减施化肥下紫云英翻压量对土壤团聚体及铁锰氧化物的影响

徐永昊，聂 军，鲁艳红，耿明建，黄 丽*

（1.华中农业大学，农业农村部长江中下游耕地保育重点实验室，湖北 武汉 430070； 2.湖南省土壤肥料研究所，农业农村部湖南耕地保育科学观测实验站，湖南 长沙 410125）

土壤团聚体是土壤结构最基本的单元，对土壤理化性质有着重要影响，是土壤肥力的基础［1］。良好的团聚体组成可促进植物对土壤养分的吸收，维持生物群落多样性，抵抗地表土壤侵蚀［2］。土壤团聚体的分布与稳定性受到众多因素的影响；通常，团聚体稳定性与团聚体的胶结物质呈正相关［3］。氧化物是团聚体的重要胶结物质之一，其在土壤中的类型、含量以及分布等直接影响土壤团聚体的形成与稳定［4］。

紫云英是南方稻田的一种主要绿肥作物，紫云英翻压能够提高土壤有机质含量，且能长效地为土壤提供氮素，一定程度上起到替代化肥的作用［5］。曹卫东等［6］研究认为，在翻压紫云英22.5 t·hm-2后，减少20%～40%的化肥用量，水稻产量仍有提高。在实际生产中，紫云英作为有机物料加入土壤中被微生物分解产生胶结物质［7］，促使土壤颗粒粘结形成团聚体，且微生物分解利用产生的代谢产物提高了团聚体的稳定性，有研究指出，翻压紫云英虽未显著提高土壤中大团聚体的含量，但明显提高了团聚体的稳定性，随着紫云英翻压量的提高，团聚体平均重量直径（MWD）逐渐增加［8］。紫云英作为有机肥，其翻压在影响土壤团聚体分布的同时，可以改变团聚体中氧化物的分布，在不同程度上影响氧化物的转化［9］。有报道，长期施用化肥及化肥与紫云英、稻草、猪粪配施显著地提高了各级团聚体中的非晶质铁含量（增幅10.5%～58.5%），降低了游离铁的含量（降幅0.4%～13.8%），团聚体中铁的活化度提高了19%～76%［10］。

紫云英翻压能给土壤带来大量的外源有机物料，促进土壤团聚体的形成，并且水稻土频繁的干湿交替环境也会影响铁锰氧化物的形态。目前，对于紫云英翻压配合化肥减施的研究主要针对土壤肥力、水稻产量等方面，而土壤团聚体中铁锰氧化物的转化及其与团聚体稳定性之间的关系并不清楚。为此，本文以湖南省南县长期紫云英种植还田的水稻土为对象，探讨在化肥用量减少20%和40%的情况下，翻压不同量紫云英对土壤团聚体水稳性以及铁锰氧化物的影响，明确减施化肥条件下紫云英的适宜翻压量，以期为南方双季稻种植区紫云英的合理利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

试验于2009年在湖南省南县三仙湖乡万元桥村（N 29°13′，E 112°28′，海拔高度30 m）进行。试验区属亚热带湿润气候，年均降水量 1 238 mm，年均气温16.6℃，全年日照时数1 775 h。供试土壤为河湖沉积物母质发育的紫潮土。试验前耕层0～20 cm土壤的pH 7.78、有机质47.9 g·kg-1、全氮2.52 g·kg-1、全磷1.05 g·kg-1、全钾20.9 g·kg-1、碱解氮219 mg·kg-1、有效磷23.4 mg·kg-1、速效钾92.3 mg·kg-1［11］。

1.2 试验设计

设置10个处理：

处理1：紫云英单独翻压（MV），不施化肥、种植翻压紫云英22.5 t·hm-2；

处理2：当地常规全量100%施肥（F），冬季休闲、不种植翻压紫云英；

处理3至6：化肥减量20%条件下（F 80），分 别 翻 压15.0、22.5、30.0、37.5 t·hm-2紫 云 英（鲜重），分别表示为：15 t+F 80，22.5 t+F 80，30 t+F 80，37.5 t+F 80；

