后續(xù)施肥措施改變對水稻土團聚體有機碳分布及其周轉(zhuǎn)的影響①

張 藝，戴 齊，尹力初，谷忠元

(湖南農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院，長沙 410128)

后續(xù)施肥措施改變對水稻土團聚體有機碳分布及其周轉(zhuǎn)的影響①

張 藝，戴 齊，尹力初*，谷忠元

(湖南農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院，長沙 410128)

利用一個長達30 a且已進行適當變更的長期定位施肥試驗，改施C4玉米秸稈以替代C3水稻秸稈，運用δ13C自然豐度方法，研究長期施用高量有機肥、常量有機肥、化肥及當其施肥措施改變(化肥改為常量有機肥、常量有機肥改為高量有機肥、高量有機肥改為化肥、常量有機肥改為化肥)3 a后對紅壤性水稻土團聚體有機碳分布及其周轉(zhuǎn)的影響。結(jié)果表明：在所有施肥處理條件下紅壤性水稻土團聚體分布以大團聚體(＞0.25 mm)為主，占72.48% ～86.33%。與施用化肥30 a相比，長期施用常量有機肥、高量有機肥有利于促進紅壤性水稻土粗大團聚體(＞2 mm)的形成，并提高團聚體平均重量直徑(MWD)。團聚體中有機碳含量隨著團聚體粒徑的增大而增大，大團聚體更有利于有機碳富集。長期常量有機肥、高量有機肥處理下紅壤性水稻土中有機碳主要貯存在粗大團聚體(＞2 mm)中，而長期化肥處理下以細大團聚體(2 ～ 0.25 mm)對土壤有機碳貢獻率最高。外源新碳施入量越多，全土和各粒徑團聚體新碳含量越高，且外源新碳主要分布在大團聚中。在后續(xù)施肥措施改變3年后，增加有機肥施入量(化改常、常改高)＞2 mm粗大團聚體、MWD、全土及各粒徑團聚體中有機碳含量將分別顯著提高7.08% ～ 73.13%、5.38% ～ 44.22%、14.53% ～ 38.50%、0.70% ～ 35.86%；而減少有機肥施入量(高改化、常改化)則與之相反，分別降低28.17% ～ 43.20%、21.17% ～ 31.54%、17.54% ～ 27.30%、11.49% ～ 29.77%。因此，在我國南方紅壤性稻作區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中應繼續(xù)或加大施用有機肥，從而進一步維持或改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤有機碳含量。

喀長期定位試驗；紅壤性水稻土；土壤團聚體；土壤有機碳；13C；施肥改變

土壤結(jié)構(gòu)是調(diào)控土壤物理、化學和生物過程及土壤有機碳分布的重要因素之一，是土壤肥力的基礎。土壤團聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的最基本單元，在保證和協(xié)調(diào)土壤中的水肥氣熱，影響土壤酶的種類和活性，維持和穩(wěn)定土壤疏松熟化層等方面至關重要[1]。土壤團聚體與土壤有機碳二者之間相互作用，相互影響，密不可分。前者為后者提供存在場所及物理保護，后者為前者提供形成所必需的膠結(jié)物質(zhì)。施肥作為最普遍的農(nóng)田管理措施，在對土壤團聚體分布、土壤有機碳含量、團聚體有機碳關系等方面有著至關重要的影響。邸佳穎等[2]對紅壤性水稻土水穩(wěn)定性團聚體分布及其固碳特征進行了研究，認為施用秸稈和糞肥均顯著促進了土壤大團聚體形成并提高了團聚體的穩(wěn)定性，但團聚體所固持的有機碳含量與其粒級大小沒有顯著的線性相關關系。安婷婷等[3]系統(tǒng)地分析了施肥對棕壤團聚體組成及其有機碳分布的影響，發(fā)現(xiàn)長期施用有機肥增加了土壤中大團聚體的數(shù)量及其有機碳含量，有利于土壤表層有機碳的固定。向艷文等[4]研究結(jié)果表明，水穩(wěn)性大團聚體對土壤有機碳具有強富集和物理保護作用，長期化肥和稻草配合施用能顯著提高大團聚體內(nèi)有機碳含量和儲量。袁穎紅等[5]研究表明，長期連續(xù)施用無機肥、有機肥和無機肥與有機肥配施對土壤有機碳在團聚體內(nèi)的分布有較大影響，且較大微團聚體內(nèi)含有較多的新形成有機物質(zhì)。以往的研究結(jié)果已充分證實外源有機物料的投入有利于土壤大團聚體的形成及有機碳含量提高。但對于那些經(jīng)長期施用有機肥培肥而土壤結(jié)構(gòu)發(fā)達的高肥力土壤，當其后續(xù)施肥措施改變時，其土壤團聚體組成、有機碳分布是否會發(fā)生不合理的改變，還有待進一步論證。

