化肥减量配施有机肥和秸秆对华北潮土团聚体分布及稳定性的影响

2020-08-20吴宪张婷王蕊王欣奕赵建宁王丽丽杨殿林李刚修伟明

生态环境学报 2020年5期

吴宪，张婷，王蕊，王欣奕，赵建宁，王丽丽，杨殿林，李刚，修伟明

农业农村部环境保护科研监测所/农业农村部产地环境污染防控重点实验室/天津市农业环境与农产品安全重点实验室，天津 300191

土壤团聚体作为土壤结构的重要物质基础和肥力的重要载体，能够协调土壤水肥气热之间的关系（樊红柱等，2015），同时与土壤的抗风蚀、抗水蚀、保护有机质的分解和促进微生物活动密切相关（Wang et al.，2017）。土壤团聚体的稳定性受多种因素的制约（Bai et al.，2019）。不稳定团聚体可能通过产生较小的可迁移颗粒阻碍土壤养分的输送，并加剧地表径流和土壤侵蚀（姜灿烂等，2010）。提高土壤团聚体的稳定性有利于减少土壤养分流失和水土流失，对作物生长和环境保护具有重要意义。目前，学者们对土壤团聚体稳定性的评价主要以干筛法和湿筛法为主（武均等，2018）。干筛法获得的机械稳定性团聚体主要反映团聚体在田间的原有结构，湿筛法获得的水稳定性团聚体主要反映团聚体遇水后的分散机制（Huang et al.，2017）。团聚体的评价指标很多，粒径>0.25 mm的大团聚体含量与土壤肥力之间存在一定的正相关关系，因此经常用来表示良好的土壤结构，但是此方法容易忽略其他粒级的信息。有研究提出将平均质量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）和分形维数（PSD）作为土壤团聚体分布及稳定性的指标（孙隆祥等，2018），可以较好地反映土壤结构的稳定性。

面对农业生产中化肥施用量不断增加对农田土壤质量和生态环境造成巨大威胁的严峻形势，化肥减量与有机肥替代成为农业可持续发展的重要举措。长期施用化肥和有机肥均能对土壤团聚体的组成与分布产生影响（张大庚等，2017）。有研究显示，与不施肥相比，长期施用化肥可以提高土壤团聚体的稳定性（Das et al.，2014），但也有报道表明单施化肥能降低土壤团聚体的稳定性（Zhou et al.，2017）。Wang et al.（2015）在对黄土高原旱作农田进行研究时发现秸秆还田能够通过改变微团聚体的粒径分布来提高团聚体的稳定性。张鹏等（2012）研究发现连续 4年的玉米秸秆还田可以提高表层土壤中机械稳定性大团聚体（>0.25 mm）的比例。Yan et al.（2013）通过长达25年的定位试验研究发现，施用猪粪能够显著提高团聚体的稳定性。尽管添加秸秆和配施有机肥对土壤团聚体稳定性的提升效果已经在红壤（姜灿烂等，2010）、棕壤（Das et al.，2014）等多种土壤类型和水田（李文军等，2014）、旱地（王晓娟等，2012；王碧胜等，2019）等不同土地利用类型上得到证实，但是土壤团聚效果对施肥措施的响应可能会因肥料类型和土壤性质的不同而不同（Guo et al.，2018）。目前绝大多数研究均以不施肥处理作为对照，且主要关注单一作物种植下的影响，但是在实际农业生产中化肥对农作物生长的重要性和不可替代性显而易见，农业种植模式也是多种多样。在化肥减量的基础上通过配施有机肥和秸秆来补充土壤养分已逐渐成为现代农业生产的常规管理模式。有研究表明，复种轮作可以提高大团聚体比例，并且不同作物的根系可以改善土壤物理结构，利于大团聚体的形成，这说明种植制度对土壤团聚体的稳定性也存在一定影响（刘恩科等，2010）。

小麦-玉米轮作制是华北潮土区主要农业生产模式之一，研究轮作体系下土壤团聚体的稳定性具有现实意义。前人的研究主要侧重于不同耕作方式对土壤团聚体稳定性的影响（刘威等，2015），且主要采用湿筛法测定水稳定性团聚体，但干筛法能更好地反映旱地农田的土壤结构特性。因此，本试验以华北潮土区小麦-玉米轮作为研究对象，采用干筛法和湿筛法研究化肥减量配施有机肥和秸秆对小麦季和玉米季农田土壤团聚体稳定性的影响，以期为农田土壤的合理利用及肥料管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于天津市宁河区试验基地（39°48'N，117°71'E），属于温带大陆性季风气候，年平均气温11.2 ℃，年平均降水量642 mm，全年无霜期210 d，供试土壤为潮土，是华北耕作区典型的土壤类型。

