化肥减施下紫云英不同翻压量对水稳性团聚体及双季稻产量的影响

聂 鑫，鲁艳红，廖育林，高雅洁，程会丹，朱启东，曹卫东，聂 军,3

(1.湖南大学研究生院 隆平分院，湖南 长沙 410125；2.湖南省土壤肥料研究所，湖南 长沙 410125；3.农业部湖南耕地保育科学观测实验站，湖南 长沙 410125；4.中国农业科学院 农业资源与农业区划研究所，北京 100081)

30多年来，农业肥料从以有机肥为主转变成以化肥为主[1]。化肥为粮食高产发挥了重要作用，但目前中国单位耕地面积化肥使用量已经超过国际公认安全施用量上限近一倍[2]。化肥过度施用使肥料利用率降低，作物增产效率下降，同时也带来了一系列土壤质量问题[3]。团聚体是组成土壤的基础和养分的主要载体，团聚体的组成和稳定影响土壤结构，进而影响植物的生长发育。团聚体的大小和数量影响土壤的水、肥、气、热等状况[4]，是反映土壤肥力与健康的重要指标之一，同时土壤有机碳对土壤团聚体的形成和稳定性也具有重要作用[5]。

有机肥与化肥配施可以提高水稳性大团聚体含量, 改善土壤团聚体的结构[6]。有机物料施用提高微生物活性的同时，其被微生物分解产生的有机酸、腐殖物质，起到有机胶结剂的作用，可以把土壤颗粒胶结成微团聚体，并进一步团聚成大团聚体[7]。聂军等[8]研究表明，有机肥与化肥配施可以增加有机质含量，改善土壤结构。安婷婷等[9]研究表明，使用有机肥可以提高团聚体的活力，减少团聚体被人为破坏粒级间转化。绿肥是纯天然有机肥，种植绿肥可以解决我国耕地质量整体偏低，农业生产对化肥依赖较大等问题[10]。紫云英是豆科绿肥的一种，在南方稻区有种植紫云英绿肥的传统[11]。种植翻压紫云英具有改善土壤物理性状、提高土壤养分含量等效果，能为后茬水稻提供良好的生长环境[12]。张钦等[13]发现翻压绿肥能够提高不同粒级土壤团聚体和水稳性大团聚体含量。刘春增等[14]在紫云英配施不同量化肥的研究中发现土壤中0.25～2.00 mm粒级团聚体占比最大，提供了土壤中主要的有机碳和全氮，而化肥的施用不利于该粒级的形成与稳定。这些研究主要报道了减肥翻压绿肥和土壤结构、团聚体养分之间的关系，但多是利用旱地土壤且试验时间较短，对南方水田紫云英翻压并减施化肥对团聚体结构及水稻产量研究较少。本研究利用在洞庭湖区的定位试验，研究连续长期化肥减量下不同紫云英翻压量对水稳性团聚体的影响，以确保在化肥减量施用下水稻不减产，同时能提高土壤团聚体稳定性的紫云英翻压量，从而为该土壤类型紫云英综合利用提供参考依据并指导农业生产。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验开始于2008年，试验区位于湖南省益阳市南县(北纬29°11′，东经 112°18′，海拔高度30 m)，属洞庭湖双季稻区，季风湿润气候，年平均气温16.6 ℃，年平均降水量1 238 mm，年日照时间1 775 h。供试土壤为湖积物发育的紫潮泥，试验开始前测得0～20 cm土壤基本理化性状为pH值7.7、有机碳27.5 g/kg、全氮3.28 g/kg、全磷1.26 g/kg、全钾21.7 mg/kg、碱解氮251.0 mg/kg、有效磷15.6 mg/kg、速效钾98 mg/kg。

