孫豐豪，潘付艷，張志春，盛海彥*，于嘉文

(1.青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院，青海 西寧 810016；2.青海省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，青海 西寧 810001)

土壤團(tuán)聚體作為土壤的基本結(jié)構(gòu)單位，為有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化和積累提供場所，是土壤構(gòu)成的基本單元[1]，有機(jī)碳對(duì)土壤團(tuán)聚體形成、穩(wěn)定和周轉(zhuǎn)有著不可忽視的影響[2]。土壤有機(jī)碳的氧化穩(wěn)定性是衡量土壤有機(jī)碳質(zhì)量的重要指標(biāo)，關(guān)系到土壤有機(jī)碳抗氧化能力的強(qiáng)弱，一定程度上反映了土壤有機(jī)碳礦化的程度[3]。施肥是影響農(nóng)田土壤團(tuán)聚體和有機(jī)碳的重要因素，不僅能滿足農(nóng)作物生長所需求的養(yǎng)分，還能促進(jìn)土壤中有機(jī)質(zhì)的積累，提高土壤有機(jī)碳質(zhì)量，并對(duì)土壤結(jié)構(gòu)有一定的改善作用[4]。

生物質(zhì)炭是生物質(zhì)在高溫厭氧條件下熱裂解形成的富碳產(chǎn)物，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大量動(dòng)植物廢料都可被制備成生物質(zhì)炭[5]。劉曉雨[6]研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭的施入有利于提高土壤旱地有機(jī)碳及其組分含量。Joseph等[7]發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭的施入可對(duì)土壤有機(jī)碳氧化穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，且在不同的土壤性質(zhì)以及外界環(huán)境條件中影響不同。

我國生物質(zhì)炭與化肥配比施用對(duì)土壤性質(zhì)的影響在紅壤、棕壤、黑土等農(nóng)田土壤中研究較為豐富[8]，但在高寒干旱地區(qū)對(duì)栗鈣土土壤性質(zhì)的影響鮮有報(bào)道。因此，本試驗(yàn)在青海省西寧市湟中區(qū)李家山鎮(zhèn)依據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民施肥習(xí)慣研究不同配比施肥對(duì)栗鈣土團(tuán)聚體有機(jī)碳含量及其氧化穩(wěn)定性的影響，為包括施用生物質(zhì)炭在內(nèi)的不同配比施肥對(duì)高寒干旱地區(qū)土壤性質(zhì)的影響提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)位于青海省西寧市湟中區(qū)李家山鎮(zhèn)大路村(101°37′15″ E，36°40′44″ N)，海拔2 674 m，年均溫度3～5 ℃，年均降水量420 mm，年均日照時(shí)數(shù)2 400～2 500 h，無霜期130～140 d。試驗(yàn)土壤為栗鈣土，質(zhì)地砂壤；0～20 cm土層全氮1.23 g/kg，全磷1.99 g/kg，全鉀22.78 g/kg，堿解氮133 mg/kg，速效磷22 mg/kg，速效鉀107 mg/kg，pH為8.10。

1.2 試驗(yàn)材料

(1)種植作物。馬鈴薯“青薯9號(hào)”，由青海大學(xué)農(nóng)林科學(xué)院生物中心提供。

(2)配施肥料。尿素(N 46%)、磷酸二銨(N 18%，P2O546%)，由青海省海寧肥料廠提供；緩釋復(fù)混肥(N 16%，其中緩釋N 3%、P2O514%、K2O 10%)由青海省榮澤農(nóng)業(yè)生物科技有限公司提供。生物質(zhì)炭(玉米秸稈炭含碳量432 g/kg，C/N為44.74)，由南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院提供。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和樣本采集

試驗(yàn)處理分別為每公頃施300 kg尿素+300 kg磷酸二銨(NP)、300 kg尿素+300 kg磷酸二銨+7 500 kg生物質(zhì)炭(NP+C)、750 kg緩釋復(fù)混肥(RZ50)、750 kg緩釋復(fù)混肥+7 500 kg生物質(zhì)炭(RZ50+C)及空白對(duì)照(CK)5種處理。隨機(jī)區(qū)組排列，3個(gè)重復(fù)，小區(qū)面積 4 m×6 m，株距40 cm，密度為49 500株/hm2。

生物質(zhì)炭只在第一年施入，其余肥料作為基肥按照上述配比每年一次基施后覆膜，連續(xù)三年。于2017年10月馬鈴薯收獲后，按“S”型五點(diǎn)取樣法布置取樣點(diǎn)位，除去0.5 cm左右表土后，采集20 cm深土壤，四分法取約500 g樣品帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干，撿去大于2 mm的石塊、植物根系等雜物后備用。

