朱翰紳　徐聰　吳迪　劉昊貺　李冠霖　紀(jì)程　汪吉東　張永春

摘要：優(yōu)化氮肥施用方式、提升土壤有機(jī)碳（SOC）水平是黃河故道區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。通過持續(xù)3年的田間定位試驗(yàn)方法，探究減量施氮、秸稈還田和蚯蚓接種對江蘇省黃河故道區(qū)沙質(zhì)潮土團(tuán)聚體構(gòu)成及其SOC含量及活度等指標(biāo)的影響。試驗(yàn)共設(shè)農(nóng)民習(xí)慣施氮［FN：690 kg/（hm2·年）］、減量施氮［RN：540 kg/（hm2·年）］、減量施氮+秸稈還田（RS）、減量施氮+秸稈還田+接種蚯蚓（SE）4個處理。結(jié)果表明，與FN處理相比，RN處理下SOC含量有增加趨勢，且其增加部分主要來源于小團(tuán)聚體（＞0.250～2.000 mm）比例及其所結(jié)合的SOC含量的提升。RS處理相對RN處理，全土SOC含量提高8.58%，且大團(tuán)聚體SOC含量顯著增加27.7%，但兩者團(tuán)聚體構(gòu)成無顯著差異。在RS處理基礎(chǔ)上接種蚯蚓（SE）后，＞0.250～2.000 mm小團(tuán)聚體比例及其SOC貢獻(xiàn)量分別顯著下降33.3%和44.1%，導(dǎo)致全土SOC含量降低16.1%，這可能與秸稈還田下，0.250～2.000 mm小團(tuán)聚體中土壤易氧化有機(jī)碳的貢獻(xiàn)量高于其他粒徑團(tuán)聚體，在蚯蚓活動影響下可能更易于被利用分解有關(guān)，各處理下的作物產(chǎn)量并無顯著差異。綜上，在該地區(qū)通過接種蚯蚓改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、提高SOC水平的可行性有待進(jìn)一步驗(yàn)證；土壤小團(tuán)聚體是影響黃河故道區(qū)沙質(zhì)潮土SOC固持的關(guān)鍵因素；相比常規(guī)施氮，減量施氮配合秸稈還田是提升土壤肥力的有效手段。

關(guān)鍵詞：減量施氮；秸稈還田；蚯蚓接種；土壤有機(jī)碳；土壤團(tuán)聚體

中圖分類號：S158.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）09-0278-07

提升耕地質(zhì)量、保障糧食安全是我國新發(fā)展階段的重要戰(zhàn)略［1］。江蘇省黃河故道區(qū)屬黃淮海平原的一部分，總耕地面積為180多萬hm2，是重要的糧食產(chǎn)區(qū)［2］。但由于該地區(qū)土壤有機(jī)碳（SOC）水平較低［3］，土壤氮素保蓄能力差，作物高產(chǎn)主要依賴于大量的氮肥投入，而盲目施用氮肥易加劇土壤退化，且會導(dǎo)致面源污染和溫室氣體排放等一系列環(huán)境問題［4］。因此，優(yōu)化氮肥施用方式、提升SOC水平是黃河故道區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

較多研究表明，秸稈還田是增加SOC含量、提升土壤氮素保蓄能力的有效途徑［5-6］。前人基于15N原位示蹤試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，秸稈還田相較于不還田處理，當(dāng)季肥料氮總損失可降低13.0%［7］。然而，也有研究發(fā)現(xiàn)，常規(guī)秸稈還田措施下土壤的固碳效率較低，例如，Han等基于全國尺度的meta分析研究表明，秸稈的腐殖化系數(shù)僅為16.2%［8］；Xu等在黃河故道區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，常規(guī)秸稈還田下，土壤的固碳效率僅為0.13 mg/（hm2·年），以此推算SOC含量提升至黃淮海平原水平需要100年以上的時間［9］。因此，常規(guī)秸稈還田難以實(shí)現(xiàn)SOC水平的快速提升，在耕地質(zhì)量提升的緊迫需求下，秸稈還田的方式仍有待改進(jìn)。

