連續(xù)施用土壤改良劑對砂質(zhì)潮土團(tuán)聚體及作物產(chǎn)量的影響

張 賀，楊 靜，周吉祥，李桂花，張建峰

（耕地培育技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室/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，北京 100081）

蝦頭、蟹殼等廢棄物中含有豐富的蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)、甲殼素和蝦青素，是良好的功能性材料，適合資源化利用[1]。有研究表明，經(jīng)過生物發(fā)酵等工藝處理的蝦頭、蟹殼等廢棄物作為有機(jī)改良劑應(yīng)用于土壤中，或施用以甲殼素作為包膜材料的緩控肥，可以改善土壤保水性能[2]，增加土壤速效養(yǎng)分含量[3]，抑制根際土壤真菌的繁殖，增加根際土壤細(xì)菌和放線菌的數(shù)量[4]，促進(jìn)植株生長，提高作物產(chǎn)量[1]。還有研究發(fā)現(xiàn)，這種改良劑對于障礙性土壤具有良好的改良效果，如冀拯宇等[5]研究發(fā)現(xiàn)該改良劑施用于鹽堿土壤中，可以降低土壤全鹽量、鈉吸附比和pH，改善土壤化學(xué)性質(zhì)；周吉祥等[6]將有機(jī)改良劑施用于砂質(zhì)土壤，可以提高土壤碳庫指數(shù)，提高土壤保肥能力。

凹凸棒土因其具有較大的比表面積、高陽離子交換量，較好的吸附性、保水性、黏結(jié)性等特點(diǎn)[7]而受到廣泛關(guān)注，其含有大量營養(yǎng)元素 (如Si、Ca、Al、Fe、Mn[8]等)，可滿足作物對多種養(yǎng)分的需求[9]，而被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。楊蘇等[10]研究發(fā)現(xiàn)，添加凹凸棒土有效改善黃河故道潮土土壤結(jié)構(gòu)、增加＞0.25 mm粒級團(tuán)聚體含量和最大持水量。王依惠等[11]和劉左軍等[12]發(fā)現(xiàn)，添加凹凸棒土可以提高小麥光合特性，增加小麥千粒重、淀粉含量和產(chǎn)量。因此，將凹凸棒土作為無機(jī)改良劑是改善土壤結(jié)構(gòu)、提升土壤質(zhì)量、增加作物產(chǎn)量的有效途徑[10-11]。

土壤結(jié)構(gòu)是土壤功能的基礎(chǔ)，土壤團(tuán)聚體對穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)、積累腐殖質(zhì)和養(yǎng)分供應(yīng)起著至關(guān)重要的作用[13-14]。前人對不同改良劑的田間和實(shí)驗(yàn)室研究表明，土壤改良劑對土壤結(jié)構(gòu)有積極的影響。如施用生物炭改良劑，配合施用氮肥和磷肥，可以提高0.25～2 mm粒級團(tuán)聚體比例和團(tuán)聚體穩(wěn)定性[15]，增加土壤有機(jī)碳、全氮和磷含量；Dai等[16]在砂土中施用秸稈改良劑，發(fā)現(xiàn)其可提高團(tuán)聚體的穩(wěn)定性；Zhao等[17]研究發(fā)現(xiàn)，添加有機(jī)物料 (玉米和小麥秸稈) 可顯著提高大團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，增加有機(jī)碳儲量。但是，關(guān)于用蝦頭蟹殼廢棄物合成的有機(jī)土壤改良劑與凹凸棒土兩者連續(xù)多年單獨(dú)或者配合施用對砂質(zhì)潮土土壤結(jié)構(gòu)改良和作物增產(chǎn)效應(yīng)的研究還鮮見報(bào)道。砂質(zhì)潮土作為黃淮海糧食主產(chǎn)區(qū)廣泛分布的土類之一，存在較多屬性障礙和衍生障礙，如結(jié)構(gòu)性差、腐殖質(zhì)積累作用弱、蓄水保肥能力弱等。而利用改良劑改善土壤結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)保水保肥是砂質(zhì)潮土增產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的重要途徑。因此，本研究以河北廊坊砂質(zhì)潮土為研究對象，采用田間定位試驗(yàn)，通過分析小麥–玉米季作物產(chǎn)量、土壤團(tuán)聚體以及團(tuán)聚體碳氮含量的變化特征，評價(jià)新型土壤改良劑在養(yǎng)分供應(yīng)、土壤結(jié)構(gòu)等方面的改良效果，以期為蝦頭蟹殼和凹凸棒土的資源化利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤改良劑

