不同肥力紅壤水稻土根際團聚體組成和碳氮分布動態*

江春玉劉 萍，2劉 明吳 萌李忠佩?

（1 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室（中國科學院南京土壤研究所），南京 210008）（2 中國科學院大學，北京 100049）

不同肥力紅壤水稻土根際團聚體組成和碳氮分布動態*

江春玉1劉 萍1，2劉 明1吳 萌1李忠佩1?

（1 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室（中國科學院南京土壤研究所），南京 210008）（2 中國科學院大學，北京 100049）

研究水稻種植期間表層土壤團聚體數量及其有機碳、全氮含量的變化，對揭示人為耕作的影響、認知土壤肥力的演變規律具有重要意義。選擇兩種不同肥力的紅壤性水稻土進行田間根袋試驗，分別于水稻插秧前、分蘗期、孕穗期和成熟期采樣，分析了水稻生長過程中根際和非根際土壤團聚體組成、穩定性以及有機碳、全氮分布的動態變化。結果表明，低肥力土壤團聚體以＞0.25 mm大團聚體為主（56.2%～64.0%），0.25～1 mm粒級團聚體含量最高；除1～2 mm粒級外，水稻生育期內根際土壤各粒級團聚體含量均有顯著變化；取樣時期、根際作用與取樣時期的交互效應對0.25～1 mm和0.053～0.25 mm粒級含量有顯著影響。高肥力土壤中以＜0.25 mm微團聚體為主（59.8%～72.0%），0.053～0.25 mm粒級團聚體比例最高，取樣時期顯著影響＞0.25 mm大團聚體含量，根際作用與取樣時期的交互效應對＞2 mm粒級含量有極顯著影響。與非根際相比，根際土壤大團聚體的破壞率較低，平均重量直徑（MWD）較高，種植水稻有助于提高根際土壤的穩定性。兩種肥力土壤團聚體中有機碳和全氮含量均表現為1～2 mm粒級最高，0.053～0.25 mm粒級最低，大團聚體中顯著高于微團聚體。根際土壤中，水稻成熟期各粒級團聚體有機碳含量與插秧前無顯著差異，而分蘗期和孕穗期有明顯波動；水稻的生長降低了大團聚體中的全氮含量，對高肥力土壤的影響更為顯著。總體而言，低肥力土壤中，根際作用主要影響團聚體組成和穩定性，取樣時期影響團聚體碳氮含量；高肥力土壤中，團聚體組成和碳氮分布受根際作用和取樣時期的共同影響。

紅壤水稻土；團聚體；生育期；有機碳；全氮

土壤團聚體是土壤結構的重要物質基礎和肥力的重要載體，其組成和穩定性直接影響了土壤理化性質，進而影響農作物生長。以250 μm 為界限，團聚體被分為大團聚體（Macroaggregates）和微團聚體（Microaggregates）。不同粒級團聚體在養分的保持、供應及轉化能力等方面發揮著不同的作用［1］。紅壤性水稻土發育于紅壤，質地黏重，酸度較高，是我國南方稻作區主要土壤類型。但是相同母質和種植制度下，水熱條件接近，紅壤水稻土團聚體組成和碳氮分布卻存在較大差異。鷹潭和桃源生態試驗站長期定位試驗的紅壤水稻土以大團聚體為主，有機碳氮主要分布在較大粒級團聚體上［2-3］；千煙洲生態試驗站紅壤水稻土團聚體分布以＜63 μm的粉砂和黏粒為主［4］，湖南省望城縣長期定位試驗紅壤水稻土團聚體內有機碳含量隨團聚體粒徑減小而增加［5］。水稻土是長期人為水耕熟化、淹水種稻而形成的一種特殊土壤類型，土壤利用年限和人為管理措施差異引起的土壤肥力性狀變化可能是造成這一現象的原因之一，但具體的形成機制尚不明確。

