長期秸稈配施化肥下土壤團聚體碳氮分布、微生物量與小麥產量的協同效應

韓紫璇，房靜靜，武雪萍，姜宇，宋霄君，劉曉彤

長期秸稈配施化肥下土壤團聚體碳氮分布、微生物量與小麥產量的協同效應

1北方干旱半干旱耕地高效利用全國重點實驗室（中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081）；2首都師范大學資源環境與旅游學院，北京 100048；3黑龍江省農業科學院/黑河分院國家土壤質量愛輝觀測試驗站，黑龍江黑河 164300

【目的】研究秸稈配施化肥對暗棕壤團聚體組成、團聚體碳氮含量、土壤微生物量特征及小麥產量的影響，揭示長期秸稈配施化肥下土壤肥力和生產力的協同提升機制。【方法】依托長期定位40年施肥試驗，選取4個處理：單施化肥（NP）、秸稈配施化肥（S+NP）、秸稈配施1/2化肥（S+1/2NP）、秸稈配施1/4化肥（S+1/4NP），其中秸稈為麥秸隔年還田，用量為3 000 kg·hm-2，氮磷化肥用量為150 kg N·hm-2、150 kg P2O5·hm-2。采集0—20 cm土層土樣，利用濕篩法得到不同粒級的水穩性團聚體，測定團聚體中有機碳（SOC）、氮含量及土壤微生物量碳（SMBC）、微生物量氮（SMBN）含量。【結果】（1）長期秸稈配施化肥顯著降低土壤容重并提高了團聚體穩定性，和NP相比，S+NP處理土壤容重降低4.7%，＞2 mm團聚體含量、平均重量直徑（MWD）和幾何重量直徑（GWD）分別提升254.4%、76.5%和91.3%。（2）S+NP、S+1/2NP處理＞2 mm團聚體百分含量、MWD和GWD顯著高于S+1/4NP，分別增加了49.1%—52.4%，19.43%—22.4% 和24.2%—33.3%。（3）S+NP、S+1/2NP、S+1/4NP和NP相比增加了＞2 mm和＞0.25 mm團聚體對土壤有機碳、全氮貢獻率，并顯著提高全土SOC、SMBC和SMBN含量；其中，SOC含量在S+NP中最高，比S+1/2NP、S+1/4NP高6.3%和12.6%。（4）產量表現為S+NP＞NP＞S+1/2NP＞S+1/4NP處理，S+NP比減施化肥處理提高小麥產量28.6%—47.5%。（5）土壤團聚體穩定性、SOC含量及小麥產量之間有較好的相關性，＞2mm和＞0.25 mm團聚體含量、MWD和GWD分別與全土SOC含量及小麥產量呈顯著或極顯著正相關。【結論】暗棕壤地區在長期秸稈還田條件下，配施化肥量150 kg N·hm-2、150 kg P2O5·hm-2時能提高土壤團聚體穩定性、有機碳含量、微生物生物量和小麥產量，最大化實現土壤結構改良、肥力提升和作物增產的協同效應。

秸稈還田；化肥；暗棕壤；水穩性團聚體；碳氮含量；微生物生物量；小麥產量

0 引言

【研究意義】良好的團粒結構是有機碳固持和穩定的重要物質基礎。有機碳是決定土壤質量的核心物質，主要通過黏土礦物吸附和包被在團聚體內得到物理保護而免受微生物的分解[1-2]。因此，構建良好的團聚體結構是提升土壤肥力和功能的關鍵。團聚體結構受到土壤母質、農藝管理措施、土壤生物等因素的影響[3]。研究秸稈配施化肥對土壤團聚體構成、有機碳（SOC）、氮積累的影響，可為闡明土壤碳氮固持機理提供參考，對于土壤肥力和生產力的提升具有重要意義。【前人研究進展】農業秸稈由于本身富含碳、氮、磷、鉀等多種養分元素，具有提升肥力狀況、改良土壤結構、促進植物生長的巨大潛力[4]。孫漢印等[5]研究玉米秸稈對團聚體形成的結果表明，秸稈還田增加了＞0.25 mm粒級團聚體的含量，提高平均重量直徑和土壤SOC水平。劉恩科等[6]對不同施肥處理的研究表明，秸稈配施氮磷鉀肥對＞2 mm粒級團聚體促進作用最大，且此粒級中有機碳含量最高。陳軒敬等[7]對紫色水稻土的研究認為，連續22年稻草還田提高了土壤團聚體水穩性，還增加了2—0.25 mm粒級的微生物量碳和呼吸代謝墑。秸稈還田能有效培肥地力和促進養分循環轉化，然而其還田量過多腐熟不完全易引起土壤孔隙過大，水肥流失。由于秸稈具有高C/N，使其分解過程需要與作物爭奪氮肥，易造成土壤氮素虧缺。因此，發揮秸稈促肥增產作用需補充適量氮素調節土壤C/N以避免微生物對無機氮素的競爭，保證作物生育期內土壤肥力[8]。在氮肥用量的調控上，葛選良等[9]認為，秸稈全量還田條件下，氮肥施用量300 kg·hm-2時，可有效提高土壤活性有機碳、氮含量及玉米產量。而汪軍等[10]研究南方水稻田結果顯示，氮肥用量控制180—240 kg·hm-2和秸稈配施可獲得較高的產量和氮肥利用率。不同地區由于土壤母質、理化性質和氣候類型的差異，適宜的氮肥用量研究結果不一。在所處溫度較低、質地黏重的暗棕壤上，團聚體穩定性、土壤碳氮積累與作物產量的關系更加復雜，秸稈還田條件下氮肥用量的調控及其對土壤肥力的提升機理仍需進一步研究。【本研究切入點】暗棕壤是中國東北地區重要的土壤資源，有機碳含量極高。不合理施肥方式使得團聚體結構被破壞，土壤退化[11]。秸稈還田作為一種重要的資源利用方式，對土壤肥力的提升效應和氮肥施用量相關，如何科學施用氮肥，對于提高土壤質量和作物產量至關重要。且前人關于秸稈配施化肥的研究主要關注土壤整體養分含量變化[4,12-13]，土壤團聚體微域內碳、氮含量、微生物生物量對作物增產的協同效應還需要深入探討。【擬解決的關鍵問題】本文依托不同施肥處理長期定位40年試驗平臺，研究秸稈配施不同量化肥對暗棕壤團聚體組成，團聚體中有機碳、氮的差異分布以及土壤微生物量碳、氮含量的影響，揭示秸稈配施化肥在提高暗棕壤養分存儲和作物產量方面的作用，明確秸稈還田時的最佳化肥用量，以期為提高土壤質量和促進農田可持續發展提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

