有機培肥影響土壤團聚體形成與穩定的研究進展

馮浩亮 ，韓曉增 ，陸欣春 ，陳旭 ，嚴君 ，鄒文秀

（1.中國科學院東北地理與農業生態研究所, 黑龍江 哈爾濱 150081； 2.中國科學院大學, 北京 100049）

0 引言

肥料作為農業生產中必不可少的一環，一直受到農業科技工作者的重視，有關施肥制度的研究使我們認識到有機肥的優勢和對于培肥土壤的重要性。研究表明，有機肥具有養分含量全面、有機質含量高且肥效持久的優點，從環境保護和可持續發展的角度來說更符合現代農業的需求。從土壤自身的角度，良好的土壤結構是保證土壤肥力的關鍵，在此基礎上提升土壤養分含量更加有助于肥力的高效利用，維持農業生產力。而土壤團聚體就是保證土壤結構的基本指標，其粒徑分布與穩定性影響土壤中水分、氣體、養分的運輸和儲存，同時為微生物提供生境。長期施用有機肥能夠提高土壤有機質含量，改善土壤結構。為探究有機培肥對于土壤團聚體形成與穩定的影響（圖1），本文從有機培肥途徑對于土壤團聚體結構、穩定性、固碳、養分賦存以及微生物的影響層面，總結現有研究存在的不足與局限，為今后土壤團聚體對有機培肥措施響應方面的研究提供引導。

圖1 有機培肥措施-土壤團聚體相關關系圖Fig. 1 Organic fertilization - soil aggregate correlation diagram

1 土壤團聚體研究現狀

土壤團聚體是土壤顆粒經過膠結作用形成的個體，是土壤結構的基本單元。土壤團聚體被認為是土壤結構穩定性的替代指標，并且在調節土壤水肥氣熱以及存儲表土有機質方面起著至關重要的作用[1-2]。在土壤團聚體形成的研究過程中，Oades 等[3]于1984 年提出的團聚體聚合層次理論模型被廣泛接受，即在土壤中首先通過真菌菌絲和根系的作用將較大的游離的初級顆粒連接在一起形成大團聚體，其次在大團聚體中心形成微團聚體的核心。根系和菌絲作為暫時的結合劑會在大團聚體內被分解并作為組分參與形成微團聚體。土壤團聚體穩定性指團聚體抵抗外力或內部環境變化而保持其原有形態的能力，主要包括機械穩定性和水穩定性，除此之外還有力學穩定性、化學穩定性、生物穩定性和酸堿穩定性。其中，有機質是微團聚體形成過程中的主要粘合劑，根系和真菌菌絲在微團聚體結合成為大團聚體中起著重要的作用。大團聚體的穩定性與根和菌絲的生長及分解速率密切相關，微團聚體的穩定性和團聚性能與土壤有機質的含量密切相關[4]。

長期施用有機肥能夠為土壤提供全面的營養元素，并影響土壤團聚體形成與穩定過程，改善土壤環境[5]。研究表明，在團聚體周轉的過程中土壤生物發揮著重要的調節作用[6]，有機培肥實驗結果顯示：雖然由于母質及環境等因素差異，不同土壤間增加有機質組成與含量有較為顯著的差異，但是整體來說增加了土壤各粒級團聚體的有機碳、全氮含量和碳氮比等，并且能夠提高土壤微生物多樣性及相關微生物類群豐度和酶活性[7]。

2 有機培肥對土壤團聚體的影響

2.1 有機培肥對土壤團聚體形成和結構的影響

關于土壤團聚體形成，早期較為經典的理論包括1967 年Edwards 和Bremner[8]提出的微團聚體理論，該理論指出土壤有機物、黏土礦物和多價陽離子在微團聚體形成過程中起到關鍵作用。兩人又在1964 與1965 年分別提出了微團聚體之間的弱結合是形成大團聚體的基礎；吸附和沉淀作用是團聚體形成過程中的關鍵作用的觀點[9-10]。與前文提到的團聚體聚合層次理論模型等圍繞團聚體形成的五大相關因素（土壤動物、土壤微生物、根系、無機結合劑、環境變量）進行研究。直到2004 年Six 等[11]對這些因素進行了量化研究，通過建立模型說明了土壤擾動對于團聚體周轉過程的影響。在團聚體形成的過程中，無論是分解有機物料和微生物分泌物等與礦質顆粒形成大團聚體的過程，還是微團聚體在有機物的參與下重新形成大團聚體的過程，新鮮的有機物質輸入都是必不可少的。有機培肥措施通過增加土壤中有機質含量，在降解過程中提高微生物豐度、分泌物及殘骸，在促進團聚體形成的過程中起到了至關重要的作用。有結果顯示，在黃土高原有機培肥實驗中，綠肥對于促進團聚體的形成貢獻最大，秸稈次之[12]。在紅壤地區的研究結果顯示，油菜秸稈還田可以促進大團聚體的形成且效果持久，豬糞有機肥也能達到相似的效果但是過程不夠持久[13]。時至今日，隨著研究技術的進步，對于團聚體的研究提升到了微觀領域，如利用CT 掃描技術等納米尺度觀測技術分析團聚體微結構及其元素含量[14]；利用電鏡掃描技術觀察不同還田方式對與團聚體微觀結構[15]等。