強(qiáng)化SOC的物理保護(hù)機(jī)制是提升秸稈還田下土壤固碳效率的重要手段［10］。土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，可使SOC與微生物和胞外酶之間形成空間隔離，為SOC提供物理保護(hù)，減少SOC的分解［11］。黃河故道區(qū)土壤多為砂質(zhì)，且其大團(tuán)聚體含量及團(tuán)聚體穩(wěn)定性較差，成為限制秸稈還田下土壤固碳效率的關(guān)鍵因素［9］。蚯蚓作為“生態(tài)系統(tǒng)工程師”，不僅其腸道中存在的膠結(jié)物質(zhì)對團(tuán)聚體的形成有重要作用，而且可通過攝取有機(jī)物料并在其腸道微生物的作用下促進(jìn)土壤碳的封存［12］。然而，目前針對黃河故道區(qū)開展的秸稈還田配合蚯蚓接種的研究還較為缺乏。

本研究以江蘇省黃河故道區(qū)土壤為研究對象，探究不同施氮水平、秸稈還田和蚯蚓接種處理下土壤團(tuán)聚體粒徑構(gòu)成、各粒徑團(tuán)聚體SOC含量、易氧化有機(jī)碳（LOC）含量等指標(biāo)的變化特征，以期為制定土壤肥力快速提升策略、助力區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本試驗(yàn)開始于2018年10月，地點(diǎn)位于江蘇省鹽城市濱海縣界牌鎮(zhèn)三壩村（34°5′52″N，119°51′44″E）。

試驗(yàn)地屬典型黃河故道小麥—玉米輪作區(qū)，氣候溫和濕潤，年平均氣溫為12～21 ℃；年平均降水量為964.8 mm，且降水主要集中在夏季。供試土壤為沙質(zhì)潮土，沙粒、粉粒和黏粒含量分別為62%、25%和13%，其他基礎(chǔ)理化性質(zhì)見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

本試驗(yàn)共設(shè)4個處理，分別為：（1）農(nóng)民習(xí)慣施氮（FN）；（2）減量施氮（RN）；（3）減量施氮+秸稈還田（RS）；（4）減量施氮+秸稈還田+接種蚯蚓（SE）。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，每個處理3次重復(fù)，共12個小區(qū)，每個小區(qū)面積為30 m2。在SE處理小區(qū)四周設(shè)置聚氯乙烯（PVC）板，板深入地表以下30 cm，地上20 cm，用于防止蚯蚓逃逸；于每季作物播種后進(jìn)行蚯蚓接種，蚯蚓品種選用威廉腔環(huán)蚓，接種量為60 g/m2，試驗(yàn)期間小麥季和玉米季蚯蚓成活率分別為72.5%和89.1%。FN處理的施氮量為當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)用量［690 kg/（hm2·年）］，小麥季、玉米季施氮量分別為360、330 kg/hm2；其余處理均采用當(dāng)?shù)赝扑]施氮量［540 kg/（hm2·年）］，即小麥季、玉米季施氮量分別為270、240 kg/hm2。氮肥品種為尿素，小麥季和玉米季氮肥的基追比均為 4 ∶6。

磷肥（過磷酸鈣）和鉀肥（硫酸鉀）均作為底肥一次性施入。磷肥（P2O5）施用量2季均為 120 kg/hm2；鉀肥（K2O）施用量為小麥季 90 kg/hm2，玉米季60 kg/hm2。

