有機肥施用量對黃河源不同坡向退化高寒草甸土壤團(tuán)聚體及有機碳的影響

柴 瑜， 李希來， 于金峰， 益西卓瑪， 宋 嫻， 馬盼盼， 段成偉， 徐文印

(青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院， 青海 西寧 810016)

土壤團(tuán)聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單元和土壤有機碳存在的重要場所[1-2]，其質(zhì)量和含量影響土壤中的肥力狀況，是土體抗蝕能力的體現(xiàn)以及評價土壤質(zhì)量好壞的關(guān)鍵指標(biāo)之一[3]。土壤有機碳作為形成土壤團(tuán)聚體最重要的膠結(jié)物質(zhì)[4]，對土壤肥力水平和土地生產(chǎn)力起決定性作用[5-6]。因此，土壤團(tuán)聚體有機碳含量和團(tuán)聚體穩(wěn)定性對改善土壤結(jié)構(gòu)、協(xié)調(diào)土壤養(yǎng)分供應(yīng)有重大作用。黃河源區(qū)是我國青藏高原重要的水源涵養(yǎng)區(qū)[7]，高寒草甸是源區(qū)主要的草地類型之一，由于生態(tài)環(huán)境脆弱，高寒草甸常常發(fā)生退化[8]。坡向作為最重要的地形因子之一，光照、水分和溫度等在不同坡向間變化明顯，形成局部特殊氣候，進(jìn)而使不同坡向間的草甸植被表現(xiàn)一定的復(fù)雜性[9]。因此，研究不同坡向退化高寒草甸土壤團(tuán)聚體組成及其穩(wěn)定性變化規(guī)律，對退化高寒草甸植被恢復(fù)具有重要意義。

土壤有機碳含量降低和土壤結(jié)構(gòu)退化是土壤退化的兩個主要特征[10]。施肥和土地利用方式等因素影響著土壤有機碳含量和結(jié)構(gòu)狀況[11]，有機肥作為一種傳統(tǒng)肥料，具有養(yǎng)分全面、肥效持久、成本低等特點[12]，施用有機肥對土壤有機碳和土壤結(jié)構(gòu)有重要影響。有研究表明，適當(dāng)?shù)挠袡C肥施肥量會增加高寒草甸地上生物量[13]；合理施用有機肥可以改善土壤結(jié)構(gòu)，減少水土侵蝕，活化土壤養(yǎng)分，提高農(nóng)作物產(chǎn)量[14]；施有機肥對于土壤團(tuán)聚體的改善作用也比較顯著，施有機肥有利于大粒徑團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定性的提高[15]。目前國內(nèi)外針對土壤團(tuán)聚體及其有機碳穩(wěn)定性的研究主要集中在溫帶與熱帶地區(qū)的森林、農(nóng)田土壤、茶園和黑土地等，研究方向主要集中在不同海拔、施肥組合、土地管理措施對土壤團(tuán)聚體及有機碳的分布的影響等方面[16-19]。以黃河源退化高寒草甸為研究對象，探討最適有機肥施用量對陰陽坡高寒草甸土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性及有機碳分布特征的研究鮮有報道?；诖?，本研究以黃河源區(qū)退化高寒草甸為研究對象，設(shè)置不同施肥梯度，探討土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性及有機碳分布對不同有機肥施用量的響應(yīng)，以期為恢復(fù)退化高寒草甸提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究樣地位于青海省黃南藏族自治州河南蒙古族自治縣多松鄉(xiāng)(34°05′～34°56′ N，100°53′6″～ 102°16′12″ E)，海拔3 600 m，年平均氣溫1℃，1月份平均氣溫—10.2℃，7月份平均氣溫10.7℃，年降水量為610.5 mm，年日照時為2 558.3 h，年牧草生長期171 d；谷地、灘地年無霜期24 d，山地?zé)o絕對無霜期。土壤類型為高寒草甸土，氣候類型為典型高原大陸性氣候，草地類型為高寒草甸，選取斑塊化退化現(xiàn)象較為明顯、植被覆蓋率偏低的退化高寒草甸作為試驗地。植被種類主要包括高山嵩草(Kobresiapygmaea(C. B. Clarke) C. B. Clarke)、矮嵩草(KobresiahumilisSergievskaya)、垂穗披堿草(ElymusnutansGriseb.)、冷地早熟禾(PoacrymophilaKeng)、紫菀(AstertataricusL. f.)、翻白委陵菜(Potentilladiscolor)、細(xì)葉亞菊(Ajaniatenuifolia)等。

