长期不同施肥对 土大团聚体中有机碳组分特征的影响

谢钧宇，彭 博，王仁杰，张树兰*，杨学云*

（1 山西农业大学资源环境学院，山西太谷 030801；2 西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌 712100）

土壤有机碳 (SOC) 对提升作物生产力具有重要作用，是评价土壤质量的关键指标。增加农田SOC固存能够减缓大气中温室气体浓度的升高[1]。因此，研究SOC的固存机制对于寻求或优化农田管理措施尤为重要。

长期施有机肥或化肥对SOC储量的影响受到了广泛关注。研究结果表明，长期施有机肥可显著提高SOC储量[2-4]，Fan等[3]报道了连续20年单施有机肥和有机无机肥配施均显著提高潮土SOC储量，增幅分别达135%和88.6%。然而关于长期施用化肥对SOC储量影响的研究结果并不一致。研究发现长期施化肥能显著提高SOC储量[2-4]；Hua等[4]利用29年肥料定位试验研究发现，氮磷钾 (NPK) 配施较不施肥显著提高石灰性栗钙土SOC储量55.4%；但也有化肥对SOC储量无显著影响的报道[5-6]。这其中的机理并不清楚。

通常，SOC是由几种具有不同的内在降解性和分解速率的功能组分组成[7]，大致可分为活性SOC和稳定性SOC。鉴于SOC的空间异质性强，活性SOC组分的周转速率较快，相对于SOC而言，活性SOC被认为是评价农田管理SOC变化更敏感的指标[8]。为了更好地评价不同管理措施对SOC固存机制和稳定性的影响，Six等[9-10]提出了团聚体物理分组方法及其相对应的碳概念模型，该方法将大团聚体分为4个概念组分，分别是粗颗粒有机碳 (cPOC)、细颗粒有机碳 (fPOC)、大团聚体中微团聚体内颗粒有机碳 (iPOC) 和矿质结合态有机碳 (MOC)，认为cPOC和fPOC组分是团聚体之间未受保护的有机碳组分，活性SOC组分可以通过这两个组分来表征；iPOC组分是受物理保护的有机碳组分，MOC组分受化学或生物化学保护。该方法主要被用来研究耕作方式的改变[11]和农田管理措施 (如添加污泥或生物炭) 对各土壤有机碳组分含量的影响[12-13]，均得到了较一致的结果：iPOC组分对SOC的保护作用最大。国内也有一些学者应用该方法研究土壤有机碳组分的变化对土壤有机碳稳定机制的影响[14-15]，特别是长期定位试验的研究较多[16-18]，但结论不尽相同。Tian等[16]利用35年有机肥和无机肥定位试验研究发现，施有机肥显著增加潮土有机碳含量，使SOC优先累积在MOC以及iPOC组分中。但Xu等[17]认为cPOC组分是评价长期施肥对棕壤有机碳固存影响的主要组分。而Yang等[18]在南方红壤区研究发现，iPOC组分是旱地土壤碳固存的主要形式，而MOC组分是水田碳固存的主要形式。研究结果的不一致可能与施肥水平、施肥历史、作物种植体系、土壤性质以及气候因素有关。因此，有必要对特定类型的土壤有机碳固存机制进行深入研究。

土是中国北方关中平原的重要土壤类型，面积达97.6 × 104hm2[19]，占陕西省耕地面积的34.1%[20]。该区域人地矛盾日益突出，因此，寻求高效和合理的培肥模式，对于提升土壤肥力、维持农业可持续发展具有重要意义。以往的研究表明，长期施无机肥可以维持或提高 土有机碳含量[21]，而有机无机肥配施能够显著提高 土有机碳含量[22]，但是这些结果并没有从团聚体的角度剖析长期不同施肥 土有机碳的固存机制。因此，本研究以 土35年肥料定位试验为依托，利用物理分组方法，深入探讨长期不同施肥模式下土壤大团聚体有机碳组分的变化特征，以期更好地理解 土有机碳的固存机制，同时为 土区建立合理的施肥模式提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于黄土高原南部的陕西省杨凌示范区三级阶地 (N 34°17′51″、E 108°00′48″，海拔 534 m)，年平均气温13℃，年降水量550～600 mm。供试土壤为 土 (土垫旱耕人为土)，黄土母质。试验开始前0—20 cm土层SOC含量为6.52 g/kg、全氮(N) 为0.81 g/kg、全磷 (P) 为0.79 g/kg、有效磷(Olsen-P) 为15.0 mg/kg、交换性钾 (K) 245 mg/kg (1.0 mol/L乙酸铵浸提)、土壤容重为1.30 g/cm3。

