施氮和灌溉管理對麥田土壤團(tuán)聚體組成及有機(jī)碳的影響

李彩霞，陳津賽,2，付媛媛，韓其晟，寧慧峰，王廣帥

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部作物需水與調(diào)控重點實驗室，河南 新鄉(xiāng) 453002；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，北京 100094；3.塔里木大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300）

0 引 言

【研究意義】團(tuán)聚體是土壤的重要組成部分，也是土壤結(jié)構(gòu)的主要評價指標(biāo)。耕層土壤團(tuán)聚體中貯存近90%的土壤有機(jī)碳，土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)影響土壤碳的固存及礦化分解。因此，土壤團(tuán)聚體研究已成為評價土壤質(zhì)量的重要途徑。華北平原是我國的主要糧倉，連年耕作導(dǎo)致土壤碳正在枯竭，提升土壤質(zhì)量已成為國家戰(zhàn)略需求。2020年9月習(xí)總書記在75 屆聯(lián)合國大會上提出了“2060年實現(xiàn)碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo)，我國在協(xié)調(diào)生產(chǎn)與生態(tài)關(guān)系方面得到空前重視。在農(nóng)田生產(chǎn)中，灌溉和施肥是決定土壤生產(chǎn)能力的主要因素，研究其對土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)和有機(jī)碳的影響，對土壤質(zhì)量評估與改善以及現(xiàn)狀下農(nóng)田生產(chǎn)生態(tài)功能的提高具有重要意義。

【研究進(jìn)展】華北平原生產(chǎn)了全國產(chǎn)量約79%的小麥和27%的玉米[1]，而土壤平均碳儲量僅為0.5%～0.8%[2-3]，低于我國旱地平均水平（1.08%）[4]，頻繁耕作導(dǎo)致該地區(qū)土壤碳面臨枯竭的險境。土壤團(tuán)聚體的物理保護(hù)是碳穩(wěn)定和固存的重要機(jī)制，土壤大團(tuán)聚體（≥0.25 mm）能夠?qū)τ袡C(jī)碳提供較好的物理保護(hù)，并對耕作管理和機(jī)械破壞很敏感[4]。土壤碳的穩(wěn)定性直接受到團(tuán)聚體組成的影響[5‐6]。氮肥對土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的影響研究在近年來關(guān)注度較高，長期施無機(jī)氮肥，團(tuán)聚體的平均重量直徑和幾何平均直徑減小[1]，土壤微團(tuán)聚體分散系數(shù)提高[7]。同時，過量施用氮肥使土壤中大團(tuán)聚體分化為更小粒級團(tuán)聚體，破壞團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[8]。相比微團(tuán)聚體，由于大團(tuán)聚體中含有更多初期不穩(wěn)定的新形成的有機(jī)碳[9]，所以減緩大團(tuán)聚體的破壞或轉(zhuǎn)化有利于其中更多微團(tuán)聚體的產(chǎn)生，從而提高團(tuán)聚體的穩(wěn)定性和土壤碳的固定[10]。在干旱半干旱環(huán)境下，土壤團(tuán)聚體的整體粒徑較小[8]，灌溉后的土壤，一方面呼吸強(qiáng)度提高，有機(jī)質(zhì)的礦化速率增加，另一方面水化學(xué)條件改變黏土礦物收縮和膨脹[11]，可能會導(dǎo)致部分土壤團(tuán)聚體的碎裂，使其內(nèi)部的有機(jī)質(zhì)被微生物分解[12]。因此，土壤團(tuán)聚體受到物理、化學(xué)、生物等因素的綜合影響，土壤水為這些因素的變化提供了環(huán)境，灌溉水平對土壤團(tuán)聚體的影響非常值得關(guān)注?！厩腥朦c】本團(tuán)隊前期研究發(fā)現(xiàn)，長期定量施氮使耕層土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的平均粒徑隨施氮量的增加而減小，并對土壤無機(jī)氮產(chǎn)生影響，表明施氮顯著影響土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)和土壤養(yǎng)分有效性[13]。土壤水分作為肥料有效性的必需載體，固然產(chǎn)生水與氮的交互作用，但目前在土壤結(jié)構(gòu)的研究中，常弱化灌溉水的影響，灌溉水與氮素在土壤結(jié)構(gòu)變化中發(fā)揮的作用尚不明晰。【擬解決的關(guān)鍵問題】因此，開展灌溉和施氮水平對土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)和土壤碳的影響研究，為土壤服務(wù)性能的改善提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗在河南新鄉(xiāng)（35°14′N，113°76′E）中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院七里營綜合試驗基地進(jìn)行。該地區(qū)年平均氣溫14 ℃，年日照時間2 399 h，年均降雨量582 mm。研究區(qū)主要種植模式為冬小麥-夏玉米輪作，土壤類型為潮土，試驗在小麥季開展，試驗期間總降雨量為120.10 mm，灌溉3次，充分灌溉區(qū)的灌水定額為75.00 mm，非充分灌溉區(qū)的灌水定額為52.50 mm（圖1）。

