长期秸秆配施化肥下土壤团聚体碳氮分布、微生物量与小麦产量的协同效应

韩紫璇，房静静，武雪萍，姜宇，宋霄君，刘晓彤

长期秸秆配施化肥下土壤团聚体碳氮分布、微生物量与小麦产量的协同效应

1北方干旱半干旱耕地高效利用全国重点实验室（中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081）；2首都师范大学资源环境与旅游学院，北京 100048；3黑龙江省农业科学院/黑河分院国家土壤质量爱辉观测试验站，黑龙江黑河 164300

【目的】研究秸秆配施化肥对暗棕壤团聚体组成、团聚体碳氮含量、土壤微生物量特征及小麦产量的影响，揭示长期秸秆配施化肥下土壤肥力和生产力的协同提升机制。【方法】依托长期定位40年施肥试验，选取4个处理：单施化肥（NP）、秸秆配施化肥（S+NP）、秸秆配施1/2化肥（S+1/2NP）、秸秆配施1/4化肥（S+1/4NP），其中秸秆为麦秸隔年还田，用量为3 000 kg·hm-2，氮磷化肥用量为150 kg N·hm-2、150 kg P2O5·hm-2。采集0—20 cm土层土样，利用湿筛法得到不同粒级的水稳性团聚体，测定团聚体中有机碳（SOC）、氮含量及土壤微生物量碳（SMBC）、微生物量氮（SMBN）含量。【结果】（1）长期秸秆配施化肥显著降低土壤容重并提高了团聚体稳定性，和NP相比，S+NP处理土壤容重降低4.7%，＞2 mm团聚体含量、平均重量直径（MWD）和几何重量直径（GWD）分别提升254.4%、76.5%和91.3%。（2）S+NP、S+1/2NP处理＞2 mm团聚体百分含量、MWD和GWD显著高于S+1/4NP，分别增加了49.1%—52.4%，19.43%—22.4% 和24.2%—33.3%。（3）S+NP、S+1/2NP、S+1/4NP和NP相比增加了＞2 mm和＞0.25 mm团聚体对土壤有机碳、全氮贡献率，并显著提高全土SOC、SMBC和SMBN含量；其中，SOC含量在S+NP中最高，比S+1/2NP、S+1/4NP高6.3%和12.6%。（4）产量表现为S+NP＞NP＞S+1/2NP＞S+1/4NP处理，S+NP比减施化肥处理提高小麦产量28.6%—47.5%。（5）土壤团聚体稳定性、SOC含量及小麦产量之间有较好的相关性，＞2mm和＞0.25 mm团聚体含量、MWD和GWD分别与全土SOC含量及小麦产量呈显著或极显著正相关。【结论】暗棕壤地区在长期秸秆还田条件下，配施化肥量150 kg N·hm-2、150 kg P2O5·hm-2时能提高土壤团聚体稳定性、有机碳含量、微生物生物量和小麦产量，最大化实现土壤结构改良、肥力提升和作物增产的协同效应。

