紫云英還田與氮肥減施對水稻土團(tuán)聚體中各形態(tài)鐵錳含量的影響

甘雅芬，徐永昊,3，周富忠，耿明建，黃 麗*

（1 華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430070；2 湖北省利川市土壤肥料工作站，湖北利川 445400；3 山東省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心土壤肥料部，山東濟(jì)南 250100）

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，是評價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，在一定程度上可以反映土壤結(jié)構(gòu)的好壞[1]。土壤長期淹水管理會(huì)導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體膨脹裂解，破壞土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，從而降低我國典型的水耕人為水稻土的生產(chǎn)力，危及我國糧食安全和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展[2–3]。冬閑農(nóng)田種植豆科綠肥是我國南方稻田土壤培肥的重要措施，在改良土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤肥力和資源利用效率方面具有重要意義[4]。

紫云英作為我國南方主要綠肥，可以通過生物固氮、輪作倒茬等方式在化肥農(nóng)藥減量施用方面發(fā)揮重要作用，同時(shí)也有利于土壤顆粒的團(tuán)聚、黏結(jié)，有效提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性、改良土壤結(jié)構(gòu)[5–6]。研究表明，紫云英還田配施80%化肥處理顯著增加了土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量，增幅達(dá)13.1%和12.8%，而且還能增加速效養(yǎng)分的供應(yīng)[7]。而對土壤結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn)，添加紫云英處理提高了>2 mm團(tuán)聚體的含量與團(tuán)聚體的平均重量直徑(MWD)[8]。紫云英配施減量化肥對土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體中1～2和0.5～1 mm粒徑的形成與穩(wěn)定有促進(jìn)作用[9]。

鐵錳是土壤中具有顯著變價(jià)特性的金屬元素，化學(xué)性質(zhì)活潑，形態(tài)多樣，極易受土壤環(huán)境的影響[10]。其中，鐵錳氧化物是土壤重要的無機(jī)膠結(jié)物質(zhì)，對于土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性有著重要貢獻(xiàn)[11–12]。施肥措施能夠改變土壤鐵錳形態(tài)，最終影響氧化物在土壤團(tuán)聚體中的膠結(jié)作用[13–14]。研究發(fā)現(xiàn)，增施有機(jī)肥可降低土壤游離氧化鐵含量而提高非晶質(zhì)氧化鐵含量[15–16]；紫云英與化肥配施條件下，土壤團(tuán)聚體中非晶質(zhì)鐵錳含量顯著提高7.7%～72.3%[17]。不同形態(tài)鐵錳氧化物因表面電荷類型、數(shù)量的不同以及活性和比表面積等特性的差異，對團(tuán)聚體穩(wěn)定性的作用能力也各異[16–17]。研究發(fā)現(xiàn)，鐵鋁氧化物含量與>0.25 mm大團(tuán)聚體數(shù)量及MWD 值顯著相關(guān)，無定形鐵鋁氧化物對團(tuán)聚體穩(wěn)定性的作用更為顯著[18]。而長期施肥條件下土的MWD與游離鐵呈顯著正相關(guān)關(guān)系[19]。

目前國內(nèi)外研究翻壓綠肥對土壤養(yǎng)分和作物產(chǎn)量的直接影響較多，但較少報(bào)道紫云英還田與氮肥減施對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和膠結(jié)物質(zhì)的影響。本研究以湖北荊州定位試驗(yàn)的水稻土為對象，研究紫云英還田與氮肥減施條件下土壤團(tuán)聚體中不同形態(tài)鐵錳與團(tuán)聚體穩(wěn)定性的關(guān)系，以揭示紫云英還田下土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性機(jī)制，為推動(dòng)南方水稻種植區(qū)綠肥利用和高效生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

