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Distribution and enrichment characteristics of organic carbon and total nitrogen in mollisols under long-term fertilization.

长期施肥条件下黑土有机碳、氮组分的分配与富集特征


研究不同管理措施下黑土有机碳、氮组分的变化特征是深刻认识和理解黑土固碳的基础.本文以黑龙江省农业科学院31年的长期定位试验为基础,采用物理分组法对土壤不同粒径颗粒进行分离,分析6种不同施肥处理31年后,黑土表层(0~20 cm)及亚表层(20~40 cm)土壤有机碳、氮在粗砂粒、细砂粒、粉粒及黏粒中的分配与富集特征.结果表明: 长期施用有机肥可显著提高土壤有机碳、全氮在粗砂粒和黏粒中的分配比例.在表层土壤,有机无机配施(NPKM)处理下粗砂粒有机碳和全氮的分配比例比对照分别提高191.3%和179.3%,单施有机肥(M)处理下黏粒组分的有机碳和全氮的分配比例分别提高45%和47%.亚表层土壤施用有机肥处理各粒级有机碳、氮含量的提高比例低于表层土壤.在表层和亚表层的粉粒组分中,贮存的有机碳占总储量的42%~63%和48%~54%,全氮占总储量的34%~59%和41%~47%.表层土壤施用有机肥可显著增加粗砂粒中有机碳、氮的富集系数,其中有机肥配施化肥(NPKM)处理富集系数最高(2.30和1.88),而黏粒组分的有机碳、氮富集系数对长期施肥无响应.

 

The characteristics and changes of soil organic carbon (SOC) and total nitrogen (TN) in different size particles of soil under different agricultural practices are the basis for better understanding soil carbon sequestration of mollisols. Based on a 31-year long-term field experiment located at the Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences (Harbin), soil samples under six treatments were separated by sizefractionation method to explore changes and distribution of SOC and TN in coarse sand, fine sand, silt and clay from the top layer (0-20 cm) and subsurface layer (20-40 cm). Results showed that long-term application of manure (M) increased the percentages of SOC and TN in coarse sand and clay size fractions. In the top layer, application of nitrogen, phosphorus and potassium fertilizers combined with manure (NPKM) increased the percentages of SOC and TN in coarse sand by 191.3% and 179.3% compared with the control (CK), whereas M application increased the percentages of SOC and TN in clay by 45% and 47% respectively. For subsurface layers, the increase rates of SOC and TN in corresponding parts were lower than that in top layer. In the surface and subsurface layers, the percentages of SOC storage in silt size fraction accounted for 42%-63% and 48%-54%, TN storage accounted for 34%-59% and 41%-47%, respectively. The enrichment factors of SOC and TN in coarse sand and clay fractions of surface layers increased significantly under the treatments with manure. The SOC and TN enrichment factors were highest in the NPKM, being 2.30 and 1.88, respectively, while that in the clay fraction changed little in the subsurface layer.


全 文 :长期施肥条件下黑土有机碳、氮组分的
分配与富集特征∗
徐香茹1,2  骆  坤2  周宝库3  汪景宽1  张文菊2∗∗  徐明岗2
( 1沈阳农业大学土地与环境学院, 沈阳 110161; 2中国农业科学院农业资源与农业区划研究所, 北京 100081; 3黑龙江省农业
科学院土壤肥料与环境资源研究所, 哈尔滨 150086)
摘  要  研究不同管理措施下黑土有机碳、氮组分的变化特征是深刻认识和理解黑土固碳的
基础.本文以黑龙江省农业科学院 31年的长期定位试验为基础,采用物理分组法对土壤不同
粒径颗粒进行分离,分析 6 种不同施肥处理 31 年后,黑土表层(0 ~ 20 cm)及亚表层(20 ~
40 cm)土壤有机碳、氮在粗砂粒、细砂粒、粉粒及黏粒中的分配与富集特征.结果表明: 长期施
用有机肥可显著提高土壤有机碳、全氮在粗砂粒和黏粒中的分配比例.在表层土壤,有机无机
配施(NPKM)处理下粗砂粒有机碳和全氮的分配比例比对照分别提高 191.3%和 179.3%,单
施有机肥(M)处理下黏粒组分的有机碳和全氮的分配比例分别提高 45%和 47%.亚表层土壤
施用有机肥处理各粒级有机碳、氮含量的提高比例低于表层土壤.在表层和亚表层的粉粒组
分中,贮存的有机碳占总储量的 42% ~ 63%和 48% ~ 54%,全氮占总储量的 34% ~ 59%和
41%~47%.表层土壤施用有机肥可显著增加粗砂粒中有机碳、氮的富集系数,其中有机肥配
施化肥(NPKM)处理富集系数最高(2.30 和 1.88),而黏粒组分的有机碳、氮富集系数对长期
施肥无响应.