圖1 2019—2020小麥生長季的降雨量、灌水及平均氣溫情況Fig.1 Rainfall,irrigation and average temperature of wheat growing season in 2019—2020

1.2 試驗設(shè)計

冬小麥品種為“周麥22”，于2019年10月17日足墑播種，2020年6月3日收獲。由于施氮和灌溉是農(nóng)田土壤結(jié)構(gòu)和土壤質(zhì)量的關(guān)鍵影響因素，在水資源緊缺、節(jié)水成為灌溉農(nóng)業(yè)普遍選擇的現(xiàn)狀下，為了探明非充分灌溉和施氮對土壤團(tuán)聚體組成和碳固持的影響，基于以往研究中廣泛認(rèn)可的適宜氮肥量和灌水定額[14‐16]，設(shè)置本試驗的灌溉和施氮處理。試驗設(shè)置施氮（180 kg/hm2，N180）和不施氮（N0，CK）2個氮素水平，充分灌溉（F，CK）和非充分灌溉（S：70%充分灌溉）2個灌溉水平，共4個處理，每個處理3次重復(fù)。小區(qū)面積為10 m×5 m，12個小區(qū)隨機(jī)排列。灌水處理在小麥返青后開始，灌水方式為畦灌。氮肥（尿素，含氮量46%）分2次施入，基追比為50%∶50%，在拔節(jié)期追肥。播前基施K2SO4210 kg/hm2和P2O5103 kg/hm2。

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1 土壤樣品采集

小麥?zhǔn)斋@時，每小區(qū)按“S”型取6 份原狀土土樣。每個點取樣深度至30cm，分0～10、10～20 cm 和20～30 cm 取樣。將土壤樣品沿自然斷裂縫隙掰成不同大小的土塊，除去植物殘體及礫石，風(fēng)干后進(jìn)行土壤團(tuán)聚體的測定。

1.3.2 土壤團(tuán)聚體測定

團(tuán)聚體分級采用薩維諾夫法[17]。土壤團(tuán)聚體機(jī)械穩(wěn)定性測定：稱取500 g 風(fēng)干土置于一組不同孔徑（0.25～5.0 mm）土壤篩的頂部，進(jìn)行干篩 5 min，分離出直徑≥5.0、3.0～5.0、2.0～3.0、1.0～2.0、0.5～1.0、0.25～0.5 mm 以及直徑＜0.25 mm 的土壤團(tuán)聚體，分別稱質(zhì)量，計算各級干篩團(tuán)聚體占土樣總量的百分率。

土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)定性測定：由干篩法獲取各粒級土壤團(tuán)聚體，按比例配成50 g 風(fēng)干土樣。按孔徑大小排序套篩，放置于振蕩架上，并置于水桶中。調(diào)整桶內(nèi)水面高度，使水面處于最上層篩底部與土壤面之間震蕩。將配好的土樣放入最大孔徑的篩子中，靜止5 min，然后上下振蕩3 min，振幅3 cm，頻率50 次/min。將各個篩子中的土壤洗出，在50℃下烘干、稱質(zhì)量，即得到各粒級的土壤團(tuán)聚體質(zhì)量[18]。

1.3.3 土壤有機(jī)碳量測定

土壤有機(jī)碳采用高溫外加熱重鉻酸鉀氧化-容量法測定，平行測定誤差≤0.05%[19]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

