷處理（N和NK）有機碳累積礦化量最低，其余增施磷肥處理（NP、NPK）、施有機肥的處理（C、NC、NPKC）及 1/2秸稈回田處理（NPKS）有機碳累積礦化量較高。與對照相比，施磷肥處理各粒級團聚體有機碳累積礦化量平均提高17.0%—62.1%，施有機肥處理平均提高 25.0%—80.5%，NPKS處理則提高14.1%—85.7%。

圖2 培養(yǎng)35天不同施肥處理全土及團聚體有機碳累積礦化量Fig. 2 Cumulative amounts of organic carbon mineralization in bulk soils and aggregate fractions under different fertilization treatments in 35 days

2.3 團聚體有機碳礦化對全土有機碳礦化的貢獻

用濕篩分離的方法篩分團聚體，篩分過程未對供試土壤團聚體中有機碳和全氮造成明顯損失[13]。用得到的團聚體進行有機碳礦化研究，各粒級團聚體有機碳礦化對全土有機碳礦化貢獻率的總和除CK處理最低（73.2%）及 NK處理最高（118.3%）外，其余處理貢獻率總和為97.1%—107.7%（表1）。＞2 mm、1—2 mm、0.25—1 mm、0.053—0.25 mm及＜0.053 mm團聚體對全土有機碳礦化的貢獻率分別為 21.0%—42.5%、11.9%—18.8%、20.6%—32.7%、10.1%—16.9%和8.9%—15.4%，其中＞2 mm和0.25—1 mm團聚體對全土有機碳礦化的貢獻率最高。＜0.25 mm微團聚體對全土有機碳礦化的貢獻率為 19.7%—31.0%，＞0.25 mm大團聚體的貢獻率則達到53.5%—87.3%（表1）。

表1 不同施肥處理下各粒級團聚體對全土有機碳礦化的貢獻率Table 1 Contributions of aggregate fractions to soil organic carbon mineralization under different fertilization treatments

2.4 土壤團聚體微生物學特性

不同施肥處理土壤＞2 mm、1—2 mm、0.25—1 mm、0.053—0.25 mm及＜0.053 mm團聚體中微生物生物量碳的含量分別為62.0—179.8、83.4—205.8、70.3—156.5、47.9—110.0 和 52.6—143.0 mg·kg-1（圖3）。總體上，與＜0.25 mm微團聚體相比，＞0.25 mm大團聚體中微生物生物量碳含量明顯較高。同一粒級團聚體中微生物生物量碳含量，對照（CK）和缺磷處理（N和NK）最低，NPKS處理稍高，增施磷肥（NP和NPK）和施有機肥（C、NC和NPKC）處理最高。與對照相比，施磷肥處理團聚體中微生物生物量碳含量平均提高73.4%—92.0%，施有機肥處理各粒級團聚體微生物生物量碳含量平均提高60.8%—99.6%。

圖3 不同施肥處理下各粒級團聚體中微生物生物量碳含量和轉化酶活性Fig. 3 Microbial biomass carbon content and invertase activity in aggregate fractions under different fertilization treatments

按粒級從大到小，不同施肥處理土壤各粒級團聚體中轉化酶活性分別為3.23—7.59、3.40—6.84、2.72—5.10、1.69—3.10 和 1.26—3.38 mg glucose·g-1·d-1（圖3）。大團聚體中轉化酶活性高于微團聚體，總體上呈現(xiàn)隨粒級減小而降低的趨勢。施肥對＞0.25 mm大團聚體轉化酶活性影響較大，CK、N和 NK處理轉化酶活性最低。施用磷肥和有機肥顯著提高大團聚體中轉化酶活性，其中NC處理大團聚體轉化酶活性最高，其大團聚體 3個粒級較對照分別高135.0%、101.2%和46.0%。NPKS處理僅提高了＞2 mm和 1—2 mm 團聚體中轉化酶活性，分別比對照高52.0%和30.0%。

