土壤团聚体是形成土壤结构的基础，又是指示土壤肥力状况的重要表征指标^[1-2]，而土壤团聚体中碳、氮含量的分布及转化可以有效表征土壤物质循环变化，且受施肥、土地利用方式、气候等显著影响^[3]。随着化肥的大量使用，农业集约化程度提高，过量及不合理的农田养分投入导致严重的资源利用效率下降^[4]，土壤结构恶化，土壤肥力下降成为限制粮食产量进一步提升的障碍因素。秸秆中含有农作物生长必需的氮、磷、钾、镁、钙、硫等营养元素，是丰富的肥料资源^[5]；秸秆还田可以把作物吸收的大部分营养元素归还到土壤，是增加土壤有机质，提高土壤肥力的有效措施。研究表明，秸秆施入土壤后，不仅可以增加土壤有机质含量，也能增加团聚体含量，改善土壤结构^[6-7]。解钰等^[8]通过 5 年的水稻-小麦轮作定位试验研究发现，氮肥和秸秆的添加均增加了大团聚体中全氮和全碳的含量及分配比例；孙雪等^[9]利用华北农田 18 年定位试验的研究表明，化肥配施秸秆显著提高了 >0.25 mm 团聚体含量和团聚体稳定性，且促进了易氧化有机碳向较小粒径团聚体迁移，增强了其在团聚体中的稳定性，提高了土壤的保肥能力。

河北低平原以黑龙港地区为主体，该区耕地土壤类型以潮土为主，面积广泛，是河北省重要的粮、棉、油种植区^[10]。该区土壤粉粒、粘粒含量较高，属粘壤土，土壤肥力较低，属中低产田。自 20 世纪 80 年代开始，低平原区土壤培肥已受到众多关注，许多研究者提出了一系列的改良措施^[11-13]，其中有机无机配施是该区农田可持续生产的有效措施之一，而秸秆还田的普及与推广则成为该区增加土壤有机质的重要手段。秸秆还田后对土壤肥力、作物产量的影响也受到了众多研究者的关注^[14-15]，之前的研究普遍集中于对农田秸秆还田的土壤养分状况、氮素管理、土壤氮素平衡、及作物产量^[16-17]等方面的影响，但针对潮土区农田小麦、玉米一年两熟制不同秸秆还田量对土壤团聚体碳、氮影响的研究较少。本研究基于 38 年化肥与秸秆配施长期定位试验，该试验位于河北省深州市河北省农林科学院旱作农业研究所的旱作试验站内，探讨长期不同秸秆还田对土壤团聚体碳、氮含量的分布及影响，为该区中低产田改造，科学施肥，促进粮食作物增产，保障粮食安全提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

肥料长期定位试验位于河北省农林科学院旱作农业研究所衡水深州试验站（37°53′N，115°42′E）。试验始于 1981 年。该区属于暖温带大陆性季风气候，年平均气温 12.4℃，年平均降水量 550 mm，降水集中在 6～9 月。供试土壤为壤质底粘潮土，种植制度为冬小麦-夏玉米轮作。试验开始前 0～20 cm 土层土壤的基本理化性状为 pH 8.7、有机质 11.5 g/kg、全氮 0.83 g/kg、全磷 1.03 g/kg、全钾 20.31 g/kg、碱解氮 51.3 mg/kg、有效磷 12.3 mg/kg、速效钾 109.8 mg/kg。

