红壤性水稻土有机无机复合体中碳氮特征对长期施肥的响应

李浩，陈金，王洪亮，柳开楼，韩天富，都江雪，申哲，刘立生,5，黄晶,5，张会民,5

红壤性水稻土有机无机复合体中碳氮特征对长期施肥的响应

李浩1,2，陈金3，王洪亮2，柳开楼4，韩天富1，都江雪1，申哲1，刘立生1,5，黄晶1,5，张会民1,5

1中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业农村部耕地质量监测与评价重点实验室，北京 100081；2河南科技学院资源与环境学院，河南新乡 453003；3江西省农业科学院土壤肥料与资源环境研究所/农业农村部长江中下游作物生理生态与耕作重点实验室/国家红壤改良工程技术研究中心，南昌 330200；4江西省红壤研究所/国家红壤改良工程技术研究中心/农业农村部江西耕地保育科学观测实验站，南昌 330046；5中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/祁阳农田生态系统国家野外科学观测研究站，湖南祁阳 426182

【】研究长期施肥对红壤性水稻土有机无机复合体中有机碳（OC）、全氮（TNOIC）特征的影响，为红壤性水稻土管理和培育土壤肥力提供依据。【】以长期定位施肥试验的红壤性水稻土为研究对象（始于1984年），选取CK（不施肥）、PK（施磷钾肥）、NPK（施氮磷钾肥）、NPKM（施70%氮磷钾肥+ 30%有机肥）4个处理。采集0—20 cm土层土样，分析各粒级（＜2、2—10、10—20、20—50和50—250 μm）有机无机复合体的分布，并探讨施肥对复合体中有机碳（OC）和全氮（TNOIC）含量、储量和碳氮比（C/N）的影响，以及有机无机复合体中OC和TNOIC对红壤性水稻土有机碳（SOC）、全氮（TN）贡献率的影响。【】与不施肥CK相比，施肥处理显著提高了20—50 μm粒级复合体的比例，降低了＜10 μm粒级复合体比例，而NPKM处理与其他施肥处理相比，50—250 μm粒级复合体的比例增加更显著；不同施肥对各粒级复合体中OC和TNOIC含量影响不同，与PK相比，NPK处理的50—250 μm粒级复合体中OC和TNOIC分别增加了36.3%、80.6%；与NPK相比，NPKM处理的50—250 μm粒级复合体中OC和TNOIC含量分别增加了35.4%、19.5%，OC和TNOIC主要分布在10—20 μm粒级复合体中，施肥显著降低了＜2 μm粒级复合体OC和TNOIC储量，同时增加了20—50 μm粒级复合体OC和TNOIC储量，与PK相比，NPK处理对＜2和50—250 μm粒级复合体OC储量分别增加了18.5%和31.2%，TNOIC储量分别增加了18.8%和73.7%，与NPK相比，NPKM处理对＜2μm粒级复合体中OC和TNOIC储量分别降低了25.6%和27.4%，而50—250μm粒级复合体则分别提高了56.3%和38.6%；不同施肥处理显著影响50—250 μm粒级复合体的C/N，与PK相比，NPK处理的50—250 μm粒级复合体的C/N比降低了24.6%，与NPK相比，NPKM处理的50—250 μm粒级复合体C/N比提高了13.4%；长期不同施肥显著影响各粒级有机无机复合体对土壤SOC、TN的贡献率，与PK相比，NPK处理50—250 μm粒级复合体对SOC、TN贡献率分别提高了17.4%和47.4%。与NPK相比，NPKM处理50—250 μm粒级复合体对SOC、TN贡献率分别提高了39.5%和32.8%。【】在红壤性水稻土中，长期施肥促使大粒级有机无机复合体形成；化肥中的氮投入显著提高50—250μm粒级复合体中OC、TNOIC含量和储量；有机无机肥配施有利于提高土壤有机碳含量，提高大粒级有机无机复合体比例，有助于保存施入的无机氮肥，是红壤性水稻土长期培肥管理的有效措施。

