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氮素是维持作物生长的核心元素之一，也是作物优质高产的关键[1]。我国南方红壤性稻田面积广，且光水热资源丰富，生产潜力大，对保障我国粮食安全具有重要作用[2-3]。但受成土母质、不合理氮肥施用等因素的影响，该区土壤板结、酸化及退化等问题日益加剧[2]，且有机质水平总体偏低[2，4]，导致产量受限、氮肥效率较低、氮素损失严重[1-2]。彭卫福等[5]前期对不同肥力下红壤性水稻土氮素利用效率的研究表明，提升土壤有机质含量能显著提高水稻产量和氮素吸收，增加土壤对化肥氮的固持，从而降低氮肥损失率。但是，高有机质土壤提高化肥氮固持能力的原因还不甚清楚。
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土壤团聚体作为土壤结构的基本单位，是赋存氮素的主要场所[6]。土壤团聚体组成及其养分分布对作物生长和土壤肥力至关重要[6-7]。因此，增强土壤团聚体对氮素的固持有利于降低氮素的损失和作物持续增产。氮素在不同粒径团聚体中的分布受土地利用方式[8]、耕作制度[6，9]、施肥[10-11]和土壤属性[12]等多个因素的影响。长期定位试验表明[10，13-14]，施肥能改善土壤结构，提高 >0.25 mm 大团聚体的数量，降低微团聚体在土壤中的比例，且有利于有机碳、氮在各粒径团聚体[14-15]，特别是大团聚体中的积累[16]。其中，残留氮的固定是对土壤氮库的有效补充[17]，对作物后效长达数十年[18]。长期培肥地力能增强土壤对残留氮的固持，降低氮素损失[5]。但目前对残留氮的研究主要集中于整体土壤[5，17，19]，有关土壤有机质对红壤性稻田残留氮在团聚体内分布的影响则鲜见报道。本研究以土壤有机质含量为标准选取试验稻田开展 15N 标记微区试验，探究不同有机质水平下土壤团聚体组成以及前季化肥残留氮在各粒径团聚体中的分布特征，以期为减少红壤性稻田氮素损失和优化田间氮素管理提供科学依据。
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1 材料与方法
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1.1 试验区概况
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试验于 2020 年的早稻季（3～7 月）在江西省红壤研究所（28°15′30″N，116°20′24″E）内进行。该地属于典型亚热带湿润气候，年平均降水量 1600～1700 mm，年平均气温 17.7℃。在地形和母质（第四世纪红色粘土发育而来）相同、管理措施一致的稻田中，以土壤有机质含量为参考标准，筛选出低有机质（L）、中有机质（M）和高有机质 （H）的 3 块试验田。3 块试验田耕层（0～15 cm） 土壤基本理化性质见表1。
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1.2 试验设计
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在选取的 L、M 和 H 稻田上开展田间试验和 15N 标记微区试验。每块稻田设置 3 个重复，小区 （5 m×5 m）用 0.5 m 田埂并覆塑料薄膜隔开，防止串肥。另在每个小区内放置直径 30 cm、高 40 cm、厚约 2 mm 的 PVC 管，嵌入耕层 30 cm，形成微区。
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水稻品种选用柒两优 2012。采用水育秧方式，3 月 26 日播种。4 月 27 日施基肥，4 月 28 日人工移栽，移栽密度（行距 × 株距）为 25 cm×14 cm，微区内栽插 2 穴，每穴 3 苗。5 月 5 日施分蘖肥，6 月 3 日施穗肥。施氮量（尿素）为 150 kg/hm2，分基肥、蘖肥、穗肥（5∶2∶3）3 次施用。钾肥（氯化钾）施用量为 K2O 75 kg/hm2，分基肥和穗肥（5∶5） 2 次施用。磷肥（钙镁磷肥）施用量均为 P2O5 75 kg/ hm2，基肥一次性施用。微区内肥料用量和施用方式与大田相同，只是尿素使用的是 15N 同位素标记尿素（上海化工研究院生产，丰度为 20.16%）。3 块田上一季水稻收获后的秸秆均原位还田。整个水稻生育期保持 2～3 cm 淹水层，严防病、虫、草害。
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1.3 测定项目及方法
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1.3.1 土样采集及团聚体分级
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水稻收获后，在微区内用 5 点取样法取 0～15 cm 耕层土样，同时用环刀法测量土壤容重。待土样自然风干，沿自然裂缝将土样逐渐掰成 1 cm 小块后，轻轻碾碎并过 2 mm 筛。取过筛土样 30 g，用湿筛法[20]筛出大团聚体（0.25～2 mm）、微团聚体（0.053～0.25 mm）和粘粉粒（<0.053 mm），然后放入 60℃恒温烘箱中烘干至恒重，称重。
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1.3.2 土壤全氮含量和化肥 15N 丰度的测定
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采用 Kjeltec 8400 全自动凯氏定氮仪（福斯集团公司，丹麦）测定各粒径团聚体的全氮含量[21]。用 EA-DELTA plus XP 型稳定同位素比率质谱仪测定 15N 丰度。相关指标计算公式如下[22-23]：