1.2 试验设计

试验以化肥用量为主处理，秸秆还田量为副处理，1981 年开始布置化肥用量 N 0 kg/hm² +P₂O₅ 0 kg/hm²、N 90 kg/hm² +P₂O₅ 60 kg/hm²、N 180 kg/hm² + P₂O₅ 120 kg/hm²、N 360 kg/hm² +P₂O₅ 240 kg/hm² 和秸秆还田量 0、2250、4500、9000 kg/hm²，复因子试验，共 16 个处理。本研究采用其中的不施肥（CK） 和化肥用量 N 360 kg/hm² +P₂O₅ 240 kg/hm² 下的不同秸秆还田量处理，分别为 S0、S2250、S4500、S9000 共 5 个处理，试验处理方案见表1。田间试验采用随机区组设计，每个处理 3 次重复，小区面积 34 m² （7.5 m×4.5 m）。磷肥和玉米秸秆均在小麦播种整地前一次性底施，其中，玉米秸秆还田方式为粉碎后还田，旋耕到土壤中；化肥氮冬小麦、夏玉米季各半，其中小麦季氮肥底追各半，追肥在拔节期撒施后浇水；玉米季氮肥全部用作追肥，在大喇叭口期撒施后浇水。其他管理同一般田间管理。

1.3 样品采集与分析

2019 年玉米收获后，每小区采集 3 个点的 0～10 和 10～20 cm 土层的原状土，同层土壤混合后组成一个土壤样品。将采集的原状土自然风干，取一部分测定土壤团聚体；剩余土样研磨过筛测定土壤基本理化性状。团聚体分级采用 Cambardella 等^[18] 的方法，将水稳性团聚体分为大团聚体（>0.25 mm）、微团聚体（0.25～0.053 mm）和 <0.053 mm 团聚体，其湿筛方法为：分别称取两份 100 g 风干原状土于培养皿中，加 30 mL 水，使得水顺着土壤孔隙自然湿润，然后将湿润的土壤完全倒于盖过土壤约 2 cm 的 0.25 mm 套筛中，在 2 min 内上下震荡 50 次，用水慢慢淋洗筛子上的土，收集未过筛子的土于小烧杯中（>0.25 mm），然后将 <0.25 mm 的土样过 0.053 mm 筛子，并分别收集 0.25～0.053 与 <0.053 mm 的土样于烧杯中，加入适量氯化钙溶液澄清，60℃下烘箱中烘干、称重并收集。将过筛烘干后的土壤粉碎研磨，用于测定各粒径团聚体中有机碳和全氮含量。土壤团聚体有机碳含量采用重铬酸钾外加热法测定^[19]；全氮含量采用凯氏定氮法^[19]测定。

1.4 计算方法

土壤团聚体有机碳富集系数（E_C）和全氮富集系数（E_N）计算公式如下^[20]：

式中 SOC_a 为该层土壤团聚体中有机碳含量，g/ kg；TN_a 为该层土壤团聚体中全氮含量，g/kg。 SOC 和 TN 分别为该层土壤有机碳和全氮含量， g/kg。

土壤各粒径团聚体中碳氮比（C/N）的计算公式如下：

1.5 数据处理

利用 Excel 2007 进行数据整理和作图，土壤水稳性团聚体中有机碳和全氮含量、碳氮比、E_C 和 E_N 值以及作物产量均采用 Duncan 法进行差异显著性检验；为探讨长期等量氮磷肥配施不同秸秆还田量后各级土壤团聚体有机碳含量与作物产量间的相互关系，利用 S0、S2250、S4500 和 S9000 这4个处理进行3年平均小麦产量和0～10 cm 土层土壤团聚体有机碳含量的相关性拟合，并作图。

2 结果与分析

2.1 长期秸秆还田潮土土壤水稳性团聚体中有机碳的分布

长期秸秆还田不同处理下各粒径水稳性团聚体中有机碳含量总体高于 CK 处理（图1），且 S4500 和 S9000 处理秸秆施用量越大，增幅越大。而就不同粒径水稳性团聚体而言，整体表现为 >0.25 mm 团聚体中有机碳含量高于 0.25～0.053 和 <0.053 mm 团聚体中有机碳含量，且在 0～10 cm 土层各处理中均达到显著差异。

