不同施肥模式下設(shè)施菜田土壤團(tuán)聚體養(yǎng)分和微生物量特征

榮勤雷，李若楠，黃紹文，周春火，唐繼偉，王麗英，張彥才

（1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部植物營養(yǎng)與肥料重點實驗室，北京 100081；2 河北省農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源環(huán)境研究所，石家莊 050051；3 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)國土資源與環(huán)境學(xué)院，南昌 330045）

近些年來我國設(shè)施蔬菜發(fā)展迅速，從1980年的面積不足0.7萬hm2，目前已達(dá)386.8萬hm2，產(chǎn)值占蔬菜總產(chǎn)值的50%以上，已成為許多地區(qū)的支柱產(chǎn)業(yè)，具有良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益[1]。目前，設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中普遍存在著化肥施用嚴(yán)重超量、化肥與有機肥配施模式不夠合理等現(xiàn)象，由此導(dǎo)致了設(shè)施蔬菜土壤有機質(zhì)降低、次生鹽漬化等一系列問題，嚴(yán)重地威脅了設(shè)施蔬菜生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展[2-3]。土壤團(tuán)聚體是礦物質(zhì)、有機質(zhì)和生物質(zhì)相互作用在特定條件下的組合，團(tuán)聚體的復(fù)雜多相結(jié)構(gòu)影響了土壤水分、養(yǎng)分保持及其供應(yīng)的調(diào)控能力[4]，對維持土壤質(zhì)量發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。因此，深入了解不同土壤培肥措施下設(shè)施菜地土壤團(tuán)聚體中養(yǎng)分和微生物量碳氮等分布規(guī)律就顯得十分重要。

目前，國內(nèi)外有關(guān)施肥措施對設(shè)施菜田土壤養(yǎng)分和微生物量碳氮影響的研究已有較多報道，但主要以土體為研究對象。王文鋒等[5]研究有機肥和秸稈替代化肥模式對設(shè)施菜田土壤微生物量碳氮影響的結(jié)果表明，配施秸稈模式土壤微生物量碳、氮含量相對較高，較單施化肥模式平均分別增加61.4%～86.9%和78.2%～109%；在等氮鉀養(yǎng)分投入下5年8茬的設(shè)施番茄-甜椒田間輪作試驗結(jié)果顯示，不同沼肥和化肥配施各處理氮素盈余和0—180 cm土層土壤全氮含量隨沼肥施用比例增加而差異不顯著，但磷素盈余隨沼肥施用比例增加而顯著增加[6]；研究減量施磷對溫室菜地土壤磷素影響的結(jié)果指出，當(dāng)減量施磷較農(nóng)民常規(guī)施磷量減少61.1%，3年磷素盈余量減少71.0%～77.3%，0—20 cm土層Olsen-P含量下降18.6%～43.5%，同時產(chǎn)量可以保持在中高水平且不降低[7]。但由于不同粒級的團(tuán)聚體在營養(yǎng)元素的供給轉(zhuǎn)化等方面發(fā)揮著不同的作用[8]，明確土壤養(yǎng)分在團(tuán)聚體中的分布及儲量十分必要。然而，設(shè)施蔬菜栽培處于缺少雨水淋洗、溫度高、濕度大、通氣較差的特殊生態(tài)環(huán)境，再加上長期相對較高的集約化程度、復(fù)種指數(shù)和肥料投入[9-10]，使設(shè)施菜地土壤團(tuán)聚體中的養(yǎng)分轉(zhuǎn)化具有不同于其他種植模式的特點。但目前對設(shè)施菜地土壤團(tuán)聚體中養(yǎng)分及微生物量碳氮的分布狀況還缺乏較為全面的了解。因此，本研究利用開始于2009年8月的日光溫室定位試驗，在第6年冬春茬黃瓜季采取耕層土壤樣品，探究設(shè)施菜地有機肥/秸稈替代化肥模式對土壤團(tuán)聚體分布，團(tuán)聚體中養(yǎng)分和微生物量碳、氮含量的影響。從而深入了解在設(shè)施栽培條件下有機肥/秸稈替代化肥對土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和養(yǎng)分變化特征的影響，為推動設(shè)施蔬菜優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)和減量施用化肥提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本定位試驗位于河北省農(nóng)林科學(xué)院大河試驗站，供試日光溫室建于2009年5月，溫室長為48 m、寬為8 m (含0.5 m通道)。供試土壤為石灰性褐土 (粘壤質(zhì))。定位試驗起始時間為2009年8月，栽培制度為冬春茬黃瓜-秋冬茬番茄輪作，定位試驗開始前，0—20 cm土壤容重1.35 g/cm3、電導(dǎo)率185.4 μS/cm、pH 8.0、有機質(zhì)9.1 g/kg、硝態(tài)氮18.3 mg/kg、速效磷6.2 mg/kg、速效鉀98.2 mg/kg。供試黃瓜品種為博美11號 (Cucumis sativusL. cv. Bomei 11)，番茄品種為金鵬11號 (Lycopersicum esculentumMill. cv. Jinpeng 11)。

