不同施肥模式下设施菜田土壤团聚体养分和微生物量特征

荣勤雷，李若楠，黄绍文，周春火，唐继伟，王丽英，张彦才

（1 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业农村部植物营养与肥料重点实验室，北京 100081；2 河北省农林科学院农业资源环境研究所，石家庄 050051；3 江西农业大学国土资源与环境学院，南昌 330045）

近些年来我国设施蔬菜发展迅速，从1980年的面积不足0.7万hm2，目前已达386.8万hm2，产值占蔬菜总产值的50%以上，已成为许多地区的支柱产业，具有良好的社会和经济效益[1]。目前，设施蔬菜生产中普遍存在着化肥施用严重超量、化肥与有机肥配施模式不够合理等现象，由此导致了设施蔬菜土壤有机质降低、次生盐渍化等一系列问题，严重地威胁了设施蔬菜生产的可持续发展[2-3]。土壤团聚体是矿物质、有机质和生物质相互作用在特定条件下的组合，团聚体的复杂多相结构影响了土壤水分、养分保持及其供应的调控能力[4]，对维持土壤质量发挥着关键的作用。因此，深入了解不同土壤培肥措施下设施菜地土壤团聚体中养分和微生物量碳氮等分布规律就显得十分重要。

目前，国内外有关施肥措施对设施菜田土壤养分和微生物量碳氮影响的研究已有较多报道，但主要以土体为研究对象。王文锋等[5]研究有机肥和秸秆替代化肥模式对设施菜田土壤微生物量碳氮影响的结果表明，配施秸秆模式土壤微生物量碳、氮含量相对较高，较单施化肥模式平均分别增加61.4%～86.9%和78.2%～109%；在等氮钾养分投入下5年8茬的设施番茄-甜椒田间轮作试验结果显示，不同沼肥和化肥配施各处理氮素盈余和0—180 cm土层土壤全氮含量随沼肥施用比例增加而差异不显著，但磷素盈余随沼肥施用比例增加而显著增加[6]；研究减量施磷对温室菜地土壤磷素影响的结果指出，当减量施磷较农民常规施磷量减少61.1%，3年磷素盈余量减少71.0%～77.3%，0—20 cm土层Olsen-P含量下降18.6%～43.5%，同时产量可以保持在中高水平且不降低[7]。但由于不同粒级的团聚体在营养元素的供给转化等方面发挥着不同的作用[8]，明确土壤养分在团聚体中的分布及储量十分必要。然而，设施蔬菜栽培处于缺少雨水淋洗、温度高、湿度大、通气较差的特殊生态环境，再加上长期相对较高的集约化程度、复种指数和肥料投入[9-10]，使设施菜地土壤团聚体中的养分转化具有不同于其他种植模式的特点。但目前对设施菜地土壤团聚体中养分及微生物量碳氮的分布状况还缺乏较为全面的了解。因此，本研究利用开始于2009年8月的日光温室定位试验，在第6年冬春茬黄瓜季采取耕层土壤样品，探究设施菜地有机肥/秸秆替代化肥模式对土壤团聚体分布，团聚体中养分和微生物量碳、氮含量的影响。从而深入了解在设施栽培条件下有机肥/秸秆替代化肥对土壤团聚体结构稳定性和养分变化特征的影响，为推动设施蔬菜优质高效生产和减量施用化肥提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本定位试验位于河北省农林科学院大河试验站，供试日光温室建于2009年5月，温室长为48 m、宽为8 m (含0.5 m通道)。供试土壤为石灰性褐土 (粘壤质)。定位试验起始时间为2009年8月，栽培制度为冬春茬黄瓜-秋冬茬番茄轮作，定位试验开始前，0—20 cm土壤容重1.35 g/cm3、电导率185.4 μS/cm、pH 8.0、有机质9.1 g/kg、硝态氮18.3 mg/kg、速效磷6.2 mg/kg、速效钾98.2 mg/kg。供试黄瓜品种为博美11号 (Cucumis sativusL. cv. Bomei 11)，番茄品种为金鹏11号 (Lycopersicum esculentumMill. cv. Jinpeng 11)。