长期施肥；红壤性水稻土；有机无机复合体；有机碳；全氮

0 引言

【研究意义】土壤有机碳（soil organic carbon，SOC）是有机质的重要组成部分，包括动植物残体、微生物残体、分泌物及其部分分解产物和土壤腐殖质[1]。土壤全氮（soil total nitrogen，TN）作物生长必需的养分，在农业生产中也是重要的养分限制因子[2-3]，直接影响农田生产力[4-5]。研究表明，土壤中近90%的有机碳存在于团聚体中，其中大部分碳以矿物结合的形式存在于土壤中，有机碳与黏粒矿物相互结合，形成有机无机复合体，受到物理保护作用，减缓了分解[6-7]。土壤有机无机复合体作为稳定性团聚体和土壤肥力形成的重要机制和物质基础[8]，提高土壤有机无机复合体中有机碳、氮库储量是修复土壤环境、改善土壤质量、减缓气候变化的重要措施[9-10]。因此研究长期施肥对有机无机复合体中有机碳和全氮含量分布的影响更有意义，有利于阐明SOC、TN在土壤中的循环，为土壤改良及提高土壤肥力提供依据。【前人研究进展】史吉平等[11]研究表明，长期施肥影响土壤有机无机复合体的粒径分级，施肥能提高土壤中黏粒级和粉砂级复合体含量，降低细砂级复合体含量。YU等[12]研究认为，长期施肥土壤黏粒级、粉砂级组分中的SOC含量增加，进而促进了微团聚体的形成，在团聚作用中起关键作用。魏朝富等[13]的研究表明，施化肥或有机无机肥配施对水稻土黏粒级复合体含量的影响不大，但降低了2—10 μm粒级复合体的含量。刘淑霞等[14]研究则认为，施肥降低了＜2 μm粒级复合体的含量，增加了2—20和20—200 μm粒级复合体的含量，且有机碳主要存在于＜2 μm复合体中，其次是2—20 μm的复合体。施肥影响不同粒级有机无机复合体中碳、氮分布，大多数研究表明有机碳在＜2 μm粒级中含量最高[15]，同时CHRISTENSEN等[16]研究报道，氮在＜2 μm粒级中分布最多。长期施肥表明，土壤有机碳、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]。【本研究切入点】以往多侧重于施肥对不同颗粒土壤SOC、TN的研究，且长期不同施肥对有机无机复合体含量，碳、氮含量影响的研究结果不一，尤其是施氮肥及等养分条件下有机肥替代化肥对有机无机复合体碳氮分配影响的研究相对缺乏。红壤性水稻土是我国南方水稻生产最重要的土壤类型，土壤质地黏重，有机质积累量少，胶结物质较少，严重影响红壤性水稻土团聚稳定性[18-19]。本文将研究长期施氮肥及有机肥对红壤性水稻土有机无机复合体中有机碳和全氮特征的影响，深入了解红壤性水稻土碳、氮的固存机制。【拟解决的关键问题】本文依托南方典型红壤丘陵区水稻土长期定位试验，研究长期施肥下有机无机复合体的分布特征，并分析施肥对各粒级有机无机复合体中有机碳、全氮的含量和储量，C/N，对SOC和TN的贡献率，为红壤性水稻土管理、提高土壤肥力提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

选择我国南方具有代表性的红壤性双季稻田的长期定位试验，试验始于1984年，试验地位于江西省南昌县江西省农业科学院实验农场（北纬28°57′，东经115°94′）。该区属于亚热带湿润季风气候，水、热资源丰富，年平均气温17.5℃，年平均降水量1 600 mm。土壤为第四纪更新世时期的一种亚黏土状堆积物发育的中潴黄泥田，风化程度高。种植制度为一年两熟双季稻。

长期试验共设4个处理，3次重复，随机区组排列，小区面积为 33.3 m2，小区间以水泥田埂隔开，各小区独立排灌。试验处理：不施肥（CK）、不施氮肥（PK）、施氮肥（NPK）、施70%氮磷钾肥+ 30%有机肥处理（NPKM），其中30%有机肥配施比例是根据氮肥用量计算，磷和钾用化肥补足。试验点化肥施用量为180 kg N·hm2、60 kg P2O5·hm2、150 kg K2O·hm2；氮肥为尿素，磷肥为过磷酸钙，钾肥为氯化钾；有机肥为鲜猪粪，养分含量为N 0.45%、P2O50.19%、K2O 0.60%。2017年11月晚稻收获后，采集0—20 cm耕层土壤样品，每个小区随机5个点并混合样品，然后挑出石砾、植物根系等杂物。样品风干后过60目筛备用。1984年试验开始前土壤的基本理化性质：有机质含量25.6 g·kg-1，全氮1.36 g·kg-1，全磷0.49 g·kg-1，碱解氮81.6 mg·kg-1，有效磷20.8 mg·kg-1，速效钾35.0 mg·kg-1，pH 6.05。

1.2 试验方法

土壤不同粒级有机无机复合体分级：称取过60目筛的风干土80 g于1 L烧杯中，按水土比为10﹕1加入蒸馏水约800 mL，然后搅拌完全放入超声波清洗器中以24 kHz频率打散30 min，接着用蒸馏水冲洗，滤液转移至1 L量筒中，根据Stockes定律计算不同粒级有机无机复合体沉降时间、采用虹吸法提取不同复合体[20]，提取出＜2、2—10、10—20和20—50 μm有机无机复合体，将剩余滤液过300目筛，用蒸馏水反复冲洗至滤液澄清，即得到50—250 μm有机无机复合体。原土和土壤有机无机复合体的有机碳、全氮采用元素分析仪（Elementar III，Germany）测定[21]。

1.3 计算方法

有机无机复合体的有机碳（OC）和全氮（TNOIC）储量由式（1）[22]计算得到：

Y=B×H×C×R （1）

式中，Y代表各粒级有机无机复合体中OC储量（t·hm-2）或TNOIC储量（t·hm2），B表示土壤容重（g·cm-3），H为0.2 m土层深度，C代表各粒级有机无机复合体OC含量（g·kg-1）或TNOIC含量（g·kg-1），R为各粒级有机无机复合体所占全土有机无机复合体的百分比（%）。

各粒级有机无机复合体的OC、TNOIC对土壤总SOC、TN的贡献率用式（2）[23]进行计算：

X（%）=E×F/M×100 （2）

式中，X代表复合体的OC或TNOIC贡献率（%），E代表各有机无机复合体OC含量（g·kg-1）或TNOIC含量（g·kg-1），F代表各粒级有机无机复合体含量（%），M代表全土SOC含量（g·kg-1）或TN含量（g·kg-1）。