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土壤全氮在该粒径团聚体中的分布比例（%）= 该粒径团聚体中土壤全氮含量 / 土壤团聚体全氮总量 ×100（1）
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15N 残留量（g/m2 ）= 土壤全氮含量 × 土壤容重 × 土层厚度 /100×1000×（土样 15N 丰度-土壤自然丰度）/（化肥 15N 丰度-土壤自然丰度）（2）
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土壤残留 15N 在该粒径团聚体中的分布比例 （%）= 该粒径团聚体 15N 残留量 / 土壤团聚体 15N 残留总量 ×100（3）
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1.4 数据分析
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采用 SPSS 17.0 进行方差分析，采用最小显著性差异法（LSD）进行多重比较（α=0.05）。
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2 结果与分析
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2.1 不同有机质含量下土壤团聚体组成特征
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中有机质土壤上大团聚体的比例最高，且显著高于低有机质土壤（P<0.05），但是与高有机质土壤差异不显著（图1）。中有机质土壤上粘粉粒的比例显著低于低有机质土壤（P<0.05）。与低有机质土壤相比，高有机质土壤大团聚体的比例较高，而粘粉粒的比例较低，但均未达到显著差异水平。且低有机质、中有机质和高有机质土壤微团聚体及粘粉粒的总和均高于大团聚体，分别达 80.25%、 62.89% 和 71.69%。
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图1 不同有机质含量下土壤团聚体组成
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注：不同小写字母表示同一粒径团聚体中不同有机质含量土壤间存在显著性差异（P<0.05），误差线表示标准差。图2、3、5、6 同。
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2.2 不同有机质含量下全氮在土壤团聚体上的分布特征
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与低有机质土壤相比，在中有机质和高有机质土壤上大团聚体、微团聚体和粘粉粒的全氮含量均显著增加（图2），而且高有机质土壤各粒径团聚体的全氮含量也显著高于中有机质土壤（P<0.05）。中有机质和高有机质土壤均以微团聚体上的全氮含量最高，分别达 2.60 和 4.06 g/kg。
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图2 不同有机质含量下土壤团聚体全氮含量的差异
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与低有机质土壤相比，高有机质土壤全氮在大团聚体和粘粉粒中的比例显著降低（P<0.05），而在微团聚体中的比例显著提高了 5.93%（图3）。与低有机质土壤相比，中有机质土壤全氮在大团聚体中的比例显著降低了 3.45%，而在微团聚体和粘粉粒中的比例无显著差异。低有机质土壤的全氮主要分布在大团聚体中（39.06%），中有机质和高有机质土壤中全氮则均以微团聚体为主要载体 （37.12%～41.17%）。
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图3 不同有机质含量下土壤全氮在团聚体中的比例
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2.3 不同有机质含量下土壤氮素残留总量
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化肥氮的残留总量随土壤有机质含量的上升而提高（图4）。在施氮量均为 150 kg/hm2 的背景下，与低有机质土壤相比，中有机质和高有机质土壤中化肥氮的残留总量显著增加了 60.08% 和 93.93%。
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图4 不同有机质含量下土壤中氮肥的残留总量
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注：不同小写字母表示 L、M 和 H 有机质土壤间存在显著性差异（P<0.05）。误差线表示标准差。
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2.4 不同有机质含量下残留氮在土壤团聚体上的分布特征
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与低有机质土壤相比，残留氮在高有机质土壤大团聚体、微团聚体和粘粉粒中的含量显著增加了 76.58%、108.32% 和 110.85%（ 图5）。而残留氮在中有机质土壤各粒径团聚体的含量也呈增加趋势，但与低有机质土壤均未达到显著差异水平。
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与低有机质土壤相比，高有机质土壤残留氮在大团聚体中的比例较低，而在微团聚体和粘粉粒中的比例较高，但均未达到显著差异水平（图6）。3 种有机质含量土壤的残留氮主要分布在大团聚体中（42.87%～46.81%），且不同有机质含量土壤团聚体残留氮的分布比例均随团聚体粒径的减小而下降。
