长期施肥措施下灰漠土有机碳及团聚体稳定性特征

王西和，杨金钰，王彦平，麦尔耶姆·亚森，黄 建，刘 骅

（新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所/国家灰漠土肥力与肥料效益监测站/农业农村部新疆北部耕地保育与农业环境科学观测实验站，新疆 乌鲁木齐 830091）

我国农业土壤的碳库处于负平衡状态，因此，通过施肥等措施增加碳储量，探索其作用机理是当前研究的热点。土壤团聚体是保持土壤结构和肥力的物质基础，其对土壤有机碳的物理保护是土壤有机碳稳定的重要机制。然而，由于团聚体对土壤有机碳的物理保护机制非常复杂，明显受到土壤类型、土壤管理措施、土层深度及有机碳降解难易程度等因素的影响［1］。因此，分析团聚体稳定性和周转速率，将有助于更加深入地了解团聚体对维持土壤有机碳稳定的重要作用。

土壤的固碳功能伴随着土壤团聚体的形成、稳定及更新周转过程的始终［2］。湿筛法是土壤团聚体物理稳定性测定的方法之一，采用湿筛法对团聚体的研究表明，红壤水稻土长期施肥后，土壤团聚体分布以<63 μm的粉粒和粘粒为主，长期施用有机肥有利于促进大团聚体的形成，土壤碳主要贮存在63～125和<63 μm土壤粒级中［3］。红壤大团聚体有机碳含量与团聚体稳定性呈极显著的相关关系［4］。褐土秸秆深还田能够提升土壤团聚体的稳定性，有利于增加土壤团聚体碳含量［5］。黄褐土上生物炭化肥配施能显著增加>0.25 mm粒级团聚体的百分含量，而秸秆化肥配施可以显著提高>1 mm粒级团聚体的含量，生物炭和秸秆配施化肥能显著促进>0.25 mm粒级团聚体的形成，土壤团聚体的稳定性顺序为：秸秆与化肥配施>生物炭和秸秆与化肥配施>生物炭与化肥配施，但是，生物炭配施化肥对团聚体稳定性的影响不显著［6］。可见，由于施肥的方式不同，对不同土壤团聚体有机碳的分布及团聚体稳定性影响也不同。因此，不同级别团聚体中有机碳受到的保护程度也不同。为更加深入地了解团聚体对维持土壤有机碳稳定的重要作用，也有研究者根据Six等［7］提出的将大团聚体的周转用于解释施肥对土壤团聚体中碳的影响机制，其方法是将大团聚体经过密度分组可分为粗颗粒态有机碳（>250 μm）、细颗粒态有机碳（53～250 μm）和土壤粉粘粒有机碳（<53 μm）3个物理组分，用于分析新增碳在大团聚体中的分配效应，并以大团聚体中细颗粒有机质与粗颗粒有机质的比值作为评价大团聚体周转速率的指标。比值越大，表明大团聚体周转越慢，比值越小，大团聚体周转越快。苑亚茹等［8］采用此方法对东北不同有机肥施用量下的黑土团聚体有机碳的研究认为，东北黑土施用有机培肥加速了土壤大团聚体的周转，大团聚体周转速率随着有机肥施用量的增加而加快。而针对干旱区灰漠土不同施肥措施下，土壤大团聚体的周转速率变化尚无报道。因此，定量研究不同管理措施下灰漠土大团聚体内部新增碳的分配效应及周转速率将有助于认识团聚体对维持土壤有机碳稳定的重要作用。