目前，δ13C方法已經(jīng)廣泛用于研究土壤有機碳動態(tài)變化。與其他研究土壤有機碳周轉(zhuǎn)方法相比，δ13C方法不僅具有無放射性，標記均勻和可長期標記等優(yōu)點外，更能直接計算出土壤或其組分中不同植物來源有機碳的比例和數(shù)量[5]。以往的研究大多采用室內(nèi)培養(yǎng)試驗的方法, 通過添加δ13C標記的玉米秸稈研究有機碳的分解速率及周轉(zhuǎn)情況[7-8]。但室內(nèi)的試驗條件與田間實際情況相差較大，不能完全說明土壤有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程。由此，本研究依托湖南農(nóng)業(yè)大學一個長達30 a且已進行適當變更的長期定位施肥試驗，分析長期施用高量有機肥、常量有機肥、化肥及改變施肥措施(化肥改為常量有機肥、常量有機肥改為高量有機肥、高量有機肥改為化肥、常量有機肥改為化肥)3 a后對紅壤性水稻土團聚體分布及有機碳周轉(zhuǎn)的影響，并通過改施C4玉米秸稈以替代C3水稻秸稈，運用δ13C田間自然豐度方法，計算土壤有機碳更新比例，以期為改善紅壤性水稻土結(jié)構(gòu)，提高紅壤性水稻土肥力，促進稻作農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 長期定位試驗概況

本研究所利用長期定位試驗的設置詳情見張蕾等[9]。簡而言之，本定位試驗起始于1982年，其母質(zhì)為長沙地區(qū)廣泛分布的第四紀紅色黏土，耕作制度為稻-稻-冬閑。定位試驗起始之初設置了高量有機肥、常量有機肥、化肥等3個處理，共36個小區(qū)。每季水稻的施肥量為施N 150 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O=1∶0.5∶1?；侍幚硐碌⒘?、鉀肥分別以尿素、氯化鉀、過磷酸鈣施入。高量、常量有機肥處理下分別以有機物料供應總氮的2/3、1/3；養(yǎng)分不足部分用化肥補足。2012年栽植早稻前，本定位試驗管理人員利用3個不同施肥處理重復數(shù)量相對較多的優(yōu)勢對該定位試驗進行了變更。即：從“常量有機肥”處理(NOM, normal organic material)和“高量有機肥”處理(HOM, high organic material)各隨機選取3個小區(qū)，然后變更為化肥處理，得到“常改化”處理(N-C,chemical fertilization treatment changed from original normal organic fertilization treatment)和“高改化”處理(H-C, chemical fertilization treatment changed from original high organic fertilization treatment)；同時從“常量有機肥”處理中另隨機選取3個小區(qū)變更為高量有機肥處理，得到“常改高”處理(N-H, high organic fertilization treatment changed from original normal organic fertilization treatment)；從“化肥”處理(CF,chemical fertilizer)中隨機選擇3個小區(qū)變更為常量有機肥處理，得到“化改?！碧幚?C-N, normal organic fertilization treatment changed from chemical fertilization treatment)。由此，變更后的定位試驗共包含7個處理，即原有的3個處理(高量有機肥、常量有機肥、化肥)及新增加的4個處理(高改化、常改化、常改高、化改常)。2012年以后該定位試驗所用的有機物料從水稻秸稈變更為玉米秸稈(粉碎并過10 mm篩)，其C、N、P、K含量分別為449.8、10.44、5.93、12.61 g/kg，有機碳的δ13C值為 -12.6‰，常量或高量有機肥處理下每年的秸稈用量分別為9.58、19.16 t/hm2。近5 a來種植的早稻、晚稻品種分別為湘早秈15、VY46。早稻于每年4月下旬移栽，7月上旬收獲，而晚稻于7月中旬移栽，10月底收獲。每小區(qū)植稻35株。2012年4月采集供試小區(qū)耕作層土壤(0 ～ 15 cm)測定其基本理化性質(zhì)指標，變更施肥措施前高量有機肥、常量有機肥、化肥處理的土壤有機碳含量及氮、磷、鉀含量見表1。

表1 變更施肥措施前土壤有機碳含量及氮、磷、鉀含量Table 1 Contents of soil organic carbon, nitrogen, phosphorus,potassium before changing fertilization measure