本試驗(yàn)所用有機(jī)改良劑為實(shí)驗(yàn)室自制，將蝦頭蟹殼廢棄物粉碎后按照重量2∶3混合加入草炭、秸稈和花生殼及其他材料，接入地衣芽孢桿菌、干酪乳桿菌、枯草芽孢桿菌等多種微生物菌劑，經(jīng)過好氧發(fā)酵、高溫堆肥等工藝處理后制成商業(yè)化產(chǎn)品，其理化性狀為：pH 7.75、全氮14.7 g/kg、全磷21.05 g/kg、全鉀 22.88 g/kg、有機(jī)質(zhì) 73.74 g/kg。無機(jī)改良劑為改性凹凸棒土，其主要理化性狀為：pH 8.40、全氮 0.07 g/kg、全磷 0.08 g/kg、全鉀 0.01 g/kg、比表面積 369 m2/g、陽離子交換量 (CEC) 21.96 cmol/kg。

1.2 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于河北省廊坊市萬莊鎮(zhèn)中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院國際高新技術(shù)示范園區(qū) (39°36′N、116°36′E)，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫11.9℃，年均降水量550 mm，集中在6月份。土壤為砂質(zhì)潮土。試驗(yàn)前0—20 cm土層土壤的基礎(chǔ)肥力指標(biāo)如下：土壤有機(jī)碳 7.48 g/kg、全氮 0.81 g/kg、有效磷 17.55 mg/kg、速效鉀 153.32 mg/kg、pH 8.83。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間試驗(yàn)于2015年10月開始，到2019年10月已連續(xù)種植4年8季作物。采用小麥–玉米輪作制度，供試作物為當(dāng)?shù)刂髟云贩N，小麥為‘廊研43’、玉米為‘鄭單958’。試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理：1) 單施化肥 (CK)；2) 化肥+無機(jī)改良劑 2.25 t/hm2(SA)；3) 化肥+有機(jī)改良劑 15 t/hm2(SC)；4) 化肥+有機(jī)改良劑 15 t/hm2+無機(jī)改良劑 2.25 t/hm2(SCA)。每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)，采用隨機(jī)區(qū)組排列方式。試驗(yàn)小區(qū)面積為30 m2，不同小區(qū)間起壟隔開。施肥按照當(dāng)?shù)厥┓柿?xí)慣 (表1)。有機(jī)改良劑和無機(jī)改良劑在種植前隨基肥一同施入，并通過多次翻耕與耕層土壤混勻。其他大田管理措施均與當(dāng)?shù)亓?xí)慣一致。不同土壤改良劑養(yǎng)分輸入量見表1。

表 1 不同土壤改良劑各處理養(yǎng)分輸入量 (kg/hm2)Table 1 Nutrient inputs under different soil amendments

1.4 樣品采集、測定項(xiàng)目及方法

1.4.1 土壤樣品采集 于2019年6月 (小麥?zhǔn)斋@期)和10月 (玉米收獲期) 在各個(gè)試驗(yàn)小區(qū)采用“S”型5點(diǎn)取樣法，使用土鉆采集耕層 (0—20 cm) 土壤樣品。去除土壤樣品中的石礫、根系等雜物，將5個(gè)取樣點(diǎn)充分混勻的土壤樣品放入帶有冰袋的保溫箱內(nèi)，帶回實(shí)驗(yàn)室。隨后將樣品分為2份，一份于實(shí)驗(yàn)室陰涼處風(fēng)干，過2 mm篩后測定理化性質(zhì)以及水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量；另一份裝入白色棉布袋，于4℃冷凍保存，用于測定土壤微生物量。