長期定位施肥試驗位于黑龍江省農業科學院黑河分院內（東經 127°27′，北緯 50°15′）。該區屬于寒溫帶大陸性季風氣候，年均降雨量450 mm左右，年平均氣溫為-2—1℃，年均蒸發量為650 mm，無霜105—120 d，降水集中，全年日照時數2 562—2 677 h。試驗土壤為暗棕壤，1980年試驗地0—20 cm土層含有機質42.2 g·kg-1，全氮2.23 g·kg-1，全磷1.66 g·kg-1，堿解氮55.9 mg·kg-1，有效磷8.10 mg·kg-1，速效鉀55.1 mg·kg-1，pH為6.12。

1.2 試驗設計與樣品采集

從1979年開始設置定位試驗。供試春小麥品種為龍麥35號，每年4月初播種，8月中旬收獲，種植制度為小麥-大豆一年一熟輪作制，兩作物施肥量一致。供試肥料：尿素（含N 46%）、磷酸二銨（含N 18%，P2O546%），由于土壤富鉀，則不施鉀肥。氮、磷化肥均在小麥、大豆播種前作為基肥一次性施用。

為探究不同量化肥配施秸稈效果，選取其中4個處理，分別為：單施化肥（NP）、秸稈配施化肥（S+NP）、秸稈配施1/2化肥（S+1/2NP）、秸稈配施1/4化肥（S+1/4NP）。NP處理施肥量為150 kg N·hm-2+150 kg P2O5·hm-2；1/2NP處理：75 kg N·hm-2+75 kg P2O5·hm-2；1/4NP：37.5 kg N·hm-2+37.5 kgP2O5·hm-2。秸稈還田方式：在輪作順序中逢麥還田，即在小麥秋季收獲后，先將麥秸移出，粉碎成<10 cm 的片段，均勻施入耕層（0—20 cm），大豆收獲后將秸稈全部移出不還田。設麥秸還田量為風干重 3 000 kg·hm-2，不考慮秸稈氮、磷、鉀養分含量。各處理小區隨機排列，每區面積212 m2，長20 m，寬10.6 m。機械播種小麥，人工收割。機械起壟，人工開溝，條播大豆。小麥行距10 cm，株距0.9 cm，大豆行距65 cm，株距4.5 cm；機播小麥密度為600萬—650 萬株/hm2，大豆為34萬—35萬株/hm2，田間管理與當地大田生產一致。

在小麥成熟期（2019年8月24日）取土壤樣品。于每個小區選取5點，采集0—20 cm土層土樣混合為一個樣品。土樣采集后一部分沿自然斷裂面掰成8 mm左右的土塊，并挑出礫石及植物殘根等，室溫下風干用于篩分團聚體。另一部分鮮樣過2 mm篩，于-20℃冰箱保存，用于土壤微生物生物量的測定；小麥收獲后，各處理隨機選取3個1.0 m2樣方，測定樣方內有效穗數、平均穗粒數和千粒重，計算理論產量。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤基本理化性質 采用環刀法測定土壤容重[14]。試驗初期0—20 cm土層中的有機碳含量測定采用重鉻酸鉀容量法、全氮用凱氏定氮法，速效磷含量測定采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法，堿解氮含量采用擴散吸收法，速效鉀含量測定用乙酸銨浸提-火焰光度法，土壤pH用蒸餾水浸和提pH計測定，具體操作參照《土壤農業化學分析方法》一書[15]。

1.3.2 土壤團聚體篩分 水穩性團聚體分離參照CAMBARDELLA等[16]的方法：稱量100 g干土放在自上而下依次為2、0.25、0.053 mm的套篩最上層，加入去離子水，使得水面沒過最上層土壤并靜置浸透5 min，然后筒中套篩以40 次/min的速度上下移動，距離為0.3 cm，時間為2 min，將各篩中的土壤轉移到燒杯內，分別獲得＞2 mm、0.25—2 mm、0.053—0.25 mm粒級的水穩性團聚體，將筒中溶液傾倒盆中，獲得＜0.053 mm粒級團聚體。4個粒級的水土混合液靜置48 h后倒出上清，沉淀于50℃烘干稱重。

1.3.3 有機碳、氮含量 分別取全土及各粒級水穩性團聚體土壤樣品1g，并研磨使其通過0.15 mm篩，采用元素分析儀（Elementar Vario MACRO，Germany）測定其有機碳、全氮含量。

1.3.4 微生物生物量 微生物量碳氮的測定采用氯仿熏蒸-硫酸鉀浸提方法[17]。每個處理準備兩份土壤樣品作對照試驗，稱取相當于10 g烘干土重量的鮮土，其中1份將其放入真空干燥器熏蒸24 h，之后將土壤樣品溶于40 mL濃度為0.5 mol·L-1的 K2SO4溶液中（土液比1﹕4），振蕩30 min，將土壤樣品過濾獲得浸提液后采用 Vario TOC（Germany）儀器分析測定。

1.4 數據處理與分析

1.4.1 團聚體穩定性及碳、氮貢獻率的計算 各粒級水穩性團聚體的質量分數Wi（i =1、2、3、4，分別對應＞2 mm、0.25—2 mm、0.053—0.25 mm和＜0.053 mm共 4 個粒級的團聚體）。團聚體穩定性采用平均重量直徑（mean weight diameter，MWD）和幾何平均直徑（geometric mean diameter，GMD）進行表示[18]，團聚體對有機碳和全氮的貢獻率為WC-aggregate(%)和WN- aggregate(%)[19]。按如下公式計算：

Wi= mi/M

MWD=(X1W1+X2W2+X3W3+X4W4)/(W1+W2+W3+W4)

GWD=exp[(W1lnX1+W2lnX2+W3lnX3+W4lnX4)/ (W1+ W2+W3+W4)]

WC-aggregate(%)=CaggregateWi/Csoil×100

WN-aggregate(%)=NaggregateWi/Nsoil×100

式中，M為土壤總重量；mi表示各粒級團聚體質量； X1，X2，X3，X4為各粒級團聚體的平均直徑, W1，W2，W3，W4為團聚體百分含量；Caggregate和Naggregate分別為某粒級團聚體中總有機碳和全氮含量；Csoil和Nsoil分別為全土中總有機碳和全氮含量。

1.4.2 微生物量碳、氮計算

SMBC=EC/KEC

SMBN=EN/KEN

式中，SMBC為微生物量碳，SMBN為微生物量氮，EC為熏蒸和未熏蒸土壤浸提液中的碳含量差值，KEC為微生物量碳轉換系數（0.45）；EN為熏蒸和未熏蒸土壤浸提液中的氮含量差值，KEN為微生物量氮轉換系數（0.54）。

