Effects of Straw Addition on Stability of Soil Aggregates and Contribution of Organic Carbon Under Different Fertilization Treatments in Black Soil
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摘要:目的 探讨黑土中添加秸秆对团聚体稳定性及有机碳贡献率的影响，为东北黑土地保护提供依据。方法 基于43年的黑土长期定位试验，选取不施肥（CK）、单施有机肥（M）、单施氮磷钾化肥（NPK）、常量有机肥配施氮磷钾化肥（MNPK）和高量有机肥配施化肥（M2N2P2）5种处理的土壤，添加等量秸秆（相当于实际生产的全量秸秆还田）后采用砂滤管法进行田间原位培养，在培养的第0、60和150 d取样分析土壤团聚体的稳定性、团聚体有机碳含量及添加秸秆对土壤有机碳的贡献率。结果 添加秸秆促进了土壤大团聚体（> 250 μm）的形成，提高了大团聚体的比例，其中，常量有机肥配施氮、磷、钾化肥处理大团聚体含量增加效果显著，高于其它施肥处理；但随着培养时间的增加大团聚体含量减少，随之团聚体的稳定性呈现下降趋势。添加秸秆能够提高土壤大团聚体有机碳的含量，且高量有机肥配施化肥处理增加效果较好。单施有机肥、单施氮磷钾化肥、常量有机肥配施氮磷钾化肥处理中添加的秸秆对大团聚体有机碳的贡献率均达到80%以上（P < 0.05）；但随着培养时间的增加，秸秆对大团聚体有机碳贡献逐渐下降，而对53 ~ 250 μm和 < 53 μm团聚体有机碳贡献率呈上升趋势，有机碳在较小粒级的土壤团聚体中积累，进一步说明添加秸秆会影响团聚体分布的比例，进而影响团聚体有机碳的贡献率。结论 添加秸秆提高了黑土团聚体稳定性和有机碳含量，高肥力（M2N2P2）黑土配合秸秆还田可以提高土壤有机碳的固存能力。Abstract:Objective To explore the effect of straw application on stability of soil aggregates and their contribution to organic carbon (C) sequestration can provide a basis for the protection of black soil in northeast China.Method Based on a long-term (43 years) experiment of black soil, five treatments, no fertilization (CK), single application of organic fertilizer (M), single application of nitrogen, phosphorus and potassium fertilizer (NPK), organic fertilizer combined with nitrogen, phosphorus and potassium fertilizer (MNPK) and high amount organic fertilizer combined with chemical fertilizer (M2N2P2) were selected. The same amount of straw (equivalent to the amount of full straw returning in the actual production) was added into silicon tube and was incubated in the field. The soil aggregate stability, organic C contents of soil aggregates and their contribution rate to soil organic C sequestration were analyzed by sampling on the 0, 60th and 150th days of incubation.Result The application of straw promoted the formation of > 250 μm macro-aggregate and increased the proportion of macroaggregates. The contents of macroaggregates increased significantly in the treatment of MNPK, which was higher than that in other fertilization treatments. However, the contents of large aggregates decreased with the increase of incubation time, and the stability of aggregates decreased. The straw addition increased the contents of organic C in > 250 μm aggregate, especially in the treatment of M2N2P2. The contribution rates of the added straw to soil organic C of > 250 μm aggregate were more than 80% (P < 0.05) in the treatments of M, NPK and MNPK. The contribution rates of added straw to soil organic C of >250 μm aggregates was decreased gradually with incubation time. However, this contribution rates to 53-250 μm and < 53 μm aggregates showed increasing trends, and organic C would accumulate in smaller soil aggregates. It further indicated that the addition of straw would affect the proportion of aggregate distribution and the contribution rate of organic C.Conclusion The application of straw can improve soil aggregate stability and organic C content. The high fertility black soil combined with straw addition can improve soil organic C sequestration.
