宋哲岳，宋照亮，單勝道

（1.浙江農(nóng)林大學(xué) 林業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，浙江 臨安 311300；2.浙江農(nóng)林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江臨安 311300）

土壤有機(jī)質(zhì)在陸地生態(tài)系統(tǒng)演變和功能方面起著至關(guān)重要的作用［1－2］。土壤有機(jī)碳可根據(jù)土壤顆粒的大小分為砂粒（50～2 000 μm），粉粒（2～50 μm）和黏粒（＜2 μm）［3］有機(jī)碳。砂粒有機(jī)碳主要是處于新鮮的動(dòng)植物殘?bào)w和腐殖化有機(jī)物之間暫時(shí)的或過渡的有機(jī)碳，對(duì)土壤環(huán)境和管理措施的變化十分敏感。土壤粉粒有機(jī)碳和黏粒有機(jī)碳周轉(zhuǎn)較慢［4－5］，其比例大小可間接表征土壤有機(jī)碳的抗氧化程度與難利用的程度。目前，國內(nèi)外對(duì)旱地不同粒級(jí)有機(jī)碳的形成、穩(wěn)定性以及與土壤肥力關(guān)系的研究已取得了一定的進(jìn)展［5－6］，但豬糞等有機(jī)肥施加對(duì)水稻土等土壤各粒級(jí)有機(jī)碳分布及穩(wěn)定性的影響研究鮮見報(bào)道。土壤中水溶性有機(jī)碳（water soluble organic carbon，WSOC）的變化及其結(jié)構(gòu)特征的研究對(duì)了解土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量以及土壤養(yǎng)分循環(huán)方面有著重要的作用［7－9］。近年，土壤熱水溶性有機(jī)碳（hot water organic carbon，HWOC）的損失預(yù)示易氧化有機(jī)養(yǎng)分及微生物量的降低，也表明土壤結(jié)構(gòu)的可能退化。因此，土壤熱水溶性有機(jī)碳是土壤質(zhì)量測定的重要組成部分［10］。在中國，施肥（化肥和有機(jī)肥）對(duì)糧食增產(chǎn)的貢獻(xiàn)率已占到50%以上［11］，然而長期養(yǎng)分非均衡施用及連續(xù)施用無機(jī)肥料將導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)的破壞以及土壤的物理、化學(xué)、生物化學(xué)質(zhì)量與生產(chǎn)力的下降和有機(jī)碳的虧損［12］。畜禽糞便是一種優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥料源，它在栽培食用菌、加工飼料、生產(chǎn)沼氣及提升土壤有機(jī)碳等方面有很大的用途［13］。本試驗(yàn)通過長期的不同施豬糞處理，了解土壤總有機(jī)碳、土壤熱水溶性有機(jī)碳的剖面分布特征，以及有機(jī)碳在不同粒級(jí)土壤中的分布特征，為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展及畜禽廢棄物的循環(huán)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于浙江省平湖市，屬北亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫為16.0℃，年平均日照時(shí)數(shù)為2 000.0 h，年平均降水量1 170.0 mm，全年無霜期225 d左右。為了解施豬糞對(duì)水稻土有機(jī)碳的影響，在平湖市開展了水稻土施豬糞試驗(yàn)。供試水稻土田間（黃斑田）表層土（0～15 cm）基本情況：pH 6.40，總有機(jī)碳為 20.95 g·kg－1；粒級(jí)組成：砂粒占52.87%，粉粒占44.23%，黏粒占 2.90%（表1）。試驗(yàn)時(shí)間為 1999年 4月至 2009年 4 月，施干質(zhì)量豬糞量 3.75 kg·m－2·a－1于地面上。面積為667 m2·地塊－1，試驗(yàn)共設(shè)3個(gè)處理：①施豬糞0 a的地塊（L0）；②施豬糞 5 a的地塊（L5）；③施豬糞 10 a的地塊（L10）。重復(fù) 3次·處理－1，隨機(jī)排列。除豬糞外無其他肥料施加。供試肥料為純豬糞，其有機(jī)碳、全磷、有效磷平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為252.60，14.70 和 870.80 mg·kg－1。

表1 供試土壤的粒級(jí)分布Table 1 Distribution of different sized particles of the soil used in the experiment