根際（rhizosphere）是作物、土壤和微生物相互作用的中心，是作物和土壤環境之間物質和能量交換最活躍的區域。因為植物的根際沉積效應，根際土壤的許多物理化學條件和生物化學過程不同于普通土體［6］，進而影響土壤團聚化作用。有機物質的連續供給和微生物生物量的增加，使得根際土壤及黏土和細粉組分中碳含量更高［7］。但是，已有報道主要采集非栽培期的土壤進行土壤團聚體有機碳分布研究，而且主要針對有機肥施用和耕作管理等外部調控措施的影響，很少關注作物生育期內根際土壤中團聚體組成的動態變化和差異。比較水稻生長過程中根際和非根際土壤團聚體組成和有機碳氮分布的變化，將有助于深入認識植物―土壤的互作關系和農田土壤質量變化。

本研究選擇南方典型地帶性土壤——紅壤水稻土為研究對象，探討土壤肥力水平和水稻生長過程對根際和非根際土壤團聚體組成和有機碳氮分布的影響，以期為揭示土壤肥力形成和變化的規律提供重要的理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤采自鷹潭農田生態系統國家野外科學觀測研究站附近的典型稻田，采樣田塊地理坐標分別為28°12′01″N、116°56′02″E和28°12′02″N、116°55′50″E。2012年3月在選定的田塊上通過多點混合采集0～15 cm 耕層土樣，樣品經風干，挑去細根和石塊等，過10 mm篩備用。供試土壤均為第四紀紅色黏土發育的水稻土，屬于簡育水耕人為土，基本理化性狀如表1所示。土樣S1的有機碳和養分含量均低于土樣S2，水稻種植年限為15年左右，肥力水平較低；土樣S2水稻種植年限超過50年，水肥管理較好，為當地中高肥力的紅壤水稻土。

表1 供試紅壤水稻土的基本理化性狀Table 1 Physical and chemical properties of the studied red paddy soils

1.2 實驗設計

田間根袋試驗在鷹潭農田生態系統國家野外科學觀測研究站內進行。根袋由內外2層300目的尼龍布制成，內袋直徑12 cm，用以區分根際土和非根際土；外袋直徑20 cm，用以區分供試土壤和田間土壤；袋高22 cm，袋口由尼龍繩收口（圖1所示）。將兩種不同肥力的土壤分別裝入根袋中，內袋裝土2.4 kg，外袋裝土3.6 kg，裝土高度為15 cm，然后將根袋埋入田間，與田間土壤一起淹水處理。選擇高度、粗細較一致的水稻秧苗（水稻品種為金早47）插入內袋中，每袋種一穴兩株。施肥量參照當地的常規施肥量（每公頃施N 115 kg，P2O568 kg和K2O 42 kg），每袋按占地面積0.04 m2計，施底肥尿素0.53 g、鈣鎂磷肥2.27 g、氯化鉀0.27 g，分蘗期追肥尿素0.47 g。分別于插秧前（P1）、分蘗期（P2）、孕穗期（P3）和成熟期（P4）進行采樣，每次每種土壤采集3個根袋。采集的根袋運回室內后剪開，內外兩層中的土壤分別晾干至不粘手狀態，然后用手將土樣沿自然結構面掰成直徑約1 cm的小塊，使土樣能通過10 mm 的篩孔。

圖1 根袋示意圖Fig. 1 Sketch of the root bag used in the experiment

1.3 土壤團聚體分級

土壤團聚體的分級采用干篩與濕篩相結合的方法。干篩參照中國科學院南京土壤研究所土壤物理研究室方法［8］，土樣風干后用不銹鋼套篩振蕩進行干篩，分別得到＞5 mm、2～5 mm、1～2 mm、0.5～1 mm、0.25～0.5 mm 和 ＜0.25 mm 的六級機械穩定性土壤團聚體。根據干篩獲得的各級團聚體百分比，配成質量為100 g（精確至0.01 g）的土樣用于濕篩分析。濕篩參照Elliott［9］的方法：土樣放置于孔徑為2 mm的不銹鋼篩上，室溫下蒸餾水浸泡10 min，然后分別通過1 mm、0.25 mm和0.053 mm的不銹鋼篩，豎直上下振蕩50次，收集各級土篩上的土壤，獲得＞2 mm、1～2 mm、0.25～1 mm和0.053～0.25 mm的水穩性土壤團聚體，＜0.053 mm的團聚體通過將溶液沉降、離心獲得。將各級篩層中的土粒轉移至燒杯中，自然晾干后測定有機碳和全氮含量，部分烘干稱重計算各粒徑團聚體的比例和團聚體破壞率（PAD，%）。

