紫云英還田與氮肥減施對水稻土團聚體中各形態鐵錳含量的影響

甘雅芬，徐永昊,3，周富忠，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 湖北省利川市土壤肥料工作站，湖北利川 445400；3 山東省農業技術推廣中心土壤肥料部，山東濟南 250100）

土壤團聚體是土壤結構的基本單元，是評價土壤質量的重要指標，在一定程度上可以反映土壤結構的好壞[1]。土壤長期淹水管理會導致土壤團聚體膨脹裂解，破壞土壤團聚體穩定性，從而降低我國典型的水耕人為水稻土的生產力，危及我國糧食安全和農業經濟發展[2–3]。冬閑農田種植豆科綠肥是我國南方稻田土壤培肥的重要措施，在改良土壤結構、提高土壤肥力和資源利用效率方面具有重要意義[4]。

紫云英作為我國南方主要綠肥，可以通過生物固氮、輪作倒茬等方式在化肥農藥減量施用方面發揮重要作用，同時也有利于土壤顆粒的團聚、黏結，有效提高土壤團聚體穩定性、改良土壤結構[5–6]。研究表明，紫云英還田配施80%化肥處理顯著增加了土壤有機質和全氮含量，增幅達13.1%和12.8%，而且還能增加速效養分的供應[7]。而對土壤結構的研究發現，添加紫云英處理提高了>2 mm團聚體的含量與團聚體的平均重量直徑(MWD)[8]。紫云英配施減量化肥對土壤水穩性大團聚體中1～2和0.5～1 mm粒徑的形成與穩定有促進作用[9]。

鐵錳是土壤中具有顯著變價特性的金屬元素，化學性質活潑，形態多樣，極易受土壤環境的影響[10]。其中，鐵錳氧化物是土壤重要的無機膠結物質，對于土壤團聚體穩定性有著重要貢獻[11–12]。施肥措施能夠改變土壤鐵錳形態，最終影響氧化物在土壤團聚體中的膠結作用[13–14]。研究發現，增施有機肥可降低土壤游離氧化鐵含量而提高非晶質氧化鐵含量[15–16]；紫云英與化肥配施條件下，土壤團聚體中非晶質鐵錳含量顯著提高7.7%～72.3%[17]。不同形態鐵錳氧化物因表面電荷類型、數量的不同以及活性和比表面積等特性的差異，對團聚體穩定性的作用能力也各異[16–17]。研究發現，鐵鋁氧化物含量與>0.25 mm大團聚體數量及MWD 值顯著相關，無定形鐵鋁氧化物對團聚體穩定性的作用更為顯著[18]。而長期施肥條件下土的MWD與游離鐵呈顯著正相關關系[19]。

目前國內外研究翻壓綠肥對土壤養分和作物產量的直接影響較多，但較少報道紫云英還田與氮肥減施對土壤團聚體穩定性和膠結物質的影響。本研究以湖北荊州定位試驗的水稻土為對象，研究紫云英還田與氮肥減施條件下土壤團聚體中不同形態鐵錳與團聚體穩定性的關系，以揭示紫云英還田下土壤團聚體的穩定性機制，為推動南方水稻種植區綠肥利用和高效生產提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

定位試驗始于2015年，試驗點位于荊州區太湖農場 (30°53′26″N，112°48′56″E)，屬于亞熱帶季風氣候，年平均溫度17.9℃，年均日照時數1800～2100 h，年均降水量為1055 mm。土壤為長江沖積物發育的水稻土，質地為粉質黏土，黏性較強。供試土壤的pH 7.43、有機碳16.3 g/kg、堿解氮133.4 mg/kg、速效磷 10.6 mg/kg、速效鉀 167.0 mg/kg。

1.2 試驗設計

采用完全隨機區組設計，共設6個處理，3次重復，小區面積20 m2。處理如下：設置不施氮肥(CK)、紫云英種植還田(MV)、60%氮肥(N60%)、100%氮肥(N100%)、紫云英種植還田+60%氮肥(MV+N60%)、紫云英種植還田+100%氮肥(MV+N100%)(表1)。供試水稻品種為黃華占，水稻收獲后撒播紫云英(品種為弋江種，播種量30 kg/hm2)，紫云英生長期間各處理均不施肥，在盛花期(4月20日前后)翻壓還田，還田量為2200 kg/hm2。水稻季施用氮、磷、鉀肥，分別為尿素、過磷酸鈣和氯化鉀，其養分總投入量分別為 N 165 kg/hm2、P2O560 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2。氮肥的70%作基肥、20%作分蘗肥、10%作粒肥，磷鉀肥全部用作基肥。

