2024, Vol. 45
2. 山西师范大学地理科学学院, 太原 030031;
3. 黄土高原特色作物优质高效生产省部共建协同创新中心, 太谷 030801
2. School of Geographical Sciences, Shanxi Normal University, Taiyuan 030031, China;
3. Collaborative Innovation Center of High Quality and Efficient Production of Characteristic Crops on Loess Plateau, Taigu 030801, China
土壤团聚体是土壤基本构成单元, Six等[1]研究认为 > 0.25 mm的大团聚体是土壤理想结构体, 其含量越多, 说明土壤团聚性较好, 土壤结构的稳定性越强. 土壤结构改善是土壤粉黏粒在胶体凝聚或有机无机胶结物质作用下逐级形成大团聚体, 提高了土壤的团聚程度, 并增强其稳定性[2], 不同施肥处理下土壤中机械稳定性团聚体和水稳性团聚体也均以大团聚体为优势团聚体[3]. 同时, 大团聚体也是土壤有机碳（SOC）固存的重要载体, 是土壤碳素供给的主要来源[4]. 小粒级团聚体中有机碳分解慢, 而大粒级团聚体中有机碳周转较快, 这使得大团聚体的含量和变化与土壤微生物代谢、作物生长及土壤呼吸密切相关[5]. 因此, 本文以土壤大团聚体为研究对象, 明确不同施肥条件下大团聚体中不同保护机制土壤有机碳组分的变化特征, 进一步揭示大团聚体有机碳的演替过程.
前人研究表明, 长期单施有机肥以及配施化肥均显著提高大团聚体中粗颗粒有机碳（cPOC）和微团聚体颗粒有机碳（iPOC）的含量[6]；曹寒冰等[7]研究发现, 单施有机肥降低了大团聚体中游离态粉+黏颗粒有机碳（s+c_f）和微团聚体粉+黏颗粒有机碳（s+c_m）的含量, 有机无机配施提高了cPOC和细颗粒有机碳（fPOC）含量, 而施化肥对土壤大团聚体中各组分有机碳含量无显著影响；Zhang等[8]研究发现, 连续4a施用有机肥, 大团聚体中SOC含量较不施肥对照处理增加了35.5%；土壤中稳定性有机碳尤其是芳香烃和羧基中的碳更能有效促进土壤大团聚体的形成[9]；王子龙等[10]研究指出, 矿物结合态有机碳是直接影响黄绵土大团聚体稳定性最重要的胶结物质.
有机碳组分的转化和积累因分组方法的不同而有所侧重[11], 目前常用两种分组方法, 一是根据土壤有机碳周转速率及其生物活性划分的碳组分, 主要分成活性有机碳和惰性有机碳两大类[12], 如可溶性有机碳、易氧化有机碳、轻重组分有机碳等；二是Six等[13]提出的“团聚体-密度”联合分组法, 也称为物理分组法, 将有机碳分成未受保护活性组分[粗颗粒有机碳（cPOC）、细颗粒有机碳（fPOC）]、受物理保护组分[大团聚体中微团聚体内颗粒有机碳（iPOC）]以及受化学或生物化学保护惰性碳组分[游离态粉+黏颗粒有机碳（s+c_f）和微团聚体粉+黏颗粒有机碳（s+c_m）]等不同保护机制的碳组分, 更强调土壤团聚体和矿物在有机碳稳定性中的作用, 主要反映有机碳受不同的保护机制[14].
晋南黄土高原旱塬区是我国典型的雨养农业冬小麦种植区, 土壤有机质含量偏低但固碳潜力较大[15, 16], 施肥是提高该区土壤有机碳的主要措施, 随着外源有机碳的施入首先会分布于较大粒径团聚体中, 之后土壤有机碳会在其他粒径团聚体中发生迁移[17], 但目前研究大多关注于整体土壤碳组分的变化, 很少关注大团聚体碳组分对施肥的响应变化, 因此本研究依托黄土旱塬麦区8 a定位试验, 利用“团聚体-密度”联合分组法, 从大团聚体有机碳组分的变化特征来比较施肥措施的固碳差异, 阐明有机碳投入与大团聚体有机碳积累及产量形成之间的关系, 以期为黄土旱塬区麦田土壤培肥和产量提升提供理论依据.
1 材料与方法 1.1 试验地概况本试验于2013年9月至2021年6月在山西洪洞县刘家垣镇东梁村的黄土旱区小麦种植区进行, 该区属于温带季风性气候, 平均气温12.6℃, 总积温3 326.9℃, 年降水量约为500.0 mm（图 1）, 无霜期为180~210 d. 供试土壤为石灰性褐土, 质地为中壤土, 试验起始耕层土壤pH值为7.66, 土壤容重为1.20 g·cm-3, ω（有机质）为14.10 g·kg-1, ω（全氮）为0.79 g·kg-1, ω（速效磷）为12.18 mg·kg-1, ω（速效钾）为198.19 mg·kg-1, ω（硝态氮）为8.64 mg·kg-1.
|
图 1 2013年9月至2021年6月各月平均降水量分布 Fig. 1 Monthly average rainfall from September 2013 to June 2021 |
本试验共设5个处理, 分别如下：处理1为对照（不施肥CK）；处理2为农户施肥（NP）；处理3为测控施肥（NPK）；处理4为测控+有机肥（NPKM）；处理5为测控+生物有机肥（NPKB）. 其中, 处理3测控施肥采用“1 m硝态氮监控, 0~40 cm磷钾恒量”定量施肥技术[18, 19]；处理4是在测控施肥基础上用有机肥替代部分化肥（NPKM）, 具体以有机肥替代30%化肥氮计算确定有机肥投入量. 处理5是在测控施肥基础上用生物有机肥替代部分化肥（NPKB）, 供试生物有机肥是将拉恩式菌、假单胞菌1、假单胞菌2制成混合细菌菌液后, 与腐熟鸡粪按照1∶9的比例混匀, 其活菌数≥0.5×108 CFU·g-1. 处理5的生物有机肥载体（腐熟鸡粪）与处理4有机肥一致, 养分含量相同, 因此处理4和处理5施肥量相同. 处理3~5遵循N、P和K等养分施肥原则.
