复垦土壤团聚体稳定性和胶结物质对不同施肥的响应

1、应用与环境生物学报 Chin J Appl Environ Biol Doi: 10.19675/ki.1006-687x.2021.02053收稿日期 Received: 2021-02-20 接受日期 Accepted: 2021-05-19国家自然科学基金项目（41807102，U1710255-3）、土壤环境与养分资源山西省重点实验室开放基金项目（2020001，2019003）、山西省优秀博士、博士后来晋工作奖励项目（SXBYKY2021004）、山西省高等学校科技创新项目（2019L0363）、山西农业大学科技创新基金（博士科研启动）项目（2020BQ50）资助 Supported

2、 by the National Natural Science Foundation of China (41807102, U1710255-3), the Shanxi Province Key Laboratory of Soil Environment and Nutrient Resources (2020001, 2019003), the Incentive Funding Research Project for Excellent Doctors and Postdoctors Setting Down to Work in Shanxi Province (SXBYKY2

3、021004), the Science and Technology Innovation Project of Higher Education in Shanxi Province (2019L0363) and the Science and Technology Innovation Fund of Shanxi Agricultural University (Doctor scientific research) (2020BQ50)*通信作者 Corresponding author (E-mail: HYPERLINK mailto: ) (Email： HYPERLINK

4、mailto: )复垦土壤团聚体稳定性和胶结物质对不同施肥的响应高健永1 王楚涵1 张慧芳1 曹寒冰1, 2* 谢钧宇, 2* 洪坚平1 李廷亮1 孟会生11山西农业大学资源环境学院 太谷 0308012土壤环境与养分资源山西省重点实验室 太原 030031摘 要 土壤团聚体的组成和稳定性是评价土壤质量的重要指标，土壤胶结物质是团聚体形成的物质基础，两者密切相关。通过研究不同施肥处理下团聚体胶结物质含量的变化，阐明采煤塌陷区复垦土壤团聚体的分布与形成机制。试验设不施肥（CK）、施化肥（NPK）、单施有机肥（M）和有机无机肥配施（MNPK）4个处理，另取未复垦生土（RS）和周边未破坏多年种植的熟

5、土（US）作为参照。采集耕层（0-20 cm）非扰动的土样，利用干筛法分析团聚体（ 2、0.25-2、0.053-0.25 mm）和粉黏粒组分（ 0.25 mm机械稳定性团聚体的数量（R0.25），增幅为5.32%-5.94%，但是均显著降低了平均重量直径（mean weight diameter, MWD）（除M处理外），降幅为7.51%-9.83%，而M处理显著提高了几何平均直径（geometric mean diameter, GMD），增幅为5.65%。同CK相比，各施肥处理对大团聚体（ 0.25 mm）以及粉黏粒组分（ 0.053 mm）的分布比例无显著影响，仅M和MNPK处理显著降

6、低了微团聚体（0.053-0.25 mm）的分布比例，降幅为49.45%-62.40%。各施肥处理对富里酸含量无显著影响。NPK处理仅显著降低了土壤有机碳含量。M处理显著提高了土壤有机碳和碳酸钙含量，却显著降低了土壤黏粒含量。而MNPK处理显著提高了土壤各胶结物质含量（除富里酸和黏粒外）。胶结物质与机械稳定性团聚体的分布比例和稳定性的冗余分析结果表明，各胶结物质中，仅胡敏酸对机械稳定性团聚体的分布比例和稳定性变化的解释率达到了显著水平（P 0.05），能够解释57.1%机械稳定性团聚体的分布比例和稳定性变化，并且其单独贡献率为75.9%。综上所述，经过6年培肥，同未复垦土壤相比，各施肥处理显著

7、提高了大团聚体的数量，但同周边农田土壤相比，仍有待进一步培肥提高团聚体稳定性。MNPK处理是提高该复垦土壤有机胶结物质含量最有效的措施，胡敏酸是影响该复垦土壤机械稳定性团聚体的分布比例和稳定性变化的唯一显著的胶结物质。（图5 表6 参36）关键词 施肥；复垦土壤；团聚体稳定性；胶结物质；胡敏酸Responses of cementing materials and stability of reclaimed soil aggregates to different fertilization regimesGAO Jianyong1, WANG Chuhan1, ZHANG Huifang1

8、, CAO Hanbing1, 2*, XIE Junyu1, 2*, HONG Jianping1, LI Tingliang1 & MENG Huisheng11 College of Resources and Environment, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, China2 Key Laboratory of Soil Environment and Nutrient Resources of Shanxi Province, Taiyuan 030031, ChinaAbstract The composition a