1.2 试验设计

定位试验共设5个处理，根据施用氮肥的差异分为：1) 全部施用化肥氮 (4/4CN)；2) 3/4化肥氮 +1/4猪粪氮 (3/4CN + 1/4MN)；3) 2/4化肥氮 + 2/4猪粪氮 (2/4CN + 2/4MN)；4) 2/4化肥氮 + 1/4猪粪氮 +1/4秸秆氮 (2/4CN + 1/4MN + 1/4SN)；5) 2/4化肥氮 +2/4秸秆氮 (2/4CN + 2/4SN)。冬春茬黄瓜施用的N、P2O5和K2O总量分别为600、300和525 kg/hm2，秋冬茬番茄施用的N、P2O5和K2O总量分别为450、225和600 kg/hm2。使用化肥补齐各处理所需氮磷钾投入量，使所有处理等氮等磷等钾。试验为随机区组设计，每个处理3次重复，小区面积为14.4 m2(宽2.4 m × 长6 m)。每小区种植黄瓜或番茄4行，每行20株，行距0.60 m，株距0.30 m。小区间用PVC板间隔 (深度105 cm，其中100 cm地下，5 cm地上，厚度4 mm)，防止小区之间养分和水分的横向迁移。

在设施蔬菜定植前，各处理全部猪粪、20%化学氮肥、100%化学磷肥、40%化学钾肥均匀撒施后旋耕入土，作物秸秆切碎后翻耕。在冬春茬黄瓜季，余下80%氮肥和60%钾肥分成10次，根据作物的养分需求规律随灌溉追施。在秋冬茬番茄季，余下80%氮肥和60%钾肥分成4次分别在第1～4穗果膨大期 (直径达3～4 cm) 随灌溉追施。

定位试验所施用氮肥为尿素 (含N 46%)，磷肥为过磷酸钙 (含P2O516%)，钾肥为硫酸钾 (含K2O 51%)。所用商品猪粪含水量 (33.2 ± 4.5)%，N、P2O5、K2O 和 C 含量分别为 (1.65 ± 0.13)%、(1.33 ±0.12)%、(1.02 ± 0.12)% 和 (123.7 ± 6.8) g/kg (鲜基)；所用玉米秸秆含水量 (13.7 ± 1.6) %，N、P2O5、K2O和C含量分别为 (0.74 ± 0.08)%、(0.20 ±0.03)%、(1.19 ± 0.22)% 和 (352.0 ± 12.3) g/kg (鲜基)。

1.3 土壤样品采集及测定方法

在定位试验第6年冬春茬黄瓜季拉秧期采取0—20 cm耕层土壤样品。土壤团聚体样品取样方法是每个小区行间挖取多个0—20 cm原状土柱 (5 cm ×10 cm × 20 cm)，用小刀削去土柱外部在挖取过程中因接触土铲扰动部分的土壤，土柱分别储存在硬质塑料盒中，以确保在运输过程中不受挤压、保持土壤原有结构。将盛有新鲜土样硬质塑料盒置于冰盒中迅速运至实验室处理。

土壤团聚体分级方法采用湿土壤干筛，以减少对团聚体与微生物群落分布和活动之间原位连接的破坏[11-12]。主要步骤为：将经过剔除石砾、植物残根等杂物预处理的新鲜土壤样品在低温下风干至100 g/kg的重量含水量，混合均匀后，将大块土壤掰开后过5 mm筛备用；每次称取100 g低温下风干过筛的土壤样品，置于套筛 (2 mm、1 mm、0.25 mm) 的最上层，将套筛固定到土壤干筛仪上筛分 (DM185，上海德码信息科技有限公司)；土壤干筛仪振幅1.5 cm，筛分时间 1 min，频率30次/min。筛分后收集每级土壤筛上面的团聚体，可以得到以下几个级别：〈 250 μm (microaggregates and silt and clay fractions，MSC)；250～1000 μm (small macroaggregates，SA)；1000～2000 μm (macroaggregates，MA)；〉2000 μm (large macroaggregates，LA)[13]。将各筛上的团聚体分别收集至铝盒中在60℃下烘干，用于计算团聚体分布、平均重量直径 (MWD) 和平均几何直径(GMD)。重复这一步骤多次，以收集足够测试的土壤团聚体样品。将各级团聚体分取一部分风干，用于测定土壤理化性质；剩余的另一部分鲜样用于测定土壤团聚体中微生物量碳、氮 (MBC和MBN)。

