張秀芝，李強(qiáng)，高洪軍，彭暢，朱平，高強(qiáng)

長期施肥對黑土水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性及有機(jī)碳分布的影響

張秀芝1,2，李強(qiáng)1，高洪軍1，彭暢1，朱平1，高強(qiáng)2

（1吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，長春 130033；2吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，長春 130118）

【目的】基于黑土長期定位試驗(yàn)平臺，研究不同施肥方式下土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體和有機(jī)碳分布特征，以期揭示化肥和有機(jī)肥長期施用對土壤肥力的影響，為實(shí)現(xiàn)黑土合理培肥提供理論指導(dǎo)。【方法】依托37年黑土長期定位試驗(yàn)，采集CK（不施肥）、NPK（化肥）、M2（常量有機(jī)肥）、M2NPK（常量有機(jī)肥配施化肥）、M4（高量有機(jī)肥）、M4NPK（高量有機(jī)肥配施化肥）處理0—20 cm土層的土壤樣品，利用濕篩法分析水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性及有機(jī)碳在不同粒級團(tuán)聚體中的分配特征?！窘Y(jié)果】長期有機(jī)無機(jī)配施以及施高量有機(jī)肥顯著降低大團(tuán)聚體比例，提高微團(tuán)聚體比例。長期施用化肥及常量有機(jī)肥并未明顯改變團(tuán)聚體的分布。M2NPK、M4NPK、M4處理的大團(tuán)聚體比例較CK處理分別降低32.7%、45.8%和55.4%，而微團(tuán)聚體的比例較CK處理分別提高73.2%、102.5%和123.9%。長期有機(jī)無機(jī)配施及高量有機(jī)肥的施用顯著降低表層土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。長期施肥顯著增加土壤有機(jī)碳含量，增加量為CK的1.12—2.06倍，施用有機(jī)肥及有機(jī)無機(jī)配施處理有機(jī)碳含量增加更為顯著。長期施用有機(jī)肥可以增加各粒級水穩(wěn)性團(tuán)聚體中有機(jī)碳的含量，且隨著粒徑的變小，各處理有機(jī)碳含量的增加幅度逐漸減小。各處理水穩(wěn)性大團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量顯著高于微團(tuán)聚體，這表明有機(jī)碳主要分布在大團(tuán)聚體中。長期施高量有機(jī)肥及配施化肥顯著降低了大團(tuán)聚體對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率，增大了微團(tuán)聚體的貢獻(xiàn)率，即微團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率高于大團(tuán)聚體，而其他處理大團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率高于微團(tuán)聚體?！窘Y(jié)論】黑土長期施用化肥對團(tuán)聚體的分布及團(tuán)聚體有機(jī)碳含量沒有顯著影響。高量有機(jī)肥以及有機(jī)無機(jī)配施顯著降低了大團(tuán)聚體的比例，進(jìn)而降低土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。長期施用有機(jī)肥顯著增加土壤及各粒級團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量。高量有機(jī)肥及配施化肥顯著降低了大團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率，有機(jī)碳貢獻(xiàn)率的優(yōu)勢粒級為微團(tuán)聚體。