9、nd stability of soil aggregates are important indicators for evaluating soil quality, and soil cementing materials are the basis for the formation of aggregates. They are closely related with each other. The distribution and formation mechanism of reclaimed soil aggregates in coal mining subsidence

10、area were clarified in this study by studying the changes of aggregates cementing materials content under different fertilization regimes. The study involved 4 different fertilization treatments: CK (no fertilizer), NPK (chemical fertilizer alone), M (manure alone), MNPK (chemical fertilizer combine

11、d with manure). In addition, unreclaimed raw soil (RS) and surrounding undamaged multi-year cultivated mature soil (US) were taken as references. The cultivated layer (0-20 cm) soil samples were collected and the distribution of aggregates ( 2, 0.25-2, 0.053-0.25 mm) and 2 mm, 0.25-2 mm aggregates a

12、nd 0.053 mm silt and clay fractions. M and MNPK treatments significantly decreased the distribution of 0.053-0.25 mm aggregates by 49.45%-62.40%. All fertilization treatments had no significant effects on fulvic acid content. NPK treatment significantly decreased soil organic carbon content. M treat

13、ment significantly increased soil organic carbon and calcium carbonate content, but significantly decreased clay content. MNPK treatment significantly increased soil cementing materials content (except for fulvic acid and clay), respectively. The results of redundancy analysis of cementing materials

14、 and the distribution and stability of dry-sieved aggregates showed that, among all the cementing materials, only humic acid had reached a significant level (P 0.25 mm团聚体的数量（R0.25）、平均重量直径（mean weight diameter, MWD）和几何平均直径（geometric mean diameter, GMD）来表征团聚体结构的稳定性。团聚体的形成是一个非常复杂的过程，包括一系列的物理、化学和生物作用，其形

15、成主要依赖于各种胶结物质的数量和性质4。施肥、耕作和土地利用方式的改变都会影响土壤胶结物质的含量，且以施肥对其影响最深刻。研究表明，有机无机肥配施（MNPK）显著提高了塿土多糖含量，多糖作为重要的胶结剂，能促进团聚体的形成4。Cheng等5在紫色土上也印证了这一点，多糖对紫色土水稳性大团聚体的形成起主导作用。另外还有研究报道MNPK处理显著提高了黄壤胡敏酸含量，而施化肥（NPK）对其无显著影响6，腐殖质中的胡敏酸能够增加土壤吸附能力和保水性，促进土壤团聚体的形成7。此外，土壤有机碳（SOC）也被认为是影响红壤和黄绵土大团聚体形成和稳定性的主要有机胶结物质8-9。除了有机胶结物质外，碳酸钙和黏粒

16、等无机胶结物质同样也对黄绵土、灰钙土团聚体的形成和稳定性起至关重要的作用9-10。目前，有关不同施肥处理对团聚体形成和稳定性的影响已有一些报道。Li等11和吴宪等12在红壤和潮土上研究发现，MNPK处理显著提高了红壤 2 mm和潮土 0.25 mm团聚体的分布比例和MWD值。但是张秀芝等13报道，MNPK处理显著降低了黑土 2 mm团聚体的分布比例、MWD和GMD值，而NPK处理对各粒径团聚体的分布比例无显著影响。还有研究指出，MNPK处理显著提高了棕壤 1 mm团聚体的分布比例，而显著降低了0.25-1 mm团聚体的分布比例14。上述研究均基于农田土壤水稳性团聚体，且不同类型土壤上的研究结果

17、不尽相同，因此，有必要对特定的土壤类型进行深入、系统的研究。采煤塌陷区复垦土壤不同于一般农田土壤，其肥力相对贫瘠，微生物数量少、活性低，土壤结构差，有关不同施肥处理对复垦土壤团聚体的形成和稳定性的影响虽也有报道15-16，但是团聚体的形成机理尚不明确，究竟哪种胶结物质对团聚体的形成和稳定性起主要作用？仍需进一步探究。因此，本研究以山西省长治市襄垣县连续复垦6年的土壤为对象，通过分析不同施肥处理下机械稳定性团聚体的数量和稳定性以及有机胶结物质（多糖、胡敏酸、富里酸和有机碳）、无机胶结物质（碳酸钙和颗粒组成）的含量，探明施肥产生的团聚体分布差异的机制，明确对团聚体的形成和稳定性贡献最大的胶结物质，

18、研究土壤主要胶结物质驱动下形成的团聚体稳定性特征，从而为改善复垦土壤结构、提高土壤肥力提供科学依据。1 材料与方法1.1 试验地概况试验地点位于山西省长治市襄垣县潞安集团五阳煤矿（362811.95N，1130052.57E），于2008年开始复垦，年平均气温9.5 ，年平均降水量550 mm，属于暖温带半湿润大陆性季风气候，供试土壤为石灰性褐土，黄土母质。试验初始土壤基本理化性状如表1所示。表1 试验区初始耕层土壤（0-20 cm）基本理化性状Table 1 The chemical and physical properties in 0-20 cm soil layer at the b

