團聚體大小分布對孔隙結構和土壤有機碳礦化的影響*

榮 慧，房 煥，張中彬，蔣瑀霽，趙 旭，單 軍，彭新華，孫 波，周 虎?

（1. 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室（中國科學院南京土壤研究所），南京 210008；2. 中國科學院大學，北京 100049；3. 河海大學農業科學與工程學院，南京 210098）

有機碳礦化是指土壤有機碳分解釋放CO的過程，認識有機碳的礦化規律和影響因素對于闡明土壤碳庫的周轉過程并對其進行有效調節具有重要作用。土壤團聚體是土壤的基本組成單元，絕大部分的有機碳均以不同形式貯存在團聚體內部或者團聚體間的孔隙中，因此有機碳的礦化過程與團聚體的性質和土壤孔隙結構密切相關。

近年來，一些研究采用室內培養法分析了團聚體大小對有機碳礦化的影響，但是結果并不一致。有些研究發現團聚體破碎顯著增加了有機碳的礦化量，也有研究發現團聚體破碎對有機碳礦化量無顯著影響。針對這些結果，學者們多從有機碳物理保護的角度解釋，即團聚體破碎時，被團聚體包裹的有機碳釋放出來，導致其礦化量增加；如果未破壞微團聚體（＜0.25 mm 的團聚體）結構，則不會影響有機碳礦化量。然而，團聚體在外力作用下破碎時，也會較大程度地改變土壤孔隙結構。孔隙結構影響土壤中水分運輸、氣體交換及微生物活性，從而可能間接參與有機碳礦化過程。目前關于團聚體改變后引起的孔隙結構變化對有機碳礦化的影響的研究較少，團聚體變化對有機碳礦化的影響機理尚不清楚。孔隙結構的定量分析是闡明這一過程的重要前提。顯微CT 技術具有高分辨率和對樣品非接觸、無破損的優勢，是準確量化土壤孔隙結構特征的有效方法。因此，應用高分辨率CT 技術結合先進的圖像分析方法研究土壤孔隙結構，有利于闡明有機碳礦化過程與孔隙結構之間的關系。

紅壤廣泛分布于我國南方地區，其有機碳含量較低、團聚體結構不穩定。通過施用有機肥等措施能夠提高土壤有機碳含量，促進團聚過程，改變土壤結構。本研究選取長期不同施肥處理的土壤樣品，通過過篩改變其團聚體大小分布，然后填裝土柱，分析其孔隙結構及有機碳礦化等指標，研究團聚體大小對孔隙結構和有機碳礦化的影響。研究將有助于深入探討土壤團聚體、土壤孔隙結構和有機碳礦化之間的關系。

1 材料與方法

1.1 供試土壤樣品

土壤樣品采集自位于江西省鷹潭市余江縣的中國科學院紅壤生態實驗站（116°55′30″E，28°15′20″N）內的長期定位試驗田。該區為中亞熱帶濕潤季風氣候，年均溫度17.6℃，多年平均降水量1 795 mm。土壤為第四紀紅色黏土母質發育的紅壤（黏化濕潤富鐵土），黏粒、粉粒和砂粒的含量分別為36.3%、42.5%和21.2%。長期定位試驗開始于2002 年，共有4 個施肥處理。每個施肥處理設置3 次重復，以順序區組排列，小區大小為2 m×2 m。供試土壤取自其中3 個處理：不施肥（CK）；施低量有機肥（LM，N 150 kg·hm·a）；施 高 量 有 機 肥（HM，N 600 kg·hm·a）。有機肥為豬糞，來自實驗站附近的養殖場，平均pH 為7.72，全氮32.9 g·kg（干基，下同），全鉀14.0 g·kg，全磷20.2 g·kg，全碳306.5 g·kg。種植作物為玉米，品種為蘇玉24。每年4 月中旬開始種植，7 月下旬玉米收獲后，至次年4 月土地休閑。種植密度為每小區20 株，相當于50 000 株·hm。于2019 年7 月玉米收獲后采集0～20 cm 的表層土樣，每個小區隨機采集3 個點混合為一個樣品。新鮮土樣在室溫下風干，挑去根系、石塊等，過8 mm 篩備用。將同一施肥處理的風干土樣均勻混合為CK、LM 和HM 土壤，基本性質見表1。

