李彩霞，陳津賽,2，付媛媛，韓其晟，寧慧峰，王廣帥

（1.中國農業(yè)科學院農田灌溉研究所/農業(yè)農村部作物需水與調控重點實驗室，河南 新鄉(xiāng) 453002；2.中國農業(yè)大學農學院，北京 100094；3.塔里木大學植物科學學院，新疆 阿拉爾 843300）

0 引 言

【研究意義】團聚體是土壤的重要組成部分，也是土壤結構的主要評價指標。耕層土壤團聚體中貯存近90%的土壤有機碳，土壤團聚體結構影響土壤碳的固存及礦化分解。因此，土壤團聚體研究已成為評價土壤質量的重要途徑。華北平原是我國的主要糧倉，連年耕作導致土壤碳正在枯竭，提升土壤質量已成為國家戰(zhàn)略需求。2020年9月習總書記在75 屆聯合國大會上提出了“2060年實現碳中和”的戰(zhàn)略目標，我國在協(xié)調生產與生態(tài)關系方面得到空前重視。在農田生產中，灌溉和施肥是決定土壤生產能力的主要因素，研究其對土壤團聚體結構和有機碳的影響，對土壤質量評估與改善以及現狀下農田生產生態(tài)功能的提高具有重要意義。

【研究進展】華北平原生產了全國產量約79%的小麥和27%的玉米[1]，而土壤平均碳儲量僅為0.5%～0.8%[2-3]，低于我國旱地平均水平（1.08%）[4]，頻繁耕作導致該地區(qū)土壤碳面臨枯竭的險境。土壤團聚體的物理保護是碳穩(wěn)定和固存的重要機制，土壤大團聚體（≥0.25 mm）能夠對有機碳提供較好的物理保護，并對耕作管理和機械破壞很敏感[4]。土壤碳的穩(wěn)定性直接受到團聚體組成的影響[5‐6]。氮肥對土壤團聚體結構的影響研究在近年來關注度較高，長期施無機氮肥，團聚體的平均重量直徑和幾何平均直徑減小[1]，土壤微團聚體分散系數提高[7]。同時，過量施用氮肥使土壤中大團聚體分化為更小粒級團聚體，破壞團聚體的穩(wěn)定性[8]。相比微團聚體，由于大團聚體中含有更多初期不穩(wěn)定的新形成的有機碳[9]，所以減緩大團聚體的破壞或轉化有利于其中更多微團聚體的產生，從而提高團聚體的穩(wěn)定性和土壤碳的固定[10]。在干旱半干旱環(huán)境下，土壤團聚體的整體粒徑較小[8]，灌溉后的土壤，一方面呼吸強度提高，有機質的礦化速率增加，另一方面水化學條件改變黏土礦物收縮和膨脹[11]，可能會導致部分土壤團聚體的碎裂，使其內部的有機質被微生物分解[12]。因此，土壤團聚體受到物理、化學、生物等因素的綜合影響，土壤水為這些因素的變化提供了環(huán)境，灌溉水平對土壤團聚體的影響非常值得關注?！厩腥朦c】本團隊前期研究發(fā)現，長期定量施氮使耕層土壤水穩(wěn)性團聚體的平均粒徑隨施氮量的增加而減小，并對土壤無機氮產生影響，表明施氮顯著影響土壤團聚體結構和土壤養(yǎng)分有效性[13]。土壤水分作為肥料有效性的必需載體，固然產生水與氮的交互作用，但目前在土壤結構的研究中，常弱化灌溉水的影響，灌溉水與氮素在土壤結構變化中發(fā)揮的作用尚不明晰。【擬解決的關鍵問題】因此，開展灌溉和施氮水平對土壤團聚體結構和土壤碳的影響研究，為土壤服務性能的改善提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗在河南新鄉(xiāng)（35°14′N，113°76′E）中國農業(yè)科學院七里營綜合試驗基地進行。該地區(qū)年平均氣溫14 ℃，年日照時間2 399 h，年均降雨量582 mm。研究區(qū)主要種植模式為冬小麥-夏玉米輪作，土壤類型為潮土，試驗在小麥季開展，試驗期間總降雨量為120.10 mm，灌溉3次，充分灌溉區(qū)的灌水定額為75.00 mm，非充分灌溉區(qū)的灌水定額為52.50 mm（圖1）。

圖1 2019—2020小麥生長季的降雨量、灌水及平均氣溫情況Fig.1 Rainfall,irrigation and average temperature of wheat growing season in 2019—2020

