长期施用氮肥对麦玉轮作体系土壤水稳性团聚体和有机碳的影响

何 冰，刘 璐，魏 静，孙志梅，马文奇

（河北农业大学 资源与环境科学学院，河北 保定 071000）

土壤团聚体是土壤结构的基本单元，不同粒径土壤团聚体在养分的供给、保持和转化等方面发挥着不同的作用［1］。土壤有机碳是促进团聚体形成的重要胶结物质，二者互为基础，共同存在［2］。土壤团聚体通过保护土壤有机碳不被矿化，在保持土壤肥力和土壤结构方面发挥着重要作用。土壤团聚体稳定性是土壤结构形成、退化和稳定的重要指标。农业生产中无机肥料的长期不科学施用增加了土壤结构退化的风险，也导致了资源利用效率的降低和碳排放的增加［3］。因此，施肥技术的优化对于改善土壤结构，提升土壤肥力，提高土壤碳固存具有重要意义。

施肥不仅是保障作物高产稳产的必要手段，同时也通过对土壤团聚体的粒径分布和有机的研究表明碳含量等的影响而影响土壤的肥力性质。王飞等［4］研究表明36 年施肥后黄泥田土壤以＞2 mm 和0.5 ～2 mm 粒径团聚体为主。刘恩科等［2］通过长期定位试验研究表明，氮磷钾配施秸秆还田增加了褐潮土＞2 mm 和0.25 mm 粒径团聚体含量，同时也促进了这2 个粒径有机碳的富集。陈晓芬［5］、高会议等［6］研究表明土壤有机碳与＞5 mm、2 ～5 mm 团聚体含量呈显著正相关关系，与＜0.25 mm 团聚体含量呈极显著负相关。在采煤塌陷区单施有机肥、有机无机配施处理下复垦土壤水稳性团聚体主要分布在0.053 ～0.25 mm 粒径，且该粒径下团聚体有机碳含量也高于其他粒径［7］。由此可见，施肥措施、土壤质地等都会影响土壤团聚体粒径分布以及有机碳含量。此外，土壤团聚体稳定性对改善土壤肥力也至关重要。平均重量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）和分形维数（D）是表征土壤团聚体稳定性的重要指标。MWD 越高，则表示大团聚体的含量越高；GMD 值越大，代表团聚体越稳定；D 值越小则代表土壤的稳定性和结构性越好［8］。Guo 等［3］研究表明中国红壤长期施用无机肥后增加土壤团聚体稳定性；Tian 等［9］指出生物炭配施氮肥可有效改善土壤结构，并在减氮条件下提高大团聚体有机碳含量。但当前研究主要集中在化肥配施有机肥及有机物料的投入对土壤团聚体及其有机碳含量影响方面［10-11］，而关于氮肥长期施用对土壤团聚体粒径分布及团聚体有机碳含量的影响仍需深入研究。

华北平原是我国重要的粮食生产基地之一，农作物耕作面积和粮食产量分别占全国的31%和36%［12］。为实现作物增产稳产，施用氮肥是提高单位面积产量最有效措施之一［13］。统计表明该地区每年氮肥投入量约为588 kg /hm2，远高于其他国家施肥量［14］，而高强度的氮肥投入给生态环境和土壤质量造成了一系列的负面影响。因此，本文依托于长期麦玉轮作定位试验，探讨不同氮肥施用量下土壤水稳性团聚体的分布组成，以及不同粒径下土壤有机碳含量的响应变化，从团聚体的角度分析施用化肥对土壤结构及土壤肥力的影响，以期为化肥合理施用和土壤固碳减排提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

长期定位试验位于河北省保定市清苑区（E115°54′，N38°77′），地处暖温带大陆性季风气候区，年平均气温12 ℃，年均日照时间2 500 h，年均降水量为550 mm，无霜期165 ～210 d。供试土壤类型为潮壤土。该地区以小麦—玉米轮作为主要种植模式，试验起始于2010 年，初使耕层土壤基本理化性状为：有机质16.0 g/kg，全氮0.8g/kg，有效磷13.2 mg/kg，速效钾96.7 mg/kg，pH 值8.3。

