長期施用氮肥對麥玉輪作體系土壤水穩(wěn)性團聚體和有機碳的影響

何 冰，劉 璐，魏 靜，孫志梅，馬文奇

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河北 保定 071000）

土壤團聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，不同粒徑土壤團聚體在養(yǎng)分的供給、保持和轉(zhuǎn)化等方面發(fā)揮著不同的作用［1］。土壤有機碳是促進團聚體形成的重要膠結(jié)物質(zhì)，二者互為基礎(chǔ)，共同存在［2］。土壤團聚體通過保護土壤有機碳不被礦化，在保持土壤肥力和土壤結(jié)構(gòu)方面發(fā)揮著重要作用。土壤團聚體穩(wěn)定性是土壤結(jié)構(gòu)形成、退化和穩(wěn)定的重要指標(biāo)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中無機肥料的長期不科學(xué)施用增加了土壤結(jié)構(gòu)退化的風(fēng)險，也導(dǎo)致了資源利用效率的降低和碳排放的增加［3］。因此，施肥技術(shù)的優(yōu)化對于改善土壤結(jié)構(gòu)，提升土壤肥力，提高土壤碳固存具有重要意義。

施肥不僅是保障作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的必要手段，同時也通過對土壤團聚體的粒徑分布和有機的研究表明碳含量等的影響而影響土壤的肥力性質(zhì)。王飛等［4］研究表明36 年施肥后黃泥田土壤以＞2 mm 和0.5 ～2 mm 粒徑團聚體為主。劉恩科等［2］通過長期定位試驗研究表明，氮磷鉀配施秸稈還田增加了褐潮土＞2 mm 和0.25 mm 粒徑團聚體含量，同時也促進了這2 個粒徑有機碳的富集。陳曉芬［5］、高會議等［6］研究表明土壤有機碳與＞5 mm、2 ～5 mm 團聚體含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與＜0.25 mm 團聚體含量呈極顯著負相關(guān)。在采煤塌陷區(qū)單施有機肥、有機無機配施處理下復(fù)墾土壤水穩(wěn)性團聚體主要分布在0.053 ～0.25 mm 粒徑，且該粒徑下團聚體有機碳含量也高于其他粒徑［7］。由此可見，施肥措施、土壤質(zhì)地等都會影響土壤團聚體粒徑分布以及有機碳含量。此外，土壤團聚體穩(wěn)定性對改善土壤肥力也至關(guān)重要。平均重量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）和分形維數(shù)（D）是表征土壤團聚體穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。MWD 越高，則表示大團聚體的含量越高；GMD 值越大，代表團聚體越穩(wěn)定；D 值越小則代表土壤的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)性越好［8］。Guo 等［3］研究表明中國紅壤長期施用無機肥后增加土壤團聚體穩(wěn)定性；Tian 等［9］指出生物炭配施氮肥可有效改善土壤結(jié)構(gòu)，并在減氮條件下提高大團聚體有機碳含量。但當(dāng)前研究主要集中在化肥配施有機肥及有機物料的投入對土壤團聚體及其有機碳含量影響方面［10-11］，而關(guān)于氮肥長期施用對土壤團聚體粒徑分布及團聚體有機碳含量的影響仍需深入研究。

華北平原是我國重要的糧食生產(chǎn)基地之一，農(nóng)作物耕作面積和糧食產(chǎn)量分別占全國的31%和36%［12］。為實現(xiàn)作物增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，施用氮肥是提高單位面積產(chǎn)量最有效措施之一［13］。統(tǒng)計表明該地區(qū)每年氮肥投入量約為588 kg /hm2，遠高于其他國家施肥量［14］，而高強度的氮肥投入給生態(tài)環(huán)境和土壤質(zhì)量造成了一系列的負面影響。因此，本文依托于長期麥玉輪作定位試驗，探討不同氮肥施用量下土壤水穩(wěn)性團聚體的分布組成，以及不同粒徑下土壤有機碳含量的響應(yīng)變化，從團聚體的角度分析施用化肥對土壤結(jié)構(gòu)及土壤肥力的影響，以期為化肥合理施用和土壤固碳減排提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

長期定位試驗位于河北省保定市清苑區(qū)（E115°54′，N38°77′），地處暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫12 ℃，年均日照時間2 500 h，年均降水量為550 mm，無霜期165 ～210 d。供試土壤類型為潮壤土。該地區(qū)以小麥—玉米輪作為主要種植模式，試驗起始于2010 年，初使耕層土壤基本理化性狀為：有機質(zhì)16.0 g/kg，全氮0.8g/kg，有效磷13.2 mg/kg，速效鉀96.7 mg/kg，pH 值8.3。