1.4 数据整理与分析

所有数据运用采用EXCEL 2016和 Origin 8.0 软件进行作图，运用SPSS 19.0软件进行双因素方差分析，采用最小显著差数法检验处理间差异显著性（＜0.05）。

2 结果

2.1 长期施肥下有机无机复合体的分布特征

长期施肥影响各粒级有机无机复合体的分布（图1）。长期不施肥条件下，各粒级有机无机复合体占比表现为：2—10 μm＞20—50 μm＞50—250 μm＞10—20 μm＞2 μm。而长期施肥处理显著提高了20—50 μm粒级复合体比例，降低了＜10 μm粒级复合体的比例。所有施肥处理中20—50 μm粒级复合体的占比最高，为34.0%—34.6%，＜2 μm粒级复合体的最低，为6.4%—9.0%。施肥处理各粒级复合体的占比表现为：20—50 μm＞2—10 μm＞50—250 μm＞10—20 μm＞2 μm。不同施肥处理对各粒级复合体占比影响也不同，与CK相比，NPKM处理显著降低了10—20 μm粒级复合体的占比，PK和NPK处理则显著降低了50—250 μm粒级有机无机复合体的比例。PK和NPK处理间各粒级有机无机复合体的分布无显著差异；与NPK相比，NPKM处理显著降低了＜2和10—20 μm粒级复合体比例，分别降低了26.9%和16.1%，同时显著增加了50—250 μm粒级复合体比例，增加了26.2%；而2—10和20—50 μm粒级复合体的占比没有显著改变。

不同字母表示同一粒级复合体不同施肥处理间显著差异（P＜0.05）

2.2 长期施肥下有机无机复合体有机碳含量及储量的变化

长期不同施肥对各粒级有机无机复合体有机碳含量影响不同（表1）。在＜50 μm的有机无机复合体中，随着复合体粒级增加，OC含量逐渐降低，而＞50 μm粒级有机无机复合体中OC含量显著提高。CK、PK和NPK处理的＜2 μm粒级复合体中OC含量最高，而NPKM处理则表现为50— 250 μm粒级复合体中的OC含量最高，＜2 μm粒级复合体的次之。所有施肥处理均表现为20—50 μm粒级复合体的OC含量最低。与PK相比，NPK处理显著提高＞50 μm粒级复合体的OC含量，增幅为36.3%，而＜50 μm粒级复合体中OC含量没有显著变化。与NPK相比，NPKM处理显著增加＜2、2—10、20—50和50—250 μm粒级复合体中OC含量，增幅分别为11.1%、13.3%、16.7%和35.4%；而10—20 μm粒级复合体中OC含量没有显著差异。

不同施肥处理之间对各粒级有机无机复合体OC储量影响不同（图2），OC储量主要集中在50— 250和2—10 μm粒级复合体中。施肥降低了＜2 μm粒级复合体OC储量，同时增加了20—50 μm粒级复合体OC储量，有机无机肥配施对50—250 μm粒级复合体OC储量增加最多，均达到显著水平（＜0.05）。与PK相比，NPK处理显著增加＜2、2—10和50—250 μm粒级复合体中OC储量，分别增加了18.5%、16.6%和31.2%，其他粒级复合体OC储量均没有显著差异；与NPK相比，NPKM显著降低了＜2和10—20 μm粒级复合体中OC储量，分别为25.6%和17.3%，同时显著增加了50—250 μm粒级复合体OC储量，增幅为56.3%。

F：施肥，S：粒级，F×S：施肥×粒级。不同字母表示同一粒级复合体不同施肥处理间显著差异（P＜0.05）。**代表在0.01水平下显著。图3同

表1 不同处理各粒级有机无机复合体中OC含量

同列不同小写字母表示相同粒级下不同处理间差异达 0.05 显著水平，同行不同大写字母表示相同处理下不同粒级之间差异达 0.05 显著水平。表2、表3同。**代表在0.01水平下显著。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 长期施肥下有机无机复合体中全氮（TNOIC）含量及储量的变化

长期不同施肥影响有机无机复合体中TNOIC含量的分布（表2）。在＜50 μm粒级复合体中，所有处理的TNOIC含量均随有机无机复合体粒级增大而降低，表现为＜2 μm＞2—10 μm＞10—20 μm＞20—50 μm。所有施肥处理＜2 μm粒级复合体的TNOIC含量最高，20—50 μm粒级复合体TNOIC含量最低，这与OC含量规律一致。TNOIC主要集中储存在2—10、20—50和50—250 μm粒级复合体中（图3）与PK相比，NPK处理在＜50 μm粒级复合体TNOIC含量没有显著差异，显著增加了50—250 μm粒级复合体TNOIC含量，增幅为80.6%；与NPK相比，NPKM处理对＜20 μm粒级复合体TNOIC含量没有显著差异，显著增加了20—50和50—250 μm粒级复合体中TNOIC含量，增幅分别为16.7%和19.5%。

表2 不同处理各粒级有机无机复合体全氮含量

全氮储量与有机碳储量规律一致，与PK相比，NPK处理显著提高＜2和50—250 μm粒级复合体中TNOIC的储量（＜0.05），分别提高了18.8%和73.7%；与NPK相比，NPKM显著降低了＜2 μm粒级复合体中TNOIC的储量，为27.4%，同时显著增加了50—250 μm粒级复合体TNOIC储量，增幅达到38.6%，有机肥的施用对10—50 μm粒级复合体中TNOIC储量没有显著差异。