長期施肥；黑土；水穩(wěn)性團(tuán)聚體；有機(jī)碳含量；有機(jī)碳貢獻(xiàn)率

0 引言

【研究意義】土壤團(tuán)聚體是土壤的重要組成部分，也是形成良好土壤結(jié)構(gòu)的基本物質(zhì)。土壤團(tuán)聚體粒徑分布和穩(wěn)定性是衡量土壤物理質(zhì)量的重要指標(biāo)[1]。土壤有機(jī)碳是土壤團(tuán)聚體形成的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，促進(jìn)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成，同時(shí)土壤團(tuán)聚狀況也影響著土壤有機(jī)碳的分解[2]。有機(jī)碳含量與土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性之間具有較好的相關(guān)性，是土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的關(guān)鍵影響因子[3]。團(tuán)聚體水穩(wěn)性與土壤可蝕性密切相關(guān)。研究長期施肥對土壤團(tuán)聚體的組成及不同粒級有機(jī)碳含量的影響，可為闡明土壤有機(jī)碳循環(huán)與轉(zhuǎn)化供應(yīng)機(jī)制，揭示長期施肥條件下土壤肥力形成與變化規(guī)律，為黑土培育及抗侵蝕性提供理論依據(jù)。【前人研究進(jìn)展】關(guān)于施肥對土壤團(tuán)聚體組成、穩(wěn)定性及有機(jī)碳分布的影響已有大量報(bào)道。耿瑞霖等[4]在潮土的研究表明，長期施用有機(jī)肥顯著提高2—0.25 mm團(tuán)聚體數(shù)量，降低0.25—0.053 mm團(tuán)聚體比例。無機(jī)肥的施用增加了各粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，但對團(tuán)聚體的比例沒有影響。曾希柏等[5]對灌漠土團(tuán)聚體的研究表明，長期單施有機(jī)肥或配施氮肥能夠顯著提高各粒級水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，＞0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量與土壤有機(jī)碳水平呈顯著正相關(guān)。長期單施有機(jī)肥能促進(jìn)＞0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成。長期施用有機(jī)肥或有機(jī)無機(jī)配施可顯著增加紅壤大團(tuán)聚體的含量及土壤有機(jī)碳庫，有機(jī)碳主要向＞0.25 mm的團(tuán)聚體富集[6-7]。張久明等[8]對哈爾濱黑土的研究結(jié)果表明，長期施肥后，土壤2—0.25 mm 和 0.25—0.053 mm 團(tuán)聚體為優(yōu)勢粒級，0.25—0.053 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量最高，＜0.053 mm粒級團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量最低。長期施用化肥降低了土＞2 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體數(shù)量，增加了＜１mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量。施肥在一定程度上提高了水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳的含量，但施用高量氮、磷下0.25—0.5 mm和＜0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量明顯低于施用低量氮、磷肥料[9]。長期有機(jī)無機(jī)配施對土＞0.25 mm或＜0.25 mm團(tuán)聚體分布比例沒有顯著影響，顯著改變了土壤有機(jī)碳在團(tuán)聚體中的分配比例[10]。棕壤連續(xù)有機(jī)無機(jī)配合施用可顯著增加土壤大團(tuán)聚體數(shù)量、有機(jī)碳含量及碳儲量，而NPK長期施用顯著提高了黏粉粒含量及有機(jī)碳分配比例[11]。綜合來看，施肥影響團(tuán)聚體的分布、穩(wěn)定性及團(tuán)聚體有機(jī)碳的分布，但研究結(jié)果不盡相同。一方面，是由于土壤類型不同，其成土母質(zhì)及土壤質(zhì)地差異不同；另一方面，當(dāng)?shù)氐臍夂?、作物等也?huì)對團(tuán)聚體及有機(jī)碳含量產(chǎn)生影響?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】黑土是由強(qiáng)烈的腐殖質(zhì)累積和滯水潴積過程形成的，是一種特殊的草甸化過程。黑土養(yǎng)分含量豐富，肥力水平高，是重要的糧食產(chǎn)地。但黑土開墾后，連年的耕作施肥導(dǎo)致黑土腐殖質(zhì)含量下降，土壤侵蝕明顯。目前的研究多集中在宏觀的黑土養(yǎng)分研究，對于水穩(wěn)性團(tuán)聚體的穩(wěn)定性及團(tuán)聚體中碳的分布研究較少。【擬解決的關(guān)鍵問題】依托37年黑土長期肥料定位試驗(yàn)，采用濕篩法，測定不同粒級團(tuán)聚體含量及團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量，揭示黑土水穩(wěn)性團(tuán)聚體的穩(wěn)定性及不同粒級有機(jī)碳分布對長期施肥的響應(yīng)，以期為黑土培育及抗侵蝕性提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本試驗(yàn)在“國家黑土肥力和肥料效益監(jiān)測基地”進(jìn)行，試驗(yàn)始于1980年，監(jiān)測基地位于吉林省公主嶺市吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)地（124°48′33.9″E，43°30′23″N）。海拔220 m，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫5.5℃，無霜期125—140 d，有效積溫2 600—3 000℃，年降水量450—650 mm，年蒸發(fā)量1 200—1 600 mm，年日照時(shí)數(shù)2 500—2 700 h。每年12月至翌年3月份為土壤凍結(jié)期，凍土層厚可達(dá)1.5 m左右，地下水埋深14 m。試驗(yàn)始于1980年，土壤類型為發(fā)育于黃土母質(zhì)上的中層黑土，成土母質(zhì)為第四紀(jì)黃土狀沉積物，地勢平坦，地形呈漫崗波狀起伏。耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量28.1 g·kg-1，全氮1.9 g·kg-1，堿解氮114.0 mg·kg-1，全磷0.61 g·kg-1，有效磷11.8 mg·kg-1，全鉀18.4 g·kg-1，速效鉀 158.3 mg·kg-1，pH 7.8 。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置6個(gè)處理，分別為：CK（不施肥）、NPK（常量化肥）、M2（常量有機(jī)肥）、M2NPK（常量有機(jī)肥+常量化肥）、M4（高量有機(jī)肥）、M4NPK（高量有機(jī)肥+常量化肥）。大區(qū)試驗(yàn)，不設(shè)重復(fù)，每個(gè)試驗(yàn)區(qū)面積100 m2。種植的主要作物是玉米，一年一熟制。玉米在整個(gè)生育期內(nèi)不灌水，主要依靠自然降水。常量化肥處理為150 kgN·hm-2、75 kg P2O5·hm-2、75 kg K2O·hm-2?；蔔、P、K分別由尿素（N 46%）、磷酸二銨（N 18%，P2O546%）、硫酸鉀（K2O 50%）提供。有機(jī)肥施用量根據(jù)每年所用肥料的養(yǎng)分分析結(jié)果，以全氮含量為標(biāo)準(zhǔn)折算。有機(jī)肥為堆肥，有機(jī)質(zhì)含量13.0%—15.0%，全氮0.45%— 0.55%，全磷（P2O5）0.40%—0.50%，全鉀（K2O）0.1%—0.2%。M2每年施用有機(jī)肥30 t·hm-2，M4為2倍量的M2。有機(jī)肥在秋季收獲后施入土壤，化肥氮1/3基施，2/3于拔節(jié)期追施。磷、鉀肥與有機(jī)肥作為基施一次性施入。供試作物為玉米，品種為雜交玉米吉單101（1980—1988年），丹玉13（1989—1993年），吉單304（1994—1996年），吉單209（1997—2003年），鄭單958（2004—2017年）。玉米株行距為23.8 cm×70 cm，播種密度為60 000株/hm2，人工播種。播種時(shí)間為4月下旬，9月下旬收獲。玉米收獲后將地上部秸稈移出，實(shí)施根茬還田，其他管理措施與當(dāng)?shù)剞r(nóng)田一致。

