王開(kāi)勇，郭巖彬，孟凡喬，陳 竹，焦子偉，吳文良

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 資環(huán)學(xué)院，北京100193；2.石河子大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，新疆 石河子832003）

農(nóng)業(yè)管理模式對(duì)土壤碳氮資源的變化產(chǎn)生深刻影響。管理措施不當(dāng)，不僅會(huì)加劇土壤碳氮損失，而且土壤質(zhì)量退化后恢復(fù)困難。團(tuán)聚體是土壤最基本的物質(zhì)和功能單元，是土壤碳、氮等養(yǎng)分穩(wěn)定和保護(hù)的載體，其結(jié)構(gòu)和組成對(duì)土壤物理化學(xué)過(guò)程具有重要意義［1］。土壤團(tuán)聚體的物理保護(hù)可減緩?fù)寥烙袡C(jī)質(zhì)的分解，大團(tuán)聚體的轉(zhuǎn)換速率與土壤有機(jī)碳庫(kù)密切相關(guān)［2］。Jastrow等［3］研究表明土壤碳氮穩(wěn)定性和數(shù)量變化與土壤有機(jī)質(zhì)、動(dòng)植物、初級(jí)團(tuán)聚體形成等密切相關(guān)。土壤團(tuán)聚體粒徑和穩(wěn)定性變化可以指示土壤質(zhì)量變化，是土壤管理綜合作用的結(jié)果。目前，有關(guān)有機(jī)農(nóng)作土壤的研究多注重土壤化學(xué)質(zhì)量指標(biāo)，而有關(guān)土壤團(tuán)聚體及碳氮儲(chǔ)量的研究報(bào)道較少。本研究選擇伊犁河谷鞏乃斯河流域長(zhǎng)期種植作物大豆農(nóng)田生產(chǎn)區(qū)，利用土壤物理分組技術(shù)，研究土壤團(tuán)聚體及碳氮對(duì)農(nóng)業(yè)管理措施的響應(yīng)。通過(guò)比較常規(guī)農(nóng)作方式轉(zhuǎn)換為有機(jī)農(nóng)作方式后土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性及碳氮儲(chǔ)量的變化，揭示農(nóng)作方式對(duì)土壤碳匯效應(yīng)的影響，為區(qū)域土壤碳氮資源持續(xù)利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

田間試驗(yàn)地位于新疆維吾爾自治區(qū)伊犁自治州新源縣別斯托克鄉(xiāng)7大隊(duì)，其地理坐標(biāo)為43°27′N(xiāo)，83°17′E，海拔高度900m，面積3.5hm2。伊犁河流域支流鞏乃斯河流域下游平原區(qū)屬北溫帶大陸性半干旱氣候，四季明顯，冬暖夏涼，年均氣溫8.1℃，年均降水480mm，適合種植大豆、玉米、甜菜、亞麻、小麥、玉米等作物，田間土壤類(lèi)型為黑鈣土。2008年，該田間試驗(yàn)區(qū)開(kāi)始準(zhǔn)備中國(guó)和歐盟有機(jī)認(rèn)證工作，2010年有機(jī)轉(zhuǎn)換期結(jié)束，通過(guò)認(rèn)證。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)以有機(jī)大豆為主，玉米為輪作作物，田間作物管理按照有機(jī)大豆種植技術(shù)規(guī)程要求進(jìn)行。生育期內(nèi)澆水2次，分別在6月和8月。大豆于2010年4月24日播種；5月上旬出苗；6月中下旬至7月中下旬為開(kāi)花期；8月為鼓粒灌漿期；9月為成熟期。品種為94-9B，生育期為120d。有機(jī)大豆農(nóng)田（OF）種植面積1.73hm2，大豆和玉米各占一半（0.87hm2）；常規(guī)大豆農(nóng)田（CF）0.8hm2，大豆和玉米各占一半（0.4hm2）。試驗(yàn)僅以大豆農(nóng)田研究為主，設(shè)置常規(guī)農(nóng)作大豆（CF）和有機(jī)農(nóng)作大豆（OF）兩個(gè)處理。為了獲得測(cè)定團(tuán)聚體分布的原狀土樣，先挖一個(gè)采樣坑（30cm寬，45cm深），然后在0—20cm土層采集大小一致的原狀土樣（長(zhǎng)×寬×高＝20cm×10cm×10cm），同時(shí)測(cè)定土壤容重。每個(gè)處理采3個(gè)原狀土樣，裝入方形塑料盒，小心運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，立刻將土樣過(guò)8mm土篩，較大的土塊沿著自然裂隙輕輕破碎，最后風(fēng)干土樣，以便進(jìn)行土壤團(tuán)聚體及穩(wěn)定性分析。