1.2 樣品采集與分析方法

1.2.1 樣品采集 于2015年4月栽植早稻前，在每個小區(qū)中隨機確定3個采樣點，用切刀切下長×寬×高=5 cm × 5 cm × 15 cm的原狀土柱，輕放于塑料盒子并避免土塊相互擠壓。將帶回土樣風干至土壤塑限(含水量約為22% ～ 25%)時，把土塊沿著自然縫隙輕輕掰成大小不同的團塊，使其通過8 mm篩，揀去作物殘根和小石頭等異物，在室溫下繼續(xù)風干，土樣風干后測定土壤團聚體組成及其他性質(zhì)。

1.2.2 土壤團聚體分級 團聚體的分級采用濕篩法[10]。新鮮土樣自然風干后，依次過2、0.25和0.053 mm篩。具體操作為：稱取大約100 g風干土置于2 mm的篩子上放于盆內(nèi)，調(diào)整盆內(nèi)水面的高度，使篩子移動到最高位置時團聚體剛好淹沒在水面以下。待土樣在水面下浸泡5 min后開啟團聚體篩分儀，在2 min內(nèi)上下擺動50次，擺幅為3 cm。將留在篩上的物質(zhì)用蒸餾水洗至燒杯中，通過篩子的土和水進行下一級團聚體的分離，操作步驟同上。分離出的不同大小團聚體土樣在60℃下烘干，稱量，備用。

1.2.3 有機碳及δ13C值的測定 土壤全土有機碳含量及各粒徑團聚體有機碳含量均采用元素分析儀測定(Elementar II，德國)，其原理是土壤有機碳在高溫條件下燃燒釋放出CO2，并用TCD監(jiān)測器檢測其碳含量。土壤和玉米秸稈有機碳的δ13C值用同位素質(zhì)譜儀(Finnigan MAT251，Thermo Electron) 測定。

1.2.4 結(jié)果計算與統(tǒng)計分析 δ13C值是描述樣品與標準化合物相比較13C自然豐度變異程度的指標。C3植物的δ13C值范圍從-40‰ ～ -23‰，平均為-27‰；C4植物的δ13C值范圍從-19‰ ～ -9‰，平均為-12‰[11]。當改施C4玉米秸稈替代C3水稻秸稈時，就導致了土壤有機碳δ13C值改變，根據(jù)單位時間內(nèi)δ13C值的變化程度，就可以計算出土壤有機碳更新比例。土壤全土有機碳(或各粒徑團聚體有機碳)中來源于玉米秸稈新碳的比例的計算公式為[12]：

式中： δ為添加玉米秸稈后土壤全土有機碳(或各粒徑團聚有機碳)的δ13C值；δCK為未添加玉米秸稈時土壤全土有機碳(或各粒徑團聚有機碳)的δ13C值；δL為玉米秸稈碳的δ13C值。

根據(jù)全土或不同粒徑土壤團聚體有機碳總量(C)，那么有機碳總量中來自玉米秸稈新碳(CN)部分為：

平均重量直徑(MWD)：

式中：xi為第i個篩子上團聚體的平均直徑，mi是第i 個篩子上顆粒百分比。

所有測定結(jié)果用Excel進行整理和初步分析，用SPSS進行方差分析，多重比較采用LSD檢驗，顯著水平為P＜0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對土壤團聚體分布及其穩(wěn)定性的影響

不同粒級土壤團聚體在改善土壤結(jié)構(gòu)和固定養(yǎng)分等方面發(fā)揮著不同的作用[13]。如表2所示，各施肥處理下＜0.053 mm粉黏粒含量最少，占土壤干重的4.35% ～ 8.77%；0.25 ～ 0.053 mm微團聚體含量為8.01% ～ 18.68%；2 ～ 0.25 mm細大團聚體含量為32.71% ～ 47.88%；＞2 mm粗大團聚體含量為26.50%～ 53.57%。其中 ＞0.25 mm大團聚體比例為72.48% ～86.33%，是紅壤性水稻土團聚體主要組成部分。

30 a長期不同施肥處理下土壤團聚體的組成存在顯著差異(P＜0.05)。相對于化肥處理，高量有機肥處理、常量有機肥處理下＞2 mm粗大團聚體的含量分別為化肥處理的2.02倍和1.76倍；2 ～ 0.25 mm細大團聚體的含量則分別降低了28.86%、19.57%；0.25 ～0.053 mm微團聚體的含量分別降低了57.12%、41.27%；而＜0.053 mm粉黏粒的含量也以化肥處理相對較高。團聚體的平均重量直徑(MWD)體現(xiàn)了土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，反映了土壤結(jié)構(gòu)狀況。長期不同施肥處理下MWD大小為：高量有機肥處理(3.07 mm)＞常量有機肥處理(2.79 mm)＞化肥處理(1.90 mm)。與化肥處理相比，高量有機肥處理、常量有機肥處理下MWD分別提高了61.6%、46.8%。