表1 供試土壤的基本理化性質Table 1 Soil physicochemical properties under three fertilization treatments

1.2 試驗設計

將混合后的土樣分成3 份，分別過5 mm、2 mm和0.5 mm 孔徑的篩，并標記為S、S和S。共得到9 個處理：3 種土壤（CK、LM 和HM 土壤）×3個過篩孔徑（5 mm、2 mm 和0.5 mm）。各處理團聚體大小分布通過干篩法測定，結果見表2。將每個處理的土樣分別填裝至直徑2.9 cm、高5 cm 的聚氯乙烯（Polyvinyl chloride，PVC）環刀中，填裝高度為4 cm，填裝容重為1.3 g·cm。填裝土柱時，環刀底部用500 目的尼龍網扎緊，然后分兩層填裝，每層高度為2 cm，第一層填裝之后，先將表面打毛，再填裝第二層。每個處理填裝7 個土柱，其中3 個用于測定田間持水量和CT 掃描，4 個用于室內培養測定土壤有機碳礦化量。

表2 不同過篩處理下的土壤團聚體大小分布Table 2 Aggregate size distribution after sieving

1.3 土壤有機碳礦化培養試驗

培養試驗前，將樣品飽和，然后利用壓力膜儀于33 kPa 下平衡，測定田間持水量。將用于培養試驗的土柱的含水量調節為田間持水量的75%，隨后將土柱放在4℃的培養箱中平衡3 d，每天補充損失的水分。水平衡結束后，將土柱放入500 mL 培養瓶中，將培養瓶隨機排列置于22℃的恒溫培養箱中避光培養57 d。在培養過程中，為減少土樣中水分的損失，在瓶口覆保鮮膜并扎孔保持通氣狀態，每兩天通過稱重法補充損失的水分。分別在培養的第1、2、4、8、11、15、22、29、37、43、50 和57 d 時采集培養瓶中的氣體。每次采集氣體前，先將培養瓶置于22℃室溫下通風20 min，更新瓶內氣體，然后塞緊硅橡膠塞，并用硅橡膠密封瓶口，確保不漏氣。塞緊硅橡膠塞后，向培養瓶中注入20 mL 新鮮空氣，混合均勻后，再從中抽取20 mL 氣體注入真空集氣瓶；培養6 h 后，再次向培養瓶中注入20 mL新鮮空氣，混合均勻，然后采集20 mL 氣體。氣體采集結束后，去除硅橡膠塞。采集的氣體利用氣相色譜（Gas chromatography，GC. Agilent 7890A，Agilent Technologies，Santa Clara，CA，USA）測定CO濃度，進而計算CO的產生速率（，mg·kg·h）以及累積產生量。CO產生速率的計算公式為：

式中，為標準狀態下CO的密度，0.536 kg·m；為一天內兩次采氣的 CO的濃度差，單位為g·m；為培養瓶中有效空間體積，單位為m；為烘干土質量，單位為kg；為一天內兩次采氣的時間間隔，單位為h；為培養溫度，單位為K。CO累積產生量為相鄰兩次測定氣體的CO產生速率的平均值與間隔時間乘積的累加值。

1.4 CT 掃描與圖像處理

土柱在33 kPa 下平衡后，利用X 射線顯微CT（Phoenix Nanotom X-ray μ-CT，GE Sensing and Inspection Technologies GmbH，Wunstorf，Germany）掃描。掃描電壓為90 kV，電流為90 μA，曝光時間為1.25 s。樣品在樣品臺水平勻速旋轉360°，在此過程中共采集 1 201 幅投影圖，空間分辨率為16 μm。利用Datos|x2 Rec 軟件進行圖像重建，然后利用VG Studio Max 2.2 軟件生成2302 張8 位灰度圖像，存儲為tiff 格式。利用ImageJ 軟件進行圖像處理和分析。首先進行中值濾波降低圖像的噪聲。為減少邊際效應和光束硬化引起的偽影，選擇圖像中心區域作為感興趣區域（region of interest，ROI）。ROI 的大小為1 500×1 500×900 體元，實際大小為24 mm×24 mm×14.4 mm。利用目視法確定閾值，將圖像分割為基質和孔隙兩部分。由于分辨率的限制，從圖像中獲取的孔隙均為大于分辨率（16 μm）的孔隙，本文中稱為大孔隙。孔隙大小分布利用“Thickness”插件計算，將孔隙大小劃分為3 個等級，分別為16～30 μm、30～100 μm 以及＞100 μm。孔隙的全局連通性通過下式計算：

