有机物料添加对黑土团聚体稳定性及有机碳影响1)

韩明钊 赵雨森 翟国庆 李永江 王恩姮

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

土壤团聚体是土壤结构的基本单元，其组成和稳定性是土壤性质和功能的基础[1-2]。土壤有机碳作为形成土壤团聚体最重要的胶结物质[3]，直接决定土壤肥力水平和土地生产力[4-5]。因此，增加土壤有机碳和提高团聚体稳定性对保持土壤质量和促进农业可持续发展具有至关重要的作用，其中添加外源有机物料是增加团聚体稳定性、提高农业土壤有机碳质量分数快速而有效的途径。除施用传统有机肥外[6-7]，秸秆还田是一种常见的管理措施，增加土壤碳库的同时[8]，可促进土壤微生物活动，改善土壤结构，增强保水性能[9]，进而提升农田土壤生产力[10]。但也有研究发现，随着秸秆添加量的增加，土壤大团聚体呈现出先上升后基本不变的规律[11]。生物炭由于富含较高质量分数的稳定性碳[12]，近年来在改善农田土壤结构和质量方面也受到大量关注[13]。Zhang et al.[14]发现秸秆和生物炭还田均能提高黑土团聚体稳定性和有机碳质量分数；但在西南紫土区，生物炭还田对团聚体稳定性的改善效果明显不如秸秆还田[15]；还有研究指出，添加过多的生物炭可能对土壤团聚作用产生负效应，甚至降低红壤团聚体稳定性[16]。由此可见，因土壤类型及环境条件的差异，不同种类及不同施用量有机物料均会对土壤团聚体组成、稳定性及有机碳质量分数的影响产生差异。

东北黑土区是我国最重要的商品粮生产基地之一，该区长期高强度机械耕作与坡面侵蚀共同作用导致土壤有机碳质量分数逐年降低，土壤质量退化日趋严重，农业经济可持续发展面临巨大挑战[17]，退化黑土修复以及如何保持黑土生产力水平是亟待解决的现实问题。本研究以典型黑土区长期耕作的耕层土壤(0～20 cm)为研究对象，通过室内恒温恒湿培养分析了秸秆、生物炭和猪粪肥分别在3种施用量水平下对黑土团聚体组成、稳定性及有机碳质量分数的影响，旨在为改善耕层黑土结构和提升黑土生产力提供科学依据。

1 研究区概况

研究地点位于黑龙江省西北部的克山农场(48°12′～48°23′N、125°8′～125°37′E)，海拔240～340 m，温带大陆性季风气候，年均气温0.9 ℃，年均降水量501.7 mm，年均蒸发量1 329 mm，土壤以黏化湿润腐土为主，属于典型黑土区。坡缓而长，具有明显的漫川漫岗地形特征。该区已全面实现机械作业，铧式犁深翻配合圆盘靶整平是最常用的整地管理措施，整地深度为20～30 cm。

2 材料与方法

2.1 供试材料

2018年10月，以该区开垦年限约为60年的耕地(前茬作物为青贮玉米)为研究对象，采集0～20 cm耕层土样带回实验室，在室内剔除石砾、肉眼可见的植物残体及根系等杂质，风干过2 mm筛，留待室内培养。机械组成为砂粒27.87%，粉粒37.18%，黏粒34.95%；基本理化性质为平均土壤密度1.10 g·cm-3，pH=5.91，有机碳质量分数23.12 g·kg-1，全氮质量分数1.84 g·kg-1，全磷质量分数0.52 g·kg-1。

添加秸秆为玉米秸秆，碳质量分数为39.8%，碳氮比为25.8；生物炭由南京智融联科技有限公司提供，以玉米秸秆为原料在500 ℃高温厌氧条件下热解烧制而成，碳质量分数为51.8%，碳氮比为36.1；有机肥为猪粪发酵肥，其碳质量分数为30.6%，碳氮比为11.0。

2.2 室内培养

共设置10个处理，分别为无添加对照(CK)、添加秸秆(0.5S、1.0S、2.0S)、添加生物炭(0.5B、1.0B、2.0B)、添加猪粪肥(0.5M、1.0M、2.0M)。其中，S处理依据典型黑土区实际秸秆还田量(12 000 kg·hm-2)、还田深度(20 cm)、还田耕层平均土壤密度(1.10 g·cm-3)进行计算；依据S处理添加量分别设置0.5倍(0.5S)、1.0倍(1.0S)和2.0倍(2.0S)添加梯度，每个处理3次重复。为使有机物料初始形态一致，3种物料均过2 mm筛处理。在相同倍数下，生物炭和猪粪肥采取与秸秆“等碳量”原则，最终分别将2.73、5.45、10.90 g秸秆，2.09、4.18、8.36 g生物炭和3.55、7.10、14.20 g猪粪肥添加至1 000 g风干过2 mm筛的土样，混合均匀后调节水分至田间持水量的65%，放入恒温(25 ℃)通风培养箱中培养，采用恒质量法补充水分，培养90 d。

