苑亞茹,鄒文秀,郝翔翔,李 娜,尤孟陽(yáng),韓曉增,*

1 哈爾濱師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,哈爾濱 150025 2 中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 哈爾濱 150081

作為地球陸地生態(tài)系統(tǒng)中最重要和活躍的碳庫(kù),農(nóng)田土壤有機(jī)碳深刻影響著大氣CO2濃度、土壤肥力及其生態(tài)功能,因此,通過合理的管理措施提高農(nóng)田土壤碳截留,對(duì)于緩解氣候變化和保障糧食安全具有雙重意義[1]。大量研究顯示,有機(jī)肥的施用可以有效地提高農(nóng)田土壤有機(jī)碳的水平[2-4],土壤有機(jī)碳含量隨著有機(jī)肥輸入量的增加呈線性增加[5-6]。然而一些研究顯示,在某些土壤,尤其是有機(jī)碳含量高的土壤,有機(jī)碳含量并沒有隨著有機(jī)碳輸入量的增加而顯著的變化,而是穩(wěn)定在某一特定值[7-9]。表明,土壤對(duì)有機(jī)碳的固持并非無(wú)限度增加,而是存在閾值,即碳飽和水平,一旦達(dá)到此值,即使向土壤輸入再多的碳,土壤有機(jī)碳含量也不會(huì)繼續(xù)增加。因此,研究某種土壤有機(jī)碳對(duì)有機(jī)肥輸入量的響應(yīng)對(duì)于評(píng)價(jià)其碳匯功能大小與固碳潛力具有重要的意義。

土壤有機(jī)碳可分為具有不同周轉(zhuǎn)周期和生物穩(wěn)定性的有機(jī)碳組分。土壤團(tuán)聚體對(duì)土壤有機(jī)碳的物理保護(hù)是土壤有機(jī)碳穩(wěn)定的重要機(jī)制[10],目前基于團(tuán)聚體分組的物理分級(jí)方法廣泛應(yīng)用于土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)研究[11-12]。由于不同粒徑團(tuán)聚體膠結(jié)物質(zhì)和作用強(qiáng)度不同,因此,不同級(jí)別團(tuán)聚體中有機(jī)碳受到的保護(hù)程度和能力也不同。一般而言,粉粘粒比大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體更具穩(wěn)定性,但固持有機(jī)碳的能力有限[13]；大團(tuán)聚體固持有機(jī)碳的能力高于微團(tuán)聚體,但穩(wěn)定性稍差,易受農(nóng)田管理措施等外界環(huán)境條件變化的影響；微團(tuán)聚體固持有機(jī)碳的能力較小,但較大團(tuán)聚體穩(wěn)定[14]。由于大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體自身穩(wěn)定性的差異,大團(tuán)聚體中粗顆粒有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定性相對(duì)較差[15],微團(tuán)聚體,尤其是閉蓄態(tài)微團(tuán)聚體中細(xì)顆粒有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定性相對(duì)較強(qiáng)[16]。因此,定量研究土壤團(tuán)聚體及其內(nèi)部組分有機(jī)碳的變化將有助于理解不同管理措施下土壤有機(jī)碳的變化及潛在機(jī)制。