秸秆还田；化肥；暗棕壤；水稳性团聚体；碳氮含量；微生物生物量；小麦产量

0 引言

【研究意义】良好的团粒结构是有机碳固持和稳定的重要物质基础。有机碳是决定土壤质量的核心物质，主要通过黏土矿物吸附和包被在团聚体内得到物理保护而免受微生物的分解[1-2]。因此，构建良好的团聚体结构是提升土壤肥力和功能的关键。团聚体结构受到土壤母质、农艺管理措施、土壤生物等因素的影响[3]。研究秸秆配施化肥对土壤团聚体构成、有机碳（SOC）、氮积累的影响，可为阐明土壤碳氮固持机理提供参考，对于土壤肥力和生产力的提升具有重要意义。【前人研究进展】农业秸秆由于本身富含碳、氮、磷、钾等多种养分元素，具有提升肥力状况、改良土壤结构、促进植物生长的巨大潜力[4]。孙汉印等[5]研究玉米秸秆对团聚体形成的结果表明，秸秆还田增加了＞0.25 mm粒级团聚体的含量，提高平均重量直径和土壤SOC水平。刘恩科等[6]对不同施肥处理的研究表明，秸秆配施氮磷钾肥对＞2 mm粒级团聚体促进作用最大，且此粒级中有机碳含量最高。陈轩敬等[7]对紫色水稻土的研究认为，连续22年稻草还田提高了土壤团聚体水稳性，还增加了2—0.25 mm粒级的微生物量碳和呼吸代谢墒。秸秆还田能有效培肥地力和促进养分循环转化，然而其还田量过多腐熟不完全易引起土壤孔隙过大，水肥流失。由于秸秆具有高C/N，使其分解过程需要与作物争夺氮肥，易造成土壤氮素亏缺。因此，发挥秸秆促肥增产作用需补充适量氮素调节土壤C/N以避免微生物对无机氮素的竞争，保证作物生育期内土壤肥力[8]。在氮肥用量的调控上，葛选良等[9]认为，秸秆全量还田条件下，氮肥施用量300 kg·hm-2时，可有效提高土壤活性有机碳、氮含量及玉米产量。而汪军等[10]研究南方水稻田结果显示，氮肥用量控制180—240 kg·hm-2和秸秆配施可获得较高的产量和氮肥利用率。不同地区由于土壤母质、理化性质和气候类型的差异，适宜的氮肥用量研究结果不一。在所处温度较低、质地黏重的暗棕壤上，团聚体稳定性、土壤碳氮积累与作物产量的关系更加复杂，秸秆还田条件下氮肥用量的调控及其对土壤肥力的提升机理仍需进一步研究。【本研究切入点】暗棕壤是中国东北地区重要的土壤资源，有机碳含量极高。不合理施肥方式使得团聚体结构被破坏，土壤退化[11]。秸秆还田作为一种重要的资源利用方式，对土壤肥力的提升效应和氮肥施用量相关，如何科学施用氮肥，对于提高土壤质量和作物产量至关重要。且前人关于秸秆配施化肥的研究主要关注土壤整体养分含量变化[4,12-13]，土壤团聚体微域内碳、氮含量、微生物生物量对作物增产的协同效应还需要深入探讨。【拟解决的关键问题】本文依托不同施肥处理长期定位40年试验平台，研究秸秆配施不同量化肥对暗棕壤团聚体组成，团聚体中有机碳、氮的差异分布以及土壤微生物量碳、氮含量的影响，揭示秸秆配施化肥在提高暗棕壤养分存储和作物产量方面的作用，明确秸秆还田时的最佳化肥用量，以期为提高土壤质量和促进农田可持续发展提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

长期定位施肥试验位于黑龙江省农业科学院黑河分院内（东经 127°27′，北纬 50°15′）。该区属于寒温带大陆性季风气候，年均降雨量450 mm左右，年平均气温为-2—1℃，年均蒸发量为650 mm，无霜105—120 d，降水集中，全年日照时数2 562—2 677 h。试验土壤为暗棕壤，1980年试验地0—20 cm土层含有机质42.2 g·kg-1，全氮2.23 g·kg-1，全磷1.66 g·kg-1，碱解氮55.9 mg·kg-1，有效磷8.10 mg·kg-1，速效钾55.1 mg·kg-1，pH为6.12。

1.2 试验设计与样品采集

从1979年开始设置定位试验。供试春小麦品种为龙麦35号，每年4月初播种，8月中旬收获，种植制度为小麦-大豆一年一熟轮作制，两作物施肥量一致。供试肥料：尿素（含N 46%）、磷酸二铵（含N 18%，P2O546%），由于土壤富钾，则不施钾肥。氮、磷化肥均在小麦、大豆播种前作为基肥一次性施用。

为探究不同量化肥配施秸秆效果，选取其中4个处理，分别为：单施化肥（NP）、秸秆配施化肥（S+NP）、秸秆配施1/2化肥（S+1/2NP）、秸秆配施1/4化肥（S+1/4NP）。NP处理施肥量为150 kg N·hm-2+150 kg P2O5·hm-2；1/2NP处理：75 kg N·hm-2+75 kg P2O5·hm-2；1/4NP：37.5 kg N·hm-2+37.5 kgP2O5·hm-2。秸秆还田方式：在轮作顺序中逢麦还田，即在小麦秋季收获后，先将麦秸移出，粉碎成<10 cm 的片段，均匀施入耕层（0—20 cm），大豆收获后将秸秆全部移出不还田。设麦秸还田量为风干重 3 000 kg·hm-2，不考虑秸秆氮、磷、钾养分含量。各处理小区随机排列，每区面积212 m2，长20 m，宽10.6 m。机械播种小麦，人工收割。机械起垄，人工开沟，条播大豆。小麦行距10 cm，株距0.9 cm，大豆行距65 cm，株距4.5 cm；机播小麦密度为600万—650 万株/hm2，大豆为34万—35万株/hm2，田间管理与当地大田生产一致。

