【研究意义】红壤是中国南方丘陵区重要的土壤类型，但是，受成土母质和高温高湿等气候因素的影响，红壤普遍存在酸粘瘦板蚀等特点，再加上不合理的开发利用，从而严重制约了红壤生产力的发挥^[1]。作为土壤肥力的核心指标，有机碳的含量水平对于红壤的培肥改良至关重要^[2]。因此，提升红壤的有机碳含量是保障该地区作物生产力的关键。【前人研究进展】大量研究表明，通过施用有机肥等措施提升土壤有机碳含量是改良红壤的主要措施之一^[3-5]，潘艳斌等^[6]研究表明，与常规施肥相比，秸秆混匀与猪粪处理下土壤有机碳含量显著提高。土壤有机碳含量的增加也明显改善了红壤的团聚体结构^[7-10]，郑学博等^[11]研究发现，土壤有机碳含量升高是 > 0.25 mm机械稳定性和水稳定性团聚体含量增加的主要原因。同时，团聚体组分中有机碳含量和周转速率进一步调控了土壤有机碳的积累和矿化^[12-13]。且土壤有机碳的组分等指标显著影响土壤有机碳的质量^[14-15]，从而可能驱动土壤团聚体发生变化。目前有许多研究分析了有机碳含量与团聚体的相关关系 ^[16]，前人研究表明，土壤有机碳的物理和化学组分的差异显著影响团聚体稳定性^[17]，外源新沉积有机碳的增加可以提高土壤大团聚体的稳定性^[4]。王迪等^[9]研究表明，与其他组分相比，颗粒有机碳与团聚体平均质量直径的相关性最好。刘哲等^[4]研究认为，红壤旱地上大团聚体中的有机碳含量与团聚体稳定性呈极显著的相关关系。作为表征土壤有机碳质量的重要指标，有机碳化学结构的变化与团聚体稳定性也存在密切联系。李娜等^[18]研究表明，土壤中有机碳的化学结构均表现为烷氧碳比例最高，其次为烷基碳和芳香碳，羰基碳比例最低。虽然大量研究已经探讨了团聚体组分中有机碳化学结构的变化^[19-20]，但对于有机碳化学结构与团聚体的相关关系则主要为定性分析，即配施有机肥处理下土壤有机碳化学结构中烷氧碳的增加主要是在大团聚体中，羰基碳则主要在大团聚体和微团聚体中积聚^[20]。结合相关系数发现，有机碳的化学结构与团聚体碳组分呈正相关或负相关关系^[21]，且烷基碳和烷氧基碳对土壤团聚体稳定性十分关键^[22]，在潮土上，团聚体内烷基碳/烷氧碳比率与碳氮比呈显著负相关^[20]。而在温带草地土壤上，Zinaida等 ^[23]研究表明，烷氧碳与土壤团聚体平均重量直径存在显著的正相关关系。【本研究切入点】但是，在热带农田土壤上，关于土壤有机碳化学结构与团聚体稳定性的定量关系仍缺乏深入解析。因此，本研究以有机碳化学结构为切入点，针对有机碳含量较低的红壤旱地，尝试量化土壤有机碳化学结构与团聚体平均重量直径的关系。【拟解决的问题】依托红壤旱地长期施肥定位试验，选择长期不同施肥下有机碳含量差异较大的土壤，以改善土壤团聚体结构为目标，于2019年早玉米收获后采集耕层土壤（0 ~ 20 cm）样品，分析了不同施肥处理下各处理的土壤有机碳含量和有机碳化学结构及团聚体组分等指标，以期量化有机碳化学结构与团聚体的相关关系，从而为红壤旱地的有机培肥提供理论支撑。

1.   材料与方法

1.1   试验地概况

长期施肥试验位于江西省进贤县张公镇（116°20′ E，28°15′ N），该地区属于亚热带季风气候，年平均降雨量和温度分别为1727 mm和17.7 ℃。试验地土壤母质为第四纪红黏土。1986年试验开始时耕层（0 ~ 20 cm）土壤pH为6.0，有机碳含量为9.39 g kg⁻¹。种植制度为双季玉米，早玉米生育期为4月至7月，晚玉米生育期为7月至11月。

