化肥減施下紫云英不同翻壓量對水穩(wěn)性團聚體及雙季稻產量的影響

聶 鑫，魯艷紅，廖育林，高雅潔，程會丹，朱啟東，曹衛(wèi)東，聶 軍,3

(1.湖南大學研究生院 隆平分院，湖南 長沙 410125；2.湖南省土壤肥料研究所，湖南 長沙 410125；3.農業(yè)部湖南耕地保育科學觀測實驗站，湖南 長沙 410125；4.中國農業(yè)科學院 農業(yè)資源與農業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081)

30多年來，農業(yè)肥料從以有機肥為主轉變成以化肥為主[1]。化肥為糧食高產發(fā)揮了重要作用，但目前中國單位耕地面積化肥使用量已經超過國際公認安全施用量上限近一倍[2]?；蔬^度施用使肥料利用率降低，作物增產效率下降，同時也帶來了一系列土壤質量問題[3]。團聚體是組成土壤的基礎和養(yǎng)分的主要載體，團聚體的組成和穩(wěn)定影響土壤結構，進而影響植物的生長發(fā)育。團聚體的大小和數量影響土壤的水、肥、氣、熱等狀況[4]，是反映土壤肥力與健康的重要指標之一，同時土壤有機碳對土壤團聚體的形成和穩(wěn)定性也具有重要作用[5]。

有機肥與化肥配施可以提高水穩(wěn)性大團聚體含量, 改善土壤團聚體的結構[6]。有機物料施用提高微生物活性的同時，其被微生物分解產生的有機酸、腐殖物質，起到有機膠結劑的作用，可以把土壤顆粒膠結成微團聚體，并進一步團聚成大團聚體[7]。聶軍等[8]研究表明，有機肥與化肥配施可以增加有機質含量，改善土壤結構。安婷婷等[9]研究表明，使用有機肥可以提高團聚體的活力，減少團聚體被人為破壞粒級間轉化。綠肥是純天然有機肥，種植綠肥可以解決我國耕地質量整體偏低，農業(yè)生產對化肥依賴較大等問題[10]。紫云英是豆科綠肥的一種，在南方稻區(qū)有種植紫云英綠肥的傳統(tǒng)[11]。種植翻壓紫云英具有改善土壤物理性狀、提高土壤養(yǎng)分含量等效果，能為后茬水稻提供良好的生長環(huán)境[12]。張欽等[13]發(fā)現翻壓綠肥能夠提高不同粒級土壤團聚體和水穩(wěn)性大團聚體含量。劉春增等[14]在紫云英配施不同量化肥的研究中發(fā)現土壤中0.25～2.00 mm粒級團聚體占比最大，提供了土壤中主要的有機碳和全氮，而化肥的施用不利于該粒級的形成與穩(wěn)定。這些研究主要報道了減肥翻壓綠肥和土壤結構、團聚體養(yǎng)分之間的關系，但多是利用旱地土壤且試驗時間較短，對南方水田紫云英翻壓并減施化肥對團聚體結構及水稻產量研究較少。本研究利用在洞庭湖區(qū)的定位試驗，研究連續(xù)長期化肥減量下不同紫云英翻壓量對水穩(wěn)性團聚體的影響，以確保在化肥減量施用下水稻不減產，同時能提高土壤團聚體穩(wěn)定性的紫云英翻壓量，從而為該土壤類型紫云英綜合利用提供參考依據并指導農業(yè)生產。