后續(xù)施肥措施改變也顯著影響了土壤團聚體的分布。與高量有機肥處理相比，高改化處理下 ＞2 mm粗大團聚體含量降低了28.17%，其他團聚體組分含量提高了24.95% ～ 65.17%；MWD降低了21.17%。與常量有機肥處理相比，常改高處理下 ＞2 mm粗大團聚體含量提高了7.08%，其他團聚體組分含量降低了2.00% ～ 17.46%，MWD提高了5.38%；而常改化處理下 ＞2 mm粗大團聚體含量降低了43.20%，其他團聚體組分含量提高了29.48% ～ 69.28%，MWD降低了31.54%。與化肥處理相比，化改常處理下 ＞2 mm粗大團聚體含量提高了73.13%，其他團聚體組分含量降低了19.38% ～ 39.45%；MWD提高了44.22%。因此，在后續(xù)施肥措施改變3 a的過程中，增加有機肥施入量(如常改高、化改常)將顯著增加 ＞2 mm粗大團聚體含量而相應減少其他團聚體組分含量，并顯著提高MWD。而減少有機肥施入量(如高改化、常改化)將顯著增加其他團聚體組分含量而相應降低＞2 mm粗大團聚體含量，并顯著降低土壤MWD。

2.2 不同施肥處理對土壤團聚體中有機碳含量的影響

土壤不同粒徑團聚體中有機碳含量是土壤有機碳礦質(zhì)化作用與腐質(zhì)化作用動態(tài)平衡的微觀表征，在保持土壤肥力和穩(wěn)定土壤碳匯等方面具有重要意義。由表3可以看出，各施肥處理下土壤團聚體中有機碳含量因粒徑而異。隨著土壤團聚體粒徑逐漸減小，其有機碳含量呈現(xiàn)出降低趨勢，其中粗大團聚體(＞2 mm)＞細大團聚體(2 ～ 0.25 mm)＞微團聚體(0.25 ～0.053 mm)＞粉黏粒(＜0.053 mm)。

表2 不同施肥處理對土壤團聚體分布及其穩(wěn)定性影響Table 2 Effects of different fertilization treatments on distribution and mean weight diameters of soil aggregates

30 a長期定位施肥后，全土中有機碳含量隨著有機肥用量增加而提高。與化肥處理相比，高量有機肥處理和常量有機肥處理分別使全土中有機碳含量增加了10.46、6.96 g/kg，各處理之間差異達到顯著水平(P＜0.05)。各粒徑團聚體組分中有機碳含量也隨有機肥施用量的增加而相應提高。與化肥處理相比，高量有機肥處理、常量有機肥處理下 ＞2 mm粗大團聚體中有機碳含量分別提高了66.98% 和40.98%；2 ～0.25 mm細大團聚體中有機碳含量分別提高了76.91% 和48.36%；0.25 ～ 0.053 mm微團聚體中有機碳含量分別提高了64.14% 和58.78%；＜0.053 mm粉黏粒中有機碳含量分別提高了37.44% 和25.64%。

后續(xù)施肥措施改變也顯著影響了全土及各粒徑團聚體中有機碳含量。與高量有機肥處理相比，高改化處理下全土及各粒徑團聚體中有機碳含量分別降低了27.30%、16.32% ～ 29.77%。與常量有機肥處理相比，常改高處理下全土及各粒徑團聚體中有機碳含量分別提高了14.53%、0.70% ～ 15.17%；常改化處理下則分別降低了17.54%、11.49% ～ 18.51%。與化肥處理相比，化改常處理下全土及各粒徑團聚體中有機碳含量分別提高了38.50%、20.90% ～35.86%。因此，在后續(xù)施肥措施改變3 a的過程中，增加有機肥施入量(如常改高、化改常)將顯著增加全土及各粒徑團聚體中有機碳含量，而減少有機肥施入量(如高改化、常改化)將顯降低全土及各粒徑團聚體中有機碳含量。

表3 不同施肥處理對土壤團聚體中有機碳含量影響(g/kg)Table 3 Effects of different fertilization treatments on organic carbon contents in soil aggregates

2.3 不同施肥處理中土壤團聚體對全土有機碳的貢獻率

如表4所示，不同粒徑土壤團聚體對全土有機碳的貢獻率有顯著差異。各施肥處理下＜ 0.053 mm粉黏粒對全土有機碳貢獻率最小，約占總量的1.96% ～3.93%；0.25 ～ 0.053 mm微團聚體約占總量的6.19% ～17.97%；2 ～ 0.25 mm細大團聚體約占總量的34.31%～ 50.28%；＞2 mm粗大團聚體約占總量的30.12% ～56.90%。長期高量有機肥處理、常量有機肥處理下以＞2 mm粗大團聚體對全土有機碳的貢獻率最高，分別達到了56.90%、49.36%；而長期化肥處理下以2 ～0.25 mm細大團聚體的貢獻率最高，達到了47.88%。

