紫云英还田与氮肥减施对水稻土团聚体中各形态铁锰含量的影响

甘雅芬，徐永昊,3，周富忠，耿明建，黄 丽*

（1 华中农业大学 农业农村部长江中下游耕地保育重点实验室，湖北武汉 430070；2 湖北省利川市土壤肥料工作站，湖北利川 445400；3 山东省农业技术推广中心土壤肥料部，山东济南 250100）

土壤团聚体是土壤结构的基本单元，是评价土壤质量的重要指标，在一定程度上可以反映土壤结构的好坏[1]。土壤长期淹水管理会导致土壤团聚体膨胀裂解，破坏土壤团聚体稳定性，从而降低我国典型的水耕人为水稻土的生产力，危及我国粮食安全和农业经济发展[2–3]。冬闲农田种植豆科绿肥是我国南方稻田土壤培肥的重要措施，在改良土壤结构、提高土壤肥力和资源利用效率方面具有重要意义[4]。

紫云英作为我国南方主要绿肥，可以通过生物固氮、轮作倒茬等方式在化肥农药减量施用方面发挥重要作用，同时也有利于土壤颗粒的团聚、黏结，有效提高土壤团聚体稳定性、改良土壤结构[5–6]。研究表明，紫云英还田配施80%化肥处理显著增加了土壤有机质和全氮含量，增幅达13.1%和12.8%，而且还能增加速效养分的供应[7]。而对土壤结构的研究发现，添加紫云英处理提高了>2 mm团聚体的含量与团聚体的平均重量直径(MWD)[8]。紫云英配施减量化肥对土壤水稳性大团聚体中1～2和0.5～1 mm粒径的形成与稳定有促进作用[9]。

铁锰是土壤中具有显著变价特性的金属元素，化学性质活泼，形态多样，极易受土壤环境的影响[10]。其中，铁锰氧化物是土壤重要的无机胶结物质，对于土壤团聚体稳定性有着重要贡献[11–12]。施肥措施能够改变土壤铁锰形态，最终影响氧化物在土壤团聚体中的胶结作用[13–14]。研究发现，增施有机肥可降低土壤游离氧化铁含量而提高非晶质氧化铁含量[15–16]；紫云英与化肥配施条件下，土壤团聚体中非晶质铁锰含量显著提高7.7%～72.3%[17]。不同形态铁锰氧化物因表面电荷类型、数量的不同以及活性和比表面积等特性的差异，对团聚体稳定性的作用能力也各异[16–17]。研究发现，铁铝氧化物含量与>0.25 mm大团聚体数量及MWD 值显著相关，无定形铁铝氧化物对团聚体稳定性的作用更为显著[18]。而长期施肥条件下土的MWD与游离铁呈显著正相关关系[19]。

目前国内外研究翻压绿肥对土壤养分和作物产量的直接影响较多，但较少报道紫云英还田与氮肥减施对土壤团聚体稳定性和胶结物质的影响。本研究以湖北荆州定位试验的水稻土为对象，研究紫云英还田与氮肥减施条件下土壤团聚体中不同形态铁锰与团聚体稳定性的关系，以揭示紫云英还田下土壤团聚体的稳定性机制，为推动南方水稻种植区绿肥利用和高效生产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

定位试验始于2015年，试验点位于荆州区太湖农场 (30°53′26″N，112°48′56″E)，属于亚热带季风气候，年平均温度17.9℃，年均日照时数1800～2100 h，年均降水量为1055 mm。土壤为长江冲积物发育的水稻土，质地为粉质黏土，黏性较强。供试土壤的pH 7.43、有机碳16.3 g/kg、碱解氮133.4 mg/kg、速效磷 10.6 mg/kg、速效钾 167.0 mg/kg。

1.2 试验设计

采用完全随机区组设计，共设6个处理，3次重复，小区面积20 m2。处理如下：设置不施氮肥(CK)、紫云英种植还田(MV)、60%氮肥(N60%)、100%氮肥(N100%)、紫云英种植还田+60%氮肥(MV+N60%)、紫云英种植还田+100%氮肥(MV+N100%)(表1)。供试水稻品种为黄华占，水稻收获后撒播紫云英(品种为弋江种，播种量30 kg/hm2)，紫云英生长期间各处理均不施肥，在盛花期(4月20日前后)翻压还田，还田量为2200 kg/hm2。水稻季施用氮、磷、钾肥，分别为尿素、过磷酸钙和氯化钾，其养分总投入量分别为 N 165 kg/hm2、P2O560 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2。氮肥的70%作基肥、20%作分蘖肥、10%作粒肥，磷钾肥全部用作基肥。