1.2 试验设计

试验采用田间小区，试验小区长5 m，宽4 m，小区间用高20 cm，宽30 cm的田埂覆膜隔离，每个小区有单独的排灌系统。早稻品种为湘早籼45，晚稻为黄华占，紫云英为湖南省土壤肥料研究选育的湘紫1号。紫云英翻压量设4个水平，分别为15 000(GM1)，22 500(GM2)，30 000(GM3)，37 500 kg/hm2(GM4)，F100指当地的常规施肥量，N 150 kg/hm2，P2O575 kg/hm2，K2O 120 kg/hm2；F80指氮、钾肥用量为常规施肥的80%，磷肥不变。共6个处理，每个处理随机排布重复3次，各试验小区施肥量见表1。

表1 不同处理紫云英和化肥用量

晚稻收割前10～15 d在小区内均匀播撒紫云英种子，播种量为22.5 kg/hm2，不施任何肥料。每年3月底早稻育秧，4月中、下旬移栽，4月份早稻移栽前10 d左右紫云英称质量翻压还田，浅水湿润腐解。晚稻于6月中旬育秧，7月中、下旬移栽。N、P、K化肥品种分别为尿素、过磷酸钙和氯化钾。晚稻无紫云英翻压，各处理早稻、晚稻化肥施用量相同。50%尿素作基肥在移栽前1 d施入；另外50%在分蘖盛期作追肥施入；磷肥和钾肥均在移栽前作基肥施入。基肥施入后用铁耙翻入5 cm深的土层中。早晚两季水稻收获后，稻草移走不还田。

1.3 样品采集

在2018年晚稻收获后采集各小区耕作层(0～20 cm)土壤，每小区采集5个样点的块状原装土样品，用硬塑盒盛装，以免在运输过程中路途颠簸使原状土挤压变形。取回的原状土在室内阴凉风干，当土壤含水量达到塑性时，用手沿着土块自然破碎面缝隙轻轻掰开，将杂质剔除干净，过8 mm筛网，将过了8 mm筛网的风干样依次通过2.000，1.000，0.500，0.250，0.106 mm粒级筛网进行干筛，称质量保存。

参照Six等[15]的土壤团聚体湿筛法进行团聚体分离。具体操作：按干筛比例配取100 g干筛土，平铺于2 mm筛子上，蒸馏水浸泡5 min，水稳性团聚体的分离利用DIK-2001土壤团粒分析仪1 min内振荡30次持续30 min进行，土样依次通过2.000，1.000，0.500，0.250，0.106 mm粒级筛网，收集各粒级水稳性团聚体转移至铝盒中烘箱60 ℃烘干，达到恒质量后称质量，将烘干的土样研磨后通过0.150 mm网筛筛测定各粒级团聚体有机碳、全氮含量[16]。

1.4 计算方法与数据处理

数据、图表采用IBM SPSS Statistic 20和Microsoft Excel处理，单因素方差分析，Duncan新复极差法进行多重比较，差异显著性为P<0.05水平。

用平均重量直径(MWD)、平均几何直径(GMD)表示团聚体结构稳定性。计算公式如下[17]。

各粒级团聚体有机碳(全氮)的贡献率(%)计算公式[18]如下：

某粒级团聚体有机碳(全氮)对全土有机碳(全氮)的贡献率=该级团聚体中有机碳(全氮)含量×该级团聚体的含量(%)/全土有机碳(全氮)含量×100%。

2 结果与分析

2.1 不同紫云英翻压量下土壤水稳性团聚体组成及分布的变化

团聚体的含量与分布反映了土壤结构的稳定性，长期施用化肥和紫云英对耕层土壤中不同粒径水稳性团聚体含量分布较一致。如表2所示，各处理均以>2.000 mm粒级水稳性团聚体占比最大(51.84%～67.42%)，0.106～0.250 mm水稳性团聚体含量最少(4.75%～8.24%)，>0.250 mm水稳性团聚体含量均较高(82.48%～89.78%)。>2.000 mm粒径团聚体含量在F100处理最高，显著高于其他处理；与CK相比，减肥翻压紫云英处理>2.000 mm粒级水稳性团聚体含量均下降，且表现出 F80+GM3>F80+GM2>F80+GM1>F80+GM4的高低顺序，其中F80+GM4降幅达到显著水平；与CK、F100处理相比，减施化肥翻压紫云英处理提高了1.000～2.000 mm，0.500～1.000 mm两粒级水稳性团聚体含量，且随紫云英翻压量的增大而增大，以F80+GM4处理的占比最大。