关键词  黑土; 长期施肥; 有机碳; 土壤颗粒; 富集系数
∗国家自然科学基金面上项目(41371247)和公益性行业(农业)科研专项(201303126,201203030)资助.
∗∗通讯作者. E⁃mail: zhangwenju01@ caas.cn
2014⁃08⁃01收稿,2015⁃05⁃21接受.
文章编号  1001-9332(2015)07-1961-08  中图分类号  S153  文献标识码  A
Distribution and enrichment characteristics of organic carbon and total nitrogen in mollisols
under long⁃term fertilization. XU Xiang⁃ru1,2, LUO Kun2, ZHOU Bao⁃ku3, WANG Jing⁃kuan1,
ZHANG Wen⁃ju2, XU Ming⁃gang2 ( 1College of Land and Environment, Shenyang Agricultural Uni⁃
versity, Shenyang 110161, China; 2Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chi⁃
nese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China; 3Institute of Soil Fertilizer and
Environment Resources, Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences, Harbin 150086, China) .
⁃Chin. J. Appl. Ecol., 2015, 26(7): 1961-1968.
Abstract: The characteristics and changes of soil organic carbon (SOC) and total nitrogen (TN) in
different size particles of soil under different agricultural practices are the basis for better under⁃
standing soil carbon sequestration of mollisols. Based on a 31⁃year long⁃term field experiment loca⁃
ted at the Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences (Harbin), soil samples under six treat⁃
ments were separated by size⁃fractionation method to explore changes and distribution of SOC and
TN in coarse sand, fine sand, silt and clay from the top layer (0-20 cm) and subsurface layer
(20-40 cm). Results showed that long⁃term application of manure (M) increased the percentages
of SOC and TN in coarse sand and clay size fractions. In the top layer, application of nitrogen,
phosphorus and potassium fertilizers combined with manure (NPKM) increased the percentages of
SOC and TN in coarse sand by 191.3% and 179.3% compared with the control (CK), whereas M
application increased the percentages of SOC and TN in clay by 45% and 47% respectively. For
subsurface layers, the increase rates of SOC and TN in corresponding parts were lower than that in
top layer. In the surface and subsurface layers, the percentages of SOC storage in silt size fraction
应 用 生 态 学 报  2015年 7月  第 26卷  第 7期                                                         
Chinese Journal of Applied Ecology, Jul. 2015, 26(7): 1961-1968
accounted for 42%-63% and 48%-54%, TN storage accounted for 34%-59% and 41%-47%,
respectively. The enrichment factors of SOC and TN in coarse sand and clay fractions of surface
layers increased significantly under the treatments with manure. The SOC and TN enrichment factors
were highest in the NPKM, being 2. 30 and 1. 88, respectively, while that in the clay fraction
changed little in the subsurface layer.
Key words: mollisols; long⁃term fertilization; soil organic carbon; soil particles; enrichment fac⁃
tor.
    东北黑土区是世界三大黑土带之一,是我国重
要的粮食生产基地,对保障国家的粮食安全发挥着
重要的作用[1] .黑土自开垦以后,不合理的农业管理
措施导致了黑土有机质的下降,不仅影响了黑土的
肥力和生产能力,也严重影响了该区域农业的可持
续发展,因此,探索合理的施肥与管理方式对黑土的
可持续利用具有重要意义[2] .由于土壤有机质的变
化是一个相当缓慢的过程,对土壤有机质(碳、氮)
数量的研究不足以反映农业管理措施对土壤质量的
影响,且土壤中约有 50% ~ 100%的有机碳、氮是与
土壤颗粒相结合的.因此,土壤颗粒有机碳的特征可
作为评价土壤有机碳长期变化的累积性指标[3-4] .
土壤中与不同粒径颗粒相结合的有机碳组分在
分解特性、结构与功能方面差异较大,对农业管理措
施(如耕作、轮作和施肥等)的响应也有所差异[5] .
Parham等[3]和 Wu等[6]的研究结果均表明,施用有
机肥能显著增加土壤各粒级颗粒有机碳含量,而施
化肥(特别是单施氮肥)则影响较小.有研究者发现,
不同施肥措施均显著提高了砂粒有机碳含量及其比
例,碳的富集系数升高[7-8] .而 Christensen[9]的研究
则认为,土壤氮主要分配在黏粒中,在粉粒中分配较
少.目前,有关黑土有机质分组方面的研究大部分集
中在表层土壤(0 ~ 20 cm),而随着深耕技术的推广
和应用,表层及表层以下的土壤有机碳、氮的变化也
越来越受到关注.如骆坤等[10]研究表明,有机肥的
施入显著提高了表层土壤有机碳 ( SOC)和全氮
(TN)含量,其中以有机无机配施处理最显著,但亚
表层土壤 SOC和 TN含量对施肥无响应.然而,不同
施肥模式对表层及下层土壤组分的影响机制尚不清
楚.因此,本文以东北黑土区典型农田长期定位试验
为基础,采用颗粒分组技术对长期不同施肥条件下
黑土表层及亚表层土壤有机碳、氮含量与分布状况
进行研究,探讨其分配与富集特征,进而明确不同施
肥措施下黑土有机碳、氮的变化特征及固存机制,以
期为我国粮食主产区黑土肥力提升及可持续管理提
供科学依据.