1.3 研究方法

1.3.1 土壤團(tuán)聚體及微團(tuán)聚體組成 土壤團(tuán)聚體分離采用濕篩法［4］：將2，0.25，0.053mm 各級(jí)套篩放在盛有去離子水的圓筒中，當(dāng)整套篩子處于最下端時(shí)，最上層篩子的上邊緣保持低于水面。然后將100.0g的風(fēng)干土樣置于最上層的2mm的篩子上，浸泡5min，然后使機(jī)器上下垂直運(yùn)動(dòng)2min，機(jī)械參數(shù)為垂直頻率40次／min，振幅約5cm，2min后將2mm篩子上的團(tuán)聚體收集到鋁盒里，然后重復(fù)濕篩小于2mm的顆粒，2min后收集0.25mm篩子上的土粒，直至0.053mm篩子上面的土粒全部收集完畢。所有的團(tuán)聚體組分在60℃下烘48h后稱(chēng)重，密封備用。根據(jù)粒級(jí)大小可以將團(tuán)聚體分為以下4級(jí)：＞2，0.25～2，0.053～0.25，＜0.053mm。

較大小團(tuán)聚體（0.25～2mm）分離采用超聲波分離法：將上述分離的較小的0.25～2mm大團(tuán)聚體土壤置于盛有500ml去離子水的燒杯中，在超聲清洗槽中用21.5Hz，300mA超聲分散30min，用尼龍濕篩法分離0.25～2，0.053～0.25和＜0.053mm 顆粒有機(jī)質(zhì)，收集于已知重量的鋁盒中，分離出的樣品在烘箱中60℃下烘48h后稱(chēng)重，密封備用。由于0.25～2mm顆粒有機(jī)質(zhì)樣品比重極小，因此將0.25～2和0.053～0.25mm顆粒有機(jī)質(zhì)樣品合并，記為0.053～2mm顆粒有機(jī)質(zhì)。

團(tuán)聚體穩(wěn)定性用平均當(dāng)量直徑（mean weight diameter，MWD）表示［5］：

式中：ˉXi——第i個(gè)粒級(jí)的平均孔徑（mm），即篩分該粒級(jí)前后2個(gè)篩子孔徑的均值；Wi——第i個(gè)粒級(jí)團(tuán)聚體質(zhì)量百分比（%）；i——4個(gè)不同粒級(jí)（＜0.053，0.053～0.25，0.25～2和＞2mm）。

1.3.2 土壤碳氮含量分析 土壤有機(jī)碳和全氮采用碳氮分析儀測(cè)定（Elementar V analyzer，德國(guó)）。土壤及團(tuán)聚體中有機(jī)碳（TOC）和全氮（TN）分析具體步驟：取風(fēng)干土樣3～5g置于離心管中，加入0.5mol／L的HCl溶液20ml（根據(jù)樣品含碳酸鹽的多少可調(diào)整HCl溶液的濃度或體積），用手充分搖勻，震蕩1h后靜置過(guò)夜。第2d去上清液，并加入去離子水離心3min（3 000rpm），直至上清液為中性為止。將樣品在60℃下烘干至恒重研磨過(guò)0.15mm篩，并于105℃下烘干2h后裝于自封袋中備用［6］。土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量（SOCdensity，kg／m2）和全氮儲(chǔ)量（TNdensity，kg／m2）計(jì)算方法［7］：