1.2 试验设计

试验共设5 个施肥处理，分别为不施氮肥（N0），100 kg N/hm2（N100），180 kg N/hm2（N180），255 kg N/hm2（N255），330 kg N/hm2（N330），每个处理重复3 次，共15 个试验小区，小区面积44 m2（5.5 m×8 m），随机区组排列。试验田小麦、玉米轮作，两季各处理氮肥施用总量相同，玉米季按照基追比4∶6 施用（大喇叭口期追肥），小麦季基追比按4∶5∶1（追肥在拔节期和扬花期进行）施用。玉米季各处理磷（P2O5）和钾（K2O）施用量相同，分别为90 和120 kg/hm2；小麦季各处理磷（P2O5）和钾（K2O）施用量分别为150 和120 kg/hm2，全部作为基肥于播种前一次性施入土壤。供试玉米品种为‘郑单958’，小麦品种为‘济麦22’，玉米和小麦收获后秸秆全部还田。供试肥料氮肥为尿素（N 46%），磷肥为过磷酸钙（P2O512%），钾肥为氯化钾（K2O 60%）。

1.3 样品采集与测定

样品采集：2021 年（即试验开始后的第12 年）玉米收获后采集土壤样品。每个小区随机采集3 个田间原状耕层土样，置于硬质塑料盒，带回实验室后自然风干，用于土壤团聚体的测定。

土壤团聚体组成采用湿筛法测定［15］。将团聚体分析仪筛网依次按照2、0.5、0.25 和0.053 mm组装后，将风干土壤样品置于顶部筛网，沿桶壁缓慢加入蒸馏水（避免蒸馏水直接冲浇土样从而导致人为破坏团聚体组成）直至没过土壤样品，浸泡润湿5 min，再以30 次/min 频率、3 cm 振动幅度震荡15 min。振荡结束后将土壤和分散液分别转移至对应铝盒，烘干称重，收集各粒径土壤样品。

各粒级水稳性土壤有机碳含量采用重铬酸钾氧化法测定［16］。

1.4 相关参数计算

土壤团聚体平均重量直径（MWD），几何平均直径（GMD）和分型维数（D）的计算方法如下：

其中，Xi为第i粒级团聚体平均直径，Wi为第i粒级团聚体重量所占比重，W(δ＜)表示粒径小于的团聚体重量，wt为土壤团聚体总质量，Wmax为团聚体的最大粒径。

1.5 数据统计分析方法

使用Excel 2016 进行试验数据处理，使用SPSS 26 软件进行不同处理间的方差分析，并使用LSD法进行显著性检验（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同氮肥施用量对水稳性团聚体分布的影响

由图1 可知，不同氮肥施用水平土壤水稳性团聚体含量随粒径的减小而降低。以＞2 mm 粒径团聚体占比最高（36.5%～40.7%），显著高于其他粒径；＜0.053 mm 粒径粉黏粒团聚体含量最低（8.9% ～12.9%）。N100，N180，N255 和N330处理水稳性团聚体含量＞2 mm 粒径较N0 处理分别显著提高了8.6%、11.5%、10.3% 和8.8%；而N330 处理＞2 mm 粒径团聚体比重低于N180 和N255 处理，差异不显著。0.5 ～2 mm 粒径N330 处理较N0 处理显著提高了19.8%，但与各施氮处理间差异不显著。施氮与否对＜0.053 mm 粒径的团聚体影响不大。总体来看，增施氮肥主要增加了土壤水稳性大团聚体比重（＞2 mm，0.5 ～2 mm）。

2.2 不同氮肥施用量对水稳性团聚体稳定性的影响

由表1 可以看出，施用氮肥处理较N0 显著提高了土壤团聚体平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）。其中N100、N180、N255 和N330 处理MWD 值较N0 处理分别显著提高了7.1%、8.3%、8.8%和9.1%；GMD 值较N0 处理分别显著提高了14.7%、14.9%、16.8%和17.7%，但各施肥处理间差异不显著。而团聚体分型维数（D）则表现为以不施氮肥处理最高，施用氮肥处理降低的趋势。