在小麦成熟期（2019年8月24日）取土壤样品。于每个小区选取5点，采集0—20 cm土层土样混合为一个样品。土样采集后一部分沿自然断裂面掰成8 mm左右的土块，并挑出砾石及植物残根等，室温下风干用于筛分团聚体。另一部分鲜样过2 mm筛，于-20℃冰箱保存，用于土壤微生物生物量的测定；小麦收获后，各处理随机选取3个1.0 m2样方，测定样方内有效穗数、平均穗粒数和千粒重，计算理论产量。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤基本理化性质 采用环刀法测定土壤容重[14]。试验初期0—20 cm土层中的有机碳含量测定采用重铬酸钾容量法、全氮用凯氏定氮法，速效磷含量测定采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法，碱解氮含量采用扩散吸收法，速效钾含量测定用乙酸铵浸提-火焰光度法，土壤pH用蒸馏水浸和提pH计测定，具体操作参照《土壤农业化学分析方法》一书[15]。

1.3.2 土壤团聚体筛分 水稳性团聚体分离参照CAMBARDELLA等[16]的方法：称量100 g干土放在自上而下依次为2、0.25、0.053 mm的套筛最上层，加入去离子水，使得水面没过最上层土壤并静置浸透5 min，然后筒中套筛以40 次/min的速度上下移动，距离为0.3 cm，时间为2 min，将各筛中的土壤转移到烧杯内，分别获得＞2 mm、0.25—2 mm、0.053—0.25 mm粒级的水稳性团聚体，将筒中溶液倾倒盆中，获得＜0.053 mm粒级团聚体。4个粒级的水土混合液静置48 h后倒出上清，沉淀于50℃烘干称重。

1.3.3 有机碳、氮含量 分别取全土及各粒级水稳性团聚体土壤样品1g，并研磨使其通过0.15 mm筛，采用元素分析仪（Elementar Vario MACRO，Germany）测定其有机碳、全氮含量。

1.3.4 微生物生物量 微生物量碳氮的测定采用氯仿熏蒸-硫酸钾浸提方法[17]。每个处理准备两份土壤样品作对照试验，称取相当于10 g烘干土重量的鲜土，其中1份将其放入真空干燥器熏蒸24 h，之后将土壤样品溶于40 mL浓度为0.5 mol·L-1的 K2SO4溶液中（土液比1﹕4），振荡30 min，将土壤样品过滤获得浸提液后采用 Vario TOC（Germany）仪器分析测定。

1.4 数据处理与分析

1.4.1 团聚体稳定性及碳、氮贡献率的计算 各粒级水稳性团聚体的质量分数Wi（i =1、2、3、4，分别对应＞2 mm、0.25—2 mm、0.053—0.25 mm和＜0.053 mm共 4 个粒级的团聚体）。团聚体稳定性采用平均重量直径（mean weight diameter，MWD）和几何平均直径（geometric mean diameter，GMD）进行表示[18]，团聚体对有机碳和全氮的贡献率为WC-aggregate(%)和WN- aggregate(%)[19]。按如下公式计算：

Wi= mi/M

MWD=(X1W1+X2W2+X3W3+X4W4)/(W1+W2+W3+W4)

GWD=exp[(W1lnX1+W2lnX2+W3lnX3+W4lnX4)/ (W1+ W2+W3+W4)]

WC-aggregate(%)=CaggregateWi/Csoil×100

WN-aggregate(%)=NaggregateWi/Nsoil×100

式中，M为土壤总重量；mi表示各粒级团聚体质量； X1，X2，X3，X4为各粒级团聚体的平均直径, W1，W2，W3，W4为团聚体百分含量；Caggregate和Naggregate分别为某粒级团聚体中总有机碳和全氮含量；Csoil和Nsoil分别为全土中总有机碳和全氮含量。

1.4.2 微生物量碳、氮计算

SMBC=EC/KEC

SMBN=EN/KEN

式中，SMBC为微生物量碳，SMBN为微生物量氮，EC为熏蒸和未熏蒸土壤浸提液中的碳含量差值，KEC为微生物量碳转换系数（0.45）；EN为熏蒸和未熏蒸土壤浸提液中的氮含量差值，KEN为微生物量氮转换系数（0.54）。

