長期施肥對水稻土碳氮礦化與團聚體穩定性的影響①

李 奕，劉玲玲，房 煥，李大明，柳開樓，彭新華，彭顯龍，周 虎*

長期施肥對水稻土碳氮礦化與團聚體穩定性的影響①

李 奕1,2，劉玲玲3，房 煥2,4，李大明5，柳開樓5，彭新華2，彭顯龍1*，周 虎2*

(1 東北農業大學資源與環境學院，哈爾濱 150030；2 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；3 湖南農業大學資源與環境學院，長沙 410128；4 中國科學院大學，北京 100049；5國家紅壤改良工程技術研究中心，江西省紅壤研究所，南昌 331717)

水稻土有機碳、氮礦化過程對水稻土質量和作物養分吸收具有重要的作用，但是它們對施肥措施的響應及其與土壤結構之間的關系尚不清楚。本研究基于紅壤性水稻土長期施肥定位試驗，分析了不施肥(CK)、施用常量化肥(NPK)、2倍化肥(NPK2)和常量化肥配施有機肥(NPKOM)等處理下水稻土碳氮礦化特征，并研究了其與土壤團聚體穩定性的關系。結果表明NPKOM處理顯著提高了土壤有機碳和全氮含量(<0.05)，而單施化肥處理(NPK2和NPK)則同CK處理沒有顯著差異。土壤有機碳礦化速率、累積礦化量和礦化率均為NPKOM>NPK2>NPK>CK處理，其中NPKOM處理顯著高于其他處理(<0.05)，而后3個處理間沒有顯著差異。土壤氮礦化速率、累積礦化量和礦化率同土壤碳礦化的規律一致，NPKOM、NPK2和NPK處理累積礦化氮量較CK處理分別提高110.0%、29.4% 和8.8%，礦化率分別提高110.8%、25.6% 和13.0%。單施化肥處理(NPK和NPK2)的平均質量直徑(MWD)分別降低了17.1% 和15.5%，而NPKOM處理則增加了19.4%。相關分析表明，土壤碳氮礦化主要取決于土壤有機碳氮含量，而與土壤團聚體水穩定性無直接關系。在今后研究中，應重點分析土壤孔隙結構與有機碳氮周轉的關系。

水稻土；碳氮礦化；團聚體水穩定性

農田土壤有機碳氮及其周轉過程決定了土壤肥力及其可持續能力[1]。施肥是維持和提高土壤肥力的主要手段[2]。大量研究表明，相較于長期不施肥處理，長期平衡施用化肥和有機肥化肥配施不僅可顯著提高水稻產量[3]，同時也能增加作物地下生物量，進而提高土壤中有機質的投入量。一些研究發現長期施用化肥和有機肥均可顯著提高土壤有機碳含量[4]，然而也有報道指出長期施用化肥并沒有提高水稻土有機碳氮含量[5]。有機物投入量增加但土壤有機碳氮含量卻沒有增加，表明不同施肥處理下土壤有機質礦化速率可能不同。馬天娥等[6]分析了黃土高原溝壑區黃蓋黑壚土在長期不同施肥處理下有機碳的礦化，發現化肥處理提高了土壤碳礦化速率；而吳萌等[7]則發現常熟烏柵土和重慶紫色土區域化肥處理并沒有提高土壤碳礦化速率。

土壤有機碳氮的礦化過程受到土壤理化性質、微生物和環境因素等多方面的影響[8-9]。其中，土壤團聚體的破碎和團聚過程往往伴隨著土壤有機碳氮的礦化和累積，因此團聚體的穩定性可能會影響有機碳氮的礦化過程[10]。Yan等[5]研究表明，江西紅壤水稻土上有機無機配施可以促進團聚體膠結進而形成大團聚體，提高大團聚體的數量和穩定性。郝瑞軍等[10]發現，大團聚體(>0.25 mm)比微團聚體(<0.25 mm)含有更多的C、N和易分解的土壤有機質，并研究了不同大小團聚體的礦化速率。總體而言，對于團聚體穩定性與有機碳氮礦化的關系尚不明確。