1.4.2 測定項(xiàng)目和方法 土壤理化指標(biāo)均采用土壤農(nóng)化分析常用分析法[18]測定。土壤微生物量碳氮采用氯仿熏蒸—K2SO4提取法[19]，將解凍的新鮮土壤樣品在恒溫25℃的恒溫箱中培養(yǎng)7天后用氯仿熏蒸—硫酸鉀浸提，TOC儀測定碳和氮含量，用轉(zhuǎn)化系數(shù)0.45計(jì)算土壤微生物量碳氮。土壤團(tuán)聚體組成分析采用Elliott等[20]描述的方法，通過濕篩法分離出粒徑＞0.25 mm 大團(tuán)聚體、0.053～0.25 mm 微團(tuán)聚體和＜0.053 mm粉粘粒組分。具體方法是將土樣中石塊和根系去除，稱取40 g平鋪于0.25 mm套篩內(nèi) (每個(gè)篩子里預(yù)先放置30個(gè)直徑為4 mm的玻璃珠)，將套篩放置在沉降桶內(nèi)，隨后沿桶壁緩慢加入去離子水直至沒過土樣，浸潤5 min。然后上下振蕩2 min，振幅為4 cm，振動頻率為50次/min，最后將各層篩上的土壤樣品分別沖洗至容器中，在60℃下烘干至恒重，冷卻后稱重，計(jì)算各級別團(tuán)聚體百分比。將各級團(tuán)聚體的部分土樣研磨，過0.147 mm篩測定土壤有機(jī)碳和全氮含量。

1.5 數(shù)據(jù)計(jì)算

用平均重量直徑 (MWD)和幾何平均直徑(GMD) 作為評價(jià)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性狀況的指標(biāo)，具體計(jì)算公式為：

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

用 SPSS 22.0 進(jìn)行單因素方差分析 (ANOVA)和Duncan新復(fù)極差法對各變量進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，用R語言進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析；用Canoco 5.0進(jìn)行冗余分析 (RDA)；AMOS 22.0進(jìn)行結(jié)構(gòu)方程模型(SEM) 分析，在分析之前使用R語言“vegan”包對土壤大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體含量及其碳氮含量進(jìn)行PCA降維分析，并選用PC1的結(jié)果作為土壤團(tuán)聚體分布指標(biāo)；對土壤 MWD，GMD，粒徑＞0.25 mm團(tuán)聚體進(jìn)行PCA降維分析，并選用PC1的結(jié)果作為土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性指標(biāo)。用R語言“ggplot”包以及 Origin 2018 作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 連續(xù)施用不同土壤改良劑對作物產(chǎn)量和土壤基本性質(zhì)的影響

如圖1所示，在2019年小麥季和玉米季，有機(jī)–無機(jī)改良劑配合施用對作物產(chǎn)量的提升作用最為明顯。小麥季SA和SC處理較CK處理產(chǎn)量分別增加了26.80%和24.42%，但未達(dá)到顯著水平；SCA處理較CK處理產(chǎn)量顯著增加了54.16% (P＜0.05)。玉米季產(chǎn)量情況與小麥季相似，只有SCA處理顯著增加了 24.26% (P＜0.05)。

圖 1 不同輪作季節(jié)作物產(chǎn)量 (2019年)Fig.1 Wheat and maize yields in 2019 under different soil amendments

連續(xù)施用土壤改良劑4年后，各處理土壤化學(xué)性質(zhì)均有變化 (表2)。小麥季SC處理的土壤全氮、有效磷、速效鉀、有機(jī)碳以及微生物量碳與CK相比分別顯著提升了31.33%、233.20%、39.94%、30.85%和8.82% (P＜0.05)。玉米季SCA處理的土壤各養(yǎng)分較CK均顯著提高，其中全氮、有效磷、速效鉀、有機(jī)碳以及微生物量碳含量分別顯著增加了21.35%、358.43%、46.65%、37.41%和33.65% (P＜0.05)。土壤pH在2019年小麥季和玉米季均隨著改良劑的施入而降低，其中在小麥季SC處理顯著降低3.19% (P＜0.05)，玉米季 SCA 處理顯著降低 5.92% (P＜0.05)。

表 2 不同改良劑對土壤基本化學(xué)性質(zhì)和微生物量的影響Table 2 Soil chemical properties and microbial biomass under different soil amendments

2.2 連續(xù)施用不同改良劑對土壤團(tuán)聚體的影響

2.2.1 不同輪作季節(jié)水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布及穩(wěn)定性的變化 由圖2可知，施用土壤改良劑影響團(tuán)聚體組成。2019年小麥季微團(tuán)聚體 (粒徑0.053～0.25 mm)含量相對較高，為69.78%～73.19%，大團(tuán)聚體 (粒徑＞0.25 mm)和粉粘粒 (粒徑＜0.053 mm) 含量大致相同，分別為11.33%～16.15%和12.12%～18.88%。與CK相比，施用有機(jī)改良劑SC和SCA處理大團(tuán)聚體分別顯著增加了 42.51%和29.66% (P＜0.05)。玉米季團(tuán)聚體組成狀況基本與小麥季一致，微團(tuán)聚體含量相對較高，為66.04%～72.72%。大團(tuán)聚體中只有SCA處理達(dá)到顯著差異水平 (P＜0.05)，較CK增加了68.71%。粉粘粒含量SA、SC和SCA處理與 CK 相比，分別減少了 20.57% (P＜0.05)、11.97%和25.83% (P＜0.05)。