1.2 試驗設(shè)計

定位試驗共設(shè)5個處理，根據(jù)施用氮肥的差異分為：1) 全部施用化肥氮 (4/4CN)；2) 3/4化肥氮 +1/4豬糞氮 (3/4CN + 1/4MN)；3) 2/4化肥氮 + 2/4豬糞氮 (2/4CN + 2/4MN)；4) 2/4化肥氮 + 1/4豬糞氮 +1/4秸稈氮 (2/4CN + 1/4MN + 1/4SN)；5) 2/4化肥氮 +2/4秸稈氮 (2/4CN + 2/4SN)。冬春茬黃瓜施用的N、P2O5和K2O總量分別為600、300和525 kg/hm2，秋冬茬番茄施用的N、P2O5和K2O總量分別為450、225和600 kg/hm2。使用化肥補齊各處理所需氮磷鉀投入量，使所有處理等氮等磷等鉀。試驗為隨機區(qū)組設(shè)計，每個處理3次重復(fù)，小區(qū)面積為14.4 m2(寬2.4 m × 長6 m)。每小區(qū)種植黃瓜或番茄4行，每行20株，行距0.60 m，株距0.30 m。小區(qū)間用PVC板間隔 (深度105 cm，其中100 cm地下，5 cm地上，厚度4 mm)，防止小區(qū)之間養(yǎng)分和水分的橫向遷移。

在設(shè)施蔬菜定植前，各處理全部豬糞、20%化學(xué)氮肥、100%化學(xué)磷肥、40%化學(xué)鉀肥均勻撒施后旋耕入土，作物秸稈切碎后翻耕。在冬春茬黃瓜季，余下80%氮肥和60%鉀肥分成10次，根據(jù)作物的養(yǎng)分需求規(guī)律隨灌溉追施。在秋冬茬番茄季，余下80%氮肥和60%鉀肥分成4次分別在第1～4穗果膨大期 (直徑達(dá)3～4 cm) 隨灌溉追施。

定位試驗所施用氮肥為尿素 (含N 46%)，磷肥為過磷酸鈣 (含P2O516%)，鉀肥為硫酸鉀 (含K2O 51%)。所用商品豬糞含水量 (33.2 ± 4.5)%，N、P2O5、K2O 和 C 含量分別為 (1.65 ± 0.13)%、(1.33 ±0.12)%、(1.02 ± 0.12)% 和 (123.7 ± 6.8) g/kg (鮮基)；所用玉米秸稈含水量 (13.7 ± 1.6) %，N、P2O5、K2O和C含量分別為 (0.74 ± 0.08)%、(0.20 ±0.03)%、(1.19 ± 0.22)% 和 (352.0 ± 12.3) g/kg (鮮基)。

1.3 土壤樣品采集及測定方法

在定位試驗第6年冬春茬黃瓜季拉秧期采取0—20 cm耕層土壤樣品。土壤團(tuán)聚體樣品取樣方法是每個小區(qū)行間挖取多個0—20 cm原狀土柱 (5 cm ×10 cm × 20 cm)，用小刀削去土柱外部在挖取過程中因接觸土鏟擾動部分的土壤，土柱分別儲存在硬質(zhì)塑料盒中，以確保在運輸過程中不受擠壓、保持土壤原有結(jié)構(gòu)。將盛有新鮮土樣硬質(zhì)塑料盒置于冰盒中迅速運至實驗室處理。

土壤團(tuán)聚體分級方法采用濕土壤干篩，以減少對團(tuán)聚體與微生物群落分布和活動之間原位連接的破壞[11-12]。主要步驟為：將經(jīng)過剔除石礫、植物殘根等雜物預(yù)處理的新鮮土壤樣品在低溫下風(fēng)干至100 g/kg的重量含水量，混合均勻后，將大塊土壤掰開后過5 mm篩備用；每次稱取100 g低溫下風(fēng)干過篩的土壤樣品，置于套篩 (2 mm、1 mm、0.25 mm) 的最上層，將套篩固定到土壤干篩儀上篩分 (DM185，上海德碼信息科技有限公司)；土壤干篩儀振幅1.5 cm，篩分時間 1 min，頻率30次/min。篩分后收集每級土壤篩上面的團(tuán)聚體，可以得到以下幾個級別：〈 250 μm (microaggregates and silt and clay fractions，MSC)；250～1000 μm (small macroaggregates，SA)；1000～2000 μm (macroaggregates，MA)；〉2000 μm (large macroaggregates，LA)[13]。將各篩上的團(tuán)聚體分別收集至鋁盒中在60℃下烘干，用于計算團(tuán)聚體分布、平均重量直徑 (MWD) 和平均幾何直徑(GMD)。重復(fù)這一步驟多次，以收集足夠測試的土壤團(tuán)聚體樣品。將各級團(tuán)聚體分取一部分風(fēng)干，用于測定土壤理化性質(zhì)；剩余的另一部分鮮樣用于測定土壤團(tuán)聚體中微生物量碳、氮 (MBC和MBN)。

