作为土壤肥力与质量的核心，土壤有机碳一直是评价人为管理措施对土壤肥力与质量影响的重要指示性指标^[1]，在全球变化的背景下越来越多的受到人们的关注^{[2, 3, 4, 5]}。水稻土是一类经过长期特殊人为管理而形成的土壤类型，占全国耕地总面积的1/4^[6]，不仅对我国的粮食生产和粮食安全具有重要作用，而且被认为是我国重要的土壤碳汇^[7]。因此，了解和掌握稻田土壤有机碳的固持形态对于深刻理解农田土壤的固碳机制具有重要意义。

由于土壤中不同组分有机碳具有不同的功能和性质，对土壤有机碳的稳定和积累起到的作用不尽相同^[8]，土壤有机碳的分组技术是研究土壤质量的重要手段^[9]。Six等^[10]基于土壤颗粒和有机质性质提出了土壤有机碳物理-比重分组技术，此方法被广泛应用于土壤有机碳的质量变化研究中^{[11, 12]}。周萍等^[13]利用超声波分散法研究发现，水稻土团聚体颗粒中，土壤有机碳含量在2000~200 μm的粗团聚体和<2 μm粒组中最高，粗团聚体随不同耕作和施肥等长期处理的变化最为强烈，团聚体更新中物理保护的有机碳在细团聚体形成中进一步与氧化铁铝的键合是水稻土中有机碳积累并稳定的重要机制。但长期试验的分析表明，水稻土有机碳含量随着系统碳投入的增加表现出非线性的响应模式^[2]。Gulde等^[14]利用物理分组方法表明长期施肥下土壤化学和物理保护中的有机碳容量是有限的。Stewart等^[12]将团聚体中不同位置的有机碳组分分离出来，并补充了生物化学稳定碳组分的分离，其研究结果表明，具有低碳稳定潜力的土壤组分表现出了碳饱和的行为，粗颗粒有机碳与细颗粒有机碳组分与总有机碳含量为线性相关，酸解、非酸解粘粉粒组分有饱和现象的出现。该方法对于研究和评价土壤各组分有机碳对总有机碳含量的响应具有重要意义，但其在水稻土中的应用目前还鲜有报道，需要进一步探讨水稻土不同保护机制下的碳组分与总有机碳之间的相关性。

本研究以江西南昌红壤水稻土30年的长期定位试验为基础，采用物理-化学联合分组方法，研究不同施肥模式下土壤不同碳组分的特征及其与土壤总有机碳之间的关系，探讨稻田土壤不同有机碳组分的固持形态与特征，以期为稻田土壤培肥和可持续的土壤有机碳管理措施的选择提供科学依据。 1 材料与方法 1.1 供试土壤

本研究中土壤样品采自红壤性水稻土长期定位试验场，位于江西省南昌市江西省农业科学院试验农场内（116°20′24″E，28°15′30″N）。该区域地处中亚热带，年平均气温17．5 ℃，≥10 ℃积温5400 ℃，年平均降雨量1600 mm，年蒸发量1800 mm，无霜期约为280 d。该定位试验场建于1983年，1984年开始种植早稻，采用稻-稻-冬闲的种植方式。试验前土壤的基本性质为：有机碳含量14.85 g·kg^-1，全氮、全磷分别为1.36、0.49 g·kg^-1，pH6.5。小区面积33.3 m²，每个处理三次重复，随机区组排列。

本研究选取该长期试验的5个不同的典型施肥处理：不施肥（CK）；化肥氮磷钾配施（NPK）；NPK配施低量有机肥（NPKM7/3）；NPK配施中量有机肥（NPKM5/5）；NPK配施高量有机肥（NPKM3/7）。上列后三项处理中总氮量（有机+无机）与NPK处理的施氮量相同，且无机氮与有机氮的比例分别为7∶3、5∶5、3∶7，具体施用量见表 1。早稻施纯N 150 kg·hm^-2、P₂O₅ 60 kg·hm^-2、K₂O 150 kg·hm^-2，晚稻施纯N 180 kg·hm^-2、P₂O₅ 60 kg·hm^-2、K₂O 150 kg·hm^-2。化肥种类分别为尿素、过磷酸钙、氯化钾。早稻有机肥用紫云英，其鲜草养分含量为N 3.03 g·kg^-1、P₂O₅ 0.8 g·kg^-1、K₂O 2.3 g·kg^-1；晚稻用鲜猪粪，其养分含量为N 4.5 g·kg^-1、P₂O₅ 1.9 g·kg^-1、K₂O 6.0 g·kg^-1。磷肥和有机肥全作基肥；氮肥50%作基肥，25%作分蘖肥，25%作幼穗分化肥；钾肥全作追肥，50%作分蘖肥，50%作幼穗分化肥。

