長期施用化肥條件下土團聚體中有機碳與養分分布

何瑞清, 王百群, 張 燕, 王 蕊

(1.西北農林科技大學 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100; 2.中國

何瑞清1,3, 王百群1,2, 張 燕1, 王 蕊1

(1.西北農林科技大學 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100; 2.中國

科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 3.云南省文山壯族苗族自治州土壤肥料工作站, 云南 文山 663000)

[目的] 探究長期施肥與小麥—玉米輪作下土表層水穩性團聚體組成及對團聚體中有機碳和養分分布的影響，為評價長期施肥對改善土肥力狀況的影響提供科學依據。 [方法] 利用田間長期施用化肥與輪作定位試驗，通過濕篩法分離土壤水穩性團聚體，得到土壤團聚體構成，并測定不同粒徑團聚體中有機碳和養分的含量。 [結果] 結果表明長期施用化肥顯著影響土壤水穩性團聚體含量，長期施肥降低了>2 mm的水穩性團聚體數量，增加了<1 mm的水穩性團聚體含量。施肥在一定程度上提高了水穩性團聚體有機碳的含量，但施用高量氮、磷下0.25～0.5 mm和<0.25 mm水穩性團聚體中有機碳含量明顯低于施用低量氮、磷肥料。不同施肥處理土壤水穩性團聚體全氮含量變化趨勢與水穩性團聚體有機碳含量基本一致。磷素在不施肥處理各粒徑團聚體中均勻分布，低氮、磷處理各粒徑團聚體中全磷含量差異較小，高氮、磷處理各粒徑土壤團聚體中全磷含量變化無明顯趨勢。長期施肥降低了>2 mm水穩性團聚體中全K含量，增加了<2 mm的水穩性團聚體中全K含量。 [結論] 水穩性團聚體關系土壤有機碳、氮的數量，水穩性團聚體及其中有機碳、氮含量在氮磷化肥的長期施用下變化無明顯規律，并且，長期施用氮、磷化肥下土壤磷素和鉀素在土壤中的保存及供應能力也受到影響。因此，需要合理施肥管理，促進農田生產力的可持續發展。

土; 長期施用化肥; 團聚體; 有機碳; 養分

土壤團聚體是土壤的基本結構單元，是土壤質量的重要因素之一。土壤團聚體不僅影響土壤的物理特性(如孔隙度、水分、溫度等)，而且還影響有機質的微生物分解速率以及植物養分的利用率等[1-7]。水穩性團聚體的數量和特征反映了土壤結構的穩定性和抗蝕能力，對研究土壤固碳、土壤改良和水土保持等至關重要[8-10]。在不同土壤中，>0.25 mm水穩性團聚體的數量越少，土壤穩定性也就越低[13-15]。有機或無機肥的會影響土壤系統中物質的循環，增強土壤中N，P，K和S含量[16]。長期施肥對土壤團聚體的形成及穩定也有直接或間接的影響，進而影響土壤團聚體中養分的分布。不同粒徑的微團聚體在營養元素的保持、供應及轉化能力等方面發揮著不同的作用[17]。以往對土壤水穩性團聚體內養分的研究主要集中在C，N方面[18-24]，對P，K等養分的在水穩性團聚體中的研究則相對較少，并且，關于長期施肥對土水穩性團聚體組成、有機碳和養分含量的影響鮮見報道。本研究采用濕篩的分析方法，通過比較長期施肥對土壤水穩性團聚體的分布和水穩性團聚體中土壤主要養分分布變化的影響，評價長期施肥對改善土肥力狀況的影響作用。

1 材料與方法

1.1 采樣地概況

土壤樣品采自于陜西省楊凌示范區中國科學院水土保持研究所田間試驗區，地處北緯34.28°，東經109.07°，海拔為481 m。年平均氣溫13.1 ℃，年均降水635.1 mm，無霜期平均為210 d。1月份最冷，平均氣溫0.4℃，7月份最熱，平均氣溫25.1 ℃，屬于暖溫帶半濕潤大陸性，土壤類型為土。