1 材料和方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗開始于2008年，試驗區(qū)位于湖南省益陽市南縣(北緯29°11′，東經 112°18′，海拔高度30 m)，屬洞庭湖雙季稻區(qū)，季風濕潤氣候，年平均氣溫16.6 ℃，年平均降水量1 238 mm，年日照時間1 775 h。供試土壤為湖積物發(fā)育的紫潮泥，試驗開始前測得0～20 cm土壤基本理化性狀為pH值7.7、有機碳27.5 g/kg、全氮3.28 g/kg、全磷1.26 g/kg、全鉀21.7 mg/kg、堿解氮251.0 mg/kg、有效磷15.6 mg/kg、速效鉀98 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗采用田間小區(qū)，試驗小區(qū)長5 m，寬4 m，小區(qū)間用高20 cm，寬30 cm的田埂覆膜隔離，每個小區(qū)有單獨的排灌系統(tǒng)。早稻品種為湘早秈45，晚稻為黃華占，紫云英為湖南省土壤肥料研究選育的湘紫1號。紫云英翻壓量設4個水平，分別為15 000(GM1)，22 500(GM2)，30 000(GM3)，37 500 kg/hm2(GM4)，F100指當地的常規(guī)施肥量，N 150 kg/hm2，P2O575 kg/hm2，K2O 120 kg/hm2；F80指氮、鉀肥用量為常規(guī)施肥的80%，磷肥不變。共6個處理，每個處理隨機排布重復3次，各試驗小區(qū)施肥量見表1。

表1 不同處理紫云英和化肥用量

晚稻收割前10～15 d在小區(qū)內均勻播撒紫云英種子，播種量為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左右紫云英稱質量翻壓還田，淺水濕潤腐解。晚稻于6月中旬育秧，7月中、下旬移栽。N、P、K化肥品種分別為尿素、過磷酸鈣和氯化鉀。晚稻無紫云英翻壓，各處理早稻、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%在分蘗盛期作追肥施入；磷肥和鉀肥均在移栽前作基肥施入。基肥施入后用鐵耙翻入5 cm深的土層中。早晚兩季水稻收獲后，稻草移走不還田。

1.3 樣品采集

在2018年晚稻收獲后采集各小區(qū)耕作層(0～20 cm)土壤，每小區(qū)采集5個樣點的塊狀原裝土樣品，用硬塑盒盛裝，以免在運輸過程中路途顛簸使原狀土擠壓變形。取回的原狀土在室內陰涼風干，當土壤含水量達到塑性時，用手沿著土塊自然破碎面縫隙輕輕掰開，將雜質剔除干凈，過8 mm篩網，將過了8 mm篩網的風干樣依次通過2.000，1.000，0.500，0.250，0.106 mm粒級篩網進行干篩，稱質量保存。

參照Six等[15]的土壤團聚體濕篩法進行團聚體分離。具體操作：按干篩比例配取100 g干篩土，平鋪于2 mm篩子上，蒸餾水浸泡5 min，水穩(wěn)性團聚體的分離利用DIK-2001土壤團粒分析儀1 min內振蕩30次持續(xù)30 min進行，土樣依次通過2.000，1.000，0.500，0.250，0.106 mm粒級篩網，收集各粒級水穩(wěn)性團聚體轉移至鋁盒中烘箱60 ℃烘干，達到恒質量后稱質量，將烘干的土樣研磨后通過0.150 mm網篩篩測定各粒級團聚體有機碳、全氮含量[16]。

1.4 計算方法與數據處理

數據、圖表采用IBM SPSS Statistic 20和Microsoft Excel處理，單因素方差分析，Duncan新復極差法進行多重比較，差異顯著性為P<0.05水平。