1.4 測定方法及計算

土壤有機碳測定用高溫外加熱重鉻酸鉀氧化-容量法，全氮用半微量凱氏法測定［10］。

各級團聚體的百分含量=各處理中該級團聚體質量/各處理土壤樣品總質量×100%。采用＞0.25 mm水穩性團聚體、團聚體平均質量直徑（Mean weight diameter，MWD）和團聚體破壞率來衡量團聚體穩定性。

團聚體破壞率（PAD，%）＝（＞0.25 mm機械穩定性團聚體－＞0.25 mm水穩性團聚體）/＞0.25 mm機械穩定性團聚體×100

團聚體對土壤碳氮的貢獻率（%）=（該級團聚體中碳氮含量×該級團聚體的百分含量）/ 全土中碳氮含量×100。

采用 Microsoft Excel 軟件對數據進行處理，SPSS 19.0 數據分析系統進行統計分析，采用單因素方差分析（one-way ANOVA）測驗處理間差異顯著性（p＜0.05），重復測量方差分析（repeated measures ANOVA）檢驗取樣時期對處理的影響。

2 結 果

2.1 水穩性團聚體的分布動態

土壤團聚體的數量和大小分布影響著土壤質量。圖2為不同生育期水稻根際和非根際土壤中水穩性團聚體的質量分數。低肥力土壤（S1）中，＞2 mm、1～2 mm、0.25～1 mm、0.053～0.25 m m及＜0.0 5 3 m m粒級團聚體含量分別為19.2%～29.7%、7.3%～10.4%、24.2%～32.0%、20.7%～26.8%和15.1%～20.6%，1～2 mm粒級的團聚體比例較低。內袋根際土中，＞2 mm粒級團聚體在水稻生育期表現為先增后減，孕穗期比插秧前增加53.1%，0.25～1 mm粒級團聚體在分蘗期降低后至成熟期無顯著變化；與插秧前相比，水稻成熟期＞2 mm、0.25～1 mm和0.053～0.25 mm粒級團聚體含量均有顯著變化。外袋非根際土中，水稻生育期間各粒級團聚體含量基本保持不變。分蘗期、孕穗期和成熟期，根際土壤＞2 mm粒級含量顯著高于非根際土壤，1～2 mm和0.25～1 mm含量顯著低于非根際土壤。重復測量方差分析結果表明，取樣時期、根際作用與取樣時期的交互效應對0.25～1 mm和0.053～0.25 mm粒級含量有顯著影響（p＜0.05），對其他粒級影響不顯著。

高肥力土壤（S2）中，由大到小各粒級團聚體含量分別為1.3%～3.5%、2.5%～4.4%、22.8%～33.8%、34.6%～48.1%和23.6%～25.2%，0.053～0.25 mm粒級的團聚體比例最高，＞2 mm 和1～2 mm粒級的團聚體含量最低。水稻生長期間，內外根袋中＞2 mm和1～2 mm粒級均表現為先增后減，種植一季水稻后比種植前顯著提高；分蘗期0.053～0.25 mm粒級團聚體向大團聚體轉移，孕穗期其比例顯著升高（p ＜0.05）。根際土壤中，＞2 mm粒級團聚體含量在分蘗期、孕穗期和成熟期均顯著高于非根際土壤；0.25～1 mm和0.053～0.25 mm粒級團聚體含量在孕穗期顯著高于非根際土壤（p ＜0.05），其他粒級差異不顯著。重復測量方差分析結果表明，取樣時期對＞2 mm 和1～2 mm粒級含量有極顯著影響（p ＜0.01），對0.25～1 mm含量有顯著影響（p ＜0.05）；根際作用和取樣時期的交互效應對＞2 mm粒級含量有極顯著影響（p ＜0.01）。

圖2 水稻種植期間土壤水穩性團聚體組成變化Fig. 2 Change of water-stable aggregates in composition during the rice cultivation season

2.2 土壤肥力和水稻種植對土壤團聚體穩定性的影響

通常認為＞0.25 mm 的大團聚體是土壤團粒結構體，其數量與土壤肥力狀況呈正相關。水稻種植期間水穩性大團聚體的含量變化如表2所示，低肥力土壤中大團聚體含量為56.2%～64.3%，顯著高于高肥力土壤（p ＜0.05）。孕穗期根際土中大團聚體含量顯著高于非根際土，根際作用影響水稻生長中后期土壤大團聚體含量。兩種非根際土壤中大團聚體含量變化規律并不相同，低肥力土壤中基本保持不變，高肥力土壤中隨季節變化較大。