東北黑土富含有機(jī)質(zhì),潛在肥力高,是我國(guó)重要的商品糧生產(chǎn)基地。然而,過去幾十年來由于掠奪式的經(jīng)營(yíng)加之不合理的管理措施,如秸稈移除農(nóng)田和無(wú)外源有機(jī)肥的投入等,導(dǎo)致黑土有機(jī)碳含量顯著下降[17]。這不僅嚴(yán)重影響和制約了糧食生產(chǎn),同時(shí)造成黑土對(duì)大氣CO2“源/匯”效應(yīng)的改變。研究表明,有機(jī)培肥能夠促進(jìn)土壤的團(tuán)聚化作用,提升農(nóng)田黑土有機(jī)碳的水平[18-19]。然而,目前對(duì)于有機(jī)碳含量高的黑土,土壤團(tuán)聚體及其內(nèi)部組分有機(jī)碳對(duì)不同有機(jī)肥輸入量的響應(yīng)尚不清楚。因此,本研究以連續(xù)11年不同有機(jī)肥用量(0、7.5、15 Mg hm-2a-1和22.5 Mg hm-2a-1)的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)為平臺(tái),定量研究不同有機(jī)肥施用量下農(nóng)田黑土團(tuán)聚體結(jié)合有機(jī)碳的變化,以期從團(tuán)聚體尺度揭示黑土有機(jī)碳的物理穩(wěn)定性機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)位于黑龍江省海倫市海倫農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站(47°26′N,126°38′E),地處我國(guó)東北黑土帶的中心區(qū)域。該區(qū)域?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候,冬季寒冷干燥,夏季高溫多雨,雨熱同季。年均氣溫1.5℃,年均降水量550 mm,65%集中在6—8月。土壤為第四紀(jì)黃土狀亞粘土發(fā)育而成的中厚黑土。土壤質(zhì)地比較粘稠,耕層土壤砂粒、粉粒和黏粒含量分別為258、332 g/kg和410 g/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與樣品采集

長(zhǎng)期定位試驗(yàn)始于2001年,研究選擇以下4個(gè)施肥處理：① OM0,不施有機(jī)肥,僅施化肥NPK；②OM1,低量有機(jī)肥(7.5 Mg hm-2a-1)+化肥NPK；③OM2,中量有機(jī)肥(15 Mg hm-2a-1)+化肥NPK；④OM3,高量有機(jī)肥(22.5 Mg hm-2a-1)+化肥NPK,有機(jī)肥用量以烘干基計(jì),各處理化肥用量相同。每個(gè)處理3次重復(fù),隨機(jī)區(qū)組排列,小區(qū)面積為12 m×5.6 m。作物種植方式為玉米-大豆輪作,一年一熟制?；适┯昧繛椋河衩?20 kg N/hm2、60 kg P2O5/hm2、30 kg K2O/hm2；大豆20 kg N/hm2、52 kg P2O5/hm2、30 kg K2O/hm2。肥料種類為尿素、磷酸二銨和硫酸鉀。大豆和玉米基肥的施用方式均采用條施,大豆不追肥,玉米的追肥方式為穴施。有機(jī)肥為腐熟后的豬糞,C、N含量(以烘干基計(jì))分別為265 g/kg和21 g/kg,于每年秋收后撒施,然后機(jī)械翻耕進(jìn)入土壤。采用傳統(tǒng)耕作方式,耕作深度約為20 cm,秋季作物收獲后地上部秸稈全部移除。土壤樣品于秋季作物收獲后、有機(jī)肥施用前采集,采樣深度為0—20 cm,每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)按S形布設(shè)5個(gè)取樣點(diǎn),然后將土壤樣品均勻混合為1 個(gè)混合土樣,用硬紙盒將土樣帶回實(shí)驗(yàn)室,手動(dòng)剔除礫石、侵入體及粗有機(jī)體。當(dāng)土塊含水量達(dá)到塑限時(shí),用手把大土塊沿自然破碎面扳開,待樣品完全風(fēng)干后,備用。試驗(yàn)初始土壤的理化性質(zhì)如下：有機(jī)碳28.0 g/kg,全氮2.1 g/kg,全磷0.72 g/kg,全鉀21.2 g/kg。