土壤理化性質(zhì)測定參考土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析的相關(guān)方法[14]，具體方法為：土壤各粒級團(tuán)聚體中有機碳含量采用重鉻酸鉀-濃硫酸氧化 (外加熱法) 測定；全氮采用凱氏法消煮半微量滴定法測定；速效磷采用NaHCO3(0.5 mol/L) 浸提—鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用NH4OAc (1 mol/L) 浸提—原子吸收分光光度計測定。土壤硝態(tài)氮采用2 mol/L氯化鉀溶液浸提—雙波長紫外分光光度法測定[15]。土壤微生物量碳、氮采用氯仿熏蒸—硫酸鉀浸提方法測定[16-17]。土壤未分組前4/4CN、3/4CN + 1/4MN、2/4CN + 2/4MN、2/4CN + 1/4MN + 1/4SN和2/4CN + 2/4SN處理土壤微生物量碳，氮分別為：110.01 ± 14.04、26.20 ±4.16；116.53 ± 10.75、33.14 ± 3.42；139.30 ± 13.90、38.59 ± 3.57；192.16 ± 15.82、43.90 ± 2.64；235.96 ±15.86、55.41 ± 3.88 mg/kg。

團(tuán)聚體對土壤碳氮的貢獻(xiàn)率 = (該級團(tuán)聚體中碳氮含量 × 該級團(tuán)聚體的百分含量)/全土中碳氮含量 ×100%[18]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行整理。方差分析采用SAS 9.1統(tǒng)計軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機肥/秸稈替代化肥模式對設(shè)施蔬菜土壤團(tuán)聚體分布和穩(wěn)定性的影響

從圖1可以看出，有機肥/秸稈替代化肥模式影響不同粒級團(tuán)聚體的分布。有機肥/秸稈替代化肥模式 250～1000 μm 團(tuán)聚體和 〉 2000 μm 團(tuán)聚體含量較高，而 〈 250 μm 團(tuán)聚體和 1000～2000 μm 團(tuán)聚體含量相對較低，其中以配施秸稈模式變異相對較大，差異顯著 (P〈 0.05)。設(shè)施菜田土壤主要以 〉 2000 μm團(tuán)聚體為主，〈 250 μm團(tuán)聚體比例最低。每100 g 土壤中，〈 250 μm 團(tuán)聚體、250～1000 μm 團(tuán)聚體、1000～2000 μm 團(tuán)聚體和 〉 2000 μm 團(tuán)聚體的含量分別平均為7.6、32.0、22.0和38.4 g，不同粒徑團(tuán)聚體所占比例之間呈顯著差異 (P〈 0.05)。

圖1 不同施肥模式下土壤中不同粒徑團(tuán)聚體的分布Fig. 1 The distribution of soil aggregate-size fractions under different fertilization modes

較4/4CN模式，有機肥/秸稈替代化肥模式(3/4CN + 1/4MN、2/4CN + 2/4MN、2/4CN + 1/4MN +1/4SN、2/4CN + 2/4SN) 250～1000 μm 和 〉 2000 μm粒級團(tuán)聚體分別平均增加7.0%和3.0%；與配施豬糞模式 (3/4CN + 1/4MN、2/4CN + 2/4MN) 相比，配施秸稈模式 (2/4CN + 1/4MN + 1/4SN、2/4CN +2/4SN) 250～1000 μm 和 〉 2000 μm 粒級團(tuán)聚體分別平均增加7.3%和4.6%。對于 〈 250 μm和1000～2000 μm粒級團(tuán)聚體，有機肥/秸稈替代化肥模式(3/4CN + 1/4MN、2/4CN + 2/4MN、2/4CN + 1/4MN +1/4SN、2/4CN + 2/4SN) 較 4/4CN 模式，〈 250 μm 和1000～2000 μm粒級團(tuán)聚體分別平均降低20.9%和6.7%；與配施豬糞模式 (3/4CN + 1/4MN、2/4CN +2/4MN) 相比，配施秸稈模式 (2/4CN + 1/4MN +1/4SN、2/4CN + 2/4SN) 〈 250 μm 和 1000～2000 μm粒級團(tuán)聚體分別平均降低36.0%和4.5%。

大團(tuán)聚 (〉 250 μm的團(tuán)聚體) 的比例可以用來評價土壤團(tuán)聚體質(zhì)量，提高大團(tuán)聚體比例有助于增加土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。圖1表明，有機肥/秸稈替代化肥模式提高大團(tuán)聚體 (〉 250 μm團(tuán)聚體) 的比例，降低小團(tuán)聚體 (〈 250 μm團(tuán)聚體) 的比例。與4/4CN模式相比，有機肥/秸稈替代化肥模式 (3/4CN +1/4MN、2/4CN + 2/4MN、2/4CN + 1/4MN + 1/4SN、2/4CN + 2/4SN) 〈 250 μm 團(tuán)聚體含量減少0.3%～45.7%，平均減少20.9%。平均重量直徑(MWD) 和平均幾何直徑 (GMD) 是表征土壤團(tuán)聚體分布狀況的常用指標(biāo)。如圖2所示，從土壤團(tuán)聚體的MWD值和GMD值可以看出，與4/4CN模式相比，兩種配施秸稈模式 (2/4CN+1/4MN+1/4SN、2/4CN+2/4SN) 團(tuán)聚體的MWD值和GMD值均顯著提高 (P〈 0.05)，分別平均提高6.1%和11.2%；而兩種配施豬糞模式 (3/4CN+1/4MN、2/4CN+2/4MN) 中僅2/4CN+2/4MN模式MWD值和GMD值顯著增加(P〈 0.05)，較4/4CN模式平均增加2.0%和2.6%。

