不同施肥处理红壤性水稻土团聚体有机碳矿化特征

陈晓芬, 刘明,2, 江春玉, 吴萌, 李忠佩,2

(1中国科学院南京土壤研究所/土壤与农业可持续发展国家重点实验室，南京 210008；2中国科学院大学，北京100049)

0 引言

【研究意义】有机碳矿化是土壤中最重要的生物化学过程，直接关系到土壤中养分元素的释放与供应、温室气体的形成与排放及土壤质量的保持等[1]。土壤团聚体是土壤结构的基本单元，表土中有近90%的有机碳存在于土壤团聚体内[2-3]，土壤有机碳矿化是不同粒级团聚体有机碳矿化结果的总体体现。土壤有机碳矿化及团聚体的形成与稳定均受施肥等人为活动的影响。研究施肥作用下团聚体中有机碳矿化特征对于正确理解土壤碳循环过程与机理，制定合理的养分管理措施等具有重要意义。【前人研究进展】不同粒级团聚体具有不同的孔隙度特征，导致有机碳存储及有机碳与黏土颗粒之间的结合方式等存在一定差异，从而对土壤微生物表现出不同活性，造成团聚体粒级之间有机碳矿化差异[4]。目前的研究多集中于团聚体中有机碳的分布特征，仅有少数关注团聚体中有机碳的矿化作用。如郝瑞军等[5]对好气和淹水条件下稻麦轮作土壤团聚体有机碳矿化的研究表明，培养过程中1—2 mm团聚体有机碳矿化速率最高，＜0.053 mm粒级团聚体最低。魏亚伟等[6]对喀斯特土壤团聚体的研究则指出，有机碳矿化速率和累积矿化量均随团聚体粒级的减小逐渐增大。由此可见，不同土壤条件下团聚体中有机碳矿化作用的变化规律不尽一致。长期不同施肥条件下土壤有机碳矿化规律一直是土壤学研究的热点。对不同类型土壤如东北黑土[7]、华北平原潮土[8]和南方红壤[9]的研究表明，施用有机肥特别是有机肥与化肥配合施用能促进土壤有机碳的矿化，单施化肥对不同土壤有机碳矿化的影响则存在差异。这些研究关注的是全土水平土壤有机碳的矿化作用，而在团聚体水平上，施肥对有机碳矿化的影响如何，是否与全土一致仍不清楚。【本研究切入点】红壤性水稻土在我国热带、亚热带地区广泛分布，是我国重要的土壤资源，关于其团聚体中有机碳矿化作用的研究尚未见报道。团聚体的含量及有机碳的分布决定着团聚体在土壤有机碳矿化中发挥的作用[10]。有机碳的矿化除与其含量和有效性有关外，还与土壤中微生物的数量和活性密切相关[5,11]。【拟解决的关键问题】本文以长期不同施肥处理红壤性水稻土为研究对象，研究不同粒级团聚体中有机碳矿化动态及其对全土矿化的贡献，分析施肥对团聚体有机碳矿化的影响并明确团聚体有机碳矿化的影响因素，为了解长期施肥下红壤性水稻土矿化作用机制，建立科学施肥制度培肥土壤提供重要理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

红壤性水稻土肥料长期定位试验设在鹰潭农田生态系统国家野外科学观测研究站，位于江西省鹰潭市余江县（116°55′E，28°15′N）。试验于 1990 年开始，将发育自第四纪红色黏土的荒地平整，然后灌水种稻，轮作制度为稻-稻-冬闲。初始土壤基本性质为：有机碳含量 3.29 g·kg-1，全氮 0.43 g·kg-1，碱解氮 90.2 mg·kg-1，全磷（P2O5）0.65 g·kg-1，速效磷 5.6 mg·kg-1，全钾（K2O）13.4 g·kg-1，速效钾 105.9 mg·kg-1，pH 4.5，黏粒（＜1μm）含量38%。

