謝鈞宇，彭 博，王仁杰，張樹(shù)蘭*，楊學(xué)云*

（1 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西太谷 030801；2 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌 712100）

土壤有機(jī)碳 (SOC) 對(duì)提升作物生產(chǎn)力具有重要作用，是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。增加農(nóng)田SOC固存能夠減緩大氣中溫室氣體濃度的升高[1]。因此，研究SOC的固存機(jī)制對(duì)于尋求或優(yōu)化農(nóng)田管理措施尤為重要。

長(zhǎng)期施有機(jī)肥或化肥對(duì)SOC儲(chǔ)量的影響受到了廣泛關(guān)注。研究結(jié)果表明，長(zhǎng)期施有機(jī)肥可顯著提高SOC儲(chǔ)量[2-4]，F(xiàn)an等[3]報(bào)道了連續(xù)20年單施有機(jī)肥和有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施均顯著提高潮土SOC儲(chǔ)量，增幅分別達(dá)135%和88.6%。然而關(guān)于長(zhǎng)期施用化肥對(duì)SOC儲(chǔ)量影響的研究結(jié)果并不一致。研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期施化肥能顯著提高SOC儲(chǔ)量[2-4]；Hua等[4]利用29年肥料定位試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，氮磷鉀 (NPK) 配施較不施肥顯著提高石灰性栗鈣土SOC儲(chǔ)量55.4%；但也有化肥對(duì)SOC儲(chǔ)量無(wú)顯著影響的報(bào)道[5-6]。這其中的機(jī)理并不清楚。

通常，SOC是由幾種具有不同的內(nèi)在降解性和分解速率的功能組分組成[7]，大致可分為活性SOC和穩(wěn)定性SOC。鑒于SOC的空間異質(zhì)性強(qiáng)，活性SOC組分的周轉(zhuǎn)速率較快，相對(duì)于SOC而言，活性SOC被認(rèn)為是評(píng)價(jià)農(nóng)田管理SOC變化更敏感的指標(biāo)[8]。為了更好地評(píng)價(jià)不同管理措施對(duì)SOC固存機(jī)制和穩(wěn)定性的影響，Six等[9-10]提出了團(tuán)聚體物理分組方法及其相對(duì)應(yīng)的碳概念模型，該方法將大團(tuán)聚體分為4個(gè)概念組分，分別是粗顆粒有機(jī)碳 (cPOC)、細(xì)顆粒有機(jī)碳 (fPOC)、大團(tuán)聚體中微團(tuán)聚體內(nèi)顆粒有機(jī)碳 (iPOC) 和礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳 (MOC)，認(rèn)為cPOC和fPOC組分是團(tuán)聚體之間未受保護(hù)的有機(jī)碳組分，活性SOC組分可以通過(guò)這兩個(gè)組分來(lái)表征；iPOC組分是受物理保護(hù)的有機(jī)碳組分，MOC組分受化學(xué)或生物化學(xué)保護(hù)。該方法主要被用來(lái)研究耕作方式的改變[11]和農(nóng)田管理措施 (如添加污泥或生物炭) 對(duì)各土壤有機(jī)碳組分含量的影響[12-13]，均得到了較一致的結(jié)果：iPOC組分對(duì)SOC的保護(hù)作用最大。國(guó)內(nèi)也有一些學(xué)者應(yīng)用該方法研究土壤有機(jī)碳組分的變化對(duì)土壤有機(jī)碳穩(wěn)定機(jī)制的影響[14-15]，特別是長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的研究較多[16-18]，但結(jié)論不盡相同。Tian等[16]利用35年有機(jī)肥和無(wú)機(jī)肥定位試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，施有機(jī)肥顯著增加潮土有機(jī)碳含量，使SOC優(yōu)先累積在MOC以及iPOC組分中。但Xu等[17]認(rèn)為cPOC組分是評(píng)價(jià)長(zhǎng)期施肥對(duì)棕壤有機(jī)碳固存影響的主要組分。而Yang等[18]在南方紅壤區(qū)研究發(fā)現(xiàn)，iPOC組分是旱地土壤碳固存的主要形式，而MOC組分是水田碳固存的主要形式。研究結(jié)果的不一致可能與施肥水平、施肥歷史、作物種植體系、土壤性質(zhì)以及氣候因素有關(guān)。因此，有必要對(duì)特定類(lèi)型的土壤有機(jī)碳固存機(jī)制進(jìn)行深入研究。