1.3 樣品采集與分析

2017年玉米收獲后，將各小區(qū)劃分3部分，每個(gè)部分采集3個(gè)混合樣本，每個(gè)樣本按“S”采集5點(diǎn)。采取0—20 cm土層的原狀土，放在保鮮盒中帶回室內(nèi)。將采集的原狀土在室內(nèi)沿自然結(jié)構(gòu)輕輕掰成小土塊，除去粗根及小石塊，過10 mm篩，自然風(fēng)干，備用。

團(tuán)聚體分級采用薩維諾夫法[12]。干篩法（機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體）：稱取 500 g 風(fēng)干土置于一組不同孔徑（7、5、3、2、1、0.5、0. 25和0.053 mm）土壤篩的頂部，進(jìn)行干篩 5 min，分離出＞7、7—5、5—3、3—2、2—1、1—0.5、0. 5—0.25、0. 25—0.053和＜0. 053 mm 的土壤團(tuán)聚體，分別稱重，計(jì)算出各級干篩團(tuán)聚體占土樣總量的百分率。

濕篩法（水穩(wěn)性團(tuán)聚體）：從干篩各級土壤團(tuán)聚體中，按比例配成25 g風(fēng)干土樣。稱取這樣配比的土樣4份。將套篩按孔徑大小順序排好（2、0.25和0.053 mm）放于振蕩架上，并置于水桶中。調(diào)整桶內(nèi)水的高度，使套篩最上面篩子在振蕩位于最低位時(shí)的上緣部分稍高于水面，振蕩位于最高位置時(shí)土壤依然浸在水里。將配好的土樣放入最大孔徑的篩子中，靜止5 min，然后上下振蕩 3 min，振幅 3 cm。將各個(gè)篩子中的土壤洗出，在 50℃下烘干、稱重，即得到了＞2、2—0.25、0.25—0.053和＜0.053 mm的土壤團(tuán)聚體質(zhì)量。