0～10 cm 土层，与 CK 处理相比，S0 处理显著提高了 0.25～0.053 和 <0.053 mm 团聚体中有机碳含量，增幅分别为 28.1% 和 15.4%；S2250 处理显著提高了 >0.25 和 0.25～0.053 mm 团聚体中有机碳含量，增幅分别为 21.9% 和 36.8%；S4500 和 S9000 处理使各粒径团聚体有机碳含量均有显著提高，增幅分别为 15.7%～45.4% 和 17.5%～47.6%。10～20 cm 土层，与 CK 处理相比，S2250、S4500 和 S9000 处理显著提高了 >0.25 mm 团聚体有机碳含量，增幅分别为 24.0%、40.2% 和 37.0%； 各处理间 0.25～0.053 和 <0.053 mm 团聚体中有机碳含量无显著差异。

综上，秸秆还田对提高 0～10 cm 表层土壤水稳性团聚体有机碳含量效果较好，且随秸秆还田量的增加，水稳性团聚体有机碳提升效果越明显。而秸秆还田仅显著影响 10～20 cm 土层 >0.25 mm 团聚体有机碳含量。

注：图柱上不同小写字母表示同一粒径不同处理间差异显著（P<0.05）；不同大写字母表示同一处理不同粒径间差异显著（P<0.05）。下同。

2.2 长期秸秆还田潮土土壤水稳性团聚体中全氮的分布

各粒径水稳性团聚体全氮含量与有机碳含量有相似的分布趋势（图2）。长期秸秆还田不同处理下各粒径水稳性团聚体中全氮含量总体高于 CK 处理，且在 0～10 cm 土层基本表现为随秸秆施用量的增加，全氮含量逐渐增加。而就不同粒径水稳性团聚体而言，整体表现为 >0.25 mm 团聚体全氮含量高于 0.25～0.053 和 <0.053 mm 团聚体全氮含量，且在 0～10 cm 土层除 CK 处理外，其余各处理均达到显著差异。

0～10 cm 土层，与 CK 处理相比，各不同施肥处理显著提高了 >0.25 和 0.25～0.053 mm 团聚体中全氮含量，增幅分别为 21.5%～37.7% 和 19.5%～39.5%；而 <0.053 mm 团聚体中全氮含量仅 S9000 处理与 CK 处理有显著差异，显著提高 17.0%。10～20 cm 土层，与 CK 处理相比，S0 处理显著提高了 0.25～0.053 和 <0.053 mm 团聚体中全氮含量，增幅分别为 30.9%、16.5%；S2250 处理仅显著提高了 0.25～0.053 mm 团聚体全氮含量，增幅为 29.4%；S4500 和 S9000 处理使各粒径团聚体全氮含量均有显著提高，增幅分别为 18.6%～41.1% 和 17.5%～47.6%。

综上，秸秆还田可以增加水稳性团聚体全氮含量，且 >0.25 mm 团聚体全氮含量高于 0.25～0.053 和 <0.053 mm 团聚体全氮含量。

2.3 土壤各粒径水稳性团聚体中的碳氮比

长期秸秆还田对 0～10 cm 土层各粒径团聚体中碳氮比无较大影响（表2），仅 CK 处理的 >0.25 mm 团聚体中碳氮比显著高于 0.25～0.053 和 <0.053 mm 团聚体中碳氮比，其余处理均表现为 >0.25 和 0.25～0.053 mm 团聚体中碳氮比高于 <0.053 mm 团聚体中碳氮比，但未达到显著差异。在 10～20 cm 土层，同一粒径团聚体中碳氮比在不同处理间没有显著差异；而 S0、S2250、 S4500 和 S9000 处理的 >0.25 和 0.25～0.053 mm 团聚体中碳氮比均不同程度高于 <0.053 mm 团聚体中碳氮比。整体来看，与 CK 处理相比，各施肥处理增加了 0～10 cm 土层 0.25～0.053 mm 团聚体中碳氮比和 10～20 cm 土层 >0.25 mm 团聚体中碳氮比，但均未达到显著差异。