表1 田間試驗設計Table 1 Design of the field experiment

1.3 樣品采集與測定

于2019年4月（紫云英盛花期）采集耕層(0—20 cm)土壤樣品，每個小區按“S”形采樣法采集5個土樣，每個土樣約1 kg，混合均勻。樣品在室內自然風干，當土樣含水量為 20% 左右(上塑限)時，沿土體自然結構輕輕掰成小土塊，過10 mm篩。剔除其中的石塊、根系等雜物。一部分樣品分別過0.90、0.25和0.15 mm篩備用，另一部分直接用于測定團聚體粒徑分布。

土壤團聚體分級采用干濕篩結合法，主要步驟為：將一定重量的上述風干土樣通過孔徑依次為5、2、0.25、0.053 mm套篩，計算各級干篩團聚體占土壤總量百分含量，并按干篩的比例配成100 g的風干土樣。之后采用Elliott[20]的團聚體濕篩法分離不同粒徑的水穩性團聚體，即將干篩配比的土樣放置于孔徑自上而下為5、2、0.25、0.053 mm套篩之上，在室溫條件下先用水浸潤10 min，再用團聚體篩分儀豎直上下震蕩10 min。篩分結束后，將每層篩子上的團聚體用水分別洗入鋁盒中，待澄清后棄去上層清液，在40℃烘箱中干燥24 h，得到干燥的>5、5～2、2～0.25、0.25～0.053、<0.053 mm 水穩性團聚體，稱重，并計算各級團聚體組成。

不同形態鐵錳的提取及測定方法[21]：游離態鐵錳采用DCB法(連二亞硫酸鈉–檸檬酸鈉–重碳酸鈉)提取，非晶質鐵錳采用酸性草酸銨提取，絡合態鐵錳采用焦磷酸鈉提取，提取液經稀釋后用原子吸收光譜儀(AA240FS型原子吸收光譜儀)測定。

1.4 數據處理

平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)、>0.25 mm水穩性團聚體百分含量(WSA)和分形維數(D)可用于表征土壤團聚體穩定性，其計算公式[22]如下：

應用 Excel 2013 和 SPSS 22.0 軟件進行統計分析，采用單因素方差分析比較處理間差異，用鄧肯(Duncan’s)法檢驗差異顯著性(P<0.05)，采用皮爾森(Pearson)法進行相關性分析，Canoco 5進行冗余分析 (RDA)，Origin 8.0 軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 土壤團聚體穩定性

不同施肥處理下土壤水穩性團聚體粒徑分布具有顯著差異，CK處理中<0.053 mm團聚體百分含量最高，而施肥條件下主要以>5 mm粒徑團聚體為主(圖1)。與CK相比，各施肥處理顯著提高了>5 mm團聚體含量，增量為32.6%～97.9%。5～2和2～0.25 mm團聚體在不同施肥處理下差異不顯著。0.25～0.053 mm粒徑團聚體的含量為4.3%～6.8%，相比于CK，除N60%處理外其余各處理均增加了0.25～0.053 mm團聚體的含量。<0.053 mm粒徑團聚體各處理表現為 CK > N60%> MV+N100%> MV > N100%>MV+N60%，與CK處理相比，各施肥處理均降低了<0.053 mm團聚體的含量，降幅為33.3%～80.5%。

圖1 不同處理土壤水穩性團聚體的分布Fig.1 Distribution of soil water-stable aggregates under different treatments

水穩性團聚體根據粒徑可分為大團聚體(>0.25 mm)和微團聚體(<0.25 mm)。相比于CK處理，各施肥處理均提高了大團聚體含量，降低了微團聚體含量。MV+N60%處理的大團聚體含量最高，其比CK處理增加了49.8%的大團聚體含量，減少了71.0%的微團聚體含量，說明紫云英還田與氮肥減施有利于微團聚體向大團聚體的轉化，提高土壤團聚體穩定性。

由表2可知，施肥對土壤團聚體的各項穩定性指標具有顯著影響。平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)和>0.25 mm水穩性團聚體(WSA)含量越大，表示團聚體的團聚度越高，其穩定性也越好。穩定性指標大小依次為MV+N60%>N100%>MV+N100%>MV>N60%>CK (表2)。與CK相比，各處理MWD增加了27.5%～76.2%，GMD增加了35.5%～108.9%，WSA增加了21.3%～49.9%。N100%處理的土壤團聚體穩定性高于N60%，但低于MV+N60%、MV+N100%處理。紫云英還田提高了團聚體穩定性，其中MV+N60%處理的MWD較CK和MV處理分別提高了76.2%和18.0%。分形維數(D)通常用來反映土壤團粒結構的均勻度，D值越大，表明大團聚體占比越小，土壤孔隙度越小，土壤結構越差。本研究中各處理分形維數(D)表現為CK>N60%>MV>MV+N100%>N100%>MV+N60%，各施肥處理D值較CK降低了4.4%～15.9%，其中MV+N60%處理對比CK下降效果最為顯著，降幅為15.9%。

