有機肥氮替代50%化肥氮有效改善吉林省中部地區黑土團聚體性狀

關鍵詞：有機肥氮替代化肥氮；黑土；團聚體分布；團聚體穩定性；有機碳；全氮；碳氮比

土壤團聚體是土壤顆粒經過膠結作用形成的團體，是土壤結構的基本單元。土壤團聚體被認為是土壤結構穩定性的重要指標，其粒級分布與穩定性影響土壤中水分、氣體、養分的運輸和儲存，同時為微生物提供生境，并且在調節土壤水、肥、氣、熱以及存儲表土有機質方面起著至關重要的作用[1?2]。黑土養分含量豐富，肥力水平高，是我國重要的玉米產地，但是大量施用化肥和單一的耕作方式導致黑土有機質含量下降，連續30年單施化肥的東北黑土有機質呈緩慢下降趨勢，每10年下降1g/kg左右[3]。

有機培肥是提高土壤肥力、保障土壤資源可持續利用的重要措施之一。前人關于有機無機肥配施對土壤團聚體組成和碳氮含量與分布的影響已有許多報道。刑旭明等[4]對沈陽棕壤的研究結果表明，有機肥（豬糞）單獨施用和有機無機肥（豬糞＋氮肥）配施不僅增加了力穩性大團聚體含量，提高了團聚體穩定性，而且還增加了各粒級團聚體土壤有機碳、全氮、全磷和全鉀含量。梁堯等[5]對海倫黑土的研究結果表明，長期連續化肥有機肥配施促進了小麥?玉米?大豆體系水穩性團聚體的形成，改善了耕層土壤結構，增加了團聚體中有機碳的積累與固持能力，并使各粒級團聚體中腐殖酸的結構“年輕化”。有機肥長期替代無機肥能夠培肥土壤，有助于長江下游地區稻麥穩產，20%有機氮替代無機氮最有利于長江下游地區稻麥穩產、高產和土壤肥力提升[6]。

以往的研究著重于不同施肥種類或方式對土壤肥力和作物產量及品質的影響，研究認為有機肥與無機肥配施增加了土壤碳氮含量，對土壤培肥具有積極意義。然而，在等氮量條件下基于長期定位試驗的有機無機肥配施比例研究相對不足。本研究基于8年田間定位試驗，采用干篩法和濕篩法，測定不同粒級團聚體含量，計算團聚體穩定性，測定有機碳和全氮含量，以期探明黑土水穩性團聚體分布特征、穩定性及不同粒級有機碳全氮分布對長期施肥的響應，闡明等氮量條件下不同比例有機肥替代化肥土壤碳氮儲存轉化機制，為合理施肥、培肥土壤提供理論依據。

1材料與方法

1.1研究區概況

試驗地位于吉林省公主嶺市，海拔150～200m，屬溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫5.6℃，≥10℃活動積溫2850℃；年日照時數2500～2700h，5—9月日照時數1200～1350h；年平均降雨量594.8mm，作物生育期降水量300～500mm；無霜期144天。試驗開展前0—20cm土壤基本理化性質為有機質19.4g/kg、全氮1.033g/kg、全磷1.033g/kg、pH5.6，主要土壤類型為黑土，土質肥沃。日照充足，雨量充沛，雨熱同季，對作物生產十分有利。

1.2試驗設計

試驗采用隨機區組設計，設置5個處理，每個處理3次重復，共15個小區，每個小區面積54m2，處理分別為不施肥（CK）、單施化肥（M0）、25%有機氮肥替代化肥氮（M25）、50%有機肥氮替代化肥氮（M50）和100%有機肥氮替代化肥氮（M100），種植作物是玉米，種植密度為6萬株/hm2，春玉米一年一熟制。玉米在整個生育期內不灌水，主要依靠自然降水。試驗始于2014年，于每年秋天收獲后將有機肥隨滅茬施入，化肥于第2年春季破壟劃溝后施入底肥。有機肥、磷肥與鉀肥以基肥形式一次性施入，化肥氮肥總量的1/3作為底肥，2/3于拔節期追施，施肥量如表1所示。

1.3樣品采集

2021年玉米收獲后，收集、測試土壤樣品。每個小區選擇3個采樣點，采集0—20和20—40cm土層原狀土，運回室內，之后剝至1cm左右，過10mm篩，同時剔除里面的根系和碎石等雜物。1.3.1力穩性團聚體 參考沙維諾夫法[7]，土樣自然風干后，采用四分法分取不少于500g土樣倒入土壤篩，土篩從上到下孔徑依次為7、5、3、2、1、0.5和0.25mm，篩底收集小于0.25mm的土粒。人工振篩，使各個粒級的土粒都落在相對應的篩面上，之后依次得到7～10、5～7、3～5、2～3、1～2、0.5～1、0.25～0.5mm和lt;0.25mm粒級團聚體，稱重并記錄。