表1 不同氮肥处理水稳性团聚体稳定性指标Table 1 Stability of soil water-stable aggregates under different N fertilization treatments

2.3 不同氮肥施用量对水稳性团聚体有机碳含量的影响

由表2 可知，不同氮肥施用水平土壤有机碳含量表现出了大团聚体高于微团聚体的趋势，其中以0.5 ～2 mm 粒径有机碳含量最高，为14.8 ～16.0 g /kg，显著高于0.5 mm 以下粒径有机碳含量，＞2 mm 粒径有机碳含量次之，显著高于＜0.25 mm 粒径有机碳含量。施用氮肥处理（N100、N180、N255 和N330）较N0 处理提高了大团聚体(＞0.5 mm)有机碳含量。其中，在＞2 mm 粒径团聚体有机碳含量以N180 处理最高，为14.8 g/ kg，较N0 处理显著提高了8.4%。0.5 ～2 mm 粒径团聚体有机碳含量以N225 处理最高，较N0 处理显著提高了8.0%。N330 处理有机碳含量＞2 mm 和0.25 ～2 mm 粒径尽管和N255 处理差异不显著，但表现出了降低的趋势。5 个施氮水平下0.5 mm 以下粒径团聚体有机碳含量均无显著差异。

表2 不同氮肥处理水稳性团聚体有机碳含量Table 2 Organic carbon content of soil water-stable aggregates under different N fertilization treatments

2.4 土壤团聚体组成、有机碳含量与稳定性指数的关系

如图2 所示，土壤稳定性指数MWD 和GMD呈极显著正相关关系（P＜0.01），而MWD 和GMD 则与D 呈显著负相关（P＜0.05）。

图2 土壤稳定性指标与团聚体含量、团聚体有机碳含量相关性分析Fig.2 Correlation analysis of soil stability index with aggregate content and the organic carbon content of aggregate

MWD 和GMD 均与＞2 mm 粒径团聚体和该粒径团聚体有机碳含量呈显著正相关（P＜0.05）；分型维数D 则与＞2 mm 和0.5 ～2 mm 粒径团聚体呈负相关关系，与＜0.053 mm 粒径团聚体和该粒径有机碳含量呈显著正相关（P＜0.05）。＞2 mm粒径团聚体有机碳含量与该粒径团聚体也呈极显著正相关关系（P＜0.01）。

3 讨论

土壤团聚体是土壤结构形成的重要基础，也是反映土壤肥力的重要指标。郑梅迎等［17］指出，＞0.25 mm 粒径团聚体是土壤中最好的结构体，其数量与土壤肥力状况呈显著正相关关系；孟庆英等［18］在东北地区的研究表明，优化施肥处理对于提高＞0.25 mm 粒径团聚体比重效果最为显著。本研究同样表明，华北农田麦玉轮作土壤以＞2 mm 粒径水稳性大团聚体为主，其次是0.25 ～2 mm 团聚体。这可能是由于本研究区玉米小麦秸秆全部还田，秸秆中的多糖、蛋白质、木质素等胶结物质促进了水稳性微团聚体向大团聚体的合成［6］。Six 等［19］提出的胚胎发育模型理论认为新鲜有机物能够促进大团聚体形成，大团聚体内的颗粒有机物则有助于形成微团聚体，大团聚体破碎后再将微团聚体释放出来。而氮肥的长期施用同样有助于提高＞2 mm和0.5 ～2 mm 粒径水稳性大团聚体的比重，降低＜0.25 mm 微团聚体比重。这可能是因为施用氮肥后增加了土壤碳氮输入量，促进了作物生长，增加了作物根系分泌物等新鲜有机物的输入；同时刺激了土壤微生物的种群数量及活性［20］，这些均有助于增加土壤胶结物质，进而促进大团聚体的形成。而有研究则表明，施用氮肥后提高了＜0.053 mm 粒径的水稳性团聚体含量，降低了水稳性大团聚体含量［21］。造成这种结果差异的原因在很大程度上是由不同研究中所选样地的土壤质地、基础营养等因素造成的。