1.3 測(cè)試與分析方法

土壤樣品分級(jí)參考Yan等[20]的方法。第一步：采用濕篩法將土壤樣品篩分為4個(gè)粒級(jí)：>2000 μm團(tuán)聚體、250—2000 μm團(tuán)聚體、微團(tuán)聚體(m, 53—250 μm)和粉黏粒(S&C, <53 μm)；第二步：按全土>2000 μm團(tuán)聚體和250—2000 μm團(tuán)聚體的質(zhì)量百分比稱取大團(tuán)聚體(M, >250 μm)15 g,采用微團(tuán)聚體分離裝置將大團(tuán)聚體分離得到粗顆粒有機(jī)質(zhì)(coarse iPOM)、閉蓄態(tài)微團(tuán)聚體(mM)和粉粘粒(S&C_M)3個(gè)組分；第三步：采用0.5%六偏磷酸鈉溶液分離閉蓄態(tài)微團(tuán)聚體(mM),得到細(xì)顆粒有機(jī)質(zhì)(fine iPOM)和粉粘粒(S&C_mM)2個(gè)組分。各步篩分得到的所有組分于60℃烘干稱重。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

土壤全土、團(tuán)聚體及團(tuán)聚體內(nèi)部組分有機(jī)碳采用元素分析儀測(cè)定(Heraeus Elementar Vario EL,Hanau,Germany)；采用平均重量直徑(Mean Weight Diameters, MWD)作為評(píng)價(jià)團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)[14]；不同處理間的差異顯著性通過SPSS 16.0采用LSD法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,顯著性檢驗(yàn)設(shè)P<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤總有機(jī)碳

與OM0相比,有機(jī)培肥處理土壤有機(jī)碳含量均有顯著提高,OM1、OM2、OM3分別提高了7.1%、12.4%和15.7%(圖1)。OM3土壤有機(jī)碳含量顯著高于OM1,但OM2與OM3或與OM1差異并不顯著。

圖1 不同有機(jī)肥施用量對(duì)土壤總有機(jī)碳含量的影響 Fig.1 Total organic C content of soils across four manure application rate treatmentsOM0：無(wú)有機(jī)肥, 僅施化肥, only mineral fertilizers with no manure application；OM1：低量有機(jī)肥(7.5 Mg hm-2 a-1)+化肥,organic manure at the lowest level (7.5 Mg hm-2 a-1) plus mineral fertilizers；OM2：中量有機(jī)肥(15 Mg hm-2 a-1)+化肥, organic manure at the medium level (15 Mg hm-2 a-1) plus mineral fertilizers；OM3：高量有機(jī)肥(22.5 Mg hm-2 a-1)+化肥, organic manure at the highest level (22.5 Mg hm-2 a-1) plus mineral fertilizers

2.2 土壤團(tuán)聚體組成與穩(wěn)定性

不同有機(jī)肥施用量并沒有顯著影響>2000 μm團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體的含量,但對(duì)250—2000 μm團(tuán)聚體和粉粘粒含量影響明顯(圖2)。隨著有機(jī)肥施用量的增加,250—2000 μm團(tuán)聚體含量呈增加趨勢(shì),粉粘粒含量相應(yīng)呈下降趨勢(shì)。OM0、OM1、OM2和OM3處理土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的平均重量直徑分別為0.48、0.50、0.57 mm和0.59 mm(圖3)?？梢?與單施化肥相比,有機(jī)培肥明顯促進(jìn)了土壤的團(tuán)聚化作用,隨著有機(jī)肥施用量的增加,土壤團(tuán)聚體的平均重量直徑增大,土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性增強(qiáng),但中量與高量有機(jī)肥處理土壤各粒徑團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和平均重量直徑均沒有顯著差異(圖2和圖3)。

2.3 土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳的分布

各處理土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳濃度均為[>2000 μm團(tuán)聚體]> [250—2000 μm團(tuán)聚體]> [53—250 μm微團(tuán)聚體]> [<53 μm粉粘粒],即團(tuán)聚體有機(jī)碳濃度隨團(tuán)聚體粒徑增大而增加(圖4)。有機(jī)肥的施用并沒有顯著影響粉粘粒結(jié)合有機(jī)碳濃度(19.0—19.8 g C/kg粉黏粒)；隨著有機(jī)肥施用量的增加,大團(tuán)聚體(>250 μm),尤其 >2000 μm團(tuán)聚體中有機(jī)碳濃度增加趨勢(shì)明顯,微團(tuán)聚體中有機(jī)碳濃度呈小幅度增加,而當(dāng)有機(jī)肥施用量最大時(shí),微團(tuán)聚體中有機(jī)碳無(wú)顯著變化,僅大團(tuán)聚體有機(jī)碳仍繼續(xù)增加。

