黑土顆粒有機碳和氮含量對有機肥劑量響應的定量關系①

鄒文秀，梁 堯，郝翔翔，陸欣春，韓曉增*，劉元明（ 中國科學院東北地理與農業生態研究所黑土區農業生態院重點實驗室，海倫農田生態系統國家野外觀測研究站，哈爾濱 5008； 吉林省農業科學院，長春 04； 黑龍江省虎林市八五○農場農業科，黑龍江雞西 584）

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黑土顆粒有機碳和氮含量對有機肥劑量響應的定量關系①

鄒文秀1，梁 堯2，郝翔翔1，陸欣春1，韓曉增1*，劉元明3
（1 中國科學院東北地理與農業生態研究所黑土區農業生態院重點實驗室，海倫農田生態系統國家野外觀測研究站，哈爾濱 150081；2 吉林省農業科學院，長春 130124；3 黑龍江省虎林市八五○農場農業科，黑龍江雞西 158422）

摘 要：黑土是一種非常重要的耕種土壤，但是由于過度地開發利用和水土流失導致土壤有機質含量迅速下降，嚴重影響了耕地生產力和作物產量。為了能夠快速恢復黑土肥力，利用海倫國家野外科學觀測研究站內的長期定位試驗，定量分析了黑土顆粒有機碳和氮含量對有機肥劑量的響應。田間試驗開始于2001年，設置了4個施肥處理，分別為：①單施化肥（OM0）；②低劑量有機肥與化肥配施（OM1）；③中劑量有機肥與化肥配施（OM2）；④高劑量有機肥與化肥配施（OM3）。在2011年播種前，采集各處理0 ～ 20 cm耕層土壤樣品。應用有機碳物理分組方法，測定分析了土壤有機碳、氮及各組分的含量。研究結果表明長期不同劑量有機肥輸入能夠顯著增加黑土總有機碳和全氮含量（P＜0.05），每增施1 t有機肥，土壤有機碳含量增加0.186 kg，土壤全氮含量增加0.02 kg，表明增加有機肥投入量是提高黑土有機碳含量的有效措施。有機肥的施用增加了土壤中粗顆粒和細顆粒組分，不同劑量有機肥處理表現為OM3＞OM2＞OM1＞OM0，而減小了土壤中礦質結合態組分的含量；隨著有機肥施入量的增加，粗顆粒和細顆粒土壤有機碳和氮的含量呈增加的趨勢，而礦質結合態中的有機碳含量則略有下降，表明粗顆粒和細顆粒有機碳和氮是黑土有機碳和氮的主要儲存庫，有機無機配施對土壤有機碳、氮的提升作用主要集中于對活性組分顆粒有機質的形成和積累。與OM0處理相比，有機肥的施入顯著降低了顆粒有機質和礦質結合態有機質的C/N，并且隨著有機肥施入量的增加而逐漸降低。與單施化肥相比，化肥有機肥配施能夠顯著增加土壤的總有機碳，全氮，顆粒有機碳、氮含量，其中以化肥配施高劑量有機肥效果最佳，有利于黑土土壤肥力的快速提升，改善黑土的土壤質量。