灰漠土是荒漠地区具有代表性的一类土壤，在中国耕地面积有62.3万hm2，其中80%分布在新疆境内的天山北坡地带，是支撑北疆农业生产的主要土壤类型。由于干旱的气候条件，对土壤等环境资源的发育和稳定构成威胁，土壤有机质含量少，养分贫乏，长期连作、重用轻养，进一步导致了土壤板结、养分失调等理化性状恶化问题［9］。因此，提高灰漠土有机碳对于支撑北疆农田生态系统稳定具有重大意义。已有研究表明，灰漠土长期施用有机肥土壤有机碳含量持续增加，有机碳累积量随着有机肥施用量的增加而增加，秸秆还田土壤有机碳含量增加较为缓慢［10］。而且灰漠土中团聚体有机碳主要富集在大团聚体中［11］，但灰漠土团聚体稳定性及大团聚体的周转尚不清晰。本研究针对长期不同施肥措施下的灰漠土，定量分析土壤团聚体有机碳分布及稳定性等的变化，旨在为新疆绿洲灰漠土的合理培肥及土壤固碳措施提供理论依据与技术实践。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验位于新疆乌鲁木齐市安宁渠镇“国家灰漠土肥力与肥料效益监测站”，地处我国西北的天山北坡绿洲带中游。中温带干旱半干旱荒漠气候，海拔600 m，年平均气温7.6℃，有效积温1734℃，常年降水量310 mm，无霜期156 d，年平均日照时数2594 h。土壤为灰漠土，质地为砂壤土，耕层土壤初始基本理化性质：有机质15.2 g·kg-1，全氮0.868 g·kg-1，全磷0.667 g·kg-1，全钾23 g·kg-1，碱 解 氮55.2 mg·kg-1，有 效 磷3.4 mg·kg-1，速效钾288 mg·kg-1，pH 8.1，阳离子交换量16.2 cmol·kg-1，容重1.25 g·cm-3。

1.2 试验设计

本研究依托起始于1989年的长期定位施肥监测试验，选择其中6个处理：①撂荒（不耕作，CK0）；②不施肥（CK）；③氮（N）；④氮磷钾（NPK）；⑤氮磷钾+有机肥（NPKM）；⑥氮磷钾+秸秆还田（NPKS）。化肥处理肥料用量分别为：氮（N）241.5 kg·hm-2、磷（P2O5）138.0 kg·hm-2、钾（K2O）61.9 kg·hm-2；氮磷钾+有机肥处理肥料用量分别为：氮（N）151.8 kg·hm-2、磷（P2O5）90.4 kg·hm-2、钾（K2O）19.0 kg·hm-2，有 机 肥为60 t·hm-2（干羊粪），碳、氮含量分别为348、18.8 g·kg-1；氮磷钾+秸秆还田处理肥料用量分别 为：氮（N）216.7 kg·hm-2、磷（P2O5）116.6 kg·hm-2、钾（K2O）52.0 kg·hm-2，秸 秆 多 年平均还田量7072.6 kg·hm-2（干重），碳、氮平均含量分别为385.8、5.5 g·kg-1。采用基肥与追肥配合的施肥方式，化肥采取总氮量的40%及全部磷、钾肥作为基肥施用，60%的氮肥分2次随滴灌追施，有机肥和秸秆均在翻耕前撒施。氮磷钾化肥分别用尿素、磷酸二铵和硫酸钾，有机肥为羊粪，秸秆为本田秸秆机械粉碎后全部还田，每个处理小区面积为34.4 m×13.6 m，无重复，但因小区面积较大，可以将各个处理小区分成3个子小区，用于分析处理中的某些空间变化。种植制度为冬小麦-棉花-玉米轮作，一年一熟制。

1.3 土壤样品的采集与处理

将每个小区平均划分为11.5 m×13.6 m的3个子小区，作物收获后采集深度为0～20 cm的原状土壤样品，每个子小区设5个取样点制成一个混合样，采样时避免破坏土壤结构，将采集的土壤样品用铝盒装好带回实验室自然风干，当土壤含水量达到塑限时，用手将大土块沿着土壤的自然破碎面轻轻掰开，将砾石及植物残体等捡除，过8 mm土筛，待样品风干后，用于水稳性团聚体组分的分离备用。在采集原状土壤样品的同时，将每个混合样品按四分法分出部分土样用于测定土壤有机碳。

