减氮覆膜对黄土旱塬土壤团聚体及其有机碳分布的影响

高健永，刘 菲，王楚涵，张慧芳，曹寒冰,2，李廷亮，洪坚平，孟会生，谢钧宇,2

（1.山西农业大学资源环境学院，山西太谷 030801；2.土壤环境与养分资源山西省重点实验室，山西太原 030031）

团聚体是土壤结构的基本单元，团聚体的分布比例和稳定性是表征土壤物理质量的重要指标[1]。一般用平均质量直径（MWD） 和几何平均直径（GMD）来表征团聚体结构的稳定性[2]。土壤有机碳（SOC）是团聚体形成中起主要作用的胶结物质，能够促进团粒结构的形成，同时团聚体的物理保护作用能减少微生物对SOC 的接触和分解，进而减少SOC 的损失[3-4]，二者关系紧密，相互作用。施肥、改变土地利用方式、耕作都会影响土壤团聚体及其有机碳的分布，且以施肥和地膜覆盖对其影响最大[5]。有研究表明，大量施用氮肥在增加作物产量的同时，也会导致土壤酸化，造成土地板结，破坏土壤结构[6]。因此，探究合理的减氮覆膜处理对于改善土壤结构、提升土壤质量、促进农业可持续发展具有重要意义。

目前，有关减氮覆膜处理对土壤团聚体分布比例和稳定性的影响已有一些报道[7-12]，但研究结果不尽相同。冯夕[7]研究发现，减施氮肥能显著提高紫色土＞2 mm 粒径团聚体的分布比例，但显著降低了0～10 cm 土层的MWD 值，而对0～10 cm 土层的GMD 值无显著影响。高会议等[8]研究认为，减施氮肥对黑垆土＞0.25 mm 粒径团聚体的分布比例无显著影响。还有研究表明[9]，减施氮肥能显著提高塿土0～10 cm 土层的MWD 和GWD 值。此外，冯夕[7]和司鹏飞[10]研究发现，地膜覆盖均能显著提高紫色土和石灰性褐土＞2 mm 粒径团聚体的分布比例和MWD 值，而对黑垆土＞2 mm 粒径团聚体的分布比例无显著影响[11]。施肥和覆膜处理下团聚体中有机碳含量的变化也存在显著差异，李伟等[9]研究表明，减施氮肥显著降低了塿土0.25～2.00 mm 团聚体中的有机碳含量；而吕欣欣等[5]研究发现，覆膜条件下SOC 主要固存在棕壤＞0.25 mm 粒径团聚体中；还有研究报道[11]，覆膜显著提高了0～10 cm 土层黑垆土各粒径团聚体中有机碳含量（除0.25～0.50 mm 粒径团聚体外）。由此可见，施肥和覆膜处理对不同土壤类型团聚体的分布比例和稳定性的影响不一致，各粒径团聚体对有机碳的固存机制也存在差异，这可能与土壤本身的性质、肥料用量以及种植方式不同有关。因此，有必要对特定区域土壤进行系统的研究。

黄土旱塬是我国西北地区的主要粮食产区之一，该地区土壤结构的稳定性不仅关系到土壤肥力的提升，还会影响我国的粮食安全[12]。地膜覆盖具有增温保湿的作用，能够提高作物对养分和水分的吸收能力，因此，对粮食增产至关重要。此外，地膜覆盖还能减少干湿交替的强度，改变有机碳的输入和输出，影响各粒径团聚体中有机碳的再分配[13-14]。目前，有关施肥和覆膜处理下黄土旱塬的研究大多基于土壤理化性状和有机碳组分[15-16]，而从团聚体的角度探究黄土旱塬土壤物理结构的变化以及有机碳的固存机制鲜见报道。

本研究以7 a 旱地农田土壤为研究对象，分析减氮覆膜对土壤团聚体及粉黏粒组分的分布特征及其有机碳含量的影响，旨在探明该地区土壤团聚体对有机碳的固存机制，为该区域制定科学健康的农田管理措施提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验地位于山西省洪洞县刘家垣镇东梁村（36°22′N，111°35′E），于2012 年开始试验。该地区属于温带季风气候，海拔648 m，年平均气温12.6 ℃，无霜期180～210 d，年均降雨量约500 mm。土壤类型为石灰性褐土。2012 年播前耕层土壤基础理化性状如表1 所示。