1.4 土壤團(tuán)聚體分離和氧化穩(wěn)定性測定

采用濕篩法[9]分離土壤團(tuán)聚體，具體操作方法：將一套孔徑大小分別為2、1、0.5、0.25、0.154 mm的篩子依次固定在土壤團(tuán)聚體檢測儀上，加水并調(diào)節(jié)高度至沒過最上層篩子，以振幅3 cm頻率30次/min上下震動(dòng)10 min，收集桶中和每層篩中的土壤團(tuán)聚體，分別移至鋁盒中烘干至恒重。采用 H2SO4+K2Cr2O7外加熱法[10]測定土壤有機(jī)碳含量及各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量。

土壤有機(jī)碳氧化穩(wěn)定性的測定采用袁可能等[11]提出的方法，分別用下列條件確定土壤有機(jī)碳氧化穩(wěn)定性。

Ⅰ 0.40 mol K2Cr2O7+1∶1 H2SO4，170～180 ℃沙浴上煮沸5 min；

Ⅱ 0.27 mol K2Cr2O7+1∶2 H2SO4，150～160 ℃沙浴上煮沸5 min；

Ⅲ 0.20 mol K2Cr2O7+1∶3 H2SO4，130～140 ℃沙浴上煮沸5 min；

Ⅳ 0.13 mol K2Cr2O7+1∶5 H2SO4，120～130 ℃沙浴上煮沸5 min；

Ⅴ 0.073 mol K2Cr2O7+1∶10 H2SO4，110～120 ℃沙浴上煮沸5 min.

其中，Ⅰ測定結(jié)果為土壤總有機(jī)碳量(a)；Ⅲ測定結(jié)果為土壤易氧化有機(jī)碳量(b)；氧化穩(wěn)定系數(shù)(Kos)的計(jì)算公式為：Kos=(a-b)/b，Kos越大，土壤有機(jī)碳活性越弱、氧化穩(wěn)定性越強(qiáng)；Kos越小，土壤有機(jī)碳活性越強(qiáng)、氧化穩(wěn)定性越弱。

依據(jù)土壤有機(jī)碳氧化的難易程度將不同組分土壤有機(jī)碳分別定義為高氧化活性有機(jī)碳(F1)、中氧化活性有機(jī)碳(F2)、低氧化活性有機(jī)碳(F3)和難氧化活性有機(jī)碳(F4)[12]。其中，F(xiàn)1=Ⅴ，F(xiàn)2=Ⅳ-Ⅴ，F(xiàn)3=Ⅲ-Ⅳ，F(xiàn)4=Ⅰ-Ⅲ。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)采用SPSS 19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同配比施肥對(duì)土壤有機(jī)碳含量和氧化穩(wěn)定性的影響

由表1可知，試驗(yàn)各處理間土壤有機(jī)碳含量變幅為18.2～21.0 g/kg。除NP+C外，其余3種配比施肥土壤有機(jī)碳含量與CK無顯著差異，且NP與CK更加接近。NP+C與包括CK在內(nèi)的其他配比施肥相比土壤有機(jī)碳含量顯著降低(P<0.05)，這說明在適當(dāng)?shù)呐浔仁┓蕳l件下生物質(zhì)炭的加入激發(fā)了原有土壤有機(jī)碳的活性，加速了有機(jī)碳的礦化；生物質(zhì)炭的加入未必能夠增加土壤有機(jī)碳的含量，甚至?xí)鹜寥烙袡C(jī)碳的加快流失。

NP+C與NP、RZ50之間的Kos值無顯著差異，但在具體數(shù)值上為所有處理中的最低值，這與上述NP+C加速土壤有機(jī)碳礦化流失的現(xiàn)象具有一致性。RZ50+C與CK之間的Kos值無顯著差異，但顯著高于NP、RZ50和NP+C，即生物質(zhì)炭與緩釋復(fù)混肥的配合施用與其他施肥處理相比能夠維持土壤有機(jī)碳氧化穩(wěn)定性。

表1 不同配比施肥對(duì)土壤有機(jī)碳含量及氧化穩(wěn)定性的影響

2.2 不同配比施肥對(duì)各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量和氧化穩(wěn)定性的影響

