摘要
通过 3 年定位试验，研究有机肥等氮量替代化肥对半干旱区马铃薯农田土壤团聚体稳定性及其有机碳、全氮含量的影响，探索该地区有机肥替代化肥的适宜比例及其效果，实现化肥减量增效。田间试验设置 5 个不同施肥处理：（1）100% 化肥氮（CK）；（2）25% 有机肥氮 +75% 化肥氮（M25）；（3）50% 有机肥氮 +50% 化肥氮（M50）；（4）75% 有机肥氮 +25% 化肥氮（M75）；（5）100% 有机肥氮（M100）。研究结果表明：与 CK 相比，有机肥等氮量替代化肥模式有利于降低 0 ～ 20 cm 土层土壤 <0.25 mm 粒级微团聚体占比，提高 >2 mm 粒级大团聚体占比，显著增加了 >0.25 mm 土壤团聚体所占比重（R0.25）、团聚体平均质量直径（MWD）和几何平均直径 （GMD），增加了水稳性团聚体有机碳和全氮含量，以 M50 处理效果最明显，较 CK 土壤水稳性团聚体有机碳、全氮含量分别显著增加 7.32% ～ 8.28%、18.2% ～ 20.3%。综上所述，在西北黄土丘陵半干旱区黄绵土条件下，有机肥等氮量替代化肥有利于促进土壤微团聚体（<0.25 mm）向大团聚体转化，提高土壤团聚体的稳定性，促进有机碳（氮）在团聚体中富集，有利于增加土壤有机碳（氮）库，以有机肥等氮量替代 50% 化肥氮的模式效果明显。
关键词
Abstract
Through three years of positioning experiment，the effects of organic manure replacing chemical fertilizer with equal nitrogen on the stability and organic carbon and total nitrogen content of soil aggregates in potato field of semi-arid area， in order to explore the appropriate proportion and effects of organic manure replacing chemical fertilizer，and achieve the reducing fertilizer and increasing fertilizer efficiency. Five different fertilization treatments were set up in the field experiment： 100% chemical fertilizer nitrogen（CK），25% organic manure nitrogen +75% chemical fertilizer nitrogen（M25），50% organic manure nitrogen +50% chemical fertilizer nitrogen（M50），75% organic manure nitrogen +25% chemical fertilizer nitrogen（M75），and 100% organic manure nitrogen（M100）. The results showed that：compared with CK，organic manure replacing chemical fertilizer with equal nitrogen model was beneficial for reducing the proportion of soil microaggregates（<0.25 mm），increasing the proportion of large aggregates（>2 mm），and increasing significantly contents of R0.25，mean weight diameters（MWD）and geometric mean diameter（GMD）of soil aggregates in the soil depth of 0-20 cm， organic carbon and total nitrogen contents of water stable aggregates，and the increase amplitude of large aggregates （>2 mm）was the largest. The effect of M50 treatment was the best，which increased significantly organic carbon and total nitrogen contents of water stable aggregates by 7.32%-8.28% and 18.2%-20.3%，respectively，compared with CK. In conclusion，under the condition of loess soil in the semi-arid hilly region of northwest China，model of organic manure replacing chemical fertilizer with equal nitrogen could promote the transformation of soil microaggregates（<0.25 mm）into macroaggregates，and increase the stability of soil aggregates and promote the enrichment of organic carbon（nitrogen）in aggregates，and increase soil organic carbon（nitrogen）storage，the effect of organic fertilizer nitrogen replacing 50% chemical fertilizer nitrogen mode was the most obvious.