后續(xù)施肥措施改變也顯著影響了各粒徑土壤團聚體對全土有機碳的貢獻率。與高量有機肥處理相比，高改化處理下 ＞2 mm粗大團聚體的貢獻率降低了29.12%，2 ～ 0.25mm細大團聚體、0.25 ～0.053 mm微團聚體、＜ 0.053 mm粉黏粒的貢獻率分別提高了29.67%、81.74%、51.15%。與常量有機肥處理相比，常改高處理下 ＞2 mm粗大團聚體的貢獻率提高了7.25%，其他粒徑團聚體的貢獻率分別降低了1.20%、25.21%、26.04%；而常改化處理下 ＞2 mm粗大團聚體的貢獻率降低了38.98%，其他粒徑團聚體的貢獻率分別提高了31.11%、66.80%、32.83%。與化肥處理相比，化改常處理下＞2 mm粗大團聚體的貢獻率提高了64.35%，其他粒徑團聚體的貢獻率分別降低了23.83%、45.08%、11.73%。這表明在后續(xù)施肥措施改變3 a的過程中，增加有機肥的施入量(如常改高、化改常)將顯著提高＞2 mm粗大團聚體的貢獻率，相應降低2 ～ 0.25 mm細大團聚體、0.25 ～ 0.053 mm微團聚體的貢獻率。而減少有機肥的施入量(如高改化、常改化)則顯著降低 ＞2 mm粗大團聚體的貢獻率，提高2 ～0.25 mm細大團聚體、0.25 ～ 0.053mm微團聚體的貢獻率。

表4 不同施肥處理中各粒徑團聚體對全土有機碳貢獻率(%)Table 4 Contribution rates of aggregates to soil organic carbon under different fertilization treatments

2.4 外源新碳(玉米秸稈碳)在土壤各級團聚體中的分配

利用測得的不同團聚體中的δ13C值(表5)，計算得到外源新碳(玉米秸稈碳)作為有機肥施用后，全土及不同團聚體中外源新碳的含量(表6)。表6結(jié)果表明，高量有機肥處理、常改高處理、常量有機肥處理和化改常處理下全土中外源新碳的含量分別為12.87、13.00、6.30 和4.72 g/kg，其中前兩者與后兩者的差異均達顯著水平(P＜0.05)。隨有機肥(玉米秸稈)施入量的增多，進入全土及其不同粒徑團聚體中的新碳含量相應增加。其中，進入到土壤中的外源新碳59.52% ～ 65.77% 殘留在 ＞0.25 mm 團聚體中，22.00% ～ 31.57% 殘留在0.25 ～ 0.053 mm 團聚體中，而6. 57% ～ 12. 54% 殘留在＜0.053 mm 團聚體中。這表明施用的玉米秸稈新碳主要集中在 ＞0.25 mm粒徑大團聚體中。

表5 不同施肥處理土壤團聚體δ13C值(‰)Table 5 δ13C values of soil aggregates under different fertilization treatments

表6 不同施肥處理土壤團聚體中外源新碳含量(g/kg)Table 6 Fresh carbon contents of soil aggregates under different fertilization treatments

3 討論

土壤團聚體的組成、分布以及功能特性等受諸多影響因素干擾，既包括環(huán)境因素(土壤類型、氣候條件、植物覆蓋等)，也包括人為因素(土地利用方式、耕作措施、輪作制度、農(nóng)田管理等)。本長期定位試驗中，不同施肥處理下紅壤性水稻土團聚體以 ＞0.25 mm大團聚體為優(yōu)勢粒徑，約占72.48% ～ 86.33%。這與易亞男等[14]研究結(jié)果：高、低水位下紅壤性水稻土團聚體主要分布在 ＞0.25 mm水穩(wěn)定性大團聚體范圍內(nèi)一致。但另有研究報道，單施有機肥或秸稈下浙江稻田土壤團聚體以0.25 ～ 0.053 mm粒徑所占比重最大[15]。究其原因，可能是不同研究下供試土壤類型、氣候、施肥、作物種類、利用方式等條件差異所導致。本研究中，30 a長期施肥和后續(xù)施肥措施改變的結(jié)果都表明提高有機肥施入量，紅壤性水稻土＞2 mm粗大團聚所占比例提高，團聚體穩(wěn)定性增強，證實了有機肥在改善紅壤性水稻土結(jié)構(gòu)中不可替代的作用。陳曉芬等[16]也研究表明，施用有機肥有利于 ＞2 mm水穩(wěn)性團聚體的形成。研究認為膠結(jié)物質(zhì)