土壤理化性质测定参考土壤农业化学分析的相关方法[14]，具体方法为：土壤各粒级团聚体中有机碳含量采用重铬酸钾-浓硫酸氧化 (外加热法) 测定；全氮采用凯氏法消煮半微量滴定法测定；速效磷采用NaHCO3(0.5 mol/L) 浸提—钼锑抗比色法测定；速效钾采用NH4OAc (1 mol/L) 浸提—原子吸收分光光度计测定。土壤硝态氮采用2 mol/L氯化钾溶液浸提—双波长紫外分光光度法测定[15]。土壤微生物量碳、氮采用氯仿熏蒸—硫酸钾浸提方法测定[16-17]。土壤未分组前4/4CN、3/4CN + 1/4MN、2/4CN + 2/4MN、2/4CN + 1/4MN + 1/4SN和2/4CN + 2/4SN处理土壤微生物量碳，氮分别为：110.01 ± 14.04、26.20 ±4.16；116.53 ± 10.75、33.14 ± 3.42；139.30 ± 13.90、38.59 ± 3.57；192.16 ± 15.82、43.90 ± 2.64；235.96 ±15.86、55.41 ± 3.88 mg/kg。

团聚体对土壤碳氮的贡献率 = (该级团聚体中碳氮含量 × 该级团聚体的百分含量)/全土中碳氮含量 ×100%[18]。

1.4 数据处理

采用Excel 2007对试验数据进行整理。方差分析采用SAS 9.1统计软件进行。

2 结果与分析

2.1 有机肥/秸秆替代化肥模式对设施蔬菜土壤团聚体分布和稳定性的影响

从图1可以看出，有机肥/秸秆替代化肥模式影响不同粒级团聚体的分布。有机肥/秸秆替代化肥模式 250～1000 μm 团聚体和 〉 2000 μm 团聚体含量较高，而 〈 250 μm 团聚体和 1000～2000 μm 团聚体含量相对较低，其中以配施秸秆模式变异相对较大，差异显著 (P〈 0.05)。设施菜田土壤主要以 〉 2000 μm团聚体为主，〈 250 μm团聚体比例最低。每100 g 土壤中，〈 250 μm 团聚体、250～1000 μm 团聚体、1000～2000 μm 团聚体和 〉 2000 μm 团聚体的含量分别平均为7.6、32.0、22.0和38.4 g，不同粒径团聚体所占比例之间呈显著差异 (P〈 0.05)。

图1 不同施肥模式下土壤中不同粒径团聚体的分布Fig. 1 The distribution of soil aggregate-size fractions under different fertilization modes

较4/4CN模式，有机肥/秸秆替代化肥模式(3/4CN + 1/4MN、2/4CN + 2/4MN、2/4CN + 1/4MN +1/4SN、2/4CN + 2/4SN) 250～1000 μm 和 〉 2000 μm粒级团聚体分别平均增加7.0%和3.0%；与配施猪粪模式 (3/4CN + 1/4MN、2/4CN + 2/4MN) 相比，配施秸秆模式 (2/4CN + 1/4MN + 1/4SN、2/4CN +2/4SN) 250～1000 μm 和 〉 2000 μm 粒级团聚体分别平均增加7.3%和4.6%。对于 〈 250 μm和1000～2000 μm粒级团聚体，有机肥/秸秆替代化肥模式(3/4CN + 1/4MN、2/4CN + 2/4MN、2/4CN + 1/4MN +1/4SN、2/4CN + 2/4SN) 较 4/4CN 模式，〈 250 μm 和1000～2000 μm粒级团聚体分别平均降低20.9%和6.7%；与配施猪粪模式 (3/4CN + 1/4MN、2/4CN +2/4MN) 相比，配施秸秆模式 (2/4CN + 1/4MN +1/4SN、2/4CN + 2/4SN) 〈 250 μm 和 1000～2000 μm粒级团聚体分别平均降低36.0%和4.5%。

大团聚 (〉 250 μm的团聚体) 的比例可以用来评价土壤团聚体质量，提高大团聚体比例有助于增加土壤团聚体的稳定性。图1表明，有机肥/秸秆替代化肥模式提高大团聚体 (〉 250 μm团聚体) 的比例，降低小团聚体 (〈 250 μm团聚体) 的比例。与4/4CN模式相比，有机肥/秸秆替代化肥模式 (3/4CN +1/4MN、2/4CN + 2/4MN、2/4CN + 1/4MN + 1/4SN、2/4CN + 2/4SN) 〈 250 μm 团聚体含量减少0.3%～45.7%，平均减少20.9%。平均重量直径(MWD) 和平均几何直径 (GMD) 是表征土壤团聚体分布状况的常用指标。如图2所示，从土壤团聚体的MWD值和GMD值可以看出，与4/4CN模式相比，两种配施秸秆模式 (2/4CN+1/4MN+1/4SN、2/4CN+2/4SN) 团聚体的MWD值和GMD值均显著提高 (P〈 0.05)，分别平均提高6.1%和11.2%；而两种配施猪粪模式 (3/4CN+1/4MN、2/4CN+2/4MN) 中仅2/4CN+2/4MN模式MWD值和GMD值显著增加(P〈 0.05)，较4/4CN模式平均增加2.0%和2.6%。