關鍵詞：黑土；顆粒有機碳、氮；C/N；有機肥；礦質結合態碳、氮

黑土是一種自然肥力很高的土壤，在其被開墾初期土壤有機質含量高達 11.82%，但是其被開墾后由于高強度的土地利用和水土流失等因素導致土壤有機質含量迅速下降，開墾20年后土壤有機質含量下降了4.28%，開墾40年后下降了5.88%［1］，到目前為止黑土的有機質含量已經下降了60%［2］，同時土壤耕作也破壞了土壤中的大團聚體［3］，使得土壤中的顆粒有機碳暴露［4］，其在微生物作用下被分解，降低了土壤顆粒有機碳的含量［5］，降低了黑土肥力，限制了作物的生長，威脅了東北黑土區的糧食產量。因此，如何快速有效地增加土壤有機碳含量，維持和提高土壤肥力，保障該地區的糧食產量，是目前研究的熱點之一。土壤中有機碳的積累是一個緩慢的過程，其影響因素包括耕作、輪作和施肥等［6］。在農業管理措施中，有機培肥是維持和提高農田生態系統生產力的重要手段，也是影響農田土壤有機碳和氮含量的最主要且最直接的因素之一，有機肥輸入量將直接影響土壤有機碳的合成與轉化，從而對土壤有機碳含量及組分分布產生重要影響［7］。大量研究已經報道了有機肥的施用能夠增加土壤有機碳的含量［8］。王改蘭等［9］研究表明，經過13年低量有機肥處理，栗褐土有機質含量增加了65% 左右；而施高量有機肥的處理，土壤有機質含量成倍地增加。通過長期定位試驗，研究不同劑量有機肥施入對農田黑土有機碳、氮含量的影響，對提高黑土肥力，改善土壤質量，實現黑土的可持續利用具有重要意義。

土壤顆粒有機碳（POM）屬于砂粒級（53 ～2 000 μm）的有機質部分，是有機質中的“慢性”庫，其來源于植物地上或根部未分解和結構已知的殘體，屬于分解速度中等的有機物質，周轉周期約為5 ～ 20年，其數量和組成能夠反映植物殘體的歸還程度［4］，其對土地管理措施的響應更加敏感，可以作為土壤活性有機質的組分和量度指標［10］，同時也可以作為有機碳長期累積性的指標［11］，與微生物生長、養分供給及碳氮的生物學調控密切相關［12］。施肥是影響土壤有機碳轉化和積累的重要因素之一［13］。在潮土上的研究表明有機肥及有機肥與化肥配施均能夠增加土壤顆粒有機碳和氮含量及儲量，同時提高土壤顆粒有機碳和氮分配比例，證明了有機肥的施用能夠增加土壤的“固碳”功能［14］。在栗褐土上的研究表明不同數量有機肥的施用已經影響了土壤的顆粒有機碳的含量，表現為高劑量有機肥的施用已經增加了栗褐土游離態、閉蓄態和總顆粒有機碳的含量，但是卻降低了土壤礦質結合態有機碳的含量［15］。但是在關于不同劑量有機肥對黑土顆粒有機碳的影響還鮮有報道。因此，本研究利用長期定位試驗研究了不同劑量有機肥輸入對黑土顆粒有機質分布及其有機碳和氮的影響，以其為黑土的土壤有機碳管理提供指導。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗在中國科學院海倫農田生態系統國家野外科學觀測研究站進行，地理位置 47°26′N，126°38′E，海拔 240 m，屬溫帶大陸性季風氣候，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨，雨熱同季，年均氣溫1.5℃，極端最高氣溫37℃，極端最低氣溫-39.5℃，年降水量500 ～ 600 mm，且主要集中在7—9月份，年均有效積溫2 450℃，年均日照時數2 600 ～ 2 800 h，年無霜期 125 天。土壤類型為中厚層黑土，是在第四紀形成的黃土狀母質上發育起來的地帶性土壤，質地以黏性土為主，土壤物理性黏粒＞60%，土壤固相比＞50%，土壤膨脹性＞25%，土體結構致密。地下水埋深20 ～ 30 m。

1.2 試驗設計

試驗起始于2001年，5個不同有機肥水平的處理分別為：①OM0，化肥NPK，不施有機肥；②OM1，化肥+豬糞Ⅰ（7.5 t/（hm2·a）；③OM2，化肥+豬糞Ⅱ（15.0 t/（hm2·a）；④OM3，化肥+豬糞Ⅲ（22.5 t/（hm2·a），每個處理3次重復，小區面積為12.0 m × 5.6 m，隨機區組排列。每個處理同一種作物的化肥施用量是相同的（表1）。作物種植方式采用小麥-玉米-大豆輪作。腐熟的豬糞于每年秋收后撒施于地表，然后由機械翻耕進入土壤。豬糞的碳含量在321.0 ～ 338.0 g/kg之間，氮含量在23.8 ～ 24.0 g/kg之間。取樣時間為2011年5 月3日，播種前。

