张秀芝^1,2, 李强¹, 高洪军¹, 彭畅¹, 朱平^,1, 高强^,21 吉林省农业科学院农业资源与环境研究所,长春130033
2 吉林农业大学资源与环境学院,长春130118

Effects of Long-Term Fertilization on the Stability of Black Soil Water Stable Aggregates and the Distribution of Organic Carbon

ZHANG XiuZhi^1,2, LI Qiang¹, GAO HongJun¹, PENG Chang¹, ZHU Ping^,1, GAO Qiang^,21 Institute of Agricultural Resource and Environment, Jilin Academy of Agricultural Sciences, Changchun 130033
2 College of Resources and Environmental Sciences, Jilin Agricultural University, Changchun 130118

通讯作者: 朱平,Tel：0431-87063170;E-mail： zhuping1962@sohu.com 高强,E-mail： gyt199962@163.com

责任编辑: 李云霞
收稿日期:2019-06-5接受日期:2019-09-12网络出版日期:2020-03-16

基金资助:

国家重点研发计划.2018YFD0800905 国家重点研发计划.2016YFD0800103 中欧农田土壤质量评价及提升技术合作项目.2016YFE0112700-3

Received:2019-06-5Accepted:2019-09-12Online:2020-03-16
作者简介 About authors
张秀芝,Tel：0431-87063170;E-mail：zhangxiuzhi2006@163.com。








摘要
【目的】基于黑土长期定位试验平台,研究不同施肥方式下土壤水稳性团聚体和有机碳分布特征,以期揭示化肥和有机肥长期施用对土壤肥力的影响,为实现黑土合理培肥提供理论指导。【方法】依托37年黑土长期定位试验,采集CK（不施肥）、NPK（化肥）、M₂（常量有机肥）、M₂NPK（常量有机肥配施化肥）、M₄（高量有机肥）、M₄NPK（高量有机肥配施化肥）处理0—20 cm土层的土壤样品,利用湿筛法分析水稳性团聚体稳定性及有机碳在不同粒级团聚体中的分配特征。【结果】长期有机无机配施以及施高量有机肥显著降低大团聚体比例,提高微团聚体比例。长期施用化肥及常量有机肥并未明显改变团聚体的分布。M₂NPK、M₄NPK、M₄处理的大团聚体比例较CK处理分别降低32.7%、45.8%和55.4%,而微团聚体的比例较CK处理分别提高73.2%、102.5%和123.9%。长期有机无机配施及高量有机肥的施用显著降低表层土壤水稳性团聚体的稳定性。长期施肥显著增加土壤有机碳含量,增加量为CK的1.12—2.06倍,施用有机肥及有机无机配施处理有机碳含量增加更为显著。长期施用有机肥可以增加各粒级水稳性团聚体中有机碳的含量,且随着粒径的变小,各处理有机碳含量的增加幅度逐渐减小。各处理水稳性大团聚体中有机碳含量显著高于微团聚体,这表明有机碳主要分布在大团聚体中。长期施高量有机肥及配施化肥显著降低了大团聚体对有机碳的贡献率,增大了微团聚体的贡献率,即微团聚体有机碳贡献率高于大团聚体,而其他处理大团聚体有机碳贡献率高于微团聚体。【结论】黑土长期施用化肥对团聚体的分布及团聚体有机碳含量没有显著影响。高量有机肥以及有机无机配施显著降低了大团聚体的比例,进而降低土壤团聚体的稳定性。长期施用有机肥显著增加土壤及各粒级团聚体中有机碳含量。高量有机肥及配施化肥显著降低了大团聚体有机碳贡献率,有机碳贡献率的优势粒级为微团聚体。
关键词： 长期施肥;黑土;水稳性团聚体;有机碳含量;有机碳贡献率