表2 不同處理土壤團聚體穩定性指標Table 2 Stability index of soil aggregate in different treatments

2.2 各形態鐵錳含量變化

表3表明，游離鐵和游離錳均以CK含量最低，施肥可在一定程度上提高其含量，與CK處理相比，N100%處理的游離鐵含量提高12.1%，MV+N60%處理的游離錳含量提高6.5%。單施化肥處理的游離鐵含量要高于紫云英還田與化肥配施處理，而紫云英還田對游離錳含量的增加更為明顯。與CK相比，紫云英還田各處理(MV、MV+N60%、MV+N100%)均能提高土壤的非晶質鐵含量，增幅為0.8%～6.1%。紫云英配施化肥處理(MV+N60%、MV+N100%)相比CK提高了非晶質錳含量，增幅為1.0%～2.3%。絡合鐵含量為0.74～0.87 g/kg，MV+N60%含量最高。土壤絡合鐵含量以N60%處理最低，而有機無機肥配施處理土壤絡合鐵含量相對較高。絡合錳含量以MV+N100%處理最高，N100%處理最低。

表3 不同處理土壤各形態鐵錳含量Table 3 Contents of different forms of Fe and Mn in soil with different treatments

表4表明，土壤大團聚體(>0.25 mm)的各形態鐵錳含量均高于微團聚體(<0.25 mm)。不同形態鐵含量在0.42～29.8 g/kg，其中游離鐵含量達到26.2～29.8 g/kg。游離鐵的含量主要集中在2～0.25 mm團聚體，且不同處理之間具有顯著差異。與CK處理相比，紫云英還田(MV、MV+N60%、MV+N100%)均提高了>5、0.25～0.053、<0.053 mm團聚體的游離鐵含量，其中MV+N100%處理增幅最高(3.3%～11.1%)。單施化肥提高了土壤各粒徑團聚體游離鐵含量，以N100%處理含量高于N60%處理，N100%和N60%處理較CK分別增加了3.5%～10.6%和2.2%～5.3%的游離鐵含量。土壤團聚體的非晶質鐵主要集中在>5、5～2 mm粒徑團聚體中，而在0.25～0.053 mm粒徑團聚體的含量最低。>5、5～2 mm團聚體中非晶質鐵含量分別為 5.83～8.05、6.14～7.09 g/kg，0.25～0.053 mm 團聚體中非晶質鐵含量為 5.16～6.39 g/kg；>5 mm團聚體中，CK處理的非晶質鐵含量最低，而MV+N60%處理非晶質鐵含量顯著高于CK處理，其余各粒徑團聚體中非晶質鐵含量無顯著差異。MV+N60%處理在>0.25 mm團聚體中具有較高的非晶質鐵含量，說明紫云英還田與氮肥減施有利于增加大團聚體中的非晶質鐵。相比游離鐵和非晶質鐵，絡合鐵的含量相對更低，且主要分布在>5 mm團聚體中 (0.55～0.84 g/kg)；<0.053 mm 團聚體內含量最低 (0.42～0.59 g/kg)。紫云英還田 (MV、MV+N60%、MV+N100%)更有利于提高土壤大團聚體的絡合鐵含量，MV+N60%處理除>5和<0.053 mm外的其余粒徑團聚體的絡合鐵含量最高，但與其他處理無顯著差異。

表4 不同處理團聚體中各形態鐵含量(g/kg)Table 4 Contents of different forms of Fe in soil aggregates of different treatments