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Keywords:
- Black soil /
- Maize straw /
- Water-stable aggregate /
- Soil organic carbon /
- Long-term fertilization
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0. 引言
【研究意义】土壤团聚体和土壤有机碳是土壤结构的重要物质基础和肥力的重要载体[1]，是评价土壤结构质量的重要指标，其动态变化能够反映土壤的理化性质和生态功能[2]。土壤有机碳是土壤团聚体形成过程中重要的胶结物质[3]，能够决定土壤肥力水平[4]。同时，团聚体形成过程能够促进土壤固碳，对土壤有机碳起到保护作用[5]。【前人研究进展】国内外研究表明，添加外源有机物料是增加团聚体稳定性、提高农业土壤有机碳质量快速而有效的途径[6]。秸秆还田不仅能够增加有机碳含量，对维持和提高土壤有机质含量以及改善土壤结构具有重要意义[7]。适当的秸秆还田能够起到稳定土壤性质和固碳等生态功能的关键作用[8]。朱锟恒等[9]研究表明，秸秆还田后其腐熟过程中产生的多糖等代谢物可以促进土壤团聚体的形成。崔荣美等[10]在渭北旱塬以秸秆还田9000 kg hm–2和13500 kg hm–2发现，连续秸秆还田3年后0 ~ 20 cm土层土壤有机质含量分别较对照提高了8.92%和9.85%，且 > 0.25 mm团聚体含量显著高于对照。黑土与棕壤连续5 a秸秆还田，研究发现在团聚体稳定性、有机碳含量及分布方面有较好的改善效果[11]。秸秆还田能够增加白浆土的有机质含量，且秸秆还田量越大效果越明显[12]。孙雪[13]等通过对华北平原潮褐土添加有机物料研究表明，秸秆还田和有机粪肥的施用可以促进大团聚体的合成提高有机碳组分含量，增强有机碳在团聚体中的富集能力。以上研究结果表明，秸秆还田后对土壤团聚体以及有机碳含量影响差异，是受土壤类型，生态环境，气候条件以及耕作措施等影响，但对土壤结构和有机碳含量均具有促进作用。【本研究切入点】黑土是我国最肥沃的土壤之一，是商品粮生产基地，自二十世纪五十年代大规模的开垦以来，由于长期高强度利用，土壤侵蚀严重，土地结构遭到破坏，土壤肥力日趋退化，有机碳含量逐渐下降[14]。近年来，关于秸秆还田对团聚体影响的研究较多，但利用长期不同施肥处理黑土进行秸秆还田后有机碳在团聚体中的变化研究较少。【拟解决的问题】本研究利用黑土长期定位施肥试验，分析其添加秸秆后各施肥处理的土壤团聚体分布、稳定性以及团聚体有机碳的变化特征，阐明秸秆添加后各粒级团聚体有机碳与团聚体稳定性间的关系，旨在为土壤固碳和黑土可持续利用提供理论依据。
1. 试验材料与方法
1.1 供试材料
试验在农业农村部哈尔滨黑土生态环境重点野外科学观测试验站（126°51′28″ E, 45°50′37″ N）进行。该试验站始建于1979年，属中温带季风气候，年平均气温为3.6 ℃；年均无霜期为150 d；年均降水量为500 mm，土壤为发育于黄土状母质上的中层黑土。试验站种植体系为小麦－大豆－玉米长期轮作。初始耕层（1979年，0 ~ 20 cm）土壤基本性质为：有机碳含量为15.5 g kg–1，全氮含量为1.47 g kg–1， 全磷（P2O5）含量为1.07 g kg–1，全钾（K2O）含量为25.16 g kg–1, 碱解氮含量为151 mg kg–1，有效磷含量为51 mg kg–1，速效钾含量为200 mg kg–1，pH为7.2。
1.2 试验设计
本研究选取长期定位试验站的5个施肥处理，各处理施肥量详见表1，每个处理4次重复。2021年春季采集不同处理0 ~ 20 cm土层原状土壤样品，当季作物为玉米。挑除植物根系等杂质后，将样品风干至含水量达到土壤塑限（含水量约在22％ ~ 25％左右），把大土块沿着脆弱带轻轻掰开，使其能通过2 mm筛子，然后继续在室温下自然风干。分别称取各处理风干土壤120 g与玉米秸秆（0.5 ~ 1 cm）1.5 g（相当于生产实际秸秆全量还田）混匀，装入砂滤管中，埋入对应处理表层0 ~ 20 cm土层进行田间原位培养。所用玉米秸秆含碳量为356 g kg–1，含氮量为10.2 g kg–1，碳氮比为34.90。分别在培养后第60 d和150 d取出。取样时将砂滤管悬空倒放，轻轻地把所有的土壤样品晃动出来，用四分法从每管土样中分别取出40 g样品，剩余的土壤重新放回砂滤管中，重新密封并埋回相应土层。