團聚體破壞率和MWD值表征團聚體對水的穩定性。由表3可以看出，低肥力土壤中大團聚體的破壞率為34.2%～42.1%，顯著低于高肥力土壤（p ＜0.05）。根際土壤中大團聚體的破壞率低于非根際土壤，在孕穗期達極顯著水平，根系的生長有利于灌水條件下團聚體的穩定。

由表4可以看出，低肥力土壤中團聚體MWD值顯著高于高肥力土壤（p＜0.05）。插秧前，內外袋中兩種土壤的團聚體MWD值均無顯著差異；水稻分蘗期、孕穗期和成熟期，內袋根際土壤團聚體MWD值均顯著高于外袋非根際土壤（p＜0.05）。種植水稻有助于提高土壤的穩定性。

表2 水稻種植期間水穩性大團聚體含量Table 2 Content of water-stable macro-aggregate in the paddy soils relative to growth stage of the crop（%）

表3 水稻種植期間大團聚體破壞率變化Table 3 Percentage of macro-aggregate destruction in the paddy soils relative to rice growth stage（%）

表4 水稻種植期間團聚體MWD值變化Table 4 Aggregate MWD in the paddy soils relative to rice growth stage（mm）

2.3 團聚體中有機碳、全氮含量的變化

由圖3可知，不同粒徑團聚體中的有機碳含量具有明顯的差異，高肥力和低肥力土壤中有機碳含量均表現為1～2 mm粒級最高，0.25～1 mm和＞2 mm粒級次之，0.053～0.25 mm粒級最低，大團聚體中有機碳含量顯著高于微團聚體，高肥力土壤團聚體有機碳含量顯著高于低肥力土壤（p＜0.05）。

低肥力水稻根際土中，分蘗期和孕穗期＞2 mm粒級團聚體有機碳含量顯著高于插秧前和成熟期（p＜0.05），而0.25～1 mm粒級團聚體有機碳含量顯著低于插秧前和成熟期（p＜0.05）。除0.053～0.25 mm粒級外，其他粒級團聚體中水稻成熟期有機碳含量與插秧前無顯著變化。根際土和非根際土中各粒級團聚體有機碳含量均無顯著差異。

高肥力水稻根際土中，分蘗期＞2 mm粒級團聚體有機碳含量顯著低于插秧前和成熟期（p ＜0.05），分蘗期和孕穗期0.053～0.25 mm粒級團聚體有機碳含量顯著低于成熟期（p＜0.05），水稻生長促進了＞2 mm和0.053～0.25 mm 粒級中有機碳的吸收利用和分解轉化；＜0.053 mm粒級團聚體有機碳含量在分蘗期和孕穗期顯著高于插秧前和成熟期（p＜0.05），0.25～1 mm粒級團聚體有機碳含量在分蘗期顯著增加，孕穗期最低。總體而言，水稻成熟期各粒級團聚體中有機碳含量與插秧前無顯著變化，而分蘗期和孕穗期有明顯波動。根際土中，分蘗期＞2 mm粒級、孕穗期1～2 mm粒級、成熟期0.053～0.25 mm和＜0.053 mm粒級中有機碳含量顯著低于非根際土。

重復測量方差分析結果表明，取樣時期對0.053～0.25 mm粒級團聚體有機碳含量有顯著影響（p＜0.05），根際作用和取樣時期的交互效應對低肥力土壤1～2 mm粒級團聚體有機碳含量有顯著影響（p＜0.05）。

由圖4可以看出，供試紅壤水稻土團聚體全氮含量在水稻種植期間也發生了很大變化。與有機碳的分布相似，團聚體全氮含量也表現為1～2 mm粒級最高，0.25～1 mm和＞2 mm粒級次之，0.053～0.25 mm粒級最低，大團聚體中全氮含量顯著高于微團聚體中，高肥力土壤團聚體全氮含量顯著高于低肥力土壤（p＜0.05）。