土壤团聚体是土壤结构的基本单元，也是土壤中物质和能量转化的场所，其组成和稳定性是土壤结构变化的重要指示因子，能对土壤孔隙状况以及水、肥、气、热产生重要影响[1-2]，土壤团聚体的组成及其稳定性决定着土壤肥力水平[3]。目前，评价团聚体稳定性的指标主要有大团聚体含量、土壤平均质量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）以及分形维数（PSD）等[4]，可以较好地反映土壤结构的稳定性[5]。一般认为，大团聚体含量、土壤平均质量直径和几何平均直径越大，土壤团聚体分布状况与稳定性越好[6]。土壤有机质作为土壤团聚体形成的重要胶结物质，不仅影响水稳定性团聚体的数量，而且也影响水稳性团聚体的稳定性[7]，有机肥料含有较高含量的有机物质，同时有机肥料也可作为微生物生长的基质，增强土壤微生物数量、活性及微生物群落结构，促进土壤矿质土粒的胶结，进而影响土壤水稳性团聚体的形成[8]。有机肥施用对表层土壤水稳性大团聚体的组成有增加作用[9]，但有机肥施用量增加并未对土壤团聚体稳定性产生显著影响[10]。
长期不同施肥方式对土壤团聚体稳定性产生重要影响。研究表明，长期施用有机肥显著提高了土壤大团聚体比例及其稳定性[11-14]，可显著增加土壤团聚体有机碳及其组分含量[14-18]，化肥配施有机肥效果优于单施化肥[14，16-18]。张瑞等[19]通过探究化肥与有机肥配施对设施土壤团聚体稳定性的影响发现，连续 7 年化肥与有机肥配施促进了土壤大、微团聚体的形成，提高了土壤团聚体的稳定性，同时也显著增加了大团聚体（>0.25 mm） 有机碳和全氮含量。毛霞丽等[20]通过探究施肥对浙江稻田土壤团聚体分布的影响发现，有机肥与化肥配施和单施有机肥较不施肥均显著提高了 >2 和 2～0.25 mm 水稳定性大团聚体的含量和团聚体 MWD，强化了团聚体对土壤有机碳的物理保护作用。
近年来，关于有机肥替代化肥的研究日益增多，有机肥替代化肥的效果也受到作物种类、试验年限、肥料配施比例等多种因素的影响，针对西北黄土丘陵半干旱区黄绵土条件下有机肥等氮量替代化肥对马铃薯农田土壤团聚体稳定性及其养分含量的影响还缺乏深入系统研究。本试验以旱地马铃薯农田为研究对象，等氮量条件下研究有机肥替代化肥比例对土壤团聚体分布及其稳定性和团聚体有机碳、全氮含量的影响，以期确定有机肥等氮量替代化肥的适宜比例，为西北半干旱区马铃薯田间施肥提供科学合理的方案。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
试验设在甘肃省农业科学院定西高泉试验基地（定西市安定区团结镇高泉村，35°24′N， 104°34′E），该地区海拔 2000 m，年均气温 6.8℃，年均降水量 415 mm，年蒸发量 1531 mm，无霜期 146～149 d，为典型的西北黄土丘陵半干旱区。试验始于 2020 年 4 月，土壤类型为黄绵土，0～20 cm 耕层土壤基本理化性状：有机质 12.93 g/kg、全氮 0.73 g/kg、碱解氮 50.83 mg/kg、有效磷 15.12 mg/kg、速效钾 174.81 mg/kg、pH 8.21。
1.2 试验设计
试验以马铃薯为指示材料，品种为‘陇薯 10 号’。试验采用随机区组设计，设置 5 个不同施肥处理：（1）CK（100% 化肥氮）、（2）M25（等氮养分设计，25% 有机肥氮 +75% 化肥氮）、（3）M50 （50% 有机肥氮 +50% 化肥氮）、（4）M75（75% 有机肥氮 +25% 化肥氮）、（5）M100（100% 有机肥氮）。小区面积 45 m2，3 次重复。氮、磷、钾肥养分施用量分别为 N 180、P2O5 90、K2O 60 kg/hm2，试验所用的有机肥为商品有机肥（N 1.94%、P2O5 0.97%、K2O 1.83%），氮肥为尿素（N 46%），磷肥为过磷酸钙（P2O5 12%），钾肥为硫酸钾（K2O 50%），所有肥料于覆膜播前一次性施入。马铃薯采用全膜覆盖垄播栽培[21]，即为全地面地膜覆盖，起单垄，垄宽 60～70 cm、高 15 cm，沟宽 40 cm，马铃薯种植在垄的两侧。马铃薯于每年 4 月底播种，10 月中旬收获，田间管理措施与当地农户一致。
