減施化肥下紫云英翻壓量對土壤團聚體及鐵錳氧化物的影響

徐永昊，聶 軍，魯艷紅，耿明建，黃 麗*

（1.華中農業大學，農業農村部長江中下游耕地保育重點實驗室，湖北 武漢 430070； 2.湖南省土壤肥料研究所，農業農村部湖南耕地保育科學觀測實驗站，湖南 長沙 410125）

土壤團聚體是土壤結構最基本的單元，對土壤理化性質有著重要影響，是土壤肥力的基礎［1］。良好的團聚體組成可促進植物對土壤養分的吸收，維持生物群落多樣性，抵抗地表土壤侵蝕［2］。土壤團聚體的分布與穩定性受到眾多因素的影響；通常，團聚體穩定性與團聚體的膠結物質呈正相關［3］。氧化物是團聚體的重要膠結物質之一，其在土壤中的類型、含量以及分布等直接影響土壤團聚體的形成與穩定［4］。

紫云英是南方稻田的一種主要綠肥作物，紫云英翻壓能夠提高土壤有機質含量，且能長效地為土壤提供氮素，一定程度上起到替代化肥的作用［5］。曹衛東等［6］研究認為，在翻壓紫云英22.5 t·hm-2后，減少20%～40%的化肥用量，水稻產量仍有提高。在實際生產中，紫云英作為有機物料加入土壤中被微生物分解產生膠結物質［7］，促使土壤顆粒粘結形成團聚體，且微生物分解利用產生的代謝產物提高了團聚體的穩定性，有研究指出，翻壓紫云英雖未顯著提高土壤中大團聚體的含量，但明顯提高了團聚體的穩定性，隨著紫云英翻壓量的提高，團聚體平均重量直徑（MWD）逐漸增加［8］。紫云英作為有機肥，其翻壓在影響土壤團聚體分布的同時，可以改變團聚體中氧化物的分布，在不同程度上影響氧化物的轉化［9］。有報道，長期施用化肥及化肥與紫云英、稻草、豬糞配施顯著地提高了各級團聚體中的非晶質鐵含量（增幅10.5%～58.5%），降低了游離鐵的含量（降幅0.4%～13.8%），團聚體中鐵的活化度提高了19%～76%［10］。

紫云英翻壓能給土壤帶來大量的外源有機物料，促進土壤團聚體的形成，并且水稻土頻繁的干濕交替環境也會影響鐵錳氧化物的形態。目前，對于紫云英翻壓配合化肥減施的研究主要針對土壤肥力、水稻產量等方面，而土壤團聚體中鐵錳氧化物的轉化及其與團聚體穩定性之間的關系并不清楚。為此，本文以湖南省南縣長期紫云英種植還田的水稻土為對象，探討在化肥用量減少20%和40%的情況下，翻壓不同量紫云英對土壤團聚體水穩性以及鐵錳氧化物的影響，明確減施化肥條件下紫云英的適宜翻壓量，以期為南方雙季稻種植區紫云英的合理利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

試驗于2009年在湖南省南縣三仙湖鄉萬元橋村（N 29°13′，E 112°28′，海拔高度30 m）進行。試驗區屬亞熱帶濕潤氣候，年均降水量 1 238 mm，年均氣溫16.6℃，全年日照時數1 775 h。供試土壤為河湖沉積物母質發育的紫潮土。試驗前耕層0～20 cm土壤的pH 7.78、有機質47.9 g·kg-1、全氮2.52 g·kg-1、全磷1.05 g·kg-1、全鉀20.9 g·kg-1、堿解氮219 mg·kg-1、有效磷23.4 mg·kg-1、速效鉀92.3 mg·kg-1［11］。

1.2 試驗設計

設置10個處理：

處理1：紫云英單獨翻壓（MV），不施化肥、種植翻壓紫云英22.5 t·hm-2；

處理2：當地常規全量100%施肥（F），冬季休閑、不種植翻壓紫云英；

處理3至6：化肥減量20%條件下（F 80），分 別 翻 壓15.0、22.5、30.0、37.5 t·hm-2紫 云 英（鮮重），分別表示為：15 t+F 80，22.5 t+F 80，30 t+F 80，37.5 t+F 80；