土是中國(guó)北方關(guān)中平原的重要土壤類(lèi)型，面積達(dá)97.6 × 104hm2[19]，占陜西省耕地面積的34.1%[20]。該區(qū)域人地矛盾日益突出，因此，尋求高效和合理的培肥模式，對(duì)于提升土壤肥力、維持農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。以往的研究表明，長(zhǎng)期施無(wú)機(jī)肥可以維持或提高 土有機(jī)碳含量[21]，而有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施能夠顯著提高 土有機(jī)碳含量[22]，但是這些結(jié)果并沒(méi)有從團(tuán)聚體的角度剖析長(zhǎng)期不同施肥 土有機(jī)碳的固存機(jī)制。因此，本研究以 土35年肥料定位試驗(yàn)為依托，利用物理分組方法，深入探討長(zhǎng)期不同施肥模式下土壤大團(tuán)聚體有機(jī)碳組分的變化特征，以期更好地理解 土有機(jī)碳的固存機(jī)制，同時(shí)為 土區(qū)建立合理的施肥模式提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于黃土高原南部的陜西省楊凌示范區(qū)三級(jí)階地 (N 34°17′51″、E 108°00′48″，海拔 534 m)，年平均氣溫13℃，年降水量550～600 mm。供試土壤為 土 (土墊旱耕人為土)，黃土母質(zhì)。試驗(yàn)開(kāi)始前0—20 cm土層SOC含量為6.52 g/kg、全氮(N) 為0.81 g/kg、全磷 (P) 為0.79 g/kg、有效磷(Olsen-P) 為15.0 mg/kg、交換性鉀 (K) 245 mg/kg (1.0 mol/L乙酸銨浸提)、土壤容重為1.30 g/cm3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)開(kāi)始于1980年夏，冬小麥-夏玉米一年兩熟制。小麥以小偃22號(hào)為主，玉米以陜單9號(hào)為主。試驗(yàn)為裂區(qū)設(shè)計(jì)，有機(jī)肥為主區(qū)，氮磷化肥配施為副區(qū)，小區(qū)面積為33.3 m2，試驗(yàn)共設(shè)9個(gè)處理，包括不施肥、單施低量化肥、單施高量化肥、單施低量有機(jī)肥、低量有機(jī)肥配施低量化肥、低量有機(jī)肥配施高量化肥、單施高量有機(jī)肥、高量有機(jī)肥配施低量化肥、高量有機(jī)肥配施高量化肥，每個(gè)處理重復(fù)3次。本研究選取其中的4個(gè)處理：不施肥 (CK)、單施高量化肥 (NP)、單施高量有機(jī)肥(M)、高量有機(jī)肥配施高量化肥 (MNP)。每季作物施一次氮、磷肥，1980年至1992年每季作物施一次有機(jī)肥。由于多年施用土糞導(dǎo)致小區(qū)高程增加影響灌溉，因此對(duì)有機(jī)肥施用量做了適當(dāng)調(diào)整。1987年至1990年有機(jī)肥施用量減半；1991年至1992年有機(jī)肥施用量減為四分之一；從1993年開(kāi)始，每年只在玉米季施入四分之一用量的有機(jī)肥 (表1)。2010年只種了一季玉米，從2010年開(kāi)始每年只在小麥播種前施有機(jī)肥，且有機(jī)肥按含氮量折合成相應(yīng)的牛糞施入。小麥播種前施入所有的化肥和有機(jī)肥；玉米則在約8葉期施肥。氮、磷肥第一年用尿素和普鈣，以后各年均用尿素和磷酸二銨，每年施入的有機(jī)肥 (農(nóng)家肥) 類(lèi)型也不同。1980年至1993年，施入的有機(jī)肥是墊土的豬糞，其中有機(jī)碳和全氮含量范圍分別是0.99%～4.02%和0.12%～0.51%[23]；1994年至2000年，施入的有機(jī)肥是豬糞、牛糞、雞糞以及干羊糞，其中有機(jī)碳含量分別為13.8%、10.4%、16.5%和33.6%，相應(yīng)的全氮含量分別為0.55%、0.38%、1.03%和2.01%[24]；2001年開(kāi)始，每年施入牛糞，其中的有機(jī)碳和全氮含量變幅分別是15.4%～44.0%和1.06%～2.90%。