土壤中養分的積累與水、氣、熱交換過程的強度和速率很大程度上決定于土壤結構的好壞，而團聚體結構作為評價土壤結構的關鍵性指標，其結構是否良好對于土壤肥力具有意義重大[16-17]。對于有機培肥措施下團聚體結構的變化，研究表明施用有機肥提高了土壤有機質含量，使膠結物質增加，進而增加大團聚體數量[18]。已有對團聚體結構的研究主要集中在水穩性團聚體與機械穩定性團聚體。郭蓉等[19]研究發現長期施用有機肥增加了＞ 2 mm、1 ～ 2 mm、0.5 ～ 1 mm 水穩性團聚體的含量，但是顯著降低了0.25 ～0.5 mm 水穩性團聚體含量。有學者得到相似的結論[20]，大粒徑水穩性團聚體的增加，相應的減少了＜ 0.25 mm 水穩性團聚體以及粘沙粒的含量，提高了土壤的平均重量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD），提高了土壤團聚體的穩定性。

土壤團聚體中的固體和孔隙的組合提供了許多微小位點，這些位點相互連接形成的孔隙通道為物質的儲存和運輸提供便利[6]?？紫督Y構作為土壤結構最重要的一環，能夠真實的反應土壤結構狀況，其數量、大小、分布和空間構型等因素不僅影響了養分的運輸和儲存等過程，也決定了土壤生物運動和“生活”的場所[21]。如李文昭等[22]研究了有機培肥措施下紅壤團聚體的孔隙結構變化，發現孔隙數量增多并呈現出明顯的復雜多孔結構；同時有機培肥對比其他施肥措施，其團聚體比表面積、孔隙度、連通性也是最佳，既有利于孔隙間的物質運移，也有利與土壤保水保肥。王偉鵬[23]、邱琛[14]等在褐土和黑土的研究中得到了相似的研究結果，進一步證明了增施有機肥對團聚體結構的形成具有正向影響。

2.2 有機培肥對于土壤團聚體穩定性的影響

土壤團聚體作為土壤最基本的結構單元，是土壤養分儲存的場所以及微生物生境。有機培肥能夠提高土壤有機碳積累，并促進土壤團聚體的形成，提高其穩定性[24]。已有研究表明，在旱作農田土壤長期施用有機肥能夠顯著增加土壤的機械穩定性團聚體、水穩性團聚體以及有機質含量，并且能夠直接促進0.5 ～ 1 mm 水穩性團聚體的形成[25]。在我國紅壤地區研究發現長期施用有機肥能夠增加＞ 5 mm 機械穩定性團聚體含量＞ 0.25 mm 水穩性團聚體含量與土壤有機質含量極顯著正相關關系。研究結果表明，在單施化肥基礎上施加有機肥有利于紅壤大團聚體的形成，且能增加其穩定性[26]。劉振東等[27]關于華北褐土的糞肥配施化肥的研究中，關于團聚體不同組分的變化也得到相似的結果，糞肥配施化肥能顯著提高水穩性團聚體的分布以及其平均重量直徑和幾何平均直徑。關于我國黑土區，有學者的研究顯示長期施用有機肥能夠作為膠結劑增加大團聚體的含量，同時能夠提高微生物活性，促進真菌、根系的生長，從而在大團聚體內部形成微粒有機質，增加團聚體的穩定性，并且隨著有機肥施用量的增加效果更佳[28]。

有機培肥措施能夠增加土壤中有機質含量，使團聚體膠結物增多，此外還可以影響土壤微生物的活動。雖然有研究表明過量施用有機肥會導致土壤質量下降，不利于團聚體的形成與穩定[29]，但是有機培肥措施想要達到促進土壤團聚體形成與穩定的效果需要累計足夠的年限，這一結論有較多試驗結果的支持。