表1 不同作物化肥施用量（kg/（hm2·a））Table 1 The amount of chemical fertilizer application （kg/（hm2·a））

1.3 樣品分析方法

有機碳和全氮含量利用元素分析儀（Elementar，Germany）測定。顆粒有機質（Particulate organic matter，POM）的分離采用Cambardella和 Elliott［4］的方法，具體過程為將風干土過2 mm篩，50℃ 烘干一夜，保存在 4℃。稱取土樣 25 g 于 75 ml 的六偏磷酸鈉（5 g/L） 溶液中，在振蕩器中以140 r/min的速度振蕩15 h，將分散的土樣過0.053 mm篩，不斷用清水沖洗直至瀝濾液澄清。再將篩上物組分分離出＞0.25 mm 和0.053 ～ 0.25 mm兩個組分，前者為粗顆粒有機質（Coarse POM），后者為細顆粒有機質（Fine POM），礦質結合態有機質（Mineral incorporated organic matter，IOM，＜0.053 mm）用差值法求得。將分離出的各組分在 45℃ 烘干稱重，計算其所占土壤的百分比，然后過0.25 mm篩，用元素分析儀（Elementar， Germany）測定土壤顆粒有機碳和氮的含量。

所有試驗數據采用 SigmaPlot 7.0 進行整理分析、繪圖制作。不同處理間數據的差異顯著性（Duncan法）采用SPSS17.0進行統計分析。

2 結果與討論

2.1 不同有機肥處理對土壤總有機碳和全氮含量的影響

土壤總有機碳和全氮含量與有機肥施入量密切相關（圖1）。與OM0處理相比，有機肥的施入顯著增加了土壤總有機碳和全氮的含量（P＜0.05），OM1、OM2和OM3處理下土壤總有機碳和全氮分別增加了6.2%、11.4%、19.0% 和6.3%、9.1%、16.0%。對土壤總有機碳和全氮含量與有機肥施入量進行線性回歸分析表明，每增施1 t有機肥，土壤有機碳含量增加0.186 kg，土壤全氮含量增加0.02 kg，說明有機培肥能夠有效地提高土壤有機碳含量和供氮能力，在一定范圍內，增加有機肥的施入量能夠顯著提高土壤有機碳和全氮的含量［15］。施用有機肥能夠增加土壤有機碳和氮含量的原因首先是施肥可以改善土壤中速效養分狀況進而促進作物根系和地上部的生長，從而增加土壤的根系分泌物和有機殘體數量；其次影響土壤中微生物的數量和活性，進而影響土壤有機物的分解過程［17］。在東北黑土區，雖然土壤本身有機碳庫含量較高，但由于高強度的土地利用方式，加之作物秸稈大量移出農田生態系統，土壤有機碳庫呈虧缺狀態［18］。因此，提高有機物質的投入量是改善土壤有機碳儲量的有效措施，其中有機肥配施化肥是最佳施肥方法。黑土有機碳含量較高，小劑量有機肥的施入對土壤有機碳的提升作用不明顯［16］。本研究設置了7.5 ～ 22.5 t/（hm2·a） 3個水平的有機肥施用量，雖然與OM1相比，有機肥的施用均增加了黑土有機碳的含量，但是大劑量（OM3，22.5 t/（hm2·a）有機肥的施用能夠更快速地提高土壤有機碳的含量，恢復黑土的土壤肥力。

圖1 不同有機肥處理土壤總有機碳和全氮含量變化Fig.1 Total organic carbon and nitrogen contents in the soils amended with different amounts of organic manure

