有机肥部分替代化肥对中国西北地区沙质土壤团聚体稳定性与有机碳含量的影响

《Agriculture》：Effects of Partial Substitution of Chemical Fertilizers with Organic Fertilizers on Aggregate Stability and Organic Carbon Content in Sandy Soil Shuai Li, Junfeng Zhao, Yang Chen, Mingshou Fan, Jing Yu and Xiaohua Shi

本文通过连续四年田间定位试验，探讨了有机肥施用对沙质土壤团聚体稳定性和土壤有机碳（SOC）固存能力的影响。研究发现，在0-20厘米土层，100%有机肥替代（T3处理）可显著提升>2毫米和2-0.25毫米大团聚体比例，并大幅提高团聚体平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）。有机肥施用显著增加了大团聚体中的有机碳储量，且团聚体稳定性指标（MWD、GMD、R>0.25）与大团聚体（>2毫米）中的SOC含量呈极显著正相关。研究表明，有机肥施用为沙质土壤中大团聚体的形成提供了有利条件，增强了团聚体稳定性，提升了土壤肥力状况，对改善西北地区土壤质量、保障粮食安全和应对气候变化具有重要理论与实践意义。

　　

引言

土壤有机碳（SOC）是土壤肥力的核心，也是土壤系统的重要组成部分。它不仅通过调节土壤功能直接影响土壤质量，还通过参与碳循环过程间接影响全球气候变化。全球陆地SOC储量约为1200-2500 Pg，大约是大气碳库的两倍，陆地生物量碳库的三倍。作为受人类活动影响最显著、最具动态性的陆地碳库，SOC的微小波动都可能导致大气CO₂浓度的显著变化。因此，深入研究SOC动态对于应对全球气候变化具有重要意义。

SOC在保障国家粮食安全中也扮演着不可或缺的角色。在华北干旱地区，SOC增加0.1%相当于提高粮食生产力0.8吨/公顷；在南方水稻区，相当于提高0.6吨/公顷。每公顷土壤固存1.0吨有机碳，粮食作物产量平均增加约0.7吨/公顷。当SOC从5克/千克增加到20克/千克时，小麦产量可提高10%，而氮肥施用量则可减少70%。SOC动态受气候、植被、土壤母质、地形、时间等自然因素以及人类活动的共同影响。其中，秸秆还田、施用有机肥等有机物料投入，显著影响着SOC的含量和组成。

作为土壤结构的基本单元，土壤团聚体在SOC固存中起着关键作用。其稳定性直接影响SOC的保留和土壤系统的功能。土壤团聚体稳定性受土壤质地、微生物菌丝、土壤有机质含量等多种土壤理化性质的影响。施肥措施也会影响土壤团聚体的平均重量直径（MWD），这主要源于团聚体形成和稳定机制的差异。土壤团聚体通常是由粘土和粉粒颗粒与有机质等粘结剂胶结形成微团聚体（<0.25毫米），然后通过微生物分泌物和菌丝结合形成大团聚体（>0.25毫米）。SOC的胶结作用是这一过程的关键。施用有机肥可以增加>2毫米和2-0.25毫米粒径团聚体的比例，并增强土壤稳定性。长期单施化肥会削弱团聚体稳定性，而外源有机碳通过包裹作用降低团聚体破碎速率、延长其周转周期，同时有助于破碎后大团聚体的快速重组。这是因为有机物料的应用直接补充了大量不稳定的有机质，增加了SOC含量，增强了微生物活性，从而改变了团聚体内有机碳的固存形式。长期施用有机肥可显著促进大团聚体的形成和比例，降低粉粒和粘粒含量，并提高各粒径团聚体中的SOC含量，导致表层土壤团聚体内的有机碳显著高于下层。

尽管大量研究证实了有机肥对SOC和团聚体的改善作用，但针对沙质土壤这一特定土壤类型的研究仍然相对有限。沙质土壤是中国西北地区农业生产系统中的主要土壤质地类型，其保水保肥能力差、有机质含量低、团聚体稳定性弱，对可持续农业生产构成挑战。因此，深入研究有机肥施用对沙质土壤SOC和团聚体稳定性的影响，对于协同提升区域土壤质量和作物生产力具有重要的理论和实践意义。