1.4.3 数据分析处理 采用Excel 2003处理数据并绘图，数据利用SPSS 22.0进行单因素方差分析（ANOVA），用Duncan 法进行差异显著性检验。土壤碳氮含量、微生物生物量及小麦产量之间的相关性使用Spearman’s 方法分析，并用PerformanceAnalytics安装包（R 4.1.0）对数据进行可视化，用Adobe illustrator软件绘图。

2 结果

2.1 秸秆配施化肥对土壤容重及团聚体稳定性的影响

研究表明秸秆配施化肥降低了土壤容重（表1）和NP相比，S+NP、S+1/2NP、S+1/4NP分别降低土壤容重4.5%、3.0%、2.2%。不同施肥处理下，水稳性团聚体优势粒级为0.25—2 mm，分别占团聚体总量的41.8%—52.8%，其次为＞2 mm、0.053—0.25 mm粒级，分别占团聚体总量的9.2%—33.3%、12.5%—25.1%，＜0.053 mm粒级的微团聚体分布比例较小，占比为8.9%—12.9%。

与单施化肥相比，秸秆配施化肥增加了＞2 mm团聚体含量，S+NP是NP处理的3.54倍；相反，S+NP处理显著降低了0.25—2、0.053—0.25以及＜0.053 mm粒级团聚体百分含量，分别减少12.9%、50.0%和31.3%。秸秆配施处理中，S+NP和S+1/2NP处理的＞2 mm粒级团聚体百分含量差异不大，但均显著高于S+1/4NP处理；S+NP处理的0.25—2 mm团聚体含量较S+1/2NP高10.1%；而S+NP处理的微团聚体（＜0.25 mm）百分比显著降低。综合来看，秸秆配施化肥较单施化肥增加大团聚体的含量，而减少微团聚体的含量，以S+NP处理效果最显著。

MWD和GWD表征的土壤团聚体稳定性在不同处理中具有一致性（表1）。秸秆配施化肥处理的团聚体稳定性均显著大于单施化肥处理。S+NP的MWD、GWD值分别是NP的1.77倍和1.91倍；S+NP和S+1/2NP处理的团聚体稳定性差异不显著，但都显著高于S+1/4NP处理。

表1 不同施肥处理下土壤容重、水稳性团聚体组成及稳定性

同一列中不同小写字母代表差异显著（＜0.05）。下同

Within each column, the different small letters following the data mean significantly difference at 0.05 level. The same below

2.2 秸秆配施化肥对土壤碳氮含量的影响

连续40年秸秆配施化肥显著提高了耕层土壤SOC含量（图1），表现为S+NP最高，S+1/2NP、S+1/4NP和NP依次降低。和单施化肥的NP相比，S+NP、S+1/2NP、S+1/4NP处理SOC含量分别提高16.8%、9.9% 和4.1%。全氮含量以NP处理最高，S+NP、S+1/2NP、S+1/4NP依次降低，NP和S+NP间差异不显著。秸秆配施条件下，土壤全氮含量随着化肥用量增加而增加，S+NP的全氮含量显著高于S+1/4NP，提高了3.2%。

柱上不同小写字母表示处理间差异显著。下同

2.3 秸秆配施化肥对水稳性团聚体中碳氮含量与分布的影响

图2显示，不同施肥处理下土壤团聚体中有机碳含量表现出随着团聚体粒级的减小而降低的趋势。秸秆配施化肥增加了不同粒级团聚体中有机碳含量，与NP相比，S+NP处理提高了＞2、0.25—2和0.053—0.25 mm粒级团聚体中有机碳含量7.9%—12%；S+NP、S+1/2NP、S+1/4NP处理＞0.25 mm团聚体中有机碳含量依次降低，S+NP较S+1/4NP处理分别提高＞2和0.25—2 mm团聚体中有机碳含量8.1%和9.5%；秸秆配施化肥处理的0.053—0.25和＜0.053 mm团聚体中的有机碳含量无显著差异。