1.2 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)5 個施肥處理，分別為不施氮肥（N0），100 kg N/hm2（N100），180 kg N/hm2（N180），255 kg N/hm2（N255），330 kg N/hm2（N330），每個處理重復(fù)3 次，共15 個試驗小區(qū)，小區(qū)面積44 m2（5.5 m×8 m），隨機區(qū)組排列。試驗田小麥、玉米輪作，兩季各處理氮肥施用總量相同，玉米季按照基追比4∶6 施用（大喇叭口期追肥），小麥季基追比按4∶5∶1（追肥在拔節(jié)期和揚花期進行）施用。玉米季各處理磷（P2O5）和鉀（K2O）施用量相同，分別為90 和120 kg/hm2；小麥季各處理磷（P2O5）和鉀（K2O）施用量分別為150 和120 kg/hm2，全部作為基肥于播種前一次性施入土壤。供試玉米品種為‘鄭單958’，小麥品種為‘濟麥22’，玉米和小麥收獲后秸稈全部還田。供試肥料氮肥為尿素（N 46%），磷肥為過磷酸鈣（P2O512%），鉀肥為氯化鉀（K2O 60%）。

1.3 樣品采集與測定

樣品采集：2021 年（即試驗開始后的第12 年）玉米收獲后采集土壤樣品。每個小區(qū)隨機采集3 個田間原狀耕層土樣，置于硬質(zhì)塑料盒，帶回實驗室后自然風(fēng)干，用于土壤團聚體的測定。

土壤團聚體組成采用濕篩法測定［15］。將團聚體分析儀篩網(wǎng)依次按照2、0.5、0.25 和0.053 mm組裝后，將風(fēng)干土壤樣品置于頂部篩網(wǎng)，沿桶壁緩慢加入蒸餾水（避免蒸餾水直接沖澆土樣從而導(dǎo)致人為破壞團聚體組成）直至沒過土壤樣品，浸泡潤濕5 min，再以30 次/min 頻率、3 cm 振動幅度震蕩15 min。振蕩結(jié)束后將土壤和分散液分別轉(zhuǎn)移至對應(yīng)鋁盒，烘干稱重，收集各粒徑土壤樣品。

各粒級水穩(wěn)性土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀氧化法測定［16］。

1.4 相關(guān)參數(shù)計算

土壤團聚體平均重量直徑（MWD），幾何平均直徑（GMD）和分型維數(shù)（D）的計算方法如下：

其中，Xi為第i粒級團聚體平均直徑，Wi為第i粒級團聚體重量所占比重，W(δ＜)表示粒徑小于的團聚體重量，wt為土壤團聚體總質(zhì)量，Wmax為團聚體的最大粒徑。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法

使用Excel 2016 進行試驗數(shù)據(jù)處理，使用SPSS 26 軟件進行不同處理間的方差分析，并使用LSD法進行顯著性檢驗（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氮肥施用量對水穩(wěn)性團聚體分布的影響

由圖1 可知，不同氮肥施用水平土壤水穩(wěn)性團聚體含量隨粒徑的減小而降低。以＞2 mm 粒徑團聚體占比最高（36.5%～40.7%），顯著高于其他粒徑；＜0.053 mm 粒徑粉黏粒團聚體含量最低（8.9% ～12.9%）。N100，N180，N255 和N330處理水穩(wěn)性團聚體含量＞2 mm 粒徑較N0 處理分別顯著提高了8.6%、11.5%、10.3% 和8.8%；而N330 處理＞2 mm 粒徑團聚體比重低于N180 和N255 處理，差異不顯著。0.5 ～2 mm 粒徑N330 處理較N0 處理顯著提高了19.8%，但與各施氮處理間差異不顯著。施氮與否對＜0.053 mm 粒徑的團聚體影響不大?？傮w來看，增施氮肥主要增加了土壤水穩(wěn)性大團聚體比重（＞2 mm，0.5 ～2 mm）。

2.2 不同氮肥施用量對水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性的影響

由表1 可以看出，施用氮肥處理較N0 顯著提高了土壤團聚體平均重量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）。其中N100、N180、N255 和N330 處理MWD 值較N0 處理分別顯著提高了7.1%、8.3%、8.8%和9.1%；GMD 值較N0 處理分別顯著提高了14.7%、14.9%、16.8%和17.7%，但各施肥處理間差異不顯著。而團聚體分型維數(shù)（D）則表現(xiàn)為以不施氮肥處理最高，施用氮肥處理降低的趨勢。

