施肥對根際沉積碳在土壤團聚體中分配的影響

高同彬

(東北農業大學，哈爾濱 150030)

土壤團聚體是土壤結構的基本單元，是自然生態系統和人工管理生態系統的基本屬性，土壤團聚體對土壤肥力、質量和土壤的可持續利用等有很大的影響，是水肥保蓄與釋供功能的物質基礎［1，2］。團聚體的組成比例能較好地反映土壤肥力的現有狀況及其調控的實際效果，是綜合評價土壤肥力的重要指標［2］。土壤團聚體的形成受物理、化學和生物因素的驅動［3］。根際碳沉積是作物物質循環、能量流動和信息傳遞的基礎，其在土壤團聚體的形成、穩定與周轉過程中具有重要作用［4，5］。

施肥導致不同處理之間的根際沉積碳種類和數量的差異，也會改變土壤團聚體的穩定性，強烈影響陸地生態系統土壤有機碳儲量和穩定機制。對黑土有機質結構、功能以及動態變化的研究已取得許多重要進展［3］，但是對不同施肥管理方式下根際沉積碳對黑土有機碳物理性保護機制的研究還有限。因此，本研究的目的是以長期肥料定位試驗為研究平臺，闡明作物根際沉積碳對其土壤團聚體穩定性的影響及其相互關系，并為采取有效的施肥管理措施以提高黑土區的土壤質量和降低溫室效應提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區基本概況

試驗地位于黑龍江省海倫市的中國科學院海倫農業生態實驗站(N47°27'，E126°55')，該站處于我國東北黑土區的中心，海拔高度240 m左右，屬于溫帶大陸性季風氣候，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨，四季分明，雨熱同季，年平均氣溫1.5℃，≥10℃活動積溫2 600℃ ～2 800℃，無霜期125～135d，年降雨量500～600 mm。試驗區地形較為平坦，試驗開始于1991年，玉米—大豆—小麥輪作，一年一熟制，供試作物為小麥，供試土壤為典型黑土，土壤母質為第四紀黃土狀母質。

1.2 試驗設計

試驗共設6個處理:①無肥(CK);②化肥NP(NP);③化肥NK(NK);④化肥PK(PK);⑤化肥NPK(NPK);⑥化肥NPK+有機肥(NPKM)，4次重復，小區面積63 m2，隨機排列。化學氮肥為尿素、磷肥為磷酸二銨、鉀肥為硫酸鉀，有機肥為腐熟豬糞。有機肥在每年10月份秋季整地時一次性施入;大豆和小麥春季播種時全部化肥作基肥;玉米1/3氮肥、全部磷鉀肥在春季播種時作基肥，剩余2/3氮肥在拔節期作為追肥。施肥量見表1。

表1 施肥量(kg hm－2)Tabl.1 Fertilizing amount(kg hm －2)

1.3 研究方法

根際土壤采樣方法:采用尼龍網框分隔法區分根際土和非根際土，尼龍網框規格為70 cm×20 cm×30 cm，尼龍網框阻止作物根系進入尼龍網框內，框內不受根系影響的土即為土體，框外受根系影響的土即為土壤，在秋季收獲時分別采取框內和框外土壤樣品，保持原狀，樣品風干后，備用。

水穩性團聚體的篩分方法:50 g風干土緩慢濕潤5 min，再浸入蒸餾水中糊化5 min，然后轉移到篩組(5 mm、2 mm、1 mm、0.5 mm、0.25mm)上以振幅 3.8cm，32 r·min－1濕篩10 min。所有團聚體組分轉移到50mL小燒杯，50°C烘干至恒重。平均重量直徑計算方法如下:

wi代表團聚體第i個組分的平均直徑，xi代表團聚體第i個組分占土樣總質量的比例。濕篩后將＞5 mm和2～5 mm組分合并，作為＞2 mm的水穩性團聚體(WSA＞2 mm)。

有機碳的測定:用 CHN元素分析儀(ElementarⅢ，Germany)，經檢驗土壤中未發現碳酸鹽，認為該供試土壤有機碳等于土壤總碳。

根際沉積碳的計算:采用差減法即，根際沉積碳為土壤有機碳減去同條件下的土體有機碳。

2 結果與分析

2.1 施肥對不同粒級團聚體分布的影響

土壤團聚體粒級分布強烈地受到施肥管理方式的影響，6個不同施肥處理篩分后質量分數的平均回收率為94.3%。相同施肥處理條件下，與土體相比較，根際沉積碳土壤處理主要增加＞2mm的團聚體的形成，0.25～0.5mm團聚體減少，表明了根際沉積碳能使微團聚體膠結形成大團聚體，這主要是由于作物根際沉積碳提高微生物活性，促進微生物菌絲的生長，而且成熟期小麥衰老的根系含有多糖、蛋白質、木質素及被微生物分解產生的有機酸，這些都是土壤中重要的有機膠結物質，可以把土壤顆粒膠結成微團聚體，微團聚體進而膠結成大團聚體［6，7］。NPK，NPKM和NP處理增加＞2mm大團聚體和＜0.25mm的微團聚體的形成，2～1mm、1～0.5mm 和0.5 ～0.25mm 團聚減少。PK處理減少 ＞0.25mm大團聚體形成，增加 ＜0.25mm的微團聚體的形成。缺磷NK處理主要是增加＞2mm大團聚體分布，無肥CK處理對2～1mm團聚體和＜0.25mm的微團聚體粒組分布影響較小。以無肥處理CK為對照，NPK處理、NPKM處理和PK處理增加1～0.5mm級團聚體，減少2～1mm團聚體和＜0.25mm的微團聚體的形成，對＞2mm和0.5～0.25mm團聚體沒有影響;NP處理和NK處理增加＞2mm和1～0.5mm級團聚體的形成。平均重量直徑(MWD)是評價土壤團聚體穩定性的重要指標，6個處理土壤的MWD大小順序為:NK＞NP＞NPK＞CK＞NPKM＞PK(見圖1)。CK、NP和NK處理的根際沉積碳增加MWD，而PK處理則減少MWD，NPK處理和NPKM處理對MWD沒有影響。可見，施肥對土壤團聚體的穩定性及粒級分布有重要影響。