1.3 樣品采集與測定方法

各小區(qū)土壤樣品均采集于小麥季作物收獲期（2021年6月）。采用“S”形采樣法對每小區(qū)0～20 cm 土壤樣品進(jìn)行采集，采集的土壤樣品經(jīng)風(fēng)干磨細(xì)后過10目篩，用于分析全土各項(xiàng)理化指標(biāo)。另外，在每小區(qū)內(nèi)用鏟子采集原狀土壤樣品，置于塑料盒中，去除根系、作物殘茬后進(jìn)行風(fēng)干，以備團(tuán)聚體指標(biāo)的測定。

全土樣品各項(xiàng)理化指標(biāo)均采用常規(guī)方法［13］進(jìn)行測定：土壤pH值采用電位法（土水質(zhì)量比為 1 ∶2.5）測定；SOC含量采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定；LOC含量采用高錳酸鉀氧化-分光光度法測定；總氮（TN）含量采用濃硫酸消化-凱氏定氮法測定；堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法測定；有效磷和速效鉀含量則分別使用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法和乙酸銨浸提-火焰光度法測定。

采用濕篩法對原狀土壤樣品進(jìn)行團(tuán)聚體分級。篩子孔徑分別為2.000、0.250、0.053 mm，可將全土分為4個粒徑：大團(tuán)聚體（>2.000 mm）、小團(tuán)聚體（>0.250～2.000 mm）、微團(tuán)聚體（>0.053～0.250 mm）和粉-黏顆粒（≤0.053 mm）。將分級后的各級樣品于40 ℃下烘干后稱重并保存，分別測定各級團(tuán)聚體的SOC、LOC、TN含量，測定方法與全土測定方法一致。

于2020年玉米季和2021年小麥季作物成熟時設(shè)置樣方，人工收割樣方內(nèi)作物，在風(fēng)干、脫粒后稱量作物產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)計算與分析

式中：X-i為各粒徑團(tuán)聚體的平均直徑，mm；Wi為第i粒徑團(tuán)聚體所占百分比含量，%；n為粒徑分組的數(shù)量。

土壤非易氧化有機(jī)碳（NLOC，g/kg）含量由土壤SOC含量減去LOC含量得出。SOC活度為土壤LOC含量與土壤SOC含量的比值。

團(tuán)聚體SOC（或LOC）貢獻(xiàn)率為該粒徑團(tuán)聚體中SOC（或LOC）含量與該粒徑團(tuán)聚體質(zhì)量百分比的乘積占全土SOC（或LOC）含量的比值。其中某粒徑團(tuán)聚體中SOC（或LOC）含量與該粒徑團(tuán)聚體質(zhì)量百分比的乘積代表該粒徑團(tuán)聚體SOC（或LOC）貢獻(xiàn)量。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用Microsoft Excel 2019進(jìn)行整理，采用IBM SPSS Statistics 26軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，所有數(shù)據(jù)結(jié)果均采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤（Mean±SE）表示，運(yùn)用最小顯著差異法（LSD）對各處理數(shù)據(jù)進(jìn)行多重比較（α=0.05），采用GraphPad Prism 8.0軟件進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對土壤團(tuán)聚體構(gòu)成及其穩(wěn)定性的影響

與FN處理相比，RN處理下較大粒徑團(tuán)聚體（>0.250 mm）含量總體增加4.37%（圖1-A），其中>0.250～2.000 mm小團(tuán)聚體含量顯著增加41.0%，而>2.000 mm大團(tuán)聚體含量顯著減少49.7%。RS與RN處理間團(tuán)聚體構(gòu)成無顯著差異。與RS處理相比，接種蚯蚓后較大粒徑團(tuán)聚體含量下降17.9%，且下降主要發(fā)生在>0.250～2.000 mm小團(tuán)聚體中，下降比例達(dá)33.3%，而>2.000 mm大團(tuán)聚體含量顯著增加52.1%。接種蚯蚓后，

