減氮覆膜對黃土旱塬土壤團(tuán)聚體及其有機碳分布的影響

高健永，劉 菲，王楚涵，張慧芳，曹寒冰,2，李廷亮，洪堅平，孟會生，謝鈞宇,2

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西太谷 030801；2.土壤環(huán)境與養(yǎng)分資源山西省重點實驗室，山西太原 030031）

團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，團(tuán)聚體的分布比例和穩(wěn)定性是表征土壤物理質(zhì)量的重要指標(biāo)[1]。一般用平均質(zhì)量直徑（MWD） 和幾何平均直徑（GMD）來表征團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[2]。土壤有機碳（SOC）是團(tuán)聚體形成中起主要作用的膠結(jié)物質(zhì)，能夠促進(jìn)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，同時團(tuán)聚體的物理保護(hù)作用能減少微生物對SOC 的接觸和分解，進(jìn)而減少SOC 的損失[3-4]，二者關(guān)系緊密，相互作用。施肥、改變土地利用方式、耕作都會影響土壤團(tuán)聚體及其有機碳的分布，且以施肥和地膜覆蓋對其影響最大[5]。有研究表明，大量施用氮肥在增加作物產(chǎn)量的同時，也會導(dǎo)致土壤酸化，造成土地板結(jié)，破壞土壤結(jié)構(gòu)[6]。因此，探究合理的減氮覆膜處理對于改善土壤結(jié)構(gòu)、提升土壤質(zhì)量、促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

目前，有關(guān)減氮覆膜處理對土壤團(tuán)聚體分布比例和穩(wěn)定性的影響已有一些報道[7-12]，但研究結(jié)果不盡相同。馮夕[7]研究發(fā)現(xiàn)，減施氮肥能顯著提高紫色土＞2 mm 粒徑團(tuán)聚體的分布比例，但顯著降低了0～10 cm 土層的MWD 值，而對0～10 cm 土層的GMD 值無顯著影響。高會議等[8]研究認(rèn)為，減施氮肥對黑壚土＞0.25 mm 粒徑團(tuán)聚體的分布比例無顯著影響。還有研究表明[9]，減施氮肥能顯著提高塿土0～10 cm 土層的MWD 和GWD 值。此外，馮夕[7]和司鵬飛[10]研究發(fā)現(xiàn)，地膜覆蓋均能顯著提高紫色土和石灰性褐土＞2 mm 粒徑團(tuán)聚體的分布比例和MWD 值，而對黑壚土＞2 mm 粒徑團(tuán)聚體的分布比例無顯著影響[11]。施肥和覆膜處理下團(tuán)聚體中有機碳含量的變化也存在顯著差異，李偉等[9]研究表明，減施氮肥顯著降低了塿土0.25～2.00 mm 團(tuán)聚體中的有機碳含量；而呂欣欣等[5]研究發(fā)現(xiàn)，覆膜條件下SOC 主要固存在棕壤＞0.25 mm 粒徑團(tuán)聚體中；還有研究報道[11]，覆膜顯著提高了0～10 cm 土層黑壚土各粒徑團(tuán)聚體中有機碳含量（除0.25～0.50 mm 粒徑團(tuán)聚體外）。由此可見，施肥和覆膜處理對不同土壤類型團(tuán)聚體的分布比例和穩(wěn)定性的影響不一致，各粒徑團(tuán)聚體對有機碳的固存機制也存在差異，這可能與土壤本身的性質(zhì)、肥料用量以及種植方式不同有關(guān)。因此，有必要對特定區(qū)域土壤進(jìn)行系統(tǒng)的研究。