表1 土長(zhǎng)期定位試驗(yàn)各處理施肥量Table 1 Rates of manure, N and P in treatments of long-term experiment

冬小麥于每年十月中旬播種，次年六月上旬收獲；接著播種夏玉米，九月下旬或十月上旬收獲。灌溉根據(jù)降雨情況而定，地下水灌溉，冬小麥生長(zhǎng)期內(nèi)灌溉0～2次，玉米為3～4次，每次灌水量為90 mm左右。

1.3 樣品采集與分析

于2015年10月夏玉米收獲前一天，用定制的取樣環(huán)刀 (高度為10 cm、直徑為10 cm) 分別采取0—10 cm和10—20 cm土層的原狀土，每個(gè)小區(qū)采集3個(gè)樣點(diǎn)，然后混合成1個(gè)樣品，小心地放入塑料袋中，再裝入硬紙盒中，運(yùn)輸過(guò)程中盡量避免對(duì)土樣的擾動(dòng)，以免破壞土壤結(jié)構(gòu)。將采集回來(lái)的原狀土樣在室內(nèi)沿自然結(jié)構(gòu)輕輕掰成 〈 1 cm的小土塊，過(guò)8 mm篩，剔除植物殘?bào)w和石塊等雜物，自然風(fēng)干，放于塑封袋中供團(tuán)聚體分級(jí)備用。

另外，玉米收獲后，在每個(gè)小區(qū)用土鉆 (高度為20 cm、內(nèi)徑約2.5 cm) 分別取0—10 cm和10—20 cm土層樣品6鉆混合，裝入塑料袋后帶回實(shí)驗(yàn)室，在陰涼通風(fēng)處自然風(fēng)干，人工去除植物殘?bào)w等雜物，研磨后過(guò)0.15 mm篩，密封在塑封袋中測(cè)定SOC含量。

水穩(wěn)性團(tuán)聚體的測(cè)定采用濕篩法[25]。土壤大團(tuán)聚體中各有機(jī)碳組分測(cè)定采用Six等[9-10]提出的濕篩與密度分組結(jié)合法，操作流程如圖1所示。

圖1 物理分組流程Fig. 1 Physical fractionation scheme

1.4 測(cè)定項(xiàng)目及方法

土壤有機(jī)碳含量及cPOC、iPOC和MOC含量采用重鉻酸鉀—容量法測(cè)定，fPOC含量用Vario MACRO cube元素分析儀 (德國(guó)哈瑙) 測(cè)定。

1.5 計(jì)算方法

土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量：

式中，SOC為0—20 cm土層土壤有機(jī)碳含量 (g/kg)；BD為土壤容重 (g/cm3)；H為土層深度 (0.20 m)。

本試驗(yàn)中土壤有機(jī)碳投入有兩個(gè)途徑：其一源于有機(jī)肥 (Cinput-manure)，即人畜糞尿肥；其二是作物生長(zhǎng)期間或收獲后通過(guò)根系和根茬殘留物輸入至土壤的有機(jī)碳 (Cinput-crop)。土壤有機(jī)碳投入量為二者之和。小麥、玉米碳投入按照小麥植株0.413 g/g，玉米0.4074 g/g進(jìn)行計(jì)算。以種植小麥為例，每年以作物殘茬形式投入到土壤中的碳含量計(jì)算公式為：式中，YB和YS分別是地上部生物量和秸稈產(chǎn)量；R為光合作用產(chǎn)物進(jìn)入地下比例，本試驗(yàn)按照小麥30%和玉米26%的地上部生物量的作物殘茬量進(jìn)行估算[26-27]；Dr為0—20 cm根系占地下部的比例，小麥 (75.3%) 和玉米 (85.1%)[28]；RS為留茬占秸稈的比例，小麥和玉米分別按10%和3%進(jìn)行估算。

