施肥對物理分級的土壤有機碳組分影響的研究進展

王朔林，王改蘭，趙 旭，陳春玉

（湖南農業(yè)大學資源環(huán)境學院，湖南 長沙 410128）

土壤有機碳是地球陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大、最活躍的碳庫，其儲量超過了植被與大氣有機碳儲量之和，且較小幅度的變化，對全球的碳平衡都會產生重大影響[1]。土壤有機碳同時也是土壤肥力的基礎，影響著耕地的生產力和作物的產量[2]。因此，全面了解土壤有機碳的變化方向和變化規(guī)律具有重要意義。研究發(fā)現，土壤總有機碳只能反映出礦化分解和合成的最終結果，很難及時、準確地反映土壤質量的內在變化[3]。所以，人們將土壤有機碳的研究與其分級技術相聯(lián)系，研究土壤有機碳各組分的變化規(guī)律。近年來，由于人們認識到受物理保護的有機碳在固碳和肥力上發(fā)揮著重要作用[4]，且物理分級方法能夠呈現原狀有機碳的結構和功能，所以它已逐漸成為土壤有機碳分級的主流。

施肥是影響土壤有機碳轉化和積累的重要管理措施之一，不同施肥處理下物理分級的土壤有機碳組分存在差異[5]。全面了解有機碳物理分級方法，深入分析施肥對有機碳不同組分的影響，對認識土壤有機碳的穩(wěn)定性和施肥關系具有重要意義。

1 土壤有機碳的物理分級

土壤顆粒的空間排列與有機碳受保護程度密切相關，這是土壤有機碳物理分級的理論基礎。依據分離的碳組分不同可以將物理方法分為：密度分級、團聚體分級、顆粒分級、團聚體-密度聯(lián)合分級。研究表明，采用這些分級方法所分出的某一組分是具有某一特性的混合物，因此所得到的組分之間在組成上有重疊[6]。

1.1 密度分級

根據土壤在一定比重溶液中的沉降，用相對密度為1.6～2.0 g/cm3的重液，把不同穩(wěn)定性的碳庫區(qū)分開，一般分為輕組有機碳和重組有機碳[7]。

土壤輕組有機碳（LOC）包括游離態(tài)腐植酸、植物殘體及腐解產物，為易分解有機碳庫，與土壤呼吸速率、微生物量氮、土壤礦化等有顯著的正相關。根據輕組有機碳在團聚體中分布的位置不同，Golchin等[8]進一步將其分為游離態(tài)輕組和包裹輕組兩種形態(tài)。輕組有機碳僅占土壤質量的一小部分（0.03%～8.2%），對施肥等農業(yè)生產措施的反應比較敏捷；重組有機碳主要是存在于有機無機復合體中，占土壤質量的絕大部分，屬于惰性碳庫[9]。

1.2 團聚體分級

土壤有機碳團聚體分級依據組分粒徑差異，采用濕篩和振蕩分離方法獲得水穩(wěn)定性團聚體，一般以250 μm為界限將水穩(wěn)定性團聚體分為大團聚體（m acroaggregate）和微團聚體(m icro-aggregate)兩類。其中，前者細分為250～2 000 μm、>2 000 μm，后者細分為<53 μm、 53～250 μm[10]。陳恩鳳等[11]將<53 μm的團聚體細分為<2 μm、2～5 μm、5～10 μm、10～53 μm。由于用沉降法分離<53 μm的微團聚體時會出現“大粒徑減少，小粒徑增加”現象，因此較多報道選用劉中良等[10]的分級方法。

1.3 顆粒分級

顆粒分級和團聚體分級都是按粒徑大小進行的，其區(qū)別在于，顆粒分級用濕篩、六偏磷酸鈉或超聲波進一步分散土壤。分級的過程中團聚體被破壞，土壤顆粒均被分散為原生土壤顆粒。顆粒分級使用較多的劃分方法為：砂粒（53～2 000 μm ）、粗粉粒（5～53 μm）、細粉粒（2～5 μm）、粗粘粒（0.2～2 μm）和細粘粒（＜0.2 μm）[12-13]