表 1 红壤性水稻土不同处理肥料施用量 Table 1 Application rates of mineral fertilizers and organic amendments of relevant treatments of the long-term experiments in this rice-rice system

表选项

2013年10月水稻收割后，采集表层0~20 cm原状土样。每个小区内随机5点采集新鲜土样，完全混匀后装入布袋中。然后过2 mm筛，于室温保存。 1.2 分析方法

采用改进的Stewart等^[12]的物理化学联合分组方法：称取20.000 g风干土样置于250 μm孔径的筛子上，在恒定水流下，上下振动此装置20 min，将所有释放出来的微团聚体冲刷到底部孔径为53 μm的筛子上。留在250 μm筛子上的为粗颗粒有机碳（cPOM），留在53 μm筛子上的是微团聚体（μagg），通过53 μm筛的部分为游离态的粘粉粒（<53 μm、d-silt、d-clay）。

微团聚体用密度浮选法进行分离：将35 mL 1.8 g·cm^-3的碘化钠（NaI）溶液加入50 mL的离心管中，将上步得到的微团聚体（53~250 μm）转移至离心管中，经过20 min的平衡后，4000 r·min^-1离心20 min，离心结束后，洗净的分散悬浮液为轻组（LF）。离心管底部重组部分加蒸馏水冲洗后加入5 g·L^-1的六偏磷酸钠分离，振荡18 h，然后过53 μm筛。留在筛上的即为物理保护的细颗粒有机碳（iPOM），通过53 μm筛的部分也用离心法分离粘粉粒（μ-silt、μ-clay）。

粘粉粒用离心法进行分离：将前两步所得粘粉粒分别加入25 mL 6 mol·L^-1的HCl中，于95 ℃水浴加热16 h，悬浊液用0.45 μm滤膜过滤，并用去离子水冲洗，残留物质即为非酸解组分（NH-dsilt、NH-dclay，NH-μsilt、NH-μclay）。酸解组分（H-dsilt、H-dclay、H-μsilt、H-μclay）通过全组分和非酸解组分之差得到。将所有组分60 ℃烘干至恒重，用千分之一精度天平称重。烘干后各组分磨细过0.25 mm 筛，采用重铬酸钾法测定有机碳含量（精确到百分位）。室内分析时每个土壤样品按3次平行进行分析，以保证结果的重现性。

非保护的有机碳为粗的颗粒性有机碳和游离态的轻组，物理保护的为细自由颗粒有机碳和微团聚体部分，化学保护的为酸解的游离态粘粉粒部分，生化保护的为非酸解游离态粘粉粒部分，其中物理保护组分包含着多种保护机制，又可以细分为物理-化学保护组分[酸解微团聚体保护的粘粉粒（H-μsilt、H-μclay）]和物理-生化保护库[非酸解微团聚体保护的粘粉粒（NH-μsilt、NH-μclay）]。 1.3 数据分析

应用Excel 2007对试验数据进行处理，用SPSS 19.0对试验结果进行相关统计分析，不同处理间的差异显著性水平采用LSD法进行检验。 2 结果与分析 2.1 红壤水稻土总有机碳含量特征