用平均重量直徑(MWD)、平均幾何直徑(GMD)表示團聚體結構穩(wěn)定性。計算公式如下[17]。

各粒級團聚體有機碳(全氮)的貢獻率(%)計算公式[18]如下：

某粒級團聚體有機碳(全氮)對全土有機碳(全氮)的貢獻率=該級團聚體中有機碳(全氮)含量×該級團聚體的含量(%)/全土有機碳(全氮)含量×100%。

2 結果與分析

2.1 不同紫云英翻壓量下土壤水穩(wěn)性團聚體組成及分布的變化

團聚體的含量與分布反映了土壤結構的穩(wěn)定性，長期施用化肥和紫云英對耕層土壤中不同粒徑水穩(wěn)性團聚體含量分布較一致。如表2所示，各處理均以>2.000 mm粒級水穩(wěn)性團聚體占比最大(51.84%～67.42%)，0.106～0.250 mm水穩(wěn)性團聚體含量最少(4.75%～8.24%)，>0.250 mm水穩(wěn)性團聚體含量均較高(82.48%～89.78%)。>2.000 mm粒徑團聚體含量在F100處理最高，顯著高于其他處理；與CK相比，減肥翻壓紫云英處理>2.000 mm粒級水穩(wěn)性團聚體含量均下降，且表現出 F80+GM3>F80+GM2>F80+GM1>F80+GM4的高低順序，其中F80+GM4降幅達到顯著水平；與CK、F100處理相比，減施化肥翻壓紫云英處理提高了1.000～2.000 mm，0.500～1.000 mm兩粒級水穩(wěn)性團聚體含量，且隨紫云英翻壓量的增大而增大，以F80+GM4處理的占比最大。

表2 土壤水穩(wěn)性團聚體分布

2.2 不同紫云英翻壓量下土壤水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性的變化

土壤團聚體穩(wěn)定性體現了土壤物理性狀質量的高低，水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性一般用平均重量直徑(MWD)和平均幾何直徑(GMD)表示。如圖1所示，各處理MWD和GMD的大小分別為2.91～3.59 mm，1.22～1.41 mm，順序均為F100>F80+GM3>F80+GM2>CK>F80+GM1>F80+GM4。其中F100處理的MWD、GMD值顯著高于對照，分別增加了0.53，0.19 mm；氮鉀減施翻壓紫云英處理與對照處理相比差異不顯著。

不同字母表示處理之間差異達到5%顯著水平。圖2-7同。

2.3 不同粒級團聚體中有機碳含量、分布及對土壤有機碳的貢獻率

經過連續(xù)11 a翻壓紫云英，不同處理土壤有機碳含量存在差異(圖2)。各施肥處理有機碳含量均高于對照處理(CK)，其中F80+GM2處理有機碳含量最高，達38.98 g/kg；其次是F80+GM4，為38.11 g/kg，二者差異顯著且均顯著高于CK，而F100、F80+GM3和F80+GM1處理則與CK差異不顯著。

圖2 不同施肥處理土壤有機碳含量

有機碳在不同粒級團聚體中的含量與分布如圖3。本試驗中>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各粒級團聚體有機碳含量分別為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粒級團聚體中，不同處理水穩(wěn)性團聚體有機碳含量變化均表現為減量施肥翻壓紫云英處理>F100>CK，且隨著紫云英翻壓量的增加呈先升高后降低的趨勢，至F80+GM3有機碳含量達到最大值。

圖3 不同施肥處理各粒級團聚體有機碳含量與分布

如圖4所示，各處理土壤中>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粒級團聚體有機碳占全土有機碳比例分別為51.68%～68.33%，6.85%～12.59%，8.71%～13.34%，5.74%～9.85%，4.52%～8.03%，3.63%～6.75%。本試驗各處理>0.250 mm的大團聚體粒級土壤有機碳含量較高，其中>2.000 mm粒級的占比最大，隨著粒徑變小有機碳貢獻率降低。在>2.000 mm粒級團聚體，F100處理有機碳貢獻率最大，在減量施用化肥翻壓紫云英的4個處理中，有機碳貢獻率隨紫云英翻壓量先升高后降低，F80+GM3處理的有機碳貢獻率最大，而F80+GM4貢獻率最小，顯著低于其他各處理；在1.000～2.000 mm，0.500～1.000 mm粒級，減施化肥翻壓紫云英處理的團聚體有機碳貢獻率顯著高于CK、F100處理。

圖4 不同施肥處理團聚體粒級有機碳貢獻率

2.4 不同粒級團聚體中全氮含量、分布及對土壤全氮的貢獻率

如圖5所示，不同處理耕層土壤全氮含量為3.34～3.66 g/kg，較試驗前土壤全氮含量提高。各處理的全氮含量變化表現為F80+GM2>F80+GM4>F80+GM3>F80+GM1>F100>CK。