注：不同小写字母表示同一土层同一粒径不同处理间差异显著（P<0.05）；不同大写字母表示同一土层同一处理不同粒径间差异显著（P<0.05）。表3 同。

2.4 土壤各级水稳性团聚体中有机碳和全氮的富集系数

在同一粒径中，长期不同秸秆还田处理仅对 0～10 和 10～20 cm 土层中 <0.053 mm 团聚体中有机碳富集系数有显著影响（表3）。在 0～10 cm 土层，与 CK 和 S0 不施秸秆处理相比，秸秆还田低、中、高量处理均显著降低了 <0.053 mm 团聚体中有机碳富集系数，且在 10～20 cm 土层中，这 3 个处理的 <0.053 mm 团聚体中有机碳富集系数也有不同程度的降低。在 0～10 cm 土层，与 CK 处理相比，各施肥处理 0.25～0.053 mm 团聚体中有机碳富集系数均有所增加，但未达到显著差异。比较不同粒径可以发现，在 0～10 cm 土层，各处理均表现为 >0.25 mm 团聚体中有机碳富集系数显著高于 0.25～0.053 和 <0.053 mm 团聚体中有机碳富集系数，且 S2250、S4500 和 S9000 处理均表现为随着团聚体粒径减小，团聚体中有机碳富集系数逐渐降低。

在同一粒径中，长期不同秸秆还田对各粒径团聚体中全氮富集系数的影响主要发生在 0～10 cm 表层土壤（表3）。在 0～10 cm 土层，S2250、S4500 和 S9000 处理的 >0.25 和 <0.053 mm 团聚体中全氮富集系数均显著低于 CK 处理，而 0.25～0.053 mm 团聚体中全氮富集系数仅有 S2250 处理显著低于 CK 处理，其他处理与 CK 处理间未达到显著差异。在同一处理不同粒径间，团聚体全氮富集系数在 0～10 和 10～20 cm 土层有相似的变化趋势。在 0～10 cm 土层，S0、S2250、S4500 和 S9000 处理均表现为 >0.25 mm 团聚体中全氮富集系数均显著高于 0.25～0.053 和 <0.053 mm 团聚体中全氮富集系数，而 CK 处理为 >0.25 mm 团聚体中全氮富集系数均显著高于 0.25～0.053 mm 团聚体中全氮富集系数和 <0.053 mm 团聚体中全氮富集系数无显著差异。

2.5 长期秸秆还田潮土土壤水稳性团聚体中有机碳含量与作物产量的关系

2017—2019 年小麦、玉米产量如表4 所示，与 CK 不施肥处理相比，长期施肥（单施化肥和化肥与秸秆配施）均可显著提高小麦、玉米产量。年际间作物产量差异较大，主要是由于不同年份降水、温度等气候条件差异以及病虫害等发生造成的。 2017 年小麦产量和玉米产量均在 S4500 处理时最高，分别为 9333.8 和 12123.1 kg/hm²；小麦产量表现为 S4500 和 S9000 处理显著高于 S0 处理，S2250 处理小麦产量高于 S0 处理，但并没有达到显著差异；玉米产量表现为 S4500 处理显著高于 S9000 处理，S2500、S4500 和 S9000 处理与 S0 处理无显著差异。2018 年小麦产量和玉米产量均在 S9000 处理时最高，除 CK 不施肥外，其余等量氮磷肥不同秸秆量处理间小麦、玉米产量无显著差异。2019 年各处理随着秸秆还田量的增加，小麦产量逐渐增加，其中，S9000 处理与 S0 处理相比可显著提高小麦产量，其余不同秸秆还田量处理间差异不显著； 化肥配施不同量秸秆还田处理玉米产量无显著差异，其产量范围为 9172.8～9893.1 kg/hm²。

注：不同小写字母表示不同处理间差异显著（P<0.05）。

由 3 年平均产量可以看出，3 年平均小麦产量为 S9000 处理最高，显著高于其余处理，而 S0、 S2500 和 S4500 处理间无显著差异；3 年玉米平均产量和平均全年作物产量均表现为除 CK 处理外，其余化肥配施不同量秸秆还田处理间无显著差异，但 3 年平均全年作物产量表现为 S9000 处理最高，为 18658.2 kg/hm²。综上，长期秸秆还田可以提高作物产量，且高秸秆还田量对小麦产量的提高效果更明显。