圖2 不同施肥模式下土壤團(tuán)聚體平均重量直徑和幾何平均直徑Fig. 2 Mean weight diameter(MWD) and geometric mean diameter(GMD) of the soil aggregates under different ferilization modes

2.2 有機肥/秸稈替代化肥模式對設(shè)施蔬菜土壤團(tuán)聚體中養(yǎng)分含量的影響

不同施肥模式顯著影響土壤團(tuán)聚體中養(yǎng)分的分布。有機肥/秸稈替代化肥模式提高土壤有機碳、全氮、硝態(tài)氮、速效磷含量，但速效鉀含量有所降低。如表1所示，在土壤各粒級團(tuán)聚體中，均以配施秸稈模式土壤有機碳、全氮、硝態(tài)氮、速效磷含量相對較高，差異顯著 (P〈 0.05)。對于土壤有機碳在 〈 250 μm、250～1000μm、1000～2000 μm 和 〉2000 μm團(tuán)聚體中分布，與4/4CN模式相比，有機肥/秸稈替代化肥模式 (3/4CN + 1/4MN、2/4CN +2/4MN、2/4CN + 1/4MN + 1/4SN、2/4CN + 2/4SN) 土壤有機碳含量分別增加36.8%～89.6%、34.9%～100.3%、29.5%～69.2%和21.7%～72.1%，分別平均增加69.8%、76.6%、56.9%和49.2%；與配施豬糞模式 (3/4CN + 1/4MN、2/4CN + 2/4MN) 相比，配施秸稈模式 (2/4CN + 1/4MN + 1/4SN、2/4CN + 2/4SN)土壤有機碳含量分別增加13.9%～38.6%、8.1%～48.5%、4.1%～30.7%和15.2%～41.4%，分別平均增加25.1%、25.5%、15.9%和27.4%。不同施肥模式對有機碳、全氮、硝態(tài)氮、速效磷的影響規(guī)律基本一致。但有機肥/秸稈替代化肥模式顯著降低土壤速效鉀含量，其中以配施秸稈模式土壤速效鉀含量相對較低。在 〈 250 μm、250～1000 μm、1000～2000 μm和 〉 2000 μm團(tuán)聚體中，與4/4CN模式相比，有機肥/秸稈替代化肥模式 (3/4CN + 1/4MN、2/4CN +2/4MN、2/4CN + 1/4MN + 1/4SN、2/4CN + 2/4SN) 土壤速效鉀含量分別降低7.9%～35.2%、8.4%～34.6%、7.5%～31.0%和10.5%～37.9%，分別平均降低19.6%、21.9%、17.2%和21.0%。

表1 有機肥/秸稈替代化肥模式對土壤各粒級團(tuán)聚體中養(yǎng)分的影響Table 1 Effects of different partial substitution of chemical fertilizer with organic amendments on soil nutrients in the soil of different aggregate-size fractions

土壤團(tuán)聚體粒級大小顯著影響團(tuán)聚體中養(yǎng)分的分布。從表1可以看出，250～1000 μm、1000～2000 μm團(tuán)聚體中有機碳、全氮、硝態(tài)氮含量顯著高于 〈 250 μm 和 〉 2000 μm 團(tuán)聚體 (P〈 0.05)。不同施肥模式土壤各粒級團(tuán)聚體中速效磷含量均表現(xiàn)為隨土壤團(tuán)聚體直徑的增大而降低。〈 250 μm和250～1000 μm團(tuán)聚體中速效磷的含量顯著高于1000～2000 μm 和 〉 2000 μm 團(tuán)聚體 (P〈 0.05)。土壤速效鉀含量均表現(xiàn)為隨土壤團(tuán)聚體直徑的增大而提高，并且 250～1000 μm、1000～2000 μm 和 〉 2000 μm 團(tuán)聚體中土壤速效鉀含量顯著高于 〈 250 μm團(tuán)聚體(P〈 0.05)。

土壤團(tuán)聚體是有機碳最主要的儲存場所，從圖3可以看出，土壤有機碳、全氮主要分布在250～1000 μm團(tuán)聚體和 〉 2000 μm團(tuán)聚體中，平均分別貢獻(xiàn)了土壤有機碳的34.1%、34.0%和全氮的35.2%、36.4%，并顯著高于其它粒級團(tuán)聚體 (P〈 0.05)。土壤不同粒級團(tuán)聚體對土壤總有機碳和全氮儲量的貢獻(xiàn)由大到小順序依次為 〉 2000 μm、250～1000 μm、1000～2000 μm 團(tuán)聚體和 〈 250 μm 團(tuán)聚體，這與土壤不同粒級團(tuán)聚體的分布規(guī)律相一致。

圖3 不同施肥模式下各粒級團(tuán)聚體對土壤總有機碳和全氮儲量的貢獻(xiàn)Fig. 3 Contributing rates of different soil aggregates to SOC and TN of soil under different fertilization modes