1  研究地区与研究方法
1􀆰 1  试验区概况
本试验土样采自位于哈尔滨市的黑龙江省农业
科学院黑土肥力长期定位监测试验点.该试验点始
建于 1979年,1980年开始按小麦⁃大豆⁃玉米顺序轮
作,到 2010年共 31 个生长季.供试土壤为黑土(软
土),pH 值 7. 22,表层 ( 0 ~ 20 cm) 有机碳 15􀆰 4
g·kg-1,全氮 1.47 g·kg-1,全磷 1.07 g·kg-1,全钾
25􀆰 16 g·kg-1,碱解氮 151.1 mg·kg-1,速效钾 200
mg·kg-1,速效磷 51 mg·kg-1 .试验小区采用大区设
计,面积 168 m2 .
本研究选取其中的 6 个处理:不施肥(CK)、单
施有机肥(M)、氮磷配施(NP)、氮磷配施有机肥
(NPM)、氮磷钾配施 (NPK)、氮磷钾配施有机肥
(NPKM).有机肥的种类为纯马粪,以 M 表示,施用
量为 18600 kg·hm-2(相当于施氮量 75 kg·hm-2),
马粪在玉米收获后施入,每 3年施 1次,氮、磷、钾肥
均在秋季施入.氮肥种类为尿素,在小麦和玉米轮作
期用量为 150 kg N·hm-2,在大豆轮作期用量为 75
kg N·hm-2;磷肥种类为三料过磷酸钙、磷酸二铵,
在小麦和玉米轮作期用量为 75 kg P 2O5·hm
-2,在
大豆轮作期用量为 150 kg P 2O5·hm
-2;钾肥种类
为硫酸钾,各轮作期用量相同,每年用量为 75
kg K2O·hm
-2 .
在 2010年 9月大豆收获后进行样品采集.每个
处理采样深度分为 0~20 cm和 20~40 cm 2个层次.
采集样品风干后,挑出根系等杂物,过 2 mm筛备用.
同时测定各处理土壤容重.
1􀆰 2  测定方法
不同粒径颗粒的分离方法采用 Anderson 等[11]
和武天云等[12]的方法:称取 10.0 g 过 2 mm 筛的风
干土样于烧杯中,加水 100 mL,超声处理 2 min
(59 kHz).将超声波处理过的悬浮液倾倒在 200 μm
筛上,用蒸馏水洗涤干净(包括烧杯和筛上的),直
至洗出液变得清亮,再将洗出液倾倒在 53 μm筛上.
2691 应  用  生  态  学  报                                      26卷
200 μm筛上的部分即为粗砂粒,53 μm筛上的部分
即为细砂粒,分别将其移入铝盒,在水浴锅上蒸干,
然后转移至 60 ℃下烘干 12 h,称量.将剩余的悬浮
液在 700 r·min-1下离心 4 min,倾倒出悬浮液.加蒸
馏水 100 mL,振荡,然后在 500 r·min-1下离心
3 min,将悬浮液倾倒出并与以前的悬浮液合并备
用.后一过程要进行 5 次以完全分离黏粒( <2 μm)
和粉粒(2~53 μm).离心结束后收集离心杯下面的
沉淀即为粉粒,将悬液分批转移至离心杯,每次为
350 mL,加入 0.2 mol·L-1CaCl2 3.5 mL(视絮凝状
况),然后在 3500 r·min-1下离心 8 min,直至将悬
液全部离心完,收集离心杯内沉淀(即黏粒)至铝盒
中,在水浴锅上蒸干,然后转移至 60 ℃下烘干 12 h,
称量.
土壤及各粒径的有机碳和全氮测定采用干烧
法.将分离得到的各个粒级土样进行研磨,并过
0.15 mm筛,去除碳酸盐后在元素分析仪(意大利
EA3000)上测定.
1􀆰 3  数据处理
土壤各粒级有机碳、氮储量按以下公式计算:
M=C×B×D×m×0.1
式中:M为单位面积的碳、氮储量( t·hm-2);C 为各
粒级有机碳、氮的含量( g·kg-1);B 为土壤容重
(g·cm-3);D为土层厚度(cm);m为各粒级含量.
富集系数(EC)为不同组分中有机碳含量与总
有机碳含量的比值.例如 SOC的富集系数 EC按下式
计算:
EC = 颗粒中 SOC ( g · kg
-1 ) /全土中 SOC
(g·kg-1)
当 EC>1时,表明颗粒中碳是富集的;当 EC <1
时,表明碳是亏缺的[13] .