图2 不同施肥模式下土壤团聚体平均重量直径和几何平均直径Fig. 2 Mean weight diameter(MWD) and geometric mean diameter(GMD) of the soil aggregates under different ferilization modes

2.2 有机肥/秸秆替代化肥模式对设施蔬菜土壤团聚体中养分含量的影响

不同施肥模式显著影响土壤团聚体中养分的分布。有机肥/秸秆替代化肥模式提高土壤有机碳、全氮、硝态氮、速效磷含量，但速效钾含量有所降低。如表1所示，在土壤各粒级团聚体中，均以配施秸秆模式土壤有机碳、全氮、硝态氮、速效磷含量相对较高，差异显著 (P〈 0.05)。对于土壤有机碳在 〈 250 μm、250～1000μm、1000～2000 μm 和 〉2000 μm团聚体中分布，与4/4CN模式相比，有机肥/秸秆替代化肥模式 (3/4CN + 1/4MN、2/4CN +2/4MN、2/4CN + 1/4MN + 1/4SN、2/4CN + 2/4SN) 土壤有机碳含量分别增加36.8%～89.6%、34.9%～100.3%、29.5%～69.2%和21.7%～72.1%，分别平均增加69.8%、76.6%、56.9%和49.2%；与配施猪粪模式 (3/4CN + 1/4MN、2/4CN + 2/4MN) 相比，配施秸秆模式 (2/4CN + 1/4MN + 1/4SN、2/4CN + 2/4SN)土壤有机碳含量分别增加13.9%～38.6%、8.1%～48.5%、4.1%～30.7%和15.2%～41.4%，分别平均增加25.1%、25.5%、15.9%和27.4%。不同施肥模式对有机碳、全氮、硝态氮、速效磷的影响规律基本一致。但有机肥/秸秆替代化肥模式显著降低土壤速效钾含量，其中以配施秸秆模式土壤速效钾含量相对较低。在 〈 250 μm、250～1000 μm、1000～2000 μm和 〉 2000 μm团聚体中，与4/4CN模式相比，有机肥/秸秆替代化肥模式 (3/4CN + 1/4MN、2/4CN +2/4MN、2/4CN + 1/4MN + 1/4SN、2/4CN + 2/4SN) 土壤速效钾含量分别降低7.9%～35.2%、8.4%～34.6%、7.5%～31.0%和10.5%～37.9%，分别平均降低19.6%、21.9%、17.2%和21.0%。

表1 有机肥/秸秆替代化肥模式对土壤各粒级团聚体中养分的影响Table 1 Effects of different partial substitution of chemical fertilizer with organic amendments on soil nutrients in the soil of different aggregate-size fractions

土壤团聚体粒级大小显著影响团聚体中养分的分布。从表1可以看出，250～1000 μm、1000～2000 μm团聚体中有机碳、全氮、硝态氮含量显著高于 〈 250 μm 和 〉 2000 μm 团聚体 (P〈 0.05)。不同施肥模式土壤各粒级团聚体中速效磷含量均表现为随土壤团聚体直径的增大而降低。〈 250 μm和250～1000 μm团聚体中速效磷的含量显著高于1000～2000 μm 和 〉 2000 μm 团聚体 (P〈 0.05)。土壤速效钾含量均表现为随土壤团聚体直径的增大而提高，并且 250～1000 μm、1000～2000 μm 和 〉 2000 μm 团聚体中土壤速效钾含量显著高于 〈 250 μm团聚体(P〈 0.05)。

土壤团聚体是有机碳最主要的储存场所，从图3可以看出，土壤有机碳、全氮主要分布在250～1000 μm团聚体和 〉 2000 μm团聚体中，平均分别贡献了土壤有机碳的34.1%、34.0%和全氮的35.2%、36.4%，并显著高于其它粒级团聚体 (P〈 0.05)。土壤不同粒级团聚体对土壤总有机碳和全氮储量的贡献由大到小顺序依次为 〉 2000 μm、250～1000 μm、1000～2000 μm 团聚体和 〈 250 μm 团聚体，这与土壤不同粒级团聚体的分布规律相一致。