圖 2 不同改良劑處理土壤團(tuán)聚體粒徑分布特征Fig.2 Fractions of soil aggregates under different soil amendments

土壤團(tuán)聚體平均重量直徑 (MWD)、平均幾何直徑 (GMD) 常用來表征土壤中團(tuán)聚體的穩(wěn)定狀況，其值越大，表示土壤團(tuán)聚度越高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越好。由圖3可知，小麥季SC處理的MWD和GMD較CK 分別顯著增加了 22.41%和20.35% (P＜0.05)。在玉米季，MWD和GMD在處理之間的變化規(guī)律一致，由高到低依次為SCA＞SC＞SA＞CK，只有SCA處理達(dá)到顯著差異水平，分別較CK處理增加了 35.47%和29.65% (P＜0.05)。

圖 3 不同改良劑處理土壤團(tuán)聚體平均重量直徑 (MWD)和幾何平均直徑 (GMD)Fig.3 The mean weight diameter (MWD) and geometric mean diameter (GMD) of soil aggregates under different soil amendments

2.2.2 不同輪作季節(jié)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳氮含量的變化 團(tuán)聚體粒級大小對碳氮分布的影響較為顯著，其中大團(tuán)聚體中碳氮含量最高，其次是粉粘粒，微團(tuán)聚體最低。而土壤各級團(tuán)聚體的C/N值卻呈現(xiàn)大團(tuán)聚體＞微團(tuán)聚體＞粉粘粒的規(guī)律。在各級團(tuán)聚體中，SCA處理的有機(jī)碳含量最高，大團(tuán)聚體、微團(tuán)聚體和粉粘粒中有機(jī)碳含量與CK處理相比小麥季 (圖 4 B、C、D) 分別顯著增加了 26.49%、64.74%和51.23% (P＜0.05)；玉米季 (圖 4 F、G、H)分別顯著增加了34.10%、46.39%和64.83% (P＜0.05)。施用不同土壤改良劑也影響土壤各級團(tuán)聚體中氮素的分布。在小麥季和玉米季土壤中，各級團(tuán)聚體中全氮含量SCA處理較CK處理分別顯著增加了 16.40%～31.70% (圖 4 B、C、D，P＜0.05)和17.68%～52.67% (圖 4 F、G、H，P＜0.05)，說明SCA處理可以顯著增加各級團(tuán)聚體對全氮的積累。

圖 4 土壤不同粒級團(tuán)聚體中碳、氮含量和C/N值Fig.4 Aggregate-associated soil organic carbon (SOC), total nitrogen contents and C/N ratios under different soil amendments

2.2.3 不同粒級團(tuán)聚體對耕層土壤碳氮貢獻(xiàn)率 由表3可以看出，兩季作物土壤不同粒級團(tuán)聚體碳氮對土壤碳氮的貢獻(xiàn)率表現(xiàn)為：微團(tuán)聚體最高，大團(tuán)聚體次之，粉粘粒最低。大團(tuán)聚體中，與CK處理相比，小麥季SC處理的有機(jī)碳和全氮貢獻(xiàn)率差異達(dá)到顯著水平，分別增加了29.06%和69.24% (P＜0.05)，玉米季SCA處理較CK處理差異達(dá)到顯著水平，有機(jī)碳和全氮貢獻(xiàn)率分別增加了61.62%和114.20% (P＜0.05)。粉粘粒中，小麥季 SA、SC和SCA處理有機(jī)碳貢獻(xiàn)率較CK處理分別減少了18.13%、31.97%和30.65%，全氮貢獻(xiàn)率較CK處理分別減少了16.16%、35.46%和41.41%，其中SC與SCA較CK處理均達(dá)到了顯著差異水平 (P＜0.05)；玉米季SA、SC和SCA處理有機(jī)碳貢獻(xiàn)率較CK處理分別減少了32.25%、11.29%和11.47%，全氮貢獻(xiàn)率較CK處理分別減少了16.46%、16.46%和16.89%，但均未達(dá)到顯著差異水平。