(有機膠結(jié)物質(zhì)、無機膠結(jié)物質(zhì)、有機無機復合體)在土壤團聚體形成過程中起著十分重要的作用[17]。在后續(xù)常改高、化改常處理下，有機肥施入量增加導致土壤中有機膠結(jié)物質(zhì)含量提高，促使粉黏粒、微團聚體通過團聚作用向大團聚體轉(zhuǎn)化，從而促進了土壤大團聚體的形成及其穩(wěn)定性的提高。而后續(xù)高改化、常改化處理下，效果與之相反,說明施用化肥雖然可以提高作物生物量間接增加土壤膠結(jié)物質(zhì)，但效果遠不如有機肥明顯。因有機肥除了能夠提供各種養(yǎng)分，提高作物生物量外，其本身也含有大量有機膠結(jié)物質(zhì)。本試驗中，不同施肥處理下紅壤性水稻土各粒徑團聚體中有機碳含量順序均為：粗大團聚體(＞2 mm) ＞

細大團聚體(2 ～ 0.25 mm)＞微團聚體(0.25 ～ 0.053 mm)＞ 粉黏粒(＜0.053 mm)，表明團聚體中有機碳含量隨著團聚體粒徑的增大而增大，大團聚體更有利于有機碳富集。以往很多研究也報道，大團聚體比微團聚體含有更多的有機碳[18]。Jastrow等[19]運用13C 示蹤法進一步證實了大團聚體比微團聚體含有更多的有機碳。究其原因，可能是團聚體層次性機制現(xiàn)象，即微團聚體早于大團聚體形成，大粒徑團聚體是由小粒徑團聚體形成后通過有機、無機膠結(jié)物質(zhì)膠結(jié)作用而形成的[20]。以往相關研究表明，團聚體對土壤有機碳的貢獻率以微團聚體較大[5]，但本試驗紅壤性水稻土的團聚體對土壤有機碳的貢獻率主要體現(xiàn)在＞0.25 mm的大團聚體上。這可能是由于該部分團聚體是數(shù)量優(yōu)勢粒級，而且其有機碳含量最高所導致的。大量長期定位施肥試驗表明，單獨施用有機肥或有機肥化肥配施均能提高土壤全土和各粒徑團聚體中有機碳含量，且有機肥化肥配施效果更好[21-22]。這與本研究試驗結(jié)果一致，30 a長期定位施肥后，高量有機肥處理下全土和各粒徑團聚體中有機碳含量均最高。另相關分析也表明，全土中有機碳與外源有機物料輸入碳量呈顯著正相關(圖1)。此結(jié)果說明，土壤有機碳含量變化與外源有機物料投入量直接相關。同時，本研究證明在后續(xù)施肥措施改變3 a的過程中，增加有機肥的施入量(如常改高、化改常)將進一步顯著提高 ＞2 mm粗大團聚體中有機碳含量及其貢獻率。而減少有機肥的施入量(如高改化、常改化)則降低 ＞2 mm粗大團聚體的貢獻率，相應提高2 ～ 0.25 mm細大團聚體、0.25 ～ 0.053 mm微團聚體的貢獻率。

大量國內(nèi)外研究認為土壤大團聚體比微團聚體含有更多新形成的有機物[23]，新增加的碳主要集中的大團聚體中[24]。本試驗中，運用δ13C方法證實外源新碳施入量越多，全土和各粒徑團聚體新碳含量越高，且團聚體粒徑越大，其分配新碳的比例越高。呂元春等[8]通過室內(nèi)模擬試驗研究3種不同類型土壤，表明新進入的外源碳主要分配在大團聚體中。這與本研究的結(jié)果類似。但在后續(xù)施肥措施改變3 a的過程中，常改高處理與高量有機肥處理、化改常處理與常量有機肥處理均未達到顯著差異，這可能與改施時間長短、所施用玉米秸稈數(shù)量、土壤本身性質(zhì)、農(nóng)田管理措施等有關，其具體原因還有待進一步研究。

圖1 有機物料輸入量與全土有機碳含量的相關關系Fig. 1 Correlation between soil organic carbon and input applied as organic fertilizer