1.3 测定方法
1.3.1 土壤团聚体分级的测定
2022 年 10 月马铃薯收获后在田间取样，每个小区按照“S”形多点取样法采集耕层 0～20 cm 原状土样混合，装入硬质塑料盒带回实验室以备测试。采集的土样分别采用干筛法[22]和湿筛法[23] 分离出 >2、1～2、0.5～1、0.25～0.5、<0.25 mm 粒级的团聚体。
团聚体质量百分含量、R0.25 和 MWD、GMD 的计算公式如下：
(1)
(2)
(3)
(4)
式中，MWD 为土壤团聚体平均重量直径，GMD 为几何平均直径，R0.25 为 >0.25 mm 团聚体所占比重， m 为土壤团聚体总重，Xi 为第 i 级团聚体的平均直径，Wi 为第 i 级团聚体的重量占比。
1.4 数据处理
采用 Excel 2010 处理数据，DPS 15.10 进行统计分析，LSD 法进行差异显著性检验。
2 结果与分析
2.1 土壤机械性团聚体粒径分布
由表1可知，通过 3 年定位试验，在西北黄土丘陵半干旱区黄绵土条件下，有机肥等氮量替代化肥不同比例对 0～20 cm 土层土壤机械性团聚体粒径分布产生不同程度的影响。CK 以 <0.25 mm 粒级微团聚体占比为主，各有机肥等氮量替代化肥处理较 CK 降低了 <0.25 mm 粒级微团聚体含量，增加了 >2 mm 粒级大团聚体含量，且差异性达到显著水平（P<0.05）。1～2 和 0.5～1 mm 粒级的团聚体含量均有不同程度的增加，0.25～0.5 mm 粒级的机械性团聚体无差异。与 CK 相比，M25、M50、M75、M100 处理 >2 mm 粒级的机械性团聚体占比分别增加 26.7%、43.9%、 31.1%、25.4%，<0.25 mm 粒级的微团聚体分别减少 22.7%、39.8%、40.6%、31.3%。有机替代处理中以 M50 和 M75 处理效果较为明显，其次是 M100 和 M25 处理。上述结果表明，在西北黄土丘陵半干旱区黄绵土条件下，与单施化肥相比，有机肥等氮量替代化肥通过减少 <0.25 mm 微团聚体含量，显著增加 >2 mm 粒级的团聚体含量，促进了土壤机械性大团聚体的形成，以 M50 处理的效果最好。
表1不同施肥处理 0～20 cm 土壤机械性团聚体粒径分布
注：同列不同小写字母表示同一粒级不同施肥处理间的差异显著性（P<0.05）。下同。
2.2 土壤水稳性团聚体粒径分布
由表2可知，不同施肥处理 0～20 cm 土层土壤各粒级水稳性团聚体中以 <0.25 mm 微团聚体占比最高。与 CK 相比，有机肥等氮量替代化肥处理显著降低了 <0.25 mm 粒级水稳性团聚体含量，增加了 >2 mm 粒级的水稳性团聚体含量，其中 M50 处理差异最显著（P<0.05）；0.25～0.5 mm 粒级小团聚体含量不同程度下降，0.5～2 mm 粒级团聚体无差异。与 CK 相比，M25、M50、M75、M100 处理 >2 mm 粒级的水稳性团聚体含量分别增加 63.8%、 93.3%、78.7%、76.8%，<0.25 mm 粒级的水稳性微团聚体含量分别减少 10.6%、18.4%、23.0%、14.7%， 0.25～0.5 mm 粒级的小团聚体含量分别减少 5.27%、 16.1%、4.17%、10.2%。有机替代处理总体以 M50 和 M75 处理效果较为明显，其次是 M100 处理， M25 处理效果最差。上述结果表明，在西北黄土丘陵半干旱区黄绵土条件下，通过连续 3 年的定位试验，有机肥等氮量替代化肥较单施化肥显著降低了水稳性团聚体中 <0.25 mm 微团聚体和 0.25～0.5 mm 小团聚体含量，增加了 >2 mm 粒级的大团聚体含量，说明长期有机肥等氮量替代化肥有利于提高团聚体的团聚化程度，促进微小团聚体向大团聚体的形成。
表2不同施肥处理 0～20 cm 土层土壤水稳性团聚体粒径分布
2.3 土壤团聚体稳定性