表 1 长期定位试验中不同施肥处理的施肥量Table 1. The amount of fertilizer application in long-term located fertilization experiment处理
Treatment施氮量（kg hm–2 y–1）
N施磷量（kg hm–2 y–1）
P2O5施钾量
K2O
（kg hm–2 y–1）有机肥
Horse manure
（t hm–2）小麦
Wheat大豆
Soybean玉米
Maize小麦
Wheat大豆
Soybean玉米
MaizeCK 0 0 0 0 0 0 0 0 NPK 150 75 150 75 150 75 75 0 M 0 0 0 0 0 0 0 18.6 MNPK 150 75 150 75 150 75 75 18.6 M2N2P2 300 150 300 150 300 150 0 37.2 注：CK表示不施肥; N、P、K、M（常量）分别表示施氮肥、磷肥、钾肥、有机肥； N2、P2、M2分别表示施肥量为常量的2倍；CK、NPK、M、MNPK和M2N2P2为不同的施肥处理。下同 1.3 测定方法
水稳性团聚体分级：采用湿筛法[15]利用土壤团聚体分析仪（SAA08052，上海）进行团聚体分级。室温条件下，称取过了5 mm筛风干土壤样品50 g，置于2 mm筛子上，蒸馏水中浸润5 min后，以30 次 min–1运行速度振荡30 min，振幅3 cm，依次获得 > 250 μm，53 ~ 250 μm和 < 53 μm粒级的团聚体，团聚体沉降48 h后，弃去上清液获得。各级别团聚体于60 ℃下烘干，称重，磨细过100目筛。 > 250 μm级别的团聚体为水稳性大团聚体， < 250 μm级别的团聚体（53 ~ 250 μm和 < 53 μm）为水稳性微团聚体。
土壤有机碳测定：先用1 mol L–1盐酸处理去除样品中无机碳，然后利用总有机碳分析仪（TOC multi N/C，德国）测定土壤和团聚体样品中有机碳含量。
1.4 数据处理
数据处理采用Microsoft Office Excel 2010，统计分析采用SPSS Statistics 17.0软件，运用Duncan新复极差法进行多重比较。
团聚体稳定性一般采用平均重量直径（MWD）表示:
$$ {\rm{MWD}}= {\sum} _{{i}=1}^{3}\frac{{{r}}_{{i}-1} + {{r}}_{{i}}}{2} \times {\mathrm{m}}_{{i}} $$ 式中：i为3个不同级别（> 250 μm，53 ~ 250 μm，< 53 μm）；ri−1，ri分别代表第i−1与第i个级别筛子的孔径别筛子；令r0=r1，r2=r3，mi是第i个级别水稳性团聚体质量百分含量（%）。
利用李玮等[16]方法计算各粒级团聚体对土壤有机碳的贡献率：
$$ \begin{split} &团聚体有机碳贡献率(\%)= \\ &\frac{\mathrm{该}\mathrm{级}\mathrm{团}\mathrm{聚}\mathrm{体}\mathrm{中}\mathrm{有}\mathrm{机}\mathrm{碳}\mathrm{含}\mathrm{量}\times \mathrm{该}\mathrm{级}\mathrm{团}\mathrm{聚}\mathrm{体}\mathrm{比}\mathrm{例}}{\mathrm{土}\mathrm{壤}\mathrm{有}\mathrm{机}\mathrm{碳}\mathrm{含}\mathrm{量}}\times 100 \end{split} $$ 2. 结果与分析
2.1 秸秆添加后各处理土壤总有机碳含量
添加秸秆后不同施肥处理土壤总有机碳含量存在明显差异（图1）。添加秸秆0 d，不同施肥处理（M、M2N2P2和MNPK）土壤总有机碳含量显著高于CK处理（P < 0.05）。添加秸秆培养后，土壤总有机碳含量呈增加趋势，增加幅度为10.02% ~ 69.63%（P < 0.05）。在培养60 d时，M、MNPK、M2N2P2和NPK处理与CK相比土壤总有机碳含量分别显著提高了19.59%、18.72%、22.21%和8.06%；培养180 d时，有机肥（M、MNPK、M2N2P2）处理的土壤总有机碳含量均高于CK，其中M2N2P2处理达到显著水平（P < 0.05），而NPK处理的总有机碳含量较CK降低了14.82%（P < 0.05）。随着培养时间的增加，土壤总有机碳的含量总体呈下降趋势。