1.2 试验设计

试验开始于1980年夏，冬小麦-夏玉米一年两熟制。小麦以小偃22号为主，玉米以陕单9号为主。试验为裂区设计，有机肥为主区，氮磷化肥配施为副区，小区面积为33.3 m2，试验共设9个处理，包括不施肥、单施低量化肥、单施高量化肥、单施低量有机肥、低量有机肥配施低量化肥、低量有机肥配施高量化肥、单施高量有机肥、高量有机肥配施低量化肥、高量有机肥配施高量化肥，每个处理重复3次。本研究选取其中的4个处理：不施肥 (CK)、单施高量化肥 (NP)、单施高量有机肥(M)、高量有机肥配施高量化肥 (MNP)。每季作物施一次氮、磷肥，1980年至1992年每季作物施一次有机肥。由于多年施用土粪导致小区高程增加影响灌溉，因此对有机肥施用量做了适当调整。1987年至1990年有机肥施用量减半；1991年至1992年有机肥施用量减为四分之一；从1993年开始，每年只在玉米季施入四分之一用量的有机肥 (表1)。2010年只种了一季玉米，从2010年开始每年只在小麦播种前施有机肥，且有机肥按含氮量折合成相应的牛粪施入。小麦播种前施入所有的化肥和有机肥；玉米则在约8叶期施肥。氮、磷肥第一年用尿素和普钙，以后各年均用尿素和磷酸二铵，每年施入的有机肥 (农家肥) 类型也不同。1980年至1993年，施入的有机肥是垫土的猪粪，其中有机碳和全氮含量范围分别是0.99%～4.02%和0.12%～0.51%[23]；1994年至2000年，施入的有机肥是猪粪、牛粪、鸡粪以及干羊粪，其中有机碳含量分别为13.8%、10.4%、16.5%和33.6%，相应的全氮含量分别为0.55%、0.38%、1.03%和2.01%[24]；2001年开始，每年施入牛粪，其中的有机碳和全氮含量变幅分别是15.4%～44.0%和1.06%～2.90%。

表1 土长期定位试验各处理施肥量Table 1 Rates of manure, N and P in treatments of long-term experiment

冬小麦于每年十月中旬播种，次年六月上旬收获；接着播种夏玉米，九月下旬或十月上旬收获。灌溉根据降雨情况而定，地下水灌溉，冬小麦生长期内灌溉0～2次，玉米为3～4次，每次灌水量为90 mm左右。

1.3 样品采集与分析

于2015年10月夏玉米收获前一天，用定制的取样环刀 (高度为10 cm、直径为10 cm) 分别采取0—10 cm和10—20 cm土层的原状土，每个小区采集3个样点，然后混合成1个样品，小心地放入塑料袋中，再装入硬纸盒中，运输过程中尽量避免对土样的扰动，以免破坏土壤结构。将采集回来的原状土样在室内沿自然结构轻轻掰成 〈 1 cm的小土块，过8 mm筛，剔除植物残体和石块等杂物，自然风干，放于塑封袋中供团聚体分级备用。

另外，玉米收获后，在每个小区用土钻 (高度为20 cm、内径约2.5 cm) 分别取0—10 cm和10—20 cm土层样品6钻混合，装入塑料袋后带回实验室，在阴凉通风处自然风干，人工去除植物残体等杂物，研磨后过0.15 mm筛，密封在塑封袋中测定SOC含量。