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图5 不同有机质含量下土壤团聚体中氮肥的残留量
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图6 不同有机质含量下土壤团聚体中残留氮的分布
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3 讨论
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3.1 土壤有机质含量对团聚体组成的影响
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本研究表明，与低有机质土壤相比，大团聚体在中、高有机质土壤中的比例有所上升，粘粉粒的比例有所下降，这与以往的研究相符[10，13，24]。有机质含量较高的土壤容重较低，透气性更好，微生物活性更强[5]，更有利于有机质的持续储存和再积累。且土壤有机质作为团聚体的重要胶结剂，能够促进大团聚体的形成[25]，如动植物残体、根系分泌物、真菌菌丝及其代谢产物等均能增强土壤颗粒间的缠绕[12，26-27]，从而提高大团聚体的含量。但邸佳颖等[28]研究发现，当有机碳含量升至 30 g/kg 后，大团聚体的比例和稳定性将不再随有机碳含量的提高而增加。此时，土壤颗粒间的团聚效果将被过量大分子有机物质带有的大量电荷及其在颗粒表面产生的位阻效应减弱，甚至有团聚体结构退化的趋势[29]，这可能也是本研究中中有机质土壤大团聚体的比例较高的原因之一。有研究表明，在铁铝氧化物丰富，有机质含量较低的土壤中，铁铝氧化物主导各粒径团聚体的形成，特别是微团聚体的胶结[30]。供试的红壤性水稻土由第四世纪红色粘土发育而来，即使在有机质含量较高的土壤中，强胶结力的铁铝氧化物也占优势，其与有机质共同决定团聚体组成[31]。因此，本研究中发现，3 种有机质水平土壤 <0.25 mm 微团聚体的含量均高于大团聚体。
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3.2 土壤有机质含量对全氮在团聚体中分布的影响
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高有机质稻田由于自身储氮量高，加之土壤微生物固氮作用占优势，故其土壤全氮增量较高[5]。而团聚体作为全氮的主要储存场所，其内全氮含量也与有机碳高度正相关[11]。因此，本研究中中、高有机质土壤各粒径团聚体的全氮含量显著高于低有机质土壤。江春玉等[32]研究表明，低肥力和高肥力土壤全氮主要分布在大团聚体中。而本研究结果与 Xie 等[15]在长期定位试验上的结论类似，中、高有机质土壤全氮均以微团聚体为主要载体，但不符合土壤团聚体的层次模型[33]。这可能与红壤性水稻土微团聚体胶结剂以铁铝氧化物和 1∶1 型粘土矿物高岭石等为主有关[29，32]。微团聚体中的有机物质较大团聚体中的更难降解，稳定性更高，更新周转较慢[26，34]，更利于碳、氮组分的保存。此外，微团聚体被包裹在大团聚体内，对外界环境的干扰不敏感[35]。加之其比表面积大，对 NH4 + 等阳离子吸附性较强，故能固持更多的氮素[36]。高有机质土壤全氮在微团聚体上的比例较低有机质土壤显著增加，也进一步证实了随着土壤有机质含量的提高，微团聚体对土壤全氮的固持能力更强。
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3.3 土壤有机质含量对残留氮在团聚体中分布的影响
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本研究表明，化肥氮在土壤中的残留总量随土壤有机质含量的升高而显著增加，说明提高土壤有机质水平有利于化肥氮的固持。这可能是土壤有机质含量越高、土壤阳离子交换能力和微生物活性越强[5]，同时，团聚体上的土壤胶体和微生物对速效氮的固持作用也更强。此外，30 cm 土体中土壤氮库为 3000～5000 kg/hm2，施入的化肥氮（150kg/hm2）占总可利用无机氮库的比例相对较小[37]。加之土壤氮含量与土壤有机质高度相关，因此，相同施氮量下，在根系发达和微生物数量多的高肥力土壤中植株吸收的氮素更多源于土壤氮，来自化肥氮的比例小[5]，从而导致了残留氮在土壤中的积累。上述可能也是本研究中高有机质土壤化肥氮在各粒径团聚体上的残留量均较低有机质土壤显著增加的主要原因。已有学者指出，施入土壤的化肥氮较多的积累在粗粒径团聚体中[38]。本研究中，3 种有机质含量的土壤化肥残留氮也主要赋存于大团聚体中。这可能是由于外源新碳主要进入大团聚体[39]，对其内部的微生物数量及活性具有正激发效应[36，40]，从而增强了大团聚体的固氮能力。相反，稻田微团聚体内微生物对碳源的利用能力较低[41]。而化肥氮进入土壤时虽先被小粒径团聚体吸附，但在微生物和根系的作用下会渐进被团聚化[38]，致使残留氮在大团聚体中富集。本研究中，与低有机质土壤相比，高有机质土壤大团聚体残留氮的含量虽然最高，但其占残留氮总量的比例有下降的趋势，而微团聚体残留氮占残留氮总量的比例有上升的趋势。这与残留氮在各粒径团聚体上的含量有关。此外，微团聚体中以难降解的有机质为主，更新周期长，稳定性较高[26，34]，吸附和保存养分的能力更强[42]。甚至有研究估计微团聚体内有机碳的寿命可长达 1 个世纪[43]。但受土壤微生物活性及容重等因素的影响，有机质含量较高的土壤微团聚体对养分的保持能力可能更强[44-45]，因此，其固持的残留氮的比例有所增加。与之相比，高有机质土壤大团聚体养分供给能力更强[5，26]，其固持的残留氮的比例则相对减少。
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4 结论
