施氮和灌溉管理对麦田土壤团聚体组成及有机碳的影响

李彩霞，陈津赛,2，付媛媛，韩其晟，宁慧峰，王广帅

（1.中国农业科学院农田灌溉研究所/农业农村部作物需水与调控重点实验室，河南 新乡 453002；2.中国农业大学农学院，北京 100094；3.塔里木大学植物科学学院，新疆 阿拉尔 843300）

0 引 言

【研究意义】团聚体是土壤的重要组成部分，也是土壤结构的主要评价指标。耕层土壤团聚体中贮存近90%的土壤有机碳，土壤团聚体结构影响土壤碳的固存及矿化分解。因此，土壤团聚体研究已成为评价土壤质量的重要途径。华北平原是我国的主要粮仓，连年耕作导致土壤碳正在枯竭，提升土壤质量已成为国家战略需求。2020年9月习总书记在75 届联合国大会上提出了“2060年实现碳中和”的战略目标，我国在协调生产与生态关系方面得到空前重视。在农田生产中，灌溉和施肥是决定土壤生产能力的主要因素，研究其对土壤团聚体结构和有机碳的影响，对土壤质量评估与改善以及现状下农田生产生态功能的提高具有重要意义。

【研究进展】华北平原生产了全国产量约79%的小麦和27%的玉米[1]，而土壤平均碳储量仅为0.5%～0.8%[2-3]，低于我国旱地平均水平（1.08%）[4]，频繁耕作导致该地区土壤碳面临枯竭的险境。土壤团聚体的物理保护是碳稳定和固存的重要机制，土壤大团聚体（≥0.25 mm）能够对有机碳提供较好的物理保护，并对耕作管理和机械破坏很敏感[4]。土壤碳的稳定性直接受到团聚体组成的影响[5‐6]。氮肥对土壤团聚体结构的影响研究在近年来关注度较高，长期施无机氮肥，团聚体的平均重量直径和几何平均直径减小[1]，土壤微团聚体分散系数提高[7]。同时，过量施用氮肥使土壤中大团聚体分化为更小粒级团聚体，破坏团聚体的稳定性[8]。相比微团聚体，由于大团聚体中含有更多初期不稳定的新形成的有机碳[9]，所以减缓大团聚体的破坏或转化有利于其中更多微团聚体的产生，从而提高团聚体的稳定性和土壤碳的固定[10]。在干旱半干旱环境下，土壤团聚体的整体粒径较小[8]，灌溉后的土壤，一方面呼吸强度提高，有机质的矿化速率增加，另一方面水化学条件改变黏土矿物收缩和膨胀[11]，可能会导致部分土壤团聚体的碎裂，使其内部的有机质被微生物分解[12]。因此，土壤团聚体受到物理、化学、生物等因素的综合影响，土壤水为这些因素的变化提供了环境，灌溉水平对土壤团聚体的影响非常值得关注。【切入点】本团队前期研究发现，长期定量施氮使耕层土壤水稳性团聚体的平均粒径随施氮量的增加而减小，并对土壤无机氮产生影响，表明施氮显著影响土壤团聚体结构和土壤养分有效性[13]。土壤水分作为肥料有效性的必需载体，固然产生水与氮的交互作用，但目前在土壤结构的研究中，常弱化灌溉水的影响，灌溉水与氮素在土壤结构变化中发挥的作用尚不明晰。【拟解决的关键问题】因此，开展灌溉和施氮水平对土壤团聚体结构和土壤碳的影响研究，为土壤服务性能的改善提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在河南新乡（35°14′N，113°76′E）中国农业科学院七里营综合试验基地进行。该地区年平均气温14 ℃，年日照时间2 399 h，年均降雨量582 mm。研究区主要种植模式为冬小麦-夏玉米轮作，土壤类型为潮土，试验在小麦季开展，试验期间总降雨量为120.10 mm，灌溉3次，充分灌溉区的灌水定额为75.00 mm，非充分灌溉区的灌水定额为52.50 mm（图1）。

图1 2019—2020小麦生长季的降雨量、灌水及平均气温情况Fig.1 Rainfall,irrigation and average temperature of wheat growing season in 2019—2020