1.4 不同大小矿物颗粒结合有机碳的分离与测定

参考Yan等［12］提供的湿筛法，称100 g风干土进行土壤团聚体组分分离，对土壤团聚体进行>2000（试验未筛出>2000 μm的团聚体组分）、250～2000、53～250、<53 μm 4个粒级分组，再根据Six等［7］的方法，称取已获得的干燥烘干的大团聚体50 g，转移至250 mL离心管中，加入150 mL密度为1.85 g·cm-3的ZnBr溶液，用往复式振荡器振荡30 min。取出离心管，再用10 mL同样的ZnBr溶液将粘附在离心管盖子和管壁的颗粒物质完全冲洗至悬浮液中。随后，将悬浮液置于离心机中，3000 r·min-1低温离心30 min，静置20 min后取出，用0.45 μm的聚酰胺膜将上清液抽滤10 min，以分离去除轻质有机碳组分。将保留在离心管中的土壤颗粒沉淀用去离子水冲洗3遍，再用150 mL质量分数0.5%的六偏磷酸钠溶液将土壤颗粒沉淀再次分散，随后放置振荡器持续振荡18 h，再将分散过后的悬浮液通过预先准备好的250和53 μm筛，并用清水冲洗直至沥滤液澄清，将保留在筛上的土壤烘干、称重，测定粗团聚体内颗粒态有机碳、细团聚体内颗粒态有机碳和粉粘粒有机碳亚组分。

土壤有机碳采用元素分析仪（Flash EA 1112，Italy）测定，其间每隔10个样品夹带1个国家标准样品进行准确性校验。

1.5 数据处理与分析

采用团聚体的平均重量直径（MWD）作为评价团聚体稳定性指标［13］，计算如下：

式中，MWD代表平均重量直径（mm），Xi代表第i个筛子上团聚体粒级组分的平均直径（mm），Wi代表第i个筛子上团聚体粒级组分占土壤总质量的百分含量（%）。

采用Excel 2016进行数据整理，不同处理间的差异显著性通过SPSS 16.0的LSD法进行统计分析，显著性检验水平0.05。

2 结果与分析

2.1 不同施肥措施对土壤有机碳的影响

对土壤有机碳分析表明（图1），与撂荒（CK0）处理相比，长期耕作后，除施用有机肥（NPKM）和秸秆还田（NPKS）处理土壤有机碳增加显著外，其他处理均无显著变化。NPKM处理土壤有机碳含量达39.7 g·kg-1，与CK、CK0相比，均提高了1.8倍，与NPK、N化肥处理相比，平均提高了1.7倍，达到了显著水平（P<0.05）；NPKS处理土壤有机碳含量达16.5 g·kg-1，比CK、CK0处理均提高了0.2倍，比化肥处理平均提高了0.1倍，均达显著水平（P<0.05）；单独施用化肥和撂荒处理未见显著提高。有机物料投入的效果表明，施用有机肥土壤有机碳含量是秸秆还田的2.4倍，秸秆还田对提高土壤有机碳的效果仅是有机肥的8.8%，有机肥对提高土壤有机碳的效果远大于秸秆还田。

2.2 不同施肥措施对团聚体分布及稳定性的影响

对灰漠土团聚体的分布分析表明（图2），灰漠土各级团聚体中，微团聚体含量最高，占团聚体总量的55.2%～71.0%；大团聚体次之，占总量的9.8%～33.8%；粉粘粒最低，占总量的9.8%～20.1%。有机物料的施用，主要提高了灰漠土大团聚体的水平，其对大团聚体的提高作用显著优于化肥和不施肥，且施用有机肥的效果显著高于秸秆还田，与CK相比，NPKM和NPKS土壤大团聚体分别提高了246%和147%；撂荒处理大团聚体含量显著高于化肥和不施肥，可能因为施用化肥和不施肥的管理措施使土壤大团聚体崩解所致；施用化肥对大团聚体的提高作用显著高于不施肥；各处理大团聚体含量依次为NPKM>NPKS>CK0>NPK>N>CK。和土壤大团聚体相比，不同处理对微团聚体和粉粘粒的影响没有那么强烈，施用有机物料微团聚体和粉粘粒的含量显著降低，施用化肥或不施肥，微团聚体和粉粘粒含量相对减少。与CK相比，其他各处理粉粘粒含量均显著下降，施用有机肥下降了45.3%，秸秆还田和单施化肥处理平均下降了26.2%，与CK0相比，耕作和施肥显著提高了粉粘粒含量。

