長期不同施氮量下黑土團聚體穩(wěn)定性及有機碳含量的變化

摘要：為測定不同氮肥施用量對黑土團聚體組成及穩(wěn)定性、有機碳含量及團聚體有機碳分布的影響，闡明黑土有機碳穩(wěn)定性對不同施氮水平的響應機制，本研究在吉林省梨樹縣不同施氮水平長期定位試驗田進行取樣，以施氮水平不同設置5個處理，分別為T1（0）、T2（160 kg·hm-2）、T3（240 kg·hm-2）、T4（280 kg·hm-2）、T5（320 kg·hm-2），分析長期不同施氮量下水穩(wěn)性團聚體組成、團聚體結構特征、土壤總有機碳含量及團聚體有機碳分布的變化，探究酸化黑土有機碳含量影響特征。結果表明：隨氮肥施用水平的升高，土壤堿解氮（AN）和全氮（TN）含量先增后減，T3處理含量最高，AN和TN分別比T1處理高24.90%、10.28%；土壤速效磷（AP）的含量呈下降趨勢。隨氮肥用量的提高，土壤團聚體呈現大粒徑團聚體向小粒徑團聚體轉變的趨勢，gt;2 mm粒徑團聚體下降14.55%。土壤有機碳總量隨施氮水平的提高呈先增后減的趨勢，施氮量為280 kg·hm-2有機碳含量最高；gt;2 mm和2-0.25 mm粒徑團聚體有機碳含量較高；不同施氮水平下有機碳含量與團聚體穩(wěn)定性特征的幾何平均直徑、土壤團聚體破壞率、不穩(wěn)定團粒指數和土壤化學性質的相關度較高。研究表明：通過13 a連續(xù)施入不同水平氮肥，土壤有機碳含量隨氮肥施用量的增加呈先增后減的趨勢；氮肥施用量增加會顯著降低土壤pH，土壤團聚體有機碳主要分布在2～0.25 mm粒徑中。

關鍵詞：氮肥施用量；黑土；土壤理化性質；團聚體有機碳；團聚體穩(wěn)定性

中圖分類號：S153.6；S152.4 文獻標志碼：A 文章編號：1672-2043（2024）01-0102-09 doi：10.11654/jaes.2023-0024

農田土壤有機碳庫是全球碳庫最活躍的部分，也是全球碳循環(huán)的重要組成部分。我國東北平原是世界僅有的四大塊連片黑土區(qū)之一，是我國最適宜耕作地區(qū)，同時也是我國的商品糧主產區(qū)，享有“谷物倉庫”之稱。然而，由于長期高強度利用和不合理耕作，加之風蝕和水蝕影響，黑土有機質含量大幅下降。區(qū)域調查表明，與1980年第二次全國土壤普查相比，2011年東北地區(qū)耕層（0-20 cm）土壤有機碳儲量下降了0.41 mg·hm-2（以C計）。黑土有機質含量降低是黑土退化的核心問題，如何提高黑土有機碳含量，增強黑土有機碳的穩(wěn)定性是黑土保護的重中之重。

近年來為提高農作物產量，我國氮肥施用量普遍偏高，一些地區(qū)達到350 kg·hm-2，一些蔬菜施肥量更是高達450 kg·hm-2，而國際上氮肥的施用上限為225kg·hm。科學證據表明，土壤酸化主要是由于過量施用氮肥造成的用。張福鎖的研究結果顯示，從20世紀80年代到21世紀，全國農田土壤的pH值平均下降了0.5個單位。施氮土壤酸化對土壤植物、作物的影響是多方面的，如土壤養(yǎng)分有效性降低、作物根系生長和發(fā)育不良、重金屬危害的風險增加、有機碳含量發(fā)生變化等。土壤團聚體是土壤結構的基本單元，土壤中90%的碳保存在團聚體內，團聚體影響土壤養(yǎng)分的遷移轉化，對土壤質量產生影響。不同粒徑團聚體有機碳的固碳率不同，且礦化速度不同。

