施肥对根际沉积碳在土壤团聚体中分配的影响

高同彬

(东北农业大学，哈尔滨 150030)

土壤团聚体是土壤结构的基本单元，是自然生态系统和人工管理生态系统的基本属性，土壤团聚体对土壤肥力、质量和土壤的可持续利用等有很大的影响，是水肥保蓄与释供功能的物质基础［1，2］。团聚体的组成比例能较好地反映土壤肥力的现有状况及其调控的实际效果，是综合评价土壤肥力的重要指标［2］。土壤团聚体的形成受物理、化学和生物因素的驱动［3］。根际碳沉积是作物物质循环、能量流动和信息传递的基础，其在土壤团聚体的形成、稳定与周转过程中具有重要作用［4，5］。

施肥导致不同处理之间的根际沉积碳种类和数量的差异，也会改变土壤团聚体的稳定性，强烈影响陆地生态系统土壤有机碳储量和稳定机制。对黑土有机质结构、功能以及动态变化的研究已取得许多重要进展［3］，但是对不同施肥管理方式下根际沉积碳对黑土有机碳物理性保护机制的研究还有限。因此，本研究的目的是以长期肥料定位试验为研究平台，阐明作物根际沉积碳对其土壤团聚体稳定性的影响及其相互关系，并为采取有效的施肥管理措施以提高黑土区的土壤质量和降低温室效应提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区基本概况

试验地位于黑龙江省海伦市的中国科学院海伦农业生态实验站(N47°27'，E126°55')，该站处于我国东北黑土区的中心，海拔高度240 m左右，属于温带大陆性季风气候，冬季寒冷干燥，夏季高温多雨，四季分明，雨热同季，年平均气温1.5℃，≥10℃活动积温2 600℃ ～2 800℃，无霜期125～135d，年降雨量500～600 mm。试验区地形较为平坦，试验开始于1991年，玉米—大豆—小麦轮作，一年一熟制，供试作物为小麦，供试土壤为典型黑土，土壤母质为第四纪黄土状母质。

1.2 试验设计

试验共设6个处理:①无肥(CK);②化肥NP(NP);③化肥NK(NK);④化肥PK(PK);⑤化肥NPK(NPK);⑥化肥NPK+有机肥(NPKM)，4次重复，小区面积63 m2，随机排列。化学氮肥为尿素、磷肥为磷酸二铵、钾肥为硫酸钾，有机肥为腐熟猪粪。有机肥在每年10月份秋季整地时一次性施入;大豆和小麦春季播种时全部化肥作基肥;玉米1/3氮肥、全部磷钾肥在春季播种时作基肥，剩余2/3氮肥在拔节期作为追肥。施肥量见表1。

表1 施肥量(kg hm－2)Tabl.1 Fertilizing amount(kg hm －2)

1.3 研究方法

根际土壤采样方法:采用尼龙网框分隔法区分根际土和非根际土，尼龙网框规格为70 cm×20 cm×30 cm，尼龙网框阻止作物根系进入尼龙网框内，框内不受根系影响的土即为土体，框外受根系影响的土即为土壤，在秋季收获时分别采取框内和框外土壤样品，保持原状，样品风干后，备用。

水稳性团聚体的筛分方法:50 g风干土缓慢湿润5 min，再浸入蒸馏水中糊化5 min，然后转移到筛组(5 mm、2 mm、1 mm、0.5 mm、0.25mm)上以振幅 3.8cm，32 r·min－1湿筛10 min。所有团聚体组分转移到50mL小烧杯，50°C烘干至恒重。平均重量直径计算方法如下:

wi代表团聚体第i个组分的平均直径，xi代表团聚体第i个组分占土样总质量的比例。湿筛后将＞5 mm和2～5 mm组分合并，作为＞2 mm的水稳性团聚体(WSA＞2 mm)。

有机碳的测定:用 CHN元素分析仪(ElementarⅢ，Germany)，经检验土壤中未发现碳酸盐，认为该供试土壤有机碳等于土壤总碳。

根际沉积碳的计算:采用差减法即，根际沉积碳为土壤有机碳减去同条件下的土体有机碳。

2 结果与分析

2.1 施肥对不同粒级团聚体分布的影响

土壤团聚体粒级分布强烈地受到施肥管理方式的影响，6个不同施肥处理筛分后质量分数的平均回收率为94.3%。相同施肥处理条件下，与土体相比较，根际沉积碳土壤处理主要增加＞2mm的团聚体的形成，0.25～0.5mm团聚体减少，表明了根际沉积碳能使微团聚体胶结形成大团聚体，这主要是由于作物根际沉积碳提高微生物活性，促进微生物菌丝的生长，而且成熟期小麦衰老的根系含有多糖、蛋白质、木质素及被微生物分解产生的有机酸，这些都是土壤中重要的有机胶结物质，可以把土壤颗粒胶结成微团聚体，微团聚体进而胶结成大团聚体［6，7］。NPK，NPKM和NP处理增加＞2mm大团聚体和＜0.25mm的微团聚体的形成，2～1mm、1～0.5mm 和0.5 ～0.25mm 团聚减少。PK处理减少 ＞0.25mm大团聚体形成，增加 ＜0.25mm的微团聚体的形成。缺磷NK处理主要是增加＞2mm大团聚体分布，无肥CK处理对2～1mm团聚体和＜0.25mm的微团聚体粒组分布影响较小。以无肥处理CK为对照，NPK处理、NPKM处理和PK处理增加1～0.5mm级团聚体，减少2～1mm团聚体和＜0.25mm的微团聚体的形成，对＞2mm和0.5～0.25mm团聚体没有影响;NP处理和NK处理增加＞2mm和1～0.5mm级团聚体的形成。平均重量直径(MWD)是评价土壤团聚体稳定性的重要指标，6个处理土壤的MWD大小顺序为:NK＞NP＞NPK＞CK＞NPKM＞PK(见图1)。CK、NP和NK处理的根际沉积碳增加MWD，而PK处理则减少MWD，NPK处理和NPKM处理对MWD没有影响。可见，施肥对土壤团聚体的稳定性及粒级分布有重要影响。