采用 Excel 2007软件对试验数据进行处理,用
SPSS 19.0软件对试验结果进行相关分析,不同处理
间的差异显著性采用 LSD法进行检验(α= 0.05).
2  结果与分析
2􀆰 1  长期施肥下各粒径土壤颗粒的含量
各处理不同粒径土壤颗粒含量如表 1 所示.与
不施肥和单施化肥相比,配施有机肥可以显著提高
0~20 cm土层粗砂粒和黏粒含量(NPM处理下的黏
粒组分除外).其中,以 NPKM 处理的效果最显著,
粗砂粒组分增加了近 1.3 倍.与 CK 相比,M 处理黏
粒组分增加最多,增加了 21.3%.而各处理的细砂粒
和粉粒组分没有显著差异(P<0.05).在亚表层(20~
40 cm)土壤,有机肥的施用显著提高了粗砂粒和黏
粒含量.NPKM处理的粗砂粒和黏粒组分所占比例
较高,分别为 5.8%和 13.8%.各施肥处理间,细砂粒
和粉粒含量无显著差异,与表层基本一致.
2􀆰 2  长期施肥对不同颗粒中有机碳、氮含量的影响
2􀆰 2􀆰 1有机碳  长期施肥对不同粒径颗粒中有机碳
含量有显著影响(图 1A).在 0 ~ 20 cm 土层,施肥均
显著提高了粗砂粒的有机碳含量,且以单施或配施
有机肥处理(M、NPM、NPKM)效果最好.与 CK 相
比,M、NPM、NPKM 处理有机碳含量分别提高了
41􀆰 6%、43.9%和 52.3%,而单施化肥处理比不施肥
处理提高了 15.9% ~ 16.3%.不同施肥处理下,细砂
粒有机碳含量范围为 9.49~10.57 g·kg-1,各施肥处
理间差异不显著 .粉粒有机碳含量范围为11􀆰 31 ~
表 1  长期不同施肥处理对黑土颗粒分布的影响
Table 1  Effects of different long⁃term fertilization treatments on distribution of different size particles in mollisols(mean±
SE, %)
土层
Soil layer (cm)
处理
Treatment
粒径 Particle size (μm)
2000~200 200~53 53~2 <2
回收率
Recovery (%)
0~20 CK 3.6±0.2c 23.0±3.1a 57.5±3.0a 12.4±0.6c 96
M 6.0±0.2b 19.5±1.6a 53.7±3.4a 17.4±0.4a 97
NP 3.5±0.4c 20.9±3.8a 58.5±5.2a 14.1±0.4b 97
NPM 5.8±0.4b 19.5±2.0a 55.7±3.1a 15.0±0.5b 96
NPK 3.3±0.3c 21.4±2.6a 61.3±2.7a 11.3±0.6c 97
NPKM 8.1±0.5a 21.5±1.2a 50.2±1.5a 15.1±0.1b 95
20~40 CK 2.8±0.1d 22.3±4.3 58.4±5.8a 12.0±0.6b 95
M 3.9±0.3bc 23.7±2.6a 54.4±1.5a 13.3±0.6ab 95
NP 2.7±0.2d 24.9±7.2a 55.7±5.9a 11.9±0.5b 95
NPM 4.8±0.5ab 21.5±4.5a 55.3±5.5a 13.9±0.5a 96
NPK 3.1±0.3cd 21.5±5.0a 51.9±5.4a 11.7±0.4b 88
NPKM 5.8±0.6a 20.9±2.5a 57.5±3.5a 13.8±0.4a 98
不同字母表示处理间差异显著(P<0.05) Different letters meant significant difference among treatments at 0.05 level. 下同 The same below.
36917期                      徐香茹等: 长期施肥条件下黑土有机碳、氮组分的分配与富集特征           
14􀆰 67 g·kg-1,各施肥处理与 CK 差异不显著.黏粒
有机碳含量范围为 17.16 ~ 22.97 g·kg-1,与 CK 相
比,M、NPM、NPKM、NP、NPK 均显著提高了黏粒有
机碳含量,提高比例分别为 10.5%、33.8%、16.8%、
12.2%、13.2%.
在亚表层(20~40 cm)土壤,长期施肥对各粒径
组分中有机碳的影响存在一定差异.其中,粗砂粒有
机碳范围为 15.95~22.38 g·kg-1,处理间变异较大,
但差异不显著(图 1B).细砂粒有机碳范围为 7.00 ~
9.91 g·kg-1,其中,NP 处理有机碳含量显著高于其
他处理,比 CK 提高了 41. 6%.粉粒有机碳范围为
9􀆰 90~11.71 g·kg-1,NPK、NPKM 有机碳含量显著
高于 CK,比 CK分别提高了 18.3%和 18.1%,其余施
肥处理与 CK 没有显著差异.黏粒有机碳范围为
16.59~19.16 g·kg-1,其中 M、NPK、NPKM 处理有
机碳含量比 CK分别提高了 15.9%、15.5%、13.4%.