处理7至10：化肥减量40%条件下（F 60），分 别 翻 压15.0、22.5、30.0、37.5 t·hm-2紫 云 英（鲜重），分别表示为：15 t+F 60，22.5 t+F 60，30 t+F 60，37.5 t+F 60；

上述减肥处理中氮、钾肥均同比例减施，磷肥用量不变。10个处理在田间采用完全随机区组排列，重复3次，紫云英翻压时，小区内多余紫云英移出，若不足则从邻近地块移入、按量补足。

全量100%化肥施用量为：N 150 kg·hm-2；P2O575 kg·hm-2；K2O 120 kg·hm-2。氮磷钾化肥品种分别为尿素、过磷酸钙和氯化钾；氮肥50%作基肥于移栽前1 d施入，50%作追肥在分蘖盛期施入，磷肥和钾肥均在移栽前作基肥施入。

早稻于每年4月中旬移栽，7月中旬收获，品种（组合）为湘早籼45号；晚稻在每年7月中下旬移栽，10月中旬收获，品种（组合）为黄 华占。

1.3 样品采集与测定

2018年4月紫云英盛花期，按照随机取样法取表层（0～20 cm）土样，带回室内风干，剔除其中的石块、根系，分别过0.85、0.25和0.15 mm筛待测。

将一定重量土样通过孔径依次为5、2、0.25、0.053 mm套筛，分别称重计算出各级干筛团聚体占土壤总量百分率，并按干筛的比例配成100 g的风干土样。然后用Elliott［12］的土壤团聚体湿筛法获得不同粒径的水稳性团聚体：将样品放置于孔径自上而下为5、2、0.25、0.053 mm套筛之上，先用水浸润10 min，竖直上下震荡10 min；收集各级筛子上的团聚体并分别转移至铝盒中，依次得到>5、5～2、2～0.25、0.25～0.053、<0.053 mm水 稳性团聚体，然后40℃烘干称重。

水稳性团聚体稳定性指标，使用平均重量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）、分形维数（D）［13］表示，分别见公式（1）～（3）。

游离态铁锰用连二亚硫酸钠-柠檬酸钠-重碳酸钠（DCB）提取，非晶质铁锰用酸性草酸铵提取，络合铁锰用焦磷酸钠提取，用原子吸收光谱法（AA240FS型原子吸收光谱仪）测定各形态铁锰的含量。

1.4 数据分析

实验数据差异显著性分析、相关性分析用SPSS 22.0，通径分析使用R语言，Origin 8.0软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 水稳性团聚体的分布和稳定性

试验结果（图1）表明，不同处理下土壤水稳性团聚体表现出相似的分布规律。各粒级水稳性团聚体含量由高到低依次为>5、2～0.25、5～2和<0.053、0.25～0.053 mm。>5 mm粒级团聚体的含量为55.58%～80.78%，与MV处理相比，除37.5 t+F 80、15 t+F 60处理外，其他紫云英与化肥配施各处理均显著提高了>5 mm团聚体的含量，15 t+F 80、30 t+F 80、22.5 t+F 60处理分别增加了43.71%、33.59%、41.20%。5～2 mm粒级团聚体的含量为8.10%～16.95%，较MV处理，化肥减施与不同紫云英翻压量处理降低了该粒级团聚体的含量，降幅为0.81%～36.04%。2～0.25 mm粒级团聚体的含量为7.94%～17.17%，在减施化肥20%条件下，不同处理间表现为团聚体含量随着紫云英翻压量的增加逐渐减小。0.25～0.053 mm粒级团聚体的含量为1.29%～4.88%，15 t+F 80处理的含量最低，较MV处理降低了69.12%。不同处理较MV处理均显著地降低了<0.053 mm团聚体的含量，降幅为27.59%～93.94%。

