秸稈還田下雙季稻田土壤團聚體碳氮磷含量及生態化學計量比特征

王鳳仁 ，逄蕾，沈健林，李言言，李宗明，王娟，吳金水

（1. 甘肅農業大學農學院/甘肅省干旱生境作物學重點實驗室，甘肅 蘭州 730070；2. 中國科學院亞熱帶農業生態研究所亞熱帶農業生態過程重點實驗室/長沙農業環境觀測研究站，湖南 長沙 410125）

土壤碳、氮和磷是微生物和植物的養分來源，其在不同粒徑團聚體中的含量及其生態化學計量比對養分的庫容以及作物供給能力均有重要影響[1]。但當前作物生產過程中普遍存在偏施化肥現象，造成土壤理化性質改變，養分循環受到嚴重影響[2]。而秸稈作為土壤培肥物質，可在農業生產中代替部分化學肥料，將其還田后可改善農田土壤質量，提高養分利用效率[3]。因此，探明秸稈還田措施下不同粒徑團聚體中碳、氮和磷養分特征及其生物有效性對提高作物養分利用效率至關重要。

秸稈還田是重要的土壤培肥方式，對改善土壤結構，提升土壤有機碳和養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粒徑團聚體的百分含量32.0%和24.0%。李新悅等[6]研究顯示，與常規化肥處理相比，秸稈還田+化肥處理下不同團聚體粒徑中與碳循環相關的胞外酶含量不同，影響有機碳從微團聚體（＜0.25 mm）轉向大團聚體（＞0.25 mm），促使土壤固碳量增加。同時，土壤生態化學計量比也會隨著秸稈還田而變化。如Liu等[7]通過682個全球數據解析土壤生態化學計量對于農田秸稈添加的響應發現，較單施化學肥料而言，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比達到飽和的年限后，作物產量將不再呈現增加的趨勢。孫嬌等[8]將秸稈添加到風沙土中發現，土壤氮磷比（N∶P）和速效氮磷比（AN∶AP）也會隨著秸稈還田量的添加而顯著增加。上述研究結果表明，秸稈還田對改變土壤團聚體組成，和土壤C∶N∶P計量比均有重要影響，而秸稈還田后對不同粒徑土壤團聚體中養分含量及其計量比的影響仍尚不清楚。

雙季稻是我國亞熱帶區域的重要種植制度，全國種植面積達1050萬hm2[9]。前期研究結果表明，雙季稻田長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]，表明了秸稈還田對稻田養分循環的重要影響。然而，秸稈還田對氮磷養分有效性的影響，除了其對有機碳的提升作用外，是否與秸稈還田下土壤團聚體組成及其碳氮磷養分含量及其生態化學計量比的改變有關，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，于秸稈還田后的第9～10年測定稻田土壤團聚體的組成及團聚體碳氮磷含量，分析土壤團聚體分布、平均重量直徑及各粒徑團聚體碳氮磷生態化學計量比，旨在明確長期秸稈還田下雙季稻田土壤各粒徑團聚體對碳氮磷養分的貢獻及生態化學計量比特征，以期為促進秸稈還田下雙季稻田氮磷養分高效利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗地點位于湖南省長沙縣金井鎮中國科學院亞熱帶農業生態研究所長沙農業環境觀測研究站（112°80′ N，28°37′ E），海拔80 m，屬于亞熱帶季風氣候，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，無霜期300 d。試驗地為典型雙季稻田，土壤為花崗巖母質發育的水稻土，土壤發生分類名為麻沙泥，土壤系統分類名為鐵聚水耕土人為土（Fe-Accumulic-Stagnic）。試驗開始前及開始后第9～10年各處理0～20 cm耕層土壤基礎理化性質見表1。

表1 供試土壤基礎理化性質Table 1 The basic physical and chemical properties of soil

1.2 試驗設計

試驗于2012年開始，依據當地水稻秸稈平均產量約為6 t/hm2，設置僅施化肥（CK）、低量秸稈還田（每季3 t/hm2，相當于一半秸稈還田）+化肥（LS）和高量秸稈還田（每季6 t/hm2，相當于秸稈全量還田）+化肥（HS）3個處理，每個處理重復3次，共9個小區。還田所用的秸稈均來自于上一稻季試驗小區，還田時，將秸稈截為約10 cm長度，均勻撒入小區，并用旋耕機翻壓于20 cm深度。同時，為保證秸稈還田和未還田小區養分投入量相同，秸稈還田小區化肥投入量減去秸稈所攜帶的養分含量（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）120 kg/hm2，鈣鎂磷肥（以P2O5計）75 kg/hm2，氯化鉀（以K2O計）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（定位試驗開始后的第9～10年）早稻收獲前進行樣品采集，取0～15 cm土層深的原狀土，放入保鮮盒中，帶回實驗室進行自然風干，當土壤水分達到塑限（含水量22%～25%）時將土樣掰碎約1 cm3大小，繼續風干，待土樣完全風干后裝袋，室溫保存，以備后續水穩性團聚體測定。