>0.053～

0.250 mm微團(tuán)聚體以及≤0.053 mm粉-黏顆粒的比例均有提升，其中微團(tuán)聚體比例的增加達(dá)顯著水平，為40.9%。

各處理中，F(xiàn)N處理團(tuán)聚體的MWD最高（圖1-B），SE處理最低。RN處理相比FN處理，MWD值顯著降低8.30%。對于GMD值而言（圖1-C），RN處理最高，SE處理最低。相比RS處理，SE處理下GMD值顯著降低25.2%。

2.2 不同處理對全土和團(tuán)聚體SOC含量及其活度的影響

與FN處理相比，RN處理的全土SOC含量增加11.9%（圖2），且其增加主要體現(xiàn)在較大粒徑團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體SOC含量上。在RN處理的基礎(chǔ)上進(jìn)行秸稈還田（RS）后，全土SOC含量上升了8.58%，且>2.000 mm大團(tuán)聚體內(nèi)SOC含量顯著增加 27.7%。與RS處理相比，接種蚯蚓后全土SOC含量下降16.1%，且其降低主要表現(xiàn)在>2.000 mm大團(tuán)聚體中（SOC含量顯著下降36.1%）。

對于各粒徑團(tuán)聚體SOC貢獻(xiàn)量以及貢獻(xiàn)率而言（圖3-A、圖3-B），與FN處理相比，RN處理 >2.000 mm 大團(tuán)聚體SOC貢獻(xiàn)量與貢獻(xiàn)率分別顯著降低43.6%和47.6%；＞0.250～2.000 mm小團(tuán)聚體SOC貢獻(xiàn)量與貢獻(xiàn)率均上升，其中SOC貢獻(xiàn)量增加36.6%，達(dá)顯著水平。RS處理與RN處理間團(tuán)聚體SOC貢獻(xiàn)量與貢獻(xiàn)率無顯著差異。在RS基礎(chǔ)上接種蚯蚓（SE）后，＞0.250～2.000 mm小團(tuán)聚體SOC貢獻(xiàn)量顯著降低44.1%；>0.250～2.000 mm小團(tuán)聚體SOC貢獻(xiàn)率降低25.8%，但未達(dá)顯著水平。對于各粒徑團(tuán)聚體LOC貢獻(xiàn)量與貢獻(xiàn)率而言（圖3-C、圖3-D），在RS處理?xiàng)l件下，接種蚯蚓（SE）后>0.250～2.000 mm小團(tuán)聚體LOC貢獻(xiàn)量與貢獻(xiàn)率分別顯著降低51.9%和40.1%。

2.3 不同處理對土壤TN含量、速效養(yǎng)分含量、pH值及產(chǎn)量的影響

團(tuán)聚體以及全土TN含量變化趨勢（圖4）與SOC含量相似。與RN處理相比，RS處理下全土TN含量上升8.33%，其中>2.000 mm大團(tuán)聚體的TN含量顯著增加18.6%。SE處理與RS處理相比，TN含量降低了19.2%，其中>2.000 mm大團(tuán)聚體TN含量顯著降低43.4%。

與FN處理相比，減量施氮處理（RN）堿解氮含量顯著降低15.2%（表2）。在RN處理的基礎(chǔ)上秸稈還田（RS）后，堿解氮含量顯著增加24.7%。與RS處理相比，SE處理堿解氮含量顯著降低25.4%。SE處理有效磷含量與RS處理相比增加12.8%，與FN處理相比顯著增加55.2%。不同處理下速效鉀含量與pH值無顯著差異。