表 3 不同處理下不同粒級團(tuán)聚體對耕層土壤碳氮的貢獻(xiàn)率 (%)Table 3 Contribution rates of soil organic carbon and nitrogen contents in aggregate fractions to their total content in soil samples under different treatments

2.3 土壤理化因子、微生物量對土壤團(tuán)聚體的影響

如圖5A所示，以土壤不同級別團(tuán)聚體為響應(yīng)變量，以土壤理化性質(zhì)和微生物量碳、氮為解釋變量進(jìn)行冗余分析，結(jié)果表明，大團(tuán)聚體與pH為負(fù)相關(guān)關(guān)系，與有效磷 (AP)、微生物量碳 (MBC)、有機(jī)碳(SOC) 以及各粒級團(tuán)聚體中碳含量呈正相關(guān)關(guān)系。通過蒙特卡羅置換檢驗(yàn)可知，AP (F=9.3，P=0.002)是影響土壤團(tuán)聚體分布最為關(guān)鍵的環(huán)境因子，其次是 MBC (F=6.7，P=0.018)。結(jié)構(gòu)方程模型 (SEM)表示改良劑施用后土壤理化性質(zhì)和微生物量對土壤團(tuán)聚體分布以及團(tuán)聚體穩(wěn)定性的直接和間接影響。圖5B中的結(jié)構(gòu)方程模型 (SEM) 表明pH、AP和MBC可解釋78%大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體的分布，其中 AP和MBC 具有正向影響 (P＜0.001和P＜0.05)，而 pH 具有負(fù)向影響 (P＜0.001)。此外土壤大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體分布解釋了76%的團(tuán)聚體穩(wěn)定性，說明這兩種粒徑團(tuán)聚體更利于潮土團(tuán)聚體的穩(wěn)定。

圖 5 玉米季不同粒級團(tuán)聚體與土壤理化因子、各粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳及微生物生物量的冗余分析及結(jié)構(gòu)方程模型分析Fig.5 Redundancy analysis and structural equation model (SEM) analysis of soil aggregate fractions with soil properties，aggregate-associated soil organic carbon and microbial biomass in maize season

2.4 土壤團(tuán)聚體、土壤養(yǎng)分和作物產(chǎn)量的相互作用

如圖6A所示，相關(guān)性分析表明，作物產(chǎn)量與團(tuán)聚體數(shù)量和團(tuán)聚體穩(wěn)定性呈正相關(guān)，與SOC和C/N 值呈顯著正相關(guān) (P＜0.05和P＜0.01)，與 pH 呈極顯著負(fù)相關(guān) (P＜0.01)。利用結(jié)構(gòu)方程模型 (SEM)分析，發(fā)現(xiàn)團(tuán)聚體穩(wěn)定性和化學(xué)性狀解釋了55%的產(chǎn)量變化，其中SOC主要通過土壤C/N (路徑系數(shù)=0.468) 影響作物產(chǎn)量(圖6B)。此外，土壤SOC、pH與團(tuán)聚體穩(wěn)定性之間存在顯著交互關(guān)系，說明SOC和pH對團(tuán)聚體穩(wěn)定性有重要影響，而穩(wěn)定的團(tuán)聚體也會影響SOC和pH，進(jìn)而影響作物產(chǎn)量。

圖 6 土壤理化性質(zhì)、團(tuán)聚體與作物產(chǎn)量結(jié)構(gòu)方程模型分析Fig.6 Structural equation model (SEM) explaining soil properties, soil aggregate and crop yield