定位試驗(yàn)始于2015年，試驗(yàn)點(diǎn)位于荊州區(qū)太湖農(nóng)場 (30°53′26″N，112°48′56″E)，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均溫度17.9℃，年均日照時(shí)數(shù)1800～2100 h，年均降水量為1055 mm。土壤為長江沖積物發(fā)育的水稻土，質(zhì)地為粉質(zhì)黏土，黏性較強(qiáng)。供試土壤的pH 7.43、有機(jī)碳16.3 g/kg、堿解氮133.4 mg/kg、速效磷 10.6 mg/kg、速效鉀 167.0 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共設(shè)6個(gè)處理，3次重復(fù)，小區(qū)面積20 m2。處理如下：設(shè)置不施氮肥(CK)、紫云英種植還田(MV)、60%氮肥(N60%)、100%氮肥(N100%)、紫云英種植還田+60%氮肥(MV+N60%)、紫云英種植還田+100%氮肥(MV+N100%)(表1)。供試水稻品種為黃華占，水稻收獲后撒播紫云英(品種為弋江種，播種量30 kg/hm2)，紫云英生長期間各處理均不施肥，在盛花期(4月20日前后)翻壓還田，還田量為2200 kg/hm2。水稻季施用氮、磷、鉀肥，分別為尿素、過磷酸鈣和氯化鉀，其養(yǎng)分總投入量分別為 N 165 kg/hm2、P2O560 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2。氮肥的70%作基肥、20%作分蘗肥、10%作粒肥，磷鉀肥全部用作基肥。

表1 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Design of the field experiment

1.3 樣品采集與測定

于2019年4月（紫云英盛花期）采集耕層(0—20 cm)土壤樣品，每個(gè)小區(qū)按“S”形采樣法采集5個(gè)土樣，每個(gè)土樣約1 kg，混合均勻。樣品在室內(nèi)自然風(fēng)干，當(dāng)土樣含水量為 20% 左右(上塑限)時(shí)，沿土體自然結(jié)構(gòu)輕輕掰成小土塊，過10 mm篩。剔除其中的石塊、根系等雜物。一部分樣品分別過0.90、0.25和0.15 mm篩備用，另一部分直接用于測定團(tuán)聚體粒徑分布。

土壤團(tuán)聚體分級采用干濕篩結(jié)合法，主要步驟為：將一定重量的上述風(fēng)干土樣通過孔徑依次為5、2、0.25、0.053 mm套篩，計(jì)算各級干篩團(tuán)聚體占土壤總量百分含量，并按干篩的比例配成100 g的風(fēng)干土樣。之后采用Elliott[20]的團(tuán)聚體濕篩法分離不同粒徑的水穩(wěn)性團(tuán)聚體，即將干篩配比的土樣放置于孔徑自上而下為5、2、0.25、0.053 mm套篩之上，在室溫條件下先用水浸潤10 min，再用團(tuán)聚體篩分儀豎直上下震蕩10 min。篩分結(jié)束后，將每層篩子上的團(tuán)聚體用水分別洗入鋁盒中，待澄清后棄去上層清液，在40℃烘箱中干燥24 h，得到干燥的>5、5～2、2～0.25、0.25～0.053、<0.053 mm 水穩(wěn)性團(tuán)聚體，稱重，并計(jì)算各級團(tuán)聚體組成。

不同形態(tài)鐵錳的提取及測定方法[21]：游離態(tài)鐵錳采用DCB法(連二亞硫酸鈉–檸檬酸鈉–重碳酸鈉)提取，非晶質(zhì)鐵錳采用酸性草酸銨提取，絡(luò)合態(tài)鐵錳采用焦磷酸鈉提取，提取液經(jīng)稀釋后用原子吸收光譜儀(AA240FS型原子吸收光譜儀)測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)、>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體百分含量(WSA)和分形維數(shù)(D)可用于表征土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，其計(jì)算公式[22]如下：

應(yīng)用 Excel 2013 和 SPSS 22.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析比較處理間差異，用鄧肯(Duncan’s)法檢驗(yàn)差異顯著性(P<0.05)，采用皮爾森(Pearson)法進(jìn)行相關(guān)性分析，Canoco 5進(jìn)行冗余分析 (RDA)，Origin 8.0 軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性

