鄒 炎，廖超林，楊振宇，程 鵬，尹力初

地下水位及有機肥對紅壤性水稻土有機碳活性組分的影響①

鄒 炎，廖超林*，楊振宇，程 鵬，尹力初

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，長沙 410128)

利用自1981年開始的紅壤性水稻土長期定位試驗，對耕層土壤有機碳活性組分、孔隙狀況及團聚體進行分析，以探究不同地下水位(20、80 cm) 和施肥(高量有機肥、常量有機肥、化肥) 管理對紅壤性水稻土有機碳活性組分的影響，并分析孔隙狀況和團聚體對土壤有機碳活性組分的作用關(guān)系。結(jié)果表明：降低地下水位導(dǎo)致高量有機肥和化肥處理的輕組有機碳(LFOC) 和顆粒有機碳(POC) 含量顯著降低，各處理的易氧化有機碳(EOC)含量則顯著升高；長期施用有機肥顯著提高土壤LFOC、EOC和POC的含量；雙因素方差分析顯示，施肥對有機碳活性組分的影響大于地下水位。紅壤性水稻土粗大團聚體可促進毛管孔隙的形成，從而保護或穩(wěn)定LFOC和POC；EOC受土壤孔隙狀況及團聚體的影響不顯著。因此，南方稻田土壤有機碳管理及肥力調(diào)控需關(guān)注地下水位變化和合理施用有機肥。

紅壤性水稻土；地下水位；有機肥；活性有機碳；結(jié)構(gòu)方程模型

土壤有機碳(SOC)在減緩全球氣候變化以及保持土壤肥力、確保農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用，然而SOC含量變化緩慢，難以靈敏地預(yù)測土壤有機質(zhì)質(zhì)量的短期變化特征[1]。土壤活性有機碳作為土壤有機碳庫中周轉(zhuǎn)速度快、較不穩(wěn)定的部分，是反映土壤碳庫短期波動和環(huán)境變化的敏感指標(biāo)，在改善土壤質(zhì)量以及維護土壤碳庫平衡等方面具有重要意義[2]，已被作為評價土壤有機質(zhì)變化和土壤肥力的一個重要指標(biāo)。

人類活動如施肥等耕作措施對SOC的固持和SOC活性組分的變化與轉(zhuǎn)化影響強烈。多數(shù)研究表明，單施有機肥或有機肥配施化肥明顯提高SOC貯量及輕組有機質(zhì)碳(LFOC)、易氧化有機碳(EOC)、顆粒有機碳(POC)等活性有機碳組分的含量及其比例[3]。如，李慧敏等[4]認(rèn)為有機物料施用顯著提高潮土POC含量；俞巧鋼等[5]研究表明有機物料施用增加土壤輕組組分顆粒含量；何偉等[6]研究發(fā)現(xiàn)有機肥配施化肥顯著提高土壤EOC含量。近年來SOC動力學(xué)的新觀點認(rèn)為，有機碳在土壤中的穩(wěn)定存在并非由其本身的化學(xué)結(jié)構(gòu)和固有性質(zhì)決定，而是因為來自周圍環(huán)境的物理化學(xué)以及生物因素影響了其降解速率，進而影響其在土壤中的固持[7]。地下水位作為重要的環(huán)境要素，影響著土壤結(jié)構(gòu)、通氣狀況及微生物生態(tài)等土壤屬性[8-9]。那么，長期不同施肥的水稻土在地下水位變化條件下，SOC活性組分如何變化？此外，土壤團聚體、孔隙狀況及有機碳活性組分間的作用關(guān)系有待明確。由此，本研究利用兩個地下水位(20、80 cm)不同施肥處理(高量有機肥、常量有機肥及化肥)的水稻土長期定位試驗，探究長期不同施肥的水稻土在地下水位變化條件下SOC活性組分的變化特征，評估團聚體、孔隙狀況與有機碳活性組分間的作用關(guān)系，以期為稻田SOC循環(huán)及土壤質(zhì)量保育和調(diào)控提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況與試驗設(shè)計