本研究基于長期施肥定位試驗，分析了不同施肥處理下團聚體水穩定性，并通過室內培養試驗分析土壤有機碳氮的礦化，研究不同施肥方式對土壤有機碳氮礦化和團聚體水穩性的影響，并探討團聚體水穩性和碳氮礦化之間的關系。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

長期定位試驗位于江西省紅壤研究所(116°10′ E，28°15′N)。該地區為亞熱帶季風氣候，年均氣溫18.1 ℃，年均降雨量1 727 mm。土壤為第四紀紅黏土發育的潴育型水稻土，種植制度為“早稻-晚稻-冬閑”。長期定位試驗開始于1981年。試驗開始時耕層(0 ~ 20 cm)土壤基本性質為：有機碳16.3 g/kg，全氮1.6 g/kg，全磷0.48 g/kg，全鉀10.4 g/kg，pH為6.9。

1.2 試驗設計

本研究選取該長期試驗點4個施肥處理：對照(CK)、施化肥(NPK)、施2倍化肥(NPK2)和常量有機無機肥配施(NPKOM)處理。每處理3個重復，隨機區組排列，每個小區面積46.67 m2。供試化肥為尿素、過磷酸鈣和氯化鉀，有機肥為豬糞。NPK處理為每水稻季施入化肥N 90.0 kg/hm2、P 45.0 kg/hm2、K 75.0 kg/hm2，NPK2處理化肥用量為NPK處理的2倍，NPKOM處理在晚稻季施用豬糞22 500 kg/hm2。在水稻種植前，有機肥作基肥一次施入,尿素和氯化鉀在水稻返青后和分蘗盛期分二次追施，有機肥氮、磷、鉀含量與NPK處理施肥量相當。耕作管理措施與大田相同。

1.3 土壤樣品采集與分析

2015年10月水稻收獲后，采集各小區0 ~ 20 cm耕層土壤樣品，每個小區隨機采集3點混合為一個樣品。在室內將樣品中的石礫、落葉殘體和根茬移除，用手沿土體自然裂隙輕輕掰碎樣品，過8 mm篩，風干，留待團聚體分析。取一部分風干土樣過0.15 mm篩，利用元素分析儀(Vario MAX型，Elementar公司，德國)測定土壤有機碳(SOC)和全氮(TN)。

團聚體分級采用濕篩法，將20 g過8 mm篩風干土樣在燒杯中用去離子水浸泡10 min，然后輕輕放入套篩(2、0.25和0.053 mm)的最上級篩子中，啟動濕篩儀并控制其轉速維持在30 r/min、上下振幅4 cm，振蕩10 min。然后取出套篩，將各級團聚體分別沖洗至已知重量鋁盒中，在烘箱中105 ℃下烘干后稱重，得到各級團聚體所占比例。其中，<0.053 mm團聚體所占比例通過差減法計算。根據各級團聚體所占比例計算平均重量直徑MWD[11]：

式中：為篩子的個數；r為第個篩子孔徑(mm)；r-1為第-1個篩子孔徑(mm)；m為第個篩子的團聚體重量所占比例(%)。每個樣品重復3次。

1.4 礦化培養試驗

土壤有機碳礦化測定采用室內恒溫培養、堿液吸收法[7]。稱取風干土樣20.00 g于500 ml培養瓶中，加水至田間持水量的60%，隨機排列置于25 ℃的恒溫培養箱中，預培養5 d。之后將盛有5 ml 0.25 mol/L的NaOH溶液的特制玻璃瓶置于培養瓶底，加蓋密封后繼續培養，分別在第1、3、5、7、14、21和28 天取出玻璃瓶，同時換入另一批同樣規格的盛有5 ml 0.25 mol/L的NaOH溶液的玻璃瓶繼續培養。用稱重法校正土壤水分含量，定期向土中補充水分至初始重量。試驗于35 d時結束。每處理3次重復。將取出的玻璃瓶內NaOH溶液洗入150 ml三角瓶，然后加入1 ml 1 mol/L BaCl2溶液及2滴酚酞指示劑，用0.125 mol/L標準酸滴定，根據CO2的釋放量計算培養期內土壤有機碳的礦化量。有機碳的累積礦化量為培養各階段礦化量之和，礦化速率為各培養階段每天礦化量，礦化率為35 d累積礦化量占SOC的百分比。