水稳性团聚体的测定采用湿筛法[25]。土壤大团聚体中各有机碳组分测定采用Six等[9-10]提出的湿筛与密度分组结合法，操作流程如图1所示。

图1 物理分组流程Fig. 1 Physical fractionation scheme

1.4 测定项目及方法

土壤有机碳含量及cPOC、iPOC和MOC含量采用重铬酸钾—容量法测定，fPOC含量用Vario MACRO cube元素分析仪 (德国哈瑙) 测定。

1.5 计算方法

土壤有机碳储量：

式中，SOC为0—20 cm土层土壤有机碳含量 (g/kg)；BD为土壤容重 (g/cm3)；H为土层深度 (0.20 m)。

本试验中土壤有机碳投入有两个途径：其一源于有机肥 (Cinput-manure)，即人畜粪尿肥；其二是作物生长期间或收获后通过根系和根茬残留物输入至土壤的有机碳 (Cinput-crop)。土壤有机碳投入量为二者之和。小麦、玉米碳投入按照小麦植株0.413 g/g，玉米0.4074 g/g进行计算。以种植小麦为例，每年以作物残茬形式投入到土壤中的碳含量计算公式为：式中，YB和YS分别是地上部生物量和秸秆产量；R为光合作用产物进入地下比例，本试验按照小麦30%和玉米26%的地上部生物量的作物残茬量进行估算[26-27]；Dr为0—20 cm根系占地下部的比例，小麦 (75.3%) 和玉米 (85.1%)[28]；RS为留茬占秸秆的比例，小麦和玉米分别按10%和3%进行估算。

土壤大团聚体中各组分的有机碳含量为该组分有机碳含量与其质量之乘积。

1.6 数据处理

试验结果采用Excel和DPS7.05软件进行统计与分析，不同处理间采用LSD法进行差异显著性检验。采用简单线性关系 (y = ax + b) 来拟合土壤有机碳储量增量以及土壤大团聚体各组分有机碳含量与累积碳投入量之间的关系。

2 结果与分析

2.1 土壤有机碳固存

与对照 (CK) 相比，连续35年单施化肥 (NP) 对SOC储量无显著影响，而单施有机肥 (M) 和有机无机肥配施 (MNP) 均显著提高0—20 cm土层SOC储量，分别是CK的1.45倍和1.43倍 (表2)。NP、M以及MNP处理累积碳投入量和年均碳投入量均显著高于CK，增幅分别达120%～515%和115%～518%。SOC储量增量与累积碳投入量呈显著正相关(R2= 0.81，P〈 0.01) (表 2)。尽管施肥处理的累积碳投入量高于CK处理，但是相应的SOC储量增量相对较低，即所有施肥处理的固碳效率低于CK处理，这也就造成了投入到土壤中的碳大量损失。

2.2 长期不同施肥大团聚体中各有机碳组分分布

在0—10 cm和10—20 cm土层土壤中，各处理均以受化学或生物化学保护的游离态粉黏粒组分 (s +c_f) 分布比例最高，分布比例范围分别介于39.8%～56.2%和38.0%～53.3%；其次是大团聚体中的微团聚体组分 (microaggregates occluded in macroaggregates，MOM)，分布比例范围分别为40.7%～52.0%和42.1%～54.0%；而未受保护的粗颗粒有机碳组分 (cPOC) 分布比例最少，分别介于3.2%～8.8%和2.9%～8.6%。在MOM组分中，以受化学或生物化学保护的微团聚体中粉黏粒组分 (s +c_m) 分布比例最高，在0—10 cm土层的变幅范围为34.3%～45.6%，10—20 cm土层的变幅范围为37.0%～48.1%；其次是受物理保护的大团聚体中微团聚体内颗粒有机碳组分 (iPOC) (6.2%～9.0%和4.9%～5.7%)，而未受保护的细颗粒有机碳组分(fPOC) 分布比例最少，在0—10 cm土层仅占0.2%～0.7%，10—20 cm土层占0.2% (表3)。

表2 1980—2015年间表层土壤有机碳储量、累积碳投入量、年均碳投入量和固碳效率Table 2 SOC storage, cumulative C input, annual C input and C sequestration efficiency of plough layer soils after 35-years’ fertilization

在0—10 cm土层，同CK相比，NP处理对cPOC、fPOC和iPOC组分的分布比例无显著影响，但是M和MNP处理均显著提高cPOC和iPOC组分的分布比例，增幅分别为145.0%～179.9%和37.8%～45.9%。而且MNP处理显著提高fPOC组分的分布比例，是CK的3.5倍。另外，长期施肥均显著提高微团聚体中粉黏粒组分的分布比例，增幅达18.1%～32.9%，却显著降低游离态粉黏粒组分的分布比例，降幅达21.7%～29.2%。