1.3.2水穩性團聚體 參考Elliot法[8]，按照上述8個級別在原狀土中所占比例稱取混合土樣100g，共分4份。使用土壤團聚體/團粒分析儀（TTF-100型土壤團聚體分析儀）篩分團聚體，把團聚體分為大團聚體（gt;0.25mm）、微團聚體（0.053～0.25mm）和黏粉粒（lt;0.053mm），具體過程為：依次將兩組土樣（每組兩份）置于套篩中（孔徑依次為2、1、0.5、0.25、0.053mm），然后在不銹鋼桶內緩慢加入5L去離子水浸潤5min以排除團聚體內部的閉蓄空氣，再振篩2min，35次/min（上下幅度40mm）。振篩過程中，保證最上層土樣被水面沒過。將各級孔徑篩子上的土樣分別洗入燒杯并烘干（60℃），稱出各個級別團聚體的質量。

1.4分析指標及計算方法

計算方法參考文獻[9]，具體計算公式如下：

式中，Rgt;0.25是指由干篩或者濕篩法所測得的直徑gt;0.25mm的團聚體的重量占團聚體總重量的百分比；MWD和GMD分別代表平均重量直徑和幾何平均直徑；D代表分形維數，參考楊培嶺等[10]的公式計算。Mrgt;0.25是指直徑gt;0.25mm團聚體的重量，Mt指團聚體總重量；wi和xi分別是不同粒級的重量占團聚體總重量的百分比和各粒級的平均直徑；是指粒徑小于xi團聚體的累計重量，xmax為最大粒級的平均直徑。

1.5土壤水穩性團聚體有機碳和全氮含量測定

將濕篩后的土壤團聚體磨碎、過篩（0.25mm）后，使用元素分析儀測定不同粒級土壤團聚體的有機碳和全氮含量。

1.6數據分析

利用WPSOFFICE和DPS進行數據處理和統計分析，并用OriginPro2018繪圖。

2結果與分析

2.1不同比例有機肥氮替代化肥氮處理土壤團聚體分布特征

從基于干篩法得到的不同比例有機肥氮替代化肥氮處理土壤力穩性團聚體分布（表2）可以看出，隨團聚體粒級的降低，其所占比例呈現出波動式下降趨勢，各處理均表現出一致的趨勢。當團聚體粒級為2～3mm時其比例降至較低水平，然后又上升，當團聚體粒級0.25～0.5mm時，其比例最低。與M0處理相比，有機肥施用后增加了0—20cm土層2～10mm團聚體的比例及Rgt;0.25，而0.25～2和lt;0.25mm粒級微團聚體比例有所降低。對大團聚體增加效果由高到低為M25gt;M50gt;M100；CK處理團聚體分布特征和變化趨勢與有機無機肥配施處理相似，兩個土層Rgt;0.25大團聚體均占較高比例，分別為95.11%和97.11%；M0處理較CK增加了lt;0.5mm團聚體比例，降低了Rgt;0.25；與0—20cm土層相比，20—40cm土層各處理7～10mm團聚體比例顯著降低，降幅達到了3.56%～9.92%，0.5～5mm各粒級比例有所增加，而5～7、lt;0.5mm團聚體的比例基本持平。M25和M50處理均增加了lt;0.5mm團聚體比例，而降低了Rgt;0.25。

基于濕篩法分析，0—20cm土層中各處理團聚體分布特征較為相似，隨粒級的降低，各粒級所占比例表現為平穩下降趨勢（表3）。各處理水穩性團聚體Rgt;0.25明顯低于同層力穩性團聚體，下降約15%。其中Rgt;0.25大團聚體占比最多，為80.09%～81.53%；微團聚體（0.053～0.25mm）次之，為12.38%～15.29%；以lt;0.053mm黏粉粒比例最低，僅為4.49%～6.09%。與CK處理相比，單施化肥M0處理增加了0.053～1mm粒級比例，降低了gt;2、1～2和lt;0.053mm粒級比例，增加了Rgt;0.25的比例0.13%；與M0處理相比，M25、M50和M100處理0.053～0.25mm粒級比例分別降低了2.91、1.13和2.26個百分點，而lt;0.053mm粒級比例分別增加了1.60、0.10和0.95個百分點，Rgt;0.25較M0處理增加了1.63%、1.27%和1.63%，3個有機肥替代處理間未達到顯著差異水平。且隨有機肥替代比例增加，gt;2mm粒級含量明顯增加，而0.5～1和0.25～0.5mm粒級隨之減少。