1.2 試驗設(shè)計

按試驗區(qū)光照與水分的不同劃定陰坡與陽坡兩個樣地，坡度均為5°。于2020年5月在各樣地設(shè)置0 kg·m-2(CK)，0.15 kg·m-2(M1)，0.45 kg·m-2(M2)，0.75 kg·m-2(M3)，1.05 kg·m-2(M4)，1.35 kg·m-2(M5)6個施肥水平，每組設(shè)4個重復(fù)，隨機區(qū)組排列，小區(qū)面積為6 m2(2 m×3 m)，試驗小區(qū)分布見圖1。采用撒施的施肥方式將有機肥均勻地潑灑在各小區(qū)內(nèi)。所選顆粒有機肥中有機質(zhì)≥45%，水份≤30%，總養(yǎng)分(N+P2O5+K2O)≥50%。樣地基本情況見表1。

圖1 試驗小區(qū)分布圖Fig.1 Distribution of experimental plots

表1 研究樣地概況Table 1 Overview of the study area

1.3 測定項目和方法

1.3.1樣品采集 2020年9月初進(jìn)行樣品采集。在樣地內(nèi)用直徑5 cm的土鉆，按照五點采樣法取0～20 cm土樣，挑出礫石、植物殘根后帶回實驗室，在避光處風(fēng)干后過5 mm篩，進(jìn)行分析測定。同時對研究樣地植被多度、蓋度、高度、頻度、生物量特征進(jìn)行調(diào)查。

1.3.2土壤團(tuán)聚體的測定 土壤機械穩(wěn)定性團(tuán)聚體的測定：利用干篩法進(jìn)行土壤機械性穩(wěn)定性的測定。首先將風(fēng)干土樣過5 mm的篩，稱取篩后土樣100 g，將土壤樣品置于孔徑依次為2 mm,0.5 mm和0.25 mm的套篩頂部，以30次·min-1震蕩5 min，分別收集不同孔徑篩網(wǎng)的土壤團(tuán)聚體并稱重。土壤團(tuán)聚體有機碳含量采用重鉻酸鉀硫酸加熱法[12]進(jìn)行測定。

1.4 相關(guān)指標(biāo)的計算

1.4.1土壤團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑(Geometric mean diameter,GMD)的計算[2]

式中：MWD為團(tuán)聚體平均重量質(zhì)量直徑(mm)，xi為該級別范圍內(nèi)團(tuán)聚體的平均直徑(mm)，wi為對應(yīng)于xi的團(tuán)聚體百分含量。

1.4.2土壤團(tuán)聚體幾何平均直徑(Mean weight diameter,MWD)的計算[2]

式中:GMD為團(tuán)聚體幾何平均直徑(mm)，xi為任一級別范圍內(nèi)團(tuán)聚體的平均直徑(mm)，wi為對應(yīng)于xi的團(tuán)聚體百分含量，m為樣品總質(zhì)量。

1.4.3團(tuán)聚體對有機碳貢獻(xiàn)率的計算[2]

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理和初步分析。用IBM SPSS 20.0軟件進(jìn)行單因素方差分析以及最小顯著差異法對土壤團(tuán)聚體及土壤團(tuán)聚體有機碳含量進(jìn)行方差分析，顯著水平為P<0.05。用Origin 2021軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同有機肥施用量對土壤團(tuán)聚體組成的影響

有機肥的施用影響了不同坡向退化高寒草甸土壤團(tuán)聚體分布特征(圖2)。在各不同施用量有機肥處理下，不同坡向土壤團(tuán)聚體主要為0.5～2 mm粒級，>2 mm粒級土壤團(tuán)聚體次之。其中，陽坡0.5～2 mm粒級土壤團(tuán)聚體含量為38.44%～40.05%，陰坡則為41.65%～44.21%，且各施肥處理下，陽坡0.5～2 mm粒級土壤團(tuán)聚體含量普遍低于陰坡。不同坡向所占比例最少的土壤團(tuán)聚體粒級有所不同。在陽坡，各有機肥不同施用量處理下，0.25～0.5 mm粒級土壤團(tuán)聚體所占比例最少，含量為11.91%～13.58%，且顯著低于>2 mm粒級土壤團(tuán)聚體所占比例(P<0.05)，當(dāng)有機肥施用量為M3(0.75 kg·m-2)時，>2 mm，0.5～2 mm粒級土壤團(tuán)聚體所占比例均達(dá)到最大值。而在陰坡，各有機肥不同施用量處理下，<0.25 mm粒級土壤團(tuán)聚體所占比例最少，含量為7.44%～10.94%，顯著低于>2 mm粒級土壤團(tuán)聚體所占比例。整體上來看，陽坡和陰坡在各施肥梯度下，土壤團(tuán)聚體均以>2 mm粒級土壤團(tuán)聚體和0.5～2 mm粒級土壤團(tuán)聚體為主。相同坡向同一粒級土壤團(tuán)聚體含量受有機肥不同施用量的影響不顯著。