2.2.1 不同配比施肥對(duì)各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的影響 由表2可知，與CK相比NP和RZ50+C在>2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量顯著提升，RZ50和NP+C在>2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量顯著降低；NP在1～0.5 mm粒級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量顯著提高。NP在>2 mm、1～0.5 mm粒級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量大于RZ50，在0.25～0.154 mm粒級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量則小于RZ50；NP+C在>2 mm、2～1 mm、0.25～0.154 mm、<0.154 mm粒級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量小于RZ50+C。NP+C在>2 mm、1～0.5 mm和0.25～0.154 mm三個(gè)粒級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量相較于NP分別下降了23.35%、24.52%、14.20%；RZ50+C在>2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量相較于RZ50增加24.40%，在1～0.5 mm 和0.25～0.154 mm粒級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量則分別減少11.16%、12.90%。生物質(zhì)炭與不同肥料配比施用未能顯著改變2～1 mm、0.5～0.25 mm、<0.154 mm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的占比，但在一定程度上降低了0.25～0.154 mm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的占比。

表2 不同粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳的含量

2.2.2 不同配比施肥對(duì)各粒級(jí)團(tuán)聚體氧化穩(wěn)定性的影響 不同配比施肥對(duì)Kos值的影響主要體現(xiàn)在>2 mm、1～0.5 mm、0.25～0.154 mm三個(gè)粒級(jí)團(tuán)聚體中，對(duì)2～1 mm、0.5～0.25 mm和<0.154 mm粒級(jí)團(tuán)聚體影響不明顯(表3)。與CK相比，RZ50+C的Kos值在>2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體中顯著提高，RZ50和NP+C的Kos值有所降低，NP則幾乎沒有改變；在1～0.5 mm粒級(jí)團(tuán)聚體中NP的Kos值提高幅度最大，NP+C次之，RZ50+C則有所降低；在0.25～0.154 mm粒級(jí)團(tuán)聚體中，RZ50+C的Kos值與CK之間無顯著差異，其余各處理的Kos值均顯著降低。生物質(zhì)炭與不同肥料配比施用對(duì)>2 mm，1～0.5 mm兩個(gè)粒級(jí)團(tuán)聚體的Kos值具有明顯影響，且對(duì)不同施肥配比響應(yīng)有較大不同。

表3 各粒級(jí)團(tuán)聚體的氧化穩(wěn)定性

2.3 各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳氧化難易組分占比

(1)在>2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體中，與CK相比，除NP外其余配比施肥皆使F1占比顯著提高，提高幅度順序?yàn)镹P+C、RZ50、RZ50+C；NP、RZ50兩個(gè)未配施生物質(zhì)炭的處理使F2占比有小幅度提升，在配施生物質(zhì)炭的情況下使F2顯著降低；RZ50、RZ50+C皆使F3占比降低，其中RZ50+C降低顯著；RZ50+C顯著提高了F4占比，RZ50、NP+C顯著降低了F4占比，NP對(duì)F4的占比影響較小。

(2)在2～1 mm粒級(jí)團(tuán)聚體中，與CK相比，除NP外其他配比施肥都使F1占比有所提高，NP+C提高幅度最大；NP使F2占比顯著提高，其余配比施肥均使F2占比有所降低；RZ50+C提高了F3的占比，而NP、NP+C、RZ50降低了F3占比且以NP+C降低幅度最大；RZ50+C使F4占比小幅度降低，其余配比施肥則使F4占比小幅度提高，無顯著差異。

(3)在1～0.5 mm粒級(jí)團(tuán)聚體中，與CK相比，RZ50+C使F1占比顯著提高，其余配比施肥之間差異不明顯；各配比施肥不同程度地使F2占比下降，NP降低顯著；各配比施肥對(duì)F3占比影響較?。籒P、NP+C使F4占比有較大幅度提高，RZ50+C則使F4占比顯著降低。

(4)在0.5～0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體中，與CK相比，不同配比施肥都使F1占比有所上升，且生物質(zhì)炭的施入促進(jìn)了上升趨勢，其中RZ50+C上升最為明顯；所有配比施肥均不同程度地提高了F2的占比，尤以NP最為明顯；NP+C使F3的占比顯著提高，RZ50+C使F3的占比顯著降低；NP和RZ50與CK之間F3占比無顯著差異；所有配比施肥皆使F4占比有所降低，尤以NP+C最為明顯。