1.2 试验设计

冬小麦品种为“周麦22”，于2019年10月17日足墒播种，2020年6月3日收获。由于施氮和灌溉是农田土壤结构和土壤质量的关键影响因素，在水资源紧缺、节水成为灌溉农业普遍选择的现状下，为了探明非充分灌溉和施氮对土壤团聚体组成和碳固持的影响，基于以往研究中广泛认可的适宜氮肥量和灌水定额[14‐16]，设置本试验的灌溉和施氮处理。试验设置施氮（180 kg/hm2，N180）和不施氮（N0，CK）2个氮素水平，充分灌溉（F，CK）和非充分灌溉（S：70%充分灌溉）2个灌溉水平，共4个处理，每个处理3次重复。小区面积为10 m×5 m，12个小区随机排列。灌水处理在小麦返青后开始，灌水方式为畦灌。氮肥（尿素，含氮量46%）分2次施入，基追比为50%∶50%，在拔节期追肥。播前基施K2SO4210 kg/hm2和P2O5103 kg/hm2。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 土壤样品采集

小麦收获时，每小区按“S”型取6 份原状土土样。每个点取样深度至30cm，分0～10、10～20 cm 和20～30 cm 取样。将土壤样品沿自然断裂缝隙掰成不同大小的土块，除去植物残体及砾石，风干后进行土壤团聚体的测定。

1.3.2 土壤团聚体测定

团聚体分级采用萨维诺夫法[17]。土壤团聚体机械稳定性测定：称取500 g 风干土置于一组不同孔径（0.25～5.0 mm）土壤筛的顶部，进行干筛 5 min，分离出直径≥5.0、3.0～5.0、2.0～3.0、1.0～2.0、0.5～1.0、0.25～0.5 mm 以及直径＜0.25 mm 的土壤团聚体，分别称质量，计算各级干筛团聚体占土样总量的百分率。

土壤团聚体水稳定性测定：由干筛法获取各粒级土壤团聚体，按比例配成50 g 风干土样。按孔径大小排序套筛，放置于振荡架上，并置于水桶中。调整桶内水面高度，使水面处于最上层筛底部与土壤面之间震荡。将配好的土样放入最大孔径的筛子中，静止5 min，然后上下振荡3 min，振幅3 cm，频率50 次/min。将各个筛子中的土壤洗出，在50℃下烘干、称质量，即得到各粒级的土壤团聚体质量[18]。

1.3.3 土壤有机碳量测定

土壤有机碳采用高温外加热重铬酸钾氧化-容量法测定，平行测定误差≤0.05%[19]。

1.4 数据处理

能够反映土壤团聚体组成或结构的主要特征参数包括水稳性大团聚体占比（R0.25）、几何平均直径（GWD）、平均质量直径（MWD）和分形维数（D）。不同粒级土壤团聚体与有机碳结合，对土壤碳的固持和矿化速度影响不同，可导致有机碳功能和结构的不同[20]，常将粒径≥0.25 mm 的团聚体称为大团聚体，其在团聚体中的占比用R0.25表示，R0.25是土壤团聚体的定量评价指标，可以表征土壤疏松度、透气性等土壤结构性能和抗蚀性[21]。土壤团粒结构的分布状态由GWD和MWD来反映，其值可以表征土壤团聚体的粒径团聚度、稳定性和抗蚀性[22]，土壤团粒结构具有分形特征，细粒量高，代表其分形维数大，当土壤团粒结构得到改善时，分形维数会降低，土壤团聚体分形维数能够客观反映土壤团聚体的结构与稳定性[23]。MWD、GWD、D用于表示土壤中团聚体的稳定程度，其计算方法为[19]：

式中：MWD、GWD、D分别为团聚体的几何平均直径（mm）、平均质量直径（mm）、分形维数；Wi为第i粒级的团聚体质量（g）；w为团聚体湿筛后所有粒级的质量（g）；ri为湿筛后第i粒级团聚体的平均直径（mm）；dmax为湿筛后的最大粒级；di¯为湿筛后某一粒级团聚体的平均直径（mm）；W（r≥di¯）为粒级＜di¯的团聚体质量；R0.25为≥0.25mm 的土壤水稳性团聚体量（%）；δ为粒级；n为≥0.25mm 粒级的分级数，本研究为7。