把＞0.25 mm粒級的團(tuán)聚體稱為大團(tuán)聚體（Macro-aggregate），而＜0.25 mm粒級的團(tuán)聚體為水穩(wěn)性微團(tuán)聚體（Micro-aggregate）。

原土及各個(gè)團(tuán)聚體中有機(jī)碳用高溫外加熱重鉻酸鉀氧化-容量法測定[13]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

（1）土壤團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑的計(jì)算[14]

式中，MWD 為團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑（mm），Xi為任一級別范圍內(nèi)團(tuán)聚體的平均直徑（mm），Wi為對應(yīng)于Xi的團(tuán)聚體百分含量。

（2）幾何平均直徑的計(jì)算[14]

GMD = exp ∑lg XiWi /m

式中，GMD 為團(tuán)聚體幾何平均直徑（mm）。Xi 為任一級別范圍內(nèi)團(tuán)聚體的平均直徑（mm），Wi 為對應(yīng)于 Xi 的團(tuán)聚體百分含量，m為樣品總重量。

（3）土壤團(tuán)聚體破碎率（PAD）計(jì)算方法[15]

PAD = (Wd-Ww)/Wd×100%

式中，Wd和 Ww分別為＞0. 25 mm 干篩和濕篩團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

（4）分形維數(shù)[16]

式中，Xi 為兩篩分粒級間粒徑的平均值，Xmax 為最大粒級土粒的平均直徑，W（r＜Xi）為大于Xi的累積土粒重量，WT為土壤各粒級重量的總和，D為分形維數(shù)。

（5）各粒級土壤團(tuán)聚體對土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率

利用李瑋等[17]方法計(jì)算各粒級團(tuán)聚體對土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率。

團(tuán)聚體對土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率（%）=[該粒級團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量（g·kg-1）×該級團(tuán)聚體含量（%）/耕層土壤有機(jī)碳含量]× 100%。

2 結(jié)果

2.1 長期施肥對土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布的影響

從表1可以看出，不同粒級團(tuán)聚體含量因施肥處理不同而有差異。2—0.25、0.25—0.053 mm團(tuán)聚體含量較高。不同施肥處理對不同粒級團(tuán)聚體含量有一定影響。與CK相比，長期施肥降低了>2、2—0.25 mm水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的含量，提高了0.25—0.053和<0.053 mm水穩(wěn)性微團(tuán)聚體的含量。單施化肥（NPK）、常量有機(jī)肥（M2）處理較CK處理各粒級團(tuán)聚體比例變異較小，未達(dá)顯著水平。M2NPK、M4NPK、M4處理的大團(tuán)聚體占比較CK處理分別降低32.7%、45.8%和55.4%，微團(tuán)聚體的占比較CK處理分別提高73.2%、102.5%和123.9%，均達(dá)顯著水平。說明長期有機(jī)無機(jī)配施以及施高量有機(jī)肥顯著降低大團(tuán)聚體的比例，提高微團(tuán)聚體的比例。長期施用化肥及常量有機(jī)肥并未明顯改變團(tuán)聚體的分布。

表1 長期施肥下各粒級水穩(wěn)定性團(tuán)聚體分布

同一列中數(shù)據(jù)后不同字母表示同一粒級團(tuán)聚體不同處理間的差異水平達(dá)0.05。下同

Different letters in the same column indicate that the difference is significant up to 0.05. The same as below

2.2 長期施肥對土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

土壤團(tuán)聚體平均重量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）、團(tuán)聚體破壞率（PAD）及分形維數(shù)（D）常用來表征土壤中團(tuán)聚體的穩(wěn)定程度。尤其濕篩下的MWD與GMD更能反映土壤結(jié)構(gòu)的好壞：其值越大，說明土壤結(jié)構(gòu)越好；反之土壤結(jié)構(gòu)差，土壤養(yǎng)分易流失。表2表明，與CK相比，NPK和M2處理MWD、GMD無顯著差異，M2NPK、M4、M4NPK處理MWD、GMD顯著降低，分別較CK降低35.4%、44.8%、53.8%和47.2%、56.0%、65.6%。