1.2 試驗設計

冬小麥品種為“周麥22”，于2019年10月17日足墑播種，2020年6月3日收獲。由于施氮和灌溉是農田土壤結構和土壤質量的關鍵影響因素，在水資源緊缺、節(jié)水成為灌溉農業(yè)普遍選擇的現狀下，為了探明非充分灌溉和施氮對土壤團聚體組成和碳固持的影響，基于以往研究中廣泛認可的適宜氮肥量和灌水定額[14‐16]，設置本試驗的灌溉和施氮處理。試驗設置施氮（180 kg/hm2，N180）和不施氮（N0，CK）2個氮素水平，充分灌溉（F，CK）和非充分灌溉（S：70%充分灌溉）2個灌溉水平，共4個處理，每個處理3次重復。小區(qū)面積為10 m×5 m，12個小區(qū)隨機排列。灌水處理在小麥返青后開始，灌水方式為畦灌。氮肥（尿素，含氮量46%）分2次施入，基追比為50%∶50%，在拔節(jié)期追肥。播前基施K2SO4210 kg/hm2和P2O5103 kg/hm2。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 土壤樣品采集

小麥收獲時，每小區(qū)按“S”型取6 份原狀土土樣。每個點取樣深度至30cm，分0～10、10～20 cm 和20～30 cm 取樣。將土壤樣品沿自然斷裂縫隙掰成不同大小的土塊，除去植物殘體及礫石，風干后進行土壤團聚體的測定。

1.3.2 土壤團聚體測定

團聚體分級采用薩維諾夫法[17]。土壤團聚體機械穩(wěn)定性測定：稱取500 g 風干土置于一組不同孔徑（0.25～5.0 mm）土壤篩的頂部，進行干篩 5 min，分離出直徑≥5.0、3.0～5.0、2.0～3.0、1.0～2.0、0.5～1.0、0.25～0.5 mm 以及直徑＜0.25 mm 的土壤團聚體，分別稱質量，計算各級干篩團聚體占土樣總量的百分率。

土壤團聚體水穩(wěn)定性測定：由干篩法獲取各粒級土壤團聚體，按比例配成50 g 風干土樣。按孔徑大小排序套篩，放置于振蕩架上，并置于水桶中。調整桶內水面高度，使水面處于最上層篩底部與土壤面之間震蕩。將配好的土樣放入最大孔徑的篩子中，靜止5 min，然后上下振蕩3 min，振幅3 cm，頻率50 次/min。將各個篩子中的土壤洗出，在50℃下烘干、稱質量，即得到各粒級的土壤團聚體質量[18]。

1.3.3 土壤有機碳量測定

土壤有機碳采用高溫外加熱重鉻酸鉀氧化-容量法測定，平行測定誤差≤0.05%[19]。

1.4 數據處理

能夠反映土壤團聚體組成或結構的主要特征參數包括水穩(wěn)性大團聚體占比（R0.25）、幾何平均直徑（GWD）、平均質量直徑（MWD）和分形維數（D）。不同粒級土壤團聚體與有機碳結合，對土壤碳的固持和礦化速度影響不同，可導致有機碳功能和結構的不同[20]，常將粒徑≥0.25 mm 的團聚體稱為大團聚體，其在團聚體中的占比用R0.25表示，R0.25是土壤團聚體的定量評價指標，可以表征土壤疏松度、透氣性等土壤結構性能和抗蝕性[21]。土壤團粒結構的分布狀態(tài)由GWD和MWD來反映，其值可以表征土壤團聚體的粒徑團聚度、穩(wěn)定性和抗蝕性[22]，土壤團粒結構具有分形特征，細粒量高，代表其分形維數大，當土壤團粒結構得到改善時，分形維數會降低，土壤團聚體分形維數能夠客觀反映土壤團聚體的結構與穩(wěn)定性[23]。MWD、GWD、D用于表示土壤中團聚體的穩(wěn)定程度，其計算方法為[19]：

式中：MWD、GWD、D分別為團聚體的幾何平均直徑（mm）、平均質量直徑（mm）、分形維數；Wi為第i粒級的團聚體質量（g）；w為團聚體濕篩后所有粒級的質量（g）；ri為濕篩后第i粒級團聚體的平均直徑（mm）；dmax為濕篩后的最大粒級；diˉ為濕篩后某一粒級團聚體的平均直徑（mm）；W（r≥diˉ）為粒級＜diˉ的團聚體質量；R0.25為≥0.25mm 的土壤水穩(wěn)性團聚體量（%）；δ為粒級；n為≥0.25mm 粒級的分級數，本研究為7。