图1 土壤团聚体的分布

土壤平均重量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）、水稳性大团聚体百分比（WSA）反映了土壤团聚体大小分布状况，其值越大表示团聚体的平均团聚度越高，其稳定性也越好。与MV相比（表1），各处理平均重量直径增加了0.82%～33.26%，几何平均直径增加了6.29%～45.45%，水稳性大团聚体增加了2.89%～13.61%。化肥减施与紫云英不同翻压量处理均降低了团聚体的分形维数。其中15 t+F 80和22.5 t+F 60处理与MV相比分别显著降低了17.49%和15.96%，22.5 t+F 80、30 t+F 80、37.5 t+F 80处理与15 t+F 80处理相比分别提升了10.14%、5.07%、14.29%。

表1 不同处理对土壤团聚体稳定性的影响

减施化肥20%与40%各处理中随着紫云英翻压量的增加团聚体稳定性的变化不一致，除30 t+F 80处理外，减施化肥20%各处理团聚体的稳定性均高于减施化肥40%的处理；在减施化肥20%各处理中，15 t+F 80处理团聚体稳定性最高，相比于MV，平均重量直径、几何平均直径、水稳性大团聚体分别增加了33.26%、45.45%、13.61%，分形维数降低了17.49%。在减施化肥40%各处理中，团聚体稳定性指标反映出22.5 t+F 60处理团聚体的稳定性最高，15 t+F 60处理的最低。

2.2 铁锰氧化物的分布

2.2.1 游离铁锰

供试土壤中游离铁含量为29.9～35.4 g·kg-1（表2），其中化肥减施20%的各处理游离铁含量均高于化肥减施40%；随着紫云英翻压量的增加，化肥减施20%与40%的各处理土壤中游离铁的含量基本是逐渐下降，降幅为6.06%、8.87%；与MV处理相比，15 t+F 80、22.5 t+F 80处理游离铁含量均显著增加，增幅分别为8.97%、5.1%。

各处理团聚体的游离铁含量均高于原土，随着团聚体粒径的减小逐渐增加；团聚体的游离铁主要集中在0.25～0.053、<0.053 mm的团聚体中，大团聚体（>0.25 mm）中的游离铁含量较低。这与Peng等［14］在2015年的研究类似，其团聚体内游离铁在砂粒（2～0.25和0.25～0.053 mm）中比粉粒（0.053～0.002 mm）中的含量更高，并且粘粒（<0.002 mm）中游离铁的含量均高于其他 粒径。

相比于MV，减施化肥各处理的5～0.053 mm各粒径中游离铁的含量均升高；化肥减施40%条件下土壤团聚体的游离铁含量均高于化肥减施20%处理；化肥减施20%与40%的各处理随着紫云英翻压量的增加，团聚体各粒径中游离铁的含量逐渐上升，这与原土的变化趋势相反。

相比于MV处理（表3），紫云英翻压与化肥配施各处理游离锰的含量均显著降低（P<0.05），其中在30 t+F 80处理降幅最大，相比MV降低了39.33%。这可能是由于大量有机肥配施化肥能使土壤的氧化还原电位降低。

除MV处理，其他各处理团聚体的游离锰含量均高于原土，这与游离铁类似；游离锰主要集中在<2 mm团聚体中，并在2～0.25 mm粒径中含量最高，变化趋势为：2～0.25 mm>0.25～0.053 mm>（<0.053 mm）>5～2 mm>（>5 mm）。

不同处理下土壤团聚体中游离锰含量差异明显，化肥减施40%下各处理团聚体中游离锰含量均高于化肥减施20%；在化肥减施20%与40%条件下，随着紫云英翻压量的增加团聚体中游离锰含量显著提高，特别是在翻压量30与37.5 t·hm-2下，游离锰含量增加显著。

