常規與有機農田土壤團聚體組成及碳氮儲量研究

王開勇，郭巖彬，孟凡喬，陳 竹，焦子偉，吳文良

（1.中國農業大學 資環學院，北京100193；2.石河子大學 農學院，新疆 石河子832003）

農業管理模式對土壤碳氮資源的變化產生深刻影響。管理措施不當，不僅會加劇土壤碳氮損失，而且土壤質量退化后恢復困難。團聚體是土壤最基本的物質和功能單元，是土壤碳、氮等養分穩定和保護的載體，其結構和組成對土壤物理化學過程具有重要意義［1］。土壤團聚體的物理保護可減緩土壤有機質的分解，大團聚體的轉換速率與土壤有機碳庫密切相關［2］。Jastrow等［3］研究表明土壤碳氮穩定性和數量變化與土壤有機質、動植物、初級團聚體形成等密切相關。土壤團聚體粒徑和穩定性變化可以指示土壤質量變化，是土壤管理綜合作用的結果。目前，有關有機農作土壤的研究多注重土壤化學質量指標，而有關土壤團聚體及碳氮儲量的研究報道較少。本研究選擇伊犁河谷鞏乃斯河流域長期種植作物大豆農田生產區，利用土壤物理分組技術，研究土壤團聚體及碳氮對農業管理措施的響應。通過比較常規農作方式轉換為有機農作方式后土壤團聚體穩定性及碳氮儲量的變化，揭示農作方式對土壤碳匯效應的影響，為區域土壤碳氮資源持續利用提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

田間試驗地位于新疆維吾爾自治區伊犁自治州新源縣別斯托克鄉7大隊，其地理坐標為43°27′N，83°17′E，海拔高度900m，面積3.5hm2。伊犁河流域支流鞏乃斯河流域下游平原區屬北溫帶大陸性半干旱氣候，四季明顯，冬暖夏涼，年均氣溫8.1℃，年均降水480mm，適合種植大豆、玉米、甜菜、亞麻、小麥、玉米等作物，田間土壤類型為黑鈣土。2008年，該田間試驗區開始準備中國和歐盟有機認證工作，2010年有機轉換期結束，通過認證。

1.2 試驗材料

試驗以有機大豆為主，玉米為輪作作物，田間作物管理按照有機大豆種植技術規程要求進行。生育期內澆水2次，分別在6月和8月。大豆于2010年4月24日播種；5月上旬出苗；6月中下旬至7月中下旬為開花期；8月為鼓粒灌漿期；9月為成熟期。品種為94-9B，生育期為120d。有機大豆農田（OF）種植面積1.73hm2，大豆和玉米各占一半（0.87hm2）；常規大豆農田（CF）0.8hm2，大豆和玉米各占一半（0.4hm2）。試驗僅以大豆農田研究為主，設置常規農作大豆（CF）和有機農作大豆（OF）兩個處理。為了獲得測定團聚體分布的原狀土樣，先挖一個采樣坑（30cm寬，45cm深），然后在0—20cm土層采集大小一致的原狀土樣（長×寬×高＝20cm×10cm×10cm），同時測定土壤容重。每個處理采3個原狀土樣，裝入方形塑料盒，小心運回實驗室。在實驗室內，立刻將土樣過8mm土篩，較大的土塊沿著自然裂隙輕輕破碎，最后風干土樣，以便進行土壤團聚體及穩定性分析。

1.3 研究方法

1.3.1 土壤團聚體及微團聚體組成 土壤團聚體分離采用濕篩法［4］：將2，0.25，0.053mm 各級套篩放在盛有去離子水的圓筒中，當整套篩子處于最下端時，最上層篩子的上邊緣保持低于水面。然后將100.0g的風干土樣置于最上層的2mm的篩子上，浸泡5min，然后使機器上下垂直運動2min，機械參數為垂直頻率40次／min，振幅約5cm，2min后將2mm篩子上的團聚體收集到鋁盒里，然后重復濕篩小于2mm的顆粒，2min后收集0.25mm篩子上的土粒，直至0.053mm篩子上面的土粒全部收集完畢。所有的團聚體組分在60℃下烘48h后稱重，密封備用。根據粒級大小可以將團聚體分為以下4級：＞2，0.25～2，0.053～0.25，＜0.053mm。

較大小團聚體（0.25～2mm）分離采用超聲波分離法：將上述分離的較小的0.25～2mm大團聚體土壤置于盛有500ml去離子水的燒杯中，在超聲清洗槽中用21.5Hz，300mA超聲分散30min，用尼龍濕篩法分離0.25～2，0.053～0.25和＜0.053mm 顆粒有機質，收集于已知重量的鋁盒中，分離出的樣品在烘箱中60℃下烘48h后稱重，密封備用。由于0.25～2mm顆粒有機質樣品比重極小，因此將0.25～2和0.053～0.25mm顆粒有機質樣品合并，記為0.053～2mm顆粒有機質。