黃土旱塬是我國西北地區(qū)的主要糧食產(chǎn)區(qū)之一，該地區(qū)土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不僅關(guān)系到土壤肥力的提升，還會影響我國的糧食安全[12]。地膜覆蓋具有增溫保濕的作用，能夠提高作物對養(yǎng)分和水分的吸收能力，因此，對糧食增產(chǎn)至關(guān)重要。此外，地膜覆蓋還能減少干濕交替的強度，改變有機碳的輸入和輸出，影響各粒徑團(tuán)聚體中有機碳的再分配[13-14]。目前，有關(guān)施肥和覆膜處理下黃土旱塬的研究大多基于土壤理化性狀和有機碳組分[15-16]，而從團(tuán)聚體的角度探究黃土旱塬土壤物理結(jié)構(gòu)的變化以及有機碳的固存機制鮮見報道。

本研究以7 a 旱地農(nóng)田土壤為研究對象，分析減氮覆膜對土壤團(tuán)聚體及粉黏粒組分的分布特征及其有機碳含量的影響，旨在探明該地區(qū)土壤團(tuán)聚體對有機碳的固存機制，為該區(qū)域制定科學(xué)健康的農(nóng)田管理措施提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于山西省洪洞縣劉家垣鎮(zhèn)東梁村（36°22′N，111°35′E），于2012 年開始試驗。該地區(qū)屬于溫帶季風(fēng)氣候，海拔648 m，年平均氣溫12.6 ℃，無霜期180～210 d，年均降雨量約500 mm。土壤類型為石灰性褐土。2012 年播前耕層土壤基礎(chǔ)理化性狀如表1 所示。

表1 2012 年播前耕層土壤（0～20 cm）基礎(chǔ)理化性狀

1.2 試驗材料

供試冬小麥品種為晉麥47 號。

1.3 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)4 個處理，分別為：農(nóng)戶施肥模式（農(nóng)戶模式，F(xiàn)P）、減氮測控施肥模式（測控施肥，MF）、減氮測控施肥＋壟膜溝播模式（壟膜溝播，RF）和減氮測控施肥＋平膜穴播模式（平膜穴播，F(xiàn)H），不同處理的種植方式如表2 所示。每個處理重復(fù)3 次，采用隨機區(qū)組排列，由于地塊大小原因，小區(qū)面積為210～520 m2。試驗中施用的肥料為尿素（含N 46%）、過磷酸鈣（含P2O511%）和氯化鉀（含K2O 60%），均作底肥均勻施入土壤，翻入耕層后耙平。小麥播種量為150 kg/hm2，各處理肥料施用情況如表3 所示。

表2 不同處理的種植方式

表3 不同處理的養(yǎng)分用量 kg/hm2

試驗于2018 年10 月初進(jìn)行播種，2019 年6 月初進(jìn)行收獲，6—9 月為夏閑期，冬小麥在整個生育期不灌溉。2019 年收獲后耕層土壤基礎(chǔ)理化性狀如表4 所示。

表4 2019 年收獲后耕層土壤（0～20 cm）基礎(chǔ)理化性狀

1.4 樣品采集及指標(biāo)分析

于2019 年6 月初小麥?zhǔn)斋@前，采用定制環(huán)刀（高10 cm、直徑10 cm）在4 個試驗小區(qū)多點采集0～20 cm 土層非擾動的原狀土，土樣混合均勻后放入硬質(zhì)塑料盒，運輸過程中避免擠壓，以保持原狀結(jié)構(gòu)。在實驗室將土壤樣品沿其結(jié)構(gòu)、自然縫隙輕輕掰成小土塊，過8 mm 篩，并剔除根茬、小石子和動物殘體，在陰涼干燥處風(fēng)干后，儲存，供團(tuán)聚體分級使用。

同時，小麥?zhǔn)斋@后，采用多點采樣法利用土鉆（高20 cm、直徑2.5 cm）采集0～20 cm 土層土壤樣品，混合均勻后帶回實驗室，剔除動植物殘體、石塊等肉眼可見雜物，經(jīng)自然風(fēng)干后，分別過0.15、1.00 mm 篩用于測定土壤基本理化性狀。