每个处理设置3次重复, 随机区组排列, 小区面积为120 m2. 所有处理均为垄膜沟播种植模式, 即垄上覆膜、沟内膜侧播种, 播种2行, 行距20 cm, 垄宽35 cm, 沟宽30 cm. 试验中所施氮肥为尿素（含N 46%）, 磷肥为过磷酸钙（含P2O5 16.0%）, 钾肥为氯化钾（含K2O 60%）. 历年各处理累计施肥量见表 1, 所有肥料均作为底肥, 在小麦播种前均匀施入对应小区, 小麦播量为150 kg·hm-2, 播期晚时播量为225 kg·hm-2, 在9月底至10月上旬播种, 于翌年6月上旬收获. 冬小麦全生育期除自然降水外不灌溉, 田间管理同当地农户一致.
|
表 1 2013~2021年各处理的累计施肥量/kg·hm-2 Table 1 Accumulative fertilization amount of each treatment in the tested area from 2013 to 2021/kg·hm-2 |
1.3 样品采集与分析
于2021年6月小麦成熟期, 在各小区内随机确定3个采样点, 采集0~20 cm原状土壤样品, 放入取样盒内, 尽量在无扰动下带回实验室, 风干后测定土壤团聚体. 同样方法采集各小区收获后0~20 cm土壤样品, 装入塑封袋带回实验室, 自然风干后去除植物残体等杂物, 研磨过100目筛, 封装用于土壤理化性质及土壤有机碳等测定.
水稳性团聚体采用湿筛法[20], 具体操作为：称取风干土样50 g, 放置于孔径2 mm筛上（套筛孔径自上而下为2、0.25和0.053 mm）, 浸于加好蒸馏水的湿筛仪桶内5 min, 启动湿筛仪, 整个筛套上下摆幅3 cm, 筛分2 min内上下摆动50次, 筛分结束后收集各层筛子上的团聚体至已称重的铝盒中, 50℃下烘干、称重, 转移至塑封袋中即获得 > 2 mm和0.25~2 mm的大团聚体、0.053~0.25 mm微团聚体和 < 0.053 mm粉黏粒. 然后将 > 2mm和0.25~2 mm土壤团聚体按质量比例混合, 制备成大团聚体土壤样品, 土壤大团聚体中各有机碳组分的获得和测定采用Six等[1, 13]提出的土壤有机碳物理分组方法, 操作流程见图 2所示.
|
MOC是由s+c_m和s+c_f两个组分混合构成, 为受化学或生物化学保护的矿质结合态有机碳 图 2 土壤大团聚体湿筛-密度联合分组流程 Fig. 2 Soil aggregate-density combined fractionation scheme |
SOC、fPOC、cPOC、iPOC、s+c_f和s+c_m的含量均采用干烧氧化-TOC仪测定法[21], 具体操作步骤如下：首先酸洗去除待测样品中的无机碳, 称取各碳组分样品2~3g放入离心管中, 并记录样品质量M1, 加入20 mL 0.5 mol·L-1 HCl酸化, 摇匀后放入振荡器, 以200 r·min-1振荡30 min, 静置12 h直至无气泡已充分去除无机碳后倒掉上清液, 再用去离子水多次洗涤去除剩余盐酸, 直到洗涤液中性为止, 60℃烘干后记录土壤质量M2, 然后用锡纸称取50~80 mg土壤样品, 用全碳自动分析仪（NC soil analyzer flash 2000, Thermo Fisher Scientific, USA）进行测定, 放入950℃的燃烧炉中燃烧, 燃烧释放的CO2被仪器内部的红外检测器所检测, 根据CO2含量计算土壤有机碳含量W1, 最后校正有机碳浓度：
|
|
(1) |
|
(2) |
式中, SOCaggregates fraction为单位质量土壤大团聚体中不同保护机制下的有机碳组分储量（g·kg-1）, SOCi为大团聚体中碳组分i的有机碳含量（g·kg-1）, Wi为该组分i在大团聚体中的质量分数（%）；ASOC为大团聚体中不同保护机制下各碳组分储量的质量分数（%）；SOCmacroaggregate为单位质量大团聚体中各有机碳组分的总储量（g·kg-1）.
本研究中, 土壤有机碳输入（Cinput）主要包括2部分：一部分是有机肥和生物有机肥的带入, 即腐熟的鸡粪；另一部分是小麦生育期的根系及根系分泌物, 收获后地上部秸秆还田带入土壤的有机碳. 其中小麦根系生物量约为秸秆生物量的23.0%[22], 小麦秸秆含碳量按照42.5%[23]计算, 小麦根系分泌物的碳投入量约等于根系碳投入量[24].