圖3 水稻種植期間土壤團聚體中有機碳含量變化Fig. 3 Variation of organic carbon contents in soil aggregates during the rice cultivation season

低肥力根際土中，成熟期＞2 mm粒級團聚體全氮含量顯著低于插秧前和分蘗期，孕穗期0.25～1 mm粒級團聚體全氮含量顯著低于插秧前和成熟期，＜0.053 mm粒級團聚體全氮含量在分蘗期顯著高于其他取樣時期（p＜0.05）。成熟期＞2 mm粒級團聚體全氮含量顯著低于非根際土。

高肥力根際土中，＞2 mm、1～2 mm和0.25～1 mm粒級大團聚體的全氮含量在插秧前顯著高于孕穗期和成熟期（p＜0.05），＞2 mm粒級團聚體中全氮含量在孕穗期最低，1～2 mm粒級團聚體中在分蘗期最低，而0.25～1 mm粒級團聚體中在成熟期最低；0.053～0.25 mm粒級全氮含量在分蘗期顯著降低，成熟期回升；＜0.053 mm粒級團聚體全氮含量在分蘗期和孕穗期顯著高于插秧前和成熟期（p＜0.05）。非根際土壤中各團聚體全氮含量與插秧前無顯著差異。除1～2 mm粒級外，成熟期根際土團聚體全氮含量顯著低于非根際土。

總體而言，水稻的生長降低了大團聚體中的全氮含量，對高肥力土壤的影響更為顯著。

2.4 各粒級團聚體對土壤有機碳、全氮含量的貢獻

圖5 A表明各級團聚體對土壤有機碳含量的貢獻率，低肥力土壤中表現為0.2 5～1 mm最高（28.0%～38.1%），＞2 mm次之（2 1.1%～3 3.7%），其他粒級差別不明顯（8.9%～19.7%），大團聚體的有機碳貢獻率達到66.7%～71.8%。高肥力土壤中，0.25～1 mm（28.5%～39.4%）和0.053～0.25 mm（23.6～38.5%）粒級貢獻率較高，大團聚體的有機碳貢獻率為35.2%～49.9%。各粒級團聚體對全氮的貢獻率與有機碳規律一致（圖5B），高肥力和低肥力土壤中大團聚體的全氮貢獻率分別為36.6%～50.5%和65.8%～71.9%。

圖4 水稻種植期間土壤團聚體中全氮含量變化Fig. 4 Variation of total nitrogen contents in soil aggregates during the rice cultivation season

圖5 各粒級團聚體對土壤有機碳和全氮的貢獻率Fig. 5 Contribution rate of soil aggregates to organic carbon and total nitrogen in the soil relative to fraction of the aggregates

低肥力土壤中，水稻生育期內根際各粒級團聚體對有機碳和全氮的貢獻率有明顯的波動，而非根際土壤中無顯著變化，根際作用影響了有機碳氮在團聚體中的分配。高肥力土壤中，插秧前和分蘗期0.25～1 mm粒級對有機碳和全氮的貢獻率最大，而孕穗期和成熟期0.25～1 mm粒級貢獻率顯著下降，0.053～0.25 mm粒級對有機碳和全氮的貢獻率顯著增加，非根際土壤中增加更為明顯（p ＜0.05）。各粒級團聚體對有機碳和全氮的貢獻率與土壤團聚體的分布呈極顯著正相關，相關系數r分別為0.92 和0.86，團聚體含量是影響其貢獻率的主導因子。

