減量施氮、秸稈還田和蚯蚓接種對黃河故道區(qū)土壤團聚體及有機碳的影響

朱翰紳　徐聰　吳迪　劉昊貺　李冠霖　紀程　汪吉東　張永春

摘要：優(yōu)化氮肥施用方式、提升土壤有機碳（SOC）水平是黃河故道區(qū)農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關鍵。通過持續(xù)3年的田間定位試驗方法，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)沙質潮土團聚體構成及其SOC含量及活度等指標的影響。試驗共設農民習慣施氮［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聚體（＞0.250～2.000 mm）比例及其所結合的SOC含量的提升。RS處理相對RN處理，全土SOC含量提高8.58%，且大團聚體SOC含量顯著增加27.7%，但兩者團聚體構成無顯著差異。在RS處理基礎上接種蚯蚓（SE）后，＞0.250～2.000 mm小團聚體比例及其SOC貢獻量分別顯著下降33.3%和44.1%，導致全土SOC含量降低16.1%，這可能與秸稈還田下，0.250～2.000 mm小團聚體中土壤易氧化有機碳的貢獻量高于其他粒徑團聚體，在蚯蚓活動影響下可能更易于被利用分解有關，各處理下的作物產量并無顯著差異。綜上，在該地區(qū)通過接種蚯蚓改善土壤團粒結構、提高SOC水平的可行性有待進一步驗證；土壤小團聚體是影響黃河故道區(qū)沙質潮土SOC固持的關鍵因素；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。

關鍵詞：減量施氮；秸稈還田；蚯蚓接種；土壤有機碳；土壤團聚體

中圖分類號：S158.5文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）09-0278-07

提升耕地質量、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，是重要的糧食產區(qū)［2］。但由于該地區(qū)土壤有機碳（SOC）水平較低［3］，土壤氮素保蓄能力差，作物高產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)農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關鍵。

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原位示蹤試驗發(fā)現(xiàn)，秸稈還田相較于不還田處理，當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)秸稈還田難以實現(xiàn)SOC水平的快速提升，在耕地質量提升的緊迫需求下，秸稈還田的方式仍有待改進。

強化SOC的物理保護機制是提升秸稈還田下土壤固碳效率的重要手段［10］。土壤團聚體是土壤結構的基本單元，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，減少SOC的分解［11］。黃河故道區(qū)土壤多為砂質，且其大團聚體含量及團聚體穩(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物質對團聚體的形成有重要作用，而且可通過攝取有機物料并在其腸道微生物的作用下促進土壤碳的封存［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聚體粒徑構成、各粒徑團聚體SOC含量、易氧化有機碳（LOC）含量等指標的變化特征，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 試驗地概況

本試驗開始于2018年10月，地點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。供試土壤為沙質潮土，沙粒、粉粒和黏粒含量分別為62%、25%和13%，其他基礎理化性質見表1。

1.2 試驗設計

本試驗共設4個處理，分別為：（1）農民習慣施氮（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）。試驗采用隨機區(qū)組設計，每個處理3次重復，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?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?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 土壤樣品進行采集，采集的土壤樣品經風干磨細后過10目篩，用于分析全土各項理化指標。另外，在每小區(qū)內用鏟子采集原狀土壤樣品，置于塑料盒中，去除根系、作物殘茬后進行風干，以備團聚體指標的測定。

全土樣品各項理化指標均采用常規(guī)方法［13］進行測定：土壤pH值采用電位法（土水質量比為 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行團聚體分級。篩子孔徑分別為2.000、0.250、0.053 mm，可將全土分為4個粒徑：大團聚體（>2.000 mm）、小團聚體（>0.250～2.000 mm）、微團聚體（>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置樣方，人工收割樣方內作物，在風干、脫粒后稱量作物產量。

1.4 數(shù)據(jù)計算與分析

式中：X-i為各粒徑團聚體的平均直徑，mm；Wi為第i粒徑團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。

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

試驗數(shù)據(jù)使用Microsoft Excel 2019進行整理，采用IBM SPSS Statistics 26軟件進行統(tǒng)計分析，所有數(shù)據(jù)結果均采用平均值±標準誤（Mean±SE）表示，運用最小顯著差異法（LSD）對各處理數(shù)據(jù)進行多重比較（α=0.05），采用GraphPad Prism 8.0軟件進行作圖。

2 結果與分析

2.1 不同處理對土壤團聚體構成及其穩(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小團聚體含量顯著增加41.0%，而>2.000 mm大團聚體含量顯著減少49.7%。RS與RN處理間團聚體構成無顯著差異。與RS處理相比，接種蚯蚓后較大粒徑團聚體含量下降17.9%，且下降主要發(fā)生在>0.250～2.000 mm小團聚體中，下降比例達33.3%，而>2.000 mm大團聚體含量顯著增加52.1%。接種蚯蚓后，

