紅壤性水稻土有機(jī)無機(jī)復(fù)合體中碳氮特征對(duì)長期施肥的響應(yīng)

李浩，陳金，王洪亮，柳開樓，韓天富，都江雪，申哲，劉立生,5，黃晶,5，張會(huì)民,5

紅壤性水稻土有機(jī)無機(jī)復(fù)合體中碳氮特征對(duì)長期施肥的響應(yīng)

李浩1,2，陳金3，王洪亮2，柳開樓4，韓天富1，都江雪1，申哲1，劉立生1,5，黃晶1,5，張會(huì)民1,5

1中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2河南科技學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院，河南新鄉(xiāng) 453003；3江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與資源環(huán)境研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/國家紅壤改良工程技術(shù)研究中心，南昌 330200；4江西省紅壤研究所/國家紅壤改良工程技術(shù)研究中心/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部江西耕地保育科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，南昌 330046；5中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/祁陽農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，湖南祁陽 426182

【】研究長期施肥對(duì)紅壤性水稻土有機(jī)無機(jī)復(fù)合體中有機(jī)碳（OC）、全氮（TNOIC）特征的影響，為紅壤性水稻土管理和培育土壤肥力提供依據(jù)?！尽恳蚤L期定位施肥試驗(yàn)的紅壤性水稻土為研究對(duì)象（始于1984年），選取CK（不施肥）、PK（施磷鉀肥）、NPK（施氮磷鉀肥）、NPKM（施70%氮磷鉀肥+ 30%有機(jī)肥）4個(gè)處理。采集0—20 cm土層土樣，分析各粒級(jí)（＜2、2—10、10—20、20—50和50—250 μm）有機(jī)無機(jī)復(fù)合體的分布，并探討施肥對(duì)復(fù)合體中有機(jī)碳（OC）和全氮（TNOIC）含量、儲(chǔ)量和碳氮比（C/N）的影響，以及有機(jī)無機(jī)復(fù)合體中OC和TNOIC對(duì)紅壤性水稻土有機(jī)碳（SOC）、全氮（TN）貢獻(xiàn)率的影響?！尽颗c不施肥CK相比，施肥處理顯著提高了20—50 μm粒級(jí)復(fù)合體的比例，降低了＜10 μm粒級(jí)復(fù)合體比例，而NPKM處理與其他施肥處理相比，50—250 μm粒級(jí)復(fù)合體的比例增加更顯著；不同施肥對(duì)各粒級(jí)復(fù)合體中OC和TNOIC含量影響不同，與PK相比，NPK處理的50—250 μm粒級(jí)復(fù)合體中OC和TNOIC分別增加了36.3%、80.6%；與NPK相比，NPKM處理的50—250 μm粒級(jí)復(fù)合體中OC和TNOIC含量分別增加了35.4%、19.5%，OC和TNOIC主要分布在10—20 μm粒級(jí)復(fù)合體中，施肥顯著降低了＜2 μm粒級(jí)復(fù)合體OC和TNOIC儲(chǔ)量，同時(shí)增加了20—50 μm粒級(jí)復(fù)合體OC和TNOIC儲(chǔ)量，與PK相比，NPK處理對(duì)＜2和50—250 μm粒級(jí)復(fù)合體OC儲(chǔ)量分別增加了18.5%和31.2%，TNOIC儲(chǔ)量分別增加了18.8%和73.7%，與NPK相比，NPKM處理對(duì)＜2μm粒級(jí)復(fù)合體中OC和TNOIC儲(chǔ)量分別降低了25.6%和27.4%，而50—250μm粒級(jí)復(fù)合體則分別提高了56.3%和38.6%；不同施肥處理顯著影響50—250 μm粒級(jí)復(fù)合體的C/N，與PK相比，NPK處理的50—250 μm粒級(jí)復(fù)合體的C/N比降低了24.6%，與NPK相比，NPKM處理的50—250 μm粒級(jí)復(fù)合體C/N比提高了13.4%；長期不同施肥顯著影響各粒級(jí)有機(jī)無機(jī)復(fù)合體對(duì)土壤SOC、TN的貢獻(xiàn)率，與PK相比，NPK處理50—250 μm粒級(jí)復(fù)合體對(duì)SOC、TN貢獻(xiàn)率分別提高了17.4%和47.4%。與NPK相比，NPKM處理50—250 μm粒級(jí)復(fù)合體對(duì)SOC、TN貢獻(xiàn)率分別提高了39.5%和32.8%?！尽吭诩t壤性水稻土中，長期施肥促使大粒級(jí)有機(jī)無機(jī)復(fù)合體形成；化肥中的氮投入顯著提高50—250μm粒級(jí)復(fù)合體中OC、TNOIC含量和儲(chǔ)量；有機(jī)無機(jī)肥配施有利于提高土壤有機(jī)碳含量，提高大粒級(jí)有機(jī)無機(jī)復(fù)合體比例，有助于保存施入的無機(jī)氮肥，是紅壤性水稻土長期培肥管理的有效措施。