式中，代表全局連通性，指兩個孔隙為同一個孔隙的概率；代表孔隙的個數，V代表每個孔隙的體積，孔隙的數量和體積利用“Particle analyzer”插件計算。

1.5 數據處理

運用SPSS 21.0 進行數據分析。采用雙因素方差分析（Two-way ANOVA）考察施肥處理和團聚體大小分布以及它們的交互作用對孔隙結構及有機碳礦化量的影響；利用最小差異顯著法（Least Significant Difference，LSD）進行多重比較，分析同一施肥土壤下不同團聚體處理之間以及同一團聚體處理下不同施肥土壤之間的差異，顯著性水平為0.05。數據的正態性檢驗采用夏皮羅-威爾克檢驗（Shapiro-Wilk test），方差齊性檢驗采用列文檢驗（Levene-test）。

2 結 果

2.1 團聚體大小分布對土壤孔隙結構的影響

2.1.1 團聚體大小分布對土壤二維形態特征的影響 圖1 為不同處理土壤樣品的二維灰度圖像，圖中淺色部分代表土壤基質，深色部分代表土壤孔隙（箭頭指向的區域）。從灰度圖像可以看出，對于同一施肥處理土壤，S的大孔隙較多，孔隙多呈長條狀，孔隙的連通性較好；S的孔隙結構與S差異不明顯；而S中由于大團聚體被破壞，大孔隙很少，結構更加均質。

圖1 團聚體大小分布對土壤孔隙二維形態的影響Fig. 1 Effect of aggregate size distribution on 2-D soil pore morphology

2.1.2 團聚體大小分布對土壤大孔隙度及孔隙大小分布的影響 團聚體大小分布對土壤大孔隙度（＞16 μm）有極顯著的影響（＜ 0.001）（表3）。S的大孔隙度最低，較S和S分別低87.4%～93.9%和83.0%～93.4%。CK 和LM 土壤S與S的大孔隙度無顯著差異（＞ 0.05），而HM 土壤S的大孔隙度較S低36.4%（＜ 0.01）（圖2a）。

孔隙大小分布的結果表明，團聚體大小分布對16～30 μm 孔隙的孔隙度無顯著影響（＞ 0.05），對30～100 μm 和＞100 μm 孔隙的孔隙度有極顯著的影響（＜ 0.001）（表3）。S的30～100 μm 孔隙的孔隙度最低，較S和S分別減少73.1%～80.6%和59.5%～80.4%（＜ 0.05），而S與S之間無顯著差異（＞ 0.05）（圖2c）。S的＞100 μm 孔隙的孔隙度也顯著低于S和S，降低的比例為96.9%～99.3%（＜ 0.05）。S的＞100 μm 孔隙的孔隙度高于S，但只在HM 土壤表現出了顯著差異（＜ 0.001）（圖2d）。

表3 雙因素方差分析結果Table 3 The results of two-way ANOVA

圖2 團聚體大小分布對土壤大孔隙度（＞16 μm）和孔隙大小分布的影響Fig. 2 Effect of aggregate size distribution on soil image-based porosity（＞16 μm）and pore size distribution

2.1.3 團聚體大小分布對土壤孔隙連通性的影響 團聚體大小分布對土壤孔隙連通性有極顯著的影響（0.001）（表3）。S的孔隙連通性顯著低于S和S，降低比例超過95%（＜ 0.01）。在CK 和LM 土壤中，S與S的孔隙連通性無顯著差異（＞ 0.05），而HM 土壤中S的孔隙連通性較S低41.8%（＜ 0.001）（圖3）。

圖3 團聚體大小分布對土壤孔隙連通性的影響Fig. 3 Effect of aggregate size distribution on soil pore connectivity

2.2 團聚體大小分布對土壤有機碳礦化的影響

2.2.1 團聚體大小分布對土壤有機碳礦化速率的影響 對于CK 和HM 土壤，S的有機碳礦化速率基本上在整個培養過程中均最高，S和S之間無明顯的大小順序；而對于LM 土壤，在培養的第8、29、37 和43 天時，S的有機碳礦化速率最高，其他時間表現為S處理的有機碳礦化速率最高（圖4）。