图3 不同施肥模式下各粒级团聚体对土壤总有机碳和全氮储量的贡献Fig. 3 Contributing rates of different soil aggregates to SOC and TN of soil under different fertilization modes

2.3 有机肥/秸秆替代化肥模式对设施蔬菜土壤团聚体微生物量碳氮的影响

不同施肥模式显著影响土壤团聚体中微生物量碳的分布。从图4可以看出，在各粒级团聚体中，有机肥/秸秆替代化肥模式均显著提高土壤微生物量碳含量，其中以配施秸秆模式土壤微生物量碳含量相对较高。较4/4CN模式和配施猪粪模式 (3/4CN +1/4MN、2/4CN + 2/4MN)，配施秸秆模式 (2/4CN +1/4MN + 1/4SN、2/4CN + 2/4SN) 在各粒级团聚体中微生物量碳含量均显著增加 (P〈 0.05) (除 〉 2000 μm 团聚体)。在 〈 250 μm、250～1000 μm、1000～2000 μm 和 〉 2000 μm 团聚体中，与 4/4CN 模式相比，有机肥/秸秆替代化肥模式 (3/4CN + 1/4MN、2/4CN + 2/4MN、2/4CN + 1/4MN + 1/4SN、2/4CN +2/4SN) 土壤微生物量碳含量分别增加9.6%～117.7%、4.8%～141.4%、10.8%～143.0%和10.1%～62.3%，分别平均增加63.6%、67.5%、69.0%和35.9%；与配施猪粪模式 (3/4CN + 1/4MN、2/4CN +2/4MN) 相比，配施秸秆模式 (2/4CN + 1/4MN +1/4SN、2/4CN + 2/4SN) 土壤微生物量碳含量分别增加70.2%～98.6%、50.8%～130.4%、44.0%～119.3%和6.9%～47.4%，分别平均增加83.7%、86.5%、78.4%和25.4%。

土壤团聚体直径大小对团聚体中微生物量碳的分布有显著影响 (图4)，不同施肥模式土壤微生物量碳含量均表现为随土壤团聚体直径的增大而降低。在 〈 250 μm、250～1000 μm、1000～2000 μm 和 〉2000 μm团聚体中，土壤微生物量碳的含量分别平均为196.9、171.6、159.3和128.7 mg/kg。从整体上看，土壤不同粒级团聚体之间微生物量碳含量差异显著 (P〈 0.05)。不同施肥模式土壤微生物量碳含量在团聚体中的分布有所差异 (图4)。4/4CN模式和配施猪粪模式 (3/4CN + 1/4MN、2/4CN + 2/4MN) 土壤微生物量碳含量最高出现在 〈 250 μm团聚体中，并且显著高于其他粒级土壤团聚体 (P〈 0.05)。配施秸秆模式 (2/4CN + 1/4MN + 1/4SN、2/4CN + 2/4SN) 土壤微生物量碳含量在 〉 2000 μm团聚体中最低。

图4 不同施肥模式对土壤不同粒级团聚体中微生物量碳、氮含量的影响Fig. 4 Effects of different fertilization modes on microbial biomass carbon (MBC) and nitrogen (MBN)in different soil aggregate-size fractions

图4显示，不同施肥模式显著影响土壤团聚体中微生物量氮的分布。在各粒级团聚体中，有机肥/秸秆模式均显著提高土壤微生物量氮含量，其中以配施秸秆模式土壤微生物量氮含量相对较高。在 〈250 μm、250～1000 μm、1000～2000 μm 和 〉 2000 μm团聚体中，与4/4CN模式相比，有机肥/秸秆替代化肥模式 (3/4CN + 1/4MN、2/4CN + 2/4MN、2/4CN + 1/4MN + 1/4SN、2/4CN + 2/4SN) 土壤微生物量氮含量分别增加32.2%～116.5%、4.6%～138.3%、9.8%～37.9%和10.2%～61.5%，分别平均增加75.6%、67.1%、67.1%和35.7%；与配施猪粪模式 (3/4CN + 1/4MN、2/4CN + 2/4MN) 相比，配施秸秆模式 (2/4CN + 1/4MN + 1/4SN、2/4CN + 2/4SN)土壤微生物量氮含量分别增加10.0%～63.8%、47.9%～127.7%、43.5%～116.6%和11.2%～46.6%，分别平均增加33.6%、83.3%、76.8%和27.6%。在各级团聚体中，2/4CN + 2/4MN、2/4CN + 1/4MN +1/4SN和2/4CN + 2/4SN模式土壤微生物量氮含量较4/4CN 模式均显著增加 (P〈 0.05)。在 〉 1000～2000 μm和250～1000 μm团聚体中，配施秸秆模式(2/4CN + 1/4MN + 1/4SN、2/4CN + 2/4SN) 土壤微生物量氮含量均显著高于配施猪粪模式 (3/4CN +1/4MN、2/4CN + 2/4MN) (P〈 0.05)。