表1 2012 年播前耕层土壤（0～20 cm）基础理化性状

1.2 试验材料

供试冬小麦品种为晋麦47 号。

1.3 试验设计

试验共设4 个处理，分别为：农户施肥模式（农户模式，FP）、减氮测控施肥模式（测控施肥，MF）、减氮测控施肥＋垄膜沟播模式（垄膜沟播，RF）和减氮测控施肥＋平膜穴播模式（平膜穴播，FH），不同处理的种植方式如表2 所示。每个处理重复3 次，采用随机区组排列，由于地块大小原因，小区面积为210～520 m2。试验中施用的肥料为尿素（含N 46%）、过磷酸钙（含P2O511%）和氯化钾（含K2O 60%），均作底肥均匀施入土壤，翻入耕层后耙平。小麦播种量为150 kg/hm2，各处理肥料施用情况如表3 所示。

表2 不同处理的种植方式

表3 不同处理的养分用量 kg/hm2

试验于2018 年10 月初进行播种，2019 年6 月初进行收获，6—9 月为夏闲期，冬小麦在整个生育期不灌溉。2019 年收获后耕层土壤基础理化性状如表4 所示。

表4 2019 年收获后耕层土壤（0～20 cm）基础理化性状

1.4 样品采集及指标分析

于2019 年6 月初小麦收获前，采用定制环刀（高10 cm、直径10 cm）在4 个试验小区多点采集0～20 cm 土层非扰动的原状土，土样混合均匀后放入硬质塑料盒，运输过程中避免挤压，以保持原状结构。在实验室将土壤样品沿其结构、自然缝隙轻轻掰成小土块，过8 mm 筛，并剔除根茬、小石子和动物残体，在阴凉干燥处风干后，储存，供团聚体分级使用。

同时，小麦收获后，采用多点采样法利用土钻（高20 cm、直径2.5 cm）采集0～20 cm 土层土壤样品，混合均匀后带回实验室，剔除动植物残体、石块等肉眼可见杂物，经自然风干后，分别过0.15、1.00 mm 筛用于测定土壤基本理化性状。

水稳性团聚体和粉黏粒组分采用ELLIOTT[17]提出的湿筛法分离。首先取200 g 过8 mm 筛的原状土进行干筛，分别得到＞2.000、0.250～2.000、0.053～0.250 mm 粒径的团聚体和＜0.053 mm 的粉黏粒组分；根据每个粒径的比例，称取50 g 土样置于2 mm 筛上，同时下面放置0.250、0.053 mm 孔径的筛子，按从大到小的顺序摆放，然后缓缓地将整套筛子放在装满2/3 蒸馏水的桶中心（注意不要磕碰桶内壁），浸泡5 min，上下振荡5 min（振幅为3 cm），振荡完毕后，将各个筛子中的土样用蒸馏水分别洗入已知质量的铝盒中，于50 ℃烘至恒质量，冷却后称质量，即可得到＞2.000、0.250～2.000、0.053～0.250 mm 粒径的团聚体和＜0.053 mm 的粉黏粒组分。

土壤pH 的测定采用电位法[3]（水土比为2.5∶1）；土壤有机碳和各粒径团聚体中的有机碳含量均采用重铬酸钾- 容量法测定[18]；土壤全氮含量采用半微量开氏法测定[18]；有效磷含量采用NaHCO3浸提，钼锑抗比色法测定[18]；速效钾含量采用NH4OAc浸提，火焰光度法测定[18]。

1.5 数据处理与统计分析

采用Excel 2010 进行数据处理；采用SPSS 19.0进行单因素方差分析，采用LSD 法进行多重比较；采用Origin 2018 软件绘图；使用Canoco 5.0 软件进行冗余分析。