1.4.3 數據分析處理 采用Excel 2003處理數據并繪圖，數據利用SPSS 22.0進行單因素方差分析（ANOVA），用Duncan 法進行差異顯著性檢驗。土壤碳氮含量、微生物生物量及小麥產量之間的相關性使用Spearman’s 方法分析，并用PerformanceAnalytics安裝包（R 4.1.0）對數據進行可視化，用Adobe illustrator軟件繪圖。

2 結果

2.1 秸稈配施化肥對土壤容重及團聚體穩定性的影響

研究表明秸稈配施化肥降低了土壤容重（表1）和NP相比，S+NP、S+1/2NP、S+1/4NP分別降低土壤容重4.5%、3.0%、2.2%。不同施肥處理下，水穩性團聚體優勢粒級為0.25—2 mm，分別占團聚體總量的41.8%—52.8%，其次為＞2 mm、0.053—0.25 mm粒級，分別占團聚體總量的9.2%—33.3%、12.5%—25.1%，＜0.053 mm粒級的微團聚體分布比例較小，占比為8.9%—12.9%。

與單施化肥相比，秸稈配施化肥增加了＞2 mm團聚體含量，S+NP是NP處理的3.54倍；相反，S+NP處理顯著降低了0.25—2、0.053—0.25以及＜0.053 mm粒級團聚體百分含量，分別減少12.9%、50.0%和31.3%。秸稈配施處理中，S+NP和S+1/2NP處理的＞2 mm粒級團聚體百分含量差異不大，但均顯著高于S+1/4NP處理；S+NP處理的0.25—2 mm團聚體含量較S+1/2NP高10.1%；而S+NP處理的微團聚體（＜0.25 mm）百分比顯著降低。綜合來看，秸稈配施化肥較單施化肥增加大團聚體的含量，而減少微團聚體的含量，以S+NP處理效果最顯著。

MWD和GWD表征的土壤團聚體穩定性在不同處理中具有一致性（表1）。秸稈配施化肥處理的團聚體穩定性均顯著大于單施化肥處理。S+NP的MWD、GWD值分別是NP的1.77倍和1.91倍；S+NP和S+1/2NP處理的團聚體穩定性差異不顯著，但都顯著高于S+1/4NP處理。

表1 不同施肥處理下土壤容重、水穩性團聚體組成及穩定性

同一列中不同小寫字母代表差異顯著（＜0.05）。下同

Within each column, the different small letters following the data mean significantly difference at 0.05 level. The same below

2.2 秸稈配施化肥對土壤碳氮含量的影響

連續40年秸稈配施化肥顯著提高了耕層土壤SOC含量（圖1），表現為S+NP最高，S+1/2NP、S+1/4NP和NP依次降低。和單施化肥的NP相比，S+NP、S+1/2NP、S+1/4NP處理SOC含量分別提高16.8%、9.9% 和4.1%。全氮含量以NP處理最高，S+NP、S+1/2NP、S+1/4NP依次降低，NP和S+NP間差異不顯著。秸稈配施條件下，土壤全氮含量隨著化肥用量增加而增加，S+NP的全氮含量顯著高于S+1/4NP，提高了3.2%。

柱上不同小寫字母表示處理間差異顯著。下同

2.3 秸稈配施化肥對水穩性團聚體中碳氮含量與分布的影響

圖2顯示，不同施肥處理下土壤團聚體中有機碳含量表現出隨著團聚體粒級的減小而降低的趨勢。秸稈配施化肥增加了不同粒級團聚體中有機碳含量，與NP相比，S+NP處理提高了＞2、0.25—2和0.053—0.25 mm粒級團聚體中有機碳含量7.9%—12%；S+NP、S+1/2NP、S+1/4NP處理＞0.25 mm團聚體中有機碳含量依次降低，S+NP較S+1/4NP處理分別提高＞2和0.25—2 mm團聚體中有機碳含量8.1%和9.5%；秸稈配施化肥處理的0.053—0.25和＜0.053 mm團聚體中的有機碳含量無顯著差異。

＞2、0.25—2、0.053—0.25 mm團聚體中的全氮含量依次降低，＜0.053 mm團聚體中全氮含量略高于0.053—0.25 mm粒級團聚體。S+NP和NP處理相比，＞2 mm團聚體中全氮含量降低了14.8%，對其他粒級團聚體中全氮含量無顯著影響。秸稈配施化肥處理中，S+NP處理＞2 mm團聚體的全氮含量顯著高于S+1/ 2NP處理；0.052—2 mm團聚體中的全氮含量在秸稈配施化肥處理間差異不顯著；＜0.053 mm團聚體中全氮含量則S+1/4NP顯著高低于S+NP和S+1/2NP處理。

各粒級團聚體對SOC和TN的貢獻率表現規律一致。總體來看，不同施肥方式下＞0.25 mm的較大團聚體對SOC和TN的貢獻率更高（分別為62.7%—74.9%、60.8%—73.8%），而微團聚體（＜0.25 mm）影響較小。S+NP和NP相比增加＞2 mm團聚體對SOC和TN的貢獻率，分別增加237.6%和276.5%，而降低了0.25—2 mm、0.053—0.25 mm和＜0.053 mm團聚體對SOC和TN貢獻率13.9%—29.1%；秸稈配施化肥處理中，S+NP、S+1/2NP相比S+1/4NP，提高了＞2 mm團聚體對SOC和TN貢獻率53.6%—67.3%；S+NP、S+1/4NP相比S+1/2NP提高了0.25—2 mm團聚體對SOC和TN的貢獻率11.2%—39.2%；此外，S+NP處理＜0.25 mm團聚體對SOC貢獻率顯著低于S+1/4NP處理。

2.4 秸稈配施化肥對土壤微生物量碳氮和小麥產量的影響

微生物量是土壤活性養分的指示指標，微生物熵（SMBC/SOC）代表著土壤有機碳的活度。和NP相比，S+NP處理土壤SMBC、SMBN含量以及SMBC/SOC分別提高105.0%、16.4% 和70.6%（表2）。土壤中微生物群落結構影響土壤的微生物量碳氮比（SMBC/ SMBN），各處理土壤微生物量碳、氮比變化范圍為4.91—9.96，S+NP處理下SMBC/SMBN為8.66，是NP處理的1.76倍。

