長期不同施肥對(duì) 土大團(tuán)聚體中有機(jī)碳組分特征的影響

謝鈞宇，彭 博，王仁杰，張樹蘭*，楊學(xué)云*

（1 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西太谷 030801；2 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌 712100）

土壤有機(jī)碳 (SOC) 對(duì)提升作物生產(chǎn)力具有重要作用，是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。增加農(nóng)田SOC固存能夠減緩大氣中溫室氣體濃度的升高[1]。因此，研究SOC的固存機(jī)制對(duì)于尋求或優(yōu)化農(nóng)田管理措施尤為重要。

長期施有機(jī)肥或化肥對(duì)SOC儲(chǔ)量的影響受到了廣泛關(guān)注。研究結(jié)果表明，長期施有機(jī)肥可顯著提高SOC儲(chǔ)量[2-4]，F(xiàn)an等[3]報(bào)道了連續(xù)20年單施有機(jī)肥和有機(jī)無機(jī)肥配施均顯著提高潮土SOC儲(chǔ)量，增幅分別達(dá)135%和88.6%。然而關(guān)于長期施用化肥對(duì)SOC儲(chǔ)量影響的研究結(jié)果并不一致。研究發(fā)現(xiàn)長期施化肥能顯著提高SOC儲(chǔ)量[2-4]；Hua等[4]利用29年肥料定位試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，氮磷鉀 (NPK) 配施較不施肥顯著提高石灰性栗鈣土SOC儲(chǔ)量55.4%；但也有化肥對(duì)SOC儲(chǔ)量無顯著影響的報(bào)道[5-6]。這其中的機(jī)理并不清楚。

通常，SOC是由幾種具有不同的內(nèi)在降解性和分解速率的功能組分組成[7]，大致可分為活性SOC和穩(wěn)定性SOC。鑒于SOC的空間異質(zhì)性強(qiáng)，活性SOC組分的周轉(zhuǎn)速率較快，相對(duì)于SOC而言，活性SOC被認(rèn)為是評(píng)價(jià)農(nóng)田管理SOC變化更敏感的指標(biāo)[8]。為了更好地評(píng)價(jià)不同管理措施對(duì)SOC固存機(jī)制和穩(wěn)定性的影響，Six等[9-10]提出了團(tuán)聚體物理分組方法及其相對(duì)應(yīng)的碳概念模型，該方法將大團(tuán)聚體分為4個(gè)概念組分，分別是粗顆粒有機(jī)碳 (cPOC)、細(xì)顆粒有機(jī)碳 (fPOC)、大團(tuán)聚體中微團(tuán)聚體內(nèi)顆粒有機(jī)碳 (iPOC) 和礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳 (MOC)，認(rèn)為cPOC和fPOC組分是團(tuán)聚體之間未受保護(hù)的有機(jī)碳組分，活性SOC組分可以通過這兩個(gè)組分來表征；iPOC組分是受物理保護(hù)的有機(jī)碳組分，MOC組分受化學(xué)或生物化學(xué)保護(hù)。該方法主要被用來研究耕作方式的改變[11]和農(nóng)田管理措施 (如添加污泥或生物炭) 對(duì)各土壤有機(jī)碳組分含量的影響[12-13]，均得到了較一致的結(jié)果：iPOC組分對(duì)SOC的保護(hù)作用最大。國內(nèi)也有一些學(xué)者應(yīng)用該方法研究土壤有機(jī)碳組分的變化對(duì)土壤有機(jī)碳穩(wěn)定機(jī)制的影響[14-15]，特別是長期定位試驗(yàn)的研究較多[16-18]，但結(jié)論不盡相同。Tian等[16]利用35年有機(jī)肥和無機(jī)肥定位試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，施有機(jī)肥顯著增加潮土有機(jī)碳含量，使SOC優(yōu)先累積在MOC以及iPOC組分中。但Xu等[17]認(rèn)為cPOC組分是評(píng)價(jià)長期施肥對(duì)棕壤有機(jī)碳固存影響的主要組分。而Yang等[18]在南方紅壤區(qū)研究發(fā)現(xiàn)，iPOC組分是旱地土壤碳固存的主要形式，而MOC組分是水田碳固存的主要形式。研究結(jié)果的不一致可能與施肥水平、施肥歷史、作物種植體系、土壤性質(zhì)以及氣候因素有關(guān)。因此，有必要對(duì)特定類型的土壤有機(jī)碳固存機(jī)制進(jìn)行深入研究。