材料与方法

2.1. 试验设计

试验地点位于内蒙古察右中旗（41°16′ N, 112°37′ E），海拔约1700米。该地区属温带大陆性季风气候，年均气温1.3 °C，无霜期约100天，年均降水量300毫米。供试土壤来自一块连续四年（2018-2021年）进行有机肥替代处理的田地（2018年种植马铃薯，2019和2020年种植小麦，2021年再次种植马铃薯）。

共设置五个处理：不施肥（Ctrl）、100%化肥（T0）、30%有机肥替代（T1）、60%有机肥替代（T2）和100%有机肥替代（T3）。替代原则是确保所有处理与100%化肥处理（T0）相比，氮（N）、磷（P₂O₅）和钾（K₂O）的总养分投入量相等。有机肥替代比例按纯氮施用量计算，磷钾不足部分用化肥补充。所用有机肥有机质含量为46%，N 2.14%，P₂O₅1.24%，K₂O 2.18%。

每个处理重复三次，采用随机区组设计，小区面积为9米×10米，小区间以1.8米宽的缓冲区隔开。有机肥和化肥根据相应作物每年施用一次，所有肥料均作为基肥施入。

2.2. 团聚体分级与样品分析

在土壤分级前，将土样沿自然破裂面轻轻破碎成10-12毫米大小的土块，并去除可见的植物残体和石块。团聚体粒径分布采用湿筛法测定，将团聚体分为>2毫米（大团聚体）、2-0.25毫米（小团聚体）、0.25-0.053毫米（微团聚体）和<0.053毫米（粉粘粒）四个粒级。同时采用干筛法测定机械稳定性团聚体参数。土壤pH值采用水土比1:5提取测定；全氮采用硫酸-催化剂消化后标准酸滴定法测定；有效磷采用碳酸氢钠提取-钼锑抗分光光度法测定；速效钾采用醋酸铵提取-火焰光度法测定。土壤有机碳采用重铬酸钾外加热法测定。土壤含水量采用105°C恒温电热烘箱烘干法测定。土壤容重采用环刀法测定。土壤比重采用比重瓶法测定。土壤质地通过激光衍射粒度分析仪测定。

2.3. 计算公式

本研究采用了以下关键计算公式：

1. 1.
   计算各粒径土壤机械稳定性团聚体和水稳性团聚体质量百分比的公式。
2. 2.
   计算机械稳定性团聚体和水稳性团聚体中大团聚体（>0.25毫米）含量百分比（R_>0.25）的公式。
3. 3.
   计算土壤团聚体平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）的公式。
4. 4.
   计算不同粒径团聚体对全土有机碳贡献率（Fi）的公式。
5. 5.
   计算特定粒径团聚体内有机碳储量（Si）的公式。
6. 6.
   计算土壤孔隙度（Pt）的公式。

2.4. 统计分析

采用Microsoft Excel 2019和SPSS 27.0进行数据处理和统计分析，使用OriginPro 2021制作图表。数据进行单因素方差分析，处理间均值比较采用Duncan多重比较检验，显著性水平设为<0.05。对于不符合方差齐性假设的数据，采用Kruskal-Wallis检验进行总体比较，随后进行Dunn多重比较检验，显著性水平设为<0.05。所有数据均以平均值±标准差表示。

结果

3.1. 不同处理间土壤含水量、容重和孔隙度的差异

在0-20厘米土层，T3处理的土壤含水量显著高于Ctrl处理。具体而言，T3处理相比T0处理增加了8.18%。

在20-40厘米土层，所有施肥处理组（T0至T3）的土壤含水量均显著高于Ctrl处理，但不同施肥处理之间无显著差异。

在0-20厘米和20-40厘米土层，有机肥施用对土壤容重无显著影响。

在0-20厘米土层，土壤总孔隙度与有机肥施用比例呈正相关，T3处理的土壤孔隙度与T0处理存在显著差异，T3值更高，增加了12.97%。在20-40厘米土层，各处理间无显著差异，这一趋势与土壤容重的变化类似。