数据结果以平均值±标准差的形式表示；利用DPS 软件（DPS V18.10）进行差异显著性分析（P＜0.05），多重检验采用最小显著极差法（LSD）。

2 结果与分析

2.1 灌溉和施氮对土壤团聚体水稳定性的影响

由表1可知，土壤团聚体的粒级组成因施氮和灌溉水平而存在差异，各处理的R0.25都在53.77%以上，表明耕层土壤中以大团聚体为主。非充分灌溉条件下，适量施氮（SN180）会显著提高水稳性大团聚体量，使R0.25提高了12.20%（P＜0.05）；与充分灌溉相比，非充分灌溉降低了水稳性大团聚体量；各处理的土壤团聚体机械稳定性无明显差异（表1）。方差分析表明，灌溉及其与氮素交互作用显著影响水稳性大团聚体量，团聚体机械稳定性不受施氮和灌溉水平的影响。

表1 不同处理的耕层土壤团聚体结构Table 1 Soil aggregate structure in plough layer under different treatment

从团聚体的分层特征看，0～20 cm 为水稳性大团聚体的主要贡献层（R0.25≥56.60%）。其中≥5 mm 和0.25～2 mm 大粒径团聚体分别贡献了20.62%～44.48%和20.02%～40.84%。表明，0～20 cm 为土壤团聚体水稳性的主要影响层，灌溉显著影响土壤团聚体组成（表2）。

表2 各处理不同粒径团聚体的土层间分布Table 2 Distribution of soil water-stable aggregates in different soil layers in different treatments

2.2 灌溉和施氮对土壤团聚体特征参数的影响

湿筛下MWD与GMD这2个指标更能够反映土壤结构的稳定程度，相同施氮水平下，非充分灌溉使MWD和GMD减小，分形维数增大；非充分灌溉下，施氮使MWD、GMD增大，D降低，表明土壤具有较好的团粒结构，而施氮对土壤结构的影响因灌溉水平而异，灌溉水平是影响土壤团聚体结构的显著性因素（表3）。R0.25与土壤团聚体破坏率存在显著的负相关

关系，非充分灌溉提高了团聚体破坏率（表3）。

表3 不同处理下土壤团聚体的特征参数值比较Table 3 Comparison of characteristic valueof soil aggregates under different treatments

通过土壤团聚体机械稳定性和水稳定性对比分析发现，土壤团聚体的破坏主要发生在≥1 mm 粒级，非充分灌溉使0～20 cm 的土壤团聚体破坏率提高，而充分灌溉提高了施氮土壤的团聚体破坏率。其中，≥5 mm 团聚体破坏率在所有粒级中最高，并受施氮和灌溉交互影响显著（表4）。团聚体破坏率受施氮和灌溉水平的影响，0～20 cm 土层的团聚体破坏率占0～30 cm 的66.91%以上，表明越靠上层的土壤团聚体机械稳定性越差，并受灌溉水平影响显著，其中施氮水平显著影响≥5 mm 团聚体的破坏率；同一施氮水平下，非充分灌溉不利于土壤团聚体的机械稳定性，而同一灌溉水平下，施氮不利于土壤团聚体的机械稳定性；水氮协同作用显著影响较大粒径团聚体（≥5 mm）的机械稳定性（0～30 cm）（表4）。

表4 不同施氮和灌溉水平下土壤团聚体破坏率Table 4 Destruction rate of soil aggregates under different levels of nitrogenand water %

2.3 灌溉和施氮对土壤有机碳的影响

相同灌溉水平下，施氮正向影响土壤有机碳，充分灌溉和非充分灌溉分别使施氮土壤的有机碳提高9.71%、3.59%；与充分灌溉比较，非充分灌溉分别提高施氮和不施氮土壤有机碳2.86%和8.94%，非充分灌溉施氮显著提高土壤有机碳（图2）。

图2 不同水氮处理下土壤有机碳量Fig.2 Soil organic carbon under water and nitrogen treatment

土壤水分决定氮肥的有效性，而氮肥是土壤氮素的源，土壤碳氮具有耦合效应，二者具有相对稳定的化学计量关系。因此，土壤有机碳与土壤水氮的关系能够间接反映灌溉和施氮水平的农田生态效应。由图3可知，土壤含水率和土壤全氮对土壤有机碳均存在线性关系（图3（a）、图3（b）），表明土壤水分和土壤氮可能是有机碳变化的主要解释因素。由于土壤有机碳与土壤含水率和土壤全氮的线性关系都存在截距，并且图3（a）的截距小于图3（b），表明土壤氮对土壤有机碳影响的间接效应更大，大于土壤含水率，而土壤含水率的直接效应更大，经计算，土壤含水率对土壤有机碳的直接效应为6.85±2.47 mg/g，占有机碳总量的82.82%；土壤全氮的直接贡献为3.81±1.05 mg/g，占有机碳总量的比例为46.04%。而土壤有机碳与水稳性大团聚体量（R0.25）存在负相关关系，但水稳性大团聚体对土壤有机碳带来的间接效应为正（图3（c））。