1.2 试验设计

定位试验始于2015年10月，种植制度为小麦-玉米轮作，分别设置常规施肥（100%化肥，CK）、化肥减施（70%化肥，F）、化肥减量配施秸秆（FS）、化肥减量配施有机肥（FM）、化肥减量配施有机肥和秸秆（FSM）共 5种施肥处理。所用肥料为无机复合肥（N质量分数8%，P2O5质量分数13%，K2O质量分数5%）、磷肥（P2O5质量分数12%）、钾肥（K2O质量分数60%）、尿素（N质量分数46%）以及有机肥（NPK总养分量≥5%，有机质质量分数≥40%，石家庄市希星肥业科技有限公司生产）。在连续施肥的第4年（2019年）取土样分析。

冬小麦播种前将有机肥、磷肥、钾肥、总氮量60%化肥（无机复合肥）作为基肥一次性施入。小麦收获后，在玉米播种前同样将磷肥、钾肥和总氮量60%化肥（无机复合肥）作为基肥一次性施入。总氮量40%化肥（尿素）在小麦苗期或玉米拔节期作为追肥施入，小麦季与玉米季无机肥施用量相同，有机肥只在小麦季施入，各小区总施肥量见表1。小麦季所有处理产生的小麦秸秆全部粉碎后覆盖地表还田，玉米季FS和FSM处理产生的玉米秸秆粉碎成小段随土壤耕翻还田。于2019年5月小麦收获前和9月玉米收获前，使用直径5 cm的土壤采样器采集0—20 cm耕层土壤，将在每个区域随机采集的5个土芯混合成1个土壤样品，剔除石砾和植物残体等杂质后装入灭菌自封袋暂存于保温箱中并迅速带回实验室。在采集和运输过程中尽量减少对土样的扰动，以免破坏团聚体。将每份土壤样品分为3份子样品，一份风干后测定土壤有机质和全氮质量分数，另一份风干后用于干筛法测定，第3份于4 ℃保存用于湿筛法测定。小区面积较大（22 m×22 m），故没有设置重复小区，在取样时将小区分为3个区域即3次假重复（王梅等，2018）。

表1 各试验小区总施肥量Table 1 Fertilizer application in test plots

1.3 研究方法

1.3.1 测定方法

采用干筛法测定土壤团聚体的机械稳定性和湿筛法测定土壤团聚体的水稳定性。试验前将两种方法所使用的土样根据水分含量折合成同一标准。干筛法：取100 g风干土样置于套筛（孔径依次为5.0、2.0、1.0、0.5、0.25、0.125、0.05 mm）顶部，用自动筛分机（型号DM185，浙江正泰电器股份有限公司生产）震荡5 min，测定各孔径筛子上土样质量。湿筛法（戴珏等，2012）：取100 g新鲜土样，在蒸馏水中浸泡5 min，依次通过0.25 mm和0.05 mm筛子，分别得到>0.25 mm和0.05—0.25 mm粒级团聚体；将滤出的悬浊液在4 ℃下离心（150×g，5 min），重复此步骤3次，即得到<0.05 mm粒级团聚体。最后将称取不同粒级团聚体质量并测定含水量。土壤有机质采用重铬酸钾容量法测定；全氮采用半微量开氏法测定。

1.3.2 数据处理

参照李文军等（2014）和崔荣美等（2011）对团聚体各指标的计算方法处理数据。

式中：wi为i粒级团聚体质量所占比例，干筛法和湿筛法分别按公式（1）和（2）计算。Wdi和Wwi分别为干筛法和湿筛法各粒级团聚体质量。

利用各粒级团聚体数据，计算R0.25、MWD、GMD和PSD。

式中：mr>0.25为粒径大于0.25 mm团聚体的质量，mr<0.25为粒径小于0.25 mm团聚体的质量，mT为团聚体总质量。

分形维数PSD的计算公式为：

采用Excel 2018处理数据，并采用SPSS 23.0进行单因素方差分析（One-way ANOVA），相关图采用Origin 2018绘图。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对土壤有机质和全氮含量的影响