2.4 长期施肥下有机无机复合体C/N的变化

土壤碳氮比（C/N）影响土壤有机物的矿化过程及生物固持过程，C/N比值稳定程度对土壤性状和作物生长具有重要意义。长期不同施肥对有机无机复合体各粒级C/N影响不同（表3），所有粒级的C/N比值均随着复合体粒级增加而增加，具体表现为50—250 μm＞20—50 μm＞10—20 μm ＞2—10 μm＞2 μm。施肥对＜50 μm粒级复合体各粒级C/N比值无显著影响；10—20 μm粒级复合体CK处理的C/N比值高于施肥处理，其他粒级复合体的C/N在不同处理间均没有显著变化；施肥显著影响50—250 μm粒级复合体的C/N比值，与PK相比，NPK处理显著降低24.6%；与NPK相比，NPKM则显著增加了13.4%。

表3 不同施肥对各粒级有机无机复合体的碳氮比影响

2.5 长期施肥下不同粒级有机无机复合体对土壤有机碳、全氮贡献率的变化

不同施肥各粒级有机无机复合体对土壤SOC、TN的贡献率存在不同（图4-A）。图4-A是各粒级复合体对土壤SOC的贡献率，与PK相比，NPK处理显著增加了50—250 μm粒级复合体对SOC的贡献率，增幅为17.4%，其他粒级复合体均没有显著差异；与NPK相比，NPKM显著降低了＜2、2—10、10—20 μm粒级复合体对SOC贡献率，分别降低33.7%、9.4%和26.2%，同时显著增加了50—250 μm粒级复合体对SOC贡献率，增幅为39.5%，20—50 μm粒级复合体对SOC贡献率没有显著变化。

图4-B为各粒级复合体对土壤TN的贡献率，与PK相比，NPK处理显著降低了10—20、20—50 μm粒级复合体对TN贡献率，分别降低18.7%和19.4%，同时显著增加了50—250 μm粒级复合体对TN贡献率，增幅为47.4%，＜10 μm粒级复合体没有显著变化；与NPK相比，NPKM处理显著降低了＜2和10—20 μm粒级复合体对TN贡献率，分别降低了30.2%和20.5%，显著增加了50—250 μm粒级复合体对TN贡献率，增幅为32.8%，2—10和20—50 μm粒级复合体对TN贡献率差异不显著。

图4 各粒级有机无机复合体对SOC、TN的贡献率

3 讨论

3.1 长期不同施肥对不同粒级有机无机复合体分布的影响

有机无机复合体形成主要受有机质与黏土矿物的影响。TISDALL等[24]提出层次性机制，微团聚体在有机质、黏粒矿物胶结作用下形成大团聚体[25-26]。有机无机复合体也符合层次机制。分析结果表明，与不施肥对照相比，所有施肥处理显著降低＜10 μm粒级复合体比例，提高了20—50 μm粒级复合体的比例。主要是因为长期施肥提高了土壤有机碳的含量，有机碳与小粒级黏粒矿物结合，再经胶结作用形成大粒级复合体[27]。本研究发现，氮磷钾（NPK）处理和磷钾（PK）处理对各粒级有机无机复合体比例均没有显著变化，可能是氮素在土壤中主要以有机氮的形态存在，其含量与土壤有机碳密切相关[28]。而有机无机肥配施与施氮磷钾肥处理相比，显著降低了＜2和10—20 μm粒级复合体比例，同时显著增加了50—250 μm粒级复合体比例，造成这种现象的原因是有机肥的施用，促使＜2 μm粒级复合体在胶结作用下逐渐形成大粒级复合体[29]，魏朝富等[13]研究也证实了这一结论，2—10 μm粒级复合体中松结态腐殖质和紧结态腐殖质含量均低于＜2 和＞10 μm粒级的复合体，施用有机肥后，＜2和＞10 μm粒级复合体中的松结态腐殖质含量显著增加，新形成的腐殖质主要与＜2和＞10 μm粒级复合体复合形成大粒级复合体。

