施肥对物理分级的土壤有机碳组分影响的研究进展

王朔林，王改兰，赵 旭，陈春玉

（湖南农业大学资源环境学院，湖南 长沙 410128）

土壤有机碳是地球陆地生态系统中最大、最活跃的碳库，其储量超过了植被与大气有机碳储量之和，且较小幅度的变化，对全球的碳平衡都会产生重大影响[1]。土壤有机碳同时也是土壤肥力的基础，影响着耕地的生产力和作物的产量[2]。因此，全面了解土壤有机碳的变化方向和变化规律具有重要意义。研究发现，土壤总有机碳只能反映出矿化分解和合成的最终结果，很难及时、准确地反映土壤质量的内在变化[3]。所以，人们将土壤有机碳的研究与其分级技术相联系，研究土壤有机碳各组分的变化规律。近年来，由于人们认识到受物理保护的有机碳在固碳和肥力上发挥着重要作用[4]，且物理分级方法能够呈现原状有机碳的结构和功能，所以它已逐渐成为土壤有机碳分级的主流。

施肥是影响土壤有机碳转化和积累的重要管理措施之一，不同施肥处理下物理分级的土壤有机碳组分存在差异[5]。全面了解有机碳物理分级方法，深入分析施肥对有机碳不同组分的影响，对认识土壤有机碳的稳定性和施肥关系具有重要意义。

1 土壤有机碳的物理分级

土壤颗粒的空间排列与有机碳受保护程度密切相关，这是土壤有机碳物理分级的理论基础。依据分离的碳组分不同可以将物理方法分为：密度分级、团聚体分级、颗粒分级、团聚体-密度联合分级。研究表明，采用这些分级方法所分出的某一组分是具有某一特性的混合物，因此所得到的组分之间在组成上有重叠[6]。

1.1 密度分级

根据土壤在一定比重溶液中的沉降，用相对密度为1.6～2.0 g/cm3的重液，把不同稳定性的碳库区分开，一般分为轻组有机碳和重组有机碳[7]。

土壤轻组有机碳（LOC）包括游离态腐植酸、植物残体及腐解产物，为易分解有机碳库，与土壤呼吸速率、微生物量氮、土壤矿化等有显著的正相关。根据轻组有机碳在团聚体中分布的位置不同，Golchin等[8]进一步将其分为游离态轻组和包裹轻组两种形态。轻组有机碳仅占土壤质量的一小部分（0.03%～8.2%），对施肥等农业生产措施的反应比较敏捷；重组有机碳主要是存在于有机无机复合体中，占土壤质量的绝大部分，属于惰性碳库[9]。

1.2 团聚体分级

土壤有机碳团聚体分级依据组分粒径差异，采用湿筛和振荡分离方法获得水稳定性团聚体，一般以250 μm为界限将水稳定性团聚体分为大团聚体（m acroaggregate）和微团聚体(m icro-aggregate)两类。其中，前者细分为250～2 000 μm、>2 000 μm，后者细分为<53 μm、 53～250 μm[10]。陈恩凤等[11]将<53 μm的团聚体细分为<2 μm、2～5 μm、5～10 μm、10～53 μm。由于用沉降法分离<53 μm的微团聚体时会出现“大粒径减少，小粒径增加”现象，因此较多报道选用刘中良等[10]的分级方法。

1.3 颗粒分级

颗粒分级和团聚体分级都是按粒径大小进行的，其区别在于，颗粒分级用湿筛、六偏磷酸钠或超声波进一步分散土壤。分级的过程中团聚体被破坏，土壤颗粒均被分散为原生土壤颗粒。颗粒分级使用较多的划分方法为：砂粒（53～2 000 μm ）、粗粉粒（5～53 μm）、细粉粒（2～5 μm）、粗粘粒（0.2～2 μm）和细粘粒（＜0.2 μm）[12-13]

各颗粒级中的有机碳含量一般为：粘粒>粉粒>砂粒，且砂粒、粉粒和粘粒分别属于活性、中活性和惰性碳库。砂粒组中有机碳与砂粒没有结合，有机碳主要是腐解的植物、微生物的残体；粉粒富含植物来源的芳香族成分；粘粒富含微生物产物，对有机碳具有吸附固定的作用。

1.4 团聚体-密度联合分级

为了探明土壤有机碳与土壤结构的关系，Six 等[14-15]提出了颗粒有机碳在团聚体中的存在模式。研究结合了团聚体和密度分级方法，从53～250 μm、250～2 000 μm团聚体中分别分离出闭蓄态和游离态颗粒有机碳。闭蓄态颗粒有机碳分布在团聚体内部，游离态颗粒有机碳则主要填充在团聚体之间的大空隙中。由于两者分布不同，有机碳的稳定性也不同，前者的稳定性大于后者。有研究将大团聚体颗粒有机碳细分为粗颗粒有机碳（>250 μm）和细颗粒有机碳（53～250 μm），并将团聚体内细颗粒与粗颗粒有机碳的比值作为衡量团聚体更新速率的重要指标[16]。