与CK处理相比，施肥30年后化肥配施有机肥处理显著增加了总有机碳含量，而单施化肥处理与CK差异不显著（图 1）。NPKM7/3、NPKM3/7和NPKM5/5处理下有机碳含量分别为19.1、 25.0、23.6 g·kg^-1，分别比不施肥提高了38.1%、80.7%、70.5%。与单施化肥相比，NPKM3/7和NPKM5/5显著增加了土壤有机碳含量，增幅分别为43.0%和34.9%，而NPKM7/3的增加不显著。与起始年份土壤有机碳（14.9 g·kg^-1）相比，施肥均能增加土壤总有机碳的含量，NPKM7/3、NPKM5/5、NPKM3/7、NPK处理分别增加了28.8%、58.9%、68.6%、17.9%，而不施肥处理降低了7.22%。NPKM3/7和NPKM5/5处理土壤有机碳含量无显著差异，但其含量显著高于其他处理（P<0.05）。

图中不同字母表示各处理间差异显著（P<0.05） Different letters above the bars indicate a significant difference between different treatments at 5% level 图 1 施肥30年后红壤性水稻土总有机碳含量 Figure 1 Content of total organic carbon in red paddy soil after 30 years of fertilization

图选项

红壤性水稻土各组分质量比例如表 2所示。粗颗粒、游离态粉粒和微团聚体保护的粉粒所占比例较高，平均质量比例分别为44.2%、18.8%、15.3%，轻组所占比例最低（0.04%~0.09%）。粗颗粒和游离的粘粒组分的质量比例在NPK3/7处理下最高，微团聚组分的质量比例在NPK5/5处理下最高，游离态粉粒组分的质量比例在NPK处理下最高。在化肥配施有机肥处理下，轻组和游离态粘粒组分的质量比例随总有机碳含量的增加而提高，而游离态粉粒、微团聚体保护的粘粒和细自由颗粒组分的质量比例随总有机碳含量的增加而下降。与CK相比，NPKM3/7显著增加了粗颗粒（10.5%）和游离态粘粒（1.85%）组分的质量比例，而其余各组分的质量比例在各施肥处理之间无显著差异。

表 2 长期不同施肥处理对土壤不同组分重量分数分布的影响（%） Table 2 Distribution of different fractions in soil influenced by long-term different fertilizations（%）

表选项

由表 3看出，30年施肥处理后土壤各组分有机碳含量存在差异。对于非保护态，施用有机肥可显著提高土壤有机碳的含量。NPKM7/3、NPKM5/5、NPKM3/7显著增加了粗颗粒有机碳的含量（8.41、9.26、12.74 g·kg^-1），分别为CK的1.54、1.70、2.34倍。与不施肥相比，NPK使粗颗粒有机碳含量增加了7.20%，但处理间没有显著性差异。微团聚体外的轻组，各施肥处理有机碳含量没有显著差异。

表 3 长期不同施肥处理各组分有机碳含量（g·kg^-1土） Table 3 Content of different organic carbon fraction in paddy soil under long-term fertilization（g·kg^-1 soil）

表选项

物理保护态中微团聚体内的颗粒有机碳含量随着总有机碳含量的增加而增加，NPKM7/3处理的有机碳含量最高，达2.44 g·kg^-1，是CK的2.62倍。随着总有机碳含量的继续增加，细颗粒有机碳含量降低。各化肥与有机肥配施处理间无显著性差异。总的微团聚体组分在各施肥处理间无显著性差异，比对照处理有机碳含量有显著增加。

对于化学保护态，酸解游离态的粉粒有机碳含量范围为0.78~1.67 g·kg^-1，占总有机碳含量的5.33%~7.96%；酸解游离态粘粒有机碳含量范围为0.12~0.22 g·kg^-1，占总有机碳含量的0.52%~1.34%。生化保护态各施肥处理间有机碳含量无显著性差异。非酸解游离态粉粒有机碳含量范围为1.56~2.26 g·kg^-1，占总有机碳含量的6.23%~12.3%；非酸解游离态粘粒有机碳含量范围为0.30~0.79 g·kg^-1，占总有机碳含量的2.12%~3.16%。

