陳 超，宓文海，，居 靜，吳良?xì)g，趙海濤

(1.揚(yáng)州大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009；2.浙江大學(xué) 教育部環(huán)境修復(fù)與生態(tài)健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310058)

黃泥田是我國浙江、福建、江西等南方省份廣泛分布的一種中低產(chǎn)水稻土，其主要特征是耕層淺薄、熟化度低及保肥性能差[1]。為了提高黃泥田土壤肥力，增加土壤碳庫和構(gòu)建一個(gè)適宜的土壤結(jié)構(gòu)是2個(gè)重要的研究內(nèi)容。土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的物質(zhì)基礎(chǔ)，是有機(jī)碳分解與積累的主要場所[2]。而有機(jī)碳作為膠結(jié)物質(zhì)又促進(jìn)了土壤團(tuán)聚體形成與穩(wěn)定。因此，土壤團(tuán)聚體的形成與土壤有機(jī)碳密切相關(guān)，其數(shù)量和組成決定著土壤固定與儲存有機(jī)碳的能力。很多田間試驗(yàn)表明[3-5]，通過化肥與有機(jī)肥配合施用的方法可以結(jié)合化肥速效性和有機(jī)肥持久性的優(yōu)點(diǎn)，在保持作物穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)的同時(shí)能明顯改善土壤結(jié)構(gòu)和提高土壤碳庫。秸稈和牛糞是2種常見的農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物，均可以作為改良土壤的有機(jī)肥源。高鳴慧等[6]在棕壤進(jìn)行玉米連作試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，化肥配施秸稈處理較單施化肥處理能顯著提高表層土壤中大團(tuán)聚體的占比，且提高了大團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量。魏宇軒等[7]在黑土種植玉米試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)化肥配施牛糞處理較單施化肥處理顯著提高了耕層土壤大團(tuán)聚體中有機(jī)碳的含量。而謝鈞宇等[8]在塿土上研究發(fā)現(xiàn)，在小麥-玉米輪作體系下化肥配施秸稈與單施化肥處理中大團(tuán)聚體有機(jī)碳含量相近，沒有顯著差異。以往的研究雖然報(bào)道了化肥與秸稈或牛糞配施后對土壤團(tuán)聚體及有機(jī)碳的影響，但多關(guān)注在耕層土壤，對亞表層土壤中團(tuán)聚體及碳氮分布的影響還不清楚。此外，不同培肥措施在改善黃泥田土壤結(jié)構(gòu)和有機(jī)碳提升的效果上是否一致仍需要進(jìn)一步研究。

土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性除了與團(tuán)聚體物理保護(hù)作用影響外，還與其本身結(jié)構(gòu)的抗分解性有關(guān)。目前，傅里葉紅外光譜技術(shù)能夠通過測定SOC的化學(xué)官能團(tuán)對紅外光的選擇性吸收差異確定有機(jī)碳的成分，有效地反映土壤中含氧官能團(tuán)的性質(zhì)、反應(yīng)特性和結(jié)構(gòu)變化等方面的信息[9-11]，用來表現(xiàn)不同施肥管理措施下SOC的化學(xué)結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性特征。常漢達(dá)等[12]通過5 a田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，長期秸稈還田增加了脂肪族和醇酚相對峰強(qiáng)度，但芳香族和多糖相對峰強(qiáng)度降低，土壤有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定性逐漸提高。盛明等[13]研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田增加了黑土團(tuán)聚體脂肪族碳吸收峰的相對面積，降低了芳香族碳紅外吸收峰的相對面積。由于長期不同施肥措施下碳投入的種類不同，可能引起土壤有機(jī)碳含量和質(zhì)量的變化。

顆粒有機(jī)碳是動植物殘?bào)w向土壤腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化的活性中間產(chǎn)物，穩(wěn)定性較低，更易受人為管理措施的影響[14-15]。礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳是有機(jī)物的最終分解產(chǎn)物與土壤黏、粉粒結(jié)合的有機(jī)碳，這部分碳的生物利用率低，周轉(zhuǎn)緩慢，是惰性有機(jī)碳[12]。蔡岸冬等[16]研究發(fā)現(xiàn)，礦物結(jié)合碳有機(jī)碳含量與土壤有機(jī)碳積累在農(nóng)田中呈顯著正相關(guān)。因此，本研究依托長期定位施肥試驗(yàn)，對比探究了不同施肥措施下表層和亞表層土壤總有機(jī)碳含量及其碳組分的影響，以期找到適合黃泥田土壤碳庫提升的最佳施肥模式。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)方法