長期施肥；紅壤性水稻土；有機(jī)無機(jī)復(fù)合體；有機(jī)碳；全氮

0 引言

【研究意義】土壤有機(jī)碳（soil organic carbon，SOC）是有機(jī)質(zhì)的重要組成部分，包括動(dòng)植物殘?bào)w、微生物殘?bào)w、分泌物及其部分分解產(chǎn)物和土壤腐殖質(zhì)[1]。土壤全氮（soil total nitrogen，TN）作物生長必需的養(yǎng)分，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也是重要的養(yǎng)分限制因子[2-3]，直接影響農(nóng)田生產(chǎn)力[4-5]。研究表明，土壤中近90%的有機(jī)碳存在于團(tuán)聚體中，其中大部分碳以礦物結(jié)合的形式存在于土壤中，有機(jī)碳與黏粒礦物相互結(jié)合，形成有機(jī)無機(jī)復(fù)合體，受到物理保護(hù)作用，減緩了分解[6-7]。土壤有機(jī)無機(jī)復(fù)合體作為穩(wěn)定性團(tuán)聚體和土壤肥力形成的重要機(jī)制和物質(zhì)基礎(chǔ)[8]，提高土壤有機(jī)無機(jī)復(fù)合體中有機(jī)碳、氮庫儲(chǔ)量是修復(fù)土壤環(huán)境、改善土壤質(zhì)量、減緩氣候變化的重要措施[9-10]。因此研究長期施肥對(duì)有機(jī)無機(jī)復(fù)合體中有機(jī)碳和全氮含量分布的影響更有意義，有利于闡明SOC、TN在土壤中的循環(huán)，為土壤改良及提高土壤肥力提供依據(jù)。【前人研究進(jìn)展】史吉平等[11]研究表明，長期施肥影響土壤有機(jī)無機(jī)復(fù)合體的粒徑分級(jí)，施肥能提高土壤中黏粒級(jí)和粉砂級(jí)復(fù)合體含量，降低細(xì)砂級(jí)復(fù)合體含量。YU等[12]研究認(rèn)為，長期施肥土壤黏粒級(jí)、粉砂級(jí)組分中的SOC含量增加，進(jìn)而促進(jìn)了微團(tuán)聚體的形成，在團(tuán)聚作用中起關(guān)鍵作用。魏朝富等[13]的研究表明，施化肥或有機(jī)無機(jī)肥配施對(duì)水稻土黏粒級(jí)復(fù)合體含量的影響不大，但降低了2—10 μm粒級(jí)復(fù)合體的含量。劉淑霞等[14]研究則認(rèn)為，施肥降低了＜2 μm粒級(jí)復(fù)合體的含量，增加了2—20和20—200 μm粒級(jí)復(fù)合體的含量，且有機(jī)碳主要存在于＜2 μm復(fù)合體中，其次是2—20 μm的復(fù)合體。施肥影響不同粒級(jí)有機(jī)無機(jī)復(fù)合體中碳、氮分布，大多數(shù)研究表明有機(jī)碳在＜2 μm粒級(jí)中含量最高[15]，同時(shí)CHRISTENSEN等[16]研究報(bào)道，氮在＜2 μm粒級(jí)中分布最多。長期施肥表明，土壤有機(jī)碳、全氮含量以在砂粒中含量最低，黏粒中含量最高，其次是粉粒[17]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】以往多側(cè)重于施肥對(duì)不同顆粒土壤SOC、TN的研究，且長期不同施肥對(duì)有機(jī)無機(jī)復(fù)合體含量，碳、氮含量影響的研究結(jié)果不一，尤其是施氮肥及等養(yǎng)分條件下有機(jī)肥替代化肥對(duì)有機(jī)無機(jī)復(fù)合體碳氮分配影響的研究相對(duì)缺乏。紅壤性水稻土是我國南方水稻生產(chǎn)最重要的土壤類型，土壤質(zhì)地黏重，有機(jī)質(zhì)積累量少，膠結(jié)物質(zhì)較少，嚴(yán)重影響紅壤性水稻土團(tuán)聚穩(wěn)定性[18-19]。本文將研究長期施氮肥及有機(jī)肥對(duì)紅壤性水稻土有機(jī)無機(jī)復(fù)合體中有機(jī)碳和全氮特征的影響，深入了解紅壤性水稻土碳、氮的固存機(jī)制。【擬解決的關(guān)鍵問題】本文依托南方典型紅壤丘陵區(qū)水稻土長期定位試驗(yàn)，研究長期施肥下有機(jī)無機(jī)復(fù)合體的分布特征，并分析施肥對(duì)各粒級(jí)有機(jī)無機(jī)復(fù)合體中有機(jī)碳、全氮的含量和儲(chǔ)量，C/N，對(duì)SOC和TN的貢獻(xiàn)率，為紅壤性水稻土管理、提高土壤肥力提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

選擇我國南方具有代表性的紅壤性雙季稻田的長期定位試驗(yàn)，試驗(yàn)始于1984年，試驗(yàn)地位于江西省南昌縣江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院實(shí)驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)（北緯28°57′，東經(jīng)115°94′）。該區(qū)屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，水、熱資源豐富，年平均氣溫17.5℃，年平均降水量1 600 mm。土壤為第四紀(jì)更新世時(shí)期的一種亞黏土狀堆積物發(fā)育的中潴黃泥田，風(fēng)化程度高。種植制度為一年兩熟雙季稻。