各處理對2季作物的產(chǎn)量均無顯著影響（圖5）。SE處理2季作物總產(chǎn)量為最高，而RN處理最低。

3 討論與結(jié)論

土壤較大粒徑團(tuán)聚體比例和SOC含量是判斷土壤基礎(chǔ)肥力的重要指標(biāo)［14-15］。本研究表明，與FN處理相比，RN處理下較大粒徑團(tuán)聚體的比例和SOC含量均有增加趨勢，表明減量施氮對土壤基礎(chǔ)肥力具有提升作用。前人研究也發(fā)現(xiàn)了相同趨勢［16-17］。這可能是由于高量氮肥施用后，微生物對土壤碳的挖掘效應(yīng)增強(qiáng)，導(dǎo)致SOC分解加快［18］。通過對比2種較大粒徑團(tuán)聚體間的差異發(fā)現(xiàn)，減量施氮處理下土壤大團(tuán)聚體和SOC含量的提升主要來源于>0.250～2.000 mm小團(tuán)聚體，而>2.000 mm大團(tuán)聚體的比例和SOC貢獻(xiàn)率較FN處理均顯著降低。這可能與不同粒徑團(tuán)聚體的聚合機(jī)制有關(guān)，減量施氮有利于增加土壤微生物量、促進(jìn)菌絲生長，從而使較小粒徑團(tuán)聚體（<0.250 mm）更易向0.250～2.000 mm小團(tuán)聚體聚合［19-20］；而作物根系是聚合土壤>2.000 mm大團(tuán)聚體的重要膠結(jié)物質(zhì)，在減量施氮條件下，作物根系生物量的降低可能減緩了0.250～2.000 mm小團(tuán)聚體向>2.000 mm大團(tuán)聚體的聚合［21］。

秸稈還田對SOC含量和土壤較大粒徑團(tuán)聚體含量的提升作用已被廣泛報道［22-25］。本研究也發(fā)現(xiàn)，RS處理相對RN處理，SOC含量呈現(xiàn)增加趨勢，且>2.000 mm大團(tuán)聚體中SOC含量的增加達(dá)顯著水平。然而，就團(tuán)聚體構(gòu)成分析，秸稈還田并未造成顯著差異。這可能由于：（1）前人研究發(fā)現(xiàn)的秸稈還田對土壤團(tuán)聚體構(gòu)成的影響多基于旋耕等常規(guī)耕作條件［25］，而本研究為玉米季免耕，免耕對土壤結(jié)構(gòu)的保護(hù)作用可能掩蓋了秸稈還田的影響；（2）秸稈的腐解過程較長，其對土壤團(tuán)聚體的影響可能在長期尺度上才能表現(xiàn)出顯著差異［26］，而本試驗(yàn)僅進(jìn)行了3年，秸稈還田對土壤團(tuán)聚體的影響尚未顯現(xiàn)出來。就作物產(chǎn)量而言，不同處理間無顯著差異，表明與常規(guī)管理相比，減量施氮和秸稈還田并沒有以犧牲作物生產(chǎn)力為代價。因此，減量施氮配合秸稈還田可作為該地區(qū)SOC含量可持續(xù)提升的有效手段。

較多研究表明，蚯蚓可提升土壤較大粒徑團(tuán)聚體比例，促進(jìn)秸稈腐解，強(qiáng)化SOC的物理保護(hù)機(jī)制，從而提升SOC含量［27-29］。例如，Sheehy等的研究表明，秸稈還田下接種蚯蚓有利于促進(jìn)SOC在 >2.000 mm 大團(tuán)聚體中的積累［30］。在本研究中，接種蚯蚓后SOC貢獻(xiàn)量的顯著提升僅發(fā)生在 >2.000 mm 大團(tuán)聚體中，而>0.250～2.000 mm小團(tuán)聚體的比例及其SOC貢獻(xiàn)量在接種蚯蚓后均顯著降低。袁新田等的研究也發(fā)現(xiàn)了相似的趨勢，相比單施秸稈，秸稈配施蚯蚓后土壤>2.000 mm大團(tuán)聚體比例提升了295%，但>0.250～2.000 mm小團(tuán)聚體比例降低了67.1%［31］。這可能是由于：（1）秸稈還田條件下，>0.250～2.000 mm小團(tuán)聚體中SOC的活度最高，其LOC的貢獻(xiàn)量也高于其他粒徑團(tuán)聚體，在蚯蚓活動影響下可能更易于被利用分解［32］；（2）供試土壤為沙土，相比前人研究中的黏壤土［27］，SOC易于向深層土壤淋溶，而蚯蚓的掘土行為使土壤孔洞增加［33］，促進(jìn)了SOC的淋溶過程；（3）供試蚯蚓為上食下居型，可將在上層取食的SOC遷移到深層土壤，導(dǎo)致表層SOC含量降低［34］；（4）蚯蚓的分泌物和排泄物使土壤中微生物活性增強(qiáng)，促進(jìn)了SOC分解的激發(fā)效應(yīng)，導(dǎo)致部分老碳分解［35-37］。由于SOC是團(tuán)聚體形成的核心，蚯蚓接種處理下SOC的消耗也可能是0.250～2.000 mm小團(tuán)聚體比例降低的主要原因［38］。同時，本研究發(fā)現(xiàn)，減量施氮、秸稈還田和蚯蚓接種對SOC含量的影響均主要體現(xiàn)在土壤>0.250～2.000 mm小團(tuán)聚體中，因此小團(tuán)聚體可認(rèn)為是調(diào)控黃河故道區(qū)土壤固碳的重要因子。

