秸秆还田下双季稻田土壤团聚体碳氮磷含量及生态化学计量比特征

王凤仁 ，逄蕾，沈健林，李言言，李宗明，王娟，吴金水

（1. 甘肃农业大学农学院/甘肃省干旱生境作物学重点实验室，甘肃 兰州 730070；2. 中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态过程重点实验室/长沙农业环境观测研究站，湖南 长沙 410125）

土壤碳、氮和磷是微生物和植物的养分来源，其在不同粒径团聚体中的含量及其生态化学计量比对养分的库容以及作物供给能力均有重要影响[1]。但当前作物生产过程中普遍存在偏施化肥现象，造成土壤理化性质改变，养分循环受到严重影响[2]。而秸秆作为土壤培肥物质，可在农业生产中代替部分化学肥料，将其还田后可改善农田土壤质量，提高养分利用效率[3]。因此，探明秸秆还田措施下不同粒径团聚体中碳、氮和磷养分特征及其生物有效性对提高作物养分利用效率至关重要。

秸秆还田是重要的土壤培肥方式，对改善土壤结构，提升土壤有机碳和养分含量均有较好效果[4]。Zhao等[5]将玉米秸秆和小麦秸秆混合还田后，提高了0～20 cm土层＞2 mm和0.25～2 mm粒径团聚体的百分含量32.0%和24.0%。李新悦等[6]研究显示，与常规化肥处理相比，秸秆还田+化肥处理下不同团聚体粒径中与碳循环相关的胞外酶含量不同，影响有机碳从微团聚体（＜0.25 mm）转向大团聚体（＞0.25 mm），促使土壤固碳量增加。同时，土壤生态化学计量比也会随着秸秆还田而变化。如Liu等[7]通过682个全球数据解析土壤生态化学计量对于农田秸秆添加的响应发现，较单施化学肥料而言，秸秆还田增加了土壤碳氮比（C∶N）和碳磷比（C∶P），秸秆还田使C∶N和C∶P比达到饱和的年限后，作物产量将不再呈现增加的趋势。孙娇等[8]将秸秆添加到风沙土中发现，土壤氮磷比（N∶P）和速效氮磷比（AN∶AP）也会随着秸秆还田量的添加而显著增加。上述研究结果表明，秸秆还田对改变土壤团聚体组成，和土壤C∶N∶P计量比均有重要影响，而秸秆还田后对不同粒径土壤团聚体中养分含量及其计量比的影响仍尚不清楚。

双季稻是我国亚热带区域的重要种植制度，全国种植面积达1050万hm2[9]。前期研究结果表明，双季稻田长期秸秆还田有助于提高氮肥利用效率[3]和土壤磷素有效性[10]，表明了秸秆还田对稻田养分循环的重要影响。然而，秸秆还田对氮磷养分有效性的影响，除了其对有机碳的提升作用外，是否与秸秆还田下土壤团聚体组成及其碳氮磷养分含量及其生态化学计量比的改变有关，还有待深入研究。因此，本研究基于不同秸秆还田量的双季稻田定位试验，于秸秆还田后的第9～10年测定稻田土壤团聚体的组成及团聚体碳氮磷含量，分析土壤团聚体分布、平均重量直径及各粒径团聚体碳氮磷生态化学计量比，旨在明确长期秸秆还田下双季稻田土壤各粒径团聚体对碳氮磷养分的贡献及生态化学计量比特征，以期为促进秸秆还田下双季稻田氮磷养分高效利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地点位于湖南省长沙县金井镇中国科学院亚热带农业生态研究所长沙农业环境观测研究站（112°80′ N，28°37′ E），海拔80 m，属于亚热带季风气候，年平均气温17 ℃，年平均降雨量1330 mm，且主要集中在3—8月份，占全年降雨量的60%以上，无霜期300 d。试验地为典型双季稻田，土壤为花岗岩母质发育的水稻土，土壤发生分类名为麻沙泥，土壤系统分类名为铁聚水耕土人为土（Fe-Accumulic-Stagnic）。试验开始前及开始后第9～10年各处理0～20 cm耕层土壤基础理化性质见表1。