19、eginning of the experimental sitepH有机质Organic matter(w/g kg-1)全氮Total N(w/g kg-1)有效磷Available P(w/mg kg-1)速效钾Available K(w/mg kg-1)容重Bulk density(/g cm-3)砂粒Sand(P/%)粉粒Silt(P/%)黏粒Clay(P/%)8.307.240.502.01106.851.4930.0055.0015.001.2 试验设计试验区于2013年开始复垦，塌陷土壤采用混推的方式进行土地整平，种植作物为春玉米，播种密度达每公顷60 000株，每年4月上旬进

20、行播种，9月底至10月上旬进行收获，收获的玉米秸秆经收割机粉碎，直接翻压全部还田。各处理耕层土壤基本理化性状见表2。表2 不同施肥处理下耕层土壤（0-20 cm）基本理化性状Table 2 Physical-chemical properties at 0-20 cm soil layer under different fertilization regimes处理TreatmentpH有机质Organic matter(w/g kg-1)全氮Total N(w/g kg-1)有效磷Available P(w/mg kg-1)速效钾Available K(w/mg kg-1)RS8.026.

21、140.892.01106.85CK8.4011.401.095.40131.28NPK7.9910.711.0622.03310.38M8.2213.761.2037.83212.69MNPK8.2715.211.0880.53294.10US8.1816.731.4111.34223.67RS：生土；CK：不施肥；NPK：施化肥；M：单施有机肥；MNPK：有机无机肥配施；US：熟土.RS: Raw soil; CK: No fertilizer; NPK: Chemical fertilizer with nitrogen, phosphatic and potassium; M: Org

22、anic manure alone; MNPK: Manure combined with chemical fertilizer; US: Undamaged soil.试验共设4个处理，分别为不施肥（CK）、施化肥（NPK）、单施有机肥（M）和有机无机肥配施（MNPK），另外，取未复垦生土（unreclaimed raw soil, RS）和周边未破坏多年种植作物的熟土（undamaged multi-year planting mature soil, US）作为参照。其中，供试肥料为尿素（含N 46%）、过磷酸钙（含P2O5 12%）和氯化钾（含K2O 60%），供试有机肥为完全腐熟的

23、鸡粪，有机质含量为25.8%，氮含量为1.68%，磷含量为1.54%，钾含量为0.82%。各施肥处理的总养分投入量相同，具体施肥量参照曹寒冰等17的文章。每个处理重复3次，完全随机排列，小区面积10 m 5 m=50 m2。1.3 样品采集与分析于春玉米收获前（2018年9月28日），利用环刀，在上述不同施肥处理的试验小区采用多点法采集0-20 cm土层非扰动的原状土，采集后的土样混合均匀后放入硬质塑料盒，运输过程中避免挤压，以保持原状结构。在实验室内将土壤样品沿其结构、自然缝隙轻轻掰成小土块，过8 mm筛，并剔除根茬、小石子和动物残体，在阴凉干燥处风干后，储存，供团聚体分级备用。同时，春玉米

24、收获后，采用多点采样法利用土钻继续采取不同施肥处理的试验小区0-20 cm土层土壤样品，混合均匀后带回实验室，剔除动植物残体、石块等肉眼可见杂物，经自然风干后，一部分土样过2 mm筛测定土壤颗粒组成，过1 mm筛测定土壤有效磷和速效钾含量，过0.25 mm筛测定土壤多糖含量，另一部分过0.15 mm筛测定土壤富里酸、胡敏酸、碳酸钙、有机碳和全氮含量。机械稳定性团聚体采用沙维诺夫分级法16：称取200 g过8 mm筛混合均匀的风干土样于2 mm筛上，同时下面放置0.25和0.053 mm孔径的筛子，干筛5分钟后，得到 2、0.25-2、0.053-0.25 mm粒径的团聚体和 0.25 mm机械

25、稳定性团聚体的数量（R0.25）、平均重量直径（mean weight diameter, MWD）和几何平均直径（geometric mean diameter, GMD）13, 16的计算公式分别为： （1）MWD = （2） QUOTE GMD =exp GMD =exp （3）式中：Wi表示第i个粒径团聚体质量所占的百分质量（%）；Xi表示第i个粒径团聚体的平均直径（mm）。采用Excel 2010进行数据处理，用SPSS 19.0进行单因素方差分析，采用LSD法进行多重比较，Origin 2018软件绘图，使用Canoco 5软件进行冗余分析（Redundancy analysis

