王迪， 吴新亮， 蔡崇法†， 杨伟

(1.农业部长江中下游耕地保育重点实验室，430070，武汉；2.华中农业大学资源与环境学院，430070，武汉；3.湖北省水利水电科学研究院，430070，武汉)



长期培肥下红壤有机碳组成与团聚体稳定性的关系

王迪1,2， 吴新亮1,2， 蔡崇法1,2†， 杨伟3

(1.农业部长江中下游耕地保育重点实验室，430070，武汉；2.华中农业大学资源与环境学院，430070，武汉；3.湖北省水利水电科学研究院，430070，武汉)

摘要：为研究培肥措施对红壤有机碳组成和团聚体稳定性的影响，以及有机碳与团聚体稳定性的关系，通过长期定位实验，选取不同施肥措施(未培肥CK、化肥NPK、化肥+秸秆NPKS和粪肥AM)下的典型红壤为研究对象，分析土壤有机碳组成和团聚体稳定性差异，揭示3种施肥措施下不同层次的有机碳组成和团聚体稳定性的变化规律。结果表明，3种施肥措施均可以提高土壤表层(0～25 cm)有机碳质量分数(尤其是颗粒有机碳)，其中AM效果最显著，NPKS次之。不同施肥措施下红壤不同层次的团聚体稳定性顺序为AM>NPKS>NPK>CK。与CK相比，AM处理对表下层(5～15 cm)土壤的总有机碳和团聚体稳定性的提高效果最显著。回归分析表明，颗粒有机碳(POC)与湿筛法平均质量直径以及快速湿润(FW)、慢速湿润(SW)、预湿润震荡(WS)3种处理的平均质量直径的相关性最好(R2=0.79、0.80、0.66、0.81)，说明相对于其他组分，颗粒有机碳更有利于降低消散作用以及抵抗机械破碎进而增强团聚体稳定性，是间接评价土壤团聚体稳定性的良好指标。

关键词：培肥措施； 颗粒有机碳； 矿物结合态有机碳； 平均重量直径； 团聚体稳定性； 总有机碳； 红壤

团聚体是土壤结构的基本单元，作为土壤团聚体的重要组成部分，有机碳不仅是土壤微生物和植物生命活动的重要能量养分来源，而且是影响土壤结构的一个重要因素[1]。团聚体的形成和稳定与有机碳有着密切的关系[2-3]。施用有机肥以及化肥是提高土壤有机碳质量分数的有效手段。研究表明单施有机肥或有机无机肥料配施都可以增加土壤的有机碳质量分数，尤其是耕层土壤[4]；但是其他化肥配施或是单独施用对有机碳的影响结论并不一致[5-8]。有研究[9]认为施用氮磷钾化肥，能够显著提高土壤有机碳质量分数。也有研究[10-11]认为单施化肥引起土壤C/N降低，加速土壤有机碳的分解矿化，消耗原始有机碳，不利于其在土壤中的累积。有机肥与化肥配施能通过二者之间的交互作用促进微团聚体胶结形成较大粒径的团聚体[12-13]，显著提高土壤中大团聚体的数量和稳定性[14-15]。有机肥的施用显著增加土壤的团聚作用，可在一定程度上削减耕作对团聚体的破坏作用，减缓团聚体的周转[16]，是改善土壤团粒结构，提高红壤生产力的有效措施[17]。团聚体和有机碳是不可分割的，前者是后者存在的场所，后者是前者存在的胶结物质[18]。有机碳受到团聚体数量和周转的影响[19]，在团聚体保护下的土壤有机碳比未受保护的更不易分解，并且有机碳在微团聚体中比在大团聚体中周转慢[20]。