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图 1 添加秸秆后不同施肥处理土壤总有机碳含量的变化小写字母表示同一培养时间不同施肥处理之间的差异性，大写字母表示同一施肥处理土壤不同培养时间之间的差异性Figure 1. Changes of soil total organic carbon contents in different fertilization treatments with straw addition2.2 添加秸秆后各处理土壤团聚体的变化特征
2.2.1 添加秸秆对土壤团聚体分布的影响
从图2可知，与添加秸秆0 d相比，添加秸秆培养后土壤各粒级团聚体发生明显变化。添加秸秆0d时，土壤大团聚体（> 250 μm）比例表现为MNPK > NPK > CK> M > M2N2P2；M和M2N2P2处理53 ~ 250 μm粒级团聚体比例高于CK处理；与CK相比，除MNPK处理外，其它处理 < 53 μm粒级团聚体比例均有所提高。与添加秸秆0 d相比，添加秸秆60 d后，各施肥处理土壤大团聚体（> 250 μm）所占比例提高；53 ~ 250 μm粒级团聚体比例降低；除M2N2P2外，土壤 < 53 μm粒级团聚体比例低于添加秸秆0 d处理。添加秸秆150 d时，除CK处理外各施肥处理大团聚体（> 250 μm）比例低于添加秸秆0 d处理；除CK外各施肥处理53 ~ 250 μm粒级团聚体比例均高于添加秸秆0 d处理；M、MNPK和M2N2P2处理 < 53 μm粒级土壤团聚体比例与添加秸秆0 d相比分别提高了2.30%，65.68%和5.00%。随着培养时间增加，各施肥处理大团聚体（> 250 μm）比例逐渐下降，53 ~ 250 μm粒级团聚体比例呈增加趋势。
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图 2 添加秸秆后不同施肥处理土壤水稳性团聚体的组成Figure 2. Composition of soil water-stable aggregates in different fertilization treatments with straw addition2.2.2 添加秸秆后团聚体稳定性的变化
MWD值是评价土壤团聚体稳定性的重要指标。添加秸秆0 d土壤团聚体的稳定性表现为MNPK > NPK > CK > M > M2N2P2，其中MNPK团聚体稳定性较CK提高了12.58%（图3）。与添加秸秆0 d相比，添加秸秆第60 d时，除M2N2P2处理外其它处理土壤团聚体MWD值增加了10.70% ~ 25.33%。添加秸秆第150 d，M2N2P2处理MWD值较添加秸秆0 d降低了12.41%。随着培养时间的增加，添加秸秆土壤MWD值呈逐渐下降趋势，表明团聚体稳定性逐渐降低。
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图 3 添加秸秆后不同施肥处理土壤团聚体MWD值Figure 3. MWD values of soil aggregates in different fertilization treatments with straw addition2.2.3 添加秸秆对土壤团聚体有机碳含量的影响
添加秸秆0 d时土壤各粒级团聚体有机碳含量表现为M2N2P2 > MNPK > NPK > M > CK，且MNPK、NPK和M2N2P2处理较CK处理达到显著水平（表2，P < 0.05）。与添加秸秆0 d相比，添加秸秆60 d时，> 250 μm和 < 53 μm粒级团聚体有机碳含量逐渐增加；添加秸秆150 d时，NPK和MNPK处理大团聚体（> 250 μm）有机碳含量分别较添加秸秆0 d降低了6.58%和17.65%；各处理53 ~ 250 μm粒级团聚体有机碳含量均降低；而在 < 53 μm粒级团聚体（除M2N2P2和CK处理外）有机碳含量呈增加趋势。
表 2 添加秸秆对不同施肥处理土壤团聚体有机碳含量的影响Table 2. Effects of straw addition on organic carbon content of soil aggregates under different fertilization treatments施肥处理
Fertilization treatment培养时间（d）
Incubation time> 250 μm团聚体（g kg–1）
> 250 μm aggregate53 ~ 250 μm团聚体（g kg–1）
53 ~ 250 μm aggregate< 53 μm团聚体（g kg–1）
