施肥对红壤水稻土团聚体分布及其碳氮含量的影响

刘希玉，王忠强，张心昱 ，徐丽丽，施 瑶，孙晓敏，杨风亭

(1.东北师范大学地理科学学院，长春 130024;2.中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室，北京100101;3.沈阳农业大学土地与环境学院，沈阳 110866)

红壤水稻土是我国南方稻作区主要土壤类型，对我国水稻生产发挥重要作用［1］。近年来，由于不合理管理和耕作，加上自身风化作用加强，导致红壤水稻土结构破坏、养分流失量大，严重影响了红壤水稻土可持续利用及水稻产量和品质［2］。

土壤团聚体作为土壤结构基本组成单元，能够综合反映土壤物理、化学和生物特性［3-4］。土壤团聚体与土壤中碳氮含量之间相互影响［5］，土壤中碳能够提高土壤团聚体稳定性，且有利于促进土壤中微团聚体和大团聚体形成［6-7］，而土壤团聚体对土壤中氮的转化有促进作用［8］。已有研究表明［9］，在红壤水稻土中，大团聚体中有机碳和全氮含量较高;与其它粒级团聚体相比较，红壤水稻土微团聚体稳定性较好，更利于土壤中碳素和氮素的积累［10］。土壤团聚体中碳氮含量主要受施肥方式的影响，施用有机肥和化肥能提高土壤团聚体稳定性，改善土壤结构，施用有机肥效果更显著［11］。但是目前关于不同施肥方式对红壤不同粒级土壤团聚体中有机碳和全氮含量影响的研究还不多。

本研究依托千烟洲红壤丘陵区长期定位试验，分析长期不同施肥处理对红壤水稻土各粒级团聚体分布及其碳氮含量影响，探讨长期不同施肥处理方式下，红壤水稻土团聚体分布与各粒级团聚体中有机碳和全氮含量之间的关系，以期为改善红壤水稻土结构及提高红壤水稻土肥力提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

长期施肥试验地设在中国科学院千烟洲生态试验站内，该站位于江西省泰和县吉泰盆地(114°53'E，26°48'N)，是典型的低丘红壤地区。试验区属中亚热带湿润季风气候区，年平均气温18.6℃，年平均无霜期为280天，年均降雨量为1371mm，雨量充沛，但降雨量主要集中在夏季。试验开始于1998年，原始耕层土壤(0—15cm)理化性质为:pH 6.0，土壤有机碳9.7 g/kg，全氮1.0 g/kg，速效磷1.6 mg/kg，速效钾17.6 mg/kg。

1.2 试验处理

(1)种植方式 试验区采用一年两季种植水稻，早稻每年4月底种植，7月底收获;晚稻7月底种植，11月初收获。本研究选择4种处理，每种处理设有3个重复，每个小区面积为3m×5m=15m2，每个小区之间用水泥田埂相隔。

(2)试验处理 (1)对照(CK)，不施肥;(2)秸秆还田(ST)，不施肥，收获后的早晚稻秸秆均还田，含N量为25kgN/hm2，含 C 量为2295 kgC/hm2;(3)施化肥(NPK)，225 kgN/hm2(尿素，含 N 46%)，135 kg P2O5/hm2(钙镁磷肥，含P2O513%)，225 kg K2O/hm2(氯化钾，含K2O 60%)，早、晚稻施肥比例为1∶1.25，基肥与追肥比例为6∶4。(4)施有机肥(OM)，施猪粪做基肥一次性施用，猪粪含 N量为225kgN/hm2，含 C量为2565kgC/hm2。

1.3 测定方法

红壤水稻土样品于2011年11月13日晚稻收获后取样，取样之前，用剖面刀移除土壤表层杂物，用硬质铝盒在每个小区中随机采样，将田间采集的0—10cm耕层原状红壤水稻土样品装入塑封袋内，并确保运输过程中不受挤压，以保持土样原有结构。运回实验室后，在室温下风干。

红壤水稻土团聚体采用湿筛法分级。具体操作方法为:称取土块样品50g，放置于烧杯中，浸没约5min，待土块中空气排除后，将样品放置于最大孔径土壤筛(500μm)上面，套筛下面土壤筛孔径依次为250、125μm和63μm，底层放置底盘用于收集＜63μm粉砂和粘粒，将盛土套筛放在振动筛分仪(德国Retsch，AS200)上，每分钟振荡20次，振荡3min。筛分后＞500μm的红壤水稻土为植物根系和砾石，将此部分质量烘干后称重扣除。收集大团聚体(250—500μm)、微团聚体(125—250μm和63—125μm)及粉砂和粘粒(＜63μm)部分，并分别转移至烧杯中，烘干，称重，计算得到各粒级红壤水稻土团聚体质量在全土中的百分率。分离得到的各粒级红壤水稻土使用球磨仪磨成粉末状，用元素分析仪(德国Elementar，vario MAX CN)测定各粒级土壤中有机碳(SOC)和全氮(TN)含量。