1.6 数据处理采用Microsoft Excel 2019和SPSS 24.0软件对试验数据进行整理与统计分析, 通过单因素方差分析（ANOVA）测算不同施肥处理间各指标的差异性, 并通过LSD进行多重比较. 采用简单线性关系（y=ax+b）来拟合土壤大团聚体各有机碳组分与碳投入量之间的关系, Origin软件作图.
2 结果与分析 2.1 不同施肥处理下土壤和大团聚体的总有机碳含量变化不同施肥处理下黄土旱塬麦田SOC和大团聚体SOC含量变化如图 3. 从中可知, 长期施肥对土壤和大团聚体SOC固存均具有不同程度的促进作用, 其中农户施肥处理（NP）、有机无机配施处理（NPKM和NPKB）较对照处理均显著增加了土壤SOC和大团聚体中SOC含量, 提升幅度分别为13.67%~18.34%和15.54%~37.22%, 而监控施肥处理（NPK）对土壤和大团聚SOC提升未达显著水平. 长期有机无机配施（NPKM和NPKB）较单施化肥（NP和NPK）显著提高了土壤大团聚体中有机碳（SOC）含量, 且提升幅度高于对应土壤SOC提升幅度.
|
小写字母表示各处理间SOC含量在5%水平显著差异 图 3 不同施肥处理下全土和 > 0.25 mm大团聚体中SOC含量的变化 Fig. 3 SOC concentration in the bulk soil and > 0.25mm macroaggregates under different fertilization treatments |
图 4是不同施肥处理大团聚体各有机碳组分的含量. 从中可知, 各施肥处理下大团聚体中有机碳组分以不受保护的fPOC含量最高, 为7.99~9.18 g·kg-1, 其次是未受保护cPOC组分和化学或生物化学保护性的s+c_f组分, 而受物理保护的iPOC含量最低. 单施化肥（NP和NPK）处理较不施肥（CK）处理显著提高了受物理保护的iPOC含量, 增幅为39.77%~45.74%, 显著降低了化学或生物化学保护性的s+c_m含量, 降幅为15.86%~20.73%；有机无机肥配施（NPKM和NPKB）处理显著提高了未受保护的cPOC、fPOC和受物理保护的iPOC碳组分含量, 增幅分别为23.52%~29.04%、12.98%~14.89%和84.12%~85.71%, 显著降低了化学或生物化学保护的s+c_f和s+c_m碳组分含量, 降幅为22.41%~24.65%和14.16%~17.67%.
|
小写字母表示各处理间碳组分含量在5%水平显著差异 图 4 不同施肥处理下大团聚体中各有机碳组分含量 Fig. 4 OC content within macroaggregate fraction under different fertilization treatments |
进一步从大团聚体中不同保护机制的有机碳组分的储量分布来看（表 2）, 不同处理均以受化学或生物化学保护的s+c_f储量占比最大, 为62.61%~77.61%, 其次是微团聚体内粉+黏颗粒有机碳（s+c_m）, 储量占比为16.23%~23.49%, 以未受保护的细颗粒有机碳fPOC储量占比最低, 仅为1.15%~2.41%, 各施肥处理下不同保护机制的有机碳储量分布表现为有机无机配施（NPKM和NPKB）较CK显著提高了碳组分cPOC、fPOC和iPOC储量的分布比例, 显著降低了化学或生物化学保护的游离态粉+黏颗粒有机碳（s+c_f）的储量占比, 单施化肥处理（NP和NPK）显著增加了cPOC储量占比.
|
|
表 2 不同施肥处理下大团聚体中各有机碳组分储量的分布占比1）/% Table 2 Distribution of macroaggregate fraction reserves in soil separated by aggregate-density fractionation under different fertilization treatments /% |
2.3 不同施肥模式下土壤累计碳投入量的差异
图 5是连续8 a不同施肥处理下土壤有机碳投入量. 从中可知, 通过小麦秸秆还田、根系及其分泌物和有机肥投入到土壤的有机碳总量为21.59~31.60 t·hm-2, 不同处理间土壤的有机碳投入量存在明显差异. 与CK不施肥比, 施肥处理因为增加了小麦生物量和作物根茬, 碳累计投入量显著提高, 增幅为7.13%~46.40%；有机无机肥配施（NPKM和NPKB）不仅通过外源有机肥直接投入了有机碳, 而且显著提高了秸秆和根茬的还田量, NPKM和NPKB较CK处理总的碳投入量增幅为46.40%和45.52%（P < 0.05）, 通过小麦秸秆还田、根系及其分泌素碳投入量增幅为27.55%和26.66%（P < 0.05）.
|
不同小写字母表示处理间小麦根茬等碳累计投入量差异显著, 不同大写字母表示处理间总碳累计投入量差异显著, P < 0.05 图 5 长期施肥下土壤累计碳投入量 Fig. 5 Cumulative carbon input under different fertilization treatments |
本试验期间大团聚体中各保护机制有机碳储量与累计碳投入量之间的关系表明（图 6）, 除s+c_m外, 其他有机碳组分储量与土壤中累计碳投入量均呈极显著线性相关（R 2为0.703~0.853, P < 0.01）, 其中s+c_f储量与累计碳投入量呈极显著负相关, 说明碳投入的增加会促使s+c_f向其它形态有机碳转化；而碳组分cPOC、fPOC和iPOC储量与累计碳投入量均呈极显著正相关性, 表明土壤有机碳在大团聚体这3个碳组分中均有固存；回归方程的斜率表示每累计投入1单位有机碳, 各有机碳组分储量增加的固存量, 即表示固存效率, 其中斜率最高的是cPOC组分（0.012）, 最低是fPOC组分（0.004）, 说明随着累计碳投入量增加, 有机碳固存储量最高效率发生在未受保护的有机碳组分cPOC中.