Abstract
【Objective】Based on the long-term fertilization experiment station, in aims to study the influences on the soil fertility by long-term application of chemical fertilizer and manure, the characteristics of water stable aggregates and structure of organic carbon was analyzed under different fertilizer application conditions.【Method】0-20 cm soil samples were collected from the 37-year long-term field experiment, including six treatments: CK (no fertilizer), NPK (chemical fertilizer alone), M₂ (normal manure application), M₂NPK (the chemical fertilizer combined with normal manure rate), M₄ (high quantity manure application), and M₄NPK (the chemical fertilizer combined with high quantity manure rate). Stability of water stable aggregates and distribution of organic carbon in aggregates were analyzed by wet sieve method.【Result】The proportion of large aggregates was reduced,while the proportion of micro aggregates was increased significantly under long-term application of organic and chemical fertilizer and high amount of organic fertilizer conditions. There was not significant change for the distribution of aggregates under long-term application of chemical fertilizer and constant organic fertilizer conditions. Compared with CK, the proportions in macro-aggregate of M₂NPK, M₄NPK and M₄ were reduced by 32.7%, 45.8% and 55.4%, respectively, and the proportion of that in micro-aggregate were increased by 73.2%, 102.5% and 123.9%, respectively. The stability of surface soil water stable aggregates was reduced significantly under long-term organic combined chemical fertilizer and high amount of organic fertilizer conditions. The soil organic carbon content was increased significantly by 1.12-2.06 times as much as CK under long-term fertilization condition, and the increase of organic carbon content was more significantly in organic fertilizer and organic combined with chemical fertilizer. The content of organic carbon in soil water stable aggregates of each size was increased under long-term organic fertilizer application, while the increase of organic carbon content in each treatment was gradually decreased with the decrease of particle size. Organic carbon content in the water stable macro-aggregate was significantly higher than that in the micro-aggregate, indicating that the organic carbon was mainly distributed in the macro-aggregate. The contribution rate of organic carbon in macro-aggregate was reduced significantly, and the contribution rate of organic carbon was increased significantly in micro-aggregate under long-term application of high amount of organic and combined with chemical fertilizer. The contribution rate of organic carbon in other treatments was higher in macro-aggregates than in micro-aggregates.【Conclusion】There were no significant effect for distribution and organic carbon content in aggregates under long-term chemical fertilization. The proportion of macro-aggregates and the stability of soil aggregates were reduced significantly under high amount of organic fertilizer and combination of organic and chemical fertilizer. The content of organic carbon in the aggregates was increased significantly under long-term application of organic fertilizer. The contribution rate of organic carbon in macro-aggregates was reduced significantly under high amount of organic fertilizer and combined with chemical fertilizer. The micro-aggregate was the dominant aggregate size of the organic carbon contribution rate.
Keywords：long-term fertilization;black soil;water stable aggregates;content of organic carbon;contribution rate of organic carbon


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本文引用格式
张秀芝, 李强, 高洪军, 彭畅, 朱平, 高强. 长期施肥对黑土水稳性团聚体稳定性及有机碳分布的影响[J]. 中国农业科学, 2020, 53(6): 1214-1223 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2020.06.013
ZHANG XiuZhi, LI Qiang, GAO HongJun, PENG Chang, ZHU Ping, GAO Qiang. Effects of Long-Term Fertilization on the Stability of Black Soil Water Stable Aggregates and the Distribution of Organic Carbon[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2020, 53(6): 1214-1223 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2020.06.013