1.2 樣品采集與處理

2009年4月，人工開挖土壤剖面到地下水水位為止，自下而上采集土壤剖面樣品（不少于1.0 kg·樣品－1）。采樣深度為85 cm（分 6層，上5層 15 cm，第 6層 10 cm）。樣品現(xiàn)場用聚乙烯塑料袋密封包裝。樣品自然風(fēng)干后，去掉植物根須及植物殘枝和腐葉，粉碎，過篩。用于測pH值和粒度分級(jí)的樣品過10目篩，用于其他項(xiàng)目測試的土樣過200目篩。

1.3 樣品測試方法及數(shù)據(jù)處理

樣品常規(guī)分析測定方法見參考文獻(xiàn)［14］。按水土比為2.5∶1.0測定土壤pH值。土壤堿熔后，用鉬藍(lán)比色法測定二氧化硅和總磷。重鉻酸鉀法測土壤有機(jī)碳（organic carbon，OC）。采用沉降方法［14］，將土壤有機(jī)礦質(zhì)復(fù)合體物理分級(jí)，然后得到砂粒（50～2 000 μm），粉粒（2～50 μm）和黏粒（＜2 μm）各粒級(jí)，各粒級(jí)有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)（各粒級(jí)中的有機(jī)碳量/土壤總量）測定采用重鉻酸鉀法?；厥章蕿楦髁＜?jí)有機(jī)碳之和與總有機(jī)碳的比值。

采用Microsoft Office Excel 2003軟件處理數(shù)據(jù)、做圖，采用SPSS 13.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，所有測定數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式表示，不同施肥處理之間采用Duncan’s新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果

2.1 施豬糞對(duì)水稻土pH值和總有機(jī)碳的影響

從表2可以看出：與 L0處理相比，L5處理的 0～15，15～30，30～45 cm土層總有機(jī)碳分別增加28.1%，35.1%和29.5%，L10處理的0～15，15～30，30～45 cm土層總有機(jī)碳則分別增加47.6%，105.3%和171.7%。以上分析表明：在0～45 cm土層的總有機(jī)碳隨施豬糞年限的增加而增加，且隨深度的增加其增加的幅度逐漸提高。在底土層（45～85 cm），施豬糞對(duì)其有機(jī)碳的分布影響不大。L0，L5，L10各處理在0～45 cm土層范圍內(nèi)隨剖面深度的增加土壤總有機(jī)碳逐漸降低，而45～85 cm土層的總有機(jī)碳變化不大。L5的45 cm以下土壤的有機(jī)碳少于對(duì)照處理，可能是初始土壤不均一所致。

pH值隨剖面深度的增加呈逐漸增加的趨勢。L5和L0相比較，除表層0～15 cm土壤pH值差異不顯著外，其他各土層pH值差異均達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。L10和 L0相比較，15～30，30～45，75～85 cm土層之間pH值差異不顯著，其他各土層差異達(dá)顯著水平（P＜0.05）。L10和 L5相比較，0～15，15～30 cm間pH值差異不顯著，其他各土層pH值間差異均達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。施豬糞地塊的pH值普遍高于無豬糞地塊，其中施加5 a的pH值最大。

2.2 施豬糞對(duì)水稻土顆粒有機(jī)碳分布的影響

從表3得知：砂粒碳的分布特征和總有機(jī)碳的分布特征非常相似。對(duì)于砂粒碳，施豬糞顯著增加了各處理 0～45 cm土層中的砂粒碳。L5處理的 0～15，15～30，30～45 cm土層有機(jī)碳分別增加39.8%，68.0%和150.8%，L10處理的 0～15，15～30，30～45 cm土層有機(jī)碳分別增加36.1%，155.1%和616.4%。L10處理與L5處理相比增加幅度分別為－2.6%，51.9%和185.6%。對(duì)于粉粒碳，L10處理的0～45 cm土層顯著高于對(duì)照 L0（P＜0.05），且 0～15，15～30，30～45 cm土層有機(jī)碳分別增加38.3%，77.3%和88.5%。L10處理與L5處理相比，各土層含量值間差異顯著（P＜0.05），0～15，15～30，30～45，45～60，60～75，75～85 cm土層有機(jī)碳分別增加42.8%，79.5%，69.7%，12.5%，12.0%和18.0%，說明施豬糞年限的增加有利于粉粒中有機(jī)碳的積累；對(duì)于黏粒碳，各土層有機(jī)碳含量差異不大。

表2 不同土層次的土壤pH值和總有機(jī)碳Table 2 Total organic carbon contents and pH in the differnt soil depths