長期不同施肥對土壤團(tuán)聚體破壞率的影響不同。與CK相比，NPK和M2處理團(tuán)聚體破碎率差異不顯著，而M2NPK、M4、M4NPK處理PAD顯著增加，分別是CK處理的2.1、2.4及2.7倍。從分形維數(shù)來看，與CK相比，M2NPK、M4、M4NPK處理的D值是顯著增加的，而NPK和M2處理變異較小，未達(dá)顯著水平。綜合MWD、GMD、PAD及D 4個(gè)水穩(wěn)性指標(biāo)來看，長期有機(jī)無機(jī)配施及高量有機(jī)肥的施用降低了表層土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。

從表3可以看出，＞0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量與MWD、GMD呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.985和0.971，這說明＞0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體比例越高，團(tuán)聚體平均重量直徑、幾何平均直徑越大，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性越好。＞0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量與PAD、分形維數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)，說明＞0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體團(tuán)聚體含量越低，破碎率越大，分形維數(shù)越高，土壤抗侵蝕性越差。也就是說，大團(tuán)聚體的比例決定著團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，大團(tuán)聚體比例越高，土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體越穩(wěn)定。

2.3 長期施肥對水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳分布的影響

經(jīng)過連續(xù)37年的耕種，不同施肥處理土壤有機(jī)碳含量差異顯著（圖1）。施肥顯著增加土壤有機(jī)碳含量，且處理間均達(dá)到顯著水平。M4NPK處理有機(jī)碳含量最高，達(dá)34.0 g·kg-1，是CK有機(jī)碳含量的2.06倍，其次是M4處理，有機(jī)碳含量為30.5 g·kg-1，是CK處理的1.85倍。M2處理有機(jī)碳含量高于M2NPK處理。M2和M2NPK處理的有機(jī)碳含量分別是CK處理的1.59、1.41倍。長期單施化肥（NPK）土壤有機(jī)碳含量較CK處理略有提高，約為CK的1.12倍。與對照相比，有機(jī)肥單獨(dú)施用或有機(jī)無機(jī)配施較化肥更能提高有機(jī)碳含量。

表2 長期施肥下土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)

表3 團(tuán)聚體穩(wěn)定性與大團(tuán)聚體含量的相關(guān)性

圖1 不同施肥處理土壤有機(jī)碳含量

有機(jī)碳在不同粒級水穩(wěn)性團(tuán)聚體中的含量與分布情況見圖2，與CK相比長期單施化肥對土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體中有機(jī)碳的含量沒有顯著影響，而長期單施有機(jī)肥、有機(jī)無機(jī)配施顯著增加不同粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，且有機(jī)肥施用量越高，團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量增加的越多。M4NPK、M4、M2、M2NPK處理與CK相比，粒徑＞2 mm團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量分別增加了157.2%、100.2%、52.2%、45.3%；粒徑2—0.25 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量分別增加了125.1%、106.6%、47.6%、38.57%；粒徑0.25—0.053 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量分別增加了94.2%、76.1%、41.9%、25.3%；＜0.053 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量分別增加了59.2%、58.6%、28.0%、26.1%。這說明，長期施用有機(jī)肥可以增加各粒級土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體中有機(jī)碳的含量，且隨著粒徑的變小，各處理有機(jī)碳含量的增加幅度逐漸變小，處理間差異縮減，但仍達(dá)顯著水平?？傮w來看，各處理水穩(wěn)性大團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量顯著高于微團(tuán)聚體，這表明有機(jī)碳主要分布在大團(tuán)聚體中。