圖5 不同施肥處理土壤全氮含量

如圖6所示，不同施肥處理按團聚體粒級從大到小順序，全氮含量分別為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粒級時F80+GM3處理全氮含量最高，而在<0.500 mm粒級以F80+GM4處理全氮含量最高。在>0.106 mm粒級，施肥處理全氮含量高于CK；在>2.000 mm，1.000～2.000 mm，0.500～1.000 mm粒級團聚體，隨著紫云英翻壓量的增大，全氮含量呈先升高后降低的趨勢，至F80+GM3處理全氮含量最大；在0.250～0.500 mm，0.106～0.250 mm粒級團聚體上，隨紫云英翻壓量的增加，團聚體全氮含量呈增加趨勢，以F80+GM4處理的全氮含量最高。

圖6 不同施肥處理各粒級團聚體全氮含量與分布

如圖7所示，各粒級團聚體氮分別占土壤總氮的比例為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粒級團聚體的全氮對土壤全氮貢獻率占比較大，其中以>2.000 mm粒級的占比最大。在>2.000 mm粒級，F100處理的團聚體全氮貢獻率最大，CK次之，而在減量施用化肥翻壓紫云英的4個處理中，全氮貢獻率隨紫云英翻壓量的增加先升高后降低，至F80+GM3達到最大值，與F80+GM1和F80+GM2處理差異不顯著，均顯著高于F80+GM4處理；隨著紫云英翻壓量增大，F80+GM4處理0.106～2.000 mm各粒級團聚體的全氮貢獻率顯著降低。

圖7 不同施肥處理團聚體粒級全氮貢獻率

2.5 化肥減量下不同紫云英翻壓量對雙季稻產量的影響

2018年不同處理早、晚及全年兩季水稻產量如表3所示。由表可知，和對照(CK)處理相比，各施肥處理早、晚和全年水稻產量顯著提高(P<0.05)，增產率分別為86.8%～99.4%，45.5%～51.5%，60.7%～68.2%。在4個紫云英施用處理中，隨紫云英翻壓量的增加早、晚稻及全年水稻產量均呈先增加后下降的變化趨勢，至F80+GM3處理早、晚稻及全年水稻產量最高，達到5 457，7 757，13 213 kg/hm2，且早稻和全年產量與其他3個紫云英替代化肥處理相比差異達到顯著水平；與F100處理相比早、晚兩季和全年產量也增產了5.4%，2.9%，3.9%，其中早稻和全年產量增產達顯著水平，而F80+GM1、F80+GM2、F80+GM4處理早、晚及全年產量均與F100處理無顯著差異。