土壤大團(tuán)聚體中各組分的有機(jī)碳含量為該組分有機(jī)碳含量與其質(zhì)量之乘積。

1.6 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)結(jié)果采用Excel和DPS7.05軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，不同處理間采用LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。采用簡(jiǎn)單線(xiàn)性關(guān)系 (y = ax + b) 來(lái)擬合土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量增量以及土壤大團(tuán)聚體各組分有機(jī)碳含量與累積碳投入量之間的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機(jī)碳固存

與對(duì)照 (CK) 相比，連續(xù)35年單施化肥 (NP) 對(duì)SOC儲(chǔ)量無(wú)顯著影響，而單施有機(jī)肥 (M) 和有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施 (MNP) 均顯著提高0—20 cm土層SOC儲(chǔ)量，分別是CK的1.45倍和1.43倍 (表2)。NP、M以及MNP處理累積碳投入量和年均碳投入量均顯著高于CK，增幅分別達(dá)120%～515%和115%～518%。SOC儲(chǔ)量增量與累積碳投入量呈顯著正相關(guān)(R2= 0.81，P〈 0.01) (表 2)。盡管施肥處理的累積碳投入量高于CK處理，但是相應(yīng)的SOC儲(chǔ)量增量相對(duì)較低，即所有施肥處理的固碳效率低于CK處理，這也就造成了投入到土壤中的碳大量損失。

2.2 長(zhǎng)期不同施肥大團(tuán)聚體中各有機(jī)碳組分分布

在0—10 cm和10—20 cm土層土壤中，各處理均以受化學(xué)或生物化學(xué)保護(hù)的游離態(tài)粉黏粒組分 (s +c_f) 分布比例最高，分布比例范圍分別介于39.8%～56.2%和38.0%～53.3%；其次是大團(tuán)聚體中的微團(tuán)聚體組分 (microaggregates occluded in macroaggregates，MOM)，分布比例范圍分別為40.7%～52.0%和42.1%～54.0%；而未受保護(hù)的粗顆粒有機(jī)碳組分 (cPOC) 分布比例最少，分別介于3.2%～8.8%和2.9%～8.6%。在MOM組分中，以受化學(xué)或生物化學(xué)保護(hù)的微團(tuán)聚體中粉黏粒組分 (s +c_m) 分布比例最高，在0—10 cm土層的變幅范圍為34.3%～45.6%，10—20 cm土層的變幅范圍為37.0%～48.1%；其次是受物理保護(hù)的大團(tuán)聚體中微團(tuán)聚體內(nèi)顆粒有機(jī)碳組分 (iPOC) (6.2%～9.0%和4.9%～5.7%)，而未受保護(hù)的細(xì)顆粒有機(jī)碳組分(fPOC) 分布比例最少，在0—10 cm土層僅占0.2%～0.7%，10—20 cm土層占0.2% (表3)。

表2 1980—2015年間表層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量、累積碳投入量、年均碳投入量和固碳效率Table 2 SOC storage, cumulative C input, annual C input and C sequestration efficiency of plough layer soils after 35-years’ fertilization

在0—10 cm土層，同CK相比，NP處理對(duì)cPOC、fPOC和iPOC組分的分布比例無(wú)顯著影響，但是M和MNP處理均顯著提高cPOC和iPOC組分的分布比例，增幅分別為145.0%～179.9%和37.8%～45.9%。而且MNP處理顯著提高fPOC組分的分布比例，是CK的3.5倍。另外，長(zhǎng)期施肥均顯著提高微團(tuán)聚體中粉黏粒組分的分布比例，增幅達(dá)18.1%～32.9%，卻顯著降低游離態(tài)粉黏粒組分的分布比例，降幅達(dá)21.7%～29.2%。

在10—20 cm土層，與CK相比，所有施肥處理均沒(méi)有顯著影響cPOC、fPOC和iPOC組分的分布比例，但均顯著提高微團(tuán)聚體中粉黏粒組分的分布比例，增幅達(dá)21.7%～30.2%，同時(shí)顯著降低游離態(tài)粉黏粒組分的分布比例，降幅達(dá)13.5%～28.7%。