不同施肥措施下，灰漠土土壤团聚体MWD差异显著（图3），其中化肥配施有机物料显著高于其他处理，可见有机物料的施用可以有效改善土壤结构，而有机肥的效果显著高于秸秆还田。N处理MWD显著高于NPK、CK0和CK，CK处理MWD最低。可见，施肥或撂荒土壤团聚化程度均较不施肥有显著提高；与单施化肥相比，化肥配施有机肥或秸秆还田均可明显提高土壤团聚化程度，改善土壤结构，土壤有机碳含量越高，作用越明显，说明外源有机碳的添加可以提高土壤大团聚体的含量、改善土壤的物理结构。

2.3 不同施肥措施对团聚体结合有机碳浓度的影响

对土壤团聚体结合有机碳浓度分析表明（图4），NPKM和CK处理土壤团聚体有机碳浓度均为大团聚体>微团聚体>粉粘粒，团聚体有机碳浓度随团聚体粒径增大而增加，施用有机肥虽然提高了土壤各级团聚体有机碳的浓度，但并未改变各级团聚体有机碳的比例。NPKS土壤团聚体有机碳浓度为粉粘粒>大团聚体>微团聚体，即粉粘粒占主导，NPK、N、CK0处理土壤团聚体有机碳浓度均为大团聚体>粉粘粒>微团聚体，即大团聚体结合有机碳占主导，可见，不同施肥措施对各级团聚体结合有机碳的影响不尽相同。而粉粘粒结合有机碳的变化表明，与CK相比，各处理均表现为显著增加。施用有机肥各级团聚体结合有机碳较其他处理均有显著增加。

2.4 不同施肥措施对大团聚体内部组分有机碳含量的影响

通过对大团聚体进一步筛分，分析粗颗粒态有机碳、细颗粒态有机碳、粉粘粒有机碳在大团聚体中的分配特征（图5）。与CK相比，CK0、N处理各组分有机碳含量没有发生显著变化，NPK仅有粗颗粒态有机碳显著提高，NPKS仅细颗粒态有机碳显著提高，另外的组分没有发生显著变化，NPKM各组分有机碳均显著提高。大团聚体内各组分有机碳的变化幅度为细颗粒态有机碳>粉粘粒有机碳>粗颗粒态有机碳。各处理3个组分中，粗颗粒态有机碳含量均为最低，投入有机物料的处理（NPKM、NPKS）细颗粒态有机碳含量最高，分别较CK增加了3.9和1.2倍，其他处理粉粘粒有机碳最高。可见，无论何种施肥措施，均对提高土壤大团聚体中的粗颗粒态有机碳含量有一定效果，有机物料的投入对提高土壤细颗粒态有机碳含量的效果最为显著，且当土壤总有机碳含量提高到一定水平时，大团聚体内各级有机碳含量均可显著增加。总之，不同施肥措施不仅影响土壤中有机碳的蓄积，还影响着土壤有机碳在大团聚体内部的各组分中的分配，当土壤有机碳含量较低时（NPK、N、CK0、CK），粉粘粒有机碳含量占主要优势，而当土壤有机碳提高到一定水平后（NPKM、NPKS），细颗粒有机碳含量占主要优势。