長期施肥試驗布設于1997年，設置3個施肥處理： (1) CK(N0)。不施用肥料；(2) N1。施純氮75 kg/hm2，P2O545 kg/hm2； (3) N2。施純氮150 kg/hm2，P2O590 kg/hm2，施用的氮肥為尿素，磷肥為過磷酸鈣。每個處理重復2次，在田間，每個處理隨機排列，區組控制。試驗小區規格為4.3 m×2.5 m=10.75 m2。小區作物種植制度為冬小麥—夏玉米輪作。在播種小麥前，將設計施用的肥料均勻撤施于地表，然后翻入0—20 cm土層中。在玉米生長期，于玉米3葉期，施用設計施肥量的1/3，在玉米大喇叭口期追施設計施肥量的2/3。

1.2 樣品采集與預處理

樣品采自2014年10月秋收之后。采集每個試驗小區中0—20 cm土層的原狀土，每個處理隨機取3個樣點混為一個土樣。田間采回的土樣分別做好標記，并帶回室內風干，在風干過程中，當土樣含水量達到土壤田間持水量的60%～70%(含水量為15%～18%左右)時，用手輕輕地沿土壤自然裂隙辦成約小于1 cm的土塊，然后在室溫條件下風干，用于水穩性團聚體分析。

1.3 測定方法

采集的原狀土樣，用濕篩法分別收集>5 mm，5～2 mm，2～1 mm，1～0.5 mm，0.5～0.25 mm和<0.25 mm的各粒徑水穩性團聚體，在60 ℃下烘干，稱重，即得到了各粒徑水穩性團聚體質量[25]。采用常規分析測定方法測定土壤團聚體中的有機碳和養分含量[26]。

1.4 數據分析

所有測定結果采用Excel軟件進行整理和初步分析，用SPSS 19.0進行方差分析，采用LSD方法進行多重比較，采用Origin 8.0軟件作圖。

2 結果與分析

施肥顯著影響土壤水穩性團聚體含量(圖1)。從圖1中可見，<0.25 mm水穩性團聚體占全土百分率最大，各處理均表現出相同的趨勢，且都達到顯著差異(p<0.05)，說明土水穩性團聚體以<0.25 mm團聚體為主。<1 mm的水穩性團聚體含量，施肥處理(N1和N2)的顯著高于對照(CK)(p<0.05)。低氮、磷處理(N1)與高氮、磷處理(N2)之間除0.5～1 mm的水穩性團聚體差異性不顯著(p>0.05)外，0.25～0.5 mm和<0.25 mm的水穩性團聚體，低氮、磷處理(N1)與高氮、磷處理(N2)間差異亦達到顯著性水平(p<0.05)。肥料的施用降低了粒徑>2 mm的水穩性團聚體含量，差異達到顯著性水平(p<0.05)。李婕[27]也研究發現NP，NPK處理降低0—30 cm土層中>2 mm水穩性團聚體的含量。霍琳等[28]報道認為有機物質有促進大團聚體形成的作用，而化肥不利于大團聚體的形成。

注：不同字母表示差異顯著(p<0.05)。下同。圖1 土壤中不同粒徑水穩性團聚體含量

2.2 施肥對土壤團聚體中有機碳和養分含量的影響

2.2.1 施肥對土壤團聚體有機碳含量的影響 如圖2所示，各施肥處理水穩性團聚體中有機碳含量因粒徑而異。CK，N1和N2處理的水穩性團聚體有機碳含量的變化范圍分別是7.27～10.11 g/kg，7.65～11.42 g/kg，7.42～11.56 g/kg。<0.25 mm的水穩性團聚體中有機碳含量最低。0.25～5 mm的土壤水穩性團聚體有機碳含量均隨粒徑逐漸增大呈現出逐漸增加的趨勢。這說明有機碳與土壤團聚體的形成相關，并且，Jastrow等[29]利用13C示蹤法，證實大團聚體比微團聚體含更多的有機碳的結果。施肥處理(N1和N2)>5 mm的水穩性團聚體有機碳含量明顯低于2～5 mm和1～2 mm兩個粒徑，并且差異顯著，表明有機碳在各粒徑水穩性團聚體中的分布發生了變化，其原因可能是施肥使土壤中根系增加，一些細小根系不易清除造成的；也有可能是耕作的擾動，直接或間接造成。比較各粒徑水穩性團聚體有機碳含量，無肥處理明顯低于施肥處理，但高氮、磷處理(N1)下0.25～0.5 mm和<0.25 mm水穩性團聚體有機碳含量明顯低于低氮、磷處理(N2)。這可能是由于這是由于不同施肥含量對作物生長的影響不同，從而形成的有機殘茬量不同，導致同一粒徑水穩性團聚體中有機碳含量因施肥含量而異[30-37]。并且，肥料的施用影響土壤微生物的種類、數量及微生物酶等[30,32-33]，進而影響微生物對有機質的分解，因此，出現了高氮、磷處理下<0.5 mm的水穩性團聚體有機碳含量明顯降低的現象。