26、RDA），并绘制RDA排序图。2 结果与分析2.1 不同施肥处理对土壤机械稳定性团聚体及粉黏粒组分的分布比例和稳定性的影响连续6年培肥后，不同施肥处理对土壤机械稳定性团聚体及粉黏粒组分的分布比例产生了显著影响（表3）。各施肥处理均以0.053-0.25 mm团聚体的分布比例最小，仅占0.40%-1.07%，其次是 2 mm或0.25-2 mm团聚体的分布比例最大，介于43.35%-54.70%之间。同生土（RS）相比，不同施肥处理均显著降低了 2 mm、0.053-0.25 mm团聚体和 2 mm、0.25-2 mm团聚体和 2 mm团聚体的分布比例，降幅为14.21%-31.03%，却显著提

27、高了0.25-2 mm团聚体的分布比例，增幅为24.96%-54.86%，且以MNPK处理的增幅最明显。而且MNPK处理还显著提高了 2 mm0.25-2 mm0.053-0.25 mm 0.25 mm机械稳定性团聚体数量；MWD：平均重量直径；GMD：几何平均直径. 同列数值后不同字母表示不同处理之间存在显著差异（P 0.25 mm mechanical stable aggregates; MWD means weight diameter; GMD means geometric mean diameter. Different letters after the values in t

28、he same column represent significant differences between regimes (P 0.05).2.2 不同施肥处理对团聚体有机胶结物质的影响2.2.1 多糖连续6年培肥对土壤多糖含量产生了显著影响（图1）。同RS相比，不同施肥处理均显著提高了土壤多糖含量，增幅为42.70%-59.55%，且以MNPK处理的增幅最明显。同CK相比，NPK和M处理对土壤多糖含量无显著影响，仅MNPK处理显著提高了土壤多糖含量，提高了11.81%。同US相比，不同施肥处理均显著降低了土壤多糖含量，降幅为29.58%-44.88%，且以CK处理的降幅最明显。图1

29、不同施肥处理下土壤多糖含量. RS：生土；CK：不施肥；NPK：施化肥；M：单施有机肥；MNPK：有机无机肥配施；US：熟土. 柱上不同字母代表不同处理间土壤多糖含量在5%水平上差异显著（P 0.05）.Fig. 1 Soil polysaccharide content under different fertilization regimes. RS: Raw soil; CK: No fertilizer; NPK: Chemical fertilizer with nitrogen, phosphatic and potassium; M: Organic manure alone;

30、MNPK: Manure combined with chemical fertilizer; US: Undamaged soil. Different letters above the bars indicate significant differences (P 0.05) in the soil polysaccharide content between different regimes.2.2.2 腐殖质组分连续6年不同施肥对土壤富里酸含量无显著影响，而显著提高了土壤胡敏酸含量（图2）。不同施肥处理下土壤富里酸含量较RS和CK处理无显著差异。但同US相比，各施肥处理均显著降低

31、了土壤富里酸含量，降幅为18.31%-26.63%，且以NPK处理的降幅最明显。不同施肥处理对土壤胡敏酸含量产生了深刻的影响。同RS相比，各施肥处理均显著提高了土壤胡敏酸含量，增幅分别为56.86%（CK）、56.08%（NPK）、64.31%（M）和83.53%（MNPK）。同CK相比，NPK和M处理对土壤胡敏酸含量无显著影响，而MNPK处理显著提高了土壤胡敏酸含量，提高了17.00%。同US相比，仅MNPK处理显著提高了土壤胡敏酸含量，提高了30.36%。图2 不同施肥处理下土壤腐殖质组分含量. RS：生土；CK：不施肥；NPK：施化肥；M：单施有机肥；MNPK：有机无机肥配施；US：熟土

32、. 柱上不同字母代表不同处理间土壤腐殖质组分含量在5%水平上差异显著（P 0.05）.Fig. 2 Soil humus components content under different regimes. RS: Raw soil; CK: No fertilizer; NPK: Chemical fertilizer with nitrogen, phosphatic and potassium; M: Organic manure alone; MNPK: Manure combined with chemical fertilizer; US: Undamaged soil. Dif

33、ferent letters above the bars indicate significant differences (P 0.05) in the soil humus components content between different regimes.2.2.3 有机碳如图3所示，不同施肥处理均显著提高了土壤有机碳（SOC）含量。CK、NPK、M和MNPK处理下SOC含量分别是RS的1.86倍、1.75倍、2.24倍和2.48倍。同CK相比，NPK处理显著降低了SOC含量，达6.02%。而M和MNPK处理均显著提高了SOC含量，增幅为20.74%-33.44%，且以MNPK处