红壤主要分布在我国南方的14个省区，总面积为218万hm2，占我国耕地总面积的28%左右，为我国棉粮油的重要产区[21]。由于气候、降水等自然因素以及人为因素的影响，导致该土壤极易受到侵蚀，作物产量较低[22]，因此研究该区域在耕作施肥条件下对土壤结构稳定性的影响十分必要。土壤颗粒有机碳(particulate organic carbon, POC)是与土壤砂粒组分结合的那部分有机碳，通常由半分解或未分解的动植物以及根系残体组成[23]，稳定性较低，比土壤总有机碳(total organic carbon, TOC)更易受到人为管理措施的影响，是土壤中比较容易受到调控的一类物质[24]；矿物结合态有机碳(mineral-associated organic carbon, MOC)指有机物的最终分解产物与土壤粉粒和粘粒结合的有机碳，周转期较长，较稳定，活性低。近些年来，关于不同培肥方式对POC和MOC的影响的研究增多。各种施肥措施均能在不同程度上增加POC和MOC质量分数[25]，对其在不同粒级土壤中的分布也有影响[26]，并且能够增强土壤结构稳定性[27]；但多数研究并没有深入分析长期培肥下POC及MOC对土壤团聚体稳定性的影响。笔者基于长期定位实验，研究培肥措施对红壤POC和MOC的影响及其与团聚体稳定性的关系，这对于南方红壤区的土壤改良、指导农业生产活动具有一定的参考意义。

1研究区概况

研究区位于湖北省咸宁市贺胜桥镇。贺胜桥镇(E 114°16′～114°29′，N 29°57′～30°02′)，东西长31.5 km，南北宽10.1 km，东部为丘陵岗地，西部为平原湖区，地形东高西低，由东南向西北呈高丘、丘岗、平湖变势。属于亚热带大陆性季风气候。冬季盛行偏北风，偏冷干燥；夏季盛行偏南风，高温多雨。年平均气温16.8 ℃，极端最高气温41.4 ℃，极端最低气温为-15.4 ℃。年均降水量为1 300 mm左右，降雨主要集中在3—6月之间。年平均日照时间为1 754.5 h，年无霜期为245～258 d。研究区土壤主要为红壤和红棕壤，水土流失现象明显，空间分布广泛。

2材料与方法

2.1培肥方法

供试土壤采集于华中农业大学位于咸宁贺胜桥红壤试验站的培肥管理小区。培肥小区始建于1998年，土壤为第四纪黏土发育的红壤，质地为黏土。本实验选取4种不同培肥措施：未培肥 (CK)，化肥 (NPK)，化肥+秸秆 (NPKS) 和粪肥 (AM)。肥料用量：N: 175 kg/hm2CO(NH2)2； P: 150 kg/hm2Ca(H2PO4)2·H2O；K: 115 kg/hm2K2O ；秸秆：1 666 kg/hm2；粪肥：10 000 kg/hm2猪粪，有机质质量分数31%～35%。每种培肥措施设置4个重复，随机区组设计，一共16个小区，单个小区宽3 m长7 m，每年进行玉米(6行)和小麦(4行)的轮作，在播种前人工翻耕15 cm，播种时的深度为5 cm，并且在播种的同时施用肥料。本实验分别在每种处理的4个小区中各选择3个点，在0～5，5～15，15～25和 25～40 cm分别采集。将同一培肥措施同一深度的12个土样混合均匀，各措施每个层次采取约3kg土样，存放于硬质塑料盒中带回实验室。土样在室内风干后过筛，备用。

相关理化性质分析：pH采用水土比为2.5∶1——电位法测定；土壤密度采用环刀法测定；土壤有机碳采用重铬酸钾容量法——外加热法测定；机械组成采用吸管法测定。实验前土壤基本理化性质见表1。

表1　供试红壤(CK)基本理化性质

注：砂粒：>0.05 mm；粉粒：0.002～0.05 mm；黏粒：<0.002 mm。Note: Sand: >0.05 mm； Silt: 0.002～0.05 mm； Clay: <0.002 mm.