采用濕篩法[11]測定土壤水穩性團聚體。并用四分法取50 g風干土，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氣泡的水桶中進行濕潤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聚體分析儀上（XY-100；中國），以振幅3 cm，震動頻率為50次/min振蕩30 min后篩分結束，收集留在篩子上的各粒徑水穩性團聚體，所有組分于60 ℃烘干稱重后，將各粒徑水穩性團聚體磨細，過篩，室溫保存。

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

1.4 數據處理與計算

評價土壤穩定性的指標，水穩性團聚體質量百分含量、粒徑＞0.25 mm水穩性團聚體質量百分含量和平均重量直徑計算方法為：

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

參考邱莉萍等[12]的研究，計算各粒徑水穩性團聚體對土壤TC、TN和TP的貢獻率，將各粒徑團聚體百分比和養分含量相結合，共同計算團聚體各粒徑對于土壤養分的貢獻。具體計算方法為：

式中：CRi為i粒徑水穩性團聚體對土壤總碳（總氮、總磷）的貢獻率（%），wi為i粒徑水穩性團聚體質量百分含量（%），TXi為i粒徑水穩性團聚體的總碳（總氮、總磷）含量（g/kg），TXt為土壤總碳（總氮、總磷）含量（g/kg）。

試驗數據統計及作圖采用Excel 2016軟件，SPSS 25.0進行單因素方差分析（One Way-ANOVA）和Duncan法多重比較（P＜0.05）。

本文中的化學計量比均為質量比，文中圖表所用數據為2020年和2021年均值。

2 結果與分析

2.1 土壤水穩性團聚體組成及穩定性分析

各處理下，R0.25均超過80.0%（表2），說明試驗中的稻田土壤結構主要以水穩性大團聚體（＞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性團聚體穩定性，主要表現在＞2 mm粒徑。秸稈還田下＜0.25 mm的粒徑進一步分級后（0.053～0.25 mm和＜0.053 mm粒徑），其水穩性團聚體的百分含量，較CK處理顯著降低（P＜0.05）。這與秸稈還田增加土壤有機質有關，土壤有機質作為團聚體形成的重要膠體物質，其數量和質量影響團聚體團聚的效果，伴隨著秸稈還田，土壤有機質會變得豐富，較小的土壤顆粒會在有機質及作物根系的作用下團聚在一起，形成較大的顆粒。

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

2.2 土壤水穩性團聚體碳氮磷含量分析

5個粒徑水穩性團聚體中的碳氮磷含量測定的結果表明，各粒徑水穩性團聚體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，促使水穩性團聚體各粒徑中的TC含量顯著增加（除1～2 mm粒徑）（P＜0.05）。其中0.25～1 mm粒徑水穩性團聚體增幅效果最大，可達28.1%（P＜0.05），此粒徑是較小的大團聚體，既可以通過較大團聚體的崩解獲得TC，又可以較大的面積以吸附的方式進行碳匯聚，秸稈還田后外源碳的大量增加促進了此粒徑對于TC的儲存。

圖1 秸稈還田下稻田耕層土壤水穩性團聚體總碳、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

各粒徑水穩性團聚體TN含量范圍為1.3～2.4 g/kg（圖1）。碳氮作為耦合性較強的元素，其在各粒徑水穩性團聚體中的分布具有較高的一致性。本試驗研究結果表明，TN含量在CK、LS和HS處理下各粒徑水穩性團聚體中的變化趨勢與TC含量相似；高量秸稈還田后，土壤有機質增加，促進了土壤對于無機氮的固持能力，所以與CK相比，各粒徑水穩性團聚體（除1～2 mm粒徑）TN含量顯著增加（P＜0.05），其中0.25～1 mm粒徑水穩性團聚體增幅效果最大，增幅達到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環境氮素（大氣沉降、灌溉和生物固氮）的固定。

各粒徑水穩性團聚體TP含量范圍為0.4～0.7g/kg（圖1）。磷元素具有易被固定特點，LS和HS處理下各粒徑水穩性團聚體中的TP含量與對照沒有顯著差異。秸稈還田處理磷素的總投入量與對照處理相同，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定。