長期試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理，3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積為 33.3 m2，小區(qū)間以水泥田埂隔開，各小區(qū)獨(dú)立排灌。試驗(yàn)處理：不施肥（CK）、不施氮肥（PK）、施氮肥（NPK）、施70%氮磷鉀肥+ 30%有機(jī)肥處理（NPKM），其中30%有機(jī)肥配施比例是根據(jù)氮肥用量計(jì)算，磷和鉀用化肥補(bǔ)足。試驗(yàn)點(diǎn)化肥施用量為180 kg N·hm2、60 kg P2O5·hm2、150 kg K2O·hm2；氮肥為尿素，磷肥為過磷酸鈣，鉀肥為氯化鉀；有機(jī)肥為鮮豬糞，養(yǎng)分含量為N 0.45%、P2O50.19%、K2O 0.60%。2017年11月晚稻收獲后，采集0—20 cm耕層土壤樣品，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)5個(gè)點(diǎn)并混合樣品，然后挑出石礫、植物根系等雜物。樣品風(fēng)干后過60目篩備用。1984年試驗(yàn)開始前土壤的基本理化性質(zhì)：有機(jī)質(zhì)含量25.6 g·kg-1，全氮1.36 g·kg-1，全磷0.49 g·kg-1，堿解氮81.6 mg·kg-1，有效磷20.8 mg·kg-1，速效鉀35.0 mg·kg-1，pH 6.05。

1.2 試驗(yàn)方法

土壤不同粒級(jí)有機(jī)無機(jī)復(fù)合體分級(jí)：稱取過60目篩的風(fēng)干土80 g于1 L燒杯中，按水土比為10﹕1加入蒸餾水約800 mL，然后攪拌完全放入超聲波清洗器中以24 kHz頻率打散30 min，接著用蒸餾水沖洗，濾液轉(zhuǎn)移至1 L量筒中，根據(jù)Stockes定律計(jì)算不同粒級(jí)有機(jī)無機(jī)復(fù)合體沉降時(shí)間、采用虹吸法提取不同復(fù)合體[20]，提取出＜2、2—10、10—20和20—50 μm有機(jī)無機(jī)復(fù)合體，將剩余濾液過300目篩，用蒸餾水反復(fù)沖洗至濾液澄清，即得到50—250 μm有機(jī)無機(jī)復(fù)合體。原土和土壤有機(jī)無機(jī)復(fù)合體的有機(jī)碳、全氮采用元素分析儀（Elementar III，Germany）測(cè)定[21]。

1.3 計(jì)算方法

有機(jī)無機(jī)復(fù)合體的有機(jī)碳（OC）和全氮（TNOIC）儲(chǔ)量由式（1）[22]計(jì)算得到：

Y=B×H×C×R （1）

式中，Y代表各粒級(jí)有機(jī)無機(jī)復(fù)合體中OC儲(chǔ)量（t·hm-2）或TNOIC儲(chǔ)量（t·hm2），B表示土壤容重（g·cm-3），H為0.2 m土層深度，C代表各粒級(jí)有機(jī)無機(jī)復(fù)合體OC含量（g·kg-1）或TNOIC含量（g·kg-1），R為各粒級(jí)有機(jī)無機(jī)復(fù)合體所占全土有機(jī)無機(jī)復(fù)合體的百分比（%）。

各粒級(jí)有機(jī)無機(jī)復(fù)合體的OC、TNOIC對(duì)土壤總SOC、TN的貢獻(xiàn)率用式（2）[23]進(jìn)行計(jì)算：

X（%）=E×F/M×100 （2）

式中，X代表復(fù)合體的OC或TNOIC貢獻(xiàn)率（%），E代表各有機(jī)無機(jī)復(fù)合體OC含量（g·kg-1）或TNOIC含量（g·kg-1），F(xiàn)代表各粒級(jí)有機(jī)無機(jī)復(fù)合體含量（%），M代表全土SOC含量（g·kg-1）或TN含量（g·kg-1）。

1.4 數(shù)據(jù)整理與分析

所有數(shù)據(jù)運(yùn)用采用EXCEL 2016和 Origin 8.0 軟件進(jìn)行作圖，運(yùn)用SPSS 19.0軟件進(jìn)行雙因素方差分析，采用最小顯著差數(shù)法檢驗(yàn)處理間差異顯著性（＜0.05）。

2 結(jié)果

2.1 長期施肥下有機(jī)無機(jī)復(fù)合體的分布特征

長期施肥影響各粒級(jí)有機(jī)無機(jī)復(fù)合體的分布（圖1）。長期不施肥條件下，各粒級(jí)有機(jī)無機(jī)復(fù)合體占比表現(xiàn)為：2—10 μm＞20—50 μm＞50—250 μm＞10—20 μm＞2 μm。而長期施肥處理顯著提高了20—50 μm粒級(jí)復(fù)合體比例，降低了＜10 μm粒級(jí)復(fù)合體的比例。所有施肥處理中20—50 μm粒級(jí)復(fù)合體的占比最高，為34.0%—34.6%，＜2 μm粒級(jí)復(fù)合體的最低，為6.4%—9.0%。施肥處理各粒級(jí)復(fù)合體的占比表現(xiàn)為：20—50 μm＞2—10 μm＞50—250 μm＞10—20 μm＞2 μm。不同施肥處理對(duì)各粒級(jí)復(fù)合體占比影響也不同，與CK相比，NPKM處理顯著降低了10—20 μm粒級(jí)復(fù)合體的占比，PK和NPK處理則顯著降低了50—250 μm粒級(jí)有機(jī)無機(jī)復(fù)合體的比例。PK和NPK處理間各粒級(jí)有機(jī)無機(jī)復(fù)合體的分布無顯著差異；與NPK相比，NPKM處理顯著降低了＜2和10—20 μm粒級(jí)復(fù)合體比例，分別降低了26.9%和16.1%，同時(shí)顯著增加了50—250 μm粒級(jí)復(fù)合體比例，增加了26.2%；而2—10和20—50 μm粒級(jí)復(fù)合體的占比沒有顯著改變。

