土壤有机碳是耕地土壤肥力的重要组成部分，是土壤质量和功能的核心^[1]，是评价土壤质量和健康状况的重要指标之一^[2]。土壤有机碳的微小变化会对大气中碳的浓度产生重要影响，土壤作为碳汇或碳源，已成为全球气候变化研究的主要关注点^[3-4]。土壤团聚体数量是评价土壤结构及质量的重要指标，是土壤碳固定的最重要机制，也是土壤有机碳的重要贮存场所^[5-6]。土壤有机碳含量反过来又影响团聚体的数量和大小分布，有机碳含量的提高有利于土壤结构的形成及其稳定性的增强，土壤有机碳的固存与团聚体的结构形成相辅相成^[7]。国内外研究表明，影响土壤肥力的关键因子是土壤碳素，任何土壤质量的变化都与土壤碳素数量和质量的变化相关^[8-9]。多年来，许多学者针对不同生态区域开展研究不同施肥措施对土壤团聚体有机碳及其结构稳定性的影响。有机物质输入的增加促进了团聚体的形成，从而改变了土壤团聚体有机碳含量和分配比例^[10]。长期施用有机肥显著提高了土壤大团聚体比例^[11]，可显著增加土壤有机碳及其组分含量^[12-14]，化肥配施有机肥效果优于单施化肥^[11，15-16]，且不同土壤质地条件下，施用有机肥和化肥对有机碳及矿物结合态组分的影响程度存在显著差异^[17]。因此，施肥作为主要农田管理措施，可对土壤团聚体分布及其稳定性和团聚体有机碳产生重要影响。本研究将依托甘肃定西黄绵土土壤肥力与肥料效益长期定位监测试验，探究长期施用有机肥、化肥对半干旱区小麦田土壤团聚体分布及其稳定性、团聚体有机碳含量及其储量的影响，为优化农田管理措施和土壤增碳培肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验设在甘肃省农业科学院国家土壤质量安定观测实验站（104°36′E，35°35′N），该区平均海拔 1970 m，年均气温 6.2℃，年均降水量 415 mm，年均蒸发量 1531 mm，无霜期 146～149 d，为典型的西北黄土丘陵半干旱区。试验始于 2014 年 3 月，土壤类型为黄绵土，质地为壤土。试验开始时耕层土壤理化性质为有机碳 10.58 g/kg、全氮 0.86 g/kg、硝态氮 20.73 mg/kg、铵态氮 3.16 mg/kg、有效磷 13.32 mg/kg、速效钾 168.4 mg/kg、pH 8.40。

1.2 试验设计

试验以春小麦为指示材料，设 4 个施肥处理： （1）不施肥对照（CK）、（2）单施氮磷钾（NPK）、 （3） 单施有机肥（OM）、（4） 氮磷钾 + 有机肥 （NPKM）。小区面积 6.5 m×4 m，3 次重复。氮、磷、钾肥养分施用量分别为 N 150 kg/hm²、P₂O₅ 120 kg/hm²、K₂O 90 kg/hm²，有机肥为纯羊粪，用量为 30 t/hm²，所有肥料于覆膜播种前一次性施入。小麦采用全膜覆土穴播栽培方式^[18] （地膜平铺整个地面，膜上覆盖细土 1～2 cm，覆膜覆土后 1～2 d 播种），小麦在每年 3 月下旬播种，7 月下旬收获，田间管理措施与当地一致。

2020 年试验地基本情况见表1。

注：同行不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤团聚体分级、团聚体有机碳含量的测定

2020 年 7 月春小麦收获后在田间取样，每个小区按照“S”形多点取样法采集耕层 0～20 cm 原状土样混合，装入硬质塑料盒带回实验室以备测试，并用环刀法^[19]测定耕层土壤容重。采集的土样分成两份，一份土样处理后用于总有机碳的测定，另一份土样用沙维诺夫干筛法^[18]分离出 >5、 2～5、1～2、0.5～1、0.25～0.5、<0.25 mm 粒级的团聚体。团聚体有机碳含量采用重铬酸钾外加热法测定^[19]。