培養期間，CK 土壤的有機碳礦化速率較低（＜4 mg·kg·d），除第22 和29 天礦化速率相對其他時間較高外，其他時間礦化速率波動不大，基本低于2 mg·kg·d（圖4a）。LM 和HM 土壤的有機碳礦化速率表現出類似的變化規律，在培養第1 天出現峰值，然后降低，至第8 天開始回升，在第29 天出現第二個峰值（圖4b，圖4c），之后礦化速率下降；但相同時間HM 土壤的有機碳礦化速率基本高于LM 處理，尤其是第1～4 天時，兩施肥處理差異最大，HM 土壤的有機碳礦化速率較LM 土壤高26.2%～147.0%。

圖4 團聚體大小分布對土壤有機碳礦化速率的影響Fig. 4 Effect of aggregate size distribution on mineralization rate of SOC

2.2.2 團聚體大小分布對土壤有機碳累積礦化量的影響 團聚體大小對57 d 內的土壤有機碳累積礦化量有極顯著的影響（＜ 0.001）（表3）。對于CK和HM 土壤，S的有機碳累積礦化量顯著高于S和S（＜0.01），但升高的比例差別較大。CK 土壤S的有機碳累積礦化量較S和S分別高64.2%和79.1%；HM 土壤S的有機碳累積礦化量較S和S分別高19.3%和14.1%；兩種土壤S和S有機碳累積礦化量均無顯著差異（＞0.05）。對于LM 土壤，S和S的有機碳累積礦化量無顯著差異（＞ 0.05），分別較S高38.6%和29.9%（＜ 0.01）（圖5）。

雙因素方差分析顯示，施肥處理顯著增加了57 d 內土壤有機碳的礦化量（＜ 0.01）（表3）。同一團聚體處理下，不同施肥土壤的有機碳累積礦化量表現為HM ＞ LM ＞ CK（＜ 0.05）（圖5）。

圖5 團聚體大小分布對土壤有機碳累積礦化量的影響Fig. 5 Effect of aggregate size distribution on cumulative SOC mineralization amount

相關分析表明，57 d 內的有機碳累積礦化量與16～30 μm 孔隙的孔隙度呈顯著的負相關關系（0.05）（圖6），而與其他孔隙結構參數相關性較弱（數據未列出）。

圖6 有機碳累積礦化量與16～30 μm 孔隙的孔隙度之間的關系Fig. 6 Relationship between cumulative SOC mineralization amount and porosity of 16-30 μm pores

3 討 論

本研究中，對于不同施肥處理的土壤，S的大孔隙度（＞16 μm）、孔隙連通性以及30～100 μm 和＞100 μm 孔隙的孔隙度均顯著低于S和S處理（＜0.05）（圖2，圖3）。這是因為團聚體破碎之后，團聚體內的大孔隙會被破壞，形成較小的孔隙，孔隙度也會降低。不同施肥處理土壤S和S的孔隙結構的差異不同。對于CK 和LM 土壤，S和S的孔隙結構無顯著差異（＞ 0.05）（圖2，圖3）；對于HM 土壤，S的大孔隙度、＞100 μm 孔隙的孔隙度以及孔隙連通性均顯著低于S處理（＜ 0.05）（圖2a，圖2d，圖3）。這是由于長期施用高量有機肥顯著增加了土壤中大團聚體的比例以及團聚體的穩定性，HM 土壤過5 mm 篩后仍含有較高比例的2～5 mm 的團聚體（47.7%）（表1），而過2 mm 篩后則將＞ 2 mm 的團聚體破碎，導致S和S的團聚體的組成差異較大，孔隙結構的差異也較大。對于CK 和LM 土壤，5 mm 過篩土中2～5 mm 的團聚體的比例相對較小，分別為14.6%和38.1%（表1），S和S處理的團聚體組成差異相對較小，從而導致其孔隙結構無顯著差異（＞ 0.05）。這與Negassa等的研究結果類似，組成差異較大的＞0.5 mm 與＜0.5 mm 的團聚體填裝的土柱的孔隙結構有顯著差異，而組成差異較小的0.5～1 mm 和1～2 mm 的團聚體填裝的土柱的孔隙結構無顯著差異。