式中，Wi表示第i 个粒径团聚体质量占总质量的百分比（%）；Xi表示第i 个粒径团聚体的平均直径（mm）。

2 结果与分析

2.1 减氮覆膜对土壤有机碳含量的影响

从图1 可以看出，长期进行减氮覆膜显著影响了0～20 cm 土层土壤有机碳（SOC）含量，与农户施肥（FP）相比，垄膜沟播（RF）对SOC 含量无显著影响，测控施肥（MF）显著降低了SOC 含量（P＜0.05），降低了12.2%，而平膜穴播（FH）显著提高了SOC含量（P＜0.05），提高了8.4%；与MF 处理相比，RF和FH 处理均显著提高了SOC 含量（P＜0.05），增幅达9.5%～21.7%，且以FH 处理的增幅最明显。综上可知，FH 处理对于提高SOC 含量最有效。

2.2 减氮覆膜对土壤团聚体及粉黏粒组分的分布比例及稳定性的影响

由表5 可知，减氮覆膜处理显著影响了土壤团聚体及粉黏粒组分的分布比例和稳定性，FP、MF、RF 和FH 处理均以0.250～2.000 mm 粒径团聚体的分布比例最大，介于49.49%～69.10%；其次是＞2.000 mm 和0.053～0.250 mm 粒径团聚体，占比分别为15.02%～27.91%和9.98%～17.42%；以粉黏粒组分（＜0.053 mm）占比最小，仅为5.28%～7.73%。与FP 处理相比，RF 处理显著降低了＞2.000 mm 粒径团聚体的分布比例（P＜0.05），降低了40.8%；MF和RF 处理均显著提高了0.250～2.000 mm 粒径团聚体的分布比例（P＜0.05），增幅为21.7%～39.6%，却显著降低了＜0.053 mm 组分的分布比例（P＜0.05），降幅为17.3%～31.7%；各处理均显著降低了0.053～0.250 mm 粒径团聚体的分布比例（P＜0.05），降幅为40.0%～42.7%。

表5 减氮覆膜对团聚体及粉黏粒组分的分布比例及稳定性的影响

MWD 和GMD 值通常是用来反映土壤团聚体的稳定性。与FP 处理相比，MF 和FH 处理均显著提高了MWD 值（P＜0.05），增幅为8.3%～10.1%；各处理均显著提高了GMD 值（P＜0.05），增幅为15.0%～23.8%，以FH 处理的提高效果最明显。

由 此 可 见，MF、RF 和FH 处 理 下 大 团 聚 体（0.250～2.000 mm）的数量呈增加趋势，同时微团聚体（0.053～0.250 mm）和粉黏粒组分（＜0.053 mm）数量呈减少趋势，其中，FH 处理是提高该土壤团聚体稳定性最有效的措施。

2.3 减氮覆膜对土壤团聚体及粉黏粒组分中有机碳含量的影响

从表6 可以看出，减氮覆膜处理在一定程度上影响了土壤团聚体及粉黏粒组分中的有机碳含量，就不同粒径团聚体及粉黏粒组分而言，大团聚体（＞2.000 mm 和0.250～2.000 mm）中有机碳含量高于微团聚体（0.053～0.25 mm）和粉黏粒组分（＜0.053 mm）（MF 处理除外）。与FP 处理相比，仅MF处理显著降低了0.053～0.25 mm 粒径团聚体中有机碳含量（P＜0.05），降低了13.6%，其余处理对各粒径团聚体及粉黏粒组分中有机碳含量无显著影响；与MF 处理相比，FH 处理显著提高了＞2.000、0.250～2.000、0.053～0.250 mm 粒径团聚体中有机碳含量（P＜0.05），分别提高了17.2%、13.9%和17.5%。由此可见，FH 处理对于提高大团聚体和微团聚体中有机碳含量的效果最明显。