3 討論

3.1 連續(xù)施用土壤改良劑對土壤團(tuán)聚體形成和分布的影響

在本研究中，施用有機(jī)改良劑后微團(tuán)聚體所占總團(tuán)聚體比例最高 (圖2)，與Yu等[21]在沙壤土長期施用無機(jī)肥和堆肥結(jié)果相似，而與Liu等[22]在江西紅壤施用生物炭改良劑、以及Mustafa等[23]在紅壤施用有機(jī)肥后團(tuán)聚體分布結(jié)果不同，后者大團(tuán)聚體比例更高。這可能是因?yàn)橥寥蕾|(zhì)地不同。在砂質(zhì)土壤中，粘粒含量相當(dāng)?shù)?，土壤顆粒之間的粘結(jié)性較差，不易形成大團(tuán)聚體，所以微團(tuán)聚體比例最高。另外，本研究發(fā)現(xiàn)，施用有機(jī)改良劑會增加大團(tuán)聚體數(shù)量，提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性 (圖3)。這一結(jié)果與梁堯等[24]在黑土上使用化肥配施有機(jī)肥，與Dai等[16]在沙土上施用秸稈改良劑的研究結(jié)果相似。主要原因是本研究中有機(jī)改良劑含有甲殼素等多糖類高分子化合物[25]，易與粘粒礦物晶面上的氧原子形成氫鍵，增加土壤團(tuán)聚性；另一方面，增加的外源碳，直接或間接地為土壤團(tuán)聚體提供了膠結(jié)劑，將微團(tuán)聚體和初級顆粒結(jié)合到大團(tuán)聚體上，通過物理保護(hù)增加土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性[26]。但不同的輪作季節(jié)，施用有機(jī)改良劑對土壤團(tuán)聚體的影響不同，玉米季大團(tuán)聚體、團(tuán)聚體穩(wěn)定性均高于小麥季。進(jìn)一步用冗余分析和SEM分析，結(jié)果表明土壤pH是影響團(tuán)聚體粒徑組成的關(guān)鍵因子，玉米季pH整體略低于小麥季，這一方面使土壤膠體表面電位勢降低，降低膠體表面排斥力；另一方面，本試驗(yàn)區(qū)為堿性土壤，磷與土壤膠體交換性Ca2+形成磷酸鈣化合物，當(dāng)pH降低時(shí)，磷酸鈣溶解度會升高，釋放出的Ca2+會增加土壤膠體的絮凝作用[27]。此外，玉米根系具有更大的根長密度，有利于小的團(tuán)聚體通過根系和土壤真菌 (尤其是菌根) 的作用形成穩(wěn)定的大團(tuán)聚體[28]，這也在一定程度上解釋了玉米季團(tuán)聚體穩(wěn)定性高于小麥季的原因。因此，土壤pH以及玉米和小麥根系結(jié)構(gòu)的差異可能影響不同輪作季節(jié)土壤團(tuán)聚體分布和穩(wěn)定性。