在東北糧食主產區(qū)，農民大量施用氮肥來提高作物產量，而土壤氮循環(huán)與碳循環(huán)有著密切的關系。目前關于氮肥施用水平的研究大多集中在對土壤氮素循環(huán)方面，而對土壤有機碳的影響，尤其是對土壤團聚體有機碳方面的研究還較少。目前關于施氮對土壤有機碳的影響尚未得出統(tǒng)一結論，現有的研究表明，施氮處理后土壤有機碳礦化速率會增加或沒有變化，施氮對土壤有機碳的影響受多種因素制約，不同地區(qū)的影響規(guī)律不同。鑒于此，本文研究了長期不同施氮水平的黑土中總有機碳及團聚體有機碳的變化特征。

本文采用長期定位試驗的方法，通過對土壤pH、全氮含量、堿解氮含量、施氮量及土壤團聚體組成等指標的測定，研究不同施氮水平對黑土理化性質、團聚體穩(wěn)定性和有機碳含量的影響，以及對土壤有機碳總量及土壤團聚體分布的影響，以明確不同施氮水平下土壤有機碳的演化和走向，及施氮對土壤有機碳變化的影響規(guī)律，為合理制定不同施氮水平下黑土有機碳穩(wěn)定措施提供理論依據和支撐。

1材料和方法

1.1試驗區(qū)域概況

試驗區(qū)位于吉林省四平市梨樹縣四棵樹鄉(xiāng)三棵樹村，中國農業(yè)大學吉林梨樹試驗站試驗田（43°31′N，124°34′E），該地區(qū)年平均降水量576.8 mm，無霜期145 d，年平均溫度5.8℃，土壤類型為草甸黑土。試驗始于2008年，長期定位試驗前土壤pH為6.16，有機碳含量為10.56 g·kg-1，全氮含量為1.69 g·kg-1，堿解氮含量為128.0 mg·kg-1，速效磷含量為43.9 mg·kg-1，速效鉀含量為196.33 mg·kg-1。

1.2試驗設計

本試驗共設5個處理，每個處理3次重復。試驗小區(qū)面積為130 m2，所有小區(qū)均種植玉米“先玉335”，在不使用塑料覆膜的情況下進行作物栽培，每年4月播種，10月收獲，所有玉米殘體均從小區(qū)中移除，無秸稈還田。各處理具體施肥方案見表1。

供試肥料：尿素含氮46%，磷酸二銨含氮16%，磷肥含五氧化二磷48%，氯化鉀含鉀60%。

于2021年10月秋收后采集表層土壤樣品，采用對角線法進行采樣，土樣放入保鮮盒內，盡量保持土壤結構的完整。土樣經自然風干后用于測定。

1.3測定項目及方法

土壤理化性質測定參見《土壤農化分析》。

土壤容重（BD）采用環(huán)刀法；土壤含水量（SWC）采用烘干法；土壤孔隙度（SP）采用計算法；土壤有機碳采用重鉻酸鉀外加熱法；土壤全氮（TN）采用凱氏定氮法；土壤速效磷（AP）采用0.5 mol·L-1 NaHCO3浸提，鉬銻抗比色法；土壤速效鉀（AK）采用NH40Ac浸提，火焰光度法；土壤堿解氮（AN）采用擴散法；土壤pH采用pH計（水：土=2.5：1）；土壤交換性酸、交換性H+和交換性Al3+采用氯化鉀交換法；土壤交換性Ca2+、Mg2+采用原子吸收分光光度法；土壤交換性Na+、K+采用火焰光度法。