2.2POC和MOC的测定

土壤颗粒有机物提取参考C.A.Cambardella et al.[23]提供的方法提取，具体过程为：取风干过2 mm筛的土壤样品10.00 g，然后在土样中放入30 mL的5 g/L六偏磷酸钠(NaPO3)6溶液，混合均匀后，用振荡器90 r/min振荡18 h后，把土壤悬液过0.05 mm筛，反复用蒸馏水冲洗直到冲洗液澄清，收集所有留在筛子上的物质。筛上的物质用于测定POC质量分数。过筛的物质用于测定MOC质量分数。将筛上和过筛的物质在60℃下过夜烘干称量并计算其所占土壤的比例。

有机碳质量分数用重铬酸钾容量法—外加热法测定。用下列公式[28]计算：

CP=SPWP，

(1)

CM=CT-CP，

(2)

RP=CP/CT×100，

(3)

RM=CM/CT×100。

(4)

式中：CP、CM、CT分别为POC、MOC和TOC的质量分数，g/kg；SP为筛上物质中SOC的质量分数，g/kg；WP为筛上的物质的质量占土壤质量的比例，%；RP、RM为POC和MOC的分配比例，%。

2.3团聚体稳定性测定

团聚体稳定性采用湿筛法和LB法测定，为与前人已有的研究[1]保持连贯性、系统性和可比性，笔者选取5～8 mm团聚体进行稳定性分析。

1) 湿筛法：称取50 g 5～8 mm团聚体进行湿筛。将土样倒入套筛(5、2、1、0.5、0.25 mm)顶层，后以35次/min的频率和4 cm的振幅上下震动套筛30 min。然后将套筛缓慢提出水面，将筛下的物质再过0.1 mm的筛子。分别收集各筛网上的水稳性团聚体，烘干后称量，获得各粒级水稳性团聚体所占的比例，计算平均质量直径(mean weight diameter, MWD)：

(5)

式中：dMWwet为湿筛法平均质量直径，mm；mi为第i粒级团聚体的质量占土样质量的比例，%；(ri-1+ri)/2为相邻两级团聚体的平均粒径，mm；n为筛子数，个。

2) LB法3种处理分别为快速湿润(fast wetting, FW)，慢速湿润(slow wetting, SW)和预湿润震荡(wet stirring, WS)。FW处理，先将10 g 5～8 mm团聚体在蒸馏水中浸没10 min；SW处理，先把10 g团聚体在-0.3 kPa张力的滤纸上静置，使其完全湿润；而WS处理，首先将10 g团聚体在酒精中浸泡10 min，然后将其转移至250 mL锥形瓶中，加入200 mL蒸馏水，盖上橡皮塞后上下震荡20次。在3种处理之后，分别将团聚体颗粒转移至0.05 mm的筛网上，在酒精中上下震荡20次。然后收集筛子上的团聚体颗粒，40 ℃烘干后过筛称量，分别计算MWD。为评价土壤团聚体破坏机制，利用相对消散指数(relative slaking index，RSI)和相对机械破碎指数(relative mechanical crushing index，RMI)来分别评价红壤团聚体破坏中对消散作用和机械破碎作用的敏感程度[29]。

(6)

(7)

式中：dMWFW、dMWSW、dMWWS分别为FW、SW和WS 3种处理下的MWD，mm；IRS、IRM分别为相对消散指数(RSI)和相对机械破碎指数(RMI)，%。

2.4数据处理

数据处理利用Excel 2010和SPSS 17.0进行分析。方差分析运用最小显著差数法(LSD)进行多重比较，显著水平为P<0.05。

3结果与分析

3.1培肥措施对有机碳的影响

3.1.1总有机碳不同培肥措施下土壤的有机碳质量分数如表2所示：对于整个剖面，不同培肥措施的有机碳质量分数的大小顺序为AM>NPKS>NPK>CK。施肥可以显著提高表层(0～25 cm)土壤TOC质量分数。施肥处理通过提高作物生物产量和归还农田土壤的根茬量增加土壤有机碳质量分数，同时促进根系和微生物的活动——向土壤分泌更多的有机代谢物。与CK相比，0～5、5～15和15～25 cm土层中AM措施下的TOC质量分数分别提高了120%、126%和78%。有机肥对提高土壤TOC的作用大于无机肥[30]，有机肥本身为土壤提供直接的有机碳源，明显增加土壤有机碳库。本实验AM措施的提高效果尤为显著。对于表下层(25～40 cm)土壤，施肥对土壤TOC的作用不大，说明施肥对土壤有机碳的影响主要表现在表层，这与其他学者的研究结果[31]一致。

