红壤性水稻土有机碳及其物理、化学组分对施肥措施的响应

范 钊，高绘文，吴建富，魏宗强，颜 晓

（江西农业大学 国土资源与环境学院/江西省鄱阳湖流域农业资源与生态重点实验室，江西 南昌 330045）

【研究意义】有机碳（organic carbon，OC）在土壤肥力和全球碳循环中扮演着举足轻重的角色。作为土壤肥力的关键性指标，其在土壤中含量的变化会直接影响作物的产量[1]，因此，提高并保持土壤有机碳含量对提高作物产量尤为必要。一般认为有机碳在土壤中受到物理、化肥、生物等保护[2]，得以在土壤中固存，而有机碳的分组对于了解有机碳的固定机制具有重要的意义[3]。同时，了解有机碳在土壤中的固定机制是提高土壤有机碳含量的关键线索。【研究进展】秸秆、紫云英还田作为农业土壤中主要的碳源输入方式之一，其对黑壤、黄壤、红壤及水田、旱地土壤有机碳含量均有显著的提高[4-6]，同时还能改善土壤团聚体结构[7]，增强有机碳与土壤矿物结合[8]，影响土壤微生物群落[9]，但大多数都是以旱地为研究对象。【本研究切入点】土壤有机碳分组的报道主要集中在森林土壤[10-11]、草地土壤[12-13]，而对水稻土壤的报道不多，尤其是秸秆、紫云英联合还田对红壤性水稻土有机碳的固定机制及各组分分布的影响极少报道。【拟解决的关键问题】本文以红色黏土发育的水稻土为研究对象，探究秸秆和紫云英还田对水稻土壤团聚体、团聚体结合态、活性碳库、惰性碳库、土壤各粒径及有机碳分布的影响，为了解水稻土壤有机碳的固定机制及各组分分布状况，改善土壤结构，维持土壤地力提供依据。

1 材料与方法

1.1 地区概况及供试材料

江西省宜春市上高县泗溪镇曾家村江西农业大学上高创新基地双季稻田间试验始于2017 年，隶属于亚热带季风湿润气候，年均温度17.6 ℃，年均雨量1 700 mm。该区历年种植水稻，试验前土壤基本理化性质为：有机质30.91 g/kg，全氮1.82 g/kg，碱解氮128.3 mg/kg，有效磷28.12 mg/kg，速效钾92.69 mg/kg，pH5.06。

早晚稻供试品种分别为陵两优7717 和隆香优华占。供试化肥为尿素（N 46%）、磷酸二铵（N 15%、P2O542%）、氯化钾（K2O 60%）。供试紫云英养分含量为N2.19%、P2O50.48%、K2O 2.01%、C 35.89%；水稻秸秆养分含量为N 0.61%、P2O50.15%、K2O 1.65%、C 32.52%。

1.2 试验设计

设5 个处理：无肥（CK）、单施氮磷钾化肥（F）、紫云英（早稻基肥）+氮磷钾化肥（MF）、秸秆（早、晚稻基肥）+氮磷钾化肥（SF）、紫云英（早稻基肥）+秸秆（晚稻基肥）+氮磷钾化肥（MSF）。各处理随机排列，小区面积为15 m2，重复4次，小区间筑土埂隔开，并用塑料薄膜覆盖埂体，单排单灌。水稻移栽前15 d紫云英（鲜草）还田22 500 kg/hm2，秸秆（折干草）还田3 000 kg/hm2作基肥，早稻秸秆水稻移栽前15 d 还田，作晚稻基肥的稻草在早稻收割后当天施入。各处理N、P2O5、K2O 养分用量相等，紫云英和稻草输入养分用量按实际测定养分含量的结果进行折算，不足的数量用化肥补足。早稻氮肥按基肥∶分蘖肥∶穂肥=5∶2∶3施用，晚稻氮肥按4∶2∶4 施用；早晚稻钾肥按5∶2∶3 施用，磷肥均做基肥施用。水稻人工移栽，插秧密度分别为：早稻13.3 cm×23.3 cm；晚稻13.3 cm×26.6 cm，其他按常规栽培要求进行。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 土壤取样 2019年晚稻收割后，按“S”型线路采集耕作层土样，混合均匀风干后备用。