试验包括9个处理：（1）不施肥（CK）；（2）有机质循环（C）；（3）氮肥（N）；（4）氮肥+有机质循环（NC）；（5）氮磷肥（NP）；（6）氮磷钾肥（NPK）；（7）氮磷钾肥+有机质循环（NPKC）；（8）氮钾肥（NK）；（9）氮磷钾肥+1/2秸秆回田（NPKS）。每处理设3次重复，共27个小区，小区面积 30 m2，采用随机区组排列。有机质循环处理中秸秆全部还田，并且每季施入833.3 kg·hm-2干猪粪用以补充收获籽粒所移出的养分。施用的氮肥为尿素，磷肥为钙镁磷肥，钾肥为氯化钾。1998年以前化肥施用量为每季 N 230、P2O568、K2O 84 kg·hm-2；1998年以后每季每公顷施氮量减半，磷肥和钾肥施用量不变。磷肥和钾肥以基肥形式施入，尿素则分基肥和追肥，按8∶7的比例分两次施入。

1.2 土样采集与样品分析

2010年12月下旬（冬闲）采集各小区耕层原装土样，随机选取5个点组成一个混合样品。用硬质塑料盒把原状土样运回实验室后在室温下风干，风干过程中沿土壤自然破碎面将其掰成10 mm左右小块。

参照 ELLIOTT[12]湿筛分离的方法，将土样筛分成＞2 mm、1—2 mm、0.25—1 mm、0.053—0.25 mm和＜0.053 mm 5个粒级的团聚体。土壤团聚体组成及团聚体中有机碳和全氮分布详见陈晓芬等[13]。调节各粒级团聚体含水量至全土田间饱和持水量的60%，并于25℃下预培养一周以恢复微生物活性，用于后续分析。风干后过2 mm筛的全土采用同样方法进行预培养，供土壤有机碳矿化研究。

土壤有机碳的矿化量采用室内恒温培养、碱液吸收法测定[14]。称取相当于20 g干土重的预培养全土和团聚体，平铺在500 mL塑料培养瓶底部。然后，将盛有5.0 mL NaOH溶液（0.3 mol·L-1）的10 mL特制吸收容量瓶置于培养瓶内，将培养瓶加盖密封好并于25℃恒温箱中进行培养。在培养的1、3、5、7、14、21、28、35 d取出容量瓶，将容量瓶中溶液全部洗至三角瓶中，加入1 mol·L-1的BaCl2溶液2 mL和2滴酚酞指示剂，用标准酸（约0.075 mol·L-1HCl）滴定至红色消失。根据气体CO2-C的释放量计算培养期内全土及团聚体中有机碳的矿化量。

土壤团聚体微生物生物量碳采用氯仿熏蒸-硫酸钾浸提法测定[15]；转化酶活性用 3，5-二硝基水杨酸比色法测定，以蔗糖作为分解底物，结果以每小时每克土壤产生的葡萄糖毫克数表示[16]。

1.3 数据分析

用SPSS18.0软件进行统计分析，处理之间的差异用单因素方差分析，差异显著性检验用 Duncan法；变量之间的关系用 Pearson相关分析，并建立一元线性回归方程。

各粒级团聚体有机碳矿化对全土有机碳矿化的贡献率（%）计算公式为：

某一粒级团聚体有机碳矿化对全土有机碳矿化的贡献率（%）=该粒级团聚体有机碳矿化量×该粒级团聚体含量/全土有机碳矿化量×100。

2 结果

2.1 土壤团聚体有机碳矿化动态

全土有机碳矿化速率在培养前期快速下降，第 7天时平均为第1天的55.5%；7 d以后有机碳矿化速率缓慢下降，培养后期趋于稳定，结束时有机碳矿化速率为第1天的22.4%（图1）。＞2 mm和1—2 mm团聚体有机碳矿化速率变化趋势与全土基本一致，培养第7天分别为第1天的58.4%和68.1%，到结束时则分别为第1天的30.0%和34.2%。培养前期，0.25—1 mm和＜0.053 mm团聚体有机碳矿化速率整体呈下降趋势，第7天时分别为第1天的74.1%和68.8%，7 d后在平缓波动中趋于稳定，至培养结束时分别为第 1天的52.4%和52.5%。0.053—0.25 mm团聚体有机碳矿化速率在整个培养过程中变化范围较小，培养前7 d波动较大，7 d后也在平缓波动中趋于稳定，培养结束时为第1天的81.7%。整个培养过程尤其是培养前期，＞2 mm和1—2 mm团聚体有机碳矿化速率显著高于0.25—1 mm、0.053—0.25 mm和＜0.053 mm 3个粒级团聚体。对于同一粒级团聚体有机碳矿化速率，培养过程中不同施肥处理之间的差异不易明显区分，因此通过有机碳矿化量进行进一步比较。