|
图 6 不同施肥处理下大团聚体中各有机碳组分储量与累计碳投入量的关系 Fig. 6 Relationship between OC reserves within macroaggregate fractions and cumulative SOC input under different fertilization treatments |
试验地2013~2021年各处理的小麦籽粒产量存在显著差异（图 7）, 总体以有机无机培肥（NPKM和NPKB）的小麦产量最高, 多年平均值为4 516.57 kg·hm-2, 较不施肥空白和农户处理的产量分别提高了39.43%（P < 0.05）和18.74%（P < 0.05）. 进一步相关性分析表明（图 8）, 小麦产量与土壤TOC、有机碳投入量、大团聚体有机碳含量及有机碳组分（cPOC和iPOC）存在极显著正相关性（P < 0.01）, 相关系数在0.645~0.883, 土壤碳投入量与TOC、SOCm、cPOC、fPOC和iPOC呈显著正相关, 相关系数0.600~0.856, 而s+c_f与土壤中碳投入量呈极显著负相关, 相关系数达-0.914. iPOC与SOCm、cPOC和fPOC有显著相关性, 说明物理保护和未受保护的颗粒态有机碳各组分间存在转化关系且对大团聚体有机碳含量影响较大, 而s+c_f与SOCm和颗粒态有机碳组分（cPOC、fPOC和iPOC）均呈显著负相关, 表明该组分含量与物理保护和未受保护的颗粒态有机碳组分含量相互消长.
|
实线和虚线、箱体下边和上边缘线、箱体外棒分别表示数据的中位数和平均值、25%和75%分位数、最小值和最大值（n=40）；不同小写字母表示不同处理间达5%显著水平（P < 0.05） 图 7 2013~2021年不同处理小麦籽粒年均产量 Fig. 7 Annual average yield of wheat under different fertilization treatments from 2013 to 2021 |
|
色柱表示各变量之间的Pearson相关系数在图中对应的颜色, 越接近蓝色表示负相关越强, 越接近浅色表示正相关越强；*表示P < 0.05, **表示P < 0.01；1.Cinput（累积碳投入量）, 2.Qoutput（小麦产量）, 3.SOCm（> 0.25 mm团聚体有机碳含量）, 4.TOC（土壤总有机碳）, 5.cPOC, 6.fPOC, 7.s+c_f, 8. iPOC, 9.s+c_m 图 8 小麦产量与土壤有机碳含量及各有机碳组分间的相关系数 Fig. 8 Correlation between wheat yield and SOC content and OC fraction contents within macroaggregates |
黄土旱塬土壤有机碳含量普遍偏低, 探究土壤碳固存特征及潜力, 提升土壤地力是当地长期聚焦的问题. 本研究中土壤初始ω（SOC）为8.17 g·kg-1, 在连续8 a的不同施肥处理下, ω（SOC）提升到9.62~10.36 g·kg-1（图 3）, 较试验基础土样总有机碳含量提高了17.75%~26.81%, 表明长期的农业生产活动对黄土旱塬麦田土壤有机碳提升具有正向效应. 进一步分析发现, 本研究中连续8 a不施肥处理通过秸秆、根系和根系分泌物投入的有机碳约21.59 t·hm-2, 单施化肥处理有机碳投入量达23.12~25.55 t·hm-2, 化肥配施（生物）有机肥处理有机碳量投入量达31.41~31.60 t·hm-2, 整体表现为土壤SOC含量与有机碳的投入量呈显著正相关, 化肥配施有机肥更能促进小麦地上部干物质积累, 并刺激根系分泌物的生成, 更大程度上协同增加土壤碳投入量. 关于土壤固碳过程, 大多研究认为从时间角度看, 在相对稳定的碳投入下, SOC含量随时间呈S型渐近线趋势变化, 最初几年SOC处于快速累积期, 而后SOC累积速率随有机碳投入减缓而减缓, 并逐步趋于相对稳定状态, 如果外源碳投入水平再次增加, SOC水平较低的土壤可能会在更高水平上重复这一过程, 但最终达到一个碳饱和状态[25~28]. 本研究中ω（SOC）最大值仅为10.36 g·kg-1, 仍具有很大的固碳潜力.
土壤SOC固存涉及到土壤物理、化学和生物学固定过程[29], 其中土壤团聚体是SOC固存的主要场所, 土壤团聚体可以降低有机碳与土壤微生物及酶的接触程度, 并因团聚体内水、气状况影响微生物活性, 从而对有机碳起到很好的“屏障”作用, 团聚体结构产生的“分室作用”是有机碳固存的物理基础[30], 土壤大团聚体中一般含有更多的有机碳[31]. 本研究中长期施肥不同程度提高了土壤大团聚体有机碳含量, 其中有机无机配施（NPKM和NPKB）较单施化肥（NP和NPK）显著提高了土壤大团聚体中有机碳（SOC）含量, 且提升幅度高于对应土壤SOC提升幅度. 相关分析进一步表明, 土壤碳投入量与大团聚体有机碳含量相关性最高（r=0.856, P < 0.01）, 表明外源碳投入促进了土壤中粉黏粒、微团聚体进一步团聚, 进而形成大团聚体, 同时提高大团聚体有机碳含量.