土壤團聚體的分布與穩(wěn)定性采用于篩法與濕篩法測定。干篩法：稱取風干土壤500 g，過套篩后得到粒徑為gt;5、5-2、lt;2-1、lt;1-0.5、lt;0.5-0.25、lt;0.25 mm的團聚體，將各粒級土粒稱質量，計算各級團聚體所占百分比，按百分比配成3份50 g土樣，供濕篩分析；濕篩法：將供試土壤裝入套篩（孔徑為2、0.25、0.053mm）中沿沉降桶小心加水至篩邊緣2/3處，浸濕5 min后開機振蕩5 min，將各粒級土壤洗進稱好質量的鋁盒，待烘干后稱質量，計算百分比。將團聚體篩分為大團聚體（gt;2 mm）、中間團聚體（2-0.25 mm）、微團聚體（lt;0.25-0.053 mm）和黏粉粒級團聚體（lt;0.053 mm）4個粒徑。

1.4數據處理

土壤孔隙度計算公式：

T=（Rs-Ds）／Rsx100%

式中：T為土壤總孔隙度，%；Rs為土壤比重，一般取2.65 g·cm-3；Ds為土壤容重，g·cm-3。

土壤團聚體平均質量直徑（MWD，DMW）、幾何平均直徑（GMD，DCM）、gt;0.25 mm團聚體質量分數（R0.25）計算公式如下：

土壤團聚體破壞率（PAD，P）和不穩(wěn)定團粒指數（ELT）的計算公式如下：

采用Excel 2010處理數據，SPSS 21.0進行數據分析，Origin 2021軟件繪圖，Canoco 5軟件進行冗余分析。

2結果與分析

2.1土壤理化性質變化特征

2.1.1不同施氮水平下土壤物理性質變化

如表2所示，施氮量對土壤含水量、容重和孔隙度無顯著影響，各處理間差異不顯著（Pgt;0.05），且上述指標的變化沒有什么規(guī)律。T2處理土壤含水量和容重較其他處理略高，土壤孔隙度較其他處理略低；而T3、T4處理的土壤孔隙度稍高于其他處理，土壤含水量和容重則稍低于其他處理。

2.1.2土壤團聚體變化特征

由表3可以看出，不同施氮量處理土壤的團聚體組成均以gt;2 mm團聚體和2-0.25 mm團聚體為主，分別占團聚體總量的19.59%-34.14%和32.41%-39.28%。

不同粒徑土壤團聚體占比從高到低的順序依次為2-0.25、gt;2、lt;0.25-0.053 mm和lt;0.053 mm。因施氮水平的不同，不同粒徑土壤團聚體的分布也略有不同。

與T1處理相比其他4個處理lt;0.053 mm粒徑土壤團聚體占比均有所增加，這說明隨施氮水平的提高，土壤顆粒有細化的趨勢。氮肥施用量對lt;0.25-0.053 mm粒徑土壤團聚體的數量影響較大，其隨施氮水平提高表現出比較明顯的增加趨勢，即T12 mm土壤團聚體的數量均表現出不同程度的下降，其中以T5處理下降最為顯著，比T1處理下降了14.55個百分點，下降幅度為42.6%。

如表4所示，不同施氮量處理土壤團聚體穩(wěn)定性有顯著差異（Plt;0.05）。從整體上看，隨土壤施氮量的增加，土壤團聚體穩(wěn)定性有所降低，T1處理的MWD、GMD、R0.25顯著高于其他處理，MWD分別比T2、T3、T4、T5處理高18.83%、15.82%、19.61%及44.09%；CMD分別高34.43%、34.43%、38.98%、67.35%；R0.25分別高9.29、10.81，11.31個和13.42個百分點。T2、T3處理間MWD和GMD無顯著差異，都顯著高于T5處理；T2處理的R0.25顯著高于T4、T5處理，T3處理顯著高于T5處理。

PAD與ELT變化趨勢基本一致，均隨施氮量增加而提高（圖1）。T1處理的PAD和ELT顯著低于其他處理，其PAD低于P5處理12.96個百分點，ELT低于T5處理13.42個百分點。