圖2 長期不同施肥處理土壤團聚體中有機碳、全氮的含量及貢獻率

秸稈配施化肥處理中，S+NP的SMBC含量與S+1/2NP無顯著差異，比S+1/4NP減少26.9%。SMBN含量則表現為S+NP處理顯著低于S+1/2NP、S+1/4NP。此外，S+NP相比S+1/4NP還降低了SMBC/SOC。SMBC/ SMBN在不同秸稈配施化肥處理中無顯著差異。

小麥產量為1.56—2.97 t·hm-2，長期秸稈配施化肥（S+NP）比單施化肥（NP）產量平均提高3.5%。秸稈配施化肥處理中，產量隨著施化肥量升高而增加，S+NP處理的小麥產量分別比S+1/2NP、S+1/4NP提高28.6% 和47.5%。說明減量化肥降低小麥產量，S+NP在提高土壤碳氮積累的同時促進了作物增產。

2.5 團聚體粒級分布與土壤碳氮含量、小麥產量的關系

將單施化肥和秸稈配施化肥處理中的全土有機碳（SOC）、全氮（TN）、微生物生物量（SMBC、SMBN）及小麥年產量與各粒級水穩性團聚體含量進行相關分析（圖3），結果表明，＞2 mm和＞0.25 mm水穩性團聚體含量和MWD、GWD呈顯著或極顯著正相關，說明大團聚體含量增加，團聚體穩定性增強。其次，＞2 mm和＞0.25 mm團聚體含量與SOC、SMBC、SMBN及小麥產量呈顯著或極顯著正相關，表明較大團聚體具有促進SOC、SMBC、SMBN含量提高和作物增產的協同效應。而0.053—0.25 mm團聚體含量則與上述指標呈顯著或極顯著負相關，且＜0.053 mm團聚體含量對小麥產量促進作用不大。

表2 不同施肥處理下土壤微生物生物量和小麥產量

在Spearman相關性分析中，每個變量的分布顯示在對角線上。對角線左下角是雙變量散點圖。對角線的右上方是相關值，其中“·”代表P＜0.1，“*”代表顯著相關（P＜0.05），“**”和“***”代表極顯著相關（P＜0.01和P＜0.001）。下同

圖4顯示，秸稈配施化肥處理中，＞2 mm和＞0.25 mm水穩性團聚體含量同樣表現出與SOC及小麥產量呈顯著或極顯著正相關關系，而0.053—0.25 mm則與之呈顯著負相關。此外，＞2 mm和＞0.25 mm水穩團聚體、MWD、GWD、TN含量與產量呈顯著或極顯著正相關，說明在本研究中，增加化肥配施量，能夠提高團聚體穩定性和產量。S+NP和其他化肥配施處理相比，通過促進較大水穩性團聚體的形成，促進SOC、TN含量和小麥產量協同提升。

圖4 秸稈配施不同量化肥處理團聚體粒級分布與土壤碳氮含量、小麥產量的相關性

3 討論

3.1 秸稈配施化肥改善了土壤團聚體組成和穩定性

團聚體是反映土壤結構的基本單位，其組成及穩定性對于維持養分供給尤其是提高有機碳（SOC）含量十分重要[20-21]。本研究結果顯示，相比單施化肥，秸稈配施化肥顯著增加了＞2 mm團聚體百分含量，并且提高了平均重量直徑（MWD）和幾何重量直徑（GWD）（表1）。這主要是由于長期秸稈還田增加了有機物料輸入，降低土壤容重，使土壤孔隙度和水分有效性增加，提高了根系生長及微生物的生命活動，促進了團聚體的形成和穩定[22]。合理利用秸稈資源可以增加土壤養分供給，減緩地力衰竭。然而，秸稈對土壤的改良效應與還田方式、數量以及化肥用量相關。周孟椋等[23]研究認為，秸稈還田下氮素濃度達到0.213 g·kg-1時，團聚體穩定性和MWD值最高。本研究結果顯示氮肥用量150 kg·hm-2時，＞0.25 mm的大團聚體百分比、MWD和GWD值最高，土壤容重逐漸減小，緊實度下降，說明秸稈還田改善土壤團聚體穩定性需補充適量氮肥。這主要是由于作物秸稈腐解的適宜C/N為25，而秸稈本身C/N高達60—80，增加氮肥調節土壤C/N，有利于秸稈分解為活性有機碳，為微團聚體形成大團聚體提供大量膠結物質，團聚體穩定性增強[24-25]。

3.2 秸稈配施化肥提高了土壤碳氮含量和微生物生物量

本研究結果顯示，秸稈配施化肥和單施化肥相比，顯著增加了全土和各級團聚體的有機碳含量（圖1、圖2）。不同粒級團聚體中，＞0.25 mm的較大團聚體對土壤SOC含量貢獻率最高（分別為62.7%—74.9%、60.8%—73.8%），且＞2 mm和＞0.25 mm團聚體含量和SOC含量呈顯著正相關（圖3），因此S+NP和NP相比主要通過促進大團聚體的形成和穩定，增加了SOC含量。土壤團聚體中碳含量的增多主要是因為團聚體對碳的固定大于其礦化損失[26-27]。大團聚體形成的閉蓄態環境，保持營養豐富區與微生物聚集區的空間隔離，減少礦化分解，增加SOC的固持[28]。然而，S+NP處理的全氮含量相比NP處理差異不大。秸稈還田后，腐解過程需要消耗大量氮素，激發土壤中原有氮的凈礦化，當微生物固氮低于其消耗量時，表現為土壤氮含量有所下降[29]。此外，BIMüLLER等[30]發現當可利用的氮素大于秸稈干重的1.2%時，會抑制一些真菌的生長，也會導致微生物固氮量的減少。

在秸稈配施不同量化肥處理中，土壤有機碳和全氮含量表現為S+NP處理最高，并且S+NP和S+1/4NP相比顯著增加＞2 mm和0.25—2 mm團聚體中的有機碳含量。這是由于S+NP提高了大團聚體含量能隔絕微生物從而減少對碳的內部消耗[31]。YANG等[32]研究熱帶土壤認為，土壤主要是氮，而非碳方面滿足了微生物的需求，因為當只施用秸稈，較高的C/N比并不利于微生物的生存。因此，增加氮肥用量通過激發微生物活性導致秸稈腐解，提高了土壤中有機碳的固持量，而微生物分泌物等有機膠物質促進了團聚體的形成和穩定，也增強了大團聚體對SOC和全氮的物理保護[33]。