不同施肥处理改变了土壤有机质和全氮含量（图 1）。小麦季，化肥减量配施有机肥和秸秆处理（FS、FM 和 FSM）的有机质和全氮含量显著高于CK处理。与F处理相比，FS和FM处理显著提高了有机质含量，FM 处理显著提高了全氮含量。玉米季，FM处理有机质质量分数最高，较CK和F处理分别显著提高了21.3%和20.1%。玉米季各处理全氮质量分数没有显著差异。

图1 土壤有机质和全氮质量分数Fig. 1 Soil organic matter and total nitrogen mass fraction

2.2 不同施肥处理对土壤团聚体粒径分布的影响

2.2.1 机械稳定性团聚体组成变化

干筛法获得的机械稳定性团聚体粒径分布如图2所示。从各级团聚体总体分布来看，化肥减量配施有机肥和秸秆对土壤团聚体分布影响各不相同。小麦季时，机械稳定性团聚体多集中于 0.5—1.0 mm粒级，约占20%，其次是1.0—2.0、0.25—0.5、2.0—5.0 mm粒级，占比均约为16%—18%，而>5.0 mm和0.05—0.125 mm粒级的机械稳定性团聚体占比较低，均约为 10%，质量分数最低的是0.125—0.25 mm和<0.05 mm粒级。与小麦季不同的是，玉米季机械稳定性团聚体粒径分布情况大致为：>5.0 mm、2.0—5.0 mm和1.0—2.0 mm粒级团聚体的质量分数均超过了 20%，显著高于其它粒级，且显著高于小麦季相应粒级的质量分数，而其它5个粒级团聚体质量分数均显著低于小麦季。

小麦季和玉米季F处理与CK相比各个粒级之间差异均不显著。小麦季时，FS处理显著增加了粒径>5.0 mm团聚体含量，1.0—2.0、0.5—1.0、0.05—0.125 mm和<0.05 mm粒径的土壤团聚体含量显著下降。FM处理显著增加了2.0—5.0 mm粒级团聚体含量，0.25—0.5 mm和0.05—0.125 mm粒级团聚体含量显著下降。FSM 处理显著提高粒径>5.0 mm团聚体含量，显著降低粒径0.5—1.0 mm团聚体含量。玉米季时，FS、FM和FSM处理的0.5—1.0、0.25—0.5、0.125—0.25 mm粒级团聚体含量均显著低于 CK，而其它粒级团聚体含量之间的差异均未达到显著水平，无明显规律性。在化肥减量的基础上进行秸秆还田或配施有机肥均可提高较大粒级机械稳定性团聚体含量，在小麦季表现出的团聚作用要优于玉米季，但从整体上看玉米季施肥处理对粒径>1.0 mm机械稳定性团聚体含量的提高发挥的作用要高于小麦季。

2.2.2 水稳定性团聚体组成变化

小麦季和玉米季水稳定性团聚体组成整体上均呈现“逐渐下降”的趋势，即粒径>0.25 mm大团聚体含量最高，0.05—0.25 mm粒级团聚体次之，<0.05 mm的微团聚体含量最低（图3）。

湿筛法获得的水稳定性团聚体粒级分布结果与干筛法一致，在F与CK之间差异不显著。FS、FM和FSM中，>0.25 mm水稳定性团聚体含量均显著高于CK，小麦季<0.05 mm粒级和玉米季0.05—0.25 mm粒级水稳定性团聚体含量均显著低于CK，说明在化肥减量的基础上进行秸秆还田和配施有机肥有利于促进土壤水稳定性小团聚体聚合成大团聚体。但是从整体来看，有机肥和秸秆添加处理对粒径>0.25 mm团聚体含量增幅的影响小于对0.05—0.25 mm和<0.05 mm粒级降幅的影响，表明大团聚体的形成是一个缓慢的过程，需要从小团聚体逐级聚合成大团聚体。

2.3 不同施肥处理对土壤团聚体R0.25的影响

玉米季干筛法获得的机械稳定性团聚体R0.25显著高于小麦季，而湿筛法获得的水稳定性团聚体R0.25在两个作物类型之间无显著差异（表2）。

图2 小麦季（A）和玉米季（B）机械稳定性团聚体组成Fig. 2 Composition of mechanical stable aggregates in wheat season (A) and maize season (B)

图3 小麦季（A）和玉米季（B）水稳定性团聚体组成Fig. 3 Composition of water stable aggregates in wheat season (A) and maize season (B)