2 施肥对物理分级的土壤有机碳组分的影响

2.1 对密度分级的土壤有机碳组分的影响

2.1.1 轻组有机碳 施肥可以影响轻组有机碳的含量，且肥料种类不同对其影响效果也不同。国内有研究表明，单施化肥可以提高轻组有机碳的含量[17]，且氮磷钾均衡施用效果更明显。其原因可能是施用化肥特别是氮磷钾均衡施用，使得作物的生物量加大，土壤中的根茬及残落物增多。此外，化肥的施用还可以提高作物残茬和根向有机质转化的效率，轻组有机碳的增加量大于矿化损失量，使有机碳含量有所增加[18]。但王玲莉[9]、Gong W等[19]认为，单施化肥致土壤轻组有机质含量下降，其原因可能是单施化肥促进了土壤微生物活性，提高了轻组有机碳的分解速率，且在微生物的作用下，一部分轻组有机碳向重组有机碳转化，轻组有机碳的损失量超过归还量以致含量下降。

施用有机肥也能够增加轻组有机碳的含量，且有机肥和化肥混施效果更显著。研究发现，作物秸秆处理的轻组有机碳含量高于粪肥处理，其原因在于植物残体是轻组有机碳的直接来源，同时作物秸秆主要由木质素和多酚等抗分解物质组成，与粪肥相比，不容易被微生物利用，有利于轻组有机碳的积累[20]。有研究表明，混施秸秆将秸秆与土壤混合，促进了秸秆的分解及腐殖化，加快了秸秆有机碳向土壤有机碳的转化与更新，其效果好于表施秸秆[21]。

2.1.2 重组有机碳 重组有机质是土壤有机质的主体部分，对保持土壤肥力具有重要意义。研究表明，长期施用化肥、有机肥或两者配合施用，对提高土壤中重组有机质含量的幅度大小为：有机无机肥配施>单施有机肥>单施化肥，且在施有机肥的处理中，厩肥的效果比秸秆好[21]。其原因可能是，增施有机肥特别是厩肥，增加了有机碳与土壤矿物质的粘结程度，组成的有机无机复合体不容易分解，保护了土壤有机碳，使土壤重组有机碳含量增加[22]。

2.2 对团聚体分级的土壤有机碳组分的影响

2.2.1 单施化肥 李辉信等[23]研究表明，长期单施化肥主要增加了>2 000 μm土壤团聚体有机碳的含量；雷敏等[24]认为施用化肥可以提高团聚体各组分有机碳，但影响幅度较小；向艳文等[25]分析得出：长期单施化肥后有机碳富集在250～500 μm粒径的水稳定性团聚体内。

2.2.2 单施有机肥 安婷婷等[26]研究表明，有机肥可以显著增加土壤大团聚体有机碳的含量；刘恩科等[27]认为：施有机肥处理增加的新碳主要向250～2 000 μm和＞2 000 μm的团聚体富集；徐江兵等[28]研究认为，增施肥有机肥后，大团聚体有机碳在总有机碳中所占的比例增加，其中以＞2 000 μm的有机碳增加最快，而＜53 μm的团聚体有机碳所占比例呈明显下降趋势。该结论进一步验证了Puget等[29]的观点：大团聚体由较新的有机碳胶结较小的团聚体形成，有机碳含量高于微团聚体，有机碳增加速度较微团聚体快。这是养分有效性提高和有机碳品质改善的体现。

有机肥的施入增加了土壤中作物新鲜残茬的输入量，为土壤微生物和植物根系提供了能量和养分来源，增加了土壤微生物的活性。土壤微生物和植物根系产生的较大分子的多糖和分泌物作为胶结剂参与团聚体的形成，增加了大团聚体的含量。当大团聚体的数量达到一定比例时，有机肥的施用将提高大团聚体有机碳的含量。因此，有机肥的施入先增加团聚体的数量，后提高团聚体的质量，即增加团聚体有机碳的含量。由于不同有机肥料在土壤中分解速率和残留量上的差异，以及对作物生长影响形成的有机残茬不同，导致施用不同的有机肥料时、同一粒径团聚体含碳量的变化有所差异。研究普遍认为，厩肥的促进作用较秸秆和绿肥效果明显[30]。

2.2.3 化肥与有机肥配施 化肥与有机肥配施是增加各级团聚体有机碳含量的最佳施肥手段。施用化肥能有效提高作物产量，增加根系及其分泌物等的输入，促进水稳定性团聚体的形成；而有机肥可以增加土壤有机碳的含量，其胶结作用有利于大团聚体的形成，同时稳定小团聚体被包裹在大团聚体内，保护团聚体中的有机碳。

2.3 对颗粒分级的土壤有机碳组分的影响

不同粒级中的土壤有机碳由于颗粒大小及其表面化学性质不同，因此在数量、组成、化学性质及抗分解能力上均存在本质差异，这些差异的综合作用，使不同粒级有机碳对施肥措施的反应有所不同[31-32]。