3.2 长期施肥对有机无机复合体OC和TNOIC含量、储量的影响

不同粒径有机无机复合体的比表面积和矿物组成有显著差异，影响其对有机碳、全氮的固存[30]。本研究发现，在＜50 μm粒级复合体中，所有处理的OC、TNOIC含量随着复合体粒级增大而减小，其中＜2 μm粒级有机无机复合体中有OC、TNOIC含量最高，与已有的研究一致[31]。有机无机复合体粒级越小，比表面积越大，因而与有机碳的结合力就越强烈，吸附的有机碳含量增多[32]。也有研究认为，＜2 μm粒级有机无机复合体在＜50 μm粒级中OC含量高是因为与土壤的盐基饱和度、腐殖质组成有关，在盐基饱和或以胡敏酸为主的土壤中，在1—5 μm粒级复合体中OC含量最高，而在淋溶的或以富里酸为主的土壤中，＜2 μm粒级复合体中OC含量最高[33]。而50—250 μm粒级复合体，比表面积变小，与有机碳的结合力减弱，不同施肥处理显著影响其复合体中OC含量[34]。在50—250 μm粒级复合体中，施磷钾肥与不施肥对照相比，OC、TNOIC含量没有显著变化，而施氮磷钾肥与施磷钾肥相比，OC、TNOIC含量则显著增加。这是因为50—250 μm粒级复合体主要是由一些半分解性或新鲜的有机物质组成[35]，氮素是影响50—250 μm粒级复合体OC、TNOIC含量的主要因子。在本研究中，与施磷钾肥相比，施氮磷钾肥对＜50 μm各粒级复合体OC、TNOIC含量均无显著影响。邵兴芳等[36]研究表明无机氮肥主要以水溶氮形态存在于土壤中，有效性高，且积累不多。而黄东迈等[37]研究表明，化肥氮较多地结合在碱可馏出态氮和氨基酸氮部分，对改善土壤的供氮作用不大，积累不多。这些氮可在生物（如微生物或作物根系等）的作用下以生物体或生物死亡残体的形式存在于50—250 μm粒级复合体中[35]。与施氮磷钾肥相比，有机无机肥配施处理显著增加了除10—20 μm粒级以外的所有粒级复合体的有OC、TNOIC含量。主要是因为有机肥在土壤中氮的残留量相对较高，从而增加了土壤有机氮库的总量[35]，而10—20 μm粒级复合体的碳氮含量没有变化，可能是因为在复合体形成过程中氧化还原交替所发生的铁解作用会导致黏土矿物组成的变化，10—20 μm粒级复合体比例降低，有机碳、氮不能完全被该粒级吸附，进入其他粒级复合体中[27]。

土壤各粒级复合体OC、TNOIC储量主要受该粒级有机碳、全氮含量、容重及复合体所占比例的影响，有机碳、全氮主要集中储存在2—10 μm粒级复合体中。陈春兰等[38]研究认为红壤水稻土有机碳和全氮储量存在极显著正相关关系，这与本研究结论一致。与施磷钾肥相比，施氮磷钾肥显著增加＜2和50—250 μm粒级复合体中OC、TNOIC的储量。主要是氮肥的投入首先被＜2 μm粒级复合体吸附，也有一部分以生物残体形式存在于50—250 μm粒级复合体中[28]。与施氮磷钾肥相比，有机无机配施处理显著降低了＜2 μm粒级复合体中OC、TNOIC储量，提高了50—250 μm粒级复合体OC、TNOIC储量，主要是因为有机肥中氮首先进入2—10 μm粒级复合体中，未分解的部分主要进入了较粗的粒级[36]。慈恩等[39]研究结果表明，＜2 μm粒级复合体中的有机碳属于活性很低的碳库。PLANTE等[40]也表示粉粒对碳的固持能力强于黏粒。

3.3 长期施肥对有机无机复合体C/N影响

有机无机复合体C/N比值随粒级增大而增大，主要因为土壤全氮含量的提高同时影响有机碳的含量提高[41]。这与前人研究结果一致[42]。土壤碳氮比是作为反映有机物的腐殖化程度的一个指标[43]，C/N值越低，说明有机物的腐殖程度越高，表明有机无机复合体越小，其包被的有机质的腐解程度越高，反之亦然[44]。郭菊花等[45]研究也表明，土壤团聚体的C/N值随团聚体粒级减小而降低，大团聚体由于其稳定性较低而易于分散，表明大团聚体是由小团聚体结合而成。长期施肥对有机无机复合体C/N变化主要表现在10—20和50—250 μm粒级的复合体上。10—20 μm粒级复合体中不施肥处理C/N显著高于施肥处理，这主要是受施肥影响，该粒级的氮素含量随施肥年限延长而增加的幅度远大于有机碳含量所致[25]。而50—250 μm粒级复合体中，施磷钾肥一直消耗土壤中的氮，而氮磷钾处理由于氮的投入，C/N显著低于磷钾处理；有机无机肥配施处理由于有机肥的投入，不仅直接提高土壤的有机碳含量，而且腐解程度低，所以C/N高于NPK处理[46]。

3.4 有机无机复合体对土壤有机碳、全氮贡献率的影响

长期施肥条件下，2—10 μm粒级有机无机复合体对土壤SOC、TN贡献率最高，主要是因为＜2 μm粒级复合体在土壤孔隙中沉降，而2—10 μm粒级复合体比例显著提高，同时该粒级黏土矿物比表面积最大，吸附的有机碳、全氮最多[33]。与施磷钾肥相比，氮磷钾肥主要增大50—250 μm粒级复合体对SOC和TN的贡献率，有机无机肥配施条件下，以50—250 μm粒级复合体的贡献率最大，是因为在小粒级复合体转变成大粒级复合体的过程，吸附的有机碳、全氮含量增多。施有机肥显著增加50—250 μm粒级复合体对SOC和TN贡献率[30]，因此，2—10和50—250 μm粒级复合体是红壤性水稻土有机碳和全氮的主要载体。

4 结论

长期施肥降低了＜10 μm粒级、增加了20—50 μm粒级有机无机复合体比例，促使小粒级向大粒级复合体的形成，有机无机肥配施与其他施肥处理相比对50—250 μm粒级复合体形成更显著。

与施磷钾肥相比，氮磷钾处理和有机无机肥配施均提高了50—250 μm粒级复合体的有机碳、全氮含量和储量，同时提高了该粒级复合体对SOC和TN的贡献率，降低了C/N值。施氮肥增加了＜2 μm粒级复合体的有机碳、全氮储量。有机肥促使50—250 μm粒级复合体中碳、氮养分积累，对碳、氮固存具有重要作用。

[1] 任军, 郭金瑞, 边秀芝, 闫孝贡, 刘钊剑, 吴景贵. 土壤有机碳研究进展. 中国土壤与肥料, 2009(6): 1-7, 27.