2􀆰 2􀆰 2全氮  与 CK相比,单施或配施有机肥显著提
高了粗砂粒中全氮含量,化肥配施(NP、NPK)则无
显著影响(图 2A).0 ~ 20 cm 土层,与 CK 相比,单
施或配施有机肥对粗砂粒中全氮的提高比例为
图 1  不同施肥处理下黑土表层(0 ~ 20 cm)和亚表层(20 ~
40 cm)不同粒径颗粒有机碳含量
Fig.1   Soil organic carbon contents in different particle size
fractions of surface (0-20 cm) and subsurface (20-40 cm) in
mollisols under different fertilization treatments.
A: 0~ 20 cm; B: 20 ~ 40 cm. Ⅰ: 粗砂粒 Coarse sand; Ⅱ: 细砂粒
Fine sand; Ⅲ:粉粒 Silt; Ⅳ:黏粒 Clay. 不同字母表示处理间差异显
著(P< 0. 05) Different letters meant significant difference among treat⁃
ments at 0.05 level.下同 The same below.
26.3%~54.3%.不同施肥处理下细砂粒和粉粒的全
氮范围为 0.90 ~ 1.28 g·kg-1,除 M 处理外,处理间
差异不显著,M 处理的粉粒全氮含量比 CK 降低了
18.1%.各施肥处理与 CK相比均显著增加了黏粒的
全氮含量,提高比例为 8.3%~36.1%.
长期施肥对亚表层土壤不同粒径颗粒全氮含量
影响较小(图 2B).长期不同施肥对亚表层粗砂粒和
粉粒中的全氮含量无显著影响.粗砂粒全氮范围为
1.26~1.91 g·kg-1,不同处理间变异较大.细砂粒全
氮范围为 0.71 ~ 0.98 g·kg-1,与 CK 相比,NP 处理
显著提高了细砂粒全氮含量,提高比例为 36.3%,其
他处理与 CK 间差异不大.黏粒中全氮含量范围为
2.04~ 2.28 g·kg-1,与 CK 相比,仅 M 处理提高了
2􀆰 4%,而 NP、NPM、NPK、NPKM 处理则分别降低了
3􀆰 1%、8􀆰 4%、2.8%和 2.1%.
2􀆰 3  长期施肥对不同粒径颗粒有机碳、氮储量的影响
31年单施或配施有机肥显著提高了表层土壤
中粗砂粒与黏粒的有机碳、氮储量(表 2).其中,
NPKM处理的粗砂粒有机碳、氮储量最高,分别为
7􀆰 81和 0.61 t·hm-2,分别是不施肥处理的 3.24 和
3􀆰 21倍.M处理下黏粒有机碳、氮的储量最高,分别
是不施肥处理的 1.57和 1.17倍.细砂粒和粉粒不同
施肥处理间没有显著性差异,但土壤有机碳、氮主要
图 2  不同施肥处理下黑土表层(0 ~ 20 cm)和亚表层(20 ~
40 cm)不同粒径颗粒全氮含量
Fig.2  Soil total nitrogen contents in different particle size frac⁃
tions of surface (0-20 cm) and subsurface (20-40 cm) in mol⁃
lisols under different fertilization treatments.
4691 应  用  生  态  学  报                                      26卷
表 2  长期施肥下黑土表层与亚表层中碳、氮储量
Table 2  Carbon and nitrogen stocks in surface and subsurface mollisols under long⁃term fertilization(mean±SD, t·hm-2)
项目
Item
粒级   
Particle   
size   
土层
Soil layer
(cm)
处理 Treatment
CK M NP NPM NPK NPKM
碳储量 粗砂 0~20 2.41±0.12c 5.67±0.16b 2.68±0.33c 5.43±0.23b 2.65±0.14c 7.81±0.07a
Carbon Coarse sand 20~40 1.45±0.30b 2.13±0.33ab 1.71±0.43ab 3.03±0.45a 1.93±0.18ab 2.52±0.52ab
stock 细砂 0~20 6.64±1.11a 6.19±0.79a 6.44±1.33a 5.93±0.85a 6.11±0.48a 6.11±0.53a
Fine sand 20~40 4.57±0.98a 5.49±0.31a 7.40±2.35a 5.08±0.91a 4.88±1.27a 4.65±1.01a
粉粒 0~20 21.59±1.95ab 17.93±1.50b 22.86±2.64ab 23.65±3.71ab 26.22±0.92a 19.00±1.84ab