各顆粒級中的有機碳含量一般為：粘粒>粉粒>砂粒，且砂粒、粉粒和粘粒分別屬于活性、中活性和惰性碳庫。砂粒組中有機碳與砂粒沒有結合，有機碳主要是腐解的植物、微生物的殘體；粉粒富含植物來源的芳香族成分；粘粒富含微生物產物，對有機碳具有吸附固定的作用。

1.4 團聚體-密度聯(lián)合分級

為了探明土壤有機碳與土壤結構的關系，Six 等[14-15]提出了顆粒有機碳在團聚體中的存在模式。研究結合了團聚體和密度分級方法，從53～250 μm、250～2 000 μm團聚體中分別分離出閉蓄態(tài)和游離態(tài)顆粒有機碳。閉蓄態(tài)顆粒有機碳分布在團聚體內部，游離態(tài)顆粒有機碳則主要填充在團聚體之間的大空隙中。由于兩者分布不同，有機碳的穩(wěn)定性也不同，前者的穩(wěn)定性大于后者。有研究將大團聚體顆粒有機碳細分為粗顆粒有機碳（>250 μm）和細顆粒有機碳（53～250 μm），并將團聚體內細顆粒與粗顆粒有機碳的比值作為衡量團聚體更新速率的重要指標[16]。

2 施肥對物理分級的土壤有機碳組分的影響

2.1 對密度分級的土壤有機碳組分的影響

2.1.1 輕組有機碳 施肥可以影響輕組有機碳的含量，且肥料種類不同對其影響效果也不同。國內有研究表明，單施化肥可以提高輕組有機碳的含量[17]，且氮磷鉀均衡施用效果更明顯。其原因可能是施用化肥特別是氮磷鉀均衡施用，使得作物的生物量加大，土壤中的根茬及殘落物增多。此外，化肥的施用還可以提高作物殘茬和根向有機質轉化的效率，輕組有機碳的增加量大于礦化損失量，使有機碳含量有所增加[18]。但王玲莉[9]、Gong W等[19]認為，單施化肥致土壤輕組有機質含量下降，其原因可能是單施化肥促進了土壤微生物活性，提高了輕組有機碳的分解速率，且在微生物的作用下，一部分輕組有機碳向重組有機碳轉化，輕組有機碳的損失量超過歸還量以致含量下降。

施用有機肥也能夠增加輕組有機碳的含量，且有機肥和化肥混施效果更顯著。研究發(fā)現，作物秸稈處理的輕組有機碳含量高于糞肥處理，其原因在于植物殘體是輕組有機碳的直接來源，同時作物秸稈主要由木質素和多酚等抗分解物質組成，與糞肥相比，不容易被微生物利用，有利于輕組有機碳的積累[20]。有研究表明，混施秸稈將秸稈與土壤混合，促進了秸稈的分解及腐殖化，加快了秸稈有機碳向土壤有機碳的轉化與更新，其效果好于表施秸稈[21]。

2.1.2 重組有機碳 重組有機質是土壤有機質的主體部分，對保持土壤肥力具有重要意義。研究表明，長期施用化肥、有機肥或兩者配合施用，對提高土壤中重組有機質含量的幅度大小為：有機無機肥配施>單施有機肥>單施化肥，且在施有機肥的處理中，廄肥的效果比秸稈好[21]。其原因可能是，增施有機肥特別是廄肥，增加了有機碳與土壤礦物質的粘結程度，組成的有機無機復合體不容易分解，保護了土壤有機碳，使土壤重組有機碳含量增加[22]。

2.2 對團聚體分級的土壤有機碳組分的影響

2.2.1 單施化肥 李輝信等[23]研究表明，長期單施化肥主要增加了>2 000 μm土壤團聚體有機碳的含量；雷敏等[24]認為施用化肥可以提高團聚體各組分有機碳，但影響幅度較小；向艷文等[25]分析得出：長期單施化肥后有機碳富集在250～500 μm粒徑的水穩(wěn)定性團聚體內。