表2 化肥减施与绿肥翻压下土壤和团聚体的游离铁含量 （g·kg-1）

表3 化肥减施与绿肥翻压下土壤和团聚体的游离锰含量 （mg·kg-1）

2.2.2 非晶质铁锰

原土中非晶质铁与游离铁的表现不同（表4），相比于MV处理，减施化肥与不同紫云英翻压量配合可以显著提高土壤的非晶质铁含量，增幅5.15%～19.62%，这与刘侯俊等［15］的研究结果一致。非晶质铁在化肥减施20%各处理的含量为7.99～8.26 g·kg-1，在30 t+F 80处理的含量最高；化肥减施40%的各处理，非晶质铁含量随着紫云英翻压量的增加呈逐渐减小的趋势，在15 t+F 60处理下非晶质铁含量最高，为8.35 g·kg-1。

减施化肥与不同紫云英翻压量处理的团聚体中，非晶质铁含量较MV处理显著提高，其中22.5 t+F 80 处理的最高（6.69～8.15 g·kg-1），团聚体的非晶质铁含量显著高于其他处理，这与原土的变化一致；化肥减施20%各处理的团聚体中，非晶质铁含量均高于化肥减施40%；在化肥减施20%与40%各处理中，随着紫云英翻压量的增加团聚体的非晶质铁含量没有显著性变化。

土壤非晶质锰含量为348～384 mg·kg-1（表5），化肥减施20%各处理土壤的非晶质锰含量与化肥减施40%的差异不显著。同一化肥水平下，不同紫云英翻压量之间非晶质锰含量的差异不显著。除15 t+F 80和22.5 t+F 80处理外，其他紫云英与化肥配施处理非晶质锰含量相比于MV的均下降。

团聚体中非晶质锰主要集中在<2 mm粒径中，并在2～0.25或0.25～0.053 mm粒径中含量最高。不同紫云英翻压量下，团聚体中非晶质锰含量差异明显，在化肥减施20%与40%各处理中，随着紫云英翻压量的增加团聚体的非晶质锰含量显著提高，特别是在翻压量37.5 t·hm-2下，这可能是大量有机物料的翻压增加了团聚体的表面电荷从而促进了非晶质锰的转化。

表4 化肥减施与绿肥翻压下土壤和团聚体的非晶质铁含量 （g·kg-1）

表5 化肥减施与绿肥翻压下土壤和团聚体的非晶质锰含量 （mg·kg-1）

2.2.3 络合铁锰

土壤络合铁的变化趋势与非晶质铁相似（表6），表现为：F处理>化肥减施与紫云英翻压各处理>MV（最低，0.58 g·kg-1）；化肥减施20%的各处理随着紫云英翻压量的增加，络合铁含量先增加后降低，在22.5 t+F 80处理的含量最高（0.89 g·kg-1）；化肥减施40%各处理的络合铁与化肥减施20%的变化相反，随着紫云英翻压量的增加络合铁含量先减小后增加。

络合铁在大团聚体（>5 、5～2、2～0.25 mm）中比微团聚体（0.25～0.053 mm）以及粉粘粒（<0.053 mm）的含量高，其在<0.25 mm团聚体中的含量比大团聚体的降低了14.28%～22.41%，这与Xue等［16］在2019年对湖北省两个地区红壤团聚体的研究结果类似。

减施化肥20%各处理团聚体的络合铁含量均高于减施化肥40%；而在化肥减施20%条件下，在紫云英翻压量提高到37.5 t·hm-2时团聚体的络合铁含量显著下降。

除MV、F处理，其余各处理的络合锰含量间差异不显著（表7）；减施化肥20%与40%各处理中，土壤络合锰的含量随着紫云英翻压量的增加而减小；减施化肥20%各处理的络合锰含量相比于减施化肥40%均有所增加，增幅为5.19%～14.49%。

团聚体中络合锰的含量为59～251 mg·kg-1，其随着粒径的减小先增加后降低，在2～0.25 mm 含量最高，30 t+F 80处理团聚体的络合锰含量显著高于其他处理。