1.3.2 团聚体质量百分含量、>0.25 mm 的团聚体含量和团聚体平均质量直径的测定

团聚体质量百分含量、>0.25 mm 的团聚体含量 （R_0.25）和团聚体平均质量直径（MWD）的测定参考文献^[20]，计算公式如下：

$\text{各粒级团聚体质量}\text{百分含量}=\frac{\text{各粒级团聚体质量}}{\text{土壤样品总}\text{质量}}\times 100\mathrm{\%}$

$R_{0.25}=\frac{M_{i>0.25}}{M_T}$

$MWD=\frac{\sum _{i=1}^n\left(x_i{w}_i\right)}{\sum _{i=1}^n\left(w_i\right)}$

式中，M_i>0.25 为大于 0.25 mm 团聚体的重量；M_T 为团聚体总重量；x_i 为各粒级团聚体的平均直径；w_i 为各粒级团聚体的百分含量。

1.3.3 团聚体有机碳储量的测定

土壤有机碳储量（SOCR） 通过计算土壤碳密度（SOCD） 求得^[21]。SOCD = SOC×b×d /10， SOCR= S×SOCD；式中，SOC 为土壤有机碳含量 （g/kg），d 为土层厚度（10 cm），b 为该土层土壤容重（g/cm³），S 为计算面积（取 1 hm²）。

1.4 数据处理

采用 Excel 2007 计算数据并作图，利用 DPS 9.50 进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 土壤团聚体的分布特征

从表2 可知，在西北半干旱区黄绵土条件下，连续 7 年进行春小麦定位试验，不同施肥处理 0～20 cm 土壤团聚体含量随粒级减小总体呈先降低后增加的变化趋势，>1 mm 粒级时，随着粒级的减小而降低，<1 mm 粒级时则相反。0～10 cm 土层 >2 mm 粒级的团聚体含量总体显著高于 10～20 cm 土层，而 <0.25 mm 粒级则相反。0～20 cm 土层的土壤团聚体含量受施肥因素的影响达到了显著水平（P<0.05），>0.5 mm 粒级土壤团聚体含量总体表现为：NPKM、OM 处理显著高于 NPK 和 CK 处理，<0.25 mm 粒级则相反；NPKM 与 OM 处理间差异不明显，NPK 与 CK 处理间无显著差异。

团聚体分组一般以 0.25 mm 为界线，把团聚体分为大团聚体（>0.25 mm）和微团聚体（<0.25 mm） 两类。0～20 cm 土层的 >0.25 mm 团聚体 R_0.25 和团聚体 MWD 受施肥因素的影响均达到了显著水平（P<0.05），总体表现为 NPKM>OM>NPK>CK，且 NPKM 与 OM 处理显著高于 NPK 和 CK 处理。其中在 0～10 cm 土层，NPKM 和 OM 较 NPK、CK 处理土壤团聚体 R_0.25 分别显著提高了 8.59% 和 8.71%、14.83% 和 14.96%，MWD 分别提高了 11.07% 和 4.10%、 15.81% 和 8.55%；在 10～20 cm 土层，NPKM 和 OM 较 NPK、CK 处理土壤团聚体 R_0.25 分别显著提高了 11.27% 和 8.83%、15.71% 和 13.18%，MWD 分别提高了 13.22% 和 4.41%、20.09% 和 10.75%。NPK 处理与 CK 无显著差异，且不同施肥处理 0～10 cm 土层的团聚体 R_0.25 和 MWD 均大于 10～20 cm 土层。结果表明，长期化肥与有机肥配施（NPKM）和单施有机肥（OM）较单施化肥（NPK）显著增加了土壤团聚体 R_0.25 的含量，且 >0.5 mm 粒级团聚体含量增加明显，提高了团聚体 MWD，说明长期施用有机肥有利于增加土壤团聚体的稳定性。