1.3.2 总有机碳含量 土壤风干过0.15 mm筛，用元素分析仪测定。

1.3.3 团聚体分级各组分质量及有机碳含量 根据Elliott[14]提出的湿筛法将土壤团聚体分级为大团聚体Ma1（＞2 mm）和Ma2（0.25～2 mm）、微团聚体Mi（0.053～0.25 mm）、粘粉粒s+c（＜0.053 mm）。烘干后，称量各级团聚体质量，各组分有机碳用elementar元素分析仪测定。

1.3.4 大团聚体（Ma1+Ma2）各组分质量与有机碳含量 根据Elliott[14]提出的湿筛法将大团聚体分级为粗颗粒态有机质M-cPOM（＞0.25 mm）、微团聚体M-Mi（0.053～0.25 mm）、粘粉粒M-s+c（＜0.053 mm）。烘干后，称量各级团聚体质量，各组分有机碳用elementar元素分析仪测定。

1.3.5 土壤粒径各组分质量及有机碳含量 根据Diochon 等[15]提出的方法分组为轻组（LF）、重组沙粒（HL-sand）、重组粘粉粒（HL-s+c）。利用elementar元素分析仪测定各组分有机碳含量。

1.3.6 酸水解有机碳含量 根据Vallejo[16]所提出的硫酸水解法，分离出活性炭库1（LP1-C）、活性碳库2（LP2-C）、惰性碳库（RP-C）。活性碳库有机碳含量用德国耶拿TOC 分析仪[17]测定。惰性碳库则根据差值法计算。

1.3.7 数据处理 运用Excel 2010 和SPSS16.0 软件进行试验数据的处理和统计分析，利用Duncan 新复极差法（LSR）进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同施肥措施对土壤总有机碳含量的影响

由图1 可知，土壤总有机碳含量处理F 与处理CK 差异不显著，而处理SF、MF 和MSF 均显著高于处理CK 和处理F，增幅分别为21.43%～33.16%（P＜0.05）和28.79%～41.23%（P＜0.05）。处理SF与MF无显著差异，但均显著小于处理MSF，降幅为8.5%～9.66%（P＜0.05）。说明紫云英和秸秆还田能显著增加土壤有机碳的含量，其效果以处理MSF为最佳。

2.2 不同施肥措施对土壤团聚体分布及团聚体结合碳的影响

2.2.1 不同施肥措施下土壤团聚体分布状况 图2 可知，不同施肥措施下团聚体分布状况为，Ma（Ma1+Ma2）约占43%～63%，Ma1 中，处理MF 与MSF 之间差异不明显，但均显著大于处理SF、F 和CK，处理F 与CK之间无差异，相比于F，处理SF显著提高；Ma2中，处理SF与MSF差异不显著，却均显著大于处理MF、F和CK，而CK、F和MF之间无显著差异；Mi约为25%～32%，处理MSF、MF和SF之间无显著差异，但均显著小于处理F和CK，而处理CK与F之间无显著差异；s+c约为12%～25%，处理SF、MF和MSF之间无显著差异，却均显著小于处理CK和F，而处理CK与F之间无显著差异。说明秸秆、紫云英还田能够显著降低土壤Mi和s+c含量，促进土壤大团聚体的形成，从而显著提高土壤Ma含量。

图2 不同施肥措施下各级团聚体的质量百分比Fig.2 The mass percentage of aggregates at different levels under different fertilization measures

2.2.2 不同施肥措施下土壤团聚体结合态有机碳分布状况 由图3 可知，Ma1 中，土壤有机碳含量表现为处理MSF≈MF＞SF＞F≈CK，相比处理F，处理MSF、SF、MF 增幅分别为141.65%（P＜0.05）、89.64%（P＜0.05）和130.52%（P＜0.05）；Ma2 中，有机碳含量表现为处理MSF＞MF＞SF≈CK＞F，与处理F 相比，处理SF、MF、MSF 增幅分别为48.31%（P＜0.05）、26.55%（P＜0.05）和70.28%（P＜0.05），总体来说Ma（Ma1+Ma2）中的有机碳含量表现为处理CK≈F＜SF≈MF＜MSF；Mi 中，各处理有机碳含量无显著差异；s+c 中，处理F 与CK 之间无明显差异，而处理MSF、SF 均显著低于处理F，降幅分别为25.38%（P＜0.05）和19.57%（P＜0.05）。说明紫云英、秸秆还田能够显著提高土壤Ma 有机碳的含量，降低s+c 中有机碳含量，但对Mi无显著影响。

图3 不同施肥措施下土壤中各级团聚体有机碳含量Fig.3 Organic carbon content of aggregates at all levels in soil under different fertilization measures