施肥可通过改变土壤养分供应直接影响作物产量形成, 同时施肥通过影响土壤团聚体形成、团聚体有机碳固存以及微生态环境, 间接影响产量形成. 本研究中以化肥配施（生物）有机肥处理的小麦产量最高, 小麦产量与土壤碳投入量、大团聚体有机碳含量、土壤总有机碳含量以及碳组分（cPOC和iPOC）均存在极显著正相关性, 土壤新增有机碳投入主要向未受保护的粗颗粒有机碳（cPOC）和受物理保护的大团聚体中微团聚体内颗粒有机碳（iPOC）富集, 并进一步促进土壤大团聚体的形成及有机碳含量. 这些有机碳组分成为了土壤新增有机碳的主要载体, 即形成“大团聚体周转”为核心土壤团聚过程[32], 一方面大团聚体周转本身会释放部分养分物质供作物营养和生殖生长, 促进产量形成；另一方面, 通过有机碳投入创造的良好的土壤生态环境, 一定程度上改善了土壤水热条件, 为旱作小麦增产提供了基础条件.
3.2 长期施肥对大团聚体有机碳组分变化的影响土壤有机碳可以根据有机碳保护机制, 分为未受保护活性组分（cPOC和fPOC）、受物理保护组分（iPOC）以及受化学或生物化学保护惰性碳组分（s+c_f和s+c_m）, 土壤不同组分有机碳在土壤有机碳的累积和稳定中起着不同的作用. 本研究采用“团聚体-密度”联合分组法从有机碳保护机制探究土壤有机碳组分变化特征, 发现所有施肥处理下大团聚体中cPOC和fPOC两碳组分储量的占比较低, 分别为3.09%~6.75%和1.15%~2.41%（表 2）, 原因是这两部分碳组分属于未受保护的高活性碳库[33, 34], 以游离或结合在微团聚体表面的颗粒态存在, 容易被作物吸收利用, 同时也是微生物分解的主要部分[35], 因此这两部分碳组分容易被转化利用而降低其在有机碳储量中的分配比例. 本研究中, 单施化肥显著提高了cPOC储量占比, 化肥配施（生物）有机肥显著提高了cPOC和fPOC储量占比, 有机无机肥配施更有利于土壤团聚体活性有机碳的含量提升[36]. 有研究认为土壤中较多作物残茬有机碳物料的投入是土壤cPOC增加的主要原因[37], 有机无机肥配施处理提高了作物残茬碳投入量[38], 高水平有机碳的投入与未受保护碳组分含量的累积紧密相关[7]；但Xu等[39]对东北黑土的研究表明, 长期有机无机肥配施对cPOC和fPOC均无显著影响, 原因可能是湿润低温的土壤环境在一定程度上抑制了植物残体和秸秆的分解, 减少了cPOC和fPOC投入. 碳组分iPOC是通过团聚体包裹而与土壤酶和微生物隔离, 从而发挥土壤有机碳的物理保护机制[40], 本研究发现, 与不施肥相比, 不同施肥处理均显著提高了大团聚体中iPOC含量（图 4）, 进而不同程度提高了团聚体中iPOC储量占比, 且除农户处理（NP）, 其余处理的iPOC储量占比均显著高于不施肥对照处理（表 2）. 原因可能是不同施肥处理通过提高土壤有机碳含量, 促进了土壤的团聚作用, 进而促进大团聚体中微团聚体的形成, 从而提高了土壤有机碳的物理保护机制, 减少其矿化分解并促进新的iPOC碳组分在新形成的微团聚体中累积[41, 42], 且表现出配施有机肥处理对iPOC含量的提高优于化肥处理. 另外, 结合有机碳投入量与各有机碳组分储量（cPOC、fPOC和iPOC）之间存在较强的线性关系（图 6）, 进一步表明本研究中黄土旱塬麦田土壤尚未达到碳饱和, 通过实施合理的施肥措施可进一步提高黄土旱塬麦田土壤的碳固存.
受生物化学保护和化学保护的有机碳组分s+c_f和s+c_m是由有机物分解的最终产物与土壤黏粒和粉粒结合而成, 稳定性较强, 属于惰性矿物结合态有机碳[43, 44]. 本研究中, 土壤团聚体中s+c_f和s+c_m碳储量分别占到62.6%~77.6%和16.23%~23.49%（表 2）, 是土壤团聚体有机碳的主要储藏场所. 化肥配施（生物）有机肥显著降低了土壤团聚体中s+c_f的储量占比, 原因可能是施有机肥促进土壤颗粒的团聚作用, 促使土壤粉黏粒向团聚体颗粒的转变, 而土壤中粉黏粒含量直接影响着粉黏粒结合碳储量[45], 进而减少了s+c_f碳储量占比；本试验中, 化肥配施（生物）有机肥（NPKM和NPKB）较单施肥化肥处理（NP和NPK）可以更大程度促进s+c_f向cPOC、fPOC和iPOC的转化.