圖2 不同施肥處理對各級團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量的影響

2.4 水穩(wěn)性團(tuán)聚體對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率

表4表明，各施肥處理對土壤有機(jī)碳貢獻(xiàn)率最大是2—0.25 mm和0.25—0.053 mm兩個(gè)粒級的團(tuán)聚體。M4、M4NPK處理0.25—0.053 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率最大，其次是2—0.25 mm團(tuán)聚體。CK、NPK、M2、M2NPK處理2—0.25 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率最大，其次是0.25—0.053 mm團(tuán)聚體。施肥處理顯著降低了＞2 mm團(tuán)聚體中有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率，與CK相比，M2NPK、M4、M4NPK處理團(tuán)聚體中有機(jī)碳貢獻(xiàn)率分別降低70.4%、73.6%和78.6%，NPK、M2處理有機(jī)碳貢獻(xiàn)率下降19.9%、28.3%。2—0.25 mm團(tuán)聚體中，只有M4、M4NPK有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率是顯著降低的，其他處理雖有降低，但未達(dá)顯著水平。0.25—0.053 mm、＜0.053 mm團(tuán)聚體中，M2NPK、M4、M4NPK對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率是顯著增加的，分別較CK增加44.1%、94.9%、76.8%和80.2%、69.8%、141.7%；NPK、M2未有顯著影響。總體來看，長期施用化肥及常量有機(jī)肥對微團(tuán)聚體有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率沒有顯著影響，對大團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率的影響也僅是在＞2 mm的團(tuán)聚體；但有機(jī)無機(jī)配施及高量有機(jī)肥的長期施用顯著降低大團(tuán)聚體的有機(jī)碳貢獻(xiàn)率，提高微團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率。這主要是有機(jī)無機(jī)配施及施高量有機(jī)肥顯著降低了大團(tuán)聚體的比例，增加微團(tuán)聚體的比例導(dǎo)致的。長期施用化肥及常量有機(jī)肥大團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率高于微團(tuán)聚體，而高量有機(jī)肥的兩個(gè)處理微團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率顯著高于大團(tuán)聚體，常量有機(jī)無機(jī)配施大、小團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率相當(dāng)。

3 討論

3.1 長期施肥條件下的土壤團(tuán)聚體分布及穩(wěn)定性

土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性受母質(zhì)、氣候、土地管理、耕作以及礦物組成、土壤有機(jī)質(zhì)、微生物活動(dòng)等一系列土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)影響，本試驗(yàn)基于長期定位平臺下，重點(diǎn)評價(jià)不同化肥和有機(jī)肥配施處理對土壤團(tuán)聚體分布、穩(wěn)定性等的影響。有機(jī)無機(jī)配施增加土壤大團(tuán)聚體比例，降低土壤微團(tuán)聚體比例[18-19]。本研究中，不同施肥處理對土壤團(tuán)聚體比例的影響不同。長期施用化肥及常量有機(jī)肥對土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體、微團(tuán)聚體比例并無顯著影響，而長期有機(jī)無機(jī)配施及高量有機(jī)肥的施用顯著降低了大團(tuán)聚體比例，增加了微團(tuán)聚體比例。

表4 土壤各級別團(tuán)聚體對土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率

MWD、GMD作為衡量團(tuán)聚體穩(wěn)定性的指標(biāo)，已被用于評價(jià)有機(jī)肥對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響。土壤結(jié)構(gòu)越好、穩(wěn)定性越強(qiáng)，則MWD、GMD值越大。破壞率（PAD）是表達(dá)水對土壤團(tuán)聚體的破壞能力，即團(tuán)聚體的水穩(wěn)定性。分形維數(shù)D是評價(jià)團(tuán)聚體特征更敏感且更準(zhǔn)確的參數(shù)，D值越大說明土壤中小級別的團(tuán)聚體的數(shù)量越大，土壤質(zhì)地越細(xì)，土壤的改良程度越高，D值越小說明土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)越好、結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定[20-22]。以往研究表明，施用有機(jī)肥提高土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，但在本研究中，長期施用高量有機(jī)肥及有機(jī)無機(jī)配施較CK顯著降低了MWD、GMD，增加了團(tuán)聚體破碎率及分形維數(shù)，從而導(dǎo)致團(tuán)聚體穩(wěn)定性的降低。XIE等[23]基于30年的定位試驗(yàn)結(jié)果與本研究相一致，與低量豬糞相比，高量豬糞的投入降低了棕壤大團(tuán)聚體的含量與穩(wěn)定性。這可能是由于有機(jī)肥中含有較多的K+、Na+等一價(jià)陽離子，這些陽離子可能提高了土壤膠體的分散，促進(jìn)了大團(tuán)聚體的破散[24-25]，降低了團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[26]。