團聚體中不同形態錳含量與鐵含量的整體變化趨勢一致，均為大團聚體中的含量高于微團聚體(表5)。不同形態錳含量在70.6～618 mg/kg之間，游離錳含量達383～666 mg/kg，游離錳主要集中在5～2、2～0.25 mm團聚體，含量分別為438～666和540～675 mg/kg，不同粒徑之間游離錳含量不同，>5和<0.053 mm團聚體中游離錳含量多低于其他粒徑。綠肥還田(MV、MV+N60%、MV+N100%)相比于單施化肥處理(N60%、N100%)降低了土壤微團聚體(<0.25 mm)中游離錳含量，提高了大團聚體(>0.25 mm)中游離錳含量。與CK處理相比，MV+N60%和MV+N100%處理顯著提高了5～2 mm團聚體游離錳含量。除N100%和MV+N60%處理外，非晶質錳在不同粒徑團聚體中無顯著差異，與CK處理相比，MV處理降低了各粒徑的非晶質錳含量，而MV+N100%處理增加了各粒徑團聚體中非晶質錳含量，增幅為2.6%～15.7%，且在大團聚體中的增量高于微團聚體。團聚體各粒徑絡合錳含量差異顯著，主要集中在>0.25 mm大團聚體中，以5～2、2～0.25 mm團聚體中絡合錳含量最高(99.8～160 mg/kg)，而 0.25～0.053、<0.053 mm 團聚體中絡合錳的含量較低(70.6～115 mg/kg)。與CK處理相比，施肥提高了>5 mm團聚體中的絡合錳含量，以MV+N100%處理含量最高，較CK增加了30.9%；而在<0.053 mm中，施肥降低了18.8%～38.6%的絡合錳含量。

表5 不同處理土壤團聚體中各形態錳含量(mg/kg)Table 5 Contents of different forms of Mn in soil aggregates of different treatments

2.3 各形態鐵錳對土壤團聚體穩定性的影響

MWD和GMD與團聚體各形態鐵錳含量的相關性表現大體一致，在>5 mm團聚體中，除絡合鐵和游離錳外，其余形態鐵錳含量與MWD顯著相關(表6)。其中，游離鐵和非晶質鐵與MWD和GMD均呈極顯著正相關(r=0.659～0.684和r=0.610～0.704)，絡合鐵與GMD顯著相關(r=0.477)。而非晶質錳和絡合錳與穩定性指標均顯著正相關(r=0.477～0.544)。在5～2 mm團聚體中，非晶質鐵、游離錳含量與MWD呈顯著正相關(r=0.428～0.531)；2～0.25 mm團聚體中，僅非晶質錳與MWD和GMD呈顯著相關，0.25～0.053 mm團聚體中絡合錳與MWD和GMD顯著相關；在<0.053 mm團聚體，MWD和GMD與絡合錳呈極顯著負相關(r=–0.598～–0.612)。在團聚體各形態鐵錳中，游離鐵含量與MWD相關性最高，非晶質鐵次之，這表明土壤游離鐵和非晶質鐵是團聚體穩定和大團聚體形成的關鍵因素。

表6 MWD和GMD與團聚體各形態鐵錳含量的相關性Table 6 Correlations of MWD and GMD with different forms of iron and manganese contents in soil aggregates

經RDA分析(圖2)可知，軸1和軸2共同解釋土壤團聚體穩定性指標與土壤各形態鐵錳含量關系總變異的29.1%，第一軸可解釋28.47%變量變化。游離鐵與團聚體穩定性的相關性大于其他影響因素，對變異解釋率為16.7%。其次是游離錳，解釋率為4.8%。非晶質鐵和絡合鐵的解釋率大體相等約為3%。游離鐵和游離錳相關性高，呈正效應，對于團聚體穩定性有很高的協同作用。

圖2 土壤穩定性和各形態鐵錳冗余分析(RDA)Fig.2 The redundancy analysis (RDA) of soil stability and the different forms of iron and manganese

3 討論

紫云英還田與氮肥減施能改變團聚體粒徑分布，對于提高土壤團聚體穩定性具有重要作用[23]。本研究中，紫云英與化肥配施相比CK處理顯著提高以>5 mm為主的土壤大團聚體百分含量，降低<0.053 mm的土壤微團聚體含量，有利于土壤微團聚體向大團聚體的轉化，增加了團聚體的MWD、GMD、WSA 值，降低分形維數，提高了團聚體穩定性。有研究發現，長江中游油麥交錯區和黃河口濕地土壤主要以>2 mm團聚體為主，其>2 mm團聚體含量分別為42%～78%和32.0%～54.5%，與本研究結果類似，可能是土壤母質和田間施肥管理綜合影響的結果[24–25]。在紫云英和80%化肥配合施用條件下，MWD和GMD相比于CK可分別提高76.7%和10.1%[26]，這與本研究結果相似?？赡艿脑蚴亲显朴⑦€田能夠提高土壤有機質，而有機質是形成大團聚體的主要膠結物質，不僅能夠通過固定和吸附機制誘導微團聚體結合[27]，還能夠通過自身分解過程中產生的大量黏性分泌物和游離多糖等物質，促進土壤大團聚體的形成[28]。同時，有機質可以提高土壤微生物活性，增加微生物種群，促進菌絲生長及其與微團聚體的相互作用，有利于微團聚體黏結[29]。紫云英還田能促進植物根系的生長發育，通過根系穿插纏繞、產生根系分泌物等方式促進土壤團聚體的形成和穩定[30–31]。本試驗中，紫云英還田配施60%氮肥有利于微團聚體向大團聚體的轉化，且效果好于紫云英還田配施全量氮肥。MV+N60%處理的土壤大團聚體含量顯著高于MV+N100%處理，表明紫云英還田下，高量的氮肥投入不利于大團聚體的形成，也會在一定程度上降低土壤團聚體穩定性。可能的原因是化肥的過度施用會造成土壤結構破壞，而減施氮肥可降低土壤全鹽量，土壤團聚體的穩定性隨全鹽量的降低而增加[32]；MV+N100%處理外源添加的氮肥含量過高，可能會影響微生物的活動，加速有機質(尤其大團聚體中有機質)的礦化分解，從而降低土壤團聚體穩定性[16]。

