有機物料添加對黑土團聚體穩定性及有機碳影響1)

韓明釗 趙雨森 翟國慶 李永江 王恩姮

(東北林業大學，哈爾濱，150040)

土壤團聚體是土壤結構的基本單元，其組成和穩定性是土壤性質和功能的基礎[1-2]。土壤有機碳作為形成土壤團聚體最重要的膠結物質[3]，直接決定土壤肥力水平和土地生產力[4-5]。因此，增加土壤有機碳和提高團聚體穩定性對保持土壤質量和促進農業可持續發展具有至關重要的作用，其中添加外源有機物料是增加團聚體穩定性、提高農業土壤有機碳質量分數快速而有效的途徑。除施用傳統有機肥外[6-7]，秸稈還田是一種常見的管理措施，增加土壤碳庫的同時[8]，可促進土壤微生物活動，改善土壤結構，增強保水性能[9]，進而提升農田土壤生產力[10]。但也有研究發現，隨著秸稈添加量的增加，土壤大團聚體呈現出先上升后基本不變的規律[11]。生物炭由于富含較高質量分數的穩定性碳[12]，近年來在改善農田土壤結構和質量方面也受到大量關注[13]。Zhang et al.[14]發現秸稈和生物炭還田均能提高黑土團聚體穩定性和有機碳質量分數；但在西南紫土區，生物炭還田對團聚體穩定性的改善效果明顯不如秸稈還田[15]；還有研究指出，添加過多的生物炭可能對土壤團聚作用產生負效應，甚至降低紅壤團聚體穩定性[16]。由此可見，因土壤類型及環境條件的差異，不同種類及不同施用量有機物料均會對土壤團聚體組成、穩定性及有機碳質量分數的影響產生差異。

東北黑土區是我國最重要的商品糧生產基地之一，該區長期高強度機械耕作與坡面侵蝕共同作用導致土壤有機碳質量分數逐年降低，土壤質量退化日趨嚴重，農業經濟可持續發展面臨巨大挑戰[17]，退化黑土修復以及如何保持黑土生產力水平是亟待解決的現實問題。本研究以典型黑土區長期耕作的耕層土壤(0～20 cm)為研究對象，通過室內恒溫恒濕培養分析了秸稈、生物炭和豬糞肥分別在3種施用量水平下對黑土團聚體組成、穩定性及有機碳質量分數的影響，旨在為改善耕層黑土結構和提升黑土生產力提供科學依據。

1 研究區概況

研究地點位于黑龍江省西北部的克山農場(48°12′～48°23′N、125°8′～125°37′E)，海拔240～340 m，溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫0.9 ℃，年均降水量501.7 mm，年均蒸發量1 329 mm，土壤以黏化濕潤腐土為主，屬于典型黑土區。坡緩而長，具有明顯的漫川漫崗地形特征。該區已全面實現機械作業，鏵式犁深翻配合圓盤靶整平是最常用的整地管理措施，整地深度為20～30 cm。

2 材料與方法

2.1 供試材料

2018年10月，以該區開墾年限約為60年的耕地(前茬作物為青貯玉米)為研究對象，采集0～20 cm耕層土樣帶回實驗室，在室內剔除石礫、肉眼可見的植物殘體及根系等雜質，風干過2 mm篩，留待室內培養。機械組成為砂粒27.87%，粉粒37.18%，黏粒34.95%；基本理化性質為平均土壤密度1.10 g·cm-3，pH=5.91，有機碳質量分數23.12 g·kg-1，全氮質量分數1.84 g·kg-1，全磷質量分數0.52 g·kg-1。

添加秸稈為玉米秸稈，碳質量分數為39.8%，碳氮比為25.8；生物炭由南京智融聯科技有限公司提供，以玉米秸稈為原料在500 ℃高溫厭氧條件下熱解燒制而成，碳質量分數為51.8%，碳氮比為36.1；有機肥為豬糞發酵肥，其碳質量分數為30.6%，碳氮比為11.0。

2.2 室內培養

共設置10個處理，分別為無添加對照(CK)、添加秸稈(0.5S、1.0S、2.0S)、添加生物炭(0.5B、1.0B、2.0B)、添加豬糞肥(0.5M、1.0M、2.0M)。其中，S處理依據典型黑土區實際秸稈還田量(12 000 kg·hm-2)、還田深度(20 cm)、還田耕層平均土壤密度(1.10 g·cm-3)進行計算；依據S處理添加量分別設置0.5倍(0.5S)、1.0倍(1.0S)和2.0倍(2.0S)添加梯度，每個處理3次重復。為使有機物料初始形態一致，3種物料均過2 mm篩處理。在相同倍數下，生物炭和豬糞肥采取與秸稈“等碳量”原則，最終分別將2.73、5.45、10.90 g秸稈，2.09、4.18、8.36 g生物炭和3.55、7.10、14.20 g豬糞肥添加至1 000 g風干過2 mm篩的土樣，混合均勻后調節水分至田間持水量的65%，放入恒溫(25 ℃)通風培養箱中培養，采用恒質量法補充水分，培養90 d。