表6 减氮覆膜对土壤团聚体及粉黏粒组分中有机碳含量的影响 g/kg

2.4 减氮覆膜对土壤团聚体及粉黏粒组分有机碳富集因子的影响

减氮覆膜处理在一定程度上影响了各粒径团聚体及粉黏粒组分的有机碳富集因子（EC 值），总体来看，各处理（MF 处理除外）以0.250～2.000 mm粒径团聚体的EC 值最高，而0.053～0.250 mm 粒径团聚体的EC 值最低（表7）。与FP 处理相比，仅MF 处理显著提高了＜0.053 mm 组分的EC 值（P＜0.05），提高了22.0%；与MF 处理相比，RF 和FH 处理均显著降低了＜0.053 mm 组分的EC 值（P＜0.05），分别降低了15.0%和22.0%，而对其他粒径团聚体的EC 值无显著影响。

表7 减氮覆膜对团聚体及粉黏粒组分有机碳富集因子的影响

2.5 各粒径团聚体及粉黏粒组分中有机碳对土壤有机碳的贡献

以土壤团聚体和粉黏粒组分中有机碳含量作为影响SOC 含量变化的因子进行冗余分析，结果表明（图2），团聚体和粉黏粒组分中有机碳含量对SOC 含量变化的总体解释率为81.1%，仅0.250～2.000 mm 粒径团聚体和0.053～0.250 mm 粒径团聚体中有机碳含量对SOC 含量的影响达到了显著水平（P＜0.05），其解释率分别为62.8%和14.5%，0.250～2.000 mm 粒径团聚体中有机碳含量对SOC含量的贡献最大，其次是0.053～0.250 mm 粒径团聚体。

3 讨论

3.1 减氮覆膜对土壤有机碳含量的影响

土壤有机碳（SOC）是表征土壤肥力高低的一个关键指标，是作物高产稳产的先决条件[20]。本研究结果表明，与农户施肥（FP）相比，测控施肥（MF）显著降低了SOC 含量，而平膜穴播（FH）显著提高了SOC 含量。这与王兴龙等[21]在紫色土上的研究结果一致，减氮处理显著降低了SOC 含量。这可能是因为在MF 处理下，氮磷钾养分均衡施入，但没有外源有机碳的投入，仅依靠作物残茬的还田量还不足以弥补有机碳矿化的损失量，进而降低了SOC含量[22]；另外，还可能是由于小麦生长对养分的需求，加速了有机质的矿化，从而降低了有机碳的累积[21]。但是李顺等[16]研究发现，MF 处理对SOC 浓度无显著影响，可能是因为该试验仅进行了5 a 试验，而本试验长达7 a，其养分投入量和秸秆还田量的不同，导致了研究结果之间的差异。

付鑫等[11]研究表明，覆膜能显著提高黑垆土SOC 含量，与本研究结果一致。但李明[23]研究认为，覆膜显著降低了黑麻土SOC 含量，这是因为该试验中秸秆不还田，而本试验中小麦收获后秸秆全部翻压还田，进而增加了有机物料的投入；且覆膜有增温保墒的作用，改善了微生物的生存环境，加速了秸秆的分解转化，从而提高了SOC 含量[16]。

3.2 减氮覆膜对土壤团聚体及粉黏粒组分的分布比例和稳定性的影响

土壤结构是影响土壤肥力和作物产量的主要因素，团聚体作为土壤结构的基本单元，在维持土壤肥力、调节土壤通气性和保水性以及减缓土壤侵蚀等方面具有重要作用[24]。本研究结果表明，与FP处理相比，MF、RF 和FH 处理下大团聚体（0.250～2.000 mm）的数量呈增加趋势，而微团聚体（0.053～0.250 mm）和粉黏粒组分（＜0.053 mm）数量减少。这与王欢等[25]、刘秀等[14]的研究结果一致，地膜覆盖下黑垆土和石灰性褐土大团聚体的数量呈增加趋势。这是因为地膜覆盖具有保墒增温的作用，为微生物的生长与繁殖创造了适宜的环境，从而加速了有机质的分解，土壤微团聚体和粉黏粒组分在有机质的胶结作用下，进一步转化形成大团聚体[25]。