2.3 有機肥/秸稈替代化肥模式對設(shè)施蔬菜土壤團(tuán)聚體微生物量碳氮的影響

不同施肥模式顯著影響土壤團(tuán)聚體中微生物量碳的分布。從圖4可以看出，在各粒級團(tuán)聚體中，有機肥/秸稈替代化肥模式均顯著提高土壤微生物量碳含量，其中以配施秸稈模式土壤微生物量碳含量相對較高。較4/4CN模式和配施豬糞模式 (3/4CN +1/4MN、2/4CN + 2/4MN)，配施秸稈模式 (2/4CN +1/4MN + 1/4SN、2/4CN + 2/4SN) 在各粒級團(tuán)聚體中微生物量碳含量均顯著增加 (P〈 0.05) (除 〉 2000 μm 團(tuán)聚體)。在 〈 250 μm、250～1000 μm、1000～2000 μm 和 〉 2000 μm 團(tuán)聚體中，與 4/4CN 模式相比，有機肥/秸稈替代化肥模式 (3/4CN + 1/4MN、2/4CN + 2/4MN、2/4CN + 1/4MN + 1/4SN、2/4CN +2/4SN) 土壤微生物量碳含量分別增加9.6%～117.7%、4.8%～141.4%、10.8%～143.0%和10.1%～62.3%，分別平均增加63.6%、67.5%、69.0%和35.9%；與配施豬糞模式 (3/4CN + 1/4MN、2/4CN +2/4MN) 相比，配施秸稈模式 (2/4CN + 1/4MN +1/4SN、2/4CN + 2/4SN) 土壤微生物量碳含量分別增加70.2%～98.6%、50.8%～130.4%、44.0%～119.3%和6.9%～47.4%，分別平均增加83.7%、86.5%、78.4%和25.4%。

土壤團(tuán)聚體直徑大小對團(tuán)聚體中微生物量碳的分布有顯著影響 (圖4)，不同施肥模式土壤微生物量碳含量均表現(xiàn)為隨土壤團(tuán)聚體直徑的增大而降低。在 〈 250 μm、250～1000 μm、1000～2000 μm 和 〉2000 μm團(tuán)聚體中，土壤微生物量碳的含量分別平均為196.9、171.6、159.3和128.7 mg/kg。從整體上看，土壤不同粒級團(tuán)聚體之間微生物量碳含量差異顯著 (P〈 0.05)。不同施肥模式土壤微生物量碳含量在團(tuán)聚體中的分布有所差異 (圖4)。4/4CN模式和配施豬糞模式 (3/4CN + 1/4MN、2/4CN + 2/4MN) 土壤微生物量碳含量最高出現(xiàn)在 〈 250 μm團(tuán)聚體中，并且顯著高于其他粒級土壤團(tuán)聚體 (P〈 0.05)。配施秸稈模式 (2/4CN + 1/4MN + 1/4SN、2/4CN + 2/4SN) 土壤微生物量碳含量在 〉 2000 μm團(tuán)聚體中最低。

圖4 不同施肥模式對土壤不同粒級團(tuán)聚體中微生物量碳、氮含量的影響Fig. 4 Effects of different fertilization modes on microbial biomass carbon (MBC) and nitrogen (MBN)in different soil aggregate-size fractions

圖4顯示，不同施肥模式顯著影響土壤團(tuán)聚體中微生物量氮的分布。在各粒級團(tuán)聚體中，有機肥/秸稈模式均顯著提高土壤微生物量氮含量，其中以配施秸稈模式土壤微生物量氮含量相對較高。在 〈250 μm、250～1000 μm、1000～2000 μm 和 〉 2000 μm團(tuán)聚體中，與4/4CN模式相比，有機肥/秸稈替代化肥模式 (3/4CN + 1/4MN、2/4CN + 2/4MN、2/4CN + 1/4MN + 1/4SN、2/4CN + 2/4SN) 土壤微生物量氮含量分別增加32.2%～116.5%、4.6%～138.3%、9.8%～37.9%和10.2%～61.5%，分別平均增加75.6%、67.1%、67.1%和35.7%；與配施豬糞模式 (3/4CN + 1/4MN、2/4CN + 2/4MN) 相比，配施秸稈模式 (2/4CN + 1/4MN + 1/4SN、2/4CN + 2/4SN)土壤微生物量氮含量分別增加10.0%～63.8%、47.9%～127.7%、43.5%～116.6%和11.2%～46.6%，分別平均增加33.6%、83.3%、76.8%和27.6%。在各級團(tuán)聚體中，2/4CN + 2/4MN、2/4CN + 1/4MN +1/4SN和2/4CN + 2/4SN模式土壤微生物量氮含量較4/4CN 模式均顯著增加 (P〈 0.05)。在 〉 1000～2000 μm和250～1000 μm團(tuán)聚體中，配施秸稈模式(2/4CN + 1/4MN + 1/4SN、2/4CN + 2/4SN) 土壤微生物量氮含量均顯著高于配施豬糞模式 (3/4CN +1/4MN、2/4CN + 2/4MN) (P〈 0.05)。