表2 水穩性團聚體粒級分布與平均重量直徑Tab.2 Distribution ofWater stable aggregates and average weight diameter

圖1 土壤和土體團聚體各粒級有機碳含量Fig.1 The content of organic carbon of aggregate respectively in soil

2.2 施肥對不同粒級團聚體根際沉積碳含量的影響

由圖2可知，根際沉積碳對土壤團聚體有機碳含量影響較大，土壤各粒級團聚體中有機碳的絕對含量顯著高于相對應土體團聚體粒級。NPKOM處理土壤的各級團聚體有機碳含量顯著高于其他施肥處理。隨著粒徑增加有機碳含量增加，其變化范圍為 28.3～34.8g·kg－1，遠高于NPKM處理土體團聚體有機碳含量，變化范疇為25.9～31.7g·kg－1。根際沉積碳對 NP、NK、PK 和 NPK 處理的影響與NPKM處理相一致，根際沉積碳增加土壤團聚體各粒級有機碳含量，這說明長期施用化肥可以使土壤各粒級團聚體有機碳含量增加。無肥CK處理，根際沉積碳增加＞1mm大團聚體和＜0.25mm微團聚體有機碳含量，對0.25～1mm團聚體有機碳含量影響較小，差異不顯著。與不施肥CK處理相比，施肥可以增加各粒級有機碳含量。說明無論是單施無機肥還是有機—無機配施均能增加土壤團聚體各粒級有機碳含量。

2.3 施肥對根際沉積碳量的影響

根際沉積碳量是培肥土壤地力，增加土壤有機碳儲量的重要來源。不同施肥處理耕層0～20cm土壤表層根際沉積碳有機碳量表現出NPKM＞NPK＞NP＞PK＞NK＞CK的趨勢。化肥配施有機肥NPKM處理與施化肥NPK處理間，NPK處理和缺素(NP、NK、PK)處理間根際沉積碳量之間均達到差異顯著，根際沉積碳量顯著增加，根際沉積碳量增加量分別為 1.80t·hm－2、1.37t·hm－2，增幅分別為22.3%、36.5%，這可能是由于當季作物為小麥，在8月份收獲，土壤樣品采集時間為10月份，小麥根系正好處在水熱同季的8月份進行根系腐解，故根際沉積碳量較大。缺素處理NP、NK和PK處理間差異不顯著了，這說明氮磷鉀三大營養元素共同影響根際沉積碳量，缺少任何一種營養元素，根際沉積碳沉積量都受到限制。

圖2 施肥對根際沉積碳的影響Fig.2 Effect of fertilization onrhizosphere deposited carbon

2.4 根際沉積碳在團聚體中分配

團聚體形成作用是土壤碳固定的最重要機制，土壤固碳作用除了團聚體粒級自身作用外，也取決于各粒級團聚體的組成比例［7］。根際沉積碳是連結植物、土壤和微生物的紐帶，在土壤團聚體粒級中分配比例受多種因素影響。施肥管理對根際沉積碳在團聚體中分配影響較大，由圖4可知，無肥處理 CK根際沉積碳主要分配到 ＞2mm，2～1mm大團聚體和＜0.25mm微團聚體中，而1～0.5mm和0.5～0.25mm粒級沒有根際沉積碳的進入。化肥NPK處理，53%根際沉積碳分配在2～1mm粒級中，9%分配在＜0.25mm的微團聚體中，14%分配在＞2mm的大團聚體中。與NPK處理相比，NPKM處理根際沉積碳在＞2mm團聚體中分配差異不顯著，均為14%，1～2mm和0.25～0.5mm粒級根際沉積碳分配比例分別減少11℅和9℅，反而0.5～1mm和＜0.25mm粒級分別增加10℅和9℅。缺素處理NP、NK、PK處理，根際沉積碳減少1～2mm粒級分配比例，分別為12℅、43℅、19℅，增加0.5～1mm粒級分別為5℅、28℅、10℅，同時對＜0.25mm粒級分別增加29℅、3℅、21℅，可見缺素促進根際沉積碳更傾向0.5～2mm大團聚體和＜0.25mm微團聚體中分配。

3 結論

長期施肥對作物根際沉積碳在土壤水穩性團聚體中分配影響較大，根際沉積碳主要增加＞2mm的團聚體的形成，減少0.25～0.5mm團聚體的形成。CK、NP和NK處理的根際沉積碳增加MWD，而PK處理則減少MWD，NPK處理和NPKM處理對MWD影響不顯著。長期施用化肥使土壤各粒級團聚體有機碳含量增加，不同施肥處理耕層0～20cm土壤表層根際沉積碳有機碳量表現出NPKM＞NPK＞NP＞PK＞NK＞CK的趨勢。CK處理根際沉積碳主要分配到＞2mm，2～1mm大團聚體和＜0.25mm微團聚體中，缺素促進根際沉積碳更傾向 0.5～2mm大團聚體和 ＜0.25mm微團聚體中分配。施用有機肥減少1～2mm和0.25～0.5mm粒級根際沉積碳分配比例，反而增加0.5～1mm和＜0.25mm粒級分配比例。

圖3 施肥對根際沉積碳在土壤團聚體各粒級分配的影響Fig.3 Effect of fertilization on distribution ofrhizosphere deposited carbon in aggregate respectively soil

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