3.2. 有机肥替代对土壤团聚体的影响

在0-20厘米土层，各处理的机械稳定性团聚体含量随团聚体粒径减小呈先增加后降低的趋势。不同施肥处理显著改变了各粒径团聚体的含量。与T0处理相比，T3处理下>2毫米团聚体含量显著增加了19.59%。T3、T2和T1处理下2-0.25毫米团聚体含量相比T0增加了8.52%至15.13%。相反，与T0相比，T1至T3处理使0.25-0.053毫米团聚体含量降低了16.20%至35.01%，并使<0.053毫米团聚体比例降低了32.30%至59.95%。

在20-40厘米土层，机械稳定性团聚体含量总体上随团聚体粒径减小而降低。与T0相比，有机肥处理显著提高大团聚体（>2毫米）含量5.70%至9.45%，但对2-0.25毫米团聚体比例无显著影响。同时，有机肥处理下0.25-0.053毫米团聚体含量降低了16.97%至28.08%，<0.053毫米团聚体含量降低了37.83%至39.96%。

研究结果表明，0-20厘米土层水稳性团聚体的粒径分布特征与机械稳定性团聚体相似，2-0.25毫米粒级同样占比最高。与T0相比，T1、T2和T3处理显著增加了>2毫米和2-0.25毫米团聚体的比例，同时显著降低了0.25-0.053毫米和<0.053毫米团聚体的含量。在20-40厘米土层，与机械稳定性团聚体趋势相似，随着有机肥的施用，>2毫米团聚体比例增加，而0.25-0.053毫米和<0.053毫米粒级比例下降。

3.3. 有机肥替代对土壤团聚体稳定性的影响

直径大于0.25毫米的土壤团聚体通常被称为大团聚体（R_>0.25）。分析不同处理下R_>0.25含量发现，在0-20厘米土层，T1至T3处理显著高于T0处理，相比T0增加了8.17%至16.81%。在20-40厘米深度，T1至T3处理相比T0增加了5.75%至8.53%，且增加幅度随有机肥施用比例提高而递增。对于水稳性团聚体，0-20厘米土层的变化趋势与机械稳定性团聚体一致。在20-40厘米深度，施用T3处理使R_>0.25含量比T0处理增加了9.01%。

进一步分析表明，在0-20厘米深度，有机肥施用提高了机械稳定性团聚体的MWD和GMD值。与T0相比，T1至T3处理下MWD显著增加了7.49%至17.91%，GMD增加了21.49%至50.43%。在20-40厘米土壤深度，与T0相比，T1至T3处理使MWD提高了5.55%至8.99%，GMD提高了17.93%至27.62%。

3.4. 有机肥替代对土壤有机碳的影响

3.4.1. 团聚体中的土壤有机碳含量

分析不同施肥处理对团聚体内SOC含量的影响发现，SOC含量通常随团聚体粒径减小而降低，并随有机肥施用比例提高而增加。

对于机械稳定性团聚体，在0-20厘米土层，与T0相比，T2和T3处理使>2毫米粒级内的SOC含量分别增加了6.97%和8.96%。与T0相比，T3处理下2-0.25毫米和0.25-0.053毫米粒级的SOC含量分别增加了13.34%和9.75%。各处理间<0.053毫米粒级内的SOC含量差异相对较小。>2毫米和2-0.25毫米粒级是20-40厘米土层中显示出显著差异的主要粒径组，其中T3处理的SOC含量高于T0处理。其他粒径组在各处理间无显著差异。

对于水稳性团聚体，0-20厘米土层SOC含量的变化趋势与机械稳定性团聚体相似。在20-40厘米土层，所有处理中，仅T3处理显著提高了>2毫米团聚体粒级中的SOC含量，比T0高6.88%。其他粒径组中SOC含量的增加无统计学显著性。

3.4.2. 土壤团聚体对SOC的贡献率

比较各粒径团聚体对全土有机碳的贡献率，结果显示，对于0-20厘米深度的机械稳定性团聚体，>2毫米粒级对全土SOC的贡献率最高，占46.16%至50.33%，而<0.053毫米粒级的贡献率最小，仅占1.00%至2.77%。T2和T3处理显著提高了>2毫米和<0.053毫米粒级的贡献率。在20-40厘米深度，施用T3处理导致>2毫米粒级的贡献率显著高于T0处理，同时降低了0.25-0.053毫米粒级的贡献率。