2.3 土壤水穩性團聚體生態化學計量學特征分析

各粒徑水穩性團聚體的C∶N范圍為10.0～10.8（圖2），其比值相對穩定。與CK處理相比，僅HS處理顯著提高1～2 mm粒徑水穩性團聚體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性團聚體碳氮磷生態化學計量比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

各粒徑水穩性團聚體的C∶P的范圍為22.0～42.6。相同處理下0.053～0.25 mm粒徑水穩性團聚體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含量相對較低有關。與CK處理相比，LS處理顯著增加了＞2 mm和1～2 mm粒徑水穩性團聚體的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粒徑水穩性團聚體的C∶P，增幅分別為14.0%、31.3%、38.0%和20.0%（P＜0.05），這說明HS處理對于微團聚體（＜0.25 mm）的C∶P影響力高于LS處理。

各粒徑水穩性團聚體的N∶P范圍為2.2～4.1。其變化趨勢與C∶P相似，在0.053～0.25 mm粒徑水穩性團聚體中出現最低值，進一步證實水穩性團聚體粒徑中的TC和TN含量具有高度的相關性。HS處理提高了土壤TN，進而影響了水穩性團聚體的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16.9%～35.3%（P＜0.05）。

2.4 水穩性團聚體對土壤養分的貢獻率分析

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

表3 秸稈還田下稻田耕層各粒徑水穩性團聚體對土壤養分的貢獻率（%）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 秸稈還田對土壤水穩性團聚體組成的影響

研究表明，秸稈還田是土壤有機碳最直接且有效的來源，在其分解過程中微生物以較強的活性參與其中，促使大量糖類、有機酸和氨基酸等膠結物質產生，將土壤砂粒、粘粒和已形成的微團聚體通過膠結和纏繞等作用形成大團聚體[13]，提高土壤穩定性，增加土壤孔隙度和降低土壤容重[14]。本試驗顯示LS和HS處理下0.053～0.25 mm和＜0.053 mm粒徑水穩性團聚體百分含量顯著降低。這與在河北欒城潮土小麥—玉米輪作試驗中秸稈還田顯著提高粒徑＞0.25 mm團聚體含量[15]的研究結果相似，主要原因在于秸稈還田后水稻根系活性增強，根際分泌物含量提高，且秸稈還田后微生物量也增加，從而促進土壤顆粒團聚的膠結物質增加。依據Six等[16]提出的團聚體周轉模型理論推測，秸稈還田后新形成的土壤環境中團聚力高，大團聚體抗破碎程度強，內部崩解形成微團聚體的程度要小于無秸稈還田土壤，從而對團聚體的周轉產生影響，進一步解釋了本試驗R0.25和MWD在秸稈還田處理下呈現增加的趨勢（表2）。宋依依[17]等在遼寧沈陽開展的棕壤玉米地秸稈還田試驗也表明，秸稈還田主要以提高＞2 mm粒徑水穩性團聚體百分含量而增加土壤團聚體穩定性。黃璐等[18]在山西洪洞縣開展的石灰性褐土麥田連續3年秸稈還田試驗發現， ＞0.25 mm團聚體含量隨著秸稈還田量的增加而增加，＜0.25 mm微團聚體含量則隨秸稈還田量的增加而減少，證實了秸稈還田可提高土壤大團聚體含量。土壤中＞0.25 mm的團聚體是土壤中最好的結構體，其數量與土壤肥力水平呈正相關[1]。因此，本試驗中秸稈還田較對照顯著增加R0.25，從而提高土壤團聚體穩定性，改善土壤肥力水平。

3.2 秸稈還田影響水穩性團聚體碳氮磷含量對稻田養分循環的意義

土壤養分供應是作物養分吸收的重要來源，也是實現作物高產的重要條件[19]。當農田資源秸稈被當作有機肥料歸還與土壤后，在微生物的參與下，大量養分釋放到土壤中，并進一步被作物吸收，使得更多的養分在生態循環的過程中發揮最大的效益。團聚體作為土壤的重要組成結構，承擔著土壤養分保護功能，其中，大團聚體（＞0.25 mm）會通過包裹作用維持較多的土壤碳[20]。本試驗顯示，較CK而言，HS處理可以促進更多的碳和氮元素存在于＞2 mm和0.25～1 mm粒徑水穩性團聚體中，且＜0.053 mm粒徑水穩性團聚體中TC和TN含量也較高（圖1），這是因為微團聚體會通過較大的比表面積的吸附作用而減少土壤有機碳和氮損失[20]。TP在田間處理下各粒徑水穩性團聚體中并沒有顯著性差異（圖1），可能與土壤磷元素移動性低，且各處理磷素投入量相同有關。然而，稻田秸稈還田為產甲烷（CH4）微生物提供了豐富的碳源，增加CH4的排放，增強稻田的溫室效應[21]。且秸稈還田下，土壤碳氮比的提高，會產生正激發效應，促進土壤原有有機碳的礦化[22]。綜上所述，秸稈還田雖然會改善土壤團粒結構，增加土壤養分循環，但存在增加稻田原有有機碳礦化和增加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分效益與溫室效應。