3 討 論

3.1 不同肥力水平對紅壤水稻土團聚體組成和碳氮分布的影響

土壤團聚體是維持土壤質量的重要物質基礎，通常認為有機質是土壤團聚體形成的重要膠結物，有機碳較高的土壤團聚體更為穩定［11-12］。但本研究中高肥力土壤大團聚體含量和穩定性均低于低肥力土壤（表2～表4），分析可能是與紅壤水稻土特殊的土壤性質有關。供試土壤母質屬于第四紀紅色黏土，含有較多的膠結力很強的鐵鋁氧化物。Oades和Waters［13］發現，團聚體等級理論只適用于描述有機質主導團聚體形成與穩定的土壤，而在氧化物豐富的土壤中，氧化物替代有機質成為團聚體形成的主要膠結劑。李朝霞等［14］對第四紀紅黏土發育紅壤的研究表明，當土壤中有機質含量較少且黏粒和氧化鐵鋁含量較高時，黏粒的內聚力及鐵鋁氧化物的膠結作用在維持土壤團聚體的穩定性方面起主導作用。Peng等［15］指出倍半氧化物是紅壤不同粒級團聚體中主要黏合劑。因此，在開墾時間較短、有機質含量不高、養分不太豐富的低肥力紅壤水稻土中，鐵鋁氧化物對大團聚體的形成和穩定起主要作用，但由此形成的團聚體并不是理想的團粒結構。隨著水稻種植年限的延長，水田土壤熟化程度和肥力水平提高，土壤中有機膠結物質逐步積累，鐵鋁氧化物含量降低，有機碳成為各粒級團聚體穩定的主要膠結劑［16］。Linquist等［17］發現土壤開墾后隨著黏粒活度的增加和無機膠結物含量的降低，土壤團聚體的水穩性會逐漸降低，團聚體有從較大粒徑向小粒徑轉變的趨勢。劉曉利和何園球［18］也發現荒地土壤開墾后0.053～0.25 mm 的水穩性微團聚體含量升高。因此，在判斷紅壤水稻土團粒結構是否良好時，不僅要關注大團聚體的數量和粒徑分配，還應衡量團聚體的質量和團聚形式。

不同粒徑土壤團聚體中有機質的分布是土壤有機質平衡與礦化速率的微觀表征。本研究中不同肥力水平的土壤團聚體中有機碳和全氮含量均表現為1～2 mm粒級最高，0.25～1 mm和＞2 mm粒級次之，0.053～0.25 mm粒級最低，這與陳曉芬等［2］在鷹潭生態試驗站長期定位試驗小區中得到的研究結果一致。＜0.053 mm 團聚體有機碳含量高于0.053～0.25 mm粒級，這可能是因為該粒級團聚體黏粒含量較高，有機碳易吸附到黏土礦物表面形成穩定的復合體［19］，成為土壤有機碳中極穩定的碳庫。0.053～0.25 mm粒級可能因為砂粒含量較高，對有機碳和養分的固持能力較弱。大團聚體中有機碳含量顯著高于微團聚體，這一結果與Six等［20］和Mikha等［21］研究結果相似，與團聚體等級發育模型理論［22］相吻合，一方面有機質把微團聚體膠結成大團聚體，另一方面處于分解狀態的植物根系和微生物菌絲可以通過纏繞作用直接形成大團聚體，并增加其中有機碳的濃度。在低肥力土壤中，由于大團聚體數量較高，66.7%～71.8%的有機碳和65.8%～71.9%的全氮分布在大團聚體中。可見在開墾年限較短（＜30年）的紅壤水稻土中，大團聚體數量占主導地位，水穩性大團聚體是有機碳和全氮的主要載體［2，5，23］。高肥力土壤中，因大團聚體含量較低，大團聚體的有機碳和全氮貢獻率僅為35.2%～49.9%和36.6%～50.5%，這與竇森等［24］和唐曉紅等［25］對溫帶土壤團聚體有機碳分布的認識一致。

3.2 水稻生育期對團聚體組成和碳氮分布的影響

水稻種植期間根系的作用、水熱條件變化、人為的淹水和干濕交替等，使土壤結構（團聚體）、有機質和微生物都經歷了復雜的變化。研究水稻不同生育期表層土壤團聚體含量及有機碳和全氮的變化，對揭示人為干擾對土壤結構和有機質的影響具有重要意義。一般從年季的角度看，土壤團聚體組成相對比較穩定，但本研究結果顯示在一個水稻生長季中團聚體組成有明顯的波動（圖2）。低肥力土壤中，除1～2 mm粒級外，水稻生育期內根際土壤各粒級團聚體含量有顯著變化；取樣時期顯著影響0.25～1 mm和0.053～0.25 mm粒級含量。高肥力土壤中，除＜0.053 mm粒級外各粒級團聚體含量均有顯著變化；取樣時期顯著影響＞2 mm、1～2 mm 和0.25～1 mm粒級含量。陳強等［26］也發現不同耕作方式下團聚體分布及穩定性存在季節性差異。水稻成熟期團聚體有機碳含量與插秧前無顯著差異，而分蘗期和孕穗期有明顯波動，說明水稻的種植過程促使土壤中有機碳組分的轉化和重新分配。水稻的生長降低了大團聚體中的全氮含量，說明大團聚體中的氮更易于水稻吸收，應考慮適當施用氮肥以維持根際土壤中的氮素平衡。