在10—20 cm土层，与CK相比，所有施肥处理均没有显著影响cPOC、fPOC和iPOC组分的分布比例，但均显著提高微团聚体中粉黏粒组分的分布比例，增幅达21.7%～30.2%，同时显著降低游离态粉黏粒组分的分布比例，降幅达13.5%～28.7%。

2.3 长期不同施肥大团聚体中各组分的有机碳含量

总体来讲， 土两土层各处理间大团聚体中各组分有机碳含量以iPOC或MOC组分最多，其次是cPOC组分，而fPOC组分最少 (图2)。与SOC储量变化趋势相似，0—10 cm土层土壤大团聚体中各组分的有机碳含量高于10—20 cm土层 (图2)。

表3 长期施肥0—10 cm和10—20 cm土层土壤大团聚体中有机碳组分重量分布 (%，w/w)Table 3 Weight distribution of soil macroaggregate fractions in soils separated by physical fractionation at 0-10 cm and 10-20 cm layers in each treatment

与CK相比，施NP对两土层大团聚体中各组分的有机碳含量没有显著影响。施有机肥 (M和MNP)显著提高各土层cPOC和iPOC含量，cPOC含量提高了174%～338% (0—10 cm) 和215%～245%(10—20 cm)，iPOC含量提高了127%～241% (0—10 cm) 和106%～130% (10—20 cm)。而且MNP处理还显著提高0—10 cm土层fPOC含量 (482%)，M和MNP处理均显著提高0—10 cm土层MOC含量，分别提高了34.6%和28.9%，但是M和MNP处理均对10—20 cm土层fPOC和MOC含量没有显著影响(图 2)。

2.4 大团聚体中各组分有机碳含量与累积碳投入量的关系

线性回归显示大团聚体中各组分有机碳含量均与累积碳投入量呈显著正相关 (P〈 0.05) (图3)，表明 土有机碳在各个团聚体组分中均有固存。大团聚体各组分中，回归方程斜率最高的是iPOC组分(0.023)，其次是cPOC组分 (0.012)，而MOC组分(0.007) 和fPOC组分的斜率最低 (0.005)。说明在 土上，有机碳固存的最高速率发生在iPOC组分中。

3 讨论

3.1 长期不同施肥对土壤有机碳固存的影响

肥料的施用是影响土壤有机碳库的重要因素，不同的施肥措施对SOC的影响不同，尤其是有机肥的施用是调控SOC的重要措施之一[29]。本研究结果表明，相对不施肥而言，施化肥通过提高作物生物量以及残茬归还量，对SOC储量无显著影响，这与该区域另一个长期定位试验的结果不尽相同[21]，可能是因为本试验长期以来氮磷施用量较低，产量仅可维持碳平衡。施有机肥为土壤提供了充足的碳源，从而直接增加SOC储量。进一步配施化肥对SOC储量的增幅效果最好。SOC储量增量与累积碳投入量呈线性相关 (表2)，这与Kundu等[26]的研究结果相似，他们也发现在印度沙壤SOC含量的变化与总碳投入量之间存在显著的线性关系 (R2= 0.988，P〈0.05)，表明本研究区域的土壤仍有较大的潜力固存有机碳。

图2 长期不同施肥0—10 cm和10—20 cm土层土壤大团聚体中各组分有机碳含量Fig. 2 Organic C contents in macroaggregates fractions in soils of 0-10 cm and 10-20 cm depths in each treatment

图3 长期不同施肥处理耕层土壤大团聚体中各组分有机碳含量与累积碳投入量的关系Fig. 3 Relationship between OC content of fractions isolated from macroaggregates in soils at 0-10 cm and 10-20 cm soil depths and cumulative C input under various long-term fertilization regimes