表1 供试土壤基础理化性质Table 1 The basic physical and chemical properties of soil

1.2 试验设计

试验于2012年开始，依据当地水稻秸秆平均产量约为6 t/hm2，设置仅施化肥（CK）、低量秸秆还田（每季3 t/hm2，相当于一半秸秆还田）+化肥（LS）和高量秸秆还田（每季6 t/hm2，相当于秸秆全量还田）+化肥（HS）3个处理，每个处理重复3次，共9个小区。还田所用的秸秆均来自于上一稻季试验小区，还田时，将秸秆截为约10 cm长度，均匀撒入小区，并用旋耕机翻压于20 cm深度。同时，为保证秸秆还田和未还田小区养分投入量相同，秸秆还田小区化肥投入量减去秸秆所携带的养分含量（N：6.5 g/kg，P2O5：1.8 g/kg，K2O：23.4 g/kg）。各处理早稻季施用尿素（以N计）120 kg/hm2，钙镁磷肥（以P2O5计）75 kg/hm2，氯化钾（以K2O计）100 kg/hm2；晚稻季磷、钾肥用量与早稻季相同，氮肥用量为150 kg/hm2。磷、钾肥全部作为基肥施用，氮肥的基肥、分蘖肥和穗肥施用比例为5:3:2。小区面积为35 m2（7 m×5 m），水稻苗移栽的行距和株距均为20 cm，采用双季稻耕作制度。供试早稻品种为“潭两优45”，晚稻品种为“玉针香”。

1.3 样品采集与分析

于2020年和2021年（定位试验开始后的第9～10年）早稻收获前进行样品采集，取0～15 cm土层深的原状土，放入保鲜盒中，带回实验室进行自然风干，当土壤水分达到塑限（含水量22%～25%）时将土样掰碎约1 cm3大小，继续风干，待土样完全风干后装袋，室温保存，以备后续水稳性团聚体测定。

采用湿筛法[11]测定土壤水稳性团聚体。并用四分法取50 g风干土，放入最上部套筛（孔径依次为2 mm、1 mm、0.25 mm、0.053 mm）然后把套筛慢慢浸入无气泡的水桶中进行湿润10 min，且使最上部筛子边缘与桶中的水相平，再把水桶放到土壤团聚体分析仪上（XY-100；中国），以振幅3 cm，震动频率为50次/min振荡30 min后筛分结束，收集留在筛子上的各粒径水稳性团聚体，所有组分于60 ℃烘干称重后，将各粒径水稳性团聚体磨细，过筛，室温保存。

用碳氮元素分析仪（Elementar Vario Pyro Cube，Germany）测定各粒径水稳性团聚体总碳（TC）和总氮（TN）含量；采用三酸（氢氟酸、高氯酸、硝酸）消解—连续流动分析仪（Auto Analyzer 3，AA3，SEAL Analytical，Germany）测定总磷（TP）含量。

1.4 数据处理与计算

评价土壤稳定性的指标，水稳性团聚体质量百分含量、粒径＞0.25 mm水稳性团聚体质量百分含量和平均重量直径计算方法为：

式中：wi为i粒径水稳性团聚体质量百分含量（%），Mi为i粒径水稳性团聚体的质量（g），MT为水稳性团聚体总质量（g），R0.25为粒径＞0.25 mm水稳性团聚体含量（%），MT0.25为＞0.25 mm的水稳性团聚体总质量（g），MWD为水稳性团聚体平均重量直径（mm），xi为i粒径水稳性团聚体平均直径（mm）。

参考邱莉萍等[12]的研究，计算各粒径水稳性团聚体对土壤TC、TN和TP的贡献率，将各粒径团聚体百分比和养分含量相结合，共同计算团聚体各粒径对于土壤养分的贡献。具体计算方法为：