表2 土壤水稳性团聚体分布

2.2 不同紫云英翻压量下土壤水稳性团聚体稳定性的变化

土壤团聚体稳定性体现了土壤物理性状质量的高低，水稳性团聚体稳定性一般用平均重量直径(MWD)和平均几何直径(GMD)表示。如图1所示，各处理MWD和GMD的大小分别为2.91～3.59 mm，1.22～1.41 mm，顺序均为F100>F80+GM3>F80+GM2>CK>F80+GM1>F80+GM4。其中F100处理的MWD、GMD值显著高于对照，分别增加了0.53，0.19 mm；氮钾减施翻压紫云英处理与对照处理相比差异不显著。

不同字母表示处理之间差异达到5%显著水平。图2-7同。

2.3 不同粒级团聚体中有机碳含量、分布及对土壤有机碳的贡献率

经过连续11 a翻压紫云英，不同处理土壤有机碳含量存在差异(图2)。各施肥处理有机碳含量均高于对照处理(CK)，其中F80+GM2处理有机碳含量最高，达38.98 g/kg；其次是F80+GM4，为38.11 g/kg，二者差异显著且均显著高于CK，而F100、F80+GM3和F80+GM1处理则与CK差异不显著。

图2 不同施肥处理土壤有机碳含量

有机碳在不同粒级团聚体中的含量与分布如图3。本试验中>2.000 mm，1.000～2.000 mm，0.500～1.000 mm，0.250～0.500 mm，0.106～0.250 mm，<0.106 mm各粒级团聚体有机碳含量分别为37.18～41.99 g/kg，39.15～45.82 g/kg，39.10～46.69 g/kg，37.41～44.14 g/kg，36.77～41.53 g/kg，24.42～28.31 g/kg。在>0.106 mm粒级团聚体中，不同处理水稳性团聚体有机碳含量变化均表现为减量施肥翻压紫云英处理>F100>CK，且随着紫云英翻压量的增加呈先升高后降低的趋势，至F80+GM3有机碳含量达到最大值。

图3 不同施肥处理各粒级团聚体有机碳含量与分布

如图4所示，各处理土壤中>2.000 mm，1.000～2.000 mm，0.500～1.000 mm，0.250～0.500 mm，0.106～0.250 mm及<0.106 mm粒级团聚体有机碳占全土有机碳比例分别为51.68%～68.33%，6.85%～12.59%，8.71%～13.34%，5.74%～9.85%，4.52%～8.03%，3.63%～6.75%。本试验各处理>0.250 mm的大团聚体粒级土壤有机碳含量较高，其中>2.000 mm粒级的占比最大，随着粒径变小有机碳贡献率降低。在>2.000 mm粒级团聚体，F100处理有机碳贡献率最大，在减量施用化肥翻压紫云英的4个处理中，有机碳贡献率随紫云英翻压量先升高后降低，F80+GM3处理的有机碳贡献率最大，而F80+GM4贡献率最小，显著低于其他各处理；在1.000～2.000 mm，0.500～1.000 mm粒级，减施化肥翻压紫云英处理的团聚体有机碳贡献率显著高于CK、F100处理。

图4 不同施肥处理团聚体粒级有机碳贡献率

2.4 不同粒级团聚体中全氮含量、分布及对土壤全氮的贡献率

如图5所示，不同处理耕层土壤全氮含量为3.34～3.66 g/kg，较试验前土壤全氮含量提高。各处理的全氮含量变化表现为F80+GM2>F80+GM4>F80+GM3>F80+GM1>F100>CK。