長期定位試驗(yàn)于2011年6月至2020年12月在浙江省金華市瑯琊鎮(zhèn)新朱村(29°01′19″ N，119°27′99″ E，海拔86 m)進(jìn)行。該區(qū)域?qū)儆谥衼啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，年平均溫度17.5 ℃，年均降水量1 424 mm。供試土壤為黃泥田水稻土，試驗(yàn)開始前耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量26.3 g/kg，全氮含量1.53 g/kg，堿解氮含量108.5 mg/kg，有效磷含量17.0 mg/kg，速效鉀含量97.0 mg/kg，土壤pH值5.14。試驗(yàn)種植制度為單季稻，供試水稻品種為兩優(yōu)培九(2011—2016年)，甬優(yōu)12(2017—2020年)。水稻于每年6月上旬移栽，10月中下旬收獲。

本試驗(yàn)選擇了4個(gè)不同施肥處理：CK.不施肥；F.單施化肥；FM.化肥+牛糞；FS.化肥+水稻秸稈。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3次重復(fù)。每個(gè)小區(qū)面積為50 m2(10 m×5 m)，小區(qū)間設(shè)置田埂，并用塑料薄膜包裹。

各施肥處理化肥氮、磷、鉀每年施用量保持一致，2011—2014年各施肥處理化肥用量分別為N 180 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 120 kg/hm2。2015年以后化學(xué)氮肥與磷肥的用量不變，化學(xué)鉀肥提高到200 kg/hm2。試驗(yàn)中所用化學(xué)氮肥為尿素(N 46%)、磷肥為過磷酸鈣(P2O512%)、鉀肥為氯化鉀(K2O 60%)。每年有機(jī)無機(jī)配施處理為：牛糞鮮質(zhì)量13 500 kg/hm2、水稻秸稈干質(zhì)量3 000 kg/hm2。其中磷肥、鉀肥、牛糞、秸稈均作為基肥一次性投入，氮肥按照基肥∶分蘗肥∶穗肥=4∶3∶3的比例撒施。牛糞和秸稈每年碳投入量約為1 300 kg/hm2。

1.2 土壤樣品采集與樣品處理

本試驗(yàn)土樣于2020年11月采集，通過“S”形5點(diǎn)采樣法，分別采集各小區(qū)0～15 cm和15～30 cm的原狀土壤，各土層采集5個(gè)點(diǎn)，將土樣裝入硬質(zhì)容器內(nèi)密封后帶回實(shí)驗(yàn)室。將土樣自然風(fēng)干后，過篩，去除作物殘留物、根系和石塊，用于土壤基本理化性狀測試和近紅外光光譜測定。

1.3 測定指標(biāo)及方法

土壤總有機(jī)碳和全氮采用Vario EL cube元素分析儀測定。

不同粒級團(tuán)聚體分級采用濕篩法進(jìn)行[2]。首先在土樣風(fēng)干過程中，按照土塊自然裂痕剝離為直徑10 mm左右的小塊，剔除動植物殘?bào)w和石塊；稱取100 g土壤樣品置于由0.250，0.053 mm孔徑土篩由上而下組成的篩組上，加入蒸餾水至淹沒土樣2 cm位置浸泡10 min，然后以振幅3 cm，30 次/min的上下移動篩組5 min，隨后收集各孔徑篩子上土樣于鋁盒中，水桶中土樣使用自然沉降后離心的方法收集，在60 ℃下烘干稱質(zhì)量，在60 ℃下烘干稱質(zhì)量后計(jì)算團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑(MWD)。

顆粒態(tài)有機(jī)碳和礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳的測定方法[17]如下：將去除根系雜物的風(fēng)干土過2 mm篩，稱取10 g土樣放入塑料瓶后加入50 mL的5 g/L的六偏磷酸鈉溶液。在100 r/min下振蕩18 h后過0.053 mm篩，將篩上部分反復(fù)沖洗至鋁盒。篩上部分為顆粒有機(jī)碳，篩下部分為礦物結(jié)合有機(jī)碳。將分離出的組分在60 ℃下烘干稱質(zhì)量后，土壤總有機(jī)碳和全氮采用Vario EL cube元素分析儀測定。