土壤微生物量碳、氮是土壤中最活躍的組分[34]。在本研究中，秸稈配施化肥處理和單施化肥相比均增加了SMBC和SMBN，并提高了微生物熵。這可能是由于有機物料還田改良土壤結構，為土壤微生物的生長增殖創造適宜的環境，同時有機物料輸入為微生物提供了豐富的碳源和氮源，極大地刺激了微生物活性[35]。然而在秸稈配施化肥處理中，S+NP處理的SMBC和SMBN含量相比S+1/2NP、S+1/4NP卻有所降低，這可能是因為秸稈C/N較高，秸稈腐解不完全，大部分結構復雜難降解的惰性碳難以被微生物吸收利用，在缺少有效碳情況下提高無機氮素并不會提高微生物的數量和活性[36]。同時，施用化肥使土壤pH下降，微生物的生命活動減弱，可能是在SMBC和SMBN含量降低的原因[37]。王士超等[38]研究發現過量施氮肥則會導致土壤微生物數量和活性碳氮組分降低，與本研究結果相似。

3.3 土壤團聚體碳氮分布、微生物量特征協同促進小麥產量提升

良好的土壤團粒結構是作物高產所必需的環境條件，通常認為包括更多＞1 mm團聚體的土壤水肥保持力較高[39]。本研究中，＞2 mm和0.25—2 mm水穩性團聚體含量、MWD、GWD與小麥產量呈顯著或極顯著正相關，S+NP處理促進了大團聚體的形成和穩定，并顯著提高小麥產量。說明團聚體水穩性在小麥生長發育中具有重要作用。由于大團聚體內具有更多連通且不規則的細長孔隙，這些孔隙對土壤水和氣體的傳輸至關重要，可增加土壤持水能力和養分有效性，改善根系生長環境[40]。此外，本研究結果中，秸稈還田配施化肥顯著增加了SOC含量，并且這些指標和小麥產量呈顯著正相關（圖3）。這是因為農田秸稈腐解后可釋放大量活性有機物質及氮、磷、鉀等養分元素，促進作物的生殖生長。腐殖酸、氨基酸類有機碳能夠提高植株干鮮重、根長和莖粗，增強抗逆性，并增加對微量元素的固持和利用[41]，是小麥增產的另一原因。有機碳含量的提高，改變土壤物理結構和微生態環境，激發了微生物活性和養分轉化機制[42]。微生物量碳、氮是植物可利用態養分的重要來源，為產量形成提供能量物質。趙亞麗等[43]研究認為微生物量、土壤酶活性的提高促進作物增產。在本研究中，S+NP和NP相比，顯著提高了土壤SMBC和SMBN含量。因此，秸稈配施化肥通過增加土壤團聚體穩定性及其有機碳、微生物量碳氮含量，最終促進小麥增產，反映了土壤結構穩定性、碳氮積累與作物產量的協同關系。

在秸稈配施化肥處理中，S+NP產量顯著高于S+1/2NP、S+1/4NP，相關性分析表明，全氮含量和小麥產量呈極顯著正相關（圖4），說明土壤供氮能力是秸稈還田下限制小麥生長的關鍵因素。氮素添加促進秸稈的腐解利用，有利于微團聚體向大團聚體轉化，增強團聚體穩定性。其次，大團聚體提高了對碳、氮的物理保護，養分含量的協同提升也增加了根系對活性碳、有效氮、速效磷等的吸收利用，使得小麥的籽粒產量明顯提高[44]。秸稈配施化肥處理下，SOC含量和小麥產量呈顯著正相關（圖4）。碳、氮養分均衡是保證土壤質量和植物生長的重要條件。合理C/N提高微生物代謝能力，增加土壤可溶性碳、銨態氮、硝態氮等有效養分含量，可供植物吸收利用[45]。因此，氮肥配施水平影響產量的增加幅度，化肥配施量達N 150 kg·hm-2、P2O5150 kg·hm-2時，氮素較為充足，通過改善土壤團聚體結構穩定性增加了對SOC的固持量，小麥產量顯著提高。這表明S+NP處理通過促進大團聚體形成提升了土壤肥力和作物生產力。

4 結論

連續40年的秸稈配施化肥和單施化肥相比，提高了＞2 mm水穩性團聚體百分含量和團聚體穩定性，并增加了土壤有機碳和微生物量碳、氮含量。3個秸稈配施化肥處理中，S+NP處理通過提高＞0.25 mm團聚體含量及其對土壤有機碳、全氮的貢獻率，增加了土壤的有機碳和全氮含量。此外，S+NP處理的小麥產量最高，比減施化肥處理（S+1/2NP和S+1/4NP）增產28.6%和47.5%。相關性分析顯示，＞2 mm和＞0.25 mm粒級團聚體含量、MWD、GWD與土壤有機碳含量及小麥產量呈顯著或極顯著正相關，反映了土壤結構穩定性、有機碳積累與作物產量的協同關系。總體上看，S+NP處理（秸稈還田條件下，化肥用量150 kgN·hm-2、150 kg P2O5·hm-2）產量提升效果最好，實現了土壤結構改良、肥力提升和作物增產的協同效應。

[1] 鄭鳳君, 王雪, 李景, 王碧勝, 宋霄君, 張孟妮, 武雪萍, 劉爽, 席吉龍, 張建誠, 李永山. 免耕條件下施用有機肥對冬小麥土壤酶及活性有機碳的影響. 中國農業科學, 2020, 53(6): 1202-1213. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2020.06.012.

ZHENG F J, WANG X, LI J, WANG B S, SONG X J, ZHANG M N, WU X P, LIU S, XI J L, ZHANG J C, LI Y S. Effect of no-tillage with manure on soil enzyme activities and soil active organic carbon. Scientia Agricultura Sinica, 2020, 53(6): 1202-1213. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2020.06.012. (in Chinese)

[2] 陳曉芬, 李忠佩, 劉明, 江春玉. 不同施肥處理對紅壤水稻土團聚體有機碳、氮分布和微生物生物量的影響. 中國農業科學, 2013, 46(5): 950-960. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2013.05.010.

CHEN X F, LI Z P, LIU M, JIANG C Y. Effects of different fertilizations on organic carbon and nitrogen contents in water-stable aggregates and microbial biomass content in paddy soil of subtropical China. Scientia Agricultura Sinica, 2013, 46(5): 950-960. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2013.05.010. (in Chinese)

[3] LI L D, WILSON C B, HE H B, ZHANG X D, ZHOU F, SCHAEFFER S M. Physical, biochemical, and microbial controls on amino sugar accumulation in soils under long-term cover cropping and no-tillage farming. Soil Biology and Biochemistry, 2019, 135: 369-378.