2.2 不同有機肥施用量對退化高寒草甸土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

不同有機肥施用量對不同坡向退化高寒草甸土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性特征有影響(表2)。隨著有機肥施用量的增加，陽坡土壤團(tuán)聚體的MWD和GWD變化范圍分別為1.54～1.90，0.90～1.12，數(shù)值均呈現(xiàn)出先增大后減少的變化趨勢，但各有機肥施用量間不存在顯著差異。MWD和GWD均在有機肥施用量為0.75 kg·m-2(M3)時達(dá)到最大值，與CK相比，分別增加20.25%和1.82%，表明當(dāng)施肥量為0.75 kg·m-2(M3)時，陽坡土壤穩(wěn)定性較好。而在陰坡，土壤團(tuán)聚體的MWD和GWD變化范圍分別為1.68～1.84，1.11～1.29，隨有機肥施用量的增加呈現(xiàn)先減少后增加再減少的變化趨勢，各有機肥施用量間不存在顯著差異，且MWD和GWD均在不施用有機肥(CK)時達(dá)到最大值，而在有機肥施用量為1.35 kg·m-2(M5)時達(dá)到最小值，與CK相比，M5處理下MWD和GWD分別減少8.7%和13.95%。

整體來看，有機肥相同施用量下，陰坡土壤的MWD和GWD均大于陽坡，在不施用有機肥的處理下，陰坡GMD顯著高于陽坡(P<0.05)；在有機肥施用量為0.15 kg·m-2(M1)時，陰坡MWD與GMD均顯著高于陽坡(P<0.05)。這表明陰坡土壤比陽坡土壤穩(wěn)定。

2.3 不同有機肥施用量對高寒草甸土壤團(tuán)聚體有機碳含量的影響

在陽坡，各有機肥施用量處理下不同粒級土壤團(tuán)聚體有機碳含量變化范圍分別為CK：42.92～51.19 g·kg-1;M1：44.94～48.34 g·kg-1;M2：38.30～58.68 g·kg-1;M3：42.55～48.60 g·kg-1;M4：46.85～55.35 g·kg-1;M5：43.73～58.82 g·kg-1(圖3，陽坡)。隨有機肥施用量的增加，>0.25 mm粒級的大團(tuán)聚體有機碳含量整體上呈現(xiàn)出先增加后減少的變化趨勢。0.5～2 mm和0.25～0.5 mm粒級土壤團(tuán)聚體有機碳含量均在有機肥施用量為0.45 kg·m-2(M2)時達(dá)到最大值，較CK分別增加27.58%和14.63%。>2 mm粒級土壤團(tuán)聚體有機碳含量在有機肥施用量達(dá)到1.05 kg·m-2(M4)時為最大值，較CK增加9.16%。而<0.25 mm粒級土壤團(tuán)聚體有機碳含量總體隨著有機肥施用量的增大而呈增大的變化趨勢，各處理間無顯著差異，在有機肥施用量為1.35 kg·m-2(M5)時達(dá)到最大值，與CK相比增加14.61%。

在陰坡，各有機肥施用量處理下不同粒級土壤團(tuán)聚體有機碳含量變化范圍分別為CK：41.33～62.20 g·kg-1;M1：39.09～58.61 g·kg-1;M2：41.32～64.61 g·kg-1;M3：47.15～67.28 g·kg-1;M4：49.06～66.53 g·kg-1;M5：55.71～77.56 g·kg-1(圖3，陰坡)。隨有機肥施用量的增加，各粒級土壤團(tuán)聚體有機碳含量總體上呈現(xiàn)出增加的變化趨勢。各粒級土壤團(tuán)聚體有機碳含量均在有機肥施用量為1.35 kg·m-2(M5)時達(dá)到最大值，>2 mm，0.5～2 mm，0.25～0.5 mm和<0.25 mm團(tuán)聚體中有機碳含量較CK分別增加15.70%，40.00%，22.44%，24.69%。

整體來看，不同有機肥施用量處理下，陽坡各粒級土壤團(tuán)聚體有機碳含量普遍低于陰坡。其中，不施用有機肥時，陽坡<0.25 mm粒級土壤團(tuán)聚體有機碳含量顯著低于陰坡(P<0.05)，其余處理間均未達(dá)到顯著水平。