4 結(jié)論

通過長達30 a的長期定位試驗研究發(fā)現(xiàn)：紅壤性水稻土以 ＞0.25 mm大團聚體為主。施用有機肥能明顯促進紅壤性水稻土 ＞2 mm粗大團聚體形成，提高MWD，增加全土及各粒徑團聚體中有機碳含量。團聚體中有機碳含量隨著團聚體粒徑的增大而增大，大團聚體更有利于有機碳富集。有機肥處理下紅壤性水稻土中有機碳主要貯存在 ＞2 mm粗大團聚體中，而化肥處理下以2 ～ 0.25 mm細大團聚體對土壤有機碳貢獻率最高。外源新碳施入量越多，全土和各粒徑團聚體新碳含量越高，且外源新碳主要分布在大團聚中。在后續(xù)施肥措施改變3 a后，增加有機肥施入量(化改常、常改高)＞2 mm粗大團聚體、MWD、全土及各粒徑團聚體中有機碳含量將分別顯著提高7.08% ～ 73.13%、5.38% ～ 44.22%、14.53% ～ 38.50%、0.70% ～ 35.86%；而減少有機肥施入量(高改化、常改化)則與之相反，分別降低28.17% ～ 43.20%、21.17% ～31.54%、17.54% ～ 27.30%、11.49% ～ 29.77%。因此，在我國南方紅壤性稻作區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中應繼續(xù)或加大施用有機肥，從而進一步維持或改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤有機碳含量。

[1] 劉中良，宇萬太. 土壤團聚體中有機碳研究進展[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報, 2011, 19( 2)： 447-455

[2] 邸佳穎，劉小粉，杜章留，等. 長期施肥對紅壤性水稻土團聚體穩(wěn)定性及固碳特征的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報, 2014, 22(10)： 1129-1138

[3] 安婷婷，汪景寬，李雙異. 施肥對棕壤團聚體組成及團聚體中有機碳分布的影響[J]. 沈陽農(nóng)業(yè)大學學報, 2007,38(3)： 407-409

[4] 向艷文, 鄭圣先, 廖育林, 等. 長期施肥對紅壤水稻土水穩(wěn)性團聚體有機碳、氮分布與儲量的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學, 2009, 42(7)： 2415-2424

[5] 袁穎紅，李輝信，黃欠如，等. 不同施肥處理對紅壤性水稻土微團聚體有機碳匯的影響[J]. 生態(tài)學報, 2004,24(12)： 2961-2966

[6] 竇森，張晉京. 用δ13C值研究土壤有機質(zhì)周轉(zhuǎn)的方法及其評價[J]. 吉林農(nóng)業(yè)大學學報, 2001, 23(2)： 64-67

[7] 竇森，張晉京, 曹亞澄. 用δ13C方法研究玉米秸稈分解期間土壤有機質(zhì)數(shù)量動態(tài)變化[J]. 土壤學報, 2003, 40(3)：328-334

[8] 呂元春，薛麗佳，尹云峰，等. 外源新碳在不同類型土壤團聚體中的分配規(guī)律[J]. 土壤學報, 2013, 50(3)： 47-53

[9] 張蕾，尹力初，易亞男，等. 改變施肥管理后不同肥力稻田土壤CO2排放特征[J]. 生態(tài)學報，2015, 35(5)：1399-1406

[10] Elliott E T. Aggregate structure and carbon, nitrogen, and phosphorus in native and cultivated soils[J]. Soil Science Society of America Journal, 1986, 50(7)： 627-633

[11] Smith B N, Epstein S. Two categories of13C/12C ratios for higher plants[J]. Plant Physiology, 1971, 47(3)： 380-384

[12] Bronick C J, Lal R. Soil structure and management： a review[J]. Geoderma, 2005, 124(1/2)： 3-22

[13] Angers D，Recous S，Aita C．Fate of carbon and nitrogen in waterstable aggregates during decomposition of13C15N-labelled wheat straw in situation[J]．European Journal of Soil Science, 1997, 48(2)： 295-300

[14] 易亞男，尹力初，張蕾，等. 施肥對不同地下水位水稻土團聚體組成及有機碳分布的影響[J]. 水土保持學報,2013, 27(5)： 34-36

[15] 毛霞麗，陸扣萍，何麗芝，等. 長期施肥對浙江稻田土壤團聚體及其有機碳分布的影響[J]. 土壤學報, 2015,52(4)： 828-838

[16] 陳曉芬，李忠佩，劉明，等. 不同施肥處理對紅壤水稻土團聚體有機碳、氮分布和微生物生物量的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學, 2013, 46(5)： 950-960

[17] 史奕，陳欣，沈善敏. 有機膠結(jié)形成土壤團聚體的機理及理論模型[J]. 應用生態(tài)學報, 2002,13(11)： 1495-1498

[18] Six J, Paustain K, Elliot E T, et al. Soil structure and organic matter： I. Distribution of aggregate-size classes and aggregate-associated carbon[J]. Soil Science Society America Journal, 2000, 64(3)： 681-689