不同施肥處理下土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體粒徑分布具有顯著差異，CK處理中<0.053 mm團(tuán)聚體百分含量最高，而施肥條件下主要以>5 mm粒徑團(tuán)聚體為主(圖1)。與CK相比，各施肥處理顯著提高了>5 mm團(tuán)聚體含量，增量為32.6%～97.9%。5～2和2～0.25 mm團(tuán)聚體在不同施肥處理下差異不顯著。0.25～0.053 mm粒徑團(tuán)聚體的含量為4.3%～6.8%，相比于CK，除N60%處理外其余各處理均增加了0.25～0.053 mm團(tuán)聚體的含量。<0.053 mm粒徑團(tuán)聚體各處理表現(xiàn)為 CK > N60%> MV+N100%> MV > N100%>MV+N60%，與CK處理相比，各施肥處理均降低了<0.053 mm團(tuán)聚體的含量，降幅為33.3%～80.5%。

圖1 不同處理土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的分布Fig.1 Distribution of soil water-stable aggregates under different treatments

水穩(wěn)性團(tuán)聚體根據(jù)粒徑可分為大團(tuán)聚體(>0.25 mm)和微團(tuán)聚體(<0.25 mm)。相比于CK處理，各施肥處理均提高了大團(tuán)聚體含量，降低了微團(tuán)聚體含量。MV+N60%處理的大團(tuán)聚體含量最高，其比CK處理增加了49.8%的大團(tuán)聚體含量，減少了71.0%的微團(tuán)聚體含量，說明紫云英還田與氮肥減施有利于微團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體的轉(zhuǎn)化，提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。

由表2可知，施肥對土壤團(tuán)聚體的各項(xiàng)穩(wěn)定性指標(biāo)具有顯著影響。平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)和>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體(WSA)含量越大，表示團(tuán)聚體的團(tuán)聚度越高，其穩(wěn)定性也越好。穩(wěn)定性指標(biāo)大小依次為MV+N60%>N100%>MV+N100%>MV>N60%>CK (表2)。與CK相比，各處理MWD增加了27.5%～76.2%，GMD增加了35.5%～108.9%，WSA增加了21.3%～49.9%。N100%處理的土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性高于N60%，但低于MV+N60%、MV+N100%處理。紫云英還田提高了團(tuán)聚體穩(wěn)定性，其中MV+N60%處理的MWD較CK和MV處理分別提高了76.2%和18.0%。分形維數(shù)(D)通常用來反映土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的均勻度，D值越大，表明大團(tuán)聚體占比越小，土壤孔隙度越小，土壤結(jié)構(gòu)越差。本研究中各處理分形維數(shù)(D)表現(xiàn)為CK>N60%>MV>MV+N100%>N100%>MV+N60%，各施肥處理D值較CK降低了4.4%～15.9%，其中MV+N60%處理對比CK下降效果最為顯著，降幅為15.9%。

表2 不同處理土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)Table 2 Stability index of soil aggregate in different treatments

2.2 各形態(tài)鐵錳含量變化

表3表明，游離鐵和游離錳均以CK含量最低，施肥可在一定程度上提高其含量，與CK處理相比，N100%處理的游離鐵含量提高12.1%，MV+N60%處理的游離錳含量提高6.5%。單施化肥處理的游離鐵含量要高于紫云英還田與化肥配施處理，而紫云英還田對游離錳含量的增加更為明顯。與CK相比，紫云英還田各處理(MV、MV+N60%、MV+N100%)均能提高土壤的非晶質(zhì)鐵含量，增幅為0.8%～6.1%。紫云英配施化肥處理(MV+N60%、MV+N100%)相比CK提高了非晶質(zhì)錳含量，增幅為1.0%～2.3%。絡(luò)合鐵含量為0.74～0.87 g/kg，MV+N60%含量最高。土壤絡(luò)合鐵含量以N60%處理最低，而有機(jī)無機(jī)肥配施處理土壤絡(luò)合鐵含量相對較高。絡(luò)合錳含量以MV+N100%處理最高，N100%處理最低。