物理-生化保护态和物理-化学保护态各施肥处理间，有机碳含量基本维持平衡，两个组分有机碳的变化趋势也有相似之处。酸解微团聚体内的粉粒施中量有机肥和高量有机肥的有机碳含量最高，平均为1.41 g·kg^-1，是不施肥处理的2.01倍。酸解微团聚体内的粘粒以NPKM5/5处理有机碳含量最高（0.23 g·kg^-1），是不施肥处理的1.77倍。非酸解微团聚体内的粉粒（NH-μsilt）各施肥处理间均无显著性差异。NH-μsilt有机碳含量范围为1.50~2.59 g·kg^-1，占总有机碳含量的8.39%~11.76%；但非酸解微团聚体内的粘粒所有处理间均无显著性差异，有机碳含量范围为0.94~1.07 g·kg^-1，占总有机碳含量的4.12%~7.70%。 2.4 各组分有机碳与总有机碳含量的关系

相关分析表明，红壤性水稻土非保护态中粗颗粒有机碳含量与总有机碳的含量呈极显著正相关关系（P<0.001）。相关方程的斜率表示有机碳变化引起的组分变化，从图 2a可以看出，总有机碳变化引起的粗颗粒有机碳变化最高，达到50%，表明每增加一个单位（g·kg^-1）的土壤总有机碳，粗颗粒有机碳增加50%。物理保护态中的细颗粒、微团聚体，生化保护态的NH-dclay，物理-化学保护态的H-μclay有机碳含量与总有机碳含量显著线性相关（P<0.05）。细颗粒、微团聚体组分的方程斜率与R²均相当，两条直线平行，变化率均为12%，但土壤总有机碳变化引起NH-dclay及H-μclay的增加仅为2%~3%（图 2b、图 2d、图 2e）。其余组分与总有机碳的含量无显著相关关系。

图 2 长期不同施肥处理总有机碳含量与各组分碳库有机碳含量的相关关系 Figure 2 Correlationship between total soil organic carbon and different organic carbon fractions under long-term different fertilization

图选项

施肥是影响土壤有机碳水平的重要因素之一，农田土壤碳平衡实际上是碳输入与碳输出的平衡。本研究通过30年的长期定位试验，证实了长期施用有机肥可以显著提高土壤有机碳水平。一方面在于它可以增加作物产量，Zhang等^[2]研究表明，施肥可以显著提高红壤性水稻土的碳生物量，侯红乾等^[15]指出，有机无机肥配施，早晚稻平均产量比不施肥增产65.4%~71.5%，比施化肥增产3.9%~7.8%，因而相应增加了残茬还田量；另一方面因有机肥本身含有大量有机碳，直接提高了系统的碳输入量，因而土壤有机碳幅度较大^{[16, 17, 18]}。

本研究的结果表明，土壤各组分碳由于稳定形态和保护机制的不同，对长期不同施肥模式的响应存在明显差异：有机肥的配施可以显著增加非保护态粗颗粒有机碳的含量，是红壤性水稻土有机碳固持的主要形态，而轻组有机碳含量较低且各处理间无显著性差异。周萍等^[13]也指出，良好的耕作和施肥下水稻土新增有机碳主要向粗团聚体颗粒组富集，这些粗团聚体颗粒组是土壤新增有机碳的主要载体，可能与红壤性水稻土中丰富的氧化物与有机碳的稳定结合有关。这种氧化物与有机碳的结合是红壤性水稻土固碳速率较高的重要机制^[19]。轻组是处于半分解状态的植物残体，主要是由水田的淹水环境导致的有机质分解速率受限而造成的^[11]。本研究结果中各处理间轻组碳含量无显著差异，可能主要由于各处理间轻组量较低，处理间变异较大。

本研究中，施肥显著提高物理保护的微团聚体中有机碳含量，但各施肥处理间无显著差异。微团聚体闭蓄的细颗粒组分占整个微团聚体组分的16%~38%，且与总有机碳含量呈现显著的线性关系，而其微团聚体保护的矿质结合态粘粉粒碳占微团聚体碳组分的46%~77%。Stewart等^[22]研究也指出，整个微团聚体组分60%~75%来自矿质结合组分，12%~30%来自细颗粒有机碳，微团聚体作为一个整体，由于受粘粉粒的物理保护作用，其内部有机碳与外界微生物隔离，具有一定的稳定性，使各施肥处理间有机碳含量没有显著差异，与本研究结果一致。Chung等^[23]研究指出，细颗粒组分更加符合线性模型，不受总有机碳饱和的影响。李昌新等^[24]研究表明，大团聚体的更新周期约为42年，而微团聚体的更新周期长达209年，相比大团聚体，微团聚体的稳定性更高，对有机碳具有更强的保护作用^[25]。此外在长期的施肥条件下，土壤有机碳积累过程中，微团聚体逐渐形成，将半分解状态的颗粒有机质包被在团聚体中，受到物理保护作用，因而微团聚体组分更加符合饱和模型^[9]。