表3 不同施肥處理早、晚稻產量及增長率

3 討論與結論

3.1 長期施肥對水穩(wěn)性團聚體特征的影響

土壤團聚體是土壤結構的重要組成基礎，同時也是土壤養(yǎng)分的主要載體，其分布和穩(wěn)定性是土壤質量的表征[19]。一般將大于0.250 mm粒徑的團聚體稱為大團聚體，大團聚體含量、土壤平均質量直徑和幾何平均直徑越大，土壤團聚體分布狀況與穩(wěn)定性越好[20]。土壤團聚體的形成、分布與土壤中有機碳的含量和分布密切相關，有機碳對增強土粒的團聚性、促進團粒結構的形成有重要作用[21]。本試驗經過長期的耕作和施肥，和試驗前基礎土壤(27.5 g/kg)相比各處理有機碳含量增加。謝麗華等[22]研究也發(fā)現增施有機肥后0.250～2.000 mm 團聚體有機碳含量增高，從而提高0.250～2.000 mm團聚體含量。本研究也發(fā)現，與CK處理相比，本試驗中減量施用化肥翻壓紫云英處理主要增加了水穩(wěn)性大團聚體(>0.250 mm)中1.000～2.000 mm，0.500～1.000 mm 2個粒級團聚體的含量，這也可能與翻壓紫云英增加了這2個粒級的有機碳含量，從而增加大團聚體含量有關。而單施化肥對大團聚體中>2.000 mm粒級影響較大，而對其他粒級作用較小，向艷文等[23]研究也發(fā)現，均衡施用化肥或化肥和有機物料長期配施有利于增大0.500～2.000 mm團聚體含量，說明在本研究中常規(guī)施肥對>2.000 mm粒徑形成有促進作用。而Six等[24]認為大粒級團聚體首先形成，小粒級團聚體再形成于大粒徑團聚體內部，所以本試驗中的F100 處理缺少有機物料的投入，土壤中的微生物活性不高，大團聚體中>2.000 mm粒級團聚體未被分解，土壤團聚度高。根據Eilliott[25]的團聚體組成模型，大團聚體是由微團聚體在含碳量較高的黏合劑(菌絲、根系、微生物和糖類物質)黏合而成。適量翻壓紫云英不僅增加了土壤中有機養(yǎng)分，同時有機物質提高土壤中微生物活性，增強了其固碳能力，1.000～2.000 mm，0.500～1.000 mm的團聚體含量也隨紫云英翻壓量的增加而增大，并在F80+GM4處理(氮鉀減量20%，翻壓紫云英37 500 kg/hm2)最高；而在>2.000 mm粒級減量施用化肥翻壓紫云英也有增大團聚體含量的趨勢，在F80+GM3(氮鉀減量施用20%，翻壓紫云英30 000 kg/hm2)處理最高，是由于翻壓適量的紫云英在為水稻提供養(yǎng)分的同時也為團聚體的形成和穩(wěn)定提供了有機碳，有利于改善土壤團聚體結構，而繼續(xù)增大紫云英翻壓量會使土壤中的微生物活動破壞、分解>2.000 mm團聚體結構，從而使1.000～2.000 mm，0.500～1.000 mm粒級團聚體含量增加。

平均重量直徑(MWD)和平均幾何直徑(GMD)與土壤有機碳和全氮的相關性較大[26]。比較各處理之間MWD和GMD，發(fā)現其大小趨勢一致，F100處理最大，其他處理之間差異不顯著，而F100處理MWD和GMD值較高主要由于>2.000 mm粒級的團聚體含量較高。單施化肥處理>2.000 mm粒級團聚體中的有機碳作為膠結劑使團聚體穩(wěn)定性提高，但其也可能降低了土壤中植株可吸收有機碳含量，導致水稻產量降低。而不施肥和減肥翻壓紫云英處理之間雖然無顯著差異，但在4個減肥翻壓紫云英處理中出現了隨紫云英翻壓量先增加后減少的趨勢，說明紫云英種植利用后可以提高土壤中的有機碳含量，在供應水稻吸收獲得高產的同時也可以作為膠結劑作用于團聚體，逐漸提高其穩(wěn)定性，而在F80+GM4處理下降則可能是長期投入過量有機物料使土壤中積累的還原物質破壞了團聚體結構。

3.2 長期施肥對土壤團聚體中有機碳和全氮含量、分布及貢獻率的影響

團聚體的形成與有機碳含量的高低密切相關，團聚體是有機碳的主要儲存場所。胡曉珊等[27]研究顯示，豆科禾本科輪作能快速增加土壤有機碳的儲存。本研究結果表明，施肥特別是減量施用化肥翻壓紫云英處理水穩(wěn)性團聚體中的有機碳含量均高于CK(對照)處理，且有機碳主要分布在大團聚體中，F80+GM3處理(減施氮鉀20%翻壓紫云英30 000 kg/hm2)在各粒級的有機碳含量占比最大，Puget等[28]也發(fā)現大團聚體比微團聚體含有更多的有機碳。在>2.000 mm，1.000～2.000 mm，0.500～1.000 mm，0.250～0.500 mm，0.106～0.250 mm粒級，其他3個減肥翻壓紫云英處理的有機碳高于CK和F100處理，Wang等[29]研究也表明，長期單施化肥不能顯著提高各粒級有機碳含量。而在1.000～2.000 mm，0.500～1.000 mm粒級水平機碳貢獻率也和紫云英的翻壓量呈正相關，同時也顯著高于對照和單施化肥處理。因此，減施氮、鉀翻壓紫云英能提高1.000～2.000 mm，0.500～1.000 mm粒級團聚體中的有機碳分布。