表3 不同處理土壤各形態(tài)鐵錳含量Table 3 Contents of different forms of Fe and Mn in soil with different treatments

表4表明，土壤大團(tuán)聚體(>0.25 mm)的各形態(tài)鐵錳含量均高于微團(tuán)聚體(<0.25 mm)。不同形態(tài)鐵含量在0.42～29.8 g/kg，其中游離鐵含量達(dá)到26.2～29.8 g/kg。游離鐵的含量主要集中在2～0.25 mm團(tuán)聚體，且不同處理之間具有顯著差異。與CK處理相比，紫云英還田(MV、MV+N60%、MV+N100%)均提高了>5、0.25～0.053、<0.053 mm團(tuán)聚體的游離鐵含量，其中MV+N100%處理增幅最高(3.3%～11.1%)。單施化肥提高了土壤各粒徑團(tuán)聚體游離鐵含量，以N100%處理含量高于N60%處理，N100%和N60%處理較CK分別增加了3.5%～10.6%和2.2%～5.3%的游離鐵含量。土壤團(tuán)聚體的非晶質(zhì)鐵主要集中在>5、5～2 mm粒徑團(tuán)聚體中，而在0.25～0.053 mm粒徑團(tuán)聚體的含量最低。>5、5～2 mm團(tuán)聚體中非晶質(zhì)鐵含量分別為 5.83～8.05、6.14～7.09 g/kg，0.25～0.053 mm 團(tuán)聚體中非晶質(zhì)鐵含量為 5.16～6.39 g/kg；>5 mm團(tuán)聚體中，CK處理的非晶質(zhì)鐵含量最低，而MV+N60%處理非晶質(zhì)鐵含量顯著高于CK處理，其余各粒徑團(tuán)聚體中非晶質(zhì)鐵含量無顯著差異。MV+N60%處理在>0.25 mm團(tuán)聚體中具有較高的非晶質(zhì)鐵含量，說明紫云英還田與氮肥減施有利于增加大團(tuán)聚體中的非晶質(zhì)鐵。相比游離鐵和非晶質(zhì)鐵，絡(luò)合鐵的含量相對更低，且主要分布在>5 mm團(tuán)聚體中 (0.55～0.84 g/kg)；<0.053 mm 團(tuán)聚體內(nèi)含量最低 (0.42～0.59 g/kg)。紫云英還田 (MV、MV+N60%、MV+N100%)更有利于提高土壤大團(tuán)聚體的絡(luò)合鐵含量，MV+N60%處理除>5和<0.053 mm外的其余粒徑團(tuán)聚體的絡(luò)合鐵含量最高，但與其他處理無顯著差異。

表4 不同處理團(tuán)聚體中各形態(tài)鐵含量(g/kg)Table 4 Contents of different forms of Fe in soil aggregates of different treatments