圖2 不同有機(jī)肥施用量對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響Fig.2 Weight proportion of water-stable aggregates of soils across four manure application rate treatments

圖3 不同有機(jī)肥施用量對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均重量直徑的影響Fig.3 The mean weight diameters (MWD) of water-stable aggregates of soils across four manure application rate treatments

2.4 大團(tuán)聚體內(nèi)部組分有機(jī)碳含量

研究將各處理大團(tuán)聚體(>250 μm)進(jìn)一步篩分為粗顆粒有機(jī)質(zhì)、閉蓄態(tài)微團(tuán)聚體和粉粘粒3個(gè)組分(圖5),以分析新增碳在大團(tuán)聚體中的分配效應(yīng)。由圖可見,各處理粉粘粒中有機(jī)碳含量并沒有顯著變化,粗顆粒有機(jī)質(zhì)和閉蓄態(tài)微團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量隨著有機(jī)肥施用量的增加呈增加趨勢(shì),但響應(yīng)程度不同。閉蓄態(tài)微團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量對(duì)不同有機(jī)肥施用量的響應(yīng)相對(duì)較小,有機(jī)培肥處理顯著高于單施化肥處理,但低量、中量和高量有機(jī)肥處理間沒有顯著差異；粗顆粒有機(jī)質(zhì)中有機(jī)碳含量增加則較為明顯,OM1、OM2和OM3處理土壤粗顆粒有機(jī)質(zhì)中有機(jī)碳較OM0分別增加了1.8倍、2.1倍和2.3倍。當(dāng)有機(jī)肥施用量達(dá)到最高時(shí),僅粗顆粒有機(jī)質(zhì)中有機(jī)碳含量升高,其他組分有機(jī)碳含量均無(wú)顯著變化。

圖4 不同有機(jī)肥施用量對(duì)土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳濃度的影響 Fig.4 Aggregate associated carbon concentration of soils across four manure application rate treatments

圖5 不同有機(jī)肥施用量對(duì)大團(tuán)聚體內(nèi)部組分有機(jī)碳含量的影響 Fig.5 Carbon content of subfractions within macroaggregates of soils across four manure application rate treatments coarse iPOM：大團(tuán)聚體中粗顆粒有機(jī)質(zhì), coarse particulate organic matter in macroaggregate；mM：閉蓄態(tài)微團(tuán)聚體, microaggregate in macroaggregate；S&C_M：大團(tuán)聚體中粉黏粒組分, silt and clay particles in macroaggregate

圖6 大團(tuán)聚體中細(xì)顆粒有機(jī)質(zhì)與粗顆粒有機(jī)質(zhì)的重量比 Fig.6 Weight ratio of fine inter-macroaggregate particulate organic matter to coarse inter-macroaggregate particulate organic matter (fine iPOM/coarse iPOM) of soils across four manure application rate treatments

2.5 大團(tuán)聚體的周轉(zhuǎn)

大團(tuán)聚體中細(xì)顆粒有機(jī)質(zhì)與粗顆粒有機(jī)質(zhì)的比值常作為評(píng)價(jià)大團(tuán)聚體周轉(zhuǎn)速率的指標(biāo)[11],比值越大,表明大團(tuán)聚體周轉(zhuǎn)越慢；相反,比值越小,表明大團(tuán)聚體周轉(zhuǎn)越快。如圖6所示,與單施化肥相比,有機(jī)培肥處理顯著降低了大團(tuán)聚體中細(xì)顆粒有機(jī)質(zhì)與粗顆粒有機(jī)質(zhì)的比值,隨著有機(jī)肥施用量增加,這一比值呈下降趨勢(shì)。表明,有機(jī)培肥加速了土壤大團(tuán)聚體的周轉(zhuǎn),土壤大團(tuán)聚體周轉(zhuǎn)速率隨著有機(jī)肥施用量的增加而加快。