＞2、0.25—2、0.053—0.25 mm团聚体中的全氮含量依次降低，＜0.053 mm团聚体中全氮含量略高于0.053—0.25 mm粒级团聚体。S+NP和NP处理相比，＞2 mm团聚体中全氮含量降低了14.8%，对其他粒级团聚体中全氮含量无显著影响。秸秆配施化肥处理中，S+NP处理＞2 mm团聚体的全氮含量显著高于S+1/ 2NP处理；0.052—2 mm团聚体中的全氮含量在秸秆配施化肥处理间差异不显著；＜0.053 mm团聚体中全氮含量则S+1/4NP显著高低于S+NP和S+1/2NP处理。

各粒级团聚体对SOC和TN的贡献率表现规律一致。总体来看，不同施肥方式下＞0.25 mm的较大团聚体对SOC和TN的贡献率更高（分别为62.7%—74.9%、60.8%—73.8%），而微团聚体（＜0.25 mm）影响较小。S+NP和NP相比增加＞2 mm团聚体对SOC和TN的贡献率，分别增加237.6%和276.5%，而降低了0.25—2 mm、0.053—0.25 mm和＜0.053 mm团聚体对SOC和TN贡献率13.9%—29.1%；秸秆配施化肥处理中，S+NP、S+1/2NP相比S+1/4NP，提高了＞2 mm团聚体对SOC和TN贡献率53.6%—67.3%；S+NP、S+1/4NP相比S+1/2NP提高了0.25—2 mm团聚体对SOC和TN的贡献率11.2%—39.2%；此外，S+NP处理＜0.25 mm团聚体对SOC贡献率显著低于S+1/4NP处理。

2.4 秸秆配施化肥对土壤微生物量碳氮和小麦产量的影响

微生物量是土壤活性养分的指示指标，微生物熵（SMBC/SOC）代表着土壤有机碳的活度。和NP相比，S+NP处理土壤SMBC、SMBN含量以及SMBC/SOC分别提高105.0%、16.4% 和70.6%（表2）。土壤中微生物群落结构影响土壤的微生物量碳氮比（SMBC/ SMBN），各处理土壤微生物量碳、氮比变化范围为4.91—9.96，S+NP处理下SMBC/SMBN为8.66，是NP处理的1.76倍。

图2 长期不同施肥处理土壤团聚体中有机碳、全氮的含量及贡献率

秸秆配施化肥处理中，S+NP的SMBC含量与S+1/2NP无显著差异，比S+1/4NP减少26.9%。SMBN含量则表现为S+NP处理显著低于S+1/2NP、S+1/4NP。此外，S+NP相比S+1/4NP还降低了SMBC/SOC。SMBC/ SMBN在不同秸秆配施化肥处理中无显著差异。

小麦产量为1.56—2.97 t·hm-2，长期秸秆配施化肥（S+NP）比单施化肥（NP）产量平均提高3.5%。秸秆配施化肥处理中，产量随着施化肥量升高而增加，S+NP处理的小麦产量分别比S+1/2NP、S+1/4NP提高28.6% 和47.5%。说明减量化肥降低小麦产量，S+NP在提高土壤碳氮积累的同时促进了作物增产。

2.5 团聚体粒级分布与土壤碳氮含量、小麦产量的关系

将单施化肥和秸秆配施化肥处理中的全土有机碳（SOC）、全氮（TN）、微生物生物量（SMBC、SMBN）及小麦年产量与各粒级水稳性团聚体含量进行相关分析（图3），结果表明，＞2 mm和＞0.25 mm水稳性团聚体含量和MWD、GWD呈显著或极显著正相关，说明大团聚体含量增加，团聚体稳定性增强。其次，＞2 mm和＞0.25 mm团聚体含量与SOC、SMBC、SMBN及小麦产量呈显著或极显著正相关，表明较大团聚体具有促进SOC、SMBC、SMBN含量提高和作物增产的协同效应。而0.053—0.25 mm团聚体含量则与上述指标呈显著或极显著负相关，且＜0.053 mm团聚体含量对小麦产量促进作用不大。

表2 不同施肥处理下土壤微生物生物量和小麦产量

在Spearman相关性分析中，每个变量的分布显示在对角线上。对角线左下角是双变量散点图。对角线的右上方是相关值，其中“·”代表P＜0.1，“*”代表显著相关（P＜0.05），“**”和“***”代表极显著相关（P＜0.01和P＜0.001）。下同