2.3 長(zhǎng)期不同施肥大團(tuán)聚體中各組分的有機(jī)碳含量

總體來(lái)講， 土兩土層各處理間大團(tuán)聚體中各組分有機(jī)碳含量以iPOC或MOC組分最多，其次是cPOC組分，而fPOC組分最少 (圖2)。與SOC儲(chǔ)量變化趨勢(shì)相似，0—10 cm土層土壤大團(tuán)聚體中各組分的有機(jī)碳含量高于10—20 cm土層 (圖2)。

表3 長(zhǎng)期施肥0—10 cm和10—20 cm土層土壤大團(tuán)聚體中有機(jī)碳組分重量分布 (%，w/w)Table 3 Weight distribution of soil macroaggregate fractions in soils separated by physical fractionation at 0-10 cm and 10-20 cm layers in each treatment

與CK相比，施NP對(duì)兩土層大團(tuán)聚體中各組分的有機(jī)碳含量沒(méi)有顯著影響。施有機(jī)肥 (M和MNP)顯著提高各土層cPOC和iPOC含量，cPOC含量提高了174%～338% (0—10 cm) 和215%～245%(10—20 cm)，iPOC含量提高了127%～241% (0—10 cm) 和106%～130% (10—20 cm)。而且MNP處理還顯著提高0—10 cm土層fPOC含量 (482%)，M和MNP處理均顯著提高0—10 cm土層MOC含量，分別提高了34.6%和28.9%，但是M和MNP處理均對(duì)10—20 cm土層fPOC和MOC含量沒(méi)有顯著影響(圖 2)。

2.4 大團(tuán)聚體中各組分有機(jī)碳含量與累積碳投入量的關(guān)系

線(xiàn)性回歸顯示大團(tuán)聚體中各組分有機(jī)碳含量均與累積碳投入量呈顯著正相關(guān) (P〈 0.05) (圖3)，表明 土有機(jī)碳在各個(gè)團(tuán)聚體組分中均有固存。大團(tuán)聚體各組分中，回歸方程斜率最高的是iPOC組分(0.023)，其次是cPOC組分 (0.012)，而MOC組分(0.007) 和fPOC組分的斜率最低 (0.005)。說(shuō)明在 土上，有機(jī)碳固存的最高速率發(fā)生在iPOC組分中。

3 討論

3.1 長(zhǎng)期不同施肥對(duì)土壤有機(jī)碳固存的影響

肥料的施用是影響土壤有機(jī)碳庫(kù)的重要因素，不同的施肥措施對(duì)SOC的影響不同，尤其是有機(jī)肥的施用是調(diào)控SOC的重要措施之一[29]。本研究結(jié)果表明，相對(duì)不施肥而言，施化肥通過(guò)提高作物生物量以及殘茬歸還量，對(duì)SOC儲(chǔ)量無(wú)顯著影響，這與該區(qū)域另一個(gè)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的結(jié)果不盡相同[21]，可能是因?yàn)楸驹囼?yàn)長(zhǎng)期以來(lái)氮磷施用量較低，產(chǎn)量?jī)H可維持碳平衡。施有機(jī)肥為土壤提供了充足的碳源，從而直接增加SOC儲(chǔ)量。進(jìn)一步配施化肥對(duì)SOC儲(chǔ)量的增幅效果最好。SOC儲(chǔ)量增量與累積碳投入量呈線(xiàn)性相關(guān) (表2)，這與Kundu等[26]的研究結(jié)果相似，他們也發(fā)現(xiàn)在印度沙壤SOC含量的變化與總碳投入量之間存在顯著的線(xiàn)性關(guān)系 (R2= 0.988，P〈0.05)，表明本研究區(qū)域的土壤仍有較大的潛力固存有機(jī)碳。

圖2 長(zhǎng)期不同施肥0—10 cm和10—20 cm土層土壤大團(tuán)聚體中各組分有機(jī)碳含量Fig. 2 Organic C contents in macroaggregates fractions in soils of 0-10 cm and 10-20 cm depths in each treatment

圖3 長(zhǎng)期不同施肥處理耕層土壤大團(tuán)聚體中各組分有機(jī)碳含量與累積碳投入量的關(guān)系Fig. 3 Relationship between OC content of fractions isolated from macroaggregates in soils at 0-10 cm and 10-20 cm soil depths and cumulative C input under various long-term fertilization regimes

