秸稈還田下雙季稻田土壤團(tuán)聚體碳氮磷含量及生態(tài)化學(xué)計(jì)量比特征

王鳳仁 ，逄蕾，沈健林，李言言，李宗明，王娟，吳金水

（1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070；2. 中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/長(zhǎng)沙農(nóng)業(yè)環(huán)境觀測(cè)研究站，湖南 長(zhǎng)沙 410125）

土壤碳、氮和磷是微生物和植物的養(yǎng)分來(lái)源，其在不同粒徑團(tuán)聚體中的含量及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量比對(duì)養(yǎng)分的庫(kù)容以及作物供給能力均有重要影響[1]。但當(dāng)前作物生產(chǎn)過(guò)程中普遍存在偏施化肥現(xiàn)象，造成土壤理化性質(zhì)改變，養(yǎng)分循環(huán)受到嚴(yán)重影響[2]。而秸稈作為土壤培肥物質(zhì)，可在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中代替部分化學(xué)肥料，將其還田后可改善農(nóng)田土壤質(zhì)量，提高養(yǎng)分利用效率[3]。因此，探明秸稈還田措施下不同粒徑團(tuán)聚體中碳、氮和磷養(yǎng)分特征及其生物有效性對(duì)提高作物養(yǎng)分利用效率至關(guān)重要。

秸稈還田是重要的土壤培肥方式，對(duì)改善土壤結(jié)構(gòu)，提升土壤有機(jī)碳和養(yǎng)分含量均有較好效果[4]。Zhao等[5]將玉米秸稈和小麥秸稈混合還田后，提高了0～20 cm土層＞2 mm和0.25～2 mm粒徑團(tuán)聚體的百分含量32.0%和24.0%。李新悅等[6]研究顯示，與常規(guī)化肥處理相比，秸稈還田+化肥處理下不同團(tuán)聚體粒徑中與碳循環(huán)相關(guān)的胞外酶含量不同，影響有機(jī)碳從微團(tuán)聚體（＜0.25 mm）轉(zhuǎn)向大團(tuán)聚體（＞0.25 mm），促使土壤固碳量增加。同時(shí)，土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量比也會(huì)隨著秸稈還田而變化。如Liu等[7]通過(guò)682個(gè)全球數(shù)據(jù)解析土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量對(duì)于農(nóng)田秸稈添加的響應(yīng)發(fā)現(xiàn)，較單施化學(xué)肥料而言，秸稈還田增加了土壤碳氮比（C∶N）和碳磷比（C∶P），秸稈還田使C∶N和C∶P比達(dá)到飽和的年限后，作物產(chǎn)量將不再呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。孫嬌等[8]將秸稈添加到風(fēng)沙土中發(fā)現(xiàn)，土壤氮磷比（N∶P）和速效氮磷比（AN∶AP）也會(huì)隨著秸稈還田量的添加而顯著增加。上述研究結(jié)果表明，秸稈還田對(duì)改變土壤團(tuán)聚體組成，和土壤C∶N∶P計(jì)量比均有重要影響，而秸稈還田后對(duì)不同粒徑土壤團(tuán)聚體中養(yǎng)分含量及其計(jì)量比的影響仍尚不清楚。