3 討論

研究結(jié)果顯示,與單施化肥相比,有機(jī)培肥處理農(nóng)田黑土有機(jī)碳水平均有顯著提升。研究區(qū)由于地上部秸稈全部移除農(nóng)田,因此,有機(jī)肥和作物根茬是有機(jī)碳輸入的主要來源。有機(jī)培肥處理土壤有機(jī)碳含量較高與有機(jī)肥施用及根茬輸入量增加有關(guān)[21]。這與一些長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的研究結(jié)果類似[3-4]。Yousefi等[6]通過連續(xù)5年向土壤分別施用0、50、75 Mg hm-2a-1和100 Mg hm-2a-1有機(jī)肥的試驗(yàn)顯示,土壤有機(jī)碳含量隨著有機(jī)肥施用量的增加而呈顯著的線性增加。理論上土壤有機(jī)碳含量不可能隨著外源有機(jī)碳的投入而無(wú)限度增長(zhǎng),任何一種土壤類型在其特定的自然氣候條件和栽培模式下,均應(yīng)達(dá)到自身相應(yīng)的動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn)并在這一水平下保持相對(duì)穩(wěn)定,即處于碳飽和狀態(tài)。Campbell 等[7]基于長(zhǎng)達(dá)31 年定位試驗(yàn)的結(jié)果顯示,在有機(jī)碳含量豐富的土壤中,土壤有機(jī)碳含量并沒有隨著外源有機(jī)碳輸入增加而變化,而是穩(wěn)定在某一特定水平。本研究結(jié)果顯示,對(duì)于基礎(chǔ)有機(jī)碳水平較高(>27 g C/kg)的東北黑土,連續(xù)11年施用22.5 Mg/hm2豬糞后,土壤有機(jī)碳含量仍呈現(xiàn)明顯的增加趨勢(shì),表明黑土對(duì)有機(jī)碳的固持仍未達(dá)到最大容量,黑土黏粒含量較高(>40%)被認(rèn)為黑土固碳容量較大的重要原因[22]。關(guān)于東北黑土有機(jī)碳的飽和點(diǎn),尚有待于進(jìn)一步深入研究。

研究結(jié)果顯示,有機(jī)培肥明顯促進(jìn)了土壤的團(tuán)聚化作用,土壤大團(tuán)聚體(>250 μm),尤其是250—2000 μm團(tuán)聚體含量顯著增加。東北黑土黏粒含量高且以2∶1型黏土礦物為主[23],有機(jī)物是2∶1型黏土礦物有效且重要的膠結(jié)劑。外源有機(jī)肥的施用可以提供更多的有機(jī)膠結(jié)物質(zhì),同時(shí)增強(qiáng)土壤微生物活性和增加微生物的代謝產(chǎn)物如多糖等,進(jìn)而促進(jìn)了水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的形成[24]。大團(tuán)聚體比例增加是土壤施用有機(jī)肥的一個(gè)普遍的特征[3,25-26]。然而,本研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)豬糞用量從0 Mg hm-2a-1增加至 15 Mg hm-2a-1,土壤大團(tuán)聚體含量呈增加趨勢(shì),但豬糞用量由15 Mg hm-2a-1繼續(xù)增加至22.5 Mg hm-2a-1,土壤各粒級(jí)團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與穩(wěn)定性均沒有發(fā)生顯著變化。同樣,Leon等[27]連續(xù)4年有機(jī)肥施用的試驗(yàn)結(jié)果顯示,與低量有機(jī)肥(38 Mg hm-2a-1)相比,高量有機(jī)肥(78 Mg hm-2a-1)對(duì)土壤團(tuán)聚化的促進(jìn)作用并不明顯。Xie等[28]基于30年的定位試驗(yàn)顯示,與低量豬糞(13.5 Mg hm-2a-1)相比,高量豬糞投入(27 Mg hm-2a-1)反而降低了棕壤大團(tuán)聚體的含量與穩(wěn)定性。與之相反,Yousefi等[6]通過連續(xù)5年不同用量有機(jī)肥試驗(yàn)(0、50、75 Mg hm-2a-1和100 Mg hm-2a-1)研究顯示,土壤團(tuán)聚體的平均重量直徑隨著有機(jī)肥施用量的增加而呈顯著的線性增加。土壤團(tuán)聚體粒徑分布與穩(wěn)定性對(duì)有機(jī)肥用量的響應(yīng)程度不同可能與外源有機(jī)肥投入的數(shù)量及質(zhì)量、土壤類型、基礎(chǔ)有機(jī)碳水平、試驗(yàn)?zāi)晗薜纫蛩赜嘘P(guān)。