水稳性团聚体对SOC的贡献表现出与机械稳定性团聚体相似的特征。

3.4.3. 土壤团聚体有机碳含量与稳定性参数分析

对0-20厘米土层参数的分析表明，基于干筛法数据的相关性分析，有机碳储量与MWD、GMD和R_>0.25呈极显著正相关。MWD与>2毫米、2-0.25毫米和0.25-0.053毫米三个团聚体粒级中的SOC含量呈显著正相关。对于GMD，观察到其与>2毫米和2-0.25毫米粒级中的SOC呈极显著正相关，而与0.25-0.053毫米粒级中的SOC呈显著正相关。湿筛法数据的相关性分析也显示，SOC（含量/储量）与MWD、GMD和R_>0.25同样呈极显著正相关。MWD和GMD与所有团聚体粒径组中的SOC含量均呈正相关，且R_>0.25与MWD和GMD呈极显著正相关。

分别对干筛法和湿筛法获得的土壤物理指标和团聚体相关变量进行主成分分析（PCA）。前两个主成分（PC1和PC2）分别共同解释了总方差的78.8%和82.1%。PCA结果显示，T3处理和T0处理在PC1轴上明显分离。与T0相比，连续四年100%有机肥施用显著改变了表层土壤的性质，且改善效果最为明显。

讨论

4.1. 有机肥施用对土壤物理性质的影响

土壤容重和孔隙度是土壤物理性质的重要指标，显著影响土壤水、肥、气、热条件及作物根系生长。许多研究表明，施用有机肥可以改善土壤孔隙度，使土壤更疏松，从而缓解土壤板结，改善土壤耕性。本研究的结果与这些观点一致。增加有机肥替代比例显著降低了土壤容重并增加了土壤孔隙度。在0-20厘米土层，T3处理效果最显著，与T0相比在统计学上显著增加。相比之下，T1和T2处理与T0无显著差异。这一发现可能归因于试验持续时间相对较短，仅T3处理达到了显著的改善效果。在更深的20-40厘米土层，各处理间缺乏显著差异，这意味着有机肥施用对底土性质的影响相对有限。许多研究也表明，有机肥可以改善土壤物理结构，增加土壤含水量和养分运输能力，并部分抵消化肥对土壤物理性质的负面影响。在本研究中，T3处理显著增加了土壤含水量，特别是在0-20厘米表层。然而，对于20-40厘米土壤深度，从T0到T3的所有处理之间，含水量均无显著差异，这表明四年的有机肥施用对底土含水量的影响微乎其微。

4.2. 有机肥施用对土壤团聚体组成和稳定性的影响

作为土壤的基本结构单元，团聚体是评估土壤肥力状况的关键指标。研究中，直径>0.25毫米的团聚体统称为大团聚体，而直径<0.25毫米的称为微团聚体。大于0.25毫米的团聚体通常被认为是理想的，因为它们具有优越的养分保持、温度调节、通气和水稳性，其丰度与土壤肥力呈正相关。参数R_>0.25、MWD和GMD是重要指标：数值越高通常意味着土壤结构稳定性越强，抗侵蚀能力越高。施肥显著影响土壤团聚体，其中有机肥施用尤其能促进团聚体形成并增强稳定性。许多研究证实，施用有机肥增加了大团聚体的比例，同时降低了微团聚体含量并增强了团聚体稳定性。相比之下，化肥施用会降低大团聚体比例，增加微团聚体比例，从而降低团聚体稳定性。增加有机肥施用量可提高>2毫米团聚体含量并改善团聚体稳定性，而减少施用量则产生相反效果。施肥可增加MWD，其中有机肥处理效果最为明显，且响应因土壤和土地利用类型而异。

在本研究中，对于机械稳定性团聚体和水稳性团聚体，有机肥施用均增加大团聚体含量，减少微团聚体含量。随着有机替代比例的提高，这种趋势变得更加明显，这与先前的研究结果一致。与机械稳定性团聚体相比，20-40厘米土层的水稳性团聚体中，2-0.25毫米粒级含量最高。这是由于沙质土壤抗水蚀能力较弱；湿筛后，>2毫米团聚体的减少导致2-0.25毫米水稳性团聚体相对增加，从而使其成为该层中的主导粒级。