雙季稻是我國(guó)亞熱帶區(qū)域的重要種植制度，全國(guó)種植面積達(dá)1050萬(wàn)hm2[9]。前期研究結(jié)果表明，雙季稻田長(zhǎng)期秸稈還田有助于提高氮肥利用效率[3]和土壤磷素有效性[10]，表明了秸稈還田對(duì)稻田養(yǎng)分循環(huán)的重要影響。然而，秸稈還田對(duì)氮磷養(yǎng)分有效性的影響，除了其對(duì)有機(jī)碳的提升作用外，是否與秸稈還田下土壤團(tuán)聚體組成及其碳氮磷養(yǎng)分含量及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量比的改變有關(guān)，還有待深入研究。因此，本研究基于不同秸稈還田量的雙季稻田定位試驗(yàn)，于秸稈還田后的第9～10年測(cè)定稻田土壤團(tuán)聚體的組成及團(tuán)聚體碳氮磷含量，分析土壤團(tuán)聚體分布、平均重量直徑及各粒徑團(tuán)聚體碳氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量比，旨在明確長(zhǎng)期秸稈還田下雙季稻田土壤各粒徑團(tuán)聚體對(duì)碳氮磷養(yǎng)分的貢獻(xiàn)及生態(tài)化學(xué)計(jì)量比特征，以期為促進(jìn)秸稈還田下雙季稻田氮磷養(yǎng)分高效利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于湖南省長(zhǎng)沙縣金井鎮(zhèn)中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所長(zhǎng)沙農(nóng)業(yè)環(huán)境觀測(cè)研究站（112°80′ N，28°37′ E），海拔80 m，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫17 ℃，年平均降雨量1330 mm，且主要集中在3—8月份，占全年降雨量的60%以上，無(wú)霜期300 d。試驗(yàn)地為典型雙季稻田，土壤為花崗巖母質(zhì)發(fā)育的水稻土，土壤發(fā)生分類(lèi)名為麻沙泥，土壤系統(tǒng)分類(lèi)名為鐵聚水耕土人為土（Fe-Accumulic-Stagnic）。試驗(yàn)開(kāi)始前及開(kāi)始后第9～10年各處理0～20 cm耕層土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 供試土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)Table 1 The basic physical and chemical properties of soil

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2012年開(kāi)始，依據(jù)當(dāng)?shù)厮窘斩捚骄a(chǎn)量約為6 t/hm2，設(shè)置僅施化肥（CK）、低量秸稈還田（每季3 t/hm2，相當(dāng)于一半秸稈還田）+化肥（LS）和高量秸稈還田（每季6 t/hm2，相當(dāng)于秸稈全量還田）+化肥（HS）3個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次，共9個(gè)小區(qū)。還田所用的秸稈均來(lái)自于上一稻季試驗(yàn)小區(qū)，還田時(shí)，將秸稈截為約10 cm長(zhǎng)度，均勻撒入小區(qū)，并用旋耕機(jī)翻壓于20 cm深度。同時(shí)，為保證秸稈還田和未還田小區(qū)養(yǎng)分投入量相同，秸稈還田小區(qū)化肥投入量減去秸稈所攜帶的養(yǎng)分含量（N：6.5 g/kg，P2O5：1.8 g/kg，K2O：23.4 g/kg）。各處理早稻季施用尿素（以N計(jì)）120 kg/hm2，鈣鎂磷肥（以P2O5計(jì)）75 kg/hm2，氯化鉀（以K2O計(jì)）100 kg/hm2；晚稻季磷、鉀肥用量與早稻季相同，氮肥用量為150 kg/hm2。磷、鉀肥全部作為基肥施用，氮肥的基肥、分蘗肥和穗肥施用比例為5:3:2。小區(qū)面積為35 m2（7 m×5 m），水稻苗移栽的行距和株距均為20 cm，采用雙季稻耕作制度。供試早稻品種為“潭兩優(yōu)45”，晚稻品種為“玉針香”。

1.3 樣品采集與分析

于2020年和2021年（定位試驗(yàn)開(kāi)始后的第9～10年）早稻收獲前進(jìn)行樣品采集，取0～15 cm土層深的原狀土，放入保鮮盒中，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行自然風(fēng)干，當(dāng)土壤水分達(dá)到塑限（含水量22%～25%）時(shí)將土樣掰碎約1 cm3大小，繼續(xù)風(fēng)干，待土樣完全風(fēng)干后裝袋，室溫保存，以備后續(xù)水穩(wěn)性團(tuán)聚體測(cè)定。