本研究中施用氮肥后（N100、N180、N255 和N330）土壤团聚体平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）均显著高于不施氮肥处理（N0）；分型维数（D）则与之相反，与Dou 等［22］研究结果一致。由此可见长期施用氮肥对土壤结构不会产生显著的破坏作用。而有研究指出施用氮肥显著降低土壤稳定性［23］，这可能是由于土壤结构稳定性还会受土地管理方式和温度等因素影响［24］。长期免耕有利于提高土壤团聚体结构的稳定性［25］；而土壤温度的升高可能也会导致团聚体结构稳定性降低［26］。此外相关性分析表明，MWD 和GMD 与＞2 mm 粒径水稳性团聚体含量呈极显著相关关系，表明该粒径团聚体含量越高，土壤团聚体水稳性越强，土壤结构越稳定。

土壤有机碳与团聚体密不可分，提高土壤有机碳含量有利于土壤结构形成和结构稳定性的增强。当前研究表明，有机肥配施无机肥［27］、秸秆还田或添加生物炭［24］和保护性耕作［28］均能提高土壤大团聚体（＞0.25 mm）有机碳含量，从而提高土壤团聚体稳定性。本研究表明，不同氮肥施用量下土壤大团聚体有机碳含量同样高于微团聚体有机碳含量，其中＞2 mm 和0.5 ～2 mm 粒径与微团聚体有机碳含量差异显著，与魏艳春［29］和Adnan 等［30］研究结果一致。这可能是由于施用化肥后促进作物地下部生长，作物根系及其分泌物和真菌菌丝等粘结形成大团聚，从物理上保护大团聚体有机碳不被分解，进而增加大团聚体有机碳含量［31］；此外，土壤大团聚体较微团聚体对有机碳的吸收能力更强，从而增加了有机碳含量［32］。N255 处理较N0 处理显著提高了＞2 mm 和0.5 ～2 mm 粒径土壤团聚体有机碳含量，这可能是由于该处理增加了作物根茬和根系分泌物，进而增加了大团聚体有机碳含量。而长期过量施氮可能会增加土壤激发效应，进而降低土壤有机碳含量，本研究同样表明N330 处理＞2 mm 和0.25 ～2 mm 粒径有机碳含量低于N255处理。当前施用氮肥对土壤团聚体有机碳的影响主要表现为增加［33］或者无显著影响［34］，这可能是因为土壤类型，区域气候和作物类型等原因都会对土壤团聚体的形成及有机碳含量产生影响。相关性分析表明，＞2 mm 粒径有机碳含量与该粒径团聚体比重、MWD 和GMD 均呈正显著相关关系，说明该粒径土壤团聚体可能受土壤中有机碳的胶结作用影响，此外也表明水稳性大团聚体是储存有机碳的主要场所，符合Six 提出的大团聚体对土壤有机碳具有较好的保护作用的理论［35］。

4 结论

华北农田麦玉轮作土壤水稳性大团聚体含量和大团聚体有机碳含量均高于微团聚体。施用氮肥处理（N100、N180、N255 和N330）较不施肥处理显著提高了＞2 mm 团聚体比重、团聚体平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）。N255处理较N0 处理显著提高土壤了＞2 mm 和0.5 ～2 mm 粒径团聚体有机碳含量。而过量施肥（N330处理）降低了＞2 mm 团聚体比重及有机碳含量。＞2 mm 粒径有机碳含量与该粒径团聚体比重，MWD 和GMD 均呈正显著相关关系，表明适量施用氮肥可以增加＞2 mm 粒径水稳性大团聚体分布和该粒径有机碳含量，且不会明显破坏土壤结构。