2.3 指標測定

培養結束后，采用土壤團粒分析儀(點將科技股份有限公司，WS1020)測定土壤水穩性團聚體。具體操作為：稱取過10 mm篩風干土50 g置于2.000、0.250、0.053 mm的套篩上，振幅5 cm，震動3 min，共50次。收集土篩及桶中土樣于錫紙盒中，獲得粒徑(D)>2.000 mm、0.250 mm

2.4 指標計算

團聚體穩定性由平均重量直徑(MWD，mm)表示，采用公式(1)計算[15]：

MWD=∑(Di×Wi/W)。

(1)

各粒級團聚體有機碳對土壤總有機碳的貢獻率(Pi，%)采用公式(2)計算[15]：

Pi=[(Ci×Wi)/(SOC×W)]×100%。

(2)

式(1)和式(2)中：Di為第i級團聚體平均直徑(mm)；Wi為第i級團聚體質量(g)；W為團聚體總質量(g)；Ci為第i級團聚體有機碳質量分數(g·kg-1)；SOC為土壤有機碳質量分數(g·kg-1)。

2.5 統計分析

不同處理之間采用單因素方差分析(ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)進行差異性分析(α=0.05)；各指標間相關性采用Pearson相關分析(α=0.05)，統計分析為IBM SPSS Statistics 25。

3 結果與分析

3.1 土壤水穩性團聚體組成及穩定性

添加有機物料后，整體表現為D>0.250 mm的大粒徑團聚體質量分數增加，D<0.250 mm的團聚體質量分數降低(表1)。其中，0.5S、1.0S、2.0S、1.0M、2.0M處理較CK顯著提高D>2.000 mm團聚體粒級質量分數(P<0.05)，且2.0S和2.0M分別顯著高于0.5S和0.5M(P<0.05)，等碳量添加條件下，秸稈效果相對較優。對于0.250 mm0.250 mm團聚體質量分數的效果優于生物炭。

添加不同有機物料對土壤團聚體穩定性的影響差異明顯(表1)。與CK相比，添加秸稈、豬糞肥均顯著提高土壤團聚體MWD，提高幅度分別為20.0%～53.3%和7.8%～23.3%。而添加生物炭僅1.0B處理顯著提高MWD(P<0.05)，0.5B和2.0B處理均無明顯效果。總體而言，在改善土壤團聚體穩定性方面，添加秸稈效果最佳，其次是豬糞肥，且添加量越大效果越顯著。

表1 添加不同有機物料后各級土壤團聚體質量分數及穩定性

3.2 土壤總有機碳及團聚體有機碳質量分數

3種有機物料均能不同程度提高土壤總有機碳質量分數(見表2)，添加生物炭和豬糞肥處理較CK分別提高2.6%～24.7%和5.9%～10.9%，且除0.5B處理外均達顯著水平(P<0.05)；但添加秸稈對提高土壤總有機碳質量分數效果不顯著。各粒級團聚體有機碳對不同有機物料的響應整體上呈D>0.250 mm團聚體有機碳質量分數增加、D<0.053 mm團聚體有機碳質量分數降低的趨勢(見表2)。其中1.0S和2.0S處理較CK分別顯著提高0.053 mm0.053 mm團聚體有機碳質量分數的影響較另外2種有機物料更為明顯，且2.0M均顯著高于0.5M，其中，0.250 mm

表2 添加不同有機物料后土壤總有機碳及團聚體有機碳質量分數 g·kg-1

3.3 各粒徑團聚體有機碳對土壤有機碳的貢獻

各粒級團聚體有機碳對土壤有機碳的相對貢獻率與各粒級團聚體質量分數保持基本一致的變化規律(見表3、表1)，土壤有機碳主要分布在0.250 mm80%)。與CK相比，0.5S、1.0S、2.0S處理均能顯著提高D>2.000 mm團聚體有機碳的貢獻率，且2S顯著高于0.5S，同時在等碳量添加下，秸稈處理均顯著高于生物炭和豬糞肥處理(P<0.05)；0.5M、1.0M、2.0M處理不但提高了D>2.000 mm團聚體有機碳貢獻率，其中2.0M處理顯著高于0.5M、1.0M處理，同時還顯著提高了0.250 mm