另外，本研究发现，不同处理间土壤固碳效率存在显著差异，总体表现为CK处理的固碳效率最高 (12%)，其次是M处理 (11%)，而MNP处理 (8%)和NP处理 (7%) 的固碳效率最低。这一方面与各处理的碳投入量不同有关。不施肥 (CK) 条件下，SOC的来源主要是作物残茬和根系归还土壤，土壤养分供应不均衡限制了作物生长，导致碳投入数量较少。有机肥投入水平下 (M和MNP) 固碳效率较低可能是因为充足的碳源和养分投入为微生物的繁殖和活动提供了良好的环境，导致很强的正激发效应[30]。另一方面是因为土壤对不同碳源提供的碳固定能力不同[31]。研究表明来源于根系的有机碳易与土壤中的矿物颗粒相结合，从而受到保护，残留于土壤中[32]。Mendez-Millan等[33]利用同位素技术研究植物根系和地上部的生物标记物发现，与植物地上部比较，来源于根系的有机质分子占土壤残留有机质的绝大多数。Halvorson等[34]研究发现，土壤对残茬和根系提供的碳固定率为159%，而对有机肥提供的碳固定率为60%。同时也说明根茬是导致SOC变化的主要碳源因素。在低养分供应胁迫下，光合产物将优先分配至根组织[35]。而根际分泌物的激发作用促进土壤原有机碳的降解，因此根际分泌物激发作用造成的SOC损失可能会抵消分泌物对土壤的碳输入[36]。此外，施化肥 (NP) 能增加微生物生物量、DOC和N有效性[37]，进而加速SOC的分解。这也导致了该水平条件下土壤固碳效率最低。

此外，还与估算土壤碳投入的计算方法有关。通过根系和根茬投入土壤的有机碳可以根据它们与地上部生物量的比例来确定，但是该比例不仅与农田管理措施有关，还受气候条件变化的影响，因此具有年际间差异。有研究报道，该比值与产量呈负相关，即产量越高，根系和根茬占产量的比值就越小[5]。因此，不同的施肥条件下，采用相同的比例可能会过高或过低地估算土壤碳投入。本研究通过实地测定，小麦和玉米根茬量与地上部生物量比值分别采用0.30和0.26，与Kuzyakov等[38]根据同位素示踪技术估算的小麦值相近，为0.32，但是高于Kong等[32]在估算碳投入时，小麦和玉米根茬量与地上部生物量的比值，分别为0.22和0.23，而低于Majumder等[39]在估算稻麦轮作体系中，小麦根茬量与地上部生物量的比值，分别是0.38和0.40。可以看出，碳投入的估算存在很多不确定性，因此会影响不同研究之间的有机碳固存效率。

3.2 长期不同施肥对大团聚体中各组分有机碳固存的影响

团聚体中iPOC组分通常被认为是利用物理保护机制通过团聚体的闭蓄作用以阻止微生物分解SOC[9-10]。本研究表明，与CK相比，NP处理对两土层大团聚体中iPOC含量无显著影响，但是施有机肥 (M以及MNP) 可以显著提高iPOC含量 (图2)。这与前人研究结果相似，长期施有机肥可以显著提高大团聚体中iPOC储量以及原土中iPOC含量[16,18,40-41]。因为与CK或NP处理相比，有机肥本身作为一种碳源，直接向土壤投入更多的碳，而且施有机肥通过提高作物产量[42]，进而导致更多的作物残茬和根系归还到土壤中。另外，也有研究报道施有机肥能促进大团聚体中微团聚体的形成，并加速了新的、更稳定的iPOC累积于新形成的微团聚体中[43-44]。Huang等[43]、Jiang等[40]和Liang等[45]研究证实，大团聚体中iPOC组分是红壤、潮土和灰漠土的主要固碳形式，可以作为评价长期施肥对SOC固存的理想指标。本研究还发现，与其它3个组分相比，iPOC含量与累积碳投入量之间呈极显著正相关 (图3)，因此，iPOC是本研究所在区域的土壤上最主要的固碳形式，换言之，长期施肥主要显著增加了 土大团聚体中受物理保护的组分有机碳储量。

cPOC和fPOC组分构成了一个未受保护的土壤有机碳库，是微生物可直接利用的碳源，属于高活性有机碳，对农业措施响应敏感[9-10]。本研究结果显示，与CK相比，长期施化肥对两土层这2个组分的有机碳含量均无显著影响，但M以及MNP处理显著增加了cPOC含量，MNP处理显著增加0—10 cm土层fPOC含量 (图3)。Yu等[41]也报道施有机肥显著增加大团聚体中cPOC组分有机碳储量，但施PK肥对它无显著影响。另外，He等[8]和Tian等[16]也研究发现长期施有机肥显著增加棕壤、潮土和红壤cPOC组分中有机碳含量。这说明cPOC含量主要是通过有机肥中容易代谢的碳的正常供给而增加。