表1 田间试验设计Table 1 Design of the field experiment

1.3 样品采集与测定

于2019年4月（紫云英盛花期）采集耕层(0—20 cm)土壤样品，每个小区按“S”形采样法采集5个土样，每个土样约1 kg，混合均匀。样品在室内自然风干，当土样含水量为 20% 左右(上塑限)时，沿土体自然结构轻轻掰成小土块，过10 mm筛。剔除其中的石块、根系等杂物。一部分样品分别过0.90、0.25和0.15 mm筛备用，另一部分直接用于测定团聚体粒径分布。

土壤团聚体分级采用干湿筛结合法，主要步骤为：将一定重量的上述风干土样通过孔径依次为5、2、0.25、0.053 mm套筛，计算各级干筛团聚体占土壤总量百分含量，并按干筛的比例配成100 g的风干土样。之后采用Elliott[20]的团聚体湿筛法分离不同粒径的水稳性团聚体，即将干筛配比的土样放置于孔径自上而下为5、2、0.25、0.053 mm套筛之上，在室温条件下先用水浸润10 min，再用团聚体筛分仪竖直上下震荡10 min。筛分结束后，将每层筛子上的团聚体用水分别洗入铝盒中，待澄清后弃去上层清液，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 水稳性团聚体，称重，并计算各级团聚体组成。

不同形态铁锰的提取及测定方法[21]：游离态铁锰采用DCB法(连二亚硫酸钠–柠檬酸钠–重碳酸钠)提取，非晶质铁锰采用酸性草酸铵提取，络合态铁锰采用焦磷酸钠提取，提取液经稀释后用原子吸收光谱仪(AA240FS型原子吸收光谱仪)测定。

1.4 数据处理

平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)、>0.25 mm水稳性团聚体百分含量(WSA)和分形维数(D)可用于表征土壤团聚体稳定性，其计算公式[22]如下：

应用 Excel 2013 和 SPSS 22.0 软件进行统计分析，采用单因素方差分析比较处理间差异，用邓肯(Duncan’s)法检验差异显著性(P<0.05)，采用皮尔森(Pearson)法进行相关性分析，Canoco 5进行冗余分析 (RDA)，Origin 8.0 软件绘图。

2 结果与分析

2.1 土壤团聚体稳定性

不同施肥处理下土壤水稳性团聚体粒径分布具有显著差异，CK处理中<0.053 mm团聚体百分含量最高，而施肥条件下主要以>5 mm粒径团聚体为主(图1)。与CK相比，各施肥处理显著提高了>5 mm团聚体含量，增量为32.6%～97.9%。5～2和2～0.25 mm团聚体在不同施肥处理下差异不显著。0.25～0.053 mm粒径团聚体的含量为4.3%～6.8%，相比于CK，除N60%处理外其余各处理均增加了0.25～0.053 mm团聚体的含量。<0.053 mm粒径团聚体各处理表现为 CK > N60%> MV+N100%> MV > N100%>MV+N60%，与CK处理相比，各施肥处理均降低了<0.053 mm团聚体的含量，降幅为33.3%～80.5%。

图1 不同处理土壤水稳性团聚体的分布Fig.1 Distribution of soil water-stable aggregates under different treatments

水稳性团聚体根据粒径可分为大团聚体(>0.25 mm)和微团聚体(<0.25 mm)。相比于CK处理，各施肥处理均提高了大团聚体含量，降低了微团聚体含量。MV+N60%处理的大团聚体含量最高，其比CK处理增加了49.8%的大团聚体含量，减少了71.0%的微团聚体含量，说明紫云英还田与氮肥减施有利于微团聚体向大团聚体的转化，提高土壤团聚体稳定性。

由表2可知，施肥对土壤团聚体的各项稳定性指标具有显著影响。平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)和>0.25 mm水稳性团聚体(WSA)含量越大，表示团聚体的团聚度越高，其稳定性也越好。稳定性指标大小依次为MV+N60%>N100%>MV+N100%>MV>N60%>CK (表2)。与CK相比，各处理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%处理的土壤团聚体稳定性高于N60%，但低于MV+N60%、MV+N100%处理。紫云英还田提高了团聚体稳定性，其中MV+N60%处理的MWD较CK和MV处理分别提高了76.2%和18.0%。分形维数(D)通常用来反映土壤团粒结构的均匀度，D值越大，表明大团聚体占比越小，土壤孔隙度越小，土壤结构越差。本研究中各处理分形维数(D)表现为CK>N60%>MV>MV+N100%>N100%>MV+N60%，各施肥处理D值较CK降低了4.4%～15.9%，其中MV+N60%处理对比CK下降效果最为显著，降幅为15.9%。