與0—20cm相比，20—40cm土層水穩性大團聚體所占比例有所下降，20—40cm土層gt;2mm團聚體所占比例較0—20cm下降約10%，1～2mm團聚體比例略微持平，而lt;1mm各粒級團聚體比例有所上升。與CK相比，M0處理Rgt;0.25下降約10個百分點，而0.053～0.25和lt;0.053mm均增加約2個百分點；與M0處理相比，有機替代各處理Rgt;0.25增加8.29～13.25個百分點，而0.053～0.25和lt;0.053mm團聚體比例分別降低1.26～2.31和1.65～2.34個百分點，但處理間差異不顯著。

2.2不同比例有機肥氮替代化肥氮處理土壤團聚體穩定性

基于干篩法的結果（表4）表明，與CK處理相比，M0處理降低了平均重量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）。M25、M50和M100較M0處理增加了MWD和GMD，均未達到顯著差異水平。當50%替代時，MWD和GMD出現最大值，說明土壤力穩性團粒結構趨向良好發展。與0—20cm相比，20—40cm土層的MWD和GMD值均有所下降，而各施肥處理間無顯著差異，且有機替代處理MWD和GMD值均低于CK和M0處理。土壤團聚體結構的分形維數（D值）是描述土壤結構復雜性的一個重要指標，它反映了土壤內部空間的分布和形態特征。0—20cm土層D值略高于20—40cm土層，D值為2.15～2.38，以M0處理的最高，顯著高于M25和M100處理，表明單施化肥破壞了土壤結構穩定性。

基于濕篩法的分析結果（表5），0—20cm土層，M0處理較CK處理降低了MWD和GMD。MWD隨有機肥替代比例的增加而逐漸增加；GMD先增加后減少，但高于M0處理；各處理間分形維數未達到顯著差異水平。20—40cm土層，相比CK，M0處理顯著降低了MWD和GMD。與M0處理相比，有機替代各處理的MWD和GMD值均有不同程度的增加，M25、M50、M00處理分別增加了22.22%和26.67%、19.44%和16.67%、22.22%和23.33%。且M25、M50和M100處理D值較M0分別降低了3.42%、1.52%和2.66%，其中M25與M0處理間達到了顯著差異水平，有機培肥后，增加了土壤的MWD和GMD值，降低了D值，改善了土壤結構和穩定性。

2.3不同比例有機肥氮替代化肥氮處理土壤水穩性團聚體各粒級有機碳含量

施肥顯著影響各土層土壤團聚體有機碳含量（圖1），土壤團聚體有機碳含量隨土層的加深而降低。0—20cm土層，團聚體有機碳含量隨粒級減小先下降后上升。不同處理下，gt;2、1～2和0.5～1各粒級團聚體有機碳含量變化趨勢一致，均隨著有機肥替代比例的增加逐漸升高。同一處理下，各粒級團聚體有機碳含量以gt;0.25mm粒級最高，其次為lt;0.053mm粒級，0.053～0.25mm粒級最低。M0處理團聚體有機碳含量較CK處理降低了3.4%，M25和M50處理團聚體有機碳含量高于其他處理，較CK處理分別提高了5.58%和12.26%，較M0處理分別提高了9.18%和16.08%，而M100處理較M0團聚體有機碳含量降低了5.36%，替代比例為50%時，促進了土壤有機碳固持，對土壤培肥具有積極作用，主要是因為M25和M50處理提高了gt;2、1～2和0.5～1mm粒級團聚體有機碳含量。20—40cm土層，培肥效果為M100gt;M50gt;M25gt;CKgt;M0。在0.25～0.5和0.053～0.25mm兩個粒級，團聚體有機碳含量隨有機替代比例增加而增加，表明有機肥替代比例越大，越能夠促進團聚體有機碳積累，實現了深層土壤培肥。

2.4不同比例有機肥氮替代化肥氮處理土壤水穩性團聚體全氮含量

由圖2可知，施肥顯著影響兩個土層土壤團聚體全氮含量。與土壤團聚體有機碳含量相似，土壤團聚體全氮含量均隨土層深度的增加而降低。0—20cm土層，全氮含量以gt;0.25mm粒級最高，lt;0.053mm粒級次之，0.053～0.25mm粒級最低。結合表3，能夠發現全氮含量和粒級分布變化相一致，即隨粒級的減小全氮含量先下降后上升。M25和M50處理主要通過增加gt;2和1～2mm兩個粒級全氮含量增加了大團聚體全氮含量。20—40cm土層，培肥效果表現為M50gt;M100gt;CKgt;M25gt;M0，M0處理通過降低0.25～0.5、0.053～0.25和lt;0.053mm3個粒級全氮含量，降低了水穩性團聚體全氮含量。