34、理的增幅最明显。同US相比，不同施肥处理均显著降低了SOC含量，降幅为9.11%-35.99%，且以NPK处理的降幅最明显。图3 不同施肥处理下土壤有机碳含量. RS：生土；CK：不施肥；NPK：施化肥；M：单施有机肥；MNPK：有机无机肥配施；US：熟土. 柱上不同字母代表不同处理间土壤有机碳含量在5%水平上差异显著（P 0.05）.Fig. 3 Soil organic carbon content under different fertilization regimes. RS: Raw soil; CK: No fertilizer; NPK: Chemical fertilizer

35、 with nitrogen, phosphatic and potassium; M: Organic manure alone; MNPK: Manure combined with chemical fertilizer; US: Undamaged soil. Different letters above the bars indicate significant differences (P 0.05) in the soil organic carbon content between different regimes.2.3 不同施肥处理对团聚体无机胶结物质的影响2.3.1

36、碳酸钙连续6年培肥对土壤碳酸钙（CaCO3）含量产生了显著影响（图4）。同RS相比，M和MNPK处理对CaCO3含量无显著影响，而CK和NPK处理均显著降低了CaCO3含量，降幅为18.14%-24.06%。同CK相比，NPK处理对CaCO3含量无显著影响，而M和MNPK处理均显著提高了CaCO3含量，分别提高了17.65%和18.30%。同US相比，不同施肥处理均显著提高了CaCO3含量，增幅为111.94%-170.15%，且以MNPK处理增幅最明显。图4 不同施肥处理下土壤碳酸钙含量. RS：生土；CK：不施肥；NPK：施化肥；M：单施有机肥；MNPK：有机无机肥配施；US：熟土. 柱上

37、不同字母代表不同处理间土壤碳酸钙含量在5%水平上差异显著（P 0.05）.Fig. 4 Soil calcium carbonate content under different fertilization regimes. RS: Raw soil; CK: No fertilizer; NPK: Chemical fertilizer with nitrogen, phosphatic and potassium; M: Organic manure alone; MNPK: Manure combined with chemical fertilizer; US: Undamaged

38、soil. Different letters above the bars indicate significant differences (P 0.05) in the soil calcium carbon content between different regimes.2.3.2 颗粒组成不同施肥处理对土壤颗粒组成产生了显著影响，以土壤粉粒含量占比最大，介于49.31%-55.66%之间，其次是砂粒含量，占比为38.22%-45.20%，而黏粒含量最少，仅占5.49%-7.14%（表4）。对于土壤砂粒而言，CK和NPK处理同RS相比无显著差异，而M和MNPK处理显著提高了土壤砂粒

39、含量，分别提高了9.55%和18.25%。同CK相比，仅MNPK处理显著提高了土壤砂粒含量，提高了11.88%。各施肥处理较US的变化趋势同CK相似。对于土壤粉粒而言，各施肥处理同RS相比均显著降低了土壤粉粒含量，降幅为4.89%-11.41%，且以MNPK处理降幅最明显。同CK相比，仅MNPK处理显著降低了土壤粉粒含量，达6.86%。同US相比，各施肥处理均显著降低了土壤粉粒含量（除CK处理外），降幅为4.70%-10.57%，且以MNPK处理降低最明显。对于土壤黏粒而言，仅NPK处理较RS显著提高了土壤黏粒含量，达16.78%。同CK相比，NPK处理对土壤黏粒含量无显著影响，而M和MNPK

40、处理显著降低了土壤黏粒含量，分别降低了16.27%和17.57%。同US相比，CK和NPK处理显著提高了土壤黏粒含量，分别提高了19.21%和27.86%，而M和MNPK处理对土壤黏粒含量无显著影响。综上，MNPK处理显著提高了土壤砂粒含量，伴随着土壤粉黏粒含量的减少。表4 不同施肥处理下土壤颗粒组成.Table 4 Soil particle composition under different fertilization regimes.处理Treatment颗粒组成Particle composition (P/%)砂粒 Sand(2-0.02 mm)粉粒 Silt(0.02-0.00

41、2 mm)黏粒 Clay( 0.002 mm)RS38.221.93 c55.661.85 a6.120.63 bcCK40.400.59 bc52.940.80 bc6.660.21 abNPK40.410.30 bc52.440.35 c7.140.07 aM41.872.00 b52.551.62 c5.580.48 cMNPK45.200.28 a49.310.25 d5.490.04 cUS39.271.06 bc55.140.82 ab5.590.24 cRS：生土；CK：不施肥；NPK：施化肥；M：单施有机肥；MNPK：有机无机肥配施；US：熟土. 同列数值后不同字母表示不同处理

42、之间存在显著差异（P 0.05）.RS: Raw soil; CK: No fertilizer; NPK: Chemical fertilizer with nitrogen, phosphatic and potassium; M: Organic manure alone; MNPK: Manure combined with chemical fertilizer; US: Undamaged soil. Different letters after the values in the same column represent significant differences bet