< 53 μm aggregateCK 0 9.53 Bc 10.27 Bb 7.91 Ab M 9.97 Bc 10.90 Bab 7.27 Bb NPK 11.47 Ab 9.58 ABb 7.14 Ab M2N2P2 12.10 Bb 12.44 Aa 10.64 Aa MNPK 12.08 Aa 12.49 Aa 7.55 Ab CK 60 11.54 Ac 12.43 Abc 8.05 Abc M 13.49 Aa 13.34 Aab 8.63 Ab NPK 11.55 Ac 11.41 Ac 8.46 Abc M2N2P2 13.80 Aa 14.23 Aa 9.95 Aa MNPK 12.76 Ab 13.12 Aab 7.74 Ac CK 150 10.12 Bb 8.98 Bbc 7.35 Ab M 10.70 Bb 9.29 Cab 7.46 Bb NPK 10.70 Ab 8.83 Bc 7.47 Ab M2N2P2 11.92 Ba 9.58 Ba 8.71 Ba MNPK 10.36 Bb 9.45 Ba 8.34 Aa 注：大写字母表示同一处理不同培养时间之间的差异，小写字母代表同一粒级不同处理之间的差异 在整个培养期内，与CK相比，大团聚体（> 250 μm）有机碳含量逐渐增加，53 ~ 250 μm粒级中除NPK处理外团聚体有机碳含量均高于CK，< 53 μm团聚体有机碳含量中MNPK处理最低，为7.14 g kg–1；培养期内，M、M2N2P2、MNPK（除培养60 d的 < 53 μm粒级）处理能够提高各粒级团聚体中有机碳含量，且M2N2P2效果最好，达到显著水平（P < 0.05）；培养150 d时，53 ~ 250 μm和 < 53 μm粒级团聚体中，MNPK处理的有机碳含量较CK分别显著提高了5.23%，13.47%。表明随着培养时间的增加，添加秸秆后各粒级土壤团聚体有机碳含量呈现下降趋势。
2.2.4 添加秸秆对各粒级团聚体有机碳贡献率的影响
土壤团聚体有机碳的含量随团聚体粒径的减小而降低（表3）。在培养期内各处理团聚体有机碳主要分布在大团聚体（> 250 μm）中。添加秸秆0 d土壤团聚体有机碳贡献率在大团聚体（> 250 μm）中表现为 MNPK > CK > M > NPK > M2N2P2，其中MNPK处理较CK显著提升了8.87%（P < 0.05）；不同施肥处理53 ~ 250 μm粒级团聚体有机碳贡献率均高于CK处理；而 < 53 μm粒级团聚体中M和MNPK处理有机碳贡献率低于CK处理，NPK和M2N2P2处理较CK处理显著提升（P < 0.05）。
表 3 添加秸秆对不同施肥处理土壤有机碳贡献率的影响（%）Table 3. Effects of straw addition on the contribution rates of soil organic carbon under different fertilization treatments （%）施肥处理
Fertilization treatment培养时间
Incubation time （d）> 250 μm 团聚体
> 250 μm aggregate53 ~ 250 μm 团聚体
53 ~ 250 μm aggregate< 53 μm 团聚体
< 53 μm aggregateCK 0 69.08 ± 1.30 ABb 20.35 ± 0.49 Cd 9.57 ± 0.87 Abc M 65.30 ± 0.77 Cc 26.31 ± 0.60 Bc 8.4 ± 0.20 Bc NPK 55.31 ± 1.50 Bd 34.14 ± 0.86 Ab 10.55 ± 0.67 Bab M2N2P2 51.40 ± 1.46 Be 37.64 ± 1.72 Ba 10.96 ± 0.42 Ca MNPK 75.21 ± 1.25 Ba 20.66 ± 1.06 Bd 5.13 ± 0.21 Bd CK 60 69.49 ± 1.07 ABb 24.47 ± 0.86 Bb 6.23 ± 0.26 Bb M 81.39 ± 0.43 Aa 14.63 ± 0.44 Cc 3.98 ± 0.22 Cc NPK 81.65 ± 1.35 Aa 14.70 ± 1.31 Cc 3.65 ± 0.05 Cc M2N2P2 42.29 ± 1.16 Ac 37.57 ± 0.76 Ba 20.29 ± 1.33 Aa MNPK 82.68 ± 1.31 Aa 14.63 ± 1.29 Cc 2.69 ± 0.04 Bc CK 150 63.99 ± 0.78 Ca 27.53 ± 0.49 Ac 8.48 ± 0.41 Ad M 53.56 ± 0.38 Bb 34.15 ± 0.11 Ab 12.29 ± 0.28 Ac NPK 55.14 ± 1.61 Cb 32.64 ± 0.93 Bb 11.22 ± 0.73 Ac M2N2P2 37.77 ± 0.43 Cc 47.05 ± 0.75 Aa 15.19 ± 0.33 Bb MNPK 55.12 ± 1.64 Cb 27.59 ± 0.89 Ac 17.29 ± 1.42 Aa 注：大写字母表示同一处理不同培养时间差异，小写字母表示同一粒级不同处理间的差异 添加秸秆60 d各处理大团聚体（> 250 μm）有机碳贡献率高于添加秸秆0 d，53 ~ 250 μm粒级团聚体有机碳贡献率呈下降趋势（表3）。添加秸秆180 d与添加秸秆0 d相比，各处理大团聚体（> 250 μm）有机碳贡献率降低了0.31% ~ 26.71%（P < 0.01）；53 ~ 250 μm粒级团聚体（NPK处理除外）和 < 53 μm粒级团聚体（CK处理外）有机碳贡献率均增加（P < 0.01）。添加秸秆60 d时，大团聚体（> 250 μm）有机碳贡献率为42.29 ~ 82.68%，且M2N2P2处理显著低于其它处理（P < 0.05）；53 ~ 250 μm团聚体有机碳贡献率为14.63 ~ 37.53%，其中M2N2P2处理显著高于其它处理（P < 0.05）。添加秸秆150 d时，施肥处理大团聚体（> 250 μm）有机碳贡献率均显著低于CK处理（P < 0.05），而微团聚体有机碳贡献率呈相反规律。
3. 讨论
3.1 添加秸秆对土壤中有机碳含量的影响
长期以来，秸秆还田对团聚体粒级分布及团聚体有机碳含量具有显著影响[17-18]，且秸秆还田配施化肥能够增加土壤有机碳含量[19]。由于不同粒级土壤团聚体中有机碳的分解速率和残留量不同，且不同施肥措施下碳的输入水平不同，导致秸秆还田对不同粒级团聚体有机碳含量影响不同。大量研究表明，有机碳主要分布在大团聚体（> 250 μm）中[20-21]。本研究中，添加秸秆不仅能够影响团聚体的分布，还在不同程度上影响团聚体有机碳含量的变化。与添加秸秆0 d相比，添加秸秆培养后能够整体增加土壤有机碳含量，其中大团聚体（> 250 μm）的有机碳含量均高于CK处理，表明大团聚体是储存有机碳重要场所。培养期内M2N2P2处理有机碳含量均显著高于CK处理（P < 0.05），表明有机肥料投入量对团聚体中有机碳的含量有积极影响，这与胡丹丹[22]等研究结果一致。微团聚体（53 ~ 250 μm和 < 53 μm）的有机碳含量除MNPK处理外均高于CK处理，M2N2P2处理达到显著水平（P < 0.05）；随着培养时间的增加，各粒级团聚体有机碳含量呈现逐渐减小的趋势。
3.2 添加秸秆对土壤团聚体及稳定性的影响
土壤团聚体稳定性是受自然因素、人为因素以及土壤理化性质等一系列因素影响，本实验基于长期定位试验平台下，重点研究秸秆还田对土壤的团聚体分布以及稳定性的影响。以往研究表明，土壤中大团聚体数量越多，土壤结构的稳定性越强[23]，且适当的施肥措施也能够提高土壤养分含量，增加土壤团聚体的含量，但施用化肥需要控制氮肥、磷肥和钾肥的用量[24]。本研究中发现，团聚体以 > 250 μm粒级的团聚体为主，并且发现不同施肥处理土壤添加秸秆后能够促进大团聚体的形成（图2），这与薛斌等[25]对武穴市和荆州市两地长期秸秆还田的土壤团聚体组和机碳组成、分布研究结果一致。
MWD值是评价土壤团聚体特征及稳定性的常用方法，MWD值越大，表示团聚体的结构越稳定[26]。以往研究表明，施用有机物料能够提高团聚体的稳定性。但在本研究中，培养180 d时，团聚体MWD值减小，即随着培养时间的增加，团聚体的稳定性逐渐降低。这可能是因为微生物分解有机物质导致其数量和质量受到影响，进而影响土壤颗粒的胶结能力，致使大团聚体分解为微团聚体[27]；张秀芝[28]等人研究表明，长期施用高量有机肥及有机肥与无机肥配施较CK显著降低了MWD、GMD，但增加了团聚体破碎率及分形维数，进而导致团聚体稳定性降低。顾鑫[29]等研究表明秸秆还田后，随着培养时间的增加，土壤团聚体的稳定性有下降趋势。这可能是由于有机物料中含有较多的K + 、Na + 等一价阳离子，这些阳离子可能提高了土壤胶体的分散，促进了大团聚体的破散[30-31]，降低了团聚体的稳定性，所以随着培养时间的增加，土壤团聚体的稳定性逐渐降低。
3.3 添加秸秆对黑土团聚体有机碳贡献率的影响