试验共设10个施肥处理，每个处理3次重复，小区随机排列，小区面积为22.22 m²。本研究选择了5个处理，分别为：不施肥（CK），施用氮磷肥（NP，每季玉米的N和P₂O₅用量分别为60和30 kg hm⁻²），施用氮磷钾肥（NPK，每季玉米的N、P₂O₅和K₂O用量分别为60、30和60 kg hm⁻²），施用氮磷钾肥和猪粪（NPKOM，每季玉米的N、P₂O₅和K₂O用量分别为60、30和60 kg hm⁻²，猪粪用量为15000 kg hm⁻²），单施猪粪（OM，每季玉米的猪粪用量为15000 kg hm⁻²）。猪粪的含水量为75%，有机碳含量分别为340 g kg⁻¹。氮磷钾肥种类为尿素、钙镁磷肥和氯化钾，其中磷肥、钾肥和猪粪在玉米播种前作为基肥，氮肥用量的2/3为基肥，1/3在玉米出苗后30 d作追肥施用。

1.2   样品采集与制备

于2019年早玉米收获后采集0 ~ 20 cm耕层的土样，每个小区按五点法采样并混匀后自然风干，其中一部分过5 mm筛，用于测定土壤团聚体的稳定性，剩下的部分过2 mm筛测定土壤有机碳含量及有机碳化学结构。

1.3   测定项目与统计方法

土壤有机碳采用H₂SO₄-K₂Cr₂O₇外加热法^[24]。考虑到红壤旱地采集的土块大小不一，颗粒均匀性较差，采用干筛湿筛相结合的方法测定土壤团聚体分析^[7]，团聚体分级为 > 2 mm、1 ~ 2 mm、0.5 ~ 1 mm、0.25 ~ 0.5 mm、0.053 ~ 0.25 mm和 < 0.053 mm，并进一步计算了团聚体平均重量直径（MWD）^[6]。土壤有机碳化学结构采用HF处理并结合固态¹³C核磁共振波谱用瑞士Bruker AVANCE Ⅲ 400型核磁共振仪测定^[27]。在测定开始前参考Li等^[25]的方法对土样进行预处理。具体步骤如下：称取5 g风干土样（过0.15 mm筛）到离心管中，再加入15 ml 0.1 mol L⁻¹盐酸后震荡0.5 h，然后在离心机上离心10 min，除去上清液，重复3次。然后加入50 ml氢氟酸溶液继续震荡1 h，并离心20 min，除去上清液，重复5次。最后，采用蒸馏水将离心管中的残留样品清洗3次，冷冻干燥上机测定。

不同有机碳化学结构的表征指标计算如下^[20]：

采用Microsoft Excel 2010进行数据处理，采用SAS 9.5进行统计分析，多重比较采用Duncan分析法；作图采用Origin 8.5。

2.   结果与分析

2.1   土壤有机碳变化

不同施肥处理显著改变土壤有机碳含量（图1）。与CK相比，NPK、NPKOM和OM处理的土壤有机碳含量分别增加了23.68%、51.63%和34.34%，但NP处理则无显著提升。在所有处理中，NPKOM处理的有机碳显著最高，OM处理则略低于NPKOM处理，但差异不显著；且NP和NPK处理的有机碳也不存在显著差异。

图  1  长期施肥处理下土壤有机碳的变化

图中同一指标不同字母表示各处理间差异显著（P < 0.05），下同。

Figure  1.  Changes of soil organic carbon in long term fertilization treatments

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2.2   土壤有机碳化学结构变化

不同施肥处理下，土壤有机碳化学结构差异显著（图2和图3）。在所有处理中，烷氧碳的比例均显著高于其他碳组分。与CK相比，NPKOM和OM处理的烷基碳比例分别提高了29.85%和31.98%，其烷氧碳的比例也增加了21.54%和28.81%；而NPKOM和OM处理的芳香碳和羧基碳比例则显著低于CK。但是，NP和NPK处理的烷基碳和烷氧碳则与CK无显著差异，且NP处理的芳香碳和羧基碳也与CK无显著差异。不同于NP处理，NPK处理的芳香碳比CK降低了21.22%，羧基碳则比CK增加了25.34%。