2.5 不同施肥措施对大团聚体周转的影响

输入有机物料，大团聚体中细颗粒有机碳与粗颗粒有机碳的比值显著高于化肥和不施肥，有机肥处理大团聚体中细颗粒有机碳与粗颗粒有机碳的比值也显著高于秸秆还田处理，撂荒处理比值显著高于施用化肥和不施肥，单施氮肥比值显著高于不施肥。结果表明，有机肥和秸秆还田均可减缓土壤大团聚体周转，而有机肥的周转速率小于秸秆还田，撂荒对于减缓土壤大团聚体周转的效果高于化肥，其中，有机肥处理大团聚体周转速率分别是秸秆还田、化肥、撂荒和不施肥周转速率的62%、39%、47%和33%，土壤大团聚体的周转速率大小依次为：CK>NPK>N>CK0>NPKS>NPKM（图6）。

3 讨论

土壤团聚体的稳定机制十分复杂，不仅受自然条件的影响，而且还受土壤有机碳、土壤微生物、土地利用方式等的影响［14］。平均重量直径（MWD）反映了土壤团聚体大小分布状况，是评价水稳性团聚体稳定性的一个重要指标，MWD越大，表明土壤的团聚化程度越高，其稳定性也越强［15-16］。本试验通过对灰漠土团聚体的研究发现，施用有机肥可显著提高MWD，秸秆还田措施与施有机肥表现出相同的效果，两者均显著高于施用化肥处理。可见，施用有机肥和秸秆还田均可提高灰漠土团聚体的稳定性。许多研究认为，施用有机肥或秸秆还田，能够促进大团聚体的形成，提升土壤团聚体的稳定性［3，5，17］。但在本研究中，秸秆还田的作用强度不如施用有机肥，这可能是因为两者用量和碳源类型的不同，产生了土壤有机碳含量的差异。Li等［18］研究也认为，土壤团聚体中碳氮含量主要受施肥方式的影响，施用有机肥和化肥能提高土壤团聚体稳定性，改善土壤结构，施用有机肥效果更显著。董莉丽［19］的研究表明，土壤有机质与水稳性团聚体MWD线性正相关。章明奎等［20］对红壤水稳性团聚体的研究发现，水稳性团聚体的稳定性均与土壤有机质含量呈正相关。王哲峰［21］在对草地土壤的研究中发现，碳水化合物（尤其是稀酸提取的碳水化合物）是影响水稳性团聚体形成和稳定的关键因素。魏朝富等［22］对紫色土水稳性团聚体研究表明，有机肥施用促进了土壤有机质和无定形氧化铁的变化，是土壤水稳性团聚体改善的根本原因。Elliott［23］认为，有机质能够减少土壤团聚体的分散率，与大团聚体的稳定性显著相关。以上观点主要认为施肥方式影响了土壤有机碳，而土壤有机碳含量又进一步影响着土壤团聚体稳定性。一方面，有机肥的施用提高了土壤有机碳含量，这部分有机碳可以提供更多的有机胶结物质，同时增强土壤微生物活性和增加微生物的代谢产物如多糖等，进而促进了水稳性大团聚体的形成［24］，也就是说，连续施用有机肥较秸秆还田更能有效促进团聚体胶结物质的提高，形成更多的大团聚体（图2）。另一方面，土壤大团聚体的稳定性也增强了团聚体抵抗外部因素侵蚀的能力，降低了团聚体内有机碳暴露并分解的风险，两者相互促进，对土壤固碳和团聚体稳定性起着重要作用。影响土壤团聚体稳定性的因素很多，目前，受到国内外认可的团聚体稳定机制主要包括2种胶结剂的作用，一种是土壤有机质、根系菌丝及其分泌物等有机胶结剂对团聚体的粘结作用；另一种是粘粒、多价金属离子、氧化物等无机胶结剂与团聚体颗粒间的相互作用力［25］。陈芳等［26］对红壤、黄棕壤、黄褐土3种典型地带性土壤研究发现，游离态铁铝氧化物（尤其是游离态氧化铝）是影响3种土壤团聚体水稳性的最重要因素，而有机质对增强黄褐土、黄棕壤团聚体水稳性有显著促进作用。Zhang等［27］对热带土壤的研究认为，快速润湿和湿搅拌后团聚体的归一化平均重量直径（NMWD）与土壤性质（如微聚集度、阳离子交换能力、K2O、Fe2O3或Al2O3）的相关性更大，而与土壤有机碳含量无关。李朝霞［28］对有机质含量小于20.0 g·kg-1的红壤研究认为，土壤团聚体稳定性与游离态Fe2O3、Al2O3、非晶形态Al2O3、SiO2和粘粒含量之间存在显著或极显著正相关关系，但与有机质相关关系不明显。以上研究说明，土壤有机碳并非是影响团聚体稳定性的决定性因素，因土壤类型和有机碳水平等不同，团聚体的稳定机制存在差异。本研究中NPK、N、CK0处理间虽然有机碳无显著差异，但团聚体稳定性却表现出显著差异，这种差异可能主要由处理间无机胶结剂的差异所引起的，今后还需对无机胶体与土壤团聚体及其稳定性的相关性做进一步研究。