1.4 数据处理

式中，H为该粒级团聚体中SOC或TN富集因子(EC，EN);C为该粒级团聚体中SOC或TN含量(g/kg);D为全土中SOC或TN含量(g/kg)。

数据使用SPSS17.0(SPSSInc.，Chicago，USA)进行单因素方差(One-Way ANOVA)分析，采用LSD进行多重比较检验，显著水平(P＜0.05)。

图1 不同施肥处理对各粒级团聚体分布影响Fig．1 The distribution of soil aggregates in different fertilization treatments小写字母表示不同处理之间差异显著(P＜0.05，n=3)

2 结果与分析

2.1 施肥对红壤水稻土团聚体分布影响

在各处理中，250—500μm大团聚体占全土百分率9%—11%;63—125μm微团聚体占16%—20%;125—250μm微团聚体占17%—21%;＜63μm粉砂和粘粒占最大，为41%—54%(图1)。

OM处理有利于红壤水稻土微团聚体和大团聚体形成，且主要影响125—250μm粒级团聚体分布，ST和NPK处理对各粒级土壤团聚体分布影响不显著。在250—500μm中，OM处理团聚体含量比CK、ST和NPK处理分别提高了3%、4%和2%，且差异显著(P＜0.05);在125—250μm中，OM处理土壤中该粒级微团聚体含量占21%，分别为CK、ST和 NPK处理的1.2倍、1.3倍和1.1倍，且差异显著 (P＜0.05);在63—125μm中，各处理之间无显著性差异 (P＞0.05);在＜63μm中，OM处理团聚体含量(41%)显著低于CK、ST、NPK处理，分别降低了8%、13%和7%(P＜0.05)。

2.2 施肥对红壤水稻土团聚体中有机碳含量分布影响

ST、NPK和OM处理均能增加各粒级团聚体中SOC含量，OM处理对各粒级团聚体中SOC含量提高幅度最大，且对250—500μm和63—250μm影响更显著(图2)。14a长期定位施肥后，4种处理方式下，全土中SOC含量从高到低顺序为:OM＞NPK＞ST＞CK，与CK处理相比，ST、NPK、OM处理分别使全土中SOC含量增加了3.4 g/kg、5.9 g/kg、8.9 g/kg，各处理之间差异达到显著水平(P＜0.05)。

在250—500μm中，OM处理SOC含量分别为CK、ST和NPK处理的2.3倍、2.4倍和1.9倍，且差异显著(P＜0.05);在125—250μm中，各处理土壤SOC含量顺序为:OM＞NPK＞ST＞CK，ST、NPK 和OM 处理分别为CK处理的1.3倍、1.6倍和2.3倍(P＜0.05);在63—125μm中，ST、NPK和OM处理比CK处理土壤中SOC含量分别升高了22%、35%和74%;在＜63μm中，OM处理SOC含量最高(17.9 g/kg)，ST、NPK和OM处理比CK处理土壤中SOC含量分别升高了3%、14%和26%。

在250—500μm中，EC值顺序为:ST＜NPK＜CK＜OM，OM处理EC值最大(1.35)，OM处理有利于大团聚体中SOC富集;在125—250μm中，OM处理EC值最大(1.06)，ST、CK和NPK处理EC值均小于1;在63—125μm 中，EC值均大于1;在＜63μm 中，EC值顺序为:OM＜NPK＜ST＜CK，CK 处理 EC值为1.56，与 ST、NPK 和OM处理之间差异显著(P＜0.05)，CK处理有利于小粒径团聚体中SOC富集。

图2 不同施肥对各粒级团聚体中有机碳含量分布和EC影响Fig．2 Effect of different fertilization treatments on the distribution of SOC content and enrichment factor for soil organic carbon in different soil aggregates

2.3 施肥对红壤水稻土团聚体中全氮含量分布影响

不同处理对土壤各粒级团聚体中SOC含量影响和对TN含量影响趋势基本一致，OM显著增加了土壤TN含量(P＜0.05)(图3)。各处理TN含量顺序为:OM＞NPK＞ST＞CK，ST、NPK和OM处理比CK处理全土中TN含量分别增加了22%、44%和67%。

图3 不同施肥对各粒级团聚体中全氮含量分布和EN影响Fig．3 Effect of different fertilization treatments on the distribution of TN content and enrichment factor for soil total nitrogen in different soil aggregates

OM处理增加各粒级团聚体中TN含量，对63—500μm影响更显著。在250—500μm中，OM处理TN含量分别为CK、ST和NPK处理的2.3倍、2.3倍和1.9倍，且差异显著 (P＜0.05);在125—250μm中，各处理土壤TN含量顺序为:OM＞NPK＞ST＞CK，ST、NPK和OM处理分别为CK处理的1.4倍、1.9倍和2.7倍 (P＜0.05);在63—125μm中，ST、NPK和OM处理比CK处理土壤中TN含量分别升高了23%、38%和92%;在＜63μm中，OM处理TN含量最高(2.1 g/kg)，ST、NPK和OM处理比CK处理土壤中TN含量分别提高了7%、20%和40%。