另外，本研究發(fā)現(xiàn)，不同處理間土壤固碳效率存在顯著差異，總體表現(xiàn)為CK處理的固碳效率最高 (12%)，其次是M處理 (11%)，而MNP處理 (8%)和NP處理 (7%) 的固碳效率最低。這一方面與各處理的碳投入量不同有關(guān)。不施肥 (CK) 條件下，SOC的來(lái)源主要是作物殘茬和根系歸還土壤，土壤養(yǎng)分供應(yīng)不均衡限制了作物生長(zhǎng)，導(dǎo)致碳投入數(shù)量較少。有機(jī)肥投入水平下 (M和MNP) 固碳效率較低可能是因?yàn)槌渥愕奶荚春宛B(yǎng)分投入為微生物的繁殖和活動(dòng)提供了良好的環(huán)境，導(dǎo)致很強(qiáng)的正激發(fā)效應(yīng)[30]。另一方面是因?yàn)橥寥缹?duì)不同碳源提供的碳固定能力不同[31]。研究表明來(lái)源于根系的有機(jī)碳易與土壤中的礦物顆粒相結(jié)合，從而受到保護(hù)，殘留于土壤中[32]。Mendez-Millan等[33]利用同位素技術(shù)研究植物根系和地上部的生物標(biāo)記物發(fā)現(xiàn)，與植物地上部比較，來(lái)源于根系的有機(jī)質(zhì)分子占土壤殘留有機(jī)質(zhì)的絕大多數(shù)。Halvorson等[34]研究發(fā)現(xiàn)，土壤對(duì)殘茬和根系提供的碳固定率為159%，而對(duì)有機(jī)肥提供的碳固定率為60%。同時(shí)也說(shuō)明根茬是導(dǎo)致SOC變化的主要碳源因素。在低養(yǎng)分供應(yīng)脅迫下，光合產(chǎn)物將優(yōu)先分配至根組織[35]。而根際分泌物的激發(fā)作用促進(jìn)土壤原有機(jī)碳的降解，因此根際分泌物激發(fā)作用造成的SOC損失可能會(huì)抵消分泌物對(duì)土壤的碳輸入[36]。此外，施化肥 (NP) 能增加微生物生物量、DOC和N有效性[37]，進(jìn)而加速SOC的分解。這也導(dǎo)致了該水平條件下土壤固碳效率最低。

此外，還與估算土壤碳投入的計(jì)算方法有關(guān)。通過(guò)根系和根茬投入土壤的有機(jī)碳可以根據(jù)它們與地上部生物量的比例來(lái)確定，但是該比例不僅與農(nóng)田管理措施有關(guān)，還受氣候條件變化的影響，因此具有年際間差異。有研究報(bào)道，該比值與產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)，即產(chǎn)量越高，根系和根茬占產(chǎn)量的比值就越小[5]。因此，不同的施肥條件下，采用相同的比例可能會(huì)過(guò)高或過(guò)低地估算土壤碳投入。本研究通過(guò)實(shí)地測(cè)定，小麥和玉米根茬量與地上部生物量比值分別采用0.30和0.26，與Kuzyakov等[38]根據(jù)同位素示蹤技術(shù)估算的小麥值相近，為0.32，但是高于Kong等[32]在估算碳投入時(shí)，小麥和玉米根茬量與地上部生物量的比值，分別為0.22和0.23，而低于Majumder等[39]在估算稻麥輪作體系中，小麥根茬量與地上部生物量的比值，分別是0.38和0.40。可以看出，碳投入的估算存在很多不確定性，因此會(huì)影響不同研究之間的有機(jī)碳固存效率。