土是中國北方關(guān)中平原的重要土壤類型，面積達(dá)97.6 × 104hm2[19]，占陜西省耕地面積的34.1%[20]。該區(qū)域人地矛盾日益突出，因此，尋求高效和合理的培肥模式，對(duì)于提升土壤肥力、維持農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。以往的研究表明，長期施無機(jī)肥可以維持或提高 土有機(jī)碳含量[21]，而有機(jī)無機(jī)肥配施能夠顯著提高 土有機(jī)碳含量[22]，但是這些結(jié)果并沒有從團(tuán)聚體的角度剖析長期不同施肥 土有機(jī)碳的固存機(jī)制。因此，本研究以 土35年肥料定位試驗(yàn)為依托，利用物理分組方法，深入探討長期不同施肥模式下土壤大團(tuán)聚體有機(jī)碳組分的變化特征，以期更好地理解 土有機(jī)碳的固存機(jī)制，同時(shí)為 土區(qū)建立合理的施肥模式提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于黃土高原南部的陜西省楊凌示范區(qū)三級(jí)階地 (N 34°17′51″、E 108°00′48″，海拔 534 m)，年平均氣溫13℃，年降水量550～600 mm。供試土壤為 土 (土墊旱耕人為土)，黃土母質(zhì)。試驗(yàn)開始前0—20 cm土層SOC含量為6.52 g/kg、全氮(N) 為0.81 g/kg、全磷 (P) 為0.79 g/kg、有效磷(Olsen-P) 為15.0 mg/kg、交換性鉀 (K) 245 mg/kg (1.0 mol/L乙酸銨浸提)、土壤容重為1.30 g/cm3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)開始于1980年夏，冬小麥-夏玉米一年兩熟制。小麥以小偃22號(hào)為主，玉米以陜單9號(hào)為主。試驗(yàn)為裂區(qū)設(shè)計(jì)，有機(jī)肥為主區(qū)，氮磷化肥配施為副區(qū)，小區(qū)面積為33.3 m2，試驗(yàn)共設(shè)9個(gè)處理，包括不施肥、單施低量化肥、單施高量化肥、單施低量有機(jī)肥、低量有機(jī)肥配施低量化肥、低量有機(jī)肥配施高量化肥、單施高量有機(jī)肥、高量有機(jī)肥配施低量化肥、高量有機(jī)肥配施高量化肥，每個(gè)處理重復(fù)3次。本研究選取其中的4個(gè)處理：不施肥 (CK)、單施高量化肥 (NP)、單施高量有機(jī)肥(M)、高量有機(jī)肥配施高量化肥 (MNP)。每季作物施一次氮、磷肥，1980年至1992年每季作物施一次有機(jī)肥。由于多年施用土糞導(dǎo)致小區(qū)高程增加影響灌溉，因此對(duì)有機(jī)肥施用量做了適當(dāng)調(diào)整。1987年至1990年有機(jī)肥施用量減半；1991年至1992年有機(jī)肥施用量減為四分之一；從1993年開始，每年只在玉米季施入四分之一用量的有機(jī)肥 (表1)。2010年只種了一季玉米，從2010年開始每年只在小麥播種前施有機(jī)肥，且有機(jī)肥按含氮量折合成相應(yīng)的牛糞施入。小麥播種前施入所有的化肥和有機(jī)肥；玉米則在約8葉期施肥。氮、磷肥第一年用尿素和普鈣，以后各年均用尿素和磷酸二銨，每年施入的有機(jī)肥 (農(nóng)家肥) 類型也不同。1980年至1993年，施入的有機(jī)肥是墊土的豬糞，其中有機(jī)碳和全氮含量范圍分別是0.99%～4.02%和0.12%～0.51%[23]；1994年至2000年，施入的有機(jī)肥是豬糞、牛糞、雞糞以及干羊糞，其中有機(jī)碳含量分別為13.8%、10.4%、16.5%和33.6%，相應(yīng)的全氮含量分別為0.55%、0.38%、1.03%和2.01%[24]；2001年開始，每年施入牛糞，其中的有機(jī)碳和全氮含量變幅分別是15.4%～44.0%和1.06%～2.90%。