采用濕篩法[11]測(cè)定土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體。并用四分法取50 g風(fēng)干土，放入最上部套篩（孔徑依次為2 mm、1 mm、0.25 mm、0.053 mm）然后把套篩慢慢浸入無(wú)氣泡的水桶中進(jìn)行濕潤(rùn)10 min，且使最上部篩子邊緣與桶中的水相平，再把水桶放到土壤團(tuán)聚體分析儀上（XY-100；中國(guó)），以振幅3 cm，震動(dòng)頻率為50次/min振蕩30 min后篩分結(jié)束，收集留在篩子上的各粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體，所有組分于60 ℃烘干稱(chēng)重后，將各粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體磨細(xì)，過(guò)篩，室溫保存。

用碳氮元素分析儀（Elementar Vario Pyro Cube，Germany）測(cè)定各粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體總碳（TC）和總氮（TN）含量；采用三酸（氫氟酸、高氯酸、硝酸）消解—連續(xù)流動(dòng)分析儀（Auto Analyzer 3，AA3，SEAL Analytical，Germany）測(cè)定總磷（TP）含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與計(jì)算

評(píng)價(jià)土壤穩(wěn)定性的指標(biāo)，水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量百分含量、粒徑＞0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量百分含量和平均重量直徑計(jì)算方法為：

式中：wi為i粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量百分含量（%），Mi為i粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體的質(zhì)量（g），MT為水穩(wěn)性團(tuán)聚體總質(zhì)量（g），R0.25為粒徑＞0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量（%），MT0.25為＞0.25 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體總質(zhì)量（g），MWD為水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均重量直徑（mm），xi為i粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均直徑（mm）。

參考邱莉萍等[12]的研究，計(jì)算各粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體對(duì)土壤TC、TN和TP的貢獻(xiàn)率，將各粒徑團(tuán)聚體百分比和養(yǎng)分含量相結(jié)合，共同計(jì)算團(tuán)聚體各粒徑對(duì)于土壤養(yǎng)分的貢獻(xiàn)。具體計(jì)算方法為：

式中：CRi為i粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體對(duì)土壤總碳（總氮、總磷）的貢獻(xiàn)率（%），wi為i粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量百分含量（%），TXi為i粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體的總碳（總氮、總磷）含量（g/kg），TXt為土壤總碳（總氮、總磷）含量（g/kg）。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及作圖采用Excel 2016軟件，SPSS 25.0進(jìn)行單因素方差分析（One Way-ANOVA）和Duncan法多重比較（P＜0.05）。

本文中的化學(xué)計(jì)量比均為質(zhì)量比，文中圖表所用數(shù)據(jù)為2020年和2021年均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成及穩(wěn)定性分析

各處理下，R0.25均超過(guò)80.0%（表2），說(shuō)明試驗(yàn)中的稻田土壤結(jié)構(gòu)主要以水穩(wěn)性大團(tuán)聚體（＞0.25 mm粒徑）為主，且LS和HS處理的R0.25和MWD顯著大于CK處理（P＜0.05），表明秸稈還田有利于提高土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性，主要表現(xiàn)在＞2 mm粒徑。秸稈還田下＜0.25 mm的粒徑進(jìn)一步分級(jí)后（0.053～0.25 mm和＜0.053 mm粒徑），其水穩(wěn)性團(tuán)聚體的百分含量，較CK處理顯著降低（P＜0.05）。這與秸稈還田增加土壤有機(jī)質(zhì)有關(guān)，土壤有機(jī)質(zhì)作為團(tuán)聚體形成的重要膠體物質(zhì)，其數(shù)量和質(zhì)量影響團(tuán)聚體團(tuán)聚的效果，伴隨著秸稈還田，土壤有機(jī)質(zhì)會(huì)變得豐富，較小的土壤顆粒會(huì)在有機(jī)質(zhì)及作物根系的作用下團(tuán)聚在一起，形成較大的顆粒。

表2 秸稈還田下稻田耕層土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布特征(%)Table 2 Distribution characteristics of soil water-stable aggregates in the tillage layer of the paddy field with straw incorporation (%)