此外，与T0相比，T3处理显著提高了0-20厘米和20-40厘米两个土层深度的R_>0.25含量，而T0处理下的R_>0.25低于Ctrl处理。这表明长期施用化肥会降低大团聚体含量，从而降低土壤质量。同时，观察到T3处理下的团聚体稳定性参数MWD和GMD值显著高于T0处理，这与先前的研究结果一致。这些结果进一步证实，在沙质土壤中施用有机肥可以增强团聚体稳定性，改善土壤结构。

4.3. 有机肥施用对团聚体中有机碳的影响

SOC和铁/铝氧化物通过充当粘结剂，有助于土壤团聚体的形成和稳定。关于团聚体胶结作用，普遍认为在SOC含量高、铁/铝氧化物含量低的土壤中，有机碳起主导作用。许多研究发现，各种SOC组分与水稳性团聚体稳定性之间存在显著或极显著的正相关。长期施用有机肥不仅增加了团聚体内SOC的物理保护，还促进了化学抗性SOC组分的积累，从而增加了大团聚体的含量和稳定性。未对土壤中作物根系残留物进行系统分析是本研究的局限性之一。根系残留物和根际沉积物对SOC的贡献都很大。具体而言，在小麦生长季节，约27%的光合产物碳被分配到地下。相比之下，对于马铃薯，分配到地下的光合产物碳主要分配于块茎发育，根系残留物输入的碳可忽略不计。因此，在马铃薯-小麦轮作系统中，作物残留物的互补效应可能在一定程度上缓解了通常与马铃薯连作相关的SOC下降。

在本研究中，在0-20厘米深度，对于机械稳定性团聚体和水稳性团聚体，SOC主要分布在大团聚体内。这是因为有机肥促进了微团聚体和粘粒颗粒的胶结，导致形成更多的大团聚体，从而增加了这些粒级中的SOC含量。随着有机肥替代率的提高，大团聚体对全土有机碳的贡献率显著增加。研究表明，长期施用有机肥可通过增加SOC含量，显著改善团聚体稳定性，并促进大团聚体的形成和碳固存能力。大团聚体（R_>0.25）是碳固存的主要场所，而微团聚体为碳提供了更强的物理保护；两者共同调节土壤碳循环。其他研究也证实，土壤中新固定的SOC主要分布在2-0.25毫米团聚体粒级中。与先前的研究结果一致，本研究也发现SOC储量主要位于大团聚体中。在本研究中，连续四年施用有机肥后，SOC主要储存在大团聚体中，这与先前的研究结果一致。然而，随着施用年限的增加，这种趋势可能会发生变化。此外，本研究证明了各粒径团聚体中的SOC含量与团聚体稳定性参数（MWD和GMD）之间存在显著的正相关，且这些相关的强度随着有机肥替代率的提高而增加。

结论

1. 1.
   连续四年施用有机肥显著改善了0-20厘米土层土壤的物理性质，增加了土壤含水量和孔隙度，同时降低了土壤容重。
2. 2.
   有机肥施用显著改变了土壤团聚体分布。与纯化肥处理（T0）相比，100%有机肥替代处理（T3）增加了各土层大团聚体含量，降低了微团聚体含量，同时增强了各土层的团聚体稳定性参数（如MWD、GMD、R_>0.25）。SOC含量随着有机肥替代率的提高而逐步增加。大团聚体对全土SOC的贡献最大。提高替代率增加了0-20厘米土层大团聚体内的SOC储量，并降低了微团聚体内的SOC储量。
3. 3.
   相关性分析表明，>2毫米团聚体粒级中的SOC含量与MWD、GMD和R_>0.25高度相关。PCA结果进一步证实，有机肥主要通过显著增加团聚体（尤其是大团聚体）内的有机碳含量，有效增强了团聚体稳定性，进而改善了整体土壤结构稳定性和肥力。

总之，施用有机肥，特别是高比例替代，是提高中国西北地区沙质土壤肥力的关键方法。