[19] Jastrow J D, Boutton T W, Miller R M. Carbon dynamics of aggregate-associated organic matter estimated by carbon-13 natural abundance[J]. Soil Science Society of America Journal, 1996, 60(3)： 801-807

[20] GreenV S, Cavigelli M A, Dao T H, et al. Soil physical propertie sand aggregate-associated C, Nand P distribution in organic and conventional crop systems[J]. Soil Science,2005, 170(10)： 822-831

[21] Tisdall J M，Oades J M. Organic matter and water-stable aggregates in soils[J]. Journal of Soil Science, 1982, 62：141-163

[22] John B, Yamashita T, Ludwig B, et a1. Storage of organic carbon in aggregate and density fractions of silty soils under different types of land use[J]. Geoderma,2005,128(1/2)：63-79

[23] Six J, Paustain K, Elliot E T, et al．Soil structure and organic matter： I.Distribution of aggregate-size classes and aggregate-associated carbon[J]. Soil Science Society of America Journal, 2000, 64(2)： 681-689

[24] 慈恩, 楊林章, 施林林, 等. 不同氣候帶水稻土有機碳δ13C及胡敏酸結(jié)構(gòu)特征變化[J]. 土壤學報, 2009, 46(1)：78-84

[25] 劉中良, 宇萬太, 周樺, 等. 不同有機廄肥輸入量對土壤團聚體有機碳組分的影響[J]. 土壤學報, 2011, 48(6)：1149-1157

[26] 徐江兵, 李成亮, 何園球, 等. 不同施肥處理對旱地紅壤團聚體中有機碳含量及其組分的影響[J]. 土壤學報,2007, 44(4)： 675-682

Effects of Following-up Fertilization Reforming on Distribution and Turnover of Aggregate-associated Organic Carbon in Paddy Soils

ZHANG Yi, DAI Qi, YIN Lichu*, GU Zhongyuan
(College of Resources and Environment, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)

A 30a experiment was altered and rice straw (C3crop) applied as organic fertilizer was replaced by maize straw(C4crop) in 2012. Soil aggregation, aggregate-associated organic carbon contents and its δ13C values were measured to determine the effects of following-up fertilization reforming on their distribution and turnover after 3 years fertilization alteration under seven different fertilization treatments, i.e. high organic material (HOM), normal organic material (NOM), chemical fertilizer(CF), normal organic fertilization treatment changed from chemical fertilization treatment (C-N), chemical fertilization treatment changed from original normal organic fertilization treatment(N-C), chemical fertilization treatment changed from original high organic fertilization treatment (H-C), high organic fertilization treatment changed from original normal organic fertilization treatment (N-H). The results showed that the macroaggregates (＞0.25mm) were the dominant component in the red paddy soil under all fertilization treatments, accounting for approximately 72.48%-86.33% of the total soil aggregates. Compared with chemical fertilizer for 30 years, long term application of organic fertilizer(HOM and NOM)significantly increased the ratio of the large macroaggregates (＞2mm) and improved MWD. The contents of organic carbon in soil aggregates increased with the increasing particle size of the aggregates, and macroaggregates were more favorable for soil organic carbon enrichment. Large macroaggregates (＞2mm) were the main contributor of soil organic carbon under organic fertilization treatments (HOM and NOM)in the red paddy soil, while it was small macroaggregates (2-0.25mm) under chemical fertilization treatment. The more application of fresh organic carbon, the higher new soil organic carbon content of whole soil and all sizes of aggregates. The new soil organic carbon was mainly distributed in the macroaggregates (＞0.25mm). After 3 years following-up fertilization alteration,the ratio of the large macroaggregates (＞2mm), MWD, organic carbon in whole soil, and aggregate-associated organic carbon was improved by 7.08%-73.13%, 5.38%-44.22%, 14.53%-38.50% and 0.70%-35.86% respectively under the treatments of increasing input of organic fertilizer (C-N and N-H), while reduced by 28.17%-43.20%, 21.17%-31.54%, 17.54%-27.30% and 11.49%-29.77% respectively under the treatments of reducing input of organic fertilizer (H-C and N-C). As a conclusion, the following-up organic fertilization is necessary to maintain or improve red paddy soil aggregation and organic carbon in the southern China.

Long-term experiment; Red paddy soil; Soil aggregates; Soil organic carbon;13C; Fertilization change

S153.6

A

10.13758/j.cnki.tr.2017.05.017

國家自然科學基金項目(41371250)和湖南省研究生科研創(chuàng)新項目(CX2015B267)資助。

* 通訊作者(lcyin0418@sohu.com)

張藝(1992—)，男，湖南常德人，碩士研究生，主要從事土壤碳平衡研究。E-mail： 798762135@qq.com