2.2 土壤团聚体有机碳矿化量

图1 不同施肥处理下全土和团聚体有机碳矿化速率变化Fig. 1 Changes of mineralization rate of organic carbon in bulk soils and aggregate fractions under different fertilization treatments

培养35 d全土和团聚体有机碳累积矿化量如图2所示。不同施肥处理全土有机碳累积矿化量变化范围为148.0—240.8 mg·kg-1。＞2 mm、1—2 mm、0.25—1 mm、0.053—0.25 mm及＜0.053 mm团聚体有机碳累积矿化量分别为167.2—295.6、212.8—276.5、147.6—242.0、110.9—236.2 和 136.2—214.2 mg·kg-1。同一处理不同粒级团聚体有机碳累积矿化量总体表现为＞2 mm和1—2 mm最高，0.25—1 mm和＜0.053 mm次之，0.053—0.25 mm最低。对于全土和团聚体，对照（CK）和缺磷处理（N和NK）有机碳累积矿化量最低，其余增施磷肥处理（NP、NPK）、施有机肥的处理（C、NC、NPKC）及 1/2秸秆回田处理（NPKS）有机碳累积矿化量较高。与对照相比，施磷肥处理各粒级团聚体有机碳累积矿化量平均提高17.0%—62.1%，施有机肥处理平均提高 25.0%—80.5%，NPKS处理则提高14.1%—85.7%。

图2 培养35天不同施肥处理全土及团聚体有机碳累积矿化量Fig. 2 Cumulative amounts of organic carbon mineralization in bulk soils and aggregate fractions under different fertilization treatments in 35 days

2.3 团聚体有机碳矿化对全土有机碳矿化的贡献

用湿筛分离的方法筛分团聚体，筛分过程未对供试土壤团聚体中有机碳和全氮造成明显损失[13]。用得到的团聚体进行有机碳矿化研究，各粒级团聚体有机碳矿化对全土有机碳矿化贡献率的总和除CK处理最低（73.2%）及 NK处理最高（118.3%）外，其余处理贡献率总和为97.1%—107.7%（表1）。＞2 mm、1—2 mm、0.25—1 mm、0.053—0.25 mm及＜0.053 mm团聚体对全土有机碳矿化的贡献率分别为 21.0%—42.5%、11.9%—18.8%、20.6%—32.7%、10.1%—16.9%和8.9%—15.4%，其中＞2 mm和0.25—1 mm团聚体对全土有机碳矿化的贡献率最高。＜0.25 mm微团聚体对全土有机碳矿化的贡献率为 19.7%—31.0%，＞0.25 mm大团聚体的贡献率则达到53.5%—87.3%（表1）。

表1 不同施肥处理下各粒级团聚体对全土有机碳矿化的贡献率Table 1 Contributions of aggregate fractions to soil organic carbon mineralization under different fertilization treatments

2.4 土壤团聚体微生物学特性

不同施肥处理土壤＞2 mm、1—2 mm、0.25—1 mm、0.053—0.25 mm及＜0.053 mm团聚体中微生物生物量碳的含量分别为62.0—179.8、83.4—205.8、70.3—156.5、47.9—110.0 和 52.6—143.0 mg·kg-1（图3）。总体上，与＜0.25 mm微团聚体相比，＞0.25 mm大团聚体中微生物生物量碳含量明显较高。同一粒级团聚体中微生物生物量碳含量，对照（CK）和缺磷处理（N和NK）最低，NPKS处理稍高，增施磷肥（NP和NPK）和施有机肥（C、NC和NPKC）处理最高。与对照相比，施磷肥处理团聚体中微生物生物量碳含量平均提高73.4%—92.0%，施有机肥处理各粒级团聚体微生物生物量碳含量平均提高60.8%—99.6%。