土壤團(tuán)聚體處于不斷的形成和破碎,即團(tuán)聚體周轉(zhuǎn)的過程,團(tuán)聚體周轉(zhuǎn)速率越慢,其保護(hù)有機(jī)質(zhì)的能力越強(qiáng),反之,周轉(zhuǎn)越快,其保護(hù)有機(jī)質(zhì)的能力相對(duì)較弱,團(tuán)聚體中有機(jī)質(zhì)活性相對(duì)較強(qiáng) 。Six等[11]認(rèn)為,隨著新鮮植物殘?bào)w輸入土壤,真菌和其他微生物利用粗顆粒有機(jī)質(zhì)(coarse iPOM)形成大團(tuán)聚體,粗顆粒有機(jī)質(zhì)可再進(jìn)一步分解成細(xì)顆粒有機(jī)質(zhì)(fine iPOM)。如果大團(tuán)聚體周轉(zhuǎn)慢,會(huì)有更多的細(xì)顆粒有機(jī)質(zhì)形成,因此fine iPOM與coarse iPOM比值將會(huì)增加；相反,如果大團(tuán)聚體周轉(zhuǎn)快,會(huì)抑制細(xì)顆粒有機(jī)質(zhì)的形成,比值將會(huì)下降。因此,將大團(tuán)聚體中fine iPOM與coarse iPOM的比值作為評(píng)價(jià)大團(tuán)聚體的周轉(zhuǎn)速率的指標(biāo)。本研究結(jié)果顯示,有機(jī)培肥加速了大團(tuán)聚體的周轉(zhuǎn),大團(tuán)聚體的周轉(zhuǎn)速率隨著有機(jī)肥施用量的增加而加快(圖6)。同樣,Gulde等[8]通過對(duì)連續(xù) 32 年施加不同量牛糞試驗(yàn)的研究發(fā)現(xiàn),大團(tuán)聚體中的fine iPOM與coarse iPOM的比值隨著牛糞施用量的增加而下降,土壤大團(tuán)聚體周轉(zhuǎn)加速。劉中良等[29]基于8年不同有機(jī)廄肥施用量的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)也得到了類似的結(jié)果。隨著有機(jī)肥施用量的增加,微生物的活性增強(qiáng),微生物會(huì)利用易降解的物質(zhì),如植物源的顆粒有機(jī)質(zhì)和多糖等物質(zhì),作為其自身的能源物質(zhì)。多糖作為土壤大團(tuán)聚體的重要有機(jī)膠結(jié)物質(zhì),微生物對(duì)多糖的分解和利用會(huì)導(dǎo)致團(tuán)聚體的破碎。同時(shí),微生物在代謝時(shí)會(huì)產(chǎn)生新的多糖等膠結(jié)物質(zhì),這些物質(zhì)會(huì)促進(jìn)新的團(tuán)聚體的形成。因此,當(dāng)有機(jī)肥施用量增加時(shí),大團(tuán)聚體周轉(zhuǎn)速率加快,成為土壤中相對(duì)活躍的物理保護(hù)性碳庫(kù)。