0 引言

【研究意义】土壤团聚体是土壤的重要组成部分,也是形成良好土壤结构的基本物质。土壤团聚体粒径分布和稳定性是衡量土壤物理质量的重要指标^[1]。土壤有机碳是土壤团聚体形成的重要物质基础,促进团粒结构形成,同时土壤团聚状况也影响着土壤有机碳的分解^[2]。有机碳含量与土壤团聚体稳定性之间具有较好的相关性,是土壤团聚体稳定性的关键影响因子^[3]。团聚体水稳性与土壤可蚀性密切相关。研究长期施肥对土壤团聚体的组成及不同粒级有机碳含量的影响,可为阐明土壤有机碳循环与转化供应机制,揭示长期施肥条件下土壤肥力形成与变化规律,为黑土培育及抗侵蚀性提供理论依据。【前人研究进展】关于施肥对土壤团聚体组成、稳定性及有机碳分布的影响已有大量报道。耿瑞霖等^[4]在潮土的研究表明,长期施用有机肥显著提高2—0.25 mm团聚体数量,降低0.25—0.053 mm团聚体比例。无机肥的施用增加了各粒级团聚体有机碳含量,但对团聚体的比例没有影响。曾希柏等^[5]对灌漠土团聚体的研究表明,长期单施有机肥或配施氮肥能够显著提高各粒级水稳性团聚体有机碳含量,>0.25 mm水稳性团聚体的含量与土壤有机碳水平呈显著正相关。长期单施有机肥能促进>0.25 mm水稳性团聚体的形成。长期施用有机肥或有机无机配施可显著增加红壤大团聚体的含量及土壤有机碳库,有机碳主要向>0.25 mm的团聚体富集^[6,7]。张久明等^[8]对哈尔滨黑土的研究结果表明,长期施肥后,土壤2—0.25 mm 和 0.25—0.053 mm 团聚体为优势粒级,0.25—0.053 mm团聚体有机碳含量最高,<0.053 mm 粒级团聚体中有机碳含量最低。长期施用化肥降低了塿土>2 mm 的水稳性团聚体数量,增加了<1mm的水稳性团聚体含量。施肥在一定程度上提高了水稳性团聚体有机碳的含量,但施用高量氮、磷下0.25—0.5 mm和<0.25 mm水稳性团聚体中有机碳含量明显低于施用低量氮、磷肥料^[9]。长期有机无机配施对塿土>0.25 mm 或<0.25 mm团聚体分布比例没有显著影响,显著改变了土壤有机碳在团聚体中的分配比例^[10]。棕壤连续有机无机配合施用可显著增加土壤大团聚体数量、有机碳含量及碳储量,而NPK长期施用显著提高了黏粉粒含量及有机碳分配比例^[11]。综合来看,施肥影响团聚体的分布、稳定性及团聚体有机碳的分布,但研究结果不尽相同。一方面,是由于土壤类型不同,其成土母质及土壤质地差异不同;另一方面,当地的气候、作物等也会对团聚体及有机碳含量产生影响。【本研究切入点】黑土是由强烈的腐殖质累积和滞水潴积过程形成的,是一种特殊的草甸化过程。黑土养分含量丰富,肥力水平高,是重要的粮食产地。但黑土开垦后,连年的耕作施肥导致黑土腐殖质含量下降,土壤侵蚀明显。目前的研究多集中在宏观的黑土养分研究,对于水稳性团聚体的稳定性及团聚体中碳的分布研究较少。【拟解决的关键问题】依托37年黑土长期肥料定位试验,采用湿筛法,测定不同粒级团聚体含量及团聚体中有机碳含量,揭示黑土水稳性团聚体的稳定性及不同粒级有机碳分布对长期施肥的响应,以期为黑土培育及抗侵蚀性提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验在“国家黑土肥力和肥料效益监测基地”进行,试验始于1980年,监测基地位于吉林省公主岭市吉林省农业科学院试验地（124°48′33.9″E,43°30′23″N）。海拔220 m,属于温带大陆性季风气候区,年平均气温5.5℃,无霜期125—140 d,有效积温2 600—3 000℃,年降水量450—650 mm,年蒸发量1 200—1 600 mm,年日照时数2 500—2 700 h。每年12月至翌年3月份为土壤冻结期,冻土层厚可达1.5 m左右,地下水埋深14 m。试验始于1980年,土壤类型为发育于黄土母质上的中层黑土,成土母质为第四纪黄土状沉积物,地势平坦,地形呈漫岗波状起伏。耕层土壤有机质含量28.1 g·kg^-1,全氮1.9 g·kg^-1,碱解氮114.0 mg·kg^-1,全磷0.61 g·kg^-1,有效磷11.8 mg·kg^-1,全钾18.4 g·kg^-1,速效钾 158.3 mg·kg^-1,pH 7.8 。

