有机肥施用量对黄河源不同坡向退化高寒草甸土壤团聚体及有机碳的影响

柴 瑜， 李希来， 于金峰， 益西卓玛， 宋 娴， 马盼盼， 段成伟， 徐文印

(青海大学农牧学院， 青海 西宁 810016)

土壤团聚体作为土壤结构的基本单元和土壤有机碳存在的重要场所[1-2]，其质量和含量影响土壤中的肥力状况，是土体抗蚀能力的体现以及评价土壤质量好坏的关键指标之一[3]。土壤有机碳作为形成土壤团聚体最重要的胶结物质[4]，对土壤肥力水平和土地生产力起决定性作用[5-6]。因此，土壤团聚体有机碳含量和团聚体稳定性对改善土壤结构、协调土壤养分供应有重大作用。黄河源区是我国青藏高原重要的水源涵养区[7]，高寒草甸是源区主要的草地类型之一，由于生态环境脆弱，高寒草甸常常发生退化[8]。坡向作为最重要的地形因子之一，光照、水分和温度等在不同坡向间变化明显，形成局部特殊气候，进而使不同坡向间的草甸植被表现一定的复杂性[9]。因此，研究不同坡向退化高寒草甸土壤团聚体组成及其稳定性变化规律，对退化高寒草甸植被恢复具有重要意义。

土壤有机碳含量降低和土壤结构退化是土壤退化的两个主要特征[10]。施肥和土地利用方式等因素影响着土壤有机碳含量和结构状况[11]，有机肥作为一种传统肥料，具有养分全面、肥效持久、成本低等特点[12]，施用有机肥对土壤有机碳和土壤结构有重要影响。有研究表明，适当的有机肥施肥量会增加高寒草甸地上生物量[13]；合理施用有机肥可以改善土壤结构，减少水土侵蚀，活化土壤养分，提高农作物产量[14]；施有机肥对于土壤团聚体的改善作用也比较显著，施有机肥有利于大粒径团聚体的形成和稳定性的提高[15]。目前国内外针对土壤团聚体及其有机碳稳定性的研究主要集中在温带与热带地区的森林、农田土壤、茶园和黑土地等，研究方向主要集中在不同海拔、施肥组合、土地管理措施对土壤团聚体及有机碳的分布的影响等方面[16-19]。以黄河源退化高寒草甸为研究对象，探讨最适有机肥施用量对阴阳坡高寒草甸土壤团聚体稳定性及有机碳分布特征的研究鲜有报道。基于此，本研究以黄河源区退化高寒草甸为研究对象，设置不同施肥梯度，探讨土壤团聚体稳定性及有机碳分布对不同有机肥施用量的响应，以期为恢复退化高寒草甸提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究样地位于青海省黄南藏族自治州河南蒙古族自治县多松乡(34°05′～34°56′ N，100°53′6″～ 102°16′12″ E)，海拔3 600 m，年平均气温1℃，1月份平均气温—10.2℃，7月份平均气温10.7℃，年降水量为610.5 mm，年日照时为2 558.3 h，年牧草生长期171 d；谷地、滩地年无霜期24 d，山地无绝对无霜期。土壤类型为高寒草甸土，气候类型为典型高原大陆性气候，草地类型为高寒草甸，选取斑块化退化现象较为明显、植被覆盖率偏低的退化高寒草甸作为试验地。植被种类主要包括高山嵩草(Kobresiapygmaea(C. B. Clarke) C. B. Clarke)、矮嵩草(KobresiahumilisSergievskaya)、垂穗披碱草(ElymusnutansGriseb.)、冷地早熟禾(PoacrymophilaKeng)、紫菀(AstertataricusL. f.)、翻白委陵菜(Potentilladiscolor)、细叶亚菊(Ajaniatenuifolia)等。

1.2 试验设计

按试验区光照与水分的不同划定阴坡与阳坡两个样地，坡度均为5°。于2020年5月在各样地设置0 kg·m-2(CK)，0.15 kg·m-2(M1)，0.45 kg·m-2(M2)，0.75 kg·m-2(M3)，1.05 kg·m-2(M4)，1.35 kg·m-2(M5)6个施肥水平，每组设4个重复，随机区组排列，小区面积为6 m2(2 m×3 m)，试验小区分布见图1。采用撒施的施肥方式将有机肥均匀地泼洒在各小区内。所选颗粒有机肥中有机质≥45%，水份≤30%，总养分(N+P2O5+K2O)≥50%。样地基本情况见表1。

图1 试验小区分布图Fig.1 Distribution of experimental plots

表1 研究样地概况Table 1 Overview of the study area

1.3 测定项目和方法

1.3.1样品采集 2020年9月初进行样品采集。在样地内用直径5 cm的土钻，按照五点采样法取0～20 cm土样，挑出砾石、植物残根后带回实验室，在避光处风干后过5 mm筛，进行分析测定。同时对研究样地植被多度、盖度、高度、频度、生物量特征进行调查。