土壤有機氮礦化測定采用Waring的連續淹水密閉法[12]。稱取過2 mm篩的風干土樣10.00 g于20 ml的頂空瓶中，加入10 ml蒸餾水，使土壤全部濕潤并驅出土中空氣，達到完全淹水條件，用螺紋蓋擰緊瓶口，隨機排列置于25 ℃ 恒溫培養箱，每處理3次重復。從培養之日起，分別在第1、7、14、21和28 天取出一組頂空瓶，將樣品轉移至三角瓶中，加入90 ml 2.0 mol/L的KCl溶液，150 r/min震蕩機中震蕩40 min，過濾，收集上清液，利用連續流動分析儀測定培養后的無機氮含量。各階段測得的有機氮礦化量即為該階段的累積礦化量，礦化速率為各培養階段每天礦化量，礦化率為28 d氮累積礦化量占TN的百分比。

1.5 數據處理

利用SPSS 19.0對數據進行統計分析。礦化數據采用重復測定方差分析，其他土壤性質進行單因素方差分析(One-way ANOVA)，并用LSD法進行多重比較，顯著性水平為0.05。相關分析采用Pearson的雙側檢驗法。利用Origin 19.0繪圖軟件繪圖。

2 結果與討論

2.1 長期不同施肥措施對土壤碳氮含量的影響

長期有機無機配施處理(NPKOM)的有機碳(SOC)和全氮(TN)含量顯著高于化肥處理(NPK、NPK2)和CK處理，而NPK、NPK2和CK處理之間沒有顯著差異。土壤C/N介于8.18 ~ 8.59，各處理間沒有顯著差異。碳和氮的礦化速率高低順序均為NPKOM>NPK2>NPK>CK處理。與CK處理相比，NPK、NPK2和NPKOM的碳礦化速率和氮礦化速率分別提高9.2%、11.1%、19.8% 和13.0%、25.6%、110.8%。

表1 不同施肥處理土壤有機碳、全氮含量，碳氮比，碳礦化率(Cd35/SOC)和氮礦化率(Nd28/TN)

注：同列數據小寫字母不同表示處理間差異達到<0.05顯著水平，下表同。

2.2 長期不同施肥措施對土壤碳礦化的影響

長期不同施肥對土壤有機碳礦化速率的影響隨時間發生顯著變化(<0.05)(圖1)，且各處理的土壤有機碳礦化速率呈現相同的趨勢。初始礦化速率最高為45 ~ 66.8 mg/(kg·d)，然后迅速降低到第10天的10 ~ 20 mg/(kg·d)，之后緩慢降低直至平緩，在培養試驗結束時(35 d)降至小于10 mg/(kg·d)。培養期間NPKOM處理的有機碳礦化速率始終最高，在第1、4和14天顯著高于CK、NPK和NPK2處理(<0.05)，后3個處理之間差異不顯著。

(數值為3個重復的平均值±標準誤差，下同)

長期不同施肥對土壤礦化碳累積量的影響隨時間發生顯著變化(<0.05)(圖2)。各處理礦化碳累積量變化趨勢一致，均表現為在培養前期快速增加，后期增加緩慢，并始終保持NPKOM>NPK2>NPK>CK的趨勢。有機無機肥配施處理礦化碳累積量顯著高于其他處理(<0.05)(第1天除外)，單施化肥處理(NPK和NPK2)礦化碳累積量同CK處理沒有顯著性差異。在培養結束時，NPKOM處理礦化碳累積量(Cd35)為589 mg/kg，比CK、NPK和NPK2處理分別提高42.7%、32.8% 和27.3%。

圖2 不同施肥處理土壤礦化碳累積量

土壤礦化碳累積量占土壤有機碳(SOC)總量的比例為2.07% ~ 2.48%(表1)，總體趨勢為NPKOM> NPK2>NPK>CK，NPKOM處理礦化率較NPK2、NPK和CK處理分別提高了7.8%、9.7% 和19.8%，NPKOM處理礦化比例顯著高于CK處理(<0.05)，其他處理間差異不顯著。