由表3可知，无论是机械性团聚体还是水稳性团聚体，有机肥等氮量替代化肥处理较 CK 显著提高了土壤团聚体 R0.25 含量以及团聚体 MWD和 GMD（P<0.05），有机替代效果以 M50 和 M75 处理较好，其次为 M100 处理，M25 处理相对较差， M50 处理与 M75 处理差异不明显，但两者显著高于 M100 和 M25 处理。从机械性团聚体稳定性角度分析，与 CK 相比，M25、M50、M75、M100 处理土壤团聚体 R0.25 含量分别增加 9.76%、17.1%、17.4%、 13.4%，MWD 和 GMD 分别提高 20.3% 和 29.5%、 35.3% 和 61.0%、26.2% 和 48.9%、21.1% 和 37.1%。从土壤水稳性团聚体稳定性分析，M25、M50、M75、 M100 处理较 CK 土壤团聚体 R0.25 含量分别增加 7.44%、12.9%、16.2%、10.3%，MWD 和 GMD分别提高 34.7% 和 24.4%、53.1% 和 43.8%、45.9% 和 41.7%、 42.7% 和 32.8%。上述结果表明，在西北黄土丘陵半干旱区黄绵土条件下，通过连续 3 年的定位试验，有机肥等氮量替代化肥较单施化肥显著增加了团聚体 R0.25 的含量，提高了团聚体 MWD 和 GMD，说明长期有机肥等氮量替代化肥有利于增加土壤团聚体的稳定性。
表3不同施肥处理 0～20 cm 土层土壤团聚体稳定性
2.4 土壤水稳性团聚体有机碳和全氮含量
由图1可知，有机肥等氮量替代化肥较 CK 处理 0～20 cm 土层土壤各粒级水稳性团聚体有机碳、全氮含量的影响差异不同，以 M50 处理显著增加（P<0.05），其次是 M75 和 M25 处理。与 CK 相比，M50 处理 >2、0.25～2、<0.25 mm 粒级的土壤团聚体有机碳含量分别增加 8.28%、7.32%～8.02%、 8.09%，土壤团聚体全氮含量分别增加 18.2%、 19.5%～20.3%、19.4%；M25 和 M75 处理土壤团聚体有机碳含量均有不同程度的增加，但差异性不显著； M25 和 M75 处理 >2、0.25～2、<0.25 mm 粒级的土壤团聚体全氮含量分别增加 9.09% 和 6.82%、 9.58%～9.96% 和 7.28%～7.66%、9.30% 和 8.14%。 M100 处理与 CK 间差异不显著。上述结果表明，在西北黄土丘陵半干旱区黄绵土条件下，通过连续 3 年的定位试验，有机肥等氮量替代化肥较单施化肥增加了耕层土壤各粒级水稳性团聚体有机碳、全氮含量，说明长期有机肥等氮量替代化肥不仅促进大团聚体的形成，从而提高团聚体稳定性，也有利于增加团聚体有机碳、全氮养分含量，提高土壤有机碳（氮）库。
图1不同施肥处理对土壤水稳性团聚体有机碳、全氮含量的影响
注：同列不同小写字母表示同一粒径不同施肥处理间的差异显著性（P<0.05）。
3 讨论
3.1 有机肥等氮量替代化肥对土壤团聚体分布的影响
土壤团聚体的组成及其稳定性作为表征土壤物理特性的重要指标，可以保证和协调土壤的水肥气热状况，直接影响土壤肥力水平[19]。有机肥施用可使有机肥中的有机物质与矿物质颗粒胶结，促进土壤矿物质颗粒的团聚作用，显著改善了土壤团聚体结构，提高团聚体的水稳性[26-27]。本研究表明，在西北黄土丘陵半干旱区黄绵土条件下连续种植 3 年马铃薯，有机肥等氮量替代化肥较单施化肥增加了 >2 mm 粒级大团聚体含量，降低了 <0.25 mm 粒级微团聚体含量，这与前人在黑土[28]、黄绵土[29]、红壤[30]等土壤上的研究结果具有一致性，这说明有机肥替代化肥通过增施有机肥增加了土壤团聚体胶结有机物质，促进了土壤颗粒和微团聚体的黏结[31]，增强了团聚体的团聚化程度，有利于形成大团聚体和较好的土壤结构。本研究中有机肥等氮量替代化肥较单施化肥降低了 0.25～0.5 mm 粒级水稳性团聚体含量，这与荣勤雷等[32] 在设施蔬菜田研究有机肥 / 秸秆替代化肥模式提高了 0.25～1 mm 粒级团聚体比例的结论不一致，这可能是受土壤团聚体分级方法和土壤质地差异较大的影响。此外，不同比例有机肥替代化肥处理 （M25、M50、M75、M100）土壤团聚体分布存在差异，本研究的结果表明，有机肥替代 M50 处理对土壤团聚体分布的影响程度较大，其次是 M75 处理，M25 相对较小，这可能是由于不同比例有机肥替代化肥处理的外源有机物料投入的数量、微生物和酶活性以及土壤性质的差异导致的，所以有机肥替代化肥比例在一定范围内有利于促进大团聚体的形成，改善土壤团聚体结构。随着有机替代年限的增加，不同比例有机肥替代化肥处理间的差异以及对土壤团聚体分布的影响结果可能发生变化，本文仅是 3 年的阶段性研究结果，对于不同有机替代比例对土壤团聚体结构分布的影响还需进一步研究。