鐵錳氧化物是團聚體重要的無機膠結物質，具有較強的表面活性，其形態和含量受施肥管理、氣候、土壤pH等多因素的影響[10,33]。本試驗處于亞熱帶季風區，氣溫高，降雨量大，水稻生長過程中頻繁的干濕交替環境加速土壤風化和淋溶過程，從而影響各形態氧化物之間的轉化[33]。本研究中，紫云英還田各處理提高了土壤非晶質鐵含量，這與前人減施化肥下紫云英翻壓量對氧化物影響的研究結果類似[17]，可能是紫云英還田影響植物根系分泌物以及土壤微生物活性，導致土壤礦物質的釋放和活性提高，促進氧化鐵的非生物和生物還原作用，使土壤中氧化鐵活化[34–35]。施用化肥的處理，土壤游離鐵含量都有不同程度的增加，但紫云英的投入相比于單施化肥處理會降低游離鐵含量，可能是因為施用有機肥后土壤氧化還原電位降低，導致部分氧化鐵被還原的緣故[15]。

供試土壤的游離鐵與團聚體平均重量直徑和幾何平均直徑呈顯著正相關，表明游離鐵是團聚體穩定性的重要影響因素。研究表明，游離態氧化鐵可有效吸附在黏粒上形成氧化膜或復合物，使土壤顆粒緊密結合，形成穩固的土壤結構從而提高團聚體穩定性[32,36]。本研究中，非晶質鐵和絡合鐵對土壤團聚體穩定性均有一定貢獻率。這是由于非晶質鐵的比表面積大、表面活性強，能夠釋放大量的活性羥基，與其他配位體發生置換反應，與土壤溶液一起扮演絮凝劑的角色，加強土壤顆粒之間的團聚作用[37]，非晶質氧化鐵(如針鐵礦)表面羥基基團多，與腐殖質和高嶺石等結合能力強，其膠結能力高于赤鐵礦等晶質氧化鐵，形成穩定的團聚體[38]。有研究發現，在華南地區不同地帶性土壤中，絡合態鐵鋁(Fep和Alp)與團聚體穩定性密切相關[39]。有機絡合物可以吸附在鐵錳氧化物沉淀表面，形成有機無機復合膠結物質提高土壤團聚體穩定性[40]。本研究中團聚體平均重量直徑和幾何平均直徑主要與>5 mm粒徑中的氧化物具有更高的相關性，顯示團聚體穩定性受大團聚體中游離態和非晶質氧化物含量的影響大，可能是由于游離態和非晶質氧化物與有機碳的膠結作用更為顯著[41]。這些結果表明，紫云英還田有利于與氧化物緊密結合的土壤微粒進一步膠結為大團聚體，提高土壤團聚體穩定性[32]。

4 結論

土壤團聚體的形成與穩定是土壤中各形態鐵錳綜合作用的結果，土壤游離鐵對團聚體穩定性的解釋率最高，達16.7%，是影響土壤團聚體穩定性的主要因素。團聚體游離鐵和非晶質鐵與平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)相關性最高，且在>5 mm團聚體中的作用更顯著，是團聚體穩定和大團聚體形成的關鍵。

紫云英還田與氮肥減施促進了土壤大團聚體形成，顯著提高了土壤團聚體穩定性，其MWD較CK和MV處理分別提高了76.2%和18.0%，在減少化肥投入的同時，也有利于提高土壤團聚體穩定性，改良土壤結構。此外，紫云英還田在一定程度上提高了土壤各形態鐵錳含量，總體上在大團聚體中的提升效果更為顯著，有利于各形態鐵錳在大團聚體中的富集。紫云英還田與氮肥減施提高了8.4%和38.1%的大團聚體游離鐵和非晶質鐵含量，并且對團聚體穩定性的效果較好。