表2 不同处理土壤团聚体稳定性指标Table 2 Stability index of soil aggregate in different treatments

2.2 各形态铁锰含量变化

表3表明，游离铁和游离锰均以CK含量最低，施肥可在一定程度上提高其含量，与CK处理相比，N100%处理的游离铁含量提高12.1%，MV+N60%处理的游离锰含量提高6.5%。单施化肥处理的游离铁含量要高于紫云英还田与化肥配施处理，而紫云英还田对游离锰含量的增加更为明显。与CK相比，紫云英还田各处理(MV、MV+N60%、MV+N100%)均能提高土壤的非晶质铁含量，增幅为0.8%～6.1%。紫云英配施化肥处理(MV+N60%、MV+N100%)相比CK提高了非晶质锰含量，增幅为1.0%～2.3%。络合铁含量为0.74～0.87 g/kg，MV+N60%含量最高。土壤络合铁含量以N60%处理最低，而有机无机肥配施处理土壤络合铁含量相对较高。络合锰含量以MV+N100%处理最高，N100%处理最低。

表3 不同处理土壤各形态铁锰含量Table 3 Contents of different forms of Fe and Mn in soil with different treatments

表4表明，土壤大团聚体(>0.25 mm)的各形态铁锰含量均高于微团聚体(<0.25 mm)。不同形态铁含量在0.42～29.8 g/kg，其中游离铁含量达到26.2～29.8 g/kg。游离铁的含量主要集中在2～0.25 mm团聚体，且不同处理之间具有显著差异。与CK处理相比，紫云英还田(MV、MV+N60%、MV+N100%)均提高了>5、0.25～0.053、<0.053 mm团聚体的游离铁含量，其中MV+N100%处理增幅最高(3.3%～11.1%)。单施化肥提高了土壤各粒径团聚体游离铁含量，以N100%处理含量高于N60%处理，N100%和N60%处理较CK分别增加了3.5%～10.6%和2.2%～5.3%的游离铁含量。土壤团聚体的非晶质铁主要集中在>5、5～2 mm粒径团聚体中，而在0.25～0.053 mm粒径团聚体的含量最低。>5、5～2 mm团聚体中非晶质铁含量分别为 5.83～8.05、6.14～7.09 g/kg，0.25～0.053 mm 团聚体中非晶质铁含量为 5.16～6.39 g/kg；>5 mm团聚体中，CK处理的非晶质铁含量最低，而MV+N60%处理非晶质铁含量显著高于CK处理，其余各粒径团聚体中非晶质铁含量无显著差异。MV+N60%处理在>0.25 mm团聚体中具有较高的非晶质铁含量，说明紫云英还田与氮肥减施有利于增加大团聚体中的非晶质铁。相比游离铁和非晶质铁，络合铁的含量相对更低，且主要分布在>5 mm团聚体中 (0.55～0.84 g/kg)；<0.053 mm 团聚体内含量最低 (0.42～0.59 g/kg)。紫云英还田 (MV、MV+N60%、MV+N100%)更有利于提高土壤大团聚体的络合铁含量，MV+N60%处理除>5和<0.053 mm外的其余粒径团聚体的络合铁含量最高，但与其他处理无显著差异。

表4 不同处理团聚体中各形态铁含量(g/kg)Table 4 Contents of different forms of Fe in soil aggregates of different treatments