43、ween regimes (P 0.05).2.4 团聚体胶结物质与机械稳定性团聚体的分布比例和稳定性的关系将R0.25、MWD、GMD、各粒径团聚体的分布比例共7个指标作为响应变量，与作为解释变量的多糖、胡敏酸、富里酸、有机碳、碳酸钙、砂粒和粉粒共7种胶结物质进行了冗余分析（RDA）。结果表明（表5），第一轴和所有轴的置换检验结果P值均小于0.05，说明冗余分析的结果可信。第一轴和第二轴的特征值分别为0.7377和0.0146，机械稳定性团聚体的分布比例和稳定性变化在第一轴和第二轴的解释量分别为73.77%和75.23%，前两轴累积解释量达99.98%，说明前两轴可以充分反映土壤胶结物质与机

44、械稳定性团聚体的分布比例和稳定性之间的响应关系，且主要由第一轴决定。在团聚体胶结物质与机械稳定性团聚体的分布比例和稳定性的RDA二维排序图中（图5），红色空心箭头连线表示团聚体胶结物质，蓝色实心箭头连线表示机械稳定性团聚体的分布比例和稳定性，空心箭头连线和实心箭头连线的夹角可以反映出各胶结物质与机械稳定性团聚体的分布比例和稳定性的相关性，当夹角小于90时，两变量呈正相关关系，大于90时，两变量呈负相关关系。从图5可看出，除碳酸钙和粉粒外，其余胶结物质含量与R0.25值呈正相关，与0.053-0.25 mm团聚体和 2 mm团聚体的分布比例呈负相关；多糖、富里酸和粉粒含量与MWD值呈正相关，其余

45、胶结物质含量与MWD值呈负相关；除胡敏酸、砂粒和碳酸钙外，各胶结物质含量与GMD值均呈正相关。进一步分析胶结物质对机械稳定性团聚体的分布比例和稳定性变化的解释率发现（表6），胡敏酸含量的变化能够解释57.1%机械稳定性团聚体的分布比例和稳定性，并且其单独贡献率为75.9%。各胶结物质中，仅胡敏酸对机械稳定性团聚体的分布比例和稳定性变化的解释率达到了显著水平（P 0.25 mm机械稳定性团聚体数量；MWD：平均重量直径；GMD：几何平均直径；SOC：有机碳；Ps：多糖；FA：富里酸；HA：胡敏酸；Silt：粉粒；Sand：砂粒；CaCO3：碳酸钙Fig. 5 Ordination plot of

46、 redundancy analysis (RDA) for the stability and size distribution of soil mechanical stable aggregates. R0.25 means the number of 0.25 mm mechanical stable aggregates; MWD means weight diameter; GMD means geometric mean diameter; SOC means soil organic carbon; Ps means Polysaccharide; FA means fulv

47、ic acid; HA means humic acid; CaCO3 means calcium carbonate.表6 RDA分析中团聚体胶结物质对机械稳定性团聚体的分布比例和稳定性的解释率Table 6 The interpretation rate of aggregate cementing in RDA analysis on stability and size distribution of soil mechanical stable aggregates团聚体胶结物质Aggregate cementing解释量Explains (P/%)贡献率Contribution (

48、P/%)P胡敏酸 Humic acid57.175.90.004砂粒 Sand5.57.30.138粉粒 Silt5.27.00.182富里酸 Fulvic acid3.04.00.286多糖 Polysaccharide1.92.50.388碳酸钙 Calcium carbonate1.41.80.480有机碳 Organic carbon1.11.50.5203 讨 论3.1 不同施肥处理对土壤机械稳定性团聚体的分布比例和稳定性的影响团聚体的分布比例和稳定性变化在一定程度上可以反映土壤结构的好坏。通常，机械稳定性团聚体能更好地表征团聚体在田间的原有结构12。本研究结果显示，同不施肥（CK）

49、相比，各施肥处理对土壤机械稳定性大团聚体（ 2 mm和0.25-2 mm）和粉黏粒组分（ 2 mm和0.25-2 mm机械稳定性团聚体的分布比例无显著影响，但是MNPK处理显著提高了旱地红壤 0.25 mm和潮土 2 mm机械稳定性团聚体的分布比例。因为施入有机肥，增加了土壤有机胶结物质的含量，促进大团聚体的形成，同时有机肥的投入能够提高微生物的活性，微生物通过菌丝的缠绕作用，促进微团聚体向大团聚体转化4。而研究结果之间之所以存在差异一方面是因为复垦土壤不同于一般农田土壤，其物理结构、化学性质以及微生物类群均处于初期构建阶段，且本研究培肥时间较短，土壤肥力以及胶结物质含量较连续多年培肥的农田土