農(nóng)田黑土不同粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳濃度對(duì)不同有機(jī)肥施用量的響應(yīng)不同。有機(jī)肥輸入并沒有顯著影響粉黏粒結(jié)合有機(jī)碳濃度,表明在無(wú)外源有機(jī)肥輸入的傳統(tǒng)管理措施下,黑土粉黏粒組分已接近或達(dá)到碳飽和水平。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn),隨著有機(jī)肥輸入的增加,微團(tuán)聚體有機(jī)碳呈小幅度增加趨勢(shì),而當(dāng)有機(jī)肥輸入量最大時(shí),微團(tuán)聚體有機(jī)碳濃度沒有明顯變化,僅大團(tuán)聚體(>250 μm)有機(jī)碳仍呈顯著增加趨勢(shì)(圖4),表明,高量有機(jī)肥投入下,微團(tuán)聚體結(jié)合碳庫(kù)已達(dá)到飽和水平,而更多的新增碳主要向大團(tuán)聚體富集。通過對(duì)大團(tuán)聚體內(nèi)部組分有機(jī)碳含量進(jìn)一步的解析發(fā)現(xiàn)(圖5),當(dāng)外源有機(jī)肥輸入量最大時(shí),閉蓄態(tài)微團(tuán)聚體和粉黏粒結(jié)合有機(jī)碳濃度均沒有顯著變化,僅粗顆粒有機(jī)質(zhì)中有機(jī)碳呈顯著增加,表明,高量有機(jī)肥投入下,大團(tuán)聚體中有機(jī)碳的增加主要?dú)w因于粗顆粒有機(jī)質(zhì)(coarse iPOM)的增加。Kool等[30]在團(tuán)聚體層級(jí)發(fā)育模型基礎(chǔ)上提出土壤有機(jī)碳的等級(jí)飽和模型,指出隨著有機(jī)碳輸入的增加,最小粒級(jí)的團(tuán)聚體首先飽和,最大粒級(jí)的團(tuán)聚體最后飽和,最終土壤碳庫(kù)飽和。Gulde等[8]基于32年不同有機(jī)肥用量(0, 60, 120 Mg hm-2a-1和180 Mg hm-2a-1)的定位試驗(yàn)驗(yàn)證了這一理論。本研究結(jié)果表明,黑土團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳的固持同樣存在由小到大的等級(jí)飽和機(jī)制,隨著有機(jī)碳輸入的增加,粉粘粒結(jié)合有機(jī)碳最先達(dá)到飽和,然后是微團(tuán)聚體,而更多的新增碳流向粒徑相對(duì)較大的大團(tuán)聚體,固持在粗顆粒有機(jī)質(zhì)之中。

4 結(jié)論

與單施化肥相比,有機(jī)培肥處理土壤有機(jī)碳水平均有顯著提升,土壤有機(jī)碳的增幅隨著有機(jī)肥施用量的增加而增大。有機(jī)培肥促進(jìn)了土壤的團(tuán)聚化作用,隨著有機(jī)肥施用量的增加,250—2000 μm團(tuán)聚體含量增加,粉粘粒含量降低,土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性增強(qiáng),但與中量有機(jī)肥處理相比,高量有機(jī)肥輸入對(duì)土壤團(tuán)聚化的作用并不明顯。有機(jī)培肥加速了土壤大團(tuán)聚體的周轉(zhuǎn),大團(tuán)聚體周轉(zhuǎn)速率隨著有機(jī)肥施用量的增加而加快。黑土團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳的固持存在由小到大的等級(jí)飽和機(jī)制,隨著有機(jī)碳輸入的增加,粉粘粒結(jié)合有機(jī)碳最先達(dá)到飽和,然后是微團(tuán)聚體,而更多的新增碳流向周轉(zhuǎn)不斷加快的大團(tuán)聚體,固持在活性較強(qiáng)的有機(jī)碳庫(kù)—粗顆粒有機(jī)質(zhì)之中。