2.2.2 單施有機肥 安婷婷等[26]研究表明，有機肥可以顯著增加土壤大團聚體有機碳的含量；劉恩科等[27]認為：施有機肥處理增加的新碳主要向250～2 000 μm和＞2 000 μm的團聚體富集；徐江兵等[28]研究認為，增施肥有機肥后，大團聚體有機碳在總有機碳中所占的比例增加，其中以＞2 000 μm的有機碳增加最快，而＜53 μm的團聚體有機碳所占比例呈明顯下降趨勢。該結論進一步驗證了Puget等[29]的觀點：大團聚體由較新的有機碳膠結較小的團聚體形成，有機碳含量高于微團聚體，有機碳增加速度較微團聚體快。這是養(yǎng)分有效性提高和有機碳品質改善的體現。

有機肥的施入增加了土壤中作物新鮮殘茬的輸入量，為土壤微生物和植物根系提供了能量和養(yǎng)分來源，增加了土壤微生物的活性。土壤微生物和植物根系產生的較大分子的多糖和分泌物作為膠結劑參與團聚體的形成，增加了大團聚體的含量。當大團聚體的數量達到一定比例時，有機肥的施用將提高大團聚體有機碳的含量。因此，有機肥的施入先增加團聚體的數量，后提高團聚體的質量，即增加團聚體有機碳的含量。由于不同有機肥料在土壤中分解速率和殘留量上的差異，以及對作物生長影響形成的有機殘茬不同，導致施用不同的有機肥料時、同一粒徑團聚體含碳量的變化有所差異。研究普遍認為，廄肥的促進作用較秸稈和綠肥效果明顯[30]。

2.2.3 化肥與有機肥配施 化肥與有機肥配施是增加各級團聚體有機碳含量的最佳施肥手段。施用化肥能有效提高作物產量，增加根系及其分泌物等的輸入，促進水穩(wěn)定性團聚體的形成；而有機肥可以增加土壤有機碳的含量，其膠結作用有利于大團聚體的形成，同時穩(wěn)定小團聚體被包裹在大團聚體內，保護團聚體中的有機碳。

2.3 對顆粒分級的土壤有機碳組分的影響

不同粒級中的土壤有機碳由于顆粒大小及其表面化學性質不同，因此在數量、組成、化學性質及抗分解能力上均存在本質差異，這些差異的綜合作用，使不同粒級有機碳對施肥措施的反應有所不同[31-32]。

2.3.1 砂 粒 砂粒有機碳受施肥的影響最大。佟小剛等[32]提出：長期施有機肥，砂粒有機碳平均增幅是總有機碳的4.0倍，是其他各級顆粒的2.4～3.9倍。但是，單施化肥對砂粒有機碳的影響存在爭議，有研究表明，長期單施化肥可以增加砂粒有機碳的含量，而有的則認為，長期單施化肥對各粒級有機碳的影響小或根本不利于各級顆粒有機碳的增加，這可能是因為化肥直接為微生物提供了有效氮源，顯著促進了土壤微生物活動及有機碳分解，使其礦化損失量等于或大于歸還量。

研究表明[32]，秸稈還田可以提高砂粒有機碳的含量，與施化肥比較，潮土上兩處理間砂粒有機碳含量相似；但在紅壤上秸稈還田砂粒有機碳含量顯著低于平衡施用化肥（NPK）。秸稈還田是直接歸還植株殘體，有機碳輸入量、砂粒有機碳含量顯著高于化肥處理。但其作用效果與單施化肥比較，砂粒有機碳含量并沒有顯出優(yōu)勢，這可能是因為秸稈礦化分解與溫度濕度密切相關。大量研究表明，施用糞肥可以顯著提高砂粒有機碳的含量，且由于糞肥直接提供了與砂粒有機碳組成相近的有機碳組分，因此增加砂粒有機碳的效果較其他肥料好。