處理7至10：化肥減量40%條件下（F 60），分 別 翻 壓15.0、22.5、30.0、37.5 t·hm-2紫 云 英（鮮重），分別表示為：15 t+F 60，22.5 t+F 60，30 t+F 60，37.5 t+F 60；

上述減肥處理中氮、鉀肥均同比例減施，磷肥用量不變。10個處理在田間采用完全隨機區組排列，重復3次，紫云英翻壓時，小區內多余紫云英移出，若不足則從鄰近地塊移入、按量補足。

全量100%化肥施用量為：N 150 kg·hm-2；P2O575 kg·hm-2；K2O 120 kg·hm-2。氮磷鉀化肥品種分別為尿素、過磷酸鈣和氯化鉀；氮肥50%作基肥于移栽前1 d施入，50%作追肥在分蘗盛期施入，磷肥和鉀肥均在移栽前作基肥施入。

早稻于每年4月中旬移栽，7月中旬收獲，品種（組合）為湘早秈45號；晚稻在每年7月中下旬移栽，10月中旬收獲，品種（組合）為黃 華占。

1.3 樣品采集與測定

2018年4月紫云英盛花期，按照隨機取樣法取表層（0～20 cm）土樣，帶回室內風干，剔除其中的石塊、根系，分別過0.85、0.25和0.15 mm篩待測。

將一定重量土樣通過孔徑依次為5、2、0.25、0.053 mm套篩，分別稱重計算出各級干篩團聚體占土壤總量百分率，并按干篩的比例配成100 g的風干土樣。然后用Elliott［12］的土壤團聚體濕篩法獲得不同粒徑的水穩性團聚體：將樣品放置于孔徑自上而下為5、2、0.25、0.053 mm套篩之上，先用水浸潤10 min，豎直上下震蕩10 min；收集各級篩子上的團聚體并分別轉移至鋁盒中，依次得到>5、5～2、2～0.25、0.25～0.053、<0.053 mm水 穩性團聚體，然后40℃烘干稱重。

水穩性團聚體穩定性指標，使用平均重量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）、分形維數（D）［13］表示，分別見公式（1）～（3）。

游離態鐵錳用連二亞硫酸鈉-檸檬酸鈉-重碳酸鈉（DCB）提取，非晶質鐵錳用酸性草酸銨提取，絡合鐵錳用焦磷酸鈉提取，用原子吸收光譜法（AA240FS型原子吸收光譜儀）測定各形態鐵錳的含量。

1.4 數據分析

實驗數據差異顯著性分析、相關性分析用SPSS 22.0，通徑分析使用R語言，Origin 8.0軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 水穩性團聚體的分布和穩定性

試驗結果（圖1）表明，不同處理下土壤水穩性團聚體表現出相似的分布規律。各粒級水穩性團聚體含量由高到低依次為>5、2～0.25、5～2和<0.053、0.25～0.053 mm。>5 mm粒級團聚體的含量為55.58%～80.78%，與MV處理相比，除37.5 t+F 80、15 t+F 60處理外，其他紫云英與化肥配施各處理均顯著提高了>5 mm團聚體的含量，15 t+F 80、30 t+F 80、22.5 t+F 60處理分別增加了43.71%、33.59%、41.20%。5～2 mm粒級團聚體的含量為8.10%～16.95%，較MV處理，化肥減施與不同紫云英翻壓量處理降低了該粒級團聚體的含量，降幅為0.81%～36.04%。2～0.25 mm粒級團聚體的含量為7.94%～17.17%，在減施化肥20%條件下，不同處理間表現為團聚體含量隨著紫云英翻壓量的增加逐漸減小。0.25～0.053 mm粒級團聚體的含量為1.29%～4.88%，15 t+F 80處理的含量最低，較MV處理降低了69.12%。不同處理較MV處理均顯著地降低了<0.053 mm團聚體的含量，降幅為27.59%～93.94%。