除37.5 t+F 80，减施化肥20%各处理团聚体中络合锰含量均高于减施化肥40%；在减施化肥20%下，翻压量在37.5 t·hm-2时团聚体的络合锰含量显著下降，这与络合铁的变化一致。减施化肥40%各处理随着紫云英翻压量的增加团聚体的络合锰含量没有显著变化。

表6 化肥减施与绿肥翻压下土壤和团聚体的络合铁含量 （g·kg-1）

表7 化肥减施与绿肥翻压下土壤和团聚体的络合锰含量 （mg·kg-1）

2.3 铁锰氧化物与团聚体稳定性的关系

2.3.1 相关性分析

供试土壤的平均重量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）、水稳性大团聚体（R>0.25 mm）与铁氧化物含量间均呈正相关（r=0.084～0.332）或显著和极显著正相关（r=0.296*，r=0.479**～ 0.495**）（表8），分形维数（D）与铁氧化物含量之间呈负相关（r=-0.217～-0.123）或显著负相关（r=-0.444*）；而团聚体稳定性指标与各形态锰的相关性不显著，表明土壤中铁氧化物对团聚体稳定性的贡献高于锰氧化物。

各形态铁锰氧化物对团聚体稳定性的影响表现为：络合铁>非晶质铁>非晶质锰>游离铁>络合锰、游离锰，表明土壤中铁氧化物特别是络合铁与非晶质铁的含量与团聚体稳定性的关系密切。

非晶质铁和络合铁含量与MWD在2～0.25 mm团聚体中呈显著和极显著正相关；在5～2 mm团聚体中呈正相关和极显著正相关（表9）。在团聚体各形态氧化物中，络合铁含量与MWD相关性最高，非晶质铁次之，表明络合铁和非晶质铁是土壤团聚体稳定和大团聚体形成的关键因素，这与表8的结果一致。在5～0.25 mm各粒径团聚体中，MWD与游离锰和非晶质锰的含量呈负相关，与络合锰含量呈正相关。

2.3.2 通径分析

根据相关性分析的结果，以土壤各形态铁锰氧化物为自变量（X1～X6）与平均重量直径（MWD）为因变量（Y）进行通径分析。由表10可知，络合铁对MWD等的直接作用最强，非晶质铁次之，呈正效应，即络合铁、非晶质铁含量增加可以直接提高MWD，从而提高团聚体的稳定性，这与相关性分析的结果一致。在锰氧化物中，非晶质锰对于团聚体稳定性的直接作用最强，呈负效应，即非晶质锰含量的增加可降低团聚体稳定性。游离铁对MWD的间接作用最强，说明游离铁含量的增加可间接提高团聚体的稳定性。

表8 团聚体稳定性与土壤铁锰氧化物含量间的相关性

表9 平均重量直径（MWD）与团聚体铁锰氧化物含量的相关性

表10 通径分析结果

3 讨论

土壤团聚体的分布与稳定性主要受到施肥方式、种植制度和轮作方式等的影响［17］。张钦等［18］研究发现，化肥与有机肥配施有利于大团聚体的形成，特别是对5～0.25 mm水稳性大团聚体的促进作用最明显。本研究中，减施20%和40%化肥配施紫云英均能较好地提高土壤团聚体的稳定性，这与上述研究结果基本相同。在本研究中，减施化肥20%与40%下，适量增加紫云英翻压量（15、22.5 t·hm-2）有利于>5 mm团聚体的形成，并且降低了 <0.25 mm团聚体的含量。这主要是由于长期紫云英翻压后，土壤有机质增加，充足的营养对作物根系生长发育十分有利，而根系本身可以通过缠绕作用促进大团聚体的形成［19］，发育良好的根系也会增加根际微生物量，促进大团聚体的形成和稳定，进而增加土壤的团聚性［20］。本研究在减施化肥20%与40%各处理中，当紫云英翻压量超过30 t·hm-2时，土壤水稳性大团聚体含量降低，团聚体的稳定性下降，这可能是豆科作物的紫云英含氮量高，大量紫云英翻压进入土壤，会使土壤C/N失调，导致微生物活性降低，菌根的生长变缓，因此团聚体的形成受到抑制［21］，团聚体稳定性下降。