3.2 長(zhǎng)期不同施肥對(duì)大團(tuán)聚體中各組分有機(jī)碳固存的影響

團(tuán)聚體中iPOC組分通常被認(rèn)為是利用物理保護(hù)機(jī)制通過(guò)團(tuán)聚體的閉蓄作用以阻止微生物分解SOC[9-10]。本研究表明，與CK相比，NP處理對(duì)兩土層大團(tuán)聚體中iPOC含量無(wú)顯著影響，但是施有機(jī)肥 (M以及MNP) 可以顯著提高iPOC含量 (圖2)。這與前人研究結(jié)果相似，長(zhǎng)期施有機(jī)肥可以顯著提高大團(tuán)聚體中iPOC儲(chǔ)量以及原土中iPOC含量[16,18,40-41]。因?yàn)榕cCK或NP處理相比，有機(jī)肥本身作為一種碳源，直接向土壤投入更多的碳，而且施有機(jī)肥通過(guò)提高作物產(chǎn)量[42]，進(jìn)而導(dǎo)致更多的作物殘茬和根系歸還到土壤中。另外，也有研究報(bào)道施有機(jī)肥能促進(jìn)大團(tuán)聚體中微團(tuán)聚體的形成，并加速了新的、更穩(wěn)定的iPOC累積于新形成的微團(tuán)聚體中[43-44]。Huang等[43]、Jiang等[40]和Liang等[45]研究證實(shí)，大團(tuán)聚體中iPOC組分是紅壤、潮土和灰漠土的主要固碳形式，可以作為評(píng)價(jià)長(zhǎng)期施肥對(duì)SOC固存的理想指標(biāo)。本研究還發(fā)現(xiàn)，與其它3個(gè)組分相比，iPOC含量與累積碳投入量之間呈極顯著正相關(guān) (圖3)，因此，iPOC是本研究所在區(qū)域的土壤上最主要的固碳形式，換言之，長(zhǎng)期施肥主要顯著增加了 土大團(tuán)聚體中受物理保護(hù)的組分有機(jī)碳儲(chǔ)量。

cPOC和fPOC組分構(gòu)成了一個(gè)未受保護(hù)的土壤有機(jī)碳庫(kù)，是微生物可直接利用的碳源，屬于高活性有機(jī)碳，對(duì)農(nóng)業(yè)措施響應(yīng)敏感[9-10]。本研究結(jié)果顯示，與CK相比，長(zhǎng)期施化肥對(duì)兩土層這2個(gè)組分的有機(jī)碳含量均無(wú)顯著影響，但M以及MNP處理顯著增加了cPOC含量，MNP處理顯著增加0—10 cm土層fPOC含量 (圖3)。Yu等[41]也報(bào)道施有機(jī)肥顯著增加大團(tuán)聚體中cPOC組分有機(jī)碳儲(chǔ)量，但施PK肥對(duì)它無(wú)顯著影響。另外，He等[8]和Tian等[16]也研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期施有機(jī)肥顯著增加棕壤、潮土和紅壤cPOC組分中有機(jī)碳含量。這說(shuō)明cPOC含量主要是通過(guò)有機(jī)肥中容易代謝的碳的正常供給而增加。

與本研究中施肥對(duì)fPOC含量的影響結(jié)果相似，Liang等[45]研究發(fā)現(xiàn)連續(xù)施有機(jī)肥或有機(jī)肥化肥配施(M、MN和MNPK) 均顯著提高潮土大團(tuán)聚體中fPOC含量，而施化肥 (N和NPK) 則無(wú)顯著影響。Tian等[16]及Yang等[18]也分別報(bào)道了長(zhǎng)期有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施顯著提高潮土和紅壤fPOC含量。Yang等[18]同時(shí)證實(shí)施化肥對(duì)紅壤fPOC含量無(wú)顯著影響。表明碳投入水平越高越有利于fPOC組分中有機(jī)碳含量的累積，而施化肥不能為該組分提供足夠的有機(jī)碳。Six等[9]指出cPOC和fPOC組分主要由作物根系殘茬、動(dòng)植物殘?bào)w、微生物，甚至是木炭組成。本研究所在區(qū)域的土壤上，未受保護(hù)的組分中有機(jī)碳含量之所以增加是因?yàn)殚L(zhǎng)期施有機(jī)肥不僅顯著提高作物產(chǎn)量[42]，進(jìn)而增加了作物根系、殘茬歸還量，而且有機(jī)肥施用直接提供了該組分。另外，結(jié)合cPOC和fPOC與累積碳投入量之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，cPOC+fPOC是本研究所在區(qū)域土壤的第二個(gè)重要的大團(tuán)聚體有機(jī)碳固存庫(kù)，與周萍等[46]報(bào)道的cPOC組分是棕壤上主要的碳庫(kù)不同。這種差異可能是因?yàn)楸狙芯康腸POC組分是從大團(tuán)聚體中獲得的，而周萍等[46]則是從原土中得到的。