图3 土壤有机碳与土壤含水率、土壤全氮及R0.25 的关系Fig.3 The relationship between soil organic carbon and soil water content,soil total nitrogen and R0.25

3 讨论

3.1 灌溉和施氮水平对土壤结构的影响

对于耕作频繁的华北平原，农田用水和施氮管理对土壤结构的影响尤为突出，长期定量施氮引起大团聚体（≥5 mm）的水稳定性变弱[13]，机械稳定性变差，使土壤微团聚体分散系数提高[7]，而短期（≤2a）的施氮管理对团聚体水稳性和机械稳定性的影响差异并不明显（表1，表4），这可能由于定量施氮管理对团聚体的分化或累积的影响存在时间效应。这个效应受灌溉水平的影响，非充分灌溉使大团聚体（≥5 mm）破坏率明显提高，并且分化为较小粒级团聚体（表4），这可能是引起非充分灌溉下水稳性大团聚体偏低、微团聚体偏高的主要原因，我国干旱半干旱区土壤的水稳性团聚体整体粒径较小[9]，这表明受土壤水驱动下的土壤团聚体构成趋势研究的结论基本一致。

3.2 灌溉和施氮对土壤有机碳的影响

我国华北平原0～20 cm 土壤有机碳储量逐年降低，长期的水肥精细管理造成温室气体排放增加，导致该地区农田生态系统处于持续碳损失状态[25]。由于表层是肥料和秸秆聚集最集中的土层，干燥高温、灌溉湿润以及土壤蒸发等都使表层土壤碳处于不稳定状态，这使得0～20 cm 土壤碳储量受水肥管理的约束性更强，存在更大的不确定性。非充分灌溉提高了作物生产力，从而导致土壤中更大的碳输入；而充分灌溉土壤可能刺激微生物活动[26-27]，从而促进碳矿化[28]，导致土壤碳的损失，作物生产和微生物呼吸对有机碳的累积起到相反的作用方向，当其中某种效应表现更强时，土壤产生碳固存增加或碳排放。非充分灌溉提高了施氮作物的产量和生物量（图4），显著促进了土壤有机碳量（图2），因此，作物生产力对土壤碳的累积效应可能超过了碳损失效应，使得非充分灌溉施氮土壤的碳量显著增加，这与相关研究结论一致[26-27]。

图4 不同处理的小麦产量和生物量Fig.4 Wheat yieldand biomassunder different treatment

土壤团聚体是容纳大量有机物质的微生境，对土壤养分动态具有重要的调节功能[29]。土壤有机碳量与大团聚体的稳定性直接相关，并主要分布于大团聚体中[18,30]，本研究中，土壤有机碳与水稳性大团聚体量（R0.25）具有负相关关系，这可能由于施氮促进土壤有机碳增加（图2），但同时也改变了不同团聚体对土壤微生物与作物间的作用，土壤大团聚体破坏使其中的有机物质暴露，加速了土壤碳损失[31]，而与之相比，较强的物理保护以及真菌和酶活性优势使微团聚体中的有机碳更加稳定[32-33]，这可能是引起本研究结果的主要原因。土壤有机碳固存的增加，能够增强土壤颗粒胶结作用，进而提高土壤保水性能[7]，使土壤有机碳随土壤水分的增加呈正效应（图3（a）），对土壤持水结构和作物生长都有利，这进一步强化了作物-土壤间的联系，对区域农田生态系统的健康评估具有重要的理论意义。

4 结论

1）灌溉对土壤大团聚体结构影响显著，非充分灌溉降低了土壤大团聚体（≥0.25 mm）量，但显著增强了施氮土壤的大团聚体水稳性。灌溉和施氮对土壤团聚体结构的影响具有交互效应。

2）非充分灌溉减弱了土壤团聚体的机械稳定性，提高了土壤团聚体的机械破坏率。

3）非充分灌溉能够提升小麦生产能力，显著促进施氮土壤的碳储量增加。