注：同列不同小写字母分别表示不同施肥处理间、不同土层深度（均值）、施肥处理（均值）间的差异显著（P<0.05）；下同。R_0.25 为 >0.25 mm 团聚体含量；MWD 为平均质量直径。

2.2 土壤团聚体有机碳含量的变化

由表3 可知，不同施肥处理 0～10 cm 土层的各粒级团聚体有机碳含量均显著大于 10～20 cm 土层，平均增加 12.90%～15.16%。团聚体有机碳含量随粒径减小呈增加的变化趋势，>5 mm 粒级的团聚体有机碳含量最低，<0.25 mm 粒级的相对较高。各粒级团聚体有机碳含量受施肥因素的影响达到了显著水平（P<0.05），NPKM、OM 处理显著高于 NPK 和 CK，NPKM 与 OM 处理差异不明显，NPK 处理与 CK 无显著差异。在 0～10 cm 土层，NPKM 和 OM 较 NPK 处理 >5、2～5、1～2、0.5～1、0.25～0.5 mm 粒级团聚体有机碳含量分别显著增加了 40.90% 和 34.36%、39.45% 和 36.09%、39.49% 和 34.14%、43.45% 和 34.61%、 44.37% 和 35.09%，<0.25 mm 微团聚体有机碳含量显著增加了 52.04% 和 44.45%；在 10～20 cm 土层，NPKM 和 OM 较 NPK 处理 >5、2～5、1～2、 0.5～1、0.25～0.5 mm 粒级团聚体有机碳含量分别显著增加了 31.88% 和 27.65%、28.79% 和 24.94%、25.69% 和 28.52%、31.0% 和 29.80%、 31.73% 和 26.98%，<0.25 mm 微团聚体有机碳含量显著增加了 39.69% 和 29.90%。结果表明，在西北半干旱区黄绵土条件下，连续 7 年小麦定位试验，长期化肥与有机肥配施（NPKM）与单施有机肥 （OM）较单施化肥（NPK）均显著提高了 0～20 cm 土层土壤团聚体有机碳含量，且 0～10 cm 较 10～20 cm 土层增加效果明显，<0.25 mm 微团聚体有机碳含量增加幅度大。

2.3 土壤团聚体对有机碳的贡献率

由表4 可知，不同粒级土壤团聚体对有机碳的贡献率与团聚体分布变化规律基本一致，总体表现出：随着粒级的减小，团聚体对有机碳的贡献率呈先降低后增加的趋势，>1 mm 粒级时，随着粒级的减小而降低，<1 mm 粒级则相反。>5 mm 粒级的团聚体对有机碳的贡献率最大，其次是 2～5 mm 粒径团聚体，1～2 mm 粒级的贡献率相对较小，而 <0.25 mm 粒级团聚体有机碳含量较高，但其对有机碳的贡献率相对较小。0～10 cm 土层 >2 mm 粒级团聚体对有机碳的贡献率总体高于 10～20 cm 土层。

从不同粒级团聚体对不同施肥处理土壤有机碳的贡献率来看，>1 和 <0.25 mm 各粒级团聚体对有机碳的贡献率在不同施肥处理间差异显著，NPKM 与 OM 处理较 NPK 和 CK 处理提高了 >1 mm 粒级团聚体对有机碳的贡献率，在 0.25～1 mm 粒级时各施肥处理间无显著差异，<0.25 mm 粒级时则相反。与 NPK 相比，NPKM 和 OM 处理 >5、1～2 mm 粒级团聚体对有机碳的贡献率分别提高了 13.5% 和 3.1%、9.7% 和 18.9%，<0.25 mm 粒级时分别显著降低了 36.8% 和 33.8%。结果表明，在西北半干旱区黄绵土条件下，长期化肥与有机肥配施（NPKM） 和单施有机肥（OM）均有利于提高 >1 mm 粒级团聚体对有机碳的贡献率，可使增加的新碳向大团聚体富集。另外，>2 mm 团聚体对有机碳的贡献率总体随着土层的加深而递减。