[4] ZHANG A F, CHENG G, HUSSAIN Q, ZHANG M, FENG H, DYCK M, SUN B H, ZHAO Y, CHEN H X, CHEN J, WANG X D. Contrasting effects of straw and straw–derived biochar application on net global warming potential in the Loess Plateau of China. Field Crops Research, 2017, 205: 45-54.

[5] 孫漢印, 姬強, 王勇, 王旭東. 不同秸稈還田模式下水穩性團聚體有機碳的分布及其氧化穩定性研究. 農業環境科學學報, 2012, 31(2): 369-376.

SUN H Y, JI Q, WANG Y, WANG X D. The distribution of water-stable aggregate-associated organic carbon and its oxidation stability under different straw returning modes. Journal of Agro- Environment Science, 2012, 31(2): 369-376. (in Chinese)

[6] 劉恩科, 趙秉強, 梅旭榮, HWAT Bing-So, 李秀英, 李娟. 不同施肥處理對土壤水穩定性團聚體及有機碳分布的影響. 生態學報, 2010, 30(4): 1035-1041.

LIU E K, ZHAO B Q, MEI X R, BINGSO H, LI X Y, LI J. Distribution of water-stable aggregates and organic carbon of arable soils affected by different fertilizer application. Acta Ecologica Sinica, 2010, 30(4): 1035-1041. (in Chinese)

[7] 陳軒敬, 趙亞南, 柴冠群, 張珍珍, 張躍強, 石孝均. 長期不同施肥下紫色土綜合肥力演變及作物產量響應. 農業工程學報, 2016, 32(S1): 139-144.

CHEN X J, ZHAO Y N, CHAI G Q, ZHANG Z Z, ZHANG Y Q, SHI X J. Integrated soil fertility and yield response to long-term different fertilization in purple soil. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2016, 32(S1): 139-144. (in Chinese)

[8] XU X, PANG D W, CHEN J, LUO Y L, ZHENG M J, YIN Y P, LI Y X, LI Y, WANG Z L. Straw return accompany with low nitrogen moderately promoted deep root. Field Crops Research, 2018, 221: 71-80.

[9] 葛選良, 錢春榮, 李梁, 姜宇博, 宮秀杰, 呂國依. 秸稈還田配合施肥措施對玉米產量及耕層土壤質量的影響. 中國土壤與肥料, 2021(1): 131-136.

GE X L, QIAN C R, LI L, JIANG Y B, GONG X J, Lü G Y. Effects of straw returning cooperated with fertilizer practice on yield of maize and soil quality of tillage layer. Soil and Fertilizer Sciences in China, 2021(1): 131-136. (in Chinese)

[10] 汪軍, 王德建, 張剛, 王燦. 連續全量秸稈還田與氮肥用量對農田土壤養分的影響. 水土保持學報, 2010, 24(5): 40-44, 62.

WANG J, WANG D J, ZHANG G, WANG C. Effects of different nitrogen fertilizer rate with continuous full amount of straw incorporated on paddy soil nutrients. Journal of Soil and Water Conservation, 2010, 24(5): 40-44, 62. (in Chinese)

[11] 胡誠, 曹志平, 葉鐘年, 吳文良. 不同的土壤培肥措施對低肥力農田土壤微生物生物量碳的影響. 生態學報, 2006, 26(3): 808-814.

HU C, CAO Z P, YE Z N, WU W L. Impact of soil fertility maintaining practice on soil microbial biomass carbon in low production agro-ecosystem in Northern China. Acta Ecologica Sinica, 2006, 26(3): 808-814. (in Chinese)

[12] LU F, WANG X K, HAN B, OUYANG Z Y, DUAN X N, ZHENG H, MIAO H. Soil carbon sequestrations by nitrogen fertilizer application, straw return and no-tillage in China’s cropland. Global Change Biology, 2009, 15(2): 281-305.

[13] 喬丹丹, 吳名宇, 張倩, 韓燕來, 張毅博, 李培培, 李慧. 秸稈還田與生物炭施用對黃褐土團聚體穩定性及有機碳積累的影響. 中國土壤與肥料, 2018(3): 92-99.

QIAO D D, WU M Y, ZHANG Q, HAN Y L, ZHANG Y B, LI P P, LI H. Effect of boichar and straw with chemical fertilizers on soil aggregate distribution and organic carbon content in yellow cinnamon soil. Soil and Fertilizer Sciences in China, 2018(3): 92-99. (in Chinese)

[14] 劉多森, 李偉波. 土壤容重和孔隙度的簡易測定法. 土壤通報, 1983, 14(4): 44-47.

LIU D S, LI W B. Simple determination method of soil bulk density and porosity. Chinese Journal of Soil Science, 1983, 14(4): 44-47. (in Chinese)

[15] 中國科學院南京土壤研究所. 土壤理化分析. 上海: 上海科學技術出版社, 1978.

Nanjing Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences. Physical and Chemical Analysis of Soil. Shanghai: Shanghai Scientific & Technical Publishers, 1978. (in Chinese)

[16] CAMBARDELLA C A, ELLIOTT E T. Carbon and nitrogen dynamics of soil organic matter fractions from cultivated grassland soils. Soil Science Society of America Journal, 1994, 58(1): 123-130.

[17] VANCE E D, BROOKES P C, JENKINSON D S. An extraction method for measuring soil microbial biomass C. Soil Biology and Biochemistry, 1987, 19(6): 703-707.

[18] 周虎, 呂貽忠, 楊志臣, 李保國. 保護性耕作對華北平原土壤團聚體特征的影響. 中國農業科學, 2007, 40(9): 1973-1979.

ZHOU H, Lü Y Z, YANG Z C, LI B G. Effects of conservation tillage on soil aggregates in Huabei plain, China. Scientia Agricultura Sinica, 2007, 40(9): 1973-1979. (in Chinese)

[19] WANG X B, DAI K, ZHANG D C, ZHANG X M, WANG Y, ZHAO Q S, CAI D X, HOOGMOED W B, OENEMA O. Dryland maize yields and water use efficiency in response to tillage/crop stubble and nutrient management practices in China. Field Crops Research, 2011, 120(1): 47-57.

[20] SINGH M, SARKAR B, BISWAS B, BOLAN N S, CHURCHMAN G J. Relationship between soil clay mineralogy and carbon protection capacity as influenced by temperature and moisture. Soil Biology and Biochemistry, 2017, 109: 95-106.

[21] AMéZKETA E. Soil aggregate stability: a review. Journal of Sustainable Agriculture, 1999, 14(2/3): 83-151.

[22] 姜燦爛, 何園球, 劉曉利, 陳平幫, 王艷玲, 李輝信. 長期施用有機肥對旱地紅壤團聚體結構與穩定性的影響. 土壤學報, 2010, 47(4): 715-722.