2.3 有機培肥對土壤團聚體固碳的影響

在團聚體形成過程的研究中，關于土壤的碳固存機制，Six 等[30-31]提出了保護土壤碳庫的三種模式，分別為通過微團聚體實現的物理保護型；粉粒與黏粒結合的化學穩定型；以及形成難降解的土壤有機質的生化穩定型。施肥作為促進土壤團聚體形成的重要手段，有著直接增加土壤有機質含量與間接的改善土壤內部環境等作用，對于土壤團聚體固碳作用的十分重要的意義[32]。團聚體是有機碳在土壤中的形成、轉化的載體，有機碳反過來作用于團聚體形成的過程中，可以提升團聚體聚合的強度。

適宜的耕作方式對于團聚體固碳也有著積極的作用。有機培肥搭配適宜耕作方式對于華北平原土壤團聚體固碳的影響研究結果顯示，免耕秸稈覆蓋條件下有利于表層土壤大團聚體的形成，能夠顯著增加土壤大團聚體有機碳的含量，并且降低有機碳的礦化，增加土壤固碳量[33]。其他學者也得到相似的結果，在有機培肥措施下能夠提高團聚體內的有機碳含量，并增加其礦化度[34]。苗淑杰等[35]在東北地區的研究表明：施用有機肥一方面增加土壤有機碳含量，另一方面促進土壤中1 ～ 2 mm 大團聚體與0.25 ～ 0.053 mm 微團聚體的形成，而這兩個粒級團聚體對于黑土有機碳的保護作用最大。在關于棕壤的研究中，試驗證明了大團聚體含量和固碳量與施加有機肥措施存在正向響應[5]。在紅壤區域的研究中發現，長期施有機肥在提升土壤總有機碳含量的同時，能夠顯著提高土壤團聚體內的輕組有機碳、粗顆粒有機碳、細顆粒有機碳和礦物結合態有機碳含量[36]。

2.4 有機培肥對于土壤團聚體養分賦存的影響

通過有機培肥的方式提高土壤中有機質的含量，可以促進有機質與礦質顆粒結合形成聚合體，進而促進土壤團聚體形成，同時還可以將土壤有機碳儲存其中，避免其流失和造成氣候變化。為了更好的研究團聚體中碳含量的變化，Blair 等[37]在1995 年提出了土壤碳庫管理指數（CPMI）這一概念，用于確定自然或人為管理狀態土壤碳的狀態和變化率。后來有學者根據該方法提出了土壤氮庫和磷庫管理指數，用于體現土壤中相應養分賦存狀態和含量。應用管理指數這一方法，不僅能夠直觀的反映出外界條件變化對于養分總量的影響，還能夠體現出該養分不同組分的質量變化。針對于不同粒級團聚體的養分賦存以及對于土壤肥力貢獻，研究結果顯示有機培肥的方式可以增加土壤各級團聚體的有機碳、易氧化碳等不同組分碳的含量，從而使碳庫管理指數的增加。在有關團聚體氮庫與磷庫的研究中，施加有機肥在使碳庫增加的同時，能夠增加氮庫總量，促進團聚體中氮含量的增加，使微團聚體中堿解氮含量增加，更利于作物吸收，還能夠增加團聚體中全磷、速效磷的含量，提高了磷元素的活化系數[38]。

此外還有通過計算各級團聚體養分的貢獻率以及活化度的方法來表征團聚體養分賦存狀態的研究，如李新悅等[39]進行長期秸稈還田試驗得出結論，秸稈還田一方面有利于大團聚體的形成，另一方面為大團聚體提供了氮磷鉀元素，不僅提高了整體養分含量，而且提高了養分的有效性。在土壤養分保持和供給方面，有長期定位試驗結果表明，有機培肥搭配化肥的措施增加了＜ 5 mm 的各級團聚體含量，能夠明顯改善土壤結構，提升土壤肥力。在保持土壤肥力方面，大團聚體能夠儲存更多的全C、全N、全P，能夠實現保肥的效果。在增加速效養分含量方面，有機培肥措施下土壤養分更多的向小粒級團聚體聚集，更加有利于養分的供給[2]。同時有研究表明，有機培肥措施不僅能夠改善土壤養分狀況，還能夠提升土壤微生物學特性，證明了有機培肥對于提高土壤養分有效性具有顯著效果[40]。有學者對不同施肥條件下的團聚體微生物量碳氮變化進行總結：有機培肥措施代替單施化肥能夠提高土壤微生物量碳、氮，在一定條件下，有機物輸入越多，土壤微生物量越高，但與團聚體篩分方法、農田管理措施、土地類型等因素密切相關[41]。團聚體的形成包含著諸多機制，長期施加有機肥可以提高各級團聚體養分的含量及養分有效性，但是有機養分與有效養分的轉化、養分在不同粒級團聚體是如何實現分配和周轉以及上述過程對于環境變化的響應等問題[20]仍需要進一步探索。