培養期間，LM 和HM 土壤的有機碳礦化速率分別在第1 天和第29 天達到了高峰（圖4b，圖4c），這與李銀坤等的研究結果一致，出現兩個礦化速率高峰可能是因為土壤中不同類型的有機物的降解性不同。施用有機肥顯著增加了土壤有機碳的累積礦化量（＜ 0.05）（表3，圖5），這是因為長期施用有機肥，土壤有機碳含量升高，增加了微生物碳源和微生物活性，促進了微生物對有機碳的分解。對于CK 和HM 土壤，S的有機碳累積礦化量顯著高于S和S（＜ 0.01），S和S之間無顯著差異（＞ 0.05）（圖5）；對于LM 土壤，S和 S的有機碳累積礦化量顯著高于 S（＜0.01），而S和S之間無顯著差異（＞ 0.05）（圖5）。由于不同過篩土來源于同一份土樣，有機碳含量無顯著差異，因此不同過篩土之間有機碳礦化量的差異主要由土壤結構的差異導致。過篩破壞了土壤的團聚體結構，釋放出被保護的活性有機碳，從而導致土壤有機碳礦化量在短時間內或較長一段時間內顯著增加。然而，由于土壤有機碳主要儲存在＜0.25 mm 的微團聚體中，因此能否破壞該尺寸的團聚體是影響土壤有機碳礦化量的關鍵。本研究中，S處理最接近0.25 mm，因此S釋放的有機碳較多，導致其有機碳礦化量高于S和S；而S和S均只破壞了＞2 mm 的團聚體，二者之間釋放的有機碳差異不大，從而導致其有機碳礦化量無顯著差異（LM 土壤除外）。此外，CK 土壤S的有機碳累積礦化量較S和S處理分別高64.23%和79.06%；而HM 處理下S的有機碳累積礦化量較S和S處理分別高19.27%和14.13%，這可能是由于在養分含量相對較低的土壤中（CK 和LM 土壤），微生物處于養分限制狀態，有機碳含量的增加會刺激微生物對養分的需求，從而加速土壤有機碳的礦化。

LM 土壤S和S的有機碳累積礦化量無顯著差異，這可能是受到了孔隙結構的影響。孔隙結構的結果表明，LM 土壤中 S處理的大孔隙度（＞16 μm）較S處理高約1531%（這一值在CK 土壤中為693%，在HM 土壤中為1243%），已有的研究表明，土壤有機碳礦化量與大孔隙度呈顯著的正相關關系，因此S處理中較高的大孔隙度可能促進了土壤有機碳礦化，從而導致其和S處理的有機碳累積礦化量無顯著差異。

相關分析結果顯示土壤有機碳累積礦化量與16～30 μm 的孔隙度呈顯著的負相關關系（＜ 0.05）（圖6），說明孔隙結構的變化也是影響有機碳礦化的一個重要因素。另有一些研究發現，30～90 μm的孔隙能保持較適宜的水分/氣體條件，有利于養分運輸和微生物活動，從而促進有機碳礦化。還有研究表明有機碳礦化受到孔隙連通性的影響，Kravchenko 等發現團聚體內孔隙的連通性越好，有機碳的礦化量越大。而本研究中并未發現有機碳礦化同孔隙連通性之間存在顯著的相關性，這可能是由于本研究為土柱尺度，觀測到的僅是＞16 μm 的孔隙，因而與團聚體尺度的結果不一致。因此，為了更好的理解孔隙結構對有機碳特征的影響，在今后的研究中應該對不同尺度土壤樣品開展研究，綜合分析不同尺度孔隙結構對有機碳礦化的影響。

4 結 論

團聚體大小對孔隙結構和57 d 內的土壤有機碳礦化量有極顯著的影響。隨著團聚體粒徑的減小，土壤的大孔隙度（＞16 μm）、孔隙連通性以及30～100 μm 和＞100 μm 孔隙的孔隙度均有不同程度的降低。團聚體粒徑減小釋放出被保護的有機碳，從而增加土壤有機碳的礦化量，導致過0.5 mm 篩（S）處理的有機碳累積礦化量總體高于S和S處理，而后兩者由于對大團聚體破壞較小，有機碳的礦化量無顯著差異。土壤有機碳礦化量與16～30 μm 的孔隙度成顯著的負相關關系，說明團聚體大小改變導致的孔隙結構的變化可能是影響土壤有機碳礦化的另一個重要因素。