圖1 土壤團聚體的分布

土壤平均重量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）、水穩性大團聚體百分比（WSA）反映了土壤團聚體大小分布狀況，其值越大表示團聚體的平均團聚度越高，其穩定性也越好。與MV相比（表1），各處理平均重量直徑增加了0.82%～33.26%，幾何平均直徑增加了6.29%～45.45%，水穩性大團聚體增加了2.89%～13.61%。化肥減施與紫云英不同翻壓量處理均降低了團聚體的分形維數。其中15 t+F 80和22.5 t+F 60處理與MV相比分別顯著降低了17.49%和15.96%，22.5 t+F 80、30 t+F 80、37.5 t+F 80處理與15 t+F 80處理相比分別提升了10.14%、5.07%、14.29%。

表1 不同處理對土壤團聚體穩定性的影響

減施化肥20%與40%各處理中隨著紫云英翻壓量的增加團聚體穩定性的變化不一致，除30 t+F 80處理外，減施化肥20%各處理團聚體的穩定性均高于減施化肥40%的處理；在減施化肥20%各處理中，15 t+F 80處理團聚體穩定性最高，相比于MV，平均重量直徑、幾何平均直徑、水穩性大團聚體分別增加了33.26%、45.45%、13.61%，分形維數降低了17.49%。在減施化肥40%各處理中，團聚體穩定性指標反映出22.5 t+F 60處理團聚體的穩定性最高，15 t+F 60處理的最低。

2.2 鐵錳氧化物的分布

2.2.1 游離鐵錳

供試土壤中游離鐵含量為29.9～35.4 g·kg-1（表2），其中化肥減施20%的各處理游離鐵含量均高于化肥減施40%；隨著紫云英翻壓量的增加，化肥減施20%與40%的各處理土壤中游離鐵的含量基本是逐漸下降，降幅為6.06%、8.87%；與MV處理相比，15 t+F 80、22.5 t+F 80處理游離鐵含量均顯著增加，增幅分別為8.97%、5.1%。

各處理團聚體的游離鐵含量均高于原土，隨著團聚體粒徑的減小逐漸增加；團聚體的游離鐵主要集中在0.25～0.053、<0.053 mm的團聚體中，大團聚體（>0.25 mm）中的游離鐵含量較低。這與Peng等［14］在2015年的研究類似，其團聚體內游離鐵在砂粒（2～0.25和0.25～0.053 mm）中比粉粒（0.053～0.002 mm）中的含量更高，并且粘粒（<0.002 mm）中游離鐵的含量均高于其他 粒徑。

相比于MV，減施化肥各處理的5～0.053 mm各粒徑中游離鐵的含量均升高；化肥減施40%條件下土壤團聚體的游離鐵含量均高于化肥減施20%處理；化肥減施20%與40%的各處理隨著紫云英翻壓量的增加，團聚體各粒徑中游離鐵的含量逐漸上升，這與原土的變化趨勢相反。

相比于MV處理（表3），紫云英翻壓與化肥配施各處理游離錳的含量均顯著降低（P<0.05），其中在30 t+F 80處理降幅最大，相比MV降低了39.33%。這可能是由于大量有機肥配施化肥能使土壤的氧化還原電位降低。

除MV處理，其他各處理團聚體的游離錳含量均高于原土，這與游離鐵類似；游離錳主要集中在<2 mm團聚體中，并在2～0.25 mm粒徑中含量最高，變化趨勢為：2～0.25 mm>0.25～0.053 mm>（<0.053 mm）>5～2 mm>（>5 mm）。

不同處理下土壤團聚體中游離錳含量差異明顯，化肥減施40%下各處理團聚體中游離錳含量均高于化肥減施20%；在化肥減施20%與40%條件下，隨著紫云英翻壓量的增加團聚體中游離錳含量顯著提高，特別是在翻壓量30與37.5 t·hm-2下，游離錳含量增加顯著。