團聚體穩定性用平均當量直徑（mean weight diameter，MWD）表示［5］：

式中：ˉXi——第i個粒級的平均孔徑（mm），即篩分該粒級前后2個篩子孔徑的均值；Wi——第i個粒級團聚體質量百分比（%）；i——4個不同粒級（＜0.053，0.053～0.25，0.25～2和＞2mm）。

1.3.2 土壤碳氮含量分析 土壤有機碳和全氮采用碳氮分析儀測定（Elementar V analyzer，德國）。土壤及團聚體中有機碳（TOC）和全氮（TN）分析具體步驟：取風干土樣3～5g置于離心管中，加入0.5mol／L的HCl溶液20ml（根據樣品含碳酸鹽的多少可調整HCl溶液的濃度或體積），用手充分搖勻，震蕩1h后靜置過夜。第2d去上清液，并加入去離子水離心3min（3 000rpm），直至上清液為中性為止。將樣品在60℃下烘干至恒重研磨過0.15mm篩，并于105℃下烘干2h后裝于自封袋中備用［6］。土壤有機碳儲量（SOCdensity，kg／m2）和全氮儲量（TNdensity，kg／m2）計算方法［7］：

式中：SOCij，TNij——不同粒級土壤有機碳或全氮含量（g／kg）；βj——容重（g／cm3）；Hj——第i層的土壤深度（mm）。土壤容重采用環刀法測定。

1.3.3 數據處理與分析 用Excel 2003進行基礎數據處理與圖表制作，用SPSS 17.0for Windows進行顯著性檢驗。

2 結果與討論

2.1 土壤團聚體組成及穩定性

團聚體在常規與有機農作大豆田土壤中的分布較為相似（圖1）。以＜0.053mm粉粒加黏粒所占組成較大，介于45.4%～61.8%；其次是0.25～2mm較小的大團聚體和0.053～0.25mm較小團聚體，分別為21.4% ～30.2%和14.5% ～ 24.2%；2～8mm大團聚體所占組成最小，介于0.9% ～1.1%。與常規農作大豆田土壤相比，有機農作大豆田土壤除＜0.053mm顆粒在有機耕作中所占組成減少了18.7%（p＜0.05）外，其他類型團聚體均有不同程度的增加，其中0.053～0.25mm較小團聚體所占組成增加最為明顯（48.9%，p＜0.05）。常規與有機農作大豆土壤的優勢團聚體均為＜0.053mm顆粒。

圖1 常規（CF）與有機（OF）農作大豆田土壤團聚體的分布

基于團聚體大小分布的數據計算土壤平均當量直徑（MWD）可描述土壤結構穩定性。常規農作大豆轉化為有機農作大豆后土壤MWD的數值未達到顯著影響（p＞0.05），有機農作大豆（1.125±0.015）比常規農作大豆（1.050±0.020）高19.0%。

2.2 包被于大團聚體內的微團聚體分布

對較小的大團聚體（0.25～2mm）的微團聚體進一步分離后得到＜0.053，0.053～2mm這2種顆粒有機質。結果表明，較小的大團聚體（0.25～2mm）內，以＜0.053mm細顆粒有機質所占比例較大，達到86.9%～92.9%，0.053～2mm粗顆粒有機質僅占7.1%～13.1%。常規與有機農作大豆較小的大團聚體內的2種顆粒表現各異，其中常規農作大豆田土壤中＜0.053mm細顆粒有機質比有機農作大豆百分比高6.4%（p＜0.01），而有機農作大豆田土壤0.053～2mm粗顆粒有機質百分比較常規農作大豆高77.6%（p＜0.01）。

2.3 耕層土壤及團聚體中碳氮含量

常規與有機農作大豆0—20cm土壤有機碳含量分別為17.21和19.51g／kg（p＜0.05），全氮含量分別為1.79和2.00g／kg（p＜0.05）。與常規農作大豆相比，有機農作大豆土壤各顆粒中有機碳和全氮含量均呈現不同程度的增加（圖2—3），其中有機碳和全氮含量在＜0.053，0.053～0.25，0.25～2和2～8mm顆粒中的分別增加了14.0%，12.0%，14.4%，24.1%和11.7%，9.4%，9.5%，17.0%。

圖2 常規（CF）與有機（OF）農作大豆田土壤團聚體中有機碳含量

圖3 常規（CF）與有機（OF）農作大豆田土壤團聚體中全氮含量

2.4 包被于大團聚體內微團聚體中碳氮含量

常規與有機農作大豆田土壤有機碳和全氮含量在較小的大團聚體（0.25～2mm）內的微團聚體中表現各異（表1）。與常規農作大豆土壤相比，有機農作大豆田土壤＜0.053mm細顆粒有機質中的有機碳和全氮含量分別增加了14.0%和13.8%（p＜0.01），0.053～2mm粗顆粒有機質中的有機碳和全氮含量分別增加了23.1%和19.4%（p＜0.01）。