2.5 團聚體有機碳累積礦化量與團聚體性質(zhì)的相關性

結合團聚體中有機碳和全氮含量[13]，將團聚體有機碳累積礦化量與團聚體性質(zhì)進行相關性分析。結果表明（表 2），團聚體有機碳累積礦化量與團聚體有機碳、全氮和微生物生物量碳含量及轉化酶活性均存在極顯著的正相關關系，相關系數(shù)分別為 0.678、0.629、0.483和0.593。團聚體有機碳累積礦化量與有機碳含量的相關性最大。

表2 團聚體有機碳累積礦化量與團聚體性質(zhì)的關系Table 2 Relationship between cumulative amount of organic carbon mineralization in aggregates and aggregates properties

3 討論

全土早期有機碳礦化速率大，隨著培養(yǎng)時間的延長有機碳礦化速率逐漸減慢，后期保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)，這主要與培養(yǎng)過程中有機碳組成變化有關。培養(yǎng)前期土壤中活性有機碳較多，微生物迅速分解利用活性有機碳釋放 CO2；隨著培養(yǎng)時間延長，土壤中活性有機碳含量減少，微生物開始利用惰性有機碳，導致有機碳礦化速率減慢[17]。培養(yǎng)過程中不同粒級團聚體有機碳礦化速率變化趨勢并不一致，其中＞2 mm和1—2 mm團聚體與全土類似，而＜1 mm粒級尤其是0.053—0.25 mm 團聚體有機碳礦化速率隨著時間降低幅度較低且更早達到有機碳礦化的穩(wěn)定狀態(tài)。土壤有機碳分布的異質(zhì)性是導致不同粒級團聚體有機碳礦化速率變化趨勢產(chǎn)生差異的主要原因[10]。筆者前期研究發(fā)現(xiàn)，＞2 mm和1—2 mm團聚體中有機碳含量最高，其次是0.25—1 mm和＜0.053 mm團聚體，0.053—0.25 mm團聚體有機碳含量最低[13]。另一方面，大粒級團聚體中有機碳主要是植物來源的，易分解的新鮮有機碳，較小粒級團聚體中有機碳多為微生物來源的腐殖質(zhì)如胡敏酸，難以被微生物分解利用[18]。此外，大團聚體比小團聚體存在更大的土壤孔隙，增加了物質(zhì)和氧氣的傳輸，有利于土壤中微生物活動，從而帶動有機碳的礦化分解，促進CO2氣體的釋放；而小團聚體孔隙度小，使得氧氣通過擴散進入其內(nèi)部較少，從而抑制團聚體內(nèi)部微生物的活性，且較小的孔隙也不利于CO2的釋放[19]。因此，與＞1 mm大團聚體相比，＜1 mm小團聚體中有機碳的礦化分解更易達到穩(wěn)定狀態(tài)。

不同粒級團聚體中有機碳含量的顯著差異還導致有機碳礦化量的不同，本研究有機碳累積礦化量在團聚體粒級之間的差異與有機碳分布是一致的。事實上，團聚體中有機碳含量與有機碳累積礦化量呈極顯著線性正相關。單個粒級團聚體有機碳礦化是土壤有機碳礦化的一部分，需結合團聚體在土壤中的相對含量計算團聚體有機碳礦化對全土有機碳礦化的貢獻。王菁等[10]的研究發(fā)現(xiàn)，在＞5 mm、1—5 mm和＜1 mm團聚體中，最大粒級團聚體對土壤碳排放的貢獻最大。本研究中，由于＞2 mm和0.25—1 mm團聚體含量最高[13]，因此對全土有機碳礦化的貢獻最大。＞0.25 mm大團聚體對全土有機碳礦化的貢獻遠高于＜0.25 mm微團聚體，表明大團聚體在土壤有機碳礦化中發(fā)揮主導作用，這與大團聚體是紅壤性水稻土有機碳的主要載體相呼應[13,20]。