表2 化肥減施與綠肥翻壓下土壤和團聚體的游離鐵含量 （g·kg-1）

表3 化肥減施與綠肥翻壓下土壤和團聚體的游離錳含量 （mg·kg-1）

2.2.2 非晶質鐵錳

原土中非晶質鐵與游離鐵的表現不同（表4），相比于MV處理，減施化肥與不同紫云英翻壓量配合可以顯著提高土壤的非晶質鐵含量，增幅5.15%～19.62%，這與劉侯俊等［15］的研究結果一致。非晶質鐵在化肥減施20%各處理的含量為7.99～8.26 g·kg-1，在30 t+F 80處理的含量最高；化肥減施40%的各處理，非晶質鐵含量隨著紫云英翻壓量的增加呈逐漸減小的趨勢，在15 t+F 60處理下非晶質鐵含量最高，為8.35 g·kg-1。

減施化肥與不同紫云英翻壓量處理的團聚體中，非晶質鐵含量較MV處理顯著提高，其中22.5 t+F 80 處理的最高（6.69～8.15 g·kg-1），團聚體的非晶質鐵含量顯著高于其他處理，這與原土的變化一致；化肥減施20%各處理的團聚體中，非晶質鐵含量均高于化肥減施40%；在化肥減施20%與40%各處理中，隨著紫云英翻壓量的增加團聚體的非晶質鐵含量沒有顯著性變化。

土壤非晶質錳含量為348～384 mg·kg-1（表5），化肥減施20%各處理土壤的非晶質錳含量與化肥減施40%的差異不顯著。同一化肥水平下，不同紫云英翻壓量之間非晶質錳含量的差異不顯著。除15 t+F 80和22.5 t+F 80處理外，其他紫云英與化肥配施處理非晶質錳含量相比于MV的均下降。

團聚體中非晶質錳主要集中在<2 mm粒徑中，并在2～0.25或0.25～0.053 mm粒徑中含量最高。不同紫云英翻壓量下，團聚體中非晶質錳含量差異明顯，在化肥減施20%與40%各處理中，隨著紫云英翻壓量的增加團聚體的非晶質錳含量顯著提高，特別是在翻壓量37.5 t·hm-2下，這可能是大量有機物料的翻壓增加了團聚體的表面電荷從而促進了非晶質錳的轉化。

表4 化肥減施與綠肥翻壓下土壤和團聚體的非晶質鐵含量 （g·kg-1）

表5 化肥減施與綠肥翻壓下土壤和團聚體的非晶質錳含量 （mg·kg-1）

2.2.3 絡合鐵錳

土壤絡合鐵的變化趨勢與非晶質鐵相似（表6），表現為：F處理>化肥減施與紫云英翻壓各處理>MV（最低，0.58 g·kg-1）；化肥減施20%的各處理隨著紫云英翻壓量的增加，絡合鐵含量先增加后降低，在22.5 t+F 80處理的含量最高（0.89 g·kg-1）；化肥減施40%各處理的絡合鐵與化肥減施20%的變化相反，隨著紫云英翻壓量的增加絡合鐵含量先減小后增加。

絡合鐵在大團聚體（>5 、5～2、2～0.25 mm）中比微團聚體（0.25～0.053 mm）以及粉粘粒（<0.053 mm）的含量高，其在<0.25 mm團聚體中的含量比大團聚體的降低了14.28%～22.41%，這與Xue等［16］在2019年對湖北省兩個地區紅壤團聚體的研究結果類似。

減施化肥20%各處理團聚體的絡合鐵含量均高于減施化肥40%；而在化肥減施20%條件下，在紫云英翻壓量提高到37.5 t·hm-2時團聚體的絡合鐵含量顯著下降。

除MV、F處理，其余各處理的絡合錳含量間差異不顯著（表7）；減施化肥20%與40%各處理中，土壤絡合錳的含量隨著紫云英翻壓量的增加而減小；減施化肥20%各處理的絡合錳含量相比于減施化肥40%均有所增加，增幅為5.19%～14.49%。

團聚體中絡合錳的含量為59～251 mg·kg-1，其隨著粒徑的減小先增加后降低，在2～0.25 mm 含量最高，30 t+F 80處理團聚體的絡合錳含量顯著高于其他處理。