2.2.3 大团聚体内团聚体及其各组分有机碳分布状况 由表1 可知，土壤团聚体质量百分比中，McPOM 和M-Mi 均表现为处理SF、MF 和MSF 之间无显著差异，但均显著高于处理F 和CK，较处理F 平均增幅分别为77.48%和40.12%，而处理F 和CK 无明显差异。M-s+c 中，处理之间无显著差异。说明紫云英、秸秆还田有利于M-cPOM和M-Mi的形成，而对M-s+c影响不明显。

在团聚体有机碳含量上，M-cPOM 中，处理MSF、MF 和SF 均显著高于F，增幅分别为48.18%（P＜0.05）、28.39%（P＜0.05）和28.39%（P＜0.05），而处理MSF显著高于MF和SF，处理SF和MF差异不显著，处理F 显著高于处理CK，M-Mi 中，处理SF、MF 和MSF 均显著高于处理F 和CK，较处理F 增幅分别为55.61%（P＜0.05）、43.14%（P＜0.05）和74.06%（P＜0.05），而处理F 和CK 差异不显著；M-s+c 中，处理MSF、MF 和SF 均显著高于处理F 和CK，较处理F 增幅分别为22.10%（P＜0.05）、33.33%（P＜0.05）和42.75%（P＜0.05），而处理F与CK无显著差异。说明紫云英、秸秆还田有利于提高各级团聚体中有机碳含量。

表1 不同施肥措施下土壤团聚体百分比及其有机碳分布含量Tab.1 Percentage of soil aggregates and their organic carbon distribution under different fertilization measures

2.3 不同施肥措施对各土壤粒径质量及有机碳含量的影响

由表2 可知，HL-s+c 在各粒径有机碳中质量占比为62.70%～69.58%，处理F 与CK 无显著差异，而处理SF、MF和MSF均显著低于处理F，降幅分别为9.61%（P＜0.05）、5.31%（P＜0.05）和6.13%（P＜0.05），处理SF与MF、MSF存在显著差异；HL-sand中，处理MSF、MF和SF均显著大于处理F，增幅分别为13.20%（P＜0.05）、10.53%（P＜0.05）和20.13%（P＜0.05）；LF 质量占比表现为处理SF≈MSF≈MF＞F≈CK。说明秸秆、紫云英还田能显著提高LF、HL-sand质量占比，减少HL-s+c的质量占比。

表2 不同施肥措施下土壤各粒径有机碳质量及其含量Tab.2 Organic carbon quality and content of soil particle size under different fertilization measures

HL-s+c 中有机碳含量，处理SF、MSF 和MF 差异不显著，较处理F，增幅分别为16.43%（P＜0.05）、24.16%（P＜0.05）和17.75%（P＜0.05），而处理CK 与F 差异不显著；HL-sand 中处理SF、MF 和MSF 有机碳含量均显著高于处理F，增幅分别为105.74%（P＜0.05）、66.83%（P＜0.05）和98.25%（P＜0.05），其中处理SF与MSF 之间无显著差异，均显著大于处理MF；LF 中处理SF、MF 和MSF 之间存在显著差异性，表现为MSF＞MF＞SF。相对于处理F，处理SF、MF 和MSF 均显著增加，增幅分别为17.39%（P＜0.05）、50.99%（P＜0.05）和68.77%（P＜0.05），处理F 与CK 无显著差异。说明秸秆、紫云英还田能够提高HL-s+c、HL-sand、LF中有机碳含量。

2.4 不同施肥措施对土壤活性、惰性碳库的影响

表3 可知，RP-C 中有机碳占总碳库76.82%～80.94%。处理SF、MF 和MSF 之间无明显差异，却均显著大于处理F，增幅分别为33.42%（P＜0.05）、21.89%（P＜0.05）和31.75%（P＜0.05），而CK 与F 之间无显著差异；LP1-C 中，SF、MF 和MSF 有机碳含量均显著高于处理F，增幅分别为44.12%（P＜0.05）、67.65%（P＜0.05）和71.43%（P＜0.05），而处理F与CK无显著差异，SF与MSF、MF之间存在显著差异；LP2-C有机碳含量占比最少，处理MSF、SF 和MF 有机碳含量之间无显著差异，但均显著大于处理F，增幅分别为21.77%（P＜0.05）、17.01%（P＜0.05）和15.65%（P＜0.05），而CK 与F 之间无显著差异。说明秸秆、紫云英的还田能够提高各碳库有机碳含量。