數據結果以平均值±標準差的形式表示；利用DPS 軟件（DPS V18.10）進行差異顯著性分析（P＜0.05），多重檢驗采用最小顯著極差法（LSD）。

2 結果與分析

2.1 灌溉和施氮對土壤團聚體水穩(wěn)定性的影響

由表1可知，土壤團聚體的粒級組成因施氮和灌溉水平而存在差異，各處理的R0.25都在53.77%以上，表明耕層土壤中以大團聚體為主。非充分灌溉條件下，適量施氮（SN180）會顯著提高水穩(wěn)性大團聚體量，使R0.25提高了12.20%（P＜0.05）；與充分灌溉相比，非充分灌溉降低了水穩(wěn)性大團聚體量；各處理的土壤團聚體機械穩(wěn)定性無明顯差異（表1）。方差分析表明，灌溉及其與氮素交互作用顯著影響水穩(wěn)性大團聚體量，團聚體機械穩(wěn)定性不受施氮和灌溉水平的影響。

表1 不同處理的耕層土壤團聚體結構Table 1 Soil aggregate structure in plough layer under different treatment

從團聚體的分層特征看，0～20 cm 為水穩(wěn)性大團聚體的主要貢獻層（R0.25≥56.60%）。其中≥5 mm 和0.25～2 mm 大粒徑團聚體分別貢獻了20.62%～44.48%和20.02%～40.84%。表明，0～20 cm 為土壤團聚體水穩(wěn)性的主要影響層，灌溉顯著影響土壤團聚體組成（表2）。

表2 各處理不同粒徑團聚體的土層間分布Table 2 Distribution of soil water-stable aggregates in different soil layers in different treatments

2.2 灌溉和施氮對土壤團聚體特征參數的影響

濕篩下MWD與GMD這2個指標更能夠反映土壤結構的穩(wěn)定程度，相同施氮水平下，非充分灌溉使MWD和GMD減小，分形維數增大；非充分灌溉下，施氮使MWD、GMD增大，D降低，表明土壤具有較好的團粒結構，而施氮對土壤結構的影響因灌溉水平而異，灌溉水平是影響土壤團聚體結構的顯著性因素（表3）。R0.25與土壤團聚體破壞率存在顯著的負相關

關系，非充分灌溉提高了團聚體破壞率（表3）。

表3 不同處理下土壤團聚體的特征參數值比較Table 3 Comparison of characteristic valueof soil aggregates under different treatments

通過土壤團聚體機械穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性對比分析發(fā)現，土壤團聚體的破壞主要發(fā)生在≥1 mm 粒級，非充分灌溉使0～20 cm 的土壤團聚體破壞率提高，而充分灌溉提高了施氮土壤的團聚體破壞率。其中，≥5 mm 團聚體破壞率在所有粒級中最高，并受施氮和灌溉交互影響顯著（表4）。團聚體破壞率受施氮和灌溉水平的影響，0～20 cm 土層的團聚體破壞率占0～30 cm 的66.91%以上，表明越靠上層的土壤團聚體機械穩(wěn)定性越差，并受灌溉水平影響顯著，其中施氮水平顯著影響≥5 mm 團聚體的破壞率；同一施氮水平下，非充分灌溉不利于土壤團聚體的機械穩(wěn)定性，而同一灌溉水平下，施氮不利于土壤團聚體的機械穩(wěn)定性；水氮協(xié)同作用顯著影響較大粒徑團聚體（≥5 mm）的機械穩(wěn)定性（0～30 cm）（表4）。

表4 不同施氮和灌溉水平下土壤團聚體破壞率Table 4 Destruction rate of soil aggregates under different levels of nitrogenand water %

2.3 灌溉和施氮對土壤有機碳的影響

相同灌溉水平下，施氮正向影響土壤有機碳，充分灌溉和非充分灌溉分別使施氮土壤的有機碳提高9.71%、3.59%；與充分灌溉比較，非充分灌溉分別提高施氮和不施氮土壤有機碳2.86%和8.94%，非充分灌溉施氮顯著提高土壤有機碳（圖2）。

圖2 不同水氮處理下土壤有機碳量Fig.2 Soil organic carbon under water and nitrogen treatment

土壤水分決定氮肥的有效性，而氮肥是土壤氮素的源，土壤碳氮具有耦合效應，二者具有相對穩(wěn)定的化學計量關系。因此，土壤有機碳與土壤水氮的關系能夠間接反映灌溉和施氮水平的農田生態(tài)效應。由圖3可知，土壤含水率和土壤全氮對土壤有機碳均存在線性關系（圖3（a）、圖3（b）），表明土壤水分和土壤氮可能是有機碳變化的主要解釋因素。由于土壤有機碳與土壤含水率和土壤全氮的線性關系都存在截距，并且圖3（a）的截距小于圖3（b），表明土壤氮對土壤有機碳影響的間接效應更大，大于土壤含水率，而土壤含水率的直接效應更大，經計算，土壤含水率對土壤有機碳的直接效應為6.85±2.47 mg/g，占有機碳總量的82.82%；土壤全氮的直接貢獻為3.81±1.05 mg/g，占有機碳總量的比例為46.04%。而土壤有機碳與水穩(wěn)性大團聚體量（R0.25）存在負相關關系，但水穩(wěn)性大團聚體對土壤有機碳帶來的間接效應為正（圖3（c））。