水穩(wěn)性團(tuán)聚體和粉黏粒組分采用ELLIOTT[17]提出的濕篩法分離。首先取200 g 過8 mm 篩的原狀土進(jìn)行干篩，分別得到＞2.000、0.250～2.000、0.053～0.250 mm 粒徑的團(tuán)聚體和＜0.053 mm 的粉黏粒組分；根據(jù)每個粒徑的比例，稱取50 g 土樣置于2 mm 篩上，同時下面放置0.250、0.053 mm 孔徑的篩子，按從大到小的順序擺放，然后緩緩地將整套篩子放在裝滿2/3 蒸餾水的桶中心（注意不要磕碰桶內(nèi)壁），浸泡5 min，上下振蕩5 min（振幅為3 cm），振蕩完畢后，將各個篩子中的土樣用蒸餾水分別洗入已知質(zhì)量的鋁盒中，于50 ℃烘至恒質(zhì)量，冷卻后稱質(zhì)量，即可得到＞2.000、0.250～2.000、0.053～0.250 mm 粒徑的團(tuán)聚體和＜0.053 mm 的粉黏粒組分。

土壤pH 的測定采用電位法[3]（水土比為2.5∶1）；土壤有機碳和各粒徑團(tuán)聚體中的有機碳含量均采用重鉻酸鉀- 容量法測定[18]；土壤全氮含量采用半微量開氏法測定[18]；有效磷含量采用NaHCO3浸提，鉬銻抗比色法測定[18]；速效鉀含量采用NH4OAc浸提，火焰光度法測定[18]。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

采用Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；采用SPSS 19.0進(jìn)行單因素方差分析，采用LSD 法進(jìn)行多重比較；采用Origin 2018 軟件繪圖；使用Canoco 5.0 軟件進(jìn)行冗余分析。

式中，Wi表示第i 個粒徑團(tuán)聚體質(zhì)量占總質(zhì)量的百分比（%）；Xi表示第i 個粒徑團(tuán)聚體的平均直徑（mm）。

2 結(jié)果與分析

2.1 減氮覆膜對土壤有機碳含量的影響

從圖1 可以看出，長期進(jìn)行減氮覆膜顯著影響了0～20 cm 土層土壤有機碳（SOC）含量，與農(nóng)戶施肥（FP）相比，壟膜溝播（RF）對SOC 含量無顯著影響，測控施肥（MF）顯著降低了SOC 含量（P＜0.05），降低了12.2%，而平膜穴播（FH）顯著提高了SOC含量（P＜0.05），提高了8.4%；與MF 處理相比，RF和FH 處理均顯著提高了SOC 含量（P＜0.05），增幅達(dá)9.5%～21.7%，且以FH 處理的增幅最明顯。綜上可知，F(xiàn)H 處理對于提高SOC 含量最有效。

2.2 減氮覆膜對土壤團(tuán)聚體及粉黏粒組分的分布比例及穩(wěn)定性的影響

由表5 可知，減氮覆膜處理顯著影響了土壤團(tuán)聚體及粉黏粒組分的分布比例和穩(wěn)定性，F(xiàn)P、MF、RF 和FH 處理均以0.250～2.000 mm 粒徑團(tuán)聚體的分布比例最大，介于49.49%～69.10%；其次是＞2.000 mm 和0.053～0.250 mm 粒徑團(tuán)聚體，占比分別為15.02%～27.91%和9.98%～17.42%；以粉黏粒組分（＜0.053 mm）占比最小，僅為5.28%～7.73%。與FP 處理相比，RF 處理顯著降低了＞2.000 mm 粒徑團(tuán)聚體的分布比例（P＜0.05），降低了40.8%；MF和RF 處理均顯著提高了0.250～2.000 mm 粒徑團(tuán)聚體的分布比例（P＜0.05），增幅為21.7%～39.6%，卻顯著降低了＜0.053 mm 組分的分布比例（P＜0.05），降幅為17.3%～31.7%；各處理均顯著降低了0.053～0.250 mm 粒徑團(tuán)聚體的分布比例（P＜0.05），降幅為40.0%～42.7%。