表3 不同施肥措施下各有机碳库中有机碳的含量Tab.3 Contents of organic carbon in each organic carbon pool under different fertilization treatments

4 结论与讨论

微生物的腐殖质化作用、团聚体的包裹、有机无机复合作用等会使得投入土壤中的有机质及养分被保蓄起来[18-20]，提升土壤有机碳含量及土壤肥力。结果表明，相对于处理F和CK，秸秆、紫云英还田能显著增加土壤总有机碳含量，这与大多数研究结果[21-23]相一致。一般认为Ma作为土壤的优质团聚体结构，常与土壤物理特性及肥力相关联[3,24]，而Ma 含量的增加可以通过有机物料的投入、合理的耕作措施及植被覆盖等措施。李艳等[25]表明，秸秆还田能提高土壤孔隙度、持水量及Ma 含量，并提高Ma 中有机碳含量。本次研究结果与其基本一致，秸秆、紫云英还田后，Ma、M-cPOM、M-Mi所占比例及其有机碳含量增大，而s+c 比例及其有机碳含量却显著降低。Six[3]认为，植株残体进入土壤后，首先被真菌等微生物利用，微生物分泌物会将＞250µm 粒级的粗颗粒有机质与粘粒相粘合形成250～2 000µm 大团聚体，这已被Angers 等[26]利用13C 技术所证实。而后粗颗粒有机质进一步分解成250～53µm 粒级细颗粒有机质，细颗粒有机质继续在微生物的作用下分解，与粘粒结合在大团聚体内部形成更为稳定的微团聚体。本次试验结果也得到证实。

Turchenek 和Oades 在20 世纪80 年代对土壤有机碳研究时提出密度分组，分为轻组（LF）与重组（HF）[27]，重组可再进行粒径分组为沙粒（HF-sand）、粘粉粒（HL-s+c）。轻组（LF）、沙粒（HF-sand）中所结合的有机碳为活性碳易腐解，是衡量SOC 变化的重要指标。试验数据表明，HL-s+c 有机碳含量占比高达53.97%～65.05%，与Christensen[28]结论相近。LF、沙粒（HF-sand）中的有机质主要为植株残体[28]，较处理CK，LF、HL-sand质量占比显著提高而HL-s+c质量占比降低，但各粒径有机碳含量都显著增加。一般认为秸秆、紫云英还田，补充了土壤微生物生命活动所需底物，促进了土壤微生物快速繁殖，提高了土壤中胶结性物质含量，从而促使粘粉粒与粗颗粒有机质粘结形成大团粒土壤结构。经两季时间，部分植物残体处于未完全腐解或半腐解状态，而使得LF、HL-sand 质量占比及有机碳含量提高。Jafarzadeh-Haghighi等[29]也认为LF及HL-sand有机碳含量的增加归功于秸秆碳的投入。HL-s+c中有机碳是土壤中稳定的碳库，主要为芳香族物质及微生物合成物质，易受土壤微生物所影响，因此，秸秆、紫云英还田对土壤各粒径组分有机碳影响有一定的差异性，但所影响的趋势都大致相同，即相对CK，其他施肥处理中各粒径组分有机碳含量都显著增加。

土壤有机碳的化学分组是根据溶解性、水解性和氧化性等机理进行分组，能直观的体现有机碳被矿化利用的化学稳定性。Poeplau 等[30]所发现，相较于其他化学分组法，硫酸水解法所分离的各组分，更能直观的反映表征土壤有机碳的周转状况。一般认为，LP1-C 主要来源植物分解以及微生物产生的多糖物质[31]，而这些产物对微生物和土壤酶的响应较为强烈。张海晶等[32]查阅大量资料发现，秸秆的添加，能显著增加表层土壤微生物及土壤酶活性，同时LP2-C大部分由纤维素组成。因此试验中秸秆、紫云英还田后，使用硫酸水解法进行化学分组，LP1-C、LP2-C 变化趋势与上述原由相互照应，即两组活性碳库均显著增加。水稻秸秆含有大量的木质素和半纤维素[33]，难以被微生物所利用而降解[34]。而RP-C 主要来源为木质素和半纤维素[31]，因此，秸秆的添加造成RP-C的增大。

综合上述表明，秸秆、紫云英还田能够显著影响土壤有机碳含量及其物理、化学组分质量及含量分布，从而提高土壤肥力。