2.3.1 砂 粒 砂粒有机碳受施肥的影响最大。佟小刚等[32]提出：长期施有机肥，砂粒有机碳平均增幅是总有机碳的4.0倍，是其他各级颗粒的2.4～3.9倍。但是，单施化肥对砂粒有机碳的影响存在争议，有研究表明，长期单施化肥可以增加砂粒有机碳的含量，而有的则认为，长期单施化肥对各粒级有机碳的影响小或根本不利于各级颗粒有机碳的增加，这可能是因为化肥直接为微生物提供了有效氮源，显著促进了土壤微生物活动及有机碳分解，使其矿化损失量等于或大于归还量。

研究表明[32]，秸秆还田可以提高砂粒有机碳的含量，与施化肥比较，潮土上两处理间砂粒有机碳含量相似；但在红壤上秸秆还田砂粒有机碳含量显著低于平衡施用化肥（NPK）。秸秆还田是直接归还植株残体，有机碳输入量、砂粒有机碳含量显著高于化肥处理。但其作用效果与单施化肥比较，砂粒有机碳含量并没有显出优势，这可能是因为秸秆矿化分解与温度湿度密切相关。大量研究表明，施用粪肥可以显著提高砂粒有机碳的含量，且由于粪肥直接提供了与砂粒有机碳组成相近的有机碳组分，因此增加砂粒有机碳的效果较其他肥料好。

2.3.2 粉粒和粘粒 不同大小粉粒和粘粒有机碳对施肥有明显响应。佟小刚等[32]研究表明，单施化肥可以显著增加细粘粒有机碳的含量，且施化肥使红壤细粘粒有机碳的含量比施有机肥显著提高了4.95～10.90 g/kg。这是因为化肥为土壤微生物提供了大量速效养分，微生物活动增强，代谢分泌物增多，这些分泌物直接由粗颗粒转移至细颗粒，导致细粘粒有机碳积累增加。佟小刚等[32]还提出这样的观点：施肥可以提高各级粘粒、粉粒碳的含量，且施有机肥较施化肥提高土壤粗粉粒、细粉粒和粗粘粒有机碳含量的效果更显著。

在各级粘粉粒有机碳中，粗粉粒与细粘粒有机碳对施肥较敏感，原因可能是粗粉粒有机碳并未完全腐殖化，还包括一些活性有机质代谢中间产物；细粘粒有机碳主要来自微生物的代谢产物，因而它们在土壤养分转移中起重要作用；而细粉粒和粗粘粒有机碳高度腐殖化，极难分解。但有不同观点认为：使用化肥和有机肥后粗粉粒有机碳含量降低。樊廷录等[33]提出，长期施肥对土壤中粗细粉粒和粗粘粒有机碳的含量均无明显影响。这可能与试验所用土壤的成土母质、气候、水分等试验条件不同有关。

2.4 对团聚体内颗粒有机碳组分的影响

单施化肥对团聚体内颗粒有机碳无显著影响，而有机肥则可以促进团聚体中游离态、闭蓄态有机碳含量的提高。安婷婷等[26]研究提出，对黑土施有机肥其游离态有机碳较对照高出53.8%；王雪芬等[34]研究提出，对红壤长期施有机粪肥，闭蓄态组分有机碳含量比对照增加了184%；徐江兵等[28]也认为施有机肥可以增加闭蓄态有机碳含量，并将不同有机肥料进行了对比，结果显示：厩肥的效果最显著，秸秆、绿肥的效果次之。

大量研究表明，250～2 000 μm团聚体内细颗粒与粗颗粒有机碳的比值随着团聚体周转速率的降低而升高。徐江兵等[28]研究发现，长期施用有机肥使细颗粒有机碳显著增加，且增加幅度大于粗颗粒有机碳。这表明：有机肥的输入降低了土壤大团聚体的周转，且秸秆处理对团聚体的形成和稳定效果优于厩肥处理，原因在于：一是秸秆中木质素含量高，复制系数高，有更多的有机物质残留在土壤中稳定团聚体；二是秸秆处理的真菌数量多，而真菌菌丝是团聚体作用的主要因子。但也有研究发现，有机肥的输入加速了大团聚体的更新。这可能与土壤自身的有机碳水平有关。

3 展 望

随着全球气温上升，土壤有机碳的作用已不仅局限于对土壤肥力的影响，还与大气圈、生物圈的持续发展密切相关。土壤是缓解二氧化碳浓度上升的贮存库，而施肥可以改变土壤有机碳库的储量，因此研究施肥对有机碳各组分的影响已经成为一种趋势，且研究所使用的有机碳分级技术逐步由剧烈手段（化学分级）向轻微手段（物理分级）转移。

由于土壤有机碳成分复杂，研究方法尚不统一，使得研究结果不能相互比较。所以，在今后的研究中需要解决以下问题：（1）分级方法标准化：统一提取剂的浓度、处理时间和能量大小。（2）针对不同土壤、施肥措施，选择适合的有机碳分级方法。由于土壤和肥料性质存在差异，没有一种分级方法能适合所有的土壤和施肥措施，因此，选择适合的分级方法是研究施肥对土壤有机碳影响的关键。

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