表1 不同氮肥處理水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性指標(biāo)Table 1 Stability of soil water-stable aggregates under different N fertilization treatments

2.3 不同氮肥施用量對水穩(wěn)性團聚體有機碳含量的影響

由表2 可知，不同氮肥施用水平土壤有機碳含量表現(xiàn)出了大團聚體高于微團聚體的趨勢，其中以0.5 ～2 mm 粒徑有機碳含量最高，為14.8 ～16.0 g /kg，顯著高于0.5 mm 以下粒徑有機碳含量，＞2 mm 粒徑有機碳含量次之，顯著高于＜0.25 mm 粒徑有機碳含量。施用氮肥處理（N100、N180、N255 和N330）較N0 處理提高了大團聚體(＞0.5 mm)有機碳含量。其中，在＞2 mm 粒徑團聚體有機碳含量以N180 處理最高，為14.8 g/ kg，較N0 處理顯著提高了8.4%。0.5 ～2 mm 粒徑團聚體有機碳含量以N225 處理最高，較N0 處理顯著提高了8.0%。N330 處理有機碳含量＞2 mm 和0.25 ～2 mm 粒徑盡管和N255 處理差異不顯著，但表現(xiàn)出了降低的趨勢。5 個施氮水平下0.5 mm 以下粒徑團聚體有機碳含量均無顯著差異。

表2 不同氮肥處理水穩(wěn)性團聚體有機碳含量Table 2 Organic carbon content of soil water-stable aggregates under different N fertilization treatments

2.4 土壤團聚體組成、有機碳含量與穩(wěn)定性指數(shù)的關(guān)系

如圖2 所示，土壤穩(wěn)定性指數(shù)MWD 和GMD呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），而MWD 和GMD 則與D 呈顯著負相關(guān)（P＜0.05）。

圖2 土壤穩(wěn)定性指標(biāo)與團聚體含量、團聚體有機碳含量相關(guān)性分析Fig.2 Correlation analysis of soil stability index with aggregate content and the organic carbon content of aggregate

MWD 和GMD 均與＞2 mm 粒徑團聚體和該粒徑團聚體有機碳含量呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）；分型維數(shù)D 則與＞2 mm 和0.5 ～2 mm 粒徑團聚體呈負相關(guān)關(guān)系，與＜0.053 mm 粒徑團聚體和該粒徑有機碳含量呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）。＞2 mm粒徑團聚體有機碳含量與該粒徑團聚體也呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。

3 討論

土壤團聚體是土壤結(jié)構(gòu)形成的重要基礎(chǔ)，也是反映土壤肥力的重要指標(biāo)。鄭梅迎等［17］指出，＞0.25 mm 粒徑團聚體是土壤中最好的結(jié)構(gòu)體，其數(shù)量與土壤肥力狀況呈顯著正相關(guān)關(guān)系；孟慶英等［18］在東北地區(qū)的研究表明，優(yōu)化施肥處理對于提高＞0.25 mm 粒徑團聚體比重效果最為顯著。本研究同樣表明，華北農(nóng)田麥玉輪作土壤以＞2 mm 粒徑水穩(wěn)性大團聚體為主，其次是0.25 ～2 mm 團聚體。這可能是由于本研究區(qū)玉米小麥秸稈全部還田，秸稈中的多糖、蛋白質(zhì)、木質(zhì)素等膠結(jié)物質(zhì)促進了水穩(wěn)性微團聚體向大團聚體的合成［6］。Six 等［19］提出的胚胎發(fā)育模型理論認為新鮮有機物能夠促進大團聚體形成，大團聚體內(nèi)的顆粒有機物則有助于形成微團聚體，大團聚體破碎后再將微團聚體釋放出來。而氮肥的長期施用同樣有助于提高＞2 mm和0.5 ～2 mm 粒徑水穩(wěn)性大團聚體的比重，降低＜0.25 mm 微團聚體比重。這可能是因為施用氮肥后增加了土壤碳氮輸入量，促進了作物生長，增加了作物根系分泌物等新鮮有機物的輸入；同時刺激了土壤微生物的種群數(shù)量及活性［20］，這些均有助于增加土壤膠結(jié)物質(zhì)，進而促進大團聚體的形成。而有研究則表明，施用氮肥后提高了＜0.053 mm 粒徑的水穩(wěn)性團聚體含量，降低了水穩(wěn)性大團聚體含量［21］。造成這種結(jié)果差異的原因在很大程度上是由不同研究中所選樣地的土壤質(zhì)地、基礎(chǔ)營養(yǎng)等因素造成的。

