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为了阐明土壤有机质的动态变化过程和累积机制,以中国科学院封丘农业生态实验站有机无机肥长期施用定位试验为研究基地,通过采集因有机无机肥长期施用引起的有机质含量差异明显的土壤样品,用湿筛和密度分级相结合的方法,将土壤区分为不同粒径团聚体及其亚组分,利用常规分析、酶活性测定技术和室内培养实验,研究了土壤中有机质的累积过程、团聚体中有机碳的稳定性及其与酶活性之间的关系。
黄淮海平原潮土以微团聚体(53-250μm)为主,有机肥长期施用显著提高了大团聚体(250-2000μm)数量,降低了微团聚体(53-250μm)的比例。无机肥施用增加了各粒径团聚体有机碳含量,但没有改变团聚体的比例。团聚体有机碳以细颗粒有机碳(fiPOM)为主,有机肥施用显著增加了<53μm组分有机碳含量,并通过增加大团聚体(250-2000μm)中细颗粒有机碳(250f)和矿物态有机碳(MSC)比例来提高土壤有机碳含量。无机肥则通过比较均匀地增加团聚体中各亚组分有机碳含量来提高土壤有机碳水平。因此,有机肥和无机肥在潮土上增加土壤有机质含量的机制明显差异。
不同团聚体之间酶活性存在很大差异,除多酚氧化酶(PPO)外,大团聚体(250-2000μm)中酶活性最高,微团聚体(53-250μm)则最低。与其它处理相比,NPK处理更加有效地提高了大团聚体中除多酚氧化酶(PPO)外所有酶以及微团聚体中外切葡聚糖酶(CBH)活性;相反,有机肥虽然也在一定程度地提高了碳水化合物分解酶如转化酶和β-葡萄糖苷酶(BH)的活性,但并没有明显提高大团聚体中多酚氧化酶(PPO)和外切葡聚糖酶(CBH)的活性,也没有增加微团聚体中外切葡聚糖酶(CBH)和外切木聚糖酶的活性,表明微团聚体中有机碳含量增加,对施用无机氮肥的土壤而言,是由于微团聚体中酶活性较低,对施用有机肥土壤来说,则是由于难分解有机碳在该团聚体中积累;施用有机肥加速大团聚体中有机碳累积主要是由于木质纤维素的积累。
我们发现,<53μm组分(游离)中C/N比最低,碳水化合物及其分解酶可以同时存在于该组分,因此<53μm组分可能由2个有机碳库构成:稳定而高度腐殖化的有机碳库和快速周转的碳水化合物碳库。
在32天室内培育期间,土壤所释放的CO2中59.61%来自微团聚体,21.65%源于大团聚体,而来自<53μm组分的只占18.74%。不同粒径团聚体中有机碳的矿化率存在着明显异同。与大团聚体和<53μm组分相比,微团聚体中的有机碳更加稳定。大团聚体释放的CO2来自所有亚组分,而微团聚体主要来自细颗粒有机碳(53f),<53μm组分则主要来自碳水化合物。有机肥长期施用显著降低了<53μm组分单位有机碳的矿化速率,从而加速有机碳在原土或者不同粒径团聚体该亚组分中的累积。因此,原土或者不同粒径团聚体中矿物结合态有机质(<53μm组分)对潮土有机碳的增加可能起着关键作用。