图4显示，秸秆配施化肥处理中，＞2 mm和＞0.25 mm水稳性团聚体含量同样表现出与SOC及小麦产量呈显著或极显著正相关关系，而0.053—0.25 mm则与之呈显著负相关。此外，＞2 mm和＞0.25 mm水稳团聚体、MWD、GWD、TN含量与产量呈显著或极显著正相关，说明在本研究中，增加化肥配施量，能够提高团聚体稳定性和产量。S+NP和其他化肥配施处理相比，通过促进较大水稳性团聚体的形成，促进SOC、TN含量和小麦产量协同提升。

图4 秸秆配施不同量化肥处理团聚体粒级分布与土壤碳氮含量、小麦产量的相关性

3 讨论

3.1 秸秆配施化肥改善了土壤团聚体组成和稳定性

团聚体是反映土壤结构的基本单位，其组成及稳定性对于维持养分供给尤其是提高有机碳（SOC）含量十分重要[20-21]。本研究结果显示，相比单施化肥，秸秆配施化肥显著增加了＞2 mm团聚体百分含量，并且提高了平均重量直径（MWD）和几何重量直径（GWD）（表1）。这主要是由于长期秸秆还田增加了有机物料输入，降低土壤容重，使土壤孔隙度和水分有效性增加，提高了根系生长及微生物的生命活动，促进了团聚体的形成和稳定[22]。合理利用秸秆资源可以增加土壤养分供给，减缓地力衰竭。然而，秸秆对土壤的改良效应与还田方式、数量以及化肥用量相关。周孟椋等[23]研究认为，秸秆还田下氮素浓度达到0.213 g·kg-1时，团聚体稳定性和MWD值最高。本研究结果显示氮肥用量150 kg·hm-2时，＞0.25 mm的大团聚体百分比、MWD和GWD值最高，土壤容重逐渐减小，紧实度下降，说明秸秆还田改善土壤团聚体稳定性需补充适量氮肥。这主要是由于作物秸秆腐解的适宜C/N为25，而秸秆本身C/N高达60—80，增加氮肥调节土壤C/N，有利于秸秆分解为活性有机碳，为微团聚体形成大团聚体提供大量胶结物质，团聚体稳定性增强[24-25]。

3.2 秸秆配施化肥提高了土壤碳氮含量和微生物生物量

本研究结果显示，秸秆配施化肥和单施化肥相比，显著增加了全土和各级团聚体的有机碳含量（图1、图2）。不同粒级团聚体中，＞0.25 mm的较大团聚体对土壤SOC含量贡献率最高（分别为62.7%—74.9%、60.8%—73.8%），且＞2 mm和＞0.25 mm团聚体含量和SOC含量呈显著正相关（图3），因此S+NP和NP相比主要通过促进大团聚体的形成和稳定，增加了SOC含量。土壤团聚体中碳含量的增多主要是因为团聚体对碳的固定大于其矿化损失[26-27]。大团聚体形成的闭蓄态环境，保持营养丰富区与微生物聚集区的空间隔离，减少矿化分解，增加SOC的固持[28]。然而，S+NP处理的全氮含量相比NP处理差异不大。秸秆还田后，腐解过程需要消耗大量氮素，激发土壤中原有氮的净矿化，当微生物固氮低于其消耗量时，表现为土壤氮含量有所下降[29]。此外，BIMÜLLER等[30]发现当可利用的氮素大于秸秆干重的1.2%时，会抑制一些真菌的生长，也会导致微生物固氮量的减少。

在秸秆配施不同量化肥处理中，土壤有机碳和全氮含量表现为S+NP处理最高，并且S+NP和S+1/4NP相比显著增加＞2 mm和0.25—2 mm团聚体中的有机碳含量。这是由于S+NP提高了大团聚体含量能隔绝微生物从而减少对碳的内部消耗[31]。YANG等[32]研究热带土壤认为，土壤主要是氮，而非碳方面满足了微生物的需求，因为当只施用秸秆，较高的C/N比并不利于微生物的生存。因此，增加氮肥用量通过激发微生物活性导致秸秆腐解，提高了土壤中有机碳的固持量，而微生物分泌物等有机胶物质促进了团聚体的形成和稳定，也增强了大团聚体对SOC和全氮的物理保护[33]。