2.5 土壤及團聚體中碳氮儲量

常規與有機農作大豆田土壤碳氮儲量在土壤及團聚體中表現各異（表2）。常規與有機農作大豆田0—20cm土壤有機碳和全氮儲量分別為4.67±0.046，5.603±0.055，和 0.455±0.024，0.575±0.023kg／m2，常規農作大豆田土壤有機碳和全氮儲量顯著低于有機農作大豆田土壤20.0%和18.5%（p＜0.01）。對于土壤團聚體而言，除2～8mm大團聚體全氮儲量，其他團聚體有機碳和全氮儲量常規農作大豆均顯著低于有機農作大豆（p＜0.01）。常規與有機農作大豆土壤有機碳和全氮儲量在＜0.053粉粒加黏粒中最高，2～8mm大團聚體中最低。＜0.053，0.053～0.25，0.25～2，2～8mm團聚體中有機碳儲量有機農作比常規農作大豆依次高20.7%，18.5%，21.0%，31.3%，全氮儲量依次高18.2%，15.8%，15.8%，23.8%。

表1 包被于大團聚體（0.25～2mm）內的微團聚體碳氮含量

表2 常規與有機農作大豆田土壤團聚體中碳氮儲量

2.6 討 論

2.6.1 土壤團聚體穩定性與碳氮儲量 常規農作大豆轉換為有機農作大豆后，土壤團聚體穩定性增加，有利于增加土壤碳氮儲量。（1）有機農作大豆田土壤＜0.053mm粉粒加黏粒百分比顯著減少，0.053～0.25mm較小團聚體比重顯著增加，包被于較小的大團聚體中0.053～2mm粗顆粒有機質百分比也顯著增加，表明有機農作方式促進了土壤團聚作用。（2）有機農作大豆田土壤團聚體中碳氮含量增加，表明土壤團聚作用增強了土壤碳氮固持能力。（3）有機農作大豆田土壤及團聚體中的碳氮儲量與碳氮含量變化規律基本相同，表明有機農作有利于土壤碳匯和氮匯效應。徐陽春等［8］研究也指出長期施有機肥后土壤各粒級復合體中C，N含量都增加。這是由于施用有機肥可改變土壤結構，增加團聚體穩定性［9］。Shukla等［10］指出不同耕作模式下土壤通氣性和團聚性是影響土壤有機碳變化的主要因素。耕作土壤中年輕的有機質對大團聚體穩定性起重要作用，年輕的有機碳通過團聚體的破壞和重新形成又分布到不同粒級中［11］。耕作以后，有機礦質復合體破壞，團聚體破壞以后，原來被隔絕的有機質釋放出來，這種解團聚作用使有機碳在更細、更輕的顆粒中累積［12］。土壤管理措施影響的結果首先體現在大團聚體級別上，微團聚體內有機碳則維持在較穩定水平上［13］。但有機農作大豆僅3a，土壤碳氮含量仍存在很大的變異性，因此，研究僅說明有機農作方式可能更有利于土壤團聚體形成及有機碳的積累。

2.6.2 不同農作方式對土壤碳氮的固持機制不同農作方式不同其具體管理措施也不同，對土壤碳氮的固持機制也不同。首先，常規與有機農作土壤及團聚體的碳氮比介于9.1～9.9，變化不大，但與常規農作大豆田相比，土壤及團聚體碳氮含量變化量的碳氮比介于9.4～13.8，碳氮比有所增大。以0.25～2mm較小的大團聚體最大，包被于較小的大團聚體中0.053～2mm粗顆粒有機質最小，說明0.25～2mm較小的大團聚體已開始土壤有機碳累積，但包被于較小的大團聚體中0.053～2mm粗顆粒有機質中土壤有機碳并沒有更新增加。Elliott［14］指出大團聚體（高C∶N比）比小團聚體含有更新更多的不穩定碳。其次，施用化肥和有機肥后土壤可利用的碳氮資源不同，有機農作方式施用有機肥不僅改變了土壤的碳氮比，還影響了土壤微生物活性。土壤碳氮比降低，微生物在氮源充足的情況下，需要更多有機碳才能維持活性，因而會加快土壤有機碳的分解礦化［15］，常規農作方式施用化肥無法維持土壤有機質的活性，有機碳儲量下降。雖然試驗未測定土壤微生物活性，但有機農作土壤團聚體中碳氮含量增加，已說明施用化肥和有機肥影響了土壤碳氮的固持能力。

3 結論

有機農作大豆土壤穩定性增加，團聚體中碳氮含量顯著增加，土壤碳匯效應增強，有機農作方式可能比常規農作方式更有利于土壤碳氮資源持續利用。常規農作大豆經過3a轉換為有機農作大豆，雖然時間短，但土壤團聚體及碳氮儲量特征對有機農作管理方式響應敏感，有機農作方式不僅提升了土壤有機質水平，而且固定了更多的有機碳，有利于農業固碳和減排溫室氣體。

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