長期定位試驗位于湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)天鵝湖畔(28°18′ N，113°08′ E)，年平均氣溫 17.2℃，年均降水量1 362 mm，供試土壤母質(zhì)為第四紀(jì)紅色黏土發(fā)育的耕型紅壤，耕作制度為稻–稻–冬閑。試驗基地由3組雙排平行的水泥池組成，半地下式，每排設(shè)6個小區(qū)，共計36個小區(qū)。各小區(qū)之間互不滲漏，可以獨立灌溉，每組小區(qū)中間設(shè)有水位控制槽，水位控制槽的水位分別為土表以下20 cm和80 cm。各小區(qū)大小為1.6 m × 0.9 m × 1.5 m(長×寬×高)，底層鋪15 cm 厚的卵石與粗砂。1982年試驗開始時，分別在兩個地下水位深度下設(shè)置了3個不同有機肥施用水平處理，分別為：高量有機肥(HOM)、常量有機肥(NOM)、化肥(CF)，共6個處理，每個處理設(shè) 6 ～ 8個重復(fù)。每季水稻施 N 量：150 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O 比例為1∶0.5∶1?；侍幚淼?、磷、鉀肥分別以尿素、氯化鉀、過磷酸鈣施入。有機肥為粉碎的玉米秸稈，其N、P、K 含量分別為 10.44、5.93、12.61 g/kg。有機肥處理秸稈施用量分別為9.58 t/hm2和19.16 t/hm2，即常量有機肥處理中有機肥帶入的N為化肥N的1/3，高量有機肥處理中有機肥帶入的N為化肥N的2/3。為保持各處理間施肥水平的基本一致，有機肥處理小區(qū)肥料不足部分用化肥補足，化肥和有機肥均在水稻移栽前一次性施入土壤。試驗地近5年種植的早稻、晚稻品種分別為湘早秈15、VY46，移植時間分別為每年4月與7月的中旬，收獲期分別為每年7月上旬和10月下旬[10]。

1.2 樣品采集與制備

每處理的供試土樣均采自隨機選取的3個試驗小區(qū)，于早稻翻耕前用鐵鍬取長寬高為10 cm × 10 cm × 20 cm的長方體原狀土塊，每小區(qū)隨機采集3個原狀土塊，混合成1個復(fù)合樣品，獲得每個處理3個重復(fù)土樣，共計21個土樣。獲得的土樣無損、免受擠壓帶回實驗室自然風(fēng)干。室內(nèi)風(fēng)干土樣達到土壤塑限時，沿著自然結(jié)構(gòu)輕輕掰成1 cm3左右的土塊，并將可識別的礫石、落葉殘體和根茬移除，待樣品完全風(fēng)干后用于土壤團聚體分析及其他理化性狀測定。

1.3 測定項目與方法

土壤總有機碳(TOC)含量采用重鉻酸鉀氧化–外加熱法測定；土壤輕組有機碳(LFOC)分離參照 Janzen 等[11]的方法，燒失法測定碳含量[12]；顆粒有機碳(POC)含量采用Cambardella和Elliott[13]的方法測定；易氧化有機碳(EOC)含量采用333 mmol/L KMnO4氧化，可見分光光度計565 nm波長處比色測定[14]。

土壤總孔隙度、毛管孔隙度及非毛管孔隙度測定采用環(huán)刀法[15]。不同粒級的水穩(wěn)性團聚體利用濕篩法測定[16]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2013 和SPSS 21.0進行試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與分析，采用雙因素方差分析( two-way ANOVA)比較處理間差異，用鄧肯(Duncan’s)新復(fù)極差法檢驗差異顯著性(<0.05)。圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。借助AMOS 24.0的結(jié)構(gòu)方程模型(SEM)探討土壤有機碳活性組分主要驅(qū)動因素的影響路徑及程度。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤總有機碳及其活性組分

表1為不同地下水位及施肥處理的TOC及其活性組分含量。由表1數(shù)據(jù)可知，兩個地下水位下長期不同施肥處理的TOC含量均表現(xiàn)為：HOM>NOM> CF，且各處理間差異顯著；同時兩個地下水位下相同施肥處理間均表現(xiàn)為20 cm地下水位(高水位)高于80 cm地下水位(低水位)。兩個地下水位下長期不同施肥處理的LFOC與POC含量均表現(xiàn)為HOM和NOM處理顯著高于CF處理，而HOM和NOM處理間差異不顯著。兩個地下水位下的EOC含量在不同施肥處理間的變化與TOC相同，但兩個地下水位下相同施肥處理間均表現(xiàn)出相反的變化特征，即：高水位<低水位。