土壤团聚体粒径大小对团聚体中微生物量氮的分布有显著影响 (图4)，不同施肥模式土壤微生物量氮含量随土壤团聚体直径的增大而降低，土壤不同粒级团聚体之间微生物量氮含量差异显著 (P〈 0.05)。在 〈 250 μm、250～1000 μm、1000～2000 μm 和 〉2000 μm团聚体中，土壤微生物量氮的含量分别平均为53.6、45.0、41.1和31.7 mg/kg。所有施肥模式中均以 〈 250 μm团聚体中微生物量氮含量最高，并且大都显著高于其它级别团聚体中微生物量氮含量，特别是 1000～2000 μm 团聚体和 〉 2000 μm 团聚体。

不同粒级土壤团聚体微生物量碳氮比 (MBC/MBN)的变化见图5。MBC/MBN随土壤团聚体直径增大而增大，不同粒级团聚体之间MBC/MBN差异显著 (P〈0.05)。较 〈 250 μm 团聚体，250～1000 μm、1000～2000 μm 和 〉 2000 μm 团聚体中 MBC/MBN 分别增加7.20%、9.10%和14.82%，但250～1000 μm团聚体和1000～2000 μm团聚体之间MBC/MBN没有显著差异。

3 讨论

3.1 土壤团聚体分布和稳定性

土壤团聚体被认为是评价土壤健康的重要指标之一，其大小和数量能够影响土壤的水、肥、气和热等状况，并与土壤生态功能有密切相关[18-19]。有机质是土壤团聚体的重要胶结剂[20]，因而有机质的数量和性质是影响土壤团聚体形成和稳定性的重要因素[21-22]。研究表明，长期施用有机肥能够提高土壤有机质含量，促进土壤团聚体形成、改善土壤结构[23-26]。

图5 不同粒级团聚体中微生物量碳氮比的变化Fig. 5 Variation of soil microbial biomass carbon (MBC)to soil microbial biomass nitrogen (MBN) ratios across aggregate size

本试验研究结果表明，有机肥/秸秆替代化肥模式提高土壤大团聚体比例，特别是250～1000 μm团聚体和 〉 2000 μm团聚体，而且配施秸秆模式(2/4CN + 1/4MN + 1/4SN、2/4CN + 2/4SN) 对团聚体分布影响较大。这是因为相对于猪粪，秸秆富含大量的木质素、半纤维素、纤维素，并且有机碳含量明显高于猪粪[27]。秸秆施入土壤后所产生的大量有机胶结质，如秸秆分解产生多糖、蛋白质等有机质以及由于微生物活动所形成的腐殖质等，均会对大团聚体的形成及稳定性产生较大影响[28]。配施秸秆可形成更多 〉 250 μm团聚体，有助于增加土壤团聚体机械稳定性和水稳定性[29]。徐国鑫等[30]研究油菜-玉米种植模式下秸秆和生物碳还田效果表明，秸秆还田对于促进土壤团聚作用效果更优。研究稻麦轮作不同秸秆还田年限条件下土壤团聚体稳定性以及有机碳组分的变化特征时显示，秸秆还田条件下指示土壤团聚体稳定性的大团聚体数量R0.25、平均重量直径(MWD) 和平均几何直径 (GMD) 均显著提升，分形维数D则显著降低，并且配施秸秆年限越长趋势越明显[31]。