除37.5 t+F 80，減施化肥20%各處理團聚體中絡合錳含量均高于減施化肥40%；在減施化肥20%下，翻壓量在37.5 t·hm-2時團聚體的絡合錳含量顯著下降，這與絡合鐵的變化一致。減施化肥40%各處理隨著紫云英翻壓量的增加團聚體的絡合錳含量沒有顯著變化。

表6 化肥減施與綠肥翻壓下土壤和團聚體的絡合鐵含量 （g·kg-1）

表7 化肥減施與綠肥翻壓下土壤和團聚體的絡合錳含量 （mg·kg-1）

2.3 鐵錳氧化物與團聚體穩定性的關系

2.3.1 相關性分析

供試土壤的平均重量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）、水穩性大團聚體（R>0.25 mm）與鐵氧化物含量間均呈正相關（r=0.084～0.332）或顯著和極顯著正相關（r=0.296*，r=0.479**～ 0.495**）（表8），分形維數（D）與鐵氧化物含量之間呈負相關（r=-0.217～-0.123）或顯著負相關（r=-0.444*）；而團聚體穩定性指標與各形態錳的相關性不顯著，表明土壤中鐵氧化物對團聚體穩定性的貢獻高于錳氧化物。

各形態鐵錳氧化物對團聚體穩定性的影響表現為：絡合鐵>非晶質鐵>非晶質錳>游離鐵>絡合錳、游離錳，表明土壤中鐵氧化物特別是絡合鐵與非晶質鐵的含量與團聚體穩定性的關系密切。

非晶質鐵和絡合鐵含量與MWD在2～0.25 mm團聚體中呈顯著和極顯著正相關；在5～2 mm團聚體中呈正相關和極顯著正相關（表9）。在團聚體各形態氧化物中，絡合鐵含量與MWD相關性最高，非晶質鐵次之，表明絡合鐵和非晶質鐵是土壤團聚體穩定和大團聚體形成的關鍵因素，這與表8的結果一致。在5～0.25 mm各粒徑團聚體中，MWD與游離錳和非晶質錳的含量呈負相關，與絡合錳含量呈正相關。

2.3.2 通徑分析

根據相關性分析的結果，以土壤各形態鐵錳氧化物為自變量（X1～X6）與平均重量直徑（MWD）為因變量（Y）進行通徑分析。由表10可知，絡合鐵對MWD等的直接作用最強，非晶質鐵次之，呈正效應，即絡合鐵、非晶質鐵含量增加可以直接提高MWD，從而提高團聚體的穩定性，這與相關性分析的結果一致。在錳氧化物中，非晶質錳對于團聚體穩定性的直接作用最強，呈負效應，即非晶質錳含量的增加可降低團聚體穩定性。游離鐵對MWD的間接作用最強，說明游離鐵含量的增加可間接提高團聚體的穩定性。

表8 團聚體穩定性與土壤鐵錳氧化物含量間的相關性

表9 平均重量直徑（MWD）與團聚體鐵錳氧化物含量的相關性

表10 通徑分析結果

3 討論

土壤團聚體的分布與穩定性主要受到施肥方式、種植制度和輪作方式等的影響［17］。張欽等［18］研究發現，化肥與有機肥配施有利于大團聚體的形成，特別是對5～0.25 mm水穩性大團聚體的促進作用最明顯。本研究中，減施20%和40%化肥配施紫云英均能較好地提高土壤團聚體的穩定性，這與上述研究結果基本相同。在本研究中，減施化肥20%與40%下，適量增加紫云英翻壓量（15、22.5 t·hm-2）有利于>5 mm團聚體的形成，并且降低了 <0.25 mm團聚體的含量。這主要是由于長期紫云英翻壓后，土壤有機質增加，充足的營養對作物根系生長發育十分有利，而根系本身可以通過纏繞作用促進大團聚體的形成［19］，發育良好的根系也會增加根際微生物量，促進大團聚體的形成和穩定，進而增加土壤的團聚性［20］。本研究在減施化肥20%與40%各處理中，當紫云英翻壓量超過30 t·hm-2時，土壤水穩性大團聚體含量降低，團聚體的穩定性下降，這可能是豆科作物的紫云英含氮量高，大量紫云英翻壓進入土壤，會使土壤C/N失調，導致微生物活性降低，菌根的生長變緩，因此團聚體的形成受到抑制［21］，團聚體穩定性下降。