50、壤仍存在显著差距；另一方面是因为柳开楼等21和李娇等22试验所在区域的种植制度为小麦/玉米轮作一年两熟制，由此归还到土壤中作物残茬的数量也明显高于本试验，且柳开楼等21的MNPK处理中有机肥施用量约为本试验的5倍，有机肥的大量施用直接增加了碳投入量，而作物残茬还田量间接增加了碳投入量，使土壤有机质含量大幅度提高，有机质作为良好的胶结物质，能胶结微团聚体，促进大团聚体的形成23。通常， 0.25 mm机械稳定性团聚体的数量（R0.25）、团聚体平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）是评价团聚体稳定性的重要指标，一般来说，其值越大表示团聚体的团聚程度越高，稳定性和抗侵蚀能力越强15。本研究

51、结果表明，同CK相比，不同施肥处理对R0.25、MWD和GMD值均无显著影响，且总体低于熟土（US）的稳定性（表3）。这与吴宪等12和何冰等15的研究结果一致，NPK和MNPK处理对潮土R0.25、MWD和GMD值（种植作物为玉米时）和石灰性褐土MWD值均无显著影响。而吴宪等12研究发现种植作物为小麦时，MNPK处理能显著提高潮土R0.25、MWD和GMD值。这一方面是因为本试验种植制度为一年一作，其残茬还田量以及有机肥投入量远低于吴宪等12，对土壤结构的影响程度也不同，进而影响团聚体稳定性15；另一方面是因为本研究中玉米生长季为4-9月，而当地降雨主要集中在6-9月，猛烈的雨水冲刷增大了雨滴

52、对土壤的打击力，加大了土壤颗粒间的分散程度，且此阶段为一年中日光暴晒最强烈的时期，干湿交替加重了对土壤团聚体结构的破坏24。此外，本研究所在区域的土壤结构稳定性总体低于周边农田土壤，说明该复垦土壤仍需继续培肥，提高土壤抗侵蚀的能力。3.2 不同施肥处理对土壤胶结物质含量的影响有机胶结作用是团聚体形成的重要途径，多糖、腐殖质和有机碳是主要的有机胶结物质19。多糖作为重要的胶结物质，可以被粘土吸附，形成稳定的土壤团聚体5。本研究结果表明，同CK相比，NPK和M处理对土壤多糖含量无显著影响，而MNPK处理显著提高了土壤多糖含量（图1）。这与薛彦飞等4和Kiem等25的报道一致，MNPK处理显著提高了

53、塿土和黑钙土多糖含量。因为土壤多糖主要来源于植物残体和微生物分泌物25，随着化肥和有机肥的共同施入，一方面提高了作物产量，增加了作物残茬还田量；另一方面有机肥直接为微生物提供了活动所需的碳源和能源，增强了微生物的活性4，从而提高了土壤多糖含量。腐殖质作为土壤有机质的主体，约占土壤有机质的70%-90%7，根据溶解度不同可分为胡敏酸、富里酸和胡敏素。其中，富里酸是形成胡敏酸的一级物质，也是胡敏酸分解产生的一级产物26。较胡敏酸而言，富里酸是腐殖质中活性较大，氧化程度较高的组分。通常，腐殖化过程是小分子有机化合物通过缩合反应先形成分子较小的富里酸，再逐渐转化为分子较大的胡敏酸，从而提升腐殖质的品质

54、27。本研究结果显示，不同施肥处理对土壤富里酸含量没有显著影响，仅MNPK处理显著提高了土壤胡敏酸含量（图2）。这与Mi等6和Tang等28的研究结果一致，NPK处理对黄壤和红壤亚表层（10-20 cm）胡敏酸和富里酸含量无显著影响，而MNPK处理显著提高了这一土层胡敏酸含量。俄胜哲等7同样也发现NP和MNP处理对灌漠土富里酸含量没有显著影响。但是张久明26利用18年定位试验研究发现，M和MNPK处理均显著提高了黑土富里酸含量。有机无机肥配施，加速了土壤腐殖化过程，使富里酸转化为胡敏酸，进而增加了土壤中胡敏酸含量。而与张久明26研究结果的差异一方面与土壤类型以及土壤本身的性质不同有关，黑土较复