式中：SOCij，TNij——不同粒級(jí)土壤有機(jī)碳或全氮含量（g／kg）；βj——容重（g／cm3）；Hj——第i層的土壤深度（mm）。土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理與分析 用Excel 2003進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理與圖表制作，用SPSS 17.0for Windows進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤團(tuán)聚體組成及穩(wěn)定性

團(tuán)聚體在常規(guī)與有機(jī)農(nóng)作大豆田土壤中的分布較為相似（圖1）。以＜0.053mm粉粒加黏粒所占組成較大，介于45.4%～61.8%；其次是0.25～2mm較小的大團(tuán)聚體和0.053～0.25mm較小團(tuán)聚體，分別為21.4% ～30.2%和14.5% ～ 24.2%；2～8mm大團(tuán)聚體所占組成最小，介于0.9% ～1.1%。與常規(guī)農(nóng)作大豆田土壤相比，有機(jī)農(nóng)作大豆田土壤除＜0.053mm顆粒在有機(jī)耕作中所占組成減少了18.7%（p＜0.05）外，其他類(lèi)型團(tuán)聚體均有不同程度的增加，其中0.053～0.25mm較小團(tuán)聚體所占組成增加最為明顯（48.9%，p＜0.05）。常規(guī)與有機(jī)農(nóng)作大豆土壤的優(yōu)勢(shì)團(tuán)聚體均為＜0.053mm顆粒。

圖1 常規(guī)（CF）與有機(jī)（OF）農(nóng)作大豆田土壤團(tuán)聚體的分布

基于團(tuán)聚體大小分布的數(shù)據(jù)計(jì)算土壤平均當(dāng)量直徑（MWD）可描述土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。常規(guī)農(nóng)作大豆轉(zhuǎn)化為有機(jī)農(nóng)作大豆后土壤MWD的數(shù)值未達(dá)到顯著影響（p＞0.05），有機(jī)農(nóng)作大豆（1.125±0.015）比常規(guī)農(nóng)作大豆（1.050±0.020）高19.0%。

2.2 包被于大團(tuán)聚體內(nèi)的微團(tuán)聚體分布

對(duì)較小的大團(tuán)聚體（0.25～2mm）的微團(tuán)聚體進(jìn)一步分離后得到＜0.053，0.053～2mm這2種顆粒有機(jī)質(zhì)。結(jié)果表明，較小的大團(tuán)聚體（0.25～2mm）內(nèi)，以＜0.053mm細(xì)顆粒有機(jī)質(zhì)所占比例較大，達(dá)到86.9%～92.9%，0.053～2mm粗顆粒有機(jī)質(zhì)僅占7.1%～13.1%。常規(guī)與有機(jī)農(nóng)作大豆較小的大團(tuán)聚體內(nèi)的2種顆粒表現(xiàn)各異，其中常規(guī)農(nóng)作大豆田土壤中＜0.053mm細(xì)顆粒有機(jī)質(zhì)比有機(jī)農(nóng)作大豆百分比高6.4%（p＜0.01），而有機(jī)農(nóng)作大豆田土壤0.053～2mm粗顆粒有機(jī)質(zhì)百分比較常規(guī)農(nóng)作大豆高77.6%（p＜0.01）。

2.3 耕層土壤及團(tuán)聚體中碳氮含量

常規(guī)與有機(jī)農(nóng)作大豆0—20cm土壤有機(jī)碳含量分別為17.21和19.51g／kg（p＜0.05），全氮含量分別為1.79和2.00g／kg（p＜0.05）。與常規(guī)農(nóng)作大豆相比，有機(jī)農(nóng)作大豆土壤各顆粒中有機(jī)碳和全氮含量均呈現(xiàn)不同程度的增加（圖2—3），其中有機(jī)碳和全氮含量在＜0.053，0.053～0.25，0.25～2和2～8mm顆粒中的分別增加了14.0%，12.0%，14.4%，24.1%和11.7%，9.4%，9.5%，17.0%。

圖2 常規(guī)（CF）與有機(jī)（OF）農(nóng)作大豆田土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量