表1 土長期定位試驗(yàn)各處理施肥量Table 1 Rates of manure, N and P in treatments of long-term experiment

冬小麥于每年十月中旬播種，次年六月上旬收獲；接著播種夏玉米，九月下旬或十月上旬收獲。灌溉根據(jù)降雨情況而定，地下水灌溉，冬小麥生長期內(nèi)灌溉0～2次，玉米為3～4次，每次灌水量為90 mm左右。

1.3 樣品采集與分析

于2015年10月夏玉米收獲前一天，用定制的取樣環(huán)刀 (高度為10 cm、直徑為10 cm) 分別采取0—10 cm和10—20 cm土層的原狀土，每個(gè)小區(qū)采集3個(gè)樣點(diǎn)，然后混合成1個(gè)樣品，小心地放入塑料袋中，再裝入硬紙盒中，運(yùn)輸過程中盡量避免對(duì)土樣的擾動(dòng)，以免破壞土壤結(jié)構(gòu)。將采集回來的原狀土樣在室內(nèi)沿自然結(jié)構(gòu)輕輕掰成 〈 1 cm的小土塊，過8 mm篩，剔除植物殘?bào)w和石塊等雜物，自然風(fēng)干，放于塑封袋中供團(tuán)聚體分級(jí)備用。

另外，玉米收獲后，在每個(gè)小區(qū)用土鉆 (高度為20 cm、內(nèi)徑約2.5 cm) 分別取0—10 cm和10—20 cm土層樣品6鉆混合，裝入塑料袋后帶回實(shí)驗(yàn)室，在陰涼通風(fēng)處自然風(fēng)干，人工去除植物殘?bào)w等雜物，研磨后過0.15 mm篩，密封在塑封袋中測定SOC含量。

水穩(wěn)性團(tuán)聚體的測定采用濕篩法[25]。土壤大團(tuán)聚體中各有機(jī)碳組分測定采用Six等[9-10]提出的濕篩與密度分組結(jié)合法，操作流程如圖1所示。

圖1 物理分組流程Fig. 1 Physical fractionation scheme

1.4 測定項(xiàng)目及方法

土壤有機(jī)碳含量及cPOC、iPOC和MOC含量采用重鉻酸鉀—容量法測定，fPOC含量用Vario MACRO cube元素分析儀 (德國哈瑙) 測定。

1.5 計(jì)算方法

土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量：

式中，SOC為0—20 cm土層土壤有機(jī)碳含量 (g/kg)；BD為土壤容重 (g/cm3)；H為土層深度 (0.20 m)。

本試驗(yàn)中土壤有機(jī)碳投入有兩個(gè)途徑：其一源于有機(jī)肥 (Cinput-manure)，即人畜糞尿肥；其二是作物生長期間或收獲后通過根系和根茬殘留物輸入至土壤的有機(jī)碳 (Cinput-crop)。土壤有機(jī)碳投入量為二者之和。小麥、玉米碳投入按照小麥植株0.413 g/g，玉米0.4074 g/g進(jìn)行計(jì)算。以種植小麥為例，每年以作物殘茬形式投入到土壤中的碳含量計(jì)算公式為：式中，YB和YS分別是地上部生物量和秸稈產(chǎn)量；R為光合作用產(chǎn)物進(jìn)入地下比例，本試驗(yàn)按照小麥30%和玉米26%的地上部生物量的作物殘茬量進(jìn)行估算[26-27]；Dr為0—20 cm根系占地下部的比例，小麥 (75.3%) 和玉米 (85.1%)[28]；RS為留茬占秸稈的比例，小麥和玉米分別按10%和3%進(jìn)行估算。