2.3 長期不同施肥措施對土壤氮礦化的影響

在整個培養周期內，各施肥處理對土壤有機氮礦化速率的影響隨時間發生顯著變化(<0.05)(圖3)，其中NPK和CK處理間氮礦化速率沒有顯著差異，均隨培養時間延長逐漸降低。NPKOM和NPK2處理氮礦化速率在培養第一周時沒有差異，均顯著高于NPK和CK處理(<0.05)。培養第二周時，NPKOM和NPK2表現出相反的趨勢，NPKOM氮礦化速率快速升高，達19.5 mg/(kg·d)，顯著高于其他處理(<0.05)；而NPK2處理則降低至3.9 mg/(kg·d)，低于NPK和CK處理。第三周NPKOM處理氮礦化速率迅速降低，到第四周時降至3.7 mg/(kg·d)，與其他處理沒有差異。

長期不同施肥對土壤礦化氮累積量的影響隨時間發生顯著變化(<0.05)(圖4)，均隨培養時間的延長而增加(圖4)，在前兩周礦化曲線斜率相對較大，增加幅度較大，隨后幾周曲線趨于平緩。與CK處理相比，不同施肥處理均不同程度地提高了土壤有機氮礦化累積量。有機無機肥配施處理礦化氮累積量顯著高于其他處理(<0.05)(第7天除外)，第28 天時含量達307.50 mg/kg，比CK處理高110.0%；NPK2處理較CK處理提高29.4%，差異達到顯著水平(<0.05)。除第1天外，NPK與CK處理間礦化量沒有顯著差異。

圖3 不同施肥處理土壤氮礦化速率

培養28 d后氮累積礦化率為7.53% ~ 15.87% (表1)，總體趨勢為：NPKOM>NPK2>NPK>CK，其中，NPKOM處理礦化率較NPK2、NPK和CK處理分別提高了67.8%、86.5% 和110.8%(<0.05)；NPK2與NPK處理間差異不顯著，但是顯著高于CK處理(<0.05)；NPK和CK處理間沒有顯著差異。結果表明，單施化肥且化肥達到一定量時能有效提高土壤氮礦化率，有機無機肥配施則能進一步提高土壤氮礦化率。

2.4 長期不同施肥措施對土壤團聚體穩定性的影響

不同施肥處理土壤各級團聚體比例表現出相似規律(表2)。各處理中0.25 ~ 2 mm團聚體所占比例最高，為43.5% ~ 46.7%；<0.053 mm團聚體所占比例最低，為4.7% ~ 6.1%。NPKOM處理能提高較大粒徑水穩性團聚體(>2 mm和0.25 ~ 2 mm)的比例，與CK、NPK、NPK2處理相比，分別增加9.8%、14.9% 和14.2%，但沒達到顯著性差異水平。NPK處理的<0.25 mm團聚體含量分別較CK、NPK2和NPKOM提高10.6%、1.5% 和42.1%。同CK處理相比，單施化肥處理(NPK和NPK2)MWD分別降低了17.1% 和15.5%，而NPKOM處理則增加了19.4%，各處理間均未達到顯著性差異水平。

圖4 不同施肥處理土壤礦化氮累積量

表2 不同施肥處理土壤水穩性團聚體分布特征

2.5 土壤有機碳、氮礦化與土壤團聚體穩定性和有機碳、氮含量之間的關系

相關分析表明(表3)，土壤有機碳、氮的累積礦化量(Cd35、Nd28)同有機碳(SOC)和全氮(TN)均具有顯著的正相關(<0.05)，說明土壤有機碳、氮含量是土壤碳、氮礦化的決定因子。水稻土團聚體穩定性(MWD)同SOC和TN相關性不顯著，與碳、氮的累積礦化量相關性不顯著。