本研究中施用氮肥后（N100、N180、N255 和N330）土壤團聚體平均重量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）均顯著高于不施氮肥處理（N0）；分型維數(shù)（D）則與之相反，與Dou 等［22］研究結(jié)果一致。由此可見長期施用氮肥對土壤結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生顯著的破壞作用。而有研究指出施用氮肥顯著降低土壤穩(wěn)定性［23］，這可能是由于土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性還會受土地管理方式和溫度等因素影響［24］。長期免耕有利于提高土壤團聚體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性［25］；而土壤溫度的升高可能也會導(dǎo)致團聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低［26］。此外相關(guān)性分析表明，MWD 和GMD 與＞2 mm 粒徑水穩(wěn)性團聚體含量呈極顯著相關(guān)關(guān)系，表明該粒徑團聚體含量越高，土壤團聚體水穩(wěn)性越強，土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。

土壤有機碳與團聚體密不可分，提高土壤有機碳含量有利于土壤結(jié)構(gòu)形成和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的增強。當(dāng)前研究表明，有機肥配施無機肥［27］、秸稈還田或添加生物炭［24］和保護性耕作［28］均能提高土壤大團聚體（＞0.25 mm）有機碳含量，從而提高土壤團聚體穩(wěn)定性。本研究表明，不同氮肥施用量下土壤大團聚體有機碳含量同樣高于微團聚體有機碳含量，其中＞2 mm 和0.5 ～2 mm 粒徑與微團聚體有機碳含量差異顯著，與魏艷春［29］和Adnan 等［30］研究結(jié)果一致。這可能是由于施用化肥后促進作物地下部生長，作物根系及其分泌物和真菌菌絲等粘結(jié)形成大團聚，從物理上保護大團聚體有機碳不被分解，進而增加大團聚體有機碳含量［31］；此外，土壤大團聚體較微團聚體對有機碳的吸收能力更強，從而增加了有機碳含量［32］。N255 處理較N0 處理顯著提高了＞2 mm 和0.5 ～2 mm 粒徑土壤團聚體有機碳含量，這可能是由于該處理增加了作物根茬和根系分泌物，進而增加了大團聚體有機碳含量。而長期過量施氮可能會增加土壤激發(fā)效應(yīng)，進而降低土壤有機碳含量，本研究同樣表明N330 處理＞2 mm 和0.25 ～2 mm 粒徑有機碳含量低于N255處理。當(dāng)前施用氮肥對土壤團聚體有機碳的影響主要表現(xiàn)為增加［33］或者無顯著影響［34］，這可能是因為土壤類型，區(qū)域氣候和作物類型等原因都會對土壤團聚體的形成及有機碳含量產(chǎn)生影響。相關(guān)性分析表明，＞2 mm 粒徑有機碳含量與該粒徑團聚體比重、MWD 和GMD 均呈正顯著相關(guān)關(guān)系，說明該粒徑土壤團聚體可能受土壤中有機碳的膠結(jié)作用影響，此外也表明水穩(wěn)性大團聚體是儲存有機碳的主要場所，符合Six 提出的大團聚體對土壤有機碳具有較好的保護作用的理論［35］。

4 結(jié)論

華北農(nóng)田麥玉輪作土壤水穩(wěn)性大團聚體含量和大團聚體有機碳含量均高于微團聚體。施用氮肥處理（N100、N180、N255 和N330）較不施肥處理顯著提高了＞2 mm 團聚體比重、團聚體平均重量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）。N255處理較N0 處理顯著提高土壤了＞2 mm 和0.5 ～2 mm 粒徑團聚體有機碳含量。而過量施肥（N330處理）降低了＞2 mm 團聚體比重及有機碳含量。＞2 mm 粒徑有機碳含量與該粒徑團聚體比重，MWD 和GMD 均呈正顯著相關(guān)關(guān)系，表明適量施用氮肥可以增加＞2 mm 粒徑水穩(wěn)性大團聚體分布和該粒徑有機碳含量，且不會明顯破壞土壤結(jié)構(gòu)。