能夠反映土壤團(tuán)聚體組成或結(jié)構(gòu)的主要特征參數(shù)包括水穩(wěn)性大團(tuán)聚體占比（R0.25）、幾何平均直徑（GWD）、平均質(zhì)量直徑（MWD）和分形維數(shù)（D）。不同粒級土壤團(tuán)聚體與有機(jī)碳結(jié)合，對土壤碳的固持和礦化速度影響不同，可導(dǎo)致有機(jī)碳功能和結(jié)構(gòu)的不同[20]，常將粒徑≥0.25 mm 的團(tuán)聚體稱為大團(tuán)聚體，其在團(tuán)聚體中的占比用R0.25表示，R0.25是土壤團(tuán)聚體的定量評價指標(biāo)，可以表征土壤疏松度、透氣性等土壤結(jié)構(gòu)性能和抗蝕性[21]。土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的分布狀態(tài)由GWD和MWD來反映，其值可以表征土壤團(tuán)聚體的粒徑團(tuán)聚度、穩(wěn)定性和抗蝕性[22]，土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)具有分形特征，細(xì)粒量高，代表其分形維數(shù)大，當(dāng)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)得到改善時，分形維數(shù)會降低，土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)能夠客觀反映土壤團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性[23]。MWD、GWD、D用于表示土壤中團(tuán)聚體的穩(wěn)定程度，其計算方法為[19]：

式中：MWD、GWD、D分別為團(tuán)聚體的幾何平均直徑（mm）、平均質(zhì)量直徑（mm）、分形維數(shù)；Wi為第i粒級的團(tuán)聚體質(zhì)量（g）；w為團(tuán)聚體濕篩后所有粒級的質(zhì)量（g）；ri為濕篩后第i粒級團(tuán)聚體的平均直徑（mm）；dmax為濕篩后的最大粒級；diˉ為濕篩后某一粒級團(tuán)聚體的平均直徑（mm）；W（r≥diˉ）為粒級＜diˉ的團(tuán)聚體質(zhì)量；R0.25為≥0.25mm 的土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體量（%）；δ為粒級；n為≥0.25mm 粒級的分級數(shù)，本研究為7。

數(shù)據(jù)結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式表示；利用DPS 軟件（DPS V18.10）進(jìn)行差異顯著性分析（P＜0.05），多重檢驗采用最小顯著極差法（LSD）。

2 結(jié)果與分析

2.1 灌溉和施氮對土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)定性的影響

由表1可知，土壤團(tuán)聚體的粒級組成因施氮和灌溉水平而存在差異，各處理的R0.25都在53.77%以上，表明耕層土壤中以大團(tuán)聚體為主。非充分灌溉條件下，適量施氮（SN180）會顯著提高水穩(wěn)性大團(tuán)聚體量，使R0.25提高了12.20%（P＜0.05）；與充分灌溉相比，非充分灌溉降低了水穩(wěn)性大團(tuán)聚體量；各處理的土壤團(tuán)聚體機(jī)械穩(wěn)定性無明顯差異（表1）。方差分析表明，灌溉及其與氮素交互作用顯著影響水穩(wěn)性大團(tuán)聚體量，團(tuán)聚體機(jī)械穩(wěn)定性不受施氮和灌溉水平的影響。

表1 不同處理的耕層土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)Table 1 Soil aggregate structure in plough layer under different treatment

從團(tuán)聚體的分層特征看，0～20 cm 為水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的主要貢獻(xiàn)層（R0.25≥56.60%）。其中≥5 mm 和0.25～2 mm 大粒徑團(tuán)聚體分別貢獻(xiàn)了20.62%～44.48%和20.02%～40.84%。表明，0～20 cm 為土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)性的主要影響層，灌溉顯著影響土壤團(tuán)聚體組成（表2）。

表2 各處理不同粒徑團(tuán)聚體的土層間分布Table 2 Distribution of soil water-stable aggregates in different soil layers in different treatments

2.2 灌溉和施氮對土壤團(tuán)聚體特征參數(shù)的影響

濕篩下MWD與GMD這2個指標(biāo)更能夠反映土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定程度，相同施氮水平下，非充分灌溉使MWD和GMD減小，分形維數(shù)增大；非充分灌溉下，施氮使MWD、GMD增大，D降低，表明土壤具有較好的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，而施氮對土壤結(jié)構(gòu)的影響因灌溉水平而異，灌溉水平是影響土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的顯著性因素（表3）。R0.25與土壤團(tuán)聚體破壞率存在顯著的負(fù)相關(guān)

關(guān)系，非充分灌溉提高了團(tuán)聚體破壞率（表3）。

表3 不同處理下土壤團(tuán)聚體的特征參數(shù)值比較Table 3 Comparison of characteristic valueof soil aggregates under different treatments