REN J, GUO J R, BIAN X Z, YAN X G, LIU Z J, WU J G. The research progress on soil organic carbon. Soil and Fertilizer Sciences in China, 2009(6): 1-7, 27. (in Chinese)

[2] LEI B K, XU Y B, TANG Y F, HAUPTFLEISCH K. Shifts in carbon stocks through soil profiles following management change in intensive agricultural systems. Agricultural Sciences, 2015, 6(3): 304-314.

[3] WILLEKENS K, VANDECASTEELE B, BUCHAN D, DE NEVE S. Soil quality is positively affected by reduced tillage and compost in an intensive vegetable cropping system. Applied Soil Ecology, 2014, 82: 61-71.

[4] BALABANE M, PLANTE A F. Aggregation and carbon storage in silty soil using physical fractionation techniques. European Journal of Soil Science, 2004, 55(2): 415-427.

[5] GHOSH S, WILSON B, GHOSHAL S, SENAPATI N, MANDAL B. Organic amendments influence soil quality and carbon sequestration in the Indo-Gangetic Plains of India. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2012, 156: 134-141.

[6] YIN Y F, CAI Z C. Equilibrium of organic matter in heavy fraction for three long-term experimental field soils in China. Pedosphere, 2006, 16(2): 177-184.

[7] GRAMSS G, ZIEGENHAGEN D, SORGE S. Degradation of soil humic extract by wood- and soil-associated fungi, bacteria, and commercial enzymes. Microbial Ecology, 1999, 37(2): 140-151.

[8] 陈恩凤, 关连珠, 汪景宽, 颜丽, 王铁宇, 张继宏, 周礼恺, 陈利军, 李荣华. 土壤特征微团聚体的组成比例与肥力评价. 土壤学报, 2001, 38(1): 49-53.

CHEN E F, GUAN L Z, WANG J K, YAN L, WANG T Y, ZHANG J H, ZHOU L K, CHEN L J, LI R H. Compositional proportion of soil characteristic microaggregates and soil fertility evaluation. Acta Pedologica Sinica, 2001, 38(1): 49-53. (in Chinese)

[9] 邓文悦, 柳开楼, 田静, 黄庆海, 叶会财, 娄翼来, 李忠芳, 曹明明. 长期施肥对水稻土不同功能有机质库碳氮分布的影响. 土壤学报, 2017, 54(2): 468-479.

DENG W Y, LIU K L, TIAN J, HUANG Q H, YE H C, LOU Y L, LI Z F, CAO M M. Effects of long-term fertilization on distribution of carbon and nitrogen in different functional soil organic matter fractions in paddy soil. Acta Pedologica Sinica, 2017, 54(2): 468-479. (in Chinese)

[10] KIRKBY C A, RICHARDSON A E, WADE L J, BATTEN G D, BLANCHARD C, KIRKEGAARD J A. Carbon-nutrient stoichiometry to increase soil carbon sequestration. Soil Biology and Biochemistry, 2013, 60: 77-86.

[11] 史吉平, 张夫道, 林葆. 长期定位施肥对土壤有机无机复合状况的影响. 植物营养与肥料学报, 2002, 8(2): 131-136.

SHI J P, ZHANG F D, LIN B. Effects of long-term fertilization on organo-mineral complex status in soils. Plant Natrition and Fertilizen Science, 2002, 8(2): 131-136. (in Chinese)

[12] YU H Y, DING W X, LUO J F, GENG R L, CAI Z C. Long-term application of organic manure and mineral fertilizers on aggregation and aggregate-associated carbon in a sandy loam soil. Soil and Tillage Research, 2012, 124: 170-177.

[13] 魏朝富, 陈世正, 谢德体. 长期施用有机肥料对紫色水稻土有机无机复合性状的影响. 土壤学报, 1995, 32(2): 159-166.

WEI C F, CHEN S Z, XIE D T. Effect of long-term application of organic manures on characters of organo-mineral complex in purple paddy soil. Acta Pedologica Sinica, 1995, 32(2): 159-166. (in Chinese)

[14] 刘淑霞, 赵兰坡, 刘景双, 吴景贵, 秦治家. 不同耕作方式下黑土有机无机复合体变化及有机碳分布特征. 水土保持学报, 2007, 21(6): 105-108, 113.

LIU S X, ZHAO L P, LIU J S, WU J G, QIN Z J. Organic mineral complex component and distribution character of organic carbon of black soil under various cultivation pattern. Journal of Soil and Water Conservation, 2007, 21(6): 105-108, 113. (in Chinese)

[15] 温延臣, 李燕青, 袁亮, 李娟, 李伟, 林治安, 赵秉强. 长期不同施肥制度土壤肥力特征综合评价方法. 农业工程学报, 2015, 31(7): 91-99.

WEN Y C, LI Y Q, YUAN L, LI J, LI W, LIN Z A, ZHAO B Q. Comprehensive assessment methodology of characteristics of soil fertility under different fertilization regimes in North China. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2015, 31(7): 91-99. (in Chinese)

[16] CHRISTENSEN B T. Carbon and nitrogen in particle size fractions isolated from Danish arable soils by ultrasonic dispersion and gravity-sedimentation. Acta Agriculturae Scandinavica, 1985, 35(2): 175-187.