式中：CRi为i粒径水稳性团聚体对土壤总碳（总氮、总磷）的贡献率（%），wi为i粒径水稳性团聚体质量百分含量（%），TXi为i粒径水稳性团聚体的总碳（总氮、总磷）含量（g/kg），TXt为土壤总碳（总氮、总磷）含量（g/kg）。

试验数据统计及作图采用Excel 2016软件，SPSS 25.0进行单因素方差分析（One Way-ANOVA）和Duncan法多重比较（P＜0.05）。

本文中的化学计量比均为质量比，文中图表所用数据为2020年和2021年均值。

2 结果与分析

2.1 土壤水稳性团聚体组成及稳定性分析

各处理下，R0.25均超过80.0%（表2），说明试验中的稻田土壤结构主要以水稳性大团聚体（＞0.25 mm粒径）为主，且LS和HS处理的R0.25和MWD显著大于CK处理（P＜0.05），表明秸秆还田有利于提高土壤水稳性团聚体稳定性，主要表现在＞2 mm粒径。秸秆还田下＜0.25 mm的粒径进一步分级后（0.053～0.25 mm和＜0.053 mm粒径），其水稳性团聚体的百分含量，较CK处理显著降低（P＜0.05）。这与秸秆还田增加土壤有机质有关，土壤有机质作为团聚体形成的重要胶体物质，其数量和质量影响团聚体团聚的效果，伴随着秸秆还田，土壤有机质会变得丰富，较小的土壤颗粒会在有机质及作物根系的作用下团聚在一起，形成较大的颗粒。

表2 秸秆还田下稻田耕层土壤水稳性团聚体分布特征(%)Table 2 Distribution characteristics of soil water-stable aggregates in the tillage layer of the paddy field with straw incorporation (%)

2.2 土壤水稳性团聚体碳氮磷含量分析

5个粒径水稳性团聚体中的碳氮磷含量测定的结果表明，各粒径水稳性团聚体TC含量在13.6～24.4 g/kg之间（图1）。与CK相比，HS处理使土壤获得大量的额外碳源，促使水稳性团聚体各粒径中的TC含量显著增加（除1～2 mm粒径）（P＜0.05）。其中0.25～1 mm粒径水稳性团聚体增幅效果最大，可达28.1%（P＜0.05），此粒径是较小的大团聚体，既可以通过较大团聚体的崩解获得TC，又可以较大的面积以吸附的方式进行碳汇聚，秸秆还田后外源碳的大量增加促进了此粒径对于TC的储存。

图1 秸秆还田下稻田耕层土壤水稳性团聚体总碳、总氮和总磷含量Fig. 1 Contents of total carbon, total nitrogen and total phosphorus of soil water-stable aggregates in the tillage layer of the paddy field with straw incorporation

各粒径水稳性团聚体TN含量范围为1.3～2.4 g/kg（图1）。碳氮作为耦合性较强的元素，其在各粒径水稳性团聚体中的分布具有较高的一致性。本试验研究结果表明，TN含量在CK、LS和HS处理下各粒径水稳性团聚体中的变化趋势与TC含量相似；高量秸秆还田后，土壤有机质增加，促进了土壤对于无机氮的固持能力，所以与CK相比，各粒径水稳性团聚体（除1～2 mm粒径）TN含量显著增加（P＜0.05），其中0.25～1 mm粒径水稳性团聚体增幅效果最大，增幅达到22.9%。由于各处理氮素总投入量相同，表明秸秆还田可以增加土壤对环境氮素（大气沉降、灌溉和生物固氮）的固定。

各粒径水稳性团聚体TP含量范围为0.4～0.7g/kg（图1）。磷元素具有易被固定特点，LS和HS处理下各粒径水稳性团聚体中的TP含量与对照没有显著差异。秸秆还田处理磷素的总投入量与对照处理相同，表明在总投入量不变的情况下，秸秆还田能维持土壤总磷的稳定。