1.2 试验设计

试验设置6个处理,分别为：CK（不施肥）、NPK（常量化肥）、M₂（常量有机肥）、M₂NPK（常量有机肥+常量化肥）、M₄（高量有机肥）、M₄NPK（高量有机肥+常量化肥）。大区试验,不设重复,每个试验区面积100 m²。种植的主要作物是玉米,一年一熟制。玉米在整个生育期内不灌水,主要依靠自然降水。常量化肥处理为150 kgN·hm^-2、75 kg P₂O₅·hm^-2、75 kg K₂O·hm^-2。化肥N、P、K分别由尿素（N 46%）、磷酸二铵（N 18%,P₂O₅ 46%）、硫酸钾（K₂O 50%）提供。有机肥施用量根据每年所用肥料的养分分析结果,以全氮含量为标准折算。有机肥为堆肥,有机质含量13.0%—15.0%,全氮0.45%— 0.55%,全磷（P₂O₅）0.40%—0.50%,全钾（K₂O）0.1%—0.2%。M₂每年施用有机肥30 t·hm^-2,M₄为2倍量的M₂。有机肥在秋季收获后施入土壤,化肥氮1/3基施,2/3于拔节期追施。磷、钾肥与有机肥作为基施一次性施入。供试作物为玉米,品种为杂交玉米吉单101（1980—1988年）,丹玉13（1989—1993年）,吉单304（1994—1996年）,吉单209（1997—2003年）,郑单958（2004—2017年）。玉米株行距为23.8 cm×70 cm,播种密度为60 000株/hm²,人工播种。播种时间为4月下旬,9月下旬收获。玉米收获后将地上部秸秆移出,实施根茬还田,其他管理措施与当地农田一致。

1.3 样品采集与分析

2017年玉米收获后,将各小区划分3部分,每个部分采集3个混合样本,每个样本按“S”采集5点。采取0—20 cm土层的原状土,放在保鲜盒中带回室内。将采集的原状土在室内沿自然结构轻轻掰成小土块,除去粗根及小石块,过10 mm筛,自然风干,备用。

团聚体分级采用萨维诺夫法^[12]。干筛法（机械稳定性团聚体）：称取 500 g 风干土置于一组不同孔径（7、5、3、2、1、0.5、0. 25和0.053 mm）土壤筛的顶部,进行干筛 5 min,分离出>7、7—5、5—3、3—2、2—1、1—0.5、0. 5—0.25、0. 25—0.053和<0. 053 mm 的土壤团聚体,分别称重,计算出各级干筛团聚体占土样总量的百分率。

湿筛法（水稳性团聚体）：从干筛各级土壤团聚体中,按比例配成25 g风干土样。称取这样配比的土样4份。将套筛按孔径大小顺序排好（2、0.25和0.053 mm）放于振荡架上,并置于水桶中。调整桶内水的高度,使套筛最上面筛子在振荡位于最低位时的上缘部分稍高于水面,振荡位于最高位置时土壤依然浸在水里。将配好的土样放入最大孔径的筛子中,静止5 min,然后上下振荡 3 min,振幅 3 cm。将各个筛子中的土壤洗出,在 50℃ 下烘干、称重,即得到了>2、2—0.25、0.25—0.053和<0.053 mm 的土壤团聚体质量。

把>0.25 mm粒级的团聚体称为大团聚体（Macro-aggregate）,而<0.25 mm粒级的团聚体为水稳性微团聚体（Micro-aggregate）。

原土及各个团聚体中有机碳用高温外加热重铬酸钾氧化-容量法测定^[13]。

1.4 数据处理

（1）土壤团聚体平均质量直径的计算^[14]

$MWD=\sum^{n}_{i=1}XiWi$

式中,MWD 为团聚体平均质量直径（mm）,Xi为任一级别范围内团聚体的平均直径（mm）,Wi为对应于Xi的团聚体百分含量。

（2）几何平均直径的计算^[14]

GMD = exp ∑lg XiWi /m

式中,GMD 为团聚体几何平均直径（mm）。Xi 为任一级别范围内团聚体的平均直径（mm）,Wi 为对应于 Xi 的团聚体百分含量,m为样品总重量。

（3）土壤团聚体破碎率（PAD）计算方法^[15]

PAD = (Wd-Ww)/Wd×100%

式中,Wd和 Ww分别为>0. 25 mm 干筛和湿筛团聚体质量分数。

（4）分形维数^[16]