(5)在0.25～0.154 mm粒級(jí)團(tuán)聚體中，與CK相比，NP、NP+C、RZ50+C配比施肥顯著增加了F1的占比，RZ50使F1占比略有降低；所有配比施肥皆使F2占比提高，但提高幅度較低；未施用生物質(zhì)炭的處理顯著提高了F3的占比，施用生物質(zhì)炭的處理與CK相比，F(xiàn)3的占比保持相對(duì)穩(wěn)定；各施肥處理均使F4占比降低，但生物質(zhì)炭的施用讓F4的占比降幅有效收窄。

(6)在<0.154 mm粒級(jí)團(tuán)聚體中，與CK相比，NP顯著降低F1占比而使F2占比顯著提高，其余配比施肥雖然使F1占比有所降低，但降低幅度不大。除RZ50+C外，其余配比施肥均使F2和F3占比有所提高，以NP提升F2占比最為顯著， NP+C、RZ50提升F3占比顯著，但前者較后者的提高幅度低且差異顯著；NP、RZ50使F4占比降低，其中以RZ50降幅最高，與單施NP、RZ50相比，生物質(zhì)炭的施入提高了該粒級(jí)F4的占比。

3 討論與結(jié)論

(1)本研究中，尿素配合磷酸二銨的常規(guī)施肥(NP)幾乎對(duì)栗鈣土有機(jī)碳含量沒有影響，但讓土壤有機(jī)碳氧化穩(wěn)定性顯著降低(P<0.05)，生物質(zhì)炭的加入不僅讓土壤有機(jī)碳含量顯著降低(P<0.05)，也讓土壤有機(jī)碳的氧化穩(wěn)定性進(jìn)一步降低，加速了土壤有機(jī)碳的礦化進(jìn)程；施用緩釋復(fù)混肥(RZ50)既能讓土壤有機(jī)碳含量有所降低，又能讓土壤有機(jī)碳的氧化穩(wěn)定性降低(P<0.05)，緩釋復(fù)混肥(RZ50)配施生物質(zhì)炭雖然讓土壤有機(jī)碳含量有微小幅度降低，但維持了土壤有機(jī)碳氧化穩(wěn)定性保持不變。這與胡立煌等[13]研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭自身攜帶部分活性物質(zhì)進(jìn)入土壤后使土壤微生物活性增強(qiáng)促進(jìn)其礦化的結(jié)果一致，但RZ50+C的Kos值大于RZ50與其研究結(jié)論相悖，這是因?yàn)樯镔|(zhì)炭施加量達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，土壤中活性較高組分所占比例降低，穩(wěn)定性較高的組分明顯增多，生物質(zhì)炭作為一種碳捕獲劑進(jìn)而抑制土壤有機(jī)碳分解[14-15]造成的。

(2)與馬莉等[16]研究發(fā)現(xiàn)的施用生物質(zhì)炭能夠提高>2 mm、2～1 mm和<0.154 mm三個(gè)粒級(jí)團(tuán)聚體中土壤易氧化有機(jī)碳含量的結(jié)論略顯不同，本研究提高了>2 mm、1～0.5 mm和0.25～0.154 mm粒級(jí)團(tuán)聚體土壤易氧化有機(jī)碳所占份數(shù)，土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳氧化穩(wěn)定性影響主要在>2 mm、1～0.5 mm兩個(gè)粒級(jí)團(tuán)聚體中，且不同配比施肥配施生物質(zhì)炭使用效果不同。

(3)Barreto等[12]認(rèn)為不同系統(tǒng)土壤有機(jī)碳氧化活性組分的差異主要發(fā)生在F1上，本試驗(yàn)中各粒級(jí)不同氧化難易組分的差異主要發(fā)生在高氧化活性有機(jī)碳上(F1)，其次為中氧化活性有機(jī)碳上(F2)，且不同粒級(jí)團(tuán)聚體之間各組分變化幅度存在較大差異，其中>2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體各氧化難以組分占比變化幅度最為顯著；生物質(zhì)炭的施入對(duì)>2 mm、2～1 mm和0.25～0.154 mm粒級(jí)團(tuán)聚體高氧化活性有機(jī)碳(F1)影響顯著；對(duì)>2 mm、1～0.5 mm、0.25～0.154 mm粒級(jí)團(tuán)聚體中氧化活性有機(jī)碳(F2)影響顯著。

(4)生物質(zhì)炭不同配比施肥對(duì)于調(diào)節(jié)各粒級(jí)團(tuán)聚體之間的有機(jī)碳含量，調(diào)節(jié)土壤有機(jī)碳氧化穩(wěn)定性，改善因施肥引起的土壤有機(jī)碳的消耗(或轉(zhuǎn)化)具有現(xiàn)實(shí)意義。