本研究中，低量有机肥模式 (3/4CN + 1/4MN) 并没有显著提高大团聚体比例和团聚体的稳定性。因为设施蔬菜生产具有相对较高的集约化程度和复种指数，并处于高温、高湿环境，需要经常补充足够数量的有机物料，才能保持良好的土壤条件[32]。因此，为维持设施蔬菜持续稳产高产，一定数量的有机物料投入是必需的。本研究中设施菜田土壤团聚体分布主要以 〉 2000 μm 团聚体和 250～1000 μm 团聚体为主，所占比例平均分别为38.4%和32.0% (图1)。已有采用湿土干筛法的研究表明，对长期不同施肥处理玉米连作的棕壤进行团聚体分级，结果显示棕壤团聚体以250～1000 μm为优势粒级，而 〈 250 μm团聚体含量最少[33]。用湿筛法研究紫云英、秸秆和商品有机肥等有机物料连续5年还田的稻田土壤团聚体分布特征显示，土壤团聚体主要分布在250～2000 μm 与 53～250 μm 两个粒级[34]。对比不同研究结果可以发现土壤团聚体分布情况并不完全一致，这主要是受土壤团聚体分级方法和土壤质地差异较大的影响[35]。另外，农田管理措施 (施肥和耕作等) 也会影响土壤团聚结构[36-37]。

3.2 土壤团聚体中养分变化

研究表明表层土壤中90%左右的有机碳都存在于团聚体中[38]。根据土壤团聚体层次模型理论，土壤团聚形成过程中会产生土壤有机质组分的分异[21]。本试验结果表明，有机肥/秸秆替代化肥模式提高土壤各级团聚体有机碳和全氮的含量。秸秆还田显著提高各土壤团聚体粒级的有机碳含量，研究连续7年秸秆投入对 〉 2000 μm、250～2000 μm、53～250 μm和 〈 53 μm团聚体中SOC含量的影响发现，团聚体中SOC的变化和累计C输入之间存在显著的线性关系 (R2= 0.99，P〈 0.05)[39]。本研究结果也显示，250～1000 μm 和 〉 2000 μm 团聚体具有较高的有机碳氮的贡献率，而团聚体分布也主要以250～1000 μm和 〉 2000 μm团聚体为主。两粒级团聚体总计分别贡献了土壤有机碳、全氮总量的69.3%和70.4%。这主要是因为有机物料投入土壤后，会促进土壤大团聚体的形成，大团聚体有机碳含量相对较多，并且有机碳增加主要表现在大团聚体中[22,33]。

整体看来，有机肥/秸秆替代化肥模式均显著提高土壤速效磷含量，但配施猪粪模式速效磷高于配施秸秆模式。这是因为猪粪含磷较高，而秸秆中全磷含量比较低[40]，配施秸秆模式需要更多化学磷肥投入以保持各处理等量氮磷钾，而磷肥在土壤中容易被土壤固持，降低了土壤中速效磷的含量[41]。另外，研究发现秸秆具有较高的C/P比，秸秆还田后可能会出现有效磷的固定现象[27,42]。Rubk等[43]利用31P核磁共振 (31P-NMR) 技术研究磷在团聚体中的分布，表明总磷含量随团聚体直径降低而增加；文倩等[44]采用干筛法研究获得土壤不同粒级团聚体中速效磷分布，结果显示在小团聚体中土壤速效磷含量较高；用干筛法研究植茶年限对土壤团聚体氮、磷、钾含量的影响也发现，有效磷含量集中在 〈 250 μm团聚体中[45]。这与本研究的结果基本一致，不同施肥模式土壤各粒级团聚体中速效磷含量均表现为随土壤团聚体直径的减小而提高，〈 250 μm和250～1000 μm团聚体中速效磷含量显著高于1000～2000 μm和 〉2000 μm团聚体。造成这个结果的原因可能与土壤磷在土壤中的吸附与解吸、沉淀与溶解及生物固定等转化过程密切相关。

本研究中较单施化肥模式，有机肥/秸秆替代化肥模式降低了土壤速效钾含量，其中以配施秸秆模式土壤速效钾含量相对较低。造成这个结果的原因主要是配施秸秆模式有更高的生物量产出，作物从土壤中吸收更多的钾，另外还与本研究中施肥管理措施有关，单施化肥模式和配施猪粪模式，在后续追肥中有更高的化肥钾投入，钾肥的投入会提高土壤速效钾的含量。研究表明，秸秆中一般含有较多的钾素，而且这些钾素具有较高的有效性，小麦秸秆、玉米秸秆中速效钾约占全钾的70%[46]。当秸秆作为基肥施施入土壤后，明显提高土壤速效钾的水平[27]，但随时间推移和田间水分的变化部分速效钾在与土壤接触过程中被土壤粘粒或晶格吸附转化成缓效钾，因而在后期出现速效钾含量降低现象。本研究中土壤速效钾含量均表现为随土壤团聚体直径的减小而呈降低趋势，250～1000 μm、1000～2000 μm 和 〉 2000 μm 团聚体中速效钾含量显著高于 〈 250 μm团聚体。王双磊等[47]研究棉花秸秆还田对土壤团聚体有机碳及氮磷钾含量的影响也显示，同一土层中，大团聚体 (〉 250 μm团聚体) 之间速效钾含量差异较小；但 〈 250 μm团聚体粒级微团聚体速效钾含量极显著低于其它粒级团聚体。王晟强等[45]的研究结果表明，土壤团聚体中速效钾含量随团聚体直径的减小先升高后降低，大团聚体中有较高的速效钾含量。但也有研究认为，土壤团聚体速效钾含量在不同粒级团聚体间没有显著差异[48]。不同粒级团聚体对速效钾的影响程度的差异有待多年多点试验进一步研究。