圖3 常規(guī)（CF）與有機(jī)（OF）農(nóng)作大豆田土壤團(tuán)聚體中全氮含量

2.4 包被于大團(tuán)聚體內(nèi)微團(tuán)聚體中碳氮含量

常規(guī)與有機(jī)農(nóng)作大豆田土壤有機(jī)碳和全氮含量在較小的大團(tuán)聚體（0.25～2mm）內(nèi)的微團(tuán)聚體中表現(xiàn)各異（表1）。與常規(guī)農(nóng)作大豆土壤相比，有機(jī)農(nóng)作大豆田土壤＜0.053mm細(xì)顆粒有機(jī)質(zhì)中的有機(jī)碳和全氮含量分別增加了14.0%和13.8%（p＜0.01），0.053～2mm粗顆粒有機(jī)質(zhì)中的有機(jī)碳和全氮含量分別增加了23.1%和19.4%（p＜0.01）。

2.5 土壤及團(tuán)聚體中碳氮儲(chǔ)量

常規(guī)與有機(jī)農(nóng)作大豆田土壤碳氮儲(chǔ)量在土壤及團(tuán)聚體中表現(xiàn)各異（表2）。常規(guī)與有機(jī)農(nóng)作大豆田0—20cm土壤有機(jī)碳和全氮儲(chǔ)量分別為4.67±0.046，5.603±0.055，和 0.455±0.024，0.575±0.023kg／m2，常規(guī)農(nóng)作大豆田土壤有機(jī)碳和全氮儲(chǔ)量顯著低于有機(jī)農(nóng)作大豆田土壤20.0%和18.5%（p＜0.01）。對(duì)于土壤團(tuán)聚體而言，除2～8mm大團(tuán)聚體全氮儲(chǔ)量，其他團(tuán)聚體有機(jī)碳和全氮儲(chǔ)量常規(guī)農(nóng)作大豆均顯著低于有機(jī)農(nóng)作大豆（p＜0.01）。常規(guī)與有機(jī)農(nóng)作大豆土壤有機(jī)碳和全氮儲(chǔ)量在＜0.053粉粒加黏粒中最高，2～8mm大團(tuán)聚體中最低。＜0.053，0.053～0.25，0.25～2，2～8mm團(tuán)聚體中有機(jī)碳儲(chǔ)量有機(jī)農(nóng)作比常規(guī)農(nóng)作大豆依次高20.7%，18.5%，21.0%，31.3%，全氮儲(chǔ)量依次高18.2%，15.8%，15.8%，23.8%。

表1 包被于大團(tuán)聚體（0.25～2mm）內(nèi)的微團(tuán)聚體碳氮含量

表2 常規(guī)與有機(jī)農(nóng)作大豆田土壤團(tuán)聚體中碳氮儲(chǔ)量

2.6 討 論

2.6.1 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性與碳氮儲(chǔ)量 常規(guī)農(nóng)作大豆轉(zhuǎn)換為有機(jī)農(nóng)作大豆后，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性增加，有利于增加土壤碳氮儲(chǔ)量。（1）有機(jī)農(nóng)作大豆田土壤＜0.053mm粉粒加黏粒百分比顯著減少，0.053～0.25mm較小團(tuán)聚體比重顯著增加，包被于較小的大團(tuán)聚體中0.053～2mm粗顆粒有機(jī)質(zhì)百分比也顯著增加，表明有機(jī)農(nóng)作方式促進(jìn)了土壤團(tuán)聚作用。（2）有機(jī)農(nóng)作大豆田土壤團(tuán)聚體中碳氮含量增加，表明土壤團(tuán)聚作用增強(qiáng)了土壤碳氮固持能力。（3）有機(jī)農(nóng)作大豆田土壤及團(tuán)聚體中的碳氮儲(chǔ)量與碳氮含量變化規(guī)律基本相同，表明有機(jī)農(nóng)作有利于土壤碳匯和氮匯效應(yīng)。徐陽(yáng)春等［8］研究也指出長(zhǎng)期施有機(jī)肥后土壤各粒級(jí)復(fù)合體中C，N含量都增加。這是由于施用有機(jī)肥可改變土壤結(jié)構(gòu)，增加團(tuán)聚體穩(wěn)定性［9］。Shukla等［10］指出不同耕作模式下土壤通氣性和團(tuán)聚性是影響土壤有機(jī)碳變化的主要因素。耕作土壤中年輕的有機(jī)質(zhì)對(duì)大團(tuán)聚體穩(wěn)定性起重要作用，年輕的有機(jī)碳通過(guò)團(tuán)聚體的破壞和重新形成又分布到不同粒級(jí)中［11］。耕作以后，有機(jī)礦質(zhì)復(fù)合體破壞，團(tuán)聚體破壞以后，原來(lái)被隔絕的有機(jī)質(zhì)釋放出來(lái)，這種解團(tuán)聚作用使有機(jī)碳在更細(xì)、更輕的顆粒中累積［12］。土壤管理措施影響的結(jié)果首先體現(xiàn)在大團(tuán)聚體級(jí)別上，微團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳則維持在較穩(wěn)定水平上［13］。但有機(jī)農(nóng)作大豆僅3a，土壤碳氮含量仍存在很大的變異性，因此，研究?jī)H說(shuō)明有機(jī)農(nóng)作方式可能更有利于土壤團(tuán)聚體形成及有機(jī)碳的積累。