2.2 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體碳氮磷含量分析

5個(gè)粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體中的碳氮磷含量測(cè)定的結(jié)果表明，各粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體TC含量在13.6～24.4 g/kg之間（圖1）。與CK相比，HS處理使土壤獲得大量的額外碳源，促使水穩(wěn)性團(tuán)聚體各粒徑中的TC含量顯著增加（除1～2 mm粒徑）（P＜0.05）。其中0.25～1 mm粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體增幅效果最大，可達(dá)28.1%（P＜0.05），此粒徑是較小的大團(tuán)聚體，既可以通過(guò)較大團(tuán)聚體的崩解獲得TC，又可以較大的面積以吸附的方式進(jìn)行碳匯聚，秸稈還田后外源碳的大量增加促進(jìn)了此粒徑對(duì)于TC的儲(chǔ)存。

圖1 秸稈還田下稻田耕層土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體總碳、總氮和總磷含量Fig. 1 Contents of total carbon, total nitrogen and total phosphorus of soil water-stable aggregates in the tillage layer of the paddy field with straw incorporation

各粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體TN含量范圍為1.3～2.4 g/kg（圖1）。碳氮作為耦合性較強(qiáng)的元素，其在各粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體中的分布具有較高的一致性。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，TN含量在CK、LS和HS處理下各粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體中的變化趨勢(shì)與TC含量相似；高量秸稈還田后，土壤有機(jī)質(zhì)增加，促進(jìn)了土壤對(duì)于無(wú)機(jī)氮的固持能力，所以與CK相比，各粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體（除1～2 mm粒徑）TN含量顯著增加（P＜0.05），其中0.25～1 mm粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體增幅效果最大，增幅達(dá)到22.9%。由于各處理氮素總投入量相同，表明秸稈還田可以增加土壤對(duì)環(huán)境氮素（大氣沉降、灌溉和生物固氮）的固定。

各粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體TP含量范圍為0.4～0.7g/kg（圖1）。磷元素具有易被固定特點(diǎn)，LS和HS處理下各粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體中的TP含量與對(duì)照沒(méi)有顯著差異。秸稈還田處理磷素的總投入量與對(duì)照處理相同，表明在總投入量不變的情況下，秸稈還田能維持土壤總磷的穩(wěn)定。

2.3 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征分析

各粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體的C∶N范圍為10.0～10.8（圖2），其比值相對(duì)穩(wěn)定。與CK處理相比，僅HS處理顯著提高1～2 mm粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體C∶N，增幅為4.2%（P＜0.05）。

圖2 秸稈還田下稻田耕層土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體碳氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量比Fig. 2 Eco-stoichiometric ratios of carbon, nitrogen and phosphorus of soil water-stable aggregates in the tillage layer of the paddy field with straw incorporation

各粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體的C∶P的范圍為22.0～42.6。相同處理下0.053～0.25 mm粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體C∶P較其他粒徑低（圖2），這與該粒徑較其他粒徑相比TP含量最高而TC含量相對(duì)較低有關(guān)。與CK處理相比，LS處理顯著增加了＞2 mm和1～2 mm粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體的C∶P，增幅分別為12.6%和17.0%（P＜0.05），而HS處理顯著增加了＞2 mm、1～2 mm、0.053～0.25 mm和＜0.053 mm粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體的C∶P，增幅分別為14.0%、31.3%、38.0%和20.0%（P＜0.05），這說(shuō)明HS處理對(duì)于微團(tuán)聚體（＜0.25 mm）的C∶P影響力高于LS處理。

各粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體的N∶P范圍為2.2～4.1。其變化趨勢(shì)與C∶P相似，在0.053～0.25 mm粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體中出現(xiàn)最低值，進(jìn)一步證實(shí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體粒徑中的TC和TN含量具有高度的相關(guān)性。HS處理提高了土壤TN，進(jìn)而影響了水穩(wěn)性團(tuán)聚體的N∶P，使其顯著增加（除0.25～1 mm粒徑），與CK處理相比增幅可達(dá)16.9%～35.3%（P＜0.05）。