3.2 連續(xù)施用土壤改良劑對土壤團(tuán)聚體中碳氮含量分配的影響

本研究表明，所有處理有機(jī)碳和全氮含量主要分配在大團(tuán)聚體中 (圖4)。前人許多研究也證實(shí)了這一結(jié)論，例如Wang等[29]通過對不同年限茶樹土壤團(tuán)聚體的研究，發(fā)現(xiàn)有機(jī)碳和總氮在大團(tuán)聚體中有較高含量；Liu等[22]在紅壤中添加生物炭改良劑的結(jié)果表明，土壤有機(jī)碳和全氮在粒徑＞0.25 mm團(tuán)聚體中含量最高，表明來源于土壤改良劑的外源碳優(yōu)先固定在大團(tuán)聚體中，并且大團(tuán)聚體碳還可以在物理保護(hù)下不被分解。但Dai等[16]在砂質(zhì)土壤中施用秸稈、糞便和生物炭作為有機(jī)改良劑的試驗(yàn)中卻得到了相反的結(jié)果，相比于大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體，粉粘粒中有機(jī)碳的含量相對更高。主要是因?yàn)橥寥乐蟹壅沉Ｋ急壤煌?。我們的研究還發(fā)現(xiàn)，相較于微團(tuán)聚體，粉粘粒中有機(jī)碳含量更高。這與粉粘粒與有機(jī)分子的化學(xué)結(jié)合能力以及礦物表面飽和度有關(guān)[30]，粉粘粒具有較大的表面積，可以吸附更多的有機(jī)碳。另外，F(xiàn)ang等[31]研究證實(shí)，在粉粒和粘粒中，微生物和酶對有機(jī)碳具有較低的分解效率，這也從另一方面解釋了粉粘粒中有機(jī)碳含量較高的原因。除此之外，本研究發(fā)現(xiàn)單獨(dú)施用無機(jī)改良劑對土壤團(tuán)聚體中碳氮含量沒有顯著影響，而有機(jī)無機(jī)改良劑配施則會顯著增加各級團(tuán)聚體中碳氮的含量。這是由于有機(jī)無機(jī)改良劑配合施用增加土壤中的外源碳輸入，同時(shí)促進(jìn)微生物生物量的增加，進(jìn)而影響碳氮的固存[32]。施用改良劑不僅會影響團(tuán)聚體中有機(jī)碳和全氮的含量，還會對不同級別團(tuán)聚體中有機(jī)碳和全氮的貢獻(xiàn)率產(chǎn)生影響。在本研究中，不同改良劑處理粒徑0.053～0.25 mm微團(tuán)聚體中有機(jī)碳和全氮貢獻(xiàn)率最高。這與前人研究結(jié)果并不一致，張秀芝等[33]研究表明，長期施肥土壤粒徑0.25～2 mm和0.053～0.25 mm 兩個(gè)粒級的團(tuán)聚體中有機(jī)碳貢獻(xiàn)率最大。這主要是因?yàn)閳F(tuán)聚體含量的差異。另外，比較不同處理發(fā)現(xiàn)，有機(jī)改良劑提高了大團(tuán)聚體中有機(jī)碳和全氮的貢獻(xiàn)率，悅飛雪等[34]和王碧勝等[13]的研究也印證了這一結(jié)果，這主要是因?yàn)楦牧紕┻M(jìn)入土壤會改變土壤團(tuán)聚體分布狀況，進(jìn)而引起團(tuán)聚體養(yǎng)分的變化。我們還發(fā)現(xiàn)，在不同輪作季節(jié)，有機(jī)改良劑對大團(tuán)聚體中有機(jī)碳貢獻(xiàn)率的影響并不一致。在小麥季單獨(dú)施用有機(jī)改良劑，更利于大團(tuán)聚體中有機(jī)碳和全氮貢獻(xiàn)率的提升，而玉米季則是在有機(jī)無機(jī)改良劑配施下效果更為顯著。之前有大量研究表明，雖然施用肥料或土壤改良劑會顯著提升各粒級團(tuán)聚體中有機(jī)碳和全氮含量，但團(tuán)聚體對土壤有機(jī)碳和全氮的貢獻(xiàn)率主要受其含量高低或受物理保護(hù)的影響[35]，因此pH以及根系結(jié)構(gòu)仍然是不同輪作季節(jié)團(tuán)聚體碳氮貢獻(xiàn)率產(chǎn)生差異的影響因素。此外，施用無機(jī)改良劑會增加微團(tuán)聚體的有機(jī)碳貢獻(xiàn)率。主要是因?yàn)闊o機(jī)改良劑和NPK增加了有機(jī)碳的不穩(wěn)定性[36]，并且隨著不穩(wěn)定有機(jī)碳的耗盡，從大團(tuán)聚體到微團(tuán)聚體的碳流動也不斷增加[32]。

3.3 連續(xù)施用土壤改良劑對作物產(chǎn)量的影響

大量研究證明了有機(jī)–無機(jī)肥料的配合施用可以提高養(yǎng)分利用效率，增加作物產(chǎn)量[37-38]，本研究也得到相同結(jié)果。進(jìn)一步用SEM分析表明，改良劑主要通過增加土壤有機(jī)碳含量、增加團(tuán)聚體穩(wěn)定性、改善土壤C/N、降低土壤pH來影響作物產(chǎn)量。具體增產(chǎn)機(jī)制可能是有機(jī)無機(jī)改良劑配施能夠改善土壤結(jié)構(gòu)，增加大團(tuán)聚體以及提高團(tuán)聚體穩(wěn)定性 (圖2和圖3)，并且良好的土壤結(jié)構(gòu)增加了有機(jī)碳和全氮的儲存量[39]，改善了土壤C/N。而合理的土壤C/N促進(jìn)微生物的生長與活動，并通過微生物對氮的固持和死亡釋放來調(diào)整土壤對氮素的供應(yīng)，減少養(yǎng)分損失[40]，提高作物養(yǎng)分利用效率，提高作物產(chǎn)量?？傊?，良好的土壤結(jié)構(gòu)可以支持可持續(xù)生產(chǎn)并提高作物產(chǎn)量，所以應(yīng)用改良劑是改變土壤團(tuán)聚體組成，提高產(chǎn)量的有效方式。

4 結(jié)論

通過4年的田間定位試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)連續(xù)施用有機(jī)–無機(jī)改良劑，顯著增加砂質(zhì)潮土大團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定性，增加土壤微生物量碳氮含量，提升土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力 (C/N調(diào)整)，最終實(shí)現(xiàn)小麥–玉米產(chǎn)量的顯著提高。