JIANG C L, HE Y Q, LIU X L, CHEN P B, WANG Y L, LI H X. Effect of long-term application of organic manure on structure and stability of aggregate in upland red soil. Acta Pedologica Sinica, 2010, 47(4): 715-722. (in Chinese)

[23] 周孟椋, 高煥平, 劉世亮, 李慧, 劉芳, 姜桂英, 趙穎. 秸稈與氮肥配施對潮土微生物活性及團聚體分布的影響. 水土保持學報, 2022, 36(1): 340-345.

ZHOU M L, GAO H P, LIU S L, LI H, LIU F, JIANG G Y, ZHAO Y. Effects of combined application of straw and nitrogen fertilizer on microbial activity and aggregate distribution in fluvo aquic soil. Journal of Soil and Water Conservation, 2022, 36(1): 340-345. (in Chinese)

[24] 顧熾明, 鄭險峰, 黃婷苗, 侯仰毅, 王朝輝. 秸稈還田配施氮肥對冬小麥產量及氮素調控的影響. 干旱地區農業研究, 2013, 31(5): 48-53, 73.

GU C M, ZHENG X F, HUANG T M, HOU Y Y, WANG Z H. Effects of straw returning combined with nitrogen fertilizer application on yield of winter wheat and nitrogen regulation. Agricultural Research in the Arid Areas, 2013, 31(5): 48-53, 73. (in Chinese)

[25] CZACHOR H, CHARYTANOWICZ M, GONET S, NIEWCZAS J, JOZEFACIUK G, LICHNER L. Impact of long‐term mineral and organic fertilizer application on the water stability, wettability and porosity of aggregates obtained from two loamy soils. European Journal of Soil science, 2015, 66(3): 577-588.

[26] HUANG T, YANG H, HUANG C, JU X. Effects of nitrogen management and straw return on soil organic carbon sequestration and aggregate-associated carbon. European Journal of Soil Science, 2018, 69(5): 913-923.

[27] PUGET P, CHENU C, BALESDENT J. Total and young organic matter distributions in aggregates of silty cultivated soils. European Journal of Soil Science, 1995, 46(3): 449-459.

[28] JASTROW J D, MILLER R M, BOUTTON T W. Carbon dynamics of aggregate-associated organic matter estimated by carbon-13 natural abundance. Soil Science Society of America Journal, 1996, 60(3): 801-807.

[29] KAN Z R, VIRK A L, HE C, LIU Q Y, QI J Y, DANG Y P, ZHAO X, ZHANG H L. Characteristics of carbon mineralization and accumulation under long-term conservation tillage. Catena, 2020, 193: 104636.

[30] BIMüLLER C, KREYLING O, K?LBL A, VON LüTZOW M, K?GEL-KNABNER I. Carbon and nitrogen mineralization in hierarchically structured aggregates of different size. Soil and Tillage Research, 2016, 160: 23-33.

[31] HENRIKSEN T M, BRELAND T A. Nitrogen availability effects on carbon mineralization, fungal and bacterial growth, and enzyme activities during decomposition of wheat straw in soil. Soil Biology and Biochemistry, 1999, 31(8): 1121-1134.

[32] YANG J, GAO W, REN S R. Long-term effects of combined application of chemical nitrogen with organic materials on crop yields, soil organic carbon and total nitrogen in fluvo-aquic soil. Soil and Tillage Research, 2015, 151: 67-74.

[33] 王碧勝, 于維水, 武雪萍, 高麗麗, 李景, 李生平, 宋霄君, 劉彩彩, 李倩, 梁國鵬, 蔡典雄, 張繼宗. 添加玉米秸稈對旱作土壤團聚體及其有機碳含量的影響. 中國農業科學, 2019, 52(9): 1553-1563. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2019.09.007.

WANG B S, YU W S, WU X P, GAO L L, LI J, LI S P, SONG X J, LIU C C, LI Q, LIANG G P, CAI D X, ZHANG J Z. Effect of straw addition on the formation of aggregates and accumulation of organic carbon in dryland soil. Scientia Agricultura Sinica, 2019, 52(9): 1553-1563. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2019.09.007. (in Chinese)

[34] SINGH B, SINGH Y, LADHA J K, BRONSON K F, BALASUBRAMANIAN V, SINGH J, KHIND C S. Chlorophyll meter-and leaf color chart–based nitrogen management for rice and wheat in northwestern India. Agronomy Journal, 2002, 94(4): 821-829.

[35] 張婷, 孔云, 修偉明, 李剛, 趙建寧, 楊殿林, 張貴龍, 王麗麗. 施肥措施對華北潮土區小麥-玉米輪作體系土壤微生物群落特征的影響. 生態環境學報, 2019, 28(6): 1159-1167.

ZHANG T, KONG Y, XIU W M, LI G, ZHAO J N, YANG D L, ZHANG G L, WANG L L. Effects of fertilization treatments on soil microbial community characteristics under the wheat-maize rotation system in fluvo-aquic soil region in North China. Ecology and Environmental Sciences, 2019, 28(6): 1159-1167. (in Chinese)

[36] 肖新, 朱偉, 肖靚, 鄧艷萍, 趙言文, 汪建飛. 適宜的水氮處理提高稻基農田土壤酶活性和土壤微生物量碳氮. 農業工程學報, 2013, 29(21): 91-98.

XIAO X, ZHU W, XIAO L, DENG Y P, ZHAO Y W, WANG J F. Suitable water and nitrogen treatment improves soil microbial biomass carbon and nitrogen and enzyme activities of paddy field. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2013, 29(21): 91-98. (in Chinese)

[37] 許仁良, 王建峰, 張國良, 戴其根. 秸稈、有機肥及氮肥配合使用對水稻土微生物和有機質含量的影響. 生態學報, 2010, 30(13): 3584-3590.

XU R L, WANG J F, ZHANG G L, DAI Q G. Changes of microbe and organic matter content in paddy soil applied with straw, manure and nitrogen fertilizer. Acta Ecologica Sinica, 2010, 30(13): 3584-3590. (in Chinese)

[38] 王士超, 閆志浩, 王瑾瑜, 槐圣昌, 武紅亮, 邢婷婷, 葉洪齡, 盧昌艾. 秸稈還田配施氮肥對稻田土壤活性碳氮動態變化的影響. 中國農業科學, 2020, 53(4): 782-794. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2020.04.010.