表3 添加不同有機物料后各粒徑團聚體有機碳對總有機碳的貢獻率

3.4 團聚體穩定性與團聚體組成及有機碳質量分數的關系

Pearson相關分析結果表明，土壤團聚體的MWD與D>2.000 mm團聚體質量分數呈顯著正相關(R=0.981，P<0.01)，與0.053 mm

4 討論

土壤團聚體作為土壤結構的基本單元，是診斷土壤質量的重要指標，其形成和穩定性對土壤固碳至關重要[18]。本研究中，添加秸稈有效促進了D>2.000 mm團聚體形成，這是由于秸稈含有豐富且不易分解的木質素，可直接作為大團聚體的內核吸附細小顆粒形成大團聚體[19]；其次，新鮮秸稈在分解過程中產生多種有機膠結物質(如碳水化合物、蛋白質等)，同時增強土壤微生物活性，增加微生物的代謝產物，進而促進大團聚體形成[20]。添加豬糞肥雖然顯著提高了0.250 mm2.000 mm團聚體形成的效果不如秸稈處理，這可能是由于與秸稈相比，豬糞肥的碳氮比較低，沒能像秸稈處理那樣為真菌生長創造有利的環境，所以其纏繞細小顆粒形成大團聚體的概率相對較低[21]。而生物炭一方面高溫熱解制成，具有穩定的芳香化結構，難以進一步降解被微生物分解[22]，另一方面大量生物炭會導致土壤總孔隙度增加，阻礙了土壤顆粒之間的接觸[23]，因此不利于D>2.000 mm團聚體的形成。所以，基于團聚體組成的穩定性(MWD)也呈現出一致的變化規律，即添加秸稈、豬糞肥均顯著提高團聚體穩定性，其中秸稈優于豬糞肥；而添加生物炭效果相對不明顯。

添加3種有機物料均能增加土壤有機碳質量分數，但增加幅度有所差異，其中，2.00處理土壤有機碳質量分數最高，且顯著高于1.0B、2.0S、2.0M處理(P<0.05)，這與王富華等[15]的研究結果相似。這是由于生物炭一方面含有大量的惰性碳與土壤團聚體結合后直接提高土壤有機碳[24]，另一方面其特殊的孔隙結構和大比表面積使碳素吸附在其表面或孔隙內，起到一定的隔離作用，削弱了土壤有機碳的分解[25]。而添加秸稈和豬糞肥為土壤微生物提供了良好的營養環境，首先易分解有機物在細菌的作用下快速礦化分解，然后難分解物質在真菌作用下經復雜的變化過程，形成難分解的腐殖物質，進而增加土壤有機碳質量分數[26-27]，但同時也會提高與有機碳周轉相關酶的活性，加強了土壤呼吸作用，削弱了碳素的積累[28]；因此，生物炭提高土壤總有機碳質量分數優于秸稈和豬糞肥。也有研究發現，有機物料的碳氮比越高，越不易腐解[29]。本研究豬糞肥相比秸稈擁有更低的碳氮比，腐解速度更快，促進了團聚體對外源新碳的吸收和轉化，因此等碳量添加條件下，豬糞肥在提高土壤總有機碳質量分數方面優于添加秸稈。還有研究表明，秸稈碳主要是以顆粒有機碳(POC)的形態積累在土壤團聚體中[30]。本研究中秸稈碳更傾向貯藏在0.053 mm

值得注意的是，雖然添加生物炭后土壤總有機碳提高幅度最大，但僅2.0B處理下顯著提高了0.250 mm0.053 mm團聚體有機碳質量分數均低于等碳量添加秸稈和豬糞肥處理，這可能是由于生物炭作為直接碳源并且自身穩定，不易分解產生膠結物質，進而在獲取水穩性團聚體時部分結合不穩定的生物炭發生流失所致，并不利于提高水穩性團聚體中有機碳的質量分數，可能與本研究培養周期較短有關，在較長培養周期的研究中生物炭的效果也可能會更明顯[31-32]。此外，添加有機物料均顯著降低D<0.053 mm團聚體有機碳質量分數：一方面因為添加外源新碳加速了有機碳的周轉，提高了有機碳礦化分解[33]；另一方面可能是D<0.053 mm團聚體由于團聚到其他粒級，導致碳素發生了物理遷移[34]，加之本試驗培養時間較短，部分新碳還未充分轉移到微團聚體中，因此導致該粒級團聚體有機碳顯著降低。通過分析各粒級團聚體有機碳貢獻率發現，添加秸稈主要通過促進D>2.000 mm團聚體形成進而提高該團聚體有機碳貢獻率，豬糞肥則不僅能夠促進D>0.250 mm團聚體形成還可以有效促進團聚體結合外源新碳，因此1.0M、2.0M處理顯著提高D>0.250 mm團聚體有機碳貢獻率(P<0.05)，由此可見，添加秸稈、豬糞肥后，其碳素優先固定在大團聚體中。

大團聚體質量分數所占比例越大，團聚體越穩定，因此本研究中MWD與D>2.000 mm團聚體質量分數呈顯著正相關關系，與0.053 mm

5 結論

添加秸稈和豬糞肥分別通過促進D>2.000 mm和D>0.250 mm水穩性團聚體的形成，顯著提高MWD，而添加生物炭對MWD的影響不顯著。相反，添加生物炭對土壤總有機碳的提高效果最好，豬糞肥次之，而秸稈未能顯著提高土壤總有機碳水平；此外，添加豬糞肥可以有效提高D>0.053 mm各個粒級團聚體有機碳質量分數，而秸稈新碳更易貯藏在0.053 mm