土壤大團(tuán)聚體中各組分的有機(jī)碳含量為該組分有機(jī)碳含量與其質(zhì)量之乘積。

1.6 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)結(jié)果采用Excel和DPS7.05軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，不同處理間采用LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。采用簡單線性關(guān)系 (y = ax + b) 來擬合土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量增量以及土壤大團(tuán)聚體各組分有機(jī)碳含量與累積碳投入量之間的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機(jī)碳固存

與對(duì)照 (CK) 相比，連續(xù)35年單施化肥 (NP) 對(duì)SOC儲(chǔ)量無顯著影響，而單施有機(jī)肥 (M) 和有機(jī)無機(jī)肥配施 (MNP) 均顯著提高0—20 cm土層SOC儲(chǔ)量，分別是CK的1.45倍和1.43倍 (表2)。NP、M以及MNP處理累積碳投入量和年均碳投入量均顯著高于CK，增幅分別達(dá)120%～515%和115%～518%。SOC儲(chǔ)量增量與累積碳投入量呈顯著正相關(guān)(R2= 0.81，P〈 0.01) (表 2)。盡管施肥處理的累積碳投入量高于CK處理，但是相應(yīng)的SOC儲(chǔ)量增量相對(duì)較低，即所有施肥處理的固碳效率低于CK處理，這也就造成了投入到土壤中的碳大量損失。

2.2 長期不同施肥大團(tuán)聚體中各有機(jī)碳組分分布

在0—10 cm和10—20 cm土層土壤中，各處理均以受化學(xué)或生物化學(xué)保護(hù)的游離態(tài)粉黏粒組分 (s +c_f) 分布比例最高，分布比例范圍分別介于39.8%～56.2%和38.0%～53.3%；其次是大團(tuán)聚體中的微團(tuán)聚體組分 (microaggregates occluded in macroaggregates，MOM)，分布比例范圍分別為40.7%～52.0%和42.1%～54.0%；而未受保護(hù)的粗顆粒有機(jī)碳組分 (cPOC) 分布比例最少，分別介于3.2%～8.8%和2.9%～8.6%。在MOM組分中，以受化學(xué)或生物化學(xué)保護(hù)的微團(tuán)聚體中粉黏粒組分 (s +c_m) 分布比例最高，在0—10 cm土層的變幅范圍為34.3%～45.6%，10—20 cm土層的變幅范圍為37.0%～48.1%；其次是受物理保護(hù)的大團(tuán)聚體中微團(tuán)聚體內(nèi)顆粒有機(jī)碳組分 (iPOC) (6.2%～9.0%和4.9%～5.7%)，而未受保護(hù)的細(xì)顆粒有機(jī)碳組分(fPOC) 分布比例最少，在0—10 cm土層僅占0.2%～0.7%，10—20 cm土層占0.2% (表3)。

表2 1980—2015年間表層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量、累積碳投入量、年均碳投入量和固碳效率Table 2 SOC storage, cumulative C input, annual C input and C sequestration efficiency of plough layer soils after 35-years’ fertilization

在0—10 cm土層，同CK相比，NP處理對(duì)cPOC、fPOC和iPOC組分的分布比例無顯著影響，但是M和MNP處理均顯著提高cPOC和iPOC組分的分布比例，增幅分別為145.0%～179.9%和37.8%～45.9%。而且MNP處理顯著提高fPOC組分的分布比例，是CK的3.5倍。另外，長期施肥均顯著提高微團(tuán)聚體中粉黏粒組分的分布比例，增幅達(dá)18.1%～32.9%，卻顯著降低游離態(tài)粉黏粒組分的分布比例，降幅達(dá)21.7%～29.2%。

在10—20 cm土層，與CK相比，所有施肥處理均沒有顯著影響cPOC、fPOC和iPOC組分的分布比例，但均顯著提高微團(tuán)聚體中粉黏粒組分的分布比例，增幅達(dá)21.7%～30.2%，同時(shí)顯著降低游離態(tài)粉黏粒組分的分布比例，降幅達(dá)13.5%～28.7%。