表2 水稳性团聚体粒级分布与平均重量直径Tab.2 Distribution ofWater stable aggregates and average weight diameter

图1 土壤和土体团聚体各粒级有机碳含量Fig.1 The content of organic carbon of aggregate respectively in soil

2.2 施肥对不同粒级团聚体根际沉积碳含量的影响

由图2可知，根际沉积碳对土壤团聚体有机碳含量影响较大，土壤各粒级团聚体中有机碳的绝对含量显著高于相对应土体团聚体粒级。NPKOM处理土壤的各级团聚体有机碳含量显著高于其他施肥处理。随着粒径增加有机碳含量增加，其变化范围为 28.3～34.8g·kg－1，远高于NPKM处理土体团聚体有机碳含量，变化范畴为25.9～31.7g·kg－1。根际沉积碳对 NP、NK、PK 和 NPK 处理的影响与NPKM处理相一致，根际沉积碳增加土壤团聚体各粒级有机碳含量，这说明长期施用化肥可以使土壤各粒级团聚体有机碳含量增加。无肥CK处理，根际沉积碳增加＞1mm大团聚体和＜0.25mm微团聚体有机碳含量，对0.25～1mm团聚体有机碳含量影响较小，差异不显著。与不施肥CK处理相比，施肥可以增加各粒级有机碳含量。说明无论是单施无机肥还是有机—无机配施均能增加土壤团聚体各粒级有机碳含量。

2.3 施肥对根际沉积碳量的影响

根际沉积碳量是培肥土壤地力，增加土壤有机碳储量的重要来源。不同施肥处理耕层0～20cm土壤表层根际沉积碳有机碳量表现出NPKM＞NPK＞NP＞PK＞NK＞CK的趋势。化肥配施有机肥NPKM处理与施化肥NPK处理间，NPK处理和缺素(NP、NK、PK)处理间根际沉积碳量之间均达到差异显著，根际沉积碳量显著增加，根际沉积碳量增加量分别为 1.80t·hm－2、1.37t·hm－2，增幅分别为22.3%、36.5%，这可能是由于当季作物为小麦，在8月份收获，土壤样品采集时间为10月份，小麦根系正好处在水热同季的8月份进行根系腐解，故根际沉积碳量较大。缺素处理NP、NK和PK处理间差异不显著了，这说明氮磷钾三大营养元素共同影响根际沉积碳量，缺少任何一种营养元素，根际沉积碳沉积量都受到限制。

图2 施肥对根际沉积碳的影响Fig.2 Effect of fertilization onrhizosphere deposited carbon

2.4 根际沉积碳在团聚体中分配

团聚体形成作用是土壤碳固定的最重要机制，土壤固碳作用除了团聚体粒级自身作用外，也取决于各粒级团聚体的组成比例［7］。根际沉积碳是连结植物、土壤和微生物的纽带，在土壤团聚体粒级中分配比例受多种因素影响。施肥管理对根际沉积碳在团聚体中分配影响较大，由图4可知，无肥处理 CK根际沉积碳主要分配到 ＞2mm，2～1mm大团聚体和＜0.25mm微团聚体中，而1～0.5mm和0.5～0.25mm粒级没有根际沉积碳的进入。化肥NPK处理，53%根际沉积碳分配在2～1mm粒级中，9%分配在＜0.25mm的微团聚体中，14%分配在＞2mm的大团聚体中。与NPK处理相比，NPKM处理根际沉积碳在＞2mm团聚体中分配差异不显著，均为14%，1～2mm和0.25～0.5mm粒级根际沉积碳分配比例分别减少11℅和9℅，反而0.5～1mm和＜0.25mm粒级分别增加10℅和9℅。缺素处理NP、NK、PK处理，根际沉积碳减少1～2mm粒级分配比例，分别为12℅、43℅、19℅，增加0.5～1mm粒级分别为5℅、28℅、10℅，同时对＜0.25mm粒级分别增加29℅、3℅、21℅，可见缺素促进根际沉积碳更倾向0.5～2mm大团聚体和＜0.25mm微团聚体中分配。

3 结论

长期施肥对作物根际沉积碳在土壤水稳性团聚体中分配影响较大，根际沉积碳主要增加＞2mm的团聚体的形成，减少0.25～0.5mm团聚体的形成。CK、NP和NK处理的根际沉积碳增加MWD，而PK处理则减少MWD，NPK处理和NPKM处理对MWD影响不显著。长期施用化肥使土壤各粒级团聚体有机碳含量增加，不同施肥处理耕层0～20cm土壤表层根际沉积碳有机碳量表现出NPKM＞NPK＞NP＞PK＞NK＞CK的趋势。CK处理根际沉积碳主要分配到＞2mm，2～1mm大团聚体和＜0.25mm微团聚体中，缺素促进根际沉积碳更倾向 0.5～2mm大团聚体和 ＜0.25mm微团聚体中分配。施用有机肥减少1～2mm和0.25～0.5mm粒级根际沉积碳分配比例，反而增加0.5～1mm和＜0.25mm粒级分配比例。

图3 施肥对根际沉积碳在土壤团聚体各粒级分配的影响Fig.3 Effect of fertilization on distribution ofrhizosphere deposited carbon in aggregate respectively soil

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