2.4 水穩(wěn)性團(tuán)聚體對(duì)土壤養(yǎng)分的貢獻(xiàn)率分析

各處理下不同粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體對(duì)土壤TC、TN和TP的貢獻(xiàn)率由高到低依次為＞2 mm、0.25～1 mm、1～2 mm、0.053～0.25 mm、＜0.053 mm（表3），這一結(jié)果與各粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體的分布比例大小一致，說(shuō)明水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布特征對(duì)各粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體的土壤養(yǎng)分貢獻(xiàn)率影響較大。與CK處理相比，LS和HS處理下，0.053～0.25 mm和＜0.053 mm粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體對(duì)土壤TC、TN和TP的貢獻(xiàn)率顯著下降，降幅可達(dá)20.7%～34.4%（P＜0.05）。而＞2 mm粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體對(duì)土壤TC、TN和TP的貢獻(xiàn)率則顯著增加（P＜0.05）。這主要與秸稈還田顯著提高了＞2 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成比例有關(guān)。

表3 秸稈還田下稻田耕層各粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體對(duì)土壤養(yǎng)分的貢獻(xiàn)率（%）Table 3 Contribution rate of water-stable aggregates with different grain sizes to soil nutrients in the tillage layer of the paddy field with straw incorporation (%)

3 討論

3.1 秸稈還田對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成的影響

研究表明，秸稈還田是土壤有機(jī)碳最直接且有效的來(lái)源，在其分解過(guò)程中微生物以較強(qiáng)的活性參與其中，促使大量糖類(lèi)、有機(jī)酸和氨基酸等膠結(jié)物質(zhì)產(chǎn)生，將土壤砂粒、粘粒和已形成的微團(tuán)聚體通過(guò)膠結(jié)和纏繞等作用形成大團(tuán)聚體[13]，提高土壤穩(wěn)定性，增加土壤孔隙度和降低土壤容重[14]。本試驗(yàn)顯示LS和HS處理下0.053～0.25 mm和＜0.053 mm粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體百分含量顯著降低。這與在河北欒城潮土小麥—玉米輪作試驗(yàn)中秸稈還田顯著提高粒徑＞0.25 mm團(tuán)聚體含量[15]的研究結(jié)果相似，主要原因在于秸稈還田后水稻根系活性增強(qiáng)，根際分泌物含量提高，且秸稈還田后微生物量也增加，從而促進(jìn)土壤顆粒團(tuán)聚的膠結(jié)物質(zhì)增加。依據(jù)Six等[16]提出的團(tuán)聚體周轉(zhuǎn)模型理論推測(cè)，秸稈還田后新形成的土壤環(huán)境中團(tuán)聚力高，大團(tuán)聚體抗破碎程度強(qiáng)，內(nèi)部崩解形成微團(tuán)聚體的程度要小于無(wú)秸稈還田土壤，從而對(duì)團(tuán)聚體的周轉(zhuǎn)產(chǎn)生影響，進(jìn)一步解釋了本試驗(yàn)R0.25和MWD在秸稈還田處理下呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)（表2）。宋依依[17]等在遼寧沈陽(yáng)開(kāi)展的棕壤玉米地秸稈還田試驗(yàn)也表明，秸稈還田主要以提高＞2 mm粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體百分含量而增加土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。黃璐等[18]在山西洪洞縣開(kāi)展的石灰性褐土麥田連續(xù)3年秸稈還田試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)， ＞0.25 mm團(tuán)聚體含量隨著秸稈還田量的增加而增加，＜0.25 mm微團(tuán)聚體含量則隨秸稈還田量的增加而減少，證實(shí)了秸稈還田可提高土壤大團(tuán)聚體含量。土壤中＞0.25 mm的團(tuán)聚體是土壤中最好的結(jié)構(gòu)體，其數(shù)量與土壤肥力水平呈正相關(guān)[1]。因此，本試驗(yàn)中秸稈還田較對(duì)照顯著增加R0.25，從而提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，改善土壤肥力水平。