從圖1得知：對(duì)于各個(gè)處理剖面，砂粒碳相對(duì)百分比隨剖面深度的增加而呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，其范圍為7%～77%，是變化范圍最大的；而黏粒碳的百分比例則呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，其范圍為3%～42%；粉粒碳范圍為18%～56%。

2.3 施豬糞對(duì)熱水溶性有機(jī)碳的影響

從表4中得知：各處理的熱水溶性有機(jī)碳隨剖面深度的增加先降低后增加的趨勢。表層土熱水溶性有機(jī)碳較高，其原因主要與植物凋落物和根系分布特征有關(guān)。30～60 cm土層，根系難以分布，該土層土壤熱水溶性有機(jī)碳較低且變化平緩，這與Flessa［15］的研究結(jié)果一致；60 cm以下土層土壤熱水溶性有機(jī)碳又逐漸升高，這是受地下水位影響的結(jié)果［15］，且隨施豬糞年限的增加土壤熱水溶性有機(jī)碳逐漸增加。土壤中水溶性有機(jī)碳不僅與土壤肥力、植被類型、施肥和季節(jié)等因素有關(guān)，而且受提取方法不同的影響［16］。本研究中不同處理不同層次土壤熱水溶性有機(jī)碳占總有機(jī)碳比例范圍為2.31%～27.36%。下層土壤熱水溶性有機(jī)碳占土壤總有機(jī)碳的比例高，可能是總有機(jī)碳在土壤剖面下層分布少的緣故。

3 討論

本試驗(yàn)表明：施豬糞主要增加土壤0～45 cm土層有機(jī)碳，且隨施加年限的增加而增加。很多研究者也得出有機(jī)無機(jī)肥料配施能顯著提高不同類型、氣候條件和利用方式的土壤有機(jī)碳含量［4，6，17－19］。如馬力等［19］對(duì)長期（26 a）不同施肥處理?xiàng)l件下水稻土有機(jī)碳分布變異及其礦化動(dòng)態(tài)的研究表明，長期施肥使水稻土表層有機(jī)碳顯著升高，施有機(jī)肥和秸稈還田較單施化肥更能促進(jìn)土壤表層有機(jī)碳累積。又如周萍等［4］對(duì)太湖地區(qū)長期（16 a）不同施肥處理（化肥與秸稈配施、化肥與豬糞配施、單施化肥和不施肥）下黃泥土總有機(jī)碳及深度分布特征的研究表明，不同施肥處理主要增加耕作層土壤的總有機(jī)碳，但是不同施肥處理并沒有改變總有機(jī)碳的深度分布格局。這與本研究結(jié)果相符。

本研究0～45 cm土層的砂粒為有機(jī)碳主要儲(chǔ)存體，且隨施豬糞年限的增加其有機(jī)碳增加。而在45～85 cm土層，有機(jī)碳主要儲(chǔ)存于粉粒和黏粒上。許多研究者對(duì)有機(jī)肥等不同施肥處理?xiàng)l件下黑壚土［20］、黃泥土［4］、 烏泥土［21］、 白土［22］、 紅壤性水稻土［6］耕作層各粒級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)碳分布研究也表明，有機(jī)碳主要存在于土壤砂粒上，施加有機(jī)肥能顯著提高砂粒碳含量。周萍等［4］對(duì)太湖地區(qū)長期（16 a）有機(jī)肥等不同施肥處理下黃泥土砂粒有機(jī)碳深度分布進(jìn)一步研究表明，不同施肥處理主要影響耕作層土壤的砂粒有機(jī)碳及改變砂粒碳的分配比例，但并沒有改變砂粒有機(jī)碳的深度分布格局。對(duì)土壤有機(jī)碳的團(tuán)聚體物理保護(hù)作用研究［23］表明，砂粒作為新增有機(jī)碳的主要載體，主要受土壤管理方式的影響；粉粒、黏粒具有保護(hù)有機(jī)碳的能力，但其保護(hù)容量有限，主要受土壤質(zhì)地的影響。本研究土壤質(zhì)地是以粉粒和黏粒為主，粉粒和黏粒本身具有保護(hù)有機(jī)碳的能力。當(dāng)土壤中施加過量的外源有機(jī)物時(shí)，耕作層的粉粒和黏粒保護(hù)有機(jī)碳的容量會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)，多余的外源有機(jī)物被分配到砂粒部分，所以在土壤耕作層中砂粒碳在各粒級(jí)碳中所占的比例最大，且隨外源有機(jī)物施加年限的增加而增加；而在非耕作層，由于粉粒和黏粒與有機(jī)碳結(jié)合能力比砂粒強(qiáng)且自身保護(hù)有機(jī)碳的容量沒有達(dá)到飽和，所以在該層以粉粒碳和黏粒碳為主。由圖2可知：總有機(jī)碳和砂粒碳、粉粒碳之間呈極顯著的正相關(guān)性，且隨施豬糞年限的增加相關(guān)性越好，說明土壤總有機(jī)碳的增加主要是通過砂粒碳、粉粒碳的增加而增加的。而總有機(jī)碳和黏粒碳相關(guān)性不顯著，說明由于物理保護(hù)作用，黏粒碳比較穩(wěn)定，受外源碳輸入影響較小。