团聚体中不同形态锰含量与铁含量的整体变化趋势一致，均为大团聚体中的含量高于微团聚体(表5)。不同形态锰含量在70.6～618 mg/kg之间，游离锰含量达383～666 mg/kg，游离锰主要集中在5～2、2～0.25 mm团聚体，含量分别为438～666和540～675 mg/kg，不同粒径之间游离锰含量不同，>5和<0.053 mm团聚体中游离锰含量多低于其他粒径。绿肥还田(MV、MV+N60%、MV+N100%)相比于单施化肥处理(N60%、N100%)降低了土壤微团聚体(<0.25 mm)中游离锰含量，提高了大团聚体(>0.25 mm)中游离锰含量。与CK处理相比，MV+N60%和MV+N100%处理显著提高了5～2 mm团聚体游离锰含量。除N100%和MV+N60%处理外，非晶质锰在不同粒径团聚体中无显著差异，与CK处理相比，MV处理降低了各粒径的非晶质锰含量，而MV+N100%处理增加了各粒径团聚体中非晶质锰含量，增幅为2.6%～15.7%，且在大团聚体中的增量高于微团聚体。团聚体各粒径络合锰含量差异显著，主要集中在>0.25 mm大团聚体中，以5～2、2～0.25 mm团聚体中络合锰含量最高(99.8～160 mg/kg)，而 0.25～0.053、<0.053 mm 团聚体中络合锰的含量较低(70.6～115 mg/kg)。与CK处理相比，施肥提高了>5 mm团聚体中的络合锰含量，以MV+N100%处理含量最高，较CK增加了30.9%；而在<0.053 mm中，施肥降低了18.8%～38.6%的络合锰含量。

表5 不同处理土壤团聚体中各形态锰含量(mg/kg)Table 5 Contents of different forms of Mn in soil aggregates of different treatments

2.3 各形态铁锰对土壤团聚体稳定性的影响

MWD和GMD与团聚体各形态铁锰含量的相关性表现大体一致，在>5 mm团聚体中，除络合铁和游离锰外，其余形态铁锰含量与MWD显著相关(表6)。其中，游离铁和非晶质铁与MWD和GMD均呈极显著正相关(r=0.659～0.684和r=0.610～0.704)，络合铁与GMD显著相关(r=0.477)。而非晶质锰和络合锰与稳定性指标均显著正相关(r=0.477～0.544)。在5～2 mm团聚体中，非晶质铁、游离锰含量与MWD呈显著正相关(r=0.428～0.531)；2～0.25 mm团聚体中，仅非晶质锰与MWD和GMD呈显著相关，0.25～0.053 mm团聚体中络合锰与MWD和GMD显著相关；在<0.053 mm团聚体，MWD和GMD与络合锰呈极显著负相关(r=–0.598～–0.612)。在团聚体各形态铁锰中，游离铁含量与MWD相关性最高，非晶质铁次之，这表明土壤游离铁和非晶质铁是团聚体稳定和大团聚体形成的关键因素。

表6 MWD和GMD与团聚体各形态铁锰含量的相关性Table 6 Correlations of MWD and GMD with different forms of iron and manganese contents in soil aggregates

经RDA分析(图2)可知，轴1和轴2共同解释土壤团聚体稳定性指标与土壤各形态铁锰含量关系总变异的29.1%，第一轴可解释28.47%变量变化。游离铁与团聚体稳定性的相关性大于其他影响因素，对变异解释率为16.7%。其次是游离锰，解释率为4.8%。非晶质铁和络合铁的解释率大体相等约为3%。游离铁和游离锰相关性高，呈正效应，对于团聚体稳定性有很高的协同作用。

图2 土壤稳定性和各形态铁锰冗余分析(RDA)Fig.2 The redundancy analysis (RDA) of soil stability and the different forms of iron and manganese

3 讨论

紫云英还田与氮肥减施能改变团聚体粒径分布，对于提高土壤团聚体稳定性具有重要作用[23]。本研究中，紫云英与化肥配施相比CK处理显著提高以>5 mm为主的土壤大团聚体百分含量，降低<0.053 mm的土壤微团聚体含量，有利于土壤微团聚体向大团聚体的转化，增加了团聚体的MWD、GMD、WSA 值，降低分形维数，提高了团聚体稳定性。有研究发现，长江中游油麦交错区和黄河口湿地土壤主要以>2 mm团聚体为主，其>2 mm团聚体含量分别为42%～78%和32.0%～54.5%，与本研究结果类似，可能是土壤母质和田间施肥管理综合影响的结果[24–25]。在紫云英和80%化肥配合施用条件下，MWD和GMD相比于CK可分别提高76.7%和10.1%[26]，这与本研究结果相似。可能的原因是紫云英还田能够提高土壤有机质，而有机质是形成大团聚体的主要胶结物质，不仅能够通过固定和吸附机制诱导微团聚体结合[27]，还能够通过自身分解过程中产生的大量黏性分泌物和游离多糖等物质，促进土壤大团聚体的形成[28]。同时，有机质可以提高土壤微生物活性，增加微生物种群，促进菌丝生长及其与微团聚体的相互作用，有利于微团聚体黏结[29]。紫云英还田能促进植物根系的生长发育，通过根系穿插缠绕、产生根系分泌物等方式促进土壤团聚体的形成和稳定[30–31]。本试验中，紫云英还田配施60%氮肥有利于微团聚体向大团聚体的转化，且效果好于紫云英还田配施全量氮肥。MV+N60%处理的土壤大团聚体含量显著高于MV+N100%处理，表明紫云英还田下，高量的氮肥投入不利于大团聚体的形成，也会在一定程度上降低土壤团聚体稳定性。可能的原因是化肥的过度施用会造成土壤结构破坏，而减施氮肥可降低土壤全盐量，土壤团聚体的稳定性随全盐量的降低而增加[32]；MV+N100%处理外源添加的氮肥含量过高，可能会影响微生物的活动，加速有机质(尤其大团聚体中有机质)的矿化分解，从而降低土壤团聚体稳定性[16]。