试验研究结果表明，各处理中大团聚体（> 250 μm）的有机碳贡献率最高，其次为53 ~ 250 μm粒级的贡献率，< 53 μm粒级团聚体有机碳贡献率最低；这是因为添加秸秆为微生物提供了足够的碳源和丰富的能量物质，且大团聚体更适合于微生物生存，从而使大量的外源碳固存在大团聚体中[32]；大团聚体中有机碳的含量较高，占比较大，因此贡献率较高，这与SODHIGPS[33]等的研究结果一致；而 < 53 μm粒级有机碳含量较低, 这是因为 < 53 μm粒级团聚体所占比例较小，仅为土壤质量的 2.07 ~ 23.37%，故随团聚体粒级的减小，有机碳含量逐渐降低，随之有机碳贡献率较低。本试验研究结果表明，不同施肥处理土壤添加秸秆大团聚体的有机碳贡献率会随着时间的增加而降低，而土壤微团聚体的有机碳贡献率逐渐增加。这与郭策[34]等研究玉米秸秆添加对不同母质黑钙土有机碳含量及团聚体稳定性的结果一致。这主要是由于添加秸秆会影响团聚体分布的比例进而影响其有机碳的贡献率，且随着时间的增加，有机碳会在较小粒级中的土壤团聚体中积累，因此，大团聚体有机碳贡献率呈下降趋势。
4. 结论
本研究向43年不同施肥处理的黑土中添加等量秸秆，探究土壤团聚体的组成以及有机碳含量的动态变化，结论如下：①添加玉米秸秆能够促进大团聚体的形成，提高土壤平均重量直径，进而提高土壤团聚体的稳定性，但随着培养时间的增加，团聚体稳定性呈下降趋势。②秸秆还田提高了土壤总有机碳和各粒级团聚体有机碳的含量，且大团聚体中有机碳含量显著高于微团聚体。其中高量有机肥配施化肥处理各粒级团聚体有机碳含量增加最为显著。③添加秸秆使各处理大团聚体有机碳贡献率增加，但随着培养时间的增加，土壤有机碳在较小粒级的团聚体中积累，进而使土壤大团聚体有机碳贡献率降低。综上，适量增施有机肥配合秸秆还田有利于提高土壤团聚体稳定性，改善土壤结构，增加土壤有机碳含量，提高土壤有机碳库水平。
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图 1 添加秸秆后不同施肥处理土壤总有机碳含量的变化
小写字母表示同一培养时间不同施肥处理之间的差异性，大写字母表示同一施肥处理土壤不同培养时间之间的差异性
Figure 1. Changes of soil total organic carbon contents in different fertilization treatments with straw addition
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图 2 添加秸秆后不同施肥处理土壤水稳性团聚体的组成
Figure 2. Composition of soil water-stable aggregates in different fertilization treatments with straw addition
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图 3 添加秸秆后不同施肥处理土壤团聚体MWD值
Figure 3. MWD values of soil aggregates in different fertilization treatments with straw addition
表 1 长期定位试验中不同施肥处理的施肥量
Table 1 The amount of fertilizer application in long-term located fertilization experiment
处理
Treatment施氮量（kg hm–2 y–1）
N施磷量（kg hm–2 y–1）
P2O5施钾量
K2O
（kg hm–2 y–1）有机肥
Horse manure
（t hm–2）小麦
Wheat大豆
Soybean玉米
Maize小麦
Wheat大豆
Soybean玉米
MaizeCK 0 0 0 0 0 0 0 0 NPK 150 75 150 75 150 75 75 0 M 0 0 0 0 0 0 0 18.6 MNPK 150 75 150 75 150 75 75 18.6 M2N2P2 300 150 300 150 300 150 0 37.2 注：CK表示不施肥; N、P、K、M（常量）分别表示施氮肥、磷肥、钾肥、有机肥； N2、P2、M2分别表示施肥量为常量的2倍；CK、NPK、M、MNPK和M2N2P2为不同的施肥处理。下同 
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表 2 添加秸秆对不同施肥处理土壤团聚体有机碳含量的影响