3 討論

長期平衡施用化肥或有機肥化肥配施顯著提高了水稻產量[5,13-14]。本研究中各處理水稻根茬和地下生物量全部還田，產量的提高意味著有機質投入量的增加。雖然長期化肥有機肥配合施用提高了有機碳和全氮含量，但單獨施用化肥并沒有提高水稻土有機碳氮含量(表1)，這與郭振等[15]研究結果一致。主要是由于長期施用化肥導致土壤C/N下降，加速了土壤有機碳庫的分解，使土壤中累積的有機碳總量減少[16]。有機物投入量增加但是土壤有機碳氮卻沒有增加，表明單獨施用化肥處理下土壤有機碳氮礦化速率可能高于不施肥處理。本試驗印證了該結果，在整個培養過程中，單施化肥處理的碳礦化速率均高于CK處理(第7和28天除外)，同樣，單施化肥處理的氮礦化速率也高于CK處理(NPK2處理的第14、28天除外)(圖1、圖3)。

表3 土壤碳氮累積礦化量與有機碳、全氮和團聚體穩定性的相關分析

注：樣本數=12，*表示相關性達到<0.05顯著水平，**表示相關性達到<0.01顯著水平。

本研究中，有機碳礦化速率總體趨勢為NPKOM> NPK2>NPK>CK(圖1)，NPKOM處理顯著高于其他處理，其他處理間差異不顯著，土壤有機碳累積礦化率也呈現相同的趨勢(表1)。土壤有機碳的礦化特征反映了土壤的固碳能力，一般認為土壤有機碳累積礦化率越低，表明土壤的固持碳氮的能力越強，反之則越弱[17]。本研究中，NPKOM處理有機碳投入量顯著高于其他處理，雖然其累積礦化率最高，但是土壤SOC含量仍為最高。單獨施用化肥處理(NPK2和NPK)有機碳的投入主要來源于水稻根茬和地下生物量，盡管總量均高于CK處理，但是由于其有機碳累積礦化率也高于CK處理，導致處理間土壤SOC含量沒有顯著差異[5]。吳萌等[7]發現常熟烏柵土和重慶紫色土區域化肥處理并沒有提高土壤碳礦化速率；而苗淑杰等[18]對東北黑土和張旭博等[19]對南方紅壤的研究均發現與不施肥處理相比，化肥處理提高了土壤有機碳礦化速率。這些結果表明，由于土壤性質和環境的影響，不同的土壤類型對長期施用化肥的響應并不一致。

土壤氮礦化速率、累積礦化量和礦化率同土壤碳礦化具有類似的規律。NPKOM、NPK2和NPK處理累積礦化氮量較CK處理分別提高110.0%、29.4% 和8.8%，礦化率分別提高110.8%、25.6% 和13.0%。同土壤有機碳含量變化規律類似，NPKOM處理由于大量的有機氮投入，雖然氮累積礦化率最高，但該處理土壤的TN含量仍顯著高于其他處理；而NPK2和NPK處理通過根茬和地下生物量帶入的有機氮投入量高于CK處理，但是因為礦化率也高于CK處理，因而處理間TN含量沒有顯著差異。

土壤結構是影響碳氮轉化的重要因素[20-21]，但是關于土壤結構對碳氮礦化的定量分析卻很少，原因之一是土壤結構沒有一個簡單的、統一的定量指標[22]。團聚體是土壤結構的構成單元[23-24]，大量研究用團聚體穩定性表征土壤結構的穩定性和團聚程度[25]。為了研究土壤碳氮礦化同土壤結構之間的關系，本研究分析了不同施肥處理土壤團聚體水穩定性。發現與不施肥處理相比，有機無機配施處理土壤團聚體水穩定性有所增加，而單施化肥處理團聚體水穩定性有所降低，這與Yan等[5]和郭菊花等[26]結果一致。通過相關分析發現，土壤碳氮礦化主要取決于土壤有機碳氮含量，而同土壤團聚體水穩定性之間的相關性不顯著。土壤團聚體及其穩定性經常被用來表征土壤結構，但是對于水稻土而言，在采樣和分析過程中，團聚體水穩性的分析受到很多人為因素的影響，并不能很好地表征水稻土結構特征。在土壤有機碳氮周轉過程中，土壤孔隙特征對土壤中水分、氣體和微生物等可能具有更加重要的作用。因此，在今后研究中，應重點分析土壤孔隙結構分布與有機碳氮周轉速率的關系[27-28]。