采用傅里葉紅外光譜儀(Nicolet IS5)進(jìn)行測定傅里葉紅外光譜[12]，具體方法如下：將樣品與KBr(光譜純)按1∶200比例在瑪瑙研缽中充分研磨混勻，通過傅里葉變換紅外光譜儀掃描并記錄光譜圖。光譜測定范圍4 000～400 cm-1，掃描次數(shù)32 次。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 26和Excel 2013軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析，使用Origin 2019繪制圖表。用OMNIC 8.2對紅外光譜圖像進(jìn)行透光率和吸光度轉(zhuǎn)化。試驗(yàn)結(jié)果均為3個(gè)重復(fù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，采用SSR法(Ducan檢驗(yàn))進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，在P<0.05條件下認(rèn)為存在顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期不同施肥處理對土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成的影響

由表1可知，土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成在不同土壤深度上存在明顯差異。各處理0～15 cm土層中>0.250 mm粒徑百分含量均超過60%，高于15～30 cm土層中各處理大團(tuán)聚體百分含量。化肥與牛糞配施處理中>0.250 mm團(tuán)聚體百分含量最高，在0～15 cm和15～30 cm土層中較不施肥對照分別提高了7.1，11.0百分點(diǎn)(P<0.05)。與不施肥相比，單施化肥處理顯著提高了15～30 cm土層>0.250 mm團(tuán)聚體百分含量(8.6百分點(diǎn)，P<0.05)，而在0～15 cm土層2個(gè)處理間沒有明顯差異。微團(tuán)聚體(0.053～0.250 mm)百分含量上，化肥與牛糞配施和單施化肥處理較無肥對照在15～30 cm顯著降低了7.7～7.9百分點(diǎn)(P<0.05)。平均質(zhì)量直徑(MWD)方面，化肥與牛糞配施處理在0～15 cm和15～30 cm土層均為最大值，較無肥對照顯著提高了8.8%和28.6%(P<0.05)。

表1 長期不同施肥方式下黃泥田水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成Tab.1 Composition of water-stable aggregates under different fertilization treatments in yellow clayey paddy soil

2.2 長期不同施肥處理對各粒徑團(tuán)聚體中有機(jī)碳及全氮含量的影響

由圖1可知，各處理不同粒徑團(tuán)聚體中SOC和TN含量大小分布為：>0.250 mm大于0.053～0.250 mm大于<0.053 mm。施肥方式顯著影響了不同粒徑團(tuán)聚體中SOC和TN含量。在0～15 cm，單施化肥(F)、化肥與牛糞配施(FM)和化肥與秸稈配施(FS)處理中>0.250 mm團(tuán)聚體SOC含量較無肥對照(CK)相比分別增加了14%，51%和27%(P<0.05)。在0.053～0.250 mm團(tuán)聚體上SOC含量分別增加了2%，20%和15%。與CK處理相比，F(xiàn)、FM和FS處理下>0.250 mm團(tuán)聚體中TN含量分別提高了21%，42%和32%(P<0.05)，0.053～0.250 mm團(tuán)聚體中TN含量分別增加了2%，20%和9%。不同施肥處理間比較，化肥與牛糞配施處理各粒徑團(tuán)聚體中SOC和TN含量均為最高，分別較單施化肥處理提高19%～32%和18%～25%。

不同小寫字母表示同一粒級團(tuán)聚體不同處理間差異顯著(P<0.05)。圖2同。Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments in the same aggregate size of soil(P<0.05).The same as Fig.2.

由圖2可知，深層土壤(15～30 cm)中各處理不同粒徑團(tuán)聚體中SOC和TN含量呈現(xiàn)與表層土壤(0～15 cm)相似的分布趨勢。此外，施肥方式也顯著影響了不同粒徑團(tuán)聚體中SOC和TN含量。在15～30 cm，單施化肥(F)、化肥與牛糞配施(FM)和化肥與秸稈配施(FS)處理中>0.250 mm團(tuán)聚體SOC含量較無肥對照(CK)相比分別顯著增加了38%，78%和39%(P<0.05)。在0.053～0.250 mm團(tuán)聚體SOC含量分別增加了89%，84%和53%(P<0.05)。