Silt 20~40 16.99±2.48a 16.37±0.79a 17.72±2.08a 16.92±1.35a 16.46±0.50a 18.08±1.14a
黏粒 0~20 6.29±0.21c 9.85±0.99a 7.84±0.35bc 9.85±0.69a 6.65±0.22c 8.41±0.32ab
Clay 20~40 5.82±0.53b 7.62±0.49a 6.12±0.36ab 6.95±0.20ab 6.18±0.22ab 7.06±0.66ab
氮储量 粗砂 0~20 0.19±0.02c 0.40±0.04b 0.21±0.01c 0.46±0.05b 0.19±0.02c 0.61±0.02a
Nitrogen Coarse sand 20~40 0.15±0.02b 0.16±0.00b 0.15±0.04b 0.26±0.04a 0.12±0.01b 0.20±0.04ab
stock 细砂 0~20 0.61±0.11a 0.64±0.07a 0.63±0.15a 0.56±0.09a 0.62±0.04a 0.58±0.05a
Fine sand 20~40 0.46±0.07a 0.49±0.02a 0.74±0.24a 0.47±0.07a 0.47±0.11a 0.45±0.11a
粉粒 0~20 1.86±0.11ab 1.45±0.25b 2.09±0.24ab 1.97±0.33ab 2.37±0.23a 1.80±0.20ab
Silt 20~40 1.49±0.22a 1.42±0.04a 1.62±0.21a 1.49±0.07a 1.41±0.02a 1.56±0.04a
黏粒 0~20 0.79±0.05b 1.26±0.15a 1.02±0.06ab 1.22±0.06a 0.80±0.02b 1.08±0.04a
Clay 20~40 0.78±0.06ab 0.91±0.06a 0.75±0.06ab 0.84±0.04ab 0.70±0.03b 0.82±0.07ab
不同字母表示处理间差异显著(P<0.05) Different letters meant significant difference among treatments at 0.05 level. 下同 The same below.
贮存在表层的粉粒组分中,最高可分别达 26.22 和
2􀆰 37 t·hm-2 .
亚表层土壤中,31年不同施肥处理对细砂粒和
粉粒的碳、氮储量影响不显著,但粉粒的有机碳、氮
储量最高,分别达 18.08 和 1.62 t·hm-2 .粗砂粒的
有机碳、氮储量在 NPM处理下最高,分别达 3.03 和
0.26 t· hm-2,与不施肥处理相比 ( 1. 45 和 0􀆰 15
t·hm-2)差异显著.黏粒的有机碳、氮储量在 M处理
下最高,分别达 7.62和 0.91 t·hm-2 .
2􀆰 4  长期施肥对有机碳、氮分配比例的影响
如图 3A所示,在 0~20 cm土层,有机肥的施用
显著提高了有机碳在粗砂粒和黏粒中的分配比例.
与 CK相比,粗砂粒中 M、NPM、NPKM 处理分别提
高了 119.7%、87.9%和 191.3%,而 NP、NPK 处理与
CK相比粗砂粒有机碳分配比例差异不显著.对于黏
粒,M、NPM、NPKM 处理均显著提高了黏粒有机碳
的分配比例,其相对于 CK 分别提高了 45􀆰 0%、
29􀆰 3%和 19.5%.大部分长期施肥处理对细砂粒有机
碳的分配比例影响不显著.对于粉粒,与 CK 相比,
有机肥的施入降低了粉粒有机碳的分配比例,M、
NPM、NPKM处理将粉粒有机碳的分配比例分别降
低了 22.3%、10.4%和 21.5%,而 NP 处理降低的比
例仅为 2.0%,NPK 处理则将粉粒有机碳的分配比
例提高了 8.0%.
在 20~40 cm土层不同粒径颗粒有机碳的分配
规律不同于 0~20 cm 土层.由图 3B 可以看出,有机
肥的施入(M、NPM、NPKM)均能增加粗砂粒有机碳
的分配比例,与 CK相比,只有 NPM处理差异显著,
增加了 87.7%.细砂粒和粉粒的有机碳分配比例在
不同处理之间差异不显著.黏粒中 M、NPM 处理
显著提高了有机碳的分配比例,比CK分别提高了
图 3  不同施肥处理下黑土表层(0 ~ 20 cm)和亚表层(20 ~
40 cm)总有机碳在不同粒径颗粒中的分布
Fig.3   Distribution of organic carbon in different particle size
fractions of surface (0-20 cm) and subsurface (20-40 cm) in
mollisols under different fertilization treatments.
56917期                      徐香茹等: 长期施肥条件下黑土有机碳、氮组分的分配与富集特征           
18􀆰 7%和 7.5%,其他处理与 CK之间差异不显著.