2.4 不同粒級團(tuán)聚體有機碳對土壤有機碳的貢獻(xiàn)率

由圖4可知，陰坡和陽坡各施肥處理下均以>0.25 mm的大團(tuán)聚體對有機碳的貢獻(xiàn)率高，其中，大團(tuán)聚體中均以0.5～2 mm粒級團(tuán)聚體的貢獻(xiàn)率為最高。>0.25 mm的大團(tuán)聚體對有機碳的貢獻(xiàn)率隨有機肥施用量的增加總體呈現(xiàn)先增加后減少的變化趨勢，當(dāng)有機肥施用量為0.75 kg·m-2(M3)時達(dá)到最大值，與CK相比，陽坡和陰坡>0.25 mm的大團(tuán)聚體對有機碳的貢獻(xiàn)率分別增加5.12%，3.22%。在各施肥處理下，陰坡>0.25 mm的大團(tuán)聚體對有機碳的貢獻(xiàn)率均高于陽坡，陰坡CK，M1，M2，M3，M4和M5處理下>0.25 mm的大團(tuán)聚體對有機碳的貢獻(xiàn)率較陽坡分別提高8.71%，8.72%，7.10%，7.02%，6.69%，5.79%。

圖4 不同有機肥施用量不同粒級土壤團(tuán)聚體對有機碳的貢獻(xiàn)率Fig.4 Contribution rate of soil aggregates of different sizes of different organic fertilizers to organic carbon注:不同小寫字母表示同一坡向，同一粒級不同有機肥施用量間于P<0.05水平存在顯著性差異,不同大寫字母表示同一坡向相同有機肥施用量不同土壤團(tuán)聚體粒級間于P<0.05水平存在顯著性差異Note:Different lowercase letters indicate the same slope direction,the same grain grade and different organic fertilizer application rates have significant differences at the 0.05 level,different capital letters indicate that there is a significant difference between the same slope direction,the same amount of organic fertilizer,and different soil aggregate particle sizes at the 0.05 level

3 討論

土壤團(tuán)聚體的大小和數(shù)量對土壤質(zhì)量及土壤有機碳穩(wěn)定性均有影響，土壤團(tuán)聚體也是土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基本單位和重要指標(biāo)[20]，探尋土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性對于研究高寒草甸土壤健康及土壤有機碳庫穩(wěn)定性具有重要意義[21]。土壤團(tuán)聚體平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)的值越大，土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，土壤抗侵蝕能力、保水保肥能力也就越好[18]。劉中良等[22]的研究結(jié)果表明，長期施用不同量有機肥明顯促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成。與不施肥相比，長期施用有機肥會提高土壤的MWD，有利于土壤結(jié)構(gòu)的改善；長期施用有機肥促進(jìn)土壤小顆粒向大顆粒轉(zhuǎn)化，提高耕層土壤大團(tuán)聚體含量，增加其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[23-24]。通過施用有機肥使棕壤、黑壚土、紅壤的土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)得到顯著改善，團(tuán)聚體穩(wěn)定性提高，從而提升土壤保水保肥能力[17]。而坡向是重要地形因子，其影響地面與風(fēng)向夾角，不同坡向光、熱、水、土和植被分布均受影響。在陰坡和陽坡生境中，具有顯著不同的土壤物化性質(zhì)[9]。本研究表明，在短時間內(nèi)，退化高寒草甸陽坡土壤隨有機肥施用量的增加，GWD和MWD呈現(xiàn)先增加后減少的變化趨勢，在有機肥施用量為0.75 kg·m-2時達(dá)到最大值，土壤結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定，這表明在陽坡退化高寒草甸，短期內(nèi)適量施用有機肥會提高土壤團(tuán)聚體的機械穩(wěn)定性，改善土壤結(jié)構(gòu)，但過量施用有機肥，對土壤團(tuán)聚體的機械穩(wěn)定性有一定的抑制作用，這可能是由于有機肥使用量過大，短期內(nèi)部分顆粒有機肥并未被土壤吸收利用，覆在土壤表面從而阻礙土壤呼吸產(chǎn)生抑制作用，有待進(jìn)一步試驗證明。在高寒草甸陰坡土壤中，GWD和MWD隨有機肥施用量增加變化均不顯著，且在各施肥處理下，陰坡土壤GWD和MWD均高于陽坡，這表明短期施肥處理下，陰坡土壤較陽坡土壤更穩(wěn)定，且陰坡土壤穩(wěn)定性本身就高于陽坡。這可能是由于陽坡受光照直射時間長，土壤溫度偏高，蒸發(fā)量大，含水量低，而陰坡土壤環(huán)境較為潮濕，腐殖化程度較高[25]，從而導(dǎo)致陰坡土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性比陽坡強。土壤>0.25 mm的大團(tuán)聚體數(shù)量與土壤狀況呈正相關(guān)關(guān)系，其含量越高，土壤穩(wěn)定性越好，土壤結(jié)構(gòu)和質(zhì)量越佳[2]。施用有機肥會提高土壤中腐殖物質(zhì)的含量，腐殖質(zhì)物質(zhì)尤其是胡敏酸在土壤結(jié)構(gòu)體的形成中具有重要的膠結(jié)作用，邵慧蕓等[26]研究發(fā)現(xiàn)，施用有機肥后在胡敏酸等作用下土壤的<0. 25 mm的團(tuán)聚體含量降低，進(jìn)一步膠結(jié)變成較大的團(tuán)聚體。本研究發(fā)現(xiàn)，陰坡陽坡土壤團(tuán)聚體均以大于0.25 mm的大團(tuán)聚體為主，相同坡向同一粒級土壤團(tuán)聚體含量受有機肥不同施用量的影響不顯著。這可能是由于本試驗研究時間較短，短期內(nèi)向退化高寒草甸輸入有機肥不足以使土壤各粒級團(tuán)聚體的含量發(fā)生顯著變化。