$(\frac{Xi}{Xmax})^{3-D}=\frac{W(r<Xi)}{WT}$

式中,Xi 为两筛分粒级间粒径的平均值,Xmax 为最大粒级土粒的平均直径,W（r<Xi）为大于Xi的累积土粒重量,WT为土壤各粒级重量的总和,D为分形维数。

（5）各粒级土壤团聚体对土壤有机碳的贡献率

利用李玮等^[17]方法计算各粒级团聚体对土壤有机碳的贡献率。

团聚体对土壤有机碳的贡献率（%）=[该粒级团聚体中有机碳含量（g·kg^-1）×该级团聚体含量（%）/耕层土壤有机碳含量]× 100%。

2 结果

2.1 长期施肥对土壤水稳性团聚体分布的影响

从表1可以看出,不同粒级团聚体含量因施肥处理不同而有差异。2—0.25、0.25—0.053 mm团聚体含量较高。不同施肥处理对不同粒级团聚体含量有一定影响。与CK相比,长期施肥降低了>2、2—0.25 mm水稳性大团聚体的含量,提高了0.25—0.053和<0.053 mm水稳性微团聚体的含量。单施化肥（NPK）、常量有机肥（M₂）处理较CK处理各粒级团聚体比例变异较小,未达显著水平。M₂NPK、M₄NPK、M₄处理的大团聚体占比较CK处理分别降低32.7%、45.8%和55.4%,微团聚体的占比较CK处理分别提高73.2%、102.5%和123.9%,均达显著水平。说明长期有机无机配施以及施高量有机肥显著降低大团聚体的比例,提高微团聚体的比例。长期施用化肥及常量有机肥并未明显改变团聚体的分布。

Table 1
表1
表1长期施肥下各粒级水稳定性团聚体分布
Table 1The distribution of water stable aggregates under long-term fertilization conditions (%)

处理 Treatment	大团聚体Macro-aggregate			微团聚体Micro-aggregate
	>2 mm	2-0.25 mm	总和Sum	0.25-0.053 mm	<0.053 mm	总和Sum
CK	18.6±1.5 a	50.5±4.9 a	69.1±4.3 a	21.8±3.3 c	9.1±1 c	30.9±4.3 c
NPK	16.4±1.1 ab	44.9±8.8 a	61.3±9.7 a	26.7±6.7 c	11.9±3.0 c	38.7±9.7 c
M2	14.1±3.6 b	49.3±3.9 a	63.4±12.5a	22.5±3.7 c	14.1±3.8 bc	36.6±6.8 c
M2NPK	5.3±1.5 c	41.2±3.2 ab	46.5±1.6 b	35.2±2.8 b	18.3±1.3 b	53.5±1.6 b
M4	4.7±1.9 c	32.7±5.5 bc	37.4±6.4 bc	44.5±4.4 a	18.1±2.2 b	62.6±6.4 ab
M4NPK	3.1±0.2 c	27.7±5.4 c	30.8±5.5 c	41.9±1.5 ab	27.3±4.3 a	69.2±5.5 a

Different letters in the same column indicate that the difference is significant up to 0.05. The same as below
同一列中数据后不同字母表示同一粒级团聚体不同处理间的差异水平达0.05。下同

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2.2 长期施肥对土壤水稳性团聚体稳定性的影响

土壤团聚体平均重量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）、团聚体破坏率（PAD）及分形维数（D）常用来表征土壤中团聚体的稳定程度。尤其湿筛下的MWD与GMD更能反映土壤结构的好坏：其值越大,说明土壤结构越好;反之土壤结构差,土壤养分易流失。表2表明,与CK相比,NPK和M₂处理MWD、GMD无显著差异,M₂NPK、M₄、M₄NPK处理MWD、GMD显著降低,分别较CK降低35.4%、44.8%、53.8%和47.2%、56.0%、65.6%。

Table 2
表2
表2长期施肥下土壤水稳性团聚体稳定性指标
Table 2Soil aggregate stability indexes under long-term fertilization conditions

处理 Treatment	平均重量直径MWD (mm)	几何平均直径GMD (mm)	分形维数 D	团聚体破坏率 PAD (%)
CK	0.98a	0.61a	2.37c	23.15c
NPK	0.88a	0.50a	2.44c	31.88c
M2	0.88a	0.50a	2.47bc	30.08c
M2NPK	0.63b	0.32b	2.56ab	47.98b
M4	0.54bc	0.27b	2.57ab	55.64ab
M4NPK	0.45c	0.21b	2.67a	63.15a