團(tuán)聚體中不同形態(tài)錳含量與鐵含量的整體變化趨勢一致，均為大團(tuán)聚體中的含量高于微團(tuán)聚體(表5)。不同形態(tài)錳含量在70.6～618 mg/kg之間，游離錳含量達(dá)383～666 mg/kg，游離錳主要集中在5～2、2～0.25 mm團(tuán)聚體，含量分別為438～666和540～675 mg/kg，不同粒徑之間游離錳含量不同，>5和<0.053 mm團(tuán)聚體中游離錳含量多低于其他粒徑。綠肥還田(MV、MV+N60%、MV+N100%)相比于單施化肥處理(N60%、N100%)降低了土壤微團(tuán)聚體(<0.25 mm)中游離錳含量，提高了大團(tuán)聚體(>0.25 mm)中游離錳含量。與CK處理相比，MV+N60%和MV+N100%處理顯著提高了5～2 mm團(tuán)聚體游離錳含量。除N100%和MV+N60%處理外，非晶質(zhì)錳在不同粒徑團(tuán)聚體中無顯著差異，與CK處理相比，MV處理降低了各粒徑的非晶質(zhì)錳含量，而MV+N100%處理增加了各粒徑團(tuán)聚體中非晶質(zhì)錳含量，增幅為2.6%～15.7%，且在大團(tuán)聚體中的增量高于微團(tuán)聚體。團(tuán)聚體各粒徑絡(luò)合錳含量差異顯著，主要集中在>0.25 mm大團(tuán)聚體中，以5～2、2～0.25 mm團(tuán)聚體中絡(luò)合錳含量最高(99.8～160 mg/kg)，而 0.25～0.053、<0.053 mm 團(tuán)聚體中絡(luò)合錳的含量較低(70.6～115 mg/kg)。與CK處理相比，施肥提高了>5 mm團(tuán)聚體中的絡(luò)合錳含量，以MV+N100%處理含量最高，較CK增加了30.9%；而在<0.053 mm中，施肥降低了18.8%～38.6%的絡(luò)合錳含量。

表5 不同處理土壤團(tuán)聚體中各形態(tài)錳含量(mg/kg)Table 5 Contents of different forms of Mn in soil aggregates of different treatments

2.3 各形態(tài)鐵錳對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

MWD和GMD與團(tuán)聚體各形態(tài)鐵錳含量的相關(guān)性表現(xiàn)大體一致，在>5 mm團(tuán)聚體中，除絡(luò)合鐵和游離錳外，其余形態(tài)鐵錳含量與MWD顯著相關(guān)(表6)。其中，游離鐵和非晶質(zhì)鐵與MWD和GMD均呈極顯著正相關(guān)(r=0.659～0.684和r=0.610～0.704)，絡(luò)合鐵與GMD顯著相關(guān)(r=0.477)。而非晶質(zhì)錳和絡(luò)合錳與穩(wěn)定性指標(biāo)均顯著正相關(guān)(r=0.477～0.544)。在5～2 mm團(tuán)聚體中，非晶質(zhì)鐵、游離錳含量與MWD呈顯著正相關(guān)(r=0.428～0.531)；2～0.25 mm團(tuán)聚體中，僅非晶質(zhì)錳與MWD和GMD呈顯著相關(guān)，0.25～0.053 mm團(tuán)聚體中絡(luò)合錳與MWD和GMD顯著相關(guān)；在<0.053 mm團(tuán)聚體，MWD和GMD與絡(luò)合錳呈極顯著負(fù)相關(guān)(r=–0.598～–0.612)。在團(tuán)聚體各形態(tài)鐵錳中，游離鐵含量與MWD相關(guān)性最高，非晶質(zhì)鐵次之，這表明土壤游離鐵和非晶質(zhì)鐵是團(tuán)聚體穩(wěn)定和大團(tuán)聚體形成的關(guān)鍵因素。

表6 MWD和GMD與團(tuán)聚體各形態(tài)鐵錳含量的相關(guān)性Table 6 Correlations of MWD and GMD with different forms of iron and manganese contents in soil aggregates

經(jīng)RDA分析(圖2)可知，軸1和軸2共同解釋土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)與土壤各形態(tài)鐵錳含量關(guān)系總變異的29.1%，第一軸可解釋28.47%變量變化。游離鐵與團(tuán)聚體穩(wěn)定性的相關(guān)性大于其他影響因素，對變異解釋率為16.7%。其次是游離錳，解釋率為4.8%。非晶質(zhì)鐵和絡(luò)合鐵的解釋率大體相等約為3%。游離鐵和游離錳相關(guān)性高，呈正效應(yīng)，對于團(tuán)聚體穩(wěn)定性有很高的協(xié)同作用。

圖2 土壤穩(wěn)定性和各形態(tài)鐵錳冗余分析(RDA)Fig.2 The redundancy analysis (RDA) of soil stability and the different forms of iron and manganese