图  2  长期施肥处理下土壤有机碳¹³C核磁共振图谱

Figure  2.  ¹³C nuclear magnetic resonance spectra of soil organic carbon in long term fertilization treatments

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图  3  长期施肥处理下土壤有机碳化学结构

Figure  3.  Chemical structure for soil organic carbon in long-term fertilization treatments

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通过图4发现，CK和NP处理间的烷基碳/烷氧碳比值、芳香度和脂族碳/芳香碳比值均无显著差异。与CK相比，NPK处理的烷基碳/烷氧碳比值增加了15.93%，而NPKOM和OM处理则与CK无显著差异。但是，与CK相比，NPK、NPKOM和OM处理的芳香度则分别降低了21.22%、24.90%和25.19%，脂族碳/芳香碳比值也分别提高了26.41%、64.87%和73.34%。同时，NPK、NPKOM和OM处理的烷基碳/烷氧碳比值和芳香度间无显著差异，而脂族碳/芳香碳比值则表现出NPKOM和OM处理显著高于NPK处理。

图  4  长期施肥处理下土壤有机碳化学结构指标

Figure  4.  Indexes of chemical structure for soil organic carbon in long-term fertilization treatments

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2.3   土壤团聚体组分

在红壤旱地上，团聚体组分比例的高低顺序为0.053 ~ 0.25 mm和0.25 ~ 0.5 mm，其次为 < 0.053 mm和0.5 ~ 1 mm，而1 ~ 2 mm和 > 2 mm较低（表1）。在所有处理中，0.25 ~ 0.5 mm和 < 0.053 mm无显著差异之外，其余团聚体组分均差异显著，与CK相比，NP处理的 > 2 mm、1 ~ 2 mm、0.5 ~ 1 mm和 < 0.053 mm团聚体组分的比例均无显著差异（除了0.053 ~ 0.25 mm），而NPKOM处理的 > 2 mm、1 ~ 2 mm和0.5 ~ 1 mm团聚体组分的比例则比CK处理增加了69.80%、90.66%和108.53%，OM处理的 > 2 mm、1 ~ 2 mm和0.5 ~ 1 mm团聚体组分的比例比CK处理增加了43.12%、61.31%和113.63%，且NPKOM和OM处理也显著高于NPK处理。但NPKOM处理的0.053 ~ 0.25 mm团聚体组分的比例则比CK处理降低了31.09%。

表  1  长期施肥处理下土壤团聚体组分变化

Table  1.  Changes of soil aggregate composition in long-term fertilization

处理 Treatments	团聚体组分的比例（%） Proportion of soil agergate components						团聚体平均重量直径（mm） MWD
	> 2 mm	1 ~ 2 mm	0.5 ~ 1 mm	0.25 ~ 0.5 mm	0.053 ~ 0.25 mm	< 0.053 mm
CK	4.21 ± 0.54 cd	5.78 ± 1.13 b	10.51 ± 0.83 c	24.35 ± 1.47 a	39.91 ± 1.49 a	15.25 ± 1.75 a	0.33 ± 0.21 c
NP	3.39 ± 0.67 d	7.69 ± 1.88 ab	15.47 ± 3.00 bc	28.00 ± 7.79 a	30.40 ± 1.40 b	15.04 ± 5.07 a	0.40 ± 0.12 b
NPK	4.67 ± 0.49 c	6.62 ± 2.00 b	21.18 ± 5.88 ab	29.09 ± 1.10 a	24.46 ± 3.25 c	13.99 ± 3.12 a	0.42 ± 0.08 b
NPKOM	7.15 ± 0.43 a	11.02 ± 2.57 a	21.91 ± 4.68 a	25.34 ± 3.05 a	24.07 ± 1.20 c	10.51 ± 0.34 a	0.48 ± 0.02 a
OM	6.03 ± 0.23 b	9.32 ± 1.12 b	22.45 ± 2.33 a	23.67 ± 1.05 a	25.94 ± 0.87 c	12.59 ± 0.21 a	0.45 ± 0.04 ab
注：表中同一列不同字母表示各处理间差异显著（P < 0.05），下同。