2.3 長期不同施肥大團(tuán)聚體中各組分的有機(jī)碳含量

總體來講， 土兩土層各處理間大團(tuán)聚體中各組分有機(jī)碳含量以iPOC或MOC組分最多，其次是cPOC組分，而fPOC組分最少 (圖2)。與SOC儲(chǔ)量變化趨勢相似，0—10 cm土層土壤大團(tuán)聚體中各組分的有機(jī)碳含量高于10—20 cm土層 (圖2)。

表3 長期施肥0—10 cm和10—20 cm土層土壤大團(tuán)聚體中有機(jī)碳組分重量分布 (%，w/w)Table 3 Weight distribution of soil macroaggregate fractions in soils separated by physical fractionation at 0-10 cm and 10-20 cm layers in each treatment

與CK相比，施NP對(duì)兩土層大團(tuán)聚體中各組分的有機(jī)碳含量沒有顯著影響。施有機(jī)肥 (M和MNP)顯著提高各土層cPOC和iPOC含量，cPOC含量提高了174%～338% (0—10 cm) 和215%～245%(10—20 cm)，iPOC含量提高了127%～241% (0—10 cm) 和106%～130% (10—20 cm)。而且MNP處理還顯著提高0—10 cm土層fPOC含量 (482%)，M和MNP處理均顯著提高0—10 cm土層MOC含量，分別提高了34.6%和28.9%，但是M和MNP處理均對(duì)10—20 cm土層fPOC和MOC含量沒有顯著影響(圖 2)。

2.4 大團(tuán)聚體中各組分有機(jī)碳含量與累積碳投入量的關(guān)系

線性回歸顯示大團(tuán)聚體中各組分有機(jī)碳含量均與累積碳投入量呈顯著正相關(guān) (P〈 0.05) (圖3)，表明 土有機(jī)碳在各個(gè)團(tuán)聚體組分中均有固存。大團(tuán)聚體各組分中，回歸方程斜率最高的是iPOC組分(0.023)，其次是cPOC組分 (0.012)，而MOC組分(0.007) 和fPOC組分的斜率最低 (0.005)。說明在 土上，有機(jī)碳固存的最高速率發(fā)生在iPOC組分中。

3 討論

3.1 長期不同施肥對(duì)土壤有機(jī)碳固存的影響

肥料的施用是影響土壤有機(jī)碳庫的重要因素，不同的施肥措施對(duì)SOC的影響不同，尤其是有機(jī)肥的施用是調(diào)控SOC的重要措施之一[29]。本研究結(jié)果表明，相對(duì)不施肥而言，施化肥通過提高作物生物量以及殘茬歸還量，對(duì)SOC儲(chǔ)量無顯著影響，這與該區(qū)域另一個(gè)長期定位試驗(yàn)的結(jié)果不盡相同[21]，可能是因?yàn)楸驹囼?yàn)長期以來氮磷施用量較低，產(chǎn)量僅可維持碳平衡。施有機(jī)肥為土壤提供了充足的碳源，從而直接增加SOC儲(chǔ)量。進(jìn)一步配施化肥對(duì)SOC儲(chǔ)量的增幅效果最好。SOC儲(chǔ)量增量與累積碳投入量呈線性相關(guān) (表2)，這與Kundu等[26]的研究結(jié)果相似，他們也發(fā)現(xiàn)在印度沙壤SOC含量的變化與總碳投入量之間存在顯著的線性關(guān)系 (R2= 0.988，P〈0.05)，表明本研究區(qū)域的土壤仍有較大的潛力固存有機(jī)碳。

圖2 長期不同施肥0—10 cm和10—20 cm土層土壤大團(tuán)聚體中各組分有機(jī)碳含量Fig. 2 Organic C contents in macroaggregates fractions in soils of 0-10 cm and 10-20 cm depths in each treatment

圖3 長期不同施肥處理耕層土壤大團(tuán)聚體中各組分有機(jī)碳含量與累積碳投入量的關(guān)系Fig. 3 Relationship between OC content of fractions isolated from macroaggregates in soils at 0-10 cm and 10-20 cm soil depths and cumulative C input under various long-term fertilization regimes