土壤微生物量碳、氮是土壤中最活跃的组分[34]。在本研究中，秸秆配施化肥处理和单施化肥相比均增加了SMBC和SMBN，并提高了微生物熵。这可能是由于有机物料还田改良土壤结构，为土壤微生物的生长增殖创造适宜的环境，同时有机物料输入为微生物提供了丰富的碳源和氮源，极大地刺激了微生物活性[35]。然而在秸秆配施化肥处理中，S+NP处理的SMBC和SMBN含量相比S+1/2NP、S+1/4NP却有所降低，这可能是因为秸秆C/N较高，秸秆腐解不完全，大部分结构复杂难降解的惰性碳难以被微生物吸收利用，在缺少有效碳情况下提高无机氮素并不会提高微生物的数量和活性[36]。同时，施用化肥使土壤pH下降，微生物的生命活动减弱，可能是在SMBC和SMBN含量降低的原因[37]。王士超等[38]研究发现过量施氮肥则会导致土壤微生物数量和活性碳氮组分降低，与本研究结果相似。

3.3 土壤团聚体碳氮分布、微生物量特征协同促进小麦产量提升

良好的土壤团粒结构是作物高产所必需的环境条件，通常认为包括更多＞1 mm团聚体的土壤水肥保持力较高[39]。本研究中，＞2 mm和0.25—2 mm水稳性团聚体含量、MWD、GWD与小麦产量呈显著或极显著正相关，S+NP处理促进了大团聚体的形成和稳定，并显著提高小麦产量。说明团聚体水稳性在小麦生长发育中具有重要作用。由于大团聚体内具有更多连通且不规则的细长孔隙，这些孔隙对土壤水和气体的传输至关重要，可增加土壤持水能力和养分有效性，改善根系生长环境[40]。此外，本研究结果中，秸秆还田配施化肥显著增加了SOC含量，并且这些指标和小麦产量呈显著正相关（图3）。这是因为农田秸秆腐解后可释放大量活性有机物质及氮、磷、钾等养分元素，促进作物的生殖生长。腐殖酸、氨基酸类有机碳能够提高植株干鲜重、根长和茎粗，增强抗逆性，并增加对微量元素的固持和利用[41]，是小麦增产的另一原因。有机碳含量的提高，改变土壤物理结构和微生态环境，激发了微生物活性和养分转化机制[42]。微生物量碳、氮是植物可利用态养分的重要来源，为产量形成提供能量物质。赵亚丽等[43]研究认为微生物量、土壤酶活性的提高促进作物增产。在本研究中，S+NP和NP相比，显著提高了土壤SMBC和SMBN含量。因此，秸秆配施化肥通过增加土壤团聚体稳定性及其有机碳、微生物量碳氮含量，最终促进小麦增产，反映了土壤结构稳定性、碳氮积累与作物产量的协同关系。

在秸秆配施化肥处理中，S+NP产量显著高于S+1/2NP、S+1/4NP，相关性分析表明，全氮含量和小麦产量呈极显著正相关（图4），说明土壤供氮能力是秸秆还田下限制小麦生长的关键因素。氮素添加促进秸秆的腐解利用，有利于微团聚体向大团聚体转化，增强团聚体稳定性。其次，大团聚体提高了对碳、氮的物理保护，养分含量的协同提升也增加了根系对活性碳、有效氮、速效磷等的吸收利用，使得小麦的籽粒产量明显提高[44]。秸秆配施化肥处理下，SOC含量和小麦产量呈显著正相关（图4）。碳、氮养分均衡是保证土壤质量和植物生长的重要条件。合理C/N提高微生物代谢能力，增加土壤可溶性碳、铵态氮、硝态氮等有效养分含量，可供植物吸收利用[45]。因此，氮肥配施水平影响产量的增加幅度，化肥配施量达N 150 kg·hm-2、P2O5150 kg·hm-2时，氮素较为充足，通过改善土壤团聚体结构稳定性增加了对SOC的固持量，小麦产量显著提高。这表明S+NP处理通过促进大团聚体形成提升了土壤肥力和作物生产力。

4 结论

连续40年的秸秆配施化肥和单施化肥相比，提高了＞2 mm水稳性团聚体百分含量和团聚体稳定性，并增加了土壤有机碳和微生物量碳、氮含量。3个秸秆配施化肥处理中，S+NP处理通过提高＞0.25 mm团聚体含量及其对土壤有机碳、全氮的贡献率，增加了土壤的有机碳和全氮含量。此外，S+NP处理的小麦产量最高，比减施化肥处理（S+1/2NP和S+1/4NP）增产28.6%和47.5%。相关性分析显示，＞2 mm和＞0.25 mm粒级团聚体含量、MWD、GWD与土壤有机碳含量及小麦产量呈显著或极显著正相关，反映了土壤结构稳定性、有机碳积累与作物产量的协同关系。总体上看，S+NP处理（秸秆还田条件下，化肥用量150 kgN·hm-2、150 kg P2O5·hm-2）产量提升效果最好，实现了土壤结构改良、肥力提升和作物增产的协同效应。