    长期施肥显著改变了不同粒径颗粒全氮的分配
比例.在 0~20 cm 土层(图 4A),M、NPM、NPKM 均
显著提高了粗砂粒全氮的分配比例,比 CK 分别提
高了 96.0%、100.5%和 179.3%.细砂粒中所有处理
的全氮分配比例差异不显著.粉粒中 M 处理显著降
低了全氮的分配比例,比 CK 降低了 28.9%,其他施
肥处理对全氮的分配比例无显著影响.黏粒中 M、
NPM、NPKM显著提高了全氮的分配比例,比 CK 分
别提高了 47.3%、27.8%和 16.1%,NP、NPK 处理与
CK相比差异不显著.在 20 ~ 40 cm 土层,对于粗砂
粒,NPM显著提高了土壤粗砂粒全氮分配比例,其
相对于 CK提高了 62.4%,其他处理与 CK相比没有
显著性差异.长期施肥对细砂粒和粉粒中全氮的分
配比例无显著影响(图 4B).而与单施化肥相比,单
施有机肥显著提高了全氮在黏粒中的分配比例,M
将黏粒全氮的分配比例提高了 11.0%.
2􀆰 5  长期施肥对不同粒径颗粒中有机碳、氮富集系
数的影响
长期施肥会影响黑土不同粒径颗粒中碳的富集
系数.由表 3可知,在 0 ~ 20 cm 土层,粗砂粒和黏粒
的碳富集系数(EC) >1,而细砂粒和粉粒的 EC值小
于 1.粗砂粒中长期施用有机肥处理能显著增加 EC
值,而单施化肥(NP、NPK)对 EC值的影响较小.细砂
粒中不同处理的 EC值差异不大.而粉粒中施用有机
肥可显著降低 EC值,而且施用有机肥处理低于施用
化肥处理.在 20~40 cm土层,只有粗砂粒的 EC值大
图 4  不同施肥处理下黑土表层(0 ~ 20 cm)和亚表层(20 ~
40 cm)全氮在不同粒径颗粒中的分布
Fig. 4   Distribution of total nitrogen in different particle size
fractions of surface (0-20 cm) and subsurface (20-40 cm) in
mollisols under different fertilization treatments.
于 1,不同处理间差异不显著.与 CK 相比,NP、NPM
显著提高了土壤细砂粒的 EC值,在化肥(NP、NPK)
基础上增施有机肥(NPM、NPKM)能显著降低细砂
粒的 EC值.黏粒和粉粒不同施肥处理间 EC值差异不
显著,其值均在 0.9左右.
长期不同施肥处理后各粒径全氮的富集系数与
表 3  长期不同施肥处理下黑土表层和亚表层的碳、氮富集系数
Table 3  Enrichment factors of carbon and nitrogen in surface and subsurface mollisols under different long⁃term fertilization
treatments
富集系数
Enrichment factor
粒级     
Particle size     
土层
Soil layer (cm)
处理 Treatment
CK M NP NPM NPK NPKM
EC 粗砂 0~20 1.77d 2.23bc 1.87cd 2.04bc 1.94cd 2.30a
Coarse sand 20~40 1.66a 1.68a 1.79a 1.98a 1.85a 1.25a
细砂 0~20 0.76a 0.74a 0.74a 0.66a 0.70a 0.68a
Fine sand 20~40 0.65c 0.70bc 0.81a 0.77ab 0.67bc 0.64c
粉粒 0~20 0.98b 0.78c 0.95bc 0.92bc 1.03a 0.90bc
Silt 20~40 0.92a 0.90a 0.90a 0.98a 0.97a 0.93a
黏粒 0~20 1.33a 1.31a 1.35a 1.43a 1.43a 1.33a
Clay 20~40 0.92a 0.90a 0.90a 0.98a 0.97a 0.93a
EN 粗砂 0~20 1.43c 1.56bc 1.43c 1.70ab 1.44c 1.88a
Coarse sand 20~40 1.71a 1.20ab 1.58ab 1.56ab 1.22ab 1.01b
细砂 0~20 0.72ab 0.77a 0.72ab 0.61b 0.74ab 0.66ab
Fine sand 20~40 0.66ab 0.61b 0.79a 0.66ab 0.66ab 0.63b
粉粒 0~20 0.88a 0.63b 0.87a 0.76ab 0.97a 0.88a
Silt 20~40 0.79a 0.76a 0.82a 0.80a 0.86a 0.82a
黏粒 0~20 1.74a 1.68a 1.76a 1.77a 1.79a 1.77a
Clay 20~40 2.04a 1.96ab 1.77b 1.75b 1.84ab 1.76b
6691 应  用  生  态  学  报                                      26卷
有机碳存在一定差异.在 0~20 cm土层,粗砂粒和黏
粒全氮的富集系数(EN)均大于 1,而细砂粒和粉粒
的 EN均小于 1.与 CK相比,粗砂粒有机无机配施处
理(NPM、NPKM)显著提高了 EN值,而粉粒有机肥
单施或配施处理(M、NPM、NPKM)降低了 EN值.粉
粒和黏粒不同施肥处理间 EN值差异不显著.在 20 ~
40 cm土层,粗砂粒和黏粒的 EN值大于 1,而细砂粒
和粉粒的 EN值小于 1(表 3).