圖2 土壤總有機(jī)碳和各粒級(jí)碳之間的關(guān)系Figure 2 Relationship between soil TOC contents and OC contents in different sized soil particles

與對(duì)照處理相比，隨施豬糞年限的增加土壤熱水溶性有機(jī)碳增加，且各剖面土壤熱水溶性有機(jī)碳隨剖面深度增加先降低后升高。王連峰等［24］對(duì)長期不同施肥制度下的黑土熱水提取態(tài)有機(jī)碳的變化研究表明，與對(duì)照處理相比，有機(jī)肥和2倍量有機(jī)肥都能提高土壤的熱水溶性有機(jī)碳，后者的增加幅度更大。對(duì)廬山地區(qū)部分闊葉林土壤研究也發(fā)現(xiàn)，水溶性有機(jī)碳在0～40 cm土層降低，而在 40～80 cm 土層升高［25］。王艷等［26］研究了長期施肥對(duì)設(shè)施蔬菜栽培土壤水溶性有機(jī)碳剖面分布的影響表明，各處理水溶性有機(jī)碳在土壤剖面 0～20，20～40 和40～60 cm等3個(gè)土層中呈高低高的趨勢。王開峰等［27］研究了有機(jī)物循環(huán)對(duì)紅壤稻田土壤有機(jī)碳和熱水可提取碳的影響，發(fā)現(xiàn)在有機(jī)物循環(huán)下稻田土壤熱水溶性有機(jī)碳隨時(shí)間先下降后緩慢上升或趨于穩(wěn)定。許多研究［28］表明，秸稈還田也能夠增加土壤熱水溶性有機(jī)碳。有機(jī)肥的施入不僅能直接增加土壤有機(jī)碳，還通過增加土壤的作物產(chǎn)量和微生物量而提高土壤作物凋落物、根系分泌物以及微生物量等輸入，所以，高量有機(jī)肥的施入能大幅度提高土壤熱水溶性有機(jī)碳［24］。

表4 土壤中的熱水溶性有機(jī)碳及其與總有機(jī)碳比值Table 4 HWOC contents in the soil and the ratios of HWOC/TOC

4 結(jié)論

施豬糞增加了土壤的總有機(jī)碳，且隨著施加年限的增加而增加。不同處理的0～45 cm土層有機(jī)碳差異顯著。隨剖面深度的增加有機(jī)碳逐漸降低，且0～45 cm土層中的各分層有機(jī)碳差異顯著，45～85 cm土層中的各分層差異不顯著。

砂粒碳剖面分布規(guī)律與總有機(jī)碳的相似，即0～45 cm土層與45～85 cm土層有機(jī)碳有顯著差異。0～45 cm土層砂粒碳高，且其中的各土層差異顯著?？傆袡C(jī)碳和砂粒碳、粉粒碳之間呈顯著的正相關(guān)性關(guān)系。受土壤粉粒和黏粒對(duì)有機(jī)碳物理保護(hù)容量控制，施豬糞土壤的0～45 cm土層以砂粒碳為主，45～85 cm土層則以粉粒碳和黏粒碳為主。

土壤熱水溶性有機(jī)碳隨剖面深度增加先降低后增加，且隨施肥年限的增加而增加。土壤熱水溶性有機(jī)碳與總有機(jī)碳的比值隨剖面深度增加呈緩慢—快速—緩慢增加的趨勢。施豬糞可提高土壤熱水溶性有機(jī)碳。

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