2.2不同施氨水平下土壤化學性質變化

2.2.1土壤養(yǎng)分的變化

與物理性質不同，不同施氮水平對土壤化學性質影響較顯著。如表5所示，不同處理土壤中堿解氮含量隨土壤施氮量增加出現先升高后下降的趨勢，其中T3處理含量最高，比T1處理提高了24.16 mg·kg-1，T3和T4處理間差異不顯著（Pgt;0.05）。不同處理土壤速效磷含量隨施氮量增加基本呈現降低的趨勢，其中T1和T5處理與其他3個處理間差異顯著，T5處理比T1處理下降了43.36%，處理之間差異達到極顯著水平（Plt;0.01）。不同處理土壤速效鉀含量隨土壤施氮水平的提高出現先下降后升高的趨勢，具體表現為T5gt;T1gt;T4gt;T3gt;T2，T5處理與T2處理的速效鉀含量差異達到114 mg·kg-1。不同處理的全氮含量與土壤施氮量的變化之間沒有明顯的規(guī)律可循，T1和T2處理與其他3個處理間存在一定差異。施氮水平的上升提高了黑土的C/N。

2.2.2土壤酸度的變化

隨施氮水平的提高，土壤pH次第降低，T1處理與其他處理之間差異顯著，尤其是與T4和T5處理相比差異極顯著，土壤pH分別下降1.10個和1.22個單位（表6）。

土壤總交換性酸、交換性H+和交換性Al3+含量均隨施氮水平的上升而提高。其他處理與T1處理相比，土壤總交換性酸、交換性H+和交換性Al3+含量分別增加0.09-0.53、0.03-0.15 cmol·kg-1和0.05-0.39cmol·kg-1。

2.2.3相關性分析

表7的相關性分析結果表明，施氮水平與土壤pH和土壤堿解氮、速效磷、速效鉀、全氮含量的變化之間存在一定的相關性，其與土壤堿解氮、土壤全氮和C/N之間存在顯著的正相關關系，而與土壤速效磷、速效鉀和土壤pH之間存在負相關關系。

2.3土壤交換性鹽基離子含量的變化

由表8可知，隨施氮水平的提高，交換性鹽基總量及各鹽基離子的含量均呈逐漸下降的趨勢。鹽基離子總量T1與T5處理的差異最大，差值為6.08cmol·kg-1，T5處理比T1處理下降了38.21%。T3、T4和T5處理間差異沒有達到顯著水平，但這3個處理與T1處理間差異顯著。

施氮量的變化對土壤交換性K+和Mg2+含量的影響不大，各處理間差異不顯著；不同處理Ca2+和Na+含量的變化與鹽基離子總量的變化相似，T1和T2處理與其他3個處理間的差值較大。T5、T4和T3處理交換性Ca2+含量分別比T1處理下降5.66、5.51 cmol·kg-1和4.89 cmol·kg-1，下降幅度分別為42.94%、41.81%和37.10%：T5、T4、T3和T2處理交換性Na+含量分別比T1處理下降了30.52%、31.17%、18.83%和14.29%。由此可見，施氮水平對土壤交換性鹽基總量和交換性Na+及Ca2+含量的影響較為明顯。

2.4不同施氮水平下土壤有機碳變化特征

2.4.1土壤有機碳總量變化

從圖2可見，不同處理土壤有機碳含量范圍為15.52-19.79 g·kg-1，隨施氮水平的提高，土壤有機碳含量呈現先升高后下降的趨勢。

當施氮量達到280 kg·hm-2，土壤有機碳含量出現下降，不同處理土壤有機碳含量具體表現為T4gt;T3gt;T5gt;T2gt;T1，其中T3、T4、T5有機碳含量顯著高于T1處理，T3、T4、T5處理間無顯著差異（Pgt;0.05）。