图3 不同施肥处理下各粒级团聚体中微生物生物量碳含量和转化酶活性Fig. 3 Microbial biomass carbon content and invertase activity in aggregate fractions under different fertilization treatments

按粒级从大到小，不同施肥处理土壤各粒级团聚体中转化酶活性分别为3.23—7.59、3.40—6.84、2.72—5.10、1.69—3.10 和 1.26—3.38 mg glucose·g-1·d-1（图3）。大团聚体中转化酶活性高于微团聚体，总体上呈现随粒级减小而降低的趋势。施肥对＞0.25 mm大团聚体转化酶活性影响较大，CK、N和 NK处理转化酶活性最低。施用磷肥和有机肥显著提高大团聚体中转化酶活性，其中NC处理大团聚体转化酶活性最高，其大团聚体 3个粒级较对照分别高135.0%、101.2%和46.0%。NPKS处理仅提高了＞2 mm和 1—2 mm 团聚体中转化酶活性，分别比对照高52.0%和30.0%。

2.5 团聚体有机碳累积矿化量与团聚体性质的相关性

结合团聚体中有机碳和全氮含量[13]，将团聚体有机碳累积矿化量与团聚体性质进行相关性分析。结果表明（表 2），团聚体有机碳累积矿化量与团聚体有机碳、全氮和微生物生物量碳含量及转化酶活性均存在极显著的正相关关系，相关系数分别为 0.678、0.629、0.483和0.593。团聚体有机碳累积矿化量与有机碳含量的相关性最大。

表2 团聚体有机碳累积矿化量与团聚体性质的关系Table 2 Relationship between cumulative amount of organic carbon mineralization in aggregates and aggregates properties

3 讨论

全土早期有机碳矿化速率大，随着培养时间的延长有机碳矿化速率逐渐减慢，后期保持相对稳定的状态，这主要与培养过程中有机碳组成变化有关。培养前期土壤中活性有机碳较多，微生物迅速分解利用活性有机碳释放 CO2；随着培养时间延长，土壤中活性有机碳含量减少，微生物开始利用惰性有机碳，导致有机碳矿化速率减慢[17]。培养过程中不同粒级团聚体有机碳矿化速率变化趋势并不一致，其中＞2 mm和1—2 mm团聚体与全土类似，而＜1 mm粒级尤其是0.053—0.25 mm 团聚体有机碳矿化速率随着时间降低幅度较低且更早达到有机碳矿化的稳定状态。土壤有机碳分布的异质性是导致不同粒级团聚体有机碳矿化速率变化趋势产生差异的主要原因[10]。笔者前期研究发现，＞2 mm和1—2 mm团聚体中有机碳含量最高，其次是0.25—1 mm和＜0.053 mm团聚体，0.053—0.25 mm团聚体有机碳含量最低[13]。另一方面，大粒级团聚体中有机碳主要是植物来源的，易分解的新鲜有机碳，较小粒级团聚体中有机碳多为微生物来源的腐殖质如胡敏酸，难以被微生物分解利用[18]。此外，大团聚体比小团聚体存在更大的土壤孔隙，增加了物质和氧气的传输，有利于土壤中微生物活动，从而带动有机碳的矿化分解，促进CO2气体的释放；而小团聚体孔隙度小，使得氧气通过扩散进入其内部较少，从而抑制团聚体内部微生物的活性，且较小的孔隙也不利于CO2的释放[19]。因此，与＞1 mm大团聚体相比，＜1 mm小团聚体中有机碳的矿化分解更易达到稳定状态。

不同粒级团聚体中有机碳含量的显著差异还导致有机碳矿化量的不同，本研究有机碳累积矿化量在团聚体粒级之间的差异与有机碳分布是一致的。事实上，团聚体中有机碳含量与有机碳累积矿化量呈极显著线性正相关。单个粒级团聚体有机碳矿化是土壤有机碳矿化的一部分，需结合团聚体在土壤中的相对含量计算团聚体有机碳矿化对全土有机碳矿化的贡献。王菁等[10]的研究发现，在＞5 mm、1—5 mm和＜1 mm团聚体中，最大粒级团聚体对土壤碳排放的贡献最大。本研究中，由于＞2 mm和0.25—1 mm团聚体含量最高[13]，因此对全土有机碳矿化的贡献最大。＞0.25 mm大团聚体对全土有机碳矿化的贡献远高于＜0.25 mm微团聚体，表明大团聚体在土壤有机碳矿化中发挥主导作用，这与大团聚体是红壤性水稻土有机碳的主要载体相呼应[13,20]。