不同字母表示同一粒級(jí)復(fù)合體不同施肥處理間顯著差異（P＜0.05）

2.2 長期施肥下有機(jī)無機(jī)復(fù)合體有機(jī)碳含量及儲(chǔ)量的變化

長期不同施肥對(duì)各粒級(jí)有機(jī)無機(jī)復(fù)合體有機(jī)碳含量影響不同（表1）。在＜50 μm的有機(jī)無機(jī)復(fù)合體中，隨著復(fù)合體粒級(jí)增加，OC含量逐漸降低，而＞50 μm粒級(jí)有機(jī)無機(jī)復(fù)合體中OC含量顯著提高。CK、PK和NPK處理的＜2 μm粒級(jí)復(fù)合體中OC含量最高，而NPKM處理則表現(xiàn)為50— 250 μm粒級(jí)復(fù)合體中的OC含量最高，＜2 μm粒級(jí)復(fù)合體的次之。所有施肥處理均表現(xiàn)為20—50 μm粒級(jí)復(fù)合體的OC含量最低。與PK相比，NPK處理顯著提高＞50 μm粒級(jí)復(fù)合體的OC含量，增幅為36.3%，而＜50 μm粒級(jí)復(fù)合體中OC含量沒有顯著變化。與NPK相比，NPKM處理顯著增加＜2、2—10、20—50和50—250 μm粒級(jí)復(fù)合體中OC含量，增幅分別為11.1%、13.3%、16.7%和35.4%；而10—20 μm粒級(jí)復(fù)合體中OC含量沒有顯著差異。

不同施肥處理之間對(duì)各粒級(jí)有機(jī)無機(jī)復(fù)合體OC儲(chǔ)量影響不同（圖2），OC儲(chǔ)量主要集中在50— 250和2—10 μm粒級(jí)復(fù)合體中。施肥降低了＜2 μm粒級(jí)復(fù)合體OC儲(chǔ)量，同時(shí)增加了20—50 μm粒級(jí)復(fù)合體OC儲(chǔ)量，有機(jī)無機(jī)肥配施對(duì)50—250 μm粒級(jí)復(fù)合體OC儲(chǔ)量增加最多，均達(dá)到顯著水平（＜0.05）。與PK相比，NPK處理顯著增加＜2、2—10和50—250 μm粒級(jí)復(fù)合體中OC儲(chǔ)量，分別增加了18.5%、16.6%和31.2%，其他粒級(jí)復(fù)合體OC儲(chǔ)量均沒有顯著差異；與NPK相比，NPKM顯著降低了＜2和10—20 μm粒級(jí)復(fù)合體中OC儲(chǔ)量，分別為25.6%和17.3%，同時(shí)顯著增加了50—250 μm粒級(jí)復(fù)合體OC儲(chǔ)量，增幅為56.3%。

F：施肥，S：粒級(jí)，F(xiàn)×S：施肥×粒級(jí)。不同字母表示同一粒級(jí)復(fù)合體不同施肥處理間顯著差異（P＜0.05）。**代表在0.01水平下顯著。圖3同

表1 不同處理各粒級(jí)有機(jī)無機(jī)復(fù)合體中OC含量

同列不同小寫字母表示相同粒級(jí)下不同處理間差異達(dá) 0.05 顯著水平，同行不同大寫字母表示相同處理下不同粒級(jí)之間差異達(dá) 0.05 顯著水平。表2、表3同。**代表在0.01水平下顯著。表2同

Values followed by different small letters in a column indicate significant difference at 0.05 level among treatments under the same size, and values followed by different capital letters in a row indicate significant difference at 0.05 level among particle sizes under the same treatment. The same as Table 2 and Table 3. ** Significant at the 0.01 probability levels. The same as Table 2

2.3 長期施肥下有機(jī)無機(jī)復(fù)合體中全氮（TNOIC）含量及儲(chǔ)量的變化

長期不同施肥影響有機(jī)無機(jī)復(fù)合體中TNOIC含量的分布（表2）。在＜50 μm粒級(jí)復(fù)合體中，所有處理的TNOIC含量均隨有機(jī)無機(jī)復(fù)合體粒級(jí)增大而降低，表現(xiàn)為＜2 μm＞2—10 μm＞10—20 μm＞20—50 μm。所有施肥處理＜2 μm粒級(jí)復(fù)合體的TNOIC含量最高，20—50 μm粒級(jí)復(fù)合體TNOIC含量最低，這與OC含量規(guī)律一致。TNOIC主要集中儲(chǔ)存在2—10、20—50和50—250 μm粒級(jí)復(fù)合體中（圖3）與PK相比，NPK處理在＜50 μm粒級(jí)復(fù)合體TNOIC含量沒有顯著差異，顯著增加了50—250 μm粒級(jí)復(fù)合體TNOIC含量，增幅為80.6%；與NPK相比，NPKM處理對(duì)＜20 μm粒級(jí)復(fù)合體TNOIC含量沒有顯著差異，顯著增加了20—50和50—250 μm粒級(jí)復(fù)合體中TNOIC含量，增幅分別為16.7%和19.5%。