2.4.2土壤團聚體有機碳的組成變化

不同施氮量處理土壤不同粒徑團聚體有機碳含量有所差異，如圖3所示：2-0.25 mm和gt;2 mm粒徑有機碳含量較高，在T1、T2處理中2-0.25 mm粒徑有機碳含量略高于gt;2 mm粒徑，但差異不顯著，在T3、T4、T5處理中2-0.25 mm粒徑有機碳含量顯著高于gt;2mm粒徑；lt;0.25-0.053 mm與lt;0.053 mm粒徑有機碳含量較低，lt;0.053 mm粒徑有機碳含量略高于lt;0.25-0.053 mm粒徑，且在T1、T4處理中有顯著差異（Plt;0.05）。在不同處理中各粒徑有機碳含量由高到低為2-0.25、gt;2、lt;0.053 mm和lt;0.25-0.053 mm。

各處理團聚體有機碳含量變化也有差異，在gt;2mm粒徑中，T5處理有機碳含量較高，顯著高于T1與T4處理，T2、T3、T4處理間無顯著差異，但均顯著高于T1處理；在2-0.25 mm粒徑中T3處理有機碳含量最高，分別比T1、T2、T4、T5處理高8.86%、4.18%、6.26%和3.83%，均存在顯著差異，整體呈現先增高后降低的趨勢；在lt;0.25-0.053 mm粒徑中，各處理的有機碳含量均無顯著差異，施氮水平對該粒徑有機碳含量影響較小；在lt;0.053 mm粒徑中，T1處理有機碳含量最高，氮肥施用量增加會降低lt;0.053 mm粒徑有機碳含量，T1處理有機碳含量顯著高于其他處理，分別比T2、T3、T4、T5處理高3.40%，2.32%、2.95%和4.04%，T2、T3、T4、T5處理間lt;0.053 mm粒徑有機碳含量無顯著差異。

相關性分析結果表明：施氮水平與土壤有機碳總量之間存在顯著負相關，除lt;0.053 mm粒徑有機碳含量與土壤施氮水平間呈正相關關系外，其他粒級土壤團聚體有機碳含量均與施氮水平間呈負相關關系。

2.5土壤理化性質、團聚體穩(wěn)定性特征與有機碳及團聚體有機碳的相關性分析

圖4為土壤施氮量、理化性質、團聚體結構特征對原土及團聚體有機碳含量的冗余分析。分析結果表明：不同施氮水平原土及團聚體有機碳含量變化受影響因子影響較大，第一軸累計解釋量為81.25%，第二軸解釋量為7.30%，累計為88.55%。其中土壤堿解氮、C/N、全氮對有機碳及團聚體有機碳含量解釋度高（Plt;0.05），分別為67.7%、12.6%、5.3%，且堿解氮、C/N、全氮對lt;0.053 mm粒徑團聚體有機碳含量解釋呈負相關，對原土及團聚體有機碳含量解釋呈正相關；土壤施氮量、速效磷對有機碳及團聚體有機碳含量的解釋度分別為2.9%、2.5%（Plt;0.01），速效磷對lt;0.053 mm粒徑團聚體有機碳含量解釋度呈正相關，對原狀土及其他粒徑有機碳含量解釋呈負相關。

3討論

土壤理化性質是衡量土壤質量狀況的重要指標之一，試驗結果表明氮肥施用水平對土壤化學養(yǎng)分影響較大。隨施氮量的增加，堿解氮、全氮含量增加，相關性分析也表明，土壤堿解氮和全氮含量與氮肥施用水平之間存在顯著的正相關關系，這與江曉東的研究結果一致。土壤pH與施氮水平之間存在顯著負相關關系，即隨施氮水平的提高，土壤pH呈下降趨勢。蔡澤江的研究結果表明，長期施用化學氮肥是加速紅壤酸化的主要原因，施氮量是影響紅壤酸化的主要原因之一。另外，隨土壤外源氮輸入量和持續(xù)時間的增加和延長，土壤pH的下降幅度也增大。Goulding等認為農田土壤酸化的最重要原因是施用銨態(tài)氮肥和尿素。