在土壤全氮含量上，與CK處理相比，F(xiàn)和FM處理>0.250 mm團(tuán)聚體中TN含量分別顯著提高了48%和26%(P<0.05)，0.053～0.250 mm團(tuán)聚體中TN含量分別顯著提高了56%和44%(P<0.05)。

圖2 15～30 cm不同粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳及全氮含量Fig.2 Soil organic carbon and total nitrogen content in different size of soil aggregates in 15—30 cm

2.3 長期不同施肥處理對顆粒態(tài)有機(jī)碳和礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳含量的影響

由表2 可知，與單施化肥相比，化肥與牛糞配施和化肥與秸稈配施處理顯著提高了0～15 cm土層中顆粒態(tài)有機(jī)碳含量，分別提高98.7%和51.5%(P<0.05)。而在深層土壤(15～30 cm)中顆粒態(tài)有機(jī)碳含量各施肥處理間沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。與單施化肥相比，化肥與牛糞配施處理降低了表層土壤(0～15 cm)中礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳含量，降幅為7%。在深層土壤(15～30 cm)中各處理間礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳含量沒有顯著差異。2層土壤各處理間礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳含量均無明顯差異。

與單施化肥相比，化肥與牛糞配施和化肥與秸稈配施處理顯著提高了0～15 cm土層中土壤有機(jī)碳含量，增幅為18.7%和12.7%(P<0.05)。在深層土壤(15～30 cm)中，與單施化肥相比，化肥與牛糞配施和化肥與秸稈配施處理提高了土層中土壤有機(jī)碳含量，分別增加了12.1%和6.8%(P<0.05)。

由表2 可知，與單施化肥相比，化肥與牛糞配施和化肥與秸稈配施處理顯著提高了0～15 cm土層中POC對SOC的貢獻(xiàn)率，分別提高了16.4，8.4百分點(diǎn)(P<0.05)。在深層土壤(15～30 cm)中，與單施化肥相比，化肥與牛糞配施和化肥與秸稈配施處理提高了土層中POC對SOC的貢獻(xiàn)率，增加分別為4.7，5.7百分點(diǎn)。與之相反，與單施化肥相比，化肥與牛糞配施和化肥與秸稈配施處理顯著降低了0～15 cm土層中Min-OC對SOC的貢獻(xiàn)率，分別降低了16.4，8.4百分點(diǎn)(P<0.05)。而在深層土壤(15～30 cm)Min-OC對SOC的貢獻(xiàn)率在各施肥處理間沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

表2 不同施肥處理各土壤組分有機(jī)碳對土壤總有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率Tab.2 Contribution of soil particulate organic carbon and mineral-associated carbon to total soil organic carbon under different fertilization treatments

2.4 長期不同施肥處理對土壤有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響

如圖3所示，不同深度和不同施肥處理的紅外光譜譜型基本相似，主要吸收帶位于3 690～3 000 cm-1，1 650 cm-1，1 030 cm-1，797 cm-1等。根據(jù)紅外光譜吸收峰歸屬解析，0～15 cm土壤中3 650，3 430 cm-1和15～30 cm土壤中3 639，3 450 cm-1主要為醇酚締合-OH伸縮振動。1 650 cm-1主要來源于芳香族酰胺C=O(1 650～1 620 cm-1)；1 031 cm-1除來源于糖類的C-O外，還有部分的有機(jī)硅化合物Si-O。797，517 cm-1也是有機(jī)硅化合物Si-O伸縮振動。各處理間比較，0～15 cm土壤中單施化肥處理1 030 cm-1吸收峰強(qiáng)度低于其他處理，即單施化肥處理中碳水化合物含量低于不施肥處理和有機(jī)無機(jī)配施處理。而在更深層土壤(15～30 cm)，化肥與牛糞配施處理(FM)1 030 cm-1吸收峰強(qiáng)度要明顯高于其他各處理。

圖3 不同深度不同施肥處理下的黃泥田紅外光譜特征Fig.3 Infrared spectroscopy characteristics of yellow clayey paddy soil under different fertilization treatments at different soil depths