表1 土壤TOC及其活性組分含量

注：表中同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示不同處理之間差異顯著(<0.05)；*表示在<0.05 水平上影響顯著；**表示在<0.01 水平上影響顯著，下表同。

雙因素方差分析結(jié)果表明，地下水位及施肥均顯著影響土壤TOC及活性組分的含量，其中施肥對其影響的值均大于地下水位；地下水位和施肥的交互作用除顯著影響EOC含量外，對TOC和LFOC及POC含量均影響不明顯。

2.2 土壤孔隙狀況

表2為不同地下水位及施肥處理的土壤孔隙度狀況。從兩個地下水位下的相同施肥處理看，高水位下各施肥處理的土壤總孔隙度和毛管孔隙度均顯著高于低水位下的相同處理，非毛管孔隙度則變化相反。從相同地下水位下的不同施肥處理看，HOM、NOM處理的總孔隙度和毛管孔隙度均顯著高于CF處理，非毛管孔隙度則相反。

表2 土壤孔隙度(%)

2.3 土壤團聚體分布

不同處理土壤團聚體分布如表3所示，可見，高水位下不同施肥處理>2 mm粗大團聚體含量(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計)在51.06% ～ 67.86%，2 ～ 0.25 mm細(xì)大團聚體含量范圍為22.04% ～ 25.15%，>0.25 mm大團聚體含量為76.17% ～ 89.90%；低水位下不同施肥處理的粗大團聚體、細(xì)大團聚體及>0.25 mm大團聚體含量變化分別為：35.06% ～ 43.41%、40.43% ～ 43.79% 和78.85% ～ 83.84%。說明不同地下水位及施肥處理的紅壤性水稻土團聚體均以>0.25 mm的大團聚體為主。

表3 土壤團聚體分布(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計，%)

2.4 土壤有機碳活性組分與孔隙狀況及團聚體間的關(guān)系

土壤有機碳活性組分與孔隙狀況及團聚體間的相關(guān)性分析(表4)表明，TOC含量與總孔隙度、毛管孔隙度和粗大團聚體含量呈極顯著正相關(guān)，與非毛管孔隙度、細(xì)大團聚體含量、粗微團聚體(0.25 ～ 0.053 mm)含量及細(xì)微團聚體(<0.053 mm)含量呈顯著負(fù)相關(guān)；LFOC和POC含量均分別與總孔隙度、毛管孔隙度和粗大團聚體含量呈極顯著正相關(guān)，均與非毛管孔隙度、細(xì)大團聚體含量及粗微團聚體含量呈極顯著負(fù)相關(guān)；EOC含量則僅與兩個粒級的微團聚體含量呈顯著負(fù)相關(guān)。

表4 土壤有機碳活性組分與孔隙狀況及團聚體的相關(guān)系數(shù)

2.5 土壤孔隙及團聚體對有機碳活性組分的影響

為明確有機碳活性組分的影響因素，通過構(gòu)建SEM 分析土壤孔隙及團聚體變化對有機碳活性組分的綜合響應(yīng)(圖1)。SEM 擬合結(jié)果為：χ2=4.525，df=23，=0.237，RMSEA=0.051，GFI=0.986，說明模型適配良好，能代表自變量和因變量的關(guān)系。模型分別解釋了LFOC、POC的85% 和74% 變異，僅解釋了EOC 12% 的變化，且影響不顯著。同時模型用路徑及回歸系數(shù)來估計自變量對因變量的影響效應(yīng)。模型中存在4條影響顯著的路徑，其中影響LFOC的路徑有兩條，即：粗微團聚體—細(xì)大團聚體—粗大團聚體—毛管孔隙度—LFOC和粗微團聚體—粗大團聚體—毛管孔隙度—LFOC；兩條影響POC的路徑分別是粗微團聚體—細(xì)大團聚體—粗大團聚體—毛管孔隙度—POC和粗微團聚體—粗大團聚體—毛管孔隙度—POC。總孔隙度與非毛管孔隙度雖影響有機碳活性組分，但均不顯著。總體上，毛管孔隙度對土壤LFOC和POC均產(chǎn)生直接影響，影響系數(shù)大小分別為1.28和1.13；而孔隙狀況對土壤EOC影響不顯著。