3.2 秸稈還田影響水穩(wěn)性團(tuán)聚體碳氮磷含量對(duì)稻田養(yǎng)分循環(huán)的意義

土壤養(yǎng)分供應(yīng)是作物養(yǎng)分吸收的重要來(lái)源，也是實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)的重要條件[19]。當(dāng)農(nóng)田資源秸稈被當(dāng)作有機(jī)肥料歸還與土壤后，在微生物的參與下，大量養(yǎng)分釋放到土壤中，并進(jìn)一步被作物吸收，使得更多的養(yǎng)分在生態(tài)循環(huán)的過(guò)程中發(fā)揮最大的效益。團(tuán)聚體作為土壤的重要組成結(jié)構(gòu)，承擔(dān)著土壤養(yǎng)分保護(hù)功能，其中，大團(tuán)聚體（＞0.25 mm）會(huì)通過(guò)包裹作用維持較多的土壤碳[20]。本試驗(yàn)顯示，較CK而言，HS處理可以促進(jìn)更多的碳和氮元素存在于＞2 mm和0.25～1 mm粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體中，且＜0.053 mm粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體中TC和TN含量也較高（圖1），這是因?yàn)槲F(tuán)聚體會(huì)通過(guò)較大的比表面積的吸附作用而減少土壤有機(jī)碳和氮損失[20]。TP在田間處理下各粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體中并沒(méi)有顯著性差異（圖1），可能與土壤磷元素移動(dòng)性低，且各處理磷素投入量相同有關(guān)。然而，稻田秸稈還田為產(chǎn)甲烷（CH4）微生物提供了豐富的碳源，增加CH4的排放，增強(qiáng)稻田的溫室效應(yīng)[21]。且秸稈還田下，土壤碳氮比的提高，會(huì)產(chǎn)生正激發(fā)效應(yīng)，促進(jìn)土壤原有有機(jī)碳的礦化[22]。綜上所述，秸稈還田雖然會(huì)改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，增加土壤養(yǎng)分循環(huán)，但存在增加稻田原有有機(jī)碳礦化和增加CH4排放等不足之處，今后的研究中要綜合考慮秸稈還田的養(yǎng)分效益與溫室效應(yīng)。

本試驗(yàn)結(jié)果表明，與CK相比，隨著秸稈還田量的提高，如0.053～0.25 mm粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體，TC和TN的幅度分別從9.5%～9.9%上升到20.2%～22.6%（圖1）。這與王永棟等[23]的研究相似，在一定范圍內(nèi)隨著秸稈量的增加，微生物可利用的碳源越豐富，而集中在秸稈附近的微生物活性越強(qiáng)[24]，所需氮源也隨之提高，因此促進(jìn)秸稈的腐解速率，從而進(jìn)一步影響土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的TC和TN含量。另一方面，各粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體TC、TN和TP含量對(duì)于土壤總養(yǎng)分的貢獻(xiàn)率隨著水穩(wěn)性團(tuán)聚體百分含量的變化而變化（表3），所以當(dāng)秸稈還田顯著增加R0.25時(shí)，＞0.25 mm粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體的養(yǎng)分對(duì)于耕層總養(yǎng)分的貢獻(xiàn)率有所提高。以往研究表明，土壤大團(tuán)聚體是土壤養(yǎng)分氮、磷供應(yīng)的主要結(jié)構(gòu)單元[25]。因此，秸稈還田后土壤大團(tuán)聚體對(duì)氮磷等養(yǎng)分的貢獻(xiàn)增加將有利于提高水稻氮磷吸收。這與前期觀測(cè)到的秸稈還田促進(jìn)了氮磷吸收的研究結(jié)果相一致[3,10]。

3.3 水穩(wěn)性團(tuán)聚體碳氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征對(duì)水稻養(yǎng)分吸收的意義