表2 不同處理各粒級(jí)有機(jī)無機(jī)復(fù)合體全氮含量

全氮儲(chǔ)量與有機(jī)碳儲(chǔ)量規(guī)律一致，與PK相比，NPK處理顯著提高＜2和50—250 μm粒級(jí)復(fù)合體中TNOIC的儲(chǔ)量（＜0.05），分別提高了18.8%和73.7%；與NPK相比，NPKM顯著降低了＜2 μm粒級(jí)復(fù)合體中TNOIC的儲(chǔ)量，為27.4%，同時(shí)顯著增加了50—250 μm粒級(jí)復(fù)合體TNOIC儲(chǔ)量，增幅達(dá)到38.6%，有機(jī)肥的施用對(duì)10—50 μm粒級(jí)復(fù)合體中TNOIC儲(chǔ)量沒有顯著差異。

2.4 長期施肥下有機(jī)無機(jī)復(fù)合體C/N的變化

土壤碳氮比（C/N）影響土壤有機(jī)物的礦化過程及生物固持過程，C/N比值穩(wěn)定程度對(duì)土壤性狀和作物生長具有重要意義。長期不同施肥對(duì)有機(jī)無機(jī)復(fù)合體各粒級(jí)C/N影響不同（表3），所有粒級(jí)的C/N比值均隨著復(fù)合體粒級(jí)增加而增加，具體表現(xiàn)為50—250 μm＞20—50 μm＞10—20 μm ＞2—10 μm＞2 μm。施肥對(duì)＜50 μm粒級(jí)復(fù)合體各粒級(jí)C/N比值無顯著影響；10—20 μm粒級(jí)復(fù)合體CK處理的C/N比值高于施肥處理，其他粒級(jí)復(fù)合體的C/N在不同處理間均沒有顯著變化；施肥顯著影響50—250 μm粒級(jí)復(fù)合體的C/N比值，與PK相比，NPK處理顯著降低24.6%；與NPK相比，NPKM則顯著增加了13.4%。

表3 不同施肥對(duì)各粒級(jí)有機(jī)無機(jī)復(fù)合體的碳氮比影響

2.5 長期施肥下不同粒級(jí)有機(jī)無機(jī)復(fù)合體對(duì)土壤有機(jī)碳、全氮貢獻(xiàn)率的變化

不同施肥各粒級(jí)有機(jī)無機(jī)復(fù)合體對(duì)土壤SOC、TN的貢獻(xiàn)率存在不同（圖4-A）。圖4-A是各粒級(jí)復(fù)合體對(duì)土壤SOC的貢獻(xiàn)率，與PK相比，NPK處理顯著增加了50—250 μm粒級(jí)復(fù)合體對(duì)SOC的貢獻(xiàn)率，增幅為17.4%，其他粒級(jí)復(fù)合體均沒有顯著差異；與NPK相比，NPKM顯著降低了＜2、2—10、10—20 μm粒級(jí)復(fù)合體對(duì)SOC貢獻(xiàn)率，分別降低33.7%、9.4%和26.2%，同時(shí)顯著增加了50—250 μm粒級(jí)復(fù)合體對(duì)SOC貢獻(xiàn)率，增幅為39.5%，20—50 μm粒級(jí)復(fù)合體對(duì)SOC貢獻(xiàn)率沒有顯著變化。

圖4-B為各粒級(jí)復(fù)合體對(duì)土壤TN的貢獻(xiàn)率，與PK相比，NPK處理顯著降低了10—20、20—50 μm粒級(jí)復(fù)合體對(duì)TN貢獻(xiàn)率，分別降低18.7%和19.4%，同時(shí)顯著增加了50—250 μm粒級(jí)復(fù)合體對(duì)TN貢獻(xiàn)率，增幅為47.4%，＜10 μm粒級(jí)復(fù)合體沒有顯著變化；與NPK相比，NPKM處理顯著降低了＜2和10—20 μm粒級(jí)復(fù)合體對(duì)TN貢獻(xiàn)率，分別降低了30.2%和20.5%，顯著增加了50—250 μm粒級(jí)復(fù)合體對(duì)TN貢獻(xiàn)率，增幅為32.8%，2—10和20—50 μm粒級(jí)復(fù)合體對(duì)TN貢獻(xiàn)率差異不顯著。