氮肥施用量的增加會降低土壤速效磷含量，相關性分析結果表明，氮肥施用水平與土壤速效磷含量存在顯著的負相關關系，這可能是由于pH下降導致部分速效磷被固定轉化為緩效磷。范欽楨認為氮肥能夠降低土壤鉀素的釋放、提高鉀的固定，本試驗結果表明隨施氮量增加速效鉀含量增加。隨氮肥施用水平的提高，土壤鹽基離子的總量及交換性Ca2+的含量呈明顯的下降趨勢，這可能是隨氮肥施用量的增加，土壤pH下降，部分交換性Ca2+和Na+遭到淋失的結果。

土壤pH下降會促進有機碳積累。楊靈芳等的研究也同樣發(fā)現在C/N較高（gt;15）或酸性（pHlt;6.5）土壤中，施氮后土壤有機碳積累明顯。這是因為土壤pH降低導致的土壤交換性Al3+增加，其會形成有機無機復合體吸附在團聚體上，從而降低微生物對有機質的分解；同時土壤pH降低會抑制土壤微生物活性，減少有機質分解，抑制土壤碳排放，導致土壤有機碳積累。本試驗結果表明：隨氮肥施用水平的提高，土壤有機碳總量呈先快速增加后緩慢下降的趨勢。不同酸化程度對有機質穩(wěn)定性的主控因素不同㈣。按照對土壤緩沖體系的分類，本試驗所在地的黑土屬于原生硅酸鹽礦物風化緩沖體系（pH5.0-6.2），土壤酸化可以通過抑制微生物活性和加強礦物一有機物相互作用來增加有機質穩(wěn)定及減少淋溶浸出。此外，氮肥施用會促進作物生長，加大凋落物返還量，進而促進有機碳積累，但施氮量持續(xù)增加超出植物吸收范圍后會抑制有機碳積累，使有機碳分解加速，從而降低有機碳含量。

土壤團聚體作為土壤結構的基本單元，其組成和分布直接影響了土壤養(yǎng)分的吸收、轉化和利用，是土壤肥力的重要體現。本研究中，不同處理土壤團聚體主要以gt;2 mm和2-0.25 mm粒徑為主，隨氮肥施用水平的提高大團聚體含量有所下降，這可能是氮肥施用導致的土壤酸化使Ca2+等鹽基離子流失，穩(wěn)定性膠結劑物質減少，不利于團聚體穩(wěn)定。

團聚體有機碳與土壤總有機碳含量密切相關，在不同粒徑團聚體內，有機碳的周轉速率及礦化速率均不相同，這是影響土壤有機碳穩(wěn)定性的重要原因之一。大團聚體通常包含細根和菌絲等有機膠結物質和小團聚體，碳含量較高，這與本試驗2-0.25 mm粒徑團聚體有機碳含量較高的結果類似。隨氮肥施用水平的提高大團聚體比例降低，這可能是由于大團聚體破壞所丟失的碳量要小于氮輸入促進植物根系生長增加的碳量。lt;0.053 mm粒徑團聚體中有機碳含量略高于lt;0.25-0.053 mm團聚體，這可能是因為lt;0.053 mm粒徑團聚體具有較高的比表面積，可以牢固地吸附有機物。

王冰等的研究表明有機碳含量與MWD、GMD呈顯著正相關性，本文冗余分析結果也表明GMD、PDA、ELT與土壤有機碳之間存在顯著的相關關系。團聚體穩(wěn)定指標GMD與總有機碳含量呈負相關，這與李可依等的研究結果相同。

4結論

通過13 a連續(xù)施入不同水平氮肥，對比不施氮肥處理，隨著氮肥施入量的不斷增加，土壤有機碳含量呈先增后減的趨勢，在施氮量為240 kg·hm-2和280kg·hm-2時有機碳含量較高；氮肥施用量的增加會顯著降低土壤pH和團聚體穩(wěn)定性；土壤團聚體有機碳主要分布在2-0.25 mm粒徑中；土壤全氮含量、C/N、堿解氮含量、施氮量、速效鉀含量是影響有機碳及團聚體有機碳含量的主要因子。