2.5不同比例有機肥氮替代化肥氮處理土壤水穩性團聚體各粒級碳氮比（C/N）差異

從表6可知，0—20cm土層C/N平均值表現為M100gt;M50gt;CKgt;M25gt;M0，與M0處理相比，有機培肥可以有效增加土壤碳氮比值，更趨向于微生物適宜的數值（25：1），M25、M50和M100處理比M0處理分別提高了6.85%、33.02%、34.97%，而且C/N增加量隨有機肥替代比例的增加而增加，且與CK處理相比，M0降低了水穩性團聚體C/N21.29%。不同粒級C/N表現為：0.053～0.25mmgt;0.25～0.5mmgt;0.5～1mmgt;1～2mmgt;（gt;2mm）gt;（lt;0.053mm）。20—40cm土層C/N表現為：M0gt;CKgt;M100gt;M25gt;M50，不同粒級C/N總體表現為隨著粒級的減小而降低。

3討論

3.1有機肥氮及其施用比例對團聚體粒級分布特征、含量和穩定性的影響

土壤團聚體是土壤的重要組成部分，是土壤結構的最小單元。水穩性團聚體相對含量Rgt;0.25是表征土壤團聚體穩定性的重要指標。Rgt;0.25值越大，土壤結構越穩定[6]。本研究結果顯示，各處理水穩性團聚體Rgt;0.25明顯低于同層力穩性，原因在于非水穩性團聚體容易在振篩過程中被水流沖散或者崩解，因而含量有所降低。M25、M50和M100有機肥配施化肥處理Rgt;0.25分別高于單施化肥處理1.63%、1.27%和1.63%。這與王飛等[11]關于黃泥田的研究結果相近。Meta分析表明，施用牛糞顯著增加了大團聚體和小團聚體含量（289%和61%），而微團聚體和土壤粉黏顆粒的含量分別降低了27%和53%。可見，與單施化肥相比，不同比例牛糞配施化肥能夠促進微團聚體向大團聚體轉化。原因在于，施入牛糞對土壤細菌和真菌的數量具有顯著提升效果[12]，真菌菌絲生長有利于細小顆粒被纏繞形成團聚體[13]。牛糞基質含有一定量糖、淀粉、氨基酸、蛋白質、脂類等菌株及大量纖維素等物質[14]，可以加速土壤大團聚體形成[15]。然而，基于37年長期定位試驗[16]表明，長期有機無機肥配施以及施高量有機肥顯著降低水穩性大團聚體比例，提高微團聚體的比例。本試驗結果與其相反，可能是土壤的耕作方式及不同有機肥品種引起的。

MWD、GMD作為衡量團聚體穩定性的指標，用于評價有機肥對土壤團聚體穩定性的影響。土壤結構越好、穩定性越強，則MWD、GMD值越大。有機肥為土壤微生物提供了豐富的碳源，通過微生物分解，為團聚體形成提供了必要的有機和無機膠結物質，使小團聚體通過微生物活動膠結為大團聚體，因而增加了大團聚體含量并提高了團聚體穩定性[17]，本研究中，不同比例有機肥配施化肥提高了MWD和GMD，說明有機肥等氮量替代化肥在改善土壤結構方面有很大潛力。

3.2不同粒級團聚體的碳、氮分布特征及其規律

有機肥通過增加有機物質的投入促進有機碳和全氮的積累，本研究中，與不施肥或單施化肥處理相比，25%有機替代和50%有機替代兩個處理增加了表層（0—20cm）土壤碳、氮含量，主要是增加gt;2和1～2mm兩個粒級碳、氮含量。本研究表明，不同土層水穩性團聚體有機碳和全氮含量表現為表層（0—20cm）高于亞表層（20—40cm），與前人[18?19]結果研究一致。這可能與作物根系主要分布在表層密切相關，加之耕作與施肥深度主要集中在表層，長期不同比例有機肥配施化肥的土壤肥力平穩且持久，促進了作物根系生長，較高的根系生物量為土壤微生物活性提供了基礎條件[20]，有助于在各個團聚體內部結合形成微粒有機質。因此，施肥對土壤團聚體碳氮的影響也呈現表層高于亞表層。本研究也表明，土壤水穩性團聚體有機碳和全氮含量均隨粒級減小呈先下降后上升的趨勢，gt;2mm粒級團聚體有機碳含量最高，隨團聚體粒徑的減小，團聚體有機碳含量降低，這說明大團聚體對有機碳具有一定的富集作用[16]。有機碳和全氮含量均表現為大團聚體gt;黏粉粒gt;微團聚體，60%以上的碳、氮來自于粒徑gt;0.25mm的團聚體，這與邢旭明等[4]關于棕壤的研究結果相近。通常大團聚體是由微團聚體通過有機質膠結而形成的，因此其有機碳含量高于微團聚體[5]。然而，蘇慧清等[19]研究表明，各處理團聚體碳、氮主要分配在黏粉粒中（40%以上），本研究結果與其不一致，這可能與氣候類型、土壤質地和種植制度有關。