1.3.2土壤团聚体的测定 土壤机械稳定性团聚体的测定：利用干筛法进行土壤机械性稳定性的测定。首先将风干土样过5 mm的筛，称取筛后土样100 g，将土壤样品置于孔径依次为2 mm,0.5 mm和0.25 mm的套筛顶部，以30次·min-1震荡5 min，分别收集不同孔径筛网的土壤团聚体并称重。土壤团聚体有机碳含量采用重铬酸钾硫酸加热法[12]进行测定。

1.4 相关指标的计算

1.4.1土壤团聚体平均质量直径(Geometric mean diameter,GMD)的计算[2]

式中：MWD为团聚体平均重量质量直径(mm)，xi为该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。

1.4.2土壤团聚体几何平均直径(Mean weight diameter,MWD)的计算[2]

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为样品总质量。

1.4.3团聚体对有机碳贡献率的计算[2]

1.5 数据统计与分析

用Excel 2010进行数据的整理和初步分析。用IBM SPSS 20.0软件进行单因素方差分析以及最小显著差异法对土壤团聚体及土壤团聚体有机碳含量进行方差分析，显著水平为P<0.05。用Origin 2021软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同有机肥施用量对土壤团聚体组成的影响

有机肥的施用影响了不同坡向退化高寒草甸土壤团聚体分布特征(图2)。在各不同施用量有机肥处理下，不同坡向土壤团聚体主要为0.5～2 mm粒级，>2 mm粒级土壤团聚体次之。其中，阳坡0.5～2 mm粒级土壤团聚体含量为38.44%～40.05%，阴坡则为41.65%～44.21%，且各施肥处理下，阳坡0.5～2 mm粒级土壤团聚体含量普遍低于阴坡。不同坡向所占比例最少的土壤团聚体粒级有所不同。在阳坡，各有机肥不同施用量处理下，0.25～0.5 mm粒级土壤团聚体所占比例最少，含量为11.91%～13.58%，且显著低于>2 mm粒级土壤团聚体所占比例(P<0.05)，当有机肥施用量为M3(0.75 kg·m-2)时，>2 mm，0.5～2 mm粒级土壤团聚体所占比例均达到最大值。而在阴坡，各有机肥不同施用量处理下，<0.25 mm粒级土壤团聚体所占比例最少，含量为7.44%～10.94%，显著低于>2 mm粒级土壤团聚体所占比例。整体上来看，阳坡和阴坡在各施肥梯度下，土壤团聚体均以>2 mm粒级土壤团聚体和0.5～2 mm粒级土壤团聚体为主。相同坡向同一粒级土壤团聚体含量受有机肥不同施用量的影响不显著。

2.2 不同有机肥施用量对退化高寒草甸土壤团聚体稳定性的影响

不同有机肥施用量对不同坡向退化高寒草甸土壤团聚体稳定性特征有影响(表2)。随着有机肥施用量的增加，阳坡土壤团聚体的MWD和GWD变化范围分别为1.54～1.90，0.90～1.12，数值均呈现出先增大后减少的变化趋势，但各有机肥施用量间不存在显著差异。MWD和GWD均在有机肥施用量为0.75 kg·m-2(M3)时达到最大值，与CK相比，分别增加20.25%和1.82%，表明当施肥量为0.75 kg·m-2(M3)时，阳坡土壤稳定性较好。而在阴坡，土壤团聚体的MWD和GWD变化范围分别为1.68～1.84，1.11～1.29，随有机肥施用量的增加呈现先减少后增加再减少的变化趋势，各有机肥施用量间不存在显著差异，且MWD和GWD均在不施用有机肥(CK)时达到最大值，而在有机肥施用量为1.35 kg·m-2(M5)时达到最小值，与CK相比，M5处理下MWD和GWD分别减少8.7%和13.95%。

整体来看，有机肥相同施用量下，阴坡土壤的MWD和GWD均大于阳坡，在不施用有机肥的处理下，阴坡GMD显著高于阳坡(P<0.05)；在有机肥施用量为0.15 kg·m-2(M1)时，阴坡MWD与GMD均显著高于阳坡(P<0.05)。这表明阴坡土壤比阳坡土壤稳定。