圖2 不同粒徑土壤水穩性團聚體中有機碳含量

2.2.2 施肥對土壤團聚體中全氮含量的影響 不同施肥處理土壤水穩性團聚體全氮含量變化趨勢與水穩性團聚體有機碳含量基本一致(圖3)，Salnju及高亞軍等[34-35]曾研究表明土壤中有機碳的保持主要取決于土壤全氮含量，土壤有機碳及全氮的消長趨勢往往是一致的。<0.25 mm的水穩性團聚體全氮含量最低，范圍在0.81～0.86 g/kg。施肥與不施肥相比，施肥處理顯著增加各大小團聚體中全氮含量。低氮、磷處理(N1)與高氮、磷處理(N2)對各粒徑水穩性團聚體全氮含量的影響不同，除<0.25 mm粒徑的水穩性團聚體外，不施肥處理與低氮、磷施肥處理的全N在各粒徑水穩性團聚體之間的變化不是很大。高氮、磷處理(N2)中，全氮含量在>1 mm的水穩性團聚體中隨粒徑的遞減而增加，在<1 mm的水穩性團聚體中隨粒徑的遞減而遞減，在1～2 mm的水穩性團聚體中達到最高。

圖3 不同粒徑土壤水穩性團聚體中全氮含量

2.2.3 施肥對土壤團聚體中全磷含量的影響 從圖4中可見，<0.25 mm水穩性團聚體全磷含量最低，各處理均表現出相同的趨勢，且都達到顯著差異。施肥處理(N1和N2)的水穩性團聚體全磷含量顯著高于不施肥處理(N0)(p<0.05)，這與陳平幫[36]的研究結果一致。宋春等[37]的研究得出施肥增加了黑土各粒徑水穩性團聚體中全磷含量，其中，NP處理比對照(CK)全磷含量增加28.9%～37.8%。低氮、磷處理(N1)與高氮、磷處理(N2)間差異亦達到顯著性水平(p<0.05)。低氮、磷處理(N1)與高氮、磷處理(N2)0.5～5 mm團聚體中全磷含量顯著高于對照處理(N0)，這與有機碳在團聚體中的分布相似。磷素在不施肥處理各粒徑團聚體中分布平均，低氮、磷處理(N1)各粒徑團聚體中全磷含量差異較小，高氮、磷處理(N2)各粒徑土壤團聚體中全磷含量變化無規律性趨勢。說明磷素分布在土壤團聚體中的差異性較有機碳及全氮小，這可能是因為磷素本身的穩定性，而不容易被吸附固定以及流失。

圖4 不同粒徑土壤水穩性團聚體中全磷含量

2.2.4 施肥對土壤團聚體中全鉀含量的影響 施肥顯著影響土壤水穩性團聚體全鉀含量(圖5)。由圖5可以看出，在0—20 cm土層中，長期施肥降低了>2 mm水穩性團聚體中全鉀含量，增加了<2 mm的水穩性團聚體中全鉀含量。在低氮、磷(N1)處理中，各粒徑水穩性團聚體中的全鉀含量差異不明顯，這可能是因為長期連續種植作物，土壤鉀素被作物不斷吸收而使得土壤鉀素處消耗狀態。在<2 mm的各粒徑水穩性團聚體中，全鉀在不施肥處理及低氮、磷(N1)處理與高氮、磷(N2)處理間的分布均達到顯著性差異；并且隨著氮、磷肥施用量的增加，各粒徑水穩性團聚體中全鉀含量增加。這可能是由于作物根茬的歸還量，隨氮、磷肥施用量的提高而增加，從而相應地增加了表層土壤中鉀素的歸還量，這些歸還鉀素被土壤膠體吸附或固定，因而施用氮、磷肥增加小團聚體和微團聚體中全鉀的含量。