2.3.2 粉粒和粘粒 不同大小粉粒和粘粒有機碳對施肥有明顯響應。佟小剛等[32]研究表明，單施化肥可以顯著增加細粘粒有機碳的含量，且施化肥使紅壤細粘粒有機碳的含量比施有機肥顯著提高了4.95～10.90 g/kg。這是因為化肥為土壤微生物提供了大量速效養(yǎng)分，微生物活動增強，代謝分泌物增多，這些分泌物直接由粗顆粒轉移至細顆粒，導致細粘粒有機碳積累增加。佟小剛等[32]還提出這樣的觀點：施肥可以提高各級粘粒、粉粒碳的含量，且施有機肥較施化肥提高土壤粗粉粒、細粉粒和粗粘粒有機碳含量的效果更顯著。

在各級粘粉粒有機碳中，粗粉粒與細粘粒有機碳對施肥較敏感，原因可能是粗粉粒有機碳并未完全腐殖化，還包括一些活性有機質代謝中間產物；細粘粒有機碳主要來自微生物的代謝產物，因而它們在土壤養(yǎng)分轉移中起重要作用；而細粉粒和粗粘粒有機碳高度腐殖化，極難分解。但有不同觀點認為：使用化肥和有機肥后粗粉粒有機碳含量降低。樊廷錄等[33]提出，長期施肥對土壤中粗細粉粒和粗粘粒有機碳的含量均無明顯影響。這可能與試驗所用土壤的成土母質、氣候、水分等試驗條件不同有關。

2.4 對團聚體內顆粒有機碳組分的影響

單施化肥對團聚體內顆粒有機碳無顯著影響，而有機肥則可以促進團聚體中游離態(tài)、閉蓄態(tài)有機碳含量的提高。安婷婷等[26]研究提出，對黑土施有機肥其游離態(tài)有機碳較對照高出53.8%；王雪芬等[34]研究提出，對紅壤長期施有機糞肥，閉蓄態(tài)組分有機碳含量比對照增加了184%；徐江兵等[28]也認為施有機肥可以增加閉蓄態(tài)有機碳含量，并將不同有機肥料進行了對比，結果顯示：廄肥的效果最顯著，秸稈、綠肥的效果次之。

大量研究表明，250～2 000 μm團聚體內細顆粒與粗顆粒有機碳的比值隨著團聚體周轉速率的降低而升高。徐江兵等[28]研究發(fā)現，長期施用有機肥使細顆粒有機碳顯著增加，且增加幅度大于粗顆粒有機碳。這表明：有機肥的輸入降低了土壤大團聚體的周轉，且秸稈處理對團聚體的形成和穩(wěn)定效果優(yōu)于廄肥處理，原因在于：一是秸稈中木質素含量高，復制系數高，有更多的有機物質殘留在土壤中穩(wěn)定團聚體；二是秸稈處理的真菌數量多，而真菌菌絲是團聚體作用的主要因子。但也有研究發(fā)現，有機肥的輸入加速了大團聚體的更新。這可能與土壤自身的有機碳水平有關。

3 展 望

隨著全球氣溫上升，土壤有機碳的作用已不僅局限于對土壤肥力的影響，還與大氣圈、生物圈的持續(xù)發(fā)展密切相關。土壤是緩解二氧化碳濃度上升的貯存庫，而施肥可以改變土壤有機碳庫的儲量，因此研究施肥對有機碳各組分的影響已經成為一種趨勢，且研究所使用的有機碳分級技術逐步由劇烈手段（化學分級）向輕微手段（物理分級）轉移。

由于土壤有機碳成分復雜，研究方法尚不統(tǒng)一，使得研究結果不能相互比較。所以，在今后的研究中需要解決以下問題：（1）分級方法標準化：統(tǒng)一提取劑的濃度、處理時間和能量大小。（2）針對不同土壤、施肥措施，選擇適合的有機碳分級方法。由于土壤和肥料性質存在差異，沒有一種分級方法能適合所有的土壤和施肥措施，因此，選擇適合的分級方法是研究施肥對土壤有機碳影響的關鍵。

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