在250—500μm中，EN值顺序为:ST＜NPK＜CK＜OM，OM 处理 EN值最大为1.34;在125—250μm 中，OM处理EN值最大为1.23，ST、CK和NPK处理EN值均小于1;在63—125μm中，EN值均大于1，OM处理EN值最大1.60，有利于微团聚体中TN富集;在＜63μm中，EN值顺序为:OM＜NPK＜ST＜CK，CK处理EN值为1.74，与ST、NPK和OM处理之间差异显著(P＜0.05)，CK处理有利于小粒径团聚体中TN富集。

2.4 施肥对红壤水稻土团聚体中C/N比影响

4种不同处理方式下，OM处理显著增加了全土中C/N比，ST、NPK和OM处理比CK处理全土中C/N比分别提高了0.6、0.4和0.9，其中施用OM效果最显著(P＜0.05)(图4)。

红壤水稻土各粒级团聚体中C/N比均随粒径减小而降低，OM处理显著降低了＜63μm中C/N比，增加了250—500μm中C/N比，OM处理更利于增加250—500μm中碳的积累;NPK处理显著降低了各粒径团聚体C/N比;ST处理降低了63—250μm和＜63μm中C/N比，但对大团聚体影响不显著。

图4 不同施肥对各粒级土壤团聚体中C/N影响Fig．4 The effect of different fertilization treatments on the carbon to nitrogen ratio

3 讨论

3.1 不同处理对红壤水稻土团聚体分布影响

不同施肥方式对土壤团聚体的形成、数量和分布有显著影响［12］。已往研究表明［13-14］，单独施用有机肥和化肥能够提高黑土和黑垆土中大团聚体含量，这与本研究所得结果一致，这主要是由于有机肥和化肥均能使土壤中SOC含量升高，从而促进土壤的团聚化作用，将小粒径团聚体胶结形成大团聚体，增加大团聚体含量，降低粉砂和粘粒含量。本研究中，14a长期定位施用有机肥后，红壤水稻土SOC含量增加显著，有利于土壤大团聚体和微团聚体的形成［15-16］。化肥和秸秆还田有增加土壤SOC含量的趋势，但没有有机肥显著，对于大团聚体和微团聚体的增加也没有达到显著水平。已往研究表明，秸秆还田降低了小粒级团聚体含量，增加了大粒级团聚体含量，此结果与本研究不一致，这可能与秸秆还田施用量较低、化肥与秸秆还田未配合施用有关［17］。

3.2 不同处理对红壤水稻土团聚体中碳氮分布影响

已有长期定位施肥实验表明，单独施用化肥或有机肥均能提高红壤各粒级团聚体中有机碳和全氮含量，且施用有机肥效果更好［18］。本研究中，随着不同施肥方式的应用，红壤水稻土中各粒级团聚体中碳氮含量均明显增加，其中，OM处理方式下，大粒级团聚体中碳含量增加幅度最大，这可能是因为有机肥进入土壤后，破碎化和分解后，先与土壤大粒级团聚体结合［19］，也可能是因为SOC使小粒级团聚体胶结成大粒级团聚体，增加了大粒级团聚体中SOC含量，同时OM处理也增加了土壤中微生物数量、根茬、根系和根分泌物的含量，从而使土壤中碳含量增多［20-21］。

EC和EN表示各粒级团聚体中SOC或TN含量对全土中SOC或TN含量的贡献率［22］。E＞1表示SOC或TN在该粒级团聚体中富集，E＜1表示SOC或TN在该粒级团聚体中匮乏［23］。在本研究中，各粒级团聚体对红壤水稻土碳氮含量的贡献率存在差异，依据EC和EN值可以判断出，在所有处理方式下，63—125μm和＜63μm土壤粒级对红壤水稻土碳氮贡献率最大。

土壤C/N比可反映碳氮元素有效性，是评价土壤质量水平的重要指标之一，土壤团聚体中C/N比越低，说明有机物腐解程度越高，土壤养分有效性越高［24］;土壤团聚体中C/N比越高，土壤有机碳越稳定，越利于土壤中碳的积累。OM和ST处理均能增加大粒级团聚体中C/N比，有利于土壤中碳的积累。土壤中与小粒级团聚体结合的碳是形成时间较长的碳，由于碳的分解，降低了小粒级团聚体中C/N比［25］，这与本研究结果相一致。

4 结论

(1)红壤水稻土团聚体分布以粉砂和粘粒为主，占全土41%—54%;施用OM能明显促进红壤水稻土大团聚体和微团聚体形成。

(2)ST、NPK和OM处理均能提高红壤水稻土全土及各粒级团聚体中有机碳和全氮含量，施用OM增加幅度最大;在所有施肥方式下，63—125μm和＜63μm中EC和EN值均大于1，红壤水稻土中碳氮主要贮存在63—125μm和＜63μm土壤粒级中。

(3)长期施用OM能有效提高红壤水稻土团聚体稳定性和红壤水稻土碳氮含量，建议在红壤水稻土中应施用OM。

致谢:感谢中国科学院千烟洲生态试验站和邹敬东老师对野外工作的帮助，感谢美国橡树岭国家重点实验室徐小锋博士对写作的帮助。

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