3.3 根際效應對團聚體組成和碳氮分布的影響

根際是植物與微生物活動的重要場所，水稻生長過程中向根際土壤釋放或溢泌大量的根系分泌物，這些根系分泌物引起了根際土壤物理、化學和生物學性質的變化，從而直接或間接地影響根際微區土壤的結構［27］。本研究結果顯示：低肥力土壤中，隨著水稻生長，根際土壤＞2 mm粒級含量顯著高于非根際土壤，1～2 mm和0.25～1 mm含量顯著低于非根際土壤，說明根系生長促進了1～2 mm 和0.25～1 mm團聚體向＞2 mm粒級轉變。高肥力土壤中，根際作用主要影響＞2 mm粒級團聚體含量。苑亞茹等［28］研究發現在大田條件下，土壤耕作、干濕交替等因子對土壤團聚體的影響掩蓋了作物根系及其分泌物的作用。本研究采用雙層根袋區分根際與非根際土壤，可以較好地反映根際效應的變化。

作物－土壤系統中，作物根系對土壤有機碳的積累和轉化具有重要影響。一般認為，根際的根系分泌物及組織脫落物較多，在土壤微生物和動物的作用下轉化成土壤碳，從而使根際土壤有機碳含量增加［29］。但是在本研究中，低肥力根際和非根際土壤各粒級團聚體有機碳含量均無顯著差異，高肥力根際土壤成熟期0.053～0.25 mm和＜0.053 mm粒級中有機碳含量顯著低于非根際土壤。可能是因為根際沉積碳代謝周轉快、結構性碳尚未及時形成有機質等，加上其固定、周轉及遷移過程的復雜性和多變性［30］，導致了研究結果的不一致性。氮對植物的生長發育至關重要，氮素也是植物根系從土壤中吸收最多的元素之一。根系對氮素的吸收導致根際團聚體中全氮含量的降低，低肥力土壤中＞2 mm粒級團聚體全氮含量顯著低于非根際土；高肥力土壤中，除1～2 mm粒級外，成熟期根際土團聚體全氮含量顯著低于非根際土。與插秧前相比，低肥力土壤在孕穗期、高肥力土壤在分蘗期全氮含量有較明顯的下降，可考慮針對性地補施氮肥。

4 結 論

低肥力紅壤水稻土水穩性團聚體組成以大團聚體為主，高肥力水稻土中以微團聚體為主。低肥力土壤中團聚體的分布和穩定性主要受水稻根際作用的影響，高肥力土壤受根際作用和取樣時期的共同作用，種植水稻有助于提高根際土壤團聚結構的穩定性。水稻成熟期團聚體有機碳含量與插秧前無顯著差異，而分蘗期和孕穗期有明顯波動。大團聚體中全氮含量隨生育期的延長而降低。種植水稻影響了有機碳和全氮在團聚體中的分配。

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Dynamics of Aggregates Composition and C，N Distribution in Rhizosphere of Rice Plants in Red Paddy Soils Different in Soil Fertility

JIANG Chunyu1LIU Ping1，2LIU Ming1WU Meng1LI Zhongpei1?
（1 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture，Institute of Soil Science，Chinese Academy of Sciences，Nanjing 210008，China）
（2 University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