通過土壤團(tuán)聚體機(jī)械穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性對比分析發(fā)現(xiàn)，土壤團(tuán)聚體的破壞主要發(fā)生在≥1 mm 粒級，非充分灌溉使0～20 cm 的土壤團(tuán)聚體破壞率提高，而充分灌溉提高了施氮土壤的團(tuán)聚體破壞率。其中，≥5 mm 團(tuán)聚體破壞率在所有粒級中最高，并受施氮和灌溉交互影響顯著（表4）。團(tuán)聚體破壞率受施氮和灌溉水平的影響，0～20 cm 土層的團(tuán)聚體破壞率占0～30 cm 的66.91%以上，表明越靠上層的土壤團(tuán)聚體機(jī)械穩(wěn)定性越差，并受灌溉水平影響顯著，其中施氮水平顯著影響≥5 mm 團(tuán)聚體的破壞率；同一施氮水平下，非充分灌溉不利于土壤團(tuán)聚體的機(jī)械穩(wěn)定性，而同一灌溉水平下，施氮不利于土壤團(tuán)聚體的機(jī)械穩(wěn)定性；水氮協(xié)同作用顯著影響較大粒徑團(tuán)聚體（≥5 mm）的機(jī)械穩(wěn)定性（0～30 cm）（表4）。

表4 不同施氮和灌溉水平下土壤團(tuán)聚體破壞率Table 4 Destruction rate of soil aggregates under different levels of nitrogenand water %

2.3 灌溉和施氮對土壤有機(jī)碳的影響

相同灌溉水平下，施氮正向影響土壤有機(jī)碳，充分灌溉和非充分灌溉分別使施氮土壤的有機(jī)碳提高9.71%、3.59%；與充分灌溉比較，非充分灌溉分別提高施氮和不施氮土壤有機(jī)碳2.86%和8.94%，非充分灌溉施氮顯著提高土壤有機(jī)碳（圖2）。

圖2 不同水氮處理下土壤有機(jī)碳量Fig.2 Soil organic carbon under water and nitrogen treatment

土壤水分決定氮肥的有效性，而氮肥是土壤氮素的源，土壤碳氮具有耦合效應(yīng)，二者具有相對穩(wěn)定的化學(xué)計量關(guān)系。因此，土壤有機(jī)碳與土壤水氮的關(guān)系能夠間接反映灌溉和施氮水平的農(nóng)田生態(tài)效應(yīng)。由圖3可知，土壤含水率和土壤全氮對土壤有機(jī)碳均存在線性關(guān)系（圖3（a）、圖3（b）），表明土壤水分和土壤氮可能是有機(jī)碳變化的主要解釋因素。由于土壤有機(jī)碳與土壤含水率和土壤全氮的線性關(guān)系都存在截距，并且圖3（a）的截距小于圖3（b），表明土壤氮對土壤有機(jī)碳影響的間接效應(yīng)更大，大于土壤含水率，而土壤含水率的直接效應(yīng)更大，經(jīng)計算，土壤含水率對土壤有機(jī)碳的直接效應(yīng)為6.85±2.47 mg/g，占有機(jī)碳總量的82.82%；土壤全氮的直接貢獻(xiàn)為3.81±1.05 mg/g，占有機(jī)碳總量的比例為46.04%。而土壤有機(jī)碳與水穩(wěn)性大團(tuán)聚體量（R0.25）存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，但水穩(wěn)性大團(tuán)聚體對土壤有機(jī)碳帶來的間接效應(yīng)為正（圖3（c））。

圖3 土壤有機(jī)碳與土壤含水率、土壤全氮及R0.25 的關(guān)系Fig.3 The relationship between soil organic carbon and soil water content,soil total nitrogen and R0.25

3 討論

3.1 灌溉和施氮水平對土壤結(jié)構(gòu)的影響

對于耕作頻繁的華北平原，農(nóng)田用水和施氮管理對土壤結(jié)構(gòu)的影響尤為突出，長期定量施氮引起大團(tuán)聚體（≥5 mm）的水穩(wěn)定性變?nèi)鮗13]，機(jī)械穩(wěn)定性變差，使土壤微團(tuán)聚體分散系數(shù)提高[7]，而短期（≤2a）的施氮管理對團(tuán)聚體水穩(wěn)性和機(jī)械穩(wěn)定性的影響差異并不明顯（表1，表4），這可能由于定量施氮管理對團(tuán)聚體的分化或累積的影響存在時間效應(yīng)。這個效應(yīng)受灌溉水平的影響，非充分灌溉使大團(tuán)聚體（≥5 mm）破壞率明顯提高，并且分化為較小粒級團(tuán)聚體（表4），這可能是引起非充分灌溉下水穩(wěn)性大團(tuán)聚體偏低、微團(tuán)聚體偏高的主要原因，我國干旱半干旱區(qū)土壤的水穩(wěn)性團(tuán)聚體整體粒徑較小[9]，這表明受土壤水驅(qū)動下的土壤團(tuán)聚體構(gòu)成趨勢研究的結(jié)論基本一致。