土壤微生物是土壤生态系统的重要组成部分，参与土壤养分转化和循环，有机质分解等过程，微生物生物量的高低对土壤有机碳矿化有重要影响[21]。同时，土壤微生物生长过程中向土壤分泌胞外酶，参与土壤中各种生化过程和物质循环。前人研究表明，土壤有机碳呼吸强度和日均矿化量与微生物生物量碳呈显著正线性关系[11]，参与土壤碳循环的转化酶和纤维素酶与土壤有机碳的分解和转化密切相关[22]。本文对红壤性水稻土团聚体有机碳矿化的研究发现，团聚体有机碳累积矿化量与团聚体微生物生物量碳含量和转化酶活性均有极显著的正相关性。团聚体中微生物生物量碳含量和转化酶活性受粒级影响较大，＞0.25 mm大团聚体中微生物生物量碳含量和转化酶活性均高于＜0.25 mm微团聚体，这与前人对团聚体中微生物生物量[23-24]和酶活性[25]的研究结果是一致的。大团聚体中包含更多新鲜的、活性较高的有机碳，供微生物用于自身的生长繁殖，同时产生更多的胞外酶[25-26]。将团聚体中微生物生物量碳含量和转化酶活性与有机碳含量进行相关性分析，相关系数分别为0.549和0.689（P＜0.01）。就目前的结果看，有机碳含量是影响团聚体有机碳矿化的最重要因素，团聚体有机碳矿化量与有机碳含量的相关性最大也证明了这一点。

同一粒级团聚体有机碳累积矿化量在不同施肥处理间差异较大。不施肥对照和缺磷的N、NK处理最低，施用化学磷肥的NP和NPK处理团聚体有机碳累积矿化量明显提高，说明磷肥的施用显著影响团聚体有机碳的矿化。磷素是土壤微生物生物膜系统和高能磷酸化合物的重要构建元素[27]，长期不施磷肥将导致微生物可利用的磷素缺乏，微生物生长代谢受抑制，活性降低，不利于土壤有机碳的分解矿化。此外，未施磷处理土壤团聚体中有机碳含量较低[13]，可供微生物分解利用的底物也有限。有机肥的施用（C、NC、NPKC）同样显著提高土壤团聚体有机碳累积矿化量，这是由于施用有机肥一方面增加可供微生物利用的土壤活性养分库量[7,28]，另一方面还能显著增强土壤微生物的活性[29-30]，提高土壤有机碳矿化强度，从而使得有机碳矿化量增加。本研究中，磷肥和有机肥的施用不仅提高了土壤团聚体中有机碳的含量[13]，而且提高团聚体中微生物生物量碳的含量和转化酶活性，从而促进团聚体有机碳的矿化及有机质中无机养分的释放，可改善红壤性水稻土的供肥状况。

4 结论

＞1 mm 团聚体有机碳矿化动态与全土一致，均表现为有机碳矿化速率在培养前期快速下降，培养后期逐渐降低并趋于稳定；＜1 mm 粒级尤其是0.053—0.25 mm团聚体有机碳矿化速率在培养过程中降低幅度较小且更早达到稳定状态。＞2 mm和0.25—1 mm团聚体对全土有机碳矿化的贡献最大。团聚体有机碳累积矿化量与有机碳、全氮、微生物生物量碳含量及转化酶活性均呈极显著的正相关关系，其中与有机碳的相关性最大，因此有机碳含量是影响团聚体有机碳矿化的最关键因素。磷肥和有机肥的施用提高了土壤团聚体中有机碳、微生物生物量碳的含量和转化酶活性，从而促进团聚体有机碳的矿化。