WANG S C, YAN Z H, WANG J Y, HUAI S C, WU H L, XING T T, YE H L, LU C A. Nitrogen fertilizer and its combination with straw affect soil labile carbon and nitrogen fractions in paddy fields. Scientia Agricultura Sinica, 2020, 53(4): 782-794. doi: 10.3864/ j.issn.0578-1752.2020.04.010. (in Chinese)

[39] TISDALL J M, OADES J M. Organic matter and water-stable aggregates in soils. Journal of Soil Science, 1982, 33(2): 141-163.

[40] GAO L L, WANG B S, LI S P, WU H J, WU X P, LIANG G P, GONG D Z, ZHANG X M, CAI D X, DEGRé A. Soil wet aggregate distribution and pore size distribution under different tillage systems after 16?years in the Loess Plateau of China. Catena, 2019, 173: 38-47.

[41] ZHOU Z H, WANG C K, ZHENG M H, JIANG L F, LUO Y Q. Patterns and mechanisms of responses by soil microbial communities to nitrogen addition. Soil Biology and Biochemistry, 2017, 115: 433-441.

[42] YANG H S, FANG C, MENG Y, DAI Y J, LIU J. Long-term ditch-buried straw return increases functionality of soil microbial communities. Catena, 2021, 202: 105316.

[43] 趙亞麗, 郭海斌, 薛志偉, 穆心愿, 李潮海. 耕作方式與秸稈還田對土壤微生物數量、酶活性及作物產量的影響. 應用生態學報, 2015, 26(6): 1785-1792.

ZHAO Y L, GUO H B, XUE Z W, MU X Y, LI C H. Effects of tillage and straw returning on microorganism quantity, enzyme activities in soils and grain yield. Chinese Journal of Applied Ecology, 2015, 26(6): 1785-1792. (in Chinese)

[44] 李瑋, 喬玉強, 陳歡, 曹承富, 杜世州, 趙竹. 玉米秸稈還田配施氮肥對冬小麥土壤氮素表觀盈虧及產量的影響. 植物營養與肥料學報, 2015, 21(3): 561-570.

LI W, QIAO Y Q, CHEN H, CAO C F, DU S Z, ZHAO Z. Effects of combined maize straw and N application on soil nitrogen surplus amount and yield of winter wheat. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2015, 21(3): 561-570. (in Chinese)

[45] 李濤, 葛曉穎, 何春娥, 歐陽竹. 豆科秸稈、氮肥配施玉米秸稈還田對秸稈礦化和微生物功能多樣性的影響. 農業環境科學學報, 2016, 35(12): 2377-2384.

LI T, GE X Y, HE C E, OUYANG Z. Effects of straw retention with mixing maize straw by alfalfa straw or N fertilizer on carbon and nitrogen mineralization and microbial functional diversity. Journal of Agro-Environment Science, 2016, 35(12): 2377-2384. (in Chinese)

Synergistic Effects of Organic Carbon and Nitrogen Content in Water-Stable Aggregates as well as Microbial Biomass on Crop Yield Under Long-Term Straw Combined Chemical Fertilizers Application

1State Key Laboratory of Efficient Utilization of Arid and Semi-arid Arable Land in Northern China (the Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081);2College of Resource Environment and Tourism, Capital Normal University, Beijing 100048;3Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences/ Heihe Branch National Soil Quality Aihui Observation and Testing Station, Heihe 164300, Heilongjiang

【Objective】The effects of long-term straw combined application of chemical fertilizers on the content of aggregates, distributions of aggregate-associated organic carbon and nitrogen, and soil microbial biomass were studied to reveal the promotion of soil fertility and productivity. 【Method】Soil samples were collected from a 40-year long-term experiment. The research was conducted with 4 treatments: pure chemical fertilizer (NP), straw with chemical fertilizer (S+NP), straw with 1/2 chemical fertilizer (S+1/2NP), and straw with 1/4 chemical fertilizer (S+1/4NP), and the straw was returned with the amount of 3 000 kg·hm-2, chemical fertilizer NP was pure N 150 kg·hm-2and P2O5150 kg·hm-2conducted. All soils samples were separated into four aggregate-size classes (＞2 mm, 0.25-2 mm, 0.053-0.25 mm, and ＜0.053 mm) by wet sieving. Organic carbon and total nitrogen content of aggregates and soil microbial biomass content were measured. 【Result】(1) Long-term application of chemical fertilizers with straw reduced soil bulk density, while improved the stability of aggregates. Compared with NP, the bulk density of S+NP decreased by 4.7%, while the proportion of aggregates ＞2 mm in size, the average weight diameter (MWD) and geometric weight diameter (GWD) increased by 254.4%, 76.5% and 91.3%, respectively. (2) In the three chemical fertilizers combined with straw return, the percentage of aggregates ＞2 mm, MWD and GWD under S+NP and S+1/2NP were significantly increased by 49.1%-52.4%, 19.43%-22.4% and 24.2%-33.3%, compared with S+1/4NP, respectively. (3) Compared with NP, S+NP, S+1/2NP and S+1/4NP increased the contribution rate of aggregates ＞2 mm and ＞0.25 mm to SOC and total nitrogen, and significantly improved the SOC, SMBC and SMBN content in bulk soil. Among them, the SOC content was the highest under S+NP, which was 6.3% and 12.6% higher than that under S+1/2NP and S+1/4NP, respectively. (4) The yield was showed that S+NP＞NP＞S+1/2NP＞S+1/4NP, and S+NP increased wheat yield by 5.83%-83.6% compared with other treatments. (5) Positive correlation was revealed between soil aggregate stability, carbon and nitrogen content and crop yield, and ＞2 mm aggregate content, while MWD and GWD were significantly or extremely significant with the total soil SOC, SMBC content and wheat yield, respectively.【Conclusion】In the dark brown soil area, the long-term straw returning and fertilizer application of 150 kg N·hm-2and 150 kg P2O5·hm-2could improve aggregate stability, soil organic carbon content, microbial biomass and yield, and achieve the synergistic effect of soil structure improvement, fertility improvement and crop yield increase.

straw returned; chemical fertilizer; dark brown soil; water-stable aggregates; carbon and nitrogen content; microbial biomass; wheat yield

2022-03-24；

2022-04-19

中國農業科學院科技創新工程（CAAS-ZDRW202202）、國家重點研發計劃（2018YFD0200408、2016YFD0300804）、國家科技支撐計劃（2015BAD22B03）

韓紫璇，E-mail：18811799202@163.com。房靜靜，E-mail：837430785@qq.com。韓紫璇與房靜靜為同等貢獻作者。通信作者武雪萍，E-mail：wuxueping@caas.cn。通信作者姜宇，E-mail：hhnks2008@163.com

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.08.007

（責任編輯 李云霞）