2.3 土壤水稳性团聚体生态化学计量学特征分析

各粒径水稳性团聚体的C∶N范围为10.0～10.8（图2），其比值相对稳定。与CK处理相比，仅HS处理显著提高1～2 mm粒径水稳性团聚体C∶N，增幅为4.2%（P＜0.05）。

图2 秸秆还田下稻田耕层土壤水稳性团聚体碳氮磷生态化学计量比Fig. 2 Eco-stoichiometric ratios of carbon, nitrogen and phosphorus of soil water-stable aggregates in the tillage layer of the paddy field with straw incorporation

各粒径水稳性团聚体的C∶P的范围为22.0～42.6。相同处理下0.053～0.25 mm粒径水稳性团聚体C∶P较其他粒径低（图2），这与该粒径较其他粒径相比TP含量最高而TC含量相对较低有关。与CK处理相比，LS处理显著增加了＞2 mm和1～2 mm粒径水稳性团聚体的C∶P，增幅分别为12.6%和17.0%（P＜0.05），而HS处理显著增加了＞2 mm、1～2 mm、0.053～0.25 mm和＜0.053 mm粒径水稳性团聚体的C∶P，增幅分别为14.0%、31.3%、38.0%和20.0%（P＜0.05），这说明HS处理对于微团聚体（＜0.25 mm）的C∶P影响力高于LS处理。

各粒径水稳性团聚体的N∶P范围为2.2～4.1。其变化趋势与C∶P相似，在0.053～0.25 mm粒径水稳性团聚体中出现最低值，进一步证实水稳性团聚体粒径中的TC和TN含量具有高度的相关性。HS处理提高了土壤TN，进而影响了水稳性团聚体的N∶P，使其显著增加（除0.25～1 mm粒径），与CK处理相比增幅可达16.9%～35.3%（P＜0.05）。

2.4 水稳性团聚体对土壤养分的贡献率分析

各处理下不同粒径水稳性团聚体对土壤TC、TN和TP的贡献率由高到低依次为＞2 mm、0.25～1 mm、1～2 mm、0.053～0.25 mm、＜0.053 mm（表3），这一结果与各粒径水稳性团聚体的分布比例大小一致，说明水稳性团聚体分布特征对各粒径水稳性团聚体的土壤养分贡献率影响较大。与CK处理相比，LS和HS处理下，0.053～0.25 mm和＜0.053 mm粒径水稳性团聚体对土壤TC、TN和TP的贡献率显著下降，降幅可达20.7%～34.4%（P＜0.05）。而＞2 mm粒径水稳性团聚体对土壤TC、TN和TP的贡献率则显著增加（P＜0.05）。这主要与秸秆还田显著提高了＞2 mm水稳性团聚体组成比例有关。

表3 秸秆还田下稻田耕层各粒径水稳性团聚体对土壤养分的贡献率（%）Table 3 Contribution rate of water-stable aggregates with different grain sizes to soil nutrients in the tillage layer of the paddy field with straw incorporation (%)