2.2 不同有機肥處理對土壤顆粒組分及其碳、氮分配的影響

2.2.1 土壤顆粒組分與礦質結合態組分的分布 不同有機肥處理對土壤顆粒組分和礦質結合態組分的分配存在顯著差異（表 2）。黑土中粗顆粒有機質（2 ～ 0.25 mm）、細顆粒有機質（0.25 ～ 0.053 mm）和礦質結合態有機質（＜0.053 mm）的分配比例分別為1.06% ～ 2.12%，1.22% ～ 2.29% 和95.6% ～ 97.7%。不同有機肥處理土壤粗顆粒有機質分配比例表現為 OM3＞OM2＞OM1＞OM0，各處理之間的差異達到顯著水平（P＜0.05）。細顆粒有機質的分配比例中OM3處理顯著高于其他處理（P＜0.05）。土壤礦質結合態有機質的變化趨勢表現為 OM0＞OM2≥OM1＞OM3，其中OM3處理與其他處理之間差異達顯著水平（P＜0.05）。因此，有機肥的施入能夠增加土壤的粗顆粒有機質和細顆粒有機質的含量。本研究結果與龔偉等［14］的研究結果相一致，即有機肥的施用能夠有效地增加土壤中粗顆粒的分配比例。李維福等［19］在黑土上的研究也表明有機肥的施用能夠增加土壤中的游離態有機質和閉蓄態有機質的含量。

表2 不同有機肥處理土壤顆粒組分與礦質結合態組分的分配比例（%）Table 2 Distribution of different particulate fractions from the soils amended with different amounts of organic manure （%）

2.2.2 土壤顆粒有機碳、氮含量的變化 土壤粗顆粒有機碳、氮和細顆粒有機碳、氮含量與有機肥施入量密切相關（圖2，表3）。不同有機肥處理黑土粗顆粒有機碳、氮的含量為1.95 ～ 4.64 g/kg和0.10 ～0.34 g/kg，占土壤總有機碳和全氮含量的7.08% ～14.60% 和4.49% ～ 13.20%。與OM0處理相比，OM1、OM2和OM3處理粗顆粒有機碳、氮含量分別增加了36.63%、37.61%、75.80% 和78.51%、138.22%、259.51%。不同有機肥處理下黑土細顆粒有機碳、氮的含量為1.37 ～ 2.67 g/kg和0.08 ～ 0.22 g/kg，占土壤總有機碳和全氮含量的 4.99% ～ 8.36% 和 3.88% ～8.44%。不同有機肥處理細顆粒有機碳、氮含量的變化均表現為OM3＞OM2 ＞OM1＞ OM0，其中各處理間的差異均達到顯著水平（P＜0.05）。

圖2 不同有機肥處理土壤顆粒有機質中碳（A）和氮（B）含量的變化Fig.2 Organic carbon （A） and nitrogen contents （B） in particulate organic matter from soils amended with different amounts of organic manure

表3 不同有機肥處理土壤顆粒有機碳和氮占全土有機碳和全氮的比例（%）Table 3 The ratios of organic carbon and nitrogen in different size fractions to bulk soil under different amounts of organic manure application （%）

圖3 不同有機肥處理土壤礦質結合態有機質中碳（A）、氮（B）含量的變化Fig.3 Organic carbon （A） and nitrogen contents （B） in mineral-bound fraction from soils amended with different amounts of organic manure