圖4 各粒級(jí)有機(jī)無機(jī)復(fù)合體對(duì)SOC、TN的貢獻(xiàn)率

3 討論

3.1 長期不同施肥對(duì)不同粒級(jí)有機(jī)無機(jī)復(fù)合體分布的影響

有機(jī)無機(jī)復(fù)合體形成主要受有機(jī)質(zhì)與黏土礦物的影響。TISDALL等[24]提出層次性機(jī)制，微團(tuán)聚體在有機(jī)質(zhì)、黏粒礦物膠結(jié)作用下形成大團(tuán)聚體[25-26]。有機(jī)無機(jī)復(fù)合體也符合層次機(jī)制。分析結(jié)果表明，與不施肥對(duì)照相比，所有施肥處理顯著降低＜10 μm粒級(jí)復(fù)合體比例，提高了20—50 μm粒級(jí)復(fù)合體的比例。主要是因?yàn)殚L期施肥提高了土壤有機(jī)碳的含量，有機(jī)碳與小粒級(jí)黏粒礦物結(jié)合，再經(jīng)膠結(jié)作用形成大粒級(jí)復(fù)合體[27]。本研究發(fā)現(xiàn)，氮磷鉀（NPK）處理和磷鉀（PK）處理對(duì)各粒級(jí)有機(jī)無機(jī)復(fù)合體比例均沒有顯著變化，可能是氮素在土壤中主要以有機(jī)氮的形態(tài)存在，其含量與土壤有機(jī)碳密切相關(guān)[28]。而有機(jī)無機(jī)肥配施與施氮磷鉀肥處理相比，顯著降低了＜2和10—20 μm粒級(jí)復(fù)合體比例，同時(shí)顯著增加了50—250 μm粒級(jí)復(fù)合體比例，造成這種現(xiàn)象的原因是有機(jī)肥的施用，促使＜2 μm粒級(jí)復(fù)合體在膠結(jié)作用下逐漸形成大粒級(jí)復(fù)合體[29]，魏朝富等[13]研究也證實(shí)了這一結(jié)論，2—10 μm粒級(jí)復(fù)合體中松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)和緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量均低于＜2 和＞10 μm粒級(jí)的復(fù)合體，施用有機(jī)肥后，＜2和＞10 μm粒級(jí)復(fù)合體中的松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量顯著增加，新形成的腐殖質(zhì)主要與＜2和＞10 μm粒級(jí)復(fù)合體復(fù)合形成大粒級(jí)復(fù)合體。

3.2 長期施肥對(duì)有機(jī)無機(jī)復(fù)合體OC和TNOIC含量、儲(chǔ)量的影響

不同粒徑有機(jī)無機(jī)復(fù)合體的比表面積和礦物組成有顯著差異，影響其對(duì)有機(jī)碳、全氮的固存[30]。本研究發(fā)現(xiàn)，在＜50 μm粒級(jí)復(fù)合體中，所有處理的OC、TNOIC含量隨著復(fù)合體粒級(jí)增大而減小，其中＜2 μm粒級(jí)有機(jī)無機(jī)復(fù)合體中有OC、TNOIC含量最高，與已有的研究一致[31]。有機(jī)無機(jī)復(fù)合體粒級(jí)越小，比表面積越大，因而與有機(jī)碳的結(jié)合力就越強(qiáng)烈，吸附的有機(jī)碳含量增多[32]。也有研究認(rèn)為，＜2 μm粒級(jí)有機(jī)無機(jī)復(fù)合體在＜50 μm粒級(jí)中OC含量高是因?yàn)榕c土壤的鹽基飽和度、腐殖質(zhì)組成有關(guān)，在鹽基飽和或以胡敏酸為主的土壤中，在1—5 μm粒級(jí)復(fù)合體中OC含量最高，而在淋溶的或以富里酸為主的土壤中，＜2 μm粒級(jí)復(fù)合體中OC含量最高[33]。而50—250 μm粒級(jí)復(fù)合體，比表面積變小，與有機(jī)碳的結(jié)合力減弱，不同施肥處理顯著影響其復(fù)合體中OC含量[34]。在50—250 μm粒級(jí)復(fù)合體中，施磷鉀肥與不施肥對(duì)照相比，OC、TNOIC含量沒有顯著變化，而施氮磷鉀肥與施磷鉀肥相比，OC、TNOIC含量則顯著增加。這是因?yàn)?0—250 μm粒級(jí)復(fù)合體主要是由一些半分解性或新鮮的有機(jī)物質(zhì)組成[35]，氮素是影響50—250 μm粒級(jí)復(fù)合體OC、TNOIC含量的主要因子。在本研究中，與施磷鉀肥相比，施氮磷鉀肥對(duì)＜50 μm各粒級(jí)復(fù)合體OC、TNOIC含量均無顯著影響。邵興芳等[36]研究表明無機(jī)氮肥主要以水溶氮形態(tài)存在于土壤中，有效性高，且積累不多。而黃東邁等[37]研究表明，化肥氮較多地結(jié)合在堿可餾出態(tài)氮和氨基酸氮部分，對(duì)改善土壤的供氮作用不大，積累不多。這些氮可在生物（如微生物或作物根系等）的作用下以生物體或生物死亡殘?bào)w的形式存在于50—250 μm粒級(jí)復(fù)合體中[35]。與施氮磷鉀肥相比，有機(jī)無機(jī)肥配施處理顯著增加了除10—20 μm粒級(jí)以外的所有粒級(jí)復(fù)合體的有OC、TNOIC含量。主要是因?yàn)橛袡C(jī)肥在土壤中氮的殘留量相對(duì)較高，從而增加了土壤有機(jī)氮庫的總量[35]，而10—20 μm粒級(jí)復(fù)合體的碳氮含量沒有變化，可能是因?yàn)樵趶?fù)合體形成過程中氧化還原交替所發(fā)生的鐵解作用會(huì)導(dǎo)致黏土礦物組成的變化，10—20 μm粒級(jí)復(fù)合體比例降低，有機(jī)碳、氮不能完全被該粒級(jí)吸附，進(jìn)入其他粒級(jí)復(fù)合體中[27]。