2.4 土壤团聚体有机碳储量变化

由图1 可知，不同施肥处理对 0～20 cm 土层团聚体有机碳储量的影响表现为：NPKM 处理最高，其次是 OM 处理，且两者显著高于 NPK 和 CK 处理， NPK 与 CK 处理无显著差异。在 0～10 cm 土层， NPKM 较 NPK 和 CK 处理土壤团聚体有机碳储量显著增加 34.10% 和 32.87%、OM 较 NPK 和 CK 处理显著增加 25.20% 和 24.05%，NPKM 较 OM 处理提高 7.11%； 在 10～20 cm 土层，NPKM 较 NPK 和 CK 处理显著增加 26.89% 和 26.53%，OM 较 NPK 和 CK 处理显著增加 17.95% 和 17.62%，NPKM 较 OM 处理提高 7.58%。由此可见，在西北半干旱区黄绵土条件下，连续种植 7 年小麦，长期有机肥与化肥配施 （NPKM）与单施有机肥（OM）较单施化肥（NPK） 均显著增加耕层土壤团聚体有机碳储量，土壤增碳培肥效果显著。此外，不同施肥处理 0～10 cm 土壤团聚体有机碳储量高于 10～20 cm 土层，施肥对团聚体有机碳储量的影响随着土层的加深而变小，这可能与表层土壤受人为耕作因素干扰较大有关。

注：不同小写字母表示同一土层不同处理间差异显著（P<0.05）。

3 讨论

本研究表明，在西北半干旱区黄绵土条件下连续种植 7 年小麦，不同施肥处理 0～20 cm 土壤团聚体含量随粒级减小总体呈先降低后增加的变化趋势，>1 mm 粒级时，随着粒级的减小而降低， <1 mm 粒级时则相反；0～10 cm 土层 >2 mm 粒级团聚体含量总体高于 10～20 cm 土层，而 <0.25 mm 粒级团聚体含量则呈相反的变化趋势，这与杜少平等^[20]的研究结果不一致，可能与不同区域土壤质地、种植模式、田间管理等因素有关。本研究中，长期化肥与有机肥配施（NPKM）与单施有机肥（OM）较单施化肥（NPK）均显著增加了团聚体 R_0.25 和 MWD，有利于改善农田土壤结构，这与前人研究结果基本一致，这主要是长期施用有机肥增加了土壤碳源，增加了作为土壤团聚体胶结剂的有机物质，促进了土壤颗粒和微团聚体的黏结^[17]。而单施化肥（NPK）与不施肥（CK）各粒级团聚体含量和 MWD 差异不明显，其原因是长期施用化肥造成土壤肥力下降，减少了作为团聚体胶结剂的土壤有机质含量，土壤团聚体的形成和稳定性取决于有机质含量^[22]，从而不利于团聚体的形成和稳定。

土壤各粒级团聚体有机碳含量是土壤有机质平衡和矿化速率的微观表征，对土壤肥力和土壤碳汇具有双重意义^[23]。本研究表明，不同施肥处理土壤团聚体有机碳含量有随团聚体粒级减小而增加的变化趋势，这与前人研究结果基本一致^[24-25]，主要是微团聚体有机无机胶体结合的更紧密，且团聚体粒级越小，比表面积越大，吸附的有机物质则越多^[26]。与 NPK 处理相比，NPKM 和 OM 处理 0～10 cm 土层 >0.25 mm 粒级的团聚体有机碳含量分别显著增加了 39.45%～44.37% 和 34.14%～36.09%，<0.25 mm 微团聚体有机碳含量分别显著增加了 52.04% 和 44.45%；10～20 cm 土层 >0.25 mm 粒级团聚体有机碳含量分别显著增加了 25.69%～31.88% 和 24.94%～29.80%，<0.25 mm 粒径时分别显著增加了 39.69% 和 29.90%； 0～10 cm 土层团聚体有机碳含量增加幅度明显高于 10～20 cm，且 <0.25 mm 微团聚体的增加幅度最大，这与前人研究结果^[26-28]一致，主要是长期有机物料投入有利于增加土壤团聚体的稳定性及有机碳在团聚体中的固持^[29]，已成为土壤有机碳增加的根本原因^[12]。