>0.053～

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

各處理中，F(xiàn)N處理團聚體的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)在較大粒徑團聚體和微團聚體SOC含量上。在RN處理的基礎上進行秸稈還田（RS）后，全土SOC含量上升了8.58%，且>2.000 mm大團聚體內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大團聚體中（SOC含量顯著下降36.1%）。

對于各粒徑團聚體SOC貢獻量以及貢獻率而言（圖3-A、圖3-B），與FN處理相比，RN處理 >2.000 mm 大團聚體SOC貢獻量與貢獻率分別顯著降低43.6%和47.6%；＞0.250～2.000 mm小團聚體SOC貢獻量與貢獻率均上升，其中SOC貢獻量增加36.6%，達顯著水平。RS處理與RN處理間團聚體SOC貢獻量與貢獻率無顯著差異。在RS基礎上接種蚯蚓（SE）后，＞0.250～2.000 mm小團聚體SOC貢獻量顯著降低44.1%；>0.250～2.000 mm小團聚體SOC貢獻率降低25.8%，但未達顯著水平。對于各粒徑團聚體LOC貢獻量與貢獻率而言（圖3-C、圖3-D），在RS處理條件下，接種蚯蚓（SE）后>0.250～2.000 mm小團聚體LOC貢獻量與貢獻率分別顯著降低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值及產量的影響

團聚體以及全土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季作物的產量均無顯著影響（圖5）。SE處理2季作物總產量為最高，而RN處理最低。

3 討論與結論

土壤較大粒徑團聚體比例和SOC含量是判斷土壤基礎肥力的重要指標［14-15］。本研究表明，與FN處理相比，RN處理下較大粒徑團聚體的比例和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增強，導致SOC分解加快［18］。通過對比2種較大粒徑團聚體間的差異發(fā)現(xiàn)，減量施氮處理下土壤大團聚體和SOC含量的提升主要來源于>0.250～2.000 mm小團聚體，而>2.000 mm大團聚體的比例和SOC貢獻率較FN處理均顯著降低。這可能與不同粒徑團聚體的聚合機制有關，減量施氮有利于增加土壤微生物量、促進菌絲生長，從而使較小粒徑團聚體（<0.250 mm）更易向0.250～2.000 mm小團聚體聚合［19-20］；而作物根系是聚合土壤>2.000 mm大團聚體的重要膠結物質，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小團聚體向>2.000 mm大團聚體的聚合［21］。

秸稈還田對SOC含量和土壤較大粒徑團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大團聚體中SOC含量的增加達顯著水平。然而，就團聚體構成分析，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聚體構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，免耕對土壤結構的保護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］，而本試驗僅進行了3年，秸稈還田對土壤團聚體的影響尚未顯現(xiàn)出來。就作物產量而言，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聚體比例，促進秸稈腐解，強化SOC的物理保護機制，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SOC在 >2.000 mm 大團聚體中的積累［30］。在本研究中，接種蚯蚓后SOC貢獻量的顯著提升僅發(fā)生在 >2.000 mm 大團聚體中，而>0.250～2.000 mm小團聚體的比例及其SOC貢獻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大團聚體比例提升了295%，但>0.250～2.000 mm小團聚體比例降低了67.1%［31］。這可能是由于：（1）秸稈還田條件下，>0.250～2.000 mm小團聚體中SOC的活度最高，其LOC的貢獻量也高于其他粒徑團聚體，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，促進了SOC分解的激發(fā)效應，導致部分老碳分解［35-37］。由于SOC是團聚體形成的核心，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小團聚體中，因此小團聚體可認為是調控黃河故道區(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%。這可能主要歸因于高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，從而降低了氮素損失［39］。然而，在秸稈還田的基礎上接種蚯蚓后，土壤堿解氮含量顯著降低，這同樣可能與蚯蚓掘土行為導致的氮素淋溶增多有關。在沙質土壤中接種蚯蚓后，磷素也有較高的淋溶風險，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的微生物活動促進了有機磷的礦化，從而增加了土壤有效磷的供應［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小團聚體SOC含量，但土壤團聚體構成未發(fā)生顯著變化。在減量施氮、秸稈還田基礎上接種蚯蚓后，>0.250～2.000 mm小團聚體比例及其SOC貢獻量均顯著降低，從而導致全土SOC含量下降。因此，土壤0.250～2.000 mm小團聚體是影響黃河故道區(qū)沙質潮土SOC固持的關鍵因素；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粒結構、提高SOC水平的可行性仍有待進一步驗證。

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收稿日期：2023-07-07

基金項目：江蘇省重點研發(fā)計劃（編號：BE2021378）；江蘇省農業(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，研究方向為土壤養(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，研究方向為土壤肥力和作物養(yǎng)分管理，E-mail：jidongwang@jaas.ac.cn。