土壤各粒級(jí)復(fù)合體OC、TNOIC儲(chǔ)量主要受該粒級(jí)有機(jī)碳、全氮含量、容重及復(fù)合體所占比例的影響，有機(jī)碳、全氮主要集中儲(chǔ)存在2—10 μm粒級(jí)復(fù)合體中。陳春蘭等[38]研究認(rèn)為紅壤水稻土有機(jī)碳和全氮儲(chǔ)量存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，這與本研究結(jié)論一致。與施磷鉀肥相比，施氮磷鉀肥顯著增加＜2和50—250 μm粒級(jí)復(fù)合體中OC、TNOIC的儲(chǔ)量。主要是氮肥的投入首先被＜2 μm粒級(jí)復(fù)合體吸附，也有一部分以生物殘?bào)w形式存在于50—250 μm粒級(jí)復(fù)合體中[28]。與施氮磷鉀肥相比，有機(jī)無機(jī)配施處理顯著降低了＜2 μm粒級(jí)復(fù)合體中OC、TNOIC儲(chǔ)量，提高了50—250 μm粒級(jí)復(fù)合體OC、TNOIC儲(chǔ)量，主要是因?yàn)橛袡C(jī)肥中氮首先進(jìn)入2—10 μm粒級(jí)復(fù)合體中，未分解的部分主要進(jìn)入了較粗的粒級(jí)[36]。慈恩等[39]研究結(jié)果表明，＜2 μm粒級(jí)復(fù)合體中的有機(jī)碳屬于活性很低的碳庫。PLANTE等[40]也表示粉粒對(duì)碳的固持能力強(qiáng)于黏粒。

3.3 長期施肥對(duì)有機(jī)無機(jī)復(fù)合體C/N影響

有機(jī)無機(jī)復(fù)合體C/N比值隨粒級(jí)增大而增大，主要因?yàn)橥寥廊康奶岣咄瑫r(shí)影響有機(jī)碳的含量提高[41]。這與前人研究結(jié)果一致[42]。土壤碳氮比是作為反映有機(jī)物的腐殖化程度的一個(gè)指標(biāo)[43]，C/N值越低，說明有機(jī)物的腐殖程度越高，表明有機(jī)無機(jī)復(fù)合體越小，其包被的有機(jī)質(zhì)的腐解程度越高，反之亦然[44]。郭菊花等[45]研究也表明，土壤團(tuán)聚體的C/N值隨團(tuán)聚體粒級(jí)減小而降低，大團(tuán)聚體由于其穩(wěn)定性較低而易于分散，表明大團(tuán)聚體是由小團(tuán)聚體結(jié)合而成。長期施肥對(duì)有機(jī)無機(jī)復(fù)合體C/N變化主要表現(xiàn)在10—20和50—250 μm粒級(jí)的復(fù)合體上。10—20 μm粒級(jí)復(fù)合體中不施肥處理C/N顯著高于施肥處理，這主要是受施肥影響，該粒級(jí)的氮素含量隨施肥年限延長而增加的幅度遠(yuǎn)大于有機(jī)碳含量所致[25]。而50—250 μm粒級(jí)復(fù)合體中，施磷鉀肥一直消耗土壤中的氮，而氮磷鉀處理由于氮的投入，C/N顯著低于磷鉀處理；有機(jī)無機(jī)肥配施處理由于有機(jī)肥的投入，不僅直接提高土壤的有機(jī)碳含量，而且腐解程度低，所以C/N高于NPK處理[46]。

3.4 有機(jī)無機(jī)復(fù)合體對(duì)土壤有機(jī)碳、全氮貢獻(xiàn)率的影響

長期施肥條件下，2—10 μm粒級(jí)有機(jī)無機(jī)復(fù)合體對(duì)土壤SOC、TN貢獻(xiàn)率最高，主要是因?yàn)椋? μm粒級(jí)復(fù)合體在土壤孔隙中沉降，而2—10 μm粒級(jí)復(fù)合體比例顯著提高，同時(shí)該粒級(jí)黏土礦物比表面積最大，吸附的有機(jī)碳、全氮最多[33]。與施磷鉀肥相比，氮磷鉀肥主要增大50—250 μm粒級(jí)復(fù)合體對(duì)SOC和TN的貢獻(xiàn)率，有機(jī)無機(jī)肥配施條件下，以50—250 μm粒級(jí)復(fù)合體的貢獻(xiàn)率最大，是因?yàn)樵谛×＜?jí)復(fù)合體轉(zhuǎn)變成大粒級(jí)復(fù)合體的過程，吸附的有機(jī)碳、全氮含量增多。施有機(jī)肥顯著增加50—250 μm粒級(jí)復(fù)合體對(duì)SOC和TN貢獻(xiàn)率[30]，因此，2—10和50—250 μm粒級(jí)復(fù)合體是紅壤性水稻土有機(jī)碳和全氮的主要載體。

4 結(jié)論

長期施肥降低了＜10 μm粒級(jí)、增加了20—50 μm粒級(jí)有機(jī)無機(jī)復(fù)合體比例，促使小粒級(jí)向大粒級(jí)復(fù)合體的形成，有機(jī)無機(jī)肥配施與其他施肥處理相比對(duì)50—250 μm粒級(jí)復(fù)合體形成更顯著。

與施磷鉀肥相比，氮磷鉀處理和有機(jī)無機(jī)肥配施均提高了50—250 μm粒級(jí)復(fù)合體的有機(jī)碳、全氮含量和儲(chǔ)量，同時(shí)提高了該粒級(jí)復(fù)合體對(duì)SOC和TN的貢獻(xiàn)率，降低了C/N值。施氮肥增加了＜2 μm粒級(jí)復(fù)合體的有機(jī)碳、全氮儲(chǔ)量。有機(jī)肥促使50—250 μm粒級(jí)復(fù)合體中碳、氮養(yǎng)分積累，對(duì)碳、氮固存具有重要作用。