土壤團(tuán)聚體粒徑大小對團(tuán)聚體中微生物量氮的分布有顯著影響 (圖4)，不同施肥模式土壤微生物量氮含量隨土壤團(tuán)聚體直徑的增大而降低，土壤不同粒級團(tuán)聚體之間微生物量氮含量差異顯著 (P〈 0.05)。在 〈 250 μm、250～1000 μm、1000～2000 μm 和 〉2000 μm團(tuán)聚體中，土壤微生物量氮的含量分別平均為53.6、45.0、41.1和31.7 mg/kg。所有施肥模式中均以 〈 250 μm團(tuán)聚體中微生物量氮含量最高，并且大都顯著高于其它級別團(tuán)聚體中微生物量氮含量，特別是 1000～2000 μm 團(tuán)聚體和 〉 2000 μm 團(tuán)聚體。

不同粒級土壤團(tuán)聚體微生物量碳氮比 (MBC/MBN)的變化見圖5。MBC/MBN隨土壤團(tuán)聚體直徑增大而增大，不同粒級團(tuán)聚體之間MBC/MBN差異顯著 (P〈0.05)。較 〈 250 μm 團(tuán)聚體，250～1000 μm、1000～2000 μm 和 〉 2000 μm 團(tuán)聚體中 MBC/MBN 分別增加7.20%、9.10%和14.82%，但250～1000 μm團(tuán)聚體和1000～2000 μm團(tuán)聚體之間MBC/MBN沒有顯著差異。

3 討論

3.1 土壤團(tuán)聚體分布和穩(wěn)定性

土壤團(tuán)聚體被認(rèn)為是評價土壤健康的重要指標(biāo)之一，其大小和數(shù)量能夠影響土壤的水、肥、氣和熱等狀況，并與土壤生態(tài)功能有密切相關(guān)[18-19]。有機質(zhì)是土壤團(tuán)聚體的重要膠結(jié)劑[20]，因而有機質(zhì)的數(shù)量和性質(zhì)是影響土壤團(tuán)聚體形成和穩(wěn)定性的重要因素[21-22]。研究表明，長期施用有機肥能夠提高土壤有機質(zhì)含量，促進(jìn)土壤團(tuán)聚體形成、改善土壤結(jié)構(gòu)[23-26]。

圖5 不同粒級團(tuán)聚體中微生物量碳氮比的變化Fig. 5 Variation of soil microbial biomass carbon (MBC)to soil microbial biomass nitrogen (MBN) ratios across aggregate size

本試驗研究結(jié)果表明，有機肥/秸稈替代化肥模式提高土壤大團(tuán)聚體比例，特別是250～1000 μm團(tuán)聚體和 〉 2000 μm團(tuán)聚體，而且配施秸稈模式(2/4CN + 1/4MN + 1/4SN、2/4CN + 2/4SN) 對團(tuán)聚體分布影響較大。這是因為相對于豬糞，秸稈富含大量的木質(zhì)素、半纖維素、纖維素，并且有機碳含量明顯高于豬糞[27]。秸稈施入土壤后所產(chǎn)生的大量有機膠結(jié)質(zhì)，如秸稈分解產(chǎn)生多糖、蛋白質(zhì)等有機質(zhì)以及由于微生物活動所形成的腐殖質(zhì)等，均會對大團(tuán)聚體的形成及穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響[28]。配施秸稈可形成更多 〉 250 μm團(tuán)聚體，有助于增加土壤團(tuán)聚體機械穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性[29]。徐國鑫等[30]研究油菜-玉米種植模式下秸稈和生物碳還田效果表明，秸稈還田對于促進(jìn)土壤團(tuán)聚作用效果更優(yōu)。研究稻麥輪作不同秸稈還田年限條件下土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性以及有機碳組分的變化特征時顯示，秸稈還田條件下指示土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的大團(tuán)聚體數(shù)量R0.25、平均重量直徑(MWD) 和平均幾何直徑 (GMD) 均顯著提升，分形維數(shù)D則顯著降低，并且配施秸稈年限越長趨勢越明顯[31]。

本研究中，低量有機肥模式 (3/4CN + 1/4MN) 并沒有顯著提高大團(tuán)聚體比例和團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。因為設(shè)施蔬菜生產(chǎn)具有相對較高的集約化程度和復(fù)種指數(shù)，并處于高溫、高濕環(huán)境，需要經(jīng)常補充足夠數(shù)量的有機物料，才能保持良好的土壤條件[32]。因此，為維持設(shè)施蔬菜持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，一定數(shù)量的有機物料投入是必需的。本研究中設(shè)施菜田土壤團(tuán)聚體分布主要以 〉 2000 μm 團(tuán)聚體和 250～1000 μm 團(tuán)聚體為主，所占比例平均分別為38.4%和32.0% (圖1)。已有采用濕土干篩法的研究表明，對長期不同施肥處理玉米連作的棕壤進(jìn)行團(tuán)聚體分級，結(jié)果顯示棕壤團(tuán)聚體以250～1000 μm為優(yōu)勢粒級，而 〈 250 μm團(tuán)聚體含量最少[33]。用濕篩法研究紫云英、秸稈和商品有機肥等有機物料連續(xù)5年還田的稻田土壤團(tuán)聚體分布特征顯示，土壤團(tuán)聚體主要分布在250～2000 μm 與 53～250 μm 兩個粒級[34]。對比不同研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)土壤團(tuán)聚體分布情況并不完全一致，這主要是受土壤團(tuán)聚體分級方法和土壤質(zhì)地差異較大的影響[35]。另外，農(nóng)田管理措施 (施肥和耕作等) 也會影響土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)[36-37]。