3 討論

紫云英還田與氮肥減施能改變團(tuán)聚體粒徑分布，對于提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性具有重要作用[23]。本研究中，紫云英與化肥配施相比CK處理顯著提高以>5 mm為主的土壤大團(tuán)聚體百分含量，降低<0.053 mm的土壤微團(tuán)聚體含量，有利于土壤微團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體的轉(zhuǎn)化，增加了團(tuán)聚體的MWD、GMD、WSA 值，降低分形維數(shù)，提高了團(tuán)聚體穩(wěn)定性。有研究發(fā)現(xiàn)，長江中游油麥交錯(cuò)區(qū)和黃河口濕地土壤主要以>2 mm團(tuán)聚體為主，其>2 mm團(tuán)聚體含量分別為42%～78%和32.0%～54.5%，與本研究結(jié)果類似，可能是土壤母質(zhì)和田間施肥管理綜合影響的結(jié)果[24–25]。在紫云英和80%化肥配合施用條件下，MWD和GMD相比于CK可分別提高76.7%和10.1%[26]，這與本研究結(jié)果相似?？赡艿脑蚴亲显朴⑦€田能夠提高土壤有機(jī)質(zhì)，而有機(jī)質(zhì)是形成大團(tuán)聚體的主要膠結(jié)物質(zhì)，不僅能夠通過固定和吸附機(jī)制誘導(dǎo)微團(tuán)聚體結(jié)合[27]，還能夠通過自身分解過程中產(chǎn)生的大量黏性分泌物和游離多糖等物質(zhì)，促進(jìn)土壤大團(tuán)聚體的形成[28]。同時(shí)，有機(jī)質(zhì)可以提高土壤微生物活性，增加微生物種群，促進(jìn)菌絲生長及其與微團(tuán)聚體的相互作用，有利于微團(tuán)聚體黏結(jié)[29]。紫云英還田能促進(jìn)植物根系的生長發(fā)育，通過根系穿插纏繞、產(chǎn)生根系分泌物等方式促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定[30–31]。本試驗(yàn)中，紫云英還田配施60%氮肥有利于微團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體的轉(zhuǎn)化，且效果好于紫云英還田配施全量氮肥。MV+N60%處理的土壤大團(tuán)聚體含量顯著高于MV+N100%處理，表明紫云英還田下，高量的氮肥投入不利于大團(tuán)聚體的形成，也會(huì)在一定程度上降低土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性?？赡艿脑蚴腔实倪^度施用會(huì)造成土壤結(jié)構(gòu)破壞，而減施氮肥可降低土壤全鹽量，土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性隨全鹽量的降低而增加[32]；MV+N100%處理外源添加的氮肥含量過高，可能會(huì)影響微生物的活動(dòng)，加速有機(jī)質(zhì)(尤其大團(tuán)聚體中有機(jī)質(zhì))的礦化分解，從而降低土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性[16]。

鐵錳氧化物是團(tuán)聚體重要的無機(jī)膠結(jié)物質(zhì)，具有較強(qiáng)的表面活性，其形態(tài)和含量受施肥管理、氣候、土壤pH等多因素的影響[10,33]。本試驗(yàn)處于亞熱帶季風(fēng)區(qū)，氣溫高，降雨量大，水稻生長過程中頻繁的干濕交替環(huán)境加速土壤風(fēng)化和淋溶過程，從而影響各形態(tài)氧化物之間的轉(zhuǎn)化[33]。本研究中，紫云英還田各處理提高了土壤非晶質(zhì)鐵含量，這與前人減施化肥下紫云英翻壓量對氧化物影響的研究結(jié)果類似[17]，可能是紫云英還田影響植物根系分泌物以及土壤微生物活性，導(dǎo)致土壤礦物質(zhì)的釋放和活性提高，促進(jìn)氧化鐵的非生物和生物還原作用，使土壤中氧化鐵活化[34–35]。施用化肥的處理，土壤游離鐵含量都有不同程度的增加，但紫云英的投入相比于單施化肥處理會(huì)降低游離鐵含量，可能是因?yàn)槭┯糜袡C(jī)肥后土壤氧化還原電位降低，導(dǎo)致部分氧化鐵被還原的緣故[15]。