图5 不同施肥处理土壤全氮含量

如图6所示，不同施肥处理按团聚体粒级从大到小顺序，全氮含量分别为3.56～4.01 g/kg，3.60～4.19 g/kg，3.43～4.21 g/kg，3.60～4.13 g/kg，3.40～3.93 g/kg，2.57～3.08 g/kg。在>0.500 mm粒级时F80+GM3处理全氮含量最高，而在<0.500 mm粒级以F80+GM4处理全氮含量最高。在>0.106 mm粒级，施肥处理全氮含量高于CK；在>2.000 mm，1.000～2.000 mm，0.500～1.000 mm粒级团聚体，随着紫云英翻压量的增大，全氮含量呈先升高后降低的趋势，至F80+GM3处理全氮含量最大；在0.250～0.500 mm，0.106～0.250 mm粒级团聚体上，随紫云英翻压量的增加，团聚体全氮含量呈增加趋势，以F80+GM4处理的全氮含量最高。

图6 不同施肥处理各粒级团聚体全氮含量与分布

如图7所示，各粒级团聚体氮分别占土壤总氮的比例为51.33%～67.46%，6.46%～11.64%，8.62%～12.95%，5.24%～9.72%，4.40%～7.59%，3.96%～6.88%。>0.250 mm粒级团聚体的全氮对土壤全氮贡献率占比较大，其中以>2.000 mm粒级的占比最大。在>2.000 mm粒级，F100处理的团聚体全氮贡献率最大，CK次之，而在减量施用化肥翻压紫云英的4个处理中，全氮贡献率随紫云英翻压量的增加先升高后降低，至F80+GM3达到最大值，与F80+GM1和F80+GM2处理差异不显著，均显著高于F80+GM4处理；随着紫云英翻压量增大，F80+GM4处理0.106～2.000 mm各粒级团聚体的全氮贡献率显著降低。

图7 不同施肥处理团聚体粒级全氮贡献率

2.5 化肥减量下不同紫云英翻压量对双季稻产量的影响

2018年不同处理早、晚及全年两季水稻产量如表3所示。由表可知，和对照(CK)处理相比，各施肥处理早、晚和全年水稻产量显著提高(P<0.05)，增产率分别为86.8%～99.4%，45.5%～51.5%，60.7%～68.2%。在4个紫云英施用处理中，随紫云英翻压量的增加早、晚稻及全年水稻产量均呈先增加后下降的变化趋势，至F80+GM3处理早、晚稻及全年水稻产量最高，达到5 457，7 757，13 213 kg/hm2，且早稻和全年产量与其他3个紫云英替代化肥处理相比差异达到显著水平；与F100处理相比早、晚两季和全年产量也增产了5.4%，2.9%，3.9%，其中早稻和全年产量增产达显著水平，而F80+GM1、F80+GM2、F80+GM4处理早、晚及全年产量均与F100处理无显著差异。