2.6.2 不同農(nóng)作方式對(duì)土壤碳氮的固持機(jī)制不同農(nóng)作方式不同其具體管理措施也不同，對(duì)土壤碳氮的固持機(jī)制也不同。首先，常規(guī)與有機(jī)農(nóng)作土壤及團(tuán)聚體的碳氮比介于9.1～9.9，變化不大，但與常規(guī)農(nóng)作大豆田相比，土壤及團(tuán)聚體碳氮含量變化量的碳氮比介于9.4～13.8，碳氮比有所增大。以0.25～2mm較小的大團(tuán)聚體最大，包被于較小的大團(tuán)聚體中0.053～2mm粗顆粒有機(jī)質(zhì)最小，說(shuō)明0.25～2mm較小的大團(tuán)聚體已開(kāi)始土壤有機(jī)碳累積，但包被于較小的大團(tuán)聚體中0.053～2mm粗顆粒有機(jī)質(zhì)中土壤有機(jī)碳并沒(méi)有更新增加。Elliott［14］指出大團(tuán)聚體（高C∶N比）比小團(tuán)聚體含有更新更多的不穩(wěn)定碳。其次，施用化肥和有機(jī)肥后土壤可利用的碳氮資源不同，有機(jī)農(nóng)作方式施用有機(jī)肥不僅改變了土壤的碳氮比，還影響了土壤微生物活性。土壤碳氮比降低，微生物在氮源充足的情況下，需要更多有機(jī)碳才能維持活性，因而會(huì)加快土壤有機(jī)碳的分解礦化［15］，常規(guī)農(nóng)作方式施用化肥無(wú)法維持土壤有機(jī)質(zhì)的活性，有機(jī)碳儲(chǔ)量下降。雖然試驗(yàn)未測(cè)定土壤微生物活性，但有機(jī)農(nóng)作土壤團(tuán)聚體中碳氮含量增加，已說(shuō)明施用化肥和有機(jī)肥影響了土壤碳氮的固持能力。

3 結(jié)論

有機(jī)農(nóng)作大豆土壤穩(wěn)定性增加，團(tuán)聚體中碳氮含量顯著增加，土壤碳匯效應(yīng)增強(qiáng)，有機(jī)農(nóng)作方式可能比常規(guī)農(nóng)作方式更有利于土壤碳氮資源持續(xù)利用。常規(guī)農(nóng)作大豆經(jīng)過(guò)3a轉(zhuǎn)換為有機(jī)農(nóng)作大豆，雖然時(shí)間短，但土壤團(tuán)聚體及碳氮儲(chǔ)量特征對(duì)有機(jī)農(nóng)作管理方式響應(yīng)敏感，有機(jī)農(nóng)作方式不僅提升了土壤有機(jī)質(zhì)水平，而且固定了更多的有機(jī)碳，有利于農(nóng)業(yè)固碳和減排溫室氣體。

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