3.2 土壤團(tuán)聚體中養(yǎng)分變化

研究表明表層土壤中90%左右的有機碳都存在于團(tuán)聚體中[38]。根據(jù)土壤團(tuán)聚體層次模型理論，土壤團(tuán)聚形成過程中會產(chǎn)生土壤有機質(zhì)組分的分異[21]。本試驗結(jié)果表明，有機肥/秸稈替代化肥模式提高土壤各級團(tuán)聚體有機碳和全氮的含量。秸稈還田顯著提高各土壤團(tuán)聚體粒級的有機碳含量，研究連續(xù)7年秸稈投入對 〉 2000 μm、250～2000 μm、53～250 μm和 〈 53 μm團(tuán)聚體中SOC含量的影響發(fā)現(xiàn)，團(tuán)聚體中SOC的變化和累計C輸入之間存在顯著的線性關(guān)系 (R2= 0.99，P〈 0.05)[39]。本研究結(jié)果也顯示，250～1000 μm 和 〉 2000 μm 團(tuán)聚體具有較高的有機碳氮的貢獻(xiàn)率，而團(tuán)聚體分布也主要以250～1000 μm和 〉 2000 μm團(tuán)聚體為主。兩粒級團(tuán)聚體總計分別貢獻(xiàn)了土壤有機碳、全氮總量的69.3%和70.4%。這主要是因為有機物料投入土壤后，會促進(jìn)土壤大團(tuán)聚體的形成，大團(tuán)聚體有機碳含量相對較多，并且有機碳增加主要表現(xiàn)在大團(tuán)聚體中[22,33]。

整體看來，有機肥/秸稈替代化肥模式均顯著提高土壤速效磷含量，但配施豬糞模式速效磷高于配施秸稈模式。這是因為豬糞含磷較高，而秸稈中全磷含量比較低[40]，配施秸稈模式需要更多化學(xué)磷肥投入以保持各處理等量氮磷鉀，而磷肥在土壤中容易被土壤固持，降低了土壤中速效磷的含量[41]。另外，研究發(fā)現(xiàn)秸稈具有較高的C/P比，秸稈還田后可能會出現(xiàn)有效磷的固定現(xiàn)象[27,42]。Rubk等[43]利用31P核磁共振 (31P-NMR) 技術(shù)研究磷在團(tuán)聚體中的分布，表明總磷含量隨團(tuán)聚體直徑降低而增加；文倩等[44]采用干篩法研究獲得土壤不同粒級團(tuán)聚體中速效磷分布，結(jié)果顯示在小團(tuán)聚體中土壤速效磷含量較高；用干篩法研究植茶年限對土壤團(tuán)聚體氮、磷、鉀含量的影響也發(fā)現(xiàn)，有效磷含量集中在 〈 250 μm團(tuán)聚體中[45]。這與本研究的結(jié)果基本一致，不同施肥模式土壤各粒級團(tuán)聚體中速效磷含量均表現(xiàn)為隨土壤團(tuán)聚體直徑的減小而提高，〈 250 μm和250～1000 μm團(tuán)聚體中速效磷含量顯著高于1000～2000 μm和 〉2000 μm團(tuán)聚體。造成這個結(jié)果的原因可能與土壤磷在土壤中的吸附與解吸、沉淀與溶解及生物固定等轉(zhuǎn)化過程密切相關(guān)。

本研究中較單施化肥模式，有機肥/秸稈替代化肥模式降低了土壤速效鉀含量，其中以配施秸稈模式土壤速效鉀含量相對較低。造成這個結(jié)果的原因主要是配施秸稈模式有更高的生物量產(chǎn)出，作物從土壤中吸收更多的鉀，另外還與本研究中施肥管理措施有關(guān)，單施化肥模式和配施豬糞模式，在后續(xù)追肥中有更高的化肥鉀投入，鉀肥的投入會提高土壤速效鉀的含量。研究表明，秸稈中一般含有較多的鉀素，而且這些鉀素具有較高的有效性，小麥秸稈、玉米秸稈中速效鉀約占全鉀的70%[46]。當(dāng)秸稈作為基肥施施入土壤后，明顯提高土壤速效鉀的水平[27]，但隨時間推移和田間水分的變化部分速效鉀在與土壤接觸過程中被土壤粘粒或晶格吸附轉(zhuǎn)化成緩效鉀，因而在后期出現(xiàn)速效鉀含量降低現(xiàn)象。本研究中土壤速效鉀含量均表現(xiàn)為隨土壤團(tuán)聚體直徑的減小而呈降低趨勢，250～1000 μm、1000～2000 μm 和 〉 2000 μm 團(tuán)聚體中速效鉀含量顯著高于 〈 250 μm團(tuán)聚體。王雙磊等[47]研究棉花秸稈還田對土壤團(tuán)聚體有機碳及氮磷鉀含量的影響也顯示，同一土層中，大團(tuán)聚體 (〉 250 μm團(tuán)聚體) 之間速效鉀含量差異較??；但 〈 250 μm團(tuán)聚體粒級微團(tuán)聚體速效鉀含量極顯著低于其它粒級團(tuán)聚體。王晟強等[45]的研究結(jié)果表明，土壤團(tuán)聚體中速效鉀含量隨團(tuán)聚體直徑的減小先升高后降低，大團(tuán)聚體中有較高的速效鉀含量。但也有研究認(rèn)為，土壤團(tuán)聚體速效鉀含量在不同粒級團(tuán)聚體間沒有顯著差異[48]。不同粒級團(tuán)聚體對速效鉀的影響程度的差異有待多年多點試驗進(jìn)一步研究。