表3 不同施肥处理早、晚稻产量及增长率

3 讨论与结论

3.1 长期施肥对水稳性团聚体特征的影响

土壤团聚体是土壤结构的重要组成基础，同时也是土壤养分的主要载体，其分布和稳定性是土壤质量的表征[19]。一般将大于0.250 mm粒径的团聚体称为大团聚体，大团聚体含量、土壤平均质量直径和几何平均直径越大，土壤团聚体分布状况与稳定性越好[20]。土壤团聚体的形成、分布与土壤中有机碳的含量和分布密切相关，有机碳对增强土粒的团聚性、促进团粒结构的形成有重要作用[21]。本试验经过长期的耕作和施肥，和试验前基础土壤(27.5 g/kg)相比各处理有机碳含量增加。谢丽华等[22]研究也发现增施有机肥后0.250～2.000 mm 团聚体有机碳含量增高，从而提高0.250～2.000 mm团聚体含量。本研究也发现，与CK处理相比，本试验中减量施用化肥翻压紫云英处理主要增加了水稳性大团聚体(>0.250 mm)中1.000～2.000 mm，0.500～1.000 mm 2个粒级团聚体的含量，这也可能与翻压紫云英增加了这2个粒级的有机碳含量，从而增加大团聚体含量有关。而单施化肥对大团聚体中>2.000 mm粒级影响较大，而对其他粒级作用较小，向艳文等[23]研究也发现，均衡施用化肥或化肥和有机物料长期配施有利于增大0.500～2.000 mm团聚体含量，说明在本研究中常规施肥对>2.000 mm粒径形成有促进作用。而Six等[24]认为大粒级团聚体首先形成，小粒级团聚体再形成于大粒径团聚体内部，所以本试验中的F100 处理缺少有机物料的投入，土壤中的微生物活性不高，大团聚体中>2.000 mm粒级团聚体未被分解，土壤团聚度高。根据Eilliott[25]的团聚体组成模型，大团聚体是由微团聚体在含碳量较高的黏合剂(菌丝、根系、微生物和糖类物质)黏合而成。适量翻压紫云英不仅增加了土壤中有机养分，同时有机物质提高土壤中微生物活性，增强了其固碳能力，1.000～2.000 mm，0.500～1.000 mm的团聚体含量也随紫云英翻压量的增加而增大，并在F80+GM4处理(氮钾减量20%，翻压紫云英37 500 kg/hm2)最高；而在>2.000 mm粒级减量施用化肥翻压紫云英也有增大团聚体含量的趋势，在F80+GM3(氮钾减量施用20%，翻压紫云英30 000 kg/hm2)处理最高，是由于翻压适量的紫云英在为水稻提供养分的同时也为团聚体的形成和稳定提供了有机碳，有利于改善土壤团聚体结构，而继续增大紫云英翻压量会使土壤中的微生物活动破坏、分解>2.000 mm团聚体结构，从而使1.000～2.000 mm，0.500～1.000 mm粒级团聚体含量增加。

平均重量直径(MWD)和平均几何直径(GMD)与土壤有机碳和全氮的相关性较大[26]。比较各处理之间MWD和GMD，发现其大小趋势一致，F100处理最大，其他处理之间差异不显著，而F100处理MWD和GMD值较高主要由于>2.000 mm粒级的团聚体含量较高。单施化肥处理>2.000 mm粒级团聚体中的有机碳作为胶结剂使团聚体稳定性提高，但其也可能降低了土壤中植株可吸收有机碳含量，导致水稻产量降低。而不施肥和减肥翻压紫云英处理之间虽然无显著差异，但在4个减肥翻压紫云英处理中出现了随紫云英翻压量先增加后减少的趋势，说明紫云英种植利用后可以提高土壤中的有机碳含量，在供应水稻吸收获得高产的同时也可以作为胶结剂作用于团聚体，逐渐提高其稳定性，而在F80+GM4处理下降则可能是长期投入过量有机物料使土壤中积累的还原物质破坏了团聚体结构。

3.2 长期施肥对土壤团聚体中有机碳和全氮含量、分布及贡献率的影响

团聚体的形成与有机碳含量的高低密切相关，团聚体是有机碳的主要储存场所。胡晓珊等[27]研究显示，豆科禾本科轮作能快速增加土壤有机碳的储存。本研究结果表明，施肥特别是减量施用化肥翻压紫云英处理水稳性团聚体中的有机碳含量均高于CK(对照)处理，且有机碳主要分布在大团聚体中，F80+GM3处理(减施氮钾20%翻压紫云英30 000 kg/hm2)在各粒级的有机碳含量占比最大，Puget等[28]也发现大团聚体比微团聚体含有更多的有机碳。在>2.000 mm，1.000～2.000 mm，0.500～1.000 mm，0.250～0.500 mm，0.106～0.250 mm粒级，其他3个减肥翻压紫云英处理的有机碳高于CK和F100处理，Wang等[29]研究也表明，长期单施化肥不能显著提高各粒级有机碳含量。而在1.000～2.000 mm，0.500～1.000 mm粒级水平机碳贡献率也和紫云英的翻压量呈正相关，同时也显著高于对照和单施化肥处理。因此，减施氮、钾翻压紫云英能提高1.000～2.000 mm，0.500～1.000 mm粒级团聚体中的有机碳分布。