[17] 王岩, 沈其荣, 杨振明. 土壤不同粒级中C、N、P、K的分配及N的有效性研究. 土壤学报, 2000, 37(1): 85-94.

WANG Y, SHEN Q R, YANG Z M. Distribution of c, n, p and k in different particle size fractions of soil and availability of n in each fraction. Acta Pedologica Sinica, 2000, 37(1): 85-94. (in Chinese)

[18] 赵其国. 我国红壤的退化问题. 土壤, 1995, 27(6): 281-285.

ZHAO Q G. Degradation of red soil in China. Soils, 1995, 27(6): 281-285. (in Chinese)

[19] 黄庆海. 长期施肥红壤农田地力演变特征. 北京: 中国农业科学技术出版社, 2014.

HUANG Q H. Evolution Characteristics of Soil Fertility in Red Soil Farmland with Long-Term Fertilization. Beijing: China Agricultural Science and Technology Press, 2014. (in Chinese)

[20] 熊毅. 土壤胶体-第二册-土壤胶体研究法. 北京: 科学出版社, 1985.

XIONG Y. Soil Colloid-Volume II-Soil Colloid Research Method. Beijing: Science Press, 1985. (in Chinese)

[21] 鲁如坤. 土壤农业化学分析方法. 北京: 中国农业科技出版社, 2000.

LU R K. Methods of soil agrochemical Analysis. Beijing: China Agriculture Scientech Press, 2000. (in Chinese)

[22] 李文军, 彭保发, 曾庆禹, 王亚力, 李逢喜, 青志桃. 长期施肥影响下亚热带红壤性水稻土团聚体组成及氮储量分布特征. 地理科学进展, 2014, 33(10): 1424-1432.

LI W J, PENG B F, ZENG Q Y, WANG Y L, LI F X, QING Z T. Long-term effects of fertilization on aggregates distribution and total nitrogen stock in a reddish paddy soil of subtropical China. Progress in Geography, 2014, 33(10): 1424-1432. (in Chinese)

[23] 刘中良, 宇万太, 周桦, 徐永刚, 黄宝同. 长期施肥对土壤团聚体分布和养分含量的影响. 土壤, 2011, 43(5): 720-728.

LIU Z L, YU W T, ZHOU H, XU Y G, HUANG B T. Effects of long-term fertilization on aggregate size distribution and nutrient content. Soils, 2011, 43(5): 720-728. (in Chinese)

[24] TISDALL J M, OADES J M. Organic matter and water-stable aggregates in soils. Journal of Soil Science, 1982, 33(2): 141-163.

[25] LUGATO E, SIMONETTI G, MORARI F, NARDI S, BERTI A, GIARDINI L. Distribution of organic and humic carbon in wet-sieved aggregates of different soils under long-term fertilization experiment. Geoderma, 2010, 157(3/4): 80-85.

[26] QIU L P, WEI X R, GAO J L, ZHANG X C. Dynamics of soil aggregate-associated organic carbon along an afforestation chronosequence. Plant and Soil, 2015, 391(1): 237-251.

[27] LI Z P, VELDE B, LI D C. Loss of K-bearing clay minerals in flood-irrigated, rice-growing soils in Jiangxi Province, China. Clays and Clay Minerals, 2003, 51(1): 75-82.

[28] 徐阳春, 沈其荣. 长期施用不同有机肥对土壤各粒级复合体中C、N、P含量与分配的影响. 中国农业科学, 2000, 33(5): 65-71.

XU Y C, SHEN Q R. Influence of long term application of manure on the contents and distribution of organic C, total N and P in soil particle sizes. Scientia Agricultura Sinica, 2000, 33(5): 65-71. (in Chinese)

[29] HUFSCHMID R, NEWCOMB C J, GRATE J W, DE YOREO J J, BROWNING N D, QAFOKU N P. Direct visualization of aggregate morphology and dynamics in a model soil organic-mineral system. Environmental Science & Technology Letters, 2017, 4(5): 186-191.

[30] 王磊, 应蓉蓉, 石佳奇, 龙涛, 林玉锁. 土壤矿物对有机质的吸附与固定机制研究进展. 土壤学报, 2017, 54(4): 805-818.

WANG L, YING R R, SHI J Q, LONG T, LIN Y S. Advancement in study on adsorption of organic matter on soil minerals and its mechanism. Acta Pedologica Sinica, 2017, 54(4): 805-818. (in Chinese)

[31] HASSINK J. The capacity of soils to preserve organic C and N by their association with clay and silt particles. Plant and Soil, 1997, 191(1): 77-87.

[32] OADES J M, WATERS A G. Aggregate hierarchy in soils. Soil Research, 1991, 29(6): 815.

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

[34] 袁颖红, 李辉信, 黄欠如, 胡锋, 潘根兴. 不同施肥处理对红壤性水稻土微团聚体有机碳汇的影响. 生态学报, 2004, 24(12): 2961-2966.

YUAN Y H, LI H X, HUANG Q R, HU F, PAN G X. Effects of different fertilization on soil organic carbon distribution and storage in micro-aggregates of red paddy topsoil. Acta Ecologica Sinica, 2004, 24(12): 2961-2966. (in Chinese)

[35] 王岩, 徐阳春, 沈其荣. 有机、无机肥料15N在土壤不同粒级中的分布及其生物有效性. 土壤通报, 2002, 33(6): 410-413.