3.2 長期施肥條件下的團(tuán)聚體有機(jī)碳含量

長期以來，有機(jī)肥的施用一直被認(rèn)為是提高有機(jī)碳含量的有效途徑[27-29]。本研究表明，與CK相比，施肥顯著增加土壤有機(jī)碳含量，且各施肥處理間均達(dá)到顯著水平（＜0.05）。單獨(dú)施用有機(jī)肥或有機(jī)無機(jī)配施較化肥更能提高有機(jī)碳含量。這是由于有機(jī)肥的施用直接增加土壤有機(jī)碳含量，另外，作物在施肥的條件下能獲得更高的生產(chǎn)力，增加了作物殘茬量，同時(shí)促進(jìn)根分泌物的增加，從而導(dǎo)致土壤有機(jī)碳的額外輸入量增加[30-33]。

許多長期定位試驗(yàn)表明，有機(jī)無機(jī)配施不僅可以增加土壤有機(jī)碳含量，還可以增加各級團(tuán)聚體有機(jī)碳含量[34-36]。本研究中，＞2 mm粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳含量最高，隨著團(tuán)聚體粒徑的減小，團(tuán)聚體有機(jī)碳含量降低，這說明大團(tuán)聚體對有機(jī)碳具有一定的富集作用[37]。同一粒級水穩(wěn)性團(tuán)聚體中，長期單施化肥對土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體中有機(jī)碳的含量沒有顯著影響，而長期單施有機(jī)肥、有機(jī)無機(jī)配施顯著增加不同粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，且有機(jī)肥施用量越高，團(tuán)聚體有機(jī)碳增加的越多。這說明施用有機(jī)肥有利于農(nóng)田土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的積累[38]。

3.3 長期施肥條件下團(tuán)聚體對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率

施肥不僅影響團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳的含量，還會(huì)對各級團(tuán)聚體中有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率產(chǎn)生影響。張久明等[8]研究指出黑土長期施肥促進(jìn)土壤大團(tuán)聚體的形成，大團(tuán)聚體對養(yǎng)分的貢獻(xiàn)率也相對較高。各施肥處理土壤有機(jī)碳貢獻(xiàn)率最大的依次為粒級2—0.25 mm和 0.25 —0.053 mm的團(tuán)聚體。徐江兵等[7]指出，增施有機(jī)肥紅壤大團(tuán)聚體有機(jī)碳對總有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率增加，其中以＞2 mm增加最快，而＜0.053 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率呈明顯下降趨勢。本研究中，各施肥處理土壤有機(jī)碳貢獻(xiàn)率最大的是2—0.25 mm和0.25—0.053 mm兩個(gè)粒級的團(tuán)聚體。高量有機(jī)肥處理土壤中微團(tuán)聚體居優(yōu)勢，其對土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率達(dá)60.8%— 62.2%，不施肥、單施化肥及常量有機(jī)肥處理大團(tuán)聚體居優(yōu)勢，有機(jī)碳貢獻(xiàn)率為53.1%—79.4%。雖有大量研究已表明，無論施用化肥還是有機(jī)肥均能增加各粒級團(tuán)聚體中有機(jī)碳的含量，但團(tuán)聚體對土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率大小主要受其含量高低的影響[39]，所以凡是影響團(tuán)聚體組成的因素都會(huì)影響到對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率。

4 結(jié)論

（1）長期有機(jī)無機(jī)配施以及施高量有機(jī)肥顯著降低大團(tuán)聚體比例，提高微團(tuán)聚體比例；長期施用化肥及常量有機(jī)肥并未明顯改變團(tuán)聚體的分布。（2）長期有機(jī)無機(jī)配施及高量有機(jī)肥的施用顯著降低表層土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。（3）長期施肥顯著增加土壤有機(jī)碳含量，施用有機(jī)肥處理有機(jī)碳含量增加更為顯著。長期施用有機(jī)肥可以增加各粒級土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體中有機(jī)碳的含量，且隨著粒徑的變小，各處理有機(jī)碳含量的增加幅度逐漸減小。各處理水穩(wěn)性大團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量顯著高于微團(tuán)聚體。（4）由于高量有機(jī)肥的施用及配施化肥顯著改變團(tuán)聚體比例，因而對團(tuán)聚體有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率的影響也呈顯著水平。長期施高量有機(jī)肥及配施化肥顯著提高微團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率，其他處理以大團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率較高。（5）施用有機(jī)肥可以有效提升土壤質(zhì)量，但有機(jī)肥用量并非越高越好，過量的施用有機(jī)肥不利于土壤結(jié)構(gòu)的改善，因此，適度的施用有機(jī)肥有利于改善土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，提升團(tuán)聚體碳庫水平。