土壤有機碳在維持土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)特征中起著關(guān)鍵性的作用[27]，是土壤團(tuán)聚體形成的重要的膠結(jié)物質(zhì)之一[28]。有機肥中含有一定的有機質(zhì)和養(yǎng)分，不僅直接影響土壤有機碳的輸入，還為土壤中微生物提供大量的有機質(zhì)，提高微生物活性[12]，增加土壤有機碳的含量。有研究表明，由于有機質(zhì)把微團(tuán)聚體膠結(jié)成大團(tuán)聚體，使得土壤中大團(tuán)聚體的含量高于微團(tuán)聚體[29]，且由于處于分解狀態(tài)的地下根系和土壤菌絲的作用，增加了大團(tuán)聚體有機碳的濃度[30-31]。這與本研究中各施肥處理下土壤大團(tuán)聚體有機碳含量均較高結(jié)果相一致。劉中良等認(rèn)為，隨著有機肥的輸入，先增加土壤團(tuán)聚體的數(shù)量后提高團(tuán)聚體有機碳的含量[22]。Six等[32]研究發(fā)現(xiàn)，與微團(tuán)聚體中的有機碳相比，較大團(tuán)聚體中有機碳更易老化，因此容易被土地利用方式改變，且大團(tuán)聚體中植物來源的有機質(zhì)較多，周轉(zhuǎn)較快，對施肥等土壤改良方式比較敏感。謝錦升等[33]認(rèn)為，有機物質(zhì)輸入的增加促進(jìn)了團(tuán)聚體的形成，從而改變土壤團(tuán)聚體有機碳含量和貢獻(xiàn)比例。不同施肥和耕作處理下不同粒徑對總有機碳貢獻(xiàn)率的差異顯著，這是由于不同粒級的水穩(wěn)性團(tuán)聚體占比不同，占比越高，貢獻(xiàn)率越高。本研究表明，在高寒草甸適量施用有機肥對土壤有機碳及大團(tuán)聚體有機碳含量有明顯的提高作用，且陽坡土壤有機碳含量對有機肥施用量的響應(yīng)更敏感。但由于本研究試驗時間較短，短期施肥條件下各處理間具有顯著差異的處理較少，需要通過長期定位試驗進(jìn)一步觀察研究。

4 結(jié)論

陽坡和陰坡退化高寒草甸在各施肥梯度下，土壤團(tuán)聚體均以>2 mm粒級土壤團(tuán)聚體和0.5～2 mm粒級土壤團(tuán)聚體為主。相同坡向同一粒級土壤團(tuán)聚體含量受短期內(nèi)有機肥不同施用量的影響不顯著。不同坡向MWD和GMD均隨有機肥施用量增加呈現(xiàn)減少增加再減少的變化趨勢，其數(shù)值分別在陽坡M3(0.75 kg·m-2)處理和陰坡CK(0 kg·m-2)處理達(dá)到最大。陰坡的MWD和GMD數(shù)值均高于相同處理的陽坡。土壤團(tuán)聚體有機碳含量隨著有機肥的施加呈現(xiàn)增加趨勢，適量施用有機肥(陽坡(0.45 kg·m-2)，陰坡(1.35 kg·m-2)能夠增加土壤大團(tuán)聚體有機碳的含量。陰坡和陽坡不同施肥處理下>0.25 mm的大團(tuán)聚體對有機碳的貢獻(xiàn)率均為最高。