2.3 不同有机肥施用量对高寒草甸土壤团聚体有机碳含量的影响

在阳坡，各有机肥施用量处理下不同粒级土壤团聚体有机碳含量变化范围分别为CK：42.92～51.19 g·kg-1;M1：44.94～48.34 g·kg-1;M2：38.30～58.68 g·kg-1;M3：42.55～48.60 g·kg-1;M4：46.85～55.35 g·kg-1;M5：43.73～58.82 g·kg-1(图3，阳坡)。随有机肥施用量的增加，>0.25 mm粒级的大团聚体有机碳含量整体上呈现出先增加后减少的变化趋势。0.5～2 mm和0.25～0.5 mm粒级土壤团聚体有机碳含量均在有机肥施用量为0.45 kg·m-2(M2)时达到最大值，较CK分别增加27.58%和14.63%。>2 mm粒级土壤团聚体有机碳含量在有机肥施用量达到1.05 kg·m-2(M4)时为最大值，较CK增加9.16%。而<0.25 mm粒级土壤团聚体有机碳含量总体随着有机肥施用量的增大而呈增大的变化趋势，各处理间无显著差异，在有机肥施用量为1.35 kg·m-2(M5)时达到最大值，与CK相比增加14.61%。

在阴坡，各有机肥施用量处理下不同粒级土壤团聚体有机碳含量变化范围分别为CK：41.33～62.20 g·kg-1;M1：39.09～58.61 g·kg-1;M2：41.32～64.61 g·kg-1;M3：47.15～67.28 g·kg-1;M4：49.06～66.53 g·kg-1;M5：55.71～77.56 g·kg-1(图3，阴坡)。随有机肥施用量的增加，各粒级土壤团聚体有机碳含量总体上呈现出增加的变化趋势。各粒级土壤团聚体有机碳含量均在有机肥施用量为1.35 kg·m-2(M5)时达到最大值，>2 mm，0.5～2 mm，0.25～0.5 mm和<0.25 mm团聚体中有机碳含量较CK分别增加15.70%，40.00%，22.44%，24.69%。

整体来看，不同有机肥施用量处理下，阳坡各粒级土壤团聚体有机碳含量普遍低于阴坡。其中，不施用有机肥时，阳坡<0.25 mm粒级土壤团聚体有机碳含量显著低于阴坡(P<0.05)，其余处理间均未达到显著水平。

2.4 不同粒级团聚体有机碳对土壤有机碳的贡献率

由图4可知，阴坡和阳坡各施肥处理下均以>0.25 mm的大团聚体对有机碳的贡献率高，其中，大团聚体中均以0.5～2 mm粒级团聚体的贡献率为最高。>0.25 mm的大团聚体对有机碳的贡献率随有机肥施用量的增加总体呈现先增加后减少的变化趋势，当有机肥施用量为0.75 kg·m-2(M3)时达到最大值，与CK相比，阳坡和阴坡>0.25 mm的大团聚体对有机碳的贡献率分别增加5.12%，3.22%。在各施肥处理下，阴坡>0.25 mm的大团聚体对有机碳的贡献率均高于阳坡，阴坡CK，M1，M2，M3，M4和M5处理下>0.25 mm的大团聚体对有机碳的贡献率较阳坡分别提高8.71%，8.72%，7.10%，7.02%，6.69%，5.79%。

图4 不同有机肥施用量不同粒级土壤团聚体对有机碳的贡献率Fig.4 Contribution rate of soil aggregates of different sizes of different organic fertilizers to organic carbon注:不同小写字母表示同一坡向，同一粒级不同有机肥施用量间于P<0.05水平存在显著性差异,不同大写字母表示同一坡向相同有机肥施用量不同土壤团聚体粒级间于P<0.05水平存在显著性差异Note:Different lowercase letters indicate the same slope direction,the same grain grade and different organic fertilizer application rates have significant differences at the 0.05 level,different capital letters indicate that there is a significant difference between the same slope direction,the same amount of organic fertilizer,and different soil aggregate particle sizes at the 0.05 level