【Objective】Soil aggregates are an essential material foundation of soil structure and an important carrier of soil nutrients. Rhizosphere is the most active region of matter and energy exchanging between crop and soil，and it differs from the bulk soil in many of physical and chemical conditions and biochemical processes，thereby influencing soil aggregation. A number of studies have been reported paying attention mostly to effects of organic manure application，tillage management and some other regulatory measures on soil aggregates during fallow seasons，rather than to differences of rhizospheric soil from bulk soil in dynamic variation of soil aggregate composition during the rice growing seasons. It is of great significance to study changes in volume of soil aggregates and contents of organic carbon and nitrogen therein in the rhizospheric and non-rhizospheric soils during the rice growing season to revelation of impacts of artificial cultivation on the changes and in-depth understanding of interactions between plant and soil and variation of soil quality.【Method】A field rhizo-bag experiment using two types of red paddy soils different in fertility was conducted in the Yingtan National Field Observation and Research Station of Farmland Ecosystem，Jiangxi Province，China. The soils were collected from the topsoil layers（0～15 cm）of two typical paddy fields near the station in March 2012. Two-layered root bags were used to separate rhizosphere from non-rhizosphere and bulk soil. During the experiment，root bags and the soils around were collected before rice transplanting and at the tillering，booting and maturing stages of rice，separately. The rhizosphere and non-rhizosphere soils were saved individually and separated into five aggregate-size fractions（＞2 mm，1～2 mm，0.25～1 mm，0.053～0.25 mm and ＜0.053 mm）using the wet sieving method. Mass fraction，percentage of aggregate destruction（PAD）and mean weight diameter（MWD）of water-stable macro-aggregates were calculated to determine stability of the aggregates. Organic carbon and total nitrogen in the aggregates were measured. 【Result】 Results show that the aggregates in the low fertility soil were dominated mainly with the fraction of ＞0.25 mm macro-aggregates（56.2%～64.0%），and the amounts of 0.25～1 mm size was the highest. Except for the aggregates 1～2 mm in size，all the fractions of aggregates in the rhizosphere soil changed significantly in content during the rice growing season. Sampling time and interactions between sampling time and rhizospheric effect remarkably affected the amounts of the fractions of 0.25～1 mm and 0.053～0.25 mm. In the high fertility soil，＜0.25 mm micro-aggregates accounted for 59.8%～72.0% of the total soil aggregates，and the 0.053～0.25 mm fraction made up the largest proportion. Sampling time affected the content of ＞0.25 mm macro-aggregates the most，while interactions between rhizospheric effect and sampling time did the content of ＞2 mm fraction the most. Compared with non-rhizospheric soils，rhizospheric soils were low in PAD，but high in MWD，which indicates that rice cultivation helps improve stability of rhizosphere soil. Contents of organic carbon（SOC）and total nitrogen（TN）were the highest in the 1～2 mm fraction of aggregates and the lowest in the 0.053～0.25 mm fraction，and obviously much higher in macro-aggregates than in micro-aggregates. The SOC content in rhizosphere aggregates during the crop maturing period did not have much difference from that before rice transplanting. But SOC contents in rhizosphere aggregates did fluctuate significantly during the tillering and booting stages of rice. The SOC content in the 0.053～0.25 mm fraction was significantly influenced by sampling time. In the low fertility soil，there was no significant difference in aggregate-associated SOC contents between rhizosphere and non-rhizosphere soils. But in the high fertility soil，SOC contents in the ＞2 mm fraction at the tillering stage，in the 1～2 mm fraction at the booting stage and in the 0.053～0.25 mm fraction and ＜0.053 mm fraction at the maturing stage were significantly lower in the rhizospheric soil than in the non-rhizospheric soil. The growth of rice decreased the content of TN in macro-aggregates. The effect of rice growth was more significant in the high fertility soil. 【Conclusion】In the low fertility soil，rhizospheric effect affects mainly the composition and stability of aggregates，while sampling time does contents of SOC and TN in aggregates. In the high fertility soil，composition of aggregates and distribution of SOC and TN vary under the joint impact of rhizospheric effect and sampling time.

Red paddy soil；Aggregate；Growth period；Soil organic carbon；Total nitrogen

S154.4

A

10.11766/trxb201605060123

（責任編輯：陳榮府）

* 國家重點基礎研究發展規劃（973）項目（2015CB150501）和國家自然科學基金項目（41171233）資助 Supported by the National Basic Research Program of China（973 Program）（No. 2015CB150501）and the National Natural Science Foundation of China（No. 41171233）

? 通訊作者 Corresponding author，E-mail：zhpli@issas.ac.cn

江春玉（1981—），女，江蘇海門人，博士，助理研究員，主要從事土壤生物與生化方面的研究。 E-mail：chyjiang@ issas.ac.cn

2016-05-06；

2016-07-27；優先數字出版日期（www.cnki.net）：2016-08-29