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进一步计算表明，NP、NPK、NPKOM和OM处理的团聚体平均重量直径（MWD）分别比CK增加了19.01%、26.14%、44.11%和36.32%。各处理仍表现出NPKOM处理的MWD最高，且OM处理与NPKOM无显著差异。但NPK和NP处理的MWD则显著低于NPKOM处理。

2.4   土壤团聚体与有机碳及化学结构的相关关系

在所有有机碳指标中，除了烷基碳/烷氧碳比值之外，其他指标均与MWD存在显著的相关关系（P < 0.05，图5）。拟合方程的斜率（表2）表明，当土壤有机碳增加1 g kg⁻¹，MWD可以提高0.03 mm，当脂族碳/芳香碳比值提高1个单位时，MWD则提高0.09 mm。但是，不同于有机碳和脂族碳/芳香碳比值，芳香度则与MWD呈显著负相关关系，当芳香度增加1%，MWD降低了0.02 mm。

图  5  团聚体平均重量直径与有机碳指标的相关关系

Figure  5.  The correlation between mean weight diameter of soil aggregates and organic carbon indexes

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表  2  团聚体平均重量直径与有机碳指标的拟合方程

Table  2.  Fitting equation of mean weight diameter of soil aggregates and organic carbon indexes

指标 Indexes	拟合方程 Fitting equation	R2	P
有机碳 Orgenic carbon	y = 0.0286x + 0.0744	0.9427	0.0059
烷基碳/烷氧碳 Alkyl/alkoxy carbon	y = 0.8806x + 0.0668	0.1389	0.5366
芳香度 Aromaticity	y = −0.0154x + 0.7827	0.8381	0.0291
脂族碳/芳香碳 Aliphatic/aromatic carbon	y = 0.0855x + 0.223	0.7825	0.0462

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3.   讨论

3.1   长期施肥改变了红壤有机碳化学结构

与黑土和潮土等土壤类型相比，红壤的有机碳含量普遍较低^[26]。因此，提升有机碳含量的是红壤培肥改良的关键。大量研究表明，长期配施有机肥是提高红壤有机碳含量的主要措施^[3-5,26]，且外源有机碳投入量与红壤耕层的有机碳储量变化速率之间存在显著的正相关关系^[5]。王雪芬等^[12]通过有机碳半衰期试验表明，施用有机肥下土壤有机碳库更新加快，从而显著提高了红壤有机碳库的周转速率。本研究也表明，化肥配施有机肥和单施有机肥处理下土壤有机碳分别比不施肥处理提高了51.63%和34.34%，这充分说明有机肥配施对红壤有机碳含量具有显著的提升作用。

进一步解析土壤有机碳的化学结构发现，与其他有机碳结构相比，所有处理均表现出烷氧碳的比例最高，这与前人的研究结果相似^[14,18,26]。一般情况下，烷基碳属于有机碳中较为稳定和难以分解的碳组分，烷氧碳则属于相对容易分解的碳组分^[27-28]，同时，芳香碳和芳香度的增加一般指示土壤有机物腐殖化程度较高，从而不利于有机碳的积累，而脂族碳/芳香碳比值的提高则表征土壤有机质的脂族特性增强，芳香性降低，分子结构趋于简单化。本研究结果表明，化肥配施有机肥和单施有机肥处理下烷基碳和烷氧碳所占比例均显著高于不施肥处理，说明有机肥施用促进了红壤旱地中有机碳的烷基化程度，进而导致难分解碳组分比例的提高。并显著提高了脂族碳/芳香碳比值，说明长期施用有机肥导致土壤有机质的脂族特性增强，芳香性降低，分子结构趋于简单化，与前人研究结果一致^[27]。