与本研究中施肥对fPOC含量的影响结果相似，Liang等[45]研究发现连续施有机肥或有机肥化肥配施(M、MN和MNPK) 均显著提高潮土大团聚体中fPOC含量，而施化肥 (N和NPK) 则无显著影响。Tian等[16]及Yang等[18]也分别报道了长期有机无机肥配施显著提高潮土和红壤fPOC含量。Yang等[18]同时证实施化肥对红壤fPOC含量无显著影响。表明碳投入水平越高越有利于fPOC组分中有机碳含量的累积，而施化肥不能为该组分提供足够的有机碳。Six等[9]指出cPOC和fPOC组分主要由作物根系残茬、动植物残体、微生物，甚至是木炭组成。本研究所在区域的土壤上，未受保护的组分中有机碳含量之所以增加是因为长期施有机肥不仅显著提高作物产量[42]，进而增加了作物根系、残茬归还量，而且有机肥施用直接提供了该组分。另外，结合cPOC和fPOC与累积碳投入量之间的关系发现，cPOC+fPOC是本研究所在区域土壤的第二个重要的大团聚体有机碳固存库，与周萍等[46]报道的cPOC组分是棕壤上主要的碳库不同。这种差异可能是因为本研究的cPOC组分是从大团聚体中获得的，而周萍等[46]则是从原土中得到的。

惰性的矿质结合有机碳 (MOC) 在 土大团聚体各有机碳组分中含量最高，但只有有机肥处理显著增加0—10 cm土层MOC储量，而施化肥对0—10 cm和10—20 cm土层MOC储量无显著影响 (图3)。一方面因为有机肥中的多聚糖、脂肪酸及芳香族化合物与土壤矿物颗粒结合形成矿质结合有机碳[47]；另一方面，有机肥作为外源碳，其归还碳量显著大于土壤本身矿化损失碳量。由于矿质结合有机碳主要由腐殖质组成[48]，因此化肥施用输入的有机碳分解形成的腐殖质可能还不足以显著增加矿质结合态有机碳。土壤中自由颗粒有机碳主要是新输入的有机碳，它们分解后进而向物理保护的有机碳转化，最后成为腐殖化程度较高的矿质结合态有机碳，相对稳定地固存于土壤中[49]。另外，尽管在本研究中MOC储量与累积碳投入量呈线性相关，但其决定系数仅为37%，而且当累积碳投入量大于50 t/hm2时，MOC储量大致保持不变 (图3)。这在一定程度上也说明MOC组分已经接近饱和。也有一些研究报道，长期施化肥对红壤、黑土和潮土中MOC组分有机碳含量无显著影响[8,50]，但是长期施有机肥显著增加MOC组分有机碳含量。前人研究报道粉黏粒组分中碳储量是有限的，而且惰性碳库对有机碳的保护能力与粉黏粒含量紧密相关[51]。因此，MOC组分对施肥措施的响应主要依赖于初始SOC水平以及粉黏粒含量。这说明在以上两篇研究中，红壤、黑土和潮土中MOC库仍没有达到最大值。

4 结论

1) 长期施化肥对 土耕层土壤有机碳储量无显著影响，尽管其累积碳投入量显著增加。而单施有机肥以及进一步配施化肥均显著提高了累积碳投入量及土壤有机碳储量。累积碳投入量与土壤有机碳储量呈正相关，表明供试 土仍可固存有机碳。

2) 长期施化肥对大团聚体中各组分的有机碳含量无显著影响。单施有机肥以及进一步配施化肥后均显著提高粗颗粒有机碳组分 (cPOC) 和大团聚体中微团聚体内的颗粒有机碳组分 (iPOC) 的有机碳含量，且以有机无机肥配施效果更显著。长期有机无机肥配施显著提高0—10 cm土层细颗粒有机碳组分(fPOC) 的有机碳含量。长期单施有机肥以及进一步配施化肥均显著提高0—10 cm土层矿质结合态有机碳组分 (MOC) 的有机碳含量。受物理保护的有机碳组分 (iPOC) 与累积碳投入量之间呈极显著正相关，表明 土有机碳首先累积在大团聚体中微团聚体内的颗粒有机碳组分中。