农业土壤团聚体随耕作不断地形成和破坏，只有当团聚体的稳定性最大而周转速率最慢时，其对有机碳的固定才能最强。大团聚体周转越慢，越有利于大团聚体内部产生更多的微团聚体，更有利于提高大团聚体的稳定性，促进土壤有机碳的积累，相反大团聚体周转快，使得易分解有机碳频繁地暴露在外，易被微生物分解，不利于土壤有机碳的积累［29］。本试验对灰漠土的研究也证明，有机肥和秸秆还田均可减缓土壤大团聚体的周转速率，土壤有机碳显著累积。徐江兵等［30］对旱地红壤的研究也发现，有机肥的施入降低了土壤大团聚体的周转，秸秆处理对团聚体的形成和稳定效果优于厩肥处理。而苑亚茹等［8］对黑土的研究发现，有机培肥加速了大团聚体的周转，大团聚体的周转速率随着有机肥施用量的增加而加快。同样，Gulde等［31］通过对连续32年施加不同量牛粪试验的研究发现，大团聚体中的细颗粒有机碳与粗颗粒有机碳的比值随着牛粪施用量的增加而下降，土壤大团聚体周转加速。得出以上2种截然相反结论的原因可能与输入的碳源、土壤碳饱和度、土壤母质以及气候有关。如粪肥主要由粗颗粒组成［32］，当粪肥输入土壤后，导致粗颗粒有机碳的选择性输入到土壤中，因此，更多的粗颗粒有机碳被团聚到大团聚体中（图3），然而，如果不增加大团聚体的周转量，粗颗粒有机碳将被分解为细颗粒有机碳，细颗粒有机碳再进一步分解为粉粘粒有机碳，细颗粒有机碳和粉粘粒有机碳均会增加（图4），表明大团聚体周转速率的减缓，增加了土壤粗颗粒有机碳向稳定性更高的细颗粒有机碳转化，这也可能与有机肥的施用量和有机碳的周转速率有关。若有机肥足够，提供的粗颗粒有机碳也相应足够，微生物可能优先取食新鲜的有机肥，而不是大团聚体中的有机物质，这样一方面减少了微生物对大团聚体中有机物分解导致的大团聚体的破坏，另一方面，微生物的活动产生的多糖等粘合剂，进一步促进了微团聚体和粉粘粒向大团聚体的团聚。因此，灰漠土施用有机肥时，减缓了土壤大团聚体的周转速率，是灰漠土有机碳的重要保护机制，但施用化肥处理也表现出大团聚体周转速率下降。灰漠土大团聚体周转速率的快慢与有机碳的累积是否存在必然关系，还有待进一步研究。

4 结论

化肥配施有机肥可显著提高灰漠土团聚体中粗颗粒态有机碳、细颗粒态有机碳和粉粘粒有机碳的含量，新增碳在大团聚体中主要以细颗粒态有机碳的形态储存下来，形成了稳定的团聚体结构，并降低大团聚体的周转速率，是灰漠土有机碳的重要物理保护机制。