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长期不同施肥对土壤团聚体破坏率的影响不同。与CK相比,NPK和M₂处理团聚体破碎率差异不显著,而M₂NPK、M₄、M₄NPK处理PAD显著增加,分别是CK处理的2.1、2.4及2.7倍。从分形维数来看,与CK相比,M₂NPK、M₄、M₄NPK处理的D值是显著增加的,而NPK和M₂处理变异较小,未达显著水平。综合MWD、GMD、PAD及D 4个水稳性指标来看,长期有机无机配施及高量有机肥的施用降低了表层土壤水稳性团聚体的稳定性。

从表3可以看出,>0.25 mm水稳性团聚体含量与MWD、GMD呈极显著正相关关系,相关系数分别为0.985和0.971,这说明>0.25 mm水稳性团聚体比例越高,团聚体平均重量直径、几何平均直径越大,土壤团聚体稳定性越好。>0.25 mm水稳性团聚体含量与PAD、分形维数呈极显著负相关,说明>0.25 mm水稳性团聚体团聚体含量越低,破碎率越大,分形维数越高,土壤抗侵蚀性越差。也就是说,大团聚体的比例决定着团聚体的稳定性,大团聚体比例越高,土壤水稳性团聚体越稳定。

Table 3
表3
表3团聚体稳定性与大团聚体含量的相关性
Table 3Correlation between the stability of aggregates and the content of large aggregates

	>0.25 mm水稳性团聚体含量 Content of >0.25 mm aggregate	MWD	GMD	PAD	D
>0.25 mm水稳性团聚体含量 Content of >0.25 mm aggregate	1	0.985**	0.971**	-0.998**	-0.954**
MWD		1	0.987**	-0.985**	-0.960**
GMD			1	-0.968**	-0.972**
PAD				1	0.955**
D					1

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2.3 长期施肥对水稳性团聚体有机碳分布的影响

经过连续37年的耕种,不同施肥处理土壤有机碳含量差异显著（图1）。施肥显著增加土壤有机碳含量,且处理间均达到显著水平。M₄NPK处理有机碳含量最高,达34.0 g·kg^-1,是CK有机碳含量的2.06倍,其次是M₄处理,有机碳含量为30.5 g·kg^-1,是CK处理的1.85倍。M₂处理有机碳含量高于M₂NPK处理。M₂和M₂NPK处理的有机碳含量分别是CK处理的1.59、1.41倍。长期单施化肥（NPK）土壤有机碳含量较CK处理略有提高,约为CK的1.12倍。与对照相比,有机肥单独施用或有机无机配施较化肥更能提高有机碳含量。

图1

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图1不同施肥处理土壤有机碳含量

Fig. 1Organic C content of soil in different fertilization treatments



有机碳在不同粒级水稳性团聚体中的含量与分布情况见图2,与CK相比长期单施化肥对土壤水稳性团聚体中有机碳的含量没有显著影响,而长期单施有机肥、有机无机配施显著增加不同粒级团聚体有机碳含量,且有机肥施用量越高,团聚体中有机碳含量增加的越多。M₄NPK、M₄、M₂、M₂NPK处理与CK相比,粒径>2 mm团聚体中有机碳含量分别增加了157.2%、100.2%、52.2%、45.3%;粒径2—0.25 mm团聚体有机碳含量分别增加了125.1%、106.6%、47.6%、38.57%;粒径0.25—0.053 mm团聚体有机碳含量分别增加了94.2%、76.1%、41.9%、25.3%;<0.053 mm团聚体有机碳含量分别增加了59.2%、58.6%、28.0%、26.1%。这说明,长期施用有机肥可以增加各粒级土壤水稳性团聚体中有机碳的含量,且随着粒径的变小,各处理有机碳含量的增加幅度逐渐变小,处理间差异缩减,但仍达显著水平。总体来看,各处理水稳性大团聚体中有机碳含量显著高于微团聚体,这表明有机碳主要分布在大团聚体中。

图2

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图2不同施肥处理对各级团聚体中有机碳含量的影响

Fig. 2The effect of long-term different fertilization treatments on contents of organic carbon in different aggregates size