4 結論

長期化肥和有機肥配施能夠顯著提高土壤有機碳和全氮含量，而單施化肥處理則同不施肥處理間沒有顯著差異。有機碳礦化速率、累積礦化量和礦化率在各處理間趨勢為NPKOM>NPK2>NPK>CK，NPKOM處理顯著高于其他3個處理(<0.05)，3個處理間差異不顯著。土壤氮礦化速率、累積礦化量和礦化率同土壤碳礦化具有類似的規律。NPKOM、NPK2和NPK處理累積礦化氮量較CK處理分別提高110.0%、29.4% 和8.8%，礦化率分別提高110.8%、25.6% 和13.0%。單施化肥處理團聚體水穩定性有所降低，而NPKOM處理團聚體水穩性則有所增加。土壤碳氮礦化主要取決于土壤有機碳氮含量，而同土壤團聚體水穩定性相關性不顯著。

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Effects of Long-term Fertilization on Paddy Soil Carbon and Nitrogen Mineralization and Aggregates Stability

LI Yi1,2, LIU Lingling3,FANG Huan2,4, LI Daming5, LIU Kailou5,PENG Xinhua2,PENG Xianlong1*,ZHOU Hu2*

(1 College of Resources and Environment, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China; 2 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 3 School of Resources and Environmental Science, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China; 4 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 5 National Engineering and Technology Research Center for Red Soil Improvement, Jiangxi Institute of Red Soil, Nanchang 331717, China)

Mineralization of soil organic carbon (SOC) and nitrogen (N) plays an important role in maintaining soil quality and providing nutrients for crop growth. However, the response of carbon (C) and N mineralization to fertilization strategies and their relationship with soil structure are not clear. In this study, the effects of different fertilization strategies on the mineralization of SOC and N of a paddy soil were analyzed based on a long-term field experiment. The relationship between carbon (C) and N mineralization and the water stability of soil aggregates was also studied. The field experiment had 4 fertilization treatments: no fertilizer (CK), chemical fertilizer (NPK), double chemical fertilizer (NPK2) and chemical fertilizer plus organic manure (NPKOM). Results showed that NPKOM treatment significantly increased SOC and total nitrogen (TN) contents compared to CK; however, no significant difference was found between the treatments of chemical fertilizers (NPK2 and NPK) and CK treatments. The mineralization rates, cumulative mineralization and mineralization ratio of SOC all showed the same trend as NPKOM>NPK2>NPK>CK, where NPKOM treatment was significantly higher than other treatments while there was no significant difference among NPK2, NPK and CK treatments. The mineralization rates, cumulative mineralization, and N mineralization ratio showed the same trends as SOC. Compared with CK treatment, NPKOM, NPK2 and NPK treatments increased N cumulative mineralization by 110.0%, 29.4% and 8.8% respectively, and increased N mineralization rate by 110.8%, 25.6% and 13% respectively. Compared to CK treatment, the mean weight diameter (MWD) of water-stable aggregates of NPK2 and NPK treatments decreased by 17.1% and 15.5%, respectively, while NPKOM treatment increased MWD by 19.4%. Correlation analysis shows that the mineralization of SOC and N mainly depended on SOC and N content, and was not correlated with the water stability of soil aggregates. Future research should focus on the effect of soil pore structure on the turnover of SOC and N.

Paddy soil; Carbon and Nitrogen mineralization; Aggregate water stability

國家重點研發計劃項目(2016YFD0300900)和國家自然科學基金項目(41471183；41877022)資助。

(pxl0508@163.com；zhouhu@issas.ac.cn)

李奕(1993—)，女，遼寧鐵嶺人，碩士研究生，主要從事土壤結構與氮素周轉關系研究。E-mail: lyi3278@163.com

S152.4；S153.6

A

10.13758/j.cnki.tr.2019.03.005