4 结论黄土旱塬麦区, 有机无机肥配施较不施肥显著提高了土壤和大团聚体中SOC含量, 且对大团聚体SOC提升幅度更大. 从大团聚体有机碳组分含量来看, 以未受保护的细颗粒有机碳（fPOC）含量最高, 受物理保护的微团聚体颗粒有机碳（iPOC）含量最低. 从大团聚体有机碳组分储量来看, 则以受化学或生物化学保护的粉+黏颗粒有机碳（s+c_f）的储量占比最高, 以未受保护的fPOC储量占比最低. 黄土旱塬麦区施肥尤其是有机无机配施可促进大团聚体中游离态粉+黏颗粒有机碳（s+c_f）向粗颗粒有机碳（cPOC）、细颗粒有机碳（fPOC）和微团聚体颗粒有机碳（iPOC）的转化. 小麦籽粒产量与土壤碳投入量、大团聚体中有机碳及碳组分（cPOC和iPOC）存在极显著正相关关系.
| [1] | Six J, Elliott E T, Paustian K. Soil macroaggregate turnover and microaggregate formation: a mechanism for C sequestration under no-tillage agriculture[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2000, 32(14): 2099-2103. DOI:10.1016/S0038-0717(00)00179-6 |
| [2] |
刘亚龙, 王萍, 汪景宽. 土壤团聚体的形成和稳定机制: 研究进展与展望[J]. 土壤学报, 2023, 60(3): 627-643. Liu Y L, Wang P, Wang J K. Formation and stability mechanism of soil aggregates: progress and prospect[J]. Acta Pedologica Sinica, 2023, 60(3): 627-643. |
| [3] |
白怡婧, 刘彦伶, 李渝, 等. 长期不同施肥和耕作对坡耕地黄壤团聚体组成及有机碳的影响[J]. 中国水土保持科学, 2021, 19(2): 52-60. Bai Y J, Liu Y L, Li Y, et al. Effect of long-term different tillage and fertilization measures on aggregates composition and organic carbon in yellow soil slope cultivated land[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2021, 19(2): 52-60. |
| [4] |
孟艳, 沈亚文, 孟维伟, 等. 生物炭施用对农田土壤团聚体及有机碳影响的整合分析[J]. 环境科学, 2023, 44(12): 6847-6856. Meng Y, Shen Y W, Meng W W, et al. Effect of biochar on agricultural soil aggregates and organic carbon: a Meta-analysis[J]. Environmental Science, 2023, 44(12): 6847-6856. |
| [5] | Li Y P, Wang J, Shao M A. Application of earthworm cast improves soil aggregation and aggregate-associated carbon stability in typical soils from Loess Plateau[J]. Journal of Environmental Management, 2021, 278. DOI:10.1016/j.jenvman.2020.111504 |
| [6] |
谢钧宇, 彭博, 王仁杰, 等. 长期不同施肥对塿土大团聚体中有机碳组分特征的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2019, 25(7): 1073-1083. Xie J Y, Peng B, Wang R J, et al. Effects of long-term different fertilizations on organic carbon fractions of macroaggregates in Anthrosol[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2019, 25(7): 1073-1083. |
| [7] |
曹寒冰, 谢钧宇, 洪坚平. 长期不同施肥复垦土壤大团聚体中各有机碳组分的变化特征[J]. 煤炭学报, 2021, 46(3): 1046-1055. Cao H B, Xie J Y, Hong J P. Variation characteristics of organic carbon fractions within macroaggregates under long-term different fertilization regimes in the reclaimed soil[J]. Journal of China Coal Society, 2021, 46(3): 1046-1055. |
| [8] | Zhang X K, Wu X, Zhang S X, et al. Organic amendment effects on aggregate-associated organic C, microbial biomass C and glomalin in agricultural soils[J]. CATENA, 2014, 123: 188-194. DOI:10.1016/j.catena.2014.08.011 |
| [9] | Liu D D, Ju W L, Jin X L, et al. Associated soil aggregate nutrients and controlling factors on aggregate stability in semiarid grassland under different grazing prohibition timeframes[J]. Science of the Total Environment, 2021, 777. DOI:10.1016/j.scitotenv.2021.146104 |
| [10] |
王子龙, 胡斐南, 赵勇钢, 等. 土壤胶结物质分布特征及其对黄土大团聚体稳定性的影响[J]. 水土保持学报, 2016, 30(5): 331-336. Wang Z L, Hu F N, Zhao Y G, et al. Distribution characteristics of soil cementing material and its effect on Loess macro-aggregate stability[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2016, 30(5): 331-336. |
| [11] | He Y T, Zhang W J, Xu M G, et al. Long-term combined chemical and manure fertilizations increase soil organic carbon and total nitrogen in aggregate fractions at three typical cropland soils in China[J]. Science of the Total Environment, 2015, 532: 635-644. DOI:10.1016/j.scitotenv.2015.06.011 |
| [12] | Li J H, Zhang R, Cheng B H, et al. Effects of nitrogen and phosphorus additions on decomposition and accumulation of soil organic carbon in alpine meadows on the Tibetan Plateau[J]. Land Degradation & Development, 2021, 32(3): 1467-1477. |
| [13] | Six J, Elliott E T, Paustian K, et al. Aggregation and soil organic matter accumulation in cultivated and native grassland soils[J]. SoilScience Society of America Journal, 1998, 62(5): 1367-1377. DOI:10.2136/sssaj1998.03615995006200050032x |
| [14] |
王小利, 郭振, 段建军, 等. 黄壤性水稻土有机碳及其组分对长期施肥的响应及其演变[J]. 中国农业科学, 2017, 50(23): 4593-4601. Wang X L, Guo Z, Duan J J, et al. The changes of organic carbon and its fractions in yellow paddy soils under long-term fertilization[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2017, 50(23): 4593-4601. |
| [15] |