另外，本研究發(fā)現(xiàn)，不同處理間土壤固碳效率存在顯著差異，總體表現(xiàn)為CK處理的固碳效率最高 (12%)，其次是M處理 (11%)，而MNP處理 (8%)和NP處理 (7%) 的固碳效率最低。這一方面與各處理的碳投入量不同有關(guān)。不施肥 (CK) 條件下，SOC的來源主要是作物殘茬和根系歸還土壤，土壤養(yǎng)分供應(yīng)不均衡限制了作物生長，導(dǎo)致碳投入數(shù)量較少。有機(jī)肥投入水平下 (M和MNP) 固碳效率較低可能是因?yàn)槌渥愕奶荚春宛B(yǎng)分投入為微生物的繁殖和活動(dòng)提供了良好的環(huán)境，導(dǎo)致很強(qiáng)的正激發(fā)效應(yīng)[30]。另一方面是因?yàn)橥寥缹?duì)不同碳源提供的碳固定能力不同[31]。研究表明來源于根系的有機(jī)碳易與土壤中的礦物顆粒相結(jié)合，從而受到保護(hù)，殘留于土壤中[32]。Mendez-Millan等[33]利用同位素技術(shù)研究植物根系和地上部的生物標(biāo)記物發(fā)現(xiàn)，與植物地上部比較，來源于根系的有機(jī)質(zhì)分子占土壤殘留有機(jī)質(zhì)的絕大多數(shù)。Halvorson等[34]研究發(fā)現(xiàn)，土壤對(duì)殘茬和根系提供的碳固定率為159%，而對(duì)有機(jī)肥提供的碳固定率為60%。同時(shí)也說明根茬是導(dǎo)致SOC變化的主要碳源因素。在低養(yǎng)分供應(yīng)脅迫下，光合產(chǎn)物將優(yōu)先分配至根組織[35]。而根際分泌物的激發(fā)作用促進(jìn)土壤原有機(jī)碳的降解，因此根際分泌物激發(fā)作用造成的SOC損失可能會(huì)抵消分泌物對(duì)土壤的碳輸入[36]。此外，施化肥 (NP) 能增加微生物生物量、DOC和N有效性[37]，進(jìn)而加速SOC的分解。這也導(dǎo)致了該水平條件下土壤固碳效率最低。

此外，還與估算土壤碳投入的計(jì)算方法有關(guān)。通過根系和根茬投入土壤的有機(jī)碳可以根據(jù)它們與地上部生物量的比例來確定，但是該比例不僅與農(nóng)田管理措施有關(guān)，還受氣候條件變化的影響，因此具有年際間差異。有研究報(bào)道，該比值與產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)，即產(chǎn)量越高，根系和根茬占產(chǎn)量的比值就越小[5]。因此，不同的施肥條件下，采用相同的比例可能會(huì)過高或過低地估算土壤碳投入。本研究通過實(shí)地測定，小麥和玉米根茬量與地上部生物量比值分別采用0.30和0.26，與Kuzyakov等[38]根據(jù)同位素示蹤技術(shù)估算的小麥值相近，為0.32，但是高于Kong等[32]在估算碳投入時(shí)，小麥和玉米根茬量與地上部生物量的比值，分別為0.22和0.23，而低于Majumder等[39]在估算稻麥輪作體系中，小麥根茬量與地上部生物量的比值，分別是0.38和0.40?？梢钥闯觯纪度氲墓浪愦嬖诤芏嗖淮_定性，因此會(huì)影響不同研究之間的有機(jī)碳固存效率。