因此，與單施化肥相比，有機無機配施顯著增加了土壤顆粒有機碳、氮的含量，且隨著有機肥施入量的增加呈逐漸升高的趨勢，與 Ou·drogo等［20］研究結果相一致。本研究中不同處理土壤顆粒有機碳、氮含量的增加應該歸因于土壤中總有機物料投入量的增加。試驗中施用的有機物料為腐熟的豬糞，其自身可以直接作為膠結劑，促進顆粒有機質的形成［21］；另一方面有機肥的施入大幅度地提高了作物的根茬量與根系分泌物的數量，改善土壤的結構，使更多的有機碳進入大團聚體而被保護起來，從而增加了土壤顆粒有機碳和氮的含量［22］。2.2.3 土壤礦質結合態有機碳、氮含量的變化 有機肥施入量對土壤礦質結合態有機碳、氮含量的影響不顯著，含量分別為24.2 ～ 25.0 g/kg和1.94 ～2.04 g/kg，占土壤總有機碳和全氮量的 78.0% ～87.9% 和78.4% ～ 91.6%（圖3，表3）。與OM0處理相比，有機肥處理對土壤礦質結合態有機碳含量的影響并不明顯（P＞0.05），但卻顯著增加了土壤礦質結合態有機氮的含量（P＜0.05）。有研究已經報道長期施用有機肥能夠增加黑壚土礦質結合態有機碳的含量［23］，但是本研究中高量有機肥與化肥配施處理中土壤礦質結合態有機碳含量略有降低，與王朔林等［15］的研究結果一致，其原因可能是土壤中的有機碳由礦質結合態向顆粒態轉移，并且微生物代謝分泌物所增加的礦質結合態有機碳含量小于礦質結合態有機碳向顆粒有機碳轉移的含量，最終導致礦質結合態碳凈含量減少。從礦質結合態有機碳、氮的分配比例來看，有機肥顯著降低了礦質結合態有機碳、氮在土壤總有機碳和全氮中的分配比例，且隨著有機肥施入量的增加而呈逐漸降低的趨勢，以 OM3處理礦質結合態有機碳、氮的分配比例最低，僅為78.0% 和 78.4%。說明有機無機肥配施對土壤有機碳、氮的提升作用主要集中于對活性組分顆粒有機質的形成和積累。

2.2.4 土壤及各顆粒組分 C/N的變化 不同有機肥處理對土壤各顆粒組分 C/N的影響并不一致（圖4）。全土與各顆粒有機質C/N的大小表現為粗顆粒有機質＞細顆粒有機質＞全土＞礦質結合態有機質，其中粗顆粒有機質和細顆粒有機質的 C/N顯著高于礦質結合態有機質和全土（P＜0.05），說明碳和氮在黑土以及顆粒有機質和礦質結合態有機質中的分解和轉化速率存在差異，并且與礦質結合態有機質相比，顆粒有機質更容易被分解和轉化。Kaiser等［24］應用13C同位素技術研究發現，與有機無機復合體相比，顆粒有機質具有更短的平均駐留時間和更快的周轉速度，表明其具有較高的生物活性。而礦質結合態有機質是被黏粒和粉粒緊密保護的有機質，這些有機質主要是顆粒有機質的分解產物，因此其 C/N最低，微生物活性較差［37］。

圖4 不同有機肥處理全土及各顆粒組分C/N的變化（MS代表全土）Fig.4 C/N ratios in bulk soil and different size fractions from soils amended with different amounts of pig manure

與 OM0 處理相比，有機肥的施入顯著降低了顆粒有機質和礦質結合態有機質的C/N，并且各組分C/N 的變化與有機肥的輸入量密切相關（圖 4）。粗顆粒有機質和細顆粒有機質的 C/N 隨著有機肥輸入量的增加而呈逐漸降低的趨勢，不同有機肥處理下礦質結合態有機質的 C/N 之間的差異不顯著。隨著有機肥施入量的增加粗顆粒有機質和細顆粒有機質的C/N 降低，這可能是因為有機肥中含有大量的碳水化合物和 N、P、K 等礦質營養，為土壤中細菌的生長提供了充足的能源和其他有效養分，進而激發了土壤中細菌的活性，增強了其對有機質的分解利用［25］。

3 結論

1） 長期施用有機肥增加了黑土有機碳和全氮含量，并且隨著有機肥施入量的增加，土壤有機碳和全氮含量呈增加的趨勢，說明大劑量有機肥投入是提高黑土土壤肥力的有效措施。

2） 長期施用有機肥增加了土壤中粗顆粒有機質和細顆粒有機質的分配比例，降低了土壤中礦質結合態有機質的分配比例；高劑量有機肥的施入顯著增加黑土顆粒有機碳和氮的含量，而降低了礦質結合態有機碳的含量，因此，顆粒有機質是黑土有機質的主要儲存形式，高劑量有機肥配施化肥對土壤有機碳、氮的提升作用主要集中于對活性組分顆粒有機質的形成和積累。