表2 不同施肥处理下干筛法和湿筛法中>0.25 mm团聚体质量分数Table 2 Mass fraction of >0.25 mm aggregate in dry and wet sieving methods under different fertilization treatments

无论小麦季还是玉米季，F处理中的机械稳定性和水稳定性团聚体R0.25与CK相比差异不显著。在干筛法中，与CK相比，小麦季FS、FM和FSM处理中的团聚体R0.25显著提高了 6.03%、5.87%和4.54%，玉米季FSM处理显著提高了6.63%，FS和FM处理较CK没有显著差异，但表现出比例上升的趋势。在化肥减量的基础上进行秸秆还田和配施有机肥均能提高表层土壤>0.25 mm的机械稳定性团聚体的数量，使土壤团粒结构的数量增多，小麦季比玉米季表现得更为明显。湿筛法结果与干筛法基本一致，小麦季和玉米季均表现出秸秆还田和配施有机肥处理（FS、FM 和 FSM）的团聚体R0.25显著高于 CK，分别提高了 21.88%、26.09%和18.99%以及5.73%、7.90%和7.58%。FM处理水稳定性团聚体R0.25在小麦季和玉米季均表现最高，且小麦季比玉米季表现得更为明显。化肥减量配施有机肥更有利于表层土壤水稳定性团聚体的形成，提高土壤结构的稳定性和抗侵蚀能力。小麦季湿筛处理下的R0.25在 59.89%—75.52%之间，干筛处理下在 81.95%—86.89%之间，而玉米季湿筛处理下的R0.25在64.09%—71.86%之间，干筛处理下在92.09%—97.42%之间。可以看出该土壤的水稳定性大团聚体的数量较多，且小麦季水稳定性大团聚体的比例要高于玉米季。在化肥减量的基础上进行秸秆还田和配施有机肥均会导致土壤大团聚体的含量增加，有利于表层土壤大团聚体的形成。

2.4 不同施肥处理对土壤团聚体稳定性的影响

干筛法下，小麦季的MWD和GMD值均呈现FS>FSM>FM>F>CK的变化趋势，且FS、FM和FSM处理均显著高于CK，但3个处理之间差异不显著（表3）。玉米季的MWD和GMD值均呈现FSM>FS>FM>F>CK的变化趋势，仅FSM处理显著高于CK，FS、FM和FSM 3个处理之间差异不显著。玉米季的MWD和GMD显著高于小麦季，说明玉米季土壤团聚体的机械稳定性优于小麦季。这进一步说明长期施用有机物料可以提高土壤的团聚程度，改善土壤结构。湿筛法结果同干筛法一致，小麦季FS、FM和FSM的MWD和GMD均显著高于CK，但三者之间差异不显著。玉米季各处理之间MWD和GMD差异均不显著。进一步分析发现，小麦季时，FS处理干筛法的MWD和GMD显著高于F，FM处理湿筛法的MWD和GMD显著高于F。

2.5 不同施肥处理对土壤团聚体分形维数的影响

土壤团聚体分形维数可作为评价土壤肥力水平的综合性定量指标，分形维数越小，团粒结构越好（林清美等，2018）。小麦季和玉米季各处理土壤的机械稳定性团聚体和水稳定性团聚体的分形维数PSD变化范围分别为2.16—2.36（小麦季）和2.16—2.57（小麦季）以及1.89—2.15（玉米季）和2.18—2.33（玉米季，图 4）。小麦季和玉米季各处理机械稳定性团聚体分形维数之间差异不显著。小麦季FS、FM和FSM处理的水稳定性团聚体分形维数均显著低于CK。玉米季只有FM显著低于CK，但是FS、FM和FSM均显著低于F，这表明秸秆和有机肥的施入对土壤结构的稳定性发挥了积极作用。从整体来看，玉米季机械稳定性团聚体分形维数PSD低于小麦季，这与“2.3”节中玉米季干筛法获得的机械稳定性团聚体R0.25显著高于小麦季和2.4中干筛处理下玉米季的MWD和GMD整体显著高于小麦季的结果相一致。

表3 不同施肥处理土壤团聚体稳定性指标Table 3 Stability indicators of soil aggregates under different fertilization treatments

图4 机械稳定性团聚体（A）和水稳定性团聚体（B）分形维数Fig. 4 Particle-sized dimension of mechanical stable aggregates (A) and water stable aggregates (B)