Table 2 Effects of straw addition on organic carbon content of soil aggregates under different fertilization treatments
施肥处理
Fertilization treatment培养时间（d）
Incubation time> 250 μm团聚体（g kg–1）
> 250 μm aggregate53 ~ 250 μm团聚体（g kg–1）
53 ~ 250 μm aggregate< 53 μm团聚体（g kg–1）
< 53 μm aggregateCK 0 9.53 Bc 10.27 Bb 7.91 Ab M 9.97 Bc 10.90 Bab 7.27 Bb NPK 11.47 Ab 9.58 ABb 7.14 Ab M2N2P2 12.10 Bb 12.44 Aa 10.64 Aa MNPK 12.08 Aa 12.49 Aa 7.55 Ab CK 60 11.54 Ac 12.43 Abc 8.05 Abc M 13.49 Aa 13.34 Aab 8.63 Ab NPK 11.55 Ac 11.41 Ac 8.46 Abc M2N2P2 13.80 Aa 14.23 Aa 9.95 Aa MNPK 12.76 Ab 13.12 Aab 7.74 Ac CK 150 10.12 Bb 8.98 Bbc 7.35 Ab M 10.70 Bb 9.29 Cab 7.46 Bb NPK 10.70 Ab 8.83 Bc 7.47 Ab M2N2P2 11.92 Ba 9.58 Ba 8.71 Ba MNPK 10.36 Bb 9.45 Ba 8.34 Aa 注：大写字母表示同一处理不同培养时间之间的差异，小写字母代表同一粒级不同处理之间的差异
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表 3 添加秸秆对不同施肥处理土壤有机碳贡献率的影响（%）
Table 3 Effects of straw addition on the contribution rates of soil organic carbon under different fertilization treatments （%）
施肥处理
Fertilization treatment培养时间
Incubation time （d）> 250 μm 团聚体
> 250 μm aggregate53 ~ 250 μm 团聚体
53 ~ 250 μm aggregate< 53 μm 团聚体
< 53 μm aggregateCK 0 69.08 ± 1.30 ABb 20.35 ± 0.49 Cd 9.57 ± 0.87 Abc M 65.30 ± 0.77 Cc 26.31 ± 0.60 Bc 8.4 ± 0.20 Bc NPK 55.31 ± 1.50 Bd 34.14 ± 0.86 Ab 10.55 ± 0.67 Bab M2N2P2 51.40 ± 1.46 Be 37.64 ± 1.72 Ba 10.96 ± 0.42 Ca MNPK 75.21 ± 1.25 Ba 20.66 ± 1.06 Bd 5.13 ± 0.21 Bd CK 60 69.49 ± 1.07 ABb 24.47 ± 0.86 Bb 6.23 ± 0.26 Bb M 81.39 ± 0.43 Aa 14.63 ± 0.44 Cc 3.98 ± 0.22 Cc NPK 81.65 ± 1.35 Aa 14.70 ± 1.31 Cc 3.65 ± 0.05 Cc M2N2P2 42.29 ± 1.16 Ac 37.57 ± 0.76 Ba 20.29 ± 1.33 Aa MNPK 82.68 ± 1.31 Aa 14.63 ± 1.29 Cc 2.69 ± 0.04 Bc CK 150 63.99 ± 0.78 Ca 27.53 ± 0.49 Ac 8.48 ± 0.41 Ad M 53.56 ± 0.38 Bb 34.15 ± 0.11 Ab 12.29 ± 0.28 Ac NPK 55.14 ± 1.61 Cb 32.64 ± 0.93 Bb 11.22 ± 0.73 Ac M2N2P2 37.77 ± 0.43 Cc 47.05 ± 0.75 Aa 15.19 ± 0.33 Bb MNPK 55.12 ± 1.64 Cb 27.59 ± 0.89 Ac 17.29 ± 1.42 Aa 注：大写字母表示同一处理不同培养时间差异，小写字母表示同一粒级不同处理间的差异
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