3） 不同顆粒有機質的 C/N 表現為粗顆粒有機質＞細顆粒有機質＞礦質結合態有機質，表明黑土中的碳和氮更容易在顆粒有機質中發生分解和轉化，同時有機肥的施用降低了各組分有機質的 C/N。

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中圖分類號：S143.1；S511

DOI:10.13758/j.cnki.tr.2016.03.004

基金項目：①國家自然科學基金項目（41571219，41371296，41301312）和公益性行業（農業）科研專項（201303126，201303011，201303030）資助。

* 通訊作者（xzhan@neigaehrb.ac.cn）

作者簡介：鄒文秀（1982—），女，黑龍江巴彥人，博士，副研究員，主要從事農田生態方面的研究。E-mail：zouwenxiu@iga.ac.cn

Effect of Long-term Application of Organic Manure in Different Amounts on the Distribution of Particulate Organic Matter and the Contents of Carbon and Nitrogen in a Mollisol

ZOU Wenxiu1， LIANG Yao2， HAO Xiangxiang1， LU Xinchun1， HAN Xiaozeng1*， LIU Yuanming3
（1 Key Laboratory of Mollisols Agroecology， National Observation Station of Hailun Agroecology System， Northeast Institute of Geograpthy and Agroecology， Chinese Academy of Sciences， Harbin 150081， China； 2 Jilin Academy of Agricultural Sciences，Changchun 130124， China； 3 850 Farm in Heilongjiang Province， Jixi， Heilongjiang 158422， China）

Abstract:The Mollisol is an important arable soil.A quickly decrease of organic matter in the Mollisol had limited the agricultural production and crop yields.The relationship between the input amount of organic manure application and the contents of carbon and nitrogen in soil particulate organic matter was investigated using soil samples from a long-term field experiment in National observation station of Hailun agro-ecology system to restore the soil fertility of a Mollisol.Soil samples from 0-20 cm layer were collected in four treatments including: chemical fertilizer （OM0）， low amount organic manure （OM1）， medium amount organic manure （OM2）， high amount organic manure （OM3） set up in 2001.Physical fraction of organic carbon was used to test soil organic carbon， nitrogen and the contents of different fractions.Soil organic carbon and nitrogen were significantly increased by long-term organic manure application （P＜0.05）.Soil organic carbon and nitrogen contents were increased by 0.186 kg and 0.02 kg when organic manure application was increased by 1 t， respectively， indicating that increased organic manure was an effective practice for increasing organic carbon and nitrogen of the soil.Organic manure application enhanced coarse particulate and fine particulate fractions with the order of OM3＞OM2＞OM1＞OM0， while mineral particulate fraction was decreased.Organic carbon and nitrogen contents in coarse particulate and fine particulate fractions were increased with the increasing organic manure application， suggesting that organic carbon and nitrogen in coarse particulate and fine particulate fractions were main storing form of soil organic carbon and nitrogen for the Mollisol.The impact of chemical fertilizer and organic manure application on soil organic carbon and nitrogen was attributed to the formation and transformation of active particulate fraction.The application of organic manure significantly reduced C/N ratios in particulate and mineral fractions with the order of OM1＞OM2＞OM3 compared with OM0.The combination of chemical fertilizer and organic manure significantly increased soil organic carbon and nitrogen in bulk soil， coarse particulate and fine particulate fractions compared with OM0.High amount of organic manure with chemical fertilizer application was the most effective practice to improve soil fertility and quality.

Key words:Mollisoil； Particulate organic carbon and nitrogen； C/N； Organic manure； Mineral bound carbon and nitrogen