3.2 有机肥等氮量替代化肥对土壤团聚体稳定性的影响
土壤团聚体平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）是评价土壤团聚体稳定性的重要指标，MWD 和 GMD 值越大说明土壤团聚体结构越稳定[33]。本研究表明，基于西北黄土丘陵半干旱区黄绵土条件下连续种植 3 年马铃薯，无论是机械性团聚体还是水稳性团聚体，有机肥等氮量替代化肥氮处理较单施化肥处理显著增加了土壤团聚体 R0.25 含量、MWD 和 GMD，提高了土壤团聚体稳定性，这与前人[9，14-15，18-19，22]的研究结果基本一致。此外，不同有机肥替代化肥比例（M25、M50、M75、 M100）对土壤团聚体稳定性的影响存在差异，本研究结果表明，M50 和 M75 处理显著提高了土壤团聚体稳定性，较 M100 和 M25 处理效果明显，表明有机肥替代化肥比例在一定范围内有利于提高土壤团聚体的稳定性，这是因为有机肥替代化肥通过补充外源有机物质改善土壤结构，进而提高和保持土壤团聚体的稳定性[34]，且团聚体稳定性随有机肥施用量的增加而提高[35]，但也有研究表明，有机肥施用量增加并未对土壤团聚体稳定性产生显著影响[10]，这可能受到土壤质地、试验年限、肥料配施比例及覆盖栽培方式等因素的影响。
3.3 有机肥等氮量替代化肥对土壤团聚体有机碳、全氮含量的影响
土壤团聚体是赋存土壤有机碳（全氮）的重要场所，不同粒级团聚体的孔隙特性不同，致使有机碳（全氮）与矿物质颗粒的胶结作用存在一定差异，进而影响土壤有机碳（全氮）在不同粒级团聚体中的赋存与固定[36-37]。本研究表明，在西北黄土丘陵半干旱区黄绵土条件下，通过连续 3 年定位试验，有机肥等氮量替代化肥较单施化肥增加了耕层土壤各粒级水稳性团聚体有机碳、全氮含量，且有机肥等氮量替代化肥 M50 处理（50% 有机肥氮 +50% 化肥氮）增加效果最明显，较 CK 耕层 0～20 cm 土壤水稳性团聚体有机碳、全氮含量分别显著增加 7.32%～8.28%、18.2%～20.3%。这与张瑞等[19]、毛霞丽等[20]、李春越等[22]、荣勤雷等[32]的研究结果基本一致，这说明土壤中水稳性大团聚体是土壤有机碳（氮）的主要载体，有机肥替代化肥不仅向土壤直接输入了有机碳源，而且提高了微团聚体和大团聚体赋存有机碳（全氮）的能力，进而提升了土壤有机碳（全氮）的水平[38-39]，是改善土壤团聚体结构、维持和提高地力的有效措施。然而，不同有机肥替代化肥比例因外源有机物料投入的数量差异影响土壤团聚体有机碳、全氮含量，其输入的有机碳源多少可能直接影响土壤团聚体有机碳（全氮）水平，不同有机肥替代化肥比例随着有机替代年限增加可能导致其替代效果发生变化，还需进一步研究论证。
4 结论
在西北黄土丘陵半干旱区黄绵土条件下连续种植3年马铃薯，无论是机械性团聚体还是水稳性团聚体，与单施化肥相比，有机肥等氮量替代化肥模式有利于降低 0～20 cm 土层土壤 <0.25 mm 粒级微团聚体占比，提高 >2 mm 粒级大团聚体占比，显著增加了团聚体 R0.25 的含量，提高了土壤团聚体 MWD 和 GMD，增加了水稳性团聚体有机碳、全氮含量，且以有机肥等氮量替代 50% 的化肥氮模式（50% 有机肥氮 +50% 化肥氮）效果最明显。这说明长期有机肥等氮量替代化肥有利于提高土壤团聚体的团聚化程度，促进微小团聚体向大团聚体转化，改善黄绵土土壤团聚体结构，提高了土壤团聚体的稳定性和团聚体赋存有机碳（氮）的能力，进而有利于提高土壤有机碳（氮）库，是维持和培肥地力的有效措施。