3 結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明，不同施肥處理和土壤深度下，土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體均以大團(tuán)聚體(>0.250 mm)為主，表層土壤大團(tuán)聚體比例要高于亞表層土壤。這主要是由于表層土壤含有更多的有機(jī)物質(zhì)如作物根系殘?bào)w、多糖和微生物菌絲體[2]，促進(jìn)了微團(tuán)聚體結(jié)合形成大團(tuán)聚體。此外，表層土壤的黏粉粒比例(12.8%)明顯低于亞表層土壤(25.6%)。這可能是由于表層土壤微生物活性較強(qiáng)，更多的微生物殘?bào)w如氨基糖與土壤黏粉粒的結(jié)合促進(jìn)了微團(tuán)聚體的形成[18]。而且，這種有機(jī)物質(zhì)與礦物的結(jié)合作用也是有機(jī)碳穩(wěn)定的決定性調(diào)控因子[19]。本研究發(fā)現(xiàn)，表層土壤各處理<0.053 mm粒徑中有機(jī)碳含量均高于深層土壤各處理，說明有機(jī)碳在黏粉粒中呈現(xiàn)明顯積累的趨勢。因此，深層土壤固碳潛力巨大，這對于緩解氣候變化和糧食安全具有重要意義[20]。

土壤團(tuán)聚體粒徑及其有機(jī)碳分布除受土壤深度影響外，還受到施肥的影響[21]。本研究發(fā)現(xiàn)，與不施肥對照相比，長期單施化肥不能夠顯著影響表層土壤團(tuán)聚體粒徑的分布。然而，聶鑫等[22]在湖南省雙季稻區(qū)長期定位試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，長期單施化肥較不施肥處理顯著提高了耕作層水穩(wěn)性大團(tuán)聚體(>2 mm 和1～2 mm)的比例。這可能是由于輪作制度的差異。由于雙季稻每年種植兩季，與單季稻相比，單施化肥處理下有更多的根茬進(jìn)入到耕層，進(jìn)而促進(jìn)了大團(tuán)聚體的形成。本研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，與單施化肥處理相比，化肥與牛糞配施能夠顯著提高土壤大團(tuán)聚體的比例，而化肥與秸稈配施與單施化肥處理間無顯著差異。此外，大團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量也有相似的結(jié)果。相似的，Zhou等[23]總結(jié)了我國28個(gè)雙季稻長期定位施肥試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，化肥與畜禽糞肥較化肥與秸稈配施有更高的固碳效率。這可能是化肥與秸稈配施處理中更多的外源碳以CO2或者CH4的形式損失掉，沒有真正固持到土壤中。而腐熟發(fā)酵的牛糞中含有豐富的粗蛋白、粗脂肪、可溶性的碳水化合物，有利于微生物的吸收利用。近年來，Liang等[24]提出的土壤微生物碳泵概念強(qiáng)調(diào)了土壤微生物的同化合成產(chǎn)物是土壤穩(wěn)定有機(jī)碳庫的重要貢獻(xiàn)者。此外，本研究結(jié)果進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，化肥與牛糞配施顯著提高了耕層土壤中顆粒態(tài)有機(jī)碳含量及其占總有機(jī)碳的比例。這是由于牛糞的施用提高了外源碳的投入。另一方面，化肥與牛糞配施較其他各處理顯著提高了水稻產(chǎn)量和地上部生物量[1]，因而每年有更多的根茬及根系殘?bào)w進(jìn)入到土壤中，促進(jìn)了土壤顆粒態(tài)碳含量的提升。藍(lán)賢瑾等[25]在紅壤性水稻土上的長期定位施肥試驗(yàn)也有相近的報(bào)道，長期有機(jī)無機(jī)配施提高了土壤中顆粒態(tài)有機(jī)碳的含量及其占總有機(jī)碳的比例，并且隨著有機(jī)物料施用比例的提高而提高。本研究通過紅外光譜定性分析證實(shí)了化肥與牛糞配施提高了土壤中多糖的含量。

與單施化肥相比，連續(xù)10 a化肥與牛糞配施能夠顯著提升水穩(wěn)性大團(tuán)聚體百分比，總有機(jī)碳及各粒徑土壤有機(jī)碳和顆粒態(tài)有機(jī)碳含量。而化肥與秸稈處理僅僅能夠顯著提高表層土壤中顆粒態(tài)有機(jī)碳含量及其對總有機(jī)碳的貢獻(xiàn)。綜合考慮，化肥與牛糞配施處理在改善土壤結(jié)構(gòu)和提升土壤碳庫方面效果最佳。