本研究發(fā)現(xiàn)，相比未進(jìn)行秸稈還田的處理，秸稈還田后土壤堿解氮含量顯著提升了24.7%。這可能主要?dú)w因于高C/N值秸稈（本研究中供試秸稈的C/N值為76 ∶1）還田后，微生物對可利用氮的固定增加，從而降低了氮素?fù)p失［39］。然而，在秸稈還田的基礎(chǔ)上接種蚯蚓后，土壤堿解氮含量顯著降低，這同樣可能與蚯蚓掘土行為導(dǎo)致的氮素淋溶增多有關(guān)。在沙質(zhì)土壤中接種蚯蚓后，磷素也有較高的淋溶風(fēng)險，但在本研究中，接種蚯蚓后土壤有效磷含量高于僅秸稈還田處理，這可能是由于蚯蚓腸道內(nèi)的微生物活動促進(jìn)了有機(jī)磷的礦化，從而增加了土壤有效磷的供應(yīng)［40-41］。

相比常規(guī)施氮，減量施氮可通過增加土壤>0.250～2.000 mm小團(tuán)聚體的SOC含量提升全土SOC水平。減量施氮配合秸稈還田可顯著提升>0.250～2.000 mm小團(tuán)聚體SOC含量，但土壤團(tuán)聚體構(gòu)成未發(fā)生顯著變化。在減量施氮、秸稈還田基礎(chǔ)上接種蚯蚓后，>0.250～2.000 mm小團(tuán)聚體比例及其SOC貢獻(xiàn)量均顯著降低，從而導(dǎo)致全土SOC含量下降。因此，土壤0.250～2.000 mm小團(tuán)聚體是影響黃河故道區(qū)沙質(zhì)潮土SOC固持的關(guān)鍵因素；相比常規(guī)施氮，減量施氮配合秸稈還田是提升土壤肥力的有效手段；但在該地區(qū)通過接種蚯蚓改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、提高SOC水平的可行性仍有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

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收稿日期：2023-07-07

基金項(xiàng)目：江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計劃（編號：BE2021378）；江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金［編號：CX（21）1009］。

作者簡介：朱翰紳（1997—），男，江蘇鎮(zhèn)江人，碩士研究生，主要從事土壤肥力質(zhì)量與氮循環(huán)研究。E-mail：hanshenzhu@outlook.com。

通信作者：徐 聰，博士，副研究員，研究方向?yàn)橥寥鲤B(yǎng)分循環(huán)與土壤肥力提升，E-mail：cxu@jaas.ac.cn；汪吉東，博士，研究員，研究方向?yàn)橥寥婪柿妥魑镳B(yǎng)分管理，E-mail：jidongwang@jaas.ac.cn。