表2　4种培肥措施不同土层深度的有机碳质量分数

注：表中的“字母/字母”表示在显著水平P<0.05的情况下“同一土壤深度中不同培肥处理下的差异水平/同一肥料处理下不同土壤深度的差异水平”。相同字母表示二者之间没有显著差异，不同字母表示二者之间差异显著。Note: The “letter/letter” in the table indicates “differences in the level of different fertilizer treatments under the same soil depth/differences in the level of the different soil depths under same fertilizer treatment” in the significant level ofP< 0.05. Same letters indicate no significant difference between the two, and different letters indicate a significant difference. CK: no fertilization as a control; NPK: chemical fertilization; NPKS: chemical fertiliszation plus straw; AM: pig manure fertilization. The same as below.

3.1.2POC及MOC由表2可知，不同深度的土层的POC的大小顺序都为AM>NPKS>NPK>CK。与CK相比，0～5 cm、5～15 cm和15～25 cm土层中AM措施下的POC质量分数分别提高了257%、134%和228%。AM措施下的土壤POC质量分数显著高于其他措施。AM直接提供与颗粒有机碳组成相近的有机碳组分，因而增加POC的效果最好。长期配施化肥一方面不利于形成良好的土壤团粒结构，使POC缺乏物理保护, 容易被微生物利用而损失；另一方面为微生物提供直接的速效养分，使土壤生物活性增强，加速POC向腐殖化物质的转化[25-26，32]，使化肥配施对POC增加幅度小于粪肥；同时，这也是有机肥配施化肥增加POC的作用小于有机肥的原因。NPKS与NPK措施比较，POC的差异不大，这与其他学者的研究结果[33]类似，因此可能还需要进一步研究秸秆还田条件下的POC为何积累不高的原因。POC质量分数随着土壤深度的增加而减少，其原因是表层的生物活动更活跃，有机碳归还量更高，而且由于实验中的施肥措施都属于浅施，使得土壤表层(0～25 cm)的POC质量分数比表下层(25～40 cm)更大。

AM的长期施用显著提高土壤不同层次，特别是土壤表层(0～25 cm)的MOC质量分数。与CK相比，0～5、5～15和15～25 cm土层中AM措施下的MOC质量分数分别提高了62%、79%和52%。NPK和NPKS措施也提高了土壤中MOC的质量分数，但效果不显著。施肥有利于MOC质量分数的增加，各施肥处理MOC的增加应归因于土壤总有机物质输入量的增加，增加土壤有机碳的存储。

POC和MOC在土壤总有机碳中的所占比例差异较大。土壤有机碳主要以MOC的形式存在，MOC占TOC的51.5%～93.1%。樊廷录等[34]发现长期增施有机肥、秸秆还田提高了POC与MOC的比例，POC增幅明显高于TOC，对施肥响应最敏感。本实验中，与CK相比，各种培肥措施都会在不同程度上增加POC所占的比例，其中以AM处理所提高的比例最多，说明长期施肥能提高POC在TOC中所占的比例，增加土壤中有机碳的活性。

3.2培肥措施对团聚体稳定性的影响

由表3可知，不同施肥措施下表层(0～15 cm)土壤团聚体稳定性的大小顺序为：AM>NPKS>NPK>CK。与CK相比，0～5 cm和5～15 cm土层AM措施下的MWD分别提高了44%和138%。对于表下层(15～40 cm)土壤，施肥对团聚体稳定性的影响不明显，不同处理之间的差距较小。

表3基于湿筛法的不同培肥措施下土壤团聚体的平均质量直径

Tab.3MWD of soil aggregates under different fertilizertreatmentsbased on wet sieving treatment

土层Soillayer/cmdMWwet/mmCKNPKNPKSAM0～51.88d/a2.00c/a2.48b/a2.70a/a5～151.05d/b1.54c/b1.86b/b2.51a/b15～250.62b/c0.72a/c0.53c/c0.56bc/c25～400.52b/c0.73a/c0.45c/c0.51bc/d

Note: MWD: mean weight diameter.dMWet: MWD while in wet sieving. The same as below.