3.2 灌溉和施氮對土壤有機(jī)碳的影響

我國華北平原0～20 cm 土壤有機(jī)碳儲量逐年降低，長期的水肥精細(xì)管理造成溫室氣體排放增加，導(dǎo)致該地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)處于持續(xù)碳損失狀態(tài)[25]。由于表層是肥料和秸稈聚集最集中的土層，干燥高溫、灌溉濕潤以及土壤蒸發(fā)等都使表層土壤碳處于不穩(wěn)定狀態(tài)，這使得0～20 cm 土壤碳儲量受水肥管理的約束性更強(qiáng)，存在更大的不確定性。非充分灌溉提高了作物生產(chǎn)力，從而導(dǎo)致土壤中更大的碳輸入；而充分灌溉土壤可能刺激微生物活動[26-27]，從而促進(jìn)碳礦化[28]，導(dǎo)致土壤碳的損失，作物生產(chǎn)和微生物呼吸對有機(jī)碳的累積起到相反的作用方向，當(dāng)其中某種效應(yīng)表現(xiàn)更強(qiáng)時，土壤產(chǎn)生碳固存增加或碳排放。非充分灌溉提高了施氮作物的產(chǎn)量和生物量（圖4），顯著促進(jìn)了土壤有機(jī)碳量（圖2），因此，作物生產(chǎn)力對土壤碳的累積效應(yīng)可能超過了碳損失效應(yīng)，使得非充分灌溉施氮土壤的碳量顯著增加，這與相關(guān)研究結(jié)論一致[26-27]。

圖4 不同處理的小麥產(chǎn)量和生物量Fig.4 Wheat yieldand biomassunder different treatment

土壤團(tuán)聚體是容納大量有機(jī)物質(zhì)的微生境，對土壤養(yǎng)分動態(tài)具有重要的調(diào)節(jié)功能[29]。土壤有機(jī)碳量與大團(tuán)聚體的穩(wěn)定性直接相關(guān)，并主要分布于大團(tuán)聚體中[18,30]，本研究中，土壤有機(jī)碳與水穩(wěn)性大團(tuán)聚體量（R0.25）具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，這可能由于施氮促進(jìn)土壤有機(jī)碳增加（圖2），但同時也改變了不同團(tuán)聚體對土壤微生物與作物間的作用，土壤大團(tuán)聚體破壞使其中的有機(jī)物質(zhì)暴露，加速了土壤碳損失[31]，而與之相比，較強(qiáng)的物理保護(hù)以及真菌和酶活性優(yōu)勢使微團(tuán)聚體中的有機(jī)碳更加穩(wěn)定[32-33]，這可能是引起本研究結(jié)果的主要原因。土壤有機(jī)碳固存的增加，能夠增強(qiáng)土壤顆粒膠結(jié)作用，進(jìn)而提高土壤保水性能[7]，使土壤有機(jī)碳隨土壤水分的增加呈正效應(yīng)（圖3（a）），對土壤持水結(jié)構(gòu)和作物生長都有利，這進(jìn)一步強(qiáng)化了作物-土壤間的聯(lián)系，對區(qū)域農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的健康評估具有重要的理論意義。

4 結(jié)論

1）灌溉對土壤大團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)影響顯著，非充分灌溉降低了土壤大團(tuán)聚體（≥0.25 mm）量，但顯著增強(qiáng)了施氮土壤的大團(tuán)聚體水穩(wěn)性。灌溉和施氮對土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的影響具有交互效應(yīng)。

2）非充分灌溉減弱了土壤團(tuán)聚體的機(jī)械穩(wěn)定性，提高了土壤團(tuán)聚體的機(jī)械破壞率。

3）非充分灌溉能夠提升小麥生產(chǎn)能力，顯著促進(jìn)施氮土壤的碳儲量增加。