表5 減氮覆膜對團(tuán)聚體及粉黏粒組分的分布比例及穩(wěn)定性的影響

MWD 和GMD 值通常是用來反映土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。與FP 處理相比，MF 和FH 處理均顯著提高了MWD 值（P＜0.05），增幅為8.3%～10.1%；各處理均顯著提高了GMD 值（P＜0.05），增幅為15.0%～23.8%，以FH 處理的提高效果最明顯。

由 此 可 見，MF、RF 和FH 處 理 下 大 團(tuán) 聚 體（0.250～2.000 mm）的數(shù)量呈增加趨勢，同時微團(tuán)聚體（0.053～0.250 mm）和粉黏粒組分（＜0.053 mm）數(shù)量呈減少趨勢，其中，F(xiàn)H 處理是提高該土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性最有效的措施。

2.3 減氮覆膜對土壤團(tuán)聚體及粉黏粒組分中有機碳含量的影響

從表6 可以看出，減氮覆膜處理在一定程度上影響了土壤團(tuán)聚體及粉黏粒組分中的有機碳含量，就不同粒徑團(tuán)聚體及粉黏粒組分而言，大團(tuán)聚體（＞2.000 mm 和0.250～2.000 mm）中有機碳含量高于微團(tuán)聚體（0.053～0.25 mm）和粉黏粒組分（＜0.053 mm）（MF 處理除外）。與FP 處理相比，僅MF處理顯著降低了0.053～0.25 mm 粒徑團(tuán)聚體中有機碳含量（P＜0.05），降低了13.6%，其余處理對各粒徑團(tuán)聚體及粉黏粒組分中有機碳含量無顯著影響；與MF 處理相比，F(xiàn)H 處理顯著提高了＞2.000、0.250～2.000、0.053～0.250 mm 粒徑團(tuán)聚體中有機碳含量（P＜0.05），分別提高了17.2%、13.9%和17.5%。由此可見，F(xiàn)H 處理對于提高大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體中有機碳含量的效果最明顯。

表6 減氮覆膜對土壤團(tuán)聚體及粉黏粒組分中有機碳含量的影響 g/kg

2.4 減氮覆膜對土壤團(tuán)聚體及粉黏粒組分有機碳富集因子的影響

減氮覆膜處理在一定程度上影響了各粒徑團(tuán)聚體及粉黏粒組分的有機碳富集因子（EC 值），總體來看，各處理（MF 處理除外）以0.250～2.000 mm粒徑團(tuán)聚體的EC 值最高，而0.053～0.250 mm 粒徑團(tuán)聚體的EC 值最低（表7）。與FP 處理相比，僅MF 處理顯著提高了＜0.053 mm 組分的EC 值（P＜0.05），提高了22.0%；與MF 處理相比，RF 和FH 處理均顯著降低了＜0.053 mm 組分的EC 值（P＜0.05），分別降低了15.0%和22.0%，而對其他粒徑團(tuán)聚體的EC 值無顯著影響。

表7 減氮覆膜對團(tuán)聚體及粉黏粒組分有機碳富集因子的影響

2.5 各粒徑團(tuán)聚體及粉黏粒組分中有機碳對土壤有機碳的貢獻(xiàn)

以土壤團(tuán)聚體和粉黏粒組分中有機碳含量作為影響SOC 含量變化的因子進(jìn)行冗余分析，結(jié)果表明（圖2），團(tuán)聚體和粉黏粒組分中有機碳含量對SOC 含量變化的總體解釋率為81.1%，僅0.250～2.000 mm 粒徑團(tuán)聚體和0.053～0.250 mm 粒徑團(tuán)聚體中有機碳含量對SOC 含量的影響達(dá)到了顯著水平（P＜0.05），其解釋率分別為62.8%和14.5%，0.250～2.000 mm 粒徑團(tuán)聚體中有機碳含量對SOC含量的貢獻(xiàn)最大，其次是0.053～0.250 mm 粒徑團(tuán)聚體。