铁锰氧化物是团聚体重要的无机胶结物质，具有较强的表面活性，其形态和含量受施肥管理、气候、土壤pH等多因素的影响[10,33]。本试验处于亚热带季风区，气温高，降雨量大，水稻生长过程中频繁的干湿交替环境加速土壤风化和淋溶过程，从而影响各形态氧化物之间的转化[33]。本研究中，紫云英还田各处理提高了土壤非晶质铁含量，这与前人减施化肥下紫云英翻压量对氧化物影响的研究结果类似[17]，可能是紫云英还田影响植物根系分泌物以及土壤微生物活性，导致土壤矿物质的释放和活性提高，促进氧化铁的非生物和生物还原作用，使土壤中氧化铁活化[34–35]。施用化肥的处理，土壤游离铁含量都有不同程度的增加，但紫云英的投入相比于单施化肥处理会降低游离铁含量，可能是因为施用有机肥后土壤氧化还原电位降低，导致部分氧化铁被还原的缘故[15]。

供试土壤的游离铁与团聚体平均重量直径和几何平均直径呈显著正相关，表明游离铁是团聚体稳定性的重要影响因素。研究表明，游离态氧化铁可有效吸附在黏粒上形成氧化膜或复合物，使土壤颗粒紧密结合，形成稳固的土壤结构从而提高团聚体稳定性[32,36]。本研究中，非晶质铁和络合铁对土壤团聚体稳定性均有一定贡献率。这是由于非晶质铁的比表面积大、表面活性强，能够释放大量的活性羟基，与其他配位体发生置换反应，与土壤溶液一起扮演絮凝剂的角色，加强土壤颗粒之间的团聚作用[37]，非晶质氧化铁(如针铁矿)表面羟基基团多，与腐殖质和高岭石等结合能力强，其胶结能力高于赤铁矿等晶质氧化铁，形成稳定的团聚体[38]。有研究发现，在华南地区不同地带性土壤中，络合态铁铝(Fep和Alp)与团聚体稳定性密切相关[39]。有机络合物可以吸附在铁锰氧化物沉淀表面，形成有机无机复合胶结物质提高土壤团聚体稳定性[40]。本研究中团聚体平均重量直径和几何平均直径主要与>5 mm粒径中的氧化物具有更高的相关性，显示团聚体稳定性受大团聚体中游离态和非晶质氧化物含量的影响大，可能是由于游离态和非晶质氧化物与有机碳的胶结作用更为显著[41]。这些结果表明，紫云英还田有利于与氧化物紧密结合的土壤微粒进一步胶结为大团聚体，提高土壤团聚体稳定性[32]。

4 结论

土壤团聚体的形成与稳定是土壤中各形态铁锰综合作用的结果，土壤游离铁对团聚体稳定性的解释率最高，达16.7%，是影响土壤团聚体稳定性的主要因素。团聚体游离铁和非晶质铁与平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)相关性最高，且在>5 mm团聚体中的作用更显著，是团聚体稳定和大团聚体形成的关键。

紫云英还田与氮肥减施促进了土壤大团聚体形成，显著提高了土壤团聚体稳定性，其MWD较CK和MV处理分别提高了76.2%和18.0%，在减少化肥投入的同时，也有利于提高土壤团聚体稳定性，改良土壤结构。此外，紫云英还田在一定程度上提高了土壤各形态铁锰含量，总体上在大团聚体中的提升效果更为显著，有利于各形态铁锰在大团聚体中的富集。紫云英还田与氮肥减施提高了8.4%和38.1%的大团聚体游离铁和非晶质铁含量，并且对团聚体稳定性的效果较好。