2.4 水稳性团聚体对有机碳的贡献率

表4表明,各施肥处理对土壤有机碳贡献率最大是2—0.25 mm和0.25—0.053 mm两个粒级的团聚体。M₄、M₄NPK处理0.25—0.053 mm团聚体有机碳贡献率最大,其次是2—0.25 mm团聚体。CK、NPK、M₂、M₂NPK处理2—0.25 mm团聚体有机碳贡献率最大,其次是0.25—0.053 mm团聚体。施肥处理显著降低了>2 mm 团聚体中有机碳的贡献率,与CK相比,M₂NPK、M₄、M₄ NPK处理团聚体中有机碳贡献率分别降低70.4%、73.6%和78.6%,NPK、M₂处理有机碳贡献率下降19.9%、28.3%。2—0.25 mm团聚体中,只有M₄、M₄ NPK有机碳的贡献率是显著降低的,其他处理虽有降低,但未达显著水平。0.25—0.053 mm、<0.053 mm团聚体中,M₂NPK、M₄、M₄NPK对有机碳的贡献率是显著增加的,分别较CK增加44.1%、94.9%、76.8%和80.2%、69.8%、141.7%;NPK、M₂未有显著影响。总体来看,长期施用化肥及常量有机肥对微团聚体有机碳的贡献率没有显著影响,对大团聚体有机碳贡献率的影响也仅是在>2 mm的团聚体;但有机无机配施及高量有机肥的长期施用显著降低大团聚体的有机碳贡献率,提高微团聚体有机碳贡献率。这主要是有机无机配施及施高量有机肥显著降低了大团聚体的比例,增加微团聚体的比例导致的。长期施用化肥及常量有机肥大团聚体有机碳贡献率高于微团聚体,而高量有机肥的两个处理微团聚体有机碳贡献率显著高于大团聚体,常量有机无机配施大、小团聚体有机碳贡献率相当。

Table 4
表4
表4土壤各级别团聚体对土壤有机碳的贡献率
Table 4Contribution rates of different aggregate fractions to organic carbon content (%)

处理 Treatment	大团聚体Macro-aggregate				微团聚体Micro-aggregate
	>2 mm	2-0.25 mm	总和Sum		0.25-0.053 mm	<0.053 mm	总和Sum
CK	21.0 a	58.4 a	79.4 a		24.1 c	8.1 c	32.2 c
NPK	16.8 b	45.8 abc	62.6 b		25.9 c	10.0 bc	35.9 bc
M2	15.0 b	49.2 ab	64.2 b		25.9 c	10.1 bc	36.0 bc
M2NPK	6.2 c	46.9 abc	53.1 bc		34.7 b	14.6 b	49.4 ab
M4	5.5 c	42.1 bc	47.6 cd		47.0 a	13.8 b	60.8 a
M4NPK	4.5 c	34.7 c	39.2 d		42.6 ab	19.6 a	62.2 a

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3 讨论

3.1 长期施肥条件下的土壤团聚体分布及稳定性

土壤团聚体的稳定性受母质、气候、土地管理、耕作以及矿物组成、土壤有机质、微生物活动等一系列土壤物理、化学和生物学性质影响,本试验基于长期定位平台下,重点评价不同化肥和有机肥配施处理对土壤团聚体分布、稳定性等的影响。有机无机配施增加土壤大团聚体比例,降低土壤微团聚体比例^[18,19]。本研究中,不同施肥处理对土壤团聚体比例的影响不同。长期施用化肥及常量有机肥对土壤水稳性大团聚体、微团聚体比例并无显著影响,而长期有机无机配施及高量有机肥的施用显著降低了大团聚体比例,增加了微团聚体比例。

MWD、GMD作为衡量团聚体稳定性的指标,已被用于评价有机肥对土壤团聚体稳定性的影响。土壤结构越好、稳定性越强,则MWD、GMD值越大。破坏率（PAD）是表达水对土壤团聚体的破坏能力,即团聚体的水稳定性。分形维数D是评价团聚体特征更敏感且更准确的参数,D值越大说明土壤中小级别的团聚体的数量越大,土壤质地越细,土壤的改良程度越高,D值越小说明土壤团粒结构越好、结构越稳定^[20,21,22]。以往研究表明,施用有机肥提高土壤水稳性团聚体的稳定性,但在本研究中,长期施用高量有机肥及有机无机配施较CK显著降低了MWD、GMD,增加了团聚体破碎率及分形维数,从而导致团聚体稳定性的降低。XIE等^[23]基于30年的定位试验结果与本研究相一致,与低量猪粪相比,高量猪粪的投入降低了棕壤大团聚体的含量与稳定性。这可能是由于有机肥中含有较多的K⁺、Na⁺等一价阳离子,这些阳离子可能提高了土壤胶体的分散,促进了大团聚体的破散^[24,25],降低了团聚体的稳定性^[26]。