(圖中箭頭上的數(shù)字為標(biāo)準(zhǔn)化路徑系數(shù)，正值表示正向影響，負(fù)值表示負(fù)向影響；箭頭的粗細(xì)表示影響水平：表示P>0.05不顯著，表示P<0.05顯著水平，表示P<0.01極顯著水平)

3 討論

3.1 地下水位與長期施肥對土壤有機碳活性組分的影響

土壤活性有機碳含量是輸入土壤的動植物殘體等有機物量和微生物分解造成有機物質(zhì)的輸出之間平衡的結(jié)果[17]。地下水位變化引起土壤通氣狀況、氧化還原電位、微生物活性等環(huán)境要素的變化，從而限制或促進有機質(zhì)的礦化分解與微生物利用、腐殖化過程和土壤有機碳累積，并改變有機碳組分含量[18]。易亞男等[19]研究表明，高、低水位下施用有機肥提高紅壤性水稻土POC含量，同時高水位下土壤的POC 含量相對較高；而本研究表明，長期施用有機肥和化肥條件下，降低地下水位導(dǎo)致NOM和CF處理的LFOC和POC含量顯著降低，POC含量結(jié)果與以上研究一致，原因可能與地下水位降低，土壤通氣狀況良好、微生物活性強、土壤礦化分解強度增加、有機碳及其組分含量降低等有關(guān)[20]。本研究中，HOM處理有機碳活性組分(LFOC、EOC、POC)變化不明顯，可能是有機物料輸入量較大，原有機碳底物量較高和微生物分解能力差異的結(jié)果，其機理尚需有機碳周轉(zhuǎn)、碳源微生物及有機碳礦化等數(shù)據(jù)的補充。本研究發(fā)現(xiàn)，降低地下水位導(dǎo)致各處理EOC含量顯著升高，原因可能在于：EOC主要是以松結(jié)合態(tài)復(fù)合體或以游離態(tài)形式存在，是移動快、不穩(wěn)定、易于氧化和礦化的具有較高微生物活性的有機碳[21]，且淋失作用是稻田土壤EOC含量差異的決定性因素[22]。較低地下水位的土壤濕度小，土壤淋溶作用相對較弱，EOC淋失作用相對較弱，其含量相對較高。本研究還顯示，施用有機肥顯著提高紅壤性水稻土LFOC、EOC和POC含量，與前人[23-24]研究結(jié)果一致，其原因在于有機肥的施用可供給微生物足夠的底物，從而加速土壤原有機碳的礦化和植物殘體及有機物料的腐解，釋放更多的活性碳組分促進土壤碳循環(huán)[25]。雙因素方差分析表明，地下水位和施肥均顯著影響紅壤性水稻土有機碳活性組分的含量；地下水位和施肥對EOC存在顯著交互作用，但對LFOC和POC的交互作用不明顯，說明在施用有機肥條件下降低地下低水位導(dǎo)致土壤EOC含量升高，同時，施肥對土壤有機碳活性組分的值均大于地下水位(表2)，說明施肥對紅壤性水稻土有機碳活性組分的影響大于地下水位。