3 討論

3.1 減氮覆膜對土壤有機碳含量的影響

土壤有機碳（SOC）是表征土壤肥力高低的一個關(guān)鍵指標(biāo)，是作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的先決條件[20]。本研究結(jié)果表明，與農(nóng)戶施肥（FP）相比，測控施肥（MF）顯著降低了SOC 含量，而平膜穴播（FH）顯著提高了SOC 含量。這與王興龍等[21]在紫色土上的研究結(jié)果一致，減氮處理顯著降低了SOC 含量。這可能是因為在MF 處理下，氮磷鉀養(yǎng)分均衡施入，但沒有外源有機碳的投入，僅依靠作物殘茬的還田量還不足以彌補有機碳礦化的損失量，進(jìn)而降低了SOC含量[22]；另外，還可能是由于小麥生長對養(yǎng)分的需求，加速了有機質(zhì)的礦化，從而降低了有機碳的累積[21]。但是李順等[16]研究發(fā)現(xiàn)，MF 處理對SOC 濃度無顯著影響，可能是因為該試驗僅進(jìn)行了5 a 試驗，而本試驗長達(dá)7 a，其養(yǎng)分投入量和秸稈還田量的不同，導(dǎo)致了研究結(jié)果之間的差異。

付鑫等[11]研究表明，覆膜能顯著提高黑壚土SOC 含量，與本研究結(jié)果一致。但李明[23]研究認(rèn)為，覆膜顯著降低了黑麻土SOC 含量，這是因為該試驗中秸稈不還田，而本試驗中小麥?zhǔn)斋@后秸稈全部翻壓還田，進(jìn)而增加了有機物料的投入；且覆膜有增溫保墑的作用，改善了微生物的生存環(huán)境，加速了秸稈的分解轉(zhuǎn)化，從而提高了SOC 含量[16]。

3.2 減氮覆膜對土壤團(tuán)聚體及粉黏粒組分的分布比例和穩(wěn)定性的影響

土壤結(jié)構(gòu)是影響土壤肥力和作物產(chǎn)量的主要因素，團(tuán)聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，在維持土壤肥力、調(diào)節(jié)土壤通氣性和保水性以及減緩?fù)寥狼治g等方面具有重要作用[24]。本研究結(jié)果表明，與FP處理相比，MF、RF 和FH 處理下大團(tuán)聚體（0.250～2.000 mm）的數(shù)量呈增加趨勢，而微團(tuán)聚體（0.053～0.250 mm）和粉黏粒組分（＜0.053 mm）數(shù)量減少。這與王歡等[25]、劉秀等[14]的研究結(jié)果一致，地膜覆蓋下黑壚土和石灰性褐土大團(tuán)聚體的數(shù)量呈增加趨勢。這是因為地膜覆蓋具有保墑增溫的作用，為微生物的生長與繁殖創(chuàng)造了適宜的環(huán)境，從而加速了有機質(zhì)的分解，土壤微團(tuán)聚體和粉黏粒組分在有機質(zhì)的膠結(jié)作用下，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化形成大團(tuán)聚體[25]。

通常，平均質(zhì)量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GWD）是評價土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。土壤結(jié)構(gòu)越好，穩(wěn)定性越強，即MWD 和GMD 值越大[26-27]。本研究結(jié)果表明，與FP 處理相比，MF、RF 和FH 處理均顯著提高了GWD 值，且MF 和FH 處理還顯著提高了MWD 值。這與李偉等[9]在塿土上的研究結(jié)果一致，減氮處理能顯著提高0～10 cm 土層土壤MWD 和GWD 值。因為減量施氮可以防止土壤酸化，為微生物的生長和繁殖提供充足的能源，進(jìn)而增加土壤多糖以及球囊霉素相關(guān)土壤蛋白等有機膠結(jié)物質(zhì)的含量[28-29]，促進(jìn)了大團(tuán)聚體（＞0.250 mm）的形成，從而提高了團(tuán)聚體穩(wěn)定性。此外，前人在黑壚土和石灰性褐土上研究也發(fā)現(xiàn)，覆膜能顯著提高0～10 cm 土層土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性[11，14]。這是因為地膜覆蓋能夠減少水分的蒸發(fā)，促進(jìn)作物對土壤水分和養(yǎng)分的吸收利用，提高作物產(chǎn)量，進(jìn)而增加根系殘茬和秸稈的還田量，秸稈腐解時產(chǎn)生的高分子化合物能夠形成有機膠體，與土壤粉黏粒相結(jié)合，提高團(tuán)聚體穩(wěn)定性[11，15]。