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Response of Carbon and Nitrogen Distribution in Organo-Mineral Complexes of Red Paddy Soil to Long-Term Fertilization

LI Hao1, 2, CHEN Jin3, WANG HongLiang2, LIU KaiLou4, HAN TianFu1, DU JiangXue1, SHEN Zhe1, LIU LiSheng1, 5, HUANG Jing1,5, ZHANG HuiMin1, 5

1Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Arable Land Quality Monitoring and Evaluation, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100081;2School of Resources and Environment, Henan Institute of Science and Technology, Xinxiang 453003, Henan;3Soil and Fertilizer & Resources and Environment Institute, Jiangxi Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Crop Ecophysiology and Farming System for the Middle and Lower Reaches of the Yangtze River, Ministry of Agriculture and Rural Affairs/National Engineering and Technology Research Center for Red Soil Improvement, Nanchang 330200;4Jiangxi 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 and Rural Affairs, Nanchang 330046;5Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Qiyang Farmland Ecosystem National Observation and Research Station, Qiyang 426182, Hunan

【】The effects of long-term fertilization on the distribution of organic carbon (OC) and total nitrogen (TNOIC) of organo-mineral complexes in red paddy soil were studied, so as to provide a basis for long-term management and cultivation of soil fertility in red paddy soil. 【】The red paddy soils in long-term fertilization experiment were studied (Since 1984), which included four treatments: no fertilization (CK), inorganic P and K fertilizers (PK), inorganic N, P and K fertilizers (NPK), and NPK plus manure (NPKM, 70%NPK plus 30% manure). Soil samples of 0-20 cm soil layer were collected, and the distribution of organo-mineral complexes at each particle level (＜2 μm, 2-10 μm, 10-20 μm, 20-50 μm, and 50-250 μm) was analyzed. The effects of fertilization on the content, storage of organic carbon and total nitrogen as well as the carbon-nitrogen ratio (C/N) were discussed. The effects of OC and TNOICcontents in organo-mineral complex on contribution rate of SOC and TN contents in red paddy soil were investigated too.【】Compared with the CK treatment, the fertilization treatment significantly increased the particle size ratio of 20-50 μm and decreased the particle size ratio of ＜10 μm. Compared with other fertilization treatments, NPKM treatment increased the proportion of 50-250 μm grain size complex more significantly. Different fertilization treatments had different effects on the content of OC and TNOICin grain size. Compared with PK, the content of OC and TNOICin grain size from 50 μm to 250 μm under NPK treatment increased 36.3% and 80.6%, respectively. Compared with NPK, the content of OC and TNOICin 50-250 μm granular complex increased by 35.4% and 19.5% under NPKM treatment, respectively. The OC and TNOICstorage of the organic and inorganic complexes were mainly distributed at the 10-20 μm particle level. And fertilization significantly reduced the storage of ＜2 μm particle-level complex OC and TNOIC, but increased the storage of OC and TNOICat 20-50 μm particle-level. Compared with PK treatment, the OC storages of ＜2 μm and 50-250 μm particle-level complexes treated by NPK increased by 18.5% and 31.2%, respectively, and the storages of TNOICincreased by 18.8% and 73.7%, respectively. Compared with NPK, the NPKM treatment reduced the OC and TNOICstorages of the ＜2 μm particle-level complex by 25.6% and 27.4%, respectively, while OC and TNOICstorages of 50-250 μm particle-level complex increased by 56.3% and 38.6%, respectively. Fertilization significantly influenced the C/N ratio of 50-250 μm particles. Compared with PK, the C/N ratio of 50-250 μm fraction treated with NPK decreased by 24.6%; compared with NPK, the C/N ratio of 50-250 μm fraction treated with NPKM was increased by 13.4%. Fertilization significantly affected the contribution rate of organo-mineral complexes of each particle size to SOC and TN content. Compared with PK, the contribution rate of NPK treatment 50-250 μm particle-level complex to SOC and TN increased by 17.4% and 47.4%, respectively. Compared with NPK, the contribution rate of NPKM treatment 50-250 μm particle to SOC and TN were reduced by 39.5% and 32.8%, respectively.【】In red paddy soil, the long-term fertilization promoted the formation of large-grain organo-mineral complexes. The nitrogen input in the chemical fertilizers significantly increased the grain-level organic carbon, total nitrogen content and storage of the granular grade of 50-250 μm. The organo-mineral combined application was conducive to increasing the soil organic carbon content and the proportion of large-grain organo-mineral complexes, which was helping to preserve the inorganic nitrogen fertilizer application. Therefore, organic and inorganic compound application was an effective measure for long-term fertilization management of red paddy soils.

long-term fertilization; red paddy soil; organo-mineral complex; organic carbon; total nitrogen

2022-02-27；

2022-04-29

國家自然科學(xué)基金（41671301）、國家紅壤改良工程技術(shù)研究中心開放基金（2020NETRCRSI-9）、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFD0300901）

李浩，E-mail：lihao00001@126.com。通信作者王洪亮，E-mail：wanghlzb@163.com。通信作者張會(huì)民，E-mail：zhanghuimin@caas.cn

（責(zé)任編輯 李云霞）