生態(tài)化學(xué)計(jì)量比特征可指示土壤養(yǎng)分在循環(huán)過(guò)程中的有效性。土壤C∶N可指示土壤有機(jī)質(zhì)分解和氮素礦化速率，C∶N越低，土壤有機(jī)質(zhì)分解和氮素礦化速率越高[26]。本研究顯示各粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體中的C∶N保持在9.8～10.8之間（圖2），低于我國(guó)農(nóng)田土壤均值（11.9）[27]。LS和HS處理與CK相比并未顯著提高各粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體的C∶N，說(shuō)明有機(jī)質(zhì)分解和氮素礦化速率在各粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體之間是相似的，這與C和N同為生命體的必需元素，在生態(tài)系統(tǒng)中的積累和消耗相對(duì)固定有關(guān)。有研究表明土壤C∶P可指示土壤磷的有效性，C∶P越小，土壤有效磷越高[28]。本試驗(yàn)中HS處理與CK處理投入等量的氮和磷，但秸稈還田會(huì)增加額外的碳源，導(dǎo)致C∶P在＞2 mm、1～2 mm、0.053～0.25 mm和＜0.053 mm粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體中顯著增加（P＜0.05），其中1～2 mm（40.5）和＜0.053 mm（42.6）粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體的C∶P（圖2）高于我國(guó)農(nóng)田土壤均值（38.1）[29]。雖然秸稈還田下各土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體粒徑的C∶P增加，但根據(jù)蔣炳伸等[10]的研究，秸稈還田稻田水稻的磷素吸收并未受到限制。這可能與本研究土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的C∶P雖然增加，但并未達(dá)到限制作物磷素吸收的閾值，從而不至于影響水稻磷素吸收。

土壤N∶P可以指示土壤氮素和磷素的供應(yīng)情況[30]，本研究顯示HS處理與CK相比，顯著提高了各粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體（除0.25～1 mm粒徑）的N∶P（P＜0.05），其中＞2 mm、1～2 mm和＜0.053 mm粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體的N∶P均值（圖2）高于我國(guó)農(nóng)田土壤均值（3.37）[29]。這一結(jié)果與秸稈還田相較于單施化肥不僅可以提高大團(tuán)聚體比率而增加對(duì)土壤有機(jī)氮的固持，還可以通過(guò)緩慢的分解過(guò)程[31]，降低水稻生育期氮素的徑流、淋溶[32]和揮發(fā)損失[21]有關(guān)，從而將更多的化肥氮通過(guò)植物和微生物轉(zhuǎn)化為有機(jī)氮而保存在土壤團(tuán)聚體中。土壤N∶P的提高有助于提高土壤氮素有效性，這與我們前期觀測(cè)到的秸稈還田下水稻氮素利用率提高的研究結(jié)果相一致[3]。

4 結(jié)論

研究表明，雙季稻田秸稈還田后的第9～10年，土壤＞2 mm粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體的百分含量顯著增加，增加幅度（16.4%～26.0%）隨秸稈還田量的增加而增加。同時(shí)，秸稈還田顯著增加了土壤各粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體（除1～2 mm外）總碳和總氮含量，增幅分別可達(dá)28.1%和22.9%，而對(duì)各粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體總磷含量沒(méi)有顯著影響。秸稈還田顯著提高了＞2 mm粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體對(duì)于土壤總碳、總氮和總磷的貢獻(xiàn)率。且秸稈還田增加了＞2 mm、1～2 mm、0.053～0.25 mm和＜0.053 mm粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體氮磷比（N∶P）和碳磷比（C∶P），其中高量秸稈還田促進(jìn)效果更加突出。

雙季稻田秸稈還田后增加了土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)體和碳氮儲(chǔ)量，對(duì)于改善土壤結(jié)構(gòu)和提高土壤肥力具有較好的效果。同時(shí)，秸稈還田下土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體氮磷比的提高，有助于促進(jìn)作物對(duì)于氮素的吸收和提高氮肥利用效率。