本试验研究发现，土壤粘粉粒的酸解碳组分不受施肥的影响，与总有机碳水平无显著相关性，表明这部分化学保护的碳组分可能接近或达到了其最大容量。化学保护组分的碳饱和现象已经得到很多研究证实^{[10, 11, 12]}。土壤粘粉粒通过吸附有机碳形成惰性矿物结合有机碳，其结合有机碳的能力是有限的，随着土壤有机碳浓度增加，吸附率降低^[26]。李昌新等^[24]对红壤的分组实验得出，粘粉粒碳不同施肥处理下在总碳中的比例差异不显著。Stewart等^[12]的研究也证实了这一点。

生化保护组分受总有机碳饱和行为的影响，有饱和趋势。本研究发现，非酸解的粘粉粒各处理之间均没有显著性差异。生化保护机制是通过复杂的生化反应或者有机质本身固有的自然属性实现的^[14]，与化学保护组分相同，生化保护库中的粉粒比粘粒结合了更多的有机碳。有学者认为粉粒和粘粒不同的酸解性是由于它们不同的碳水化合物含量造成的^[27]，粘粒比粉粒有着更多的碳水化合物^{[28, 29]}。还有一种可能就是具体的分组过程中，粉粒组分含有部分的粘粒大小的微团聚体，这些微团聚体中包裹了部分有机质，从而提高了粉粒中结合的有机碳量^[29]。

物理-化学保护组分和物理-生化保护组分中，总体呈现饱和的趋势。在本研究中，自由态粘粉粒随有机碳含量的增加并没有显著增加，对外界管理措施无响应，而微团聚体保护的粘粉粒在各施肥处理间有显著性差异。这表明自由态的粘粉粒由于直接与外界环境接触，更容易达到平衡，而微团聚体对其内部的粘粉粒碳具有明显的物理保护作用，证明了游离态的粘粉粒与微团聚体保护的粘粉粒的物理保护机制的差异，也有可能是时间的拖后效应，这与Stewart等^[30]的室内培养研究结论一致。Gulde等^[14]研究表明，粉粒和粘粒组分作为一个整体是被观察到存在饱和现象的。Zheng等^[31]研究表明，红壤性水稻土中，由于铁铝氧化物含量相对较高，增强了物理化学联合保护机制，使其相对难以被分解。Liu等^[32]研究指出，植被覆盖和土壤有机碳分解率的变化会影响地下水位的位置和稳定性，从而影响水稻土的有机碳含量。外界条件的变化可能破坏稳定碳组分的保护机制，导致分解速率变化，各组分有机碳含量继续增加。

由上述分析可知，红壤性水稻土有机碳的固定主要是通过粗颗粒有机碳及微团聚体有机碳两种形式积累，更有利于养分的释放与转化。有机肥过多的施用不会再增加稳定的化学和生物化学保护的有机碳组分，反而会以活性较高的非保护态的粗颗粒大量积累，一旦稻田的管理方式（如水分管理）发生变化，这一类活性较高的组分具有很高的潜在环境风险。因此，需要通过合理的人为措施来达到土壤有机碳的有效固定和累积，从而起到增汇和减排的作用。 4 结论

施肥显著提高了红壤性水稻土有机碳的水平，尤其是化肥与有机肥配施显著提高了土壤总有机碳及部分非保护态和物理保护态碳组分的含量，表明非保护态和物理保护态碳组分对施肥响应较为敏感。稻田土壤有机碳主要是通过非保护态的粗颗粒有机碳组分及物理保护态的微团聚体两种形式积累，总有机碳变化引起的组分变化率分别为50%和12%。施肥30年后各处理土壤生物化学保护态的碳组分在各处理之间无显著性差异，表明目前的施肥和管理制度下生物化学保护态有机碳组分可能已达到了其最大容量。