2.3 指标测定

培养结束后，采用土壤团粒分析仪(点将科技股份有限公司，WS1020)测定土壤水稳性团聚体。具体操作为：称取过10 mm筛风干土50 g置于2.000、0.250、0.053 mm的套筛上，振幅5 cm，震动3 min，共50次。收集土筛及桶中土样于锡纸盒中，获得粒径(D)>2.000 mm、0.250 mm

2.4 指标计算

团聚体稳定性由平均重量直径(MWD，mm)表示，采用公式(1)计算[15]：

MWD=∑(Di×Wi/W)。

(1)

各粒级团聚体有机碳对土壤总有机碳的贡献率(Pi，%)采用公式(2)计算[15]：

Pi=[(Ci×Wi)/(SOC×W)]×100%。

(2)

式(1)和式(2)中：Di为第i级团聚体平均直径(mm)；Wi为第i级团聚体质量(g)；W为团聚体总质量(g)；Ci为第i级团聚体有机碳质量分数(g·kg-1)；SOC为土壤有机碳质量分数(g·kg-1)。

2.5 统计分析

不同处理之间采用单因素方差分析(ANOVA)和最小显著差异法(LSD)进行差异性分析(α=0.05)；各指标间相关性采用Pearson相关分析(α=0.05)，统计分析为IBM SPSS Statistics 25。

3 结果与分析

3.1 土壤水稳性团聚体组成及稳定性

添加有机物料后，整体表现为D>0.250 mm的大粒径团聚体质量分数增加，D<0.250 mm的团聚体质量分数降低(表1)。其中，0.5S、1.0S、2.0S、1.0M、2.0M处理较CK显著提高D>2.000 mm团聚体粒级质量分数(P<0.05)，且2.0S和2.0M分别显著高于0.5S和0.5M(P<0.05)，等碳量添加条件下，秸秆效果相对较优。对于0.250 mm0.250 mm团聚体质量分数的效果优于生物炭。

添加不同有机物料对土壤团聚体稳定性的影响差异明显(表1)。与CK相比，添加秸秆、猪粪肥均显著提高土壤团聚体MWD，提高幅度分别为20.0%～53.3%和7.8%～23.3%。而添加生物炭仅1.0B处理显著提高MWD(P<0.05)，0.5B和2.0B处理均无明显效果。总体而言，在改善土壤团聚体稳定性方面，添加秸秆效果最佳，其次是猪粪肥，且添加量越大效果越显著。

表1 添加不同有机物料后各级土壤团聚体质量分数及稳定性

3.2 土壤总有机碳及团聚体有机碳质量分数

3种有机物料均能不同程度提高土壤总有机碳质量分数(见表2)，添加生物炭和猪粪肥处理较CK分别提高2.6%～24.7%和5.9%～10.9%，且除0.5B处理外均达显著水平(P<0.05)；但添加秸秆对提高土壤总有机碳质量分数效果不显著。各粒级团聚体有机碳对不同有机物料的响应整体上呈D>0.250 mm团聚体有机碳质量分数增加、D<0.053 mm团聚体有机碳质量分数降低的趋势(见表2)。其中1.0S和2.0S处理较CK分别显著提高0.053 mm0.053 mm团聚体有机碳质量分数的影响较另外2种有机物料更为明显，且2.0M均显著高于0.5M，其中，0.250 mm

表2 添加不同有机物料后土壤总有机碳及团聚体有机碳质量分数 g·kg-1

3.3 各粒径团聚体有机碳对土壤有机碳的贡献

各粒级团聚体有机碳对土壤有机碳的相对贡献率与各粒级团聚体质量分数保持基本一致的变化规律(见表3、表1)，土壤有机碳主要分布在0.250 mm80%)。与CK相比，0.5S、1.0S、2.0S处理均能显著提高D>2.000 mm团聚体有机碳的贡献率，且2S显著高于0.5S，同时在等碳量添加下，秸秆处理均显著高于生物炭和猪粪肥处理(P<0.05)；0.5M、1.0M、2.0M处理不但提高了D>2.000 mm团聚体有机碳贡献率，其中2.0M处理显著高于0.5M、1.0M处理，同时还显著提高了0.250 mm