3.3 減氮覆膜對土壤團(tuán)聚體及粉黏粒組分中有機碳固存的影響

土壤有機碳（SOC）是團(tuán)聚體形成中起主要作用的有機膠結(jié)物質(zhì)，與團(tuán)聚體相互作用緊密，且表層土壤的有機碳主要固存在團(tuán)聚體中[30]。本研究結(jié)果表明，與FP 處理相比，MF 處理顯著降低了0.053～0.250 mm 粒徑團(tuán)聚體中有機碳含量；與MF處理相比，F(xiàn)H 處理顯著提高了大團(tuán)聚體（＞0.250 mm）和微團(tuán)聚體（0.053～0.250 mm）中有機碳含量，而對粉黏粒組分（＜0.053 mm）中有機碳含量無顯著影響。有機碳主要固存于0.250～2.000 mm 粒徑團(tuán)聚體中，且該粒徑團(tuán)聚體中有機碳含量對SOC含量的變化起主要貢獻(xiàn)作用。與本研究結(jié)果相似，馮夕[7]研究也發(fā)現(xiàn)，減氮處理顯著降低了紫色土微團(tuán)聚體（0.053～0.250 mm）中有機碳含量。因為MF處理下，養(yǎng)分平衡施入，微生物活性增強，增加了其分泌物和代謝產(chǎn)物，促進(jìn)了微團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體的轉(zhuǎn)化，進(jìn)而減少了微團(tuán)聚體對有機碳的固存[28-31]。此外，司鵬飛[10]也研究發(fā)現(xiàn)，覆膜處理下0.250～2.000 mm 粒徑團(tuán)聚體中有機碳對石灰性褐土SOC貢獻(xiàn)最大。這可能是因為覆膜處理下作物產(chǎn)量相對較高，進(jìn)而導(dǎo)致秸稈還田量和植物殘體碳的輸入量增加，從而提高了SOC 含量[16]，土壤中新輸入的有機碳一般先與土壤微團(tuán)聚體結(jié)合，然后通過團(tuán)聚作用被大團(tuán)聚體結(jié)合而固持起來[32]。而覆膜處理對粉黏粒組分（＜0.053 mm）中有機碳含量無顯著影響，說明該組分有機碳含量已經(jīng)接近或達(dá)到飽和，這與KOOL 等[33]提出的土壤有機碳的等級飽和模型相一致，即隨著外源碳投入量的增加，從最小粒徑到最大粒徑的團(tuán)聚體依次達(dá)到飽和，最終土壤碳庫達(dá)到飽和。

4 結(jié)論

連續(xù)7 a 進(jìn)行減氮覆膜顯著影響了團(tuán)聚體的分布比例和穩(wěn)定性以及團(tuán)聚體中的有機碳含量。本研究結(jié)果表明，與農(nóng)戶施肥（FP）處理相比，測控施肥（MF）處理顯著降低了土壤有機碳（SOC）含量，而平膜穴播（FH）處理顯著提高了SOC 含量，增幅為8.4%。MF 和壟膜溝播（RF）處理均顯著提高了0.250～2.000 mm 粒徑團(tuán)聚體的分布比例，而顯著降低了粉黏粒組分（＜0.053 mm）的分布比例，此外，各處理均顯著降低了0.053～0.250 mm 粒徑團(tuán)聚體的分布比例，但是均顯著提高了團(tuán)聚體穩(wěn)定性（RF 處理除外），且以平膜穴播（FH）處理效果最明顯。由此可見，平膜穴播對于提高該區(qū)域土壤有機碳含量和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性效果最明顯，且該區(qū)域土壤有機碳固存主要受0.250～2.000 mm 粒徑團(tuán)聚體的影響。