通常，平均质量直径（MWD）和几何平均直径（GWD）是评价土壤团聚体稳定性的重要指标。土壤结构越好，稳定性越强，即MWD 和GMD 值越大[26-27]。本研究结果表明，与FP 处理相比，MF、RF 和FH 处理均显著提高了GWD 值，且MF 和FH 处理还显著提高了MWD 值。这与李伟等[9]在塿土上的研究结果一致，减氮处理能显著提高0～10 cm 土层土壤MWD 和GWD 值。因为减量施氮可以防止土壤酸化，为微生物的生长和繁殖提供充足的能源，进而增加土壤多糖以及球囊霉素相关土壤蛋白等有机胶结物质的含量[28-29]，促进了大团聚体（＞0.250 mm）的形成，从而提高了团聚体稳定性。此外，前人在黑垆土和石灰性褐土上研究也发现，覆膜能显著提高0～10 cm 土层土壤团聚体稳定性[11，14]。这是因为地膜覆盖能够减少水分的蒸发，促进作物对土壤水分和养分的吸收利用，提高作物产量，进而增加根系残茬和秸秆的还田量，秸秆腐解时产生的高分子化合物能够形成有机胶体，与土壤粉黏粒相结合，提高团聚体稳定性[11，15]。

3.3 减氮覆膜对土壤团聚体及粉黏粒组分中有机碳固存的影响

土壤有机碳（SOC）是团聚体形成中起主要作用的有机胶结物质，与团聚体相互作用紧密，且表层土壤的有机碳主要固存在团聚体中[30]。本研究结果表明，与FP 处理相比，MF 处理显著降低了0.053～0.250 mm 粒径团聚体中有机碳含量；与MF处理相比，FH 处理显著提高了大团聚体（＞0.250 mm）和微团聚体（0.053～0.250 mm）中有机碳含量，而对粉黏粒组分（＜0.053 mm）中有机碳含量无显著影响。有机碳主要固存于0.250～2.000 mm 粒径团聚体中，且该粒径团聚体中有机碳含量对SOC含量的变化起主要贡献作用。与本研究结果相似，冯夕[7]研究也发现，减氮处理显著降低了紫色土微团聚体（0.053～0.250 mm）中有机碳含量。因为MF处理下，养分平衡施入，微生物活性增强，增加了其分泌物和代谢产物，促进了微团聚体向大团聚体的转化，进而减少了微团聚体对有机碳的固存[28-31]。此外，司鹏飞[10]也研究发现，覆膜处理下0.250～2.000 mm 粒径团聚体中有机碳对石灰性褐土SOC贡献最大。这可能是因为覆膜处理下作物产量相对较高，进而导致秸秆还田量和植物残体碳的输入量增加，从而提高了SOC 含量[16]，土壤中新输入的有机碳一般先与土壤微团聚体结合，然后通过团聚作用被大团聚体结合而固持起来[32]。而覆膜处理对粉黏粒组分（＜0.053 mm）中有机碳含量无显著影响，说明该组分有机碳含量已经接近或达到饱和，这与KOOL 等[33]提出的土壤有机碳的等级饱和模型相一致，即随着外源碳投入量的增加，从最小粒径到最大粒径的团聚体依次达到饱和，最终土壤碳库达到饱和。

4 结论

连续7 a 进行减氮覆膜显著影响了团聚体的分布比例和稳定性以及团聚体中的有机碳含量。本研究结果表明，与农户施肥（FP）处理相比，测控施肥（MF）处理显著降低了土壤有机碳（SOC）含量，而平膜穴播（FH）处理显著提高了SOC 含量，增幅为8.4%。MF 和垄膜沟播（RF）处理均显著提高了0.250～2.000 mm 粒径团聚体的分布比例，而显著降低了粉黏粒组分（＜0.053 mm）的分布比例，此外，各处理均显著降低了0.053～0.250 mm 粒径团聚体的分布比例，但是均显著提高了团聚体稳定性（RF 处理除外），且以平膜穴播（FH）处理效果最明显。由此可见，平膜穴播对于提高该区域土壤有机碳含量和结构稳定性效果最明显，且该区域土壤有机碳固存主要受0.250～2.000 mm 粒径团聚体的影响。