小麦季和玉米季分形维数 PSD与土壤团聚体R0.25的相关性分析表明（表 4），小麦季时，PSD与>0.25 mm机械稳定性和水稳定性团聚体含量存在显著负相关关系（P<0.05）；玉米季时，PSD与>0.25 mm机械稳定性团聚体含量呈显著负相关关系（P<0.05），与水稳定性团聚体含量达到了极显著负相关关系（P<0.01）。土壤分形维数越大，粒径>0.25 mm团聚体含量越低。粒径>0.25 mm大团聚体含量的增加有利于提高土壤团聚体的稳定性，进一步改善了土壤结构性。

表4 PSD与土壤团聚体R0.25的相关分析Table 4 Correlation analysis between PSD and soil aggregate R0.25

3 讨论

土壤团聚体的粒径分布和稳定性是衡量土壤质量的重要指标。本研究发现在化肥减量的基础上进行秸秆还田和配施有机肥均有利于土壤团聚体的形成并提高其稳定性，这与李锐等（2017）的研究结果相一致。但是仅减少30%的化肥施用量对土壤团聚体的稳定性并没有显著影响，这与崔江辉等（2018）的研究结果基本一致。

作物秸秆还田能增加土壤有机质含量，提高农业生产体系的稳定性，对土壤团聚体结构的形成具有重要作用（Malhi et al.，2012）。本研究结果表明FS处理显著提高了小麦季粒径>0.25 mm团聚体的含量、MWD和GMD值，显著降低了水稳定性团聚体 PSD；玉米季水稳定性团聚体R0.25值差异明显，但趋势与小麦季一致，说明化肥减量配施秸秆有利于土壤团粒结构的形成并降低不稳定团粒指数，提高团聚体的稳定性，改善土壤抗侵蚀能力。这与先前的研究结果秸秆还田能有效提高旱作土壤大团聚体的形成，明显改善盐渍土团聚体的稳定性（王会等，2019）相一致。秸秆随耕作进入土壤后可能成为大团聚体形成的核心物质，吸附细小颗粒聚合形成大团聚体（王碧胜等，2019）。本研究显示，玉米季干筛团聚体>1.0 mm的3个粒级含量显著高于小麦季相应粒级的含量，而其它5个粒级团聚体含量均显著低于小麦季。这可能是因为小麦收获后，小麦秸秆就地覆盖还田能够减少地表裸露，减缓雨滴对土壤的打击力，缓解外力对土壤结构的影响（Peng et al.，2016）。进一步来看可能是玉米根系发达，根系分泌物较多，根系分泌物产生的有机酸和多糖类物质能够增强土壤颗粒之间的团聚化作用（周芸等，2019）。北方地区冬季寒冷昼夜温差较大，小麦秸秆覆盖和玉米秸秆还田降低了小麦季因冻融交替和玉米季因干湿交替对土壤团聚体的破坏（杨永辉等，2017）。

本研究结果表明化肥减量配施秸秆和有机肥可提高土壤粒径>0.25 mm水稳定性团聚体含量、MWD和GMD值，降低PSD值，这与周芸等（2019）和李建华等（2018）研究结果相似。有机肥与化肥配施能够为土壤提供丰富的外源有机质，直接向土壤中补充大量的活性有机物质，这些有机物质在微生物的分解下为团聚体的形成提供了所需的有机无机胶结物质，同时还会激发土壤生物活性（Zhang et al.，2019），从而使小粒级团聚体胶结形成大团聚体，提高了土壤的团聚程度，进而提高大团聚体含量，并增强其稳定性（李文军等，2014）。秸秆的施入使土壤中存在更多的新鲜根茬和根系分泌物，化肥施入土壤后会通过增加植物枯枝落叶、根系等有机物料促进土壤团粒结构的形成，增加土壤中大团聚的含量，大团聚体更易受微生物和根系的影响（Wang et al.，2018）。

本研究小麦季配施有机物料的3个处理（FS、FM、FSM）对干筛大团聚体的含量具有显著变化，而玉米季无明显规律，这可能是小麦前茬作物玉米收获后秸秆还田和施入有机肥导致土壤有机质含量增加，使得小麦季土壤大团聚体含量提高。湿筛团聚体FS、FM和FSM处理的R0.25均显著高于CK，这与土壤中有机质含量的增加有关，并且秸秆还田可能会在耕作时增加扰动阻力，减少对团聚体的破坏作用（姜灿烂等，2010）。小麦季水稳定性大团聚体的比例要略高于玉米季。这可能与冬小麦种植周期较长，夏季降雨量较多有关。