本試驗結果表明，與CK相比，隨著秸稈還田量的提高，如0.053～0.25 mm粒徑水穩性團聚體，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[24]，所需氮源也隨之提高，因此促進秸稈的腐解速率，從而進一步影響土壤水穩性團聚體的TC和TN含量。另一方面，各粒徑水穩性團聚體TC、TN和TP含量對于土壤總養分的貢獻率隨著水穩性團聚體百分含量的變化而變化（表3），所以當秸稈還田顯著增加R0.25時，＞0.25 mm粒徑水穩性團聚體的養分對于耕層總養分的貢獻率有所提高。以往研究表明，土壤大團聚體是土壤養分氮、磷供應的主要結構單元[25]。因此，秸稈還田后土壤大團聚體對氮磷等養分的貢獻增加將有利于提高水稻氮磷吸收。這與前期觀測到的秸稈還田促進了氮磷吸收的研究結果相一致[3,10]。

3.3 水穩性團聚體碳氮磷生態化學計量特征對水稻養分吸收的意義

生態化學計量比特征可指示土壤養分在循環過程中的有效性。土壤C∶N可指示土壤有機質分解和氮素礦化速率，C∶N越低，土壤有機質分解和氮素礦化速率越高[26]。本研究顯示各粒徑水穩性團聚體中的C∶N保持在9.8～10.8之間（圖2），低于我國農田土壤均值（11.9）[27]。LS和HS處理與CK相比并未顯著提高各粒徑水穩性團聚體的C∶N，說明有機質分解和氮素礦化速率在各粒徑水穩性團聚體之間是相似的，這與C和N同為生命體的必需元素，在生態系統中的積累和消耗相對固定有關。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]。本試驗中HS處理與CK處理投入等量的氮和磷，但秸稈還田會增加額外的碳源，導致C∶P在＞2 mm、1～2 mm、0.053～0.25 mm和＜0.053 mm粒徑水穩性團聚體中顯著增加（P＜0.05），其中1～2 mm（40.5）和＜0.053 mm（42.6）粒徑水穩性團聚體的C∶P（圖2）高于我國農田土壤均值（38.1）[29]。雖然秸稈還田下各土壤水穩性團聚體粒徑的C∶P增加，但根據蔣炳伸等[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性團聚體的C∶P雖然增加，但并未達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性團聚體（除0.25～1 mm粒徑）的N∶P（P＜0.05），其中＞2 mm、1～2 mm和＜0.053 mm粒徑水穩性團聚體的N∶P均值（圖2）高于我國農田土壤均值（3.37）[29]。這一結果與秸稈還田相較于單施化肥不僅可以提高大團聚體比率而增加對土壤有機氮的固持，還可以通過緩慢的分解過程[31]，降低水稻生育期氮素的徑流、淋溶[32]和揮發損失[21]有關，從而將更多的化肥氮通過植物和微生物轉化為有機氮而保存在土壤團聚體中。土壤N∶P的提高有助于提高土壤氮素有效性，這與我們前期觀測到的秸稈還田下水稻氮素利用率提高的研究結果相一致[3]。

4 結論

研究表明，雙季稻田秸稈還田后的第9～10年，土壤＞2 mm粒徑水穩性團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，秸稈還田顯著增加了土壤各粒徑水穩性團聚體（除1～2 mm外）總碳和總氮含量，增幅分別可達28.1%和22.9%，而對各粒徑水穩性團聚體總磷含量沒有顯著影響。秸稈還田顯著提高了＞2 mm粒徑水穩性團聚體對于土壤總碳、總氮和總磷的貢獻率。且秸稈還田增加了＞2 mm、1～2 mm、0.053～0.25 mm和＜0.053 mm粒徑水穩性團聚體氮磷比（N∶P）和碳磷比（C∶P），其中高量秸稈還田促進效果更加突出。

雙季稻田秸稈還田后增加了土壤團粒結構體和碳氮儲量，對于改善土壤結構和提高土壤肥力具有較好的效果。同時，秸稈還田下土壤水穩性團聚體氮磷比的提高，有助于促進作物對于氮素的吸收和提高氮肥利用效率。