但是，化肥配施有机肥和单施有机肥处理下芳香碳和羧基碳比例以及芳香度均显著低于不施肥处理，从而进一步证明长期配施有机肥有利于有机碳的积累。本研究发现，化肥配施有机肥和单施有机肥处理显著降低了大团聚体中芳香族碳的丰度，但是，Yan等^[14]研究表明，不同施肥措施不会显著改变红壤的有机碳化学结构，这可能是由于其在4月份采样，该时期较多的雨水导致的水土流失^[29]可能影响了土壤样品的化学结构分析，但具体原因还有待进一步分析。再加上不同时期的有机肥来源和成分也存在一定差异^[30-31]，因此，关于长期施肥下红壤有机碳化学结构的研究还有待持续监测和分析。

3.2   长期施肥下红壤团聚体组分变化及其与有机碳化学结构的关系

团聚体的组成对土壤的结构稳定及其肥力的保持有重要作用，一般情况下，大粒径团聚体组分越多，土壤团聚体稳定越高^[32]。赵红等^[33]研究发现，施用有机肥可在提高土壤有机碳含量的同时，改善土壤团聚体结构。本研究表明，化肥配施有机肥和单施有机肥处理下红壤的 > 2 mm、1 ~ 2 mm和0.5 ~ 1 mm团聚体组分的比例均得到显著提升。同时，化肥配施有机肥和单施有机肥处理的团聚体平均重量直径分别比不施肥处理增加了44.11%和36.32%，这与前人研究结果基本一致^[10,14]，但增幅略有差异，原因可能是不同年限的有机碳累积投入量不同造成的，前人研究也表明，较多有机碳含量有助于将中微团聚体胶结成大团聚体^[17]。有机碳含量对土壤团聚体的稳定具有重要作用，与团聚体平均重量直径呈显著正相关关系，有机肥的施用能够增加有机胶结物质，从而提高多糖等微生物代谢产物的含量，进而促进土壤团聚化程度^[17,34]。在本研究中，除了土壤有机碳含量之外，土壤有机碳化学结构中脂族碳/芳香碳比值等指标的提升有利于团聚体平均重量直径的增加，而芳香度的增加则降低了团聚体平均重量直径。Kubar等^[21]研究进一步表明，土壤有机碳化学结构的烷氧碳与 > 0.25 mm团聚体比例存在显著的正相关关系。原因可能是长期不同施肥改变了土壤pH和全氮含量^[35]，诱导了土壤团聚体中参与碳循环的细菌群落组成和真菌基因的变化，从而显著改变了土壤有机碳化学结构和团聚体稳定性^[36]。因此，在红壤的培肥改良中，建议优先选择对土壤脂族碳/芳香碳比值提升较为显著的有机肥种类，从而有利于较好地改良土壤团聚体结构。同时，本研究进一步明确了有机碳化学结构与团聚体平均重量直径的定量关系，可以更为精准地指导红壤区的团聚体改良。但是，由于红壤区域较为广泛，其土壤初始理化条件差异较大^[37]，再加上多发的高温高湿多雨等气候因素，关于土壤有机碳化学结构与团聚体平均重量直径的量化关系还有待进一步验证。

4.   结论

在红壤旱地上，长期配施有机肥处理增加了烷基碳/烷氧碳和脂族碳/芳香碳比值，降低土壤有机碳的芳香度。同时，土壤有机碳和脂族碳/芳香碳比值的提高有助于提升团聚体平均重量直径，而芳香度的增加则会导致团聚体平均重量直径的降低。因此，长期配施有机肥是改善红壤旱地有机碳化学结构的重要措施，这表明，在红壤旱地应大力推广有机无机肥配施技术，从而同时实现改善土壤有机碳化学结构和提高团聚体稳定性的双重目标。