圖5 不同粒徑土壤水穩性團聚體中全鉀含量

3 結 論

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Distribution of Organic Carbon and Nutrients in Water Stable Aggregates of Lou Soil Under Long-term Application of Chemical Fertilizer

HE Ruiqing1,3, WANG Baiqun1,2, ZHANG Yan1, WANG Rui1

(1.StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingontheLoessPlateau,InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China; 3.StationofSoilandFertilizerManagementofWenshanZhuangandMiaoAutonomousPrefectureinYunnanProvince,Wenshan,Yunnan663000,China))

[Objective] Studing the effects of long-term-fertilization in wheat-corn rotation field with Lou soil on water stable aggregates and soil nutrient distribution in different sizes of aggregates, to provide a scientific basis for the evaluation of long term-fertilization on its improvement effect. [Methods] The wheat-corn rotation field with long-term application of chemical fertilizer was selected as the study site. The composition of aggregates was analyzed using the wet sieve method. Contents of organic carbon and nutrients in different sizes of aggregates were measured. [Results] Long-term application of chemical fertilizers significantly affected soil water stable aggregate contents. Long-term fertilization reduced the contents of >2 mm soil water stable aggregates, but increased <1 mm soil water stable aggregate contents. To a certain extent, the amount of organic carbon in water stable aggregates increased, but the organic carbon contents of 0.25～0.5 mm and <0.25 mm soil water stable aggregates under high nitrogen and phosphorus treatments were significantly lower than that of the low nitrogen and phosphorus treatment. The changing tendencies of contents of total nitrogen in soil water stable aggregates were essentially in agreement with organic carbon in soil water stable aggregates under different fertilization treatments. Distribution of phosphorus in different size soil water stable aggregates was even in no fertilization treatment. The difference of phosphorus content in each size soil water stable aggregate was insignificant under low nitrogen and phosphorus treatment, while the trend in high nitrogen and phosphorus treatment was not obvious. The total potassium contents of >2 mm soil water stable aggregates decreased due to long-term application of chemical fertilizer, whereas total potassium contents of <2 mm soil water stable aggregates increased under long-term application of fertilizer. [Conclusion] Soil water stable aggregates influenced the quantity of soil organic carbon and nitrogen. The contents of soil water stable aggregates, soil organic carbon and nitrogen of soil water stable aggregates varied irregularly under long-term application of nitrogen and phosphorus fertilizers. In addition, conservation and supply capacity of phosphorus and potassium in soil were affected by long-term application of nitrogen and phosphorus fertilizers. Therefore, reasonable use of chemical fertilizers and management were needed to improve the soil structure, maintain soil fertility and promote the sustainability of farmland productivity.

Lou soil; long-term application of chemical fertilizer; aggregates; organic carbon; nutrient

2016-08-22

2016-10-10

國家自然科學基金重點項目“膠結物質驅動的土壤團聚體形成過程與穩定機制”(41330 852); 黃土高原生態系統與環境考察項目(2014FY210100); 國家自然科學基金項目(40301024); 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室專項(A314021403-C6)

何瑞清(1990—),女(漢族),云南省保山縣人,碩士,助理農藝師,主要從事土壤有機碳氮循環研究。E-mail:hrqing8990@163.com。

王百群(1968—),男(漢族),陜西省渭南市人,博士,副研究員,主要從事土壤有機碳氮循環研究。E-mail:bqwang@ms.iswc.ac.cn。

10.13961/j.cnki.stbctb.2016.06.059

A

1000-288X(2016)06-0347-05

S152， S158

文獻參數： 何瑞清, 王百群, 張 燕, 等.長期施用化肥條件下土團聚體中有機碳與養分分布[J].水土保持通報，2016,36(6)：347-351.