WANG Y, XU Y C, SHEN Q R. Distribution of15N from organic and inorganic fertilizers in different size fractions of soil and its availability. Chinese Journal of Soil Science, 2002, 33(6): 410-413. (in Chinese)

[36] 邵兴芳, 申小冉, 张建峰, 徐明岗, 张文菊, 黄敏, 周显. 外源氮在中、低肥力红壤中的转化与去向研究. 中国土壤与肥料, 2014(2): 6-11.

SHAO X F, SHEN X R, ZHANG J F, XU M G, ZHANG W J, HUANG M, ZHOU X. Exogenous nitrogen transformation and fate characteristics under different fertility red soils. Soil and Fertilizer Sciences in China, 2014(2): 6-11. (in Chinese)

[37] 黄东迈, 朱培立. 有机氮各化学组分在土壤中的转化与分配. 江苏农业学报, 1986, 2(2): 17-25.

HUANG D M, ZHU P L. Transformation and distribution of organic nitrogen forms in soil. Jiangsu Journal of Agricultural Sciences, 1986, 2(2): 17-25. (in Chinese)

[38] 陈春兰, 陈安磊, 魏文学, 张文钊, 傅心赣, 周华军, 秦红灵. 长期施肥对红壤稻田剖面土壤碳氮累积的影响. 水土保持研究, 2021, 28(2): 14-20.

CHEN C L, CHEN A L, WEI W X, ZHANG W Z, FU X G, ZHOU H J, QIN H L. Effect of long-term fertilization on accumulation of soil carbon and nitrogen in reddish paddy soil profiles. Research of Soil and Water Conservation, 2021, 28(2): 14-20. (in Chinese)

[39] 慈恩, 杨林章, 倪九派, 高明, 谢德体. 不同区域水稻土的氮素分配及δ15N特征. 水土保持学报, 2009, 23(2): 103-108.

CI E, YANG L Z, NI J P, GAO M, XIE D T. Distribution and δ15N character of nitrogen in paddy soils located in different regions. Journal of Soil and Water Conservation, 2009, 23(2): 103-108. (in Chinese)

[40] PLANTE A F, CONANT R T, PAUL E A, PAUSTIAN K, SIX J. Acid hydrolysis of easily dispersed and microaggregate-derived silt- and clay-sized fractions to isolate resistant soil organic matter. European Journal of Soil Science, 2006, 57(4): 456-467.

[41] 徐明岗, 梁国庆, 张夫道. 中国土壤肥力演变. 北京: 中国农业科学技术出版社, 2006.

XU M G, LIANG G Q, ZHANG F D. Evolution of Soil Fertility in China. Beijing: China Agricultural Science and Technology Press, 2006. (in Chinese)

[42] 陈晓芬, 刘明, 江春玉, 吴萌, 贾仲君, 李忠佩. 红壤性水稻土不同粒级团聚体有机碳矿化及其温度敏感性. 土壤学报, 2019, 56(5): 1118-1127.

CHEN X F, LIU M, JIANG C Y, WU M, JIA Z J, LI Z P. Mineralization of soil organic carbon and its sensitivity to temperature in soil aggregates, relative to particle size in red paddy soil. Acta Pedologica Sinica, 2019, 56(5): 1118-1127. (in Chinese)

[43] BALDOCK J A, OADES J M, WATERS A G, PENG X, VASSALLO A M, WILSON M A. Aspects of the chemical structure of soil organic materials as revealed by solid-state13C NMR spectroscopy. Biogeochemistry, 1992, 16(1): 1-42.

[44] 李江涛, 张斌, 彭新华, 赖涛. 施肥对红壤性水稻土颗粒有机物形成及团聚体稳定性的影响. 土壤学报, 2004, 41(6): 912-917.

LI J T, ZHANG B, PENG X H, LAI T. Effects of fertilization on particulate organic matter formation and aggregate stability in paddy soil. Acta Pedologica Sinica, 2004, 41(6): 912-917. (in Chinese)

[45] 郭菊花, 陈小云, 刘满强, 胡锋, 李辉信. 不同施肥处理对红壤性水稻土团聚体的分布及有机碳、氮含量的影响. 土壤, 2007, 39(5): 787-793.

GUO J H, CHEN X Y, LIU M Q, HU F, LI H X. Effects of fertilizer management practice on distribution of aggregates and content of organic carbon and nitrogen in red paddy soil. Soils, 2007, 39(5): 787-793. (in Chinese)

[46] 陈惟财, 王凯荣, 谢小立. 长期不同施肥处理对红壤性水稻土团聚体中碳、氮分布的影响. 土壤通报, 2009, 40(3): 523-528.

CHEN W C, WANG K R, XIE X L. Effects on distributions of carbon and nitrogen in a reddish paddy soil under long-term different fertilization treatments. Chinese Journal of Soil Science, 2009, 40(3): 523-528. (in Chinese)

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

国家自然科学基金（41671301）、国家红壤改良工程技术研究中心开放基金（2020NETRCRSI-9）、国家重点研发计划（2016YFD0300901）

李浩，E-mail：lihao00001@126.com。通信作者王洪亮，E-mail：wanghlzb@163.com。通信作者张会民，E-mail：zhanghuimin@caas.cn

（责任编辑 李云霞）