55、垦土壤养分含量丰富，肥力水平较高；另一方面可能是由于施用的有机肥类型不同以及培肥时间较长所导致的，张久明26研究中施用的有机肥为马粪，其有机碳含量远高于本研究所施的鸡粪。土壤有机碳（SOC）含量是表征土壤肥力高低的一个关键指标，在团聚体的形成过程中起到了至关重要的作用13。本研究结果表明，同CK相比，NPK处理显著降低了SOC含量，M和MNPK处理显著提高了SOC含量（图3）。这与前人在潮土、黑土上的研究结果一致，M和MNPK处理能显著提高SOC含量9, 13。而就施化肥对SOC含量的影响研究结果之间存在差异。梁尧等29研究报道，NPK处理显著降低了黑土SOC含量，Peng等8和杨文静30却发

56、现NPK处理显著提高了红壤和塿土SOC含量，这可能是由于复垦土壤本身肥力较低，本研究中施化肥处理下有机碳的来源仅依靠作物残茬还田量，没有外源有机物的投入，而这部分残留物还不足以弥补有机碳的矿化消耗31。除了有机胶结物质外，碳酸钙（CaCO3）、黏粒等无机胶结物质对团聚体的形成也具有重要作用9。本研究结果显示，同CK相比，NPK处理对CaCO3含量无显著影响，M和MNPK处理却显著提高了CaCO3含量（图4）。这与李鹏等32的研究结果一致，MNPK处理显著提高了黑垆土CaCO3含量。薛彦飞等4却发现NPK和MNPK处理均显著降低了塿土CaCO3含量。研究结果之间的不同是因为施入的有机肥和磷肥（过

57、磷酸钙）均含有钙，随着有机肥的腐解而释放出来，结合有机肥分解过程中产生的CO2，从而增加了CaCO3的含量33。另外施用有机肥能够显著提高作物地上部生物量，进而消耗了大量的表层土壤水分，减少了向下移动的水分，且作物生长期未进行灌溉，从而减弱了对CaCO3的淋溶作用，使CaCO3累积在表层土壤30。土壤黏粒由于其比表面积大和表面带电特性，在团聚体形成过程中具有一定的粘结作用9。本试验中，MNPK处理显著降低了土壤粉黏粒含量，却显著提高了砂粒含量（表4）。这与Peng等8的研究结果一致，MNPK处理显著提高了红壤砂粒含量，显著降低了黏粒含量。因为有机无机肥配施，提高了土壤有机质含量，有机质转化过程

58、中新形成的腐殖质，首先与粒径较小的黏土矿物结合，再经胶结后复合为较大颗粒的复合体34。但是还有研究发现NPK和MNPK处理对土壤黏粒含量无显著影响4。研究结果之间的差异可能是因为土壤黏粒主要与成土母质有关，不同施肥处理对黏粒的影响可能与土壤黏土矿物有关4。3.3 团聚体的分布比例和稳定性与胶结物质的关系土壤团聚体的形成是一个非常复杂的过程，包括一系列的物理、化学和生物作用，其形成主要依赖于各种胶结物质3。冗余分析的结果表明，在该复垦土壤中，有机胶结物质对团聚体形成和稳定性的作用大于无机胶结物质。且在有机胶结物质中，胡敏酸是影响该复垦土壤团聚体的分布比例和稳定性变化的主要因素，其单独贡献率高达7

59、5.9%（表6）。由此可知，不同施肥处理主要通过影响胡敏酸含量进而影响复垦土壤团聚体的分布比例和稳定性。前人研究却认为，黏粒在灰钙土团聚体形成中起主要作用10，碳酸钙是影响塿土团聚体的分布比例和稳定性变化的主要因素4。还有研究报道有机碳及其组分和铁铝氧化物的共同作用是影响红壤和黑土团聚体的分布比例和稳定性的主要因素3, 23。造成研究结果之间的差异一方面是由不同的土壤类型所决定，Six等35曾报道，有机质是以2：1型黏土矿物为主的土壤上的主要胶结物。本研究所在区域的土壤为褐土，黏土矿物以2：1型水云母和蛭石为主，伴有少量的蒙脱石和高岭石。胡敏酸作为土壤有机质的重要组成部分36，对团聚体的形成和

60、稳定性贡献明显高于其它胶结物质。另一方面与团聚体的筛分方法不同有关，上述研究均基于水稳性团聚体，而本研究是以机械稳定性团聚体为研究对象进行的。4 结 论经过6年培肥后，各施肥处理土壤大团聚体数量（R0.25）均显著提高，伴随着微团聚体数量的减少，但同周边农田土壤（US）相比，团聚体稳定性仍有待提高。同不施肥（CK）相比，施化肥（NPK）显著降低了土壤有机碳含量，单施有机肥（M）却显著提高了土壤有机碳和碳酸钙含量。有机无机肥配施（MNPK）显著提高了土壤多糖、胡敏酸、有机碳、碳酸钙和砂粒含量，分别提高了11.81%、17.00%、33.44%、18.30%和11.88%，而显著降低了粉粒和黏粒含