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，參與土壤養(yǎng)分轉化和循環(huán)，有機質(zhì)分解等過程，微生物生物量的高低對土壤有機碳礦化有重要影響[21]。同時，土壤微生物生長過程中向土壤分泌胞外酶，參與土壤中各種生化過程和物質(zhì)循環(huán)。前人研究表明，土壤有機碳呼吸強度和日均礦化量與微生物生物量碳呈顯著正線性關系[11]，參與土壤碳循環(huán)的轉化酶和纖維素酶與土壤有機碳的分解和轉化密切相關[22]。本文對紅壤性水稻土團聚體有機碳礦化的研究發(fā)現(xiàn)，團聚體有機碳累積礦化量與團聚體微生物生物量碳含量和轉化酶活性均有極顯著的正相關性。團聚體中微生物生物量碳含量和轉化酶活性受粒級影響較大，＞0.25 mm大團聚體中微生物生物量碳含量和轉化酶活性均高于＜0.25 mm微團聚體，這與前人對團聚體中微生物生物量[23-24]和酶活性[25]的研究結果是一致的。大團聚體中包含更多新鮮的、活性較高的有機碳，供微生物用于自身的生長繁殖，同時產(chǎn)生更多的胞外酶[25-26]。將團聚體中微生物生物量碳含量和轉化酶活性與有機碳含量進行相關性分析，相關系數(shù)分別為0.549和0.689（P＜0.01）。就目前的結果看，有機碳含量是影響團聚體有機碳礦化的最重要因素，團聚體有機碳礦化量與有機碳含量的相關性最大也證明了這一點。

同一粒級團聚體有機碳累積礦化量在不同施肥處理間差異較大。不施肥對照和缺磷的N、NK處理最低，施用化學磷肥的NP和NPK處理團聚體有機碳累積礦化量明顯提高，說明磷肥的施用顯著影響團聚體有機碳的礦化。磷素是土壤微生物生物膜系統(tǒng)和高能磷酸化合物的重要構建元素[27]，長期不施磷肥將導致微生物可利用的磷素缺乏，微生物生長代謝受抑制，活性降低，不利于土壤有機碳的分解礦化。此外，未施磷處理土壤團聚體中有機碳含量較低[13]，可供微生物分解利用的底物也有限。有機肥的施用（C、NC、NPKC）同樣顯著提高土壤團聚體有機碳累積礦化量，這是由于施用有機肥一方面增加可供微生物利用的土壤活性養(yǎng)分庫量[7,28]，另一方面還能顯著增強土壤微生物的活性[29-30]，提高土壤有機碳礦化強度，從而使得有機碳礦化量增加。本研究中，磷肥和有機肥的施用不僅提高了土壤團聚體中有機碳的含量[13]，而且提高團聚體中微生物生物量碳的含量和轉化酶活性，從而促進團聚體有機碳的礦化及有機質(zhì)中無機養(yǎng)分的釋放，可改善紅壤性水稻土的供肥狀況。

4 結論

＞1 mm 團聚體有機碳礦化動態(tài)與全土一致，均表現(xiàn)為有機碳礦化速率在培養(yǎng)前期快速下降，培養(yǎng)后期逐漸降低并趨于穩(wěn)定；＜1 mm 粒級尤其是0.053—0.25 mm團聚體有機碳礦化速率在培養(yǎng)過程中降低幅度較小且更早達到穩(wěn)定狀態(tài)。＞2 mm和0.25—1 mm團聚體對全土有機碳礦化的貢獻最大。團聚體有機碳累積礦化量與有機碳、全氮、微生物生物量碳含量及轉化酶活性均呈極顯著的正相關關系，其中與有機碳的相關性最大，因此有機碳含量是影響團聚體有機碳礦化的最關鍵因素。磷肥和有機肥的施用提高了土壤團聚體中有機碳、微生物生物量碳的含量和轉化酶活性，從而促進團聚體有機碳的礦化。