3.2 長期不同施肥對(duì)大團(tuán)聚體中各組分有機(jī)碳固存的影響

團(tuán)聚體中iPOC組分通常被認(rèn)為是利用物理保護(hù)機(jī)制通過團(tuán)聚體的閉蓄作用以阻止微生物分解SOC[9-10]。本研究表明，與CK相比，NP處理對(duì)兩土層大團(tuán)聚體中iPOC含量無顯著影響，但是施有機(jī)肥 (M以及MNP) 可以顯著提高iPOC含量 (圖2)。這與前人研究結(jié)果相似，長期施有機(jī)肥可以顯著提高大團(tuán)聚體中iPOC儲(chǔ)量以及原土中iPOC含量[16,18,40-41]。因?yàn)榕cCK或NP處理相比，有機(jī)肥本身作為一種碳源，直接向土壤投入更多的碳，而且施有機(jī)肥通過提高作物產(chǎn)量[42]，進(jìn)而導(dǎo)致更多的作物殘茬和根系歸還到土壤中。另外，也有研究報(bào)道施有機(jī)肥能促進(jìn)大團(tuán)聚體中微團(tuán)聚體的形成，并加速了新的、更穩(wěn)定的iPOC累積于新形成的微團(tuán)聚體中[43-44]。Huang等[43]、Jiang等[40]和Liang等[45]研究證實(shí)，大團(tuán)聚體中iPOC組分是紅壤、潮土和灰漠土的主要固碳形式，可以作為評(píng)價(jià)長期施肥對(duì)SOC固存的理想指標(biāo)。本研究還發(fā)現(xiàn)，與其它3個(gè)組分相比，iPOC含量與累積碳投入量之間呈極顯著正相關(guān) (圖3)，因此，iPOC是本研究所在區(qū)域的土壤上最主要的固碳形式，換言之，長期施肥主要顯著增加了 土大團(tuán)聚體中受物理保護(hù)的組分有機(jī)碳儲(chǔ)量。

cPOC和fPOC組分構(gòu)成了一個(gè)未受保護(hù)的土壤有機(jī)碳庫，是微生物可直接利用的碳源，屬于高活性有機(jī)碳，對(duì)農(nóng)業(yè)措施響應(yīng)敏感[9-10]。本研究結(jié)果顯示，與CK相比，長期施化肥對(duì)兩土層這2個(gè)組分的有機(jī)碳含量均無顯著影響，但M以及MNP處理顯著增加了cPOC含量，MNP處理顯著增加0—10 cm土層fPOC含量 (圖3)。Yu等[41]也報(bào)道施有機(jī)肥顯著增加大團(tuán)聚體中cPOC組分有機(jī)碳儲(chǔ)量，但施PK肥對(duì)它無顯著影響。另外，He等[8]和Tian等[16]也研究發(fā)現(xiàn)長期施有機(jī)肥顯著增加棕壤、潮土和紅壤cPOC組分中有機(jī)碳含量。這說明cPOC含量主要是通過有機(jī)肥中容易代謝的碳的正常供給而增加。

與本研究中施肥對(duì)fPOC含量的影響結(jié)果相似，Liang等[45]研究發(fā)現(xiàn)連續(xù)施有機(jī)肥或有機(jī)肥化肥配施(M、MN和MNPK) 均顯著提高潮土大團(tuán)聚體中fPOC含量，而施化肥 (N和NPK) 則無顯著影響。Tian等[16]及Yang等[18]也分別報(bào)道了長期有機(jī)無機(jī)肥配施顯著提高潮土和紅壤fPOC含量。Yang等[18]同時(shí)證實(shí)施化肥對(duì)紅壤fPOC含量無顯著影響。表明碳投入水平越高越有利于fPOC組分中有機(jī)碳含量的累積，而施化肥不能為該組分提供足夠的有機(jī)碳。Six等[9]指出cPOC和fPOC組分主要由作物根系殘茬、動(dòng)植物殘?bào)w、微生物，甚至是木炭組成。本研究所在區(qū)域的土壤上，未受保護(hù)的組分中有機(jī)碳含量之所以增加是因?yàn)殚L期施有機(jī)肥不僅顯著提高作物產(chǎn)量[42]，進(jìn)而增加了作物根系、殘茬歸還量，而且有機(jī)肥施用直接提供了該組分。另外，結(jié)合cPOC和fPOC與累積碳投入量之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，cPOC+fPOC是本研究所在區(qū)域土壤的第二個(gè)重要的大團(tuán)聚體有機(jī)碳固存庫，與周萍等[46]報(bào)道的cPOC組分是棕壤上主要的碳庫不同。這種差異可能是因?yàn)楸狙芯康腸POC組分是從大團(tuán)聚體中獲得的，而周萍等[46]則是從原土中得到的。