李顺, 李廷亮, 方玲, 等. 施肥覆膜对旱地小麦产量形成及土壤有机碳组分的影响[J]. 应用与环境生物学报, 2019, 25(3): 603-610. Li S, Li T L, Fang L, et al. Effects of fertilization and plastic film mulching on yield formation and soil carbon pool of dry land wheat[J]. Chinese Journal of Applied and Environmental Biology, 2019, 25(3): 603-610. |
| [16] | Wei L, Ge T D, Zhu Z K, et al. Comparing carbon and nitrogen stocks in paddy and upland soils: Accumulation, stabilization mechanisms, and environmental drivers[J]. Geoderma, 2021, 398. DOI:10.1016/j.geoderma.2021.115121 |
| [17] |
王艳玲, 蒋发辉, 徐江兵, 等. 长期配施有机肥对旱地红壤微团聚体中有机碳含量的影响[J]. 土壤通报, 2018, 49(2): 377-384. Wang Y L, Jiang F H, Xu J B, et al. Micro-aggregate associated organic carbon in Red Soil as affected by long-term application of combined organic-inorganic fertilizers[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2018, 49(2): 377-384. |
| [18] |
章孜亮. 监控施肥对旱地冬小麦产量、土壤肥力及环境的影响[D]. 杨凌: 西北农林科技大学, 2012. Zhang Z L. Effects of monitoring fertilization on wheat yield, soil fertility and environment on dryland[D]. Yangling: Northwest A & F University, 2012. |
| [19] |
曹寒冰, 王朝辉, 师渊超, 等. 渭北旱地冬小麦监控施氮技术的优化[J]. 中国农业科学, 2014, 47(19): 3826-3838. Cao H B, Wang Z H, Shi Y C, et al. Optimization of nitrogen fertilizer recommendation technology based on soil test for winter wheat on weibei dryland[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2014, 47(19): 3826-3838. |
| [20] |
王纯, 陈晓旋, 陈优阳, 等. 水盐梯度对闽江河口湿地土壤水稳性团聚体分布及稳定性的影响[J]. 环境科学学报, 2019, 39(9): 3117-3125. Wang C, Chen X X, Chen Y Y, et al. Effects of hydrologic and salinity gradients on the distribution and stability of wetland soil water-stable aggregates in the Min River estuary[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2019, 39(9): 3117-3125. |
| [21] |
徐伟. 高粱和绿豆秸秆还田下土壤固碳和矿化特征及其对温度和水分的响应[D]. 太谷: 山西农业大学, 2022. Xu W. Soil organic carbon sequestration and mineralization charcteristics and the responses to temperature and moisture under straw returning of sorghum and mung bean[D]. Taigu: Shanxi Agricultural Universtiy, 2022. |
| [22] |
王良, 刘元元, 钱欣, 等. 单季麦秸还田促进小麦-玉米周年碳效率和经济效益协同提高[J]. 中国农业科学, 2022, 55(2): 350-364. Wang L, Liu Y Y, Qian X, et al. The single season wheat straw returning to promote the synergistic improvement of carbon efficiency and economic benefit in wheat-maize double cropping system[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2022, 55(2): 350-364. |
| [23] |
李有兵, 李锦, 李硕, 等. 秸秆还田下减量施氮对作物产量及养分吸收利用的影响[J]. 干旱地区农业研究, 2015, 33(1): 79-84, 152. Li Y B, Li J, Li S, et al. Effects of reducing nitrogen application on crop yields, nutrients uptake and utilization with straw incorporation[J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2015, 33(1): 79-84, 152. |
| [24] |
黄璐, 赵国慧, 李廷亮, 等. 秸秆还田对黄土旱塬麦田土壤团聚体有机碳组分的影响[J]. 农业工程学报, 2022, 38(13): 123-132. Huang L, Zhao G H, Li T L, et al. Effects of straw returning on the organic carbon components of soil aggregates in wheat fields on the loess plateau[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2022, 38(13): 123-132. |
| [25] |
杜章留, 张庆忠, 任图生. 农田土壤碳饱和机制研究进展[J]. 土壤与作物, 2015, 4(2): 49-56. Du Z L, Zhang Q Z, Ren T S. Advances of soil carbon saturation mechanisms in agroecosystems[J]. Soil and Crop, 2015, 4(2): 49-56. |
| [26] | Zhao Y N, Zhang Y Q, Liu X Q, et al. Carbon sequestration dynamic, trend and efficiency as affected by 22-year fertilization under a rice-wheat cropping system[J]. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 2016, 179(5): 652-660. DOI:10.1002/jpln.201500602 |
| [27] | Castellano M J, Mueller K E, Olk D C, et al. Integrating plant litter quality, soil organic matter stabilization, and the carbon saturation concept[J]. Global Change Biology, 2015, 21(9): 3200-3209. DOI:10.1111/gcb.12982 |
| [28] | Thapa V R, Ghimire R, Adhikari K P, et al. Soil organic carbon sequestration potential of conservation agriculture in arid and semi-arid regions: A review[J]. Journal of Arid Environments, 2023, 217. DOI:10.1016/j.jaridenv.2023.105028 |
| [29] |
徐英德. 基于保护性农业的土壤固碳过程研究进展[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2022, 30(4): 658-670. Xu Y D. Conservation agriculture-mediated soil carbon sequestration: A review[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2022, 30(4): 658-670. |
| [30] |