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Synergistic Effects of Organic Carbon and Nitrogen Content in Water-Stable Aggregates as well as Microbial Biomass on Crop Yield Under Long-Term Straw Combined Chemical Fertilizers Application

1State Key Laboratory of Efficient Utilization of Arid and Semi-arid Arable Land in Northern China (the Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081);2College of Resource Environment and Tourism, Capital Normal University, Beijing 100048;3Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences/ Heihe Branch National Soil Quality Aihui Observation and Testing Station, Heihe 164300, Heilongjiang

【Objective】The effects of long-term straw combined application of chemical fertilizers on the content of aggregates, distributions of aggregate-associated organic carbon and nitrogen, and soil microbial biomass were studied to reveal the promotion of soil fertility and productivity. 【Method】Soil samples were collected from a 40-year long-term experiment. The research was conducted with 4 treatments: pure chemical fertilizer (NP), straw with chemical fertilizer (S+NP), straw with 1/2 chemical fertilizer (S+1/2NP), and straw with 1/4 chemical fertilizer (S+1/4NP), and the straw was returned with the amount of 3 000 kg·hm-2, chemical fertilizer NP was pure N 150 kg·hm-2and P2O5150 kg·hm-2conducted. All soils samples were separated into four aggregate-size classes (＞2 mm, 0.25-2 mm, 0.053-0.25 mm, and ＜0.053 mm) by wet sieving. Organic carbon and total nitrogen content of aggregates and soil microbial biomass content were measured. 【Result】(1) Long-term application of chemical fertilizers with straw reduced soil bulk density, while improved the stability of aggregates. Compared with NP, the bulk density of S+NP decreased by 4.7%, while the proportion of aggregates ＞2 mm in size, the average weight diameter (MWD) and geometric weight diameter (GWD) increased by 254.4%, 76.5% and 91.3%, respectively. (2) In the three chemical fertilizers combined with straw return, the percentage of aggregates ＞2 mm, MWD and GWD under S+NP and S+1/2NP were significantly increased by 49.1%-52.4%, 19.43%-22.4% and 24.2%-33.3%, compared with S+1/4NP, respectively. (3) Compared with NP, S+NP, S+1/2NP and S+1/4NP increased the contribution rate of aggregates ＞2 mm and ＞0.25 mm to SOC and total nitrogen, and significantly improved the SOC, SMBC and SMBN content in bulk soil. Among them, the SOC content was the highest under S+NP, which was 6.3% and 12.6% higher than that under S+1/2NP and S+1/4NP, respectively. (4) The yield was showed that S+NP＞NP＞S+1/2NP＞S+1/4NP, and S+NP increased wheat yield by 5.83%-83.6% compared with other treatments. (5) Positive correlation was revealed between soil aggregate stability, carbon and nitrogen content and crop yield, and ＞2 mm aggregate content, while MWD and GWD were significantly or extremely significant with the total soil SOC, SMBC content and wheat yield, respectively.【Conclusion】In the dark brown soil area, the long-term straw returning and fertilizer application of 150 kg N·hm-2and 150 kg P2O5·hm-2could improve aggregate stability, soil organic carbon content, microbial biomass and yield, and achieve the synergistic effect of soil structure improvement, fertility improvement and crop yield increase.

straw returned; chemical fertilizer; dark brown soil; water-stable aggregates; carbon and nitrogen content; microbial biomass; wheat yield

2022-03-24；

2022-04-19

中国农业科学院科技创新工程（CAAS-ZDRW202202）、国家重点研发计划（2018YFD0200408、2016YFD0300804）、国家科技支撑计划（2015BAD22B03）

韩紫璇，E-mail：18811799202@163.com。房静静，E-mail：837430785@qq.com。韩紫璇与房静静为同等贡献作者。通信作者武雪萍，E-mail：wuxueping@caas.cn。通信作者姜宇，E-mail：hhnks2008@163.com

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.08.007

（责任编辑 李云霞）