3.2 长期施肥条件下的团聚体有机碳含量

长期以来,有机肥的施用一直被认为是提高有机碳含量的有效途径^[27,28,29]。本研究表明,与CK相比,施肥显著增加土壤有机碳含量,且各施肥处理间均达到显著水平（P<0.05）。单独施用有机肥或有机无机配施较化肥更能提高有机碳含量。这是由于有机肥的施用直接增加土壤有机碳含量,另外,作物在施肥的条件下能获得更高的生产力,增加了作物残茬量,同时促进根分泌物的增加,从而导致土壤有机碳的额外输入量增加^{[30,31,32,33]}。

许多长期定位试验表明,有机无机配施不仅可以增加土壤有机碳含量,还可以增加各级团聚体有机碳含量^[34,35,36]。本研究中,>2 mm粒级团聚体有机碳含量最高,随着团聚体粒径的减小,团聚体有机碳含量降低,这说明大团聚体对有机碳具有一定的富集作用^[37]。同一粒级水稳性团聚体中,长期单施化肥对土壤水稳性团聚体中有机碳的含量没有显著影响,而长期单施有机肥、有机无机配施显著增加不同粒级团聚体有机碳含量,且有机肥施用量越高,团聚体有机碳增加的越多。这说明施用有机肥有利于农田土壤团聚体有机碳的积累^[38]。

3.3 长期施肥条件下团聚体对有机碳的贡献率

施肥不仅影响团聚体内有机碳的含量,还会对各级团聚体中有机碳的贡献率产生影响。张久明等^[8]研究指出黑土长期施肥促进土壤大团聚体的形成,大团聚体对养分的贡献率也相对较高。各施肥处理土壤有机碳贡献率最大的依次为粒级2—0.25 mm和 0.25 —0.053 mm的团聚体。徐江兵等^[7]指出,增施有机肥红壤大团聚体有机碳对总有机碳的贡献率增加,其中以>2 mm增加最快,而<0.053 mm 团聚体有机碳的贡献率呈明显下降趋势。本研究中,各施肥处理土壤有机碳贡献率最大的是2—0.25 mm和0.25—0.053 mm两个粒级的团聚体。高量有机肥处理土壤中微团聚体居优势,其对土壤有机碳的贡献率达60.8%— 62.2%,不施肥、单施化肥及常量有机肥处理大团聚体居优势,有机碳贡献率为53.1%—79.4%。虽有大量研究已表明,无论施用化肥还是有机肥均能增加各粒级团聚体中有机碳的含量,但团聚体对土壤有机碳的贡献率大小主要受其含量高低的影响^[39],所以凡是影响团聚体组成的因素都会影响到对有机碳的贡献率。

4 结论

（1）长期有机无机配施以及施高量有机肥显著降低大团聚体比例,提高微团聚体比例;长期施用化肥及常量有机肥并未明显改变团聚体的分布。（2）长期有机无机配施及高量有机肥的施用显著降低表层土壤水稳性团聚体的稳定性。（3）长期施肥显著增加土壤有机碳含量,施用有机肥处理有机碳含量增加更为显著。长期施用有机肥可以增加各粒级土壤水稳性团聚体中有机碳的含量,且随着粒径的变小,各处理有机碳含量的增加幅度逐渐减小。各处理水稳性大团聚体中有机碳含量显著高于微团聚体。（4）由于高量有机肥的施用及配施化肥显著改变团聚体比例,因而对团聚体有机碳的贡献率的影响也呈显著水平。长期施高量有机肥及配施化肥显著提高微团聚体有机碳贡献率,其他处理以大团聚体有机碳贡献率较高。（5）施用有机肥可以有效提升土壤质量,但有机肥用量并非越高越好,过量的施用有机肥不利于土壤结构的改善,因此,适度的施用有机肥有利于改善土壤团聚体结构,提升团聚体碳库水平。

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