惰性的礦質(zhì)結(jié)合有機(jī)碳 (MOC) 在 土大團(tuán)聚體各有機(jī)碳組分中含量最高，但只有有機(jī)肥處理顯著增加0—10 cm土層MOC儲(chǔ)量，而施化肥對(duì)0—10 cm和10—20 cm土層MOC儲(chǔ)量無(wú)顯著影響 (圖3)。一方面因?yàn)橛袡C(jī)肥中的多聚糖、脂肪酸及芳香族化合物與土壤礦物顆粒結(jié)合形成礦質(zhì)結(jié)合有機(jī)碳[47]；另一方面，有機(jī)肥作為外源碳，其歸還碳量顯著大于土壤本身礦化損失碳量。由于礦質(zhì)結(jié)合有機(jī)碳主要由腐殖質(zhì)組成[48]，因此化肥施用輸入的有機(jī)碳分解形成的腐殖質(zhì)可能還不足以顯著增加礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳。土壤中自由顆粒有機(jī)碳主要是新輸入的有機(jī)碳，它們分解后進(jìn)而向物理保護(hù)的有機(jī)碳轉(zhuǎn)化，最后成為腐殖化程度較高的礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳，相對(duì)穩(wěn)定地固存于土壤中[49]。另外，盡管在本研究中MOC儲(chǔ)量與累積碳投入量呈線(xiàn)性相關(guān)，但其決定系數(shù)僅為37%，而且當(dāng)累積碳投入量大于50 t/hm2時(shí)，MOC儲(chǔ)量大致保持不變 (圖3)。這在一定程度上也說(shuō)明MOC組分已經(jīng)接近飽和。也有一些研究報(bào)道，長(zhǎng)期施化肥對(duì)紅壤、黑土和潮土中MOC組分有機(jī)碳含量無(wú)顯著影響[8,50]，但是長(zhǎng)期施有機(jī)肥顯著增加MOC組分有機(jī)碳含量。前人研究報(bào)道粉黏粒組分中碳儲(chǔ)量是有限的，而且惰性碳庫(kù)對(duì)有機(jī)碳的保護(hù)能力與粉黏粒含量緊密相關(guān)[51]。因此，MOC組分對(duì)施肥措施的響應(yīng)主要依賴(lài)于初始SOC水平以及粉黏粒含量。這說(shuō)明在以上兩篇研究中，紅壤、黑土和潮土中MOC庫(kù)仍沒(méi)有達(dá)到最大值。

4 結(jié)論

1) 長(zhǎng)期施化肥對(duì) 土耕層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量無(wú)顯著影響，盡管其累積碳投入量顯著增加。而單施有機(jī)肥以及進(jìn)一步配施化肥均顯著提高了累積碳投入量及土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量。累積碳投入量與土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量呈正相關(guān)，表明供試 土仍可固存有機(jī)碳。

2) 長(zhǎng)期施化肥對(duì)大團(tuán)聚體中各組分的有機(jī)碳含量無(wú)顯著影響。單施有機(jī)肥以及進(jìn)一步配施化肥后均顯著提高粗顆粒有機(jī)碳組分 (cPOC) 和大團(tuán)聚體中微團(tuán)聚體內(nèi)的顆粒有機(jī)碳組分 (iPOC) 的有機(jī)碳含量，且以有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施效果更顯著。長(zhǎng)期有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施顯著提高0—10 cm土層細(xì)顆粒有機(jī)碳組分(fPOC) 的有機(jī)碳含量。長(zhǎng)期單施有機(jī)肥以及進(jìn)一步配施化肥均顯著提高0—10 cm土層礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳組分 (MOC) 的有機(jī)碳含量。受物理保護(hù)的有機(jī)碳組分 (iPOC) 與累積碳投入量之間呈極顯著正相關(guān)，表明 土有機(jī)碳首先累積在大團(tuán)聚體中微團(tuán)聚體內(nèi)的顆粒有機(jī)碳組分中。