紫云英是豆科植物，其根系有根瘤固氮菌，種植和翻壓紫云英可以將大氣中的氮固定到土壤中，從而增加土壤氮容量。丁文成等[30]通過同位素標記發(fā)現和單施化肥相比，有機肥、化肥配施對土壤微生物量氮的貢獻大。程乙等[31]發(fā)現土壤有機碳和全氮的變化趨勢具有一致性，和本試驗結果相同。在>2.000 mm，1.000～2.000 mm，0.500～1.000 mm粒級水平，減施化肥翻壓紫云英處理的全氮含量都顯著高于對照和單施化肥處理，而隨著化肥減量施用和紫云英翻壓量的增加，全氮含量先增加后下降，也在減施氮鉀20%翻壓紫云英30 000 kg/hm2處理全氮含量最大，而在<0.500 mm粒級中，隨著紫云英翻壓量的增加，團聚體全氮含量不斷增加。團聚體全氮貢獻率和有機碳貢獻率相似，減肥翻壓紫云英增大了1.000～2.000 mm，0.500～1.000 mm粒級的全氮含量，并與紫云英翻壓量呈正相關。李文軍等[32]對紅壤水稻土團聚體氮儲量的研究結果也顯示，>0.250 mm粒級團聚體中全氮含量隨團聚體粒徑減小而增加。劉春增等[14]研究也發(fā)現，化肥施用量減少20%～40%翻壓紫云英后，>2.000 mm和0.250～2.000 mm團聚體內有機碳和全氮含量明顯提高。紫云英作為活性有機物料輸入后，可能提高了土壤微生物活性，并將分解后的有機碳、全氮儲存在1.000～2.000 mm，0.500～1.000 mm粒級中。

3.3 長期施肥對水稻產量的影響

在農業(yè)生產過程中，水稻產量是養(yǎng)分利用最直觀的表征。紫云英作為有機肥源，可以替代部分化肥而不會造成減產，在冬閑覆蓋改良土壤的同時也可以節(jié)約化肥的投入。本研究表明，單施化肥或紫云英配施都顯著增加水稻產量，但在F80+GM1處理時對比F100水稻產量降低，這是由于減施了20%的化肥，而翻壓的15 000 kg/hm2紫云英不能完全替代減施化肥的量。在減量施用化肥20%條件下翻壓紫云英30 000 kg/hm2早、晚稻和全年水稻產量最高，呂玉虎等[33]研究結果也表明，在黏性水稻土減肥20%翻壓紫云英30 000 kg/hm2稻米產量最高，且有效穗數及每穗實粒數也處于較高水平。但隨著紫云英翻壓量繼續(xù)增大至37 500 kg/hm2，水稻早稻和全年產量顯著降低，這可能是由于早稻季過量紫云英有機物料翻壓腐解，產生了還原性物質抑制了水稻的生長發(fā)育[34]，而在晚稻季雖然土壤長期積累還原性物質，但無紫云英翻壓，水稻產量降低但差異不顯著。

綜上，化肥減施下翻壓紫云英對土壤水穩(wěn)性大團聚體中1.000～2.000 mm，0.500～1.000 mm粒級的形成與穩(wěn)定有促進作用；與對照、單施化肥處理相比，減施氮鉀肥翻壓紫云英可以增大水穩(wěn)性大團聚體各粒級有機碳、全氮含量，且在1.000～2.000 mm，0.500～1.000 mm粒級最高，以減施氮鉀肥20%翻壓紫云英30 000 kg/hm2效果最顯著；在本試驗中減量施用氮鉀肥20%條件下翻壓紫云英30 000 kg/hm2顯著提高水稻早、晚和全年產量，而過量施用紫云英不利于>2.000 mm粒級團聚體形成、穩(wěn)定及水稻高產，同時會造成資源浪費。