供試土壤的游離鐵與團(tuán)聚體平均重量直徑和幾何平均直徑呈顯著正相關(guān)，表明游離鐵是團(tuán)聚體穩(wěn)定性的重要影響因素。研究表明，游離態(tài)氧化鐵可有效吸附在黏粒上形成氧化膜或復(fù)合物，使土壤顆粒緊密結(jié)合，形成穩(wěn)固的土壤結(jié)構(gòu)從而提高團(tuán)聚體穩(wěn)定性[32,36]。本研究中，非晶質(zhì)鐵和絡(luò)合鐵對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性均有一定貢獻(xiàn)率。這是由于非晶質(zhì)鐵的比表面積大、表面活性強(qiáng)，能夠釋放大量的活性羥基，與其他配位體發(fā)生置換反應(yīng)，與土壤溶液一起扮演絮凝劑的角色，加強(qiáng)土壤顆粒之間的團(tuán)聚作用[37]，非晶質(zhì)氧化鐵(如針鐵礦)表面羥基基團(tuán)多，與腐殖質(zhì)和高嶺石等結(jié)合能力強(qiáng)，其膠結(jié)能力高于赤鐵礦等晶質(zhì)氧化鐵，形成穩(wěn)定的團(tuán)聚體[38]。有研究發(fā)現(xiàn)，在華南地區(qū)不同地帶性土壤中，絡(luò)合態(tài)鐵鋁(Fep和Alp)與團(tuán)聚體穩(wěn)定性密切相關(guān)[39]。有機(jī)絡(luò)合物可以吸附在鐵錳氧化物沉淀表面，形成有機(jī)無機(jī)復(fù)合膠結(jié)物質(zhì)提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性[40]。本研究中團(tuán)聚體平均重量直徑和幾何平均直徑主要與>5 mm粒徑中的氧化物具有更高的相關(guān)性，顯示團(tuán)聚體穩(wěn)定性受大團(tuán)聚體中游離態(tài)和非晶質(zhì)氧化物含量的影響大，可能是由于游離態(tài)和非晶質(zhì)氧化物與有機(jī)碳的膠結(jié)作用更為顯著[41]。這些結(jié)果表明，紫云英還田有利于與氧化物緊密結(jié)合的土壤微粒進(jìn)一步膠結(jié)為大團(tuán)聚體，提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性[32]。

4 結(jié)論

土壤團(tuán)聚體的形成與穩(wěn)定是土壤中各形態(tài)鐵錳綜合作用的結(jié)果，土壤游離鐵對團(tuán)聚體穩(wěn)定性的解釋率最高，達(dá)16.7%，是影響土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的主要因素。團(tuán)聚體游離鐵和非晶質(zhì)鐵與平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)相關(guān)性最高，且在>5 mm團(tuán)聚體中的作用更顯著，是團(tuán)聚體穩(wěn)定和大團(tuán)聚體形成的關(guān)鍵。

紫云英還田與氮肥減施促進(jìn)了土壤大團(tuán)聚體形成，顯著提高了土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，其MWD較CK和MV處理分別提高了76.2%和18.0%，在減少化肥投入的同時(shí)，也有利于提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，改良土壤結(jié)構(gòu)。此外，紫云英還田在一定程度上提高了土壤各形態(tài)鐵錳含量，總體上在大團(tuán)聚體中的提升效果更為顯著，有利于各形態(tài)鐵錳在大團(tuán)聚體中的富集。紫云英還田與氮肥減施提高了8.4%和38.1%的大團(tuán)聚體游離鐵和非晶質(zhì)鐵含量，并且對團(tuán)聚體穩(wěn)定性的效果較好。