由于化肥配施不同量秸秆还田处理间 3 年平均玉米产量无显著差异，而秸秆还田对作物产量的提高主要体现在小麦上，因此，用 3 年平均小麦产量和土壤团聚体有机碳含量做拟合。土壤各粒径团聚体中有机碳含量与小麦产量的关系如图3 所示，可以看出，>0.25 mm 团聚体中有机碳含量与小麦产量之间的关系最密切（图3a），其线性回归方程为 y=329.62x+2902，R² 为 0.4716，存在极显著相关关系，表明当该粒径团聚体中有机碳含量增加1 g/kg 时，小麦产量可以增加 329.62 kg/hm²； 而 0.25～0.053 和 <0.053 mm 团聚体中有机碳含量与小麦产量相关性较差（图3b、 3c）。

3 讨论

3.1 长期秸秆还田对潮土土壤水稳性团聚体有机碳、全氮固存的影响

土壤团聚体是陆地生态系统土壤有机碳最大的碳库，众多研究表明，秸秆还田可以显著影响农田土壤水稳性团聚体数量分布，提高水稳性大团聚体含量，增加各粒径团聚体中有机碳含量^[21-23]。本研究同样发现，华北潮土农田土壤，长期秸秆还田表层 0～10 cm 土层各粒径团聚体有机碳含量高于 10～20 cm 土层，这与谢钧宇等^[24]在土长期不同施肥处理中得到的结果一致。一方面是因为大量的作物根系分布在土壤表层，越往下根系量越少； 另一方面与施肥和耕作措施有关^[14]，秸秆粉碎还田后，旋耕主要集中在 0～15 cm 土层，因此，秸秆富集在该区域为微生物活动提供了充足的能量，从而有助于团聚体内部胶结有机质，增加团聚体碳、氮含量。这些因素同样导致秸秆还田后 0～10 cm 土层各粒径团聚体碳、氮含量增加的效果好于 10～20 cm 土层。本研究还发现，秸秆还田后 0～10 cm 土层 >0.25 和 0.25～0.053 mm 团聚体中有机碳含量增加幅度较大，而 10～20 cm 土层表现为仅 >0.25 mm 团聚体中有机碳含量增加幅度较大。这可能是因为秸秆进入土壤后，在表层富集，被微生物分解后产生的有机碳与粘粒组成有机无机复合体，促使小粒径团聚体胶结成大团聚体，从而增加了大团聚体中有机碳含量；而 10～20 cm 土层秸秆含量少，微生物数量、根系、根系分泌物等也少，团聚作用弱，仅使 >0.25 mm 团聚体中有机碳含量增加较显著。这表明秸秆还田后最先增加大团聚体中有机碳含量。团聚体中全氮含量和有机碳含量有着相似的变化趋势，长期保护性耕作的稻田土壤的研究也表明团聚体碳、氮之间存在极显著的正相关关系^[25]，土壤团聚体碳、氮的固存存在协同作用。

3.2 长期秸秆还田对潮土土壤水稳性团聚体中碳氮比的影响

土壤碳氮比可以评价有机物质分解程度^[26]，也用于衡量土壤碳、氮营养平衡状况^[27]，同时影响土壤微生物活性。本研究中，各粒径团聚体碳氮比为 7.97～10.87，在我国农田土壤碳、氮比 7～13 的范围内^[28]，与我国 34 个监测点 22 年常规施肥后耕层土壤碳氮比均值 9.96 接近^[29]，略低于 Tian 等^[30]统计的我国所有土壤类型 0～30 cm 土层的碳氮比 10.84，这些差异可能是因为土壤碳、氮受不同环境、区域、土壤类型以及人为管理等因素的影响，本区域属于华北低平原潮土区，土壤肥力较低，降水分布不均，秸秆还田对该区农田土壤肥力培育是一个长期的过程。本研究中，长期秸秆还田各粒径团聚体中碳氮比无较大影响，与 CK 处理相比，各施肥处理仅增加了 0～10 cm 土层 0.25～0.053 mm 团聚体中碳氮比和 10～20 cm 土层 >0.25 mm 团聚体中碳氮比，但均未达到显著差异。这表明长期秸秆还田农田土壤团聚体碳氮比变化缓慢，各粒径团聚体碳氮比处于较稳定的范围内。