2.5 有機培肥下土壤團聚體形成與穩定的微生物驅動機制

在土壤團聚體形成過程中，微生物對于微團聚體和大團聚體的作用機制不同[42]。微團聚體的形成主要依靠細菌分泌膠結物質，并分解有機物形成有機-無機產物，與土壤顆粒結合形成團聚體。研究發現在土壤中的碳水化合物主要以微生物分泌的多糖形式存在，多糖在團聚體形成、穩定過程中發揮著重要的粘連作用，是該過程中重要的膠結劑[43]。微生物分解有機質產生的多糖、多糖醛酸、氨基酸等能夠附著在土壤顆粒上增加團聚體的粘附性；在大團聚體形成過程中，微團聚體在松結合態有機物和多糖以及微生物分泌物等共同作用下結合形成大團聚體。在以上過程中，微生物主要從電荷靜電引力、分解有機物的代謝產物粘結以及菌絲菌根的纏繞作用三個方面為團聚體形成做出貢獻[44]。例如多糖、球囊霉素等微生物分泌物在團聚體形成過程中的黏合作用；微生物代謝過程中伴隨著土壤中有機質的分解、解吸，使團聚體結構破壞進而促進了團聚體的整體周轉過程。有學者將單細胞微生物接種到土壤中發現，其產生的胞外多聚物能夠顯著的提高大團聚體的含量[45]。

在不同粒級團聚體內部，由于賦存的養分種類與含量不同，以及環境的差異，微生物群落也有所不同[46]。研究表明，有機培肥措施能夠增加土壤中微生物的多樣性和生物豐度，間接發掘了微生物功能潛力，提高了土壤功能穩定性[47]。如夏圍圍等[48]研究結果顯示，不同硝化微生物在不同粒徑團聚體間分異機制有明顯差異，其分布對于土壤環境變化有較大程度的響應。李巧鳳等[42]對比不同施肥措施下團聚體內微生物的含量變化發現，施加有機肥處理下的各級團聚體中細菌、真菌含量顯著高于其他處理。該研究還發現，施加有機肥處理能夠使土壤中促進團聚體形成與穩定的外生菌根真菌類群豐度增加，且增加與固碳等作用相關的微生物數量，有利于維持健康的土壤結構。目前對于有機培肥措施下微生物對于團聚體形成與穩定的研究尚少，在未來的研究中應該注重對真菌功能的探究，以此揭示該視角下團聚體形成的相關機制。

3 總結與展望

綜上所述，有機培肥這一施肥措施相比于傳統單施無機肥有著諸多優勢，首先有機培肥可以直接增加土壤中有機質含量，改善土壤理化性質，提高整體養分水平；其次能夠促進土壤團聚體的形成與穩定，加快土壤團聚體的整體周轉過程；最后該措施還能夠豐富土壤微生物的種類和豐度，并且在前面兩點的基礎上提高團聚體中不同養分的總量，增加有效性養分的比例，有利于提升地力和提高作物產量。但是關于有機培肥與土壤團聚體各方面相互關聯的具體機制尚未清晰，根據現有研究結果及研究趨勢，做出以下幾點展望。

（1）由于我國不同區域的土地利用方式、耕作方式以及施肥等方面的差異，需要就探究合理的施肥與耕作等條件的搭配方式結合先進的觀測技術，對各級團聚體形成與穩定進行深入研究。

（2）有機培肥措施在促進團聚體形成與穩定過程中，相關膠結物質的具體作用機制尚未完全清晰，可以從物質分析提取方法以及微觀視角的觀察分析方法等實驗方法進行改進，更加深入的了解各級團聚體之間的層級信息以及相關機制。

（3）在團聚體養分賦存方面，不同粒級團聚體對于不同養分儲存的總量和響應程度不同，應繼續針對不同養分總量和活化程度與團聚體粒徑分布趨勢差異性進行研究，以達到為當地作物提供更好的養分供應效果。

（4）針對有機質含量、團聚體結構、微生物三者之間相互作用機制，在團聚體中不同的微生物群落作用的差異，以及區分微生物對于不同來源有機質的作用差別等方面，若能夠清晰相關內容，將會對于未來土壤管理與肥力調控提供重要依據。