3.3團聚體的碳、氮分布與穩定性的關聯及其機制

有機碳對土壤團聚體的形成起著重要的作用。團聚體和有機質是保持土壤結構和肥力的基礎，二者相互作用，團聚體是有機質存在的場所，有機質是團聚體的膠結物質[21]，表土中近90%的土壤有機碳位于團聚體內[22]。研究[23]表明，土壤有機碳含量與力穩定性R0.25（DR0.25）、水穩定性R0.25（WR0.25）和MWD水穩性值之間呈極顯著正相關關系，說明土壤有機碳含量越高，＞0.25mm團聚體的數量就越多，土壤團聚體的水穩性越強，土壤結構越穩定，反之亦然。根系、真菌菌絲體和不穩定碳水化合物是形成大團聚體的膠結物質[24]。有機物料進入土壤后，一方面提高了土壤中有機碳的含量，有機碳作為膠結物質，可以有效促進團聚體的形成[25]；另一方面增強了土壤微生物活性，加速有機物料分解，產生大量的多糖、木質素和蛋白質等有機物質[26]，這些物質為土壤中重要的有機膠結劑，它們將微團聚體、黏土礦質顆粒和粉砂黏粒粘結在一起，形成了有利于土壤結構穩定的大團聚體[27]。

有機碳能夠促進團聚體形成和穩定，反過來，團聚體對有機碳也有保護作用。施有機肥，尤其是有機無機肥配施，不僅能夠補充土壤有機碳含量（圖1），而且有助于增加土壤中大團聚體的數量及其水穩性（表3），這一方面是因為有機肥的施入大幅度提高了作物根茬量與根系分泌物的量，改善了土壤的結構，使更多的有機碳進入大團聚體而被保護起來，從而增加了土壤顆粒有機碳和氮的含量[28]；另一方面，施用有機肥能夠改善土壤中速效養分狀況，進而促進作物根系和地上部生長，從而增加土壤根系分泌物和有機殘體數量。還有就是施用有機肥能夠增加土壤中微生物的數量和活性，進而促進土壤有機物的分解過程[29]。植物根系和菌絲數量有利于大團聚體的形成，而有機肥可以通過提高作物根部真菌的繁殖能力[30]，進而增強團聚體對有機碳的物理保護作用，兩方面共同促進了土壤有機碳含量提升。因而，本研究中25%有機替代和50%有機替代有機碳含量高于不施肥或單施化肥，是改善吉林省中部黑土區土壤結構、培肥土壤的有效途徑，以50%有機替代效果最佳。

4結論

1）0—20cm土層土壤團聚體穩定性高于20—40cm土層。有機無機肥配施提高了大團聚體分配比例和團聚體穩定性，且對0—20cm土層的影響大于對20—40cm土層。

2）團聚體60%以上有機碳和全氮儲存于水穩性gt;0.25mm粒級大團聚體中，lt;0.053mm粒級次之，0.053～0.25mm粒級最低。0—20cm土層土壤團聚中體有機碳和全氮含量均高于20—40cm土層同粒級團聚體。

3）有機肥氮替代25%和50%化肥氮，通過提高gt;2、1～2和0.5～1mm粒級團聚體有機碳含量，增加了0—20cm土層有機碳含量；通過增加gt;2和1～2mm粒級團聚體全氮含量而增加了土壤全氮含量，且50%替代比例提高兩個粒級團聚體全氮含量的效果高于25%替代比例。

4）不同粒級C/N總體表現為隨團聚體粒級減小而降低，而且C/N增加量隨有機肥替代比例的增加而增加。

有機肥氮替代50%化肥氮顯著增強了土壤結構穩定性，促進了有機碳和全氮累積，并加速了大團聚體形成，進而提升了土壤固碳能力與肥力，為黑土資源可持續利用和綠色農業發展提供了核心的策略和依據。