3.3 土壤團(tuán)聚體中微生物量碳氮變化及影響因素

盡管土壤微生物生物量占總土壤有機質(zhì) (SOM)的比例幾乎可以忽略不計 (1%～3%)，但它對于調(diào)節(jié)能量流和養(yǎng)分循環(huán)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[49]。土壤微生物量對土地利用方式和農(nóng)田管理措施等的響應(yīng)非常敏感，是反映農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和養(yǎng)分變化的重要指標(biāo)[50]。土壤團(tuán)聚體中微生物量碳和微生物量氮的分布特征可以在一定程度上表征土壤質(zhì)量的變化。

本研究結(jié)果顯示，微生物量碳、氮表現(xiàn)出相似的趨勢，有機肥/秸稈替代化肥模式提高土壤微生物量碳、氮含量。有機管理 (如施用糞肥，堆肥和秸稈等) 措施可以提高土壤微生物量含量[51-52]。這主要是因為有機肥為土壤微生物提供了豐富碳源、氮源和其它的養(yǎng)分，促進(jìn)了微生物的生長[53]，并且通過影響團(tuán)聚體含量分布、土壤孔隙結(jié)構(gòu)等改善了微生物的生境條件[54-55]。本研究中，配施秸稈模式土壤微生物量碳、氮含量高于配施豬糞模式。一般而言，土壤微生物量碳、氮主要取決于輸入有機物質(zhì)的數(shù)量和質(zhì)量。在一定條件下，有機物質(zhì)輸入越多，土壤微生物量就越高。豬糞所含氮素較多，碳氮比例較小，土壤有機碳投入不足；而秸稈具有較高的碳氮比，配施秸稈可以明顯提高土壤有機碳含量 (表1)。有研究表明，土壤微生物量碳含量與土壤有機碳呈正相關(guān)關(guān)系[56]。

本研究中，土壤微生物量碳、氮含量均表現(xiàn)為隨土壤團(tuán)聚體直徑的增大而降低。不同施肥模式均以 〈 250 μm團(tuán)聚體微生物量碳、氮含量最高，并且大都顯著高于其它級別團(tuán)聚體微生物量氮含量，特別是 1000～2000 μm 團(tuán)聚體和 〉 2000 μm 團(tuán)聚體。而用濕土干篩法研究生長在第四紀(jì)老沖積物發(fā)育而成的黃壤茶園土壤團(tuán)聚體中養(yǎng)分和微生物量分布，結(jié)果顯示微生物量碳在大團(tuán)聚體中處于最高水平[57]。但同時也有研究結(jié)果表明用濕土干篩法得出微生物量在微團(tuán)聚體較高[13,58]。這表明，造成微生物量碳、氮在團(tuán)聚體分布結(jié)果差異的原因既有團(tuán)聚體分級方法差異，也和土壤類型、土地利用方式和農(nóng)田管理措施等密切相關(guān)。MBC/MBN可以反映土壤微生物種類和區(qū)系，一般認(rèn)為，細(xì)菌的MBC/MBN范圍在3～6，而放線菌和真菌具有更高的MBC/MBN[59]。本試驗結(jié)果中不同粒級團(tuán)聚體MBC/MBN在4左右，說明該土壤以細(xì)菌為主。

4 結(jié)論

1) 設(shè)施菜地土壤團(tuán)聚體優(yōu)勢粒級為 〉 2000 μm團(tuán)聚體和250～1000 μm團(tuán)聚體，有機肥/秸稈替代化肥模式提高土壤大團(tuán)聚體比例，特別是250～1000 μm團(tuán)聚體和 〉 2000 μm團(tuán)聚體。配施秸稈模式對土壤團(tuán)聚體不同粒級分布影響較大，并顯著提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。

2) 250～1000 μm 和 〉 2000 μm 團(tuán)聚體中有機碳、全氮儲量是土壤有機碳氮的主要來源。土壤硝態(tài)氮在250～1000 μm與1000～2000 μm團(tuán)聚體含量較高，土壤速效鉀表現(xiàn)為隨土壤團(tuán)聚體直徑的增大而提高，而速效磷則隨土壤團(tuán)聚體直徑的增大而降低。有機肥/秸稈替代化肥模式提高土壤各級團(tuán)聚體有機碳、全氮、硝態(tài)氮和速效磷含量。

3) 有機肥/秸稈替代化肥模式提高了土壤微生物量碳、氮含量，其中以配施秸稈模式土壤微生物量碳、氮含量較高。土壤微生物量碳、氮含量呈現(xiàn)出隨土壤團(tuán)聚體直徑的減小而增大的趨勢。