表3 添加不同有机物料后各粒径团聚体有机碳对总有机碳的贡献率

3.4 团聚体稳定性与团聚体组成及有机碳质量分数的关系

Pearson相关分析结果表明，土壤团聚体的MWD与D>2.000 mm团聚体质量分数呈显著正相关(R=0.981，P<0.01)，与0.053 mm

4 讨论

土壤团聚体作为土壤结构的基本单元，是诊断土壤质量的重要指标，其形成和稳定性对土壤固碳至关重要[18]。本研究中，添加秸秆有效促进了D>2.000 mm团聚体形成，这是由于秸秆含有丰富且不易分解的木质素，可直接作为大团聚体的内核吸附细小颗粒形成大团聚体[19]；其次，新鲜秸秆在分解过程中产生多种有机胶结物质(如碳水化合物、蛋白质等)，同时增强土壤微生物活性，增加微生物的代谢产物，进而促进大团聚体形成[20]。添加猪粪肥虽然显著提高了0.250 mm2.000 mm团聚体形成的效果不如秸秆处理，这可能是由于与秸秆相比，猪粪肥的碳氮比较低，没能像秸秆处理那样为真菌生长创造有利的环境，所以其缠绕细小颗粒形成大团聚体的概率相对较低[21]。而生物炭一方面高温热解制成，具有稳定的芳香化结构，难以进一步降解被微生物分解[22]，另一方面大量生物炭会导致土壤总孔隙度增加，阻碍了土壤颗粒之间的接触[23]，因此不利于D>2.000 mm团聚体的形成。所以，基于团聚体组成的稳定性(MWD)也呈现出一致的变化规律，即添加秸秆、猪粪肥均显著提高团聚体稳定性，其中秸秆优于猪粪肥；而添加生物炭效果相对不明显。

添加3种有机物料均能增加土壤有机碳质量分数，但增加幅度有所差异，其中，2.00处理土壤有机碳质量分数最高，且显著高于1.0B、2.0S、2.0M处理(P<0.05)，这与王富华等[15]的研究结果相似。这是由于生物炭一方面含有大量的惰性碳与土壤团聚体结合后直接提高土壤有机碳[24]，另一方面其特殊的孔隙结构和大比表面积使碳素吸附在其表面或孔隙内，起到一定的隔离作用，削弱了土壤有机碳的分解[25]。而添加秸秆和猪粪肥为土壤微生物提供了良好的营养环境，首先易分解有机物在细菌的作用下快速矿化分解，然后难分解物质在真菌作用下经复杂的变化过程，形成难分解的腐殖物质，进而增加土壤有机碳质量分数[26-27]，但同时也会提高与有机碳周转相关酶的活性，加强了土壤呼吸作用，削弱了碳素的积累[28]；因此，生物炭提高土壤总有机碳质量分数优于秸秆和猪粪肥。也有研究发现，有机物料的碳氮比越高，越不易腐解[29]。本研究猪粪肥相比秸秆拥有更低的碳氮比，腐解速度更快，促进了团聚体对外源新碳的吸收和转化，因此等碳量添加条件下，猪粪肥在提高土壤总有机碳质量分数方面优于添加秸秆。还有研究表明，秸秆碳主要是以颗粒有机碳(POC)的形态积累在土壤团聚体中[30]。本研究中秸秆碳更倾向贮藏在0.053 mm

值得注意的是，虽然添加生物炭后土壤总有机碳提高幅度最大，但仅2.0B处理下显著提高了0.250 mm0.053 mm团聚体有机碳质量分数均低于等碳量添加秸秆和猪粪肥处理，这可能是由于生物炭作为直接碳源并且自身稳定，不易分解产生胶结物质，进而在获取水稳性团聚体时部分结合不稳定的生物炭发生流失所致，并不利于提高水稳性团聚体中有机碳的质量分数，可能与本研究培养周期较短有关，在较长培养周期的研究中生物炭的效果也可能会更明显[31-32]。此外，添加有机物料均显著降低D<0.053 mm团聚体有机碳质量分数：一方面因为添加外源新碳加速了有机碳的周转，提高了有机碳矿化分解[33]；另一方面可能是D<0.053 mm团聚体由于团聚到其他粒级，导致碳素发生了物理迁移[34]，加之本试验培养时间较短，部分新碳还未充分转移到微团聚体中，因此导致该粒级团聚体有机碳显著降低。通过分析各粒级团聚体有机碳贡献率发现，添加秸秆主要通过促进D>2.000 mm团聚体形成进而提高该团聚体有机碳贡献率，猪粪肥则不仅能够促进D>0.250 mm团聚体形成还可以有效促进团聚体结合外源新碳，因此1.0M、2.0M处理显著提高D>0.250 mm团聚体有机碳贡献率(P<0.05)，由此可见，添加秸秆、猪粪肥后，其碳素优先固定在大团聚体中。

大团聚体质量分数所占比例越大，团聚体越稳定，因此本研究中MWD与D>2.000 mm团聚体质量分数呈显著正相关关系，与0.053 mm

5 结论

添加秸秆和猪粪肥分别通过促进D>2.000 mm和D>0.250 mm水稳性团聚体的形成，显著提高MWD，而添加生物炭对MWD的影响不显著。相反，添加生物炭对土壤总有机碳的提高效果最好，猪粪肥次之，而秸秆未能显著提高土壤总有机碳水平；此外，添加猪粪肥可以有效提高D>0.053 mm各个粒级团聚体有机碳质量分数，而秸秆新碳更易贮藏在0.053 mm