3.2 土壤團聚體、孔隙及有機碳活性組分間的作用關(guān)系

施肥和改變地下水位是南方稻田最主要的農(nóng)業(yè)管理方式，顯著影響土壤有機碳及其活性組分。本研究中，LFOC和POC含量均與總孔隙度、毛管孔隙度及粗大團聚體含量呈顯著正相關(guān)，與非毛管孔隙度、細(xì)大團聚體含量及微團聚體含量呈顯著負(fù)相關(guān)；EOC含量則與微團聚體含量呈顯著負(fù)相關(guān)。說明地下水位的變化和施用有機肥在引起有機碳活性組分變化的同時，土壤物理性質(zhì)中孔隙和團聚體組成亦發(fā)生變化。SEM分析表明，EOC受土壤孔隙狀況及團聚體的影響不顯著，可能與EOC主要受水分運移的影響有關(guān)。EOC主要以松結(jié)合態(tài)復(fù)合體或以游離態(tài)形式存在，且具移動快、不穩(wěn)定等特性，而南方稻田干濕交替頻繁和水分淋溶強，因此水分運移對EOC影響較大，以至于掩蓋了團聚體及孔隙狀況對EOC的影響，其過程機理還有待進一步證實。土壤毛管孔隙分別直接影響LFOC和POC，說明毛管孔隙是影響LFOC和POC的主要物理因素；而團聚體主要通過影響毛管孔隙度來間接影響LFOC和POC，其作用路徑可分為兩條：Ⅰ. 粗微團聚體通過負(fù)向作用粗大團聚體，粗大團聚體再通過正向作用毛管孔隙度后，分別間接作用LFOC和POC，說明由于地下水位的變化和有機肥的施用導(dǎo)致粗微團聚體直接參與粗大團聚體的形成，粗大團聚體形成的結(jié)果增加了毛管孔隙度，從而分別促進了LFOC和POC的積累；Ⅱ. 粗微團聚體通過正向作用細(xì)大團聚體而間接作用粗大團聚體，且為負(fù)向作用，粗大團聚體再通過作用毛管孔隙度后，分別作用LFOC和POC，說明由于地下水位的變化和有機肥的施用還可導(dǎo)致粗微團聚體和細(xì)大團聚體共同參與形成粗大團聚體，粗大團聚體增加促進了土壤毛管孔隙度形成，有利于LFOC和POC的積累。研究表明，團聚體尤其是大團聚體的形成促進了土壤孔隙的發(fā)育，而團聚體內(nèi)孔隙主要為毛管孔隙及孔徑當(dāng)量更小的超微孔隙[26]，同時團聚體對有機碳具有物理保護作用，其保護機理之一在于孔隙通過物理屏障來決定有機底物與微生物細(xì)胞或酶的可及性，同時通過調(diào)節(jié)微生物活性抑制土壤有機碳分解，使土壤有機碳免受分解(或穩(wěn)定)[27]。因此，紅壤性水稻田L(fēng)FOC和POC穩(wěn)定與累積的途徑之一在于粗大團聚體的形成促進了土壤毛管孔隙的形成，保護或穩(wěn)定了LFOC和POC。

4 結(jié)論

1)降低地下水位導(dǎo)致土壤NOM和CF處理的LFOC和POC含量顯著降低，HOM處理變化不明顯，各處理的EOC含量則顯著升高；施用有機肥顯著提高土壤LFOC、EOC和POC的含量；施肥對土壤有機碳活性組分的影響大于地下水位。

2)紅壤性水稻田粗大團聚體可促進毛管孔隙的形成，從而保護或穩(wěn)定LFOC和POC；EOC受土壤孔隙狀況及團聚體的影響不顯著。

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Effects of Underground Water Table and Organic Manure on Labile Carbon Fractions in Red Paddy Soil

ZOU Yan, LIAO Chaolin*, YANG zhenyu, CHENG Peng, YIN Lichu

(College of Resources and Environment, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)

A long-term field experiment was conducted since 1981 in order to explore the effects of underground water table and organic manure on labile carbon fractions (light fraction organic carbon, LFOC; easily oxidized carbon, EOC; and particulate organic carbon, POC) as well as the interaction relation of aggregates and porosity on labile carbon fractions, the treatments included two underground water tables of 20 cm and 80 cm, applying organic manure with a high rate (HOM) and a normal rate (NOM), and applying chemical fertilizer (CF). The results showed that lowering underground water table resulted in significant lower content of LFOC and POC under NOM and CF, and the contents of EOC were increased significantly under different treatments; long-term application of organic manure significantly increased the contents of LFOC, EOC and POC. Two-way ANOVA revealed that the fertilization had a greater effect on labile carbon fractions than underground water table. The increased content of macro aggregates in red paddy soil could promote the formation of capillary pores, which protected or stabilized LFOC and POC; however, no obvious effect of porosity and aggregates on EOC was observed. Therefore, it is necessary to pay attention to the change of groundwater level and the rational application of organic manure in soil organic carbon management and fertility regulation of paddy fields in south China.

Red paddy soil; Water table; Organic manure; Labile carbon fraction; Structural equation model(SEM)

S153.6+1；S511.4+2

A

10.13758/j.cnki.tr.2022.02.017

鄒炎, 廖超林, 楊振宇, 等. 地下水位及有機肥對紅壤性水稻土有機碳活性組分的影響. 土壤, 2022, 54(2): 338–343.

國家自然科學(xué)基金項目(41571211)和湖南省高?？蒲兄攸c項目(15A085)資助。

(clliao@163.com)

鄒炎(1995—)，男，湖北荊門人，碩士研究生，研究方向為土壤有機碳及土壤質(zhì)量演變。E-mail：562409287@qq.com