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Effects of Long-term Fertilization on the Stability of Black Soil Water Stable Aggregates and the Distribution of Organic Carbon

ZHANG XiuZhi1,2, LI Qiang1, GAO HongJun1, PENG Chang1, ZHU Ping1, GAO Qiang2

(1Institute of Agricultural Resource and Environment, Jilin Academy of Agricultural Sciences, Changchun 130033;2College of Resources and Environmental Sciences, Jilin Agricultural University, Changchun 130118)

【Objective】Based on the long-term fertilization experiment station, in aims to study the influences on the soil fertility by long-term application of chemical fertilizer and manure, the characteristics of water stable aggregates and structure of organic carbon was analyzed under different fertilizer application conditions.【Method】0-20 cm soil samples were collected from the 37-year long-term field experiment, including six treatments: CK (no fertilizer), NPK (chemical fertilizer alone), M2(normal manure application), M2NPK (the chemical fertilizer combined with normal manure rate), M4(high quantity manure application), and M4NPK (the chemical fertilizer combined with high quantity manure rate). Stability of water stable aggregates and distribution of organic carbon in aggregates were analyzed by wet sieve method.【Result】The proportion of large aggregates was reduced,while the proportion of micro aggregates was increased significantly under long-term application of organic and chemical fertilizer and high amount of organic fertilizer conditions. There was not significant change for the distribution of aggregates under long-term application of chemical fertilizer and constant organic fertilizer conditions. Compared with CK, the proportions in macro-aggregate of M2NPK, M4NPK and M4were reduced by 32.7%, 45.8% and 55.4%, respectively, and the proportion of that in micro-aggregate were increased by 73.2%, 102.5% and 123.9%, respectively. The stability of surface soil water stable aggregates was reduced significantly under long-term organic combined chemical fertilizer and high amount of organic fertilizer conditions. The soil organic carbon content was increased significantly by 1.12-2.06 times as much as CK under long-term fertilization condition, and the increase of organic carbon content was more significantly in organic fertilizer and organic combined with chemical fertilizer. The content of organic carbon in soil water stable aggregates of each size was increased under long-term organic fertilizer application, while the increase of organic carbon content in each treatment was gradually decreased with the decrease of particle size. Organic carbon content in the water stable macro-aggregate was significantly higher than that in the micro-aggregate, indicating that the organic carbon was mainly distributed in the macro-aggregate. The contribution rate of organic carbon in macro-aggregate was reduced significantly, and the contribution rate of organic carbon was increased significantly in micro-aggregate under long-term application of high amount of organic and combined with chemical fertilizer. The contribution rate of organic carbon in other treatments was higher in macro-aggregates than in micro-aggregates.【Conclusion】There were no significant effect for distribution and organic carbon content in aggregates under long-term chemical fertilization. The proportion of macro-aggregates and the stability of soil aggregates were reduced significantly under high amount of organic fertilizer and combination of organic and chemical fertilizer. The content of organic carbon in the aggregates was increased significantly under long-term application of organic fertilizer. The contribution rate of organic carbon in macro-aggregates was reduced significantly under high amount of organic fertilizer and combined with chemical fertilizer. The micro-aggregate was the dominant aggregate size of the organic carbon contribution rate.

long-term fertilization; black soil; water stable aggregates; content of organic carbon; contribution rate of organic carbon

2019-06-05；

2019-09-12

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFD0800905、2016YFD0800103）、中歐農(nóng)田土壤質(zhì)量評價(jià)及提升技術(shù)合作項(xiàng)目（2016YFE0112700-3）

張秀芝，Tel：0431-87063170；E-mail：zhangxiuzhi2006@163.com。通信作者朱平，Tel：0431-87063170；E-mail：zhuping1962@sohu.com。通信作者高強(qiáng)，E-mail：gyt199962@163.com

（責(zé)任編輯 李云霞）