惰性的礦質(zhì)結(jié)合有機(jī)碳 (MOC) 在 土大團(tuán)聚體各有機(jī)碳組分中含量最高，但只有有機(jī)肥處理顯著增加0—10 cm土層MOC儲(chǔ)量，而施化肥對(duì)0—10 cm和10—20 cm土層MOC儲(chǔ)量無顯著影響 (圖3)。一方面因?yàn)橛袡C(jī)肥中的多聚糖、脂肪酸及芳香族化合物與土壤礦物顆粒結(jié)合形成礦質(zhì)結(jié)合有機(jī)碳[47]；另一方面，有機(jī)肥作為外源碳，其歸還碳量顯著大于土壤本身礦化損失碳量。由于礦質(zhì)結(jié)合有機(jī)碳主要由腐殖質(zhì)組成[48]，因此化肥施用輸入的有機(jī)碳分解形成的腐殖質(zhì)可能還不足以顯著增加礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳。土壤中自由顆粒有機(jī)碳主要是新輸入的有機(jī)碳，它們分解后進(jìn)而向物理保護(hù)的有機(jī)碳轉(zhuǎn)化，最后成為腐殖化程度較高的礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳，相對(duì)穩(wěn)定地固存于土壤中[49]。另外，盡管在本研究中MOC儲(chǔ)量與累積碳投入量呈線性相關(guān)，但其決定系數(shù)僅為37%，而且當(dāng)累積碳投入量大于50 t/hm2時(shí)，MOC儲(chǔ)量大致保持不變 (圖3)。這在一定程度上也說明MOC組分已經(jīng)接近飽和。也有一些研究報(bào)道，長期施化肥對(duì)紅壤、黑土和潮土中MOC組分有機(jī)碳含量無顯著影響[8,50]，但是長期施有機(jī)肥顯著增加MOC組分有機(jī)碳含量。前人研究報(bào)道粉黏粒組分中碳儲(chǔ)量是有限的，而且惰性碳庫對(duì)有機(jī)碳的保護(hù)能力與粉黏粒含量緊密相關(guān)[51]。因此，MOC組分對(duì)施肥措施的響應(yīng)主要依賴于初始SOC水平以及粉黏粒含量。這說明在以上兩篇研究中，紅壤、黑土和潮土中MOC庫仍沒有達(dá)到最大值。

4 結(jié)論

1) 長期施化肥對(duì) 土耕層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量無顯著影響，盡管其累積碳投入量顯著增加。而單施有機(jī)肥以及進(jìn)一步配施化肥均顯著提高了累積碳投入量及土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量。累積碳投入量與土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量呈正相關(guān)，表明供試 土仍可固存有機(jī)碳。

2) 長期施化肥對(duì)大團(tuán)聚體中各組分的有機(jī)碳含量無顯著影響。單施有機(jī)肥以及進(jìn)一步配施化肥后均顯著提高粗顆粒有機(jī)碳組分 (cPOC) 和大團(tuán)聚體中微團(tuán)聚體內(nèi)的顆粒有機(jī)碳組分 (iPOC) 的有機(jī)碳含量，且以有機(jī)無機(jī)肥配施效果更顯著。長期有機(jī)無機(jī)肥配施顯著提高0—10 cm土層細(xì)顆粒有機(jī)碳組分(fPOC) 的有機(jī)碳含量。長期單施有機(jī)肥以及進(jìn)一步配施化肥均顯著提高0—10 cm土層礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳組分 (MOC) 的有機(jī)碳含量。受物理保護(hù)的有機(jī)碳組分 (iPOC) 與累積碳投入量之間呈極顯著正相關(guān)，表明 土有機(jī)碳首先累積在大團(tuán)聚體中微團(tuán)聚體內(nèi)的顆粒有機(jī)碳組分中。