减施化肥配合不同紫云英翻压量的土壤和团聚体中，铁锰氧化物的变化不一致，但对于铁锰氧化物的提高有积极作用。研究表明，有机物料翻压能阻止氧化物的老化，可能是非晶质铁强烈吸附有机质而阻碍氧化铁晶核的生长［22］，也可能是铁与富里酸形成络合物，影响了结晶速率和结晶产物的性质［23］。与对照MV相比，紫云英与化肥配施各处理显著地提高了各粒径团聚体中的非晶质铁含量，这可能是各配施处理的土壤有机碳组分更易与非晶质铁吸附或结合，促进了非晶质铁的转化。然而，施用100%化肥（F）处理土壤的非晶质铁含量（8.45 g·kg-1）最高，这与王莹等［10］在2013年的研究结果一致，可能是化肥中的亚硝酸盐能作为低价铁的电子受体［24］，或者是磷与非晶质铁的吸附与解析［25-26］，促进了非晶质铁的转化，使得F处理的非晶质铁含量增加。有研究表明，水稻土中铁锰氧化物还原过程与土壤pH密切相关，随着碱性水稻土pH的降低氧化物还原减弱，而酸性水稻土pH升高促进了氧化物的还原［27］。此外，土壤在中性条件下更容易引起非晶型氧化物的沉淀，增加氧化物的活化度［28］。供试土壤中性偏碱性，紫云英作为固氮作物，其与化肥一同进入土壤中会使pH降低，向中性靠近，从而有利于非晶质铁锰的形成。翻压紫云英带来的有机质与铁锰氧化物结合，可以形成有机-无机矿物复合体，从而提高铁锰氧化物自身的稳定性与活性［29］。但相比于MV和F对照处理，减施化肥配施大量紫云英的土壤中各形态锰氧化物含量下降，可能是大量有机物质进入土壤导致铁与各形态锰发生拮抗反应，从而降低了土壤中锰的含量［30］。

相关性与通径分析表明，供试土壤中铁氧化物是团聚体稳定性和大团聚体形成的关键因素。许多研究表明，铁氧化物是土壤中的主要胶结剂，它的作用主要是对微团聚体甚至小粒径（<0.053 mm）团聚体的胶结［31］，氧化铁对阴离子具有高亲和力，通过静电吸附于粘土矿物表面，并通过聚合作用促进团聚体形成［2］。本研究中各形态铁氧化物对团聚体稳定性影响最大的是络合态，其次是非晶质态，游离态最弱。络合铁是一种与有机质结合形成的络合物［32］，有机质可以通过有机团聚与矿物的结合来增加团聚体内部的稳定性，络合铁在有机质对团聚体稳定性的影响上起着中介的作用，其影响机制有待进一步研究。

4 结论

减施化肥与不同紫云英翻压量处理主要增加了>5 mm团聚体、降低了<0.25 mm团聚体的含量。减施化肥20%紫云英翻压量为37.5 t·hm-2时，>5 mm团聚体的含量下降；减施化肥40%下，随紫云英翻压量增加提升>0.25 mm团聚体的含量（2.9%～12.47%），降低<0.053 mm团聚体的含量（27.59%～92%）。减施化肥条件下合理的紫云英翻压量（15、22.5 t·hm-2）可以显著提高团聚体的稳定性。

相比于单独种植翻压紫云英处理，减施化肥条件下，随着紫云英翻压量（15～30 t·hm-2）的增加团聚体中游离铁锰含量逐渐降低，非晶质、络合态铁锰含量显著提高，在减施化肥40%、紫云英翻压量为30 t·hm-2时的非晶质、络合铁锰含量达到最高。

铁氧化物中的非晶质与络合态是影响团聚体稳定性的直接因素，其含量与团聚体稳定性呈显著或极显著正相关，游离铁含量增加间接提高了团聚体的稳定性。