圖3 土壤有機碳與土壤含水率、土壤全氮及R0.25 的關系Fig.3 The relationship between soil organic carbon and soil water content,soil total nitrogen and R0.25

3 討論

3.1 灌溉和施氮水平對土壤結構的影響

對于耕作頻繁的華北平原，農田用水和施氮管理對土壤結構的影響尤為突出，長期定量施氮引起大團聚體（≥5 mm）的水穩(wěn)定性變弱[13]，機械穩(wěn)定性變差，使土壤微團聚體分散系數提高[7]，而短期（≤2a）的施氮管理對團聚體水穩(wěn)性和機械穩(wěn)定性的影響差異并不明顯（表1，表4），這可能由于定量施氮管理對團聚體的分化或累積的影響存在時間效應。這個效應受灌溉水平的影響，非充分灌溉使大團聚體（≥5 mm）破壞率明顯提高，并且分化為較小粒級團聚體（表4），這可能是引起非充分灌溉下水穩(wěn)性大團聚體偏低、微團聚體偏高的主要原因，我國干旱半干旱區(qū)土壤的水穩(wěn)性團聚體整體粒徑較小[9]，這表明受土壤水驅動下的土壤團聚體構成趨勢研究的結論基本一致。

3.2 灌溉和施氮對土壤有機碳的影響

我國華北平原0～20 cm 土壤有機碳儲量逐年降低，長期的水肥精細管理造成溫室氣體排放增加，導致該地區(qū)農田生態(tài)系統(tǒng)處于持續(xù)碳損失狀態(tài)[25]。由于表層是肥料和秸稈聚集最集中的土層，干燥高溫、灌溉濕潤以及土壤蒸發(fā)等都使表層土壤碳處于不穩(wěn)定狀態(tài)，這使得0～20 cm 土壤碳儲量受水肥管理的約束性更強，存在更大的不確定性。非充分灌溉提高了作物生產力，從而導致土壤中更大的碳輸入；而充分灌溉土壤可能刺激微生物活動[26-27]，從而促進碳礦化[28]，導致土壤碳的損失，作物生產和微生物呼吸對有機碳的累積起到相反的作用方向，當其中某種效應表現更強時，土壤產生碳固存增加或碳排放。非充分灌溉提高了施氮作物的產量和生物量（圖4），顯著促進了土壤有機碳量（圖2），因此，作物生產力對土壤碳的累積效應可能超過了碳損失效應，使得非充分灌溉施氮土壤的碳量顯著增加，這與相關研究結論一致[26-27]。

圖4 不同處理的小麥產量和生物量Fig.4 Wheat yieldand biomassunder different treatment

土壤團聚體是容納大量有機物質的微生境，對土壤養(yǎng)分動態(tài)具有重要的調節(jié)功能[29]。土壤有機碳量與大團聚體的穩(wěn)定性直接相關，并主要分布于大團聚體中[18,30]，本研究中，土壤有機碳與水穩(wěn)性大團聚體量（R0.25）具有負相關關系，這可能由于施氮促進土壤有機碳增加（圖2），但同時也改變了不同團聚體對土壤微生物與作物間的作用，土壤大團聚體破壞使其中的有機物質暴露，加速了土壤碳損失[31]，而與之相比，較強的物理保護以及真菌和酶活性優(yōu)勢使微團聚體中的有機碳更加穩(wěn)定[32-33]，這可能是引起本研究結果的主要原因。土壤有機碳固存的增加，能夠增強土壤顆粒膠結作用，進而提高土壤保水性能[7]，使土壤有機碳隨土壤水分的增加呈正效應（圖3（a）），對土壤持水結構和作物生長都有利，這進一步強化了作物-土壤間的聯系，對區(qū)域農田生態(tài)系統(tǒng)的健康評估具有重要的理論意義。

4 結論

1）灌溉對土壤大團聚體結構影響顯著，非充分灌溉降低了土壤大團聚體（≥0.25 mm）量，但顯著增強了施氮土壤的大團聚體水穩(wěn)性。灌溉和施氮對土壤團聚體結構的影響具有交互效應。

2）非充分灌溉減弱了土壤團聚體的機械穩(wěn)定性，提高了土壤團聚體的機械破壞率。

3）非充分灌溉能夠提升小麥生產能力，顯著促進施氮土壤的碳儲量增加。