3  讨    论
土壤有机碳、氮的含量在很大程度上受到施肥、
种植方式和耕作等人为方式的影响[14] .本文将土壤
分成粗砂粒、细砂粒、粉粒和黏粒 4个不同粒径的颗
粒,研究了黑土长期定位施肥 31 年后其颗粒有机
碳、氮的分布,结果表明,不同施肥措施对土壤有机
碳、氮在不同粒径颗粒中分配比例的影响差异较大.
不同粒径颗粒有机碳、氮组分中粗砂粒有机碳、
氮的含量对长期施肥响应最敏感.而与粗砂粒相比,
细砂粒、粉粒受施肥的影响不大.李江涛等[15]和武
云天等[12]研究表明,长期施肥条件下江西红壤性水
稻土和甘肃黑垆土砂粒中有机碳在长期施用化肥和
有机肥后显著增加.本研究中,有机肥的施入能够显
著增加土壤有机碳、全氮在粗砂粒的分配比例.原因
主要在于:粗砂粒对施肥等农业措施较敏感[16],配
施有机肥直接提供了与砂粒有机碳组成相近的有机
碳组分,因而增加砂粒有机碳的效果最好;施化肥根
茬残留量低,易增强土壤微生物活动,促进有机碳矿
化,从而使砂粒有机碳积累较少[17] .另外,有机肥的
施入能够直接增加外源碳投入量,并通过增加作物
产量间接增加碳投入量,所以与粗砂粒结合的有机
碳、全氮含量要高于对照及单施化肥处理[18-19] .由
于多数富含碳的有机质初始易于截获在粗砂粒中,
随后在生物降解过程中向细砂粒、粉粒迁移,最终在
黏粒中积累[20] .细砂粒、粉粒部分有机碳的腐殖化
程度较高,有机碳主要是一些有机物分解的中间产
物,只是一种过渡状态,会随着时间的变化逐渐转移
到黏粒中去[13] .施用有机肥,尤其是有机无机肥配
施会显著提高表层土壤有机碳、全氮在黏粒中的分
配比例.黏粒与粉粒的表面积和表面化学性质不同,
因而它们结合有机碳的量、组成、化学性质、抗分解
能力也会有很大的差别[21] .佟小刚等[7]研究表明,
施用有机肥与秸秆还田可以增加各级黏粉粒有机碳
含量,而化肥可以增加细黏粒有机碳含量,这与本研
究的结果一致.黏粒对有机碳具有较强的物理化学
保护作用,其含量影响外源有机质及其转化产物的
分解速率或稳定性.有机物质在黏粒含量低的土壤
中分解较快,并随土壤黏粒含量的增加分解趋于缓
慢[22] .土壤黏粒吸附结合的有机碳极难分解,腐殖
化比较彻底,是有机物的最终分解产物,它们周转速
度慢,比较稳定[15] .
本研究中,土壤有机碳、全氮在粗砂粒和黏粒中
是富集的,而在细砂粒和粉粒中是亏损的,这可以从
富集系数上得到一定体现.多数富含碳的有机质初
始易于被粗砂粒截获,随后在生物降解过程中向细
砂粒、粉粒迁移,最终在黏粒中积累.因此,富含碳、
氮的生物降解产物导致黏粒中有机碳和氮富集程度
较高[18] .施肥对亚表层土壤有机碳、全氮在不同粒
径颗粒中的分配比例的影响小于表层土壤,其可能
原因是亚表层土壤有机碳的投入量少,仅为一些植
物细根、根系分泌物和部分从土壤表层淋溶下来的
有机碳,这些来源的有机碳随土层加深数量减少,在
土壤剖面中的移动性较弱.随着土壤深度的增加,有
机碳含量降低,处理之间的差异逐渐减小[10] .
4  结    论
长期施肥显著提高了黑土各粒级颗粒有机碳、
全氮的积累,尤其是化肥与有机肥配施处理显著提
高了表层土壤中粗砂粒有机碳、全氮的含量及储量.
长期施用有机肥同样能够增加亚表层土壤有机碳、
全氮在粗砂粒及黏粒中的分配比例,但是增加的比
例小于表层土壤.多数富含碳的有机质初始易于截
获在粗砂粒中,而细砂粒与粉粒作为有机物质迁移
的中转站,富集系数小于 1,最终在黏粒中积累.由此
可以看出,施用有机肥能够促进土壤有机碳、全氮在
粗砂粒及黏粒中的富集,增强土壤物理团聚体和黏
粒的保护作用,对土壤有机碳的稳定具有重要意义.
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作者简介  徐香茹,女,1990 年生,硕士研究生.主要从事土
壤肥力研究. E⁃mail: xuxiangru0000@ sina.com
责任编辑  张凤丽
8691 应  用  生  态  学  报                                      26卷