減施化肥配合不同紫云英翻壓量的土壤和團聚體中，鐵錳氧化物的變化不一致，但對于鐵錳氧化物的提高有積極作用。研究表明，有機物料翻壓能阻止氧化物的老化，可能是非晶質鐵強烈吸附有機質而阻礙氧化鐵晶核的生長［22］，也可能是鐵與富里酸形成絡合物，影響了結晶速率和結晶產物的性質［23］。與對照MV相比，紫云英與化肥配施各處理顯著地提高了各粒徑團聚體中的非晶質鐵含量，這可能是各配施處理的土壤有機碳組分更易與非晶質鐵吸附或結合，促進了非晶質鐵的轉化。然而，施用100%化肥（F）處理土壤的非晶質鐵含量（8.45 g·kg-1）最高，這與王瑩等［10］在2013年的研究結果一致，可能是化肥中的亞硝酸鹽能作為低價鐵的電子受體［24］，或者是磷與非晶質鐵的吸附與解析［25-26］，促進了非晶質鐵的轉化，使得F處理的非晶質鐵含量增加。有研究表明，水稻土中鐵錳氧化物還原過程與土壤pH密切相關，隨著堿性水稻土pH的降低氧化物還原減弱，而酸性水稻土pH升高促進了氧化物的還原［27］。此外，土壤在中性條件下更容易引起非晶型氧化物的沉淀，增加氧化物的活化度［28］。供試土壤中性偏堿性，紫云英作為固氮作物，其與化肥一同進入土壤中會使pH降低，向中性靠近，從而有利于非晶質鐵錳的形成。翻壓紫云英帶來的有機質與鐵錳氧化物結合，可以形成有機-無機礦物復合體，從而提高鐵錳氧化物自身的穩定性與活性［29］。但相比于MV和F對照處理，減施化肥配施大量紫云英的土壤中各形態錳氧化物含量下降，可能是大量有機物質進入土壤導致鐵與各形態錳發生拮抗反應，從而降低了土壤中錳的含量［30］。

相關性與通徑分析表明，供試土壤中鐵氧化物是團聚體穩定性和大團聚體形成的關鍵因素。許多研究表明，鐵氧化物是土壤中的主要膠結劑，它的作用主要是對微團聚體甚至小粒徑（<0.053 mm）團聚體的膠結［31］，氧化鐵對陰離子具有高親和力，通過靜電吸附于粘土礦物表面，并通過聚合作用促進團聚體形成［2］。本研究中各形態鐵氧化物對團聚體穩定性影響最大的是絡合態，其次是非晶質態，游離態最弱。絡合鐵是一種與有機質結合形成的絡合物［32］，有機質可以通過有機團聚與礦物的結合來增加團聚體內部的穩定性，絡合鐵在有機質對團聚體穩定性的影響上起著中介的作用，其影響機制有待進一步研究。

4 結論

減施化肥與不同紫云英翻壓量處理主要增加了>5 mm團聚體、降低了<0.25 mm團聚體的含量。減施化肥20%紫云英翻壓量為37.5 t·hm-2時，>5 mm團聚體的含量下降；減施化肥40%下，隨紫云英翻壓量增加提升>0.25 mm團聚體的含量（2.9%～12.47%），降低<0.053 mm團聚體的含量（27.59%～92%）。減施化肥條件下合理的紫云英翻壓量（15、22.5 t·hm-2）可以顯著提高團聚體的穩定性。

相比于單獨種植翻壓紫云英處理，減施化肥條件下，隨著紫云英翻壓量（15～30 t·hm-2）的增加團聚體中游離鐵錳含量逐漸降低，非晶質、絡合態鐵錳含量顯著提高，在減施化肥40%、紫云英翻壓量為30 t·hm-2時的非晶質、絡合鐵錳含量達到最高。

鐵氧化物中的非晶質與絡合態是影響團聚體穩定性的直接因素，其含量與團聚體穩定性呈顯著或極顯著正相關，游離鐵含量增加間接提高了團聚體的穩定性。