由表4可知，FW得到的MWD的平均值最小，SW得到的MWD的平均值最大，结合图1可以发现，RSI都大于同处理同层次下的RMI，说明消散作用是团聚体主要破碎机制。3种处理所得的MWD并没有完全相同的变化趋势，在FW和SW的0～15 cm土层深度中，得到的MWD的顺序大致上都表现为AM>NPKS>NPK>CK，与湿筛法得到的MWD的趋势相似，而SW处理中不同层次之间的差异并不十分显著。团聚体的RSI和RMI的值越高，则表明团聚体对消散作用和机械破碎作用越敏感。如图1所示，在0～15 cm土层深度中，RSI和RMI的大小顺序均为CK>NPK>NPKS>AM，说明AM措施下的团聚体在消散和机械破碎作用下可以保持较高稳定性。这表明培肥能够促进团聚体稳定性的提高，并且粪肥对土壤结构的改善最明显[1]，长期施有机肥比施化肥更有利于土壤团聚体稳定。

回归分析(图2和表5)表明，TOC与不同处理下的团聚体稳定性都有着显著的相关关系(图2和表5)。其中，TOC与湿筛法和WS处理下的MWD之间的拟合线性趋势线的效果最好，而与SW处理下的MWD的趋势线拟合程度最低。章明奎等[35]发现红壤水稳性团聚体的质量分数与稳定性土壤的有机碳质量分数呈现正相关。TOC的变化趋势与FW处理下的MWD总体上是一致的，说明有机碳的

表4　基于LB法的不同培肥条件下不同土壤深度的平均质量直径

Note:dMWFW,dMWSW,anddMWSWis MWD under the treatment of FW (fast wetting), SW (slow wetting) and WS (wet stirring) respectively. LB: Le Bissonnais. The samne as below.

图1　供试红壤团聚体的相对消散指数和相对机械破碎指数Fig.1　Relative slaking index and relative mechanical crushing index of aggregates of the studied red soil

图2　不同处理平均质量直径与土壤总有机碳的回归分析Fig.2　Regression analysis of MWD with soil organic carbon content at different treatments

图3　不同处理平均质量直径与土壤颗粒有机碳和矿物结合态有机碳的回归分析Fig.3　Regression analysis of MWD with soil particulate and mineral-associated organic carbon content at different treatments

增加对降低团聚体对消散作用的敏感程度有促进作用。

3.3有机碳与团聚体稳定性的关系

POC和MOC与不同处理下的团聚体稳定性都有显著的回归关系(图3和表5)，但POC与MWD的相关性高于MOC。POC比TOC更加敏感，提高这部分有机碳在土壤中的比例，对提高团聚体的稳定性有着十分重要的作用。随着土壤POC的增加，不同处理下的MWD增加，说明POC作为一类重要的有机碳可以提高团聚体的稳定性。POC和MOC与湿筛法、FW处理和WS处理得到的MWD之间趋势线的拟合程度较高，而与SW处理的MWD的趋势线的拟合程度最小。说明POC和MOC的提高可以很好地增强土壤团聚体对机械作用的抵抗能力，降低其对消散作用的敏感程度。

由表5可知，TOC、POC和MOC与湿筛法、FW处理和WS处理得到的MWD之间的回归关系都为极显著的线性回归关系(P<0.01)，而与SW处理的MWD呈对数回归关系，这说明随着有机碳组分质量分数的不断增加，SW的MWD逐渐趋于稳定，而在有机碳质量分数较低的情况下，增加有机碳含量，可以明显减少不均与膨胀对土壤团聚体稳定性的影响。POC与每一处理下的MWD的关系都极为密切，且方程系数a都相对较大，说明它对团聚体的稳定性影响程度相对较大。POC作为一类过渡的有机碳可以填补团聚体的某些空隙，减小水分进入团聚体的速率，有助于增强团聚体的斥水性，从而增加团聚体的稳定性。而其他二者虽可以提高团聚体稳定性，但是关系密切程度并不及POC。由上述结果可以看出，POC对团聚体稳定性的影响程度比较高，其质量分数能够比较好的指示土壤中的团聚体稳定性，是间接评价土壤团聚体稳定性的良好指标。

4结论

1) 3种施肥措施(AM、NPKS和NPK)可以不同程度地提高土壤表层(0～25 cm)的TOC(POC和MOC)的质量分数，其中以AM措施最明显。POC和MOC在土壤TOC中的分配在不同培肥措施下有较大的差异，AM对0～5 cm土层POC/TOC的提高作用最大。

表5　回归方程系数值

注：a和b为方程系数。Note:aandbare the equation coefficient.