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本研究表明，提升土壤有机质含量可提高大团聚体在土壤中的比例，促进土壤团粒结构的形成。与低有机质土壤相比，高有机质土壤全氮及残留氮在各粒径团聚体上的含量均显著增加。不同有机质含量土壤中的残留氮均主要分布在大团聚体上。高有机质土壤残留氮在大团聚体上的比例较低有机质土壤有下降的趋势，而在微团聚体和粘粉粒上的比例有上升的趋势。因此，提高土壤有机质含量不仅能改善土壤结构，还能够增强微团聚体对全氮及残留氮的固持。这有利于残留氮在土壤中保存，从而降低红壤性稻田的氮素损失。
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摘要
化肥氮的残留及其分布对后季作物氮素供给和氮素损失均有重要影响。通过在田间试验中设置 15N 标记微区，在相同施氮量（150 kg/hm2 ）条件下，明确低有机质、中有机质和高有机质红壤性稻田化肥氮的残留量及其在不同粒径土壤团聚体中的分布。结果表明：与低有机质土壤相比，中有机质和高有机质土壤大团聚体（0.25 ～ 2 mm）的比例较高，而粘粉粒（<0.053 mm）的比例较低。不同粒径团聚体的全氮含量均随土壤有机质含量的提高而显著升高。在相同氮肥投入下，化肥氮在中有机质和高有机质土壤中的残留量较低有机质土壤显著增加，增幅分别为 60.08% 和 93.93%。与低有机质土壤相比，高有机质土壤中的残留氮在大团聚体、微团聚体 （0.053 ～ 0.25 mm）和粘粉粒中的含量分别显著增加了 76.58%、108.32% 和 110.85%。土壤残留氮主要分布在大团聚体中（42.87% ～ 46.81%）。随土壤有机质含量的升高，残留氮在大团聚中的比例有所下降，而在粘粉粒中的比例有所升高，但均未达显著水平。因此，培肥地力不仅能够提高土壤大团聚体的比例，促进土壤团粒结构的形成，还有利于土壤对残留氮的固持，从而降低红壤性稻田的氮素损失。
Abstract
The amount and distribution of residual mineral nitrogen plays a critical role in nitrogen supply for subsequent crops as well as nitrogen losses．A field experiment was carried out with the 15N-labelling technique to explore the effect of soil organic matter content on the residue of mineral fertilizer nitrogen in soil aggregates in a red paddy soil under the same nitrogen rate（150 kg/hm2 ）．The results showed that compared with that in the low-organic matter soil，the proportion of macroaggregates（0.25 ～ 2 mm）was higher in medium- and high-organic matter soils，while the proportion of silt and clay（< 0.053 mm）was lower．The concentration of total nitrogen increased with increasing soil organic matter content in all aggregate sizes．Compared with the low-organic matter soil，the contents of total residual nitrogen in medium- and high-organic matter soils were significantly increased by 60.08% and 93.93% under the same nitrogen input，respectively． Compared with that in the low-organic matter soil，the content of residual nitrogen in the high-organic matter soil increased by 76.58%，108.32%，and 110.85% in macroaggregates，microaggregates（0.053 ～ 0.25 mm），and silt and clay， respectively．Residual nitrogen was mainly located in macroaggregates（42.87% ～ 46.81%）．With the increasing of soil organic matter content，the proportion of residual nitrogen tended to decrease in soil macroaggregates，but tended to increase in silt and clay，albeit with no significant differences．Thus，improving soil fertility can not only increase the proportion of macroaggregates and enhance soil aggregation，but also contribute to the retention of residual mineral nitrogen and thus reduce nitrogen losses in the paddy soil.
Keywords
soil organic matter ； red soil ； rice paddy ； residual nitrogen ； soil aggregates