毛霞丽, 邱志腾, 张爽, 等. 不同母质发育土壤团聚体分布对外源输入秸秆的响应及其与有机碳矿化的关系[J]. 环境科学, 2020, 41(6): 2842-2851. Mao X L, Qiu Z T, Zhang S, et al. Response of aggregate distribution to input straw and their linkages to organic carbon mineralization in soils developed from five different parent materials[J]. Environmental Science, 2020, 41(6): 2842-2851. |
| [31] |
杨阳, 窦艳星, 王宝荣, 等. 黄土高原土壤有机碳固存机制研究进展[J]. 第四纪研究, 2023, 43(2): 509-522. Yang Y, Dou Y X, Wang B R, et al. Advances in soil organic carbon sequestration mechanisms on the Chinese Loess Plateau[J]. Quaternary Sciences, 2023, 43(2): 509-522. |
| [32] |
邱晓蕾, 宗良纲, 刘一凡, 等. 不同种植模式对土壤团聚体及有机碳组分的影响[J]. 环境科学, 2015, 36(3): 1045-1052. Qiu X L, Zong L G, Liu Y F, et al. Effects of different cultivation patterns on soil aggregates and organic carbon fractions[J]. Environmental Science, 2015, 36(3): 1045-1052. |
| [33] |
郝翔翔, 王翠, 邹文秀, 等. 典型黑土的黑度与土壤有机质组分关系研究[J]. 土壤学报, 2023, 60(5): 1421-1429. Hao X X, Wang C, Zou W X, et al. Study on the relationship between blackness and soil organic matter fractions of typical mollisol[J]. Acta Pedologica Sinica, 2023, 60(5): 1421-1429. |
| [34] | Lavallee J M, Soong J L, Cotrufo M F. Conceptualizing soil organic matter into particulate and mineral-associated forms to address global change in the 21st century[J]. Global Change Biology, 2020, 26(1): 261-273. DOI:10.1111/gcb.14859 |
| [35] | Yang F, Tian J, Meersmans J, et al. Functional soil organic matter fractions in response to long-term fertilization in upland and paddy systems in South China[J]. CATENA, 2018, 162: 270-277. DOI:10.1016/j.catena.2017.11.004 |
| [36] |
刘欣宇, 卢江, 孟璇, 等. 不同施肥措施下长江经济带地区农田土壤有机碳含量的变化分析[J]. 环境科学, 2023, 44(8): 4647-4654. Liu X Y, Lu J, Meng X, et al. Analysis on change in soil organic carbon content of farmland in Yangtze River economic belt under different fertilizing measures[J]. Environmental Science, 2023, 44(8): 4647-4654. |
| [37] | Jafarzadeh-Haghighi A H, Shamshuddin J, Hamdan J, et al. Structural composition of organic matter in particle-size fractions of soils along a climo-biosequence in the main range of peninsular malaysia[J]. Open Geosciences, 2016, 8(1): 503-513. DOI:10.1515/geo-2016-0034 |
| [38] |
张奇茹, 谢英荷, 李廷亮, 等. 有机肥替代化肥对旱地小麦产量和养分利用效率的影响及其经济环境效应[J]. 中国农业科学, 2020, 53(23): 4866-4878. Zhang Q R, Xie Y H, Li T L, et al. Effects of organic fertilizers replacing chemical fertilizers on yield, nutrient use efficiency, economic and environmental benefits of dryland wheat[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2020, 53(23): 4866-4878. |
| [39] | Xu X R, Zhang W J, Xu M G, et al. Characteristics of differently stabilised soil organic carbon fractions in relation to long-term fertilisation in Brown Earth of Northeast China[J]. Science of the Total Environment, 2016, 572: 1101-1110. DOI:10.1016/j.scitotenv.2016.08.018 |
| [40] | Li S Y, Gu X, Zhuang J, et al. Distribution and storage of crop residue carbon in aggregates and its contribution to organic carbon of soil with low fertility[J]. Soil and Tillage Research, 2016, 155: 199-206. DOI:10.1016/j.still.2015.08.009 |
| [41] | Huang S, Rui W Y, Peng X X, et al. Organic carbon fractions affected by long-term fertilization in a subtropical paddy soil[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2010, 86(1): 153-160. DOI:10.1007/s10705-009-9279-2 |
| [42] | Tian J, Lou Y L, Gao Y, et al. Response of soil organic matter fractions and composition of microbial community to long-term organic and mineral fertilization[J]. Biology and Fertility of Soils, 2017, 53(5): 523-532. DOI:10.1007/s00374-017-1189-x |
| [43] | Angst G, Mueller K E, Kögel-Knabner I, et al. Aggregation controls the stability of lignin and lipids in clay-sized particulate and mineral associated organic matter[J]. Biogeochemistry, 2017, 132(3): 307-324. DOI:10.1007/s10533-017-0304-2 |
| [44] |
王朔林, 王改兰, 赵旭, 等. 长期施肥对栗褐土有机碳含量及其组分的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2015, 21(1): 104-111. Wang S L, Wang G L, Zhao X, et al. Effect of long-term fertilization on organic carbon fractions and contents of cinnamon soil[J]. Jonranl of Plant Nutrition and Fertilizer, 2015, 21(1): 104-111. |
| [45] | Lavallee J M, Soong J L, Francesca C M. Conceptualizing soil organic matter into particulate and mineral-associated forms to address global change in the 21st century[J]. Global Change Biology, 2020, 26(1): 261-273. DOI:10.1111/gcb.14859 |