3 讨论

土壤团聚体的大小和数量对土壤质量及土壤有机碳稳定性均有影响，土壤团聚体也是土壤结构稳定的基本单位和重要指标[20]，探寻土壤团聚体稳定性对于研究高寒草甸土壤健康及土壤有机碳库稳定性具有重要意义[21]。土壤团聚体平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)的值越大，土壤结构越稳定，土壤抗侵蚀能力、保水保肥能力也就越好[18]。刘中良等[22]的研究结果表明，长期施用不同量有机肥明显促进土壤团聚体的形成。与不施肥相比，长期施用有机肥会提高土壤的MWD，有利于土壤结构的改善；长期施用有机肥促进土壤小颗粒向大颗粒转化，提高耕层土壤大团聚体含量，增加其结构稳定性[23-24]。通过施用有机肥使棕壤、黑垆土、红壤的土壤团聚体结构得到显著改善，团聚体稳定性提高，从而提升土壤保水保肥能力[17]。而坡向是重要地形因子，其影响地面与风向夹角，不同坡向光、热、水、土和植被分布均受影响。在阴坡和阳坡生境中，具有显著不同的土壤物化性质[9]。本研究表明，在短时间内，退化高寒草甸阳坡土壤随有机肥施用量的增加，GWD和MWD呈现先增加后减少的变化趋势，在有机肥施用量为0.75 kg·m-2时达到最大值，土壤结构最稳定，这表明在阳坡退化高寒草甸，短期内适量施用有机肥会提高土壤团聚体的机械稳定性，改善土壤结构，但过量施用有机肥，对土壤团聚体的机械稳定性有一定的抑制作用，这可能是由于有机肥使用量过大，短期内部分颗粒有机肥并未被土壤吸收利用，覆在土壤表面从而阻碍土壤呼吸产生抑制作用，有待进一步试验证明。在高寒草甸阴坡土壤中，GWD和MWD随有机肥施用量增加变化均不显著，且在各施肥处理下，阴坡土壤GWD和MWD均高于阳坡，这表明短期施肥处理下，阴坡土壤较阳坡土壤更稳定，且阴坡土壤稳定性本身就高于阳坡。这可能是由于阳坡受光照直射时间长，土壤温度偏高，蒸发量大，含水量低，而阴坡土壤环境较为潮湿，腐殖化程度较高[25]，从而导致阴坡土壤结构稳定性比阳坡强。土壤>0.25 mm的大团聚体数量与土壤状况呈正相关关系，其含量越高，土壤稳定性越好，土壤结构和质量越佳[2]。施用有机肥会提高土壤中腐殖物质的含量，腐殖质物质尤其是胡敏酸在土壤结构体的形成中具有重要的胶结作用，邵慧芸等[26]研究发现，施用有机肥后在胡敏酸等作用下土壤的<0. 25 mm的团聚体含量降低，进一步胶结变成较大的团聚体。本研究发现，阴坡阳坡土壤团聚体均以大于0.25 mm的大团聚体为主，相同坡向同一粒级土壤团聚体含量受有机肥不同施用量的影响不显著。这可能是由于本试验研究时间较短，短期内向退化高寒草甸输入有机肥不足以使土壤各粒级团聚体的含量发生显著变化。

土壤有机碳在维持土壤的物理、化学和生物学特征中起着关键性的作用[27]，是土壤团聚体形成的重要的胶结物质之一[28]。有机肥中含有一定的有机质和养分，不仅直接影响土壤有机碳的输入，还为土壤中微生物提供大量的有机质，提高微生物活性[12]，增加土壤有机碳的含量。有研究表明，由于有机质把微团聚体胶结成大团聚体，使得土壤中大团聚体的含量高于微团聚体[29]，且由于处于分解状态的地下根系和土壤菌丝的作用，增加了大团聚体有机碳的浓度[30-31]。这与本研究中各施肥处理下土壤大团聚体有机碳含量均较高结果相一致。刘中良等认为，随着有机肥的输入，先增加土壤团聚体的数量后提高团聚体有机碳的含量[22]。Six等[32]研究发现，与微团聚体中的有机碳相比，较大团聚体中有机碳更易老化，因此容易被土地利用方式改变，且大团聚体中植物来源的有机质较多，周转较快，对施肥等土壤改良方式比较敏感。谢锦升等[33]认为，有机物质输入的增加促进了团聚体的形成，从而改变土壤团聚体有机碳含量和贡献比例。不同施肥和耕作处理下不同粒径对总有机碳贡献率的差异显著，这是由于不同粒级的水稳性团聚体占比不同，占比越高，贡献率越高。本研究表明，在高寒草甸适量施用有机肥对土壤有机碳及大团聚体有机碳含量有明显的提高作用，且阳坡土壤有机碳含量对有机肥施用量的响应更敏感。但由于本研究试验时间较短，短期施肥条件下各处理间具有显著差异的处理较少，需要通过长期定位试验进一步观察研究。

4 结论

阳坡和阴坡退化高寒草甸在各施肥梯度下，土壤团聚体均以>2 mm粒级土壤团聚体和0.5～2 mm粒级土壤团聚体为主。相同坡向同一粒级土壤团聚体含量受短期内有机肥不同施用量的影响不显著。不同坡向MWD和GMD均随有机肥施用量增加呈现减少增加再减少的变化趋势，其数值分别在阳坡M3(0.75 kg·m-2)处理和阴坡CK(0 kg·m-2)处理达到最大。阴坡的MWD和GMD数值均高于相同处理的阳坡。土壤团聚体有机碳含量随着有机肥的施加呈现增加趋势，适量施用有机肥(阳坡(0.45 kg·m-2)，阴坡(1.35 kg·m-2)能够增加土壤大团聚体有机碳的含量。阴坡和阳坡不同施肥处理下>0.25 mm的大团聚体对有机碳的贡献率均为最高。