3.3 土壤团聚体中微生物量碳氮变化及影响因素

尽管土壤微生物生物量占总土壤有机质 (SOM)的比例几乎可以忽略不计 (1%～3%)，但它对于调节能量流和养分循环发挥着至关重要的作用[49]。土壤微生物量对土地利用方式和农田管理措施等的响应非常敏感，是反映农业生态系统稳定性和养分变化的重要指标[50]。土壤团聚体中微生物量碳和微生物量氮的分布特征可以在一定程度上表征土壤质量的变化。

本研究结果显示，微生物量碳、氮表现出相似的趋势，有机肥/秸秆替代化肥模式提高土壤微生物量碳、氮含量。有机管理 (如施用粪肥，堆肥和秸秆等) 措施可以提高土壤微生物量含量[51-52]。这主要是因为有机肥为土壤微生物提供了丰富碳源、氮源和其它的养分，促进了微生物的生长[53]，并且通过影响团聚体含量分布、土壤孔隙结构等改善了微生物的生境条件[54-55]。本研究中，配施秸秆模式土壤微生物量碳、氮含量高于配施猪粪模式。一般而言，土壤微生物量碳、氮主要取决于输入有机物质的数量和质量。在一定条件下，有机物质输入越多，土壤微生物量就越高。猪粪所含氮素较多，碳氮比例较小，土壤有机碳投入不足；而秸秆具有较高的碳氮比，配施秸秆可以明显提高土壤有机碳含量 (表1)。有研究表明，土壤微生物量碳含量与土壤有机碳呈正相关关系[56]。

本研究中，土壤微生物量碳、氮含量均表现为随土壤团聚体直径的增大而降低。不同施肥模式均以 〈 250 μm团聚体微生物量碳、氮含量最高，并且大都显著高于其它级别团聚体微生物量氮含量，特别是 1000～2000 μm 团聚体和 〉 2000 μm 团聚体。而用湿土干筛法研究生长在第四纪老冲积物发育而成的黄壤茶园土壤团聚体中养分和微生物量分布，结果显示微生物量碳在大团聚体中处于最高水平[57]。但同时也有研究结果表明用湿土干筛法得出微生物量在微团聚体较高[13,58]。这表明，造成微生物量碳、氮在团聚体分布结果差异的原因既有团聚体分级方法差异，也和土壤类型、土地利用方式和农田管理措施等密切相关。MBC/MBN可以反映土壤微生物种类和区系，一般认为，细菌的MBC/MBN范围在3～6，而放线菌和真菌具有更高的MBC/MBN[59]。本试验结果中不同粒级团聚体MBC/MBN在4左右，说明该土壤以细菌为主。

4 结论

1) 设施菜地土壤团聚体优势粒级为 〉 2000 μm团聚体和250～1000 μm团聚体，有机肥/秸秆替代化肥模式提高土壤大团聚体比例，特别是250～1000 μm团聚体和 〉 2000 μm团聚体。配施秸秆模式对土壤团聚体不同粒级分布影响较大，并显著提高土壤团聚体稳定性。

2) 250～1000 μm 和 〉 2000 μm 团聚体中有机碳、全氮储量是土壤有机碳氮的主要来源。土壤硝态氮在250～1000 μm与1000～2000 μm团聚体含量较高，土壤速效钾表现为随土壤团聚体直径的增大而提高，而速效磷则随土壤团聚体直径的增大而降低。有机肥/秸秆替代化肥模式提高土壤各级团聚体有机碳、全氮、硝态氮和速效磷含量。

3) 有机肥/秸秆替代化肥模式提高了土壤微生物量碳、氮含量，其中以配施秸秆模式土壤微生物量碳、氮含量较高。土壤微生物量碳、氮含量呈现出随土壤团聚体直径的减小而增大的趋势。