3.3 长期秸秆还田对潮土土壤作物产量的影响

众多研究表明，秸秆还田并合理配施化肥可以增加作物产量^[16，31]，本研究中，小麦、玉米轮作全年氮肥施用量为 360 kg/hm² 下，秸秆还田量为 9000 kg/hm² 时全年作物产量最高。而秸秆还田量为 2250 kg/hm² 时，相比 S0 处理并没有提高作物产量，这可能是因为添加秸秆后，土壤需要达到一定的碳氮比来分解秸秆，因此需要消耗一部分氮，而少量的秸秆分解后补充到土壤中的氮量也少，从而导致产量较低；高量秸秆还田后可以给土壤补充一部分氮素，同时也改善土壤结构，促进作物产量增加。本研究结果发现，小麦产量随 >0.25 mm 团聚体中有机碳含量的增加呈线性增加趋势，而曹寒冰等^[20]在采煤塌陷区复垦土壤上的研究结果表明玉米产量与 0.25～0.053 mm 团聚体有机碳含量的关系最密切。这可能与土壤类型不同有关。这同样证明施用秸秆后增加了土壤团聚体中有机碳含量，提升土壤肥力，进而促进作物增产。之前的研究表明，在肥料的增产贡献中，化肥占 75%，有机肥占 25%^[32]，说明农业生产中在化肥适量使用的同时需配施有机肥，使耕地生产力不断提高。因此，在小麦、玉米轮作系统中，既要作物高产，又要土壤肥力提升，单独施用化肥不可能达到预期的目标，必须有机无机肥料配合施用。

4 结论

（1）与 CK 不施肥相比，长期施肥与秸秆还田可以增加各粒径团聚体中有机碳和全氮含量，且各粒径水稳性团聚体全氮含量与有机碳含量有相似的分布趋势。其中，秸秆还田对提高 0～10 cm 表层土壤水稳性团聚体有机碳含量效果较好，且随秸秆还田量的增加，水稳性团聚体有机碳提升效果越明显；而秸秆还田仅显著影响 10～20 cm 土层 >0.25 mm 团聚体有机碳含量。

（2）长期秸秆还田对各粒径团聚体中碳氮比无较大影响，其中，0～10 和 10～20 cm 土层均表现为 S0、S2250、S4500 和 S9000 处理的 >0.25 和 0.25～0.053 mm 团聚体中碳氮比均不同程度高于 <0.053 mm 团聚体中碳氮比。

（3）0～10 cm 土层，不同处理团聚体中有机碳富集系数均表现为 >0.25 mm 团聚体显著高于 0.25～0.053 和 <0.053 mm 团聚体中有机碳富集系数，且 S2250、S4500 和 S9000 处理均表现为随着团聚体粒径减小团聚体中有机碳富集系数逐渐降低；而团聚体中全氮富集系数则是除 CK 处理外，其余处理均表现为 >0.25 mm 团聚体中全氮富集系数均显著高于 0.25～0.053 和 <0.053 mm 团聚体中全氮富集系数。

（4）长期秸秆还田可以提高作物产量，且高秸秆还田量对小麦产量的提高效果更明显。>0.25 mm 团聚体中有机碳含量与小麦产量之间的关系最密切，当该粒径团聚体中有机碳含量增加 1 g/kg 时，小麦产量可以增加 329.62 kg/hm²；而 0.25～0.053和 <0.053 mm 团聚体中有机碳含量与小麦产量相关性较差。

参考文献