3 讨论

3.1 秸秆还田对土壤水稳性团聚体组成的影响

研究表明，秸秆还田是土壤有机碳最直接且有效的来源，在其分解过程中微生物以较强的活性参与其中，促使大量糖类、有机酸和氨基酸等胶结物质产生，将土壤砂粒、粘粒和已形成的微团聚体通过胶结和缠绕等作用形成大团聚体[13]，提高土壤稳定性，增加土壤孔隙度和降低土壤容重[14]。本试验显示LS和HS处理下0.053～0.25 mm和＜0.053 mm粒径水稳性团聚体百分含量显著降低。这与在河北栾城潮土小麦—玉米轮作试验中秸秆还田显著提高粒径＞0.25 mm团聚体含量[15]的研究结果相似，主要原因在于秸秆还田后水稻根系活性增强，根际分泌物含量提高，且秸秆还田后微生物量也增加，从而促进土壤颗粒团聚的胶结物质增加。依据Six等[16]提出的团聚体周转模型理论推测，秸秆还田后新形成的土壤环境中团聚力高，大团聚体抗破碎程度强，内部崩解形成微团聚体的程度要小于无秸秆还田土壤，从而对团聚体的周转产生影响，进一步解释了本试验R0.25和MWD在秸秆还田处理下呈现增加的趋势（表2）。宋依依[17]等在辽宁沈阳开展的棕壤玉米地秸秆还田试验也表明，秸秆还田主要以提高＞2 mm粒径水稳性团聚体百分含量而增加土壤团聚体稳定性。黄璐等[18]在山西洪洞县开展的石灰性褐土麦田连续3年秸秆还田试验发现， ＞0.25 mm团聚体含量随着秸秆还田量的增加而增加，＜0.25 mm微团聚体含量则随秸秆还田量的增加而减少，证实了秸秆还田可提高土壤大团聚体含量。土壤中＞0.25 mm的团聚体是土壤中最好的结构体，其数量与土壤肥力水平呈正相关[1]。因此，本试验中秸秆还田较对照显著增加R0.25，从而提高土壤团聚体稳定性，改善土壤肥力水平。

3.2 秸秆还田影响水稳性团聚体碳氮磷含量对稻田养分循环的意义

土壤养分供应是作物养分吸收的重要来源，也是实现作物高产的重要条件[19]。当农田资源秸秆被当作有机肥料归还与土壤后，在微生物的参与下，大量养分释放到土壤中，并进一步被作物吸收，使得更多的养分在生态循环的过程中发挥最大的效益。团聚体作为土壤的重要组成结构，承担着土壤养分保护功能，其中，大团聚体（＞0.25 mm）会通过包裹作用维持较多的土壤碳[20]。本试验显示，较CK而言，HS处理可以促进更多的碳和氮元素存在于＞2 mm和0.25～1 mm粒径水稳性团聚体中，且＜0.053 mm粒径水稳性团聚体中TC和TN含量也较高（图1），这是因为微团聚体会通过较大的比表面积的吸附作用而减少土壤有机碳和氮损失[20]。TP在田间处理下各粒径水稳性团聚体中并没有显著性差异（图1），可能与土壤磷元素移动性低，且各处理磷素投入量相同有关。然而，稻田秸秆还田为产甲烷（CH4）微生物提供了丰富的碳源，增加CH4的排放，增强稻田的温室效应[21]。且秸秆还田下，土壤碳氮比的提高，会产生正激发效应，促进土壤原有有机碳的矿化[22]。综上所述，秸秆还田虽然会改善土壤团粒结构，增加土壤养分循环，但存在增加稻田原有有机碳矿化和增加CH4排放等不足之处，今后的研究中要综合考虑秸秆还田的养分效益与温室效应。

本试验结果表明，与CK相比，随着秸秆还田量的提高，如0.053～0.25 mm粒径水稳性团聚体，TC和TN的幅度分别从9.5%～9.9%上升到20.2%～22.6%（图1）。这与王永栋等[23]的研究相似，在一定范围内随着秸秆量的增加，微生物可利用的碳源越丰富，而集中在秸秆附近的微生物活性越强[24]，所需氮源也随之提高，因此促进秸秆的腐解速率，从而进一步影响土壤水稳性团聚体的TC和TN含量。另一方面，各粒径水稳性团聚体TC、TN和TP含量对于土壤总养分的贡献率随着水稳性团聚体百分含量的变化而变化（表3），所以当秸秆还田显著增加R0.25时，＞0.25 mm粒径水稳性团聚体的养分对于耕层总养分的贡献率有所提高。以往研究表明，土壤大团聚体是土壤养分氮、磷供应的主要结构单元[25]。因此，秸秆还田后土壤大团聚体对氮磷等养分的贡献增加将有利于提高水稻氮磷吸收。这与前期观测到的秸秆还田促进了氮磷吸收的研究结果相一致[3,10]。