2) 不同培肥措施特别是粪肥的施用可以显著提高表层(0～15 cm)土壤的团聚体稳定性，而对下层土壤(15～40 cm)团聚体的作用不明显。红壤中团聚体的破碎机制主要是消散作用。

3) 有机碳的增加对降低团聚体对消散作用的敏感程度，增强对机械破坏的抵抗能力，对增强土壤团聚体的稳定性有很大的促进作用。POC对团聚体稳定的影响程度相对较高，可作为间接评价团聚体稳定性的良好指标。

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(责任编辑：程云郭雪芳)

Composition of organic carbon and their relationship with aggregate stability in red soil under different fertilizer application

Wang Di1,2， Wu Xinliang1,2， Cai Chongfa1,2， Yang Wei3

(1.Key Laboratory of Arable Land Conservation, Middle and Lower Reaches of Yangtze River, Ministry of Agriculture, 430070, Wuhan, China；2.College of Resources and Environment, Huazhong Agricultural University, 430070, Wuhan, China；3.Water Conservancy and Hydropower Research Institute, Hubei Provincial, 430070, Wuhan, China)

Abstract:[Background] The study was order to investigate the effects of fertilizer application on composition of organic carbon and their relationship with aggregate stability in red soil. [Methods] The composition of soil organic carbon and aggregate stability were determined and analyzed to explore their differences and changing pattern at different soil layers under different treatments (no fertilization as a control , CK; chemical fertilization, NPK; chemical fertilization plus straw, NPKS; pig manure fertilization, AM) in 16 years’ fertilizer experiment. [Results] Results showed thatorganic carbon (especially particulate organic carbon (POC)) in the topsoil (0-25 cm) increased under three treatments, as well as the rate of POC/TOC (total organic carbon); among these three treatments, the effect of AM was the most significant, followed by NPKS and NPK. Compared with CK, TOC, POC and MOC by AM increased respectively in 0-5 cm by 120%, 257% and 62%, in 5-15 cm by 126%, 134% and 79%, in 15-25 cm by 78%, 228% and 52%. Soil organic carbon was mainly present in the MOC (mineral-associated organic carbon). Different fertilizer application significantly improved the aggregate stability of surface soil (0-15 cm), but the effect of them for the underlying soil was not obvious. Aggregate stability of red soil under different fertilizer application ranked in the order of AM>NPKS>NPK>CK. Compared with CK, mean weight diameter obtained by wet sieving method of AM, NPKS and NPK increased respectively in 0-5 cm by 44%, 32% and 6%, in 5-15 cm by 138%, 76% and 46%. Mean weight diameter (MWD) obtained by LB (Le Bissonnais) method at different pre-treatment was generally in the sequence of fast wetting (FW)

Keywords:fertilization measurement; particulate organic matter; mineral-associated organic matter; mean weight diameter; aggregate stability; total organic carbon; red soil

收稿日期：2015-04-30修回日期： 2015-11-20

第一作者简介：王迪(1993—)，女，硕士研究生。主要研究方向：土壤侵蚀机制与应用。E-mail：wangwangdi123@126.com †通信 蔡崇法(1961—)，男，博士，教授，博士生导师。主要研究方向：土壤侵蚀与水土保持。E-mail：cfcai@mail.hzau.edu.cn

中图分类号：S157.4

文献标志码：A

文章编号：1672-3007(2016)01-0061-10

DOI:10.16843/j.sswc.2016.01.008

项目名称： 国家自然科学基金“典型地带性土壤团聚体抗侵蚀稳定性及其与铁铝氧化物关系”(41471231)