将各粒级土壤团聚体含量和不同粒级团聚体有机碳含量综合考虑，不仅可更好地反映各粒级团聚体对有机碳的贡献率^[20]，而且能全面、客观地反映长期施肥对团聚体有机碳库的作用。本研究表明，长期施用有机肥（NPKM 与 OM）较单施化肥 （NPK）和不施肥（CK）提高了 >1 mm 粒级团聚体对有机碳的贡献率，且 >5 和 1～2 mm 粒级时差异达到了显著水平，表明 >1 mm 粒级的团聚体有机碳对长期施用有机肥的农田土壤有机碳变化响应敏感，主要是长期施用有机肥可促进有机碳在大团聚体中富集和固持，且团聚体对有机碳的物理保护主要通过大团聚体来实现。另外，0～10 cm 土层 >2 mm 粒级团聚体对有机碳的贡献率总体显著高于 10～20 cm 土层，而 <0.25 mm 粒级则相反，这与杜少平等^[20]、李玮等^[24]、卢凌霄等^[30]的研究结果不同，可能与不同区域气候、土壤质地、种植模式、田间管理等因素有关。

本研究表明，在半干旱区黄绵土条件下，长期化肥与有机肥配施（NPKM）与单施有机肥（OM） 较单施化肥（NPK）显著增加了 0～20 cm 土层土壤团聚体有机碳储量，且 0～10 cm 土壤团聚体有机碳储量明显高于 10～20 cm 土层，这与前人研究结果一致。本研究中 NPK 与 CK 处理 0～20 cm 土壤团聚体有机碳储量无差异，这与刘恩科等^[6] 的研究结果不同，其原因在于长期单施化肥导致土壤中无外源有机物质的投入，有机碳的来源主要依靠作物残留的根茬，而残留物不足以弥补有机碳的矿化消耗，最终导致土壤有机碳的亏缺^[31]。

4 结论

（1）在西北半干旱区黄绵土条件下，连续种植 7 年小麦，不同施肥处理耕层土壤团聚体含量随粒级减小呈先降低后增加的趋势，>1 mm 粒级时，随着粒级的减小而降低，<1 mm 粒级时则相反；0～10 cm 土层 >2 mm 粒级土壤团聚体含量总体高于 10～20 cm。长期化肥与有机肥配施（NPKM） 与单施有机肥（OM）较单施化肥（NPK）显著提高了团聚体 R_0.25 和 MWD，说明长期施用有机肥有利于增加土壤团聚体的稳定性。

（2）不同施肥处理耕层土壤团聚体有机碳含量随着团聚体粒级的减小呈增加趋势，团聚体有机碳含量及其有机碳储量随土层的加深而降低。长期化肥与有机肥配施（NPKM）与单施有机肥（OM）较单施化肥（NPK）均显著增加了 0～20 cm 土壤团聚体有机碳含量及其有机碳储量，且表层 0～10 cm 显著高于 10～20 cm，说明长期施用有机肥对农田土壤增碳培肥具有显著效果。而单施化肥 （NPK）与不施肥（CK）无差异，说明长期施用化肥对改善土壤团聚体结构和固碳效果不明显，需加强与有机肥配施从而实现培肥土壤。

（3）团聚体对有机碳贡献率的影响与团聚体分布变化规律基本一致，>2 mm 粒级团聚体对有机碳的贡献率总体随着土层的加深而降低。长期化肥与有机肥配施（NPKM）与单施有机肥（OM）较单施化肥（NPK）和不施肥（CK）提高了 >1 mm 粒级团聚体对有机碳的贡献率，表明 >1 mm 粒级的团聚体有机碳对长期施用有机肥下土壤有机碳变化响应敏感，长期施用有机肥可促进有机碳在大团聚体中富集和固持。

参考文献