3.3 水稳性团聚体碳氮磷生态化学计量特征对水稻养分吸收的意义

生态化学计量比特征可指示土壤养分在循环过程中的有效性。土壤C∶N可指示土壤有机质分解和氮素矿化速率，C∶N越低，土壤有机质分解和氮素矿化速率越高[26]。本研究显示各粒径水稳性团聚体中的C∶N保持在9.8～10.8之间（图2），低于我国农田土壤均值（11.9）[27]。LS和HS处理与CK相比并未显著提高各粒径水稳性团聚体的C∶N，说明有机质分解和氮素矿化速率在各粒径水稳性团聚体之间是相似的，这与C和N同为生命体的必需元素，在生态系统中的积累和消耗相对固定有关。有研究表明土壤C∶P可指示土壤磷的有效性，C∶P越小，土壤有效磷越高[28]。本试验中HS处理与CK处理投入等量的氮和磷，但秸秆还田会增加额外的碳源，导致C∶P在＞2 mm、1～2 mm、0.053～0.25 mm和＜0.053 mm粒径水稳性团聚体中显著增加（P＜0.05），其中1～2 mm（40.5）和＜0.053 mm（42.6）粒径水稳性团聚体的C∶P（图2）高于我国农田土壤均值（38.1）[29]。虽然秸秆还田下各土壤水稳性团聚体粒径的C∶P增加，但根据蒋炳伸等[10]的研究，秸秆还田稻田水稻的磷素吸收并未受到限制。这可能与本研究土壤水稳性团聚体的C∶P虽然增加，但并未达到限制作物磷素吸收的阈值，从而不至于影响水稻磷素吸收。

土壤N∶P可以指示土壤氮素和磷素的供应情况[30]，本研究显示HS处理与CK相比，显著提高了各粒径水稳性团聚体（除0.25～1 mm粒径）的N∶P（P＜0.05），其中＞2 mm、1～2 mm和＜0.053 mm粒径水稳性团聚体的N∶P均值（图2）高于我国农田土壤均值（3.37）[29]。这一结果与秸秆还田相较于单施化肥不仅可以提高大团聚体比率而增加对土壤有机氮的固持，还可以通过缓慢的分解过程[31]，降低水稻生育期氮素的径流、淋溶[32]和挥发损失[21]有关，从而将更多的化肥氮通过植物和微生物转化为有机氮而保存在土壤团聚体中。土壤N∶P的提高有助于提高土壤氮素有效性，这与我们前期观测到的秸秆还田下水稻氮素利用率提高的研究结果相一致[3]。

4 结论

研究表明，双季稻田秸秆还田后的第9～10年，土壤＞2 mm粒径水稳性团聚体的百分含量显著增加，增加幅度（16.4%～26.0%）随秸秆还田量的增加而增加。同时，秸秆还田显著增加了土壤各粒径水稳性团聚体（除1～2 mm外）总碳和总氮含量，增幅分别可达28.1%和22.9%，而对各粒径水稳性团聚体总磷含量没有显著影响。秸秆还田显著提高了＞2 mm粒径水稳性团聚体对于土壤总碳、总氮和总磷的贡献率。且秸秆还田增加了＞2 mm、1～2 mm、0.053～0.25 mm和＜0.053 mm粒径水稳性团聚体氮磷比（N∶P）和碳磷比（C∶P），其中高量秸秆还田促进效果更加突出。

双季稻田秸秆还田后增加了土壤团粒结构体和碳氮储量，对于改善土壤结构和提高土壤肥力具有较好的效果。同时，秸秆还田下土壤水稳性团聚体氮磷比的提高，有助于促进作物对于氮素的吸收和提高氮肥利用效率。