紫云英是豆科植物，其根系有根瘤固氮菌，种植和翻压紫云英可以将大气中的氮固定到土壤中，从而增加土壤氮容量。丁文成等[30]通过同位素标记发现和单施化肥相比，有机肥、化肥配施对土壤微生物量氮的贡献大。程乙等[31]发现土壤有机碳和全氮的变化趋势具有一致性，和本试验结果相同。在>2.000 mm，1.000～2.000 mm，0.500～1.000 mm粒级水平，减施化肥翻压紫云英处理的全氮含量都显著高于对照和单施化肥处理，而随着化肥减量施用和紫云英翻压量的增加，全氮含量先增加后下降，也在减施氮钾20%翻压紫云英30 000 kg/hm2处理全氮含量最大，而在<0.500 mm粒级中，随着紫云英翻压量的增加，团聚体全氮含量不断增加。团聚体全氮贡献率和有机碳贡献率相似，减肥翻压紫云英增大了1.000～2.000 mm，0.500～1.000 mm粒级的全氮含量，并与紫云英翻压量呈正相关。李文军等[32]对红壤水稻土团聚体氮储量的研究结果也显示，>0.250 mm粒级团聚体中全氮含量随团聚体粒径减小而增加。刘春增等[14]研究也发现，化肥施用量减少20%～40%翻压紫云英后，>2.000 mm和0.250～2.000 mm团聚体内有机碳和全氮含量明显提高。紫云英作为活性有机物料输入后，可能提高了土壤微生物活性，并将分解后的有机碳、全氮储存在1.000～2.000 mm，0.500～1.000 mm粒级中。

3.3 长期施肥对水稻产量的影响

在农业生产过程中，水稻产量是养分利用最直观的表征。紫云英作为有机肥源，可以替代部分化肥而不会造成减产，在冬闲覆盖改良土壤的同时也可以节约化肥的投入。本研究表明，单施化肥或紫云英配施都显著增加水稻产量，但在F80+GM1处理时对比F100水稻产量降低，这是由于减施了20%的化肥，而翻压的15 000 kg/hm2紫云英不能完全替代减施化肥的量。在减量施用化肥20%条件下翻压紫云英30 000 kg/hm2早、晚稻和全年水稻产量最高，吕玉虎等[33]研究结果也表明，在黏性水稻土减肥20%翻压紫云英30 000 kg/hm2稻米产量最高，且有效穗数及每穗实粒数也处于较高水平。但随着紫云英翻压量继续增大至37 500 kg/hm2，水稻早稻和全年产量显著降低，这可能是由于早稻季过量紫云英有机物料翻压腐解，产生了还原性物质抑制了水稻的生长发育[34]，而在晚稻季虽然土壤长期积累还原性物质，但无紫云英翻压，水稻产量降低但差异不显著。

综上，化肥减施下翻压紫云英对土壤水稳性大团聚体中1.000～2.000 mm，0.500～1.000 mm粒级的形成与稳定有促进作用；与对照、单施化肥处理相比，减施氮钾肥翻压紫云英可以增大水稳性大团聚体各粒级有机碳、全氮含量，且在1.000～2.000 mm，0.500～1.000 mm粒级最高，以减施氮钾肥20%翻压紫云英30 000 kg/hm2效果最显著；在本试验中减量施用氮钾肥20%条件下翻压紫云英30 000 kg/hm2显著提高水稻早、晚和全年产量，而过量施用紫云英不利于>2.000 mm粒级团聚体形成、稳定及水稻高产，同时会造成资源浪费。